二自由度蛇形機(jī)器人單元設(shè)計(jì)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(jī)器人的研究還在發(fā)展階段，還需要進(jìn)一步地發(fā)展。第2章 二自由度蛇形機(jī)器人運(yùn)動單元的主體設(shè)計(jì)蛇的外形非常簡單，但卻能實(shí)現(xiàn)很多運(yùn)動：蜿蜒運(yùn)動；法向運(yùn)動；側(cè)向運(yùn)動；沿身體方向的拉伸運(yùn)動；抬起運(yùn)動等。這些運(yùn)動大部分是都依靠身體與外界環(huán)境之間的摩擦實(shí)現(xiàn)的。 本設(shè)計(jì)要求根據(jù)蛇的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下的功能：（1） 能在凹凸不平/粗糙的地面推動前進(jìn)、在光滑的表面滑行前進(jìn)。（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(yùn)動學(xué)的d穩(wěn)定的姿勢。 蛇形機(jī)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(jī)的連續(xù)地轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)能來回?cái)[動和抬起擺動使機(jī)器人與環(huán)境之間就產(chǎn)生相互的作用力從而推動機(jī)器人的前進(jìn)。本設(shè)計(jì)中蛇形機(jī)器人的運(yùn)動不是靠電機(jī)直接驅(qū)動的，而是靠在機(jī)器人的個(gè)單元間相互擺動時(shí)單元體與環(huán)境之間產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)蜿蜒前進(jìn)運(yùn)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(jī)構(gòu)采用每個(gè)自由度直接用一個(gè)電機(jī)來驅(qū)動，用減少傳動件的數(shù)量來達(dá)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(jī)構(gòu)使原來分別驅(qū)動不同自由度的電機(jī)共同驅(qū)動幾個(gè)自由度，充分利用驅(qū)動資源，從而大大增加了機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)可以很容易得到解決。考慮到連桿系統(tǒng)建模困難，柔索系統(tǒng)存在剛性問題，而齒輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊密、活動空間大、建模容易的特點(diǎn)，我們選擇齒輪機(jī)構(gòu)作為耦合驅(qū)動機(jī)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計(jì)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(jì)及制造成本。該蛇形機(jī)器人單元采用了模塊化設(shè)計(jì)。此外，模塊化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)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(jī)器人 蛇形機(jī)器人耦合驅(qū)動單元設(shè)計(jì)原則耦合機(jī)構(gòu)雖然能夠給蛇形機(jī)器人單元帶來較大驅(qū)動力，但同時(shí)也增加了每個(gè)單元的重量、長度、降低了每個(gè)單元傳動機(jī)構(gòu)的傳動效率，具有一定的負(fù)面影響。因此，在設(shè)計(jì)每個(gè)單元時(shí)，必須考慮到這些因素所帶來的影響，權(quán)衡耦合驅(qū)動機(jī)構(gòu)與直接驅(qū)動機(jī)構(gòu)，從而選擇更加合理的耦合驅(qū)動機(jī)構(gòu)。耦合機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)方案簡述：本方案采用2個(gè)電機(jī)偶合驅(qū)動的方式來實(shí)現(xiàn)單元體的擺動及抬起。：電機(jī)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(jī)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(shí)，傘齒輪（6）繞傘齒輪的軸（7）轉(zhuǎn)動（向左或向右），此時(shí)實(shí)現(xiàn)單元體的擺動。當(dāng)電機(jī)同向轉(zhuǎn)動時(shí)傘齒輪之間沒有相對運(yùn)動，而傘齒輪（6）將隨傘齒輪的軸（7）一起繞大軸轉(zhuǎn)動。此時(shí)機(jī)器人的單元體之間實(shí)現(xiàn)抬起運(yùn)動?？紤]到蛇形機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等因素影響機(jī)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(jī)器人實(shí)例經(jīng)驗(yàn)，將本設(shè)計(jì)的單元體之間的相對轉(zhuǎn)速確定為10度/秒。 電機(jī)將選擇FutabaSS3305。 特點(diǎn):高扭矩、金屬伺服裝置、體積小。廣泛用于小形機(jī)器人領(lǐng)域。（ FutabaSS3305的尺寸參數(shù)）（ FutabaSS3305的參數(shù)） 由于FutabaSS3305電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度為，故必須對電機(jī)進(jìn)行改造，使其能夠無限旋轉(zhuǎn)。改造方法：將電機(jī)打開，取出電機(jī)中的機(jī)械限位即可。對于蛇形機(jī)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(jī)器人的最小結(jié)構(gòu)單元，每一模塊由兩FutabaSS3305 電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度。該模塊具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動靈活，易于控制等特點(diǎn)。 根據(jù)確定的機(jī)構(gòu)初步估算單元體主要需要由以下部分組成：電機(jī)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(jī)器人能夠抬起越多的單元，就證明其具有越強(qiáng)的三維運(yùn)動能力。本設(shè)計(jì)方案中要求蛇形機(jī)器人能夠抬起的最多單元體為3。由于機(jī)器人以較低的速度運(yùn)動，忽略慣量和動學(xué)效果。為分析方便將每個(gè)單元的重心近似取在其中間位置，那么蛇形機(jī)器人抬起時(shí)關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算如下： ()其中 M既為力矩也是電機(jī)軸的扭矩=： （）,由于設(shè)計(jì)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(jì)內(nèi)容的特殊性，既要求蛇形機(jī)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(qiáng)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(jì)選擇SSY正齒輪系列， SSY系列正齒輪規(guī)格： 從電機(jī)軸到大軸要實(shí)現(xiàn)的傳動比為2：1，而這過程要經(jīng)過3個(gè)正齒輪來實(shí)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(jī)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(gè)傘齒輪必須是完等徑傘形齒輪。為簡便起見，本設(shè)計(jì)將選擇完全相同的三個(gè)等徑傘形齒輪。:：在蛇形機(jī)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(shí)現(xiàn)，例如：三個(gè)傘齒輪的組裝距離的實(shí)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(jì)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?jiān)斠姳驹O(shè)計(jì)的零件圖。本說明書將主要對大軸進(jìn)行強(qiáng)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(jì)方案中大軸為固定心軸，所以只校核計(jì)算軸的剛度即可公式{暫時(shí)無} 經(jīng)校核滿足強(qiáng)度要求。 主要裝配關(guān)系說明由于本方案是蛇形機(jī)器人的單元設(shè)計(jì)（并非傳統(tǒng)設(shè)計(jì)）所以在有很多地方需要補(bǔ)充說明一下：（）（）在裝配圖中可以看到電機(jī)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(jī)軸上的花鍵與齒輪的花鍵槽限制了齒輪在電機(jī)軸上的徑向自由度，而軸向的自由度似乎沒有限制，但事實(shí)上齒輪沿電機(jī)軸向的自由度
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