2017年備賽-底盤車輛設計

ThechassisdesignofautonomousAutonomousrobotisakindofindustrialpowerfulaide.Theproblemcomesfromthe15thNationalStudentsrobotcontesttodesignaflexible,reliableandcomprehensiveautonomousrobot,thisarticlefocusesontherobotchassisdesign.Themaincontentofthisarticleisthewholeprocessofmakingautonomousrobotchassis,includingtherulesofthegametoperuse,therobotchassisproposespecificrequirements;ysisandselectionmechanismchassis;chassisstructurecalculationanddesignandproducedafterexperiment.ysisandselectionmechanismcomprisesachassisform,thematerialoftheframe,wheelselection,transmissionmodeselectionandmotorselectionandotheraspectsofthis,everyaspectwilllistavarietyofprogramsarecompared,therebyobtainingamoresatisfactorysolution.Calculationanddesignchassisstructureincludesamountingchassissizecheck,drivemotor,driveshaftdesignstructuredesign,suspensionandcodewheel.Variouspartsofthestressysis,materialselection,design,andsizeoptimizationdesignANSYSWORKBENCH,andcheckingandmodalysisbasedonlast.Experimentsincludingexperimentsandcodewheelsuspensiontest,suspensiontestisthebestchoicesinglesuspensionanddoublesuspension,Orthogonalcodediscspringisthebestchoicetestparameters.Chassismotionalgorithmsincludethechassisdrivingalgorithmsandthechassispositioningalgorithm.Keyword:AutonomousRobot;MechanismDesign;PROE3Dmodeling;ANSYSWORKBENCHsimulation；thechassisdrivingalgorithms 第一 緒 移動機器人概 比賽規(guī)則簡 本課題研究內(nèi) 第二章底盤機構的分析與選 底盤形 傳動形式的選 驅(qū)動電機的選 底盤框架材料選 本章小 第三章底盤結構的計算與設 底盤尺 驅(qū)動電機的安 驅(qū)動軸的設 整體方案比 第四章底盤懸 懸架的使用概 懸架的設 懸架的模態(tài)分 懸架的實 第五章正交碼盤的結構設 編的使用概 主要使用編的類型及主要工作原 正交正交碼盤的組 正交碼盤的安裝形 正交正交碼盤實 第六章底盤驅(qū)動算法與全場定位算 底盤驅(qū)動算 全場定位算 全場定位算法驗證實 第七章總結與展 參考文 致 第一章移動機器人移動機器人的它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作例如生產(chǎn)業(yè)建筑業(yè)或是的工作。用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、空間等領域[2]。移動機器人的發(fā)展狀特征、空氣成分等等探測，并采取樣本及分析數(shù)據(jù)并傳回地球。能夠完成這的無人探測機器人。例如前研制的無人探測機器人Lunokhold1,如圖1-1所19701110日登入月球表面，成為第一臺登入外星球的無人探測機1-1Lunokhold1的研究，開展了移動機器人更次的研究。同時，也出現(xiàn)了許多國際性的機器賽，例如robocup、robocon等賽事，也促進了移動機器人的研究發(fā)展比賽規(guī)則簡且易于使用的。過去，我們誤認為化石能源儲量無限而過度消耗了它們。這種A（即后面的自主移動機器人）BB中沒有用于行駛的作動器。它從機器人A那里接受行駛能量，只能使用一個轉向作動器控制它的方向，以包含斜坡和山崗、河流和山道上的路徑。機器人A除了向機器人BB1-21-31-21-3分析比賽規(guī)則對自主移動機器人底盤的設計要1,000mm寬、長和高。所以底盤的尺寸過1,000mm寬、長和高。110mm的圓柱體。的尺寸是長為160mm，寬為50mm，并且規(guī)格要求自主移動機器人在行走的過程的白線中心離的距離為500mm，再根據(jù)顏色傳感器—燈板的性能需要，自觸到比賽。本課題研究內(nèi)第二章盤方案的分析與確底盤形（1）2-1式（2）的選型與四輪底盤方角Y不同進行分類,最常見的是0度夾角與45度夾角在本文所介紹的機器人模型中,0度夾角瑞典輪;三全向輪機器人模型中涉及到0度夾角瑞典輪,即全向輪。相比普通車輪，改多了一個圖2-1全向 圖2-2麥克納姆裝形式也就不同。全向輪需要傾斜45°來安裝，麥克納姆輪就不需要。如圖所

2-3但給予操作員一個舒適的操作環(huán)境而且行動迅速靈活了比賽時間。但由于麥克納姆輪與地面接觸面積更大，其承載能力更強，以及有現(xiàn)傳動形式的選表2-2傳動驅(qū)動電機的選在比賽中自主移動機器人的總重量不得超過40kg，且整個比賽場地為一平面，所以在動力學分析中，假設自主移動機器人機器人的總重量為40kg。在四輪底盤中，假設四個中承受的最大重量為12kg，這是由于實際中由于四輪底Mf大小為Mf

（2-其中，F(xiàn)N為車輪對支撐面的正壓力，2.1是常用材料2-3鑄鐵-木-輪胎-2-根據(jù)比賽場地、及比賽所用麥克納姆輪，查表2-3，可以假設比賽場地和比賽所用之間的滾動摩阻系數(shù)大約為5mm。M驅(qū)動M

FN51210mNm

(2- M

m2

（2-M驅(qū)動為驅(qū)動力矩，Mf為滾動摩阻力偶，m12kgr2r75mmcr2 上，故c應大于理論值，

c

，

a

M

M

1mr2

（2-2-4

0.6Nm2-4a（m/s2M12

M驅(qū)動

（2-M驅(qū)動Mn其中，n 比，為傳動效率，一般為80%~95%

（2-2.5m/s。2.5m/s，驅(qū)動輪直徑為150mm，所以轉速應為：n

故電機轉速 后應該大于n318r/min

PMn1000

(2-46.1w。2-3倍114.8w~172.2w范圍內(nèi)。電機型號：maxon 額定電壓： 堵轉扭矩：140Kg.cm（14Nm）連續(xù)扭矩：28Kg.cm（2.8Nm） 箱直徑 比： 出軸直徑：12mm（帶鍵槽和鍵） 底盤框架材料2-5X材20*20*1.2mm的鋁方管作為底盤的材料。本章小選用RE40，傳動方式優(yōu)先選擇軸套軸傳動，聯(lián)軸器傳動。下圖為底盤簡圖。2-4第三章盤結構的計算與設底盤尺由于兩臺機器人的總重量不得大于40kg160mm50mm，自主移動機110mm50mm3-1驅(qū)動電機的（1）的安裝方懸臂梁式的安裝，如圖3.3，車輪軸受力平衡，運行更加穩(wěn)定，由于軸支座圖3-2懸臂梁式的安 圖3-3簡支梁式的安驅(qū)動軸的設45鋼，調(diào)質(zhì)處理。軸的3.4驅(qū)動輪如圖3-5所

3-4圖圖3-5圖和扭矩圖（3-6

3-63-1中：3-1則有：軸在輸入端的圓周力

F

21.7251000

(3-AnsysWorkbenchAnsysWorkbench[8]，可以計算出改零件最大變形量，也可以知道3-73-81.62541整體方案比圖3-9方案 圖3-10方案第四章盤懸懸架的使用概個是很難共平面的，再加上制作的比賽場地很難達到一個很高的平整度，所以，沒有懸架的四輪底盤中，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象是必然的，特別在全場地位中，懸架的設14-11.5mm18mm24-2經(jīng)過尺寸核算，選擇模型車按比例1:10縮小的鋁合金避震器，該避震器減90mm。3、懸架 懸架輪的整體裝配效果

圖4-3懸架驅(qū)動輪懸架的模態(tài)分

4-4有頻率一致將會發(fā)生，從而引起破壞[10]。4-5(5-20HZ)范圍內(nèi)，可以認為有效的避開區(qū)懸架的實加實驗的數(shù)據(jù)增加實驗的可靠性衡量參數(shù)是通過編來測量底盤的方向的行走誤差。4-6 X方向偏差折線 Y方向偏差折線1247mm時，X,Y47mm。編的使用概

第五章交碼盤的結構設主要使用編的類型及主要工作原在使用安裝編的過程中在機械方面應注意的問量機器人坐標系中的X、Y方向的數(shù)據(jù)，因此兩編需要垂直安裝，以及整個模塊需要有豎直方向的自由度以防止編空轉，從而導致編計數(shù)不精確應保證編軸與用戶輸出軸的不同軸度＜0.20mm，與軸線的偏角長期使用時，定期檢查固定編的螺釘是否松動正交碼盤的組5-1從動輪：帶動編計數(shù)；編：計數(shù)作用；正交碼盤的安裝形 圖5-2獨立 圖5-3整體缺點：零件，結構相對復雜。正交碼盤實

5-4因打滑而影響編的計數(shù)精度。15N1N/mm左右。10mm15mm20mm8其中參數(shù)包括X、Y為機器實際的X、Y坐標的值，?X，?Y為編理論5-511.0（K=0.87N/mm）10MM、15MM、20MM-5-621.1（K=1.25N/mm）10MM、15MM、20MM-5-731.2（K=1.25N/mm）10MM、15MM、20MM-1、從不同的彈性系數(shù)的彈簧的數(shù)據(jù)中3線徑1.2mm（K=1.25N/mm）15mm的，編的數(shù)據(jù)更準些，效果相對較好因此，通過該實驗，便確定了正交正交碼盤的彈簧的參數(shù)，線徑（K=1.25N/mm第六章底盤驅(qū)動算法與全場定位算底盤驅(qū)動算v1,,v41所示；1,,4vxvy,z：機器人參考點（底盤中心） 麥克納姆輪四輪機器人速度模 前右輪轉速計算模1213v1vxvykav2vxvykazv3vxvykazv4vxvykaz1

(l1l2)

（6-（6-（6-（6-

11

l)vx 2

R

2 l) y

4

(l1l

（6-全場定位算61 (l1l2) 111

l)vx 2

R

2 l) y

4

(l1l

（6- v

1 x

R v

y

4 zz

l

l

參數(shù)說

2 （6-在固定的時間段t里面，傳感器已知數(shù)據(jù)參數(shù)：編1記錄的脈沖數(shù)：n1；編 2記錄的脈沖數(shù)：n2；陀螺儀返回的角速度值：；xy，。這三個參數(shù)是定義于地面坐

6-3地面坐標系xoyxoy'3：機器人的位姿機器人坐標系下的各參數(shù)（6-4機器人的速度(vxvy,) 1同軸連接的小全向輪的切向速度v1與編 2同軸連接的小全向輪的切向速度v2。 位置參數(shù) 1中心位置(x1,y1) 2中心位置(x2,y2)6-4機器人平面運動學（由V1，V2，w得到程度上將它的脈沖n1（n2）數(shù)乘上某一標定參數(shù)k，即可換算成編輪的線速V1V2V1（V2）=k*n1（n2vxv1vv

x2

(6-恒定驅(qū)動參數(shù)Vx，Vy，w下，機器人走圓弧軌需要明確:此種情況下參量vxvyv1v2,均為常量機器人當前位姿參數(shù)(x0,y0,0)，任一時刻位姿參數(shù)x(t),y(t),機器人的位姿參數(shù)(t可由陀螺儀數(shù)據(jù)直接積分得到，即(t)wt首先將Vx，Vy向地面坐標系的兩軸分別投影，投影vxd(t)vxcos(t)vysin(t)vxcos(wt0)vysin(wt0vyd(t)vxsin(t)vycos(t)vxsin(wt0)vysin(wt0其次，對t

（6-x(t)vxsin(wt

)vycos(wt

)y(t)vxcos(wt

)vysin(wt

)

（6-x(0x0y(0y0，得到k1

vxsin

vy k2

vx

vysin

（6-消去時間參數(shù)t，得到機器人軌跡方程12(xk)2(y12

)2vx ) )

(vyw

（6-結論：以恒定的參數(shù)vxvy,驅(qū)動機器人，機器人會循著圓心(k1,k2)，半滿足r2vx)2vy)2的圓弧行走。假設機器人驅(qū)動參數(shù)保持恒定的時間為t v2v 則圓弧軌跡對應中心角 v2v r6-5所以，對于三個定位參數(shù)(x,y,)現(xiàn)在只需利用上述結論以及相關的已知條件，更新(x,y的值，完成定位。機器人位置更新:

(x0,y0,0)(vxvyw)得到(x,y—圓弧算t恒定的驅(qū)動參數(shù)vx,vy,的機器人運動。故每一小段時間內(nèi)，機器人均做圓弧運（各t(xy人從當前(x0,y0,0)狀態(tài)下繞地面坐標系原點O旋轉角度：質(zhì)點繞原點O

0 0

（6- 設起始坐標矩陣u[xy,1]Tt時間后坐標矩陣vxy,1]T 0x0 vysin

0y0

（6-式（6-14）即為繞地面坐標系原點O旋轉角度，質(zhì)點的坐標更新。A(k1k2旋轉，下面我們利用兩個平移操作得出質(zhì)點B1繞任一點A(k1,k2)旋轉的坐標更新6-6點坐標將圖中AB1

A(k1,k2

k12Trans(A k，B1B22 1

B2點繞O旋轉至C2點，旋轉矩陣Rot(O,)

將圖中AB2C2點平移，相當于1的逆動作，平移矩陣 2TransA k，C2C12 1則可得到質(zhì)點坐標更新xc1

xB1 vc1yc2Trans(A)Rot(O,)Trans(