机械系统设计原理课件与作业.docx
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机械系统设计原理课件与作业
基于构形组合的可越障移动机构的系统设计与分析
1.前言
移动机构是构成移动式机器人的基础，也是各种仪器设备的载体，其功能和适应性的好坏直接关系到移动式机器人的使用寿命和探测任务执行的成败。
基于不同的原理和性能侧重点，国内外提出并试验了多种类型的移动机构，根据机器人移动机构的特点，基本可分为轮式、腿式、轮腿式和履带式等类型。
其中，轮式移动机构具有重量轻、结构简单、高速高效等优点，美国和前苏联研制的移动式机器人都采用了轮式移动机构。
因此，轮式移动机构的创新设计备受关注。
按机构学和多体动力学的观点，任一轮式移动机构均可视为由轮系、悬架和车体等运动链或机械装置通过约束联系起来的多体系统。
根据这种观点，将轮式移动机构的创新设计归结为构形创新和构形组合两类基本问题。
2移动机构的基本构形分析与设计
2.1轮系构形
普通轮系通常采用包容结构，对直线牵引、转向驱动、检测等功能模块进行一体化设计与制造，减少质量和增强可靠性。
（a）普通轮系（b）外行星轮系
图2-1经典轮系
图2-2a和图2-2b是提出的两种新型轮系:
（a）履带轮系（b）内行星轮系
图2-2两种新型轮系
图2-2a为履带轮系，它结合了履带轮和外行星轮系的优点，能较好的适应沙地环境，其越障原理与外行星轮系类似。
当履带轮遇到障碍时，履带转速减缓，行星轮驱动整个履带轮绕轮轴中心翻转，克服障碍，如图2-3所示。
通过差速实现转向，由于其采用了履带，转向比外行星轮系灵活
图2-2b为内行星轮系，越障原理如图2-4所示，当大轮受阻后，小轮沿大轮内壁攀升，当轮轴中心高于障碍，大轮便可越过障碍。
与普通轮系相比，该轮系最大特点是具有很强的越障能力，转向也很灵活，但其转向和直线牵引的控制特性不如普通轮系。
图2-3履带轮系越障图2-4内行星轮系越障
由此，得到轮系子构形集合，
W={w1,w2,w3,w4}，式中：
w1——普通轮系
w2——外行星轮系
w3——履带轮系
w4——内行星轮系
因此，轮系构形的选择自由度L=DOC（W）=4。
2.2悬架构形
悬架系统可分主动悬架系统与自适应悬架系统二类，自适应悬架要求机构对地面具有自适应特性，即使各轮始终保持与地面接触，并且要求各轮与地面的接触力大小应相当，避免单轮陷入地面。
目前国内外研究大多采用自适应悬架，这里的研究也以自适应悬架为主。
自适应悬架系统以摇臂式悬架为主，包括四轮摇臂、六轮摇臂和八轮摇臂，如图2-5所示，这类悬架通过摇臂相对摆动，实现车轮对地形的匹配。
（a）四轮摇臂（b）六轮摇臂（c）八轮摇臂
图2-5摇臂式悬架
（a）双曲柄滑块联动悬架（b）四杆悬架
图2-6两种新型悬架
图2-6a为双曲柄滑块联动悬架，其越障原理和地面自适应原理如图2-7所示，前轮越障时，双曲柄滑块联动车架的滑块右移，前轮上升，中间轮下降；中间轮越障时，两个滑块相对移动，前轮和后轮下降，中间轮提升；后轮越障时，滑块左移，中间轮下降，后轮上升。
其特点是通过曲柄滑块机构将轮胎竖直方向的位移转化为滑块水平方向的位移，因而具有较好的平顺性。
（a）前轮越障（b）中间轮越障（c）后轮越障
图2-7双曲柄滑块联动悬架越障原理
图2-6b为四杆悬架，其特点是通过采用平面四杆机构将主摇臂和副摇臂的瞬时转动中心O下移至地面以下，从而增强越障能力，其越障原理如图2-8所示。
当前轮越障时，副摇臂顺时针绕O旋转，前轮提升；中间轮越障时，副摇臂逆时针旋转，中间轮提升；后轮越障时，主摇臂逆时针旋转，后轮提升。
（a）前轮越障（b）中间轮越障（c）后轮越障
图2-8四杆悬架越障原理
由此得到悬架系统构形集合，
S={s1,s2,s3,s4,s5}，式中：
s1——四轮摇臂
s2——六轮摇臂
s3——八轮摇臂
s4——双曲柄滑块联动悬架
s5——四杆悬架
因此，悬架子构形的选择自由度M=DOC（S）=5。
2.3车体构形
移动式机器人的车体分为整体式车体和节式车体两类。
整体式车体又可分为刚性车体、弹性车体和差速车体三种类型。
节式车体分纵向节式和横向节式两种类型。
刚性车体（图2-9a）与车架固定后，左右车架不能相对车体运动，自由度为0。
弹性车体（图2-9b）采用扭杆弹簧，扭杆弹簧中间部位与车体固定，两端可相对车体转动，与车架固定后，左右车架克服扭杆弹簧的作用，可相对车体运动，且具有减振作用。
差速车体，如图2-9c所示，差速齿轮1和差速齿轮2分别与左右车架固联，但可相对车体转动，行星轮与车体铰接，可相对车体转动。
因此，车体、差速齿轮1、差速齿轮2和行星轮共同构成差速器。
工作时，左右车架作为输入，由于差速轮系的作用，车体的俯仰为左右车架俯仰的一半，起到良好的均化作用。
（a）刚性车体（b）弹性车体（c）差速车体
图2-9整体式车体
纵向节式车体（图2-10a）与车架固定后，左右两节可相对自由转动，具有一个自由度。
横向节式车体（图2-10b）前后两节可相对正交的两根轴分别作旋转运动，具有两个自由度。
（a）纵向节式（b）横向节式
图2-10节式车体
由此得到车体构形集合，B={b1,b2,b3,b4,b5}，式中：
b1——刚性联接
b2——弹性联接
b3——差速联接
b4——纵向节式
b5——横向节式
因此，车体子构形的选择自由度N=DOC（B）=5。
2.4子构形同构组合
2.4.1四轮移动机构
对四轮移动式机器人同构组合解R，有：
a）轮系集合
W={w1,w2,w3,w4}；
b）悬架集合
S={s1}；
c）整体车体集合
B1={b1,b2,b3}；
节式车体集合
B2={b4,b5}。
根据式DOC（Ri）=DOC（W）×DOC（S）×DOC（B）=L×M×N，采用整体式车体的四轮移动式机器人选择度为：
DOC（R1）=DOC（W）×DOC（S）×DOC（B）=12
实际上，对四轮移动式机器人而言，悬架与车体存在左右、前后两种配置方式。
（1）悬架左右配置。
可得到12种方案，其中w2-b1-s1，w1-b1-s1两种方案为原有方案，其余10种为创新方案。
采用左右配置的摇臂履带式移动式机器人如图2-11所示。
（2）悬架前后配置。
可得到12种方案，考虑到悬架s1、刚性车体b1和4种轮系组合得到的4种方案与悬架左右配置时方案相同，得到8种方案，均为创新方案。
采用前后配置得到的外行星轮式移动式机器人如图2-12所示。
综合上述分析，采用整体式车体的四轮移动式机器人选择度
DOC（R1）=20，其中仅有2种为存在方案。
图2-11左右配置得到的摇臂履带式移动式机器人
图2-12前后配置得到的外行星轮式移动式机器人
采用节式车体的四轮移动式机器人选择度为：
DOC（R2）=DOC（W）×DOC（S）×DOC（B2）=8
因此，得到节式车体8种方案，其中w1-b4-s1和w1-b5-s1为已有方案，则得到创新方案6种。
综合上述分析，共得到四轮移动式机器人移动机构28种，其中创新方案24种。
即:
DOC（R）=DOC（R1）+DOC（R2）=28
2.4.2六轮移动机构
对六轮移动式机器人同构组合解R，有：
a）轮系集合
W={w1,w2,w3,w4}；
b）悬架集合
S={s2,s4,s5}；
c）整体车体集合
B={b2,b3,b4}。
采用整体式车体的六轮移动式机器人选择度为：
DOC（R）=DOC（W）×DOC（S）×DOC（B）=36
对节式车体，本文晢不考虑，因此可得到方案36种，其中原有方案1种，得到创新方案35种。
2.4.3八轮移动机构
对八轮移动式机器人同构组合解R，有；
a）轮系集合
W={w1,w2,w3,w4}；
b）悬架集合
S={s3}；
c）整体车体集合
B={b2,b3,b4}。
采用整体式车体的八轮移动式机器人选择度为：
DOC（R）=DOC（W）×DOC（S）×DOC（B）=12
对节式车体，本文晢不考虑，因此可得到方案12种，详见附录4，其中原有方案1种，得到创新方案11种。
综合上述分析，通过同构组合，可得到轮式移动式机器人设计方案76种，其中创新方案70种。
其中我们从中选取一种叫双曲柄滑块移动机构,其构形表达式为（w1，s3，b3）。
3双曲柄滑块移动机构结构与原理
3.1结构特点
双曲柄滑块移动机构由车体、左悬架、右悬架和轮系四部分组成，隶属同构组合机器人，其构形表达式为（w1，s3，b3）。
悬架构形为s3，如图2-6a所示，实例化后的双曲柄滑块悬架如图3-1所示，由主摇臂、曲柄1、曲柄2、连杆1、连杆2、滑块1和滑块2组成，其显著特点是车架共包括两套曲柄滑块结构。
连杆通过滑块连接到主摇臂，并可以在主摇臂上滑动，滑块1、2之间采用弹簧、阻尼联接，进一步减振。
通过滑块在主摇臂上的滑动，三个轮之间的相对高度发生变化以适应地形，将车轮的竖直位移转化为滑块的水平位移。
图3-1悬架原理图
车体构形为b3，如图2-9C所示，由差速机构、车载仪器和车体组成。
左、右悬架的主摇臂与车体差速齿轮的中心轴固联，借助差速轮系相当于车体转动。
因此，这种结构具有很强的地面自适应能力和越障能力。
轮系构形为w1，如图2-1a所示。
双曲柄滑块移动机构采用六轮驱动，四轮转向。
四个角轮内置直线牵引与转向驱动，两个中间轮只含直线牵引模块。
3.2地面自适应和越障原理
由于地面环境复杂,要求移动机构的悬架系统能够自适应地形，各轮均应与地面接触且接触力的大小相当，避免单轮陷入地面。
由于引入了两套曲柄滑块机构，当移动机构在不平路面上行驶时，通过滑块在主摇臂上的滑动，可自适应调整重力在各个车轮上的分力，使车轮随地形上下起伏。
双曲柄滑块移动机构对地面的自适应和越障机理如图3-2所示。
前轮越障时，滑块向后滑动，主摇臂逆时针转动，前轮上升，中间轮下降；中间轮越障时，滑块向前滑动，前轮下降，中间轮被提升；后轮越障时，滑块向后滑动，中间轮下降，后轮上升。
（a）前轮越障（b）中间轮越障（c）后轮越障
图3-2越障原理图
3.2整车模型
双曲柄滑块移动机构由悬架、车体和轮系等子模块组成，整车虚拟样机模型采用六轮驱动，四个角轮独立转向的结构，双曲柄滑块联动悬架移动机构的虚拟样机，如图3.3所示。
图3-3整车模型
整车活动构件数n=26，低副数PL=30，高副数PH=8，由此可计算整车系统的自由度：
DOF=3×n-2×PL-PH=78-60-8=10
双曲柄滑块移动机构采用模块化设计，整车包括车体、轮系和悬架三大模块。
三大模块之间均采用花键固定联接，装配十分方便。
3.2.1轮系
双曲柄滑块移动机构具有六个轮系，其中4个角轮具有直线牵引和转向功能，中间两个轮系只有直线牵引功能。
角轮采用模块化设计，装配和拆卸十分方便，便于维护。
角轮结构如图3-4所示，由轮毂、支架模块、转向架模块组成。
支架模块如图3-5所示，其作用是驱动转向架绕支架转动，实现轮系的转向。
移动机构在行驶过程中，要求轮系能保持转向角，因此，转向采用步进电机驱动蜗轮蜗杆，当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁。
工作时，由转向电机驱动蜗杆，通过蜗轮蜗杆啮合，带动转向架和轮体一起转动。
由于步进电机存在丢步和失步现象，而且月球移动机构要求对轮系的转向角度进行精确控制，因此，增加角度传感器对转向角度进行直接测量。
直线驱动模块如图3-6所示，驱动电机通过减速器带动齿轮1转动，通过齿轮1和2的啮合，带动车轮转动。
通过齿轮传动，将直线牵引模块和转向模块空间位置错开，并使支架轴与轮毂同轴，起至均载和降低车体重心的双重作用。
图3-4轮系结构
图3-5转向驱动图图3-6直线驱动
3.2.2悬架
悬架结构如图3-7所示，曲柄1、连杆1、滑块1和曲柄2、连杆2、滑块2构成两套曲柄滑块机构，滑块1和滑块2两者通过弹簧相联接，起到减振的作用。
滑块1、2与滑杆采用直线轴承连接，以降低摩擦系数，增强自适应力性、加快响应速度。
曲柄座2与滑杆也采用直线轴承和滑杆联接，通过丝杠传动曲柄座2可沿滑杆移动，实现月球移动机构高度的调整和折叠。
后端轮折叠杆可与后端轮座相对转动，工作时，丝杠在电机作用下左旋，推动曲柄座2沿滑杆右移，前轮和中间轮提升，到位后，后端轮折叠杆在电机作用下也折叠，从而实现悬架的折叠，折叠后的悬架如图3-8所示。
3.2.3车体
车体由控制箱、差速器以及其它机电系统负载组成，其结构和配置如图3-9所示。
控制箱
（1）与差速器（4）的车体框架（11）固定；花键轴（8）与差速齿轮（9）固联，与框架（11）可相对转动，通过差速齿轮（9）与行星齿轮（10）啮合，可均化框架相对花键轴的转角。
1-曲柄座2-直线导轨3-曲柄14-连杆15-滑块6-连27-曲柄28-曲柄座29-丝杆10-后轮支座11-直腿图
图3-7悬架结构图
图3-8双曲柄滑块联动悬架折叠
1-控制箱2-锂电池3-立柱4-差速器5-步进电机控制卡6-Maxon运动控制卡7-计算机控制系统8-花键轴9-差速齿轮10-行星齿轮11-车体框架
图3-9车体
3.3传感与运动控制
双曲柄滑块移动机构需要13个传感器检测其运动姿态，13个运动量及其传感器类型如表6-2。
传感器的配置如图3-10所示，传感器1采用绝对式角度传感器（比如电位计），用于检测悬架的运动配置，共2个。
传感器2用于检测车体的运动姿态，共1个。
传感器3和4用于角轮的运动检测，分别检测转向的角度和直线牵引的角速度，共8个。
传感器5为角速传感器，用于检测中间轮系的角速度，共2个。
13个运动量中，4个角轮的转向角度、角速度和2个中间轮的角速度，这10个运动量是需要主动控制的。
表6-2检测量及传感器
序号
检测量
类型
安装位置
数量
1
曲柄转动角度
绝对式
左、右车架
2
2
车体俯仰角度
绝对式
车体差速器
1
3
角轮转向角度
绝对式
4个角轮
4
4
角轮角速度
相对式
4个角轮
4
5
中间轮角速度
相对式
2个中间轮系
2
1-绝对式角度传感器2-绝对式角度传感器3-绝对式角度传感器4-角速度传感器5-角速度传感器
图3-10传感器的配置
4小结
移动机构的机电系统采用模块化设计，由轮系模块、悬架模块和车体模块组成，维修性和可靠性能得到保证。
由于地面环境的复杂性,对移动机构的几何通过性、地面自适应能力、越障性能、行驶平顺性、自主驾驶性等性能均提出很高的要求。
评价移动机构几何通过特性的指标有a）最小离地间隙C；b）所能克服的上坡路、倾斜地和斜坡的最大角度；c）所能克服壕沟的最大宽度；d）所能克服垂直壁的最大高度。
评价该机构的还从牵引控制特性,机械系统的传动效率以及各种电机、计算机和电子系统的能耗特性等。
另外还要从抗倾覆性,行驶平顺性以及操纵稳定性来进行评价.我们需要进一步研究和开展移动机构对地面复杂环境的适应能力研究，包括机械系统的质量、结构和材料，电子系统的抗辐射和抗干扰。
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