1、浙江工贸职业技术学院论文机器人解救人质前 言本解救人质机器人从设计到研制出历时三个多月，在带队老师的辛勤指导下，经过我们课题组全体学生的不懈努力，终于圆满完成本项目的理论方案和模型制作等工作。本机械设计方案书是根据浙江省大学生机械设计竞赛委员会对参赛队伍的要求而编写的。全书共五大部分，其主要内容为：本项目的创新与特色、本项目设计方案的拟订、本项目有关设计、计算与分析、设计总结、设计图纸、模型照片等。本书为广大机器人爱好者提供了一个实际案例。本书可供从事机器人设计和制作人员的阅读，也可供高等院校机械工程类相关专业的学生参考。由于时间仓促和我们水平有限，难免存在疏漏和缺陷，恳请各位专家教授批评指正
2、。 课题组全体成员 2007年3月目 录第一章 本项目的创新与特色简介 3第二章 本项目设计方案的拟订 52.1 机器人过桥机构设计方案的拟订 52.2 机器人行驶机构设计方案的拟订 72.3 机器人手臂伸缩机构设计方案的拟订 82.4机器人驱动设计方案的拟订 112.5机器人手爪机构设计方案的拟订 122.5机器人手臂升降机构设计方案的拟订 122.6机器人手臂回转机构设计方案的拟订 13第三章 本项目有关设计、计算与分析 14*3.1 机器人过桥机构的设计 14*3.2 小车行走机构设计计算与分析 19*3.3手臂上下摆动的设计计算与分析 233.4手臂的设计计算与分析 253.5手臂的旋
3、转机构设计计算与分析 283.6手爪的设计计算与分析 30 3.7机器人平衡性的计算与分析.34第四章 设计总结 35参考文献 36附录（图纸、模型照片） 36注：带*号的部分由赖丹弟同学设计第一章 本项目的创新与特色简介本机器人制作项目运用了工程力学、机械原理设计、加工工艺装配等知识，为了使本机器人方便改进和维护，我们采用了模块化设计方法。主要模块有过桥机构、小车底盘（包括驱动轮、手臂回转及抬升机构等）、伸缩机构及机器人手爪等。我们在研制机器人过程中，在对设计方案充分探讨的基础上，利用PROE等软件对各个模块部分零件的进行设计，然后利用数控加工、特种加工（主要指线切割）以及普通加工等手段对模
4、块零件进行加工，然后对这些零件实行装配，最后在各模块完成的基础上完成对整个机器人的装配。本项目的创新与特色在于以下几个方面：1、 过桥机构与小车分离技术本项目包括上下两部分，如图1-1所示，下部分为过桥机构，上部分为小车部分。在机器人通过壕沟后，过桥机构与小车分离可以有效减轻小车重量，更有利于小车运动控制。图1-1 机器人布局示意图2、 伸缩臂自锁技术由于机器人在工作时要求手臂伸出长度较长，并且要求能够绕支点回转及在任意位置能够自锁，如图1-2所示。如果使用一般直流减速微型电机直接带动手臂，由于电机一般没有自锁功能，因此手臂不可避免地出现自动下垂现象。而这样就严重影响人质的抓取和安放。图1-2
5、 伸缩臂回转机构示意图我们利用蜗轮蜗杆传动具有自锁特性很好地解决了这个问题。把蜗轮和手臂固定在一起，如图1-2所示，电机带动蜗杆然后带动蜗轮使手臂做回转运动，由于其具有自锁功能，因此手臂可以停在任何位置。3、 伸缩臂制造及伸缩技术伸缩臂由6节滑轨装配而成。每个滑轨（有滑槽、滑块及滚珠等构成）本身采用套装方式，结构紧凑。滑槽和滑块之间安放有滚珠，如图1-3所示，以用来减小摩擦力。润滑采用脂润滑方式。结构图如下图1-3 伸缩臂结构示意图伸缩臂伸缩采用了绳传动，绳子绕法见图1-4所示。图1-4 伸缩臂绳传动示意图采用绳传动机构的好处在于此机构制造简单，传动稳定，控制方便，比其它机构轻了很多。第二章
6、本项目设计方案的拟订无论研制任何产品，成功与否很大程度上取决于是否有一个合理的设计方案。对于设计人员，在进行设计时，除了要考虑产品使用要求外，还要考虑其制造、使用及外观因素等。我们在进行本项目机器人研发时，非常重视设计方案的探讨及确定。我们采取的办法一般是对能够实现预定功能的几种方案先制作出实际模型，然后进行试验，根据试验结果（功能实现效果及制造难易程度），最后确定最终设计方案。在考虑机器人设计方案时，充分运用了机械原理、机械设计及工艺等相关理论知识。为了使本机器人更方便改进和维护，我们对机器人采用了模块化设计的方法。下面就各个模块设计方案确定过程作一简单叙述。 2.1 机器人过桥机构设计方案
7、的拟订根据设计要求，机器人必须通过一个宽300mm，深200mm的壕沟，（而机器人的长、宽、高均不超过300mm），有以下几种方案可以考虑：1、飞越式这种方法可以飞越任意宽度深度的壕沟，但是实现难度很大。一是机器人顶部需安装螺旋桨，为获得足够升力，往往其旋转直径很大，尺寸很容易超过规定300*300*300要求。二是带动螺旋桨的电机功率很大（估算为100瓦以上），而这种低电压（12伏）的电机很难制造出来。2、步行式步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好，智能程度也相对较高。但它平稳性差，结构复杂，控制困难，灵活性好，但要控制它迈步而不倾倒是有难度的。正因如此，步行移动
8、方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。3、履带式履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。它的缺点是由于没有自位轮，没有转向机构，要转弯只能靠左右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在前进方向也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确定回转半径等。因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。图2-1 履带式过桥机构示意图如图2-1所示，过桥机构由里外均有齿形的同步带（效果近
9、似于履带）带动的摆臂和齿轮齿条伸缩机构构成。小车开到壕沟前伸出长约240mm左右的下面带车轮的齿条，小车往再前开一段能使齿条带小轮的那端搭到壕沟对岸10mm的距离即可，然后把同步带摆臂向后翻转180度，再启动小车就能完成过沟了。过沟之后把齿条缩回同步带摆臂摆到原来位置即可。4、 架桥式即采用架桥机构与机器人小车分离的办法。如图2-1所示，架桥机构行驶由电机驱动，可以直走和转弯。其底版由上下两块底版组成，其中下底板在过桥时可以完全伸出，伸出后其前轮与上底版前轮之间距离要保证不小于280mm，这样就可以保证整个桥搭在壕沟两端。这样就完成了搭桥工作，上面的机器人小车就可以从桥上开过去，实现过桥动作。
10、图2-2 架桥式机构原理示意图综合以上考虑，后两种方案实现较为容易，又由于本次比赛场地为光滑平整，非常适合车轮运动，因此本设计采用架桥式机构。2.2 机器人行驶机构设计方案的拟订 要求机器人行驶时可以实现前进、后退、左转、右转四个动作，实现的方法可以用步行式、履带式以及轮式三种方式。1、步行式（见上）2、履带式（见上）3、车轮式图2-3 车轮行驶机构示意图 如图2-3所示，后面为两个驱动轮，前面为两个支撑轮。直走时两电机转向相同，转弯时两电机转向相反。为减轻重量，车轮本身采用铝或尼龙材料。为保证与地面始终接触并增加与地面的摩擦力，轮缘采用弹性较好的橡胶制造。车轮式移动是最常见的一种地面行进方式
11、。车轮式移动的优点是：适于平整硬质路面，能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，转向灵活，而且技术比较成熟。综合以上几种方案，考虑本次比赛场地为光滑地面，再者轮式机构实现容易，因此机器人行驶机构我们采用了轮式机构。2.3 机器人手臂伸缩机构设计方案的拟订根据大赛题目要求，机器人解救人质，其手臂必须能够在一定长度范围内伸缩。在选择设计方案时必须要考虑伸缩长度、伸缩轻便灵活及安全可靠等。常用的有以下几种伸缩机构：1、菱形伸缩机构图2-4 菱形伸缩机构杆1上端铰接于A，杆2下端铰接于滚子B，B可在铅垂的导槽中滑动，1、2铰接于E，中间通过若干平行四边形铰接组成剪式伸缩架。它的右上端C与托叉
12、3铰接，而右下端铰接滚子D紧贴3的铅垂面，并可沿该面上下滑动。这样，托叉3可在水平方向左右移动。这种多个平行四边形伸缩架可获得较大的伸缩行程，但是要求制造难度很大，装配精度要求较高。另外在伸出时，伸缩臂的刚性比较差，前端容易出现下垂现象。2、液压或气压伸缩缸机构 图2-5液压伸缩缸机构原理及实物照片采用液压或气压伸缩缸（又称多级缸）结构，输出力大，速度快，刚性很好，但是一般多级缸级数不宜超过3级，伸缩长度达不到规定要求，另外使用液压气动系统，必须配备单独的液压站或空气压缩机。 3、垂直伸缩臂机构此机构一般由若干个伸缩节组成，每两个伸缩节使用铰链连接。未伸出时只有一个伸缩节的长度，但完全伸出时，
13、其长度近似为所有伸缩节长度之和，因此伸出长度容易达到要求，但是承受的转动力矩很大，因此要求配备的电机输出转矩很大，并且能够自锁。但目前36伏以下的直流微型电机一般做不到这些。图2-6 垂直伸缩臂机构示意图4、水平伸缩臂机构此机构和垂直伸缩机构一样也是由若干个伸缩节组成，每两个伸缩节使用铰链连接，只是电机安装的方位不同。其完全伸出长度一样容易达到要求，所需电机的转动力矩也不是很大，但最大问题是手臂会因自重出现向下自然弯曲，严重影响手臂自然收缩以及抓放人质时的稳定可靠性。图2-7 水平伸缩臂机构示意图4、滚珠滑轨绳传动伸缩机构伸缩臂由3节滑轨叠装而成。每个滑轨（有滑槽、滑块及滚珠等构成）本身采用内
14、外套装方式，如图2-8所示，结构紧凑。滑槽和滑块之间安放有滚珠，以用来减小摩擦力。润滑采用酯润滑方式。图2-8 滚珠滑轨结构示意图3个滚珠滑轨滑块叠装在一起（每两个滑轨固连在一起），伸缩总长度可以达到1000mm，完全可以满足抓放人质的要求。绳子的绕法如图2-9所示。改变伸缩电机的电流方向即可完成手臂伸出和缩回。图2-9 伸缩臂绳传动示意图综合以上几种方案考虑，滚珠滑轨绳传动伸缩机构结构紧凑，重量轻，伸缩长度较长，尽管制造装配要求较高，鉴于伸缩机构在机器人中是最为重要的部件，因此我们采用了这种方案。2.4机器人驱动设计方案的拟订机器人驱动系统，按动力源可分为液压驱动、气动驱动和电动驱动三种基本
15、驱动类型。根据大赛要求，我们可采用这三种基本驱动类型的一种，或合成式驱动系统。这三种基本驱动系统的主要特点如下：1、液压驱动 一般说来，液压驱动功率较大，可无级调速，反应灵敏，体积适当，执行机构易实现直接驱动。但是使用液压系统，必须配备单独的液压站。另外伸缩用的液压缸不适宜做成3级以上，伸出长度受到很大限制。2、气动驱动 :相对液压系统，气压系统输出功率较小，但完全可以满足本机器人完成动作需要。但其体积稍大，工作时有噪音，另外必须配备单独的空气压缩机。3、普通电机驱动根据大赛要求，机器人驱动电机只能使用低于36伏的安全电压。为了使机器人结构更加紧凑，输出的力矩达到要求，我们选用的一般是直流微型
16、减速电机。采用普通电机驱动，控制电路简单，安装方便，反应较液压气动更快，电机价格低廉，因此和其他驱动具有很大优势。但其还存在转速很高，输出功率转矩小一般较小，寿命短，驱动装置不能自锁等缺陷。 4、 步进电机驱动图2-10 步进电机进给系统示意图步进电机输出转角大小与输入脉冲数严格成比例，即每输入一个脉冲，电机转子相应转动一步。若在如图2-10的进给系统里，工作台就移动了一个脉冲当量（一般为1微米）。步进电机的转速可随输入信号的脉冲频率而变化，可以实现无级调速，且调速范围相当宽。因此采用步进电机驱动可以获得很好的位置精度（能够自锁）和速度控制性能，故在数控机床中得到广泛应用。但较普通电机控制来看
17、，低电压步进电机输出转矩一般比较小，控制电路复杂，成本高出很多。综合比较上述各种驱动的特点，普通电机具有控制方便，成本低廉，并且可以通过各种减速机构来弥补其速度过高、输出转矩过小，不能自锁等缺点。因此我们最终选用驱动采用普通直流减速电机驱动。2.5机器人手爪机构设计方案的拟订机器人手爪设计时要求简单、实用、易造，所以一般多用对置的两个手指。为了能够抓取不同形状、大小、重量和材质的物体，机器人的手指可以做成不同形状和大小。一般夹持圆棒形及方形物体可用外夹式两指手；而夹持大尺寸的空心管状或方形物体，常用向外撑开取物的内撑式两指手；大型板材、显像管等不宜夹持的物体，常采用气体吸盘或电磁吸盘。用气体吸
18、盘吸引的物体必须平整无凹槽，否则会造成漏气，吸不住物体，而电磁吸盘只适用于提取磁性材料。通过比较它们的特点和本次比赛的要求，所以我们这次机器人的手爪设计采用外夹式两指手。如下图2-11所示，手爪张开是依靠电机通过绳传动的拉动，手爪收紧依靠本身所带圆形弹簧的弹力来实现。2-11 机器人手爪结构示意图2.5机器人手臂升降机构设计方案的拟订由于机器人采用普通直流电机驱动，而普通直流电机一般都具有转矩不大、不能自锁的缺陷，因此必须在电机与手臂之间需增加一个减速增力和实现自锁的装置。根据机械传动知识可知，蜗轮蜗杆传动就可以实现上述功能。如图2-12所示，安装时蜗轮和手臂固定在一起，电机与蜗杆固定在小车底
19、盘上，要求蜗轮带动手臂每分转动5转左右并且速度可以调节，由于所需力矩很大，因此这里需选择一个功率较大的电机。图2-12 机器人手臂升降机构示意图2.6机器人手臂回转机构设计方案的拟订对机器人手臂回转机构要求是转动平稳，并且速度快慢可以调节。由于手臂底座回转所需力矩不大，因此对其驱动电机功率要求不是很大，一般只需在3瓦左右即可，转速在每分钟10转左右。驱动电机可以与手臂回转立柱通过联轴器相连，也可以通过各种传动机构（例如齿轮机构）相连。我们考虑到在高度方向上尺寸的限制，而在底盘水平方向上有很大的空间没有有效利用，因此我们这里采用驱动电机通过一对齿轮传动将动力和运动传递到回转立柱，从而回转立柱带动
20、手臂做回转运动。考虑到抓取和安放人质的稳定可靠性，要求回转速度可以调节。在抓取和安放人质时要求速度很慢，在中间回转过程中速度可以快一些。图2-13 机器人手臂回转机构示意图第三章 本项目有关设计、计算与分析在机器人部分及总体设计方案确定之后，接下面就应该进行对各部分机构驱动机构有关参数的计算和电机选定；所用零部件材料、尺寸设计与计算以及有关速度、受力、强度的计算和校核等。在进行设计和计算过程中，我们充分运用了工程力学、工程制图、机械原理、机械设计及加工工艺等相关理论知识。下面就各个模块部分的设计计算过程作一简单叙述。3.1 机器人过桥机构的设计一、工作原理 利用过桥机构中下底板的电机的旋转，实
21、现齿轮的转动，进一步推动齿条向前伸长，将下底板推出去，并伸到理想长度，从而完成搭桥的结构，最后让小车从过桥机构上开过。原理如图3-1：图3-1过桥机构示意图二、行走部分的设计1、底板的设计1）材料的选择上底板所受的力不是很大，强度要求不高，考虑到机器人的重量要尽可能轻，所以选择铝板作为上底板。2）结构的设计机器人在收缩状态时，其长宽高均应300mm，展开状态时尺寸不限，所以初设过桥机构的长宽均为280mm，铝板所受的压力不是很大，强度要求不高，选择铝板的厚度为5mm。2、车轮的设计1）材料的选择上底板要安装四个轮子，分别为驱动轮与前轮。驱动轮完成的动作是电机带动该轮旋转，不可以变形，质量轻，故
22、选择铝材料，外表面包一橡胶圈以增大摩擦力，使轮子与地面不打滑，同时轮子与电机的固定用紧固螺钉旋紧。前轮子在行走过程中不起作用，只在搭桥时起支撑作用，小车从上面经过，会使过桥机构往后移动，所以这两个轮子卡在河岸边缘防止过桥机构后移，故材料不限。但还是要考虑重量问题，选择塑料或者铝为轮子材料。2）结构尺寸的设计驱动轮直径大小影响到前进速度，驱动轮的直径要适当大，又考虑到总高300mm，根据过桥机构上小车的高度，初定轮子的直径D=54mm。前轮主要起支撑作用，轮子要比驱动轮小，确定D=50mm。3、电机的选择 1）电机转速的计算 小车打转时初定转弯时间为： t=2s4s 转弯半径为： D=240mm
23、C=d=2403.14=753.6mmV1=753.6/2=376.8mm/sV1=753.6/4=188.4mm/sV1=188.4mm/s376.8mm/s 驱动轮直走时t=8s10s，S=2.5m=2500mmV2=2500/8=312.5mm/sV2=2500/10=250mm/sV2=250mm/s312.5mm/s轮子D=54mm C=d=3.1454=169.56mmn1=60188.4/169.56=66.67r/minn1=60376.8/169.56=133.33r/minn1=66.67r/min133.33r/minn2=60250/169.56=88.46r/minn
24、2=60312.5/169.56=110.58r/minn2=88.46r/min110.58r/min选择电机转速n为88.46 r/min110.58r/min,故选择95r/min的电动机2）电机功率的计算初定小车重量为：G=mg=1110=110N小车与地面的摩擦力为：查机械手册的橡胶与地面的摩擦系数=0.4f=mg=11100.4=44N驱动轮的扭矩为：T=f.1/2d=441/254=1188N.mm=1.188N.m驱动电机的功率为:P=Tn/9550=1.18895/9550=0。0118KW=11.8W根据电机系列选择P=15W3）选择电机的型号根据以上计算结果，我们选择宁波
25、天恒电机厂生产的直流减速电机。电机的型号为:TH37JB555.其主要参数: V=268.47 mm/s P=15W n=95r/min4、伸缩部分的结构设计1）伸缩底板伸缩底板材料：下底板所受的力不是很大，强度要求不高，考虑到过桥机构的重量要尽可能轻，所以选择铝板作为下底板。2） 齿轮的设计材料选择齿轮的材料为45钢结构尺寸的设计、模数的确定模数m=1.5、齿数的确定齿数Z=11。、几何尺寸计算分度圆直径为 ：d=mZ=111.5=16.5mm。齿顶圆直径为：d a= m（Z+2）=1.5（11+2）=19mm。齿根圆直径为：df= m（Z-2.5）=1.5（11-2.5）=12mm宽度为B
26、=10mm。、齿轮的结构示意图 如图3-2图3-2过桥机构齿轮结构示意图3） 齿条的设计齿条材料的选择齿条的材料为45钢结构尺寸的设计模数为m=1.5 mm宽度为B=10mm 总长为L=230mm 有效长度为L1=210mm，厚度为t=4mm。 4) 电机的选择电机转速的确定预设底板推出的时间为 t=2s5s底板的推出的有效长度为L1=210mm底板的推出速度V=210/2210/5=10542 mm/sm=1.5 Z=11 d=1.511=16.5mmn=6042/16.560105/16.5=162.72r/min42r/min确定电机的转速n=160r/min电机功率的确定考虑到底板伸出
27、只克服两侧导向板的摩擦力和底板下两只轮子的滚动摩擦力，选择P=4W的电机。电机型号的确定根据以上计算结果，我们选择温州正科电机厂生产的电机，电机的型号为ZGA28RO62i。电机的有关参数：n =160r/min P=4W U=12V5) 轮子的设计材料的确定如图3-2，6和18两个轮子在行走过程中只起支撑作用，在搭桥时起支撑作用，小车从上面经过，会使过桥机构往后移动，所以这两个轮子卡在河岸边缘防止过桥机构后移，故材料不限。但还是要考虑重量问题，选择尼龙材料。结构尺寸的设计下底板的轮子主要起转弯作用，根据驱动轮的尺寸，轮子安装高度为40mm的滚动轮。过桥机构零部件的安装图如下。图3-3 过桥机
28、构底板示意图 图3-4 过桥机构底盘示意图1、4轮子 2、3轮子电机 5转动轴 6、18轮子 7、17轴承座 8、9铝板 10车轮支座 11、6小轮子 12齿轮 13 齿条 14电机支座 15齿轮齿条电机3.2 小车行走机构设计计算与分析一、小车底板的设计1、材料的选用小车所受力不大，强度要求不高，故选择铝板作为小车的底板。2、结构的设计大赛要求机器人小车的长、宽、高300mm，过桥机构安装平台的长、宽为280mm。再考虑小车其他零件的尺寸，确定小车底板的长、宽均为240mm，采用4mm的厚度。二、小车行走的实现方式1、小车直走小车驱动轮同时正转，或者同时逆转时，小车则直行。2、小车转弯小车的
29、两个驱动轮其中有一个轮子正转，另一个逆转就可以实现小车的转弯。通过小车两个驱动轮转向的不同来实现小车左转弯和右转弯的动作。三、行走机构电机的计算与选择1、电机的转速计算与选择1）驱动轮打转时初定转弯时间为：t=2s4s转弯半径为：D=200mmL=D=2003.14=628mmV1=628/2=314mm/sV1=628/4=164.5mm/sV1=164.5mm/s314mm/s2） 驱动轮直走时t=3s5s S=2m=2000mmV2=2000/5=400mm/sV2=2000/9=222.2mm/sV2=222.2mm/s400mm/s轮子D=49mm， C=D=3.1449=153.8
30、6mmn1=60164.5/153.86=64.15r/minn1=60314/153.86=122.45r/minn1=64.15r/min122.45r/minn2=60222.2/153.86=86.65r/minn2=60400/153.86=155.99r/minn2=86.65r/min155.99r/min因此，选择电机转速n要在86.65r/min155.99r/min。2、选择电机的功率初定小车重量为：G=mg=8.710=87N查机械手册的橡胶与地面的摩擦系数=0.65f=mg=8.7100.65=56.55N 驱动轮的扭矩为：T=f.1/2d=56.551/249=1385N.m=1.385N.mm驱动电机的功率为:P=Tn/9550=1.38595/9550=13.78W根据电机系列选择P=15W3、选择电机的型号选择型号为TH37JB555型的电动机。其主要参数为:U=24V P=15W n=95r/min四、轮子的设计1、轮子的材料选用小车上共安装了四个轮子，分别为驱动轮与前轮。电机带动驱动轮旋转，所以材料要不变形，质量轻，选择铝材料，外圈分别套了橡圈以增大与地面的摩擦力，不打滑、前进速度尽可能快。同时轮子与电机的固定用紧固螺钉旋紧，前轮和驱动轮的结构相同。2、结构尺寸设计根据总高度300mm，
