ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍

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2020年8月26日 11时09分

本机器人机械结构设计相关的所有设计文件下载地址为:传送门

其中包含:三维造型设计文件(所有零件+装配效果)(tips:基于Solidworks 2015 绘制)

非标加工的零件图纸(PDF格式+Dwg格式)

 

本开源机器人项目首要目的是让感兴趣的朋友花很少的钱就能玩转功能简单的机器人,了解机器人的搭建过程并学习ROS系统(如机器人SLAM),因此结构设计的目标和原则很明确:设计一款轮式机器人,满足功能要求的基础上尽量做到成本低廉,总之花小钱多办事。

 

例如,最终笔者在非标准金属加工件的的总投入是115元RMB(包含邮费,价格很低了吧 ^_^ ,当然这不包括购买的标准件,后面具体讲),这首先就是因为在设计之初就考虑零部件加工工艺及成本,其次说明现在机加工行业竞争真的很激烈。。。(实体加工企业日子难熬。。。)

 

一、开源机器人结构设计

首先看一下这个开源机器人在机械结构上共分为13个部分,它们的分布和位置关系如图1所示。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图

图1 机械构成

 

每个组成部分的功能基本上都能在图1中看出来,为了说明更详细,列出下面的表格,对他们的详细功能进行细致的说明。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(1)

 

从上表中可以看出,6、8、9、11为标准件,直接按照规格购买即可,这里就不在赘述,下面分析几个需要加工的非标准件。

 

1. 激光雷达平台(图2所示)

这里的激光雷达平台是专门放置和固定该激光雷达的,四个孔的设计分别和相应的激光雷固定孔位置保持一致即可,也很简单。材料我们选择加工性能良好且价格便宜的铝合金(牌号6061)。本开源机器人采用的激光雷达是思岚科技的LIDAR RPLIDAR-A1,原因只有一个:性能勉强能做室内SLAM且价格便宜(某宝上官网价格是582元)。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(2)ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(3)

图2 平台及激光雷达(LIDAR RPLIDAR-A1)

 

2. 支柱(图3所示)

这里支柱用来连接上下两层车体以及激光雷达平台(图3左),本来可以采用铝杆进行设计和加工,但是为了降低成本要尽量减少机加工零件的数量,因此零件我们采用的方案是直接在某宝上购买现成的M10铝合金螺杆(如图3中),然后根据我们的需求截取相对应的长度,直接用购买的M10螺母(铝合金材质,同店铺购买即可)进行连接固定,连接固定的方式如图3右所示。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(4)    ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(5)    ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(6)

图3 支柱示意图,铝合金螺杆实物图,支柱固定方式示意图

 

3. 上车体和车体(如图4所示)

上车体(图4左主要是用来放置上位机(笔记本电脑或者开发板)进行SLAM等相关实验的,车体(图4右)是用来放置底层的嵌入式硬件、电池等部件的,同时底面用来固定电机和主从动轮。这两个零件是非标转件需要机加工,因此为了降低加工成本采用加工性能良好且价格便宜的铝合金(牌号6061),厚度也保持和激光雷达平台一致(3mm,一致的材料有助于降低加工成本),且孔位置的设计也尽量保持共线或均布,有利于简化加工工艺(加工工艺简单同样有助于降低加工成本)。 具体尺寸及图纸参考本文开头给出的下载链接,下载后可以看到详细的加工图纸。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(7)         ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(8)

图4 上车体和车体

4. 从动轮和主动轮(如图5所示)

从动轮为万向轮,尺寸为:2寸(大小可以不一样,反正可以用垫圈调整高度),主动轮为实心橡胶承重轮(实心橡胶不会容易变形导致外径变化),固定孔内径为6mm,轮胎外径为100mm,胎宽29mm,承重100Kg,注意购买时确认轮胎固定孔内径的尺寸要和电机伸出轴外径的尺寸一致。注意。从动轮和主动轮都是从某宝上购买,后面我会弄个表格附上购买店铺和价格,避免广告嫌疑就这里就不贴了。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(9)            ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(10) 

图5 从动轮实物图和主动轮实物图

 

5. 电机的选型和电机支架(图6所示)

 

首先列一下平台的基本参数:

 

  • 最大负载:5 Kg

一般笔记本电脑重量1Kg~3Kg(用笔记本充当SLAM上位机),安全系数为2,因此负载计为5Kg

  • 机器人本体:10Kg

电池重3Kg,其余零部件(多为铝材)合计2~3Kg,安全系数为2,因此本体记为10Kg

  • 最高速度 0.5m/s

室内运行,速度不需要太快。

  • 最小离地间距(越障能力):3 cm

室内平坦环境下使用,可以越过电线、地毯等障碍,最小离地间距3cm 足够。因此选择主动轮直径D = 100 mm = 0.1 m。

  • 连续运行10 h

尽量多的运行时间,方便后期调试,避免频繁充电。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(11)

电机选型表

 

首先我们选择的电机为ASLONG(金顺来特)的JGB37-3530B系列电机(某宝上有专营店),选型参数表如上表所示,下面是选型计算的过程:

 

根据上面列的平台参数表,平台总质量 M = M1+M2 = 5Kg + 10Kg = 15Kg (其中,M1:最大负载;M2:本体重量)

 

故平台总重力W为:W = Mg = 15 x 9.8 ≈ 150 N

 

四个轮子,理论上每个轮子的分担重量为37.5 N,对于两个主动轮,考虑重量分布不均匀且预留一定安全余量,假设每个轮子单独承担的重量各为N = 50N,则电机扭矩T轮子运动时的关系为:

 

T = μ N R (其中,μ = 0.5为滚动摩擦系数;N = 50N为驱动轮承担的重量;R = 0.05m为主动轮半径;)

 

故:T = 0.5 x 50 x 0.05 = 1.25 N·m = 1.25/9.8 Kg力·100 cm = 12.755 Kg·cm

 

由于我们在重力负载以及重量分担上已经留了安全余量,因此电机的扭矩选择直接参考该数值就可以了。

 

已知平台最高速度V = 0.5 m/s;电机最高转速设为Rpm,则有:

 

Rpm =60x V/(2πR) = 60 x 0.5/(2×3.14×0.05) = 95.54 rpm

 

因此我们选择的电机为上面电机选型表中打红勾 √ 的型号,部分参数为:

  • 最高转速111 rpm(大于95.54 rpm)
  • 扭矩为14 Kg·cm(大于12.755 Kg·cm)
  • 堵转转矩为25 Kg·cm;
  • 额定电压 24 V
  • 功率 3 W
  • 减速比 90
  • 带磁编码器(用于计量里程)

 

ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(12)ROS系统玩转自主移动机器人(3)– 开源机器人结构介绍插图(13)

图6 电机实物图和电机支架实物图

 

至此,我们本平台的机械节后部分就介绍完了,可以看出,在能实现基本功能的前提下在结构上已经尽力简化和,基本采用的都是现有的成品件,有利于降低平台搭建的价格。其实由于方案过于简单,这里的机械结构设计基本上没什么技术含量,但是过程还是要有的。

 

下一篇博文开始介绍嵌入式硬件部分的搭建过程。

 

<– 本篇完 –> 

 

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