摘要本次了一種能適應不同野外環(huán)境的移動機器人,其驅(qū)動系統(tǒng)為輪足結(jié)合機械式.利用輪足結(jié)合機械結(jié)合的方式實現(xiàn)越障,具有很強的越障能力.機器人采用四輪足結(jié)合機械結(jié)構.為了確保四輪足結(jié)合機械式移動越障機器人的穩(wěn)定性，本文對其驅(qū)動裝置的整體結(jié)構進行了深入的研究.，包括對車輪、腿臂、車身等部件的設計，以及對電機、制動器、減速器等部件的選擇，并且對機器人的性能和步態(tài)進行了詳細的分析，最后，在SW設計環(huán)境下，對機器人進行裝配，以消除干擾，并且驗證其結(jié)構的準確性.并且在CAD內(nèi)畫出了機構的裝配圖.關鍵詞機器人越障機構四輪足結(jié)合機械式驅(qū)動裝置Abstractsignarobotworkindifferentenvironment,it’movessubsystemisdesignasaleg-wheeltype.Itcancrossveryhighobstacle,haveverystonghinderingability.Therobotadoptsfourlegsmechanism.Ithassafeguardedtherobotstability.Inthispaper,fourleggedmobilerobotobstaclemadetheoverallstructureofthedesigndrive,designonwheels,legs,arms,body,etc.Selectingonthemotor,brake,reducerselection,etc.Examiningtherobot'sperformanceandgaitinaSWdesignenvironment,theentireassemblyisexaminedtoensureaccuracyandeliminateanyinterference.AnddrawthebodywithintheCADassemblydrawing.KeywordsrobotObstaclesectorfourleg-wheelsystemdriveequipment目錄\o"#_Toc131784177"1引言 4\o"#_Toc131784178"1．1移動機器人的發(fā)展概況 4\o"#_Toc131784179"1.2輪足結(jié)合機械式移動機器人的發(fā)展趨勢 4\o"#_Toc131784180"1.3輪足結(jié)合機械式移動機器人關鍵技術的研究 6\o"#_Toc131784181"1.4本次設計目的及意義 7\o"#_Toc131784182"2輪足結(jié)合機械式移動機器人驅(qū)動方案設計 8\o"#_Toc131784183"2.1課題要求 8\o"#_Toc131784184"2.2輪足結(jié)合機械式機器人結(jié)構方案設計 8\o"#_Toc131784185"2.2.1輪足結(jié)合機械配置方案的選擇 8\o"#_Toc131784186"2.2.2輪足結(jié)合機械式機器人的結(jié)構方案 8\o"#_Toc131784187"2.2.3四輪足結(jié)合機械的分布方案 10\o"#_Toc131784188"2.2.4越障機構的設計 11\o"#_Toc131784189"2.2.5車輪方案設計 12\o"#_Toc131784190"2.2.6腿臂傳動方案設計 13\o"#_Toc131784191"2.2.7總體方案 14\o"#_Toc131784192"3輪足結(jié)合機械式移動機器人驅(qū)動裝置結(jié)構設計 15\o"#_Toc131784193"3.1車輪設計 15\o"#_Toc131784194"3.1.1車輪直徑設計 15\o"#_Toc131784195"3.2腿臂的設計 15\o"#_Toc131784196"3.3車底盤設計 16\o"#_Toc131784197"3.4機構受力分析與計算 16\o"#_Toc131784198"3.4.1機構重力估計 16\o"#_Toc131784199"3.4.2受力分析 16\o"#_Toc131784200"3.4.3前排輪翻越臺階時車身受力分析 17\o"#_Toc131784201"3.4.4車輪驅(qū)動功率 19\o"#_Toc131784202"3.4.5關節(jié)功率計算 19\o"#_Toc131784203"3.4.6輪子驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計算 19\o"#_Toc131784204"3.5驅(qū)動裝置的設計 21\o"#_Toc131784205"3.5.1驅(qū)動方式概述 21\o"#_Toc131784206"3.5.2車輪電機和制動器選擇設計 22\o"#_Toc131784207"3.5.3腿臂驅(qū)動電機和減速器，離合器的選擇 23\o"#_Toc131784208"3.6總體結(jié)構圖 24\o"#_Toc131784209"4零件設計 25\o"#_Toc131784210"4.1零件設計的主要方面 25\o"#_Toc131784211"4.2零件具體設計 25\o"#_Toc131784212"4.2.1車體的設計 25\o"#_Toc131784213"4.2.2長臂的設計 26\o"#_Toc131784214"4.2.3短臂的設計 26\o"#_Toc131784215"4.2.4搖桿的設計 27\o"#_Toc131784216"4.2.5車輪的設計 27\o"#_Toc131784218"4.2.6整體結(jié)構 32\o"#_Toc131784219"5性能分析 35\o"#_Toc131784220"5.1動態(tài)打滑的穩(wěn)定性分析 35\o"#_Toc131784221"5.2爬坡步態(tài)分析 36\o"#_Toc131784222"5.2.1坡面行使 36\o"#_Toc131784223"結(jié)論 38\o"#_Toc131784224"致謝 39\o"#_Toc131784225"參考文獻 401引言1．1移動機器人的發(fā)展概況近年來，由于科學的飛速發(fā)展，人類的眼光變得更加廣闊，他們渴求去發(fā)現(xiàn)更多的神秘[1,2]。從月球到火星，從深淵到大洋，他們都在不斷深入的挖掘，去發(fā)現(xiàn)更多的秘密，比如深不可測的歷史古跡、文化遺產(chǎn)、地形地貌。隨著科技的進步，當今世界的軍事競賽更加激烈，而且反恐斗爭的挑戰(zhàn)更加嚴峻。為了有效應對這些挑戰(zhàn)，我們必須具備足夠的技術，以便在極端的氣候條件下，快速、精細、有效的執(zhí)行偵查、攻擊、防御、救援等工作。然而，在這些極端的自然條件下，我們往往會感到力不從心。通過遠程操作和對地貌的調(diào)整，我們的移動機器人已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的技術，它們具有良好的靈活性，并且能夠在各種惡劣的氣候和環(huán)境中運作，從而實現(xiàn)我們難以想象的探索和發(fā)現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展，移動機器人已經(jīng)不僅僅局限于實現(xiàn)簡單的任務，它們還可以通過與周圍的環(huán)境進行交流，并且可以根據(jù)不同的情況進行調(diào)整，使得它們更加適應復雜的任務。尤其是那些可以進行高難度任務的小型地面移動機器人，它們的尺寸更加緊湊，價格更加實惠，并且具備更高的生命安全性。隨著科技的進步，許多新的技術和新的設備都可用來滿足對機器人的需求，特別是在處理復雜的、難以跨越的障礙和地形的情況下。因此，研制出一款可跨越障礙的、可實現(xiàn)高效的、低成本的小型地面移動機器人顯得尤為重要[3,4,5]。隨著科學技術的進步，輪式移動機器人已經(jīng)不再僅僅是用于探索智能和決策，它們擁有更強大的機動性、更高效的跨界功能，并且可以實現(xiàn)更加完善的集成化設計。1.2輪足結(jié)合機械式移動機器人的發(fā)展趨勢 隨著技術的不斷進步，輪足結(jié)合機械式移動機器人已經(jīng)取得了長足的進步，世界上的許多國家正積極投入資源，開發(fā)出多種不同類型的移動式機器人[6]，例如翻滾型、管道型和變結(jié)構型，它們的應用范圍廣泛，可以滿足不同的需求。隨著技術的不斷進步，微小的、可攜帶的、可操控的移動式機器人正在變成生活的可有可無的部分，為我們的工作提供了強大的支持。在這些機器中，有一種是可以通過翻滾或者通過管道運輸?shù)模鐖D1和2所示。圖3輪足結(jié)合機械式變結(jié)構移動機器人近日，美國科學家們發(fā)明了一款全新的netbook電腦機器人[9]（如圖4）“Three”，它的底座由兩個可移動的滾筒組成，滾筒的兩端用于支撐netbook電腦，使其能夠在任何環(huán)境下運行。這種新的設計非常容易掌握，甚至不需要任何基礎的技術，只需要按照說明書的指示就可輕松地進行控制和組裝。圖4“Three”新式netbook電腦機器人設計師們表示，這款機器人配備了強勁的發(fā)動機和最先進的機械設備，并且配備了專業(yè)的軟件和主人識別系統(tǒng)，使得它能夠完全掌握顧客的操作，為他們提供全面的服務。除此之外，如果顧客仍然想要更多樂趣，他們可以選擇安裝紅外線傳感器來滿足他們的需求。以及外置攝像儀器等裝置。據(jù)報道，為了提升反恐防暴機器人的非結(jié)構環(huán)境適應能力，研發(fā)團隊開發(fā)出一種全新的輪—腿—履帶復合移動機構.該機構在結(jié)構設計和本體穩(wěn)定性分析方面表現(xiàn)優(yōu)異[10]（如圖5），具備良好的機動性能和轉(zhuǎn)向性能，因此被成功地用于反恐防暴任務。圖5輪—腿—履帶復合移動機器人自從機械學家們提出了讓機械能夠完成更加高效、精確、安全、可靠的任務，它就被廣泛地應用于各種各樣的生產(chǎn)過程，從而解放出許多生產(chǎn)者，如汽車、電子、宇航、建設隨著科技的發(fā)展，機器人已經(jīng)被應用于方方面面，包括軍事、海洋探索、航空、醫(yī)學、農(nóng)牧漁業(yè)、旅游和休閑等。輪足結(jié)合機械式移式機器人因具有高度機動性和高度智能，它們不僅可以完成人們無法直接完成的任務，還具有重要的社會意義。輪足結(jié)合機械式移動機器人的技術已經(jīng)取得了長足的進步，它們具備了良好的爬坡、越障、穩(wěn)定性以及抗干擾性.因此，它們已經(jīng)成為各類環(huán)境下的理想選擇。它們的出現(xiàn)，將大大提高我們的安全性，并且有助于我們更好的完成各類任務，比如探索復雜的環(huán)境、開拓宇宙，以及進行一些軍事行動。實現(xiàn)真正的人工智慧，并實現(xiàn)完全的獨立運行的核心技術。研發(fā)出能夠在無需人類介入的情況下，準確無誤地運用技術來達到指定目標，從而達到指定任務和操作。這種技術利用設備提供的數(shù)據(jù)，可以幫助機器人準確識別周圍環(huán)境，從而確保其能夠準確無誤地運用，從而達到指定的結(jié)果[11,12]。1.3研究輪足結(jié)合機械式移動機器人的核心技術由于科技的發(fā)展，機器人技術的智慧不僅僅表現(xiàn)在它的行走距離，而且還可以拓展它的視野，拓展它的潛力，拓展它的可操作性。因此，人們不僅希望它具有足夠的自主性，還希望它具有足夠的靈活性，以便它可以在不斷變化的外部世界中自由移動，并且具備良好的環(huán)境適應能力。近年來，由于技術發(fā)展，移動機器人[7]，尤其是自主式移動機器人，已經(jīng)迅速發(fā)展，并在機器人技術領域占有重要位置。(1)輪足結(jié)合機械式移動機器人的機構形式為滿足不同應用場景的要求，我們研發(fā)出一種新型的雙輪雙腿移動機械手，它既能夠滿足傳統(tǒng)的輪子行走的功能，又能夠通過兩個電動輪（一個驅(qū)動輪，一個爬行輪）的協(xié)同作戰(zhàn)，使得它能夠在復雜的路況下行駛。為了確保移動機器人的傾覆穩(wěn)定性，我們開發(fā)出一種新型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡白適應控制系統(tǒng).這種新型的輪足結(jié)合機械式機器人具備六個獨立的輪足結(jié)合機械，并且具備多種構型的功能。我們使用動態(tài)能量穩(wěn)定錐技術來衡量這種穩(wěn)定性，并通過傾覆穩(wěn)定性指數(shù)來確定最佳的操作策略。通過這種新型的技術，我們的機器人能夠更好的適應復雜的環(huán)境[14,15]，并且具備良好的傾覆穩(wěn)定性。此外，我們還通過正弦路面的仿真，發(fā)現(xiàn)這種新型的技術具備良好的穩(wěn)定性。這個系統(tǒng)的運行速度快，穩(wěn)定，并且在處理復雜情況下具有很強的安全保證。（2）輪足結(jié)合機械式移動機器人由動力源、導向系統(tǒng)、換向裝置和制動裝置構成，它們共同構建了一個完整的移動系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動化的操作，從而滿足不同的應用場景和需求.1.4本次設計目的及意義通過深入的研究發(fā)現(xiàn)，輪足結(jié)合機械式移動機器人的驅(qū)動裝置可以將腿式移動與輪式移動相融合，從而實現(xiàn)更加高效的移動。為了滿足不同的實際需求，我們開發(fā)了一種全新的移動機器人驅(qū)動裝置，它可以根據(jù)不同的地形條件，提供更加靈活的移動性，并且可以輕松穿過復雜的地形，還可以實現(xiàn)更高的跨越障礙的功能。通過使用CAD技術，我們可以精心規(guī)劃出一個完整的驅(qū)動系統(tǒng)，包括精心挑選的機電部件，以及深入探索機器人的跨界操作特性。2輪足結(jié)合機械式移動機器人驅(qū)動方案設計2.1課題要求 1、機械結(jié)構設計：輪足結(jié)合式機械腿柔性驅(qū)動結(jié)構需要具備優(yōu)秀的機械結(jié)構設計，包括機身結(jié)構設計、關節(jié)設計、輪足設計、柔性桿桿件設計等。這些結(jié)構設計需要滿足機器人的運動性能、力學性能和強度等要求；2、柔性驅(qū)動設計：柔性驅(qū)動是輪足結(jié)合式機械腿柔性驅(qū)動結(jié)構的核心，需要選擇合適的柔性桿材料和傳動機構，設計出高效、穩(wěn)定的柔性驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人的自由移動和操作；3、材料選用與加工：輪足結(jié)合式機械腿柔性驅(qū)動結(jié)構需要選用先進的材料和加工工藝，以實現(xiàn)機器人的高性能和高可靠性。在選擇結(jié)構部件時，應該特別注意其具有的特殊功能，如高強度、高韌性和抗腐蝕性，以確保結(jié)構的可靠和穩(wěn)定。4、實驗驗證與優(yōu)化：輪足結(jié)合式機械腿柔性驅(qū)動結(jié)構的設計需要通過實驗驗證和優(yōu)化，評估機器人的運動性能、控制性能和穩(wěn)定性等指標，并進行優(yōu)化設計，以實現(xiàn)機器人的高效、穩(wěn)定和可靠運行。2.2輪足結(jié)合機械式機器人結(jié)構方案設計2.2.1輪足結(jié)合機械配置方案的選擇通過采用對稱的設計，輪足結(jié)合機械式移動越障機器人可以實現(xiàn)輪子、腿部的協(xié)調(diào)配合，從而實現(xiàn)越障的效果。相比于4輪足結(jié)合機械式機器人，4輪式機器人的設計更加精致，可以提供較高的越障效率，從而滿足越障的安全性、可操控性、耐久性等多方面的要求。.2.2.2輪足結(jié)合機械式機器人的結(jié)構方案由于輪足結(jié)合機器人的運用涉及到跨越障礙物，所以它的機械結(jié)構成了本次研究的焦點。六個輪子的位置、驅(qū)動力以及它們之間的相互影響，都將成為本次研究的關鍵部分，而且，當它們跨越障礙物的同時，它們的運動機理和性能將會得到更好的評估.在設計時考慮了兩種形式機構1）四輪足結(jié)合機械式行使機構采用了搖臂-轉(zhuǎn)向架設計。根據(jù)圖2-1，該結(jié)構具有兩個顯著的特點：（1）每個輪子都具有獨立的控制機制，以實現(xiàn)自動調(diào)整和運行。（2）通過精密的差速齒輪軸，將機器人的機身和差速軸箱緊密結(jié)合，以實現(xiàn)雙向操作.圖2-1展示了一種四輪足結(jié)合機械移動機器人的結(jié)構，它采用了搖臂轉(zhuǎn)向架式設計。2）四輪足結(jié)合機械式移動機器人采用獨特的驅(qū)動機構，實現(xiàn)了高效的運動控制。根據(jù)圖2-2，這個結(jié)構由四個單獨的電機驅(qū)動，它們分別由不同的直流電機控制。此外，它們還擁有單獨的直流伺服電機，并裝備了增益控制裝置。這樣，它們就形成了一個完整的電機驅(qū)動系統(tǒng)。圖2-2獨立驅(qū)動四輪足結(jié)合機械移動機器人在多種因素的影響下，盡管搖臂-轉(zhuǎn)向架式四輪足結(jié)合機械式行使機構的設計優(yōu)秀，可以顯著降低總重，但其實施過程卻非常繁瑣，難以輕松掌握。與此同時，與其他類似的獨立對稱式四輪足結(jié)合機械移動結(jié)構相比，它的實施過程更加簡便，更加容易掌握。這個機器人的運動可以分為幾個部分：首先，它會沿著水平的路徑前進，這時，它的電機會通過電機內(nèi)的液壓缸和氣缸的壓力缸，將液壓缸的壓力傳遞給電機內(nèi)的液壓缸。然后，它會沿著水平的路徑前進，這時，它的電機會通過液壓缸內(nèi)的液壓缸和氣缸內(nèi)的液壓缸，將液壓缸的壓力傳遞給電機內(nèi)的液壓缸。最后，它會沿著水平的路徑前進，這時，它的電機會通過液壓缸內(nèi)的液壓缸和氣缸的壓力傳遞給電機內(nèi)的液壓缸。通過調(diào)整步長和速度，我們可以讓機器人更好地適應斜坡地形.2.2.3四輪足結(jié)合機械的分布方案將四個輪子分成2組，每組輪子都沿著相同的軌道運行，即前輪在后面，中間輪在前面，后面在后面，如圖2-3所示。圖2-3輪足結(jié)合機械分布2.2.4越障機構的設計為了讓機器人更加輕松地穿梭于不同的環(huán)境，我們需要重新構建機械臂的構造，讓它具備跨越障礙的功能。由于搖桿機構的構造相對簡單，因此我們選擇了它，它可以幫助機器人穿梭于不同的環(huán)境，同時，由于平行四邊形機構更加便于調(diào)節(jié)機械臂的角速，因此我們也采取了它。采用平行四邊形結(jié)構，可以把每個支撐點劃分成兩個獨立的支撐點，它們的支撐點位于汽車的正反兩個方向.此外，還可以通過使用支撐點的擺幅來實現(xiàn)支撐，擺幅的大小可以根據(jù)需要調(diào)整，使得支撐點的擺幅能夠更好地支撐汽車的運輸。由于機械設備擁有兩個獨立的操縱部分，它們必須依靠兩個傳動部分，也就是兩套傳動系統(tǒng)。當它們進行高速移動時，它們可以避免開啟傳統(tǒng)的傳動部分，從而維護其腿部的穩(wěn)定性，并通過汽油發(fā)動機的傳動來實現(xiàn)與其他物體的同步移動。四搖桿機構是一種非常常見的機構，它的設計方式非常簡單。它的原理是，它的兩個部分是搖桿，一個是支撐部分，另一個是支撐部分。它們被構建成一個四面八方的機構，如圖2-4所示。這種機構的優(yōu)點是，它的支撐部分非常緊湊，而且它的支撐部分非常靈活，方便移動。此外，它還具有一些優(yōu)點，比如減小的尺寸，方便維護。由于采用了四桿式的平衡機構，當輪足結(jié)合機械與地面的距離變得更近時，短臂的關節(jié)就能承擔更大的拉伸力，從而使得鎖定短臂所需的扭矩變得更大，這樣就使得制動器的設計變得更加復雜..將長臂與關節(jié)連接件安裝在一起，并將其與短臂相連，搖桿安裝在短臂上，最后將短臂與車輪相連，以實現(xiàn)連接孔的功能。圖2-4輪足結(jié)合機械方案2.2.5車輪方案設計每個輪子都擁有自己的直流伺服電機和減速裝置，以確保它們的穩(wěn)定性，并且可以通過制動裝置來實現(xiàn)輕松的操控。這樣，它們就可以在不同的路況下安全地行駛。采用直流電機與減速器相結(jié)合的方案，可以根據(jù)圖2-5的要求，將電機固定在心軸上，并通過長減速器和長制動器以及外套橡皮的連接，來實現(xiàn)對輪子的有效控制.1.2.由中央軸驅(qū)動的電機、3.由減速器驅(qū)動的定子、5.由制動器驅(qū)動的轉(zhuǎn)子、以及由輪子驅(qū)動的車輛。圖2-5電機加減速器該減速器設計精巧，安裝容易，具有良好的穩(wěn)定性和輕量化，而且尺寸小巧，只需要使用有限的電動機。2.2.6腿臂傳動方案設計在二級減速器的輸入端，我們可以把一個小型的機械手放在上面，并使用一個離合器來把它和另一個機械手聯(lián)系起來。請參考圖2-6:離合器搖桿二級渦輪減速離合器搖桿二級渦輪減速電機長臂短臂長臂短臂圖2-6腿臂傳動方案這種設計只需要一個制動器，減少體積和質(zhì)量，運動形式如下：當長臂不動的時候，離合器脫開，制動器鎖住長臂，而短臂可以自由轉(zhuǎn)動，當長臂需要運動時，接合離合器，制動器脫開，短臂和長臂以相同的角速度運動，即保持長短臂之間的夾角不變，也就是說，長臂動時，短臂一定要動，兩者都不動時，由二級減速器（蝸輪減速器）自鎖，則保持腿臂形狀不變，如圖2-7所示則由車輪電機帶動車體進行運動.離合器開離合器開離合器關離合器關1.電機2.長臂3.短臂4.車輪5.搖桿圖2-72.2.7總體方案總而言之，我們已經(jīng)決定了一個用于制造機器人的計劃，它包括一個車身、一個執(zhí)行機構和一個跨越障礙的裝置。車架用鑄件，需良好的力學性能（2）六個獨立的直流電機驅(qū)動著六個行使機構，它們共同推動著整個車輛前進.（3）由6個轉(zhuǎn)臂組成的轉(zhuǎn)臂越障機構，具有可在垂直平面上移動的能力，其中包括長臂和短臂，可實現(xiàn)跨越障礙的功能。這個設備擁有兩個獨立的運行部件，由一個復合電機驅(qū)動.3采用輪足結(jié)合機械式驅(qū)動的機器人，其驅(qū)動裝置的結(jié)構設計如下：3.1車輪設計3.1.1車輪直徑設計在設計車輪的過程中，除了需要注意它的重量外，還需要注意它的尺寸.由于在腿臂展開的情況下，車輪的重心會使它的關節(jié)受到更大的壓縮，所以它的尺寸必須適中，同時，它的形狀還需要滿足特殊的需求。另外，由于它的形狀會影響到它的使用壽命，所以它的大小還需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。總之，在選擇車輪的直徑時，需要綜合考慮多方面的因素，包括它的質(zhì)地、結(jié)構、性能、使用壽命、操作方便性等。πDn=(3-1)在這里，D表示車輪的直徑，Um表示最高時速（10Km/h），計算后得到的結(jié)果是這樣的Dn=53(3-2)為了確保電機和減速器的性能，我們期望車輪的轉(zhuǎn)速在300-450rpm之間，因此，我們將0.118m設置為0.118m<0.177m，并將D設置為150mm。3.1.2輪寬的選擇輪寬的選擇應該綜合考慮車輛的寬度、地面的阻力以及其他因素，以確保輪子的安全性和可靠性。短輪子可以更好地適應地面環(huán)境，并且更容易設計和選擇輪內(nèi)部件，因此，最佳的選擇是盡可能短的輪子。后的設計目標定為輪寬B=120mm。3.2腿臂的設計根據(jù)設計需求，機器人必須具備足夠的力量跨越250mm的臺階，這就需要其底座的高度必須足夠。而這種高度的確立，取決于其腿部的擺動，因此，將其長臂和短臂的總體擺動距離確定為L1，從而使其腿部的擺動距離也達到L1。(3-3)鑒于腿臂的抬起角度應當保持在一個合理的范圍，因此，將α=β=450，可以得出L1≥177mm，也就是說，長臂和短臂的總長度應當大于177mm.鑒于安裝平行四邊形機構的便捷性，短臂的長度應當超過100mm，而長臂的長度則不得低于300mm，因此，驅(qū)動器的短臂長度應當設置為120mm，而長臂的長度則設置為300mm，這樣，在正常行駛時，車架與地面的距離就可以達到80+120+300=500mm。3.3車底盤設計隨著使用可移動的底座，箱體的安裝需要進行相應的調(diào)整。第一，應確保第一個箱子的位置處于合理的范圍，以確保其可移動的特點。第二，應確保第一個箱子的位置與其他位置相匹配，以確保其可以承受足夠的沖擊力，從而確保其中的控制系統(tǒng)、儀表及其他設施的穩(wěn)固。鑒于汽車底部采用了高強度的鑄鐵材料，因此，要確保機器人的安全運動，就需要擁有充分的支持空間。因此，汽車的車架的大小應該是720mmX400mm，同時，汽車的各個輪子的軸向間隔也應該是250mm。3.4機構受力分析與計算3.4.1機構重力估計為了減輕汽車的負擔，我們選擇使用更輕的部分，例如一些易損壞的部分，以及一些特殊的部分。我們將所有的部分均使用鋁制材料。根據(jù)我們的測算，汽車的輪子的質(zhì)量約為2Kg，汽車的框架和整輛汽車的質(zhì)量約為15Kg，汽車的腿部質(zhì)量約為1Kg，而電動機和渦輪的質(zhì)量約為4Kg。由于57kg的整體質(zhì)量和60Kg.的螺旋連接部分，因此整體質(zhì)量60Kg.3.4.2受力分析根據(jù)圖3-3，假定腿處于水平狀態(tài)，這樣可以最大限度地減少關節(jié)力矩，同時也可以避免重心失衡，從而更加安全。因此，可以得出以下表達式：350350圖3-3重心位置計算簡圖(3-4)其中L為重心距離關節(jié)中心的位置L1=300mm長臂的長度L2=120mm短臂的長度G1=10N腿臂的重量G2=20N輪子的重量算得L=350mm3.4.3當前排車輛翻越臺階時，車身受力情況的分析。由于考慮兩側(cè)輪子動作相同，故仍然把受力簡化成兩排排輪子進行分析。這樣并不影響結(jié)果。設后排輪輪中心距離后排關節(jié)為140mm。后排腿呈直線，則與垂直方向夾角正弦值sinθ==140/420=0.34，此時可以算出前排輪關節(jié)與輪心距離h為h=+80–250-80=142mm（3-5）因此，前輪的心臟與關節(jié)之間的水平距離L1被確定為L1===395mm(3-6)則列表達式如下:G4*210*sinθ+G2*(320+150)+G3*(320+150)+G3*(320++320+150)=N*(L1+320+320+150)(3-7)其中,G1=80N前腿和輪總重量G2=150N箱體重量G3=60N中腿和輪總重量G4=20N后腿重量算得N=200N則每條腿受力為100N，關節(jié)處扭矩T1為T1=*L1=200/2*395=39030N*mm=40Nm(3-8)腿臂的受力分析長臂固定，短臂運動根據(jù)圖3-5，在平衡狀態(tài)下，機器人的每只腳的承載能量是160N，而在上下樓梯的過程中，每只腳的承載能量是120，因此，我們可以將機器人的每只腳的承載能量設定為N=200N，從而確定它的腿部承載能量。所示：圖3-5短臂和拉桿受力分析對0點列出力矩平衡方程N*120sinθ=100*Fcosθ（3-9）當θ=90時，機構會進入死點，這就要求在控制機器人腿臂運動時，必須避免短臂和長臂處于一條直線上。為了解決這個問題，我們可以將θ值調(diào)整為80，F(xiàn)值調(diào)整為1362N，θ值調(diào)整為60，F(xiàn)值調(diào)整為415N，θ值調(diào)整為45，F(xiàn)值調(diào)整為440N。隨著θ的增加，F(xiàn)的增長也會加快，因此，在控制過程中，必須特別注意避免θ超過特定的角度，從而使θ的取值不超過80。2）短臂和長臂一起轉(zhuǎn)動如果兩個支撐桿的夾角沒有改變，那么它們就像是被固定住了。這樣，我們就能夠清楚地觀察到它們的總承載能量。通過觀察，我們發(fā)現(xiàn)，支撐桿的承載能量的Tmax是最大的。Tmax=N（120sinθ+300）（3-10）代入N=200，θ=80，得Tmax=83.6Nm3.4.4車輪驅(qū)動功率理論行走驅(qū)動功率Pε（Kw）為Pε=（3-11）其中G=1000Nf=0.05滾動摩擦阻力系數(shù)Ua=10Kw/h時速，最高時速為10Kw/h代入得Pε=0.139Kw=139w3.4.5關節(jié)功率計算如果將關節(jié)處的轉(zhuǎn)速設定為2r/m，根據(jù)計算結(jié)果，當關節(jié)攀爬臺階時，所受的扭矩為40Nm，因此，將T設定為40Nm，那么關節(jié)的理論功率Pε就會得到確定。Pε=T*w=40*2*2π/60=8.4(w)（3-12）3.4.6輪子驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計算根據(jù)先前的計算，當將輪子和地表之間的最大正壓力定義為N時，N的值將會如下表示：N=G/6=600/6=100N（3-13）當滾動摩擦阻的值被設定在f=0.05時，摩擦力就會達到8.3N，從而導致相應的力矩也隨之增大Tf=f*R=8.3*0.075=0.6225Nm（3-14）其中，R=0.075m輪子半徑3.4.7在斜坡上所需的制動力當車輛在斜坡上行駛時，根據(jù)圖3-6，假定每個輪子都承受力F，那么F就是斜坡上的重力。F=600*sin15/6=25.88N（3-15）則每個輪子所需的制動力矩Ts為Ts=F*R=25.88*0.075=1.94N(3-16）當輪子處于最高時速時，其轉(zhuǎn)速n與最高時速Vmax之間存在著密切的聯(lián)系。n=（3-17）其中Vmax為最高時速,D=150mm,n=353r/min圖3-6車體在斜坡上的受力3.5驅(qū)動裝置的設計3.5.1驅(qū)動方式概述驅(qū)動裝置是機械系統(tǒng)的核心部分，它們對于制造和使用小型機器人至關重要。微驅(qū)動器作為微型機器人的核心部件.一直是學術界的關注焦點，也是研究者們不斷探索的重要突破口.通過關節(jié)驅(qū)動技術，微型CD、磁盤和航天儀器等產(chǎn)品可以得到廣泛的應用，其未來發(fā)展前景可期。一定的程度上衡量微驅(qū)動器發(fā)展水平的重要標志.因為尺寸和工作空間的局限，微型機器人的驅(qū)動器通常采用電動機來實現(xiàn)。通過使用形狀記憶合金、電磁或壓電技術，可以實現(xiàn)各種驅(qū)動方式.電動機驅(qū)動隨著技術的進步，電動機在各行各業(yè)中得到了越來越多的使用，特別是伺服電機，它們正在逐漸被淘汰。.電機控制性能優(yōu)異，具有極高的靈活性和可靠性，是一種廣泛應用于各種領域的高效驅(qū)動器。機器人的準確率和性能都很重要.其中的電機可以是具備反饋功能的直流電機，也可以是無刷電機。等。（2）靜電驅(qū)動靜電力是一種被廣泛應用于微型機器人的驅(qū)動力，它以傳統(tǒng)的微電機技術為基礎，提供了可靠的動力來源。隨著表面力的出現(xiàn)，它的作用范圍縮小，而且相對于體積力的影響更加顯著。然而，在電機中，摩擦力仍然存在靜力電機的力矩通常相對較小，因為它們的摩擦力和粘滯力都相對更大。因此，它們的使用范圍并不像其它電機那么普遍。電磁驅(qū)動通過利用先進的電磁技術，電磁驅(qū)動系統(tǒng)可以通過利用平行的磁場來驅(qū)動轉(zhuǎn)動部件，從而實現(xiàn)動態(tài)變化。通過使用電磁驅(qū)動的微型機械臂，可以實現(xiàn)管狀運輸，這種技術被廣泛應用于醫(yī)學和護理，可以喚起患者的意識?！拔?chuàng)”和“無創(chuàng)”機構。（2）壓電驅(qū)動方式壓電驅(qū)動技術的核心思想在于利用壓電材料的逆壓效應，通過施加一定的壓力來實現(xiàn)機械運轉(zhuǎn)。在過去的十年里，壓電陶瓷微動機構的性能得到了顯著改善，它們在受到外力作用時會出現(xiàn)形變現(xiàn)象。隨著技術的不斷發(fā)展，目前國際上使用的壓電陶瓷微動機構的精確性可以達到納米尺寸，并且具有良好的振蕩特性。應，達到上千赫茲。根據(jù)上述介紹，各種微型驅(qū)動裝置均具有其獨特的優(yōu)勢和不足，因此，在本次實驗中，我們將充分利用這些優(yōu)勢和不足。根據(jù)計劃的需求和實際情況，我們選擇了微型直流電機作為驅(qū)動器，以滿足我們的設計要求。根據(jù)表3-1，我們可以清楚地看到幾款直流電機的基本特性.表3-1各電機特點電機特點缺點直流力矩電機力矩大，空載轉(zhuǎn)速低定制MaxonRe系列直流電機體積小，功率大，配件豐富長度長，Maxon系列無刷盤式電機厚度方向尺寸小，轉(zhuǎn)速低，功率大直徑方向尺寸大3.5.2車輪電機和制動器選擇設計車輪需要持續(xù)不斷的運動，而這種運動的動力源源不斷，其中包括電動機和制動器兩個重要組成部分。車輪電機需要持續(xù)運行，因此需要較高的功率，但是轉(zhuǎn)速必須保持在一個合理的范圍內(nèi)，而且車輪的直徑必須在150mm以內(nèi)。由于具備充分的徑向安裝空間，因此我們最終決定采用Maxon系列無刷盤式電機，從而滿足要求。經(jīng)過精確的測量，我們發(fā)現(xiàn)每輛車的理論扭矩約13.92W，但是在加上剎車系統(tǒng)的作用后，這數(shù)值可能會有所增加。根據(jù)率損耗，可以通過以下公式來估算電機的功率。PO=*K（3-18）K=2影響因素P=13.92W輪子理論轉(zhuǎn)矩PO電機所需功率η=0.8效率計算得PO=34.8wMaxon系列60W型的無刷盤式電機是最佳的汽車輪胎驅(qū)動器，可以滿足各種應用需求。電磁制動器是一種常見的汽車制動系統(tǒng)，它能夠有效地阻止汽車的行駛，從而保證汽車的安全行駛。根據(jù)測量結(jié)果，所需的剎車力矩達到1.94Nm，因此我們采用了100型的電磁剎車系統(tǒng)。3.5.3腿臂驅(qū)動電機和減速器，離合器的選擇為了讓輪足結(jié)合機械式機器人能夠更輕松地穿越障礙物，車身上安裝的減速器和電機被設計用來驅(qū)動它們通過旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動輪臂穿越障礙，但是在正常行駛時，車身上的電極并不會發(fā)揮作用，只有在特殊情況下才會發(fā)揮作用。當遇到障礙時，電機會被激活，使車輛能夠穿越障礙，因為車身的長度使得它能夠更有效地完成這一過程。理論上，動腿臂的功率需求為8.4w，而且，由于車輛采用渦輪增壓技術，腿臂的轉(zhuǎn)動角度可以達到±90通過使用減速器來實現(xiàn)調(diào)速，并利用渦輪蝸桿的正向運動和反向自鎖的能力，我們可以在遇到阻礙時保持高速通過。當汽車的電機發(fā)生故障，電機內(nèi)的汽油會被電機的活塞吸收，從而使電機內(nèi)的汽油不再需要使用剎車系統(tǒng)。采用MaxonRe系列直流電機，可以通過以下公式來估算其功率。PO=*K（3-19）K=2影響因素P=8.4W輪子理論轉(zhuǎn)矩PO電機所需功率η=0.4效率，渦輪減速器效率低計算得PO=42W則選用MaxonRe系列直流電機70W型通過使用渦輪減速器，可以實現(xiàn)減速和自我保持。這種裝置的工作原理依賴于渦輪蝸桿的特點，隨著轉(zhuǎn)速的增加，其效率也會提高。當溫度降低時，發(fā)熱量會增加，因此需要充分的潤滑。然而，由于渦輪減速器具有良好的反向自鎖特性，因此可以忽略這一點。速器的主要作用是減速和自鎖，因此蝸桿的轉(zhuǎn)動比必須保持在一定范圍內(nèi)，可以通過查閱相關數(shù)據(jù)來確定傳動比。當中心距離超過30mm，且額定功率達到70W，且傳動比達到最佳狀態(tài)，這樣可獲得最佳的自鎖性能40型的渦輪減速器。3.6總體結(jié)構圖總體的結(jié)構圖如圖3-7所示.圖3-74零件設計4.1零件設計的主要方面輪足結(jié)合機械式移動機器人驅(qū)動裝置的設計主要有車身設計,長臂設計,短臂設計,搖桿設計,長臂關節(jié)設計,車輪設計這六個主要部分組成,然后用螺紋緊固件將整體裝配起來即可.4.2零件具體設計4.2.1車體的設計車身作為機架的核心部分，負責將電機與輸出軸緊密結(jié)合，因此必須具備足夠的硬度和強度，以確保其穩(wěn)定性和可靠性因為重量、體積、車身形狀和制造工藝的限制，車身必須采用鑄造技術進行制作，以滿足特定的要求材料是Q235,車身如圖4-1所示.圖4-1車身的設計由于大多數(shù)鋁型材（合金材料）被應用于機器人的結(jié)構中，使得它們的整體結(jié)構更加堅固，更加耐久。是足夠的,不需要再進行校核.4.2.2長臂的設計輪足結(jié)合機械式機器人的長臂具有重要的功效，它們不僅能夠幫助機器人穿梭于崎嶇的路面，還能夠提升機器人的性能，實現(xiàn)高效的操控長臂被認為是一個至關重要的部件，它具有兩個功能：第一，它可以與機身上的輸出軸相連，以滿足特殊的需求。第二，將長臂伸展到最高點，以便將其與連接的車輪緊密結(jié)合，這樣，即便在長臂保持靜止的情況下，也可以有效地完成越障.短臂可以自由旋轉(zhuǎn).它的外觀可以參考圖4-2.圖4-2長臂的設計4.2.3短臂的設計短臂與車輪之間的連接是由搖桿和平行四邊形機構的協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)的，從而實現(xiàn)了車輛的穩(wěn)定操作。進行越障,其外觀圖如圖4-3所示.圖4-3短臂的設計4.2.4搖桿的設計搖桿是一種用于驅(qū)動平行四邊形機構的裝置，它通過與減速器的輸出軸相連來實現(xiàn)運動。通過電機的驅(qū)動，短臂可以實現(xiàn)有效的運動，而它的外形可以參照圖4-4來展示.圖4-4搖桿的設計將臂部分進行裝配,如圖4-5所示圖4-5臂裝配4.2.5車輪的設計車輪的設計十分復雜，因為它們是汽車行駛的重要驅(qū)動部件，需要精心安裝，以確保安全性和可靠性。通過將電機與減速器結(jié)合在一起，汽車的內(nèi)部車輪就能夠旋轉(zhuǎn)，并驅(qū)動汽車的全局移動。車輪內(nèi)部不僅包含電機和減速器，還配備了一種可以讓車輛停止運動的制動裝置，以確保安全行駛，除了用于固定和支撐車輪軸的軸承，我們還重點設計了以下幾個部件：車輪軸的設計車輪軸是一種重要的結(jié)構部件，它可以將車輪與短臂相連，使得短臂能夠有效地抬起車輪，從而實現(xiàn)越障的功能.它的三維圖可以參考圖4-6。圖4-6車輪軸車輪軸是承受重量的關鍵部件，因此采用45鋼作為材料.以確保具備足夠的機械強度.車輪軸連接法蘭法蘭連接件不僅可以固定車輪軸，還可以將車輪電機牢牢地固定在一起，如圖4-7所示.圖4-7車輪軸連接法蘭(3)電機固定法蘭通過將電機固定在車輪上，法蘭可以與車輪相互連接，從而穩(wěn)固電機.如圖4-8所示。圖4-8電機固定法蘭(4)法蘭間的連接件通過使用長套筒、長螺釘、螺母和墊圈，車輪軸與電機之間的連接得以實現(xiàn).如圖4-9所示.圖4-9法蘭間的連接件(5)輸出法蘭通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，將其轉(zhuǎn)換成車輪的運動，從而實現(xiàn)車輛的前進.如圖4-10所示.圖4-10輸出法蘭(6)車輪的外殼通過測量車輪內(nèi)部元件的長度，我們可以確定車輛外殼的形狀，并使用鑄造技術將其制作成鋁制品.如圖4-11所示.圖4-11車輪外殼(7)車輪側(cè)蓋的設計車輪側(cè)蓋是用來安裝車輪的重要部件，如圖4-12所示.圖4-12車輪側(cè)蓋(8)車輪端蓋的設計車輪端蓋起到了重要的連接作用，它能夠?qū)④囕嗇S牢牢地固定在一起，如圖4-13所示。圖4-13車輪端蓋將車輪裝配,組裝后,車輪如圖4-14所示.圖4-14車輪裝配圖4.2.6整體結(jié)構則整體裝配圖如圖4-15所示.圖4-15整體裝配5性能分析5.1動態(tài)打滑的穩(wěn)定性分析假設在斜面上運動時會出現(xiàn)滑動，我們進行了分析。在這種情況下，小型汽車以均衡的速度行駛，并且其車輪的旋轉(zhuǎn)慣性可以被忽視。忽略空氣阻力的影響短車的質(zhì)量分布非常均勻，沒有出現(xiàn)任何橫向偏心的情況。機器人沿著斜坡的梯度運動，朝著一個特定的方向前進。通過簡化，我們可以看到，在斜坡上，短車的受力情況如圖5-1所示。圖5-1動態(tài)打滑受力分析從圖中可以得出：N1+N2=GCOSθ（5-1）而地面提供的摩擦力Ff為：Ff=（N1+N2）*ψ（5-2）根據(jù)ψ的取值，如果車輛在干燥的地面上行駛，那么它就會打滑。因此，為了避免這種情況，F(xiàn)f必須比重力沿斜面的分量長。Ff≥GSINθ（5-3）則可以得出GψCOSθ≥GSINθ（5-4）當θ=15時，斜面的摩擦力比0.5X0.996=0.483>0.259大得多，達到了0.5X0.996=0.483>0.259，這表明斜面可以提供足夠的摩擦力，從而使短車在斜面上不會出現(xiàn)長滑的情況。5.2爬坡步態(tài)分析5.2.1坡面行使行使時，有兩種方式：一種是沿著坡面前進，另一種是沿著坡面后退，直至達到（≤15）的高度。當駕駛者面對斜坡時，控制其姿態(tài)相對容易，只需確保重心平衡即可。由于斜坡不利于短車的滑行，因此，短車在行駛時應該將前腿彎曲，調(diào)整后腿的長度和角度，以確保車身保持平衡，從而使其順利地爬升。如圖5-2所示。在行駛過程中，為了維持車身的平衡，需要調(diào)整一側(cè)的腿的長度，以便讓車身盡可能地保持水平，如圖5-3所示。圖5-2迎著坡面行駛結(jié)論本文旨在探討輪足結(jié)合機械式移動越障機器人的控制設備，并對其設計和構造進行深入的探討.在開始設計之前，作者將會對輪足結(jié)合機械式越障人工智能的性質(zhì)、作戰(zhàn)任務以及應用環(huán)境進行全面的調(diào)查，并對其構造進行詳細的描述。最終，作者選擇四輪足結(jié)合機械式對稱越障機構作為輪足結(jié)合機械式越障機器人的腿臂分配，以滿足不同的應用環(huán)境，并且可以更好地實現(xiàn)自己的越障目標。隨后，我們提出了一種四輪足結(jié)合