《机器人创新设计》课程报告无碳小车.docx
《《机器人创新设计》课程报告无碳小车.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《机器人创新设计》课程报告无碳小车.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
《机器人创新设计》课程报告无碳小车
《机器人创新设计》课程报告
题目：
无碳小车功能原理方案创新设计
2020年12月3日
1功能原理方案设计概述
1.1功能原理方案设计
“无碳小车”是将重力势能转换为机械能使小车实现行走及转向功能的装置。
小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成首先通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动继而通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮利用横纵向直线运动复合运动使转向轮呈正弦波形周期性摆动从而避开设置在波形内固有间距的障碍物。
具体设计为小车以1kg重物块下落500mm产生的重力势能作为动力通过线绳带动齿轮轴等传动机构单轮驱动通过正弦机构带动前轮周期性摆动实现转向。
无碳小车结构设计总装图如图所示。
2、设计思路和方案小车的设计分为三个主要阶段功能分析、 、制造加工调试2. 1功能分析对小车功能要求进行分析寻找功能元解将小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块。
对每一个模块进行多方案设计综合对比选择最优的方案组合。
2功能原理方案设计
2.1原动机构
原动机构的作用是将质量为1Kg的重块（￠50×65mm，普通碳钢）铅垂下降产生的重力势能转化为小车的驱动力。
通过分析我们知道原动机构需要满足以下具体要求：
1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。
2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。
同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。
3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。
在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。
因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。
4.机构简单，效率高。
输出驱动力可调的绳轮式驱动机构。
通过改变线在绕线轮上的不同位置可以改变其输出的动力。
支架组成的三角形槽使得物块在下降的过程中不会晃动，减小了物块下落过程中由于晃动而损失的能量以及对小车在行走或转弯过程中的稳定所产生的影响。
图4：
绳轮式驱动机构
2.2传动机构
传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。
通过分析我们知道原动机构需要满足以下具体要求：
要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
基于以上分析我们提出了传动机构选择齿轮传动。
齿轮传动的特点：
齿轮传递功率大、速度范围广、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长，且能实现恒定的传动比。
齿轮传动的缺点：
制造和安装精度要求高、成本高、且不宜用于中心距较大的传动。
图5：
齿轮传动机构
齿轮组设计：
采用两级传动，z1=z3=44,z2=z4=20,传动比i1=i2=5:
11.齿轮组先组合好，然后安装在车轮轴后方，安装时与车轮轴上的大齿轮啮合。
2.3转向机构
转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。
通过分析我们知道原动机构需要满足以下具体要求：
转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。
能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。
基于以上分析我们提出了转向机构为曲柄连杆+摇杆。
曲柄连杆+摇杆优点：
运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。
缺点：
一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。
在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂，可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。
对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。
图6：
曲柄连杆+摇杆
2.4行走机构
行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。
有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为
对于相同的材料为一定值。
而滚动摩擦阻力
，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。
但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。
2.5微调机构
一台完整的机器包括：
原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。
微调机构就属于小车的控制部分。
由于前面确定了转向采用曲柄连杆+摇杆方案，由于曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。
这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优的轨迹。
基于以上分析我们提出了：
通过改变机构①在齿轮径向方向上的位置，来改变前轮转向的周期与频率，实现在场地上两柱体间距离改变也可顺利转弯。
图7：
微调机构
由于理论分析与实际情况有差距，只能通过理论分析得出较优的方案而不能得到最优的方案。
因此我们设计了一种机构简单的小车，通过小部分的改动便可以改装成其它方案，再通过试验比较得到最优的小车。
2.6小车整体外观
以下为您展示小车各个视角的视图。
图8：
小车视图
图9：
小车视图
2.7小车运动方程
1.小车运动轨迹
只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度
时，如图：
则小车转弯的曲率半径为
小车行走
过程中，小车整体转过的角度
当小车转过的角度为
时，有
2、小车其他轮的轨迹
以轮A为参考，则在小车的运动坐标系中，B的坐标
C的坐标
在地面坐标系中，有
整理上述表达式有：
为求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通过设定合理的参数的到了小车运动轨迹
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙3设计总结
通过对无碳小车能耗规律模型的建立以及对动力系统的分析，优化了小车的结构使小车在原有的基础上行驶更远距离。
同时，通过对其进行的稳定性分析限制其行驶速度，从而使小车平稳的行驶，达到了优化的最终目的。
实际条件下在保证车子行走距离的前提下，我们应该使v尽量小或者求出一个最大的v值。
通过设定绕线轮的半径来保证这一速度，进而使小车行走平稳，不致翻车。
我们发现我们设定的轨迹的最小半径r=3.125m，由此得到的力F远不及Ff大，因此在小车轨迹振幅较大时，可以不考虑。
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
∙
4参考文献
[1]无碳小车结构设计[J].李立成,徐漫琳,柯昌辅.机械研究与应用.2015（03）
[2]基于余弦机构的S形无碳小车的优化设计[J].施栩,刘伟霖,闵睿,奚延辉,金悦,桂亮.机械.2019（09）
[3]无碳小车的结构设计[J].胡家信技术与市场. 2019（09）
[4]路线无碳小车设计[J].刘旋坤,李卫国,王利利.2016（15）
[5]无碳小车的设计与优化[J].杨明卓.科技创新与应用. 2019（24）
∙
∙
∙
∙
∙
∙
升级会员 