4103展馆导游机器人轮式行走系统设计

1 引言

1.1 导游机器人的研究意义

第一台的工业机器人是美国在1961年推出的，现在，随着社会的不断发展，机器人技术已经涉及到了很多的领域，譬如：传感器技术、控制工程、精密机械、动力学、计算机科学技术、人工智能等领域。机器人也是自二十世纪以来发展的十分迅速的一个重要的高科技领域，它是各个学科的前沿技术的应用。机器人的出现与发展使得传统工业生产的方式发生了翻天覆地的变化，让我们的生产方式从手工作业发展到机械化、自动化到现在的智能化。进入本世纪之后，人类已经发现机器人已经不知不觉的逐渐的开始深入到工业、服务、医疗、卫生、娱乐等方面[1]。

导游机器人的研究不是一门专业的科学，它是由很多学科相互渗透，相互交叉的。对导游机器人的研究具有非常广的应用前景和巨大的理论价值。现在，导游机器人己经被我们当作为一种服务的工具。如今，随着我们生活水平的提高和科学技术的快速发展，机器人的用处已经越来越广泛，它可以承担各种工作。机器人以前都是在工厂和车间里工作的，现在已经开始走向室外、大海甚至是太空。具有人工智能的自主式机器人正在向制造业以外的方向扩展，这些非制造业包括了航空、深海探测、军事侦察和打击、建筑、救护医疗、家庭服务、农业生产、自动化办公和自然灾害救援等，如飞行机器人、海难救援机器人、化肥和农药喷撒空中机器人、护理机器人等[2]。最近几年来，对导游机器人的研究受到了很多学者的重视，各种仿生的、智能的导游机器人越来越多，在很多的展馆内，你都可以看到它们的身影，也许你已经享受过它们带给你的优越的服务。导游机器人可以和人对话，向你讲解展馆内展出物的知识。也可以像人类一样行走，还可以有各种各样的表情，这样你就会不知不觉的忘记你的导游是个机器人。

1.2 国内导游机器人发展现状

导游机器人的研究在国内起步较晚，但经过多年来的长足的发展也取得了很大进步，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。国内的导游机器人研究主要经历了算法的研究和仿真、国外机器人平台的引进和自主开发三个阶段[3]。下面是中国对导游机器人的一些研究成果。

清华V型智能车THMR-V是清华大学智能技术与系统国家重点实验室在中科院院士张钱教授主持下研制的新一代智能导游机器人[4]，它可以在普通的马路上行进，也可以在

高速公路上行进，它非常成功的获得了专利成果。THMR-V的车体是用小型的厢车改装的，它的避障检测系统是由一台可以识别色彩的摄像机和一台激光测距仪所组成的，它的定位导航系统是由DGPS(通过在固定测站和流动测站上进行同步观测，利用在固定测站上所测得卫星定位误差数据改正流动测站上定位结果的卫星定位)、磁罗经（利用地磁场固有的指向性测量空间姿态角度的）、光电码盘（光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分）所组成的。运动的控制、信息的处理、集中、路径的规划、语音的交流、视觉的识别等功能是由两个计算机系统有分工的控制的。距离信息的处理、GPS信息的处理、人机的交流管理、运动控制等功能是由四台工业控制计算机分别完成的。根据设计的要求，在高速公路上，THMR-V的行驶速度可以达到80千米每小时，在普通的道路上可以达到20千米每小时。现在THMR-V已经可以在相对复杂的环境下，进行目标跟踪和自主避障行驶。清华V型智能车THMR-V的研究涉及到了五个方面的关键技术：1、基于地图的全局路径规划技术，2、基于传感器信息的局部路径规划技术，3、路径规划的仿真技术，4、传感技术、5、信息融合技术 [5]。

DY- I型导游机器人是海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司最近推出的新一代智能导游机器人，该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息、避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成。DY- I拥有良好的视觉识别功能、可以自主行驶、可以和人进行语言和简单的肢体交流，并且它还有自己的面部表情，是智能型的导游机器人。DY- I的总高度约有170cm，重量在100kg左右，它有两只很大的眼睛，拥有可以自如活动的手臂，行走机构是轮式的，从外表看它是金属的，其实只是表面涂了金属质感的漆，它是用一种非常特殊的玻璃钢做成的。12个超声波传感器被装在DY- I的身体的各个部位，用来作为感觉器官，所以DY- I的感觉器官非常的敏锐，这样就可以很好的分辨障碍物的性质，并进行识别。与THMR-V一样DY- I也装有能分辨色彩的摄像机作为它的眼睛。它的脸部是仿照人的脸部轮廓制造的，所以看起来很真实，它也会跟人一样眨眼睛，说话的时候嘴唇也是跟人一样一张一合的，这些功能的设计都使得DY- I更具有亲和力，更容易被人认可。DY- I可以靠下部的轮式行走机构在展馆内自由的避障行走，它的感官很灵敏，如果在行进的过程中遇到人，它就会停下来跟游客友好的打个招呼，并回答游客的各种提问；如果行进过程中遇到的是障碍，它就会自主的控制转向机构来改变行进的方向。另外DY- I的前面还装有一个可触摸式的屏幕，这样游客就可以通过操作这个系统来了解自己想知道的各种丰富多彩的知识了 [6]。

1.3 导游机器人的研究热点

综合国内外对于导游机器人的研究的实际情况，当代导游机器人的研究主要集中在以下几个方面。

(1)行走机构的结构。根据实际的需要，行走机构的结构的形式并不是完全单一的。实际应用中，导游机器人会被要求在各种各样的场地上活动，因此它的行走机构的结构形式有很多种。当前，对腿足式行走机构、履带式行走机构和特殊行走机构的研究比较的多，但很大一部分的研究还处在实验室验证的阶段。轮式行走机构由于控制起来比较的简单，稳定性也好定，并且轮式行走机构的行进方式是滚动前进的，滚动摩擦所消耗的能源比其它的行进方式要少很多，所以轮式行走机构正在向实用化迅速发展[7]。

(2)运动控制技术。成熟的运动控制技术是导游机器人整体性能的基础，由于导游机器人的手臂部分是一个不完整约束的结构，因此，控制系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此，通过时变、不连续控制以及混合策略，根据动力学模型和运动学模型，建立合理的反馈控制律，实现速度和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术的核心内容[8]。

(3)路径规划技术。路径的规划技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部路径规划技术[9]。导游机器人在行进的过程中，可能会遇到各种各样的障碍，如果不能很好的避开这些障碍，导游机器人的移动就会存在着很多的未知风险，所以路径的规划技术，对于导游机器人来说，是十分重要的。

(4)实时视觉技术。实时的视觉技术主要包括视觉信息的实时采集、信息的处理、主要信息的提取跟识别。视觉信息的处理能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定导游机器人智能系统性能的决定性因素[10]。

(5)定位和导航技术。定位和导航技术是当前导游机器人研制的重点，它是导游机器人运动控制的基础，只有准确的定位，才能准确的控制导游机器人的移动。位移的测量方法有两种，分别是相对测量法和绝对测量法，位置的测量方法有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗经、GPS系统、地图模型匹配和自然路标导航等[11]。

1.4 本课题的来源和研究内容

本课题是来源于某科技馆的实际项目，并结合了实际生活中轮式行走机构应用的广泛

性而进行的设计。轮式行走机构相对于履带式、腿足式和特殊行式等[12,13]，具有结构简单、能源利用率高、设计方便、成本低等诸多优点，但是它的使用环境比较单一，只能在较为

平整稳的环境中行走。轮式行走机构也分单轮、两轮、三轮、和四轮等[14,15]。由于单轮和两轮行走机构比较复杂，很多问题的解决超出本课题所要求的范围，所以本设计就没有对此两种行走机构进行考虑。设计之初考虑的方案有三轮行走机构和四轮行走机构。 方案一：三轮行走机构 优点：① 成本低。

② 质量轻。 缺点：稳定性较差。 方案二：四轮行走机构。 优点：稳定性好。

缺点：① 结构复杂，成本较高。

② 质量重。

由于展馆的地面比较平整，三轮机构和四轮机构的稳定性区别不大，综合考虑本设计决定采用三轮行走机构。图1.1是确定的三轮机构的设计方案，后面将对此方案的规划进行详细的设计和计算。

图1.1 设计方案简图

如图1.1所示，驱动部分是由驱动电机带动减速器的轴转动，通过减速器的减速，使系统的转速下降，再由减速器将转动传递给一对相互啮合的齿轮，再通过齿轮将转动传递给驱动轮，使导游机器人前进。转向部分是由转向电机带动一对相互啮合的齿轮，再通过

齿轮的转动，带动转向轮转向的。

图中驱动电机为伺服电机，伺服电机的特点是结构比较简单、比较的坚固能用很长时间、可靠性也较高，转矩的脉动低，噪声小，不需要位置传感器，转速也可以很高。伺服电机矢量控制调速技术比较成熟，这就使得采用伺服电机驱动的系统相比较而言具有一定的优势，伺服电机的转速通常较快，又由于导游机器人的行进的速度较慢，所以在驱动电机和工作轴之间要有减速机构，图中的减速器就是减速机构。驱动轮和驱动副轮是单独安装，目的是为了转向的方便，如果将两个轮子装在同一轴上，转向时由于是同一轴来驱动的，无法做到差速转向，会给转向带来一定的麻烦。

图中的转向电机为步进电机，步进电机不同与伺服电机，它是开环的。它的角位移或线位移是通过脉冲信号控制的。在不超载的情况下，步进电机的止动的位置、转速仅仅是由脉冲信号的频率和脉冲数决定的，而不受负载变化的影响，也就是说给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。转向电机和转向轮之间用两个相同的齿轮来传动，齿轮传动平稳可靠、传动比精度高、工作效率好、使用寿命长。齿轮传动的使用功率、转速和尺寸的范围都很宽。

2 驱动部分设计

2.1 设计概述

驱动部分的设计首先要确定驱动的方案（在前面已经确定过了），即选用什么样的电机、是否设置减速机构、轮子的直径大小以及各部分的连接。考虑到是展馆导游机器人，行进的速度并不快，并且要求的是用蓄电池供电，能比较长时间的连续工作，考虑到这些问题之后，初步确定选用的是小功率的伺服电机。由于伺服电机的转速一般都较快，所以设计中考虑选用减速机构。

初步选定的减速方案如图2.1所示。

图2.1 减速部分简图

设计指标：导游机器人的总体尺寸≤500mm×500mm×1500mm(长x宽x髙)；总重量：≤30kg；最大行进速度约0.6m/s。故要求：

机器人底盘轮式行走系统总体尺寸≤450mm×500mm×200mm；具有行走和转向功能； 重量≤12kg；

最大行进速度约0.6m/s； 车轮直径：120～160mm。

2.2 驱动电机的选择

根据设计所要求的指标，初步选择车轮的直径为150mm ； 机器人的总重量: 30 kg ；

普通的橡胶制轮胎与地面的摩擦系数：0.2； 轮胎与地面的摩擦力:fmg0.230060N；

驱动所需最小功率：Pwfv600.636w(不考虑传递过程中功的损耗)； 损耗后所需的实际功率：PDPW/a36/0.8542.35w；

式中 a 为电动机至车轮的传动装置的总效率。由上面的图2.1可知：

a124324 （2.1）

由表2.1，取联轴器效率10.99，滚动轴承效率20.99，闭式圆柱齿轮效率

30.97，开式圆柱齿轮效率40.95。

a=0.990.9940.972

0.950.85

表2.1 机械传动和轴承效率的概率值

续表 表2.1 机械传动和轴承效率的概率值

根据以上计算初选直流电机型号：Z2-21型，功率：0.7KW,转速：nm=1400rad/s。

2.3 减速器的设计

2.3.1 计算总的减速比和各级的传动比

减速器的设计步骤是先用PRO/E软件三维造型。然后根据三维造型，进行各零部件的尺寸计算，校核。最后根据计算的结果用AUTO/CAD软件进行二维三视图的表达。三维造型透视图如图2.2。

图2.2 减速器的三维透视图

机器人行进速度：0.6m/s ； 车轮直径：150mm ； 车轮角速度：车轮转速：n2总减速比：i总

v0.64rad/s； r150



1.27r/s77r/min； 

n11400=18.4； n277

展开式二级圆柱齿轮减速器，考虑润滑条件，应使两个大齿轮的直径相近，高速级略小一些，按 i1(1.3~1.4)i2，所以取 i15，i23.7 。 2.3.2 计算各个传动轴运动和动力参数

各轴由高速级到低速级依次设为轴Ⅰ、轴Ⅱ、轴Ⅲ、轴Ⅳ（工作轴）。 （1） 各轴转速

轴Ⅰ n＝nm/i0＝1400/1.0＝1440r/min 轴Ⅱ nⅡ＝n＝1400/5＝280

r/min Ⅰ/i　1

轴Ⅲ nⅢ＝ nⅡ/ i2＝280/3.7=76 r/min 轴Ⅳ nⅣ=nⅢ=76 r/min （2） 各轴输入功率

轴Ⅰ P0.99×0.99＝41.51W 1·2＝42.35×Ⅰ＝pd· 轴Ⅱ P0.97×0.99＝39.86W 2·3＝41.51×Ⅰ·Ⅱ＝p 轴Ⅲ PⅢ＝P0.97×0.99＝38.28W 2·3＝39.86×Ⅱ·

轴Ⅳ PⅣ＝PⅢ·0.99×0.95＝35.64W 2·4= 38.28×（3） 各轴输入转矩 轴Ⅰ TⅠ= 9550

Pd

·1·2= 9550×42.35/1440×0.992 = 0.28N•m nm

轴Ⅱ TⅡ=T0.97×0.99×5 = 1.34N•m 2·3·i1= 0.28×Ⅰ·轴Ⅲ TⅢ=TⅡ·0.97×0.99×3.7 = 4.8N•m 2·3·i2=1.34×轴Ⅳ TⅣ=TⅢ·0.99×0.95 = 4.5N•m 2·4= 4.8×运动和动力参数结果如下表2.2。

表2.2 各轴的运动和动力参数

轴号 电动机轴 Ⅰ轴 Ⅱ轴 Ⅲ轴 Ⅳ轴

功率P(W) 42.35 41.51 39.86 38.28 35.64

转矩T(Nm)

0.28 1.34 4.8 4.5

转速（r/min） 1400 1400 280 76 76

2.3.3 减速器各级齿轮的设计与计算 一、高速级减速齿轮的设计

（1）齿轮类型、精度、材料以及齿数的确定。

（a）按照之前设计好的传动方案，选用的齿轮是直齿圆柱齿轮。 （b）行走机构为一般机器，速度不高，故选用七级精度（GB10095-88）。

（c）减速器的传动轴以及齿轮按一般情况选用经正火处理的45钢，硬度200HBS。

（d）齿轮的齿数越多，传动就越加的平稳，故取小齿轮齿数Z124，则大齿轮的齿数Z2Z1i1245120。

（2）按齿面得接触疲劳强度进行齿轮的参数的设计

由公式：

d

来进行初步的试算。

1t

 （2.2）

（a）先确定该公式内各参数的数值。 ① 试选的载荷系数 Kt = 1.3。 ② 小齿轮所传递的转矩T1= 9.55

p141.519.550.28N.m。 n11400

③ 式中齿宽系数Φd可以查取圆柱齿轮的齿宽系数表，得到Φd=1。

④ 式中的弹性影响系数ZE可以，查取弹性影响系数表，得到的ZE188Mpa。 ⑤ 由齿轮接触疲劳强度极限图可以得到：

小齿轮的接触疲劳极限lim1380Mpa； 大齿轮的接触疲劳极限lim2380Mpa。

⑥ 由应力循环次数的公式可以得到：

1

2

N1=60n1jLh=6014401(836515)=3.78109； N13.78109

N27.57108。

i15

⑦ 按照材料的接触疲劳寿命系数图，取得：KHN10.88，KHN20.93。 ⑧ 计算接触疲劳许用应力。

选取的失效概率为1%，安全系数S=1，则：

KHN1lim1

0.88380334.4Mpa； SK

[H]2HN2lim20.93380353.4Mpa。

S[H]1

（b）齿轮参数的计算

① 试算小齿轮分度圆直径d1t,代人[H]中较小的值

d

1t



=12mm。 ② 计算齿轮转动时是的圆周速度v v

πd1tn13.14121400

0.9m/s。

601000601000

③ 计算齿轮的齿宽b

bΦdd1t11212mm。

④ 计算齿轮的齿宽与齿高之比 b/h 齿轮的模数：mt

d1t12

0.5mm； Z124

轮齿的高度：h2.25mt1.125mm ； 齿高与齿宽之比：

b1210.67。 h1.125

⑤ 计算齿轮的载荷系数

根据V=0.9m/s，7级精度。由动载荷系数表，查得的动载系数KV=1.05 。 由使用系数表，查得的使用系数KA=1 。 因为是直齿轮，所以KHα=KFα=1 。

由齿向载荷分布系数表，用插值法查得7级精度，小齿轮（硬齿面）相对布置时

KHβ1.511 ，故载荷系数KKAKVKHαKHβ1.051.5111.587 。

⑥

按实际的载荷系数校正后，所算得的分度圆直径

d1d1t1212.825mm d112.825

0.534mm Z124

⑦ 计算齿轮的模数m： m

查取齿轮的模数表，取得m=0.6。

Z1

d112.825

21.375,故取小齿轮齿数为22。 m0.6

Z2225110，取Z2110。

（c）齿轮几何尺寸计算

齿轮的分度圆直径d1=Z1m=220.6=413.2mm；

d2Z2m1100.666mm。

两个配对齿轮的中心距 a

d1d213.266

39.6mm。 22

大齿轮的宽度 bΦdd1113.213.2mm，

圆整后取小齿轮齿宽B214mm ，大齿轮齿宽B119mm。 二、低速级减速齿轮设计

（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数。

（a）按设计的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。

（b）行走机构为一般机器，速度不高，故选用七级精度（GB10095-88）。

（c）材料选择。 减速器传动轴及齿轮一般选用经正火处理的45钢，硬度200HBS。 （d）齿轮的齿数越多，传动越加的平稳，故取小齿轮齿数Z124，则大齿轮的齿数

Z2Z1i2243.788.8 取 Z289。 （2）按齿面接触疲劳强度来设计

由公式（2.2）进行试算。 （a）确定公式内各参数的数值 ① 试选取的载荷系数为Kt=1.3。 ② 小齿轮所传递的转矩 T1= 9.55

p139.86

9.551.36N.m。 n1280

③ 式中齿宽系数Φd可以查取圆柱齿轮的齿宽系数表，得到Φd=1。

④ 式中的弹性影响系数ZE可以，查取弹性影响系数表，得到的ZE188Mpa。 ⑤ 查齿轮接触疲劳强度极限图得：

小齿轮接触疲劳极限lim1380Mpa 大齿轮接触疲劳极限lim2380Mpa

⑥ 由应力循环次数的公式得

1

2

N1=60n1jLh=602801(836515)=7.36108 N17.36108

N22.0108

i23.7

⑦ 由接触疲劳寿命系数图，取KHN10.91，KHN20.96 。 ⑧ 计算接触疲劳许用应力

取失效概念为1%，安全系数S=1,则：

KHN1lim1

0.93380353.4Mpa SK

[H]2HN2lim20.96380361Mpa

S[H]1

（b）齿轮参数的计算

① 试算小齿轮分度圆直径d1t,代人[H]中较小的值

d

1t



=19.95mm

② 计算齿轮转动时的圆周速度v v

πd1tn13.1419.95280

0.29m/s

601000601000

计算齿轮轮齿的齿宽b

bΦdd1t119.9519.95mm

③ 计算齿宽与齿高之比b/h 齿轮的模数：mt

d1t19.95

0.83mm Z124

轮齿的高度：h2.25mt1.87mm 轮齿的宽度和高度之比：④ 计算载荷系数

根据V=0.29m/s，7级精度。由动载荷系数表，查得的动载系数KV=1.02。 由使用系数表，查得的使用系数KA=1。

b19.95

10.67 h1.87

因为是直齿轮，所以KHα=KFα=1。

由齿向载荷分布系数表，用插值法查得7级精度，小齿轮（硬齿面）相对布置时

KHβ1.511。故载荷系数KKAKVKHαKHβ1.021.5111.54。

⑤

按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径d1d119.9521.11mm。

⑥ 计算模数m m

Z1

d121.11

0.88mm，查齿轮模数表，取m=1。 Z124

d121.11

21.11,故取小齿轮齿数为22。Z2223.788.8，取Z289。 m1

（c）齿轮几何尺寸计算

齿轮的分度圆直径d1=Z1m=221=22mm；

d2Z2m89189mm。

两配对齿轮的中心距 a

d1d22289

55.5mm； 22

计算大齿轮的宽度 bΦdd112222mm；

圆整后取大齿轮的宽度：B222mm ，小齿轮的宽度：B127mm。

由以上计算所得的齿轮参数如表2.3。

表2.3 齿轮参数

参数

大

高速级

小 大

低速级

小

22 13.2 89

1

22

d 66

0.6

22 89

55.5

27

m

z 110

39.6

19

20°

22

a

b 14



2.3.4 减速器内各轴的设计

轴Ⅰ的设计。

（1）轴的材料的选择和表面处理

由于减速器传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求故选择常用材料45钢,调质处理.

（2）计算轴的最小直径

按扭矩来计算轴的最小直径,取系数 A0=106至130,考虑到安装了联轴器的轴段仅仅

受到扭矩，故取A0=110则

:

d1minA1103.37mm

考虑到螺纹，键槽在一定程度上对轴的强度的削弱，同时考虑启动转矩、安全、美观等方面的原因，在导师的建议下，选用的轴的最小直径比d1min大很多，d16，故轴的直径完全能满足设计的需要，也就不用校核轴的强度了。

（3）联轴器和轴承的选择。

联轴器为LZ1型（GB/T 3852-1997）,轴承为6000-628型（GB/T 276-1994） 根据轴承确定轴Ⅰ的最小直径D1=6,L1=18。承的安装部分的尺寸为D1=6。

（4）结构设计 各段轴尺寸的确定。

最小的直径已经在前面确定了，后面的就可以按照轴上面安装的各个零件的尺寸和位置，来一步一步的确定轴的尺寸了，

第1段按联轴器确定过，D=6,L1=18。

第2段由轴承确定直径D2=8，长度尺寸按端盖厚度S=23、端盖离联轴器的距离为L=18（方便端盖的安装）、轴承的宽度B=8、挡油环的厚度B=8得出L2=57。

第3段的直径由轴承的安装尺寸来确定D3=10，长度尺寸由与轴上齿轮配合的齿轮离箱体的内壁的距离（取10）以及大小齿轮的宽度差△=5，得出L3=11.5。

第4段也就是齿轮段的尺寸由齿轮确定。

第5段得直径与第三段相同，D5=D3=10,长度尺寸由轴Ⅱ上的大小齿轮间距△ 以及大小齿轮离箱体内壁的距离等确定，L5=46.5。

第6段得直径由轴承来确定，D6=8，长度尺寸由轴承和挡油环确定，L6=16。由以上的计算可以得出轴Ⅰ的全部尺寸，如图2.3所示。:

图2.3 轴Ⅰ的尺寸图

其他各轴的尺寸计算与轴Ⅰ的计算过程雷同，在此不一一写出，只列出其他轴的尺寸图。

轴Ⅱ的尺寸图如图2.4所示。

图2.4 轴Ⅱ的尺寸图

轴Ⅲ的尺寸图如图2.5所示。

图2.5 轴Ⅲ的尺寸图

减速器其他部分结构尺寸由机械设计手册查得，如表2.4所示。

表2.4 减速器机体主要尺寸表

名称 机座壁厚 机盖壁厚

尺寸 8 8

机座缘厚度 机盖凸缘厚度 机底座凸缘厚度 地脚螺钉直径 地脚螺钉数目 盖与座连接螺钉数目 轴承端盖螺钉直径

窥视孔盖螺钉直径 大齿轮顶圆与内机壁距离 齿轮端面与机壁距离

中间轴两齿轮之间距离

12 12 19.5 M12 4 4 M6 M6 10 10 8

2.4 驱动轴的设计

计算轴上最小直径。

按扭矩来计算轴的最小直径,取系数 A0=106至125,考虑到安装了联轴器的轴段仅仅受到扭矩，故取A0=110则:

d1minA1108.55mm 考虑到螺纹，键槽在一定程度上对轴的强度的削弱，同时考虑启动转矩、安全、美观等方面的原因，在导师的建议下，选用的轴的最小直径比d1min大很多，d110，故轴的直径完全能满足设计的需要，也就不用校核轴的强度了。

轴上各段具体尺寸的计算。

选取了最小直径后，就可以按照轴上各零件的安装顺序和尺寸，从左端开始确定轴的尺寸了，

第1段按齿轮确定，D=10,L1=25。

第2段由轴承确定直径D2=15，长度尺寸按端盖厚度S=33、端盖离联轴器的距L=18（方便拆卸）、轴承的宽度B=8、挡油环的厚度B=8得出L2=33。

第3段的直径由轴承的安装尺寸来确定D3=21，长度尺寸由与轴上轮配合的齿轮离箱

体的内壁的距离（取10）以及大小齿轮的宽度差△=5，得出L3=33。

第4段也就是轮的支撑段的尺寸由轮确定。D4=24，L4=5。 第5段直径与第三段相同D5=21，长度尺寸由结构决定L5=53。

第6段的直径由轴承来确定，D6=15，长度尺寸由轴承和挡油环确定，L6=13。 由以上的计算可以得出驱动轴的全部尺寸，如图2.6所示。

图2.6 工作轴的尺寸

3 转向部分设计

转向部分的设计依然是遵循先三维造型后计算的原则，转向支架与电机之间由于安装尺寸的关系，不能很好的放在一起，所以本设计是采用两个基本相同的齿轮来将电机的转动传递到转向支架上的，由于两个齿轮的模数和齿数是相同的，所以，传动的过程中并没有速度差，传动的效率也比较的高。

转向部分的三维的造型图如图3.1所示，齿轮在该图中没有表达，因为齿轮的表达会影响到电机轴和支架上的轴的表达。底板与支架之间承接采用的是推力球轴承，这样转向过程中支架所受到的摩擦力就很小了，转向轮的选用和安装与前面设计的驱动轮副轮完全相似，只是转向轮的直径要比驱动副轮的直径小一些，D=140mm,故不在此赘述。

图3.1 驱动部分的三维造型图

3.1 转向电机的选择

转向电机选用的是步进电机。

步进电机在选择的时候，必须要保证步进电机的额定输出功率大于负载所需要的功率。为此，首先要计算出转向机构的负载转矩，得出计算结果后，再根据步进电机的最大静转矩来选取所要的电机，但是一定要确保电机的额定转矩要大于转向机构的负载转矩，并且要有一定的余量，这样才安全。最大静力矩大的电机，负载力矩一般都是比较大的，所以选用的电机的依据可以是最大静力矩。

转向机构的转矩计算：

轮胎与地面的摩擦力：fmg0.230060N； 轮胎的宽度为 20mm 。

轮胎底面的受力图如图3.2所示。

图3.2 轮胎的受力图

转矩 T=30×10=300N·m=0.3N·m 考虑到启动转矩比静转矩要大一些，还有传动过程中

的损耗，取T=0.3×1.5=0.45N·m 。

根据计算的结果，查步进电机的选用表3.1。

表3.1 步进电机选用略表 电压

型号 35BYG001 35BYG005 42BYG005 42BYG008 42BYG016 42BYGH025 42BYG032 42BYGH103 57BYGH001 57BYG007 57BYG009 57BYG060 57BYG070 57BYGH101 57BYGH103

相数 4 4 4 2 2 2 2 2 4 4 2 4 2 2 4

步距角

(V)

1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° 1.8°

8.6 9 9.6 32 12 2.5 24 12 7.2 12 2.4 2.6 5.4 7.2 12.2

(A) 0.38 0.40 0.48 0.38 0.16 0.95 0.33 0.4 0.6 0.38 2.4 1.5 0.6 0.38 1.4

(N·m) 0.6 1.3 2.3 0.76 0.9 1700 2 3800 4 3 6 6.3 9 7 6

(N·m) 15 18 22 19 20 38 20 56 135 60 145 118 230 220 460

电流

最大静转矩

转动惯量

根据表3.1选用35BYG001 型电动机，它的外形安装尺寸如图3.3所示。

图3.3 35BYG001型电动机参考尺寸

3.2 转向支架的设计

支架的单独三维造型如图3.4所示。

图3.4 支架的三维造型图

前轮支架的设计主要考虑的因素有轮的直径和传动部分轴的直径等。 计算支架组件中轴的最小直径

通过扭矩来计算轴的最小的直径, 考虑到安装了联轴器的轴段仅仅受到扭矩。则:

dmin17.24.51mm

同样是考虑到外形的美观和安装的方便，选用的轴最小径比dmin大很多，根据选用的推力球轴承取D1=12mm,L1=14mm。轴承的型号为51000型（GB/T 301-1995）。轴承的支撑段直径由轴承的安装尺寸确定D2=15mm，L2=21mm。支架的弯曲部分尺寸由轮的安装轴的安装尺寸确定，轴的安装尺寸前面已给出。弯曲半径R=10mm，横向宽度L=89mm。支架横梁下平面到轴孔的距离为车轮半径加一定的间隙，L=80mm。轴孔外径D3=72，内径D4=42。安装螺钉为M6。具体尺寸见图3.5。

图3.5 支架组件的简图

4 轮和底板的设计

4.1 车轮的选用

轮的直径在前面已经选定，为150mm。轮的材料选择主要从成本和运动的平稳性两个方面着想，综合考虑后决定轮的外圈采用传统的树脂橡胶，内圈采用45钢。见图4.1。

图4.1 车轮的三维造型图

4.2 车轮的安装

车轮与轴之间加一个凸台式支撑架，以方便轮的安装，支撑架与轴之间采用键连接，见图4.2和图4.3。

图4.2 轮的连接平面剖视图 图4.3 轮的连接三维造型

4.3 底板的设计

底板的尺寸完全由安装时各零件的尺寸所决定，在三维造型时，考虑的问题比较的全面，故在此不做具体的尺寸的设计，具体的尺寸可以在CAD总装图上都有表达。三维造型见图4.4。

图4.4 底板的三维造型图

该底板的结构分两部分，后半部分是驱动机构的安装部分，中间凹下去的是减速器的安装位置，由于有高度的限制，减速器就只好向下凹一点，同时为了减轻重量，将中间部分掏空。四个圆孔是用来安装轮的，两边会用端盖来固定轴承的位置。前半部分是用来暗转转向机构的，为了方便电机的安装，中间也凹下去一小块，孔是支撑架的安装孔，整个前半部分是架在支架上的推力球轴承上的，方便转向。

结束语

经过了几个月的紧张忙碌的学习和工作，我终于完成了导游机器人轮式行走机构的设计。从开始接到设计的题目到方案的确定，再到设计的完成，我花费了大量的时间来查阅资料和设计，并对以前学过的知识进行了一次系统性的总结。这是我第一次在有导师的指导下，独立的完成一个课题的设计，通过这次设计我开始独立的学习和探索，查看相关的书籍，让自己头脑从模糊大概到逐渐清晰。这次做设计的经历必将使我终生受益，并了解了自己在学习过程中的缺陷和不足。一定能够在以后的工作和学习中激励我继续进步。

由于这是我第一次完成一个比较完整的设计程序，加上我我的水平有限，设计中难免有不尽如人意的地方处，还请各位老师给予批评、指正。

致谢

在毕业设计期间，无论是外文翻译、开题报告以及设计方案的确定、资料的收集、论文的撰写，都得到了周建平教授的全力帮助和耐心指导。周教授学识渊博、治学严谨、平易近人，是我学习和生活的榜样。在此我特向周教授表示最崇高的敬意和由衷的感谢。同时在本次设计过程中，也得到了同组的徐博伦、丁彪、陈罗庚、左庄举的帮助，在此也一并相他们表示衷心的感谢。

参考文献

[1] 王炎，周大威. 移动式服务机器人的发展现状及我们的研究[J]. 电气传动，2000，

(4)：26~33.

[2] 李开生,张慧慧,费仁元,宗光华. 制造业自动化[J]. 2008,22 (6)：58~64. [3] 谢森林，董晓庆. 智能导游机器人的研制[J]. 科技信息，2009,(6): 84~85. [4] 陈军，陈振华，李素平，徐智武. 迎宾机器人轮式移动工作台的设计与控制方法研究

[J]. 机械制造，2009,47 (543): 24~26.

[5] 朱磊磊，陈军. 轮式移动机器人研究综述[J]. 机床与液压,2009,37,(8): 242~246. [6] Gordon McComb,Myke Predko[M]. 庞明，王晓宇，任宗伟，李牧，苏相国[译].

机器人设计与实现. 北京：科学出版社, 2003.

[7] 张毅，罗元，郑太雄等. 移动机器人技术及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005. [8] 宗光华等. 机器人的创意设计与实践[M]. 北京：航天航空大学出版社，2004. [9] 蔡自兴. 机器人原理及其应用[M]. 长沙：中南工业大学 ，2000. [10] 周佰英. 工业机器人设计[M]. 北京：机械工业出版社，1995.

[11] 王晓鸣. 电机的单片机控制[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002. [12] 张富学. 传感器应用及其电路精选[M]. 北京：电子工业出版社，1992. [13] 熊有伦. 机器人技术基础[M]. 武汉：华中理工大学出版社，1996. [14] 龚振邦. 机器人机械设计[M]. 北京：电子工业出版社，1995.

[15] 吴瑞祥. 机器人技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1994.