毕业设计论文-亚太机器人竞赛手动机器人设计

PAGE题目亚太机器人竞赛手动机器人设计摘要亚太大学生机器人大赛是面向全亚太大学在校学生的一项重要赛事。机械臂结构设计是2010年度的竞赛试题。要求建造一个自动机器人，合理设计其机械臂，结合竞赛规则，使机器人能搬动指定形状的物体上下、前后移动。本设计紧扣2010年度亚太机器人大赛的任务要求，合理使用SolidWorks、Pro/Engineer、AutoCAD等应用软件。设计合理，结构紧凑，有一定的合理性。一共有四张A0图纸，分别是总体装配图、小车底盘装配图、第一层运送机装配图和第二层升降机装配图。论文中也分别对动力源、传动和执行装置分析谈论，择取最优。本次设计结合竞赛规则要求，通过查阅资料、综合运用所学的知识，完成了亚太机器人机械臂的设计工作。在设计过程中，对草拟的两套结构方案分别进行了分析比较，对插块整体等主要零件进行强度、刚度、受力分析等计算，确定主要设计参数。利用CAD等工程软件绘出工程设计图。通过分析计算，完成的设计到达到了设计要求。关键词：亚太机器人大赛机械臂设计图纸绘制结构要素组成

ABSTRACTAsiaPacificUniversityRobotCompetition（ABU-ROBOCON）isanimportanteventfacedtotheentireasia-pacificcollegestudents.Mechanicalarmstructuredesignisthesubjectof2010ABU-ROBOCON.Itisrequiredtobuildaautomaticrobot,withitsreasonabledesign,accordingtotherulesandrequirements,therobotshouldbeabletomoveobjectsandcontrolitsmovements.Thisdesignfacedtothetasksandrequirementsof2010Asia-PacificRobotCompetition.UsemachenicalsoftwaresasSolidWorks,Pro/Engineer,AutoCADproperly.Reasonabledesign,compactstructure,highrationality.TherearefourA0drawingsinallinthisdesignprocess,thegeneralassembly,thecarchassisassembly,thefirstfloorcarryingmachineassemblyandthesecondliftassembly.Inthisarticle,thetransmissionofpower,theexecutivedeviceandtheexecutivedevicearealsoanalyzed.Thebestischoosen.Thedesignobeycompetitionrules,byconsultingdatas,usecomprehensiveofknowledge,tofinishtheasia-pacificrobotmanipulatordesignwork.Inthedesignprocess,twosetsofstructureschemearedrawn,andanalyzedandcompared,manymainpartsintensitysuchasthewholeblockhavebeenstiffnessandstressanalysis,andthedesignparametercalculationstobedetermined.ThedrawingsaredrawnsbyusingAutoCAD.Throughtheanalysisandcalculationofthedesign,torealizethedesignrequirements.Keywords:AsiaPacificDrawing(s)StructuralComponents目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章 课题分析 11.1课题意义 11.2课题的设计工作任务要求分析 11.3设计结果的可行性分析 3第二章 建模类软件使用 42.1SolidWorks 42.2AutoCAD 52.3Pro/Engineer 62.4本次设计主要工作 6第三章 机械方案设计分析 83.1具体设计要求分析 83.2工作原理分析 93.3运动原理分析 113.4力传递分析 123.5方案比较 17第四章 设计组成要素分析选择 184.1基本组成结构 184.2动力分析 204.3传动部件分析 214.4执行部件分析 21第五章 机械零件设计计算 225.1执行件载荷计算 225.2动力参数计算 245.3传动件设计 25第六章 全文总结 26谢辞 27参考文献 28大连交通大学2010届本科生毕业论文PAGE18课题分析1.1课题意义亚太大学生机器人大赛（ABU-ROBOCON）是由亚广联发起的致力于培养各国青少年开发、研制高科技的兴趣与爱好，锻炼大学生动手操作能力，培养和提高大学生创新能力和创新意识的一项重要赛事。各个亚洲广播电视联盟成员都可以参加该项比赛，每个国家的冠军队可以参加亚太地区的决赛。亚太大学生机器人大赛国内选拔赛自2002年开始每年一届，为“亚太大学生机器人大赛”选拔中国大学生的优秀代表队。亚太机器人机械臂结构设计是2010年的亚太大学生机器人大赛的竞赛试题。大赛的主题是“机器法老建金字塔”。这个想法是基于一个时间机器，它把古代埃及金字塔的建造者带到了大学教室中。而新的目标是按顺序建造三个金字塔的一部分。参赛者应该达到精确、快速和协作，他们要坚持不使用块之间的结合材料的主要要求。第一个成功完成建造三个金字塔的队伍就是“机器法老”。机器人大赛及机械臂设计涉及人工智能、图像处理、通讯传感、精密机构和自动控制等多领域的前沿研究和技术集成。目前已经形成了一个国际联盟的人工智能和机器人项目开发目标，被世界各国科研机构和众多高等院校所重视。可以提高学生动手能力，发展身边的巧妙构思，关注科技、热爱科技、走进科技，培养实践能力和创新精神，造就适应21世纪全球科技、经济发展需要的新一代。1.2课题的设计工作任务要求分析本次设计以本年度“法老机器人建造金字塔”为契机，建造一个自动机器人。要求机器人能搬动指定形状的物体上下、前后移动。设计参数：载荷最大1Kg，最大臂长1米，上下移动位移0.3米。如图1-1所示图1-1本课题要求示意图1．任务概述：在如图所示的金字塔塔基基础上，放入金字塔块，其中第一层一块，塔顶一块。放置完毕效果如图所示（红色部分）如图1-2所示图3-2本课题它块归位情况示意图2．金字塔及其塔基的规格金字塔由塔基以及顶部塔层组成：第一层有2个块，塔层有1个块。需要搭建：第一层的1个块以及顶部的黄金块3．金字塔块的规格每块金字塔块尺寸为500mm*500mm*300mm中间有Φ塔块基座上有直径为18mm、高度合适（300mm.600mm所有的块尺寸和重量相同。塔块材料为泡沫聚苯乙烯，每个块的重量为750g。4．放置规则金字塔每层将陆续搭建。在下一层的每一个方块都放置在正确的位置之前，不允许搭建上一层的方块。由全自动机器人执行，队员启动机器人后应马上离开场地。允许范围安放误差范围25mm5..机器人的设计与制造在一个阶段任务中,自动机器人开启后应自主运动。在比赛开始时,在出发区,自动机器人和所持块的尺寸不能超过1000mm（长）x1000mm（宽）x1500mm（高），比赛开始后没有尺寸限制。机器人的重量：所有机器人及在整个比赛中用到的设备包括电源、电缆、控制器和其它的设备的总重量应不超过50kg.同型号、重量、电压的备份电池的重量不计算在内。机器人的能源：每个机器人所用电源的电压不能超过DC24V。不能使用任何被认为有危险或不适合的能源。安全细节：禁止使用易爆物品、火和危险化学物品。如果使用激光,激光应在2级或以下，设计和准备激光的时候，必须完全小心保证在所有的过程中在场的所有人不会受到伤害。特别的,不能让激光照射到观众的眼中。1.3设计结果的可行性分析在设机结构可行性分析是为了弄清楚开发设计的项目是不是可以实现和值得进行研究的过程，实际上是一次大大简化机构分析和机构设计的过程，因此，进行可执行性的分析是非常必要的，也是很重要的，经过最初的设计目标和进行的市场调查得出以下三点的可行性分析：1．经济可行性：基于课上所学理论和实践的相结合，亚太机器人机械臂结构设计的稳定性和安全性都是非常可靠的，有利于最小化经济方面的损失。同时，节省人力物力也是经济性考虑的问题之一，因此在经济上是可行的。2．技术可行性：通过对亚太机器人机械臂结构设计的前景趋势和性能进行调研与合理设计计算与强度校核，利用现今的机械技术，比较容易实现该课题设计机构的制造与加工，因此技术上是可行的。3．执行可行性：亚太机器人机械臂结构设计的广泛应用给物流系统与工厂带来了巨大的便利，其高效性和灵活性都取得有目共睹的成果，因此在执行方面是可行的。建模类软件使用设计过程中，使用三维CAD技术进行设计是一种手段，也是一种便利。三维实体能够直接用于工程分析和实际加工。市面上有众多的机械建模类软件，结合“机械臂设计”的实际用途，逐一学习、比较和甄选也是本次设计的进程之一。2.1SolidWorks2.1.1Solidworks软件功能强大，组件繁多。目前已发展至SolidWorks2010版。功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。2.1.2本设计主要使用的SolidWorks的为了将设计中的逻辑部分实体化为三维的模型，“亚太机器人机械臂设计”主要使用了SolidWorks的3D建模功能。具体实现为完成草图绘制后再用拉伸，旋转，扫描，边界切除，组装等功能。由于SolidWorks在出工程图的时候较之其他3D建模类软件（如PROE）较为方便和智能，里面有自带一些比较智能的功能，如绘制工程图比较便捷，标注零件序列号比较便捷；自动查找2D草绘的多于的线条、重复的线条、或者说是交点处没有完全连接的线条，可以更方便的修复重复在同一条线条上的线而且没有那么复杂。修改图纸方面，也没有连锁的改图制约，即不会因为你改错了一个地方而接不下去改后面的；在装配方面，SolidWorks比较简单易行，故选择SolidWorks为主要建模工具。另外，在装配和三维导二维图纸方面，也主要使用该软件。2.2AutoCAD2.2.1AutoCAD（AutoComputerAidedDesign）二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。“.dwg”文件格式成为二维绘图的标准格式。AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320×200到2048×1024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。AutoCAD软件具有如下特点：1.具有完善的图形绘制功能。2.有强大的图形编辑功能。3.可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。5.支持多种硬件设备。6.支持多种操作平台7.具有通用性、易用性，适用于各类用户。2.2.2本设计主要使用的AutoCAD的因为本次毕业设计中，需要绘制4张A0设计图纸，都是电子版制图，均为“*.dwg”格式，全部由AutoCad绘制完成。在绘制过程中，利用由SolidWorks导入的三维至二维图纸的基础上，为了更加的实用美观、符合机械装配要求，由AutoCAD进行再加工。在AutoCAD绘制过程中，主要用到以下功能1.平面绘图--创建直线、圆、椭圆、多边形、样条曲线等基本图形对象。在绘图辅助的帮助下，如正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等绘图辅助工具，从而完善图形形状。2.平面绘图--移动、复制、旋转、阵列、拉伸、延长、修剪、缩放对象等。3.尺寸标注及文字书写--创建多种类型尺寸，自行设定标注外观。设定文字字体、倾斜角度及宽度缩放比例等属性。4.图层管理功能--图形对象都位于某一图层上，设定图层颜色、线型、线宽等特性。2.3Pro/Engineer2.3.1Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品。是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/ENGINEER拥有目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。1.全相关性2.基于特征的参数化造型3.装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征4.数据管理5.装配管理6.易于使用2.3.2本设计主要使用的由于Pro/Engineer在曲面和分模等方面的便利，在本次“亚太机器人机械臂设计”过程中，Pro/Engineer主要为辅助SolidWorks完成建模的作用。2.4本次设计主要工作本设计主要根据2010年的亚太大学生机器人大赛的竞赛试题的要求，建造二层自动型机器人以放置上下两块的金字塔快。在完成熟悉掌握了建模类软件SolidWorks、AutoCAD、Pro/Engineer的基础上对实际的机械人机械臂进行建模。在列出几个方案，一一整体计算校核比较后，将确认的一个最优方案进行详细设计，确定尺寸检查后确定材料，并将所得数据文件就强度要求、刚度要求以及稳定性要求进行进行再次校核。需要绘制4张A0设计图纸，都是电子版制图，均为“*.dwg”格式，全部由AutoCad绘制完成。通过SolidWorks和Pro/Engineer软件对零件的三维实体化之后导入AutoCad以简化绘制工作。利用SolidWorks便捷的三维实体化和图纸导入功能，建立大致三维模型导入完成后的图纸用AutoCad进行再加工，完善尺寸标注，添加材料明细表，等等1.各个方案的整体校核和计算―使用大学物理、理论力学、材料力学、结构学等相关学科的相关理论对各个方案的整体校核和计算。计算从理论入手，运用物理学（力学）中的相关公式逐一计算；如若理论证明可行，考虑实际情况，如摩擦力、材料自重等等。2.最优方案的细化分析和材料选取―通过对选取出来的最优方案的进一步细化计算，确定材料，载荷情况下的强度、刚度以及稳定性分析。重要零部件分析，并绘制图纸。值得注意的是：由于本设计以机械设计为前提和目的，所以几乎所有的计算和分析都结合图纸进行。机械方案设计分析在最初的设计过程中，经过反复筛选，最后思路集中到了两个方案之中：分别通过两种不同的设计思路来实现金字塔块的归位，理论上都是可行的。一种是直接接触的，另一种是通过其它介质（间接）的作用。由题目要求共有上下两层共计两块的泡沫聚苯乙烯，预计通过时间为参赛时间的三分之一：10秒；现分别对这两种方案进行思路概述、参数设计计算和可能性分析，以择取最有方案进行进一步的图纸设计和材料确定。3.1具体设计要求分析由此次比赛规则和要求，可知：1．设计参数：载荷最大1Kg，最大臂长1米，上下移动位移0.3米2．每块金字塔块尺寸为500mm*500mm*300mm中间有Φ60的小孔贯穿3．塔块基座上有直径为18mm、高度合适（300mm.600mm4．塔块材料为泡沫聚苯乙烯，每个块的重量为750g。所有的块尺寸和重量相同。5．允许范围安放误差范围25mm6．在比赛开始时,在出发区,自动机器人和所持块的尺寸不能超过1000mm（长）x1000mm（宽）x1500mm（高），比赛开始后没有尺寸限制。7．机器人的重量：所有机器人及在整个比赛中用到的设备包括电源、电缆、控制器和其它的设备的总重量应不超过50kg.同型号、重量、电压的备份电池的重量不计算在内。8．机器人的能源：每个机器人所用电源的电压不能超过DC24V。不能使用任何被认为有危险或不适合的能源。根据以上条件，设计工作载荷：1.5kg运动参数：1．动力源：电压DC24V，重量20kg，输出功率500w2．传动系统：传动尽可能简单、明了，要求传动效率高，摩擦小，稳定，损耗小。3．执行系统：执行部件尽可能使用强度高、质量轻的材料。以保证质量，稳定时间，使机械臂可靠。并能够满足500mm*500mm*300mm3.2工作原理分析在最初的设计过程中，经过反复筛选，最后思路集中到了两个方案之中：分别通过两种不同的设计思路来实现金字塔块的归位，理论上都是可行的。一种是直接接触的，另一种是通过其它介质（风力）的作用。3.2.1方案一设计一个符合规范，满足结构学和材料力学条件的机械臂。充分利用金字塔块内径Φ60mm的小孔，使用机械臂的运动来使金字塔块发生相对运动，并以归位。将金字塔块安放归位的过程相对比较简单，而本次设计的难点应该就是当机械臂安放归位。同时我们希望机械臂在插入金字塔块小孔内径的时候不仅有竖直向下的力的作用，还有一个简单撑扶住金字塔块的小臂。这个小臂（以下称为辅助臂）在方形金字塔块的侧面作用，辅助臂可以用弹簧、橡胶圈等有满足虎克定律有一定（弹力）伸展的较大虎克系数的材质作为部件。使金字塔块式被“抓举”归位的。现再设计一个横向的辅助臂，使金字塔归位过程比较稳妥。既能保证金字塔块不受影响的情况下将机械臂收回，又能考虑稳定性。如图1-1及图1-2所示图3-1方案一初始状态示意图从方案一初始状态可见，分为第一层和第二层升降机共计两个机械臂。分别负责抓举第一层立方形和第二层尖塔型两块金子塔块。初始是两个塔块均放在车子上，其中两上下两层的机械臂都有右边辅助臂固定，以防止金字塔块在运送至目的地的过程中翻转。图3-2方案一放置状态示意图从方案一放置状态可见，第一、第二层机械臂依次在横向移动，伸出金字塔块；在第一层金字塔块安放就位之后，第二层升降机抓紧金字塔尖顶，横向移动，直至扣住尖顶固定座。3.2.2方案二方案二的思路比较简单，考虑到金字塔块材料为泡沫聚苯乙烯，质量较轻，体积较大，于是试图利用风能将金字塔块“吹”至金字塔规定位置。理论上完全可以根据金字塔块的运动控制电动机功率，使金字塔块在风力作用下正好就位，并且可以避免小车与金字塔块积压、扭转等变形。如图3-3及图3-4所示图3-3方案二初始状态示意图图3-4方案一放置状态示意图用纯数学的方法，直接将金字塔块与金字塔之间的距离和电动机功率一一对应起来，希望可以仅仅由输出功率变化而运送成功。3.3运动原理分析3.第一层状态一情况下的机械臂与金字塔块尖没有力的相互作用，即机械臂受到自身重力和支架对它的支持力的作用。在收回机械臂的时候，金字塔块与机械臂是不需要接触的，也就是说，是两个完全独立的个体。在设计的时候特地选择了比金字塔块内径贯穿孔更小的直径来作为机械臂，这样可以说就实现了这一点。多了一个横向的辅助臂，使金字塔归位过程比较稳妥。既能保证金字塔块不受影响的情况下将机械臂收回，又能考虑稳定性。因为在收回机械臂的时候，金字塔块与机械臂也是不需要接触的。希望机械臂在插入金字塔块小孔内径的时候不仅有竖直向下的力的作用，还有一个简单撑扶住金字塔块的辅助臂，在方形金字塔块的侧面作用。这样的话，比较稳定，对于发动机的要求和机械臂的灵敏度也是可以接受的程度，如图3-7机械臂初始状态受力分析示意图、图3-8机械臂放置金字塔块示意图、图3-9机械臂放置金字塔块受力简图示意图可见。不仅提供了竖直方向与金字塔块重力相平衡的力、弯矩；在水平方向，因为有了因为辅助壁的帮助，也能比较稳定的实现运动。材料选取方面，也可以分情况考虑，比较切合成本甚至比赛的要求。3.用纯数学的方法，直接将金字塔块与金字塔之间的距离和电动机功率一一对应起来，希望可以仅仅由输出功率变化而运送成功。方案二考虑到金字塔块材料为泡沫聚苯乙烯，质量较轻，体积较大，于是试图利用风能将金字塔块“吹”至金字塔规定位置。3.4力传递分析3.第一层状态一情况下的机械臂与金字塔块尖没有力的相互作用，圆型主臂和方型辅助臂均只受到自身重力和支架对它的支持力的作用。第一层机械臂小车初始状态受力分析如图所示：图3-5机械臂初始状态受力分析示意图水平方向：无竖直方向：G=750g=0.75kg（已知）F=G=750g=0.75kg2．小车放置金字塔状态一．竖直方向当进入小车放置金字塔状态时，机械臂与金字塔块充分接触，机械臂将金字塔块所有重量举起，并依靠摩擦带动金字塔块的前进。∵金字塔块材料为塑料聚苯乙烯，质量较轻，为均质∴第一层机械臂小车放置金字塔块状态如图所示图3-6机械臂放置金字塔块示意图可见，机械臂与金字塔块直接接触的地方并非机械臂插块整体的全长，设计该长度为0.4m,已知金字塔块G=750g=0.75kg小车放置金字塔状态竖直方向受力简图如图所示图3-7机械臂放置金字塔块受力简图示意图第二层机械臂杆二主要是推的。缓慢推动，使金字塔块保持匀速第二层机械臂受力分析如图所示：图3-8第二层机械臂受力分析示意图3.已知：金字塔块体积500mm*500mm*500mm,由Φ60mm小孔贯穿；为泡沫聚苯乙烯，750g，密度为1.04~1.06g/cm要求机械臂载荷最大1Kg，最大臂长1m，上下移动位移0.3m，总重量不大于50kg根据题意，三座金字塔，共计安放时间为30秒。现考虑自动机器人的第一层塔块，∴通过时间为t=30/3/2=5秒设电扇直径为Φ300mm，底边长度为0.5m，当时空气密度为1.3kg/m3图3-9方案三示意图如图所示，电扇将金字塔块吹放归位。去除中间小孔，则实际作用面面积为现考虑理想情况下，即忽略一切阻力，完全考虑风能转变为动能的输入能率。假设在真空状态下的，没有空气阻力，电动机提供的动能完全转化为风能，风能在全部转化为聚苯乙烯的动能。运动过程中无摩擦，速度只受电动机提供风力影响（与距离无关）∴最终的即时速度为则发动机需要提供的功率P为：由此可见，理论上的功率极小。实际上，金字塔块并不能始终保持风能完全转为动能。就能量守恒的原理来说其中WO输出总功风力能输出效率功动能风力在空气中的损耗金字塔块与底座等摩擦的损耗图3-10受力空气体积示意图如图所示，真正的空气体积可用梯形近似表达，h是电扇与金字塔块的距离整理所得，即是风扇与木块距离h与木块速度关系式。由式子可能，h仍然受到、、等诸多因素影响。3.5方案比较以上两个方案，分别通过机械臂对金字塔块的抓举（方案一）和电动机提供足够的能量直接作用于金字塔块（方案二），这两种方案使其归位。方案一充分考虑到当机械臂安放归位之后，如何在保证金字塔块不受影响的情况下将机械臂收回。所以设计了一个比金字塔块内部有Φ60mm小孔略小的机械臂，利用机械臂与金字塔块内壁小孔间直径差，触碰时发生相对运动，推放金字塔块；不触碰时安全收回。并且多了一个横向的辅助臂，使金字塔归位过程比较稳妥。既能保证金字塔块不受影响的情况下将机械臂收回，又能考虑稳定性。机械臂在插入金字塔块小孔内径的时候不仅有竖直向下的力的作用，还有一个简单撑扶住金字塔块的辅助臂，在方形金字塔块的侧面作用。这样的话，多了一个耗材辅助臂，小车质量和成本会相对增加。方案二考虑到金字塔块材料为泡沫聚苯乙烯，质量较轻，体积较大，于是试图利用风能将金字塔块“吹”至金字塔规定位置。理论上完全可以根据金字塔块的运动控制电动机功率，使金字塔块在风力作用下正好就位，并且可以避免小车与金字塔块积压、扭转等变形。但是在实际操作，具体的执行会受到气温、气压、湿度、空气密度、摩擦等等的影响。经过比较，选择方案一。设计组成要素分析选择根据以上分析计算，选择方案一作为此次设计的方案。方案一在兼顾了设计合理性与运动稳定性的条件下，实现了制造和实际情况下的最优化。现对方案一的设计组成要素分析选择：4.1基本组成结构由于本次设计要求为设计机械臂搬移上下共计两层的金字塔块，根据经过筛选比较的方案一，小车由底盘、第一层运送机、第二层升降机三个结构组成。其中底盘上装载电动机，作为动力源；底下装载轮盘，以便滑动；为了使小车结构合理、便于拆卸装载和维护，将小车底盘又分为底盘上部和底盘下部，其中底盘上部选用一个质量牢固可靠性较高的材料制成的，主要负责底盘下部的拼装工作，底盘下部带有轮盘，可以推动，能负载，有很好的抗压性，能抵抗一般冲击，以固定或支撑元件。如图4-1及图4-2所示图4-1车底盘上部示意图图4-2车底盘下部示意图第一层运送机需要有一个直径小于金字塔块小孔内径的插块，以完成对金字塔块的牵引、提取工作，底部必须有能滑动的底座；并且需要有足够能抵抗变形和弯矩受力的支持块来固定和连接。为了能使整个运送机顺利运送金字塔块，需要配有足够驱动和功率的发动机，该发动机置于小车底盘。如图4-3所示图4-3第一层运送机示意图第二层升降机相对结构较为复杂：除了底部同样需要有能滑动的底座，与金字塔块接触部分同样需要有足够抗压弯强度的直径小于金字塔块小孔内径的插块之外，还必须考虑亚太机器人大赛的参加规则，即在初始状态的体积有限制。所以根据方案一的设计，在竖直方向要有一个能上下移动的竖直长滑轨，为了能顺利运动，则需要发动机来驱动和同步带来牵引；同样的，水平方向，也需要发动机来驱动和同步带来牵引。如图4-4所示图4-4第二层升降机示意图4.2动力分析根据设计，动力主要来自三个发动机，其中车底盘的有两个，第二层升降机也有一个。发动机的启用是整个系统所有动力的主要来源，发动机不仅要提供小车运动、同步轮和升降机的滑移，还有插块对于金字塔块的搬移，当然其中的摩擦等损耗也均与发动机来提供。合理的选用发动机不仅能缩短运动时间、提高运动效率，还可以节省小车总重量。4.3传动部件分析在本次设计中的传动主要依靠传动同步带轮。根据受力情况和负载情况如图4-5所示：图4-5带轮示意图合理的传动方案，应能满足发电机和整体结构的性能要求、工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、效率高合使用维护方便等。为了尽可能的满足以上要求，根据实际经济情况和参赛规则，确定使用同步带传动，带传动为摩擦传动，传动平稳，能缓冲吸振、噪音小，传递相同转矩时，结构尺寸较其他传动形式大。并且在传递相同功率时，带传动的结构较为紧凑。4.4执行部件分析为避免力的支持过于单一，因此对于运动的精度要求比较高，故需要选取许用应力和许用弯矩较大的材料，如钢、铝合金，这样的话执行部件必须做到质量轻，体积小，移动灵活，抗摩擦。机械零件设计计算5.1执行件载荷计算根据方案二的参数计算和校核结果，考虑到实际使用情况，需要选取一款具有效率高、体积小、质量小、运行可靠等特点的发动机来带动所需动力发动装置。经过比较和查阅机(1)剪力分析剪力Fs(x)=q(1-x)∵均质剪力图如图所示图5-1小车放置金字塔剪力图示意图(2)弯矩方面：弯矩图如图所示图5-2小车放置金字塔弯矩图示意图(3)校核扭转强度如图最大转矩MMAX=0.15Nm取机械臂直径d=55mm<60mm现使用实心轴二．水平方向在水平方向上，有一个摩擦力克服金字塔块的滑动趋势，该摩擦力作用于金字塔块表面，使金字塔块保持相对运动的静止状态。摩擦力是静摩擦力，该静摩擦力阻止物体滑动趋势。小车放置金字塔水平方向受力简图如图所示图5-3小车放置金字塔水平方向受力简图示意图根据物体运动时间t=10s，路程取0.5m。则速度则总做功：该力以及该做功由辅助臂相平衡，这样也避免了潜在的不稳定因素。5.2动力参数计算选取发动机根据方案一的参数计算和校核结果，考虑到实际使用情况，需要选取一款具有效率高、体积小、质量小、运行可靠等特点的发动机来带动所需动力发动装置。经过比较和查阅机械手册，选取“Y系列封闭式笼型三相异步电动机”。该电动机结构特点：采用封闭自扇冷式结构。能防止灰尘或其他固体一部进入电动机内，能防止任何方向的溅水对电动机的影响。除了上述特点，在性能方面还具有耗电少、性能好、噪声低、维修方便等。查阅机械设计手册，考虑到传动效率、磨损等因素，选取Y801-2或Y90S-2型发动机。其参数如下所示：表4-1发动机参数比较型号额定功率/kw转速/（r/min）电流（A）效率（%）功率因数/cosY801-20.7528301.81750.84Y90S-21.528403.44780.85型号最大转矩额定转矩堵转转矩额定转矩堵转电流额定电流转子转动惯量/（kg/m2）质量/kgY801-22.27.02.20.0007516Y90S-22.27.02.20.001222经过比较，选用Y801-2型发动机。5.3传动件设计选取材料为了简化实际材料的采购和加工过程，根据参数计算，将方案二的机械臂设计的所用材料分为如下四种1．强度、硬度高，能负载，密度较大，同等质量情况下体积较小。有很好的抗压性，能抵抗一般冲击，以固定或支撑元件。如底座平台、电机安装板、升降同步轮平台、金字塔块横向平台、支架立板、T型板等2．强度、硬度较高，相对能负载。比较轻巧。容易带动起运动。如金字塔块插块整体、滑动车体、主轴、从动轮车轴等。3．相对密度较小。应该有很好的，从而给予运动部件较好的支持。如轴套、车轴、车盘安装座、升降从动轴等。4．质量轻，体积小，移动灵活，抗摩擦。如电机座、轴承座、轮子等。查阅机械设计手册，选取1类材料为钢板2类材料为优质碳素结构钢3类材料为钢板45#钢4类材料为铝合金全文总结本文首先介绍了此次设计题目的意思和研究背景。亚太大学生机器人大赛是面向全亚太大学在校学生的一项重要赛事。机械臂结构设计是2010年度的