六足机器人系统设计与实现含6张CAD图
六足机器人系统设计与实现含6张CAD图,机器人,系统,设计,实现,cad
摘要在抗震救灾、石油管道检测方面,由于人员无法到达,因此需要采用轻巧的机器人进入内部进行执勤。迫于实际需求,六足机器人被设计出来以应对这些需求。随着研究的不断进展,六足机器人对地形的适应能力越来越强,并且不再像之前一样那么容易受到天气的影响,另外,在实际使用方面,目前的六足机器人能够搭载更多的传感器,为信号的采集提供了更多的拓展。对于机器人的研究进程,我国虽然已经取得一定的成果但是仍然没有到达世界顶尖的水平,而对于机器人来说,机械结构是其稳定运行并且实现一定功能的前提保证,但是我国的制造业水平却没有达到比较发达的地步。基于此种现状,本文以六足机器人作为研究对象,从机器人的研究现状到整体结构,然后将机器人按照结构进行划分,从零件的选型入手,对其进行理论计算,然后按照机器人中的零件设计准则对零件进行具体尺寸的设计,最后,为了保证设计的合理性,再对上述设计过程中设计的零件进行验证。本次设计由四个主要部件组成:支撑腿升降装置、支撑腿摆动装置、支撑轮转动装置、主体钢结构。在完成机械结构的设计后,还需要有相应的硬件电路作为机器人控制的基础,所以在本文中除了机械结构外,还对机器人的硬件电路进行了设计,从原理图的绘制到PCB的绘制,完成了一个六足机器人的整体设计。 关键词:六足机器人;选型设计;主要部件;养护维修。AbstractIn terms of earthquake relief and oil pipeline inspection, because personnel cant reach, it is necessary to use light robots to enter the interior for duty. Due to the actual needs, hexapod robots are designed to meet these needs. With the development of research, hexapod robot is more and more adaptable to the terrain, and it is not as vulnerable to the weather as before. In addition, in practical use, the current hexapod robot can carry more sensors, which provides more expansion for signal acquisition. For the research process of robot, although our country has made some achievements, it still hasnt reached the top level in the world. For robot, mechanical structure is the premise guarantee for its stable operation and Realization of certain functions, but the level of manufacturing industry in our country has not reached a relatively developed level.Based on this situation, this paper takes the hexapod robot as the research object, from the research status of the robot to the overall structure, then divides the robot according to the structure, starts with the selection of parts, carries out theoretical calculation on it, and then designs the specific size of parts according to the design criteria of parts in the robot. Finally, in order to ensure the rationality of the design, the above-mentioned problems are discussed Verify the parts designed in the design process. This design consists of four main parts: lifting device of support leg, swing device of support leg, rotation device of support wheel and main steel structure. After the completion of the mechanical structure design, the corresponding hardware circuit is also needed as the basis of robot control, so in this paper, in addition to the mechanical structure, the hardware circuit of the robot is also designed, from the drawing of schematic diagram to the drawing of PCB, the overall design of a hexapod robot is completed.Keyword: Six legged robot; type selection design ; main parts; maintenance and repair.7 目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究目的及意义21.3 课题国内外研究现状21.4 本文的研究内容5第二章 六足机器人设计概述72.1.六足机器人的工作原理72.2六足机器人的步态分析7第三章 六足机器人机械选型与设计93.1 已知原始数据及工作条件93.2 设计步骤93.3 外形结构设计93.4 走行轮选型设计103.4.1 走行轮的作用及类型103.4.2走行轮驱动力计算133.4.3 主要阻力计算133.4.4 倾斜阻力计算143.4.5 走行轮功率()计算153.4.6 轮的计算与校核153.5 轴的选型设计203.5.1轴的作用及类型203.5.2轴的材料使用203.5.3 结构设计203.5.4轴与轮的配合结构213.5.5 轴的计算及校核213.6 电机的选用263.7减速器的选用263.8制动装置273.9 转向装置27第四章 系统控制电路设计284.1 系统控制电路总体结构设计284.2 STM32电路设计284.2.1复位电路294.2.2时钟电路设计304.3 倾角检测电路设计304.4 电机控制电路设计314.5 无线通信电路设计314.6 语音识别电路设计314.7 PCB电路设计32第五章 工程定额概算335.1 设计成本预算335.2 设备对环境影响及其可持续性345.3 制作过程管理34结论36参考文献37致谢39 第一章 绪论1.1 课题研究背景随着时代的发展,科技的进步,人们的生活空间也得到了全面的拓展,相应的专家和学者也将科研重心放在机器人的研究之上,而随着当前自动化技术和电子通讯技术的不断发展,机器人领域也逐渐成为了一个综合性学科相互结合的领域,并对人们日常生产生活产生了较为深远的影响【1】。目前来看,机器人领域的研究重点仍然是自主移动式机器人,这种机器人目前是我国863重点课题之一,其比工业机器人的优势更为突出,工作质量和工作效率更高,应用方式也更具灵活性,能够投入到工业生产之中【2】。而目前来看,这种机器人也被应用到军事领域、核电生产领域、石油管道修建领域、医疗领域、海空探索领域之中,能够为人们特殊任务的完成起到有力的推动作用。自主移动式机器人可以根据其动作形式分为轮式、履带式、足式以及混合移动式机器人,在这之中,轮式机器人的结构最为简单,操控起来也更加容易和方便,其移动过程不会产生较大的摩擦力,移动的速度和效率能够满足具体要求【3】。但这种机器人往往难以应用在地面平坦度不足的路面之中,这也导致其应用的范围得到了缩减。而履带式机器人与地面有着较大的接触面积,其稳定性更强,然而这也会导致其与地面接触摩擦力的不断提升,导致其无法获取更高的工作效率,其能量的消耗也会不断提升。而对于足式机器人而言,其结构体系更加复杂,结构上采用的是冗余设计,使机器人具备了一定的容错性,如果一足损坏,不会对其正常运行产生过多的影响,机器人仍然可以在其他足的配合之下继续执行任务,而在这种多足的设计之下,机器人也能够获取更加良好的稳定性。足式机器人有着更加良好的稳定性,同时其与地面的接触面积也较小,不会耗费大量的能源,有着良好的地形适应能力,同时也不会对地面造成过多的损坏【4】。所谓的仿生机器人,也就是一种模仿其他生物的外观、动作体系和行为习惯而生成的一种集成体系,能够开展具备了相应生物特点的机器人【5】。仿生机器人的设计囊括了计算机技术、数字化控制技术、机械设备技术和生物学技术,在这种设计模式之下,机器人将具备仿生对象的生物学特征,有着人类赋予的智能,能够高效优质的完成相应的任务。如果机器人面临的环境出现了一定的改变,在当前条件之下的仿生机器人则会出现一定的问题【6】。而这也就要求了相应的专家和从业人员能够从自然界之中探寻生物发展的奥妙,深入调研和分析相应的自然界之中存在的对应案例,不断的学习生物学知识,提升仿生学研究开展的质量与效率,对自然界之中的生物进行有效模仿,使其行为习惯和发展规律得到揭示,进而提取出解决仿生机器人问题的有效对策,确保仿生机器人的技术水平和功能能够达到预期。1.2 课题研究目的及意义在本次研究之中,我们的研究对象为六足仿生自主移动机器人,其主要仿生的对象为拥有六只足的昆虫,这种昆虫与哺乳类生物相比,其大脑机制不够完善,然而其适应能力却比哺乳类动物要高出很多。这种昆虫往往包含了较为特殊的身体构造,导致其不需要通过大脑就可以更高的调节自己的身体,提升自身的安全性与稳定性,而这也就使六足机器人有着更加广泛的应用。在2011年,日本就开始使用对应的仿生机器人参与到地震搜救活动之中,并获取了较为显著的成果【7】。而在2014年,韩国科学研究院也将六足机器人应用到沉船事故的定位、搜救以及打捞之中。在2015年,我国在上海国际机器人博览会上,展出了由上海交通大学自主研发的带腰型号的六足机器人,这种机器人能够自主携带检测设备到达相应的事故发生点,并进行位置确定,环境模拟,伤员定位以及救灾物资运输等活动,目前已经进入到应用阶段【8】。六足昆虫自身拥有较为强大的自我调节功能,能够在较为复杂的环境之下进行生存,然而对于机器人而言,想要在其中加入适应复杂地形的机制却有着一定的难度。六足机器人往往被应用到复杂地形任务的执行之中,这也就使其需要面对更加复杂的地形,更加多元化的道路途径以及更加不确定性的障碍物,需要机器人能够结合实际情况进行地形的穿越,对多种障碍物进行规避,从而探寻到最佳的路径。而从实际情况来看,要求六足机器人控制体系能够在多种传感器的配合之下进行足端控制,确保机器人能够完成预期的动作,因此,在这些动作开展之中,应该对机器人的多个关节进行精准且迅速的控制,这也是确保六足机器人能够达到预期使用要求的核心所在。在本文之中,我们将对六足机器人的控制体系进行深入的研究和分析,对六足机器人的结构体系进行设计,并基于结构体系设计相应的控制体系和控制方案,选择与控制体系相符的软硬件环境,进而明确机器人关节控制算法的优劣性。1.3 课题国内外研究现状随着科学技术的不断发展,各个学科也得到了深入的融合,仿生学、数字化控制以及计算机信息控制技术的不断发展与融合也成为了机器人领域之中人们关注的核心所在,国内外的专家学者以及相应的科研机构也针对于六足机器人开展了相应的研究活动,并获取了较为显著的研究成果。在1983年,ODETIC科技有限公司成功研制了世界上第一款圆周分布的仿生六足机器人,并将其命名为ODEX-I,这款机器人的关节是通过直流电提供动力体系的,采用的是分级控制机制,其控制机制包含了高层控制、中层控制以及底层控制三种机制,在机器人的下层控制体系之下,能够对六足进行分别的控制,每一个足都对应了相应的采集系统,包含了信号收集机制和信号反馈机制,能够对机器人足部的触觉信号进行获取和处理【9】。机器人的中层控制系统是由相应的核心体系对六个下层控制体系反馈的信息进行收集,然后传递相应的命令和决策;上层控制系统则包含了机器人控制体系,传感器接口,能够对机器人所处环境进行模拟,从而为机器人提供有效的决策。到了90年代后期,相关公司推出了ODEX-II号与ODEX-III号的机器人,并成功对I型号机器人进行了迭代,融入了远程控制体系,确保机器人能够在核辐射等危险的环境之下进行作业,进而达到解放人力资源的目的【10】。麻省理工学院的遥控机械设备控制实验室在1989年研制出了相应的仿生机器人,并将其命名为Genghis,研究人员将这款机器人应用到了外星表面的探测任务之中,机器人的机身长度参数为35厘米,宽度参数为25厘米,总体质量为1千克【11】。机器人每一个足都具备了两个转动装置,确保每一个机器人都具备了需求的自由度,能够进行位置反馈以及驱动,同时其安排了两个角度的罗盘以及两个触觉感应装置和六个视觉感应装置,能够满足机器人在复杂路况的行走需求。Attila 和Hannibal 机器人是麻省理工学院研究活动之中最先应用到外星探测的机器人,这二者都是上述机器人的迭代型号,其外表上存在着一定的颜色差异。在这之中,前者的长度为35厘米,宽度在30厘米左右【12】。在机器人之中,采取了模块化的设计理念,将其每一个部分都作为了单独的模块进行管理,为了确保机器人运行的安全性和可靠性得到保障,在设计之中以冗余的方式开展了设计。机器人往往具备了150个感应装置,23个驱动装置以及11个处理体系,能够使机器人迅速地形,确保机器人的容错性符合要求,哪怕在机器人内部存在着传感器故障的问题,其他传感器仍然能够确保机器人符合人物开展的具体要求。这两种机器人的控制方式为分层式,底层控制的核心为生物学上的应激反应,在上层控制系统之中,会将机器人整体的反射机制看做是生物学体系,从而对机器人的控制体系加以干预和影响,在参数改变的前提之下,不会产生较为复杂的数学计算,能够确保机器人肢体动作的有效性。而在层次化控制体系之下,能够确保封闭控制体系的有效运作,从而使不同层次之间的控制体系更加符合独立稳定且可靠的要求。美国宾夕法尼亚大学在2011年研发成功了型号为RHex的六足机器人,能够以腿部动作的有效协调完成机器人的行走,能够做出跳跃和空中腾转和攀爬等多种动作,相应的技术人员人员在随后对这种型号的机器人进行了全面的优化与升级,研发出了XRL型号的机器人,这种机器人在腿部安装了触觉反馈设施,通过激光扫描仪作为视觉感应系统,同时配备了专业化的导航体系和触觉感应体系,这也是这种机器人能够适应复杂地形的关键所在,能够确保机器人顺利的完成预期任务【13】。美国宇航局研发了一款名为Athlete的六足机器人,并在2013年正式发布于游戏者开发大会之上【14】。这种机器人的动力体系是由NASA实验室研制的能够进行远程操控的动力机制,可以在远程控制之下进行高精密度的行走作业。运动员机器人能够承载航天设备设施,而其研发的六足机器人也能够处理所有地形的探测问题。运动员机器人的足部不仅具备行走功能,还装载了多种工具,能够完成切割功能和采样功能。其主要参数为高度3.96米,重量2268公斤,负载为1.45万公斤,而其质量往往是常用探索车辆的25%。相应的机器人能够进行多种货物的装载和卸载,同时其能够攀爬坡度为36的斜面,在设计过程中,设计人员以全向负重轮协调的方式确保了机器人运行的稳定性【15】。在2014年,韩国发生了一起大型客轮沉船事故,韩国海洋技术学院的专家派出了相应的六足机器人,对海底地形进行了全面的探测,并顺利的定位了需要搜救的对象,使搜救任务得到了顺利的完成【16】。我国国内六足机器人的研究起步时间较晚,与西方发达国家还存在着一定的差距,然而在多名专家学者不断的努力之下,也获得了一定的回报。举例而言,北京理工大学就以气动的方式研究出了气动驱动为主要动力机制的机器人,同时也研制出了每条腿都包含了三个自由度的弓背蚁机器人。我国HITCRI-I是哈工大研究的六足机器人,每一个足部都含有了三个自由度,是以舵机作为驱动,其足部的机械结构为连杆机构,其质量较小,有着较为良好的力学性能【17】。上海交大也研发出了用于搜救的机器人,这种机器人的高度为1米,在完全施展之后能够达到4平方米,而其具备了18个远程操控驱动体系,能确保其在所有的方位上进行稳定的行走,其最大的行走速度为1.2km/h,最大的负载可以高达200公斤【18】。这种机器人能够成为一个较为稳定的工作平台,开展搬运工作、打孔工作、阀门动作工作以及事故定位和清理工作。这种机器人能够在短时间之内进行任意方向的行动,具备了机动性较强,抗干扰和抗风险能力较高的优势,能够结合实际要求开展相应的作业。上海交大国家级重点实验团队研发出的带腰仿生六足机器人是一种较为先进的机器人,融合了我国最为先进的技术,包含了柔性控制体系、仿生理论,能够在外部牵引之下进行灵活的移动。如果事故现场之中存在着核辐射,这种机器人的作用将得到充分发挥,能够对当地的周边环境进行勘察,并运输需求的物资,其驱动装置在机器人的身体之上,在特殊的防护机制之下,机器人能够在较为恶劣的环境之下完成预期的救灾任务,上海交大在研发机器人的进程之中,也在仿生学、环境学、数字化控制等多种领域取得了显著的研究成果,除此之外,我国六足机器人也有来自沈阳科学院、清华大学所研发的产品【19】。通过上述研究现状分析我们可以看到,在全世界范围之内,机器人控制研究和分析一直都是炙手可热的研究领域,而随着国内外专家学者研究的不断深入,也产生了很多控制理论和相应的研究成果,为六足机器人控制体系理论的补充和优化提供了有效保障,而其主要研究成果包含了以下方面:1.机械结构研究:主要是以机器人运动结算的研究,希望能够获取更加有效的计算结果,从而对机器人的身体结构进行完善,确保其能够对多种复杂地形更具适应性;2.步态规划研究:主要是对行走机制的研究,能够确保机器人在不同的环境之下对行走方式进行规划,从而获得更加有效的运动轨迹,确保机器人有着更加强大的适应能力;3.控制体系研究:主要是对机器人控制方式的研究,通过传感机制组合优化算法的研究,提升机器人自我调节能力,从而获取更加符合要求的机器人运动形式。综上所述,将这些方面的研究成果进行不断结合,能够使其具备更强的自我调节能力,确保六足机器人能够达到预期的应用效果,为后续研发活动的顺利开展奠定更加坚实的基础。1.4 本文的研究内容作为能够代替人力的机器人,六足机器人在很多领域都发挥了很大的作用,例如一些体力消耗巨大的工作,如负重、搬运,六足机器人能够很好的代替人力去工作;还有一些带有一定风险的工作,例如探测、侦察等,通过六足机器人,可以保证工作正常进行的同时,避免给工作人员带来的危险。随着科技水平的发展,需要进行的科研工作越来越多,而有些工作总是伴随着一定风险的,所以也造成了救援工作的难度在不断提高。而科技发展的最终表现形式就是通过科技的产物来代替人力进行工作,因此机器人诞生了。而机器人的种类有很多,例如结构比较简单的轮式机器人与履带式机器人,虽然这些机器人的结构比较简单,但是带来的问题就是在很多勘测工作中并不能很好的适应各种地形。根据不同的工作环境,轮式机器人与履带式机器人虽然也有其自身的优势,但是在一些特殊情况下,尤其是行驶环境比较恶劣的情况下,这两种机器人无疑是不合适的,而相比之下,足式机器人的优势就显现了出来,面对复杂的地形,可以轻松的实现通过。这种足式机器人的运动轨迹与轮式或者履带式机器人不同,前者的轨迹是一些点,而后者的轨迹是一些线。在很多勘测工作中,轮式或者履带式机器人的车轮痕迹会对现场有一定的破坏作用,并且由于其行驶特性,在一些比较恶劣的路况下,并不能保证连续的一段路都能够支持其正常行走,更多的时候一段路中只有个别点可以作为支撑,而其他地方多为不能支撑机器人的泥土、沙子。多足机器人之所以能够在恶劣的行驶条件下灵活运行,得益于其腿部的自由度,自由度越多,则代表机器人能够变化的姿态限度越大,能够很好的调节机器人的重心,以便于能够适应各种路况。但是正因为自由度的存在,使得机械结构的设计与控制算法较之于轮式机器人或者履带式机器人都要复杂很多,并且其灵活性也很难真正的达到节肢动物那种程度。本文的研究对象为六足机器人,相比于轮式机器人或者履带式机器人,六足机器人的设计难度无疑是要更高的,而正因其设计难度比较高,所以更加能够培养我们的工程能力,在本次设计中,将我所学到的知识加以利用,结合自己对机器人设计的一些个人理解,从图纸绘制到电路设计,进行一次整体的设计。在进行设计工作前,首先要对机器人的整体功能进行了解,对于机器人的主体部分,需要按照规则进行选型,并且需要考虑使用时可能会发生的问题,提前预判并且做好一定的应对,最后结合自己的设计,实现机器人的整体设计。文以六足机器人作为研究对象,从机器人的研究现状到整体结构,然后将机器人按照结构进行划分,从零件的选型入手,对其进行理论计算,然后按照机器人中的零件设计准则对零件进行具体尺寸的设计,最后,为了保证设计的合理性,再对上述设计过程中设计的零件进行验证。本次设计由四个主要部件组成:支撑腿升降装置、支撑腿摆动装置、支撑轮转动装置、主体钢结构。在完成机械结构的设计后,还需要有相应的硬件电路作为机器人控制的基础,所以在本文中除了机械结构外,还对机器人的硬件电路进行了设计,从原理图的绘制到PCB的绘制,完成了一个六足机器人的整体设计。 47第二章 六足机器人设计概述2.1.六足机器人的工作原理六足机器人其主要部件是支撑腿升降装置、支撑腿摆动装置、支撑轮转动装置、主体钢结构等。其外形布置及工作原理如图2.1所示,1为支撑腿升降装置,2为支撑腿摆动装置,3为主体钢结构,4为支撑轮转动装置。 图2.1 六足机器人简图两个伺服电动缸作为支撑腿升降装置的动力源为支撑腿提供升降、步进的动力输出。两个伺服缸的后耳环分别与伺服电动全角度转台铰接,在实现步进运动的同时为机器人提供转向帮助。支撑轮转动装置是由伺服减速机通过链轮及链条带动转轮等组成,此装置可以实现在平整路面时无需支撑腿做步进动作的情况下实现机器人的平面移动,提高机器人的运动能力,同时也让机器人的整体结构更加完整。相比于普通碳钢板,主体钢有着很大的优势,首先就是其力学性能,主体钢的强度比普通碳钢板是要好上许多的,同时在进行焊接时,成本也要更低。虽然金属会受到酸碱度以及环境的温湿度等化学条件的影响,但是本次设计中对机器人的结构进行设计,所以这些因素并不在考虑范围内。主体钢的承重能力很强,高达200Kg的承重能力使其在很多应用场景都游刃有余。对于轮子的材质有很多的选择,但是在本次设计中直接选用钢制滚花,相比于橡胶轮来说,无论是从传动角度还是性能方面都有很好的优势。为了提高本次设计中的整体机构性能,需要做到以下几点: 1.在进行零件的加工时保证精度,按照图纸的尺寸进行加工,以防止因为丝毫的误差造成整体性能的损失,并且对于一些装配过程中,合理的对零件进行润滑,以提高传动效率; 2.在完成装配工作后,需要进行反复的测试,一是为了保证其稳定性,另外一点也可以对整体的稳定性以及疲劳强度进行验证;3.在设备投入使用后,严格按照使用流程来进行使用,并且定期对其进行检查与维护,同时注意设备的使用寿命2.2六足机器人的步态分析在进行足式机器人设计时,其行走策略是非常重要的,根据不同的行走策略,对机器人的结构进行设计,尤其是关节处的设计,是直接取决于行走策略进行设计的。并且,行走策略也对机器人的整体性能有一定的影响,正确的行走策略与机器人的结构是相辅相成的,否则,在机器人进行行走的过程中,容易发生机械结构的破坏,还会导致传动效率的损失,更有甚者,会因为干涉等原因,导致机器人成为一次失败的设计。在六足机器人的工作过程中,机器人的行走机构其实并没有相互影响,对于每一个行走机构来来说是并行工作的。很多机械结构的设计都是通过其他生物的生理结构产生的灵感,对于六足机器人来说,其起源就是在生活中非常常见的爬行动物,虽然这些生物的神经与思维系统不如人类一样发达,但是仍然可以进行迅速的移动以及各种环境下的行走。通过对每一条腿进行单独的控制,可以在不同环境下使用不同的行走方式,从而提高对环境地形的适应能力,并且这种运动是有一定规律的,因此,借鉴于这种行走方式,六足机器人在设计过程中,也需要从这些方面来着手,在不同的环境下,与地面接触的行走结构是不同的,从而达到可以顺利通过各种地形的目的。 第三章 六足机器人机械选型与设计3.1 已知原始数据及工作条件六足机器人的设计计算,应满足下列原始数据及工作条件资料负载:50kg额定功率:500w最大移动速度:8m/min外形尺寸:1460mm(长)x1460mm(宽)x940(高)3.2 设计步骤对于六足机器人的结构设计,一般分为外形结构设计、走行轮设计、轴设计、电机选型设计、减速箱,制动装置,转向装置设计等。其中,走行轮和轴的设计最为重要,一般设计时需要对设计值进行核验。常规的六足机器人设计步骤,如下流程图3.1,通过对轮,轴,电机等的选型与计算最后得到结果。图3.1 设计流程3.3 外形结构设计由于基础条件为:1460mm(长)x1460mm(宽)x940(高);确定主体钢结构外形尺寸为1000mm等分十二边形。3.4 走行轮选型设计3.4.1 走行轮的作用及类型要追溯走行轮的历史也是一件很困难的事,不过在人们发明了轮子之后,搬运和移动物体变得容易了许多,但轮子只能在直线上运行,对于搬运重大物体时对方向的改变仍然非常困难,后来人们就发明了带有转向结构的轮子,也就是我们所称的走行轮或万向轮。走行轮出现给人们搬运特别是移动物体带来了划时代的革命,不仅可以轻松搬运,还可以随任何方向移动,大大提高了效率。到了近代随着工业革命的兴起,越来越多的设备需要移动,走行轮也就在全世界应用越来越广泛,各行各业几乎离不开走行轮。 到了现代随着科技的不断发展,设备也越来越多功能和高利用率,走行轮就成了不可缺少的部件。走行轮的发展也就更为专业化而成为了一个特殊的行业。走行轮大致分为定向走行轮与非定向走行轮。定向走行轮没有旋转结构,不能转动;万向走行轮的结构允许360度旋转。走行轮细分超重型走行轮、特重型走行轮、异型走行轮以及刹制走行轮、减震走行轮、可调节走行轮和轻型走行轮、中型走行轮、重型走行轮等。应用行业工业、商业、医疗器械以及机械、物流运输、环保清洁用品、家具行业、美容器械、食品机械、五金生产等各行业。走行轮材质主要分为超级人造胶走行轮、聚氨酯走行轮、塑料走行轮、尼龙走行轮、钢铁走行轮、耐高温走行轮、等,这些不同材料的特性如表3.1,在这些材料中,耐高温行走轮的性能比较好,所以一般选用它作为原材料。表3.1 材料特性性能特点超级人造胶聚氨酯尼龙钢铁耐高温轮承载(KG)2750231190510014001812040270450适用温度()-4385-4385-4385-43126-43180轮硬度65(5)A55(5)D转动灵活性优优优优优转动宁静优优一般差良地板保护优优一般差良无轮印无无无无无耐冲击优优良良优耐磨损优优良优优防水性能优优差差优防化学品性能优优良良优安装高度:指从地面到设备安装位置之间的垂直距离,走行轮的安装高度是指与走行轮底板与轮子边远最大的垂直距离。支架转向中心距:指中心垂直线到轮芯中心的水平距离。转动半径:指中心垂直线到轮胎外边缘的水平距离,适当的间距令走行轮能作360度转向。转动半径的合理与否直接影响到走行轮的使用寿命。行驶负荷:走行轮在移动时承重能力也称动负荷,走行轮的动负荷因工厂的试验方式不同而有所差别,也因轮子的材料不同而不同,关键在于支架的结构和质量是否能够抗冲击和震荡。冲击负荷:当设备受到承载物冲击或震动时走行轮的瞬间承重能力。 静态负荷静态负荷静态负荷静态负荷:走行轮在静止状态下能承受的重量。静态负荷一般情况应为行使负荷(动承载)的56倍,静态负荷至少应是冲击负荷的2倍。转向:硬质、窄小的轮子比软质、宽的轮子较易转向。转动半径是轮子转动的一个重要参数,转动半径过短会增加转向难度,过大则会导致轮子晃动及寿命缩短。行驶灵活性:影响走行轮行驶灵活性的因素有支架的结构和支架钢材的选用、轮子的大小、轮子类型、轴承等,轮子越大行驶灵活性越好,在平稳地面上硬质、窄小的轮比平边软质的轮子省力,但在不平的地面上软质的轮子省力,但在不平的地面上软质的轮子能更好地保护设备并避震!最简单的发明往往最重要,走行轮正具备这种特性。同时一个城市的发达程度高低往往与走行轮使用多少成正相关,像上海、北京、天津、重庆、无锡、成都、西安、武汉、广州、佛山、东莞、深圳等城市的走行轮使用率就非常高。走行轮的构造由单轮装在支架上而成,用于安装在设备下面令其自由移动。走行轮主要分为两大类:(1)固定走行轮 固定支架配上单轮,只能沿直线移动。(2)活动走行轮 360度转向的支架配上单轮,能随意向任何方向行驶。走行轮的单轮种类繁多,在大小、型号、轮胎面等各不相同。选择合适的轮子取于以下几个条件:(1)使用场地环境。(2)产品的载重量(3)工作环境中含有化学品、血、油脂、机油、盐等物质。(4)各种特殊气候,如湿度、高温或严寒(5)抗冲击、碰撞和行驶宁静的要求。车轮选择(1)选择车轮材质:首先考虑使用路面的大小,障碍物、使用场地上残留物质(如铁屑、油脂),所处环境状况(如高温、常温或低温)及车轮所能承载的重量等不同条件来决定选择适合的车轮材质。例如:橡胶轮不能耐酸、油脂和化学品,超级聚氨脂轮、高强度聚氨脂轮、尼龙轮、钢铁轮和耐高温轮则能适用于不同的特殊环境。(2)计算承载重量:为了能够计算出各种走行轮需要的载重能力,必须知道运输设备自重、最大荷重和所用单轮和走行轮的数量。一个单轮或走行轮所需的载重能力计算如下:T=(E+Z)/MN:-T=单轮或走行轮所需承载重量;-E=运输设备的自重;-Z=最大荷重;-M=所用单轮和走行轮的数量;-N=安全系数(约1.31.5)。(3)决定轮径大小:通常车轮直径愈大愈容易推动,荷重能力也愈大同时也较能保护地面不受损坏,轮径大小的选择首先应考虑承载的重量和荷重下搬运车的起动推力来决定。(4)车轮材质软硬的选择:通常车轮有尼龙轮、超级聚氨脂轮、高强度聚氨脂轮、高强度人造胶轮、铁轮、打气轮。超级聚氨脂轮、高强度聚氨脂轮不论在室内室外的地面行驶,都能满足你的搬运要求;高强度人造胶轮则能适用于酒店、医疗器械、楼层、木地板、瓷砖地面等要求行走时噪音小宁静的地面上行驶;尼龙轮、铁轮适用于地面不平或地面上有铁屑等物质的场地;而打气轮则适用于轻荷重及路面软不平坦的场合。(5)转动灵活性:单轮越大转动就越省力,滚柱轴承能载较重的负载,转动时阻力较大:单轮安装上优质的(轴承钢)滚珠轴承,能承载较重的负荷,转动更轻便,灵活宁静。(6)温度状况:严寒和高温的场合对走行轮的影响很大,聚氨脂轮在零下45下的低温,转动灵活自如,耐高温轮在高温275下转动轻便。特别注意:因为3点确定一个平面,当所用走行轮数量为多个时,载重量应按3个计算。3.4.2走行轮驱动力计算 走行轮上所需圆周驱动力为机器人所有阻力之和,可用式(3-1)计算: (3-1)式中主要阻力,N;附加阻力,N;特种主要阻力,N;特种附加阻力,N;倾斜阻力,N。五种阻力中,、是所有机器人都有的,其他三类阻力,根据机器人工作类型及工况而定,由设计者选择。对于普通工况而言,附加阻力明显的小于主要阻力,可用简便的方式进行计算,不会出现严重错误。,则公式变为下面的形式: (3-2)3.4.3 主要阻力计算机器人的主要阻力是运行时与地面的摩擦和承载分支及回程所产生阻力的总和。可用式(3-3)计算: (3-3)式中模拟摩擦系数,根据工作条件及制造安装水平决定,一般可按表查取。重力加速度;走行轮每米长度旋转部分重量,kg/m,用式(3-4)计算 (3-4)其中承载分支每组走行轮旋转部分重量,kg;走行轮宽度,m;计算:=20.25 kg/m回程分支托辊间距,m;kg计算:=5.267 kg/m每米长度负载质量=kg/m每米长度机身质量,kg/m,=9.2kg/m=0.0453009.820.25+5.267+(29.2+60.734)cos35=1379N 运行阻力系数f值应根据表3.2选取。取=0.045。表3.2阻力系数f机器人工况工作条件和设备质量良好,转速低,摩擦较小0.020.023工作条件和设备质量一般,转速较高,摩擦较大0.0250.030工作条件恶劣、设备质量较差,摩擦较高,倾斜角大于350.0350.0453.4.4 倾斜阻力计算倾斜阻力按下式计算: (3-5)式中:因为本机器人为水平运输,所有H=0=0由式=1.121379+0+680=4425N3.4.5 走行轮功率()计算走行轮功率()按式(3-6)计算: (3-6)3.4.5 轮的计算与校核(1)轴的材料选取选取45钢,调制处理,参数如下:硬度为HBS220抗拉强度极限B650MPa屈服强度极限s360MPa弯曲疲劳极限1270MPa剪切疲劳极限1155MPa许用弯应力1=60MPa (2)初步估计轴的最小直径轴上的转速 功率由以上机械装置的运动和动力参数计算部分可知 =47.7;=6.25 取=11558.4输出轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径.为了使所选的轴的直径与联轴器的孔径相适应,故需要同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩,查表14-1,考虑到转矩变化小,故取.则=1906800按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件。查机械设计手册(软件版)R2.0,选HL5型弹性套柱销连轴器,半联轴器孔的直径,长度L142mm,半联轴器与轴配合的毂孔长度。故取60mm(3)拟定轴的装配方案(4)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。1)选取d=60mm, 。因I-II轴右端需要制出一个定位轴肩,故取2)初选滚动轴承。因轴承只受径向力的作用,故选用深沟球轴承,参照工作要求, 由轴知其工作要求并根据d70mm,选取单列圆锥滚子轴承33015型,由机械设计手册(软件版)R2.0查得轴承参数:轴承直径:d75mm ; 轴承宽度:B31mm,D=115mm 所以, 3)右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。取33215型轴承的定位轴肩高度h=2mm,因此,取4)取做成齿轮处的轴段-的直径85mm;齿轮的右端与右轴承之间采用套筒定位,齿轮的宽度为64mm,取5)轴承端盖的总宽度为20mm。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求,取端盖的外端面与带轮右端面间的距离l 30mm, 故取6)因为低速轴要和高速轴相配合,其两个齿轮应该相重合,所以取=42mm.=32 mm.7)轴上零件的周向定位。齿轮、带轮与轴的周向定位均采用平键联接(详细选择过程见后面的键选择)。8)确定轴上的圆角和倒角尺寸取轴端倒角为145,各轴肩处的圆角半径为R1.2mm取轴端倒角为145,各轴肩处的圆角半径为R1.2mm(5)计算过程1)根据轴上的结构图作出轴的计算简图。确定轴承的支点位置大致在轴承宽度中间。故 因此作为简支梁的支点跨距 计算支反力 作用在低速轴上的=6220N=2263.8N水平面方向 MB0, 故 =0, 垂直面方向 MB0, 故F0,2)计算弯距水平面弯距= =185295垂直面弯矩6745767430合成弯矩=197190=197190表3.3受力分析载荷水平面H垂直面V支反力弯距M总弯距扭距TT1307.2 Nm根据轴的计算简图做出轴的弯距图和扭距图。可看出c截面为最危险截面,现将计算出的截面C处的及M的值。(6)按弯扭合成应力校核轴的硬度进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯距和扭距的截面(即危险截面C)的强度。根据课本式155及上表中的值,并扭转切应力为脉动循环变应力,取0.6,轴的计算应力 MPa13.166 MPa已由前面查得许用弯应力1=60MPa,因S1.6(因计算精度较低,材料不够均匀,故选取s1.6)故该轴在截面右侧的强度也是足够的。因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性,故可略去静强度校核。 3.5 轴的选型设计3.5.1轴的作用及类型轴是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件,但也有少部分是方型的。轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状,各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。3.5.2轴的材料使用(1)碳素钢35、45、50等优质碳素结构钢因具有较高的综合力学性能,应用较多,其中以45钢用得最为广泛。为了改善其力学性能,应进行正火或调质处理。不重要或受力较小的轴,则可采用Q235、Q275等碳素结构钢。(2)合金钢合金钢具有较高的力学性能,但价格较贵,多用于有特殊要求的轴。例如采用滑动轴承的高速轴,常用20Cr、20CrMnTi等低碳合金结构钢,经渗碳淬火后可提高轴颈耐磨性;汽轮发电机转子轴在高温、高速和重载条件下工作,必须具有良好的高温力学性能,常采用40CrNi、38CrMoAlA等合金结构钢。轴的毛坯以锻件优先、其次是圆钢;尺寸较大或结构复杂者可考虑铸钢或球墨铸铁。例如,用球墨铸铁制造曲轴、凸轮轴,具有成本低廉、吸振性较好,对应力集中的敏感性较低、强度较好等优点。轴的力学模型是梁、多数要转动,因此其应力通常是对称循环。其可能的失效形式有:疲劳断裂、过载断裂、弹性变形过大等。轴上通常要安装一些带轮毂的零件,因此大多数轴应作成阶梯轴,切削加工量大。3.5.3 结构设计在对轴进行设计时,最重要的就是轴的外形以及尺寸,因为对于轴来说,主要的功能就是承载传动,而外形与尺寸会关系到轴的配合方式以及是否能够正常进行装配。除了以上因素外,毛坯的选择也是非常重要的,其实就是轴的材质,不同的材质表面粗糙度以及力学性能都是不同的,而在不同的使用条件下也有不同的需求,所以在对轴进行设计时,毛坯的选型通常会经过对比试验来决定最终选型。 3.5.4轴与轮的配合结构其结构示意图如图3.2走行轮所示,通过轴把行走轮的各部分连接起来,以及由链轮进行调节,使得行走轮可以平衡地在地面上转动以及实现转动:1. 走行轮支撑座 2.带立式座外球面轴承 3.轴 4.螺栓 5.平垫 6.弹簧垫 7.链轮图3.2 走行轮3.5.5 轴的计算及校核轴的强度计算的步骤为:(1)轴的强度计算按扭转强度条件初步估算轴的直径 机器的运动简图确定后,各轴传递的P和n为已知,在轴的结构具体化之前,只能计算出轴所传递的扭矩,而所受的弯矩是未知的。这时只能按扭矩初步估算轴的直径,作为轴受转矩作用段最细处的直径dmin,一般是轴端直径。 根据扭转强度条件确定的最小直径为: (mm)式中:P为轴所传递的功率(KW)n为轴的转速(r/min)Ao为计算系数 若计算的轴段有键槽,则会削弱轴的强度,此时应将计算所得的直径适当增大,若有一个键槽,将dmin增大5,若同一剖面有两个键槽,则增大10。以dmin为基础,考虑轴上零件的装拆、定位、轴的加工、整体布局、作出轴的结构设计。当应力大于许用值的时候,增大轴的直径能够对其进行一定的缓和,但是轴的直径并不是随意更改的,最主要的因素还是整体的配合需求,因此通常情况下只针对应力危险的断面进行增大;而如果应力在许用范围内则不需要对其进行更改。以上是针对不承力的转轴验证方法,但是如果转轴是承力的,既然承力,就涉及到强度这一性能,必须要对其进行强度的验证,否则一旦发生轴的断裂,对于整个机构来说是非常致命的,并且在很多情况下,轴是无法进行更换或者很难进行更换的,所以在设计阶段,一定要经过全面的考虑以及验证。(2)按疲劳强度精确校核 安全系数条件为: 1.31.5用于材料均匀,载荷与应力计算精确时; 1.51.8用于材料不够均匀,载荷与应力计算精确度较低时; 1.82.5用于材料均匀性及载荷与应力计算精确度很低时或轴径200mm时。 (3)按静强度条件进行校核静强度校核时的强度条件是:式中:危险截面静强度的计算安全系数; 按屈服强度的设计安全系数;1.21.4,用于高塑性材料(0.6)制成的钢轴;1.41.8,用于中等塑性材料(0.60.8)制成的钢轴;1.82,用于低塑性材料制成的钢轴;23,用于铸造轴;只考虑安全弯曲时的安全系数;只考虑安全扭转时的安全系数;式中:、材料的抗弯和抗扭屈服极限,MPa;其中(0.550.62);Mmax、Tmax轴的危险截面上所受的最大弯矩和最大扭矩,N.mm;Famax轴的危险截面上所受的最大轴向力,N;A轴的危险截面的面积,m;W、WT分别为危险截面的抗弯和抗扭截面系数,m。(4)轴的设计用表轴不同材料的系数如表3.3,表3.4,表3.5所示,其中40Cr号的轴可用于载荷较大,而无很大冲击的重要轴,可以选用表3.3 轴的材料系数材料牌号毛坯直径(mm)硬度(HBS)抗拉强度极限b屈服强度极限s许用弯曲应力-1备注Q235A10040042022540用于不重要及受载荷不大的轴100250375390215 451017021759029555应用最广泛100300 162217 570 285 200 217255 640 355 60 40Cr10010030024128673568554049070用于载荷较大,而无很大冲击的重要轴 40CrNi10010030027030024027090078573557075用于很重要的轴38SiMnMo1001003002292
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