（定稿）零转角轮式机器人底座机电传动结构设计（全套下载）

冶金工业出版社，.宗光华张慧慧译。

机器人设计与控制。

科学出版社，.李志尊。

基础应用与范例解析。

机械工业出版社，.杨静宇．多传感器集成与信息融合．机器人情报，.夏德深傅德胜现代图像处理技术与应用东南大学出版社，.刘进长，王全福.发展机器人技术，占领世纪的经济技术制高点.中南工业大学学报，中国年机器人学大会论文专辑，长沙，.，.蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.中南工业大学学报中国年机器人学大会论文专辑，长沙，.张铁，谢存禧主编.机器人学，第版，华南理工大学出版社.吴广玉，姜复兴主编.机器人工程导论，第版，哈尔滨工业大学出版社，.熊有伦，丁汉，刘恩沧主编，机器人学，第版，机械工业出版社，.崔正昀主编.机械设计基础，第版，天津大学出版社.贾名著主编.工程力学，第版，天津大学出版社.廖念钊主编.互换性与测量技术基础，第三版.孟宪员源，姜琪主编.机构构型与应用，第版，机械工业出版社.谈欣柏主编.大学物理，第版，天津大学出版社.成大先主编.机械设计手册，第版，化学工业出版社，.加腾郎主编.机械手图册，第版，上海科学技术出版社.宗光华等编著.机器人的创意设计与实践，第版，北京航空航天大学出版社.卜炎主编.中国机械设计大典机械零部件设计，第版，江西科技出版社，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向轴主要作用就是通过与转向电机的连接起到转向的作用，主要受的是径向力，而受到的轴向力很小。

如图.所示，转向轴受到向上的轴向力时，轴向力通过轴肩传到下方轴承内圈，再传到套筒，然后传到上方轴承的内圈，再通过滚珠传递到轴承外圈，而轴向力进步的传递到端盖和箱体，从而将轴向力转移到整个车体上，因为，箱体连接在车体上。

转向轴受到向下的轴向力时，首先是靠弹性挡圈传递轴向力，再通过系列传递最终将轴向力转移到车体上。

所以说，转轴的工作是可靠的。

转向轴与基座联接转向轴相对于基座来说只有个自由度，形成的是转动副，转向轴在机器人移动过程中承受径向力和比较大的轴向力，适合这种要求的常用轴承有圆锥滚子轴承。

轴承采用套筒隔开的两端支撑结构，这样设计可以保证转向轴在转向的过程中不发生摇摆，保证转向的精度并且可以减小对转向相关零部件的磨损。

对轴承用套筒隔开后，轴承内圈由轴肩和轴用弹性挡圈固定。

两轴承外圈与基座座孔和轴承端盖连接。

转向电机轴和转向轴的联接两轴的连接般选用联轴器。

联轴器主要用来联接轴与轴或联接轴与其它回转件以传递运动和转矩，有时也用作安全装置。

本文中没用选用标准的联轴器，因为标准的联轴器整体尺寸过大，占用空间大，且不利于安装，不符合设计要求。

同时，由于所要连接的两轴径大小确定本文自行设计了个联轴器。

其结构如图.所示。

图.联轴器由于轴仅受到转矩的作用，而轴向力很小，所以两轴都采用平键来周向固定，以达到固定和连接两轴的目的。

转向驱动电机与基座的联接当转向轴与基座构成转动副以后，只需要用电机来驱动转向轴即可实现车轮的转向。

将电机固定在基座上需要个连接件，连接件设计过程中考虑了两种模型整体式和剖分式，如图.和.所示。

整体式装配时定心性好，但必须侧面开口，这样容易导致车轮转向精度不够，且不利于防尘，剖分式定心性稍差点，可以组合成封闭结构，具有可靠的刚度，防尘，拆卸方便。

因此，选用剖分式结构。

图.整体式图.剖分式箱体的设计与固定如图.所示为箱体结构的示意图。

它通过左右两侧对称的呈型的矩形臂用个螺栓固定于车体前后两侧。

由于箱体是通过螺钉和机座连接的，从而可以把它和机座以及转向电机视为体。

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。

准化系列化和通用化的零部件。

任何种机器都有动力机传动装置和工作机组成。

动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源也称为次能源或二次能源转换为机械能，如内燃机气轮机电动机电动马达水轮机等。

工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。

传动装置则是种实现能量传递和兼有其它作用的装置。

.轮式机器人底座的研制在机器人本体时应遵循以下设计原则总体结构应容易拆卸，便于平时的实验调试和修理。

应给机器人暂时未安装的传感器功能元件等预留安装位置，以备将来功能改进与扩展。

对比绪论中各转向机构的优缺点，本文选用全方位轮式机构来设计。

全方位轮式机器人的运动包括纵向和度旋转的运动。

车轮形移动机构的特征与其他移动机构相比车轮形移动机构有下列些优点能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。

它的缺点是移动只限于平面。

目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。

所以在这个意义上车轮形移动机构的利用价值可以说是非常高的。

图.是全方位轮式移动机构的示意图。

轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，便于控制。

车轮的旋转和转向是独立控制的，全方位移动机器人采用前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每轮旋转来实现全方位移动。

图.全方位轮式移动机构示意图.轮式机器人底座旋转机构设计在车轮旋转机构设计过程中，主要考虑了以下模型，如.图所示。

由图可以看出，模型结构简单，但是车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象，且对电机轴形成个弯矩，容易对电机轴造成破坏。

模型采用电机内嵌式结构，增大了车轮与地面接触面积，减小了打滑现象，但电机固定比较困难。

综合两种模型的优缺点，设计如图.，图.中所示结构，将电机内嵌在车轮内部，既增大车轮与地面的接触面积，又缩短了整个结构的轴向距离。

为了保持轮子受力平衡使整个机构可以平稳运动，将轮子设计为两个组来实现。

图.旋转部分结构图采用了个深沟球轴承作为径向支承，方面避免了车轮对电机产生弯矩另方面保证了车轮的刚度。

机器人研究所研制的和系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。

德国联邦国防大学和奔驰公司于二十世纪九十年代研制成移动机器人。

其车体采用奔驰轿车。

传感器系统包括个小型彩色摄像机，构成两组主动式双目视觉系统个惯性线性加速度计和角度变化传感器。

公司年推出的宠物机器狗具有喜怒哀厌惊和奇种情感状态。

它能爬行坐立伸展和打滚，而且摔倒后可以立即爬起来。

本田公司年研制的类人机器人代表双足步行机器人的最高水平。

它重公斤高.米宽.米，工作时间为分钟，最大步行速度为.公里小时。

国外研究的些典型的全方位轮有麦克纳姆轮正交轮球轮偏心方向轮等。

下面就这些轮进行介绍。

麦克纳姆轮，如图.所示，它由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成，轮子和滚子之间的夹角为，通常夹角为，每个轮子具有三个自由度，第个是绕轮子轴心转动，第二个是绕滚子轴心转动，第三个是绕轮子和地面的接触点转动。

轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运动。

由三个或三个以上的轮可以构成全方位移动机器人。

图.麦克纳姆轮应用正交轮，由两个形状相同的球形轮子削去球冠的球架，固定在个共同的壳体上构成，如图.所示.每个球形轮子架有个自由度，即绕轮子架的电机驱动转动和绕轮子轴心的自由转动。

两个轮子架的转动轴方向相同，由个电机驱动，两个轮子的轴线方向相互垂直，因而称为正交轮。

中国科学院沈阳自动化研究所所研制的全方位移动机器人采用了这种结构，如图.。

图.正交轮图.正交轮的应用球轮由个滚动球体组支撑滚子和组驱动滚子组成，其中支撑滚子固定在车底盘上，驱动滚子固定在个可以绕球体中心转动的支架上，如图.所示。

每个球轮上的驱动滚子由个电机驱动，使球轮绕驱动滚子所构成平面的法线转动，同时可以绕垂直的轴线自由转动。

图.球轮图.球轮的应用偏心万向轮，如图.所示，它采用轮盘上不连续滚子切换的运动方式，轮子在滚动和换向过程中同地面的接触点不变，因而在运动过程中不会使机器人振动，同时明显减少了机器人打滑现象的发生。

图.偏心万向轮图.偏心万向轮的应用国内全方位移动机器人的研究现状我国在移动机器人方面的研究工作起步较晚，上世纪八十年代末，国家计划自动化领域自动机器人主题确立立项，开始了这方面的研究。

转角，轮式，机器人，底座，机电，电机，传动，结构设计，毕业设计，全套，图纸目录.绪论.课题研究背景.课题研究意义.国内外相关领域的研究现状国外全方位移动机器人的研究现状国内全方位移动机器人的研究现状.传动机构设计.机械设计的基本要求.轮式机器人底座的研制.轮式机器人底座旋转机构设计.轮式机器人底座转向机构设计.电机的选型与计算.轮式机器人底座总体结构分析.机械材料选择和零件的校核.机械材料的选用原则．零件材料选择和强度校核.红外遥控机器人系统设计.系统总体方案.系统方案论证.系统最终方案.驱动器设计.微型伺服马达内部结构.微型伺服马达的工作原理.微型伺服马达控制.伺服马达的电源引线.伺服马达的运动速度.使用伺服马达的注意事项.选用的伺服马达.控制系统硬件设计.系统硬件电路介绍.单片机最小系统.供电单元介绍.电机驱动电路介绍.红外遥控电路介绍.控制系统软件设计.系统软件流程.舵机控制软件分析.红外控制软件分析.致谢.参考文献零转角轮式机器人底座机电传动结构设计摘要随着机器人技术在外星探索野外考察军事安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定人工的环境走向移动非人工的环境。

本课题是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研