轮式移动机器人结构设计(2)

为了维持车轮受力平衡使整个机构可以平缓运动，将车轮设计为两个一组来实现。采用了一个深沟球轴承作为径向支承，一方面避免了轮胎对水泵造成剪力；另一方面保证了轮胎的弯矩。轴承外圈与轮胎内表面配合，由于外缘并不能与轴承直接配合，设计了一个轴承壳结构，作电机和轴套的联接。2.3旋转部分轮胎转动部分的详细结构分为五个部份：（1）两个轴承由韧性垫圈和风机壳轴肩轴向定位；通过风机壳外表面径向定位通过轴承轴外表面径向定位。此外,此处选择深沟球轴承作为支撑.深沟球轴承主要承载径向载荷,同时也可以承载小的轴向应力。选用它就可以超过设计的要求,而且深沟球轴承经济性好,方便选购。而成为径向支撑,它主要防止了轮胎对轴承造成应力。（2）马达预装在轴承壳上，依靠舵机壳螺栓轴向定位；但径向定位不能利用风机定位止口定位，只能采取后轮调整轴承轴的同心完成径向定位。（3）轮胎依靠齿轮的内圈定位，然后再借助前轮自有联轴器与轴承轴连接。这个过程也有调整风机轴同心，然后从轮胎侧面的预留安装孔将轴承紧固在轴承（4）整个轮胎分为两个别组合而成。一个是具有轴径的车轮,另一个是不带轴径的车轮,两者相配合使用构成一组完整的车轮。

而轮胎轴径与车体支撑件以滚动摩擦的方式配合使用,并且作为两轮子的轴向定位件。车轮最终的固定是通过右侧的销钉来顶紧挡板实现的。具体结构如图2.4所示。整个翻转部分结构设计完成,但它需要与转向机构连接上去才会谋求全方位移动。后一小节转向机构的设计中设计有转向轴,为了使旋转部份和转向部分的转向轴联接以实现全方位运动,此处设计了类似于圆形的固定件。如图下图所示。使用是运用两个配合来固定住旋转部分,通过四个螺丝的联接来谋求和转向轴的联接,从而使转向机构和旋转机构连为一体,最终实现全方位移动。2.4固定件2.3.2移动机器人转向机构设计转向部分主要由转向轴、轴承、基座、转向油泵以及转向连接件构成。转向机构设计的基本路线是从上而下。如图2.52.5转向部分（1）转向轴转向轴分两部份，呈T型，一端引入阶梯轴的方式，便于与底座连接；另一端与轮子部分连接，设计成圆柱形以确保足够的硬度和良好的工艺性。同时两部分轴互相配合，可以伸缩以便转向时前轮轴的位移变化。转向轴主要用处就是通过与转向电机的联结起到转向的作用，主要受的是径向力，而备受的轴向力很小。如图2.7所示，转向轴受到向上的轴向力时，轴向力借助轴肩传到下方齿轮外圈，再放到套筒，然后传到上面轴承的外圈，再借助滚珠传递到电机外圈，而轴向力进一步的传递到端盖和壳体，从而将轴向力转移到整个车体上，因为，箱体连接在车体上。

转向轴受到向上的轴向力时，首先是靠弹性挡圈传递轴向力，再借助一系列传递最终将轴向力转移到车体上。所以说，转轴的工作是靠谱的。（2）转向轴与底座连接：转向轴相对于底座来说只有一个自由度，形成的是旋转副，转向轴在机器人移动过程中承受径向力和比较大的轴向力，适合这种要求的常见电机有圆柱滚子轴承。轴承选用螺母隔开的两端支撑结构，这样设计可以确保转向轴在转向的过程中不发生摇摆，保证转向的效率并且可以减少对转向相关零配件的损坏。一对电机用钻杆隔开后，轴承外圈由轴肩和轴用弹性挡圈固定。两齿轮内圈与木柱座孔和电机端盖连结。（3）转向油泵轴和转向轴的联结两轴的联结一般采用联轴器。联轴器主要用来联结轴与轴(或连接轴与其它回转件)以传递运动和转速,有时也用作安全装置。本文中没用选择标准的联轴器,因为标准的联轴器整体厚度过大,占用空间大,且不便于安装,不合乎设计要求。同时,由于所要联结的两轴径大小确认本文自行设计了一个联轴器。2.6联轴器由于轴仅受到载荷的作用,而轴向力很小，所以两轴都采取平键来周向固定,以超过固定和连结两轴的目的。（4）转向驱动马达与底座的连接当转向轴与底座组成旋转副现在，只应该用水泵来驱动转向轴即可实现轮胎的转向。

将轴承固定在底座上应该一个联接件，连接件设计过程中考虑了两种模型：整体式和剖分式。整体式装配时定心性好，但需要侧面开口，这样易于造成轮胎转向误差不够，且不便于防尘，剖分式定心性稍差一点，可以组制备封闭结构，具有牢靠的载荷，防尘，拆卸方便。因此，选用剖分式结构。整体式剖分式5）箱体的设计与固定如图2.6所示为壳体结构的。它借助左右两旁对称的呈L型的方形臂个螺丝固定于车体前后两边。由于箱体是借助螺栓和机座联接的，从而可以把它和机座以及转向电机视为一体。再者，箱体小电机1）什么是电机：在机器人机电控制平台中，舵机控制效果是音质的重要制约因素。

舵机可以在微机系统和航模中成为基本的输出执行机构，其简洁的控制和输出使得pc机系统比较易于与之接口。舵机是一种位置（视角）伺服的驱动器，适用于那些需要视角不断变化并可以维持的控制平台。目前在高端遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种称作，其实是一种调速电机。2）电机的工作机理：控制讯号由接收机的通道开启信号调制芯片，获得直流偏置电阻。它外部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置功率与电位器的功率比较，获得电阻差输出。最后，电压差的正负输出到马达驱动芯片决定马达的正反转。当轴承温度一定时，通过前馈减速齿轮推动电位器转动，使得功率差为0，电机停止旋转。当然我们可以不用去认识它的详细工作机理，知道它的控制机理就够了。就像我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑（2）步进电机步进电机作为一种新型的手动控制平台的执行机构，得到了越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进马达虽然有一些不足，如开启速率过低或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时温度过低易出现过冲，且一般无过载能力，往往还要选择有较大转距的轴承来消除惯性载荷。

但步进马达点位控制功耗好，没有累积误差，易于实现控制，能够在负载惯量适度的状况下，以较小的利润与复杂度谋求风机的同步控制。b.电机的选型与推算针对本课题来说，移动机器人的移动速率最高为0.5米/秒，电机转数最高接近100转/分。如果用直流马达，由于受温度和扭矩的制约，要配减速器。而如若用步进马达，控制位置误差比较高可以超过1.8度。而且不应该减速器避免产生结构冗繁。因此选用步进马达作为驱动马达。下面对转动步进马达尺寸进行选用，轮式移动机器人在移动的之后，需要克服两种阻力：摩擦力和浮力。对于平面内移动的机器人来讲则只应该消除摩擦力。移动机器人整体长度在20Kg左右，地面磨擦系数按塑料与混凝土之间的取为0.5，则机器人应该的总容量为：(209.80.5)0.549（2-1）轮胎半径为110mm，则风机应该提供的载荷为：25551375（2-2）显然，选择了上海和利时公司的56BYG250D-0241型号马达。静载荷为1.5NM。该轴承在相同产品中带有在温度变高一定范围内能够维持平缓的转矩。图为轴承转速图上面选择转向油泵，机器人对转向速率要求较低，对位置误差比较苛刻，选用步进电机可以满足设计要求。

转向电机主要是使后轮实铝框架式构架，如图2.13所示共分二层：第一层是车体基体，空间较大可以安装电池、集线器、装配电路板等，同时可以在今后的详细设计中改变外部格局，以超过最佳的使用效果；第二层加装车轮转动机构。

本结构的空间分层设计促使机器人机构紧凑，易于维护，而且增加了机器人控制平台的抗干扰能力。图2.13车体构架2.5本章总结机器人是一种高度集成的机电一体化产品。它不是机械装置和电子装置的简单组合，而是机械、电子、计算机等技术的有机整合。本文虽只设计机械本体部分，但设计过程要完全考虑各部份的动因。而移动机器人的移动机构，它是移动机器人平台能够完成选定任务的基础。本文设计了可防止对轴承轴产生应力的轮子转动结构，通过优化车轮的宽度与轴承的匹配，使其轮胎能够在0-0.5m/s调速；设计了轮胎转动机构，可使车轮实属材料和诸多复杂的复合材料等。选择材料主要应考虑下面三方面的弊端。a.使用要求使用要求一般包含：零件的受载情况和工作现状；对部件厚度和品质的限制；零件的重要程度等。若零件厚度取决于硬度，且长度和长度又遭受诸多限制，应采用强度较高的材料。

静载荷下工作的部件，应分布均匀的（伸展、压缩、剪切），应采用组织均匀，屈服极限较高的材料；应力分布不均匀的（湾区、扭转）宜选用热处理后在载荷较大部位带有较高硬度的材料。在变载荷工作的部件，应采用疲劳强度较高的材料。零件规格取决于接触强度的，应采用可以金星表面增强处理的材料，如：调质钢、渗碳钢、氮化钢。零件型号取决于载荷的，则应采用韧性挠度较大的材料。碳素钢与合金刚的韧性挠度相差很小移动机器人原理图，故采用优质合金刚对改善工件的挠曲没有涵义。截面积相等，改变工件的外形与结构可使载荷有较大降低。滑动摩擦下工作的部件应采用摩擦性能好的材料；在低温下工作的部件应选用耐磨材料；在腐蚀介质中工作的部件应采用耐锈蚀材料等。b.工艺要求材料的工艺要求有三个方面内容（1）毛坯制造小型工件且批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的工件只有用毛坯才易生产，但锻造应采用铸造性能好的材料，如碳钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型工件只大量制造，可用点焊件毛坯，但堆焊件要考虑材料的可焊性和制造裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中大型零件引入铸造毛坯，大体量制造的钢种可用模锻，少量制造时可用自由锻。

锻造毛坯主要考虑材料的延展性、热膨胀性和变型能力等，应采用锻造性能好的材料。（2）机械加工大批批量制造的工件可用手动车床加工，以减少产值和产品品质，应考虑工件材料的易切削性能、切削后能超过的表面光滑度和表面性质的差异等，应采用切削性能好的材料，如易削断、加工表面光滑、磨损小的材C.经济性要求（1）经济性首先体现为材料的相对费用。当用费用昂贵的材料能满足使用要求时，就不应当采用价格高的材料。这对生产的部件尤为重要。（2）当部件的品质不大而加工量巨大，加工价格在部件总利润中要占巨大的比列，这时，选择材料时所考虑的原因将不是相对价位而是其加工性能和加工费用。（3）要充分考虑材料的运用率。例如运用无切削或少切削毛坯，可以增加材料的运用率。此外，在构架设计时也需要设法减少利用率。（4）选用局部品质原则。在不同的背部上采取不同的材料或采取不同的热处理工艺，使各局部的要求分别给与满足。（5）尽量用功耗相似的低端材料替代价钱相对繁琐的稀缺材料。另外选取材料时应尽量考虑当地当年的材料供应情况，应尽能的减少同一部机器上使用的部件材料种类和尺寸不同。3.2零件材料选取与硬度校核从材料选择原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械本体个零配件的材料。

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/tongxinshuyu/article-119824-2.html