1、第一章 绪论 1.1 国内外可移动机器人的发展现状 移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在 60 年代，就己经开始有关 于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动 方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次， 必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路 径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境 映射。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行 等多种功能于一体的综合系统。由于对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑 战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家
2、学者和工程技术人员的兴趣， 更由于它在军事侦察、扫雷排险、核、化污染等危险与恶劣坏境以及民用中的物 料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。国外 在移动机器人方面的研究起步较早，不管是在应用还是在研究方面，日本和美国 都处于遥遥领先的地位。美国国家科学委员会曾预言:“20 世纪的核心武器是坦 克。21世纪的核心武器是无人作战系统，其中 2000年以后遥控地面无人作战系 统将连续装备部队，并走向战场” 。为此，从80年代开始，美国国防高级研究计 划局(DARPA)专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界 掀开了全面研究室外移动机器人的序幕。初期的研究，
3、主要从学术角度研究室外 机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。 虽然由于 80 年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未 达到预期的效果，但是却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的 途径积累了经验，同时也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。进入 90 年代， 随着技术的进步， 移动机器人开始在更现实的基础上， 开拓各个应用领域， 向实用化进军。如由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人，是一个 能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人，1994 年 在斯拍火山的火山口中进行了成功的演示。美国 NASA 研制的火星探测机器
4、人索 杰那于 1997 年登上火星。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机 的研制，命名为Rocky，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的 实验。此外，在民用方面，可移动机器人在国外己被广泛用于扫除、割草、室内 传送、导盲、导游、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。 另外， 国外还在高完整性机器人， 遥控移动机器人， 环境与移动机器人系统， 生态机器人学，多机器人系统等方面作了大量的研究。国内在移动机器人方面的 研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有: 清华 大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。 涉及到五个方面的关键技术:基于地图 的全局
5、路径规划技术研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越 野环境下的全局路径规划、 自然地形环境下的全局路径规划);基于传感器信息的 局部路径规划技术研究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制);路径 规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器 人规划系统的仿真模拟、 室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟);传感技 术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超 声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术);智能移动机器人的设计和实现(智 能移动机器人THMR
6、-IH的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统)。 此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务 机器人、中国科学院沈阳自动化研究所的自动导引车AGV和防爆机器人、中国科 学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统、哈尔滨工业 大学研制成功的导游机器人等。总之，近年来移动式机器人的研究在国内也得到 很大的重视，并且在某些方面的研究取得丰硕的成果。 1.2 移动机器人的关键技术 移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、 精确的感知能力，并具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。移动机器人的 智能指标为自主性、适应性和交互
7、性。适应性是指机器人具有适应复杂工作环境 的能力(主要通过学习)，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和所 要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力;自主性是指机器人 能根据工作任务和周围环境情况，自己确定工作步骤和工作方式;交互是智能产 生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人及机器人之间三种，主要涉及信 息的获取、处理和理解。因此，在移动机器人研究中，关键在于以下几个方面： 1.机器人结构.机器人机械结构形式的选型和设计， 是根据实际需要进行的。 在机器人机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了 丰富而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履
8、带式和特种机器人研究 较多。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能 源利用率高等特点， 正在向实用化迅速发展从阿波罗登月计划中的月球车到美国 最近推出的硕士论文轮式机器人控制问题的研究 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， 都有力地显示出移动机器人正在以其具有使用价值和广阔的应用 前景而成为智能机器人发展的方向之一。 2.体系结构.机器人的智能系统具有以下特点:信息密集， 多层次的信息与知 识表示方式，与环境交互丰富多样，信息与知识分布存储等。所以，它是一个高 智能、多系统的复杂系统工
9、程，不是单元技术的简单连接，系统的总功能是各种 分系统在多层次的协调和分工中集成，因此，机器人的总体集成技术是一个核心 问题，其主要内容是机器人的体系结构研究。体系结构的研究，主要针对有意识 行为和反射行为而展开的，如何将两者相统一，是目前的一个研究热点。早期的移动机器人研究都是在室内进行的，其体系结构，一般只能在“积木世界”中运 行。德国为在自动化工厂中运行的自动导引车 AGV设计了一种分层体系结构。德 国还开发了一种具有很高水平的移动机器人系统KAMRO，其体系结构基本上采用 NASREM 模型的思想。美国 MIT 的人工智能实验室提出了包容体系结构思想，并 建立了一系列新型的移动机器人。
10、包容体系结构采用所一谓“感知一动作”结 构，也称基于行为的结构。一些实验表明，包容体系结构在处理动态环境中不确 定性和模仿动物的低级反射行为方面具有很多优点。最近，又提出了基于行为控 制思想的新型体系结构。目前，这种基于行为控制的体系结构还处于理论探讨阶 段，很多工作有待深入。 3.移动机器人路径规划技术.移动机器人的路径规划就是给定机器人及其工 作环境信息，按照某种优化指标，寻求有界输入使系统在规定的时间内从起始点 转移到目标点。机器人路径规划的研究始于20 世纪70年代，目前对这一问题的 研究仍十分活跃，许多学者做了大量的工作。其主要研究内容按机器人工作环境 不同可分为静态结构化环境、动态
11、己知环境和动态不确定环境，按机器人获取环 境信息的方式不同可分为基于模型的路径规划和基于 传感器的路径规划。运动规划是移动机器人的一个重要问题，对于自由运动 的机器人，即机器人的运动不受约束，运动规划问题可以通过在自由位形空间内 计算一条路径加以解决， 这样的一条路径与工作空间内的一条可行的自由路径相 对应。 但是移动机器人运动受到非完整性约束， 并不是任意路径都一定是可行的。 在复杂动态的环境中，还要考虑运动中的避障问题，因此，移动机器人的运动规 划是一个比较复杂的问题。尚有许多的问题有待研究。 4.导航与定位.在移动机器人的应用中，精确的位置知识是一个基本问题。 有关位置的测量，可分为两大
12、类:相对和绝对位置测量。使用的方法可分为7种: 里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔，全球定位系统，路标导航和地图模型匹 配。 1.3 课题研究意义 研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动， 以 及替代人到有辐射等危险环境中进行作业， 因此机器人最早在汽车制造业和核工 业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域、军事、海洋探测、航 天、医疗、农业、林业也都开始使用机器人。本课题选用轮式作为机器人平台设计研究， 两轮式机器人在国内外还处于刚 刚起步阶段，其前景广阔，适用性较广，在教学、科研、野外作业、民用运输方 面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应
13、用价值。已经初步 做出了简单的实验模型，解决了轮式机器人的传动机构难题。 该轮式机器人运动响应迅速，具有高机动的零半径转向能力，并且在运动过 程中不存在失稳状态。摄像头的密封式结构可以将内部器件密封保护起来，免受 外界环境的影响，非常适合在潮湿、多尘土、多辐射或有毒的环境中执行任务。 它具有广阔的应用前景，例如，通过搭载视觉传感器或气体传感器等设备，它可 以在缺少人干预的环境中进行战场侦察、室内或库房的巡逻及行星探测等任务， 也可以通过搭载声光电等设备作为一种新颖的具有移动性和交互性的儿童玩具。 1.4 论文主要完成工作 课题主要完成轮型机器人，驱动电机选择，驱动芯片的选择及程序的编制， 驱动
14、电路设计。 1.机械结构部分包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机 的选择2.针对设计要求结合所选用的电机，设计电机的驱动模块，并讨论系统设计 的可靠性问题第二章 轮型机器人结构设计 2.1 引言 机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节， 能够为后续关于机器人的 研究提供有价值的平台参考和有用的思路。 带有机械臂的全方位移动机器人可以 实现在平面内任意角度的移动，能够以一定姿态到达预定位置。根据这一总体思 想，进行本机器人移动机构的本体设计。 2.2 机械设计的基本要求 机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要 求两个方面，两者相互联系、相互影响。 a
15、.对机器整机设计的基本要求 对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的 要求， 好的使用性能指标是设计的主要目标。 另外操作使用方便、 工作安全可靠、 体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。 对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中， 在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实 现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。 b.对零件设计的基本要求 机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的 设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，
16、即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。 要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正 常实现。这就要求零件在预定的寿命内不会产生各种可能的失效，即要求零件在 强度、刚度、震动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足的条件，这些条件就是 判定零件工作能力的准则。 要尽量降低零件的生产成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考 虑。设计时合理的选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定 零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。 另外要尽 量采用标准化、系列化和通用化的零部件。 任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机
17、是机器工作的能量来 源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，如内 燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来 实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。2.3 全方位轮式移动机构的研 制 在设计移动机器人本体时应遵循以下设计原则： （1）总体结构应容易拆卸，便于平时的实验、调试和修理。 （2）应给机器人暂时未安装的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将 来功能改进与扩展。 对比绪论中各转向机构的优缺点，本文选用全方位轮式机构来设计。全方位 轮式机器人的运动包括纵向、横向和自转
18、三个自由度的运动 7 。车轮形移动机构 的特征与其他移动机构相比车轮形移动机构有下列一些优点：能高速稳定的移 动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术 和经验等。它的缺点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，如果不 考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。所以在这个意义上 车轮形移动机构的利用价值可以说是非常高的。图 2.1 是全方位轮式移动机构 的示意图。 轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，可调速，便于控制。车轮的旋 转和转向是独立控制的，全方位移动机器人采用前后轮成对驱动来控制转向，以 及控制每轮旋转来实现全方位移动 8 。 图 2
19、.1 全方位轮式移动机构示意图 2.3.1 移动机器人车轮旋转机构设计 在车轮旋转机构设计过程中，主要考虑了以下模型，如2.2图所示。由图可 以看出，模型 a 结构简单，但是车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象， 且对电机轴形成一个弯矩，容易对电机轴造成破坏。模型 b 采用电机内嵌式结构，增大了车轮与地面接触面积，减小了打滑现象，但电机固定比较困难。 综合两种模型的优缺点，设计如下图中所示结构， 图 2.2 旋转部分结构图 将电机内嵌在车轮内部，既增大车轮与地面的接触面积，又缩短了整个结构 的轴向距离。为了保持轮子受力平衡使整个机构可以平稳运动，将轮子设计为两 个一组来实现。 采用了一个深沟
20、球轴承作为径向支承，一方面避免了车轮对电机产生弯矩；另一 方面保证了车轮的刚度。轴承外圈与车轮内表面配合，由于内圈并不能与电机直 接配合，设计了一个电机壳结构，作电机和轴承的连接。 图 2.3 旋转部分 车轮旋转部分的具体结构分为五个部分： （1）两个轴承由弹性挡圈和电机壳轴肩轴向定位；通过电机壳外表面径向 定位通过电机轴外表面径向定位。 此外,此处选用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载荷。选用它就可以达到设计的 要求,而且深沟球轴承经济性好,方便购买。而作为径向支撑,它主要避免了车轮 对电机产生弯矩。 （2）电机预装在电机壳上，依靠电机壳凸缘轴向定位；
21、但径向定位不能利用电机定位止口定位，只能采用车轮调整电机轴的同心完成径向定位。 （3）车轮依靠轴承的外圈定位，然后再通过车轮自有联轴器与电机轴联接。 这个过程也是调整电机轴同心， 然后从车轮侧面的预留安装孔将电机紧固在电机 壳上。（4）整个车轮分为两部分组合而成。一个是带有轴径的车轮,另一个是不带 轴径的轮子,两者相配合使用组成一组完整的车轮。而车轮轴径与车体支撑件以 滚动摩擦的形式配合使用,并且作为两车轮的轴向定位件。车轮最终的固定是通 过外侧的螺钉来顶紧挡板实现的。具体结构如图2.4所示。 （5） 整个旋转部分结构设计完成,但它必须与转向机构连接起来才能实现全 方位移动。后一小节转向机构的
22、设计中设计有转向轴,为了使转动部分和转向部 分的转向轴连接以实现全方位运动,此处设计了类似于半圆的固定件。如图下图 所示。使用是采用两个配合来固定住旋转部分,通过四个螺栓的连接来实现和转 向轴的连接,从而使转向机构和转动机构连为一体,最终实现全方位移动。 图 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、转向电机以及转向连接件组成。转向 机构设计的基本路线是从上而下。如图2.5 图 2.5 转向部分 （1）转向轴 转向轴分两部分，呈T型，一端采用阶梯轴的形式，便于与基座联接；另一 端与车轮部分联接，设计成圆柱形以保证足够的强度和良好的工艺性。同时两部 分轴
23、互相配合，可以伸缩以便转向时车轮轴的位移变化。转向轴主要作用就是通 过与转向电机的连接起到转向的作用， 主要受的是径向力， 而受到的轴向力很小。 如图2.7所示， 转向轴受到向上的轴向力时， 轴向力通过轴肩传到下方轴承内圈， 再传到套筒，然后传到上方轴承的内圈，再通过滚珠传递到轴承外圈，而轴向力 进一步的传递到端盖和箱体，从而将轴向力转移到整个车体上，因为，箱体连接 在车体上。转向轴受到向下的轴向力时，首先是靠弹性挡圈传递轴向力，再通过 一系列传递最终将轴向力转移到车体上。所以说，转轴的工作是可靠的。 （2）转向轴与基座联接： 转向轴相对于基座来说只有一个自由度，形成的是转动副，转向轴在机器人
24、 移动过程中承受径向力和比较大的轴向力， 适合这种要求的常用轴承有圆锥滚子 轴承。轴承采用套筒隔开的两端支撑结构，这样设计可以保证转向轴在转向的过 程中不发生摇摆，保证转向的精度并且可以减小对转向相关零部件的磨损。一对 轴承用套筒隔开后，轴承内圈由轴肩和轴用弹性挡圈固定。两轴承外圈与基座座 孔和轴承端盖连接。 （3）转向电机轴和转向轴的联接 两轴的连接一般选用联轴器。 联轴器主要用来联接轴与轴(或联接轴与其它 回转件)以传递运动和转矩,有时也用作安全装置。 本文中没用选用标准的联轴器, 因为标准的联轴器整体尺寸过大,占用空间大,且不利于安装,不符合设计要求。 同时,由于所要连接的两轴径大小确定
25、本文自行设计了一个联轴器。图 2.6 联轴器 由于轴仅受到转矩的作用,而轴向力很小， 所以两轴都采用平键来周向固定, 以达到固定和连接两轴的目的。 （4）转向驱动电机与基座的联接 当转向轴与基座构成转动副以后， 只需要用电机来驱动转向轴即可实现车轮 的转向。将电机固定在基座上需要一个连接件，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，但必须侧面开口，这样容易导致 车轮转向精度不够，且不利于防尘，剖分式定心性稍差一点，可以组合成封闭结 构，具有可靠的刚度，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所示为箱体结构的示意图。 它
26、通过左右两侧对称的呈L型的矩形臂 用8个螺栓固定于车体前后两侧。由于箱体是通过螺钉和机座连接的，从而可以 把它和机座以及转向电机视为一体。 再者， 箱体内部是放置轴承， 并固定轴承的， 所以设计了如图中所示的双臂。 这种设计可以将转向机构的整体重量通过箱体的 两臂传到车体上，进而施于整个重量施轮子。那么转轴的受力将大大的减小。 而且这样设计拆卸方便，利于维修。采用对称结构固定于空间内，有利于稳定整 个转向机构，并提高整个全方位移动机构的性能 图 2.6 箱体示意图 2.3.3 电机的选型与计算 a.电机性能的比较 在机器人的驱动器一般采用以下几种电机：直流电机、步进电机和舵机。几 种电机有关参
27、数进行如表 2.1 所示。 表2.1 几种电机比较 电机类型 优 点 缺 点 直流电机 容易购买 型号多 功率大 接口简单 转速太快，需减速器 电流较大 较难与车轮装配 价格较贵 控制复杂（PWM） 步进电机 精确的速度控制 型号多样 适合室内机器人的速 度 接口简单 价格便宜 功率与自重比小 电流通常较大 外形体积大 较难与车轮装配，负载能力 低 功率小舵 机 内部带有齿轮减速器 型号多样 适合室内机器人的速 度 接口简单 功率中等 价格便宜 负载能力低 速度调节的范围小 （1） 舵机 1）什么是舵机： 在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以 在微机系统和航模中作
28、为基本的输出执行机构， 其简单的控制和输出使得单片机 系统非常容易与之接口。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需 要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，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。舵机是一种俗称，其实 是一种伺服马达。 2）舵机的工作原理： 控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有 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 置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机 驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电
29、位器 旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作 原理，知道它的控制原理就够了。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 的。 （2）步进电机 步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构， 得到了越来越广泛的应 用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率 过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过 载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制 性能好，没有积累误差，易于实现控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小
30、的成本与复杂度实现电机的同步控制。 b.电机的选型与计算 对于本课题来说，移动机器人的移动速度最高为 0.5 米/秒，电机转数最高 接近 100 转/分。如果用直流电机，由于受转速和力矩的影响，要配减速器。而 如果用步进电机，控制位置精度比较高可以达到 1.8 度。而且不需要减速器避 免造成结构冗繁。因此选择步进电机作为驱动电机。 下面对旋转步进电机型号进行选择，轮式移动机器人在移动的时候，需要克 服两种阻力： 摩擦力和重力。 对于平面内移动的机器人来讲则只需要克服摩擦力。移动机器人整体重量在 20Kg 左右，地面摩擦系数按金属与混凝土之间的取为 0.5，则机器人需要的总功率为：(209.80
31、.5)0.549 Pfv W = = 总 则平均每组车轮提供的功率为25 瓦。 对于单个车轮而言： v PMM r w = = （2-1） 车轮直径为 110mm，则电机需要提供的转矩为： 255 1375 20.5 Pr M P mNm v w = = （2-2） 因此，选择了北京和利时公司的56BYG250D-0241 型号电机。静转矩为 1.5 NM 。该电机在相近产品中具有在转速变高一定范围内能够保持平稳的力矩。 图为电机转矩图 下面选择转向电机，机器人对转向速度要求较低，对位置精度比较严格，选 用步进电机可以满足设计要求。转向电机主要是使车轮实现零半径回转，克服地 面摩擦力，要求的转
32、速不高，因此主要计算电机静力矩。 在这里我们假设每个车轮与地面的接触按照理想状态即相切线接触， 那么平 均每个车轮的摩擦力为： 1 209.80.524.5 4 f N = （2-3） 由于车轮是零半径回转，所以克服的摩擦力矩为： 0 2 /2 2 l f M x dxfl l = = （2-4） 式中l单个车轮的宽度 设计车轮与地面接触总宽度为 60mm，即 30 l m = 所以克服的力矩为 0.368 Nm 。实际上车轮不是与地面呈线接触，保证一定余量，选择电机型号为 56BYG250B-0241，静力矩为0.72 Nm 。下面是所选电机的外形尺寸 。 （ 图片来自 htp:/ 1） 2
33、.4 移动机器人车体结构设计 设计移动机器人车体是应遵循以下几个原则： （1）总体结构应容易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理。 （2）在设计的移动平台应能够给机器人暂时没有安装的传感器、功能元件、 电池等元件预留安装位置，以备将来功能改进和扩展。 车体是实现全方位移动机构的部分，也是安装其他元件的主体。它同样是保 证机器人具有良好的环境适应能力的关键。 本文设计的车体采用的是合金铝框架式结构，如图 2.13 所示共分二层：第 一层是车体内腔，空间较大可以安装电池、集线器、装配电路板等，同时可以在 以后的具体设计中改变内部格局，以达到最佳的使用效果；第二层安装车轮旋转 机构。本结构的空间分层设
34、计使得 机器人机构紧凑，易于维护，而且提高了机器人控制系统的抗干扰能力。 图2.13 车体结构示意图2.5 本章小结 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融合。本文虽只设计机械本体部 分，但设计过程要完全考虑各部分的因素。而移动机器人的移动机构，它是移动 机器人系统能否完成指定任务的基础。 本文设计了可避免对电机轴形成弯矩的车轮旋转结构， 通过优化车轮的直径 与电机的匹配，使其车轮能够在 0-0.5m/s 调速；设计了车轮旋转机构，可使车 轮实现零半径转向。第三章 机械材料选择和零件的校核 3.1 机械材料选用原则 机
35、械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题， 不同材料制造的零件不但 机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用的材料由 黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复杂的复合材料等。 选择材料主要应考虑以下三方面的问题。 a.使用要求 使用要求一般包括： 零件的受载情况和工作状况； 对零件尺寸和质量的限制； 零件的重要程度等。 若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制，应选用强度较高的 材料。静应力下工作的零件，应分布均匀的（拉伸、压缩、剪切），应选用组织 均匀，屈服极限较高的材料；应力分布不均匀的（湾区、扭转）宜采用热处理后 在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力工作
36、的零件，应选用疲劳强度较 高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料， 如：调质钢、渗碳钢、氮化钢。 零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的 弹性模量相差很小， 故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。 截面积相同， 改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。 滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料； 在高温下工作的零件应选 用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。 b.工艺要求 材料的工艺要求有三个方面内容 （1）毛坯制造 大型零件且批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只 有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料
37、，如铸钢、灰铸铁或球铸铁 等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和 生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大 规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要考虑材料的延 展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。 （2）机械加工 大批批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品 质量，应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的 变化等，应选用切削性能好的材料，如易削断、加工表面光洁、刀具磨损小的材 料。 C.经济性要求 （1）经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用
38、要求时，就不应该选用价格高的材料。这对大批量制造的零件尤为重要。（2）当 零件的质量不大而加工量很大， 加工费用在零件总成本中要占很大的比例， 这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能和加工费用。 （3）要充分考虑材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯，可以提高 材料的利用率。此外，在结构设计时也应该设法提高利用率。 （4）采用局部品质原则。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热 处理工艺，使各局部的要求分别得到满足。 （5）尽量用性能相近的廉价材料代替价格相对昂贵的稀有材料。 另外选择材料时应尽量考虑当地当时的材料供应情况，应尽能的减小同一 部机器上使用的零件材料品种和
39、规格不同。 3.2 零件材料选择与强度校核 从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械本体个 零部件的材料。 a.轴类零件材料的选择与校核 （1）轴材料的选择 传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低，还 可通过热处理改变其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用 45 号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动 力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工 作的轴， 常采用合金钢。 在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。 因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高周的刚度。鉴于此，全方位移
40、动结构中的 车轮，转轴；螺纹轴采用45号钢，就完全能够满足设计要求 的需要。 （2）转向机构的转向轴强度校核 由于此轴最小轴径是直径为 10mm 的那段,所以只对这一段进行校核就可以 了。轴的运动主要受到扭转力,所以只对其扭转强度进行校核 4 。 轴的扭转校核公式为: T T T T W t t = （3-1） 式中： T t 扭转切应力，单位为 a MP T W轴的抗扭截面系数，单位为 3 mm 轴的材料为45号钢,其允许扭转切应力为 35 T a MP t = 由第二章可知，转向机构选择的电机型号为 56BYG250B-0241，其静力矩为 0.72Nm 。即 T=720Nm 。 由于此段
41、轴中有键，其截面如图3.1所示：抗扭截面系数： ( ) 2 3 T W 16 2 btdt d d p - = - （3-2） 图中t=1m, b=2m, d=10mm 图3.1 轴截面 将数值带入公式计算得： 3 T W18.25m = 则： 1400 7.4 35 18.25 T a T a T T MP MPW t t = = = 由此可知，设计的转轴强度满足要求，可以使用。 （3）车轮的校核 车轮是整个机械部分的支撑，也是整个结构受力最大的部分。这里从材料经 济性和强度等方面选择45号钢来制造。 加工时为了增大车轮与接触面的摩擦力， 车轮表面要滚花处理，这样更有利于机器人的移动。 整个
42、车轮部分承载的重量为 12Kg。由于整个移动机构有四个车轮，这样每 个轮子受到的重量只有 3Kg。受到的重力仅为 29.4N。轮子的直径为 110mm，整 个移动部分的强度是非常大的，完全满足设计的要求。 B.壳体件材料的选择 壳体类零件它们的性能要求很低,所以尽量选择质量轻,价格低廉且符合设 计要求的材料。本文选用的是ZAlSi9Mg，这是一种硬铝材料，强度大、质量轻， 完全符合本文的设计要求。 并且这种铝合金有利于材料的购买，同样这种材料是满足设计要求的。其中 材料ZAlSi9Mg的弯曲应力240 a MP ， C.车体支撑件材料的选择和校核 （1）材料的选择 车体支撑件由于与车轮轴之间为
43、滚动摩擦,需要选取一种耐摩擦,同时要求 强度大,质量轻,价格便宜的材料来制造。 工程塑料拥有良好的综合性能,其强度、刚度、冲击韧性、抗疲劳等不较高, 特别是拥有很高的耐磨性。它可以在无润滑油的情况下有效的进行工作。由于它 相对密度小,因此其强度高。 聚甲醛(POM)是一种比较常用的工程塑料。它是以线性结晶高聚甲醛树脂为 基础的。 它有着高强度、 高弹性模量等优良的综合力学性能。 其强度和金属近似, 摩擦因数小并有自润滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一种相当便宜的材料。 由于本设计中的负荷低,移动机构的速度不快,从而此处选择有聚甲醛这种 工程塑料来制造车体支撑件。（2）支撑件的校核 支撑件是用来
44、支撑机器人主要机械机构的，本文中共用四个支撑件，都和车 轮配套使用，受力几乎一样为29.4N。 聚甲醛的抗压强度为 125 a MP ，抗弯强度为 980 a MP ，整个零件的强度和刚 度是非常大的。从每个件的受力来看，材料聚甲醛的各个力学性能完全满足本文 的设计要求。 支撑件和车轮轴是滚动摩擦配合， 属于间隙配合。 由于聚甲醛的耐摩擦性好， 而机器人移动速度慢，从摩擦的角度来说，聚甲醛也是理想的支撑件材料。 3.3 本章小结 全方位移动机器人各零部件所要求的强度、刚度等都不同，应该选用不同的 材料来制造加工。所以本章就依据机器人在工作过程中各零部件不同受力情况， 以及机械设计的要求选用了不
45、同的材料来制造零件，并对零件进行了强度校核， 使其达到工作要求。 结 论 本文在了解和分析已有的机器人移动平台的工作原理和结构， 对比它们的优 劣点。在这些基础上提出了全方位移动结构的可行性方案，并选择最佳方案来设 计。 纵观本文，全方位移动机器人可分为两个大部分即旋转机构设计、转向机构 设计。总结如下： 1本文采用车轮机构来实现全方位移动。从而设计了可避免对电机轴形成 弯矩的车轮旋转结构，通过优化车轮的直径与电机的匹配，使其车轮能够在 0-0.5m/s 调速； 2设计了车轮转向机构，可使车轮实现零半径转向； 全方位移动机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节， 能够为后续关 于机器人的研究
46、提供有价值的平台参考和有用的思路。致 谢 行文结束之际， 我衷心地感谢指导老师老师在我做毕业设计期间给予的关心 和指导，在学校良好的硬件和软件环境下，我能够充分地发挥自身的能力，顺利 地完成了课题的研究设计工作。 而李老师在工作中优秀的学术风范和极高的敬业 精神时刻督促作者在今后的学习工作中努力拼搏、精益求精。在此谨向恩师致以 最诚挚的感谢！ 作者衷心感谢刘型志等诸位同窗在作者的设计研究过程中给予的无私帮助 与支持。 感谢所有关心和帮助过我的亲人、老师、同学和朋友们！参考文献 1 吕伟文.全方位轮移动机构的原理和应用A.无锡职业技术学院学报,2005， 615-17. 2 赵东斌,易建强等.全
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