機器人系統設計與制作：Python語言實作2.2 機器人的傳動裝置

<b>2.2　機器人的傳動裝置</b>

<b></b>

移動機器人導航中有一種成本效益較高且有效的解決方案就是采用差分傳動系統。對于移動機器人室内導航來說，這是一種最簡單的傳動裝置。這種差分驅動的機器人是由兩個安裝在同軸上的輪子組成的，兩個輪子分别由兩個獨立的電機控制，其上有兩個被稱為腳輪的支撐輪。這樣能夠確定機器人的重心分布和穩定性。圖2-1畫出了一個典型的差分傳動系統。

下一步是要選擇這個機器人差分系統的機械零部件，主要是電機、輪子和機器人的底盤。根據需求，我們首先來看如何選擇電機。

2.2.1　選擇電機和輪子

在了解了電機的規格參數後，我們開始選擇電機。其中，電機的轉速和扭矩是兩個非常重要的參數。我們可以從給定的需求中計算出它們的參數值。

2.2.1.1　計算電機轉速

假定，要求機器人的行走速度是0.35m/s。我們知道，根據需求機器人的行走速度要在0.25～1m/s之間。假設輪子的直徑是9cm，因為根據需求可知離地間隙要大于3cm。使用下列方程，我們能夠算出電機的轉速：

轉速=（60×速度）/（3.14×輪子的直徑）

轉速=（60×0.35）/（3.14×0.09）= 21 / 0.2826 = 74 r/min

計算方式可參考：http://www.robotshop.com/blog/en/vehicle-speed-rpm-and-wheel-diameter- f?inder-9786。

當機器人行走速度為0.35m/s且輪子直徑為9cm時，計算得到74rpm。是以，我們可以考慮設定80 rpm為标準值。

2.2.1.2　計算電機扭矩

那麼，接下來看看如何根據需求計算出機器人移動所需要的電機扭矩：

1.?輪子個數為4個，包括2個腳輪。

2.?電機個數為兩台。

3.?假設摩擦系數為0.6，輪子的半徑為4.5cm。

4.?機器人的總重量w =機器人的重量+負載=～100n +～50n =～150n，總品質= 15kg。

5.?重量分布到4個輪子上，可以寫成：2×n1 + 2×n2 = w，其中，n1是分布到每個腳輪上的重量，n2是分布到每個電機驅動的輪子上的重量。

6.?假設機器人處于靜止狀态。當機器人開始移動時需要的扭矩最大，因為它必須要克服地面摩擦力。

7.?在機器人移動之前，我們可以認為機器人的扭矩和摩擦力都等于0。在滿足這樣的設定條件下，我們可以得到最大扭矩：

μ×n×r - t = 0，其中μ表示摩擦系數，n表示每個輪子上的平均重量，r表示輪子的半徑，t表示扭矩。

n = w/1（假定機器人的重量平均分布在4個輪子上）。

那麼，我們可以得到：

0.6×(150/2)×0.045 - t = 0

是以，t = 2.025 n·m或20.25 kgf·cm (1kgf·m = 9.806?65 n·m)

2.2.2　設計小結

通過設計需求，我們計算得到下列值：

電機轉速等于80rpm。

電機扭矩等于20kgf·cm。

輪子直徑等于9cm。

2.2.3　機器人底盤設計

計算出機器人的電機和輪子參數之後，我們可以開始設計機器人底盤，或者叫作機器人的身體部分。根據設計需求，機器人底盤要能夠存放食物，必須能夠承受5kg的有效負重載荷，機器人的底盤離地間隙應該大于3cm，且低成本。除此之外，機器人底盤上還要有能放置電子器件的空間，如個人電腦（pc）、傳感器和電池。

有一種最簡單的設計能滿足這些要求，就是類似于分層桌面的設計。turtlebot（http://www.turtlebot.com/）就是一種類似于分層桌面的設計。它的底盤部分可以分為3層。被稱為roomba的機器人平台就是這種平台的傳動裝置。roomba有内置的電機和傳感器，是以無須擔心它的硬體設計。圖2-2畫出了機器人turtlebot的底盤設計。

我們将設計一個類似于turtlebot的機器人，它有自己的移動平台群組件。我們的設計也将有3層體系架構。那麼，來看看開始設計之前都需要哪些工具。

在開始設計機器人的底盤之前，我們需要了解一下計算機輔助設計（cad）這個軟體工具。目前廣泛流行的cad工具有：

solidworks (http://www.solidworks.com/default.htm)

autocad (http://www.autodesk.com/products/autocad/overview)

maya (http://www.autodesk.com/products/maya/overview)

inventor (http://www.autodesk.com/products/inventor/overview)

google sketchup (http://www.sketchup.com/)

blender (http://www.blender.org/download/)

librecad (http://librecad.org/cms/home.html)

底盤設計可以使用以上你熟悉的任何一款工具軟體。在本書中，我們将使用librecad設計2d模型，使用blender設計3d模型。以上這些應用軟體有一個亮點，即它們全部都是免費的，而且适用于所有的作業系統。我們将使用meshlab這個3d網格顯示軟體來檢視所設計的3d模型，并使用ubuntu作為主要的作業系統。同時，我們還可以了解這些應用程式在ubuntu 14.04.2作業系統上的安裝過程和使用它們進行設計的過程。我們也會提供這些應用程式在其他平台上的安裝教程連結。