二自由度蛇形機器人單元設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-07-20 17:16 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 蛇形機器人的研究還在發(fā)展階段，還需要進一步地發(fā)展。第2章 二自由度蛇形機器人運動單元的主體設(shè)計蛇的外形非常簡單，但卻能實現(xiàn)很多運動：蜿蜒運動；法向運動；側(cè)向運動；沿身體方向的拉伸運動；抬起運動等。這些運動大部分是都依靠身體與外界環(huán)境之間的摩擦實現(xiàn)的。 本設(shè)計要求根據(jù)蛇的特點實現(xiàn)以下的功能：（1） 能在凹凸不平/粗糙的地面推動前進、在光滑的表面滑行前進。（2） 可以跨過小溝、裂縫。通過驅(qū)動細(xì)長的身體躬起做出符合運動學(xué)的d穩(wěn)定的姿勢。 蛇形機器人是由一系列聯(lián)接在一起的關(guān)節(jié)組成，每一關(guān)節(jié)都能通過電機的連續(xù)地轉(zhuǎn)動實現(xiàn)蛇形機器人的關(guān)節(jié)能來回擺動和抬起擺動使機器人與環(huán)境之間就產(chǎn)生相互的作用力從而推動機器人的前進。本設(shè)計中蛇形機器人的運動不是靠電機直接驅(qū)動的，而是靠在機器人的個單元間相互擺動時單元體與環(huán)境之間產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)蜿蜒前進運動的。（）（）位移 （） 速度 （）加速度 （） 在方程（1）—（3）中，是單元體的長度，是單元體到重心的距離，=0,1,2,......,，和分別是頭部的位移，速度和加速度。由于直接驅(qū)動的關(guān)節(jié)機構(gòu)采用每個自由度直接用一個電機來驅(qū)動，用減少傳動件的數(shù)量來達到減輕單元重量的目的，但效果有限。而耦合驅(qū)動是采用合適的機構(gòu)使原來分別驅(qū)動不同自由度的電機共同驅(qū)動幾個自由度，充分利用驅(qū)動資源，從而大大增加了機構(gòu)的驅(qū)動力。雖然耦合驅(qū)動在控制上存在解耦問題，但通過充分利用現(xiàn)有的計算機技術(shù)可以很容易得到解決?？紤]到連桿系統(tǒng)建模困難，柔索系統(tǒng)存在剛性問題，而齒輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊密、活動空間大、建模容易的特點，我們選擇齒輪機構(gòu)作為耦合驅(qū)動機構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了耦合驅(qū)動的模塊化萬向單元。為便于單元的拆裝和減少設(shè)計及制造成本。該蛇形機器人單元采用了模塊化設(shè)計。此外，模塊化設(shè)計可以實現(xiàn)蛇形機器人的可重構(gòu)，通過不同的連接可以組合成不同形狀的機器人 蛇形機器人耦合驅(qū)動單元設(shè)計原則耦合機構(gòu)雖然能夠給蛇形機器人單元帶來較大驅(qū)動力，但同時也增加了每個單元的重量、長度、降低了每個單元傳動機構(gòu)的傳動效率，具有一定的負(fù)面影響。因此，在設(shè)計每個單元時，必須考慮到這些因素所帶來的影響，權(quán)衡耦合驅(qū)動機構(gòu)與直接驅(qū)動機構(gòu)，從而選擇更加合理的耦合驅(qū)動機構(gòu)。耦合機構(gòu)所帶來的正面效果一定要大于由此帶來的負(fù)面影響，否則就失去耦合驅(qū)動的意義。 分析二自由度蛇形機器人的目標(biāo)功能——關(guān)節(jié)間的橫向擺動和縱向抬起后，綜合多方面的考慮后最終確定以下方案：（）（ 1’——電機軸 2’——齒輪 3’——齒輪 4’——齒輪 5’——傘齒輪 6——傘齒輪 7——傘齒輪軸 8——大軸）機構(gòu)方案簡述：本方案采用2個電機偶合驅(qū)動的方式來實現(xiàn)單元體的擺動及抬起。：電機軸1’分別與齒輪2’相連并通過齒輪4和2’、3’、4’最終將轉(zhuǎn)動傳給傘齒輪（5’）。由于兩電機既可以同向轉(zhuǎn)動也可以反向轉(zhuǎn)動，故傘齒輪（5’）的轉(zhuǎn)動方向既可以相同也可以相反。當(dāng)傘齒輪5’轉(zhuǎn)動方向相反時，傘齒輪（6）繞傘齒輪的軸（7）轉(zhuǎn)動（向左或向右），此時實現(xiàn)單元體的擺動。當(dāng)電機同向轉(zhuǎn)動時傘齒輪之間沒有相對運動，而傘齒輪（6）將隨傘齒輪的軸（7）一起繞大軸轉(zhuǎn)動。此時機器人的單元體之間實現(xiàn)抬起運動?？紤]到蛇形機器人的實際應(yīng)用環(huán)境等因素影響機器人單元體之間的相對轉(zhuǎn)速不能過快，結(jié)合國內(nèi)外以研發(fā)的蛇形機器人實例經(jīng)驗，將本設(shè)計的單元體之間的相對轉(zhuǎn)速確定為10度/秒。 電機將選擇FutabaSS3305。 特點:高扭矩、金屬伺服裝置、體積小。廣泛用于小形機器人領(lǐng)域。（ FutabaSS3305的尺寸參數(shù)）（ FutabaSS3305的參數(shù)） 由于FutabaSS3305電機的旋轉(zhuǎn)角度為，故必須對電機進行改造，使其能夠無限旋轉(zhuǎn)。改造方法：將電機打開，取出電機中的機械限位即可。對于蛇形機器人而言，它的輸出是由模塊提供的，然而它的負(fù)載也正是其模塊本身。模塊（見圖21）是蛇形機器人的最小結(jié)構(gòu)單元，每一模塊由兩FutabaSS3305 電機驅(qū)動驅(qū)動一個回轉(zhuǎn)自由度。該模塊具有結(jié)構(gòu)簡單，運動靈活，易于控制等特點。 根據(jù)確定的機構(gòu)初步估算單元體主要需要由以下部分組成：電機底架、支撐板、齒輪、傘齒輪、軸、蛇身、摩擦輪等，大部分材料為鋁合金。估算單元體的重量約為400g，單元體的長度100mm。蛇形機器人能夠抬起越多的單元，就證明其具有越強的三維運動能力。本設(shè)計方案中要求蛇形機器人能夠抬起的最多單元體為3。由于機器人以較低的速度運動，忽略慣量和動學(xué)效果。為分析方便將每個單元的重心近似取在其中間位置，那么蛇形機器人抬起時關(guān)節(jié)力矩的計算如下： ()其中 M既為力矩也是電機軸的扭矩=： （）,由于設(shè)計方案確定單元體的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為：10度/秒，故傳動比初步定為2：1。由于設(shè)計內(nèi)容的特殊性，既要求蛇形機器人的結(jié)構(gòu)能夠盡可能的緊湊，單元體能夠盡可能的輕。這就要求組成單元體的各零件在滿足強度要求的前提下材料選擇越輕越好，體積越小越好。傳動中正齒輪本設(shè)計選擇SSY正齒輪系列， SSY系列正齒輪規(guī)格： 從電機軸到大軸要實現(xiàn)的傳動比為2：1，而這過程要經(jīng)過3個正齒輪來實現(xiàn)。為簡便起見，使前兩組齒輪的齒數(shù)相同，這樣以來只要使第一組齒輪（與電機相連的）與第三組齒輪的齒數(shù)之比為2：1即可。綜合考慮需要承受的扭矩等因素，：但由于裝配關(guān)系都需要再加工，具體的參數(shù)參見零件圖紙。（），由于特殊的傳動方案及裝配關(guān)系的要求，三個傘齒輪必須是完等徑傘形齒輪。為簡便起見，本設(shè)計將選擇完全相同的三個等徑傘形齒輪。:：在蛇形機器人的所有傳動件中，與其他各零件之間起中心作用的是與其他零件裝配關(guān)系（）最多的大軸（）。其中很多主要的裝配關(guān)系都要靠大軸來調(diào)整實現(xiàn)，例如：三個傘齒輪的組裝距離的實現(xiàn)；大軸上的正齒輪與傘齒輪的距離等。但由于軸的尺寸設(shè)計具體涉及到很多內(nèi)容以及很多零件之間的配合關(guān)系，軸的具體尺寸請詳見本設(shè)計的零件圖。本說明書將主要對大軸進行強度校核。 （ 大軸與其它零件的裝配關(guān)系） 大軸的主要參數(shù)：（單位：mm）由于在本設(shè)計方案中大軸為固定心軸，所以只校核計算軸的剛度即可公式{暫時無} 經(jīng)校核滿足強度要求。 主要裝配關(guān)系說明由于本方案是蛇形機器人的單元設(shè)計（并非傳統(tǒng)設(shè)計）所以在有很多地方需要補充說明一下：（）（）在裝配圖中可以看到電機與與它相連的齒輪1之間的配合關(guān)系：二者之間只是通過電機軸上的花鍵與齒輪的花鍵槽限制了齒輪在電機軸上的徑向自由度，而軸向的自由度似乎沒有限制，但事實上齒輪沿電機軸向的自由度
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