一、设计背景
随着科技的进步，机器人逐渐的进入了我们的生活，机器人节省了很多人力，成为了非常方便的家庭助手。机器人是一种可以输入编程控制其运动和多功能的，机器人可以用来搬运材料、一些零件、使用工具的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门执行系统。它是人工智能控制技术的综合试验机器，可以全面地考察人工智能各个领域的技术，研究机器人它们相互之间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。不过机器人毕竟是机器，运动过程中会出现一些颠簸的状态，长时间会影响其工作效率。所以在机器人运动会的对话要考虑到在其运动过程中在利用机器人的时候要考虑它的减震效果，在考虑减震效果的同时，还要保证不能影响机器人的正常运动，不能给机器人增加载荷，通过对现在科技的考虑，并且还有机器人运动过程中所会产生的一些不定性因素，系统错误，外观损坏等，考虑这些因素，本次设计了一种减震机构，可以减少机器运动时的损坏，很好的保护机器人的运动状态，降低维修成本。本文设计了一种避震机构，可以有效的减少机器人工作时的颠簸状况，节省下维修机器人的人力与物力。
2、设计思路
机器人是一个可以通过输入程序自主运动的机器，机器人的运动具有很大的灵活性，并且机器人的运动有时可以像人一样自由，对于一些情况下非常方便使用，不过机器人结构比较复杂，如果损坏维修也比较困难，机器人的损坏包括内在因素和外部与因素，内在因素无非就是一些系统出错，外部因素是摔倒，颠簸等。对于外部因素，可以考虑让机器人运动更加稳定和减少颠簸，所以就想出了设计一种假期人减震器。在本次的避震器结构设计中，同时设计避震器时要考虑到不能干涉机器人的正常工作，所以对于机器人的驱动装置的选择尤为重要。现代机器人普遍使用和人类一样的过不来的方式，两手两脚。但是人类的灵活性是机器人模仿不来的，机器人的关节多，控制系统就越复杂，运动反应就会相对来说迟缓一点，并且损坏率也大一点。通过这些因素，可以想到轮子的来代替机器人的双脚，现在社会轮子产品很流行，因为轮子运动相对来说平稳，即使受到大的颠簸也可以保持正常的运动状态。通过搜索资料，可以发现全向轮适合机器人，所以本次的运动机构选择全向轮。接下来分析全向轮的一些特性及选择依据，全向轮不仅能够在愈多不同的地方移动和许多不同的方向移动，可以发现左右车轮的小光盘将全力推出，但也将极大的方便横向滑动。全方位轮移动距离和旋转方向，这种方法是很容易的方向控制和跟踪，并尽可能快地转动。全方位轮有种好处，它的优势就是无需润滑或现场维护和安装选项是非常简单和稳定，在避震机构中加入万向轮可以保证机器人运动的灵活性和平稳性。全向轮的材料为钢材，其减震效果需要进行改善，所以要在全向轮的机构处增加一个减震机构，减震机构的回弹效果不能太明显，要尽量在小范围的伸缩回弹范围内实现减震效果。减震少不了弹簧，同时也要考虑到弹簧的压缩及回弹，本次避震器的设计是结合弹簧与气缸实现的，气缸可以保证弹簧在压缩和回弹时的及时性。我们知道，一根弹簧需要刚度较高，病切容易出现偏心，有可能导致机器运动时较真效果起副作用。三角形具有稳定性，将弹簧设计成等边三角形，可以非常有效的将机器人所受的载荷平均分摊到每支弹簧上，减小了单独弹簧的受力，增加了弹簧的使用寿命，节约了成本，减少了更换维修次数，使用起来方便快捷省心。同时，减震弹簧的等边三角布置的设计进一步体现出本机构的稳定性。
图1 避震机构
3、零件分析
3.1弹簧的选型与校核
弹簧的选择要考虑其直径，压缩力，寿命，预紧力等因素。由所给要求可知，本次机器人的承重为55kg，一共三根弹簧，所以每根弹簧承重为180N。
图2 弹簧
3.1.1选择弹簧材料及许用应力
通过查阅资料可知，弹簧预紧力就是预先考虑的最大弹性恢复力和弹性时间维持力,直接影响弹簧的弹性衰退时间。是不能调节的,这是制造时材料和热处理形成的，跟弹簧的材料有关。所以接下来分析弹簧的材料划分及其所具有的性能。弹簧按照材料可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢，这两种菜聊的弹簧各有优缺点，在不同的情况下使用不同材料的弹簧，会有更佳的效果。碳素弹簧钢特点是可塑性低，弹性强，抗应力能力强，这种材料的弹簧适用于普通的结构和承载能力不太大的结构中，可以起到事半功倍的效果；第二种就是合金弹簧钢，合金弹簧钢必须具有高的屈服点和屈强比（σs/ σb）、弹性极限、抗疲劳性能，以保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的载荷，这种材料的弹簧适用于承载能力较强的结构中。因为在本次设计的减震机构中，其承受的载荷为55kg，承载能力一般，为了不使下料性能过剩并且适合的机构，考虑到弹簧在一般载荷下工作，所以本次选择碳素弹簧钢丝。通过对资料的进行查阅，初步估算碳素弹簧的弹簧丝直径为d=4.5mm。查机械设计可知其许用应力的计算公式为，于是根据所知参数可以计算出920Mpa
计算弹簧丝直径 d
通过查阅资料，和根据给定条件选定 C=7，通过查阅资料可以确定弹簧系数的计算公式，将所知参数代入
所以根据公式可以确定弹簧系数：
计算得出弹簧丝直径
弹簧参数需要标准化，所以通过查阅细聊，取离4.87mm最近的标准值5mm
由此可以确定出弹簧的外轮廓直径和分度直径：
=cd=7x5=35
D=+d=35+5=40
计算弹簧的有效工作圈数n
查机械设计参数表 得 G=80000Mpa 并计算弹簧工作圈数为
取弹簧n=26
验算载荷与变形
最小载荷与最大载荷相应的变形量为
=311.36
弹簧的行程为 304.74mm
=1030.4Mpa
=1261.5
与之相应的变形量为
=157.8mm
计算弹簧其余几何尺寸
弹簧总圈数 =n+2=26+2=28
稳定性计算
<5.3 满足性能要求
3.2气缸选型与计算
3.2.1气缸直径确定
气缸的运动状态与气缸和直径有着很大的关系，所以气缸直径这一参数尤为重要。由课题可知，负载为55kg，气缸的负载为539N，所以气缸的轴向负载力F为539N。本机构的气缸为单作用气缸，根据查阅资料可以得出，所以预选气缸的负载率η为0.7。
图3 气缸
由此可以确定气缸的使用压力P=539x0.8=431.2N。（P应小于减压阀进口压力的85%）。
通过前面的计算与查阅资料所得到的参数，并且已知F，η和P，对单作用气缸，可以预设杆径与缸径之比d/D=0.5，根据前面所述气缸理论力的计算公式和负载率计算公式，便可选定缸径D为70mm；
3.2.2.选定气缸行程
气缸的行程选择时要留有一定的余量，便于后期的使用。本机构气缸的操作距离为130mm，为便于安装调试，对气缸的实际运动要留有适当余量，选择气缸的运动行程为100。
3.2.3.选定气缸品种
气缸的作用分为单作用和双作用，本次的气缸作用只是起减震作用，并且由于气缸与弹簧作用是互相辅助的，本机构的气缸不需要提供动力，所以选择单作用气缸。
3.2.4.选定缓冲形式
气缸被压缩再回弹，这个过程需要控制速度，不能太快，也不能太慢，所以要选择一种缓冲装置，在此机构中气缸本身做为缓冲装置，其缓冲形式选择气缓冲。
3.3全向轮的选择
在现在科技发展的社会中，技术在不断的更新，机器人根据不同的用途选择不同的运动方式，现在普遍机器人都会选择与人类一样，用两只脚行走，让其看起来和人类一样，但是机器人毕竟是机器，其运动状态没有人稳定，并且会出现不同程度的倾斜颠簸，长时间会容易损坏，给后期的维修带来很大的麻烦。所以本次设计选择全向轮，使用轮子会更好的保持机器人的平稳性。全向轮是一种二自由度的轮，不会影响运动轨迹，适用于机器人等。全向轮包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。全向轮结构简单，轮毂一体成型，承载能力大大提高。全方位轮无需润滑或现场维护和安装选项是非常简单和稳定。全方位轮通常可以大致可以分为二种类型：一类是单盘的全方位轮，一个是双排的全方位轮。单盘全方位轮的被动辊的单盘，而双板的全方位轮被动辊有两个板块是相互尊重，旋转稍。相比单盘的全方位轮，双板的全方位轮滚筒之间没有死区的优势，所以本机构选择双板全方位轮。
图4 全向轮
3.4轴承的选择与校核
由于全向轮不适用于在颠簸的路面上使用，而滚动轴承摩擦阻力小，功率消耗小，机械效率高，易起动；并且结构紧凑，重量轻，轴向尺寸更为缩小精度高，负载大，磨损小，使用寿命长，所以本机构选择滚动轴承。
3.4.1、计算输入轴承
（1）通过查资料可得nⅡ=78.048r/min
两轴承径向反力：FR1=FR2 =369.2906N
轴承内部轴向
FS=FR 则FS1=FS2=FR1=369.2906N
(2) ∵FS1+Fa=FS2 Fa=0
故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端
FA1=FS1=369.2906N FA2=FS2=369.2906N
(3)求系数x、y
FA1/FR1=1 FA2/FR2=1
根据查资料，得e=1
FA1/FR1 (4)计算当量载荷P1、P2 根据资料表 取f P=1.5 P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5×(1×369.2906+0)= 553.9359N P2=P1=553.9359N (5)轴承寿命计算 ∵P1=P2 故取P=553.9359N ∵角接触球轴承ε=2 根据手册得7203C型的r=23000N LH=16670/n(ftr/P)ε =16670/78.048×(1×23000/553.9359)2 =368222.6h>29200h ∴预期寿命足够 3.4.2计算输出轴承 (1)已知nⅢ=350r/min Fa=0 FR=FAZ=290.78N 根据资料 得FS=0.063FR,则 FS1=FS2=0.63FR=0.63×290.78=182.7N (2)计算轴向载荷FA1、FA2 ∵FS1+Fa=FS2 Fa=0 ∴任意用一端为压紧端，1为压紧端，2为放松端 两轴承轴向载荷：FA1=FA2=FS1=182.7N (3)求系数x、y FA1/FR1=0.63 FA2/FR2=0.63 根据资料表 得：e=0.68 ∵FA1/FR1 根据表 取fP=1.5 P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5×(1×182.7)= 274.05 N P2=fP(x2FR2+y2FA2)=1.5×(1×182.7)= 274.05N (5)计算轴承寿命LH ∵P1=P2 故P=274.05 ε=1 根据手册 7203C型轴承r=30500N 根据资料得：ft=1 Lh=16670/n(ftr/P) ε =16670/78.048×(1×30500/274.05) =23770.8h>19200h ∴此轴承合格 4、结构分析 整个减震机构是通过弹簧和气缸共同完成的，三根弹簧可以更好的起到减震缓冲作用，因为全向轮是二自由度运功机构，所以适合在平坦的地方运动，三根弹簧可以很好的减少机器运动时产生的颠簸力。三根弹簧三角分布，依据三角形的稳定性原理可知，使用三角分布的弹簧可以保证其稳定性，并且固定弹簧不需要整根轴来固定，只需两端固定既可以实现弹簧的缓冲作用，减少了本身的重量，使机器运动轻巧灵活，并且方便拆卸和更换，使用方便容易根换。 气缸位于三角弹簧的中间，作为一根中间轴，气缸不仅起到支撑作用，还保证了弹簧在受压缩时机器本身不会左右偏移，从而保证了机器运动的平稳性。本机构采用了单作用的气缸，因为考虑到机器运动所受的载荷会影响到机器的本身运动，所以在设计减震机构时要考虑既可以起到减震作用，又不能增加机器本身的运动载荷。所以经过筛选，选择单作用气缸，因为单作用气缸结构简单,耗气量少，本身重量轻便，方便安装更换。单作用气缸的内部结构也比较简单，单作用气缸缸体内安装了弹簧,减轻了单作用气缸运功时本身的手里情况，并且极大的缩短了单作用气缸的有效行程。还有比较好的一点，就是弹簧的反作用力随压缩行程的增大而增大,故活塞杆的输出力随运动行程的增大而减小。内部弹簧具有吸收动能能力,可减小行程终端的撞击作用。这样内部弹簧和外部弹簧相辅相成，很好的控制着整个机器运动时的震动。 弹簧与气缸构成的一个减震器通过一块底板固定在机器人的全向轮上，根据三角弹簧设计出一块三角底板，保证底板的刚度，足够承受机器人的重量，并且还能够保证全向轮向上的顶力，在中间起到一个承接作用，保证机器人的正常运动，和减震机构的减震作用。
