两关节地面移动机器人控制系统设计及软件实现(8)

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机器人的直线行走受力分析图如 2.2 所示，如下图所示，各个参数的含义为：论文网

Ml ：电机输出的力矩；

M f ：驱动轮滚动摩阻力矩(mNm)； F :地面对驱动轮的切向反作用力； N ：地面对驱动轮的支撑力；

图 2.2 MROBOTⅡ号机器人平地行走受力图

由表 2.1 可知驱动轮的直径为 205 毫米，故而其半径 R=102.5mm。为确定直流伺服电机的功率，建立一个理想的运动模型，假设机器人在角度是 30°的斜坡上进行匀速直线行驶，对于机器人行驶中的空气阻力不加考虑，且假设车体左右电机提供的驱动力完全一样，将整个车体作为研究对象，分析机器人的受力情况，如下图 2.3 所示：

本科毕业设计说明书第 11 页

图 2.3 MROBOTⅡ号机器人上坡受力图

假设在机器人的爬坡运动过程中，轮子做的是纯滚动运动，图中各参数意义分别为：

Ml ：作用于驱动轮的驱动力矩(mNm)；

M = M1+ M2 = 25kg ：估算的机器人总质量(包括 5kg 的负载及自身重量 20kg)；．

N ：地面对驱动轮的支撑力(N)；

F ：地面对驱动轮的切向反作用力(N)；

R=102．5mm：驱动轮的半径；

M f ：驱动轮滚动摩阻力矩(mNm)

根据理论力学平衡条件，有平衡方程：在沿斜面方向上（与水平面顺时针偏转坡度或楼梯的角度

）：

． F Mg sin() （2.1）

在垂直斜面方向上：

N Mg cos() （2.2）

以与摆臂同心的轮圆心 O 点作为中心，根据力矩平衡可知：

且滚动摩擦阻力矩的简化计算公式为：

且根据地面状况，可选取履带滚动摩阻系数7mm

综合上述的式（2.1）（2.2）（2.3）（2.4）可知：

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Ml MgR sin() Mg cos()

（2.5）

取角度30，可以计算出：

Ml 14041.48(Nmm)

该转矩由左右两侧驱动轮共同输出，而假设中约定两侧驱动轮的输出力矩状况完全相同，因此每个驱动轮输出的力矩应为该驱动力矩的一半，即 7020.74Nmm。

由于初始设计时，预计设计出机器人的最大行进速度应为 3m/s，可以得知最大角速度为：

且电机每分钟的转速为 n 60/(2) ，由电机功率计算公式可知（因为将“爬楼运动”也

近似等效为“爬坡运动”，在实际的上楼过程时，电机会有暂时的电流突变，若正好按照选取匀速爬坡的功率选择电机，会对电机造成损害，因此取 K 作为安全系数：

电机的转矩越大，在功率相同的情况下，则输出的转速变小，从电机的高速输出转化为要求转矩需要的减速器减的速比越小。并且，随着额定输出力矩的增大，说明转速减小，而电机输出转速一定，说明需要的齿轮减速装置减速比更大，结构也更大，直接导致电机的重量也会增加。同样的，若电机输出的力矩很小，则相同功率下电机的输出转速就会非常高，为了减速达到要求的运动速度，减速器的减速比也会增加，而随着减速比的增大，其内部齿轮的个数或材质等因素，也会造成其重量增加。考量重量越轻越好、力矩越大越好这两方面因素的情况下，两个情况不可兼顾，根据计算得出的驱动力矩、机器整体的结构、动作方面的要求，可知，已选的瑞士 MAXON 公司的电机满足设计要求。文献综述