【文章內(nèi)容簡介】 對轉速不能過快，結合國內(nèi)外以研發(fā)的蛇形機器人實例經(jīng)驗，將本設計的單元體之間的相對轉速確定為 10 度 /秒。 電機的選擇 沈陽航空學院學士學位論文 16 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域。 （圖 FutabaSS3305 的尺寸參數(shù)） （圖 FutabaSS3305 的參數(shù)） 由于 FutabaSS3305 電機的旋轉角度為 90 90??，故必須對電機進行改造，使其能夠無限旋轉 。改造方法：將電機打開，取出電機中的機械限位即可。 傳動比的確定 沈陽航空學院學士學位論文 17 對于蛇形機器人而言，它的輸出是由模塊提供的，然而它的負載也正是其模塊本身。模塊（見圖 21）是蛇形機器人的最小結構單元，每一模塊由兩FutabaSS3305 電機驅動驅動一個回轉自由度。該模塊具有結構簡單，運動靈活，易于控制等特點。 根據(jù)確定的機構初步估算單元體 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節(jié)力矩的計算如下： M F L?? () 其中 4 0 0 4 9 .8 /F g N k g? ? ? 100 4 2L m m? ? ? M 既為力矩也是電機軸的扭 矩 = ： 9550nP ?? （ ） 以得出電機的實際轉速為 度 /秒 ,由于設計方案確定單元體的目標轉速為： 10 度 /秒，故傳動比初步定為 2： 1。 具體傳動件參數(shù)的確定 由于 設計內(nèi)容的特殊性，既要求蛇形機器人的結構能夠盡可能的緊湊，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。 傳動中正齒輪本設計選擇 SSY 正齒輪系列，此系列齒輪的規(guī)格如表 沈陽航空學院學士學位論文 18 表 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。 正齒輪的具體參數(shù) 綜合考慮需要承受的扭矩等因素，三組正齒輪的具體參數(shù)如下表 表 三組正齒輪的具體參數(shù)： 沈陽航空學院學士學位論文 19 但由于裝配關系都需要再加工，具體的參數(shù)參見零件圖紙。 （圖 具體 傳動方案實體示意圖） 傘齒輪的具體參數(shù) 如圖 所示，由于特殊的傳動方案及裝配關系的要求，三個傘齒輪必須是完等徑傘形齒輪。為簡便起見，本設計將選擇完全相同的三個等徑傘形齒輪，其具體規(guī)格以及具體參數(shù)如下表 和表 。 表 傘齒輪規(guī)格 : 沈陽航空學院學士學位論文 20 表 傘齒輪的具體參數(shù)： 軸的設計及校核 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系（見圖 ）最多的大軸（見圖 ）。其中很多主要的裝配關系都要靠大軸來調(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。 沈陽航空學院學士學位論文 21 但由于軸的尺寸設計具體涉及到很多內(nèi)容以及很多零件之間的配合關系，軸的具體尺寸請詳見本設計的零件圖。本說明書將主要對大軸進行強度 校核 。 （圖 大軸與其它零件的裝配關系） 表 大軸的主要參數(shù)：（單位： mm） 由于在本設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。 沈陽航空學院學士學位論文 22 主要裝配關系說明 由于 本方案是蛇形機器人的單元設計（并非傳統(tǒng)設計）所以在有很多地方需要補充說明一下： 電機與齒輪 1 的 配合部分（如圖 ） （圖 齒輪 1 視圖和電機局部 電機軸視圖） 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是通過強力膠將二者固定的。值得注意的是：在使用強力膠的 時候一定不要將電機軸與機身粘一起 ，更不要使齒輪與電機機身粘到一起，影響電機的正常轉動，甚至燒壞電機。 第二組齒輪與其軸的安裝方法（如圖 ） 在一般傳統(tǒng)的設計中軸承的定位是通過軸 肩、套桶和軸承蓋等手段實現(xiàn)定位的。考慮到蛇形機器人單元體中第二組齒輪的實際所受力中沒有沿其軸的徑向力，所以可以忽略強度的設計，而且由于第二組齒輪是中間的齒輪所以受的徑向力也不大。只要可以限位即可。 具體的定位方案如圖 所示：軸承與軸之間通過公差實現(xiàn)過度配合并與軸肩一同實現(xiàn)軸承的定位。而齒輪與軸承之間的定位則如圖 所示通過階梯和固定環(huán)實現(xiàn)定位。 沈陽航空學院學士學位論文 23 雖然用這種定位在強度方面會有些降低，但比起其它方法卻可以減輕單元體的整體重量。而如何盡可能的減輕機器人整體重量仍是機器人領域的重點研究項目。這點對機器人而減輕整體的重量后，對單元體的強度要求也可以相對降低。衡量利弊，采用如圖 設計。 （圖 第二組齒輪與其軸的安裝方法） 摩擦輪的設計（如圖 ） （圖 摩擦輪示意圖） 如圖所示摩擦輪的形狀設計及其裝配位置，就單獨單元裝配而言，只依靠摩擦輪與地面的微少部分 理論上是點的接觸是不可能保證單元體的其他部分不與地面接觸， 甚至單元體有可能翻滾。 但是，由于單元體只是蛇形機器人整體的一部分。由于蛇形機器人的整體運動是由很多這樣的單元體組成的，而蛇形機器人的整體則是由很多點與地面接觸沈陽航空學院學士學位論文 24 的，而由于蛇的運動曲線的特殊性（如圖 ），這些接觸點幾乎不可能在同一的直線上的，而是相互組成多邊形（如圖 ），這樣以來整個蛇形機器人就會很穩(wěn)定。 （圖 蛇的運動曲線） （圖 單元體接觸點之間組成的多邊形示意圖） 單元體整體 描述 考慮到連桿系統(tǒng)建模困難 ， 柔索系統(tǒng)存在剛性問題 ， 而齒輪機構具有結構緊密 ， 活動空間大 ， 建模 容易的特點 ， 我們選擇齒輪機構作為耦合驅動機構 。 在此基礎上 ， 我們設計了耦合驅動的模塊化萬向單元 ， 此單元具有圓柱形鋁合金外殼 ， 具有 兩 個自由度見圖 分別是回轉 ， 由位于中間位置的直流伺服電機直接驅動 ，俯仰和擺動 。 由左右兩個直流伺服電機通過差動輪系耦合驅動 。 圖 其中差動輪系由三個傘齒輪組成 ， 通過與左右兩個電機相連的兩對傘齒輪驅動 ， 可以得出沈陽航空學院學士學位論文 25 ?當兩個電機同向同速轉動時 ， 共同驅動單元做擺動運動 ； 當同速反向轉動時 ， 共同驅動單元做俯仰運動 ； 當兩個電機以不同速度轉動時 ， 實現(xiàn)的是既有擺動又有俯仰的復合運動 。 （ 圖 212 蛇形機器人的單元整體圖） 表 單元體的參數(shù) 沈陽航空學院學士學位論文 26 第 3 章 運動學分析 蛇形機器人運動曲線 自然界中蛇的運動形式可大致分為四種：①蜿蜒運動：是最常見也是運動效率最高的運動形式。蜿蜒運動時，蛇依靠與地面的切向摩擦力和法向摩擦力的差推動自身運動，需要身體的肌肉產(chǎn)生較大力矩和保持收縮與伸展的連續(xù)性。②直線運動：類似于蚯蚓的收縮運動方式，是蛇在捕食過程中采用的運動方式。③收縮運動：是蛇在比較光滑平面或狹小空間下采用的一種運動方式。④側向運動：更確切的說應該叫做斜側運動，是沙漠中響尾蛇的一種 運動方式，在向前運動的同時產(chǎn)生側向運動。就蜿蜒運動而言，日本的 HIROSE 教授最早提出了蛇形曲線(如圖 所示 )，該曲線是在對生物蛇進行大量的運動觀測后提出的。通過在蛇形機器人上的試驗，證明采用蛇形曲線的機器人運動效率高、波形連續(xù)。馬書根教授從肌肉的力學分析角度證明了此種曲線，并從動力學角度分析了采用蛇形曲線的蛇形機器人的運動 。 蜿蜒運動的分析 （圖 蛇形曲線） 蛇形曲線 (如圖 所示 )的曲率方程為： sin( )b bs???? （ 31） 沈陽航空學院學士學位論文 27 式中 ? —— 幅值角 (rad)； b —— 比例常數(shù) (rad/m)； s —— 蛇形曲線長度 (m) 公式 (31)對 s 積分得沿曲線角度的表達式 ( ) co s( )s b s??? （ 32） 根據(jù)（ 320 公式，蛇形機器人關節(jié)相對轉角 為 ( ) ( ) 2 s i n ( ) s i n ( )s l s l b l b s? ? ? ?? ? ? ? ? ? (33) 式中 2l —— 蛇形機器人的單元長度 將上式改寫成各個關節(jié)角關于時間的函數(shù)得 ? ?? ?( ) s int A t i l? ? ?? ? ? (34) 式中 A = ?2α sin(bl) ； ω t = bs ； β = 2bl ； i = 1,L, n 表示第 i 個關節(jié)； t—— 時間； n—— 為機器人運動關節(jié)的數(shù)量 為獲得更多有利的環(huán)境信息和保證自己的前進方向，在運動過程中，蛇頭是始終指 向運動波形前進方向 (如圖 所示 )。根據(jù)每個關節(jié)的周期變化，可 以推導出蛇頭關節(jié)運動的函數(shù)為 ： ?h=?θ (s) = ?α cos(bs) (35) 寫成時間的函數(shù)為 ： 沈陽航空學院學士學位論文 28 (