李鑫磊 潘陽(yáng)紅 曾明峰 鮮 嶺 李思源（ 成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都611730

1 選題背景

激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)為激光雷達(dá)， 另外也稱(chēng)Laser Radar 或LADAR 是NASA 于1970 年開(kāi)始研發(fā)。 近年來(lái)隨著激光雷達(dá)技術(shù)的逐漸成熟和設(shè)備生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，該技術(shù)也越來(lái)越多的應(yīng)用于自動(dòng)駕駛技術(shù)， 自動(dòng)機(jī)器人等民用行業(yè)。 其中在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域也又逐漸嶄露頭角。 例如，在2019 年的新型冠狀病毒的防疫過(guò)程中，為了避免醫(yī)護(hù)人員感染，有的國(guó)家的醫(yī)療機(jī)構(gòu)就使用自動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)醫(yī)療人員和患者之間的物質(zhì)運(yùn)輸。 根據(jù)不同種類(lèi)的激光雷達(dá)的不同特性，其應(yīng)用的行業(yè)也有所不同。依據(jù)激光雷達(dá)的線(xiàn)數(shù)能夠分為多線(xiàn)激光雷達(dá)和單線(xiàn)激光雷達(dá)。對(duì)于雷達(dá)性能要求不高的服務(wù)機(jī)器人多采用單線(xiàn)激光雷達(dá)，例如餐廳服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)部的“ 物流機(jī)器人”等等。 因?yàn)槭菃晤l點(diǎn)工作，為了取得周?chē)?60 度的物體位置信息，不得不增加應(yīng)該一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和增加掃描頻率，并機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度和掃描頻率匹配來(lái)獲取外部信息。 自動(dòng)駕駛技術(shù)中多采用多線(xiàn)激光雷達(dá)。

2 方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人底盤(pán)設(shè)計(jì)采用O-square 全向輪設(shè)計(jì)方案，O-square四輪底盤(pán)不論在走直線(xiàn)還是走曲線(xiàn)都可以提供強(qiáng)大的向心力，在抵消慣性的同時(shí)， 還提供了強(qiáng)勁的扭矩。 保證機(jī)器人可以快速啟動(dòng)與停止。

2.1 裝置的工作原理

2.1.1 全向輪。輪轂和輥?zhàn)庸餐M成全向輪的基本結(jié)構(gòu)。輪轂是整個(gè)輪子支撐骨架， 安裝在輪轂上的鼓狀物則是輥?zhàn)印?輪轂軸與輥?zhàn)愚D(zhuǎn)軸之間呈90°。 輪轂軸與輥?zhàn)愚D(zhuǎn)軸之間的夾角不同就可以制作出功能各不相同的輪子。 2.1.2 激光雷達(dá)。 激光雷達(dá)運(yùn)用自動(dòng)傳感器快速獲取三維空間點(diǎn)云形式的數(shù)字信息。 激光雷達(dá)主要使用紅外到紫外之間的光譜段， 首先發(fā)射機(jī)向周?chē)芷谛缘陌l(fā)射激光束，遇到障礙物后，激光束會(huì)反射到接收機(jī)，把光信號(hào)處理成可以讀取的電信號(hào)。 測(cè)量出激光束從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間、 信號(hào)類(lèi)型和電信號(hào)頻率。通過(guò)分析得出障礙物距離機(jī)器人的距離與角度、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及方向（ 位姿）。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

2.2.1 根據(jù)實(shí)際功能需求確定使用全向輪底盤(pán)。 2.2.2 根據(jù)模型設(shè)計(jì)出符合功能需求的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。 2.2.3 使用UG、SW 等工業(yè)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出非標(biāo)零件結(jié)構(gòu)。

2.3 注意事項(xiàng)

2.3.1 非標(biāo)零件多為碳纖維材質(zhì)。 2.3.2 激光雷達(dá)是一類(lèi)對(duì)精度要求較高的傳感器，使用運(yùn)輸中請(qǐng)勿碰撞。 2.3.3 調(diào)試好工作狀態(tài)的激光雷達(dá)，在使用過(guò)程中避免位姿的變化。 2.3.4 使用之前檢查供電狀態(tài)、擦拭激光鏡頭。

3 理論計(jì)算

3.1 外形尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求與提高空間利用率，通過(guò)三維設(shè)計(jì)，最終確定其外形尺寸為：550mm×550mm×300mm。

3.2 材料選擇

非標(biāo)住零件的主要材料為碳纖維， 部分零件使用鋁合金ZAlCu5Mn(ZL201）

3.3 底盤(pán)設(shè)計(jì)

3.3.1 電機(jī)選型。 假定電機(jī)所需要承受的最大阻力為300N。

式中：

P——輸出功率（ KW）；T——修正過(guò)的力矩?cái)?shù)值（ N·M）;nb——轉(zhuǎn)速（ r/min）;U——轉(zhuǎn)動(dòng)效率;算得直流電機(jī)輸入功率，最終選定電機(jī)型號(hào)：M3508。

3.3.2 全向輪速度

a.輪子的速度

Vtx—— X 軸速度，右為正。 Vty—— Y 軸速度，前為正。

b.輪子軸心位置的速度

c.輥?zhàn)拥乃俣?/p>

3.3.3 減震機(jī)構(gòu)

采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，使輪軸軸心于地面平行，確保全向輪擁有最大接觸面積，三根彈簧減震器形成穩(wěn)定的三角形，不僅實(shí)現(xiàn)減震的功能，還能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的用途，動(dòng)力來(lái)自于3508電機(jī)，連接萬(wàn)向節(jié)為全向輪提供動(dòng)力，可以有效的避免側(cè)面沖擊帶來(lái)的破壞。

3.4 雷達(dá)選型

3.4.1 三角測(cè)距

q——實(shí)測(cè)距離;s——激光頭與鏡頭距離;f——焦距;β——夾角;d——實(shí)測(cè)距離。

3.4.2 旋轉(zhuǎn)掃描

4 設(shè)計(jì)總結(jié)

4.1 遇到的問(wèn)題及解決辦法

模型設(shè)計(jì)無(wú)從下手。

解決方法：運(yùn)用TRIZ 技術(shù)沖突解決原理設(shè)計(jì)三維模型。 需要設(shè)計(jì)的是O-square 雷達(dá)機(jī)器人。

4.2 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)O-square 雷達(dá)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)， 需要利用UG、CAD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 著重幾下幾個(gè)問(wèn)題討論：4.2.1 激光雷達(dá)高精度模型；4.2.2 部分機(jī)器人底盤(pán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)， 包括減震機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)。