轮式移动机器人结构设计论文

轮式移动机器人的结构设计

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究提供有价值的平台参考和有用的思路。

本文介绍了已有的机器人移动平台的发展现状和趋势，分析操作手臂常用

的结构和工作原理，根据选定的方案对带有机械臂的全方位移动机器人进行本

体设计，包括全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计和机器人操作

臂的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，可以快速、有效的到达指定

地点；机械臂操作范围广、运动灵活、结构简单紧凑且尺寸小，可以快速、准

确的完成指定工作。设计完成后要分析全方位移动机构的性能，为后续的研究

提供可靠的参考和依据。

关键字：机器人移动平台操作臂简单快速准确

Structure design of wheeled mobile robots Abstract:with the robot technology in an alien exploration, field survey, military and security new areas to be increasingly widely adopted, robot technology by indoor, outdoor by fixed, to move towards artificial environment, the artificial environment. This topic is the basic link, robot design for the follow-up about robots can provide valuable reference and useful ideas platform.

This article summarizes the existing robot mobile platform development status and trends of operating the arm structure and principle of common, According to the selected scheme of mechanical arm with ontology omni-directional mobile robots designed, including the design of all-round wheel rotating mechanism, wheel steering mechanism of design and the design of robot manipulator. Request to change direction, move the omni-directional mobile institution, can quickly and effectively flexible the reaches the specified location; Mechanical arm operation scope, sports flexible, simple and compact structure and size is small, can quickly and accurately completed tasks. The design is completed to analyze the performance of the omni-directional mobile institutions for subsequent research, provide reliable reference and basis.

Keywords: Robot mobile platform manipulator simple accurate and quick

目录

1.绪论

1.1引言（1）

1.2国内外相关领域的研究现状（1）

1.3主要研究内容（5）

2.全向移动机器人移动结构设计

2.1引言（5）

2.2机械设计的基本要求（6）

2.3全方位轮式移动机构的设计（6）

2.3.1移动机器人车轮旋转机构设计（7）

2.3.2移动机器人转向机构设计（10）

2.3.3电机的选型与计算（12）

2.4移动机器人车体机构设计（15）

2.5本章小结（16）

3.机械手臂的设计

3.1末端执行器的设计（16）

3.1.1末端执行器的设计要求（17）

3.1.2末端执行器的设计（17）

3.1.3电机的选型与计算（20）

3.2机械手臂杆件的设计（21）

3.2.1腕部结构设计（21）

3.2.2臂部结构设计（21）

3.2.3机械臂电机的选型与计算（23）

3.3本章小结（23）

4.机械材料的选择和零件的校核

4.1机械材料的选用原则（24）

4.2零件材料选择和强度校核（25）

4.3本章小结（29）

参考文献（30）

致谢（31）

附录

1 绪论

1.1 引言

移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。在军事、危险操作

和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以

期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动。

移动机器人按照移动方式可分为轮式、履带式、腿足式等，其中轮式机器

人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。按照移动特性又可将移

动机器人分为非全方位和全方位两种。而轮式移动机构的类型也很多，对于一

般的轮式移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以

利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方

向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥

挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对

自己的位置进行细微的调整。由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无

法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器

人移动机构的发展趋势。

基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。

1.2 国内外相关领域的研究现状

1.2.1 国外全方位移动机器人的研究现状

国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。这方面日本、美国和德国处于领先地位。八十年代初期，美国在DARPA的支持下，卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts

Institute of Technology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA下属的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也开展了这方面的研究。CMU机器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5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VaMoRs-P移动机器人。其车体采用奔驰500轿车。传感器系统包括：4个小型彩色CCD摄像机，构成两组主动式双目视觉系统；3个惯性线性加速度计和角度变化传感器。SONY公司1999年推出的宠物机器狗Aibo具有喜、怒、哀、厌、惊和奇6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1997年研制的Honda P3类人机器人代表双足步行机器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、宽0.6米，工作时间为25分钟，最大步行速度为2.0公里/小时。

国外研究的一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 1.1 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 Y，通常夹角 Y 为 45°，每个轮子具有三个自由度，第一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Mecanum 轮可以构成全方位移动机器人。

图1.2 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，固定在一个共同

的壳体上构成，如图 1.3 所示.每个球形轮子架有2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，由一

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1.4。

图1.3 正交轮图1.4 正交轮的应用

球轮由一个滚动球体、一组支撑滚子和一组驱动滚子组成，其中支撑滚子固定在车底盘上，驱动滚子固定在一个可以绕球体中心转动的支架上，如图 1.6 所示。每个球轮上的驱动滚子由一个电机驱动，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1.5 球轮图1.6 球轮的应用偏心万向轮，如图 1.7 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1.7偏心万向轮图1.8 偏心万向轮的应用

1.2.2 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863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。在国防科工委和国家863计划的资助下，由国防科大、清华大学等多所高校联合研制军用户外移动机器人7B.8,并于1995年 12月通过验收。7B.8的车体是由跃进客车改进而成,车上有二维彩色摄像机、三维激光雷达、超声传感器。其体系结构以水平式机构为主,采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法,其直线跟踪速度达到20km/h。避障速度达到5-10km/h。

上海大学研制了一种全方位越障爬壁机器人,针对清洗壁面作业对机器人提出的特殊要求，研制了可越障轮式全方位移动机构—车轮组机构,该机构保证机器人可在保持姿态不变的前提下,沿壁面任意方向直线移动,或在原地任意角度旋转,同时能跨越存在于机器人运行中的障碍,不需要复杂的辅助机构来实现平面上运动和越障运动之间转换。

哈尔滨工业大学的李瑞峰，孙笛生，刘广利等人研制的移动式作业型智能服务机器人，并对课题当中的一些关键技术，如新型全方位移动机构、七自由

度机器人作业手臂和多传感器信息融合等技术，最后给出了移动机器人的系统控制方案。

哈尔滨工业大学的闫国荣，张海兵研究一种新型全方位轮式移动机构，这种全方位移动机构当中的轮子与麦克纳姆轮的区别在于：这种全方位轮使小滚子轴线与轮子轴线垂直，则轮子主动的滚动和从动的横向滑移之间将是真正相互独立的；轮子正常转动时，轮缘上的小滚子也将是纯滚动，如图1.9。

图1.9 全方位移动机构仿真图

1.3 主要研究内容

本课题从普遍应用出发，设计一种全向运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活。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究提供有价值的平台参考和有用的思路。

本文研究内容主要有：

了解和分析已有的机器人移动平台的工作原理和结构，以及分析操作手臂常用的结构和工作原理，对比它们的优劣点。在这些基础上提出可行性方案，并选择最佳方案来设计。根据选定的方案对带有机械臂的全方位移动机器人进行本体设计，包括全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计和机器人操作臂的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，可以快速、有效的到达指定地点；机械臂操作范围广、运动灵活、结构简单紧凑且尺寸小，可以快速、准确的完成指定工作。设计完成后要分析全方位移动机构的性能，为后续的研究提供可靠的参考和依据。

2 全向移动机器人移动机构设计

2.1 引言

机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路，全方位移动机器人可以实现在平面内任意方向的移动，能够有效的到达预定位置。根据这一总体思想，进行本机器人

移动机构的本体设计。

2.2机械设计的基本要求

机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。

a.对机器整机设计的基本要求

对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。

对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。

b.对零件设计的基本要求

机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。

要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、震动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足的条件，这些条件就是判定零件工作能力的准则。

要尽量降低零件的生产成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时合理的选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。

任何一种机器都有动力机、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（也称为一次能源）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。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。

2.3 全方位轮式移动机构的研制

在设计移动机器人本体时应遵循以下设计原则：

（1）总体结构应容易拆卸，便于平时的实验、调试和修理。

（2）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360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一些优点：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 2.1 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2.1 全方位轮式移动机构示意图

2.3.1 移动机器人车轮旋转机构设计

在车轮旋转机构设计过程中，主要考虑了以下模型，如2.2图所示。由图可以看出，模型 a 结构简单，但是车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象，且对电机轴形成一个弯矩，容易对电机轴造成破坏。模型 b 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2.3，图2.4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