1、I 目录 第1章 作品的创新与特色1 1.1整体构造.1 1.2采用伸缩式轮子过桥1 1.3平稳灵活的机械结构2 1.4采用铰链四杆机构的机械手2 1.5结构设计及其简单的撑杆机构2 第2章 设计方案拟定3 2.1方案要求.3 2.2行走机构方案的确定3 2.3过桥机构的方案的确定4 2.4抓取机构方案的确定5 2.5机械臂运动方案的确定6 2.6抬盖子机构方案的确定6 第3章 动力与传动设计分析计算7 3.1驱动电机的选择7 3.2传动.7 3.2.1行走机构的传动.7 3.2.2过桥机构的传动.9 3.2.3机械臂的传动.9 3.2.4抓取机构的传动.11 第4章 动作执行机构的设计、计算
2、与分析.11 4.1行走机构.11 4.2撑杆机构.12 4.3抓取机构.13 II 第5章 其他计算说明13 5.1平衡块.13 5.2控制电路.13 第6章 设计总结.15 参考文献.15 1 第1章 作品的创新与特色 1.1整体构造 图1-1 车体尺寸为250250320，车体总重量约为6kg。可完成穿越隧道、通过河道、成功救援被困目标。本设计采用电机驱动机械结构完成各项预期目标。主要包含行走、过桥机构，机械臂及抓手机构，为成功解救目标设计的撑杆机构 1.2采用伸缩式轮子过桥 过桥机构采用螺旋机构、齿轮传动、同步带驱动结构完成可靠、安全的过桥阶段。利用丝杆螺母螺旋运动，推动连接两个伸缩轮
3、子的推杆，完成内置在带轮中的轮子的伸出及缩回。通过电机驱动齿轮，带动带轮旋转，利用车身的自身重量增大轮子和带轮之间摩擦，2 同时利用伸出轮子与桥面的摩擦，达到在桥面安全、灵活的行走。伸缩轮子直径为 36mm，采用优质材料，强度高，可靠，安全，操作简单。 采用同步带驱动，行走平稳，转向平稳，过障碍、穿隧道。并且可实现桥面的爬坡动作。 1.3平稳灵活的机械臂结构 机械臂采用蜗轮蜗杆及齿轮齿条传动完成机械臂的 360的旋转及臂身的前后移动。底部支架与车身相连固定，底部装置有蜗轮轮蜗杆驱动，当电机驱动蜗杆的时候，机械臂不但以适中的速度360度的转动，而且在抓取物体后又有一定的力矩转动，不会出现在抓取过
4、重的物体后机械臂无法转动的情况。 机械臂上面采用电机驱动，通过齿轮齿条传动实现前后移动，臂后面用金属条固定，形成三角架，利用三角形的稳定性使机械臂上面部分保持水平，在抓取物体后不会倾斜。 1.4采用铰链四杆机构的机械手 机械抓手采用电机驱动一对齿轮副带动平行铰链四杆机构，通过机构的连杆驱动抓手的抓紧和放松。爪手装有摩擦片增加摩擦，使其抓的更牢。爪手选择全铝合材料，其易加工、耐久性好。爪手重量约为0.5kg（不包含电机机），抓手最大张角可达到150mm。 1.5结构设计及其简单的撑杆机构 大扭矩电机转动，使撑杆转动，撑杆前端抬起盖子。两个电机控制既可以增大扭矩，又可方便机械手的转动 3 第2章
5、设计方案拟定 2.1方案要求 本次比赛的要求为：完成动作 1 ，即机器人穿越“隧道”通过平台；完成动作 2 ，即机器人通过平台穿越“河道”；完成动作 3 ，即机器人将“救援目标”把平台（房间外围固定，无法移动）里的救援目标取出；完成动作 4 ，即机器人将另一“救援目标”从平台取出；完成动作 5，即把已经取出的“救援目标”放入安全区。 2.2行走机构方案的确定 机器人的行走机构主要由两部分组成，车身的前轮由齿轮啮合传动和前后两轮的带轮结构。使用齿轮啮合的机器人转速适中，转矩大效率高。使用带轮结构的机器人行动平稳，与单独使用轮子相比，可以更好地做到不打滑。履带上的轮齿距尽量宽点，保证上坡时不易发生
6、打滑。 由于用的是减速电机，所以不再装减速齿轮箱了，进而减轻了车子的重量，改善了车子内部机构。减速电机分别固定在车身侧板上，电机轴连接主动齿轮。前轮固定在轴承，由轴承上的两颗螺母固定在车身侧板上。前轮也是一个齿轮，和主动轮啮合，由主动轮带动。两个电机同时通电使其正转，可以使车子笔直前进，当只有一侧电机通电时，车子可以实现转向，也可以使一侧电机正转另一侧反转来实现转向功能。由于两侧的电机是同一规格的，所以前进时比较平稳，转向较为容易。 4 在一般的履带传动的机械中如坦克在前后轮之间会有辅助轮，由于设计中前后轮的安装精度都较高，履带在行走中受平衡力的作用不会跑掉，所以我们设计了同步带压板。 整个行
7、走机构结构紧凑、安装精度高、运行可靠。能达到设计要求，行走平稳，转向灵活，顺利完成上坡下坡等动作。有履带在，前后轮之间的间隙不会陷在障碍上，而且履带可以使同侧的轮子同时运动，就像坦克那样子，同时采用履带式容易实现转向，转向半径小，且控制易实现。 图2-1行走机构 1 轮子 2 轴承 3 同步带 4 减速电机 2.3过桥机构的方案的确定 车底的伸出电机驱动丝杠，推动固定在金属条上的螺母，而金属板两端又与塑料棒相连，因此电机驱动时达到塑料棒的伸出，完成过桥动作之前的准备动作变形。从四个轮子内伸出一定长度的塑料棒后，利用塑料棒自身的摩擦系数，以轮子转动带动塑料棒转动，从而让车身在桥上行走，达到过桥的
8、目的。 1 2 3 4 5 图2-2伸缩机构 2.4抓取机构方案的确定 采用电机驱动一对齿轮副带动平行铰链四杆机构，通过机构的连杆驱动抓手的抓紧和放松。两对齿轮产生相对啮合的运动，固定在齿轮上的连杆同杠杆由铰链连接，杠杆直连抓取片。由此，通过电机的正反转可以达到“手”的伸张的目的。抓取片每边个两个，1 2 3 4 1 塑料棒 2电机 3推杆 4丝杆 6 该两个相隔20mm以便适应曲面和平面的物块， 2.5机械臂运动方案的确定 机械臂的旋转采用涡轮蜗杆，传动比大结构紧凑、传动平稳、噪声低、自锁性好稳定，易于调节控制。 2.6抬盖子机构方案的确定 三号区：采用两根撑杆，分别由两个型号一样的电机控制
9、。撑杆与水平面成18度伸入里面，使撑杆的顶轮和盖子的中心线对齐，通过电机的旋转使撑杆抬高盖子，考虑到要使盖子保持水平，在撑杆前端加了两个顶片。 四号区：仍是采用两根撑杆，首先撑杆进入由铰链连接的门，撑杆顶端的顶轮并成一定角度，可拉住门。在车身后退，撑杆上抬的运动下使门被顶到合适的高度，让机械手完成抓取的动作。 7 第3章 动力与传动设计分析计算 3.1驱动电机的选择 采用24v、12v的安全电源分别驱动24v、12v直流电机，由电机提供的动力完成相应的动作。 行走电机的选择 vw=0.314m/s F= 35N d1=61 d2=42 z1=26 z2=38 i=z1/z2= 0.68 转速n
10、=100r/min 传动轮所需有效功率PW= F. vw/1000w=350.314=11.44w 查手册得 带=0.96 齿轮=0.97 轴承=0.99 =带齿轮轴承2=0.960.970.992=0.903 P0=PW/=11.44w/0.903=12.62W 所以选用ZGX32R-395永磁直流行星减速电机。 3.2传动 3.2.1行走机构的传动 行走机构主要由两部分组成，即齿轮传动和带轮传动两部分组成。齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动形式。其主要优点是效率高，传动比准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长；主要缺点是制造成本较高，不适宜于远距离两轴之间的传动。 带轮传动是利用张紧在带轮
11、上的带，借助它们间的摩擦或啮合，8 在两轴（或多轴）间传递运动和动力。与单独使用轮子相比，可以更好地做到不打滑。履带上的轮齿距尽量宽点，保证上坡时不易发生打滑。有履带在，前后轮之间的间隙不会陷在障碍上，而且履带可以使同侧的轮子同时运动，就像坦克那样子，同时采用履带式容易实现转向，转向半径小，且控制易实现。 同步带传动的设计 带传动是利用张紧在带轮上的带，借助它们间的摩擦或啮合，在两轴（或多轴）间传递运动和动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉、不需润滑以及缓冲吸振等特点，根据带的形状，可分为平带传动，V带传动和同步带传动。因机器人需要上坡，所以同步带的选择双面带。 前后轮的中心距为180
12、mm，轮子直径为61mm 齿距5.0mm所以选择215XL的同步带。 9 3.2.2过桥机构的传动 如下图 电机直连螺杆， 两侧圆棒分别有连杆连接在一起。连杆中间有螺母，通过和螺杆的旋转运动，使圆棒能实现直线位移。实际测试速度v=0.65cm/s 图3-2 3.2.3机械臂的传动 如下图 整个机械臂由旋转底座、前后移动臂两个机构构成。 10 底座的旋转如下图 因为不需承受很大的扭矩所以由蜗轮蜗杆组成，电机轴上装蜗杆，通过啮合带动蜗轮旋转使底座能自由旋转，自锁性好，速度适宜。电机n=130rpm 臂部的前后移动如下图 通过齿轮和齿条的啮合从而使臂前后移动 11 3.2.4抓取机构的传动 机械手如
13、下图,抓手的上下移动的动力选择12v，30rpm直流行星减速电机完成，电机带动绳索起吊机械手，由自身重力使机械手下降。没有负载时手臂上升速度v=3.3cm/s。机械爪手通过一对齿轮啮合的相对运动使两爪手相互加紧或张开，可以伸张最大距离为15cm，可抓取最大重量1.5kg的物块。 第4章 动作执行机构的设计、计算与分析 4.1行走机构 轮子由电机驱动速度 轮子半径 30r mm 100n rpm =2 / 2 100/60 10/3n t 行走速度v=r=0.314m/s 12 4.2撑杆机构 撑杆由顶轮和顶片以及杆子组成，电机驱动。设计时主要考虑到既能让盖子水平的抬起又能以最小的力矩上升。所以
14、撑杆的长度的设计是以盖子升到所需的高度时确定的，保证所需的力矩最小同时顶片又可以起到保持盖子水平的作用13 电机转速 5n rpm 力矩 4.8M kgm 撑杆长度 30l cm 抬盖高度 10h cm 盖子质量 2m kg 在3号区如右图撑杆与水平面夹角为 ，求得F =cos G ，所以每根撑杆所需的力为 /2F ，则 max /2 cos /2 2.82M F l G l Nm M ,力矩够大。综上所述，该机构可以抬起盖子。 在4号区，门是由撑杆上顶的，而门的一边是由铰链和房屋连接的，此时撑杆承受的力远小于3号区所承受的力，所以该机构能把门顶起。 4.3抓取机构 爪手最大张开尺寸为 15c
15、m而救援目标最大直径和宽度为10cm，所以爪子伸开宽度足够，其可抓取最大重量1.5kg的物件。远远大于救援目标的重量。抓手内贴摩擦片，增大摩擦力。电机的转速为5rmp 第5章 其他计算说明 5.1平衡块 为了使在“机器人”在 3 号区，4 号区工作时的车身的稳定，在车尾加装了9090配重块的。 5.2控制电路 14 通过控制电机的正反转从而达到车子的前后移动，机械臂的前后移动，左右旋转，以及机械手的上下和伸张。 15 第6章 设计总结 机械设计竞赛是提高我们大学生创新设计综合能力、实践操作能力和创造设计能力的竞赛活动，是开拓知识面、培养创新精神、合作意识、磨练意志的一条重要途径。 学以致用，灵
16、活运用 把我们课堂上学到的知识运用到比赛中来，比如受力分析，齿轮传动各个运动副的概念等等。在设计中也发现理论和实际是有区别的，想想是简单的，做做而又是难的。所以必须灵活运动学到的知识，让其发挥更大的作用。 合作意识，磨练意志 实际制作是一个漫长而又艰辛的的过程，幸运的是我们坚持下来了。每个队员都有自己的工作，可又是一个整体。经过了将近四个月的时间，大家收获挺大的，又好好的学历一堂课。 参考文献 1 孙燕华 AutoCAD2005机械制图 北京：机械工业出版社, 2006 2 宋志国 UGNX4实例教程 北京：人民邮电出版社, 2009 3 金大鹰 机械制图 北京: 机械工业出版社, 2008 4 吴丽 电气控制与PLC应用技术 北京：机械工业出版社，2008 5 许德珠 机械工程材料 高等教育出版社,1992 6 柴鹏飞 王晨光 机械设计课程指导书 北京：机械工业出版社2009 16
