独轮机器——机械结构设计
学 院：
专 业：
姓 名：
指导老师：
工业动化学院
机械电子工程
黄静茵
学 号：
职 称：
160404102631
唐伟杰
讲师
中国·珠海
二○二○年五月
诚信承诺书
郑重承诺：承诺呈交毕业设计独轮机器——机械结构设计指导教师指导独立开展研究取成果文中引观点材料均文序列出参考文献设计数真实
承诺签名：
日期： 年 月 日
独轮机器——机械结构设计
摘
独轮机器变量强耦合非线性动力学系统静态稳定衡机器动力学建模控制系统设计直国外学者研究重点机械结构设计十分重目前国外独轮机器机械结构设计研究特针动力学建模控制系统设计控制系统设计直该课题研究难点该机器动力学建模简单结构设计坏控制难度直接挂钩优化独轮机器机械结构设计重中重定程度简化独轮机器控制系统设计
课题垂直转子独轮机器作研究象通研究分析历年独轮机器结构设计基础研制出种新型独独轮机器体结构利ProE软件绘制出独轮机器零部件进行虚拟装配确定结构行性Auto CAD软件画出零件二维图定制需零件通计算确定需电机数选择合适电机然零件SolidWorks进行限元分析确定强度符合求进步验证独轮机器结构科学性合理性确定独轮机器结构合理前提进行实物加工装配
关键词：独轮机器垂直转子限元分析结构设计
Unicycle RobotMechanical Structure Design
Abstract
The unicycle robot can be considered as a dynamic system which is multivariable highly coupled and nonlinear and it is designed as a statically unstable robot with selfbalancing function Both its mechanical structure design dynamic modeling and control systems design have been regarded as the essential points by experts and scholars from hone and aboradThe quality of the structural design is directly linked to the difficulty of its control In attempt to simplfy its control system design it is fundamental to exploit an intelligent and optimized mechanical structure for the unicycle robot
This paper takes the vertical rotor unicycle robot as the research object combined with the structural design of the unicycle robot over the years developed a new type of unicycle robot body structure Draw a twodimensional part drawing on Auto CAD software and draw the individual parts of the unicycle robot on Pro E software and at the same time virtual assembly the entire unicycle robot Perform finite element analysis on individual parts to determine their strength meets the requirements This will further test the scientificity and justifiability of the structure of the singlewheel robot And process and assemble the mechanical entity of the unicycle robot
Keywords unicycle robot Vertical rotorFinite Element Analysis
目 录
1 绪 1
11 独轮机器研究意义 1
12 独轮机器研究发展现状 1
121 水转子结构独轮机器 2
122 橄榄球型结构独轮机器 4
123 轮球型结构独轮机器 4
124 垂直转子结构独轮机器 6
13 课题解决问题 7
2 独轮机器机械结构设计选择 8
21 机械结构设计求 8
22 独轮机器机械结构设计 8
23 种侧衡方式 9
24 电机选择 10
25 前进车轮设计 12
26 章结 15
3 独轮机器模块建模 16
31 建模环境搭建 16
32 轮架设计 16
33 底板设计 18
34 中板设计 18
35 板设计 19
36 侧板设计 19
37 头部设计 20
38 独轮机器外观设计 21
39 章结 23
4 限元分析 24
41 限元方法简介 24
42 限元分析流程 24
43 底板限元分析 25
44 章结 28
5 总结展 29
51 总结 29
52 展 29
参考文献 30
谢 辞 32
附 录 33
附录：独轮机器外观图 33
附录二：独轮机器三视图 37
附录三：零件CAD图 38
1 绪
11 独轮机器研究意义
着科学进步国机器技术发展智机器已军事航天医疗服务资源勘探开发紧急救援等方面着广泛应现逐步渗透日常生活教育娱乐等领域时世界机器市场逐步发展扩2019年机器市场数显示仅2019年半年国机器市场规模达425亿元全球机器市场占接30市场规模断扩[1]难出机器着十分广阔发展前景
移动机器综合系统[2]通感知周围环境变化决定规划出机器优运动轨迹进机器行进行控制完成规定动作机电体化领域优秀成果集中学科研究成果国外热门研究领域移动机器应十分广泛涵盖海陆空甚外太空移动机器移动方式分轮式履带式移动机器爬行移动机器步行移动机器蠕动式机器游动式机器等中轮式履带式移动机器较常见轮式机器结构简单容易控制成低等特点广泛研究应
课题研究独轮机器轮式机器中较特殊种轮式机器相显著结构特征轮子着结构简单外形巧较空间里运动零半径回转等优点[3]时独轮机器强耦合变量非线性复杂动力学系统静态衡性运动需解决动态衡问题控制理动力学研究挑战非常研究模型[4]外现作代步工具独轮车受众喜欢年处见身影综合说理意义实际实价值角度独轮机器值国外学者继续深入研究
12 独轮机器研究发展现状
目前国外学者动力学模型机械结构设计控制系统设计等三方面独轮机器进行研究国外起步较早追溯二十世纪八十年代国起步较晚研究取进展观国外独轮机器体结构设计外观形状特色致分：水转子结构独轮机器橄榄球型结构独轮机器轮球型独轮机器垂直转子结构独轮机器鼓风机独轮机器等
121 水转子结构独轮机器
水转子结构独轮机器指机器顶部水转子该水转子面行独轮机器通控制水转子加速转动抵消独轮机器偏转力进保持独轮机器衡该类型机器具仿生性结构相简单设计易实现姿态检测较困难耦合效应强进加姿态衡控制难度
1986年世界第台独轮机器美国斯坦福学Schoonwinkel研制水转子结构独轮机器[5]图11示图出该独轮机器车架车轮水转子三部分构成外形类骑独轮车相似水转子腰部通左右转动保持衡车轮利电机控制前转动控制衡
图11 Schoolwinkel独轮机器
控制系统设计采线性LQR（linear quadratic regulator）方法控制前方衡该方法忽略系统状态耦合控制器鲁棒性提高
1993年左右日电子通信学Zaiquan Sheng等研制种新型水转子结构独轮机器[6][7]图12示分析骑独轮车时动态特性发现骑手躯干腿腿形成两闭环种特殊机械结构独轮车稳定性起着重作基想法开发新模型两闭环机构转盘机器够模仿类骑独轮车该模型较模拟骑独轮车横稳定性该结构设计复杂两闭环需时驱动增控制难度
图12 日东京学独轮机器
国研究中关水转子结构独轮机器研究2009年北京邮电学 郭磊博士文涉独轮机器[8]图13示该结构通步进电机1控制水转子进达调整车体航目车体配重控制利步进电机2步进电机3调节通控制车体配重位置变化实现侧角度调整步进电机4步进电机5控制车轮运动利车轮运动保持俯仰衡控制车轮前进速度郭磊博士认机器质心位置通移动配重改变样机器倾倒力矩重力抵消目前该结构设计数值仿真控制验证没实际物理样机实验支持
图13 北京邮电学独轮机器
122 橄榄球型结构独轮机器
二十世纪八十年代日筑波学智机器团队致力衡机器研究家族命名Yamabico1997年时该团队研制出种新型结构独轮机器该独轮机器轮子形状类似橄榄球称橄榄球型独轮机器[9]图14
a)独轮机器结构 b）机器转运动
图14 橄榄球型结构独轮机器
研究者认曲率轮子更容易面接触机器保持侧衡范围更该机器分两部分利半部分摆动改变重心位置进机器仅稳定姿态更进行转运动
该独轮机器橄榄球形状车轮仅横滚调节范围变更降低侧衡控制难度该机器实验证明保持衡前提需速度移动
123 轮球型结构独轮机器
2006年美国卡基—梅隆学TBLauwers等橄榄球型独轮机器基础改进轮子形状研制出种轮球型结构独轮机器——Ballbot[10] 图15示模仿身高体重宽度机器着高重心单球型轮动态衡该机器底部采逆鼠标驱动机制三铝制通道通圆形甲板固定起构成Ballbot身体结构三伸缩着陆腿连接通道三分展开时组件Ballbot断电保持站立状态图15(b)示独轮机器俯仰衡侧衡航控制均通电机控制轮球实现该机器衡性敏捷性提高度简化摩擦模型控制器性佳
a)轮球型独轮机器结构 b）逆鼠标驱动机制
图15 Ballbot结构设计
目前国高校研究种轮球型独轮机器例北京交通学王志群设计站球机器[11]（图16）江西理工学刘龙细等设计单球衡移动机器[12]（图17）等
图16 站球机器 图17 单球机器
124 垂直转子结构独轮机器
体结构顶部面垂直飞轮独轮机器垂直转子结构独轮机器该结构独轮机器利垂直转子倾倒反方加速旋转产生扭转力矩进抵消倾倒力矩达侧衡
美国加州学圣哥亚学Raymond de Callafon等2007年基倒立摆原理设计款独轮机器——Unibot该机器结构水转子结构独轮机器相似水转子改垂直转子图18出unibot简化模型前进车轮车架垂直转子构成该结构前左右衡利车轮垂直转子转动控制车轮前转动保持俯仰衡垂直转子控制侧衡该结构缺点没设计航控制机构
图18 Unibot实物模型
Unibot结构设计较前改进控制相简单少国外学者结构基础进行改进创新例日村田公司2008年推出名村田婉童[13]骑独轮车机器图19示村田婉童背装两陀螺仪传感器利陀螺仪判断身体偏移状况通胸部垂直转子消侧倾斜力通车轮转动控制前方衡该结构忽略俯仰侧动力学耦合影响
图19 村田婉童
年国少高校独轮机器研究例哈尔滨工业学机器研究院熊梅等2010年建立五度独轮机器动力学模型[14]图110a）示通简化动力学模型采变增益控制方法考虑姿态间耦合效应姿态控制器进行仿真证实控制算法行性解决五度独轮机器改变航问题白占欣等2011年设计六度独轮机器[15]图110b）示五度独轮机器基础设计转装置设计时变增益控制算法仿真验证该控制算法行性
图110a） 熊梅五度独轮机器 图110b） 白占欣六度独轮机器
13 课题解决问题
课题目设计种巧玲珑外形美观独轮机器观独轮机器结构研究史发现目前独轮机器结构偏型想设计型独轮机器具体容：
（1） 独轮机器结构设计 独轮机器结构设计尤重关系着控制难度ProE中详细设计出零件三维模型组装加工出机械实体
（2） 独轮机器功仿真 设计机器进行限元分析确定性
2 独轮机器机械结构设计选择
21 机械结构设计求
绪出国外研究者提出种样独轮机器机械结构设计装配出实体进行实验研究迄止数独轮机器结构设计较型机器总质量体积容易造成材料浪费独轮机器体机构控制系统重影响机械结构合理设计仅保证姿势稳定性降低控制系统设计复杂度缩短研究时间节省研究成简言独轮机器设计须遵循原：
（1） 机械结构称机械结构质心居中限度接面
（2） 电源电路板等元器件进行合理摆放保持质心位置
（3） 改善机器动态响应需提供转矩车轮垂直转子外应量减少余零件惯性
（4） 保证功受影响耳朵情况量减结构质量体积减少量必消耗助实现运动衡
（5） 方便装配调试维修机器机械结构设计模块化
（6） 材料强度刚度决定机器寿命设计程中需选择零部件材料加工方式材料性太样
（7） 设计时需充分考虑零部件配合问题减少返工带时间浪费
22 独轮机器机械结构设计
独轮机器俯仰衡车轮前加速转动实现侧衡垂直转子控制独轮机器结构便车轮垂直转子利ProE设计出独轮机器机械结构概念图图21示
图21 独轮机器机械结构设计概念图
独轮机器机械结构三部分：
（1） 垂直转子部分：置独轮机器中部偏电机转轴直接相连控制独轮机器侧衡
（2） 车轮部分：位独轮机器端电机通齿轮连接独轮机器俯仰衡控制
（3） 车体部分：独轮机器体结构固定电路板电池盒连接车轮垂直转子外方便控制独轮机器体宜太重市面较常质量较轻亚克力板做车体部分结构
独轮机器实物图图22示独轮机器外壳头部3mm厚亚克力板制作考虑强度问题轮架中间板5mm厚亚克力板结构设计尺寸表21示：
表21 结构设计尺寸
机械设计参数名称
参数值
机器整体（长*宽*高）
96mm*96mm*170mm
车轮半径R1
21mm（轴径3mm）
垂直转子半径R2
29mm
独轮机器衡控制难易条件质量否合理分布质量合理分布降低控制难度表22结构部件质量数清楚结构部件质量更安排结构布局
表22 结构部件质量
结构部件
质量
垂直转子质量
50g
车轮质量
4g
电机质量
20g
电池质量
94g
车架质量
350g
23 种侧衡方式
目前独轮机器侧衡方式球轮式陀螺进动力式局部重心改变式空起反作力式惯性飞轮式等种方式优缺点面结构复杂度耗称性等方面述侧衡方式进行较种侧衡方式较分析表23示：
表23 种侧衡方式较分析
指标
结构复杂度
耗
结构称性
定倾角站立
球轮
般
陀螺进动力
较
否
局部重心改变
般
否
空气反作力
较
较
惯性飞轮
少
通五种侧衡方式出惯性飞轮侧衡方式结构复杂度耗少侧衡方式选惯性飞轮
24 电机选择
独轮机器分需电机驱动车轮垂直转子实现机器俯仰侧衡目前市面常电机：步进电机伺服电机直流电机直流减速电机等机器总重量限制里考虑电机：步进电机直流减速电机面两种电机性进行分析选择合适电机
（1） 步进电机
步进电机电脉信号转变角位移线位移开环控制元步进电机件[16]步进电机通脉信号驱动脉信号步进电机会转动固定角度步进电机步进角根需选择步进电机精准定位通控制脉数实现脉频率控制着步进电机转速达调速目快速启停步进电机优点步进电机缺点明显：（1）步进电机饿输出转矩转速呈负相关转速越转矩越（2）堵转丢步现象启动频率空载启动频率时容易发生（3）电机高速运转时停止系统惯性问题容易出现现象（4）步进电机体积质量较图22示
图22 步进电机
（2） 直流减速电机
直流减速电机直流电机齿轮减速器组成图23示直流电机转速快转矩加齿轮减速器提高转矩电机减速通齿轮减速器组合控制控转矩转速直流减速电机工业更广泛直流减速电机仅调速方面运行稳调速范围广泛具良启停特性步进电机相巧转矩载力强价格合适
图23 直流减速电机
课题讲独轮机器高移动速度15米秒电机转速高达682转分钟步进电机转速般500转分钟快容易堵转该独轮机器结构设计较巧步进电机般体积较设计求符果直流减速电机选择减速达需转速扭矩里选直流减速电机
面直流减速电机型号独轮机器移动时需克服重力摩擦力两种阻力机器面运动话克服摩擦力面轮子滚动阻力系数表24
表24 路面滚动阻力系数
路面土质
滚动阻力系数
泥炭土
025
压实粘土路面
003
压实黑土路面
005
沥青路面
002
独轮机器整机重量700克左右面摩擦系数气胎轮压实粘土路面取003独轮机器需功率：
P总f*v07*98*003*15031W （式21）
车轮直径42mm电机需提供转矩：
MPωPrv031*2115434mN·m （式22）
计算里选型号GA12N2010直流减速电机转矩6mN·m转速达1000转十分巧十分符合求电机尺寸图24示
图24 N20电机尺寸
25 前进车轮设计
独轮机器研究难点前进车轮优化独轮机器通前进车轮前滚动实现俯仰方衡前进车轮设计求传动机构简单质心量居中加工装配想简单拆卸维修方便目前前进车轮设计种：
（1） 电机直连式
顾名思义电机直连式前进轮设计车轮直接连电机样连接处没量浪费结构特简单型独轮机器说种结构确实行结构巧型独轮机器说样连接方式太占空间会减少独轮机器侧偏倒角度北京工业学王启源博士设计独轮机器[17]种连接方式图25示
图25 王启源独轮机器
（2） 车毂电机式
2013年哈尔滨工业学胡攀辉[18]设计独轮机器采车毂电机式前进车轮该车轮直接采改进版电动车专型永磁刷直流齿高速车毂电机作车轮车毂电机电机减速系统传动系统集成起设备形状结构简单称控制方便缺点材料需专门定制制作周期长费高图26示
图26 胡攀辉车毂电机式前进车轮
（3） 齿轮啮合式
2014年桂林电子科技学黄渭[19]电动行车驱动轮设计原型薄饼电机车架固定连接车毂齿轮电机齿轮啮合形成传动传动机构加装采集车轮速度编码器该结构结构紧凑传动效率高该结构形状结构需专门定制车轮制造成较高图27示
图27 黄渭前进车轮设计
（4） 齿轮外啮合式
2016年杭州电子科技学王独轮机器设计种新型前进车轮[20]设计齿轮轮胎体前进车轮驱动电机通齿轮连接驱动车轮该设计亚克力板定制成料简单成较低传动效率高结构紧凑图28示
图28 王前进车轮设计
述四种方案均实现控制求方案电机直连式车轮较情况电机长度直接影响独轮机器侧偏倒角度考虑方案二方案三结构紧凑控制简单零件需专门定制制作周期长成较高方案四相前面三种方案该方案设计调节性较结构做巧亚克力板定制相说价格便宜定制周期长齿轮传动传动效率高设计方案四类似结构
着量降低成原量采标准化系列化通化零件设计前进车轮图29齿轮车轮固定轴轴两端轴承车架连接该设计零件市面直接买需专门定制节约成减少时间浪费
图29 前进车轮设计
26 章结
章中计算讨独轮机器种重结构设计首先确定机械结构设计求量避免设计出现低级错误时需结构质量合理分布次选择合适侧衡方式考虑力水选择复杂度较惯性飞轮设计然通计算确定需电机数根计算数选择合适电机种前进车轮传动方式设计前辈设计基础进行改进设计更济前进车轮
3 独轮机器模块建模
31 建模环境搭建
（1） Soildworks介绍
Solidworks美国SolidWorks公司1995年开发款三维CAD产品1997年法国Dassault公司收购SolidWorks成领先流三维CAD解决方案益SolidWorks三特征：易学易功强技术创新[21]SolidWorks通提供设计方案减少设计程中错误进提高产品质量SolidWorks软件操作简单初学者说更容易手需快速学会三维软件建模说错选择
SolidWorks特点：（1）基Windows操作系统操作简单快捷（2）操作界面简洁轻便易手（3）种数导入导出（4）软件特征理器方便理CAD文件（5）模块众满足户求等
（2） ProE介绍
ProE美国PTC公司1988年研制款集CADCAMCAE体三维软件三十年发展ProE日俨然成三维CAD系统标准软件广泛应3C产品汽车电子通信机械航天家电等行业[22]
机械工程实际设计仿真程中Pro E完全满足客户需求Pro E全方位软件零件设计零件装配工程图制作动画制作限元分析逆工程设计等种功
ProE特点：（1）基特征建模草图勾画零件概形状统修改成需尺寸避免修改尺寸程中草图变形情况（2）单数库工程中数库简单说部门产品修改会体现产品设计相关环节（3）数理允许设计师时产品进行研制开发提高效率（4）装配理简单直观命令装配更加简单（5）全相关性开发程中某处修改会扩展整设计修改
通两种软件解决方案介绍Pro E操作更性化功更加强考虑机械结构设计程中会常修改尺寸结构避免出现二维图三维图尺寸选择具全相关性Pro E更合适综课题研究中Pro E三维建模软件实现独轮机器三维造型
32 轮架设计
轮架设计两方案：
方案：
图31示采折弯件直板型结构部分底板螺栓连接接触面积目前亚克力板折弯技术成熟
图31 方案轮架
方案二：
图32示该轮架采V字形结构底板利凹凸槽连接角铁固定
图32 方案二轮架
述两种方案均实现设计求两轮架间需放置电机宽度采方案话两轮架间距离会较远样底部轴会长起极协调轮架底板接触面机器重力压容易底板变形方案二结构呈V字形力分掉角铁固定结构更加牢固易变形综合考虑选择方案二
33 底板设计
底板设计采90mm*90mm正方形厚度5mm亚克力板四周3mm固定孔方便中板连接固定计算底板相应位置出轮架固定孔角铁固定孔前进车轮控制电机放底板底部合适位置电机座固定孔孔量称分布降低底板质量时保证底板性该底板四边设侧板厚度相凹凸拼槽方便侧板拼装具良衔接性易安装图33示底板孔较第四章底板进行限元分析确保底板强度符合求
图33 底板设计
34 中板设计
中板外形底板相似中板放置垂直转子电机电池孔相底板说少垂直转子直径58mm厚度8mm放置垂直转子中板前边开60mm*20mm槽中部10mm*10mm槽电线槽电机电池线通槽底板控制板连接样电线排布会更整洁四周固定孔电机孔直径3mm孔电机座孔2mm中板没设置凹凸拼槽中部开开开侧板精度求更高简化拼装设置凹凸拼槽中板具体设计图34示
图34 中板设计
35 板设计
独轮机器身体部分设计长方体型板设计中板相似垂直转子直径较部分顶板板开槽板头部连接拼插式板头部尺寸开凹槽头部OLED显示屏中部开电线槽方便侧板拼装板四周凹凸拼槽具体设计图35示
图35 板设计
36 侧板设计
侧板设计独轮机器外观更外观酷似拼图前板显示垂直转子开孔外设计样四周凹凸拼槽连接板底板采体化设计没余边凸出外观更加精美图36示
图36a）侧板设计 图36b） 前侧板设计
图36c） 侧板组装图
37 头部设计
头前板设计根096寸OLED显示屏尺寸设计中间开刚放OLED显示屏槽四周直径2mm固定孔样拼图造型设计图37示
图37a） 头前板OLED显示屏 图37b） 头前板设计
头部正方体型设计头侧板头板头前板尺寸设计设计相简单需切割行孔尺寸41mm*41mm底部凸槽高度板厚度致图38图39示
图38 头侧板设计 图39 头板设计
38 独轮机器外观设计
图310示独轮机器结构总装图清晰图详见附录底板电机通齿轮传动控制车轮转动保持前衡中板电机直连控制垂直转子加速转动产生转矩抵消独轮机器侧偏力进保持侧衡头部装OLED显示屏显示想数动画图311独轮机器实物图
图310 独轮机器结构总装图
图311 独轮机器实物图
39 章结
章关独轮机器零部件设计先SolidWorksProE两三维设计软件进行较选择ProE作课题三维设计软件章介绍ProE绘制零件外形尺寸总装图根三维图定制采购需材料组装出独轮机器
4 限元分析
限元分析（FEAFinite Element Analysis）利限元法静态动态物理系统进行分析限元法物理模型进行离散划分定数量网格网格称单元（列出方程离散网格规）针单元选择插值函数单元尺寸越限元解越接实际解
41 限元方法简介
微分方程相应边界条件表示工程绝部分问题微分方程边界条件组成定解问题称微分方程边值问题[23]简单边值问题解析法求精确解然部分边值问题容易求解物体载荷材料尺寸外观规种情况般数值法求解常数值法：差分法变分法限元法
限元法复杂物理模型划分单元单元里找满足边界条件试探函数通试探函数整合整求解域方法限元法称基变分原理差分方法采差分方法离散思想差分法物理模型离散微分方程列出离散离散单元形状简单易找满足边界条件试探函数运算相变分法简单限元法通控制离散单元控制计算精度更接实际精确解
独轮机器运动程中底板起着支撑作强度刚度直接影响独轮机器寿命承载力底板承受部分力进行静力学分析确定强度刚度否符合求验证结构性
42 限元分析流程
限元分析般三阶段：
（1）预处理
1) 模型建立：实体模型导入SolidWorks
2) 选择分析类型材料加载约束载荷
3) 网格划分：网格越细精度越高计算时间会相应延长 必须选择合理网格密度
（2）求解：计算求结果求解失败需约束载荷进行调整
（3）处理：检测分析结果正确性
总结说SolidWorks限元分析步骤模型建立载荷加载结果分析等中限元分析流程图41示
图41 限元分析流程
需注意 simulation单位行设置设置载荷时候需注意单位否致免计算结果出错
43 底板限元分析
独轮机器底板承重部件需保证该结构具足够强度里底板进行限元静力学分析确保底板结构设计符合求
（1） 模型建立：导入底板模型
（2） 选择静应力分析选择底板材料设定约束载荷
独轮机器底板选材料亚克力板（PMMA）泊松ν036弹性模量E2770Gpa密度ρ118gcm3屈服强度σ024Gpa[24]接着底板进行夹具固定设置底板受力图42示
图42 底板夹具固定方式受力示意图
（3） 网格划分
网格划分限元分析程中重环节直接影响求解精度网格划分越细结果越接真实情况时计算时间会越久合理划分网格图43示进行限元计算出底板静态应力图静态应变图静态位移图
图43 底板网格化
（4） 求解分析
限元计算图44 应力云图图出底板受应力221×e6Nm2远屈服应力24×e8Nm2静力特性分析结果知底板具较强度
图44 底板应力云图
通限元计算图45示位移云图底盘形变量0019mm形变量量非常完全符合需求应变情况图46示安全系数校核发现值108安全系数非常高图47示
图45 底板位移云图
图46 底板应变云图
图47 底板安全系数图
（5） 结果分析
前面分析出底板应力221×e6Nm2形变量0019mm安全系数108亚克力板屈服应力24×e8Nm2底板应力远屈服应力安全系数远低安全系数底板完全符合需强度
44 章结
章介绍限元分析然底板进行限元分析确认底板强度完全符合求
5 总结展
51 总结
独轮机器变量强耦合非线性动力学系统静态稳定衡机器动力学方程复杂姿态衡控制困难然独轮机器机械结构设计坏控制系统难易直接挂钩文结合前辈研究垂直转子独轮机器机械结构进行分析研究设计研制独轮机器机械结构
通点进行研究设计：
（1）收集国外该课题相关文献资料解独轮机器发展史国外独轮机器研究二十世纪八十年代开始历年研究独轮机器造型越发样精致国研究起步较晚2009年高校研究目前国独轮机器结构设计偏型化造型样设计
（2）队友讨决定该独轮机器参盒子机器外形进行设计讨模块放置位置结合模块进行设计画出草图
（3）接着利ProE三维建模软件前设计独轮机器零件进行建模通计算确定需电机种传动方式确定齿轮传动零件进行虚拟装配进步验证独轮机器合理性
（4）绘制出零件图中选择强度刚度求较高零件SolidWorks中利simulation插件进行限元分析根生成云图更直观解选材料否符合求效节约研究成缩短研究时间
（5）确定机器虚拟组装合理开始定制零件组装实体合理方进行调整修改
综课题研究设计独轮机器整设计思路实际研究程
52 展
独轮机器研究涉学科广泛研究复杂关独轮机器研究长路走仅机械结构设计改进控制算法动力学模型姿态衡控制强研究性希独轮机器结构设计研究继续完善改进简化前进车轮传动系统合理布局选材减低独轮机器整体高度减轻重量设计合适硬件电路控制系统独轮机器运动姿态等控制更进步
参考文献
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谢 辞
光阴文完成际心感慨万千回想学四年事心情久久法复四年学生活说长长说短短感觉昨日刚学转眼毕业里着致谢感谢予帮助事
首先感谢指导老师唐伟杰老师验匮乏开始弄毕设时头苍蝇处乱撞完全没思路亏唐老师队友指导逐渐找方进完成毕业文
次感谢北理珠工院诸位师长课堂倾教授知识答疑解惑毕设程中诸位老师吝赐教倾囊相助传道授业解惑助完成毕业设计
者感谢学室友朋友写文程中予帮助教会软件教该搜索文献文撰写排版程中帮助感谢室友四年带着玩带着学
然感谢父母亲求学程中全力支持学路顾忧未学工作道路定刻苦专研负期
句话告诫事豫立豫废言前定跲事前定困行前定疚道前定穷希学工作生活做规划
附 录
附录：独轮机器外观图
附录二：独轮机器三视图
附录三：零件CAD图
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独轮机器——机械结构设计
学 院：
专 业：
姓 名：
指导老师：
工业动化学院
机械电子工程
黄静茵
学 号：
职 称：
160404102631
唐伟杰
讲师
中国·珠海
二○二○年五月
诚信承诺书
郑重承诺：承诺呈交毕业设计独轮机器——机械结构设计指导教师指导独立开展研究取成果文中引观点材料均文序列出参考文献设计数真实
承诺签名：
日期： 年 月 日
独轮机器——机械结构设计
摘
独轮机器变量强耦合非线性动力学系统静态稳定衡机器动力学建模控制系统设计直国外学者研究重点机械结构设计十分重目前国外独轮机器机械结构设计研究特针动力学建模控制系统设计控制系统设计直该课题研究难点该机器动力学建模简单结构设计坏控制难度直接挂钩优化独轮机器机械结构设计重中重定程度简化独轮机器控制系统设计
课题垂直转子独轮机器作研究象通研究分析历年独轮机器结构设计基础研制出种新型独独轮机器体结构利ProE软件绘制出独轮机器零部件进行虚拟装配确定结构行性Auto CAD软件画出零件二维图定制需零件通计算确定需电机数选择合适电机然零件SolidWorks进行限元分析确定强度符合求进步验证独轮机器结构科学性合理性确定独轮机器结构合理前提进行实物加工装配
关键词：独轮机器垂直转子限元分析结构设计
Unicycle RobotMechanical Structure Design
Abstract
The unicycle robot can be considered as a dynamic system which is multivariable highly coupled and nonlinear and it is designed as a statically unstable robot with selfbalancing function Both its mechanical structure design dynamic modeling and control systems design have been regarded as the essential points by experts and scholars from hone and aboradThe quality of the structural design is directly linked to the difficulty of its control In attempt to simplfy its control system design it is fundamental to exploit an intelligent and optimized mechanical structure for the unicycle robot
This paper takes the vertical rotor unicycle robot as the research object combined with the structural design of the unicycle robot over the years developed a new type of unicycle robot body structure Draw a twodimensional part drawing on Auto CAD software and draw the individual parts of the unicycle robot on Pro E software and at the same time virtual assembly the entire unicycle robot Perform finite element analysis on individual parts to determine their strength meets the requirements This will further test the scientificity and justifiability of the structure of the singlewheel robot And process and assemble the mechanical entity of the unicycle robot
Keywords unicycle robot Vertical rotorFinite Element Analysis
目 录
1 绪 1
11 独轮机器研究意义 1
12 独轮机器研究发展现状 1
121 水转子结构独轮机器 2
122 橄榄球型结构独轮机器 4
123 轮球型结构独轮机器 4
124 垂直转子结构独轮机器 6
13 课题解决问题 7
2 独轮机器机械结构设计选择 8
21 机械结构设计求 8
22 独轮机器机械结构设计 8
23 种侧衡方式 9
24 电机选择 10
25 前进车轮设计 12
26 章结 15
3 独轮机器模块建模 16
31 建模环境搭建 16
32 轮架设计 16
33 底板设计 18
34 中板设计 18
35 板设计 19
36 侧板设计 19
37 头部设计 20
38 独轮机器外观设计 21
39 章结 23
4 限元分析 24
41 限元方法简介 24
42 限元分析流程 24
43 底板限元分析 25
44 章结 28
5 总结展 29
51 总结 29
52 展 29
参考文献 30
谢 辞 32
附 录 33
附录：独轮机器外观图 33
附录二：独轮机器三视图 37
附录三：零件CAD图 38
1 绪
11 独轮机器研究意义
着科学进步国机器技术发展智机器已军事航天医疗服务资源勘探开发紧急救援等方面着广泛应现逐步渗透日常生活教育娱乐等领域时世界机器市场逐步发展扩2019年机器市场数显示仅2019年半年国机器市场规模达425亿元全球机器市场占接30市场规模断扩[1]难出机器着十分广阔发展前景
移动机器综合系统[2]通感知周围环境变化决定规划出机器优运动轨迹进机器行进行控制完成规定动作机电体化领域优秀成果集中学科研究成果国外热门研究领域移动机器应十分广泛涵盖海陆空甚外太空移动机器移动方式分轮式履带式移动机器爬行移动机器步行移动机器蠕动式机器游动式机器等中轮式履带式移动机器较常见轮式机器结构简单容易控制成低等特点广泛研究应
课题研究独轮机器轮式机器中较特殊种轮式机器相显著结构特征轮子着结构简单外形巧较空间里运动零半径回转等优点[3]时独轮机器强耦合变量非线性复杂动力学系统静态衡性运动需解决动态衡问题控制理动力学研究挑战非常研究模型[4]外现作代步工具独轮车受众喜欢年处见身影综合说理意义实际实价值角度独轮机器值国外学者继续深入研究
12 独轮机器研究发展现状
目前国外学者动力学模型机械结构设计控制系统设计等三方面独轮机器进行研究国外起步较早追溯二十世纪八十年代国起步较晚研究取进展观国外独轮机器体结构设计外观形状特色致分：水转子结构独轮机器橄榄球型结构独轮机器轮球型独轮机器垂直转子结构独轮机器鼓风机独轮机器等
121 水转子结构独轮机器
水转子结构独轮机器指机器顶部水转子该水转子面行独轮机器通控制水转子加速转动抵消独轮机器偏转力进保持独轮机器衡该类型机器具仿生性结构相简单设计易实现姿态检测较困难耦合效应强进加姿态衡控制难度
1986年世界第台独轮机器美国斯坦福学Schoonwinkel研制水转子结构独轮机器[5]图11示图出该独轮机器车架车轮水转子三部分构成外形类骑独轮车相似水转子腰部通左右转动保持衡车轮利电机控制前转动控制衡
图11 Schoolwinkel独轮机器
控制系统设计采线性LQR（linear quadratic regulator）方法控制前方衡该方法忽略系统状态耦合控制器鲁棒性提高
1993年左右日电子通信学Zaiquan Sheng等研制种新型水转子结构独轮机器[6][7]图12示分析骑独轮车时动态特性发现骑手躯干腿腿形成两闭环种特殊机械结构独轮车稳定性起着重作基想法开发新模型两闭环机构转盘机器够模仿类骑独轮车该模型较模拟骑独轮车横稳定性该结构设计复杂两闭环需时驱动增控制难度
图12 日东京学独轮机器
国研究中关水转子结构独轮机器研究2009年北京邮电学 郭磊博士文涉独轮机器[8]图13示该结构通步进电机1控制水转子进达调整车体航目车体配重控制利步进电机2步进电机3调节通控制车体配重位置变化实现侧角度调整步进电机4步进电机5控制车轮运动利车轮运动保持俯仰衡控制车轮前进速度郭磊博士认机器质心位置通移动配重改变样机器倾倒力矩重力抵消目前该结构设计数值仿真控制验证没实际物理样机实验支持
图13 北京邮电学独轮机器
122 橄榄球型结构独轮机器
二十世纪八十年代日筑波学智机器团队致力衡机器研究家族命名Yamabico1997年时该团队研制出种新型结构独轮机器该独轮机器轮子形状类似橄榄球称橄榄球型独轮机器[9]图14
a)独轮机器结构 b）机器转运动
图14 橄榄球型结构独轮机器
研究者认曲率轮子更容易面接触机器保持侧衡范围更该机器分两部分利半部分摆动改变重心位置进机器仅稳定姿态更进行转运动
该独轮机器橄榄球形状车轮仅横滚调节范围变更降低侧衡控制难度该机器实验证明保持衡前提需速度移动
123 轮球型结构独轮机器
2006年美国卡基—梅隆学TBLauwers等橄榄球型独轮机器基础改进轮子形状研制出种轮球型结构独轮机器——Ballbot[10] 图15示模仿身高体重宽度机器着高重心单球型轮动态衡该机器底部采逆鼠标驱动机制三铝制通道通圆形甲板固定起构成Ballbot身体结构三伸缩着陆腿连接通道三分展开时组件Ballbot断电保持站立状态图15(b)示独轮机器俯仰衡侧衡航控制均通电机控制轮球实现该机器衡性敏捷性提高度简化摩擦模型控制器性佳
a)轮球型独轮机器结构 b）逆鼠标驱动机制
图15 Ballbot结构设计
目前国高校研究种轮球型独轮机器例北京交通学王志群设计站球机器[11]（图16）江西理工学刘龙细等设计单球衡移动机器[12]（图17）等
图16 站球机器 图17 单球机器
124 垂直转子结构独轮机器
体结构顶部面垂直飞轮独轮机器垂直转子结构独轮机器该结构独轮机器利垂直转子倾倒反方加速旋转产生扭转力矩进抵消倾倒力矩达侧衡
美国加州学圣哥亚学Raymond de Callafon等2007年基倒立摆原理设计款独轮机器——Unibot该机器结构水转子结构独轮机器相似水转子改垂直转子图18出unibot简化模型前进车轮车架垂直转子构成该结构前左右衡利车轮垂直转子转动控制车轮前转动保持俯仰衡垂直转子控制侧衡该结构缺点没设计航控制机构
图18 Unibot实物模型
Unibot结构设计较前改进控制相简单少国外学者结构基础进行改进创新例日村田公司2008年推出名村田婉童[13]骑独轮车机器图19示村田婉童背装两陀螺仪传感器利陀螺仪判断身体偏移状况通胸部垂直转子消侧倾斜力通车轮转动控制前方衡该结构忽略俯仰侧动力学耦合影响
图19 村田婉童
年国少高校独轮机器研究例哈尔滨工业学机器研究院熊梅等2010年建立五度独轮机器动力学模型[14]图110a）示通简化动力学模型采变增益控制方法考虑姿态间耦合效应姿态控制器进行仿真证实控制算法行性解决五度独轮机器改变航问题白占欣等2011年设计六度独轮机器[15]图110b）示五度独轮机器基础设计转装置设计时变增益控制算法仿真验证该控制算法行性
图110a） 熊梅五度独轮机器 图110b） 白占欣六度独轮机器
13 课题解决问题
课题目设计种巧玲珑外形美观独轮机器观独轮机器结构研究史发现目前独轮机器结构偏型想设计型独轮机器具体容：
（1） 独轮机器结构设计 独轮机器结构设计尤重关系着控制难度ProE中详细设计出零件三维模型组装加工出机械实体
（2） 独轮机器功仿真 设计机器进行限元分析确定性
2 独轮机器机械结构设计选择
21 机械结构设计求
绪出国外研究者提出种样独轮机器机械结构设计装配出实体进行实验研究迄止数独轮机器结构设计较型机器总质量体积容易造成材料浪费独轮机器体机构控制系统重影响机械结构合理设计仅保证姿势稳定性降低控制系统设计复杂度缩短研究时间节省研究成简言独轮机器设计须遵循原：
（1） 机械结构称机械结构质心居中限度接面
（2） 电源电路板等元器件进行合理摆放保持质心位置
（3） 改善机器动态响应需提供转矩车轮垂直转子外应量减少余零件惯性
（4） 保证功受影响耳朵情况量减结构质量体积减少量必消耗助实现运动衡
（5） 方便装配调试维修机器机械结构设计模块化
（6） 材料强度刚度决定机器寿命设计程中需选择零部件材料加工方式材料性太样
（7） 设计时需充分考虑零部件配合问题减少返工带时间浪费
22 独轮机器机械结构设计
独轮机器俯仰衡车轮前加速转动实现侧衡垂直转子控制独轮机器结构便车轮垂直转子利ProE设计出独轮机器机械结构概念图图21示
图21 独轮机器机械结构设计概念图
独轮机器机械结构三部分：
（1） 垂直转子部分：置独轮机器中部偏电机转轴直接相连控制独轮机器侧衡
（2） 车轮部分：位独轮机器端电机通齿轮连接独轮机器俯仰衡控制
（3） 车体部分：独轮机器体结构固定电路板电池盒连接车轮垂直转子外方便控制独轮机器体宜太重市面较常质量较轻亚克力板做车体部分结构
独轮机器实物图图22示独轮机器外壳头部3mm厚亚克力板制作考虑强度问题轮架中间板5mm厚亚克力板结构设计尺寸表21示：
表21 结构设计尺寸
机械设计参数名称
参数值
机器整体（长*宽*高）
96mm*96mm*170mm
车轮半径R1
21mm（轴径3mm）
垂直转子半径R2
29mm
独轮机器衡控制难易条件质量否合理分布质量合理分布降低控制难度表22结构部件质量数清楚结构部件质量更安排结构布局
表22 结构部件质量
结构部件
质量
垂直转子质量
50g
车轮质量
4g
电机质量
20g
电池质量
94g
车架质量
350g
23 种侧衡方式
目前独轮机器侧衡方式球轮式陀螺进动力式局部重心改变式空起反作力式惯性飞轮式等种方式优缺点面结构复杂度耗称性等方面述侧衡方式进行较种侧衡方式较分析表23示：
表23 种侧衡方式较分析
指标
结构复杂度
耗
结构称性
定倾角站立
球轮
般
陀螺进动力
较
否
局部重心改变
般
否
空气反作力
较
较
惯性飞轮
少
通五种侧衡方式出惯性飞轮侧衡方式结构复杂度耗少侧衡方式选惯性飞轮
24 电机选择
独轮机器分需电机驱动车轮垂直转子实现机器俯仰侧衡目前市面常电机：步进电机伺服电机直流电机直流减速电机等机器总重量限制里考虑电机：步进电机直流减速电机面两种电机性进行分析选择合适电机
（1） 步进电机
步进电机电脉信号转变角位移线位移开环控制元步进电机件[16]步进电机通脉信号驱动脉信号步进电机会转动固定角度步进电机步进角根需选择步进电机精准定位通控制脉数实现脉频率控制着步进电机转速达调速目快速启停步进电机优点步进电机缺点明显：（1）步进电机饿输出转矩转速呈负相关转速越转矩越（2）堵转丢步现象启动频率空载启动频率时容易发生（3）电机高速运转时停止系统惯性问题容易出现现象（4）步进电机体积质量较图22示
图22 步进电机
（2） 直流减速电机
直流减速电机直流电机齿轮减速器组成图23示直流电机转速快转矩加齿轮减速器提高转矩电机减速通齿轮减速器组合控制控转矩转速直流减速电机工业更广泛直流减速电机仅调速方面运行稳调速范围广泛具良启停特性步进电机相巧转矩载力强价格合适
图23 直流减速电机
课题讲独轮机器高移动速度15米秒电机转速高达682转分钟步进电机转速般500转分钟快容易堵转该独轮机器结构设计较巧步进电机般体积较设计求符果直流减速电机选择减速达需转速扭矩里选直流减速电机
面直流减速电机型号独轮机器移动时需克服重力摩擦力两种阻力机器面运动话克服摩擦力面轮子滚动阻力系数表24
表24 路面滚动阻力系数
路面土质
滚动阻力系数
泥炭土
025
压实粘土路面
003
压实黑土路面
005
沥青路面
002
独轮机器整机重量700克左右面摩擦系数气胎轮压实粘土路面取003独轮机器需功率：
P总f*v07*98*003*15031W （式21）
车轮直径42mm电机需提供转矩：
MPωPrv031*2115434mN·m （式22）
计算里选型号GA12N2010直流减速电机转矩6mN·m转速达1000转十分巧十分符合求电机尺寸图24示
图24 N20电机尺寸
25 前进车轮设计
独轮机器研究难点前进车轮优化独轮机器通前进车轮前滚动实现俯仰方衡前进车轮设计求传动机构简单质心量居中加工装配想简单拆卸维修方便目前前进车轮设计种：
（1） 电机直连式
顾名思义电机直连式前进轮设计车轮直接连电机样连接处没量浪费结构特简单型独轮机器说种结构确实行结构巧型独轮机器说样连接方式太占空间会减少独轮机器侧偏倒角度北京工业学王启源博士设计独轮机器[17]种连接方式图25示
图25 王启源独轮机器
（2） 车毂电机式
2013年哈尔滨工业学胡攀辉[18]设计独轮机器采车毂电机式前进车轮该车轮直接采改进版电动车专型永磁刷直流齿高速车毂电机作车轮车毂电机电机减速系统传动系统集成起设备形状结构简单称控制方便缺点材料需专门定制制作周期长费高图26示
图26 胡攀辉车毂电机式前进车轮
（3） 齿轮啮合式
2014年桂林电子科技学黄渭[19]电动行车驱动轮设计原型薄饼电机车架固定连接车毂齿轮电机齿轮啮合形成传动传动机构加装采集车轮速度编码器该结构结构紧凑传动效率高该结构形状结构需专门定制车轮制造成较高图27示
图27 黄渭前进车轮设计
（4） 齿轮外啮合式
2016年杭州电子科技学王独轮机器设计种新型前进车轮[20]设计齿轮轮胎体前进车轮驱动电机通齿轮连接驱动车轮该设计亚克力板定制成料简单成较低传动效率高结构紧凑图28示
图28 王前进车轮设计
述四种方案均实现控制求方案电机直连式车轮较情况电机长度直接影响独轮机器侧偏倒角度考虑方案二方案三结构紧凑控制简单零件需专门定制制作周期长成较高方案四相前面三种方案该方案设计调节性较结构做巧亚克力板定制相说价格便宜定制周期长齿轮传动传动效率高设计方案四类似结构
着量降低成原量采标准化系列化通化零件设计前进车轮图29齿轮车轮固定轴轴两端轴承车架连接该设计零件市面直接买需专门定制节约成减少时间浪费
图29 前进车轮设计
26 章结
章中计算讨独轮机器种重结构设计首先确定机械结构设计求量避免设计出现低级错误时需结构质量合理分布次选择合适侧衡方式考虑力水选择复杂度较惯性飞轮设计然通计算确定需电机数根计算数选择合适电机种前进车轮传动方式设计前辈设计基础进行改进设计更济前进车轮
3 独轮机器模块建模
31 建模环境搭建
（1） Soildworks介绍
Solidworks美国SolidWorks公司1995年开发款三维CAD产品1997年法国Dassault公司收购SolidWorks成领先流三维CAD解决方案益SolidWorks三特征：易学易功强技术创新[21]SolidWorks通提供设计方案减少设计程中错误进提高产品质量SolidWorks软件操作简单初学者说更容易手需快速学会三维软件建模说错选择
SolidWorks特点：（1）基Windows操作系统操作简单快捷（2）操作界面简洁轻便易手（3）种数导入导出（4）软件特征理器方便理CAD文件（5）模块众满足户求等
（2） ProE介绍
ProE美国PTC公司1988年研制款集CADCAMCAE体三维软件三十年发展ProE日俨然成三维CAD系统标准软件广泛应3C产品汽车电子通信机械航天家电等行业[22]
机械工程实际设计仿真程中Pro E完全满足客户需求Pro E全方位软件零件设计零件装配工程图制作动画制作限元分析逆工程设计等种功
ProE特点：（1）基特征建模草图勾画零件概形状统修改成需尺寸避免修改尺寸程中草图变形情况（2）单数库工程中数库简单说部门产品修改会体现产品设计相关环节（3）数理允许设计师时产品进行研制开发提高效率（4）装配理简单直观命令装配更加简单（5）全相关性开发程中某处修改会扩展整设计修改
通两种软件解决方案介绍Pro E操作更性化功更加强考虑机械结构设计程中会常修改尺寸结构避免出现二维图三维图尺寸选择具全相关性Pro E更合适综课题研究中Pro E三维建模软件实现独轮机器三维造型
32 轮架设计
轮架设计两方案：
方案：
图31示采折弯件直板型结构部分底板螺栓连接接触面积目前亚克力板折弯技术成熟
图31 方案轮架
方案二：
图32示该轮架采V字形结构底板利凹凸槽连接角铁固定
图32 方案二轮架
述两种方案均实现设计求两轮架间需放置电机宽度采方案话两轮架间距离会较远样底部轴会长起极协调轮架底板接触面机器重力压容易底板变形方案二结构呈V字形力分掉角铁固定结构更加牢固易变形综合考虑选择方案二
33 底板设计
底板设计采90mm*90mm正方形厚度5mm亚克力板四周3mm固定孔方便中板连接固定计算底板相应位置出轮架固定孔角铁固定孔前进车轮控制电机放底板底部合适位置电机座固定孔孔量称分布降低底板质量时保证底板性该底板四边设侧板厚度相凹凸拼槽方便侧板拼装具良衔接性易安装图33示底板孔较第四章底板进行限元分析确保底板强度符合求
图33 底板设计
34 中板设计
中板外形底板相似中板放置垂直转子电机电池孔相底板说少垂直转子直径58mm厚度8mm放置垂直转子中板前边开60mm*20mm槽中部10mm*10mm槽电线槽电机电池线通槽底板控制板连接样电线排布会更整洁四周固定孔电机孔直径3mm孔电机座孔2mm中板没设置凹凸拼槽中部开开开侧板精度求更高简化拼装设置凹凸拼槽中板具体设计图34示
图34 中板设计
35 板设计
独轮机器身体部分设计长方体型板设计中板相似垂直转子直径较部分顶板板开槽板头部连接拼插式板头部尺寸开凹槽头部OLED显示屏中部开电线槽方便侧板拼装板四周凹凸拼槽具体设计图35示
图35 板设计
36 侧板设计
侧板设计独轮机器外观更外观酷似拼图前板显示垂直转子开孔外设计样四周凹凸拼槽连接板底板采体化设计没余边凸出外观更加精美图36示
图36a）侧板设计 图36b） 前侧板设计
图36c） 侧板组装图
37 头部设计
头前板设计根096寸OLED显示屏尺寸设计中间开刚放OLED显示屏槽四周直径2mm固定孔样拼图造型设计图37示
图37a） 头前板OLED显示屏 图37b） 头前板设计
头部正方体型设计头侧板头板头前板尺寸设计设计相简单需切割行孔尺寸41mm*41mm底部凸槽高度板厚度致图38图39示
图38 头侧板设计 图39 头板设计
38 独轮机器外观设计
图310示独轮机器结构总装图清晰图详见附录底板电机通齿轮传动控制车轮转动保持前衡中板电机直连控制垂直转子加速转动产生转矩抵消独轮机器侧偏力进保持侧衡头部装OLED显示屏显示想数动画图311独轮机器实物图
图310 独轮机器结构总装图
图311 独轮机器实物图
39 章结
章关独轮机器零部件设计先SolidWorksProE两三维设计软件进行较选择ProE作课题三维设计软件章介绍ProE绘制零件外形尺寸总装图根三维图定制采购需材料组装出独轮机器
4 限元分析
限元分析（FEAFinite Element Analysis）利限元法静态动态物理系统进行分析限元法物理模型进行离散划分定数量网格网格称单元（列出方程离散网格规）针单元选择插值函数单元尺寸越限元解越接实际解
41 限元方法简介
微分方程相应边界条件表示工程绝部分问题微分方程边界条件组成定解问题称微分方程边值问题[23]简单边值问题解析法求精确解然部分边值问题容易求解物体载荷材料尺寸外观规种情况般数值法求解常数值法：差分法变分法限元法
限元法复杂物理模型划分单元单元里找满足边界条件试探函数通试探函数整合整求解域方法限元法称基变分原理差分方法采差分方法离散思想差分法物理模型离散微分方程列出离散离散单元形状简单易找满足边界条件试探函数运算相变分法简单限元法通控制离散单元控制计算精度更接实际精确解
独轮机器运动程中底板起着支撑作强度刚度直接影响独轮机器寿命承载力底板承受部分力进行静力学分析确定强度刚度否符合求验证结构性
42 限元分析流程
限元分析般三阶段：
（1）预处理
1) 模型建立：实体模型导入SolidWorks
2) 选择分析类型材料加载约束载荷
3) 网格划分：网格越细精度越高计算时间会相应延长 必须选择合理网格密度
（2）求解：计算求结果求解失败需约束载荷进行调整
（3）处理：检测分析结果正确性
总结说SolidWorks限元分析步骤模型建立载荷加载结果分析等中限元分析流程图41示
图41 限元分析流程
需注意 simulation单位行设置设置载荷时候需注意单位否致免计算结果出错
43 底板限元分析
独轮机器底板承重部件需保证该结构具足够强度里底板进行限元静力学分析确保底板结构设计符合求
（1） 模型建立：导入底板模型
（2） 选择静应力分析选择底板材料设定约束载荷
独轮机器底板选材料亚克力板（PMMA）泊松ν036弹性模量E2770Gpa密度ρ118gcm3屈服强度σ024Gpa[24]接着底板进行夹具固定设置底板受力图42示
图42 底板夹具固定方式受力示意图
（3） 网格划分
网格划分限元分析程中重环节直接影响求解精度网格划分越细结果越接真实情况时计算时间会越久合理划分网格图43示进行限元计算出底板静态应力图静态应变图静态位移图
图43 底板网格化
（4） 求解分析
限元计算图44 应力云图图出底板受应力221×e6Nm2远屈服应力24×e8Nm2静力特性分析结果知底板具较强度
图44 底板应力云图
通限元计算图45示位移云图底盘形变量0019mm形变量量非常完全符合需求应变情况图46示安全系数校核发现值108安全系数非常高图47示
图45 底板位移云图
图46 底板应变云图
图47 底板安全系数图
（5） 结果分析
前面分析出底板应力221×e6Nm2形变量0019mm安全系数108亚克力板屈服应力24×e8Nm2底板应力远屈服应力安全系数远低安全系数底板完全符合需强度
44 章结
章介绍限元分析然底板进行限元分析确认底板强度完全符合求
5 总结展
51 总结
独轮机器变量强耦合非线性动力学系统静态稳定衡机器动力学方程复杂姿态衡控制困难然独轮机器机械结构设计坏控制系统难易直接挂钩文结合前辈研究垂直转子独轮机器机械结构进行分析研究设计研制独轮机器机械结构
通点进行研究设计：
（1）收集国外该课题相关文献资料解独轮机器发展史国外独轮机器研究二十世纪八十年代开始历年研究独轮机器造型越发样精致国研究起步较晚2009年高校研究目前国独轮机器结构设计偏型化造型样设计
（2）队友讨决定该独轮机器参盒子机器外形进行设计讨模块放置位置结合模块进行设计画出草图
（3）接着利ProE三维建模软件前设计独轮机器零件进行建模通计算确定需电机种传动方式确定齿轮传动零件进行虚拟装配进步验证独轮机器合理性
（4）绘制出零件图中选择强度刚度求较高零件SolidWorks中利simulation插件进行限元分析根生成云图更直观解选材料否符合求效节约研究成缩短研究时间
（5）确定机器虚拟组装合理开始定制零件组装实体合理方进行调整修改
综课题研究设计独轮机器整设计思路实际研究程
52 展
独轮机器研究涉学科广泛研究复杂关独轮机器研究长路走仅机械结构设计改进控制算法动力学模型姿态衡控制强研究性希独轮机器结构设计研究继续完善改进简化前进车轮传动系统合理布局选材减低独轮机器整体高度减轻重量设计合适硬件电路控制系统独轮机器运动姿态等控制更进步
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谢 辞
光阴文完成际心感慨万千回想学四年事心情久久法复四年学生活说长长说短短感觉昨日刚学转眼毕业里着致谢感谢予帮助事
首先感谢指导老师唐伟杰老师验匮乏开始弄毕设时头苍蝇处乱撞完全没思路亏唐老师队友指导逐渐找方进完成毕业文
次感谢北理珠工院诸位师长课堂倾教授知识答疑解惑毕设程中诸位老师吝赐教倾囊相助传道授业解惑助完成毕业设计
者感谢学室友朋友写文程中予帮助教会软件教该搜索文献文撰写排版程中帮助感谢室友四年带着玩带着学
然感谢父母亲求学程中全力支持学路顾忧未学工作道路定刻苦专研负期
句话告诫事豫立豫废言前定跲事前定困行前定疚道前定穷希学工作生活做规划
附 录
附录：独轮机器外观图
附录二：独轮机器三视图
附录三：零件CAD图
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