毕业设计（论文）-大学生机器人设计.doc

太原工业学院毕业设计1绪论1.1选题背景“亚太大学生机器人大赛国内选拔活动”于2002年由“亚洲太平洋地区广播电视联盟”（ABU）倡导，中国每年一届，以选拔国内的冠军队参加亚太区桂冠的争夺。赛事由主办国确定，各参赛高校根据不同的主题设计制作出合适的机器人参加比赛。其宗旨是培养青少年接触、探索高新科学技术的兴趣与爱好，提高各参与高校的科技水平，为机器人工业的发展发掘和培养后备人才力量。ABU ROBOCN 机器人大赛是有别于其他国内或国际各种机器人竞赛的比赛。它是由中国，日本，泰国，新加坡和硬度尼西亚组成理事会的“亚洲太平洋广播联盟”（亚广联）举办的每年一度的重大国际性赛事。比赛的宗旨是着力培养各国青少年对于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和培养后备人才。各个亚广联的成员机构都有权参加该项目的比赛，但参赛的对象仅限于各国的大学生或者工科院校的学生。它的前身是1988年日本广播协会的机器人比赛，于2002年由“亚洲太平洋广播联盟”（亚广联）正式组织成为每年一度的重大国际性赛事。对于每个国家来说，ROBOCON机器人大赛均可分为前期的国内赛（挑选出可以参加国际赛的代表队），和后期的国际赛。截至今年我国已经成功举办了十二届该项赛事，我院2005年开始参加该项赛事，到今年是第十届。在过去几届中，机器人的定位采用码盘加陀螺的算法使机器人的定位有了很大突破。但是随着全国各个高校技术的革新，码盘加陀螺的算法显然已不能满足我院机器人的定位要求，所以今年我们在去年有接触到摄像头的基础上进行摄像头的开发与调试。机械上主要还是采用自主加工的方式，使得机械的可靠性和机构的多样性有了保证，机械的设计水平也在不断的提高，新颖的机构越来越多，现在我国在这项赛事中处于领先水平，尤其是电子科技大学的设计思路和调试方法值得国际上参赛各高校的借鉴和学习，今年我校应用的摄像头是自主开发和调试的，相对以前在定位上有了明显的提高。我院机器人队从2005年到现在已经经历了九届比赛的洗礼，取得了可喜的成绩，同时也积攒了宝贵的比赛经验。2014年举办的“第十三届全国大学生机器人大赛”我校将第十次参加该赛事。我院目前的最好成绩是全国四强，在全国众多参赛院校中处于中上水平。还需进一步提高，为跻身于全国强队之列而努力奋斗。1.2研究内容本人是机器人队机械组的一员，与队友们一起负责对手动机器人（Manual Robot）自动机器人（Automatic Robot）的机械系统设计制作及其配合工作。本设计主要针对手动机器人的设计和优化进行研究。今年参赛的机器人从规则上可以看出，两个机器人的配合程度相对以往都有了明显的提高，总体方向是按着更加人性化的方向发展，即使机器人更像是“人”，能够去完成人的一些动作。今年的机器人在配合上要求的严格程度和木桶原理类似，若有“一块短板”便会影响整个任务的完成情况，以致决定最后的胜负。因此所有的结构都是经过队内统一探讨和实际试验后才能拿出最后的方案。并且在机器人研究过程中我们首先需要仔细和反复的研读比赛规则，时刻关注大赛官网的动态变化，遇到规则中有不理解的地方及时在官网中向工作人员咨询了解。弄清规则上各个细节说明，画出模糊概念，猜想出题人的意图，并在制定比赛策略时，考虑全面，避免在准备工作中做些不必要的工作，做到万无一失。而只有这样才能提出功能设计方案并对其进行深刻论证。接下来就可以确定机器人的参数，进行初步的结构设计，并且开列外购清单。在确保合理性和安全性的前提下，我们紧接着就要投入到加工制作中去了，机器人的大部分零件都是我们自己加工制作的，像齿轮、同步带轮、阶梯轴、轴承座、电机座等都是我们自己设计并在机械实验室自己加工出来的，机器人的底盘和其他支架也是我们自己通过铝焊加工的。在机械零件加工制作完成后，再将其装配成整体，之后交给电控组布线、调试，在调试过程中机械组会根据调试的情况对机械结构进一步的优化和维护，最终定下一套稳定的完成任务的方案，并确定我们最终的参赛的机器人。手动机器人的设计是整个机器人的设计和制作的一部分，遵循整体设计要求，设计过程也经历了：方案的提出，参数的确定，具体设计和加工，调试和优化的过程。其工作流程如图1.1所示。熟悉比赛规则比赛机器人的创意与提案确定手动机器人的设计要求和参数初步设计详细设计制作 组装 调试试运行 演练优化明确目标 组建参赛队伍 制定进度计划 组织学习确定1号机器人实现的动作和设计参数设计草图及说明 集体讨论评选方案机械加工 装配 电路调试 性能测试机械草图 设计计算 机械装配图 零件图 图1.1 手动机器人设计与制作流程手动机器人的最终方案确定是按以上流程进行的，前期的主要工作是对规则的分析，分析的深度决定机器人的合理性，这个阶段时间比较长，它是整个机器人设计过程中的基础，设计过程较快，但较为繁琐，需要注意很多的细节问题并不断地优化和改进。通过绘制草图、零件图、装配图、再画出三维视图，在设计过程中突出的原则是“稳、准、快”。接下来就是制作阶段，在制作时根据Proe三维视图，通过Proe导出加工程序在数控机床上加工，严格按照工艺流程加工保证机械零件的合格。加工出零件便可进行装配调试。通过电控组的调试来分析存在的问题，并不断解决，最终达到稳定的机械系统，以适应比赛的要求，在大赛上发挥出自己应有的水平。1.3章节安排全文共分为六章，第一章为绪论部分，整体介绍全文的研究背景和研究任务，及全文章节安排。第二章对本届比赛规则进行了简要的介绍和分析，并提出了手动机器人的设计要求。第三章对今年手动机器人上用到的机械结构、产品及其选用的材料进行了全面介绍和分析，并重点对手动机器人各个机构模块进行了详细的说明并对其机械结构后期的优化进行了简要说明。第四章主要对电机、型材的选用参数进行的设计计算，并对程序的执行流程进行简要概括及分析其利弊。第五章是介绍了一些机械零件的加工制作及其工艺流程。第六章则是对全文的总结和展望。2机器人大赛规则分析由于这项赛事的特殊性，即每年由不同的国家和地区举办一届，每届的主题都不同。主办方为了宣传各国文化，吸引更多的国家和地区参加，使比赛生动有趣，同时为了引导大赛向高技术方向发展，因此每年制定的规则都会根据主办国的文化特点来更换题目。因为比赛规则在不断地变化，并且朝着高技术的方向发展，所以每年在设计机器人时就会伴随着技术的更新，否则便会落后于其他高校。每年对比赛规则的分析和讨论都决定着机器人设计的好坏，对比赛规则分析得是否透彻都直接影响机器人的制作及最终比赛成绩。所以对规则细心对待，怀着一颗敬畏的心去看待它。2.1第十三届全国大学生机器人大赛规则简介及其分析今年国际赛主办方是印度主题简介如下：“父母是自然给予人类的最伟大恩惠。 从婴儿到成年，父母促成和支持了儿童身体、情感和智力的发展，为了帮助儿童成长，发挥全部潜能，他们给予了爱、安全、启发、鼓励和机会。2014 RoboCon 全国大学生机器人大赛把“舐犢情深”确定为比赛主题，以表彰父母辈的巨大贡献。”本届机器人大赛是由两支参赛队用他们的机器妈妈和机器儿童在公园里玩各种游戏。机器妈妈必须携带机器儿童到达儿童区，机器儿童玩游戏。每支参赛队要玩跷跷板、梅花桩、秋千等三种游戏。一旦机器儿童完成三种游戏，它就可以挑战设于公园中央的第四种游戏。最先成功完成第四种游戏的参赛队实现了“健康宝宝”，成为获胜队。如果两支参赛队均未能完成上述获胜任务，将按比赛规则确定获胜队。2.1.1比赛场地及设施（1）. 比赛场地是一个12000mm 12000mm的区域，四周有高50mm、厚30mm的木质围栏。（2）.上场竞赛的是红队和蓝队。比赛场地有两个家长区（一红一蓝）和五个儿童区。机器儿童在儿童区中玩游戏。两（红和蓝）队的第一个儿童区是相同的，分别位于各自的区域中。其它儿童区用30mm宽的无光白胶带分为两半。每支参赛队应在自己的区域中活动。(3). 比赛场地上还各有一个红色和蓝色启动区，每队一个。每个启动区的面积为1000mm x 1000mm。(4). 儿童区 跷跷板儿童区：红队和蓝队的跷跷板儿童区是分开的（见图3）。 梅花桩儿童区（见图4）。 秋千儿童区（见图5）。 攀登架儿童区（见图6）。(5).攀登架儿童区位于场地中央。2.1.2比赛规则要点：（1）每场比赛时间为3分钟。（2）每支参赛队有2台机器人，1台自动机器人（机器儿童），1台手动机器人（机器妈妈）。（3）机器妈妈带着机器儿童从启动区启动。（4）机器妈妈与机器儿童玩跷跷板游戏。（5）第二个游戏可以是踩梅花桩或荡秋千。（6）第三个游戏是剩下的荡秋千或踩梅花桩。（7）完成三个游戏后，机器儿童才能登上攀登架，实现“健康宝宝”并赢得比赛。2.2比赛规则分析从今年的比赛规则中可以看出，今年的比赛对手动机械手臂的要求是较高的，要使自动机器人在不同的场合有相对应的角度，这对于机械手，无论是在设计方面还是在制作方面都对机械部分提出了更高的要求。这也是设计中的难点之一。规则中对机器人的重量和尺寸做了严格的限制，两个机器人总重量之和不得超过40kg，比赛开始前，启动区内带着机器儿童的机器妈妈的尺寸不能超出1000mm1000mm1000mm的空间，比赛一旦开始，机器妈妈可以变形，但比赛中包括机器儿童在内的机器妈妈不能超出1500mm的立方体。比赛中，机器儿童的尺寸和形状可以改变，但在任何时刻应能纳入500mm的立方体。2.3手动机器人的设计分析和要求提出通过对规则的深入解读，我们可以了解到对于自动机器人在跷跷板到荡秋千的任务中需要水平即xy平面旋转90度，在荡秋千到梅花桩任务过程中需在yz平面旋转90度，再到爬梯的任务中需要在yz平面中旋转成与水平面夹70度角，这就需要手动机器人在与自动机器人配合完成任务的过程中多次在三维空间里变换角度以满足完成任务的需要，以及在全场特殊位置的定位等。所以今年主要的两大难点在于对手动机器人的全场精确定位，对手动机器人的机械手臂的设计。无形之中这就增加了对机械结构的设计要求。另外，在配合自动机器人完成任务的过程中，还需要手动机器人进行按压跷跷板，推秋千，所以还需要在手动机器人上有对应的结构去完成这些任务。2.4本章小结本章主要针对今年的比赛规则以及结合今年规则，分析与往年的不同之处，并利用这些信息对本次大赛的机器人进行设计，为之后的加工制作指导方向，避免和以前一样的错误再次出现，使得机器人的设计不符合大赛的规则要求。3 手动机器人的相关理论及设计根据比赛规则以及前文所述的方案分析，在本章中将对手动机器人的整体框架进行设计。机器人是机械和电子结合的产品，所以在设计机械结构的同时也要考虑到电路的控制是否方便以及电器元件的安装是否合理，由于本文主要设计的是机器人的机械结构，所以重点论述的是机械部分。3.1 手动机器人所涉及的机械理论及成品零件简介我们知道机器一般都是由动力部分、传动部分、控制部分和执行部分组成的，而要使机器人按照自己设计的方式进行运行，必须有一定的机械理论和成品零件的配合。因此本章主要介绍这方面的知识。3.1.1 带传动一般来说，带传动是一种摩擦传动，由具有弹性和柔性的带绕在带轮上所产生的摩擦力来传递运动和动力。带传动主要用在功率传递中，传动平稳，噪音小。（1）带传动的特点与其他传动相比，带传动是一种比较竞技的传动形式，带的弹性和柔性是带传动具有一下优点：1）运动平稳，噪声小；2）能缓冲冲击载荷；3）构造简单，对制造精度要求较低，特别是在中心距较大的地方；4）不用润滑，维护成本低；5）过载是打滑，在一般情况下，可以保护传动系统中的其他零件。其缺点是：1）带存在弹性滑动，使传动效率降低，传动比不像啮合传动那样准确（同步带除外）；2）带的寿命较短；3）传递同样大的圆周力是，轴上的压轴力和轮廓尺寸比啮合传动大。图3.1 摩擦带传动（2） 带传动的类型根据带的截面形状，带传动可分为平带传动、V带传动、多楔带传动、同步带传动等，见图3.2，图中所示为平带、V带和多楔带的横截面形状。图3.2 摩擦带的截面类型1.主动轮2.同步带3.从动轮图3.3 同步带传动示意图（3）同步带传动同步带传动综合了带传动和链传动的优点。如图3.3所示为同步带的传动示意图。同步带通常是以钢丝绳或玻璃纤维绳等为抗拉层、氯丁橡胶或聚氨酯橡胶为基体、工作面上带齿的环状带。工作时，带的凸齿与带轮外缘上的齿槽进行啮合传动。由于抗拉层承载后变形小，能保持同步带的周节不变，故带与带轮间没有相对滑动，从而保证了同步传动。同步带传动时的线速度可达50m/s（有时允许达100m/s），传动功率可达300kw，传动比可达10（有时允许大20），传动效率可达0.98。同步带传动的优点是：a) 无滑动，能保证固定的传动比；b) 预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小；c) 带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高；d） 带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。其主要缺点是安装时中心距的要求严格，且价格较高。同步带主要用于要求传动比准确的中、小功率中。机器人上用的传动一般都要求不打滑的，所以我们在制作机器人时考虑到带传动首先想到的是同步带传动。我们参考了往届队员积累下来的经验及其他一些院校制作机器人的经验，分析了带传动的优点，之后便采用这种传动方式，并在手动机器人的提升结构和自动机器人的交替传动结构上用到了同步带传动。3.1.2气缸简介以气动系统中最常使用的单活塞双作用气缸为例来说明，气缸典型结构是由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。在往届队员使用的基础上，今年我院继续使用气缸作为一个机构来快速实现任务，它的结构简单，动作迅速，并且能代替复杂的结构实现当前的任务。因此今年的所有结构中，能用到气缸的地方尽量用气缸来实现，这样可以迅速准确地完成任务，达到最优的结果。图3.4 队内选用的双作用气缸3.2材料、构件与轻量化设计作为新队员，在初次设计时往往对材料的选择没有足够的重视，认为强度足够大就可以了，但是对材料的特性没有实际的了解，选择的材料不是强度过大就是强度不够，没有达到最优化设计。而且在实际中，任何一次的比赛机器人在质量上都有严格的限制，因此选用何种材料构成机器的机构本体是我们在设计过程所必需要要面对的问题。一个机构的设计需要从材质、剖面形状、构件组合形式等方面加以考虑，以便妥善的解决容许应力、变形、质量、固有震动频率等问题。本节将会提到一些轻量化的方法，比如打孔处理、优化截面形状等。3.2.1材料与型材比赛机器人使用的材料大部分用于结构，一般是金属材料，一小部分用的碳纤和玻碳等材料。机器人承载和运动不应产生严重的变形和断裂，从力学的角度即具有足够的强度。因此主要材料选用碳钢和铝合金。在机器人主体结构的材料选用上，一方面要保证其结构的牢固性和抗撞性，另一方面考虑到可以利用已有的设备氩弧焊机对其进行焊接加工，焊接比铆接和螺纹连接更方便可靠，还要考虑机器人的整体重量。综上考虑，我们机器人主体结构以及大部分零件的材料选择了铝合金加工。在往届使用的基础上，今年我们继续使用碳纤维，它强度高、质量轻而且还有可钻、可钉、可锯的良好加工性能，因此我们选用了该材料做机械手，这样在大冲击下，也可保证其使用寿命。材料截面对构件质量和刚度有重要的影响，因此通过合理选择构件的截面可以较好地满足机器人的使用要求，如空心圆截面，空心矩形截面，工字截面等。若空心矩形截面边长为a、壁厚为t的正方形，空心圆外圆直径也为a，壁厚为t，。且令t=0.2a。通过计算可以得出，在相同壁厚的条件下，空心正方形截面比空心圆截面的惯性矩高69%84%，而质量仅增加27%。壁厚越薄，则效果越明显。若比较条件变为空心矩形截面型材和空心圆形截面型材的截面面积相等，且d=a,设空心圆截面壁厚t1=0.2a，可以计算出空心正方形截面壁厚为t2=0.147a。此时空心正方形截面比空心圆形截面的刚度提高了40%60%。因此无论从何种角度来衡量，空心矩形截面都比空心圆形截面的刚性优越。从设计、装配的角度来看，矩形截面也有一定方便之处。圆截面型材用作伸缩关节时则比较容易装配。除了上述两种截面外，还可以采用角铝或者工字截面的型材。在比赛机器人中随着竞技功能的区别，还用到多种非金属材料，如码盘橡胶圈、POM板，尼龙块、玻纤、碳纤和各种粘结剂等等。3.2.2轻量化设计在大赛规则中明确提出了对机器人的重量有严格的限制，因此机器人的机构除了强度足够之外还必须保证足够轻，这就需要我们在设计过程中严格估计和控制每一个零部件的质量，零部件制作完毕后要一一称重，以便在装配前对机器人的总重量心中有数。减重的方式的方式有很多种，但其前提是还要保证零件的强度足以完成比赛，所以我们采用的方式主要是打孔和倒圆角，这样做出来的产品不仅质量轻便而且美观大方。3.3手动机器人的各部分模块设计3.3.1手动机器人的规则要求（1） 机器妈妈应通过一条与之相连的电缆操作。不允许使用无线射频控制。操作手不能骑在机器人上。（2）用电缆操作时，电缆与机器人的连接点离地面至少要有900mm， 从机器妈妈到遥控器的电缆长度应为1000mm以上但不得超过2000mm。（3）比赛开始前，启动区内带着机器儿童的机器妈妈的尺寸不能超出1000mm长、1000mm宽、1000mm高。比赛一旦开始，机器妈妈可以变形，但比赛中包括机器儿童在内的机器妈妈不能超出1500mm的立方体。（4）比赛开始后，除“重试”外，参赛队员不得与机器妈妈接触。（5）机器妈妈可以在自己的家长区中（红或蓝）运行。（6）机器妈妈的任何一部分可以伸入自己的儿童区的上方，但不得接触其地面（秋千儿童区中用白线划出的弓形区域除外）。（7）参赛队的机器人不得接触对方的机器人。（8）机器妈妈不得分为两个或多个单元。 （9）机器妈妈上应有粘贴组委会提供的标签的地方。其尺寸应为150mm x 100mm。3.3.2手动机器人整体介绍结合以上规则要求，并在机器人的制作调试完成后，对机器人的各方面进行了优化处理，得到了最终的优化方案。（1）手动底盘采用四轮，两轮悬挂的的结构，这样可以使码盘与地面完全接触使得全场的定位更加准确，减少人为调整的时间。（2）升降部分采用四立杆的结构并用轴承盒做升降装置，这样既能提高其机构的的稳定性，又能够让立杆起到很好的支撑和导向作用。（3）前后伸缩臂的设计，这样做的原因是使得手动机器人能更快速地完成任务，并且还根据规则要求，手动机器人不得进入儿童区，这就对机械臂的长度有一定的要求。（4）机械手的设计今年在材料的选择上还是沿用去年的碳纤维这一材料，主要是因为它有足够的强度，质量轻，既提高了自身的强度又对机器人进行了轻量化设计。（5）今年的配合问题一直是重中之重的，因此在手动机器人机械手的设计上配合也是重点考虑的，在抓取自动机器人方面，最终决定为两个爪子前后收缩的结构，并在自动机器人上设计有对应的配合结构。图3.5 整体效果图图3.6 实际加工图以上就是今年加工的手动机器人，其整体效果如图3.5和3.6所示，因为机械结构是随着方案的不断优化而不断改进的，所以机械结构在比赛前后个别结构会有所改动，但大体结构已基本定下。下面介绍个部分的具体结构和功能以及设计初衷。3.3.3底盘部分经过往届队员的逐年积淀，我小机器人队的底盘设计已经趋于完善，在设计方面对于底盘的各类要求基本上已经都能够满足（如强度、同轴度等）。而在底盘的设计部分中，较优设计应属往届的电机轴承座一体式设计和全向轮悬挂式设计，电机轴承座一体式设计既保证了同轴度，同时又由于是一体成形，因此在强度和抗击性方面与其他以往的设计比较都得到了有效的增强；而全向轮的悬挂式设计则保证了码盘能够时刻与地面接触，使得手动机器人在全程定位上能够更加精准。在前期的方案讨论中，关于底盘的设计，我们根据往届的经验结合今年手动机器人的具体情况，我们选择了四轮驱动（四轮驱动即四轮同时着地，这个问题便是用全向轮悬挂解决的）。全向轮的互相配合能够实现机器人的全向运动，全向轮示意图如图3.7，图3.7 全向轮这里采用4个全向轮，轮系布局如图3.8，四个全向轮两两平行，安放于底盘的四个顶点上，且均与底盘的对角线垂直，（这里插一句，为了使底盘能够适应不同的环境，即即使场地不平，依然能使四个轮子同时着地，需要相邻的两个轮子的电机座并非固定在地盘上，而是做成悬挂，以满足全向运动四轮必须同时抓地的要求）对这4个轮子进行运动学和动力学分析，推导出一定的公式，应用即可实现平面内移动及旋转的全向运动。图3.8 底盘部分图3.9 底盘加工效果图图3.10 全向轮悬挂实物图今年由于手动机器人需要将自动机器人抓起并完成各种动作，所以对手动机器人的重心分布有较高的要求，即对底盘的面积也有一定的要求，经过反复计算兼顾规则的尺寸要求，最终我们选择20*20*1.5的方铝管作为底盘材料，并进行氩弧焊接的方式连接。最终焊接成的底盘框架是750*750的。底盘部分还包括电机，电机参数的选择也是今年手动机器人的一个重要设计基准，关于电机参数的选择计算还有驱动模块的设计会在下文第四章中具体计算说明。3.3.4升降部分升降部分的设计从一开始讨论方案时我们便确定采用以同步带带动伸缩杆上升和下降的形式，然后在后期的设计过程中不断进行优化。具体的结构是通过轴承盒将伸缩臂与主架（四根立杆）连接，将同步带的一侧与伸缩臂框架固定，然后绕过导轮将其悬挂在主体框架上，通过电机加码盘达到控制其升降的效果。如图3.11图3.11 升降部分图3.12 升降加工实物图在加工装配完成后，实际的实验过程中，电机会出现卡死现象，不能够正常升起和下落。分析该机构的稳定性之后，发现在抓起自动机器人过程中，由于自动机器人的重心离手动机器人的提升支撑点距离长，其力矩较大，造成了后端的轴承盒受力太大，由直线轴承与立杆间的滚动摩擦变成了硬性的滑动摩擦，是不利摩擦，这是原因之一，原因之二是所设计的轴承盒较小（即长度较短），使得轴承与铝管的接触面积小，摩擦大。多次来回升降之后对四根立杆的磨损很严重，这是一个很致命的问题，如果没有处理好，只要多调试几次便会将铝管磨透，手动机器人的主体框架也就报废了，所有的零件必须重新装配。于是我们立刻停止手动的调试工作，着力解决磨损问题。解决问题的关键便是增大轴承盒上轴承与铝管的接触面积，也就是加长轴承盒和增加轴承在轴承盒上的数量。通过再次试验之后，我们发现之前的问题基本解决。另外该机构的提升驱动部分，也是重点的设计模块，会在本章另起一小节进行介绍和有关计算。3.3.5机械手部分机械手顾名思义即为在机器人身上再现人手的功能的技术装置。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、或操作的自动机械装置。它是由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。通常的机械手多为两指机构或多指机构，今年我们所设计的手动机器人需要将自动机器人抓起完成各项任务，故需设计为多指机构。其整体结构如图3.13所示图3.13 机械手部分在机械手的设计过程中，考虑到启动区的尺寸限制和抓取自动机器人的迅速性，故设计了多个自由度来分别解决该问题，以下则主要通过研究执行机构的手部、腕部、和臂部的常用结构，并通过自身分析来介绍说明手动机器人机械手的具体结构和设计思路。（1）手部 即直接与自动机器人接触的部分，多为两指或多指结构，本设计的机械手为四指结构，如图3.14所示图3.14 手部机械手的结构原理是将直线导轨上的两个滑块与中间的方铝管及后端的四指固定，前端的两指与直线导轨固定，由气缸提供动力带动直线导轨伸缩以达到松开和夹紧的目的。机械手形状设计如图3.15图3.15 机械手形状设计手部的设计同时也包含了与自动机器人配合部分的设计，在自动机器人上有与机械手相对应的结构与之配合。如图3.16图3.16 自动上与手动机器人配合部分（2）腕部 即为机械手与机械臂的连接部件，可用来调节自动机器人的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。由于手动机器人在完成任务过程中需要在三维空间有多种角度的定位要求，这些角度的完成便是由机械手与机械臂的连接部分完成。设计的结构中能满足水平旋转90度，竖直旋转20度、70度、90度。具体结构如图3.17和3.18所示图3.17 腕部设计主视图图3.18 腕部设计左视图图3.19 腕部与手部配合实物图（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的是把手部送到空间范围内的某个位置。如果改变手部的姿态，用腕部的自由度加以实现。为辅助自动机器人完成各项任务，手动机器人的臂部还具有伸缩和升降的功能。考虑到红蓝场问题，机械臂设计成相对于手动机器人主架对称的结构。机械臂的驱动方式是钢丝绳拉线传动，通过码盘和电子刹车控制机械臂的伸缩。码盘的功能是读取机械臂伸缩时的位移，通过程序能够对电机加以控制。由于选用的电机没有自锁功能，因此在电控控制方面很难做到精确定位，当电机达到某一位置时会出现前后滑动的情况，不能固定在某一位置。而且如果到达某一极限区域是，不能让电机立即断电，电机有可能堵转，烧坏电机。因此在电机轴的一段，通过联轴器加一电子刹车装置，当其运行到指定位置时，通过程序控制，让电子刹车通电，同时让电机断电（防止电机堵转烧坏电机）使其锁紧而达到精确定位的目的。在我们的设计中为使机械手动作更加平稳，我们利用加长轴承盒增大轴承与铝管的接触面积以及用碳纤维板加固的方法使的机械臂在运动过程中更加平稳。如图3.20图3.20 机械臂设计图3.21 机械臂加工实物图以上详细介绍了关于机械手的各个部分的设计说明。机械手的设计是这次设计的核心内容所在，在设计过程中既要体现其灵活性又要求其在保证完成任务的情况下能够加持牢固和稳定性。因此，在设计和加工过程中通过螺栓的连接增加了其与被夹持物体的接触面积，来做到其牢固夹持的性能。同时为了使其加持得更加牢固，我们还设计了机械限位的结构与之配合。3.3.6驱动部分驱动方面是各个高校都在执着钻研的一个问题，驱动的合理与否直接关系到机器人在场地上能否准确地到达目的地，为了在速度上不落后于强队，全场定位就必须足够准确，这是使用码盘加陀螺仪或者摄像头定位的前提条件，这种决定性的作用在手动机器人全场的运行过程中体现的很明显，每年都有许多高校的机器人在场地上跑偏，这不仅仅是控制技术方面的问题，在机械方面往往由于轮子安装精度达不到要求带来许多控制上无法克服的约束。所以驱动方面的安装也是关系到整个比赛是否能够顺利进行的必要条件。底盘驱动我们知道机器人的行走方式有履带式、步行式和轮式。其中，步行式难度大而且在速度上明显落后于另外两种方式，故不予考虑。履带式的优点是能登上台阶也能下台阶，由于履带的突起，路面保持力强，抓地可靠，适合于在路况较差的路面上移动；且能够原地旋转重心低，稳定等，但其结构复杂，不易制作，轮子多，重量大，控制分析复杂，转弯不灵活。结合各个优缺点，今年选用了四轮驱动的方式，其中两个全向轮采用悬挂式，使得四轮全部能够着地，不会产生悬空现象，控制稳定。而且由于底盘四轮结构，地面覆盖面积较大，故在移动过程中也较为稳定。对于电机与轮子的连接方式，今年还是沿用往届的设计方法，即电机轴承座一体设计，在保证同轴度的情况下还有效地增强了其强度。其原理如图3.22所示图3.22 底盘驱动模块升降驱动在升降驱动方面，考虑到在完成任务过程中会让其停留在某一位置不动，如果电机没有自锁功能是很难实现的，因此需要加一电子刹车装置来控制其位置，也就需要增加控制电子刹车的程序，这在电控组方面不难实现。其设计连接方式如图3.23所示图3.23 升降驱动模块本小节主要介绍了手动机器人的驱动模块部分中的底盘驱动和升降驱动部分，并分析了其优缺点和我们对其驱动方式的选用和设计图形。3.4 本章小结本章是该设计部分的核心内容，分别介绍了一些用到的机械知识和型材，并重点地对该机器人的各个部分的设计进行了详尽的说明和设计过程，并对其期间的各个设计结构进行了对比说明和优化说明。4手动机器人的操控系统设计4.1电机的选择以下是往届选择电机的经验：我们对电机的选择可以有三种方法：1. 通过计算来确定电机；2. 通过试验来选择；3. 通过比较来选择。这三种方法都据有可行性，就第一种方法来说，其计算比较繁琐，按照这种方法进行选择电机又给我们增加了很打劳动量，所以我们在选择电机时一般是用后两种方法来进行选择的。图4.1示意出电机容量选择的方法和步骤。图4.1 决定电机容量的方法和步骤从图4.1可知，在决定电机容量时涉及负载的估算、驱动对象运动规律的确定、传动系统转动惯量的折算等内容。在下面的两节中我们介绍一下通过计算来选择电机的方法。（1）负载估算方法决定驱动器容量和传动系统容量在机器人的设计中是很重要的内容之一。负载估算的正确性影响到上述系统每一个元器件选择的合理性。从驱动器到负载之间力的传递路线如图4.2所示。电机是将电能转换为机械能的部件，由此发生的力经过以减速器为核心的动力传递系统到达负载端。在此过程中，一部分力克服摩擦，以热能的形式耗散出去，因此传动效率无法达到100%，在实际设计中，当然应当将上述路线的顺序倒过来，即从负载的大小以及摩擦系数、运动副的效率去推算电机的容量。图4.2 驱动器到负载之间力的传递路线施加于系统的负载大致可以划分成3个基本类型：有效力、无效力、惯性力。有效力的计算方法机械对外做功，从本质上讲需要力。下面举几个有效力的例子。机器人的运动，靠主动轮与地面之间的摩擦力。图4.3是轮式机器人驱动时的受力简况。这时主动轮上所受的摩擦力实际上是推动机器人前进的有效主动力。从图4.3可以看出，简化后所有的力和力矩在平面力构成一个平衡力系。图4.3 机器人驱动轮受力图4.4 克服负载重力做功图4.4表示有效力克服负载重力做功的情况。主动转矩是有效力，其大小与无图的升降速度无关，但是与加速度有关。其计算公式为主动力矩 式中，是电机的角加速度；J是整个系统转化到电机轴上的折算转动惯量，也包括负载W折算的部分。无效力的计算方法估计无效力比较困难。摩擦力就是一个例子。估计摩擦力在理论上可以用摩擦系数，在经验上常借助传动效率。如图4.5所示图，在让物体沿接触面滑动时，拉力的大小必须克服摩擦力。如果物体做匀速运动，则拉力不做有效功，所做的功全部转化成热。此时电机扭矩为其他类型的无效力有轴密封处的摩擦、空气阻力（高速运动时）等等。图4.5 摩擦损失（2）电机的选择计算根据所设计的机器人质量：老爷机器人质量m1=10Kg，两轿夫机器人质量m2=30 Kg，总质量m=m1+m2=40 Kg，水平地面载物行走速度为2 m/s，爬坡坡度约为17，坡长约1m，坡高约30cm，爬坡速度1.5m/s。主轮直径D60mm，同步带轮速比1：2.1。最大加速度 a50转/s2，两轮主驱动，PWM控制，50%占空比。电源电压约20V，电流10A。由以上指标可以计算得出：小车爬坡时克服重力分量：FG =m g sin17=117(N)小车克服加速度时的惯性力：Fa =ma=4050600.0013.14=376.8（N）爬坡摩擦力f1=mgcos17=0.5409.80.956=187.4（N）水平地面摩擦力f2=mg=0.5409.8=196(N)，小车所需输出的最大瞬时机械功率：Pm =( FG + Fa + f2)V=（117+376.8+187.4）2=1362.4W因为小车是双轮驱动，每个电机输出的峰值功率是681.2W，结合同步带速比，电机减速箱所需输出的最高转速为：n=V/(D3.14)/2.1=2/0.1884/2.1=303(rpm)每个电机减速箱所需输出的最高峰值转矩约为：M=FD/2/2=681.20.06/2/2=10.218(Nm)通过以上计算，考虑到电机的工作点及减速箱的效率，电机、减速箱及编码器选型如下：1.148867（电机RE40）+203115（减速箱GP42C，12：1）110514（500线编码器） 电机总长：147.2mm（不包含减速箱的输出轴的长度21mm）电机总质量:840g电机的直径:40mm减速箱的直径:42mm电机组合在24V电压下的工作点：输出转速=525rPm ,最大连续转矩=1.65Nm , 峰值转矩=11.3Nm(持续时间1S)。本届手动机器人与自动机器人的总重为30Kg+7.5Kg=37.5Kg40Kg，且克服的摩擦力主要为水平地面的滑动摩檫力，故选用电机Re40已能够满足手动机器人底盘驱动要求。4.2控制流程设计因为今年的比赛是对我们机器人的协作性、稳定性以及速度的考验。我们积累了往届的经验和教训，在电控的稳定和抗干扰方面有很多经验，加上在去年一些问题的总结的基础上我们形成了一些在比赛中抗干扰的思想。今年的比赛对我们最大的挑战是两个机器人在多次执行任务时之间的配合问题处理上。协调统一、稳定可靠是我们的目标。在往年的基础上，今年我们还将用到以前调试成功和没有调试成功的处理器、传感器以及一些执行机构等。如：码盘传感器和陀螺仪以及摄像头寻线问题。并且在去年的基础上，我们还将继续开发使用STM32作为主控。希望能够超越去年。是否将自动机器人放在跷跷板上4.2.1任务流程手动启动M处重启 否 是是否顺利按压跷跷板 否是是否顺利抓取自动机器人否 是是执行下一个任务S处重启 是否将自动机器人放到梅花桩上 否 是是否顺利抓取自动机器人 否 是N处重启执行下一个任务 是否将自动机器人放到秋千上 否 是是否抓取自动机器人否 是 H处重启执行下一任务 是否将自动机器人放到梯子上 否 是健康宝宝图4.6 任务流程图4.2.2程序流程传感器信号电源、复位模块伸缩及升降机构驱动底盘驱动电机驱动电机驱动电路AVR信号处理电磁阀控制人机交互模块MAGE128电机控制模块STM32主控手柄AVR手柄信号处理A/D转化陀螺仪信号落地马盘信号升降码盘信号伸缩码盘信号FPGA信号处理限位开关和其他开关量图4.7 程序流程图4.3本章小结 本章主要介绍了电机选型和一些任务完成及程序设定流程，清晰了手动的任务和编程思路。5典型零件的加工工艺简介机器人的制作阶段，我们充分利用了机械工程系实验室现有的机器设备，能自己加工的零部件我们都自己动手。我系实验室的设备很齐全，而且能够满足学生的要求随时开放，但是在里边工作就得遵守一定的规则，要讲卫生，要爱护设备，要维护实验室的安全。机床实验室的普通机床有铣床、摇臂钻床、钻铣床、车床、插齿机、刨床等；数控技术实验室有先进的数控车床和数控铣床；特种加工实验室还有精密数控电火花成形机和数控电火花切割机。结合这些机床所加工零件的特点，我们选择合适的机床，加工出了许多合格的产品，像车轮的车削加工，轴承座的铣削加工和钻孔加工，同步带轮的线切割等等，最后我们按质按量的完成了任务。我们加工零件的整个过程是，先绘制图纸进行产品设计，之后经审核没有错误时再去购买材料、去工作场地进行机械加工，最后验收成品。因为是自产自消，牵涉不到重大的责任问题，所以我们没有太严格的文档资料。本节就几个典型的零件进行简单的介绍，说明其工艺过程和必要的强度计算。1 圆弧齿8M同步带轮 2 挡片图5.1 同步带轮5.1 同步带轮的加工工艺机械加工工艺过程设计涉及到多方面的知识，如工序的划分、粗基准精基准的选择、加工余量的确定、刀具的选用以及进给速度的选择等等。驱动用的履带轮是一个关键性的零件，其加工精度要求很高，需要用良好的机械加工工艺来保证，轮子的材料是直径为65mm的铝棒，加工工序的划分如表5.1所示表5.1 车轮的工艺过程工序编号工序内容设备1将棒料锯断，长度为45mm锯床2车一端面A，长度为43.5mm车床 、游标卡尺3二次装夹车端面B，长度为42mm车床、百分表、游标卡尺4钻8的底孔车床5去毛刺锉刀、砂纸6以端面B为基准割出22的中心孔数控电火花切割机7割出8M圆弧齿型数控电火花切割机8钻孔摇臂钻床9去毛刺锉刀、砂纸10检验在这10道工序中最重要的是第3道和第7道工序，工序3要是在工序2的基础上进行第二次装夹，装夹的好坏决定了两端面A、B的平行度的好坏，也为工序6、7的加工打下基础，二次装夹一定要用千分表测量将误差降到最低。工序7是一个自动加工的工程，但是编程的好坏和机床加工参数的选择直接影响着工件的精度。工序8中所钻的孔，是功能孔，即履带轮上所设计的三个3mm的孔，它的功能是通过螺钉跟传动同步带轮联结。这三个孔在机械加工工艺上是很讲究的，要求在履带轮上钻出来的孔能和在同步带轮上钻出来的孔完全对正，进而在一定程度上保证履带轮和同步带轮的同轴度要求。我们的解决方案是，先车出一根心轴，通过车轮和同步带轮的内孔将两者紧固在一起，如图5.2所示，然后再钻孔，方法简单而实用。在钻3mm的孔的孔时应该用加长钻头，因为两个轮的厚度达到了52mm，普通钻头钻不透，履带轮选用的材料是铝，同步带轮的材料是45号钢，在铝材上钻孔时，图5.2 钻孔辅助心轴退削困难，因此打孔的时候，进给量要小，每进一次就得退回来将钻头的铝削清除掉才能打孔否则将会打断钻头。5.2 轴的加工工艺轴在机器人主要是起支撑作用，所以在刚度及强度方面要求比较高，在参照去年机器人轴的基础上，轴的材料选用普通碳钢。在设计轴时最主要的是要考虑它的强度、刚度以及精度。其刚度以及强度是在参照以前的机器人的基础上来设计的，属于经验设计，实践证明这也是没有问题的。图5.3是其设计图。图5.3 轴轴是回转体零件，主要是在车床上加工。当需要加工轴上的平面时，要在铣床上进行加工。其加工工序如表5.2所示，图5.4所示为已加工好的轴表5.2 轴的加工工序工序编号工序内容设备1车端面和外圆车床2掉头车断面和外圆车床3绞扣车床、板牙4铣平面铣床图5.4 轴5.3 轴承座的加工1 材料的选择轴承座在机器人中也是起支撑作用的，主要是通过轴承和轴来支撑机器人的重量。从减轻机器人的重量的角度来考虑，使用铝质材料，另外从强度来考虑，也是没有问题的。2 轴承座的加工工序由于轴承座的形状比较特别，在市场上是买不到的，所以需要自己加工1）选用直径为50mm的铝棒作为加工材料2）车削端面与外圆，选用45的外圆车刀即可。3）孔加工 先用直径为16的钻头钻孔，然后用内孔刀再进行加工。4）铣出三平面，并保证底面和另外两个面垂直。5）用线切割机切除中间部分图5.5为轴承座的设计效果图图5.5 轴承座设计效果图5.4 齿轮的加工机器人中的齿轮是一个比较小的零件，而且齿轮要经常的高速旋转，故对其耐磨性要求较高，选用的材料是经过淬火的厚钢板。齿轮齿数分别为15和45，而且其内孔不是圆形的，是不适宜插齿机加工的，所以采用线切割机进行加工，这样不但可以加工出没有根切的齿轮，而且其精度也可以达到要求，线切割机的加工精度可以达到0.01mm。（1） 齿轮的加工工序：1. 在钢板上钻一个直径为3的小孔，这个小孔主要是为了穿钼丝用的。2. 用线切割机编出加工程序，准备加工。3. 在装夹时钼丝的位置可以不完全在小孔的中心，这对内孔与齿顶圆的同心是没有影响的。4. 小齿轮在用线切割机加工完后，还要在