CN112428301A - 一种移动机器人的急刹冲击力计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，包括以下步骤：S1：确认要计算的移动机器人的整机重量m，移动机器人的每个驱动轮上的减速比i，移动机器人的驱动轮的直径d；确定其急刹时的最大速度Vmax，确定电机的加速度a；S2：计算电机的转速n、减速时间t、驱动轮的加速度a和减速机的输出轴角速度ω；S3：根据能量守恒定理，计算整机动能Ev总、动荷扭矩Td、最大切应力τmax和平均每秒动荷扭矩
Figure DDA0002706161430000011
S4：得出移动机器人的急刹时的加速度对减速机的损坏程度。本发明可以通过直接的数据得到急刹时的冲击力对机器人减速器的损坏状况，可以用于指导机器人合理设计加速度，更好的用于指导机器人选型。

Description

一种移动机器人的急刹冲击力计算方法
技术领域
本发明涉及移动机器人技术领域，特别是涉及一种移动机器人的急刹冲击力计算方法。
背景技术
当前机器人行业迅猛发展，行走是其最显著最基本的特征，而很好的控制其自主运行能直接影响机器人的使用寿命。目前在使用机器人上，规定不能对机器人进行急停急刹，但是并没有明确多大的加速度的急停急刹对机器人减速器的受力多大损坏情况如何。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是如何提供一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，通过急停急刹情况下的加速度得到对机器人减速器的受力状况，用于指导机器人合理设计加速度，更好的用于指导机器人减速器的选型。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，包括以下步骤：
S1：确认要计算的移动机器人的整机重量m，移动机器人的每个驱动轮上的减速比i，移动机器人的驱动轮的直径d；确定其急刹时的最大速度Vmax，确定电机的加速度a；
S2：计算电机的转速n、减速时间t、驱动轮的加速度a和减速机的输出轴角速度ω；
S3：根据能量守恒定理，计算整机动能Ev总、动荷扭矩Td、最大切应力τmax和平均每秒动荷扭矩
Figure BDA0002706161410000021
S4：得出移动机器人的急刹时的加速度对减速机的损坏程度。
其中，步骤S2中，急刹时机器人的最大速度Vmax采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000022
其中，步骤S2中，减速时间t采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000023
其中，步骤S2中，驱动轮的加速度a采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000024
其中，步骤S2中，减速机的输出轴角速度ω采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000025
其中，
根据能量守恒定理：
Figure BDA0002706161410000026
其中，Ep为整机的势能，为0；
Figure BDA0002706161410000027
为旋转角度；
Figure BDA0002706161410000031
其中，Jzz为轮子、法兰盘等在输出轴上的转动惯量；
J减为纽氏达特减速机内部转换到输出轴的转动惯量；
G为转轴即十字轴万向联轴器的切变模量；
Ip为十字轴万向联轴器的极惯性矩，为
Figure BDA0002706161410000032
L为十字轴万向联轴器的有效长度；
设
Figure BDA0002706161410000033
则
Figure BDA0002706161410000034
Figure BDA0002706161410000035
Figure BDA0002706161410000036
其中，Wp为抗扭截面模量，
Figure BDA0002706161410000037
本发明可以通过直接的数据得到急刹时的冲击力对机器人减速器的损坏状况，可以用于指导机器人合理设计加速度，更好的用于指导机器人选型。
附图说明
图1为本发明所述的一种移动机器人的急刹时受力图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“上、下”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
如图1：
实施例一：
一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，包括以下步骤：
S1：确认要计算的移动机器人的整机重量m，移动机器人的每个驱动轮上的减速比i，移动机器人的驱动轮的直径d；确定其急刹时的最大速度Vmax，确定电机的加速度a；
S2：计算电机的转速n、减速时间t、驱动轮的加速度a和减速机的输出轴角速度ω；
S3：根据能量守恒定理，计算整机动能Ev总、动荷扭矩Td、最大切应力τmax和平均每秒动荷扭矩
Figure BDA0002706161410000041
S4：得出移动机器人的急刹时的加速度对减速机的损坏程度。
其中，步骤S2中，急刹时机器人的最大速度Vmax采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000042
其中，步骤S2中，减速时间t采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000051
其中，步骤S2中，驱动轮的加速度a采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000052
其中，步骤S2中，减速机的输出轴角速度ω采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000053
其中，
根据能量守恒定理：
Figure BDA0002706161410000054
其中，Ep为整机的势能，为0；
Figure BDA0002706161410000055
为旋转角度；
Figure BDA0002706161410000056
其中，Jzz为轮子、法兰盘等在输出轴上的转动惯量；
J减为纽氏达特减速机内部转换到输出轴的转动惯量；
G为转轴即十字轴万向联轴器的切变模量；
Ip为十字轴万向联轴器的极惯性矩，为
Figure BDA0002706161410000057
L为十字轴万向联轴器的有效长度；
设
Figure BDA0002706161410000058
则
Figure BDA0002706161410000059
Figure BDA0002706161410000061
Figure BDA0002706161410000062
其中，Wp为抗扭截面模量，
Figure BDA0002706161410000063
实施例二：
包括以下步骤：
S1：确认要计算的移动机器人的整机重量m，移动机器人的每个驱动轮上的减速比i，移动机器人的驱动轮的直径d；确定其急刹时的最大速度Vmax，确定电机的加速度a；整机重量m为182kg，移动机器人的每个驱动轮上的减速比i＝64，移动机器人的驱动轮的直径d＝0.32m；确定其急刹时的最大速度Vmax＝1.1m/s,确定电机的加速度a＝5000r/min/s；
S2：计算电机的转速n、减速时间t、驱动轮的加速度a和减速机的输出轴角速度ω；
S3：根据能量守恒定理，计算整机动能Ev总、动荷扭矩Td、最大切应力τmax和平均每秒动荷扭矩
Figure BDA0002706161410000064
S4：得出移动机器人的急刹时的加速度对减速机的损坏程度。
其中，步骤S2中，急刹时机器人的最大速度Vmax采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000065
得到n＝4204r/min
其中，步骤S2中，减速时间t采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000071
其中，步骤S2中，驱动轮的加速度a采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000072
其中，步骤S2中，减速机的输出轴角速度ω采用以下公式：
Figure BDA0002706161410000073
其中，在急刹车过程中，忽略少量部分能量转化为摩擦热能，整车所有的能量转化为转轴的弹性变形能，由能量守恒定理，可得：
Figure BDA0002706161410000074
其中，Ep为整机的势能，为0；
Figure BDA0002706161410000075
为旋转角度；
Figure BDA0002706161410000076
其中，Jzz为轮子、法兰盘等在输出轴上的转动惯量；由三维模型计算为1.755x10- 2kg.m2；
J减为纽氏达特减速机内部转换到输出轴的转动惯量；由该公司得为0.13x10- 4kg.m2；
G为转轴即十字轴万向联轴器的切变模量，材料40Cr，为80.8Gpa
Ip为十字轴万向联轴器的极惯性矩，为
Figure BDA0002706161410000081
L为十字轴万向联轴器的有效长度，为0.16m
设
Figure BDA0002706161410000082
则
Figure BDA0002706161410000083
得到：
Figure BDA0002706161410000084
进而：
Figure BDA0002706161410000085
其中，Wp为抗扭截面模量，
Figure BDA0002706161410000086
数值为0.00643。
1)在整车速度＝1.1m/s，当电机减加速度a＝2500r/min/s时，即整车加速度a＝0.654m/s2，停止时间t'＝1.6816s
Figure BDA0002706161410000087
2)当V＝1m/s，a＝2500r/min时，t'＝1.53s，n＝3821.66r/min，
ω＝6.25rad/s
Ev＝23.09J
Td＝154.9Nm
Figure BDA0002706161410000088
由上述可知，当停车加速度越大，冲击扭矩就越大，减速机就越容易损坏，当整车速度1.1m/s，电机减加速度a＝5000r/min/s时，减速机输出端端平均每秒冲击动载扭矩高达202.664Nm，减速机一定会坏，而且一般是从最薄弱的地方开始损坏。而适当调整电机减加速度a＝2500r/min/s时，减速机输出端端平均每秒冲击动载扭矩高达101.332Nm，由于有一定的能量损失未计算，其还在减速机急停扭矩100Nm范围内，所以之前减速机一直未坏，直到改变参数之后，基本上每个减速器伞齿都有一定程度的冲击损坏，表现为粗糙的点和面磨损，甚至断齿。
通过上述计算方法有效证明了急刹车对于机器人减速器的损坏影响程度，解决了机器人刹车加速度合理设置的问题，减少机器人减速器损坏几率，保证了机器人正常稳定运行，对机器人减速器的选型也具有一定的指导意义。
最后应说明的是：本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等统计数的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (6)

1.一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确认要计算的移动机器人的整机重量m，移动机器人的每个驱动轮上的减速比i，移动机器人的驱动轮的直径d；确定其急刹时的最大速度Vmax，确定电机的加速度a；
S2：计算电机的转速n、减速时间t、驱动轮的加速度a和减速机的输出轴角速度ω；
S3：根据能量守恒定理，计算整机动能Ev总、动荷扭矩Td、最大切应力τmax和平均每秒动荷扭矩
Figure FDA0002706161400000014
S4：得出移动机器人的急刹时的加速度对减速机的损坏程度。
2.根据权利要求1所述的一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，其特征在于，步骤S2中，急刹时机器人的最大速度Vmax采用以下公式：
Figure FDA0002706161400000011
3.根据权利要求1所述的一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，其特征在于，步骤S2中，减速时间t采用以下公式：
Figure FDA0002706161400000012
4.根据权利要求1所述的一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，其特征在于，步骤S2中，驱动轮的加速度a采用以下公式：
Figure FDA0002706161400000013
5.根据权利要求1所述的一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，其特征在于，步骤S2中，减速机的输出轴角速度ω采用以下公式：
Figure FDA0002706161400000021
6.根据权利要求1所述的一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，其特征在于，
根据能量守恒定理：
Figure FDA0002706161400000022
其中，Ep为整机的势能，为0；
Figure FDA0002706161400000023
为旋转角度；
Figure FDA0002706161400000024
其中，Jzz为轮子、法兰盘等在输出轴上的转动惯量；
J减为纽氏达特减速机内部转换到输出轴的转动惯量；
G为转轴即十字轴万向联轴器的切变模量；
Ip为十字轴万向联轴器的极惯性矩，为
Figure FDA0002706161400000025
L为十字轴万向联轴器的有效长度；
设
Figure FDA0002706161400000026
则
Figure FDA0002706161400000027
Figure FDA0002706161400000028
Figure FDA0002706161400000029
其中，Wp为抗扭截面模量，
Figure FDA0002706161400000031
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