機器人機械結構設計

宛俊

（復旦大學，上海200000）

1 機器人系統功能概述

運動參數：最大速度1.5m/s;轉彎半徑為0cm;最大的越障為20mm；爬坡角度為8°，整機的高度控制在1.2m 以內。總質量為60kg。外殼采用ABS 工程塑料。內部采用歐標20*20 型材做骨架支撐。機器人利用自身搭載的傳感器進行避障。底盤設計要從產品定位點出發來確定定位整體布局，主動輪，從動輪，懸架等設計。包括驅動電機選型。

2 底盤機械結構總統方案

目前移動機器人移動有：輪式、履帶式和腿式。履帶式通過性，越障性好。但是尺寸大，結構復雜，成本過高。腿式，能用在復雜困難的地形，結構自由度太高，機構復雜。輪式結構簡單，自重輕。行走速度能夠簡單控制。維護方便等優點，所有市面室內機器人很多采用這種方式。

2.1 底盤輪子方案

輪式結構分為3 輪、4 輪、6 輪等，分別介紹。

圖1 車輪配置方式

（1）輪子移動機構。三輪輪式，從動輪在前，驅動輪在后，存在著轉彎半徑過大，重心要求在三角形中心得陰影內，否則造成重心不穩，如圖1（a）所示。這種方案對上層結構的高度也需要很低，不然容易造成傾覆。

（2）輪子移動機構。四輪輪式，兩個主動輪，兩個從動輪。如圖1（b）所示。這種方案能夠解決重心不穩的情況，但是轉彎半徑過大，在狹窄場所很難通過。

（3）輪子移動機構。六輪輪式，前后兩個從動輪，中間是驅動輪，此種輪式方案能夠達到零轉彎半徑，且載重面很大，重心也很穩定。

根據上述對比，選用圖1（c）方案能夠滿足我們的設計需求。

輪式機器人的轉向主要采用通過兩側車輪速度來實現不同直徑的轉向或者原地轉向，所以稱為差速轉向[1]。滑動轉向結構簡單，不需要做額外地轉向機構。而且成本低，可靠性高，如：美國佛羅里達農工大學研制的ATRV-Jr 機器人[2]。

2.2 輪子選型

機器人要求能越障20mm，從動輪的直徑不能少于障礙物高度的1/3。根據障礙物高度后的計算，從動輪的直徑選取Φ75mm。

驅動輪選型：載重60kg, 輪子表面材料為橡膠。驅動輪的Φ165mm.因產品定位在室內的環境，防止產品打滑，所以沒有用聚氨酯類的材質。

2.3 驅動電機的選型

電機計算：

圖2

根據要求，整機的要求質量m 設定為60kg,滾動摩擦因數u為0.025，速度1.5m/s。

因整體成本需求，采用市面普通而且成本低廉的輪轂電機，采用電機自有的扭矩。

爬坡整個產品受力分析如圖2 所示。

F1=F（牽引力）

爬坡度及牽引力計算：

驅動電機為150W 雙電機；

車輪扭力F=T×i×η/r =5×1×0.8/（0.170÷2）=47N

驅動齒輪箱速比i（1：1）；驅動傳動效率η；驅動輪半徑r

最大牽引力Fmax=47×1.5=70N

圖3

（按額定牽引力的1.5 倍計算，爬坡時為短時工作制）

坡度設為x%，斜坡與地面夾角為α；

α=ARCTAN（x%）；X%為斜坡兩個直角邊短邊與長邊比值；

驅動力應＞G（M）×9.8×COS（α） ×0.05（滾動摩擦系數）+G（M） ×9.8×SIN（α）

最 小 驅 動 力=30 ×9.8 ×COS10° ×0.025+30 ×9.8 ×SIN10°=7.2+49.9=57.1N

用代入法計算當α=10 度，爬坡度為10%時，所需驅動力為57.1N；

最大牽引力為70N，故該套驅動系統可滿足10%的滿載爬坡度；

當處于平整路面，使用最大牽引力的前提下，最大的負載為：

P=FV/η

150=F*1.5/0.85

F=85N

F=uMg

0.05*M*9.8/2=85

M=87Kg

當處于8°斜坡，使用最大牽引力的前提下，最大的負載為：

0.05*M*SIN7.125°*9.8/2=85

M=57Kg

因此我們目標設計為60kg 載重物的機器人在上述設計滿足要求。

因此我們選用電機的型號為ZLLG65ASM250-4096（單軸）輪轂伺服電機，不用減速箱。

2.4 驅動輪、從動輪結構設計

中間左右主動輪采用模塊化設計，懸掛采用左右光桿，中間單彈簧的方式。可以實現驅動輪懸掛設計。彈簧最大的彈力不能大于機身重量的一半，最大彈力為9.8*30=294N。

從動輪采用萬向輪，固定在安裝板上，通過調整安裝板的高度來調整從動輪，以便達到適合的高度，確保機器人運動順暢。

2.5 傳感器的安裝

機器人在行走時必須能夠確保躲避障礙物，因為在設計中底盤正前方設計了激光雷達，深度攝像頭，在機身前后方面也增加了2 個超聲波雷達。將這些信號傳遞到機器人主控板，從而控制電機。利用底盤的差速轉彎，實現避障功能。

3 底盤三維結構

底盤三維結構如圖3 所示，其功能達到機器人設計需求。底盤采用模塊化設計，整體安裝在底板上。

4 機器人自動充電

移動機器人是自主運行、自主規劃能力的智能機器人，由于良好的機動性和靈活性，移動機器人已經被廣泛地運用到各個行業。移動機器人采用鋰電池供電，并且電池的容量有限，當期運行一段時間電量降低到一定程度后，需要尋找充電樁及時充電。

5 充電樁設計

機器人充電樁位于使用場景位置內。

在使用充電樁地充的情況下，充電樁上設有帶彈性的白銅片，機器人底盤處設于純平白銅片，在遠處通過激光雷達識別到充電樁回充部位，使得逐漸靠近充電樁。近端通過雙目攝像頭設別充電樁“V”形判斷左右間距大小，從而控制機器人電機，調整自身姿態，抵近充電樁，雙目攝像頭也能探測到“V”形狀底部三角平面進而發揮雙目攝像頭的測距功能，以達到使得機器人停在正確充電的位置。同時設在機器人底部的充電白銅片也有一定的誤差尺寸。對接后的尺寸可以允許左右10mm 的誤差。在對接中充電樁上白銅片是“波浪形”設計，以便在停機狀態下，白銅片產生一定的形變，以防在充電狀態下出現抖動，保證充電過程的安全進行。充電完成后電池BMS 控制板給機器人發送信號。機器人自動脫離充電樁，繼續執行任務。

在使用充電樁無線充電狀態下，充電樁前部設計左右搖擺的無線充電臂在遠處通過激光雷達識別到充電樁回充部位，使得逐漸靠近充電樁。近端通過雙目攝像頭設別充電樁“V”形判斷左右間距大小，從而控制機器人電機，調整自身姿態，抵近充電樁，雙目攝像頭也能探測到“V”形狀底部三角平面進而發揮雙目攝像頭的測距功能，以達到使得機器人停在正確充電的位置。同時在近端充電樁與機器人的本體充電姿態中設置了左右25°的容錯角度。當充電樁無線充電Tx 側與機器人無線充電Rx 平行時，Tx 與Rx 兩個線圈垂直距離與充點效率存在一定的關系，如圖4 所示。

圖4

機器人電池規格時40W,使用3.5A 充電，經充電樁左右搖擺設計和產品加工誤差，我們使用線圈間垂直間距為10mm 時，充電效率能達到88.8%。

充電樁整體結構如圖5 所示。

圖5

當充電完成后電池BMS 控制板給機器人發送信號。機器人自動脫離充電樁，無線充電自動關閉，充電樁內部由于在左右兩個拉簧的作用下，搖擺自動復位到平面狀態，以便下次繼續使用，而機器人繼續執行任務。

在充電狀態下，機器人與充電樁狀態請看圖6 所示。

圖6

6 物料選型

機器人主要選型時輪轂電機、控制板、雷達，其他物料視價格，大小等確定。我們在三維建模之前就要確定主要物料的選型，以便為將來的設計做準備。具體介紹請看圖7。

表1

7 結論

本研究結合機器人工作的條件和環境設計了一種可靠，經濟的底盤，能夠實現基本功能，包括爬坡要求、越障高度、自主導航、兩種充電功能、最大移動速度、最大負載、自主避障等功能。