機器人畢業(yè)設(shè)計說明書

1、<p><b>　　1　引言</b></p><p>　　近年來全球家用機器人發(fā)展迅猛，聯(lián)合國日前公布的一份調(diào)查顯示，到2007年末，家用機器人數(shù)量將會上漲6倍，而且隨著機器人的普及，其價格將會大幅下降?！?lt;/p><p>　　從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)

2、展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。</p><p>　　服務(wù)機器人是機器人家族中的一個年輕成員。到目前為止尚沒有一個嚴格的定義，不同國家對服務(wù)機器人的認識也有一定差異。服務(wù)機器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從事維護、保養(yǎng)、修理、運輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護等工作。</p><p>　　在國內(nèi)，智能輪椅上已經(jīng)取得突破性進

3、展，上海交通大學和上海電氣集團聯(lián)合研制出智能輪椅樣機。它的人機接口包括操縱桿、鼠標和鍵盤和觸摸屏等，傳感器系統(tǒng)包括視覺、聲納傳感器環(huán)、紅外傳感器環(huán)和碰撞傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)避障、避碰、防跌、沿墻走、主人跟隨、過門、路標導航等多種自主功能。</p><p>　　在國內(nèi)，智能輪椅上已經(jīng)取得突破性進展，上海交通大學和上海電氣集團聯(lián)合研制出智能輪椅樣機。它的人機接口包括操縱桿、鼠標和鍵盤和觸摸屏等，傳感器系統(tǒng)包括視覺、聲納傳

4、感器環(huán)、紅外傳感器環(huán)和碰撞傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)避障、避碰、防跌、沿墻走、主人跟隨、過門、路標導航等多種自主功能 。</p><p>　　醫(yī)學上把輔助人體、支撐體重、保持平衡和行走的工具通稱為助行器[1]。普通的助行器包括拐杖、助步架，是行走困難的老人和殘疾人、以及感知困難的視弱和盲人等廣泛使用的行走輔助設(shè)備。這些普通助行器的功能非常簡單，舒適性和安全性有限，如果是下肢完全失控或者上肢力量欠缺的癱瘓患者，則難以倚靠這些

5、簡單設(shè)備實現(xiàn)站立和行走，更無法幫助老年人和殘疾人實現(xiàn)高質(zhì)量的、獨立生活的愿望。近年來，機器人技術(shù)，包括運動控制、傳感和導航，與上述傳統(tǒng)行走輔助設(shè)備相結(jié)合而成的助行機器人，成為國內(nèi)外研究熱點。助行機器人技術(shù)早在國外尤其是美國、日本、韓國等已取得了相當多的研究成果。我國雖然起步比較晚，但自從863計劃將先進制造技術(shù)領(lǐng)域重點項目“助老/助殘機器人概念樣機研究與開發(fā)”作為智能機器人的關(guān)鍵技術(shù)開展研究以來，也已經(jīng)取得了初步的成果。下面分別就助行機

6、器人中的機構(gòu)設(shè)計、輔助導航技術(shù)等研究現(xiàn)狀做一簡單綜述。</p><p>　　機器人主要是用來支撐用戶身體，輔助用戶行走，并且保證行走安全性和平穩(wěn)性。設(shè)計的主要目的是：滿足采用人體工學的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，材料輕型化，并且實現(xiàn)機構(gòu)的便攜性。助行機器人的底盤是整個機器人機構(gòu)設(shè)計的基本機構(gòu)，是安裝助行機器人電機以及其他各個部件的整體支撐，它接受電機的動力，主要實現(xiàn)在不同路面下正常行走。底盤行走機構(gòu)主要包括前輪驅(qū)動機構(gòu)、后輪驅(qū)

7、動機構(gòu)</p><p><b>　　以及四輪驅(qū)動機構(gòu)。</b></p><p><b>　　2　總體方案的論述</b></p><p><b>　?。?１方案的選擇</b></p><p>　　根據(jù)本課題的特征，可選擇三種方案。</p><p>　　方案

8、一、設(shè)計一個靈巧機械手，另外在市場上購買一個自動控制的輪椅。把機械手固定在輪椅上。這種方案的優(yōu)點是：該機器人能夠拿持各種復(fù)雜的物體，并具有很強的靈活性。缺點是：機械手的靈巧性越高，越難設(shè)計。設(shè)計完成之后，它的可用性難于預(yù)料。對于大學來說，該方案的缺點是非常突出的。</p><p>　　方案二、設(shè)計一個行走機構(gòu)，即、智能輪椅。在市場上買一個智能機械手，它它裝在行走機構(gòu)上，組成一個家用保安機器人。該方案的缺點是，他的

9、設(shè)計過于簡單，難于達到應(yīng)有的工作量。</p><p>　　方案三、設(shè)計一個簡單的智能機械手，再設(shè)計一個行走機構(gòu)，把兩個機械手固定在行走機構(gòu)上。該方案的特點是：設(shè)計較難，適合做畢業(yè)設(shè)計。</p><p>　　經(jīng)過分析選擇方案三。</p><p><b>　?。?2機械手的描述</b></p><p>　　方案三的機械手部分

10、有4個自由度，所以又四個關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié)有2個關(guān)節(jié)構(gòu)成。一個是縱關(guān)節(jié)，它固定在機器人的肩部，緊接著接上第二個關(guān)節(jié)，它是一個橫關(guān)節(jié)。接下來，在橫關(guān)節(jié)的輸出端接上機械手的大臂管件。在大臂管件的另一端接上一個橫關(guān)節(jié)，作為肘關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)是一個橫關(guān)節(jié)。然后，在肘關(guān)節(jié)的輸出端接上一個小臂管件，在小臂管件的另一端接上一個橫關(guān)節(jié)，它作為一個腕關(guān)節(jié)。在它的輸出端街上一個假手。</p><p>　　機械手的4個關(guān)節(jié)歸結(jié)起來，就是要設(shè)計一

11、個橫關(guān)節(jié)和一個縱關(guān)節(jié)。</p><p>　　該機械手能抓握的最大重量為2千克。也就是說，機械手不管在什么位置，它都能提起2千克的重量。肩關(guān)節(jié)的中心到肘關(guān)節(jié)中心的距離為600毫米，肘關(guān)節(jié)的中心到腕關(guān)節(jié)的中心距離為600毫米。</p><p>　　該機械手能實現(xiàn)與人的手類似的功能，它的活動范圍廣，能為兒童玩耍下小球，遞送玩具等功能。也可為老人遞送出水等功能。</p><p&

12、gt;　?。?3行走機構(gòu)的描述</p><p>　　行走機構(gòu)大多數(shù)零件和重要部件都是采用市場上已有的。</p><p>　　行走機構(gòu)采用三輪式，它具有良好的穩(wěn)定性。前輪是一個萬向輪，它能在市場上買到。后兩輪分別獨立驅(qū)動，它能實現(xiàn)最大限度的轉(zhuǎn)彎。他們選用可配電子無級調(diào)速電機驅(qū)動。</p><p>　?。?4機器人其它部位的描述</p><p>

13、　　在機器人的頭部預(yù)設(shè)4個攝像頭，用于觀察環(huán)境。在機器人的胸部裝上觸摸屏，傳感器，電源等設(shè)備。裝這些設(shè)備的目的是：使該機器人能識別障礙物，</p><p>　?。?5機器人的結(jié)構(gòu)草圖</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)草圖如圖一，</b></p><p><b>　　圖（一）</b></p><p>

14、　　3 機器人機械手的設(shè)計計算</p><p>　　3.１ 機械手的參數(shù)確定</p><p>　　3．1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　　肩關(guān)節(jié)中心到肘關(guān)節(jié)中心（大臂）的長度為600毫米，肘關(guān)節(jié)中心到腕關(guān)節(jié)中心（小臂）的長度為600毫米。大致估算每個關(guān)節(jié)的重量不會超過1千克，所以設(shè)各關(guān)節(jié)的重量1千克。并確定機械手能拿持的最大重量為=2千克。</p>

15、<p>　　3．1.2 運動參數(shù)</p><p>　　為了便于通用化，設(shè)定所有關(guān)節(jié)的諧波減速比為100.該機器人的行走最大速度設(shè)為1.5.</p><p>　　3．1.3關(guān)節(jié)的運動參數(shù)</p><p>　　3.1.3.1縱關(guān)節(jié)步進電機的選擇</p><p>　　該步進電機主要承受兩部分的轉(zhuǎn)矩，一部分是克服機械手自身重量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,另

16、一部分是機械手拿持最大重量物體產(chǎn)生放入轉(zhuǎn)矩。并設(shè)安全系數(shù)K=1.8，則有</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=12</b></p>

17、<p><b>　　所以</b></p><p><b>　　=37.8</b></p><p><b>　　重力加速度</b></p><p>　　肘關(guān)節(jié)中心到肩關(guān)節(jié)中心的距離 =0.3</p><p>　　腕關(guān)節(jié)中心到肘關(guān)節(jié)中心的距離 =0.6</p

18、><p>　　所以步進電機要克服的最大轉(zhuǎn)矩=37.8。</p><p><b>　　查機械設(shè)計手冊</b></p><p>　　選取型號白拉格三相混合式步進電動機，型號為VRDM364，它的基本信息如表一：</p><p><b>　　表一</b></p><p>　　3.1.3

19、.2諧波齒輪傳動機構(gòu)的介紹</p><p>　　為了縮小關(guān)節(jié)的尺寸，選取諧波齒輪傳動機構(gòu)對關(guān)節(jié)進行減速。</p><p>　　因為諧波齒輪傳動機構(gòu)與一般齒輪傳動先比，有以下有點：</p><p><b>　　傳動比大且范圍寬。</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕。</p><p>

20、;　　同時參與嚙合的齒輪對數(shù)多，承載能力大，且阻尼較大。</p><p>　　傳動精度高，在相同制造精度次下，諧波齒輪傳動比一般齒輪轉(zhuǎn)動精度至少高一級。</p><p>　　齒側(cè)間隙便調(diào)整，易于獲得零側(cè)隙傳動。</p><p><b>　　傳動效率高。</b></p><p>　　諧波減速器在機器人中經(jīng)常用到，它由鋼輪、

21、波發(fā)生器和柔輪三個基本構(gòu)件組成。如圖二所示。</p><p>　　在諧波齒輪傳動中，柔輪是關(guān)鍵的元件。柔輪結(jié)構(gòu)及其聯(lián)軸方式的設(shè)計合理與否，將直接影響到整個傳動機構(gòu)的承載能力、結(jié)構(gòu)強度和傳動性能，尤其是傳動的穩(wěn)定性。由于柔輪輪體在工作時處于交變應(yīng)力狀態(tài)下，故容易導致齒根疲勞裂紋的擴展而引起疲勞破壞。而柔輪的疲勞斷裂是諧波齒輪傳動最常見、最主要的失效形式。</p><p>　　縱關(guān)節(jié)諧波齒輪傳

22、動機構(gòu)的設(shè)計計算</p><p>　　電動機的最大軸向?qū)挾葹?L=57.21.414-=80.9</p><p>　　為了縮小關(guān)節(jié)的徑向尺寸。所以，選擇鋼輪的分度圓的直徑大致范圍75-85.</p><p>　　設(shè)鋼輪節(jié)圓直徑為，柔輪節(jié)圓直徑為，諧波齒輪傳動的減速比由下式計算。</p><p><b>　　柔輪為輸出軸時</b

23、></p><p><b>　　= </b></p><p>　　或 == --------------------</p><p>　　其中 ---- 鋼輪齒數(shù)；</p><p>　　---- 柔輪齒數(shù)。</p><p>　　取所有關(guān)節(jié)的減速比為</

24、p><p><b>　　=100</b></p><p>　　取所有關(guān)節(jié)的齒數(shù)差為</p><p><b>　　=1</b></p><p>　　有式知，柔輪齒數(shù) =100，鋼輪齒數(shù)=101</p><p>　　要使諧波齒輪的分度圓直徑的大小適合，查模數(shù)的推薦表得，</p&

25、gt;<p>　　取模數(shù)=0.8，則鋼輪、柔輪的分度圓直徑==0.8101=80.8</p><p>　　3.1.3.4橫關(guān)節(jié)的步進電機及其諧波齒輪參數(shù)</p><p>　　縱關(guān)節(jié)是受轉(zhuǎn)矩最大的關(guān)節(jié)，橫關(guān)節(jié)選取上面型號大小的步進電機一定能滿足扭矩的要求。所以，其它三個關(guān)節(jié)選取此種電機一定滿足要求。</p><p>　　橫關(guān)節(jié)諧波齒輪傳動機構(gòu)的設(shè)計計算參

26、數(shù)選擇與縱關(guān)節(jié)一樣。</p><p>　　3.2 縱關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)草圖</p><p>　　縱關(guān)節(jié)的草圖如下圖，</p><p>　　它的結(jié)構(gòu)：步進電機固定在輸入端蓋的內(nèi)側(cè)，且輸入端蓋的內(nèi)側(cè)應(yīng)制出凸臺.波發(fā)生器通過平鍵固定在電機軸上。輸出端蓋連接在柔輪上，鋼輪與柔輪之間放入一個內(nèi)徑為65.寬度為10的深溝球軸承?？v關(guān)節(jié)的具體尺寸如下圖：</p><p

27、>　　3.3 橫關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)草圖</p><p>　　橫關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)草圖如下：</p><p>　　它的結(jié)構(gòu)：步進電機固定在輸入端蓋上，輸入軸與鋼輪連接，波發(fā)生器固定在電機的輸出軸上。輸出端蓋連接在柔輪上。輸出軸通過軸承支撐在電動機的固定端。具體尺寸如下圖：</p><p>　　3.4 縱關(guān)節(jié)的校核</p><p>　　3．4.1步進電動機

28、</p><p>　　在此先敘述縱關(guān)節(jié)外部的受力或力矩的情況。在圖示情況下，縱關(guān)節(jié)受到的外部力矩最大，在手上最大的物體重量為2.這部分對縱關(guān)節(jié)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　=2</b></p><p><b>　　=1.36</b></p><p>　　腕關(guān)節(jié)的質(zhì)量為1，腕關(guān)節(jié)對縱關(guān)節(jié)產(chǎn)生的

29、轉(zhuǎn)矩,</p><p><b>　　=1</b></p><p><b>　　=0.6</b></p><p>　　肘關(guān)節(jié)的質(zhì)量為1，肘關(guān)節(jié)對縱關(guān)節(jié)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　=1</b></p><p><b>　　=0.3<

30、;/b></p><p><b>　　總轉(zhuǎn)矩T=++</b></p><p><b>　　=2.26</b></p><p>　　此轉(zhuǎn)矩是縱關(guān)節(jié)輸出端應(yīng)達到的最小轉(zhuǎn)矩，即經(jīng)過諧波齒輪減速裝置之后的轉(zhuǎn)矩。那么，電機應(yīng)承受的轉(zhuǎn)矩T為</p><p><b>　　=0.0226</b

31、></p><p>　　在上面已經(jīng)選擇的電機的輸出轉(zhuǎn)矩0.45，大于電機承受的轉(zhuǎn)矩，所以，該種電機能滿足要求。</p><p>　　3．4.1步進電動機</p><p><b>　　3.5 制動及原理</b></p><p>　　在大多數(shù)情況下，減小電機的功率并不能使它的速度降為原來的一半。所以通過反接電源的方法來

32、實現(xiàn)制動，實際上會引起繞組電流過大并遭致破壞。所以這種方法不值得提倡。</p><p>　　假設(shè)電機在最高轉(zhuǎn)速時被反接制動，那么繞組兩端的電壓實際上為電機啟動電壓的兩倍，即繞組將要承受雙倍的啟動電流。隨著時間的推移，以及這種大電流沖擊次數(shù)的累加，電機和電源將被完全損壞。</p><p>　　和反接制動不一樣，反饋制動是利用反向電壓來實現(xiàn)有效并且安全制動的。當電機全速運轉(zhuǎn)時其繞組兩端的實際電

33、壓為多少？假設(shè)電池供給電壓為12V，而電機全速運轉(zhuǎn)時其反向電壓的理想值也為12V，結(jié)果電機繞組兩端實際電壓為0V。這時如果將輸入電壓移開，只留下反向電壓E，于是繞組形成回路并產(chǎn)生反向電流，電機將會停下來。電機繞組的電阻越小，流過電機繞組的反向電流越大，制動效果也越明顯。</p><p>　　一些電機控制器可以將制動產(chǎn)生的反向電流返回到電池，用于給電池充電。這種制動方法叫做反饋制動。還有一種簡明的制動方法，是用電阻

34、連接繞組的兩端將其短路，在這種情況下，反向電流轉(zhuǎn)換為熱量白白的散發(fā)出去，而不是返回到電池循環(huán)使用，所以在節(jié)能方面不如反饋制動，雖然人們有時將它當作反饋制動提起。</p><p>　　在很多控制電機的集成芯片上，都帶有動態(tài)制動或是反饋制動的功能，在實際的應(yīng)用中，使用具有這種功能的控制器，至少要要有動態(tài)制動的功能。</p><p>　　雖然機械制動效率較低，但經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)還是有很多齒輪減速機采

35、用這種方法。通常這些電機的內(nèi)部含有內(nèi)置的電動機機械剎車，例如輪椅電機就是此。通常，必須在通過電流之后剎車才被釋放，否則電機將永遠無法運轉(zhuǎn)。剎車電流一旦被切斷，它將立即使電機停止下來。當然，這時候最好也同時切斷向電機的動力供電。</p><p>　　有一點遺憾的是機械制動的工作電壓一般與電機本身的供電電壓不同。例如，電機供電電壓為12V，而制動的工作電壓為24V 。即使所需的電壓相同，我們還是選用前面提到的動態(tài)制動

36、或是反饋制動，因為這樣效率會高些，也簡單一些。因此，如果真擁有一個帶剎車的電機，倒可以考慮將剎車拆除。</p><p>　　所以各關(guān)節(jié)均采用反饋制動，包括行走機構(gòu)的驅(qū)動輪。</p><p>　　4 機器人行走機構(gòu)的設(shè)計計算</p><p><b>　　4.1 參數(shù)的確定</b></p><p>　　4.1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)和

37、運動參數(shù)</p><p>　　此家用保安機器人的質(zhì)量預(yù)計為30-40。設(shè)計計算中取定機器人的質(zhì)量。兩后輪的直徑。，前輪選用標準的萬向輪，在市場上可以買到。行走機構(gòu)模塊的長度450，寬度為450。該機器人的行走最大速度為1.5.</p><p><b>　　4.1.2動力參數(shù)</b></p><p><b>　　減速電機的選擇</

38、b></p><p>　　設(shè)減速電機輸出軸應(yīng)具有的最高轉(zhuǎn)速為 </p><p><b>　　=</b></p><p>　　設(shè)路面的平均摩擦系數(shù)為0.1.機器人的最大加速度=1。由于路面的摩擦系數(shù)會發(fā)生變化及各種原因的影響，設(shè)可靠系數(shù)K=1.2，</p><p><b>　　則有</b><

39、;/p><p><b>　　阻力=1.248N</b></p><p>　　設(shè)減速電機最少應(yīng)輸出的最大轉(zhuǎn)矩為</p><p><b>　　則有</b></p><p><b>　　=F=2.4</b></p><p><b>　　查機械設(shè)計手冊：&

40、lt;/b></p><p>　　選取TYV2齒輪減速機。</p><p>　　該減速電機的輸出轉(zhuǎn)速為150，減速比為9.5，允許的負載為15W，最大輸出轉(zhuǎn)矩為9.6 。 TYV系列高精度微型特種減速電機采用高新技術(shù)，可配電子無級調(diào)速。</p><p>　　它的草圖及尺寸如下圖：</p><p>　　4.2 行走機構(gòu)的草圖</p

41、><p>　　4.3行走機構(gòu)的校核</p><p>　　4.3.1常規(guī)Mecanum輪的結(jié)構(gòu)特征及運動特性：</p><p>　　常規(guī)Mecanum輪的結(jié)構(gòu)如圖,其基本結(jié)構(gòu)特征是:(1)從輪轂軸向觀察,與輪轂鉸接的若干能自由滾動的輥子的外表面必須包絡(luò)形成一個半徑等于輪半徑的完整圓柱面,這個圓柱面就是輪子工作表面。(2)同一輪子上所有輥子軸線必須與輪轂軸線有相同的輥子偏置

42、角α,且滿足0 < |α| <90°。</p><p>　　Mecanum輪運動原理如圖2。規(guī)定圖2中各參數(shù)如下:</p><p>　　———輪子、棍子的作用半徑。</p><p>　　———過點垂直于 的一對正交單位矢量, 方向同輪轂軸線。</p><p>　　———過點 垂直于 一對正交單位矢量, 方向同輥子軸線。

43、</p><p>　　———i輪轂及棍子的角速度,方向分別按矢量 , 右手定則確定。</p><p>　　———分別是過 , 點的速度矢量。</p><p>　　———點 對點 的相對速度矢量。</p><p>　　α——— 與 所夾銳角,輥子偏置角。</p><p>　　設(shè)某瞬時第i輪與地面接觸作用點表示為 ,

44、根據(jù)</p><p>　　Mecanum輪的結(jié)構(gòu)特點,必存在一條直線通過 點分別與輥子軸及輪軸相交,其交點分別為 , ,本文稱直線為輪i與地面的作用法線。根據(jù)Mecanum輪結(jié)構(gòu)特點,用矢量分析法,根據(jù)圖2有:</p><p>　　由(1) (2) (3)式得:</p><p>　　(4)在(4)式兩邊同乘輥子軸線單位矢量</p><p>

45、<b>　　因: </b></p><p>　　圖2　Mecanum輪運動原理</p><p>　　Fig. 2　Motion p rincip le of theMecanum wheel(5)式即Mecanum輪轉(zhuǎn)速與輪轂軸上 點之間的速度變換關(guān)系。3　三輪全向運動速度關(guān)系在平面上,三個輪子布局結(jié)構(gòu)不是一條直線,就是三角形。直線布局結(jié)構(gòu)沒有實用價值,只有三角形布局

46、結(jié)構(gòu)才有一定的承載能力。而三角形布局下各個驅(qū)動輪的輪軸方向不確定時,會構(gòu)成多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,形成具有不同運動特點的系統(tǒng)。為求得能實現(xiàn)多向運動系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)特點,現(xiàn)假定3輪系統(tǒng)中的3輪之間的關(guān)系是任意的三角形,如圖3所示。分別代表3個輪軸中心, 分別表示3個輪的運動速度矢量。設(shè)C點是系統(tǒng)做定點旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)中心。取x軸通過點, z軸垂直于輪軸形成的公共平面。</p><p>　　圖3　 3輪系統(tǒng)運動原理</p

47、><p>　　Fig. 3　Motion p rincip le of the three wheeled system</p><p><b>　　令:</b></p><p>　　根據(jù)圖3,可得3輪三角形系統(tǒng)實現(xiàn)多位運動的運動學關(guān)系:</p><p>　　(1)僅沿x軸運動時的運動學關(guān)系</p><p

48、>　　(2)僅沿y軸運動時的運動學關(guān)系</p><p>　　(3)僅繞C點旋轉(zhuǎn)時的運動學關(guān)系</p><p>　　式中　表示 點的坐標。</p><p>　　對于一個實用的Mecanum輪運動系統(tǒng),為了使制造經(jīng)濟合理,一般使系統(tǒng)中所有Mecanum輪的結(jié)構(gòu)相同,即所有輪的幾何尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)盡量相同。本系統(tǒng)中所有3個輪的結(jié)構(gòu)完全相同,幾何參數(shù),運動參數(shù)也相同。&

49、lt;/p><p>　　4.3.2負載與行走穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)的要求</p><p>　　三輪運動系統(tǒng)作為機器人或其它行走系統(tǒng)的移動部分和基礎(chǔ)部件,要求不僅有一定的負載能力,而且必須滿足靜態(tài)和動態(tài)下的運動穩(wěn)定性。三輪支撐行走系統(tǒng)的三個輪構(gòu)成三角形的支撐幾何結(jié)構(gòu),只要整個系統(tǒng)的重心在三角形內(nèi)部,則系統(tǒng)就能滿足靜態(tài)穩(wěn)定性要求。但對一種實用的運動系統(tǒng)而言,滿足靜態(tài)穩(wěn)定性條件還不夠,同時必須滿足動態(tài)穩(wěn)定性要

50、求。綜合而言,系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定裕量越大,越容易保證動態(tài)穩(wěn)定性要求。由三角形幾何學知,等邊三角形的重心到三個邊的距離相等且具有最大的靜態(tài)穩(wěn)定裕量。因此對三輪運動系統(tǒng)采用等邊三角形布局結(jié)構(gòu)。且全方位運動系統(tǒng)客觀上要求系統(tǒng)在各個方向的靜態(tài)穩(wěn)定裕量相等,等邊三角形正好滿足此要求。</p><p>　　因此從系統(tǒng)負載性能及運動穩(wěn)定性方面考慮,本文提出的三輪Mecanum全方位運動系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)布局采用等邊三角形布局。</

51、p><p>　　設(shè) 點在坐標系Cxyz中的坐標為.</p><p>　　因系統(tǒng)做平面運動,根據(jù)圖3有下列運動學約束關(guān)系:</p><p>　　由(8) (9)式有系統(tǒng)定軸旋轉(zhuǎn)的條件:</p><p><b>　　即滿足下式:</b></p><p>　　綜合(10) 、(11)式知:要使系統(tǒng)實現(xiàn)多向運

52、動, 3個輪軸</p><p>　　線方向必須符合下列要求:</p><p>　　的方向必然與ΔO1O2O3 的3條中垂線夾角相同且不為直角。</p><p>　　4.3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)多向運動原理</p><p>　　按照上述結(jié)構(gòu)條件設(shè)計的由三個常規(guī)斜置Mecanum輪構(gòu)成的多向運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,圖4中所示結(jié)構(gòu)是將車體翻轉(zhuǎn)過來,車輪

53、向上所看到的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中三個輪子的旋轉(zhuǎn)中心分別為構(gòu)成等邊三角形結(jié)構(gòu),三角形的中心為C點,也就是系統(tǒng)定點旋轉(zhuǎn)中心。本實例中輪軸軸線分別與三條中垂線的夾角為α,也就是三個輪子的著地輥子的輥子軸線分別與三角形的三個中垂線重合,并與車體相對固定。設(shè)三個輪子的旋轉(zhuǎn)速度為逆時針旋轉(zhuǎn)為正,順時針旋轉(zhuǎn)為負。當系統(tǒng)三個輪子采用不同的轉(zhuǎn)速和方向組合時,系統(tǒng)就能實現(xiàn)繞C點定軸正反向旋轉(zhuǎn)運動,沿 的正反向運動,沿 的正反向運動,沿的正反向運動,并且系統(tǒng)各個方向

54、的運動速度是可控的。系統(tǒng)能共實現(xiàn)4個方向的正反向可控運動,而不需要借助轉(zhuǎn)向機構(gòu)或轉(zhuǎn)向輪。</p><p><b>　　圖4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　Fig. 4　Configuration of the system</p><p>　　系統(tǒng)實現(xiàn)多向運動的原理分解如圖5。圖分別表示系統(tǒng)實現(xiàn)繞中心C的旋轉(zhuǎn)運動,沿 動,沿運動,沿 運

55、動。各輪的運動速度及旋向如表1中所示。表1中未注明的輪旋轉(zhuǎn)速度為零,該輪處于滑動狀態(tài),處于滑道狀態(tài)的輪子雖不影響系統(tǒng)的運動,但影響系統(tǒng)的運行效率。在某些方向上個別輪處于滑動狀態(tài),是全方位運動系統(tǒng)的共同缺陷和需要進一步解決的問題之一。</p><p>　　表1　輪速度組合與系統(tǒng)運動方向的關(guān)系</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p&g

56、t;　　(1)利用3個完全相同的常規(guī)Mecanum輪子可組成一種多向運動系統(tǒng),實現(xiàn)3獨立方向的直線運動和一個繞系統(tǒng)中心定軸旋轉(zhuǎn)運動。</p><p>　　(2)系統(tǒng)沿各個方向的靜態(tài)穩(wěn)定裕量相等。因而運動穩(wěn)定可靠,系統(tǒng)負載均勻。</p><p>　　(3)實現(xiàn)上述運動的幾何機構(gòu)條件是:三個輪子的旋轉(zhuǎn)中心位于等邊三角形的三個頂點上,且輥子軸線方向與三角形的三條中垂線具有相同的夾角,夾角值要求是

57、零度或銳角。</p><p>　　(4)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,相應(yīng)運動控制也比較簡單,是一種具有實用價值的多向運動系統(tǒng)。</p><p>　　4.3.4 對行走機構(gòu)減速電機的校核</p><p>　　此機器人的質(zhì)量為，兩后輪的直徑。，前輪選用標準的萬向輪，在市場上可以買到。它一般能滿足強度和剛度的要求。行走機構(gòu)模塊的長度450，寬度為450。該機器人的行走最大速度為1.5

58、.</p><p>　　設(shè)減速電機輸出軸應(yīng)具有的最高轉(zhuǎn)速為 </p><p><b>　　=</b></p><p>　　即減速電機的最大輸出速度應(yīng)大于147 </p><p>　　設(shè)路面的平均摩擦系數(shù)為0.1.機器人的最大加速度=1。由于路面的摩擦系數(shù)會發(fā)生變化及各種原因的影響，設(shè)可靠系數(shù)K=1.2，</p>

59、;<p><b>　　則有</b></p><p><b>　　阻力=1.248N</b></p><p>　　設(shè)減速電機應(yīng)輸出的最大轉(zhuǎn)矩為</p><p><b>　　則有</b></p><p><b>　　=F=2.4</b></

60、p><p>　　在上面的減速電機的輸出轉(zhuǎn)速為150，減速比為9.5，允許的負載為15W，最大輸出轉(zhuǎn)矩為9.6 。 它能滿足動力要求。</p><p>　　當然，電機只能承受相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，電機軸不能承受機器人重量的彎矩。因此，必須要有相應(yīng)的減載裝置。它就是把機器人的重量通過角鋼承受到機器人身上。</p><p>　　所以，要對角鋼中的軸承進行校核。每個軸承應(yīng)承受的動載為機

61、器人重量的一半。</p><p><b>　　查機械設(shè)計手冊，知</b></p><p>　　軸承的動載是2.1KN</p><p>　　即，能承受210 的重量，所以</p><p>　　軸承能滿足能力要求。</p><p>　　5 機器人其他重要部位的校核和裝配</p><

62、;p>　　5.1 機械手的固定</p><p>　　設(shè)計成了機械手之后，要把它固定在機器人的肩上。這里采用了一個自行設(shè)計的一個零件。它的一端連接機械手，另一端連接機器人肩部。連接機械手的連接方式是螺紋連接，連接機器人的連接方式是螺栓連接。它的具體結(jié)構(gòu)見總裝圖草圖。</p><p>　　螺紋連接部分，主要是受徑向力，受螺紋軸向的拉伸力較小。所以不用考慮螺紋的連接強度。</p>

63、;<p>　　螺栓連接部分，螺栓受拉伸作用，必須對它進行強度校核。該四個螺栓組受兩個載荷的作用。一是：最大靜拉力，這種情況是機械手達到某一極限狀態(tài)，使螺栓受力最大。它的位置簡圖如下。二是：動載慣性力作用，這個力的作用計算很復(fù)雜,機械手各部分的關(guān)節(jié)的最大加速度為。</p><p>　　圖示位置是螺栓受力最大的位置</p><p>　　5.2 固定機械手螺栓的校核</p&g

64、t;<p><b>　　設(shè)安全系數(shù).</b></p><p><b>　　=35.16N</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　=1.98N</b

65、></p><p><b>　　F=</b></p><p><b>　　=37.14N</b></p><p>　　此力相對M8螺栓的強度來說很小。所以，強度足夠。</p><p>　　頭部件及身軀均采用螺栓M8固定，行走機構(gòu)和身軀也是用螺栓連接。</p><p>　

66、　5.3 機器人的裝配</p><p>　　對機器人的裝配，是一個非常重要環(huán)節(jié)。這里主要分三個步驟組成。</p><p>　　一、機器人各關(guān)節(jié)的裝配。裝配機器人各關(guān)節(jié)要嚴格按照順序裝配。先把輸入端蓋用螺栓固定電機，螺栓要逐個慢慢預(yù)緊，以保證各螺栓受力均勻。然后，把聯(lián)接筒連接上，最后把已裝好的諧波齒輪次輪裝置裝在電機輸出軸上。每個關(guān)節(jié)基本是這樣裝配。但裝配好之后，要進行檢測，看是否合格。關(guān)節(jié)

67、組裝好之后，用連接件連接各關(guān)節(jié)。</p><p>　　二、行走機構(gòu)的裝配和機械手的固定。</p><p>　　先把減速電機固定在底板上，在把車輪固定在底板上。最后用柔性聯(lián)軸器連接減速電機和車輪軸。當然，萬向輪也要固定好。</p><p>　　機械手的連接只要ongoing機械手連接件連接即可。</p><p>　　三、把頭部件連接在身軀上。行

68、走機構(gòu)連接在身軀的底部。</p><p><b>　　6 結(jié) 論</b></p><p>　　本課題能很好的實現(xiàn)課題的設(shè)計要求與設(shè)計目的，因為它具有較靈活的機械手，該機械手能為幼童或老年人拿持重量低于2公斤的物體，關(guān)節(jié)有四個自由度。通過行走機構(gòu)的配合，它拿持物體的空間范圍很廣。本課題設(shè)計的方案可用于實際生產(chǎn)，為需要該種機器人的人服務(wù)，并預(yù)計會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。&l

69、t;/p><p>　　設(shè)計本科題的一個非常關(guān)鍵的一個部分是，諧波齒輪減速裝置。它是機械手關(guān)節(jié)的核心部分。對它設(shè)計的好壞直接影響到整個機器人的性能。在這方面本人也查閱了相當多的資料，對它的了解應(yīng)達到很高的程度。</p><p>　　對本課題的設(shè)計，本人查閱了很多的相關(guān)資料，通過xx老師的幫助，設(shè)計了一個較為完整的家用保安機器人。在此過程中對專業(yè)方面的知識有了進一步的了解，我相信對以后工作有很大的

70、幫助。</p><p><b>　　7 經(jīng)濟分析報告</b></p><p>　　對該家用保安機器人的機械系統(tǒng)的經(jīng)濟分析課分為兩部分計算。一是、機械手的經(jīng)濟分析。一是、行走機構(gòu)和身軀的的經(jīng)濟分析。</p><p>　　機械手的經(jīng)濟分析，也就是對各關(guān)節(jié)的經(jīng)濟分析，不論是橫關(guān)節(jié)還是縱關(guān)節(jié)，它們里面都有諧波齒輪減速裝置，由于柔輪要采用很特殊的鋼種，所

71、以價格非常昂貴。它有需要我們對它進行加工，而它要求很高的精度，所以加工費用也很高。另外，鋼輪要切內(nèi)齒，精度要求很高，所以關(guān)節(jié)的設(shè)計加工費用很高，預(yù)計四個關(guān)節(jié)的總費用為6萬元。各個關(guān)節(jié)做出來之后，我們還要設(shè)計三個關(guān)節(jié)連接件，用于連接四個關(guān)節(jié)，組成一個機械手。預(yù)計5千元。結(jié)果一個完整的機械手費用為6萬5千元，兩個機械手就是13萬元。對本課題的設(shè)計的機器人來說，它占去了大部分的費用。</p><p>　　對行走機構(gòu)的經(jīng)

72、濟分析，主要是在市場上購置各個零部件。主要零部件是，兩個減速電機，兩個柔性聯(lián)軸器，角鐵，軸承。底板一塊。減速電機是其中價格較高的部件，因為它的功能很好，可配電子無級調(diào)速。一個減速電機的價格大約為5千元。它的型號是在機械設(shè)計手冊上找到的，所以市場上一定有賣。對它的購置時，應(yīng)該測試的性能。</p><p>　　除了上面的那些零部件之外，還要設(shè)計一個機器人身軀，它用來連接機器人各個重要關(guān)節(jié)，它的設(shè)計制造費用大約要1千元

73、。</p><p>　　經(jīng)上述分析，制造該家用保安機器人機械系統(tǒng)部分的費用總共為14萬元的經(jīng)費。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在做這個課題之前，我機器人的了解幾乎是零。經(jīng)過xx老師的悉心指導，最后把該課題做好了。在這，我對xx老師表示衷心的感謝。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計是大四下

74、學期的主要任務(wù)，因此畢業(yè)設(shè)計相對來說是個漫長且是個艱辛的工作，在這段時間可以上自己是遇上了太多太多的不懂和麻煩。正所謂在絕境中“柳岸花明又一村”，在期間我需要感謝太多太多的人，特別是我的老師***。***平易近人，和藹可親。在此期間，xx老師不僅在畢業(yè)設(shè)計幫助我，而且還關(guān)心我的畢業(yè)后的打算，可以說是難見的好教師。畢業(yè)設(shè)計中自己對公差，總體設(shè)計方案等都是存在比較懵懂的狀態(tài)，而且好多細節(jié)都是比較模糊，不知道自己怎么動手好，若不是xx老師指導

75、我真的不知道怎么才能完成畢業(yè)設(shè)計。</p><p>　　大學里雖說學的是比較純的理論性，實際運用能力比較少這也是大學學習缺陷，但是沒有這些理論學習，可以說很多工作我都無從下手。畢業(yè)設(shè)計是對學習機械設(shè)計專業(yè)學生四年的一個學習成果歸納，也是一次全面的總結(jié)?？梢哉f畢業(yè)設(shè)計是這大學四年來一點一滴積累起來的。在大學四年里，我要感謝教過我的老師，幫助過我的同學，是他們讓我從無到有，從空白到現(xiàn)在開始有些擁有。同時，我要感謝我的

76、同學，是他們幫助我的成長，幫助我學的更多，讓我百明白更多。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　【1】朱世強等.機器人技術(shù)及其應(yīng)用.浙江大學出版社.2001.7.</p><p>　　【2】平偉等.助行機器人研究發(fā)展和展望.機器人技術(shù)與應(yīng)用.2009年第一期.</p><p>　　【3

77、】張煒.機器人服務(wù)員sulartpal.機器人技術(shù)與應(yīng)用.2007年第4期</p><p>　　【4】魯濤.智能輪椅研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢.機器人技術(shù)與應(yīng)用.2008年第2期.</p><p>　　【5】王立權(quán)等.機器人創(chuàng)新設(shè)計與制作.清華大學出版社。2007.</p><p>　　【6】萬家富, 張文菲, 張占松. 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)原理與應(yīng)用. 北京: 機械工業(yè)出版社,

78、 2003.4</p><p>　　【7】（美）泰勒（Tayler.A）,（美）萊曼（Layman.R）,（美）布格（Buege.B）著；張偉, 張華平, 趙含東譯. J2EE&Java黑客大曝光：開發(fā)安全的應(yīng)用程 序. 北京: 清華大學出版社. 2003</p><p>　　【8】朱世強, 王宣銀. 機器人技術(shù)及其應(yīng)用. 杭州: 浙江大學出版社. 2001.7</p>

79、<p>　　【9】宗光華，張慧慧. 機器人設(shè)計與控制.科學出版社.2004.5</p><p>　　【10】楊曉蘭等.機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計.華中科技大學出版社.2006.1</p><p>　　【11】吳美芳主編，機器人控制基礎(chǔ)，北京，中國鐵道出版社，1992.4.</p><p>　　【費仁元，張慧慧，機器人機械設(shè)計和分析，北京工業(yè)大學出版社1998

80、.9.</p><p>　　【12】馬香峰主編，機器人機構(gòu)學，中南工業(yè)出版社，1988.8</p><p>　　【13】蔡自新編著，機器人原理及其應(yīng)用，機械工業(yè)出版社，1988.8</p><p>　　【14】吳廣玉，江復(fù)興編，機器人工程導論.哈爾濱工業(yè)大學出版社.1988.8</p><p>　　【15】重慶大學 梁錫昌主編.機械創(chuàng)造方法與

81、專利設(shè)計實例.國防工業(yè)出版社，2005.2.</p><p>　　【16】陳于萍，周兆元主編.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ).機械工業(yè)出版社，2005.10.</p><p>　　【17】朱張校主編.工程材料.清華大學出版社.2007.3.</p><p>　　【18】陳雪華，廖志勇，王光建.過功能教學機器人.重慶大學報.2004.</p><p>　

82、　【19】朱輝，唐保寧，陳大復(fù)等編著.畫法幾何與工程制圖.上?？茖W技術(shù)出版社，1982.</p><p>　　【20】 Goradia, A.Ning Xi Elhajj,I.H. Internet based robots: applications, impacts,challenges and future directions Advanced Robotics and its Social Impact

83、s, 2005. IEEE Workshop on.</p><p>　　【21】 Zeng Dehuai ,Xie Cunxi ,Li Xuemei Design and Implementation of Internet Based Healthcare.</p><p>　　【22】Rivin Eugene I,Mechanical Design of Robot,McGraw-H

84、ill,Inc,1988.</p><p>　　【23】Mathew T.Mason,Robot Hands and the mechanics of Manipulation,the MIT press,1985.</p><p>　　【24】Miller,Rex,Fungamentals of Ondustrial Robots and Robotics,RWS-Kent publis

85、hing Conupany,1988.</p><p>　　【25】Koren yoram,Computer control of manufacturing systems,Mc Graw-Hill,Inc.1989.</p><p>　　【26】Burr,A.H.Mechanical Analysis and Design,Elevier,New York,1982,pp 640.&l