N481-基于轮足式机器人结构设计 下载积分：50　资料编号： N481

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Word版说明书1份，共67页，约27000字

CAD版本图纸，共5张

摘 要

随着科技发展，人们对于自然的探索日渐频繁，作为替代人类执行野外科考、太空探索、深海勘测等任务的移动式机器人也逐渐成为了人们研究的热点。目前的主流移动式机器人可按照移动机构的不同分为轮式机器人、履带式机器人和足式机器人三类。受限于移动机构的能力，这三种移动机器人均有其特定的使用场所，在其他环境中则运动性能大幅降低，不能很好的适应探索中遇到的复杂且多变的地形。为了解决这一难题，人们开始结合不同移动机构的优势，开发复合移动机构机器人。复合移动机构机器人具有多种移动机构，因而可以根据所处环境自由地调整运动方式，能够很好地适应复杂地形。轮足式机器人就是其中一种，其具备轮、足两种移动机构，且能在运动过程中自由切换，是当下移动机器人的研究趋势之一。

本文结合近年来轮足式移动机器人的发展现状，设计了一种基于臂式主动悬架的轮足分离式轮足机器人。臂式主动悬架的优点在于可以通过调节纵臂的角度，实现车身高度可调，同时具有较好的缓冲减振能力。为完成轮足机器人的整体设计工作，本文依次进行了机器人总体设计、轮足总成的设计、转向系统的设计、车身结构设计和整体装配四个部分的设计工作，并利用Solidworks软件完成了机器人整体的建模与装配。此外，在设计过程中通过有限元仿真分析，运动姿态规划和仿真对机器人的结构进行了分析与验证，证明了设计的合理性和可靠性。本文设计的轮足式机器人结构简单，兼具轮式、足式两种运动方式的优点，具有较好的运动和缓冲减振性能，为后续的结构优化设计和步态规划提供了思路与理论依据。具体研究内容包括以下几个方面：

1）机器人总体设计。对拟设计的轮足机器人进行了定义，确定了其尺寸及性能指标，得到设计参数表。对轮足机器人进行了动力系统的设计计算，根据机器人的性能指标计算了轮毂电机和电池的参数，对附着条件进行了校核，并完成了轮毂电机和电池的选型。分析了轮足机器人控制系统的功能需求，并对电机控制器进行了选型。

2）轮足总成的设计。通过对四足生物腿部结构的研究确定了机器人轮足结构的形式，通过设计计算完成了机器人腿部结构的设计，在髋关节处引入了臂式主动悬架系统。对机器人轮、足两种运动姿态进行了规划，分析了轮足机器人的运动能力。计算了机器人腿部关节的输出扭矩，完成关节电机的选型。对大小腿进行了有限元强度验证，证明了轮足结构设计的可靠性与合理性。

3）转向系统的设计。根据轮足结构提出了基于整桥的转向方案。根据机器人最大转向力矩确定了转向驱动方案。设计了转向机构，并选型电机。对机器人行驶转向和特殊转向机动动作进行了规划与分析，验证了机器人的转向能力。对转向系统的主体进行了有限元分析，验证了其在各工况下的结构强度，证明了设计的合理性和可靠性。

4）车身设计与总体装配。根据机器人的外廓尺寸和转向系统的结构设计车身框架，根据控制及动力系统元件类型及尺寸确定其安装方式，完成了车身结构的设计。对车身进行有限元分析，验证了其结构强度。对机器人进行整体装配，得到装配体模型，计算了机器人整体质量，验证了其质量满足设计要求。

5）运动学仿真分析。对机器人轮足切换、转向、越障三个工况进行仿真，验证了机器人离地间隙、转向半径、越障高度等指标，证明了机器人结构设计的合理性和轮足两种运动姿态的运动能力。

关键词：轮足式机器人；臂式悬架；结构设计；有限元；运动仿真 

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景和目的意义 1

1.2.1 研究背景 1

1.2.2 研究目的和意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 论文研究内容与思路 4

第2章 轮足机器人总体设计 5

2.1 机器人总体设计 5

2.2 机器人设计参数 5

2.3 材料的选择 6

2.4 动力系统设计 7

2.4.1 轮毂电机计算选型 7

2.4.2 电池计算选型 10

2.5 控制系统设计 12

2.5.1 控制系统功能需求分析 12

2.5.2 电机控制器选型 12

2.6 本章小结 13

第3章 轮足总成设计 14

3.1 轮足结构的设计 14

3.1.1 四足生物仿生学研究 14

3.1.2 腿结构设计 15

3.1.3 关节结构设计 18

3.2 轮足运动姿态规划 19

3.2.1 轮式运动姿态 19

3.2.2 足式运动姿态 20

3.2.3 轮足切换原理 21

3.3 驱动件设计计算 21

3.3.1 膝关节电机 21

3.3.2 髋关节电机 25

3.3.3 控制功能分析 25

3.4 有限元仿真验证 26

3.4.1 小腿强度校核 26

3.4.2 大腿强度校核 27

3.5 本章小结 29

第4章 转向系统设计 30

4.1 转向方案的设计 30

4.2 驱动方案的设计 30

4.2.1 转向力矩计算 30

4.2.2 驱动方案设计 31

4.3 转向机构的设计 31

4.3.1 车桥连接体 32

4.3.2 支撑件 33

4.3.3 导向元件 34

4.3.4 转向电机 34

4.4 转向过程分析 36

4.4.1 转向稳定性分析 36

4.4.2 转向姿态规划 37

4.5 有限元仿真验证 40

4.6 本章小结 42

第5章 车身设计与整体装配 43

5.1 车身结构设计与验证 43

5.1.1 车身结构设计 43

5.1.2 车身有限元校核 44

5.2 机器人整体装配 45

5.3 质量计算与验证 46

5.4 本章小结 47

第6章 运动学轨迹分析 48

6.1 轮足切换仿真 48

6.2 转向过程仿真 49

6.2.1 行驶转向 49

6.2.2 特殊机动动作 50

6.3 越障过程仿真 52

6.4 本章小结 55

第7章 总结与展望 56

参考文献 58

致 谢 59

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