铰接式机器人底盘研究与分析

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date铰接式机器人底盘研究与分析目 录电子与信息工程学院机器人控制技术课程研究报告论文题目 铰接式机器人底盘的分析与研究 学生姓名 徐 超 群 学 号 093521058 专 业 电气工程及其自动化 班 级 093521 任课教师 李 东 京 2012年6月 摘 要机器人学是一门重要的应用广泛的综合性前沿学科，其应用于机械工程学、电子学、控制科学、计算机科学等众多学科，其技

2、术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：（1）性能可靠，功能全面，精确度高；（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。机器人的应用范围也已经从工业制造领域扩展到军事、航空航天、服务业、医疗、人类日常生活等多个领域。应用机器人系统不仅可以帮助人们摆脱一些危险、恶劣、难以到达等环境下的作业（例如：危险物拆除、扫雷、空间探索、海底探险等），还因为机器人具有操作精度高、不知疲倦等特点，可以减轻人们的

3、劳动强度，提高劳动生产效率，改善产品质量等。尽管目前机器人还不像人们想象的那么强大，但是，机器人技术已经渗透到各行各业中。机器人正在逐渐改变着人们的生产、生活方式，机器人产业也正在成为一个新的高技术产业。在可以预见的未来，机器人将成为人类的得力助手，提高人类的生活质量，成为人类朝夕相处的可靠伙伴。关 键 词：机器人小车底盘；前轮定位；减速；转向；转弯半径 目 录 目录摘 要2绪 论4第1章：底盘控制技术的现状和发展趋势51.1转向控制系统51.2机器人小车底盘的线控技术51.3线控制动(brake by-wire)6第2章：机器人小车底盘的组成和功用62.1传动系62.2行驶系72.3.转向系

4、82.4.制动系92.5传动系故障102.6.离合器及故障诊断11第3章： 机器人小车底盘动力学分析123.1运动学分析123.2欠驱动、非完整动力学系统分析133.2.1 简化的Routh方程133.2.2 动力学建模153.2.3利用经验公式确定其它总体参数。183.2.4轮胎支撑轴的设计与校核193.2.5.减速器齿轮设计223.2.6齿根弯曲强度验算253.2.7减速箱连接螺栓设计263.2.8减速器轴承的选择计算26附录：283.3主视图28俯视图28左视图29第4章：收获与总结29参考文献30 绪 论本文根据机器人小车理论中与车辆底盘性能相关的原理，针对智能模型车底盘，对其各调整参

5、数加以介绍，并侧重从转向轮定位参数的选择，中心位置，舵机性能与行驶速度对转弯半径的影响的角度对铰接式机器人底盘加以分析与研究。本课题对传统机器人小车底盘加以创新，配上各种传感器，使传统机器人小车智能化， 近年来，国内外研究人员利用多种传感器，对移动机器人的导航与定位问题坐了有意义的探索，研究出了许多不同的移动机器人导航与定位方法。应用于移动机器人的导航与定位方法大体上可分为相对定位法（也称推测航行法DR）、绝对定位法（也称参照物定位法）和混合定位法。相对定位法分为测距法（odometry）和惯性定位法（IN）。绝对定位法分为磁罗盘法（MC）、主动灯塔法（AB）、全球定位法（GPS ）路标导航定

6、位法（LN）和模型匹配法（MM ）。混合定位法是结合相对定位法和绝对定位法来实现移动机器人定位的方法，包括：基于多传感器信息融合的定位法（FML）、定位与环境建模同时进行的研究方法（MBL）和视觉定位法（VBL）。机器人将成为人类的得力助手，提高人类的生活质量，成为人类朝夕相处的可靠伙伴。第1章 ：底盘控制技术的现状和发展趋势1.1 转向控制系统后轮转向系统（RWS）RWS能主动让机器人小车两后轮的横拉杆相对于车身作侧向运动，使两后轮产生一转向角。RWS是由电子控制单元、传感器和执行机构等组成。其执行机构有整体式和分离式两种。整体式是指机器人小车两后轮的横拉杆由同一个执行机构调节;而分离式则指

7、机器人小车两后轮的横拉杆由两个不同执行机构来调节。对于整体式RWS执行机构，用一个横拉杆位移传感器就能确定两后轮的转向角。当机器人小车高速行驶时，给后轮一个与前轮转向角方向一致的转向角。机器人小车的前后轮同时向同一方向转向，可提高机器人小车的方向稳定性，特别是机器人小车在高速行驶换道时，机器人小车不必要的横摆运动会大大减小，从而增强了机器人小车的方向稳定性，当机器人小车制动时，同系统相配合，可及时通过主动后轮转向角来平衡制动力所产生的横摆力矩，既能保持机器人小车的方向稳定性，又能最大限度地利用前轮的制动力，改进机器人小车的制动性能。1.2 机器人小车底盘的线控技术所谓线控就是用电子信号的传送取

8、代过去由机械、液压或气动的系统连接的部分，如换档连杆、油门拉线、转向器传动机构、刹车油路等。它不仅是取代连接，而且包括操纵机构和操纵方式的变化，以及执行机构的电气化。这将改变机器人小车的传统结构。全面线控的实现将意味着机器人小车由机械到电子系统的转变。线控技术要求网络的实时性好、可靠性高，而且一些线控部分要求功能实现的冗余，以保证在一定的故障时仍可实现这个装置的基本功能。就像现在的ABS和动力转向一样，在线路故障时仍具有刹车和转向的基本功能。这就要求用线控的网络数据传输速度高、时间特性好和可靠性高。1.3 线控制动(brake by-wire)线控制动系统由实现电子化的供能装置、控制装置、传动

9、装置、制动器4个部分组成。ECU(电控单元)对制动系统进行整体控制，采用全新的电子制动器，每个制动器有各自的控制单元。前线控制动系统分为2种类型：一种是电液制动系统EHB (Electronic-hydraulic Brake)，另一种是电子机械制动系EMB (Electronic-Mechanical Brake)。电液制动系统是将电子与液压系统相结合，由电子系统控制，液压系统提供动力;电子机械制动系统则用电线取代传统制动系统中的空气或制动液等传力介质，电制动器取代传统制动器，电子机械制动系统是未来制动系统的发展方向。线控制动系统的共同特点是都具有踏板转角与踏板力可按比例调控的电子踏板;具有

10、控制制动力矩与踏板转角相对应的程序控制单元;程序控制单元可基于其他传感器或控制器的输入信号实现主动制动及其它功能。第2章 ：机器人小车底盘的组成和功用 底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系等四大系统组成，其功用是接收发动机的动力，使小车运动并保证机器人小车能够按照驾驶员的操纵正常行驶。2.1 传动系小车传动系是从发动机到驱动车轮之间所有动力传递装置的总称。不同配置的机器人小车，传动系的组成不同。其传动系一般由离合器、手动变速器、万向传动装置(万向节和传动轴)、驱动桥(主减速器、差速器、半轴、桥壳)等组成，如图1-2示；而轿车中采用自动变速器的越来越多，其传动系包括自动变速器、万向传动装置、驱动

11、桥等，即用自动变速器取代了离合器和手动变速器。机器人小车传动系的功用是将发动机的动力传给驱动车轮。 铰接连动部分图2.2 行驶系机器人小车行驶系一般由车架、悬架、车桥和车轮等组成，。车轮通过轴承安装在车桥两边，车桥通过悬架与车架(或车身)连接，车架(或车身)是整车的装配基体。 行驶系部分截图2.3 .转向系小车转向系主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构组成。机器人小车转向系的功用是保证机器人小车能够按照驾驶员选定的方向行驶。 图1 大众轿车转向操纵系统分解图1、9、21、24-固定螺栓2-夹箍3、19、25-自锁螺母4-衬套5-橡胶衬套6-安全转向柱7-转向柱夹箍8-转向柱套管10-转向角

12、限制器11-喇叭线12-喇叭接触板13-螺母14-方向盘15-垫圈16-弹簧17-轴承18-转向柱转换器20-安全支架22-法兰套管23-转向柱接头2.4 .制动系机器人小车制动系一般包括行车制动系和驻车制动系等两套相互独立的制动系统，每套制动系统都包括制动器和制动传动机构。现在机器人小车的行车制动系一般都装配有制动防抱死系统(ABS)。制动系的功用是使机器人小车减速、停车并能保证可靠驻停。底盘的结构分析如图：2.5 传动系故障传动系常见故障有离合器、变速器、万向传动装置、驱动桥以及传动系游系角度增大等故障。2.6 .离合器及故障诊断1.离合器的功用 离合器安装在发动机与变速器之间，用来分离或

13、接合前后两者之间动力联系。其功用为： (1)使机器人小车平稳起步。 (2)中断给传动系的动力，配合换档。 (3)防止传动系过载。 2.离合器的工作原理 离合器的主动部分和从动部分借接触面间的摩擦作用，或是用液体作为传动介质(液力偶合器)，或是用磁力传动(电磁离合器)来传递转矩，使两者之间可以暂时分离，又可逐渐接合，在传动过程中又允许两部分相互转动。 目前在机器人小车上广泛采用的是用弹簧压紧的摩擦离合器(简称为摩擦离合器)。 发动机发出的转矩，通过飞轮及压盘与从动盘接触面的摩擦作用，传给从动盘。当驾驶员踩下离合器踏板时，通过机件的传递，使膜片弹簧大端带动压盘后移，此时从动部分与主动部分分离。 摩

14、擦离合器应能满足以下基本要求： (1)保证能传递发动机发出的最大转矩，并且还有一定的传递转矩余力。 (2)能作到分离时，彻底分离，接合时柔和，并具有良好的散热能力。 (3)从动部分的转动惯量尽量小一些。这样，在分离离合器换档时，与变速器输入轴相连部分的转速就比较容易变化，从而减轻齿轮间冲击。 (4)具有缓和转动方向冲击，衰减该方向振动的能力，且噪音小。 (5)压盘压力和摩擦片的摩擦系数变化小，工作稳定。 (6)操纵省力，维修保养方便。 第3章 ： 机器人小车底盘动力学分析3.1 运动学分析在日常生活中，带拖车的轮式移动机器人得到了广泛的应用，例如带水厢的消防车、带拖箱的卡车等，带拖箱的车的头部

15、与拖箱是相互铰接在一起的的，由于铰链上没有任何驱动装置。可以自由旋转，成为典型的非驱动关节。下面就铰接底盘为模型，对其运动加以分析。 首先建立如图3-1-1所示的坐标系，相关变量定义如下：为卡车的转向角；。为车头的旋转角1为拖箱的旋转角；l。为车头的长度；l1为拖箱的长度；u为车头的运动速度。图3-1-1.带拖箱的移动铰接式机器人坐标系根据图3-1-1可得如下运动学方程：3.2 欠驱动、非完整动力学系统分析3.2.1 简化的Routh方程处理欠驱动、非完整动力学系统的方程主要有Routh方程、Appell方程、Maggi方程和Kane方程，最常用的是Kane方程和Routh方程。 Kane方程

16、需要计算与广义坐标对应的偏速度、偏角速度、广义主动力和广义惯性力，虽然无偏微分和微分计算，却需要大量标积和矢积运算。Routh方程是带乘子的Lagrange方程，在处理带有k个非完整约束的n个广义坐标的系统时，需要计算与非完整约束对应的k个Lagrange乘子，同时处理n+k个方程，增加了处理难度，但同过对Routh方程的进一步推导，可以消去其中的k个独立坐标变量，把通常的Routh方程简化成n-k个彼此独立的坐标方程，称之为简化的Routh方程。其推导过程如下。 假设系统受到k个如下的运动约束：把式（1）写成矩阵形式：把（2）带入下面的Lagrange方程并由虚功原理可得：由于约束力不做工，

17、即：将A（q，t）化成如下形式：式中：是可逆的，这一点可通过调整位形变量的次序得意保证，并把调整后的位行记为同时，把广义力也化成如下形式：根据式（6）（8）得：将式（10）带入（5）,整理得： 用消去式（11）中的用k个约束方程求解q2，则动力学方程就可以简化成由q1表示的n-k个彼此独立的坐标方程。3.2.2 动力学建模在分析之前首先作如下假定：车头的2个轮子做无滑动的纯滚动；车头和和车位通过无摩擦的铰链链接； 车以固定的转向角做匀速转弯运动。利用简化的Routh方程求解车的动力学方程。如果把机器人的质量离散成车头和车尾两部分，则机器人动力学状态机动能为 式中：m0为车头质量；m1为车尾质量

18、；I0 为车头饶其质心的转动惯量；I1为车尾绕其质心的转动惯量。为了保证车头部分4个滚轮轴向无滑动，引入如下的非完整约束： （14）由铰链这个非驱动关节引入的非完整约束为调整并定义系统的位行：此时，系统的广义坐标数n=4，非完整约束数k=3，所以机器人动力学状态具有f=n-k=1个自由度。根据简化的Routh方程式（11）,可以计算得其中：为与0相对应的广义力（车轴驱动力矩与阻力矩之差）。由于1是非驱动关节，所以与之相对应的广义力为0.将上述参数带入式（11），即可得到机器人的运动力学方程： 式中：通过约束方程（13）（15）可得并代入式（16）消去，即可得到以表示的系统动力学方程，q2=x

19、y1T可由约束方程求解。3.2.3 动力学性能分析根据设计和计算，相关参数定义如下:m0=1000kg, m1=500kg I0=250kg2， I1=350kg2把上述参数代入（16），经仿真，车运动时的广义力如图2所示。由图3-2-3-1可见，当偏转角时，广义力存在振荡，不能稳定。当偏转角，广义力却能很快稳定到零。其原因是当时，系统不存在协调的转弯运动；当时，系统可以通过调节进入协调的转弯运动。 图3-2-3-1 广义力变化曲线如图3-2-3-2所示，车头和车尾的四个滚轮要实现协调转弯运动，必须有共同的旋转中心，也就是说必须满足下列协调运动方程：或即最终非驱动关节1(t)可以通过关节进入协

20、调运动状态。存在协调运动状态，非驱动关节通过调节很快进入协调运动状态，所以广义力能够趋于平稳。 图3-2-3-2协调运动状态3.2.3利用经验公式确定其它总体参数。常用的经验公式为:尺寸参数：质量参数：功率参数： 式中: G 整机质量,单位t ;KLi 、KGi 、KNi 分别是尺寸、质量和功率系数。根据装载机的作业性能、速度和生产率的要求,可初步确定液压系统的流量Q : 式中: d 油缸直径,m ; Vmax 工作油缸最大移动速度,m/ s ; 回转马达最大转速,r/ s ; q - - 马达排量,m3/ r 。 3.2.4轮胎支撑轴的设计与校核轮胎支承轴的受力分析及简图如下图5.1： 图5

21、. 1 轮胎轴受力图在本设计中，轮胎由轴承连接轮毂，减速器输出端连接轮胎支承轴，因此该轴受到挖机本身重力所引起的弯矩Tmax和减速器传递的扭矩Tg作用，故采用当量弯矩法对轮胎支撑轴的危险截面进行强度校核，依据试验： 当量弯矩法的强度条件为：式中，称为当量应力，为材料的许用应力，为应力校正因数，由于转矩产生的切应力通常不是对称循环应力，故还需要引入应力校正系数，对该切应力进行校正，通常取应力校正系数，分别为材料在静应力，脉动循环和对称循环应力状态下的许用弯曲应力，其值可从下表中选取。 本轴承选用45钢，淬火调质处理后为600Mpa，故由下表5.1，选取 Mpa表5.1材料碳素钢400500600

22、70013017020023070759511040455565合金钢80010002703301301507590铸钢40050010012050703040由于轴受到弯矩和扭矩的双作用，从安全角度计，： 对于实心圆轴， 导向机构-传递纵向力,侧向力及其力矩，保证车轮的运动轨迹。 横向稳定器-防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中加设的辅助性元件。 3.2.5.减速器齿轮设计由行走速度减速器末端输出转速为 由行走阻力和转弯阻力可知：减速器末端需扭矩T=9000N/M，由于装载扭矩大，减速器末端输出速度较低，故选择系统马达型号：BMTZ 系列摆线液压马达， 具体型号为： 型号：

23、 排量：L=2.5L/r 额定最高压力：P=20Mpa 额定最高转速：n=320r/min 最大输出扭矩：T=7903N/m1)传动比2)选择材料由表18-4 小齿轮：40Cr，调质，平均取齿面硬度为260HBS 大齿轮：45钢调质，平均取齿面硬度为230HBS3)初选齿数，取小齿轮齿数=36，则大齿轮齿数 4)选择齿宽系数和传动精度等级，参照表，取齿宽系数=0.5，初估小齿轮直径则齿宽齿轮圆周速度 参照表（），选择精度等级8级5)确定重合度系数 6)确定载荷系数Kh，Kf 由已知条件查表（），取使用系数Ka=1.6，取动载系数Kv=1.17，齿向载荷分布系数 查表德齿间载荷分配系数 7)齿面

24、接触疲劳强度计算 确定许用接触应力，总工作时间： 由表可知接触应力循环次数 由下图。取寿命系数Zn1=0.98，Zn2=0.98，取接触疲劳极限，取安全系数Sh=1，则： 由表，取弹性系数， 求所需小齿轮直径d1 参照表取中心距a=315mm模数 分度圆直径 取大齿轮齿宽 3.2.6齿根弯曲强度验算弯曲强度的设计公式为取弯曲疲劳安全系数，S=1.4，由表10-20C查得弯曲疲劳强度极限小齿轮为，大齿轮的弯曲强度极限为则可得 =查取齿型系数查表10-5得 Y，Y，查取应力校正系数得：Y, Y计算大小齿轮的，并加以比较： 大齿轮的数值大。根据大齿轮数值来算则：对此计算结果由齿面接触疲劳计算法得Mn

25、大于齿根弯曲疲劳强度计算法面模数去Mn=4mm，可以满足接触疲劳强度，需要接触疲劳强度算得分度圆直径,来计算应有的齿数 Z那么 Z则有i=Z2/Z1=16/9 误差=（4-4）/4=0 符合要求。3.2.7减速箱连接螺栓设计如下表4.2所示表4. 2螺栓直径M8M10M12M16M20M24M30c1min 13161822263440c2min 11141620242834沉头直径202424324048603.2.8减速器轴承的选择计算根据公式得：轴承载荷轴承径向载荷轴向载荷1）求相对轴承载荷由初选轴承查表得基本额定动载荷，基本额定静载荷，则相对轴承载荷为，在表中介于0.2900.440之

26、间对应的e值为0.550.56，Y值为1.021.00。2）用线性插值法求Y值Y= 故 X=0.44，Y=1.00453）求当量动载荷P 由表查得=1.01.2，取=1.2 则 P=4）演算7007C轴承的寿命，根据公式得h20000h符合要求。由于7007C是高速轴上的轴承，7009C为低速轴上的轴承，故7009C也满足条件。则机器人运动速度：电机转速：电机功率：额定电压：额定电流：附录：3.3 主视图 俯视图左视图第4章 ：收获与总结机器人小车底盘故障的诊断排除，不能仅凭前人累计的经验，更不能靠主观臆断，而是需要对故障现象进行多方面的、有针对性的综合分析，才能得出行之有效的处理方案。因此，

27、对机器人小车底盘故障进行仔细的分析，便成为能够快捷、有效地排除故障的重要前提。在本次设计中，通过对前期预想和后期制作，使我将所学的理论知识得到了进一步的深化；同时，培养了我们理论联系实际，综合运用各门知识进行实践从而达到预期目标。在学院学习生活的三年里，我在各位老师孜孜不倦地教诲下，通过自己的努力，顺利地学习了本专业相关知识，在此，深深感谢各位老师的谆谆教导，谢谢！参考文献1 谭民 徐德 侯增广 王硕 曹志强编著：先进机器人控制，高等教育出版社，2007年5月第1版。2 梅凤翔。非完整系统力学基础M.北京：北京工业学院出版社，1985年。3 仲 欣.非完整轮式移动机器人的建模、路径规划与控制D.上海：上海交通大学机械工程学院，1999年。4 杨凯.带拖车的轮式移动机器人系统的建模与仿真J.系统仿真学报，2000,12（1）：43-46.-