（优秀毕业全套设计）零转角轮式机器人底座机电传动结构设计（整套下载）

再者，箱体内部是放置轴承，并固定轴承的，所以设计了如图中所示的双臂。

这种设计可以将转向机构的整体重量通过箱图.箱体示意图体的两臂传到车体上，进而施于整个重量施轮子。

那么转轴的受力将大大的减小。

而且这样设计拆卸方便，利于维修。

采用对称结构固定于空间内，有利于稳定整个转向机构，并提高整个全方位移动机构的性能。

至此，整个全方位移动机构机械本体设计完毕。

．电机的选型与计算.电机性能的比较在机器人的驱动器般采用以下几种电机直流电机步进电机和舵机。

几种电机有关参数进行如表.所示。

表.几种电机比较电机类型优点缺点直流电机容易购买型号多功率大接口简单转速太快，需减速器电流较大较难与车轮装配价格较贵控制复杂步进电机精确的速度控制型号多样适合室内机器人的速度接口简单价格便宜功率与自重比小电流通常较大外形体积大较难与车轮装配，负载能力低功率小舵机内部带有齿轮减速器型号多样适合室内机器人的速度接口简单功率中等价格便宜负载能力低速度调节的范围小舵机什么是舵机在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。

舵机可以在微机系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。

舵机是种位置角度伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。

目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型遥控机器人中已经使用得比较普遍。

舵机是种俗称，其实是种伺服马达。

舵机的工作原理控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。

它内部有个基准电路，产生周期为，宽度为.的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。

最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。

当电机转速定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为，电机停止转动。

当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。

就像我们使用晶体管样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。

步进电机步进电机作为种新型的自动控制系统的执行机构，得到了越来越广泛的应用，进入了些高精尖的控制领域。

步进电机虽然有些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且般无过载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。

但步进电机点位控制性能好，没有积累误差，易于实现控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度实现电机的同步控制。

.电机的选型与计算对于本课题来说，移动机器人的移动速度最高为.米秒，电机转数最高接近转分。

如果用直流电机，由于受转速和力矩的影响，要配减速器。

而如果用步进电机，控制位置精度比较高可以达到.度。

而且不需要减速器避免造成结构冗繁。

因此选择步进电机作为驱动电机。

下面对旋转步进电机型号进行选择，轮式移动机器人在移动的时候，需要克服两种阻力摩擦力和重力。

对于平面内移动的机器人来讲则只需要克服摩擦力。

带有机械臂的全方位移动机器人整体重量在左右，地面摩擦系数按金属与混凝土之间的取为.，则机器人需要的总功率为则平均每组车轮提供的功率为瓦。

对于单个车轮而言车轮直径为，则电机需要提供的转矩为因此，选择了北京和利时公司的型号电机。

静转矩为.。

该电机在相近产品中具有在转速变高定范围内能够保持平稳的力矩。

下面选择转向电机，机器人对转向速度要求较低，对位置精度比较严格，选用步进电机可以满足设计要求。

转向电机主要是使车轮实现零半径回转，克服地面摩擦力，要求的转速不高，因此主要计算电机静力矩。

在这里我们假设每个车轮与地面的接触按照理想状态即相切线接触，那么平均每个车轮的摩擦力为由于车轮是零半径回转，所以克服的摩擦力矩为式中单个车轮的宽度设计车轮与地面接触总宽度为，即所以克服的力矩为.。

实际上车轮不是与地面呈线接触，保证定余量，选择电机型号为，静力矩为.。

下面是所选电机的外形尺寸。

.轮式机器人底座总体结构分析设计移动机器人车体是应遵循以下几个原则总体结构应容易拆卸，便于平时的试验调试和修理。

在设计的移动平台应能够给机器人暂时没有安装的传感器功能元件电池等元件预留安装位置，以备将来功能改进和扩展。

车体是实现全方位移动机构和机械手臂连接的部分，也是安装其他元件的主体。

它同样是保证机器人具有良好的环境适应能力的关键。

本文设计的车体采用的是合金铝框架式结构，如图.所示共分三层第层安装摄像头，控制按钮等第二层是车体内腔，空间较大可以安装电池集线器装配电路板等，同时可以在以后的具体设计中改变内部格局，以达到最佳的使用效果第三层安装车轮旋转机构。

本结构的空间分层设计使得机器人机构紧凑，易于维护，而且提高了机器人控制系统的抗干扰能力。

图.车体结构示意图.机械材料选择和零件的校核.机械材料选用原则机械零件材料的选择是机械设计的个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。

机械零件常用的材料由黑色金属有色金属非金属材料和各种复杂的复合材料等。

选择材料主要应考虑以下三方面的问题。

.使用要求使用要求般包括零件的受载情况和工作状况对零件尺寸和质量的限制零件的重要程度等。

若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到些限制，应选用强度较高的材料。

静应力下工作的零件，应分布均匀的拉伸压缩剪切，应选用组织均匀，屈服极限较高的材料应力分布不均匀的湾区扭转宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。

在变应力工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。

零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料，如调质钢渗碳钢氮化钢。

零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。

碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。

截面积相同，改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。

滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料在高温下工作的零件应选用耐热材料在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。

.工艺要求材料的工艺要求有三个方面内容毛坯制造大型零件且批量生产时应用铸造毛坯。

形状复杂的零件只有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢灰铸铁或球铸铁等等。

大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。

只有中小型零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。

锻造毛坯主要考虑材料的延展性热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。

机械加工大批批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品质量，应考虑零件材料的易切削性能切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等，应选用切削性能好的材料，如易削断加工表面光洁刀具磨损小的材料。

.经济性要求经济性首先表现为材料的相对价格。

当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选用价格高的材料。

这对大批量制造的零件尤为重要。

.零件材料选择与强度校核从材料选用原则的使用要求加工要求和经济要求出发，选择机械本体个零部件的材料。

在机械手臂中各传动件是关键性零件，如传动轴和齿轮系，它们的强度刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。

.轴类零件材料的选择与校核轴材料的选择传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。

碳素钢对应力集中的敏感性较低，还可通过热处理改变其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用号钢。

合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。

因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。

在般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。

因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高周的刚度。

鉴于此，全方位移动结构中的车轮，转轴机械手传动机构，螺纹轴采用号钢，就完全能够满足设计要求的需要。

转向机构的转向轴强度校核由于此轴最小轴径是直径为的那段，所以只对这段进行校核就可以了。

轴的运动主要受到扭转力，所以只对其扭转强度进行校核。

轴的扭转校核公式为式中扭转切应力，单位为轴的抗扭截面系数，单位为轴的材料为号钢，其允许扭转切应力为由第二章可知，转向机构选择的电机型号为，其静力矩为.。

即。

由于此段轴中有键，其截面如图.所示抗扭截面系数图中图.轴截面将数值带入公式计算得则由此可知，设计的转轴强度满足要求，可以使用。

车轮的校核车轮是整个机械部分的支撑，也是整个结构受力最大的部分。

这里从材料经济性和强度等方面选择号钢来制造。

加工时为了增大车轮与接触面的摩擦力，车轮表面要滚花处理，这样更有利于机器人的移动。

整个车轮部分承载的重量为。

由于整个移动机构有四个车轮，这样每个轮子受到的重量只有。

受到的重力仅为.。

轮子的直径为，整个移动部分的强度是非常大的，完全满足设计的要求。

.齿轮系材料的选择与强度校核齿轮材料的选择齿轮的主要失效形式有轮齿折断齿面疲劳点蚀齿面磨损齿面胶合和塑性变形。

因此设计齿轮时要使齿面具有较高的抗点蚀抗磨损抗胶合和抗塑性变形的能力，齿根则要有较高的抗折断能力。

为此，对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿心要韧。

钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。

对于强度速度和精度要求不高的齿轮传动，可以采用软齿面齿轮。

软齿面齿轮的齿面硬度低于，热处理方法为调制或正火，常用材料有号钢和等。

加工方法般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度般为级。

本文设计的齿轮副速度要求不高，所以设计选用为材料，软齿面即可满足传动要求。

齿轮副的强度校核轮齿在受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根出的弯曲疲劳强度最弱。

对于制造精度较低的传动齿轮，由于制造误差大，实际上多由在齿顶处咬合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。

本文设计的是直齿圆柱齿轮，齿数，模数，齿宽，节圆直径，齿形角度，齿轮副的传动比。

电机传动的转矩。

那么齿轮所受的圆周力对于齿轮的校核将从两方面来计算齿面接触疲劳强度的校核齿面接触疲劳强度的校核公式为式中为区域系数，标准直齿轮.为载荷系数，此处取.为弹性影响系数，查得为接触疲劳许用应力其中为接触疲劳寿命系数，取.齿轮接触疲劳强度极限，查得为安全系数，取。

从而求得.将所有已知量带入式，求得从齿面接触疲劳强度上来说，齿轮是合格的。

齿根弯曲疲劳强度的校核本文设计中的齿轮为悬臂梁。

其齿根应力图如.所示。

图.齿根应力图齿根危险截面的弯曲强度条件式为式中为齿根危险截面处的理论弯曲应力为载荷作用于齿顶时的应力校正系数，取.为载荷作用于齿顶时的齿形系数，取.为弯曲疲劳许用应力其中为弯曲疲劳寿命系数，查得.为弯曲疲劳强度极限，取取弯曲疲劳安全系数.。

从而求得.将所有已知量带入式，求得由以上计算可知，设计的齿轮副是合格的。

.壳体件材料的选择壳体类零件它们的性能要求很低，所以尽量选择质量轻，价格低廉且符合设计要求的材料。

如车体以及机械手臂的壳体可以全部选用硬铝合金分段铸造