机械设计课程设计1

第十五届全国大学生机器人大赛Robocon方案设计摘要本课题的目的是针对2016亚太机器人大赛的主题和规则设计制作一台混合型机器人和一台经济型机器人。本文首先分析了本届比赛的特点，阐述了比赛的总体方案，提出了两个机器人的任务目标和主要技术参数。在此基础上，设计了整体结构方案，并通过三维实体建模和样机实验等方式分析了各方案的优缺点，完成了对整体结构方案的优化与改进，确定了两台机器人的机构组成。之后，对机器人的各组成机构进行了详细设计，完成了走行方式、机械手机构形式和攀爬机构形式的设计与改进，进行了电机选型计算和关键零件的校核，绘制了机器人的零件图和装配图，解决了在机器人的组装和调试过程中发现的一些问题。目录摘要…………………2机器人及机器人竞赛………………4ABU-Robocon2016概述…………..5ABU-Robocon2016主题与比赛流程和任务……………………...6走行电机选择………………………8结构设计与功能实现......................................................................................................................12控制..................................................................................................................................................16Arduino程序..................................................................................................................................17总结.................................................................................................................................................18一.机器人及机器人竞赛机器人学是一门迅速发展的综合性科学，其中包含着许多具有战略性、前沿性和前瞻性的高技术，自第一台电子编程工业机器人问世以来，机器人学的研究已取得令人瞩目的成就，在工业、农业、商业、旅游业、空间、海洋以及国防等领域获得了越来越普遍的应用。机器人这样一种特殊的机器，大大延伸与扩大了人的手足与大脑的功能，在新世纪中必将会对人类社会的文明进程做出更大的贡献，它将成为紧随计算机及网络技术之后的又一次重大的技术革命,并很可能将世界推向科学技术的新时代。机器人技术涉及到许多相关技术及学科，如机构学、控制工程、计算机、人工智能、微电子学、传感技术、材料科学以及仿生学等科学技术。因此，机器人是一个非常适合科学普及和科技竞赛的主题。机器人赛事从20余年前就几经开始了。现在各类机器人赛事名目繁多，范围遍及世界。截止到2000年共有20余项公认的机器人赛事。伴随着这些赛事，出现了许多类别的竞赛机器人，如四足机器人，拟人机器人等。目前，一些赛事已成为人工智能等高端机器人技术研究交流的平台。目前,国际上比较著名的机器人竞赛有：RoboCup竞赛、FIRACup竞赛、ABU-Robocon竞赛、迷宫机器人竞赛、巡线机器人竞赛、迷宫操作机器人竞赛、灭火机器人竞赛、舞蹈机器人竞赛和相扑机器人竞赛等。这些机器人竞赛除了需要采用比较先进的技术外，还有几个特点：一是对抗性强，比赛时间短，有很强的观赏性和娱乐性；二是能够充分地发挥参赛者的创造性思维，培养参赛者的实践能力和团队协作精神；三是比赛策略和临场发挥非常重要，这有助于培养参赛者的宏观规划决策能力、应变能力以及心里素质；四是比赛规则和题目变化较大。二.ABU-Robocon概述1999年10月中国广播电视代表团出席了“亚洲—太平洋广播联盟”（Asia-PacificBroadcastingUnion缩写ABU、简称亚广联）第36届大会。此次大会通过了共同举办“亚太地区大学生机器人比赛”活动的决定，并组成了由日本NHK、中国中央电视台、韩国KBS、新加坡TCS、泰国TPT、印尼TVRI为成员的“机器人大赛核心小组”。2000年3月，在日本东京成立了“亚广联亚太地区机器人大赛筹备委员会”。9月，该委员会在泰国过渡为“亚广联亚太地区机器人大赛董事会”并举行了首届董事会议，会议通过了“亚广联亚太地区机器人大赛”的章程和规则，并决定从2002年开始，每年举办一届“亚广联亚太地区大学生机器人大赛”。比赛的主题与规则由主办国根据本国的文化和传统制定。作为亚广联的成员国，中央电视台积极参与亚广联组织的亚太地区大学生机器人电视大赛，每年根据大赛的主题与规则组织国内的选拔赛。这项大赛的目的是培养和开发全国大学生的聪明才智与创新精神，展示当代大学生机器人制作能力与高新技术应用水平。提出的口号是“让思维活跃起来，让智慧行动起来！”三.ABU-Robocon2016主题与比赛流程和任务常生活中处处要用到能量，它们均源于自然。人类从自然界提取或合成了这些能量。在所有能量中，化石能源是最便宜且易于使用的。过去，我们误认为化石能源储量无限而过度消耗了它们。这种能源消耗习惯现在对我们影响很大。化石能源难以勘探，现有的化石能源不会维持太久。为了解决这个问题，我们必须有效地利用现有能源，并同时探索和利用其它清洁和可再生能源，以弥补来自化石的能量。第十五届全国大学生机器人大赛ROBOCON以“清洁能源”为主题，比赛在图1所示的场地上进行。比赛规则的设计体现了尽可能减少能源消耗和利用清洁、可再生能源的意识。每支参赛队要制作两台机器人：一台是表现半自主和/或自主控制技术的混合型机器人，另一台是象征节约能源的经济型机器人。为了方便，以下把它们分别简称为机器人A和机器人B。机器人B只能从机器人A那里接受能量完成行驶动作，但可以用用自己的能量完成转向动作，以跟踪包含斜坡和山岗、河流和山道上的路径机器人A除了向机器人B提供行驶能量外，还需要从机器人B那里取得风力发电机的螺旋桨，并爬上风机立柱以装配风力发电机。比赛流程及任务参赛队到达比赛场地后，应按以下顺序完成各项任务。机器人的设置比赛开始前，有1分钟的机器人设置时间。每支参赛队最多有三名队员进行机器人的设置，协助队员不得参与设置。在一分钟内没有完成设置的参赛队在比赛开始后可以继续进行设置。比赛开始时机器人和参赛队员的位置机器人A必须从启动区A1启动。机器人B必须放在启动区B内，它与地面所有接触点（面）不得超出启动区B且它的任何部件不得伸到对方场地、场外及其上方。风机螺旋桨必须放在机器人B上。它可以放在机器人B本体的任何地方。机器人B启动后必须始终与斜坡、山岗、河流、山道的顶面保持物理接触，但不得与其它表面接触。三个斜坡和山岗机器人A从启动区A1出发。机器人B带着风机螺旋桨在启动区B中准备机器人A必须用风、磁等作用力间接地驱动机器人B穿越三个斜坡和山岗。为了接近斜坡和山岗上的机器人B，机器人A可以伸展其手臂，但不能与机器人B、斜坡及山岗接触。河流机器人A必须从远程驱动区驱动机器人B。被驱动的机器人B带着风机螺旋桨应在曲折的河流中穿行并完全进入高地。机器人B不得直行通过河流进入高地（判断标准：如果没有4次明显的转向动作，即视为直行）。机器人B完全脱离河流后，机器人A方可走出远程驱动区。山道机器人B下山时利用重力在山道上自己行驶。机器人A可以从无人区外控制机器人B的运动和减速。带着风机螺旋桨的机器人B沿着从高地开始的山坡滑行并进入风力发电站。只要机器人B进入风力发电站，机器人A就可从机器人B那里取得风机螺旋桨。此后，在得到裁判的允许后，参赛队员可以将机器人B搬到场外安全的地方。搬动时，参赛队员应注意保护自身的安全并不得接触机器人A。处于自主模式的机器人A爬上风机立柱，安装风机螺旋桨。如果机器人A从一开始就是全自主机器人，机器人A可以立即不停顿地攀爬风机立柱。如果此前机器人A的部分运行是由操作手控制的（半自主模式），它从机器人B处取得风机螺旋桨后必须移动到启动区A2。在裁判员的允许下，处于半自主模式的机器人A必须转换为自主模式。这种转换必须在启动区A2中进行。转换时，参赛队员可以进入比赛场地并与机器人A接触，但不得给机器人增加或拆除任何部件，转换后参赛队员不得再使用遥控器。处于半自主模式的机器人A一旦转换为自主模式，在以后的比赛中就不能再回到手动模式。带着风机螺旋桨的机器人A爬上风机立柱并把螺旋桨安装到立柱顶端的风力发电机上。螺旋桨应在风力发电机上至少停留3秒钟。最先成功地安装了风机螺旋桨的参赛队获胜。这种胜利称为“Chai-Yo”。除启动、重试的操作和机器人A的转换外，参赛队员不得接触任何机器人。给某台机器人规定的任务必须由该机器人自己完成，相互替代完成的任务无效。所有规定的任务必须按先后顺序逐个完成，跳过某个任务完成的后续任务无效。四.走行电机选择1.电机选择原理根据机器人行进时驱动力和行驶阻力的平衡关系，可以建立机器人的行驶方程式，确定机器人的动力性能。同样，根据机器人的动力性能要求，就可以求出机器人行进时驱动电机所需要的最大输出转矩。机器人行进时，其驱动力一定要克服行驶阻力，其行驶方程可以表述为：（4—1）式中——所有驱动轮动力之和（N）； ——行驶阻力之和（N）2.机器人行驶方程的建立2.1机器人的驱动力如图4—2，驱动电机输出的转矩，经传动系统至驱动轮。作用在驱动轮上的转矩使车轮对地面产生一个圆周力，根据作用力与反作用力原理，地面对驱动轮产生一个反作用力，即使机器人的驱动力，其值为：（4—2）或（4—3）式中——电机输出转矩（）；——减速器传动比；——传动系的机械效率；——驱动轮的半径（m）图4—2机器人的驱动力有公式（4—3）知，机器人的驱动力取决于有效转矩、传动比、传动效率和车轮半径。对于机器人来讲，车轮半径是已知常数，因此决定值的是、、。2.2机器人的行驶阻力机器人行驶时需要不断克服行驶过程中的各种阻力。不考虑地面的坡度，这些阻力有来自地面的滚动阻力；来自空气的空气阻力；加速时的加速阻力,所以总阻力为：（4—4）1）滚动阻力滚动阻力主要是由于轮胎变形和路面变形产生的，等于滚动阻力系数与机器人负荷G的乘积：（4—5）其中为坡度角，当机器人在水平地面行驶时，；滚动阻力系数通常由试验确定，也可根据经验选取。它与地面的类型和材质、机器人行驶速度、轮胎的材料有关。2）空气阻力空气阻力与机器人的尺寸，外表面形状和行驶速度有关。由于所设计的机器人行进时接受空气阻力的表面面积很小，而且比赛在室内举行，因此可以忽略这一阻力。3）加速阻力机器人在行驶时，需要克服其质量加速运动的惯性力，计算公式为：（4—6）式中——机器人旋转质量换算系数（）；——机器人的质量（kg）；——机器人行驶时的加速度（）2.3行驶方程的建立根据以上分析，可以得到机器人的行驶方程式：（4—7）或（4—8）根据动力学功率方程可知：（4—9）代入公式（4—8），得到机器人的行驶方程：（4—10）式中——驱动轮的转动惯量（）；——驱动轮的半径（m）；——所有驱动电机的输出转矩之和（）公式（4—10）表示了驱动力与行驶阻力的数量关系，应用此公式，根据机器人的动力性能要求，可以求出机器人的驱动电机所需要的最大转矩。3.驱动电机减速器输出转矩计算根据机器人的直线运动来确定走行电机的转矩，设两个驱动轮受力情况相同，则：（4—11）式中、分别为左右两驱动轮的驱动力。根据机器人的行驶方程，各个走行电机减速器的输出转矩计算公式如下：（4—12）式中、为左右两个走行电机减速器的输出转矩。已知机器人的设计质量，驱动轮半径，路面坡度角，两个驱动轮的转动惯量和为，取0.02，；根据设计要求，正常运行的加速度应为，代入公式（4—12），得出走行电机的减速器输出的最大转矩为。4.电机型号初选与验证经查阅大量直流电机产品资料后，初步选定maxon公司生产的RE35空心杯转子直流电机，配套减速器的减速比为5.8：1。下面验证初选的电机是否满足要求。根据机器人的走行速度要求4.5m/s、电机减速器减速比5.8和驱动轮半径70mm可以推导出电机的最低转速要求是：。把减速器的输出转矩换算成电机的输出转矩：（4—13）式中——电机减速器输出转矩（）；——电机输出转矩（）；——减速比；——减速器传输效率；——电机摩擦转矩（）经前面的计算和查阅所选型号电机的参数表可获知这四个参数的值分别为：，，，（可以忽略不计）将以上数据代入公式（4—13），可得：查电机参数表可知，RE35空心杯转子直流电机的额定转矩（最大连续转矩）是93.3mNm，与比较，可知直流电机的期望输出转矩没有超过电机的最大连续输出转矩，所以可以继续下一步检验。实际上，根据电机的另一参数——转矩常数29.2mNm/A，即在机器人的启动瞬间，如果供给电机的电流能达到12A，机器人的瞬时加速度可以达到左右，根据电机的性能曲线，这是可以做到的。电枢电流的计算电机供应商给出的电机电流计算公式是：(4—14)式中——电机最大效率；——电机转矩常数（mNm/A）；——空载电流（A）根据电机参数表查得以上参数值为：电机最大效率84%，转矩常数29.2mNm/A，空载电流168mA。代入公式（4—14）得：查得电机的堵转电流是39.7A，因此当减速器的输出转矩为时，电机处于安全运行状态。计算电机在减速器输出转矩为时的转速电机转速的计算公式为：（4—15）式中——电机的空转转速（rpm）；R——电机内阻（）——转矩常数（OZ-in/A）以上参数大小从电机参数表中查得：空转转速7670rpm，电机内阻0.605，转矩常数4.113OZ-in/A，代入公式（4—15）中，可得当减速器输出转矩为时，电机实际输出转速为，大于机器人行进速度要求的最低转速，符合要求。通过以上验算，可以得出结论：所选的maxon-RE35空心杯转子直流电机符合要求。五.结构设计与功能实现1.行走结构机器人采用四轮行走结构，确保行进过程的稳定性与可操作性。两个后轮由两个max电机驱动，作为驱动轮，材质主要是橡胶轮。为减小机器人的大小，采用两个90度转角器，将后轮与电机连接，很大程度的减小了机器人尺寸，满足比赛规则。前面两个轮为从动轮，无驱动力。两个前轮由全向轮组成，全向轮具有各个方面运动的特点，有利于机器人的转向，实现机器人的灵活运动。后轮驱动轮前轮全向轮前轮悬挂结构四轮结构机器人相对于三轮结构而言具有一个普遍的缺点，四轮结构无法在非平坦道路上满足四轮同时着地的要求，机器人在行进过程中易造成某个轮悬空，使机器人无法正常行驶。为消除这种影响，此机器人设计了前轮独立悬挂结构，在三轮着地的必然下，保证四个轮始终着地。此悬挂采用两个弹簧结构，模仿火车转向架的悬挂，起到良好的减震，保证四轮着地要求。前轮独立悬挂机构爬杆机构在本次比赛中，机器人要实现一个重要的任务——爬上2.3m的圆管，将风力发电扇安装在发电站上。此机器人采用两个气缸将机器人车体与圆管夹紧，再通过两个弧形的摩擦轮提供机器人向上爬行的动力，让机器人平稳地快速地向上攀爬。两个夹紧气缸为亚德客出产的微型气缸，行程为50mm,缸径16mm，在0.7Mpa的气压下可提供140N的夹紧力，对于机器人爬杆来说非常足够。机械手结构此次比赛中，该机器人还需为自主机器人提供动力。由于场地是由高度变化的道具组成，所以该机器人必须有两个个可以在左右以及上下的自由度。基于此要求，该机器人设计了一个两自由度的“机械手”。该“机械手”由十字滑块组成，可以在左右，上下自由移动。“机械手”通过白钢支架与机器人本体连接在一起，形成一体。定位测距结构为确保机器人能按照预先制定好的路径行驶，此机器人安装了独立的编码器结构，进行闭环反馈控制，能实时调整机器人运动状态，以及测量机器人的运行路程。该结构由两个编码器，小轮及其固定件组成，分别安装在机器人的旋转中心。控制采用arduino单片机控制，运用c语言进行编程，对机械结构和传感器进行控制。该机器人用直流电机驱动器对直流电机驱动，运用上位机等软件调控机器人参数，保证机器人稳定工作。机器人有两种工作模式，一种是遥控模式，一种是自主模式。当机器人处于遥控模式时，操作者通过遥控器，遥控机器人的动作。自主模式，机器人通过巡线传感器，感知场地的白线，实现自主完全运动。Arduino单片机直流电机驱动器巡线传感器遥控器程序（程序清单）总结机器人的设计制作周期很长，工作量大，需要投入大量的时间和精力。在这三周的设计与制作机器人的过程中，我深深体会到参加机器人大赛不仅仅需要激情和热心，更需要不畏困难、坚持到底的决心和毅力，还要有齐心协力、荣辱与共的团队精神和认真负责的工作态度。在设计和制作机器人时应注意以下几点：1.比赛时间只有三分钟，因此机器人的设计应以简洁、高速、高效、灵活轻巧为设计目标。2.一定要对比赛的规则做细致深入的讨论和分析，以制定出成熟的参赛总体方案，明确各台机器人的比赛任务。针对机器人的比赛任务对机器人的结构进行整体设计。要多总结和吸收往届比赛经验，多参考借鉴其它高校的成功经验。这一点对提高机器人的技术水平非常重要，而且可以避免重复性工作，节省工作量。同时，通过熟悉往届的比赛情况，可以了解机器人的发展趋势和我们的差距，明确机器人设计与改进的方向。3.要多总结和吸收往届比赛经验，多参考借鉴其它高校的成功经验。这一点对提高机器人的技术水平非常重要，而且可以避免重复性工作，节省工作量。同时，通过熟悉往届的比赛情况，可以了解机器人的发展趋势和我们的差距，明确机器人设计与改进的方向。4.在机器人的设计制作过程中，一定要做到细致、认真、负责。需要特别注意的是电机的选用和机加工件的设计。选用电机时要做细致的负载分析，综合考虑速度、加速度、转矩等性能要求；设计机加工件时要进行细致的审核工作，避免设计错误。购买用品和材料时，要做需求分析，确定购买的必要性和购买的数量，避免浪费。遥控程序清单intLeftPWM=4;intRightPWM=13;intCH1=34;intCH2=35;intCH3=36;intCH4=37;intval1,val2,val3,val4;voidsetup(){Serial.begin(9600);pinMode(Le);pinMode(RightPWM,OUTPUT);pinMode(CH1,INPUT);pinMode(CH2,INPUT);pinMode(CH3,INPUT);pinMode(CH4,INPUT);analogWrite(Le);analogWrite(RightPWM,127);}voidloop(){val2=pulseIn(CH2,HIGH);//qian1houqian101015062009(0-255)val2=map(val2,1010,2009,0,255);val1=pulseIn(CH1,HIGH);//zuoyou1200915061010(0-255)val1=map(val1,2009,1010,0,255);//val3=pulseIn(CH3,HIGH);//qian2houzhongqian101815102014//val3=map(val3,1018,2014,0,255);if(val2>150){run(val2,255-val2);}elseif(val2<100){run(val2,255-val2);}elseif(val1>150){run(val1,val1);}elseif(0<val1<100){run(val1,val1);}else{Stop();}}voidrun(inta,intb){analogWrite(Le);analogWrite(RightPWM,b);}voidStop(){analogWrite(Le);analogWrite(RightPWM,127);}自主程序清单int