小型桌面娛樂機(jī)器人的開發(fā)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)專業(yè)

1、第 II 頁 共 IV頁 摘 要隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，服務(wù)機(jī)器人越來越多地走進(jìn)人們的生活，其中，娛樂桌面機(jī)器人成為發(fā)展的熱點(diǎn)。當(dāng)前，娛樂桌面機(jī)器人功能廣泛，但是仍存在自身動(dòng)力設(shè)計(jì)不足和動(dòng)作交互不足的結(jié)構(gòu)性問題，影響了消費(fèi)者的感官體驗(yàn)。針對上述問題，本文對娛樂桌面機(jī)器人的功能進(jìn)行分析，對機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)做出了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了自身的適應(yīng)性。本文將娛樂桌面機(jī)器人分為了頭部結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)和行走結(jié)構(gòu)三部分。在頭部結(jié)構(gòu)中，采用齒輪傳動(dòng)的動(dòng)力設(shè)計(jì)，將機(jī)器人頭部的旋轉(zhuǎn)角度擴(kuò)展至360，以便后期的選擇多種角度旋轉(zhuǎn)。手臂結(jié)構(gòu)采用了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，用電機(jī)帶動(dòng)曲柄實(shí)現(xiàn)搖桿按照一定角度擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂的上下?lián)u擺，

2、使機(jī)器人的人機(jī)動(dòng)作交互更為廣泛。在行走機(jī)構(gòu)上，采用了三個(gè)全向輪沿圓周均布的方法，通過該方式，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)全方位的自由移動(dòng)，增加了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間。在設(shè)計(jì)過程中，對齒輪傳動(dòng)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪軸進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，并對傳動(dòng)方式進(jìn)行了驗(yàn)證和校核。最后利用SolidWorks和CAD等繪圖軟件完成了三維和二維模型的構(gòu)建。關(guān)鍵詞：娛樂桌面機(jī)器人；頭部結(jié)構(gòu)；曲柄搖桿；全向輪；三維軟件AbstractWith the advancement of robot technology, service robots are increasingly entering peoples lives. Among t

3、hem, entertainment desktop robots have become a hot spot for development. At present, entertainment desktop robots have a wide range of functions, but there are still structural problems of insufficient power design and insufficient motion interaction, which affects the sensory experience of consume

4、rs. In view of the above problems, this paper analyzes the functions of the entertainment desktop robot, and improves the design of the typical structure of the robot to improve its adaptability.In this paper, the entertainment desktop robot is divided into three parts: head structure, arm structure

5、 and walking structure. In the head structure, the geared power design is used to extend the rotation angle of the robot head to 360 for later rotation at various angles. The arm structure adopts a crank rocker mechanism, and the crank is driven by the motor to realize the rocker swinging at a certa

6、in angle, thereby realizing the swinging of the robot arm up and down, so that the human-machine interaction of the robot is more extensive. In the walking mechanism, three universal wheels are uniformly distributed along the circumference. By this method, the robot can realize all-round free moveme

7、nt and increase the movement space of the robot. In the design process, the gear drive, crank rocker mechanism and gear shaft were designed and the transmission mode was verified and checked. Finally, the construction of 3D and 2D models was completed using drawing software such as SolidWorks and CA

8、D.Keywords: Entertainment desktop robot; head structure; crank rocker; universal wheel; 3D software II第 26 頁 共 27 頁 引言機(jī)器人技術(shù)是國家科技實(shí)力的重要體現(xiàn)，尤其在當(dāng)前以人工智能、機(jī)器人技術(shù)等為代表的前沿科技成為各國競爭的重要領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人的成功應(yīng)用極大提高了社會(huì)的生產(chǎn)力，促進(jìn)了制造業(yè)的快速發(fā)展。與之對應(yīng)的服務(wù)機(jī)器人也隨之技術(shù)的進(jìn)步逐漸走進(jìn)人們的生活，常見的掃地機(jī)器人、教育機(jī)器人等，可以說在服務(wù)機(jī)器人的大家庭里面，面向不同功能的機(jī)器人種類繁多，且功能先進(jìn)。在眾多服務(wù)機(jī)器人類型中，

9、以小型娛樂桌面機(jī)器人為代表的智能化產(chǎn)品受到了人們的熱烈歡迎，對其產(chǎn)品的開發(fā)成為當(dāng)下的熱點(diǎn)。然而，通過對當(dāng)前娛樂桌面機(jī)器人進(jìn)行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，相關(guān)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上仍存在動(dòng)力設(shè)計(jì)不足和動(dòng)作交互不足等問題，影響了人們的產(chǎn)品體驗(yàn)。本文從小型娛樂桌面機(jī)器人的功能出發(fā)，將機(jī)器人分為了頭部結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。頭部主要安裝的有與人交互的交互屏，將設(shè)計(jì)的頭部旋轉(zhuǎn)角度放大至360，此舉是為了剛好的適用多種不同的場景，在動(dòng)力設(shè)計(jì)上采用了傳統(tǒng)的直齒齒輪傳動(dòng)，通過電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頭部的旋轉(zhuǎn)。在手臂結(jié)構(gòu)上，其主要完成上下一定角度的擺動(dòng)，為此，采用了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的方式。在曲柄處布置電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)曲柄做周轉(zhuǎn)，對應(yīng)

10、搖桿則按照一定角度擺動(dòng)，再通過將搖桿設(shè)計(jì)為特定形狀實(shí)現(xiàn)固連手臂的上下擺動(dòng)。機(jī)器人的行走歷來是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，本文調(diào)研了多種運(yùn)動(dòng)形式，考慮到機(jī)器人的全方位移動(dòng)，將行走方式選擇為三個(gè)全向輪沿圓周均布的方案，這樣通過控制電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速就可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動(dòng)，具有良好的實(shí)用性能。在對具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，本文綜合利用了四年來所學(xué)的專業(yè)知識，主要有：工程力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、材料學(xué)等理論。先通過理論計(jì)算得到基礎(chǔ)參數(shù)，又通過軟件等工具對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證改進(jìn)。在對相關(guān)參數(shù)的選型中，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，參考了大量的設(shè)計(jì)手冊和經(jīng)驗(yàn)公式。并對齒輪、四桿機(jī)構(gòu)、齒輪軸做了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)，充分鍛煉了綜合能力。1

11、緒論1.1 選題的意義和目的目前，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)作為新興產(chǎn)業(yè)的代表得到了長足的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。從應(yīng)用角度來說，機(jī)器人主要分為工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人兩類，其中工業(yè)機(jī)器人相對服務(wù)機(jī)器人來說開展的技術(shù)研究較早，從市場的占比來看也主要集中在上下料的搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人和焊接機(jī)器人等?？偟膩碚f，工業(yè)機(jī)器人在提升我國制造業(yè)智能化水平的過程中依然發(fā)揮著不可替代的作用。服務(wù)機(jī)器人是相對于工業(yè)機(jī)器人而言的，其主要應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ?。隨著老齡化的不斷加重，老齡服務(wù)不斷上升，再受到計(jì)劃生育的影響，年輕人的數(shù)量減少，常常出現(xiàn)一對年輕人贍養(yǎng)四個(gè)老人的情況。生活的壓力迫使年輕人花更多的精力

12、投身于工作，家務(wù)無暇打理，人力成本的上漲促使服務(wù)機(jī)器人行業(yè)快速發(fā)展。盡管服務(wù)機(jī)器人在近些年才逐漸走進(jìn)人們的視野，但增長速度較快。具統(tǒng)計(jì)，2018年我國服務(wù)機(jī)器人的市場規(guī)模已達(dá)到13.2億美元，且保持著年均20%以上的增長率，且種類豐富。依據(jù)應(yīng)用的不同，服務(wù)機(jī)器人大體上可分為娛樂機(jī)器人、清潔機(jī)器人、教育機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人和安防機(jī)器人等。但就社會(huì)滲透率來說，我國的服務(wù)機(jī)器人較發(fā)達(dá)國家存在較大差異，主要是因?yàn)榧夹g(shù)不成熟，產(chǎn)品體驗(yàn)度差等。作為一個(gè)發(fā)展中的新興行業(yè)，服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展仍處于初級階段，但具有很大的潛力。在服務(wù)機(jī)器人的眾多類型中，娛樂機(jī)器人占據(jù)著不可或缺的地位。顧名思義，娛樂機(jī)器人主要指具有娛

13、樂功能的機(jī)器人類型，其特點(diǎn)為體積較小，控制較為簡單，常在桌面上的居多，針對對象大多為兒童。因此，娛樂桌面機(jī)器人又被稱為孩子手中的“掌中寶”。在現(xiàn)代的家庭生活中，父母對孩子的陪伴常常不足，加上工作的繁重，很難抽出時(shí)間陪孩子娛樂，為此市場的需求促進(jìn)了娛樂機(jī)器人的快速發(fā)展。就設(shè)計(jì)上來說，娛樂機(jī)器人不同于以往的玩具，它常常具有了人的形態(tài)、感知甚至情感。在知識儲備、兒童心理掌握、游戲體驗(yàn)等方面娛樂機(jī)器人可與人類媲美。雖然不能替代父母的地位，但為孩子的健康成長和學(xué)習(xí)做出了一定的貢獻(xiàn)，同時(shí)也減輕了父母的壓力。娛樂桌面機(jī)器人盡管在人們的生活中發(fā)揮著重要作用，但目前國內(nèi)的產(chǎn)品尚存在很多不足，因此本文從實(shí)際的需求

14、出發(fā)，對娛樂桌面機(jī)器人的頭部、手部和底部進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了機(jī)器人的功能，提升了性能。1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀國外對服務(wù)機(jī)器人的研究較早，其最成功的娛樂桌面機(jī)器人莫過于丹麥樂高公司推出了一系列樂高機(jī)器人，截止到目前，最新的樂高機(jī)器人為2013年推出的LEGO MINDSTORMS EV3，如圖1.1所示。樂高機(jī)器人融合了電機(jī)、傳感器、齒輪、輪軸、插銷等部件，其最大的特點(diǎn)為自主拼接和拆卸。讓孩子在自主的過程中學(xué)習(xí)機(jī)器人的相關(guān)知識，激發(fā)對機(jī)器人的興趣和熱情，近些年推出了樂高機(jī)器人編程一度掀起學(xué)習(xí)機(jī)器人編程的熱潮。除了美國之外，日本也是公認(rèn)的機(jī)器人大國，索尼公司在最近的推出了最新款自主型娛樂機(jī)器人aib

15、o，如圖1.2所示。除了在本國銷售2萬余臺，aibo已于2018年8月進(jìn)軍美國市場。該款?yuàn)蕵窓C(jī)器人最大的特色是已經(jīng)融入了人工智能，它可以根據(jù)主人的位置自主靠近，且能發(fā)出不同的叫聲。在視覺系統(tǒng)上，aibo也具有極好的性能，通過嵌入模式識別，能夠通過視覺圖像對主人的常規(guī)命令如“前進(jìn)”、“后退”等進(jìn)行識別。除此之外，它還具有自主充電功能，其原理為通過識別充電口的二維碼后進(jìn)行位姿的調(diào)整。 圖1.1 LEGO MINDSTORMS EV3 圖1.2 aibo相比國外，國內(nèi)的服務(wù)機(jī)器人發(fā)展起步較晚，但也取得了一定的突破。如大華樂橙小樂育兒機(jī)器人，如圖1.3所示。該款機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)較為呆萌，符合兒童的心理

16、，作為典型的陪伴機(jī)器人，小樂機(jī)器人具有豐富的功能。主要有自然的交互系統(tǒng)，包含了語音互動(dòng)、視頻互動(dòng)和行為互動(dòng)，其中在語義的識別上能做到精準(zhǔn)辨識、反應(yīng)快速且無頓挫；可以即時(shí)傳送高清視頻，家長可通過它進(jìn)行語音撥話、視頻留言等功能；增加的傳感器能精準(zhǔn)地捕捉觸摸，進(jìn)行命令的識別，具有良好的行為動(dòng)作。除此之外，還具有當(dāng)前最前沿的機(jī)器人技術(shù)，人自動(dòng)抓拍、智能提醒、人臉識別、遠(yuǎn)程操控等功能，能有效地拉近家長與孩子的距離，增進(jìn)家人間的聯(lián)動(dòng)。另外在2016年的央視春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)上，出現(xiàn)了數(shù)百個(gè)機(jī)器人齊舞的畫面，這是機(jī)器人就是來自國內(nèi)優(yōu)必選公司的Alpha 機(jī)器人，如圖1.4所示。Alpha為一款仿人型的機(jī)器人，作為

17、一款仿人型的機(jī)器人，Alpha具有了人類的明顯特征，手眼腳等肢體的設(shè)計(jì)較為直觀，其高度僅為40厘米，是典型的桌面服務(wù)機(jī)器人。它最大的特點(diǎn)在于手腳共計(jì)16個(gè)舵機(jī)，通過對這些舵機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的人形動(dòng)作，如走路、跳舞、踢球等。這種方式雖然能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作，但無疑降低了機(jī)器人本身的行走速度。此外，Alpha仍具有較強(qiáng)的交互功能，依托于復(fù)雜行為的動(dòng)作交互吸引了不少人的眼光，在語音識別上，能和人類做的輕松交談。為突出機(jī)器人編程的重要性，Alpha也推出了相關(guān)的機(jī)器人編程教學(xué)，讓兒童邊玩邊學(xué)，這也是其一重要特色。 圖1.4 小樂機(jī)器人 圖1.5 Alpha此外還有北京進(jìn)化者推出的小胖機(jī)器人，改款機(jī)器人不僅具

18、備了娛樂交互等功能，還具有投影功能。小勇機(jī)器人也是作為兒童娛樂機(jī)器人的代表，其同樣具有投影交互功能。1.3 存在問題從國內(nèi)外的現(xiàn)狀可以看出，我國的娛樂桌面機(jī)器人與國外相比存在較大差異。從功能來說，國外的產(chǎn)品側(cè)重技術(shù)的應(yīng)用和編程技術(shù)的培養(yǎng)；國內(nèi)的產(chǎn)品種類豐富，針對性強(qiáng)，融合的功能較多，特別在交互方面具有明顯的優(yōu)勢。與此同時(shí)國內(nèi)的娛樂桌面機(jī)器人仍存在很多不足：（1） 動(dòng)力設(shè)計(jì)不足娛樂桌面機(jī)器人在動(dòng)力設(shè)計(jì)上的差異較大，有的機(jī)器人沒有動(dòng)力裝置，和手動(dòng)玩具類似，使用者是通過自由扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作，這種方式降低了機(jī)器人本身的智能化水平，影響了客戶體驗(yàn)舒適度。履帶式的動(dòng)力設(shè)計(jì)也暴露出明顯的不足，在應(yīng)用于桌面

19、的情況下，履帶的使用不但嚴(yán)重影響了機(jī)器人的行進(jìn)速度，也降低了其動(dòng)作反應(yīng)，同時(shí)還有可能對桌面造成一定程度的損害，且從動(dòng)力的角度考慮，履帶所需扭矩較大，對電機(jī)的功率需求較高，增加了機(jī)器人的負(fù)擔(dān)。在仿人的娛樂機(jī)器人上，設(shè)計(jì)者模擬出人體雙腿的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，這種設(shè)計(jì)雖然做到了仿生，但是使機(jī)器人效率大大降低，主要體現(xiàn)在機(jī)器人對命令反應(yīng)過慢，系統(tǒng)卡頓，大大提高了控制的難度。且仿人機(jī)器人自身的平衡性難以實(shí)現(xiàn)，通常都是采用降低重心的方式，即給機(jī)器人安裝一個(gè)較大的鞋，這種方式對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求較高，增加了損耗，影響了美觀。（2） 動(dòng)作交互不足娛樂桌面機(jī)器人另一突出問題表現(xiàn)在動(dòng)作交互設(shè)計(jì)不足，主要指的是機(jī)器人本身的一些部

20、件缺乏動(dòng)力，降低了客戶體驗(yàn)。當(dāng)前大多數(shù)機(jī)器人的手臂部分的設(shè)計(jì)基本采用了無動(dòng)力設(shè)計(jì)，即手臂只是作為外表裝飾，并沒有得到實(shí)際的運(yùn)用，較為好一點(diǎn)的改進(jìn)是在機(jī)器人手臂部分裝上照明燈，通過配以不同的顏色實(shí)現(xiàn)機(jī)器的交互設(shè)計(jì)，但這本身對機(jī)器人的改進(jìn)并不大。除此之外，動(dòng)作交互不足還體現(xiàn)在機(jī)器人的頭部設(shè)計(jì)，當(dāng)前大多數(shù)機(jī)器人太注重對系統(tǒng)性能的提升，忽略了自身結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，頭部普遍采用的方式也是無動(dòng)力設(shè)計(jì)，頭部與手部一樣處于死動(dòng)作，不能做出一定程度的旋轉(zhuǎn)。盡管這種設(shè)計(jì)有效增強(qiáng)機(jī)器人的使用壽命，然而卻影響到其所具備的靈活性，減少機(jī)器人與人的交互程度。針對上述問題，本文的從結(jié)構(gòu)上對機(jī)器人的動(dòng)力設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)，

21、在機(jī)器人的底部改進(jìn)了動(dòng)力設(shè)計(jì)，利用了輪式傳動(dòng)。在手部結(jié)合四桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了可以擺動(dòng)的手臂，在頭部上，也加入了動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自由旋轉(zhuǎn)。2 小型娛樂桌面機(jī)器人總體設(shè)計(jì)若基于現(xiàn)存的全球機(jī)器人產(chǎn)品而言，其所涉及的技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。目前國娛樂桌面機(jī)器人剛剛起步，就調(diào)查研究的結(jié)果來看，本次娛樂桌面機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮動(dòng)力系統(tǒng)和交互界面的設(shè)計(jì)。但就應(yīng)用的角度來考慮，該機(jī)器人主要面向少年兒童，還應(yīng)考慮其小型化、安全性和靈活性等問題。因此綜合考慮多方面的問題，本文的娛樂桌面機(jī)器人的總體方案如圖2.1所示：行走結(jié)構(gòu)手臂結(jié)構(gòu)頭部結(jié)構(gòu)圖2.1 小型娛樂桌面機(jī)器人總體方案就調(diào)研情況來看，

22、仿人的設(shè)計(jì)為當(dāng)前小型娛樂桌面機(jī)器人的主流，其原因是更容易被少年兒童接受。因此本文在機(jī)器人在外形上也做了仿人設(shè)計(jì)。機(jī)器人的主要由頭部結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)和行走結(jié)構(gòu)組成。下面結(jié)合機(jī)器人的整體功能對三大結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和闡述。1、 頭部旋轉(zhuǎn)頭部旋轉(zhuǎn)是仿人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)正常人類頭部旋轉(zhuǎn)的角度從左至右的極限一般是180-210，因此本文機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度也可達(dá)到此范圍內(nèi)。2、 手臂擺動(dòng)手臂擺動(dòng)的設(shè)計(jì)是對少年兒童的常規(guī)擺臂行為的模仿，該部分功能也被用作與人交互?？紤]到機(jī)器人的安全性，手臂被設(shè)計(jì)為光滑的曲面，避免劃傷小朋友。同時(shí)手臂可自由拆卸，小朋友可根據(jù)提供的材料拼接自己喜歡的手臂形式，均可安裝到身體上，在玩耍

23、的同時(shí)培養(yǎng)了他們的動(dòng)手能力。3、 自由行走機(jī)器人的自由行走一直是機(jī)器人技術(shù)的核心，根據(jù)人類行走的動(dòng)作，本文的機(jī)器人可以滿足正常的直線行走和轉(zhuǎn)彎。除此之外，還可以通過控制電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)360全方位的移動(dòng)，就該方面而言，本文機(jī)器人比人類具有一定的優(yōu)勢，全自由度的運(yùn)動(dòng)為機(jī)器人提供更大的運(yùn)動(dòng)空間，同時(shí)也增強(qiáng)了機(jī)器人的娛樂性。4、 人機(jī)交互當(dāng)前娛樂機(jī)器人最明顯的特征在于人機(jī)交互，常見的語音識別、人臉識別、機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)等等，再加之最熱的人工智能，無一不體現(xiàn)出人機(jī)交互，與人共融的理念。因此本文的娛樂桌面機(jī)器人也具有人機(jī)交互的功能，除了配以交互屏之外，手臂、頭部結(jié)構(gòu)也可隨著需要進(jìn)行交互配合，增加更

24、強(qiáng)的交互性。2.1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)小型娛樂桌面機(jī)器人的作業(yè)必須滿足一定的參數(shù)需求，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本文機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2-1所示：表2-1 小型娛樂桌面機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)機(jī)器人指標(biāo)重量（kg）高度（mm）速度（m/s）移動(dòng)方位（）參數(shù)204000.2360就機(jī)器人的總體參數(shù)來說，基本滿足其應(yīng)用需求。因此在設(shè)計(jì)原則的確立上要圍繞具體參數(shù)展開。在重量上注意不使用密度較高的材料，如鋼材等。經(jīng)過調(diào)查研究，現(xiàn)在機(jī)器人一般的部件設(shè)計(jì)都采用了鋁制材料，其目的正是為了減重。在滿足機(jī)器人高度需求時(shí)，需求格外注意各部分結(jié)構(gòu)之間的比例分配，避免出現(xiàn)頭重腳輕，重心不穩(wěn)的情形，防止在行走的過程中出現(xiàn)傾倒。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度是

25、設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，常見的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度在0.7m/s左右，本文的速度參數(shù)遠(yuǎn)小于一般速度，主要考慮到應(yīng)用環(huán)境為桌面。因此在設(shè)計(jì)過程中需要重要考慮電機(jī)的設(shè)計(jì)，當(dāng)前常規(guī)電機(jī)普遍轉(zhuǎn)速太高，因此可考慮使用減速電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。移動(dòng)的方位要求是360全向移動(dòng)，經(jīng)過調(diào)查研究，采用的形式為麥克納姆輪居多，且使用大多是成對使用?？紤]到本文的小型化的需求，行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的空間限制，因此可考慮采用全向輪的方式。另外，機(jī)器人的安全性要求，機(jī)器人外觀可設(shè)計(jì)為光滑的曲面。2.1.1頭部結(jié)構(gòu)由上述的功能分析可知，頭部結(jié)構(gòu)主要完成一定范圍內(nèi)的角度旋轉(zhuǎn)。在角度上的選擇上本文采用了放大設(shè)計(jì)，即將角度設(shè)計(jì)為360，設(shè)計(jì)較大

26、的范圍需求是根據(jù)控制系統(tǒng)的需要靈活做出改變。當(dāng)選擇恰當(dāng)適宜傳動(dòng)方式的過程中，如果基于傳力方式進(jìn)行細(xì)分，則將能夠細(xì)分為兩類，其中涵蓋摩擦傳動(dòng)，除此之外，還涉及嚙合傳動(dòng)。在這之中，摩擦傳動(dòng)還可進(jìn)行細(xì)分，其中包含摩擦輪傳動(dòng)，與此同時(shí)，還包含帶傳動(dòng)。值得一提的是，嚙合傳動(dòng)也可進(jìn)行細(xì)分，其中重點(diǎn)涵蓋齒輪傳動(dòng)以及相應(yīng)的鏈傳動(dòng)等；一般情況下，皮帶傳動(dòng)可用于兩軸中心距離較大的傳動(dòng)，不僅實(shí)際結(jié)構(gòu)相對簡單，而且便于進(jìn)行后期維護(hù)。然而，卻可能頻繁發(fā)生打滑現(xiàn)象，無法有效保障良好的傳動(dòng)比，在頭部旋轉(zhuǎn)角度的精準(zhǔn)控制中是不合適的。且皮帶壽命較短，不利于維護(hù)。鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)較帶傳動(dòng)有較精準(zhǔn)的傳動(dòng)比，但是鏈條磨損后，鏈節(jié)變長，容易產(chǎn)

27、生脫鏈現(xiàn)象。蝸輪蝸桿傳動(dòng)相對平穩(wěn)，但是效率低下，發(fā)熱較多，增加電機(jī)的功率不利于節(jié)能。相比前幾種方式，齒輪傳動(dòng)能保證傳動(dòng)比穩(wěn)定不變，能傳遞很大的動(dòng)力，制造和安裝的精度要求較高且結(jié)構(gòu)緊湊、效率高比較適合用在傳動(dòng)距離較小的地方。因此頭部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)為齒輪傳動(dòng)，如圖2-2所示：經(jīng)計(jì)算該結(jié)構(gòu)的自由度為1。圖2-2 齒輪傳動(dòng)2.1.2手臂結(jié)構(gòu)手臂結(jié)構(gòu)由功能可知主要完成一定角度的擺動(dòng)，對于角度的實(shí)現(xiàn)由機(jī)械原理可知有多種實(shí)現(xiàn)方式，最為常見的為連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)可以滿足一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡，且轉(zhuǎn)速和效率要求不高，滿足手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)型式為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，其他型式均可由它做出擴(kuò)展，主要有曲

28、柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。而通過改變四桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)件形狀、尺寸、運(yùn)動(dòng)副等元素可設(shè)計(jì)出滿足需要的機(jī)構(gòu)。因此考慮到本文需求，選定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為手臂結(jié)構(gòu)的方案。如圖2-3所示，經(jīng)計(jì)算該機(jī)構(gòu)的自由度為1。圖2-3 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)2.1.3行走結(jié)構(gòu)全向移動(dòng)結(jié)構(gòu)的基本含義為：某特定的移動(dòng)機(jī)構(gòu)將能基于地面，向各個(gè)方位隨心所欲的移動(dòng)。此類結(jié)構(gòu)通常以某特定的輪子為基準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般情況下，該機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向輪主要表現(xiàn)為麥克納姆輪等。正是由于其設(shè)計(jì)的特殊性，故而即使在橫向移動(dòng)的過程中，也可以和地面維持良好的滾動(dòng)摩擦，從而切實(shí)降低服務(wù)機(jī)器人，在正常移動(dòng)過程中所面臨的阻力。通常情況下，全向移動(dòng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中的任意輪子，

29、僅需直接安裝某特定驅(qū)動(dòng)，即可切實(shí)滿足服務(wù)機(jī)器人基于有限范圍內(nèi)的靈活運(yùn)行。與此同時(shí)，其實(shí)際控制過程相對簡單，并且運(yùn)行過程極富穩(wěn)定性，以及尤其顯著的可靠性。如果基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度來看，可進(jìn)行360移動(dòng)的底層輪子機(jī)構(gòu)，通常涵蓋全向輪結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的球輪結(jié)構(gòu)等。在這之中，全向輪結(jié)構(gòu)還可進(jìn)行細(xì)分，其中包含轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，此外還涉及到行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。需要注意的是，全向輪結(jié)構(gòu)若獨(dú)立使用，則往往極為靈活，并且不容易進(jìn)行控制。與此同時(shí)，麥克納姆輪結(jié)構(gòu)一般借助于主動(dòng)輪盤以及相應(yīng)的從動(dòng)小輪作用，來達(dá)到360移動(dòng)的效果。然而，其所應(yīng)滿足的徑向尺寸過大，并且不含有尤其顯著的承載能力。相比之下，可實(shí)現(xiàn)雙排連續(xù)切換的某特定全向輪

30、結(jié)構(gòu)，往往可以承載相對較高的徑向力，并且實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程顯得尤其靈活?，F(xiàn)就常用的麥克納姆輪和全向輪方式進(jìn)行深入的對比分析。方案一：麥克納姆輪圖2-4 麥克納姆輪麥克納姆輪如圖2-4所示，其實(shí)則以某含有若干輪軸的中心輪為基礎(chǔ)，將這些輪軸所涉及的局部機(jī)輪轉(zhuǎn)向力，均盡數(shù)轉(zhuǎn)移至某特定的機(jī)輪法向力當(dāng)中。一般情況下，這種機(jī)構(gòu)廣泛適用于四輪對稱排布結(jié)構(gòu)。從本質(zhì)上而言，若想切實(shí)滿足系統(tǒng)所提出的驅(qū)動(dòng)性能要求，則相關(guān)結(jié)構(gòu)必須含有下述基本條件:若將其當(dāng)做為服務(wù)機(jī)器人的組成部分，則底盤結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)該滿足基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求，并且系統(tǒng)還需含有尤為顯著的控制性能以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)性能。為盡可能降低輪子制造過程所耗費(fèi)的經(jīng)濟(jì)成本，并使其愈

31、加合理性。全體麥輪輥?zhàn)铀婕暗钠媒牵柙O(shè)定為完全一致的數(shù)值，還應(yīng)秉持對稱設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。在此安裝過程中，應(yīng)當(dāng)遵循正反安裝的標(biāo)準(zhǔn)，并借助于四個(gè)輪子的作用進(jìn)行布局，以此來保持結(jié)構(gòu)的良好穩(wěn)定性。一般情況下，麥克納姆輪所表現(xiàn)出的對稱布置，基本結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖2-5?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)所應(yīng)滿足的基礎(chǔ)條件進(jìn)行深入計(jì)算，可以獲得圖a，b，d結(jié)構(gòu)所涉及的雅克比矩陣秩R=3。此外，從驅(qū)動(dòng)性能的角度來看，如果采用a，則一旦四個(gè)輪表現(xiàn)為正方形布局，與此同時(shí)，輥?zhàn)悠媒潜M數(shù)設(shè)定為45的情況下，系統(tǒng)必將無法發(fā)揮出定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的基本性能。值得一提的是，如果采用d，則該布局將無法使得結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相對良好的驅(qū)動(dòng)性能，這是由于，若順著x

32、，y方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，則必將存在兩個(gè)輪子，發(fā)揮著驅(qū)動(dòng)輪的效果，而另兩個(gè)則發(fā)揮出從動(dòng)輪的功能。在此情況下，服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程將會(huì)受到顯著掣肘。由此得知，d系統(tǒng)所含有的驅(qū)動(dòng)效果并不良好。綜上所述，經(jīng)由綜合考量得知，b系統(tǒng)所表現(xiàn)出的布局形式最佳，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)360移動(dòng)，而且所涉及到的四個(gè)輪子均為驅(qū)動(dòng)輪，可完全滿足運(yùn)動(dòng)可行性以及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)性能的根本需求。圖2-5 六種常見麥克納姆輪布置圖方案二、全向輪圖 2-6 全向輪詳見圖2-6，基于多樣化移動(dòng)平臺所涉及的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，將能得知，假設(shè)在機(jī)器人系統(tǒng)所積極構(gòu)建出的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)雅克比矩陣R當(dāng)中的列，無法切實(shí)滿足秩的情況下，系統(tǒng)必會(huì)出現(xiàn)奇異位形，從而切實(shí)降低現(xiàn)有的運(yùn)

33、動(dòng)自由度。故而滿秩條件尤其重要。除此之外，機(jī)器人還能借助于三個(gè)全向輪共同作用，來進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)，從而切實(shí)滿足商場以及會(huì)議室等相關(guān)有限范圍內(nèi)的基本作業(yè)需求。值得一提的是，全向輪所涉及的布置方式趨于多樣化，詳見圖2-7：圖2-7 全向輪的布置方式詳見上圖，四類基本方式均能使得移動(dòng)底盤保持移動(dòng)，僅僅在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型方程的選擇上存在差異性。然而，當(dāng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的過程中，由于全向輪自身的基礎(chǔ)構(gòu)造不盡相同，再加上電機(jī)功率的日常消耗也存在一定的差異性，故而上述方案所含有的工作效率并不一致，詳細(xì)如下：（1）如果絕大多數(shù)移動(dòng)底盤均進(jìn)行前進(jìn)操作以及后退操作，則前兩個(gè)方案較為優(yōu)良，這是由于，前兩個(gè)方案在前后移動(dòng)的過程中

34、，僅需運(yùn)用到兩個(gè)電機(jī)，功耗不大；（2）如果絕大多數(shù)移動(dòng)底盤均進(jìn)行向左操作以及向右操作，則前C方案較為優(yōu)良，這是由于，C方案在左右移動(dòng)的過程中，僅需運(yùn)用到兩個(gè)電機(jī)，功耗不大；慮到輪子的構(gòu)造和功率消耗，常常選用A方案。三、方案對比無論采用麥克納姆輪還是全向輪均能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全向移動(dòng)。但是麥克納姆輪需要成對使用，這無疑增加了機(jī)器人的所需的空間。而在小型化的桌面機(jī)器人設(shè)計(jì)中，內(nèi)部空間是極其有限的，所以本文優(yōu)先選擇采用全向輪結(jié)構(gòu)。如圖2-8所示的全向輪布置。圖中，機(jī)器人底盤為圓形結(jié)構(gòu)，并且三個(gè)輪子彼此之間均間隔剛好120。機(jī)器人不僅能夠順著輪面切線進(jìn)行移動(dòng)，而且能夠順著輪子軸線進(jìn)行移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)360移

35、動(dòng)。圖 2-8 全向輪布置結(jié)構(gòu)首先，將XOY設(shè)定為世界坐標(biāo)系，并且將Va、Vb、Vc依次設(shè)定為全向輪線速度；與此同時(shí)，將Vx，Vy依次設(shè)定為以車體中心為基準(zhǔn)，而表現(xiàn)出的移動(dòng)底盤線速度等。將自轉(zhuǎn)角速度Z設(shè)定為，在此之后，即可基于三輪全向移動(dòng)底盤所表現(xiàn)出的多樣化運(yùn)動(dòng)特性，來針對車體當(dāng)中各個(gè)輪子所蘊(yùn)含的中心速度，進(jìn)行相對深入的細(xì)致分析。經(jīng)過推導(dǎo)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度與各個(gè)輪之間的關(guān)系如下式所示： （2.1）2.2 電機(jī)選型通常情況下，直流減速電機(jī)也被人們稱之為齒輪減速電機(jī)，其旨在基于常規(guī)的直流電機(jī)，輔以性能優(yōu)良的齒輪減速箱而形成。其所含有的優(yōu)勢大致如下：1、其蘊(yùn)含著尤為顯著的科技含量；2、其能夠有效節(jié)約

36、本就有限的空間，含有相對較高的可靠性，過載能力良好。3、其所耗費(fèi)的功率不高，并且整體性能尤為良好；4、其振蕩很小，噪音分貝不高，極富節(jié)能特性；5、其中所涉及的包管，表現(xiàn)出尤為良好的定位精度，故而將可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；6、其將能進(jìn)行科學(xué)合理的模塊化設(shè)計(jì)，故而在當(dāng)前時(shí)期，逐步獲得相對廣泛的實(shí)際應(yīng)用。與此同時(shí)，其還能針對多樣化電機(jī)以及相應(yīng)的布局計(jì)劃，進(jìn)行科學(xué)組合，從而選用恰當(dāng)適宜的布局方式。在本文的設(shè)計(jì)中，電機(jī)所需扭矩較小，且機(jī)器人速度要求較低，因此采用直流減速電機(jī)滿足設(shè)計(jì)需要。由式2.1所知，當(dāng)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)移動(dòng)時(shí)需要三個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，而進(jìn)行直線行走時(shí)只需要兩個(gè)電機(jī)。因此在對電機(jī)選型時(shí)可按照電機(jī)最大負(fù)載

37、情況下，即進(jìn)行直線行走時(shí)的情況。根據(jù)娛樂桌面機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，可知機(jī)器人最大載荷為20kg，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為=0.15，最大移動(dòng)速度為0.2m/s，可爬升最大斜面傾角為10。在此之后，本文決定將移動(dòng)平臺承載的相應(yīng)摩擦力設(shè)定為f，將電機(jī)所需滿足的最大牽引力設(shè)定為F。通過牛頓第二定律，將能得知：機(jī)器人應(yīng)當(dāng)滿足的總功率如下：P=FV=19W （2-2）若僅存在兩個(gè)電機(jī)正常工作，則單個(gè)電機(jī)應(yīng)當(dāng)滿足的實(shí)際功率如下： （2-3）若將齒輪傳動(dòng)過程中所表現(xiàn)出的工作效率設(shè)定為0.98，則在此情況下，單個(gè)電機(jī)應(yīng)當(dāng)滿足的實(shí)際功率如下： （2-4）水平方向電機(jī)移動(dòng)過程中，所應(yīng)滿足的力矩如下： （2-5）電機(jī)在上坡過程中

38、，所應(yīng)滿足的力矩如下： （2-6）結(jié)合公式2.1，每個(gè)輪上的最大速度為0.14m/s則全向輪最大轉(zhuǎn)速n= （2-7） 根據(jù)上述參數(shù)，可選得直流減速電機(jī)型號為37GB520，其具體參數(shù)如表2-2所示，事實(shí)上，在頭部結(jié)構(gòu)中所需的轉(zhuǎn)速和扭矩均小于行走機(jī)構(gòu)，為簡化設(shè)計(jì)，在頭部結(jié)構(gòu)也選取同一型號的電機(jī)。表 2-2 電機(jī)參數(shù)選型 功率kw轉(zhuǎn)速r/min額定電流/A最大電流/A額定轉(zhuǎn)矩N.m最大轉(zhuǎn)矩N.m工作電壓V37GB5200.010500.170.680.82712該款電機(jī)的外部結(jié)構(gòu)如圖2-6所示：圖2-6 電機(jī)外形3 頭部結(jié)構(gòu)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)3.1 齒輪設(shè)計(jì)依據(jù)2.2.1的方案，本文機(jī)器人的頭部結(jié)構(gòu)采用

39、的是直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。在設(shè)計(jì)過程中要注意機(jī)器人內(nèi)部空間有限，在滿足需要的前提下盡可能縮小結(jié)果尺寸。頭部結(jié)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)，周轉(zhuǎn)速度為25r/min。依據(jù)選型的電機(jī)轉(zhuǎn)速為50r/min，可確定轉(zhuǎn)速比i為2，傳遞功率Pd為10w。根據(jù)式3-1可計(jì)算出頭部結(jié)構(gòu)傳遞轉(zhuǎn)矩T： （3-1）1、選擇齒輪精度等級。本文機(jī)器人為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用7級精度（GB 10095-88）2、選材與熱處理。該齒輪傳動(dòng)并未特殊要求，為制造方便，采用軟齒面，大小齒輪均用45鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度：217255HBS，大齒輪正火處理，齒面硬度：169217HBS。3、按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。該傳動(dòng)為閉式軟齒面

40、，主要失效形式為疲勞點(diǎn)蝕。故按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按照齒根彎曲強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)公式為： （3-2）（1）載荷系數(shù)K=1.3。（2）接觸疲勞許用應(yīng)力： （3-3）（3） 按照齒面硬度中間值查10-21d可知，小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度Hlim1=600MPa，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度Hlim2=550MPa。按照一年工作300天計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： （3-4） （3-5） 選取接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1，ZN2=1.08。按照一般可靠性要求，取SH=1。 （3-6） （3-7）取H=594MPa（4）計(jì)算小齒輪的分度圓直徑，查表10-7可得，小齒輪為懸臂布置取齒寬系數(shù)為d=0.35，ZH=2.5。由表

41、10-6可知，ZE=189.8MPa1/2代入公式可得： （3-8）取d=30mm。（5）計(jì)算圓周速度 （3-10）4、確定主要參數(shù)（1）齒數(shù)，Z1=30，則Z2=30*2=60。（2）模數(shù)，m=d1/z1=30/30=1mm，正好是標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)第二系列上的數(shù)值（3）分度圓直徑，d1=z1m=301=30mm d2=z2m=601=60mm（4）中心距，a=(d1+d2)/2=45mm（5）齒寬，b1=dd1=0.3530=10.5mmb2=10.5+5=15.5mm5、校核彎曲疲勞強(qiáng)度（1）齒形系數(shù)YFS，查表10-5可得，YFS1=4.12，YFS2=3.98（2）彎曲疲勞許用應(yīng)力 （3-11

42、）按照齒面硬度中間值查圖10-20c得：Flim1=240MPa，F(xiàn)lim2=220MPa由圖10-18取得疲勞壽命系數(shù)YN1=1，YN2=1按照一般可靠性要求，取彎曲疲勞安全系數(shù)SF=1，那么： （3-12） （3-13）（3）校核計(jì)算 （3-14） （3-15）由此可得，設(shè)計(jì)出的齒輪彎曲強(qiáng)度完全滿足實(shí)際要求。3.2 齒輪的潤滑和維護(hù)對于齒輪傳動(dòng)過程而言，潤滑過程尤為關(guān)鍵。齒輪在傳遞能量時(shí)在某些時(shí)刻輪齒上的應(yīng)力集中在非常小的區(qū)域該區(qū)域上的作用力很大。如果輪齒直接接觸摩擦和磨損作用會(huì)很快使齒輪損壞。所以對于齒輪的潤滑，將能盡可能降低不必要的摩擦損失，并表現(xiàn)出顯著的防噪聲效果，還能有效增強(qiáng)既定的

43、使用壽命。通常情況下，齒輪潤滑主要借助于浸油潤滑及其噴油潤滑兩類基本方式。其中，前者適用于開式齒輪傳動(dòng)。當(dāng)借助于齒輪的作用，進(jìn)行正常傳動(dòng)的過程中，應(yīng)當(dāng)保持良好的穩(wěn)定性，盡可能規(guī)避出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。在齒輪的使用過程中，需要經(jīng)常檢查潤滑系統(tǒng)的情況，即在本小型娛樂桌面機(jī)器人的設(shè)計(jì)的過程中，要檢查潤滑油的油面高度等操作。油面過高過低都會(huì)產(chǎn)生不良的影響，對齒輪傳動(dòng)的效率以及齒輪嚙合傳動(dòng)的使用壽命都會(huì)極大降低。當(dāng)油面過高時(shí)會(huì)增加拌油功率的損失，油面過低則會(huì)導(dǎo)致齒輪潤滑不良。若采用壓力噴油潤滑系統(tǒng)時(shí)，還需要檢查油壓的情況，油壓過高過低都會(huì)對潤滑產(chǎn)生不利效果，需及時(shí)調(diào)整油壓，在進(jìn)行潤滑的過程中還應(yīng)該定期更換潤滑油

44、。除此之外，還應(yīng)時(shí)刻檢查多樣化齒輪的實(shí)際傳動(dòng)情況，例如：注意當(dāng)齒輪嚙合傳動(dòng)的時(shí)候是否會(huì)出現(xiàn)異常嚙合聲等。一旦發(fā)生裝配不一致等現(xiàn)象，將會(huì)造成齒輪失效，所以在檢測產(chǎn)品的過程中，進(jìn)行聲響檢測和定期的安全檢查是發(fā)現(xiàn)齒輪損傷的有效方法。4 手臂結(jié)構(gòu)四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿，一為曲柄，另一個(gè)為搖桿，則此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。如圖4-1所示，通常曲柄1為原動(dòng)件，并做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；而搖桿3為從動(dòng)件，作變速往復(fù)擺動(dòng)。圖 4-1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在上圖中，定義曲柄1的長度為l1，桿件2的長度為l2，搖桿3的長度為l3，基座AD的距離為l4。搖桿的擺角為，極位夾角為。在本文機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在

45、A處放置電機(jī)，所選的電機(jī)參數(shù)如表4-1所示：選型 功率w轉(zhuǎn)速r/min額定電流/A最大電流/A額定轉(zhuǎn)矩N.m工作電壓V25GA3702250.061.50.1812在設(shè)計(jì)過程中，依據(jù)托板高度和搖桿到外殼的距離選取了搖桿長度，即l3=25mm。搖桿擺角=35。一般機(jī)械的行程速比系數(shù)在12之間，因此取K=1.2。4.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在已知上述條件的情況下，開始相關(guān)桿長的計(jì)算，如圖4-2所示：圖4-2 計(jì)算過程1、計(jì)算極位夾角 （4.1）2、取任意一點(diǎn)D，做等腰三角形腰長為CD，做夾角為。3、做C1PC1C2，做C2P與C1C2的夾角為90-，使之相交于P。4、做PC1C2的外接圓，則點(diǎn)A必然在

46、此圓上。5、選定A點(diǎn)，曲柄為l1，連桿為l2，那么： （4.2） （4.3）那么： （4.4）6、以A為圓心，AC1為半徑作弧交于E，得 （4.5）經(jīng)計(jì)算，l1=7mm，l2=20mm，l3=25mm，l4=25mm。4.2 壓力角和傳動(dòng)角計(jì)算在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，壓力角通常指搖桿CD受力方向與運(yùn)動(dòng)方向的夾角，用表示。二連桿BC與CD所加的銳角稱為該位置時(shí)刻的傳動(dòng)角，用表示，它們之間是互余的關(guān)系。傳動(dòng)角的大小直接影響機(jī)構(gòu)的傳力大小，其是判斷機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。對機(jī)構(gòu)來說，傳動(dòng)角越大越好。由于在運(yùn)動(dòng)過程中傳動(dòng)角是變化的，因此為保證機(jī)構(gòu)的傳力性能，通常在設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)時(shí)對傳動(dòng)角有所限制。即壓力

47、角許用值=4050，由于本文的四桿機(jī)構(gòu)負(fù)載較小取下限=40。而設(shè)計(jì)的最小壓力角min通常大于等于許用值。對于本文的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，最小壓力角出現(xiàn)在主動(dòng)曲柄與機(jī)架共線的位置之一處，那么根據(jù)機(jī)械原理公式8-9a和8-10a可以計(jì)算本文曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的最小壓力角min。 （4.6） （4.7）通過計(jì)算可以得出，手臂結(jié)構(gòu)的最小壓力角min=45.4940，符號設(shè)計(jì)要求。5 行走結(jié)構(gòu)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)依據(jù)2.1.3的功能分析，本文娛樂桌面機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)采用的是三個(gè)全向輪120均布的方式，與此對應(yīng)的也有三個(gè)傳動(dòng)軸呈相同布置。在設(shè)計(jì)中，每個(gè)傳動(dòng)軸都有給它提供動(dòng)力的電機(jī)，其型號與參數(shù)與頭部結(jié)構(gòu)相同。在傳動(dòng)過程時(shí)，采用了直齒輪減速的方式，由于設(shè)計(jì)過程與頭部結(jié)構(gòu)類似，在此不再贅述。而傳動(dòng)軸作為動(dòng)力傳遞的媒介，其作用是不可小覷的，因此，在本節(jié)中重點(diǎn)說明傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)過程，為簡化裝配，行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸為配以齒輪的齒輪軸，依據(jù)需要，將該傳動(dòng)軸采用直軸的形式并選擇直軸的階梯軸。5.1 齒輪軸的設(shè)計(jì)1、計(jì)算軸的功率p、轉(zhuǎn)速n和扭矩T若齒輪傳動(dòng)的效率=0.97，那么經(jīng)過減速齒輪軸上的功率為： （5-1）式中，P為電機(jī)功率。齒輪軸的轉(zhuǎn)速為： （5-2） 式中，N為電機(jī)轉(zhuǎn)速，i為減速比。那么軸的扭矩T可以計(jì)算出： （5-3）2、求作用在軸上的力已知該軸上的齒輪分度圓直徑為： （5-4） 而周向力Ft、徑向力Fr