【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 對(duì)轉(zhuǎn)速不能過(guò)快，結(jié)合國(guó)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(duì)轉(zhuǎn)速確定為 10 度 /秒。 電機(jī)的選擇 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 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。 （圖 FutabaSS3305 的尺寸參數(shù)） （圖 FutabaSS3305 的參數(shù)） 由于 FutabaSS3305 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度為 90 90??，故必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行改造，使其能夠無(wú)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。 傳動(dòng)比的確定 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 17 對(duì)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(jiàn)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(dòng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度。該模塊具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)，忽略慣量和動(dòng)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： 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(jī)軸的扭 矩 = ： 9550nP ?? （ ） 以得出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為 度 /秒 ,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(dòng)比初步定為 2： 1。 具體傳動(dòng)件參數(shù)的確定 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(dòng)中正齒輪本設(shè)計(jì)選擇 SSY 正齒輪系列，此系列齒輪的規(guī)格如表 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 表 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(dòng)比為 2： 1，而這過(guò)程要經(jīng)過(guò) 3 個(gè)正齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，使前兩組齒輪的齒數(shù)相同，這樣以來(lái)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。 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(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 19 但由于裝配關(guān)系都需要再加工，具體的參數(shù)參見(jiàn)零件圖紙。 （圖 具體 傳動(dòng)方案實(shí)體示意圖） 傘齒輪的具體參數(shù) 如圖 所示，由于特殊的傳動(dòng)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(jiǎn)便起見(jiàn)，本設(shè)計(jì)將選擇完全相同的三個(gè)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(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 表 傘齒輪的具體參數(shù)： 軸的設(shè)計(jì)及校核 在蛇形機(jī)器人的 所有傳動(dòng)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（見(jiàn)圖 ）最多的大軸（見(jiàn)圖 ）。其中很多主要的裝配關(guān)系都要靠大軸來(lái)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。 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 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(qǐng)?jiān)斠?jiàn)本設(shè)計(jì)的零件圖。本說(shuō)明書將主要對(duì)大軸進(jìn)行強(qiáng)度 校核 。 （圖 大軸與其它零件的裝配關(guān)系） 表 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(wú) } 經(jīng)校核滿足強(qiáng)度要求。 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 主要裝配關(guān)系說(shuō)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(shuō)明一下： 電機(jī)與齒輪 1 的 配合部分（如圖 ） （圖 齒輪 1 視圖和電機(jī)局部 電機(jī)軸視圖） 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(guò)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(méi)有限制，但事實(shí)上齒輪沿電機(jī)軸向的自由度是通過(guò)強(qiáng)力膠將二者固定的。值得注意的是：在使用強(qiáng)力膠的 時(shí)候一定不要將電機(jī)軸與機(jī)身粘一起 ，更不要使齒輪與電機(jī)機(jī)身粘到一起，影響電機(jī)的正常轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至燒壞電機(jī)。 第二組齒輪與其軸的安裝方法（如圖 ） 在一般傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中軸承的定位是通過(guò)軸 肩、套桶和軸承蓋等手段實(shí)現(xiàn)定位的?？紤]到蛇形機(jī)器人單元體中第二組齒輪的實(shí)際所受力中沒(méi)有沿其軸的徑向力，所以可以忽略強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，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(guò)公差實(shí)現(xiàn)過(guò)度配合并與軸肩一同實(shí)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(guò)階梯和固定環(huán)實(shí)現(xiàn)定位。 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 23 雖然用這種定位在強(qiáng)度方面會(huì)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(jī)器人整體重量仍是機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。這點(diǎn)對(duì)機(jī)器人而減輕整體的重量后，對(duì)單元體的強(qiáng)度要求也可以相對(duì)降低。衡量利弊，采用如圖 設(shè)計(jì)。 （圖 第二組齒輪與其軸的安裝方法） 摩擦輪的設(shè)計(jì)（如圖 ） （圖 摩擦輪示意圖） 如圖所示摩擦輪的形狀設(shè)計(jì)及其裝配位置，就單獨(dú)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(diǎn)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(jī)器人整體的一部分。由于蛇形機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)是由很多這樣的單元體組成的，而蛇形機(jī)器人的整體則是由很多點(diǎn)與地面接觸沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 的，而由于蛇的運(yùn)動(dòng)曲線的特殊性（如圖 ），這些接觸點(diǎn)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(lái)整個(gè)蛇形機(jī)器人就會(huì)很穩(wěn)定。 （圖 蛇的運(yùn)動(dòng)曲線） （圖 單元體接觸點(diǎn)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(wèn)題 ， 而齒輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊密 ， 活動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu) 。 在此基礎(chǔ)上 ， 我們?cè)O(shè)計(jì)了耦合驅(qū)動(dòng)的模塊化萬(wàn)向單元 ， 此單元具有圓柱形鋁合金外殼 ， 具有 兩 個(gè)自由度見(jiàn)圖 分別是回轉(zhuǎn) ， 由位于中間位置的直流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) ，俯仰和擺動(dòng) 。 由左右兩個(gè)直流伺服電機(jī)通過(guò)差動(dòng)輪系耦合驅(qū)動(dòng) 。 圖 其中差動(dòng)輪系由三個(gè)傘齒輪組成 ， 通過(guò)與左右兩個(gè)電機(jī)相連的兩對(duì)傘齒輪驅(qū)動(dòng) ， 可以得出沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 ?當(dāng)兩個(gè)電機(jī)同向同速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ， 共同驅(qū)動(dòng)單元做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng) ； 當(dāng)同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ， 共同驅(qū)動(dòng)單元做俯仰運(yùn)動(dòng) ； 當(dāng)兩個(gè)電機(jī)以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ， 實(shí)現(xiàn)的是既有擺動(dòng)又有俯仰的復(fù)合運(yùn)動(dòng) 。 （ 圖 212 蛇形機(jī)器人的單元整體圖） 表 單元體的參數(shù) 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 第 3 章 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線 自然界中蛇的運(yùn)動(dòng)形式可大致分為四種：①蜿蜒運(yùn)動(dòng)：是最常見(jiàn)也是運(yùn)動(dòng)效率最高的運(yùn)動(dòng)形式。蜿蜒運(yùn)動(dòng)時(shí)，蛇依靠與地面的切向摩擦力和法向摩擦力的差推動(dòng)自身運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)：類似于蚯蚓的收縮運(yùn)動(dòng)方式，是蛇在捕食過(guò)程中采用的運(yùn)動(dòng)方式。③收縮運(yùn)動(dòng)：是蛇在比較光滑平面或狹小空間下采用的一種運(yùn)動(dòng)方式。④側(cè)向運(yùn)動(dòng)：更確切的說(shuō)應(yīng)該叫做斜側(cè)運(yùn)動(dòng)，是沙漠中響尾蛇的一種 運(yùn)動(dòng)方式，在向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)。就蜿蜒運(yùn)動(dòng)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(duì)生物蛇進(jìn)行大量的運(yùn)動(dòng)觀測(cè)后提出的。通過(guò)在蛇形機(jī)器人上的試驗(yàn)，證明采用蛇形曲線的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率高、波形連續(xù)。馬書根教授從肌肉的力學(xué)分析角度證明了此種曲線，并從動(dòng)力學(xué)角度分析了采用蛇形曲線的蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 。 蜿蜒運(yùn)動(dòng)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(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 27 式中 ? —— 幅值角 (rad)； b —— 比例常數(shù) (rad/m)； s —— 蛇形曲線長(zhǎng)度 (m) 公式 (31)對(duì) s 積分得沿曲線角度的表達(dá)式 ( ) co s( )s b s??? （ 32） 根據(jù)（ 320 公式，蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)角 為 ( ) ( ) 2 s i n ( ) s i n ( )s l s l b l b s? ? ? ?? ? ? ? ? ? (33) 式中 2l —— 蛇形機(jī)器人的單元長(zhǎng)度 將上式改寫成各個(gè)關(guān)節(jié)角關(guān)于時(shí)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(gè)關(guān)節(jié)； t—— 時(shí)間； n—— 為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)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(jìn)方向，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，蛇頭是始終指 向運(yùn)動(dòng)波形前進(jìn)方向 (如圖 所示 )。根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)的周期變化，可 以推導(dǎo)出蛇頭關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的函數(shù)為 ： ?h=?θ (s) = ?α cos(bs) (35) 寫成時(shí)間的函數(shù)為 ： 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 (