鉸接式機器人底盤研究與分析.doc

電子與信息工程學院機器人控制技術(shù)課程研究報告論文題目 鉸接式機器人底盤的分析與研究 學生姓名 徐 超 群 學 號 093521058 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 093521 任課教師 李 東 京 2012年6月 摘 要機器人學是一門重要的應用廣泛的綜合性前沿學科，其應用于機械工程學、電子學、控制科學、計算機科學等眾多學科，其技術(shù)全面、先進，適應性也很強。具體表現(xiàn)在：（1）性能可靠，功能全面，精確度高；（2）機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應用廣，水平高居世界之首；（3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應用；（4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。機器人的應用范圍也已經(jīng)從工業(yè)制造領(lǐng)域擴展到軍事、航空航天、服務業(yè)、醫(yī)療、人類日常生活等多個領(lǐng)域。應用機器人系統(tǒng)不僅可以幫助人們擺脫一些危險、惡劣、難以到達等環(huán)境下的作業(yè)（例如：危險物拆除、掃雷、空間探索、海底探險等），還因為機器人具有操作精度高、不知疲倦等特點，可以減輕人們的勞動強度，提高勞動生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量等。盡管目前機器人還不像人們想象的那么強大，但是，機器人技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)中。機器人正在逐漸改變著人們的生產(chǎn)、生活方式，機器人產(chǎn)業(yè)也正在成為一個新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在可以預見的未來，機器人將成為人類的得力助手，提高人類的生活質(zhì)量，成為人類朝夕相處的可靠伙伴。關(guān) 鍵 詞：機器人小車底盤；前輪定位；減速；轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)彎半徑 目 錄 目錄摘 要2緒 論4第1章：底盤控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢51.1轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)51.2機器人小車底盤的線控技術(shù)51.3線控制動(brake by-wire)6第2章：機器人小車底盤的組成和功用62.1傳動系62.2行駛系72.3.轉(zhuǎn)向系82.4.制動系92.5傳動系故障102.6.離合器及故障診斷11第3章： 機器人小車底盤動力學分析123.1運動學分析123.2欠驅(qū)動、非完整動力學系統(tǒng)分析133.2.1 簡化的Routh方程133.2.2 動力學建模153.2.3利用經(jīng)驗公式確定其它總體參數(shù)。183.2.4輪胎支撐軸的設計與校核193.2.5.減速器齒輪設計223.2.6齒根彎曲強度驗算253.2.7減速箱連接螺栓設計263.2.8減速器軸承的選擇計算26附錄：283.3主視圖28俯視圖28左視圖29第4章：收獲與總結(jié)29參考文獻30 緒 論本文根據(jù)機器人小車理論中與車輛底盤性能相關(guān)的原理，針對智能模型車底盤，對其各調(diào)整參數(shù)加以介紹，并側(cè)重從轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)的選擇，中心位置，舵機性能與行駛速度對轉(zhuǎn)彎半徑的影響的角度對鉸接式機器人底盤加以分析與研究。本課題對傳統(tǒng)機器人小車底盤加以創(chuàng)新，配上各種傳感器，使傳統(tǒng)機器人小車智能化， 近年來，國內(nèi)外研究人員利用多種傳感器，對移動機器人的導航與定位問題坐了有意義的探索，研究出了許多不同的移動機器人導航與定位方法。應用于移動機器人的導航與定位方法大體上可分為相對定位法（也稱推測航行法DR）、絕對定位法（也稱參照物定位法）和混合定位法。相對定位法分為測距法（odometry）和慣性定位法（IN）。絕對定位法分為磁羅盤法（MC）、主動燈塔法（AB）、全球定位法（GPS ）路標導航定位法（LN）和模型匹配法（MM ）?；旌隙ㄎ环ㄊ墙Y(jié)合相對定位法和絕對定位法來實現(xiàn)移動機器人定位的方法，包括：基于多傳感器信息融合的定位法（FML）、定位與環(huán)境建模同時進行的研究方法（MBL）和視覺定位法（VBL）。機器人將成為人類的得力助手，提高人類的生活質(zhì)量，成為人類朝夕相處的可靠伙伴。第1章 ：底盤控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（RWS）RWS能主動讓機器人小車兩后輪的橫拉桿相對于車身作側(cè)向運動，使兩后輪產(chǎn)生一轉(zhuǎn)向角。RWS是由電子控制單元、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)等組成。其執(zhí)行機構(gòu)有整體式和分離式兩種。整體式是指機器人小車兩后輪的橫拉桿由同一個執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié);而分離式則指機器人小車兩后輪的橫拉桿由兩個不同執(zhí)行機構(gòu)來調(diào)節(jié)。對于整體式RWS執(zhí)行機構(gòu)，用一個橫拉桿位移傳感器就能確定兩后輪的轉(zhuǎn)向角。當機器人小車高速行駛時，給后輪一個與前輪轉(zhuǎn)向角方向一致的轉(zhuǎn)向角。機器人小車的前后輪同時向同一方向轉(zhuǎn)向，可提高機器人小車的方向穩(wěn)定性，特別是機器人小車在高速行駛換道時，機器人小車不必要的橫擺運動會大大減小，從而增強了機器人小車的方向穩(wěn)定性，當機器人小車制動時，同系統(tǒng)相配合，可及時通過主動后輪轉(zhuǎn)向角來平衡制動力所產(chǎn)生的橫擺力矩，既能保持機器人小車的方向穩(wěn)定性，又能最大限度地利用前輪的制動力，改進機器人小車的制動性能。1.2 機器人小車底盤的線控技術(shù)所謂線控就是用電子信號的傳送取代過去由機械、液壓或氣動的系統(tǒng)連接的部分，如換檔連桿、油門拉線、轉(zhuǎn)向器傳動機構(gòu)、剎車油路等。它不僅是取代連接，而且包括操縱機構(gòu)和操縱方式的變化，以及執(zhí)行機構(gòu)的電氣化。這將改變機器人小車的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。全面線控的實現(xiàn)將意味著機器人小車由機械到電子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。線控技術(shù)要求網(wǎng)絡的實時性好、可靠性高，而且一些線控部分要求功能實現(xiàn)的冗余，以保證在一定的故障時仍可實現(xiàn)這個裝置的基本功能。就像現(xiàn)在的ABS和動力轉(zhuǎn)向一樣，在線路故障時仍具有剎車和轉(zhuǎn)向的基本功能。這就要求用線控的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速度高、時間特性好和可靠性高。1.3 線控制動(brake by-wire)線控制動系統(tǒng)由實現(xiàn)電子化的供能裝置、控制裝置、傳動裝置、制動器4個部分組成。ECU(電控單元)對制動系統(tǒng)進行整體控制，采用全新的電子制動器，每個制動器有各自的控制單元。前線控制動系統(tǒng)分為2種類型：一種是電液制動系統(tǒng)EHB (Electronic-hydraulic Brake)，另一種是電子機械制動系EMB (Electronic-Mechanical Brake)。電液制動系統(tǒng)是將電子與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，由電子系統(tǒng)控制，液壓系統(tǒng)提供動力;電子機械制動系統(tǒng)則用電線取代傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的空氣或制動液等傳力介質(zhì)，電制動器取代傳統(tǒng)制動器，電子機械制動系統(tǒng)是未來制動系統(tǒng)的發(fā)展方向。線控制動系統(tǒng)的共同特點是都具有踏板轉(zhuǎn)角與踏板力可按比例調(diào)控的電子踏板;具有控制制動力矩與踏板轉(zhuǎn)角相對應的程序控制單元;程序控制單元可基于其他傳感器或控制器的輸入信號實現(xiàn)主動制動及其它功能。第2章 ：機器人小車底盤的組成和功用 底盤由傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動系等四大系統(tǒng)組成，其功用是接收發(fā)動機的動力，使小車運動并保證機器人小車能夠按照駕駛員的操縱正常行駛。2.1 傳動系小車傳動系是從發(fā)動機到驅(qū)動車輪之間所有動力傳遞裝置的總稱。不同配置的機器人小車，傳動系的組成不同。其傳動系一般由離合器、手動變速器、萬向傳動裝置(萬向節(jié)和傳動軸)、驅(qū)動橋(主減速器、差速器、半軸、橋殼)等組成，如圖1-2示；而轎車中采用自動變速器的越來越多，其傳動系包括自動變速器、萬向傳動裝置、驅(qū)動橋等，即用自動變速器取代了離合器和手動變速器。機器人小車傳動系的功用是將發(fā)動機的動力傳給驅(qū)動車輪。 鉸接連動部分圖2.2 行駛系機器人小車行駛系一般由車架、懸架、車橋和車輪等組成，。車輪通過軸承安裝在車橋兩邊，車橋通過懸架與車架(或車身)連接，車架(或車身)是整車的裝配基體。 行駛系部分截圖2.3 .轉(zhuǎn)向系小車轉(zhuǎn)向系主要由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)組成。機器人小車轉(zhuǎn)向系的功用是保證機器人小車能夠按照駕駛員選定的方向行駛。 圖1 大眾轎車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)分解圖1、9、21、24-固定螺栓2-夾箍3、19、25-自鎖螺母4-襯套5-橡膠襯套6-安全轉(zhuǎn)向柱7-轉(zhuǎn)向柱夾箍8-轉(zhuǎn)向柱套管10-轉(zhuǎn)向角限制器11-喇叭線12-喇叭接觸板13-螺母14-方向盤15-墊圈16-彈簧17-軸承18-轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)換器20-安全支架22-法蘭套管23-轉(zhuǎn)向柱接頭2.4 .制動系機器人小車制動系一般包括行車制動系和駐車制動系等兩套相互獨立的制動系統(tǒng)，每套制動系統(tǒng)都包括制動器和制動傳動機構(gòu)?，F(xiàn)在機器人小車的行車制動系一般都裝配有制動防抱死系統(tǒng)(ABS)。制動系的功用是使機器人小車減速、停車并能保證可靠駐停。底盤的結(jié)構(gòu)分析如圖：2.5 傳動系故障傳動系常見故障有離合器、變速器、萬向傳動裝置、驅(qū)動橋以及傳動系游系角度增大等故障。2.6 .離合器及故障診斷1.離合器的功用 離合器安裝在發(fā)動機與變速器之間，用來分離或接合前后兩者之間動力聯(lián)系。其功用為： (1)使機器人小車平穩(wěn)起步。 (2)中斷給傳動系的動力，配合換檔。 (3)防止傳動系過載。 2.離合器的工作原理 離合器的主動部分和從動部分借接觸面間的摩擦作用，或是用液體作為傳動介質(zhì)(液力偶合器)，或是用磁力傳動(電磁離合器)來傳遞轉(zhuǎn)矩，使兩者之間可以暫時分離，又可逐漸接合，在傳動過程中又允許兩部分相互轉(zhuǎn)動。 目前在機器人小車上廣泛采用的是用彈簧壓緊的摩擦離合器(簡稱為摩擦離合器)。 發(fā)動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩，通過飛輪及壓盤與從動盤接觸面的摩擦作用，傳給從動盤。當駕駛員踩下離合器踏板時，通過機件的傳遞，使膜片彈簧大端帶動壓盤后移，此時從動部分與主動部分分離。 摩擦離合器應能滿足以下基本要求： (1)保證能傳遞發(fā)動機發(fā)出的最大轉(zhuǎn)矩，并且還有一定的傳遞轉(zhuǎn)矩余力。 (2)能作到分離時，徹底分離，接合時柔和，并具有良好的散熱能力。 (3)從動部分的轉(zhuǎn)動慣量盡量小一些。這樣，在分離離合器換檔時，與變速器輸入軸相連部分的轉(zhuǎn)速就比較容易變化，從而減輕齒輪間沖擊。 (4)具有緩和轉(zhuǎn)動方向沖擊，衰減該方向振動的能力，且噪音小。 (5)壓盤壓力和摩擦片的摩擦系數(shù)變化小，工作穩(wěn)定。 (6)操縱省力，維修保養(yǎng)方便。 第3章 ： 機器人小車底盤動力學分析3.1 運動學分析在日常生活中，帶拖車的輪式移動機器人得到了廣泛的應用，例如帶水廂的消防車、帶拖箱的卡車等，帶拖箱的車的頭部與拖箱是相互鉸接在一起的的，由于鉸鏈上沒有任何驅(qū)動裝置?？梢宰杂尚D(zhuǎn)，成為典型的非驅(qū)動關(guān)節(jié)。下面就鉸接底盤為模型，對其運動加以分析。 首先建立如圖3-1-1所示的坐標系，相關(guān)變量定義如下：為卡車的轉(zhuǎn)向角；。為車頭的旋轉(zhuǎn)角1為拖箱的旋轉(zhuǎn)角；l。為車頭的長度；l1為拖箱的長度；u為車頭的運動速度。圖3-1-1.帶拖箱的移動鉸接式機器人坐標系根據(jù)圖3-1-1可得如下運動學方程：3.2 欠驅(qū)動、非完整動力學系統(tǒng)分析3.2.1 簡化的Routh方程處理欠驅(qū)動、非完整動力學系統(tǒng)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方程需要計算與廣義坐標對應的偏速度、偏角速度、廣義主動力和廣義慣性力，雖然無偏微分和微分計算，卻需要大量標積和矢積運算。Routh方程是帶乘子的Lagrange方程，在處理帶有k個非完整約束的n個廣義坐標的系統(tǒng)時，需要計算與非完整約束對應的k個Lagrange乘子，同時處理n+k個方程，增加了處理難度，但同過對Routh方程的進一步推導，可以消去其中的k個獨立坐標變量，把通常的Routh方程簡化成n-k個彼此獨立的坐標方程，稱之為簡化的Routh方程。其推導過程如下。 假設系統(tǒng)受到k個如下的運動約束：把式（1）寫成矩陣形式：把（2）帶入下面的Lagrange方程并由虛功原理可得：由于約束力不做工，即：將A（q，t）化成如下形式：式中：是可逆的，這一點可通過調(diào)整位形變量的次序得意保證，并把調(diào)整后的位行記為同時，把廣義力也化成如下形式：根據(jù)式（6）（8）得：將式（10）帶入（5）,整理得： 用消去式（11）中的用k個約束方程求解q2，則動力學方程就可以簡化成由q1表示的n-k個彼此獨立的坐標方程。3.2.2 動力學建模在分析之前首先作如下假定：車頭的2個輪子做無滑動的純滾動；車頭和和車位通過無摩擦的鉸鏈鏈接； 車以固定的轉(zhuǎn)向角做勻速轉(zhuǎn)彎運動。利用簡化的Routh方程求解車的動力學方程。如果把機器人的質(zhì)量離散成車頭和車尾兩部分，則機器人動力學狀態(tài)機動能為 式中：m0為車頭質(zhì)量；m1為車尾質(zhì)量；I0 為車頭饒其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量；I1為車尾繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量。為了保證車頭部分4個滾輪軸向無滑動，引入如下的非完整約束： （14）由鉸鏈這個非驅(qū)動關(guān)節(jié)引入的非完整約束為調(diào)整并定義系統(tǒng)的位行：此時，系統(tǒng)的廣義坐標數(shù)n=4，非完整約束數(shù)k=3，所以機器人動力學狀態(tài)具有f=n-k=1個自由度。根據(jù)簡化的Routh方程式（11）,可以計算得其中：為與0相對應的廣義力（車軸驅(qū)動力矩與阻力矩之差）。由于1是非驅(qū)動關(guān)節(jié)，所以與之相對應的廣義力為0.將上述參數(shù)帶入式（11），即可得到機器人的運動力學方程： 式中：通過約束方程（13）（15）可得并代入式（16）消去，即可得到以表示的系統(tǒng)動力學方程，q2=x y1T可由約束方程求解。3.2.3 動力學性能分析根據(jù)設計和計算，相關(guān)參數(shù)定義如下:m0=1000kg, m1=500kg I0=250kg2， I1=350kg2把上述參數(shù)代入（16），經(jīng)仿真，車運動時的廣義力如圖2所示。由圖3-2-3-1可見，當偏轉(zhuǎn)角時，廣義力存在振蕩，不能穩(wěn)定。當偏轉(zhuǎn)角，廣義力卻能很快穩(wěn)定到零。其原因是當時，系統(tǒng)不存在協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)彎運動；當時，系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)進入?yún)f(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)彎運動。 圖3-2-3-1 廣義力變化曲線如圖3-2-3-2所示，車頭和車尾的四個滾輪要實現(xiàn)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎運動，必須有共同的旋轉(zhuǎn)中心，也就是說必須滿足下列協(xié)調(diào)運動方程：或即最終非驅(qū)動關(guān)節(jié)1(t)可以通過關(guān)節(jié)進入?yún)f(xié)調(diào)運動狀態(tài)。存在協(xié)調(diào)運動狀態(tài)，非驅(qū)動關(guān)節(jié)通過調(diào)節(jié)很快進入?yún)f(xié)調(diào)運動狀態(tài)，所以廣義力能夠趨于平穩(wěn)。 圖3-2-3-2協(xié)調(diào)運動狀態(tài)3.2.3利用經(jīng)驗公式確定其它總體參數(shù)。常用的經(jīng)驗公式為:尺寸參數(shù)：質(zhì)量參數(shù)：功率參數(shù)： 式中: G 整機質(zhì)量,單位t ;KLi 、KGi 、KNi 分別是尺寸、質(zhì)量和功率系數(shù)。根據(jù)裝載機的作業(yè)性能、速度和生產(chǎn)率的要求,可初步確定液壓系統(tǒng)的流量Q : 式中: d 油缸直徑,m ; Vmax 工作油缸最大移動速度,m/ s ; 回轉(zhuǎn)馬達最大轉(zhuǎn)速,r/ s ; q - - 馬達排量,m3/ r 。 3.2.4輪胎支撐軸的設計與校核輪胎支承軸的受力分析及簡圖如下圖5.1： 圖5. 1 輪胎軸受力圖在本設計中，輪胎由軸承連接輪轂，減速器輸出端連接輪胎支承軸，因此該軸受到挖機本身重力所引起的彎矩Tmax和減速器傳遞的扭矩Tg作用，故采用當量彎矩法對輪胎支撐軸的危險截面進行強度校核，依據(jù)試驗： 當量彎矩法的強度條件為：式中，稱為當量應力，為材料的許用應力，為應力校正因數(shù)，由于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切應力通常不是對稱循環(huán)應力，故還需要引入應力校正系數(shù)，對該切應力進行校正，通常取應力校正系數(shù)，分別為材料在靜應力，脈動循環(huán)和對稱循環(huán)應力狀態(tài)下的許用彎曲應力，其值可從下表中選取。 本軸承選用45鋼，淬火調(diào)質(zhì)處理后為600Mpa，故由下表5.1，選取 Mpa表5.1材料碳素鋼40050060070013017020023070759511040455565合金鋼80010002703301301507590鑄鋼40050010012050703040由于軸受到彎矩和扭矩的雙作用，從安全角度計，： 對于實心圓軸， 導向機構(gòu)-傳遞縱向力,側(cè)向力及其力矩，保證車輪的運動軌跡。 橫向穩(wěn)定器-防止車身在轉(zhuǎn)向行駛等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架中加設的輔助性元件。 3.2.5.減速器齒輪設計由行走速度減速器末端輸出轉(zhuǎn)速為 由行走阻力和轉(zhuǎn)彎阻力可知：減速器末端需扭矩T=9000N/M，由于裝載扭矩大，減速器末端輸出速度較低，故選擇系統(tǒng)馬達型號：BMTZ 系列擺線液壓馬達， 具體型號為： 型號： 排量：L=2.5L/r 額定最高壓力：P=20Mpa 額定最高轉(zhuǎn)速：n=320r/min 最大輸出扭矩：T=7903N/m1)傳動比2)選擇材料由表18-4 小齒輪：40Cr，調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為260HBS 大齒輪：45鋼調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為230HBS3)初選齒數(shù)，取小齒輪齒數(shù)=36，則大齒輪齒數(shù) 4)選擇齒寬系數(shù)和傳動精度等級，參照表，取齒寬系數(shù)=0.5，初估小齒輪直徑則齒寬齒輪圓周速度 參照表（），選擇精度等級8級5)確定重合度系數(shù) 6)確定載荷系數(shù)Kh，Kf 由已知條件查表（），取使用系數(shù)Ka=1.6，取動載系數(shù)Kv=1.17，齒向載荷分布系數(shù) 查表德齒間載荷分配系數(shù) 7)齒面接觸疲勞強度計算 確定許用接觸應力，總工作時間： 由表可知接觸應力循環(huán)次數(shù) 由下圖。取壽命系數(shù)Zn1=0.98，Zn2=0.98，取接觸疲勞極限，取安全系數(shù)Sh=1，則： 由表，取彈性系數(shù)， 求所需小齒輪直徑d1 參照表取中心距a=315mm模數(shù) 分度圓直徑 取大齒輪齒寬 3.2.6齒根彎曲強度驗算彎曲強度的設計公式為取彎曲疲勞安全系數(shù)，S=1.4，由表10-20C查得彎曲疲勞強度極限小齒輪為，大齒輪的彎曲強度極限為則可得 =查取齒型系數(shù)查表10-5得 Y，Y，查取應力校正系數(shù)得：Y, Y計算大小齒輪的，并加以比較： 大齒輪的數(shù)值大。根據(jù)大齒輪數(shù)值來算則：對此計算結(jié)果由齒面接觸疲勞計算法得Mn大于齒根彎曲疲勞強度計算法面模數(shù)去Mn=4mm，可以滿足接觸疲勞強度，需要接觸疲勞強度算得分度圓直徑,來計算應有的齒數(shù) Z那么 Z則有i=Z2/Z1=16/9 誤差=（4-4）/4=0 符合要求。3.2.7減速箱連接螺栓設計如下表4.2所示表4. 2螺栓直徑M8M10M12M16M20M24M30c1min 13161822263440c2