投篮机器人底盘的设计.doc

1、投篮机器人底盘的设计摘要:移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向。自上世纪九十年代以来，人们广泛开展了对机器人移动功能的研制和开发，为适应各种工作环境的不同要求而开发出各种移动机构。 本设计并实现了一种具有全向移动功能的运动平台，实现了一种较为实用化的全向轮；为全向移动平台设计并实现了行之有效的减振装置；将各个功能模块合理整合成为一套性能稳定的全向运动系统：系统地分析了全向运动平台的运动性能；该平台具有非常优秀的运动性能。在中型组机器人的成功应用，使投篮机器人具备了在复杂的动态环境中自如、准确的到达目标位置的能力。关键词：移动机器人,全向轮,全

2、向运动,机器人机构设计 Shooting robot chassis design Abstract Mobile robot is an important branch of of the robot family,Mobile robot is also further expand the important research direction in the field of robot applications. Since the 1990 s, people carrying out the function of mobile robot research and devel

3、opment, in order to adapt to the different requirements of various working environment and develop all kinds of mobile mechanism. This was designed and implemented an exercise with functions of omnidirectional mobile platform, to achieve a more practical omni-directional wheel; For omnidirectional m

4、obile platform was designed and implemented effective vibration reduction device; Reasonable to each function module into a system stable performance of omnidirectional movement: systematically analyzes the global motion platform motion performance; The platform has very good movement performance. T

5、he successful application of robot in the medium group, make shooting robot with the freely in the complex dynamic environment, accurate ability to reach the target location.Keywords: mobile robots, omnidirectional wheel, omni-directional movement 目 录1.绪论11.1移动机器人的设计背景及意义12.投篮机器人底盘总体设计方案32.1 功能要求32.

6、2 指标要求32.3 总体方案设计33.电动机的选择63.1选择电机条件63.2 驱动电机型号的选择64.轴的设计74.1 各轴的输入输出功率74.2 各轴输入输出转矩74.3 轴的最小直径84.4 轴的结构设计84.4.1选择滚动轴承84.4.2轴上零件的轴向定位94.4.3 轴的简图及受力94.4.4 轴的校核115.投篮机器人底盘的运动分析125.1 移动结构分析125.1.1 差速移动控制分析145.1.2 全向移动控制分析156.底盘车架的设计176.1 机器人底盘支架的分析176.2减振系统的设计186.3设计思路196.4减振方法、减振部件的选择207.其他零件的选取237.1联

7、轴器的选择237.2轴承的选择23 7.3键的选择247.4 全向轮的选择247.5 小结26总结27参考文献29 致谢30 1.绪论1.1移动机器人的设计背景及意义 移动机构是组成移动机器人的重要组成部分，它是机器人实现功能要求的关键，其设计的成功与否将直接影响机器人系统的性能。目前，移动机构开发的种类已相当繁多，仅就平面移动而言就有车轮式、履带式、脚足式。各种移动机构适应了各种工作环境的不同要求。但车轮式移动机构显得尤其突出，它能够高速稳定地移动、能源利用率高，机构简单、控制方便、能借鉴至今已经成熟的汽车技术和经验等等，它的缺点是移动场所限于平面。但是，目前机器人工作的场所几乎都是人工建造

8、的平地，并且即使有台阶，只要以车轮式移动机构为基础在附加几个自由度便不难解决。因而，轮式移动机构在机器人技术中得到广泛应用，目前已成为移动机器人运动机构的最主要形式。移动机器人由于其在各行业广阔的应用前景，已经成为机器人领域的一个重要分支。移动机器人动态环境下的研究更是近年来研究的热点，许多应用场合如军事、危险操作、服务业等都需要一个能够以期望的速度、方向和轨迹灵活自如运动的移动平台进行研究。移动机器人的运动方案多种多样，有轮式(Wheeled)、腿式(Legged)、履带式(Tracked)和蜿蜒式(Serpentine)其中轮式是机器人出现晟早、应用最广的移动方式，它昀结构方式相对简单，并

9、且可以在一个平面环境里提供平滑、高速、精确的运动效果。全向运动方式是轮式机器人的一种运动方式，这种方式可以使机器人在平面内获得任意的运动方向，可以完全控制在平面运动的三个自由度。近年来，以全向运动机构为平台的机器人队其优异的运动特性，越来越受4各研究机构的重视，得到了长足的发展。机器人足球赛为全向运动平台的研究提供了一个很好的实验环境。机器人足球赛由加拿太大不列颠哥伦比亚大学教授Man Mack worth在1992年的一次国际人工智能会议上提出，为机器人学科的发展提供了一个具有标志性和挑战性的课题。从1997年起机器人足球世界杯足球赛(Robot World Cup简称RoboCup)开始举

10、行，这是一项世界范围内最高水平的机器人足球竞赛，其目标是在2050年建立一支机器人足球队，战胜当时的人类世界冠军队。随着比赛的不断发展，对抗日益激烈，人们对机器人性能的要求也越来越高。机器人足球赛是在高速动态的环境中进行的，这就要求足球机器入使用的移动平台必须具备在复杂的动态环境中有自如、准确到达目标位置的能力5。 本课题是在基于原来的要求的基础上，开发一套运动性能优良的移动机器人平台。该移动平台适用于动态的比赛环境，具有全向运动的能力，良好的机动性能。另外考虑到科研工作的需要，全向移动平台还必须适用于一些条件较差的环境，如室外硬化地面、公路。由于移动机器人广阔的应用前景，移动平台的开发成果还

11、可应用于许多场合，用于工厂全方位自动引导车(AGV)、商场、超市以及医院、餐饮业的货运机器人，还可以应用在狭窄环境下如坑道、管道机器人中。2.投篮机器人底盘总体设计方案2.1 功能要求 结构布局合理，可行，传动顺畅高效。能承载200kg重量，能实现全向运动预计底盘速度以0.2m/s的速度移动2.2 指标要求 表2.1 指标要求 总体结构 轮式结构 结构指标 自重 50kg 载重 200kg 尺寸 650650 机动指标 转速 0.2m/s2.3 总体方案设计 根据功能要求设计传动装置运动，传动路线为：电机减速器联轴器轴轮子。 该机器人底盘的结构包括电动机，联轴器，传动轴，轴承，轮子以及其他标准

12、件等。 图2.1 电机系统爆炸图 图2.2 底盘系统 图2.3 底盘系统工程装配图3.电动机的选择3.1选择电机条件 按已知的工作要求和条件，此电机属于小功率，载荷变化不大的工作电机，选用直流伺服电动机。直流伺服电动机具有结构简单，工作可靠价格低廉，维护方便，启动性能好等优点，能够满足设计任务中要求的设计条件及环境。3.2 驱动电机型号的选择 预计轮子摩擦因数为0.2，底盘自重为50kg载重200kg F=f=FG =0.29.8250=490N （3-1） =1234 （3-2） 其中1为减速器传动效率，取0.7。2为联轴器传动效率，取0.99。3。4为圆柱滚子轴承传动效率，取0.98。 =

13、1234 =0.72 0.99 0.98 0.98=0.68。 （3-3） 电机需要的功率为： P=FV/=490*0.2/0.68=143.2W （3-4） 通过比较，选择S661DT1电磁式直流伺服电动机，参数如下图： 表3.1 伺服电机重要数据表 电压 24V总长 192.5mm有效功率 250W外径 122mm转速 2400-3000r/min轴径 10mm额定转矩 1000.27mNm质量 8kg4.轴的设计4.1 各轴的输入输出功率 二级减速器的传动比（范围8-40） 取i=20 则电动机的转速为n n=in轮=2057=1140 （4-1）所以把伺服电机转速调成1140轴的转速为 n=n/20=