自主机器人移动机构设计与研究

８　现代制造技术与装备　２０１１第２期总第２０１期　自主机器人移动机构设计与研究　张建新　（枣庄矿业集团蒋庄煤矿，枣庄２７７５１９）　摘　要：根据自主机器人的工作环境，分析了各种形式的机械人移动机构的结构，对移动机构进行了研究，　对各部件进行了设计计算。　关键词：移动机构　分析设计　自主移动机器人具有一定的智能和判断能力，由于其　较强的活动能力、良好的可控性等特点在工农业、国防等　各个领域具有广泛的应用前景，对于在煤矿或煤机厂的　一些大型车间厂房、特殊作业场合进行应用也成为了一　种趋势。本文针对室内环境固定路线工作的自主机器人　移动机构进行设计研究。　１移动机构的分析选择　机器人在地面上的移动方式通常有三种：车轮式、履　带式和步行式。　‘　图２四轮移动机构的常用配置形式　仰和前冲。图２（ｂ）的组合是两前轮为万向脚轮或球形轮，　两后轮为独立分散驱动轮。自转中心与车体中心不重合，　转弯半径相对较大。优点是其车轮配置增加了稳定性。　车轮式的优点是：能高速稳定地移动，能量利用效率　高，机构和控制都比较简单，而且现有技术比较成熟，但对　地面的要求较高，只适用于平整的硬质路面。本文场地为　室内光滑平整的场地，非常适合车轮运动，因此采用车轮　式移动机构。车轮式移动载体的平稳运动最少需要３个轮　子支持，目前机器人最常用的是３轮或４轮移动方式。　１）轮移动配置和操舵方式。典型３轮移动机器人通　通过比较以上各种移动方式，选择比较简单稳定的图　２（ｂ）后轮分散驱动的４轮机构。　２行走机构电机选择计算　（１）行走机构电机转矩的计算。如图３，本文机器人最　大质量为Ｍ＝７ｋｇ，选取后轮与地面的摩擦系数ｆ为０．２５，　常采用１个中心前轮和２个后轮的车轮布置。车轮配置　与功能的不同组合又可以将３轮机器人分为图１所示的　若干类型。　图１（ａ）所示组合是前轮１为万向辅助轮，轮２、３为后　驱动轮，利用转速差实现转向；图１（ｂ）所示组合是操舵机　构和驱动机构都集中在前轮１上，２个后轮只起支撑从动　作用；图１（Ｏ）所示的组合是前轮１为操舵轮，后轮２、３中　一机器人由两个后轮驱动，故每个轮承担的最大重量为　ｍ＝３．５ｋｇ，根据摩擦力计算公式Ｆ＝ｆｍｇ，力矩公式Ｔ＝ＦＲ，代　人得所需电机的转矩Ｔ＝２５７．３Ｎ・ｍｍ。　（２）行走机构电机转速的计算。设定机器人的最大速　度为ｌｍ／ｓ，行走机构后轮的设计直径Ｄ＝６０ｍｍ。根据公式　ｖ＝２，代入得ｎ＝ｖ／２　Ｒ＝７９．６ｒ／ｍｉｎ，因此，所需电机的转速为　８０ｒ／ｍｉｎ。　个为驱动轮；图１（ｄ）的组合将单轮驱动改为双后轮差动　（３）行走机构电机功率的计算。根据公式Ｔ＝９５５０Ｐ／ｎ，　将数值Ｔ、ｎ代入公式得，所需电机功率为２．５Ｗ。　选择两个永磁直流减速电机ＢＲＳ７７５ＰＨ（０１６００３１０５１）　ＺＮ，功率为１ＯＷ。　驱动。３轮式车体配置结构简单，但稳定性稍差，易倾倒。　（ｂ）　（ｃ）　图１三轮移动配置方式　行　２）４轮移动配置和操舵方式。４轮移动方式的稳定性　更好，其常用配置形式如图２。　图２（ａ）的组合是前后轮为移动轮，左右两轮为独立　驱动轮。自转中心与车体中心重合，当２个驱动轮反向转　动时，车体能绕心自转，便于在狭窄场所变向。缺点是前后　轮有时不能同时着地，在高速启动和刹车时车体会产生俯　图３机器人驱动轮受力示意图　设计与研究　９　３驱动系统设计　结构设计如图４所示，电机与车体之间的连接是通过　螺栓、Ｌ型铝材和开槽圆柱头螺钉来实现的。联接驱动轮　的套简材料选用强度和刚度较好的４５钢。　该驱动系统的动力传递过程是：电机轴转动，带动与　之连接的套筒转动，从而使驱动后轮转动，于是实现了机　器人的前进。套简与驱动轮间采用较紧的过盈配合，套简　与电机轴配合采用较小的过盈配合。　图４驱动系统结构简图　１）驱动轮的结构设计　如图５所示，驱动轮外圈材料为橡胶。轮毂材料为尼　龙６６。为减轻轮子重量，在轮上有六个均匀分布的减重　孔。驱动轮的轴孔是根据电机的轴径而定的。　图５驱动轮结构简图　图６套筒（轮轴）的结构简图　２）套筒（轮轴）的结构设计　（１）机构设计。如图６所示。该轴在工作中承受扭矩　和不大的弯矩，故为传动轴。由于要与电机轴相连，故做　成空心轴（套简）。由于外联驱动轮，故做成光轴。套筒与　电机轴用Ｍ３的标准圆柱销联接，套简上开一３ｍｍ销孔。　套筒的长度主要取决于后轮的宽度及电机轴的长度，计　算为３２ｍｍ。套筒上销孔与筒端的距离取为６ｍｍ。　（２）强度校核。行走机构属于重要的部件，套简要承　受一定的载荷，故选用４５号钢。该轴主要承受扭矩及不　大的弯矩，故按扭矩来计算轴的强度。　图７电机固定板结构图　图８固定板结构简图　９５５０Ｌ　Ｔ１＝Ｔ　。。。≈———　—旦　≤［　Ｔ　Ｊ。。　Ｗ　Ｔ　０　２ｄ　．　（１一Ｂ　）一　计算知满足扭转强度条件要求。　（３）电机固定板结构设计。如图７，我们将驱动轮电机　固定板加工成Ｌ形。　电机固定板材料选用ＬＹ１２，尺寸据电机的尺寸而定。　电机与固定板的联接使用３个Ｍ３的标准螺钉。固定板与　底盘的联接使用３个Ｍ５的六角头螺栓，分布如图７。　（４）前轮使用万向轮。万向轮可由市场上购得。万向　轮与电机使用固定板螺栓联接，固定板的材料选为铝板，　结构例如图１０。　４结语　针对普通室内条件下的环境，分析了各种移动机构的　特点，设计选用了一种简单可靠、适应性强、容易控制的　后轮分散驱动的四轮移动机构，并进行了结构设计、材料　选择、电机选型，经济合理，可供设计时参考。　参考文献　［１］王鹏飞，孙立宁，黄博．地面移动机器人系统的研究现状与　关键技术［Ｊ１．机械设计，２００６，（０７）．　［２】杨宜民，黄明伟．能源自给式管道机器人的机械结构设计…．　机器人，２００６，（０３）．　［３］Ｂａｒ　Ｓｈａｎ，ｄｍＴａｎｔｗｈｙｔｅ．Ｉｎｅ￣ｉＮ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔｓ　【Ｍ］．Ｊｕｎｅ，１９９５．　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｒｏｂｏｔｓ’Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎａｘｉｎ　（ＪｉａｎｇＺｈｕａｎｇ　Ｃｏｌｌｉｅｒｙ，Ｚａｏｚｈｕａｎｇ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ，Ｚａｏｚｈｕａｎｇ　２７７５１９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｒｏｂｏｔｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｖａｒｉＯＨＳ　ｆｏｒｍｓ　ｏｆ　ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｍｏｖｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｐａｒｔｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｖｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｅｓｉｇｎ