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履带式移动机器人平台设计

时间:2010-09-28


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河北工业大学城市学院 2010 届本科毕业说明书

河北工业大学城市学院

毕业设计说明书
作 系 专 题 者: : 业: 目:

王佳 机械工程

学 号:

063268

机械设计制造及其自动化 多感官履带式移动机器人平台设计

指导者:

丁承君
(姓 名)

教授
(专业技术职务)

评阅者:
(姓 名) (专业技术职务)

2010 年

6 月 1日

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毕业设计中文摘要

多感官履带式移动机器人底盘设计 摘要:
多感官履带机器人是国家高技术发展研究计划(863)支持项目之一,包括 双节履带直流伺服驱动底盘和机器人多感官头部以及传感器系统和计算机控制 系统。本题目的设计目标是完成底盘机械结构设计,完成底盘驱动系统的电机功 率扭矩等参数计算校核、选型。 本设计利用了机械设计、机械制造、机电传动等专业知识,解决多感官履带 式机器人移动平台的驱动、移动平台的机械系统设计以及多节履带和附属部件的 设计。本设计的具有较强的实用性,可以作为各种移动机器人平台以及其它移动 设备的载体。

关键词:

机器人

平台设计

履带设计

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毕业设计(论文)外文摘要

Title

The Chassis Design of Multi-sensory Crawler-type

Mobile Robot

Abstract
The multi-sensory crawler robot , which includes the twin-crawler DC servo drive chassis and multi-sensory robot head as well as the sensor systems and computer control systems , is one of the items supported by The National High Technology Research and Development Program (863 Program).This subject is designed to complete the chassis mechanical structure design, to complete the parameter calculation and proof-reading such as the torque of the electric-motor power of the chassis drive system and to complete the proper type-selections. In this design specialized knowledge such as the mechanical design,

the machinery manufacturing and the mechanical & electrical transmission is used to design the drive system,mechanical system,multi-section crawler system and ancillary components of the mobile chassis of the multi-sensory crawler robot. This design has strong practical applications, it can be

used as the chassis of many kinds of moving robots and also as the carrier of other moving equipments.

Keywords: Robot

Chassis design

Crawler design

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目录(Index)
1 绪论 1 2 3 4 5

1.1 研究现状 …………………………………………………………………… 1.2 研究意义及目的 …………………………………………………………… 1.3 应用情况 …………………………………………………………………… 1.4 研究方向 …………………………………………………………………… 1.5 虚拟设计技术在多感官机器人中的应用 ………………………………… 2 课题内容及其参数要求

2.1 课题主要解决的问题………………………………………………………… 2.2 遇到的主要问题……………………………………………………………… 2.3 解决问题的方法……………………………………………………………… 2.4 参数要求……………………………………………………………………… 3 总体设计方案

6 7 7 7

3.1 底盘设计…………………………………………………………………… 3.2 传动系统设计……………………………………………………………… 3.3 驱动系统设计……………………………………………………………… 3.4 小结………………………………………………………………………… 4 移动平台底盘的机械设计

8 10 11 12

4.1 底盘设计…………………………………………………………………… 4.2 摆臂设计…………………………………………………………………… 4.3 多感官传感器……………………………………………………………… 4.4 承载轮……………………………………………………………………… 4.5 履带………………………………………………………………………… 4.6 外壳及辅助装置…………………………………………………………… 5 移动机器人动力系统设计

14 15 18 18 19 20

5.1 基于平地最大速度的驱动电机功率计算………………………………… 5.2 基于爬坡最大坡度的驱动电机功率计算…………………………………

22 23

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5.3 直流伺服电机的选型……………………………………………………… 5.4 电源选择…………………………………………………………………… 5.5 小结………………………………………………………………………… 6 传动系统设计

24 26 26

6.1 后轮减速器系统…………………………………………………………… 6.2 摆臂传动系统……………………………………………………………… 7 移动平台关键零部件有限元分析和校核

27 29

7.1 底盘的有限元分析………………………………………………………… 7.2 行星轮外支架有限元分析………………………………………………… 7.3 摆臂支架有限元分析……………………………………………………… 7.4 小结………………………………………………………………………… 8 总结及展望……………………………………………………………………

30 32 32 34 34 34 35

致谢……………………………………………………………………………… 参考文献…………………………………………………………………………

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1、

绪论

1.1

移动机器人的研究现状
移动机器人的研究始于 60 年代末期。斯坦福研究院(SRI) 的 Nils Nilssen



Charles Rosen 等人,在 1966 年至 1972 年中研造出了取名 Shakey 的自主移

动机器人。 目的是研究应用人工智能技术, 在复杂环境下机器人系统的自主推理、 规划和控制。与此同时,最早的操作式步行机器人也研制成功,从而开始了机器 人步行机构方面的研究, 以解决机器人在不平整地域内的运动问题,设计并研制 出了多足步行机器人。其中最著名是名为 General ElectricQ uadruped 的步行 机器人。70 年代末,随着计算机的应用和传感技术的发展,移动机器人研究又 出现了新的高潮。 特别是在 80 年代中期, 设计和制造机器人的浪潮席卷全世界, 一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台, 这些移动机器人主要作为大学 实验室及研究机构的移动机器人实验平台, 从而促进了移动机器人学多种研究方 向的出现。90 年代以来, 以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术,高 适应性的移动机器人控制技术, 真实环境下的规划技术为标志,开展了移动机器 人更高层次的研究。 智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。 智能移动机器人集人 工智能、智能控制、信息处理、图像处理、检测与转换等专业技术为一体,跨计 算机、自动控制、机械、电子等多学科,代表机电一体化的最高成就,是当前智 能机器人研究的热点之一。 随着在智能移动机器人应用领域的不断扩大, 机器人要完成的任务也越来越 复杂。 尽管对智能移动机器人的研究已经取得了令人鼓舞的可喜成果,但随着机 器人研究的不断深入, 智能移动机器人研究领域还存在许多的挑战性课题有待我 们解决[1]。

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1.2

研究意义及目的
科学技术是第一生产力, 各国之间综合国力的竞争,很大程度上取决于高新

技术之间的竞争, 作为机电一体化的最高成就,机器人技术普遍受到了各国政府 的重视, 他们都将机器人作为一个战略高新技术给予支持。中国工程院院士宋健 曾指出: “机器人学的进步和应用是 20 世纪自动控制最有说服力的成就,是当代 最高意义上的自动化。 ”智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器人,是 机构学、自动控制、计算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真 技术等多种学科和技术的综合成果。智能机器人作为新一代生产和服务工具,在 制造领域和非制造领域占有广泛、重要的位置,对人类开辟新的产业,提高生产 与生活水平具有十分现实的意义[2]。 移动机器人是智能机器人中智能最高的机器人, 它可以在动态坏境中无须人 工干预便自主完成从起点到终点的行驶任务。近十年来,移动机器人的研究十分 活跃,其得到快速开发的原因主要有两个方面:其一,移动机器人有广泛的应用 范围,包括制造系统、服务行业、国防、航天及其它社会应用方面。其最成功的 应用是作为自动化生产系统中的物料搬运装置,用以完成机床之间、机床与自动 仓库之间的工件传送, 以及机床与工具库间的工具传送。由于移动机器人运动灵 活, 因而大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。星际探索和海洋开发也是促 使移动机器人发展的重要因素。 早在六十年代,美国 MIT 就开始研究火星探索用 移动机器人,以便在火星上软着陆后进行移动收集数据。海洋开发方面,移动机 器人的作用是资源调查、石油矿藏开采、沉船打捞等。现在,移动机器人的研究 开发除上述应用外, 还涉及许多其它应用领域。如在采矿业中进行隧道的掘进和 矿藏的开采,在医疗中对病人进行护理,在农业中实施化肥和农药的喷洒,在军 事上用于探测侦察、爆炸物处理,特别是在一些具有危险性的操作中,例如,核 电厂的废料搬运、有毒的化工场地作业。最近几年,移动机器人技术也应用到了 智能交通系统中。其二,与任何一门现代技术分支一样,移动机器人研究的兴起 一方面是社会生产发展的需要, 另一方面也是相关技术领域交叉发展的结果。其 中一个最直接的因素是计算机技术的发展。计算机信息处理、存储能力的大幅提 高, 为移动机器人运行更复杂的实时控制算法创造了条件。另外计算机科学出现 了一系列诸如人工智能、 专家系统等新兴技术分支学科,这些学科为移动机器人

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未知或动态环境的实时导航开辟了道路。 移动机器人技术已成为众多高新技术的 产物, 同时也为其它技术的发展提供了丰富的研究素材和应用场所。从阿波罗登 月计划中的月球车到美国 NASA 行星漫游计划中的六轮采样车,从西方各国正在 加紧研制的战场巡逻机器人、 侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人和智能服 务机器人, 都有力地显示出移动机器人正在成为智能机器人发展的方向。不同于 传统的机器人手臂, 移动机器人具有其特殊的机构模型和应用性,是一个集多种 功能于一体的综合系统。 移动机器人的研究提出了许多新颖的、挑战性的理论与 工程技术课题, 引起了越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣。智能移动机 器人的发展极大的扩展了人类对周围环境空间的认识范围, 也为机器人技术与人 工智能的发展提供了一个极好的研究平台。 智能移动机器人正在走进我们的日常 工作和生活。

1.3

应用情况
早在六十年代, 国外就已经开始了关于移动机器人的研究,并且己经研究出

能适应地面、地下、水中、空中以及太空环境作业的多种机器人机构。斯坦福研 究所(SRT)的 NilsNilssen 和 CharlesRosen 等人, 1966 年至 2972 年间研制的 在 名为 shakey 的自主移动机器人, 成为世界上第一个运用逻辑思维自行定位物体, 并在物体周围移动的智能移动机器人,如图 1.3.1 所示。

图 1.3.1 Shakey 机器人

由美国 iRobot 公司生产的 Packbot 系列机器人因其在伊拉克和阿富汗战场 上表现优秀,挽救了很多士兵的生命而享誉盛名,见图 1.3.1.4。 “Packbot”意 指“背包机器人” ,它体型小,易于携带,美国军方已准备将其纳入美军新型单
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兵标准装备“模块化轻型携行装备(MOLLE)”中。它的最大时速可达 14 公里,每 次充电后行驶距离能超过 13 公里,同时涉水深度可达 3 米。 “Packbot”机器人 十分结实,即使从 1.8 米的高度摔在硬质混凝土上,也毫发无伤。 “Packbot”越 障能力极强,能爬 60%的坡度楼梯,有多种越障方式,能越过比自身高度大许多 的障碍,可以从任何颠覆状态下恢复到正常行驶状态。可用于侦察、反狙击、战 术实施,如反地道、近距离干扰等。现在,iRobot 公司正在研发一种名为“勇 士”的多功能模块化机器人,它是继“Packbot”之后的新一代机器人,并能运 送“Packbot”机器人,可以执行补给、安装武器、医疗救护、机动、为士兵运 送装备等任务[3][4]。

图 1.3.2 “Packbot”机器人

国家高技术研究发展计划(863 计划),经过近二十年的不懈努力,取得了一 系列令世界瞩目的科研成果。 从大型的工业机器人到小型的纳米机器人,从代表 国家最高科技水平的登月机器人到提高学生综合素质的教育机器人, 机器人产业 在中国正进入一个快速发展的时期,呈现出一种欣欣向荣的前景[5]。

1.4 研究方向
1、拓展履带机器人的使用范围 目前履带机器人在民用领域主要用途是安全监视、 反恐、 排爆、 消防、 搜救; 在军事领域主要用途是洞穴、建筑物勘测、扫雷、破障、生化战剂探测等;但这

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还远不能满足目前日益增长的生产、生活需求和军事需求,正因为如此,世界各 国开始积极拓展小型履带式机器人的使用范围, 包括将便携式履带机器人用于家 庭服务、科学考察、充当旅行助手或者是在战争中用于目标指示、火力发射、战 术运输、通信中继等[6]。 2、实际应用履带机器人 目前, 履带机器人无论是军用还是民用都未普及,主要是该类机器人造价不 菲,如一台 Packbot 价值 32 万人民币,虽然在阿富汗战争,伊拉克战争中使用 过,但由于价格太高,美军也未能大面积部署。进一步降低机器人成本,推向实 用化才能挖掘出机器人的潜力和存在价值[6]。 3、增加履带机器人与其它种类机器人之间的互操作能力 单一的地面小型履带机器人所能完成的任务有限,为提高执行任务能力,在 多种作业环境下如地面、水下和空中,各类机器人要求能密切集成与合作,这样 需要机器人之间增强互操作能力, 互操作能力所需的信息技术标准和接口涉及信 息传输、建模、处理与安全以及人机接口等方面技术。 4、进一步提高履带机器人运动灵活性和运动可靠性 机器人可根据外界环境变化主动调节运动关节辅助爬坡、越障,从而增强机 器人运动灵活性和地形通过能力;另外机器人应具备良好的运动可靠性,如机器 人有抗冲击能力,执行任务时从高处掉落而不损坏[7][8]。

1.5 虚拟设计技术在多感官机器人中的应用
虚拟设计是 20 世纪 90 年代发展起来的一个新的研究领域, 是计算机图形学、 人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物。它 以计算机仿真和产品生命周期建模为基础,集计算机图形学、人工智能、并行工 程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术为一体,在虚拟的条件下对产品进行 构思、设计、制造、测试和分析;从而提高产品在时间、质量、成本、服务环境 等多目标中的决策水平,达到全局优化和一次性开发成功的目的。 通过虚拟设计可以完成多感官移动机器人的虚拟设计,虚拟装配,虚拟运动 仿真等工作,并且在虚拟设计中,设计人员可以使用各种装配工具对设计的机构 进行装配检验,确定零部件的安装有无困难、零部件之间是否有干涉现象等。若

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有则可以随时进行改进设计,从而避免了由于设计上的疏忽而造成大批零件的报 废。

2 、课题内容及其参数要求

2.1 课题主要解决的问题
移动平台的机械结构设计是本课题主要解决的问题。 室外移动机器人是一个 组成结构非常复杂的系统,它应不仅具有加速、减速、前进、后退、转向以及越 障等常规的功能,而且还应具有任务分析、路径规划、路径跟踪、信息感知、自 主决策等类似人类智能行为的人工智能。因此,按其功能划分,室外移动机器人 可以看作是由机械装置、行为控制器、知识库及传感器系统组成的相互联系、相 互作用的复杂动态系统。 本文设计的多感官履带式移动机器人主要应用在消防、反恐、公安等需要特 殊作业的部门, 这就要求移动机器人在野外路面和城市路面能够自如行驶,可以 通过诸如楼梯、斜坡等一般障碍,在野外自然裸土山上行驶时具有防尘功能。为 了使机器人实现不同的功能, 机器人应可以搭载不同的子系统, 如消防、 轻武器、 侦察监听设备、夜视设备、机械手等,同时搭载平台应该具有两个以上的自由度 以便灵活作业。 此外在执行任务的过程中机器人除了本身能存储一定的声音图像 资料外,还应实时传递信息,实现机器人与人之间的通讯。在突发状况通讯中断 时机器人应具有一定的自主行动能力,使其能够安全返回。综上所述,多功能特 殊移动机器人要完成既定任务应具体有以下几方面需求: l) 移动灵活敏捷。可以在城市路面以及部分野外路面以较高的速度行走,转向 灵活; 2) 较强的越障、避障能力。可以通过城市内一般障碍,可以攀爬标准楼梯以及 城市内所有坡道; 3) 适应性能较强。可以在恶劣的环境中作业; 4) 结构紧凑轻巧。 降低了移动机器人的重心,保证了其行进中的稳定性:同时作 为战场机器人使用时,也便于机器人的隐蔽、携带。

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2.2 遇到的主要问题
在前期设计中主要遇到的问题是: 普通的移动机器人运动平台中的减速器和 电机占的空间过大,是地盘结构复杂,体积过大,机构不紧凑,无法满足要求, 如果可以减少减速器和电机占的空间,就能在平台中安装更多的其它设备,提高 机器人的总体性能。

2.3 解决问题的方法
遇到此问题后查阅了 《汽车构造》 一书, 其中减速器一章介绍了轮边减速器。 在重载货车、 越野车或大型客车上,当要求有较大的主传动比和较大的离地间隙 时, 往往将双机主减速器中的第二集减速齿轮机构制成同样的两套,分别安装在 两侧驱动车轮的近旁。由此想到用行星轮减速器,将其装在驱动轮中,这种结构 可以增大减速比,提高驱动力,同时减小了减速器所占的空间,而且机构紧凑。 经过计算,两级行星轮减速器可以达到 1/25 的减速比。

2.4 参数要求
表 2.4.1 多感官移动机器人移动平台设计要求 总体结构 自重 载荷 结构指标 搭载接口 结构尺寸 平地最大速度 正常速度 最大通过坡度 机动指标 楼梯通过能力 转向能力 续航能力 防护能力 能通过普通标准楼梯 零半径 1 小时以上 防水防尘,抗冲击。 二维随动搭载平台 1200*700*500 >1m/s 0.7m/s >30° 双节履带式结构 <100Kg >50Kg

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3 总体设计方案
本设计的多感官机器人移动平台包括移动平台的机械系统和动力系统。 机械 系统又包括底盘和传动系统。总体布局如图 3.1 所示。

驱动系统

底盘

传动系统

图 3.1 多感官履带式移动机器人平台总体布局

3.1 底盘设计
移动平台的底盘是移动机器人的基础,机器人的各种传感器、控制器、驱动 器以及搭 载平台都需要以移动平台为载体, 同时移动平台还要实现移动机器人的基本功能 一一移动。 机器人的移动方式多种多样,主要的移动机构有:轮式、履带式、腿式等。 履带式移动机器人适合在未加工的天然路面上行走, 履带本身起着给车轮连续铺 路的作用。履带式移动机构和轮式、腿式移动机构相比,具有如下特点: 1)支撑面积大,接地比压小,适合于松软或泥泞场地作业,下陷度小,滚动阻力 小,通过性能较好; 2)越野机动性好,爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机构; 3)履带支撑面上有履齿, 不易打滑, 牵引附着性能好, 有利于发挥较大的牵引力; 4)结构复杂,重量大,运动惯性大,减震性能差,零件易损坏。 双节履带设计是目前出现的众多复合履带式结构移动机器人中的一种。 双节

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履带设计可以提高履带车的爬坡和越野能力,使履带车更容易通过障碍物,增加 了机器人的灵活性,目前双节履带设计在移动机器人上已有较多应用。 本设计采用双节履带设计, 每个摆臂可以单独有电动机驱动,摆臂履带为从 动。布局如图 3.1.1 所示。

车身主履带

摆臂履带 图 3.1.1 双节履带设计布局

移动机器人驱动轮的选择关系到机器人的运动性能指标。 履带式移动机器人 的驱动轮分布主要有后轮驱动和前轮驱动两种。 履带两端的导向轮哪一个用来驱 动更为合适与履带机构的形状有关。对于本题目中的双节履带,以驱动轮在后方 比较有利,这时履带的上分支受力较小,导向轮受力也较小,主履带承载分支处 于微张紧状态,运行阻力较小,如图 3.1.2(a)所示。反之,前轮为驱动轮时, 履带的上分支及导向轮承载最大载荷,履带承载分支部分长度处于压缩弯折状 态,运行阻力较大,见 3.1.2(b)图。

图 3.1.2 前后驱动比较

移动机器人使用两台电机分别对两个后轮进行驱动, 通过控制电机的转速实 现移动机器人的差速转向。这样可以实现机器人的快速转向和原地零半径回转。 如图 3.1.3 所示。

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驱动电机

传动系统

图 3.1.3 多感官履带式移动机器人平台动力系统及传动系统布局

3.2 传动系统设计
为了节省空间, 本题目中的传动系统采用了行星减速器设计。从结构上实现 了电机直接驱动后轮。行星减速器采用 2K-H 型行星齿轮传动。原理如图 3.2.1 所示。

图 3.2.1

2K-H 型行星齿轮传动机构

a、b:太阳轮;e:行星轮;H:转臂
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行星减速机其优点是结构比较紧凑, 回程间隙小、 精度较高, 使用寿命很长, 额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。

3.3 驱动系统设计
驱动系统是机器人系统的动力来源, 选择最佳的驱动系统是设计多感官移动 机器人的关键。 现代机器人的驱动方式主要有气动驱动、液压驱动和电动驱动三 种。 气动驱动系统以压缩空气为动力源,具有气源方便,系统结构简单,运动快 速灵活,不污染环境,以及维修方便,价格便宜,适合在恶劣工况条件下工作等 特点。但是由于气体具有可压缩性,气动驱动系统的平稳性差,高速时要设缓冲 或制动装置,低速时不易控制,速度、位置控制难于达到精确值,一般不能用于 伺服系统。 液压驱动系统是较早被采用的驱动方式, 它具有重量轻、 惯量小、 传动平稳、 控制环节简单等特点。 但是液压驱动系统的液压油容易泄漏,影响工作性能和污 染环境,它需要单独的油源,所占空间较大,主要适用于中、大型机器人。 电动驱动系统具有传动平稳、灵活、速度快、控制简单精确、无污染、效率 高、结构简单、无管路系统、维护方便等特点。适用于中、小型机器人。 采用电动驱动系统是现代机器人的技术发展趋势之一,负荷 1000N 以内的 中、小型机器人,现已绝大部分采用了电动驱动系统。因此多感官移动机器人平 台采用电动方式驱动,并将蓄电池作为电动机和控制系统的动力能源。 在确定了驱动方式后, 需要选择合适的电动机。电动机的性能直接决定着驱 动系统的性能, 它的选择成为设计多功能特殊移动机器人驱动系统的基础。电动 机按照工作电源分类可分为交流电机(AC)和直流电机(DC)两种。 交流电机(AC)具有结构简单、造价便宜、维护方便等优点,一些工业机器人 就使用交流供电, 但是交流电机控制特性较差,要实现无级调速必须做到频率无 级调节, 虽然在现代控制理论发展到今天和产生了矢量控制技术以及脉宽调(PWM) 技术的条件下交流电机变频调速己成为现实, 但是交流电机的调速系统还是比较 复杂。 直流电机(DC)的激励电流和电枢电流二者的大小及方向可以独立地分别控

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制, 从而使转速在很宽的范围内可以得到精确的调节,具有良好的控制性能和调 速性能。但是传统的有刷直流电机体积较大,结构复杂、散热性能差,它必须有 炭刷和换向器,炭刷易产生电火花会引起电磁干扰,它和换向器易损坏,降低了 电机的稳定性和寿命。 无刷直流电机由电子换向器取代了普通有刷直流电机炭刷 和换向器的机械换向, 消除了机械换向带来的诸多限制,它既保持着有刷直流电 机的优秀控制性和调速性,又具有可靠性高、结构简单、寿命长、体积小、噪声 低、 损耗低、 无干扰性、 过载能力大等优点, 是交流电机与直流电机优点的结合, 广泛用于机械、交通运输等领域。 综上所述, 多功能特殊移动机器人移动平台选用无刷直流电机进行驱动,具 体由电动机、减速箱、数字伺服驱动器和光电编码器组成。两台电动机分别驱动 两个驱动轮为机器人运行提供动力, 数字伺服驱动器对电动机的转速和转向进行 控制, 并通过光电编码器对电机转速和位置的反馈进行不断调整,它们共同组成 一个闭环系统,控制机器人完成前进、后退和转向等动作。如图 3.3.1 为驱动闭 坏系统的示意图。
电源 输出 数字伺服驱 动器 电动机 减速器

光电编码器 图 3.3.1 驱动闭环系统

3.4 小结
综上所述,多感官移动机器人平台包括了平台底盘,传动系统,驱动系统。 由于每个系统之间相互联系又相互制约, 总体设计的目的就是为了是每个子系统 合理布局,是整个平台尽量结构紧凑、运行灵活。 移动平台的最终三维示意图如图 3.4.1 所示。

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图 3.4.1 多感官履带式移动机器人平台渲染效果图

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4、移动平台底盘的机械设计
要设计在室外工作的移动机器人,首先要考虑移动平台的机械结构。移动平 台是车上仪器设备的搭载平台, 是移动机器人的基础,其功能和适应性的好坏直 接关系到机器人的使用寿命和完成任务的情况。因此,移动平台机械结构设计是 移动机器人开发过程中的一个非常重要的环节。

4.1 底盘设计
多感官移动机器人底盘是各种机械结构韵载体, 它承载着其它机械结构和搭 载元件的部分重量, 同时也是其它部件的定位基准。这就要求机器人底盘具有一 定的强度、刚度和较高的可靠性。在加工精度方面,底盘各轴孔、定位面应该具 有较高的精度,以保证其它元件的准确定位。另外,根据机器人指标要求,移动 机器人应该具有较高的通过障碍能力.,在进行底盘设计时,应该充分考虑到底 盘通过能力。 本设计中的底盘采用钢板弯曲焊接而成,制造成本低,结构简单,重量轻, 刚度大,而且便于其它设备连接。材料采用 45 钢,易于折弯焊接。另外底盘还 附属有其它加强结构。结构如图 4.1.1 图 4.1.2 所示。

图 4.1.1 底盘板料
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图 4.1.2 底盘折弯焊接后成型

4.2 摆臂设计
本题目中的摆臂设计为各自可 360°自由旋转,可以通过各种障碍物,增加 了灵活度,摆臂与涡轮蜗杆减速器相连,可以实现反向自锁。同时摆臂与前轮从 动轮直接相连,无需单独驱动,即简化了结构,又不影响爬坡能力。结构如图 4.2.1 所示。

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图 4.2.1 能 360°旋转的摆臂

为了能使摆臂易于安装, 摆臂设计为外伸结构,中间用空心支撑桶来支撑固 定前轮, 中间轴来带动摆臂运动。中轴与内部的绝对码盘和蜗轮蜗杆减速器相连 接。空心支撑同结构如图 4.2.2 所示。

图 4.2.2 前轮及摆臂示意图

由于在使用摆臂过障碍时, 车身重量的一半会落在摆臂的履带上,如果摆臂 上的履带没有承载轮的话,将会使履带拉伸过于严重。如图 4.2.3

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图 4.2.3 过障碍时摆臂履带会过载

为此,在摆臂上加装了承载轮,是平台在过障碍时更加容易,同时也保护了 摆臂所用的履带,延长了使用寿命。改进如图 4.2.4 所示。

图 4.2.4 摆臂加装的承载轮

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4.3 多感官传感器
本题目为多感官移动式履带机器人,因此在移动平台上加装了视觉传感器、 测距、声音传感器动多种传感器。视觉传感器采用摄像头,在摄像头旁边装有 LED 灯,可以在夜晚使用,在摄像头的下方装有红外线灯,以备特殊情况使用。 同时传感器的本身可以 90°旋转,增加了灵活性和视角。如图 4.3.1 所示。

图 4.3.1 多感官传感器

4.4 承载轮
移动平台虽然有了前轮和后轮的支撑和动力可以行走, 但是如果机器人平台 需要过障碍物,障碍物在前后轮之间的时候,会对履带产生非常大的压力,甚至 于损坏履带。 因此必须有承载轮来分担履带的受力。 承载轮如果使用刚性固定的, 会使机器人平台产生较大的震动,不易于过障碍和平地行走,因此承载轮上安装 了减震弹簧,使其变为弹性轮系。其结构如图 4.4.1 所示。

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图 4.4.1 承载轮结构

4.5 履带
履带机器人的行走部件是本题目所设计的移动平台, 该平台采用摇摆带动一 节可旋转履带, 即双节履带设计。 结构如图二所示。 主履带采用环型无接头履带, 内部有加强钢丝,无接头,整体抗拉强度高。同时节距稳定性强,误差少。工作 过程中节距不发生变形或位移, 确保了运行过程中全时与驱动轮正确啮合,机械 传动功率损失少,延长了机器与橡胶履带的寿命。而且伸长率极低。环型无接头 橡胶履带的伸长率仅仅是钢丝帘线的伸长量,数值非常小。此伸长量的存在对履 带的正常使用不构成任何影响, 只要钢丝不断,橡胶履带在首次使用的跑合期张 紧后,今后无需再张紧。因此本设计题目中未加入张紧装置。

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图 4.5.1 环型无接头履带

4.6 外壳及辅助装置
为了防止碰撞给履带和后轮带来的损坏, 在移动平台上设计了具有保护性的 外壳。外壳设计有可以打开的盖子,盖子下面装有控制器,可以方便的打开盖子 对移动平台进行操作。 在总装配体中, 摆臂不用时可以与主履带平行放置,既节省空间又防止摆臂 履带碰撞损坏,当需要时可以在旋转伸出摆臂。如图 4.6.1 所示。

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图 4.6.1 装配图效果图中的外壳

外壳的后部有可视窗口,可以将其打开,里面装有控制器,方便操作调试。 如图 4.6.2 所示。

图 4.6.2 打开后盖以便操作控制器

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5、移动机器人动力系统设计

5.1 基于平地最大速度的驱动电机功率计算

N1

N2

MLR

R

ML O

O1

f mg

图 5.1.1 移动机器人平地直线运动受力图

根据理论力学平面交汇力系平衡条件和合力矩定理:

F 0 M F 0
o i i 1 n

5.1.1

则,移动机器人平地直线运动的平衡方程为:

X 0, M / R f 0 N N mg 0 Y 0, M F 0, M M fR N
l 1 2
o

5.1.2
2

LR

L

L1 mgL3 0

其中, m:为移动机器人的质量(kg),m=50Kg; R:为移动机器人驱动轮半径(m),R=0.15m; L1:为移动机器人支撑轮轴心到驱动轮轴心的水平距离(m),Ll=0.7llm; L3:为移动机器人重心到驱动轮轴心 O 的水平距离(m), ML:为驱动电机的驱动力矩(Nm); N1、N2:为地面对移动机器人的支撑力; MLR:为滚动摩阻力矩(Nm),MLR=δ(N1+N2),取δ=0.007m; f:为地面对移动机器人的摩擦阻力; μ:为地面与履带摩擦系数,取产=0.17。
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L3=0.34m;

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ML MLR-fR+N2L1-mgL3 fR 0.17 100 9.8 0.15 24.99 Nm

可以得出, 移动机器人两侧电机经减速器减速后在最大行驶速度下需要提供 的极限扭矩为 12.5Nm。 在 lm/s 的最大行驶速度下,驱动电机经过减速箱减速后需要提供的极限转 速为:
n max v max/ D 1 1.06r/s 63.7r/min 3.14 0.3

5.2 基于爬坡最大坡度的驱动电机功率计算
相对于平地行驶过程, 爬坡能力对于移动机器人的驱动能力是一个重要的衡 量指标, 所以在进行驱动系统设计时,爬坡指标的计算也应作为选择电机的必须 依据。 假设移动机器人在最大指标 30°的斜坡上匀速行驶,行驶速度为 0.3m/s。 在行驶过程中机器人轮子作瞬时纯滚动,不考虑空气阻力的影响。移动机器人爬 坡受力情况如图 5.2.1 所示。

N2

y N1 x

O1

O ML MLR R

mg

f

图 5.2.1 移动机器人爬坡受力图

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移动机器人爬坡平衡方程为:

X 0, M / R f mg sin 30 0 N N mg cos 30 0 Y 0, M F 0, M M fR N L mgL cos 30 0
L 1 2
o

5.2.1

LR

L

2

1

3

解方程的:
ML MLR fR N 2 L1 mgL3 cos 30 f mg sin 30R 0.17 100 9.8 100 9.8 sin30 0.15 98.5Nm

可以得出, 移动机器人两侧电机经减速器减速后在最大坡度下爬坡需要提供的极 限扭矩为 49.25Nm。 0.3m/s 的速度爬坡时,驱动电机经过减速器后所需提供的转速为:
n v / D 0. 3 19.1r/min 3.14 0.3

由以上分析可知,移动机器人平地直线运动时要求的驱动电机输出转速较 大,而爬坡时要求的驱动电机输出扭矩较大。因此在电机选型时,应根据平地直 线运动要求转速和爬坡要求扭矩进行选择。

5.3 直流伺服电机的选型
电动机选择上海从化 S3 系列,如表 5.2.1

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表 5.3.1 上海从化 S3 系列直流伺服电机

根据功率,选择 S3-756 系列直流伺服电机,最高转速为 2000rpm,从而确 定减速器减速比为 25:1。S3-756 直流伺服电机的转居转速特性图如图 5.3.1 所示。峰值扭矩为 Tp=6.1Nm,连续扭矩 Tc=1.5Nm,最高转速为 nmax=2000rpm, 额定功率 P=220W。

图 5.3.1 S3-756C 直流伺服电机扭矩转速图

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图 5.3.2 S3-756C 直流伺服电机(上海从化)

5.4 电源选择
移动平台的电源选用了上海华伍波尔的 HW36V10AH 锂电池, 规格为 36V20AH, 电池组品质为 3.8Kg。最大连续放电电流不超过 20A,最大脉冲电流不超过 30A。 最大输出功率为 720W,可以满足两台电动机需求。电池组还具有防过充,防过 放,防短路,防高温,过电流保护等功能。

5.5 小结
本章对多感官移动机器人的动力系统做了计算校核及选型。 动力系统的好坏 直接影响到机器人的使用情况, 因此十分重要。在查阅了移动机器人使用的各种 场合, 对比发现本设计题目中的机器人主要以平地运动为主,因此电动机以平地 运动为主要计算参数。 由于直流伺服电机可以周期性过载运行,因此本移动平台 不能长时间爬坡运行。 这样可以减小电动机功率和电源功率,使移动平台更加灵 活和便携,同时也能使用与绝大多数场合使用。

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6、传动系统设计
由电动机输出的动力,需要通过传动系统传递到机器人移动平台的后轮上, 以便驱动机器人运动。 可见传动系统是整个移动平台实现是运动功能的纽带和关 键。

6.1 后轮减速器系统
移动平台另一个关键部分是传动系统, 而传动系统的核心是减速器。 体积小, 功率大,结构合理的减速器是传动系统的关键。 行星减速机是一种用途广泛的工业产品, 其性能可与其它军品级减速机产品 相媲美,却有着工业级产品的价格,主要用于塔式起重机的回转机构,又可作为 配套部件用于起重、挖掘、运输、建筑等行业。 行星减速器内部齿轮采用 20CvMnT 渗碳淬火和磨齿具有体积小、重量轻,承 载能力高,使用寿命长、运转平稳,噪声低、输出扭矩大,速比在、效率高、性 能安全的特点。兼具功率分流、多齿啮合独用的特性。是一种具有广泛通用性的 新性减速机。最大输入功率可达 104kW。适用于起重运输、工程机械、冶金、矿 山、石油化工、建筑机械、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表、汽车、船舶、兵器 和航空航天等工业部门行星系列新品种 WGN 定轴传动减速器、WN 子母齿轮传动 减速器、弹性均载少齿差减速器。 本题目中选用了两级行星减速器,减速比为 25:1,每一级减速比为 5:1, 如图 6.1.1 所示为减速器结构图, 采用行星减速器可以有效的节约移动平台内部 空间,从而可以搭载更多的传感器和其它设备。

图 6.1.1 后轮传动系统二维结构示意图

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图 6.1.2 后轮传动系统三维示意图

6.2 摆臂传动系统
摆臂设计是使用在移动平台过障碍的过程中,提高通过能力的装置。为了能 是摆臂转动,需要有电动机来带动其转动,但当摆臂使用是必须固定不动,才能 起到支撑作用。 因此摆臂的传动系统必须有锁定更能,同时机器人系统还需要能 检测到摆臂的位置,以便控制各种姿态。 蜗轮蜗杆减速机是一种动力传达机构,利用齿轮的速度转换器,将电机(马 达)的回转数减速到所要的回转数,并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动 力与运动的机构中, 减速机的应用范围相当广泛。几乎在各式机械的传动系统中 都可以见到它的踪迹,从交通工具的船舶、汽车、机车,建筑用的重型机具,机 械工业所用的加工机具及自动化生产设备, 到日常生活中常见的家电, 钟表等等. 其应用从大动力的传输工作, 到小负荷,精确的角度传输都可以见到减速机的应 用,且在工业应用上,减速机具有减速及增加转矩功能。因此广泛应用在速度与
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扭矩的转换设备。 摆臂驱动装置采用蜗轮蜗杆减速器,减速比为 66:1,采用力矩电机驱动。 结构如图 6.2.1 所示。 蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能,同时可 以有较大的减速比。因此用在驱动摆臂上就可以省去了抱闸机构。

图 6.2.1 蜗轮蜗杆减速器三维示意图

7、移动平台关键零部件有限元分析和校核
多感官移动机器人平台的关键零部件有底盘、行星轮外支架和摆臂。 底盘是移动平台的基础,底盘的强度和刚度直接影响整个平台是否能够使 用,因此必须进行校核。 行星轮外支架直接为后轮提供动力, 是否符合强度要求是平台运动能力的关 键,因此需要对其进行校核。 摆臂是移动平台过障碍时使用的,过障碍时二分之一的重量都分担在摆臂 上,如果摆臂刚度不够,会影响移动平台过障碍的能力,因此也需要校核。 本设计使用了 solidworks 自带的 COSMOSXpress 进行有限元分析。Cosmos 软件是美国 SRAC 公司的产品,它具有计算速度快、解题时占用磁盘空间少、使 用方便、分析功能全面、与其他 CAD/CAE 软件集成性好等优点。

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7.1 底盘的有限元分析
底盘的材料为 45 号钢, 建模时材料选择普通碳钢, 划分单元格最小 0.62mm, 单元公差 0.03mm。最大受力 1000N,全部加载在横梁上。计算求解后,得到底盘 的应力分布云图和位移分布云图分别如图 7.1.1 和 7.1.2 所示。
6 从 计 算 结 果 来 看 , 最 大 应 力 9.44 10 Nm , 材 料 许 应 力 为

m 6.2 10 8 Nm ,安全系数 s=0.015,因此符合要求。

图 7.1.1 应力分布云图

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图 7.1.2 位移分布云图

7.2 行星轮外支架有限元分析
行星轮外支架的材料为 45 号钢,建模时材料选择普通碳钢,划分单元格最 小 0.62mm,单元公差 0.03mm。最大受力 750N,全部加载在横梁上。计算求解后, 得到底盘的应力分布云图如图 7.2.1 所示。
7 从 计 算 结 果 来 看 , 最 大 应 力 3.89 10 Nm , 材 料 许 应 力 为

m 2.2 108 Nm ,安全系数 s=0.177,因此符合要求。

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图 7.2.1 行星轮外支架应力分布云图

7.3 摆臂支架有限元分析
摆臂支架的材料为 45 号钢,建模时材料选择普通碳钢,划分单元格最小 0.62mm,单元公差 0.03mm。最大受力 500N,全部加载在横梁上。计算求解后, 得到底盘的应力分布云图如图 7.3.1 所示。
7 从 计 算 结 果 来 看 , 最 大 应 力 2.56 10 Nm , 材 料 许 应 力 为

m 2.2 108 Nm ,安全系数 s=0.116,因此符合要求。

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图 7.3.1 前轮摆臂支架应力分布云图

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7.4 小结
通过对各个主要部件的有限元分析,得出移动平台关键零部件满足强度要 求,从而保证了移动平台的整体强度满足机器人各种工况的强度要求。

8、总结及展望
论文针对多感官移动机器人项目的要求, 在综合了国内外移动机器人结构设 计方案的基础上, 设计了一种双节履带式地面移动机器人平台。论文主要完成的 工作包括以下几个方面: 1 根据项目要求对多功能特殊移动机器人系统进行了设计和研究。 课题旨在设计一种能搭载多种装置的多功能移动机器人,可以搭载机械手、轻武 器、侦查、消防等子系统,执行部分消防、反恐、防暴、侦察、探测、灭火等危 险作业。本文主要对机器人的移动平台和驱动系统进行总体方案设计。 2 设计了多功能特殊移动机器人移动平台机械系统。 3 传动机构设计。选用了行星减速器,使移动机器人平台内部空间大大增加,可 以搭载更多的设备。 4 动力系统设计。采用了直流伺服电机,能单独精确控制每个履带的行进,可以 原地转向。 对本设计还存在一些不足,如果实际生产,还需要做进一步详细改进。

致谢
设计是在指导老师丁承君教授的悉心指导下完成的。丁老师知识渊博,献身 科学,对知识追求孜孜不倦、精益求精的治学态度,给我留下了深刻的印象,也 使我在设计期间受益匪浅。 丁老师严以律己、宽以待人的崇高品质更将是我们学 生学习的榜样。在此衷心感谢丁老师为我们所作的一切工作。

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参考文献
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