1、1由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系 153893706目 录摘要 1关键词 11 前言 21.1 设计的研究内容与意义 42 比赛规则简介 42.1 场地图简介 42.2 水灯的规格和其他大赛工具 53 手动机器人机械总体方案的设计 73.1 机械总体方案的设计 73.2 轮子和底盘的选择与设计 83.3 升降机构的设计 113.4 端香盆机构的设计 153.5 夹取机构设计 163.6 齿轮设计 184 电机的选择 224.1电机选样 224.2 执行部分电机 2424.3 机械手舵机的选择 245 总结 25参考文献 25致 谢 226附录 24手动机器人
2、机械部分设计摘 要：该设计主要是针对第十届全国机器人大赛比赛要求设计，具有手动和自动的搬运固定物体的能力，有着快速升降与抓取以及精确定位的特点。大体分为机械部分和电子制控部分。机身采用铝合金框架结构，使用三角全向轮作为底盘，该底盘有着灵活移动的特点；升降结构采用同步带传动的直线滑块机构；抓取机构采用齿轮传动。关键词：铝合金；全向轮；齿轮；Mechanical Design of Manual Control RobotAbstract: The design is directed to rules of Tenth National Robotics Competition, which h
3、as manual operation and automatic operation. It Has a fast and precise positioning movements and accurate location.This robot roughly decompose mechanical parts and electronics parts. Aluminum cover all robot.Chassis use triangle and centered orientablewheel.This chassis have flexible features;Lifti
4、ng mechanism use wieldbar of gearwheel transfer power; Crawl use Hinge transfer power. Keywords: aluminum; mecanum; gearwheel1 前言机器人技术是一个国家机电一体化行业综合实力的重要体现，机器人只要运用精3密加工、极地救援、恶劣环境作业、高风险作业等领域，能够实现高精度控制、减少人工操作和人员伤亡，有着高效率低成本的优点。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，
5、推动了机器人概念的延伸。80 年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。现在国际社会对机器人的发展越来越重视，从军用机器人到民用机器人的设计及制作技术日新月异，现在世界很多国家如美国、日本、德国、法国、英国、中国等等国家都将发展机器人技术作为国家的发展战略，从国家政策、教育倾斜、资金扶助等多方面对机器人技术的教育及发展进行大力的鼓励。世界上很多国家和地区纷纷开展了各种类型的机器人比赛。 “亚太大学生机器人大赛国内选拔活动”是中央电视台负责组织的在全国高校范围内选拔代表中国参加“亚广联亚太地区机器人大赛”的预选赛。 “亚广联亚太地区机器人大赛”的
6、前身是日本广播协会的机器人比赛，该项赛事从 1988 年开始，于 1989 年成为日本 NHK每年的赛事，命名为“全日本机器人大赛” 。1990 年第一次邀请除日本之外的国外代表队参赛，成为一项国际性比赛，历时十年。该活动的宗旨是致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才。每年由亚太区各国机器人教育委员会轮流出题，并由各国轮流主办机器人比赛。今年机器人比赛主题由泰国出题，其主题思想为“水灯节” ，比赛主要围绕水灯的组装和安放展开，三台机器人共同组装完成两套水灯并将其放在水面摇晃的平台上，比赛的输赢取决于那支代表队完成水灯搭建
7、的用时最短。该比赛需要机器人能自动识别场地路线，拾取目标搬运到指定区域，机器人必须有巧妙地机械结构设计和高性能的电子控制，对机电一体化要求很高。针对这些要求机械部分我设计了能灵活移动的全向轮底盘，它可以在平面内向任何一个方位移动不需要机身转向，为了保证升降和抓取物体的稳定传动部分采用同步带传动，电子制控部分能够实现多功能能联动和精确定位，并使用并行总线通信也对多个丛机进行电机控制。主 CPU 使用 DSP2812 芯片，它是拥有 150M 左右的高速运算能力和强大的采集数据功能。在程序方面为缩短研发周期大量使用模块化设计，这样不仅方便现场调试而且现场维护更加容易。去年是我校第 7 次参赛，由于
8、我校的资金紧张、无先进加工机床，成绩并不理想；在第 9 届比赛我校凭借先进、稳定的技术和灵活的策略，拿到全国 16 强的好成绩。由于前 8届比赛为我们积累了宝贵的开发经验，去年的开发和比赛工作进行得有条不紊，我4们先后研制了十余台机器人，在剩下的时间里，我们将根据机器人在国内赛场上的表现，对其进行改进，为“亚太大学生机器人大赛”的国内赛作最后的准备。1.1 设计的研究内容与意义机器人大赛是对我们当代大学生一次很好的磨练机会。机器人的设计涉及到十余门专业科目，很大一部分知识是在课堂上无法学到的，这需要我们从课外书本和网络上获取相关技术，对培养我们的自学能力有很大的促进作用。从理论分析到实体加工需
9、要不同专业学生共同完成，这也大大提高了同学们团队合作意识为今后走向社会奠定了基础。本课题研究的主要内容就是如何对本届手动机器人机械部分设计。大体可细化为以下几个方面：1）机器人的总体设计：根据规定的题目进行合理的分析，分析各个需要完成的动作，设计出合理的机构，包括稳定的底盘，旋转机构、机身、机械手等。要保证机器人移动的稳定性、移动精度和移动方向设计了机器人专用的三轮底盘。三轮底盘具有全向移动、稳定性好。需要攻克的难点是三轮底盘的精度问题2）电机的选择：为了提高工作效率，需要电机高速运行并快速启停时，必须考虑它的升、降速控制问题。电机的工作性能直接影响机器人的定位精度、速度和响应能力，因此，采用
10、高性能的直流伺服电机具有重要意义。直流伺服电机具有：体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽；低速力矩大, 波动小，运行平稳；低噪音,高效率；后端编码器反馈构成直流伺服等优点等。3）齿轮的设计：查阅相关的机械设计手册，选择合适的减速比、按照受力分析得到的数据设计以满足设计要求。今年我校机器人大量采用了以往我校机器人控制技术中未曾使用的先进技术，这些主要技术的攻克将为我校大学生创新教育与教师的部分科研创造良好的技术条件，包括数控系统、自动机械、太阳能系统等都可以应用这些技术，所以有着广阔的发展前景。2 比赛规则简介每个团队组成：不超过三个机器人一个手动机器人和一个或两个自动机器人。该手动机器
11、人必须完成拿起 3敬香盆的首要任务 并放置在普通区，然后才进行其它他们的任务。在此之后，该手动机器人将带来一个基座和蜡烛装饰放在组装点族位置。该手动机器人将收集普通区的蜡烛，再次用于在水灯大会。2.1 场地图简介图1该场地是由高100mm面积为12000mm12000mm毫米，厚50mm木栅栏围成的区域。5比赛场由一个高度为100mm米，50mm厚度的栅栏队均分两队。参赛队伍有红色和蓝队。在比赛区，用30毫宽度米的有光泽的贴纸贴在了非白线绘制在地板上。 比赛区域由一个普通区，一个组装点，一个流域地表，启动区， 制备点和储存点构成。共同区是一个用浅绿色画出的长为3500毫米，宽为500mm的矩形
12、区域。六根柱子位于共同开发区中间，放置敬香壶。两根柱子之间的距离是500mm。每队最多可领取9个元宝蜡烛来组装水灯。 组装点是一个高度为300mm，阔度为4000mm和长度5000 mm的平台。它被平均分为红色和蓝色队伍。每个部分有一个装饰点，它是一个直径为510mm,周围有高10mm，厚度为10mm的高度木栅栏围绕的圆形。为了方便移动自动机器人，组装点两侧每侧都有一个长度为1000毫米的斜坡。河面位于组装点的中间。它可以在有下落物下落时摇摆水灯。 河面是一个木制的，厚度为4mm，宽度700mm，长度为2400 mm平台 。它是一个 280毫米的从组装点到较低水平的缓冲区，该平台的表面由不锈钢
13、的四线直径为1.5毫米，长度为350毫米构成的。 所有部件和机制，形成流域地表的视为流域地表。他们不能被锁定，也不能被任何机器人所接触。 河岸是由高度为180毫米和厚度为10毫米的木栅栏构成的。有4 双方围绕流域地表。在河边可用油漆或装饰来代表水或河流。每队有3个启动区：2自动启动区和一个手动启动区 。每个启动区是一个边长为1000毫米边长的正方形。红队启动区为红色区，蓝队启动区为蓝色区。 储存点和准备区是由，木材，钢材，金属构成的，用来存储一些竞赛的工具。每个存储点和制备点包括两部分;下游和上游部分。 较低的部分是一个直径为100mm和高为800mm的圆柱体。上层部分总高度为100mm。顶部
14、 在上段部分圆锥形直径从 40mm至60mm。最高的位置的测量值为60mm，在距离顶部为 30mm的位置测量值为 40mm。在上层区域底部分有一个直径为60mm的圆柱形状。然而, 每个火焰的蜡烛光储存点极科只有一 个直径为 60mm，高度为 35mm 的圆柱体。2.2 水灯的规格和其他大赛工具 蜡烛基地，水灯花瓣，花，元宝蜡烛，敬香花盆，蜡烛点亮火焰在比赛中使用的是由组织者提供。 一个蜡烛基地重量约为800克。 水灯的一个花瓣的重量约为250克 6。 一花的重量约250克。 一个敬香的重量约为100克 。 在烛光火焰的重量约为200克。 已完成的水灯总重量约 1700克图1 大赛场地图Fig.
15、1 Competition space蜡烛基的上表面，水灯的花瓣，花或盆栽的敬香是由橡胶，塑料或纸板上剪了一个厚度为3毫米甜甜圈形状。表面上的颜色是粉色是红队的，天蓝色是蓝队的。 较低的水灯花瓣，花或盆栽的敬香是由橡胶，塑料或纸板上剪了一个厚度为3毫米甜甜圈形状。表面上的颜色是粉色是红队的，天蓝色是蓝队的。 水灯由一个蜡烛基地，一水灯花瓣和花构成。对每一个细节部分解释如下： 蜡烛的基础包括四个部分:1）基本是木质或塑料为4毫米的圆形切割厚度形成一个500毫米直径。 2）圆柱泡沫与基地粘有一个内径70毫米和1500毫米，外径100毫米的高度。 3）上表面覆盖了圆柱泡沫顶部。 4）蜡烛固定在基地是
16、一个中空的塑料或木管作出的一测量高度503毫米从基地和一个60毫米直径。顶级的蜡烛都有一个圆板用橡胶，木材，塑料，或硬纸板做成4mm厚半黑半白的。底端的蜡烛插进一个外径70毫米,高度70毫米厚度5mm的塑料帽子。帽子是由螺钉固定在基地。 7莲花灯是由一个圆柱形泡沫内部直径76毫米 与外部的直径400毫米,高度为100毫米。一个空心塑料管外径与76毫米和厚度2毫米,高度100毫米固定中心的泡沫,便于插入。花灯的表面盖上花瓣，又装饰着四辬。花朵一个圆柱形泡沫具有内径的76毫米和一个外径280毫米,高度为100毫米做成。一个空心塑料管道规格是外径76毫米和厚度2毫米,高度为100毫米固定的中心泡沫方
17、便插入。插三香柱的三个孔每个距离中心85毫米，成120度间距用来插花。 一个空心塑料管道和外径42毫米和厚度2毫米高度100毫米固定在每Joss贴的中心孔方便插入。花的顶部用顶层覆盖着。每个小组是鼓励用鲜花装饰这表层。这个装饰的花卉仅可用于装饰目的和不可使用战略性参加比赛。花的底部用底层覆盖。香柱是由一个空心塑料或木制的管道规格是250毫米和34毫米直径。香柱两端都封闭，可以用塑料，木材，橡胶，制片做成3毫米厚。上方描绘了红色或蓝色区分团队，高度50毫米。 敬香花坛是由一个圆柱形泡沫内部直径和76毫米外径280毫米,高度为100毫米做成一个中空的塑料管道规格是76毫米的外径和厚度2毫米,高度为
18、100毫米固定在这个中心的泡沫方便插入。香柱对着的孔距离中心85毫米成120度角每一个孔的内径42毫米。一个空心塑料管道用一个外径42毫米和厚度2毫米,高度为100毫米固定的中心孔以便插入。敬香花坛用上表层用顶层覆盖，下表层用底层覆盖，它的重量是大约250克。烛光火焰由两个部分构成:基地是一个圆柱形空心塑料管道的外径和76毫米,高度55毫米和厚度2毫米做成。顶级的塑料管道是一圆板的塑料制成的，厚度为3毫米。圣火是由泡沫塑料、橡胶、塑料、橡胶、纸或玻璃纤维的锥形，高度100毫米。图2 水灯道具图Fig.2 Water lamp Props83 手动机器人机械总体方案的设计3.1 机械总体方案的设
19、计图 3为总的方案设计，具体的设计见附图。本课题为满足比赛要求需要机器人完成香盆、基座、蜡烛精准抓取和安放，机器人底盘选择三轮结构这样方便机器人控制并定位精准。升降机构选择了直线滑块能够保证机械精度。端香盆机构由机械定位结构和端香盆组成。夹取机构选用齿轮传动来进行夹取这样方便控制与操作。手动机器人机械部分机器人底盘升降机构端香盆机构夹取机构图3 机械分布图Fig.3 Mechanical distribution3.2 轮子和底盘的选择与设计全向轮结构和特性：假设移动机器人具有刚性外壳,不变形的轮子,运动局限在平面上.则机器人在平面上的位置可以由图 1 表示. 平面世界坐标系定义 xoy ,点
20、 P 为在机器人本体上的参考点,车体坐标系为 XPY ,则机器人的位置和姿态可以由 = ( x , y ,) T 表示, 其中( x , y) 为点 P 在平面世界坐标系中的位置, 为世界坐标系下 x 轴到机器人坐标系 X 轴的角度 , 逆时针为正. 用点 P 来代表机器人,若能在平面世界坐标系下实现( x , y , ) 三个自由度的运动 ,则称其为全方位移动机器人。9图4 全向轮定位方式图Fig.4 Orientablewheel position将轮子划分为传统轮系,包括固定方向轮( fixed wheel ) 、同心方向轮( centered orientablewheel) 和偏心方
21、向轮(off2centered orientable wheel) ,和自由方向轮系,如Swedish 轮、球轮等。 Swedish 轮也称 Mecanum 轮,由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成,轮子和滚子之间的夹角为 ,通常夹角 为 45,如下图所示，每个轮子具有三个自由度, 一个是绕轮子轴心转动,第二个是绕滚子轴心转动,第三个是绕轮子和地面的接触点转动。 轮子由电机驱动,其余两个自由度自由运动。 由三个或以上的 Swedish 轮子可以构成全方位移动机器人。图5 全向轮结构简图Fig.5 Orientablewheel structure以全向轮为基础的三角底盘：为了使机器人能够快速的定
22、位就需要有足够的灵活性，在使用全向轮作为动力轮的时候我们就必须考虑底盘形状的问题。底盘大体可分为三角底盘和四边形底盘它们的功能特性也有很大差别。10此处已删除1）节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在 70%以上，部分产品可达到 90%以上（铁芯电动机一般在 20%-50%） 。 2）控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于 28 毫秒，部分产品可以达到 10 毫秒以内（铁芯电动机一般在 100 毫秒以上） ；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节。 3）拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在 2%以内
23、。 另外，空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻 1/3-1/2。对比以上几种电机，很显然空心杯行星减速电机具有很大优势，所以选择了空心杯行星减速电机。从启动区到完成任务去所要行走的路程为 S=1000mm,初步预算手动机器人从启动区到完成任务的行走时间为 t=2S。由于路程比较短，可以认为先加速行走，再减速行走。（1）由公式（1）可知，将S 与 t代入公式求出最大速度：已知驱动轮的直径为10cm，故半径r=5cm，故由公式可知：（2）加速度：（3）2vtsmax12svmst22max10.5vsmstmax120.5vradsr11根据牛顿第二定律，
24、表达式为：（4）将质量m与加速度a代入求的惯性力为：m机器人的质量，m=10kg车轮与地面的摩擦系数为=0.4-0.6摩擦力为：（6）因为 （7）所以 功率等于力和速度的乘积，即 （8）即转矩（9）电机功率可按下式估算：（10）式中 负载峰值力矩，N.m;负载峰值转速，rad/s;传动装置的效率，初步估算时取值 =0.70.9;电机功率，W;型号36SYK71的空心杯减速电机额定电压为24V, 额定转速为9600rpm，额定转速 为1650rpm，功率为162W。 4.2 执行部分电机执行部分电机，我们选择了空心杯电机，可以改变马达的接线正负改变马达的旋转方向，从执行部分的机械结构及功能方面而
25、言，更具备两个特点：1）空心杯电机具备通电自锁性，即在马达在有电的情况下，输出轴是转不动的，(1.52.)LPmMP2.750198mPWFma合10.5N合 10.50fmgNFf驱合 50fN驱 合 1PFvW075.TdNNm驱LPMm12即自锁。2）减速箱输出轴方向与马达轴是垂直布置，整个马达体输出轴方向相对普通减速马达短，广泛适应一些对安装尺寸有该方面要求的场合。此两个特点保证了机器人动作时候的稳定性，简化了机器人的机械结构，减速箱输出轴方向与马达轴垂直布置的机构，减小了电机的安装难度，从而更易实现旋转运动转直线运动。4.3 机械手舵机的选择夹取蜡烛的动力组件采用了舵机，主要控制爪子
26、的张开闭合。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模、潜艇模型、遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机也仅是一种俗称，其本身是一种伺服马达。本次在舵机型号参数选择方面我们重点考虑舵机的扭力，由于爪子是由铝板组成，爪子加蜡烛的重量的总和约为:100g ，杆件的长度20mm，因此可知，产生的力矩为 10.2kgcm。因此选用了 MG995 型号舵机，其特点是：工作速度无负载时速度是 0.17 秒/60 度(4.8V)或 0.13 秒/60 度(6.0V) ；工作电压在 3.0V7.2V；死区时间为 4 微秒；输出扭矩为 13Kg5
27、 总结毕业设计是毕业前的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的一次综合应用。这一个过程对学生的学习能力和动手能力也是一个很好的锻炼机会。理论与实际相结合，不仅把课堂上学的有关知识与技能训练相结合，还起到引导学生了解和接触社会实际的作用。经过一个多月的努力，本毕业设计接近尾声。通过这个毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且积累了许多机械设计和程序编写的经验，认识到自动化的发展方向，使自己在大学四年所学的专业知识和动手能力有了很大的提高。我在电路设计和机械设计方面的知识有很大的欠缺，所以在做毕业设计的过程中，遇到了许多的困难，但这些困难能让我更深刻地体会到，不断去学习和更新知识是很重要的。要想提
28、升自己的能力，就必须亲自动手。只有在设计的过程中，不断地去解决所遇到的问题，不断地去积累自己的经验，才能在毕业之后更快地走上好的发展平台，为社会贡献自己的一分力量。参考文献1 周远清.张再兴等.智能机器人系统M.北京：清华大学出版社，1989 132 蔡自兴.机器人原理及其应用M长沙：中南工业大学出版社，2000 3 熊有伦.唐立新，丁汉，刘恩沧编 机器人技术基础M.武汉：华中科技大学出版社，1996 4 王志文.郭戈 移动机器人导航技术现状与展望J. 机器人,2003-9:470-474 5 宋伟刚编著.机器人学运动学、动力学与控制M. 北京：科学出版社,2007 6 吕恬生.刘文焕.机器人
29、趣谈M.四川科学技术出版社,1999 7 王耀南著.机器人智能控制工程M. 北京：科学出版社,2004 8 蔡自兴.机器人学M.北京:清华大学出版社，2000，l 一 21 9 罗均.谢少荣，翟宇毅，王琦等编著.特种机器人M. 北京：化学工业出版社，200610 于金鹏.基于多 DSP的智能机器人运动控制系统的研究D,济南：山东大学，200511 孙昌安.用连杆组合的拟人双足步行机的设计与动态步行控制J.机械科学与技术,1995,54(2):3744 12 王敏.金波斯科，黄心汉.基于传感器和模糊规则的机器人在动态障碍环境中的智能运动控制J.控制理论与应用,2000,6:819825 13 王
30、沫楠.孟庆鑫.步行机器人控制方素及单足控制实验研究J.林业机械与木工设备,2003,5:1014 14 包明.包奎.基于 FPGA的搬运机器人的控制系统J.集成电路应用,2005,12:5961 15 张汝波.周宁.基于强化学习的智能机器人避碰方法研究J.机器人，199916 商跃进. solidworks 三维设计及应用教程M. 机械工业出版社 2008.217王隆泰. 机械 CAD/CAN技术. 第二版 2010.2 18 刘希平主编. 工程机械构造图册 .机械工业出版社19Giorgio Buttazzo,Mauro Marinoni and Giacomo Guidi:Energy-A
31、WARE strategies in Real-Time Systems for Autous Robots.20 World Health Organization. Factors regulating the immune response：report of WHO Scientific GroupR. Geneva：1970. 致 谢本论文是在康江老师的悉心指导和热情关怀下完成的。经过一个多月的设计与制作，本次毕业设计基本完成了。首先感谢我的指导老师康江老师，正因有他的精心指导，我的毕业设计才能顺利制作完成。康老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地14感染和激
32、励着我。康老师给我们提供了一个很好的锻炼的平台。在生活上老师也给与我无微不至的关怀，毕业设计的进展如何，康老师都非常关心，几乎每天都会询问进展情况。在此谨向恩师表示诚挚的敬意和由衷的感谢。再次感谢陈业东学长给我的各方面帮助，无论是机械方面还是电子方面，都给予很大的帮助和建议，让我学到了许多的知识。还要感谢机器人小组各个成员，正是由于大家的帮助和支持，我才能克服一个个的困难和疑惑，直至本此设计的顺利完成。最后还要感谢学校给予了我大力的支持，给我们提供了各种需要调试的设备。感谢各位关心我的老师，给予我帮助和建议。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的不足，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计制作是很难的。可敬的师长、同学、朋友，在这里请接受我诚挚的谢意!附录附录1：手动机器人(整体装配图A0*1)附录2：手动机器人(底盘装配图A2*1)附录3：手动机器人(零件图A4*4)15
