机械设计竞赛说明书

抗灾救援机器人设计说明书设计者：吴伟明，张 恒，王世海（浙江工业大学机械工程学院，杭州）摘要：论文对抗灾救援的模拟环境（包含通过隧洞与河道和两种不同形状救援目标的取放）进行了研究，设计出一种能够在模拟环境中完成设计要求的抗灾救援机器人。在对设计要求进行具体的分析后，论文提出了一系列包括通过河道机构以及抓取放置机构的理论方案。通过方案的对比定出性能相对较高的侧向展开式底盘和手爪张合式机械爪。具体机构的实现中，方案在采用链轮传动、齿轮传动等经典模式的同时，更是做出了一系列的改进和创新：其中，通过辅助导轨的运用实现了车体的侧向展开，实现了直接通过河道的方案；通过弹性联轴器的运用提高了手爪的稳定性和抓取能力。关键词：抗灾救援 通过河道机构 抓取放置机构目 录中文摘要1目录2第一章 设计题目与内容 1.1 竞赛题目3 1.2 参赛作品的总体要求3 1.3 竞赛方案3 1.4 竞赛场地及用品规格3第二章 机械装置原理方案的构思与拟定2.1 题目分析5 2.2 方案拟定 2.2.1 关于行走部分的方案选取5 2.2.2 关于通过“河道”的方案选取6 2.2.3 对于取物装置的方案选取8 2.2.4 对于区盖板的处理方案9 2.2.5 最终方案的确定10第三章 抗灾救援机器人主要结构、传动方案的设计 3.1 抗灾救援机器人的主要结构 3.1.1 抗灾救援机器人三维三视图11 3.1.2 底盘机构12 3.1.3 机械臂结构13 3.1.4 机械臂抓取机构14 3.2 抗灾救援机器人传动方案设计 3.2.1 行走部分15 3.2.2 机械臂部分153.2.3 机械臂抓取部分16第四章 关键动作的实现与分析 4.1 行走及转弯动作的实现17 4.2 穿越“河道”动作的实现17 4.3 区救援目标的取出与放置184.4 区救援目标的取出与放置19第五章 设计计算与说明21参考文献25第一章 设计题目与内容1.1 竞赛题目设计并制作“抗灾救援”机器人（以下简称机器人），提交机械设计资料，参加理论设计答辨，参加实物竞赛，能够完成一组竞赛规定的采摘动作。 1.2 参赛作品的总体要求（1）机器人重量不限，但应尽可能轻。（2）机器人造价不限，但应尽可能低。（3）机器人操控可采用线控或遥控方式。（4）机器人行进方式不限。（5）机器人驱动可采用各种形式的原动机，但不允许使用人力直接驱动；若使用电动机驱动，其电源应为安全电源。（注：动力设备自备，比赛现场仅提供220V交流电源）。1.3 竞赛方案（1）完成动作1：机器人穿越“隧道”通过平台；（2）完成动作2：机器人通过平台穿越“河道”；（3）完成动作3：机器人将“救援目标”把平台（房间外围固定，无法移动）里的救援目标取出；（4）完成动作4：机器人将另一“救援目标”从平台取出；（5）完成动作5：把已经取出的“救援目标”放入安全区。1.4 竞赛场地及用品规格竞赛场地地面采用木质地板，表面铺设喷绘广告布，场地尺寸为4500mm1800mm，围板高度为300mm。六个救援目标尺寸分别如图1.4所示，三个圆筒（尼龙棒）的高度均为80mm，直径分别为50mm、80mm、100mm；三个方块（木块）的尺寸分别为100mm100mm10mm、80mm80mm30mm、50mm50mm50mm；其中在“过河”环节中，支撑物为两根可自由移动的铝合金型材（尺寸为30mm30mm550mm），两根支撑物初始距离为380mm,可在0-500mm的范围内移动。其它尺寸如图1-4所示。其中救援平台底部由角铁固定，顶端开有通孔，三个“救援目标”被顶盖压住。救援平台其中两面封闭固定，另外两面中，其中开有一可左右移动的移门，另一门顶端铰接在支架上，受力下整个门可绕铰接点转动。救援平台和分别设有高20mm的门槛（图1.4中未注出），可避免救援物被直接扫出。救援平台和的墙壁、门、顶盖均为10mm厚的有机玻璃板。图1-4 比赛场地平面图第二章 机械装置原理方案的构思与拟定2.1 题目分析认真阅读题目后，发现解救车主要完成以下五个任务：（1）穿越“隧道”通过平台；（2）通过平台穿越“河道”；（3）将“救援目标”把平台（房间外围固定，无法移动）里的救援目标取出；（4）将另一“救援目标”从平台取出；（5）把已经取出的“救援目标”放入安全区。2.2 方案拟定2.2.1 关于行走部分的方案选取方案一：四轮驱动此方案的机器人在行走部分采用四轮驱动，每一个前轮都采用独立的电机来实现机器的前进后退及转弯，如图2-2-1-1所示。图2-2-1-1 四轮机构简图优点：采用轮式行走方案，制作简单方便，成本低，易控制，行走速度快。缺点：抓地力不强，车子不稳，在过转弯隧道时容易卡住，在抓取救援物块的时候容易出现轮式悬空导致机器不能动或者翻身，同时如解决此问题则需要加上复杂的转动机构或大幅度增大机器的重量，导致机器变得很庞重。方案二：双履带式驱动此方案的机器人采用两条履带作为主动力来实现机器人的请进后退及转弯，如图2-2-1-2所示。图2-2-1-2 履带式机构简图优点：行走稳定，抓地力强，灵活迅速，能够原地360转弯，因此在穿过隧道的转弯口是能够很明显的展示出其出色的优点，同时在救援抓取物块的时候，因为接地面大，从而能够保证机器人的平稳这一特点，切动力比轮式的大的多（在相同功率的电机下）。缺点：同轮式驱动的情况相比下，若想达到同样的速度，需要功率更大的电机，同时，履带式驱动机构在加工方面复杂的多，对于精度要求等方面要求更加高，成本也比轮式高的多。2.2.2 关于通过“河道”的方案选取方案一：三段式过桥方案将机器人做成三段式或者是多段式，在通过隧道时，将机器人展开，然后最前的一段先通过河道，然后利用首段和末端的动力，让全车通过河道，如图2-2-2-1所示。图2-2-2-1 过河方式简图优点：过河简单，成功率较高，制作简单，不受河道上的“桥”影响，能够独自完成过河道任务。缺点：做成三段式或者多段式机器，体积肯定庞大，对于设计题目的要求，机器的大小严格受控，因此，可调空间非常小，在运动一起非常不灵活，很容易受场地影响。同时，该设计肯定利用很多动力系统，电机量需要很大，在过河的同时，又不能让机器的重量很重，否者会导致在过河道的情况下，整部机器因为电机的自锁能力不够而导致下陷，完成不了过河，危险性非常大，做成三段式对于后面的求援活动上会有很大的限制。方案二：利用机械手拨动桥体然后过桥直接利用机器的机械手，拨动其中的一个桥，使其宽度达到车体的宽度，然后直接通过桥，如图2-2-2-2。 图2-2-2-2 利用机械手拨动桥体通过桥优点：利用该方案，机器可以设计的很小，因此在任务一中显示出巨大优势，且不需要大量的动力系统。缺点：该设计方案对机械手的灵活程度及精确度上的要求非常高，对于操作技巧也有很大的讲究，同时，失误率非常大，不能确保桥体能够被移动到正确的位置，不能确保能够移正，同时，这一方案的危险性是最大的，桥体很容易掉下去，导致过不了河，还有一点的是不能够确保移动桥体的时间，即花的时间可能会非常多，进而影响到后续的任务。方案三：车体展开过桥不去移到桥体，在通过隧道的时候，将车体的两条履带展开，利用滑轨形式，将车体展开至宽度和桥体宽度一致，然后直接过河。分别如图2-2-2-3、图2-2-2-4和图2-2-2-5所示。图2-2-2-3 机器人初始位置及状态图2-2-2-4 机器人车体展开图2-2-2-5 机器人过桥优点：机器的体积小，通过滑轨还控制车的宽度，能够适应不同宽度的桥，在通过隧道的时候就能直接将车体展开，直接上桥过河，时间段，效率高，安全可靠。缺点：在车体的加工方面要求高，在撑开是履带对地面的摩擦力可能会很大，可能会导致撑不开，需选用大功率的电机。由以上三个方案的对比及对操作可靠性的考虑，我们小组一致选用第三方案作为最优方案。2.2.3 对于取物装置的方案选择方案一：铲车式装置取物利用铲车式的结构，对于区区两个区域的物块，直接铲出来，然后在运到安全区，如图2-2-3-1所示。图2-2-3-1 铲车式装置优点：能够一次性的将区区里面的救援物块取出，花费的时间短。缺点：区上面那块盖板阻碍很大，由于物块很重，因此对于铲式结构要求很高，电机的功率需要很大，然后不能确保能够一次性的将救援物块取出，同时存在灵活性差，对场地的破坏性大，死点多等一系列缺陷。方案二：四连杆机械手设计成四连杆机械手，将救援物块一块一块的取出。优点：机械手的灵活性强，作业范围大，小而轻巧，能够适应不同形状的物块。同时抓取力量较大，能够保证把物块平稳的抓取出来。缺点：结构复杂，加工起来困难，对于精度、材料要求很高。考虑到区区的救援物块的特殊性，因此选择机械手这一方案来抓取物块，稳而安全2.2.4 对于区盖板的处理方案要取出区的物块，首先要解决将物块上面的有机玻璃板取出，这样对于接下来取出区救援目标更加方便，因此对于将有机板取出分一下两个方案。 方案一：利用机械臂，通过吊环形式，将有机玻璃板吊出三区。图2-2-4-1 已吊环形式将有机玻璃板吊取出优点：让接下来的机械臂的作业范围大大扩大。缺点：由于有机玻璃板质量很大，再加上四个障碍区限制，不能确保能够平稳的吊出来。同时此方案对车体及机械臂的要求非常高，首先电机的扭矩要求非常大；其次又板的尺寸很大，要求机械臂的长度很大，这对车体的体积有较高要求；最后此方案不能确保吊环能够在较短时间内准确的进入有机玻璃板的圆孔内。方案二：利用机械臂和机械手的配合将有机玻璃板向一侧顶起翻开。图2-2-4-2 将有机玻璃板向一侧顶起翻开优点：此方案对机械臂的力矩没有太大的要求，也能够做到后期作业范围大这一优点，同时翻开比较容易，易操控。缺点：不能确保有机玻璃板能够被翻开后稳定地竖立在安全范围内，在后期操作时很容易倒下使得再次盖住物块，造成二次障碍。综合考虑，方案二在此次竞赛中高效、简便，具有非常大的优势。2.2.5 最终方案的确定综上所得，抗灾救援机器人方案确定为履带式行走方案，配合车体展开式过桥，使用四连杆机械手，加上将利用机械臂和机械手的配合将区有机玻璃盖板向一侧顶起翻开的方案来完成任务。第三章 抗灾救援机器人主要结构、传动方案设计3.1 抗灾救援机器人的主要结构3.1.1 抗灾救援机器人三维三视图图3-1-1-1 抗灾救援机器人主视图图3-1-1-2 抗灾救援机器人侧视图图3-1-1-3 抗灾救援机器人俯视图3.1.2 底盘结构救援机器人底盘由两个独立的履带结构、主底板、机械臂水平周转机构和侧向收展机构组成，如图3-1-2-1和图3-1-2-2所示。 图3-1-2-1 底盘俯视图 3-1-2-4 底盘底部视图侧向收展机构分为：导轨、滑轮、钢丝绳收放电机、钢丝绳四部分组成：（1）导轨固定外壳与主底板固定；（2）主底板与右侧履带结构刚性连接；（3）导轨移动部分末端与左履带结构刚性连接；（4）钢丝绳两端分别与左履带和右履带固定。当机器抵近河道时，钢丝绳收放电机正转，导轨左端在钢丝绳的牵引下，向左侧伸展，推动左侧履带机构向外展开至与支撑物间距相等的跨度，使机器顺利通过河道。机器到达彼岸时，电机反转，左侧履带结构收回。如图3-1-2-3所示，主底板前端安装有一拨叉，可以高效的将救援目标推送至安全区域，同时避免较低矮的救援目标进入车体底部，而且方便清理前方可移动障碍物。图3-1-2-3 拨叉示意图3.1.3 机械臂结构机械臂分为底盘齿轮、支架、大臂、小臂和分别驱动大臂与小臂的行星电机、蜗轮蜗杆电机以及固定件、连接件构成，如图3-1-3-1所示。为减轻重量，减小不必要的力矩，在保证强度的前提下，大臂上开有适量通孔。大臂固定电机的一侧采用厚度为3mm的铝合金板，既减轻重量，又确保了强度。另一侧为2mm板材。两块大臂板材的连接固定通过M4的丝杆完成。图3-1-3-1 机械臂结构示意图机械臂大臂的俯仰是由大扭矩、自锁性能较好的行星电机实现。机械臂小臂的俯仰是由小体积、大扭矩、自锁性能较好的蜗轮蜗杆电机实现。蜗轮蜗杆电机完全固定于机械臂内，无外露。3.1.4 机械臂抓取机构机械臂的抓手设计充分考虑了区区救援目标外形以及区救援目标质量较大需要大的抓取力等因素，采用直流电机带动丝杆转动，从而推动滑块移动，继而带动平行四连杆机构运动，使手爪张合。如图3-1-4-1所示。图3-1-4-1 机械臂抓取机构采用平行四连杆机构可以保证夹取救援目标时平稳。直流电机与丝杆的连接采用弹性联轴器（图3-1-4-2），从而避免了抓紧时由于载荷突然增大导致电机烧坏的可能。图3-1-4-2 弹性联轴器3.2 抗灾救援机器人传动方案设计传动装置是抗灾救援机器人的重要组成部分，抗灾救援机器人的工作性能在很大程度上决定于传动装置的优劣。机械传动可分为摩擦传动、啮合传动、液压传动和气压传动。常用的传动形式有：带传动、齿轮传动、蜗杆传动、链传动等。概括地说，选择传动类型时所依据的主要指标是：效率高、外廓尺寸小、质量小、运动性能良好等。齿轮传动是机械传动中最重要的传动形式之一，型式很多，应用广泛。在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高：结构紧凑，工作可靠寿命长，传动比稳定，可获得各种传动比，但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离大的场合。链传动结构简单、传动效率高、无打滑现象、安装精度低成本低廉等特点，在传动中心距较大的情况下应用较多。螺旋传动则具有定位精度高，自锁能力强，可以承受很大的轴向力，适用于一些机构的进给运动。整个抗灾救援机器人的行走部分采用链轮传动，避免了由于直流减速电机尺寸较大不便在狭小空间内安装。机械臂的水平周转系统采用齿轮传动，达到了水平周转定位精度高的要求。机械臂抓取部分采用螺旋传动。3.2.1 行走部分抗灾救援机器人的行走部分要两个驱动电机来实现前进、后退和转弯的功能。因为抗灾救援机器人左右的履带结构是独立互不干扰的，因此需在左右各安装一个减速电机，通过链传动带动各自主动轮转动，当电机同向转动时可实现前进和后退的功能，当两电机相互反向转动时就可实现机器的转弯功能。3.2.2 机械臂部分机械臂的水平周转运动是通过固定在主底板上的减速电机，通过齿轮传动实现的。齿轮传动定位性好、精度高。两齿轮中间啮合有一齿轮，保证机械臂的水平周转运动与电机的正反转相一致，便于操控。如图3-2-2-1所示。图3-2-2-1 机械臂水平周转采用齿轮传动机械臂的俯仰运动是通过行星电机驱动大臂运动和蜗轮蜗杆电机驱动小臂复合运动实现的。3.2.3 机械臂抓取部分机械抓手的张收是通过一部15 r/min转速的电机驱动一根M6的粗牙丝杆转动，继而带动滑块运动。当电机正转时，机械手张开，相反，电机反转，机械手收拢。如图3-2-3-1所示。M6丝杆滑块 图3-2-3-1由于滑块为铝制，在随丝杆运动时受到较大的轴向力，攻丝后螺纹容易破坏，所以在滑块一端铣出一嵌槽，内固定一不锈钢制M6螺母，提高了滑块的寿命，如图3-2-3-2所示。图3-2-3-2 嵌有不锈钢螺母的铝制滑块第四章 关键动作的实现和分析抗灾救援机器的设计任务主要可以分为：行走及转弯、穿越“河道”、区救援目标的取出与放置、区救援目标的取出与放置四部分。基于时间的优化考虑，我们四个任务的顺序依次为：行走及转弯、穿越“河道”、区救援目标的取出与放置、区救援目标的取出与放置。下面对这四个部分的实现技术进行阐述和分析：4.1 行走及转弯动作的实现抗灾救援机器人在完成整个任务过程中必需要用到直线行进和转弯两个基本动作，这两个动作的实现由左右两个独立的行进电机来实现，两个直流减速电机通过链传动传动分别带动左右两条履带运转，当两电机同向转动时，可实现探测救援机器人的直线前进和后退动作；相反，当两电机反向运转时，就可实现探测救援机器人的转弯动作。4.2 穿越“河道”动作的实现机器穿过350mm宽度的“隧洞”后，将面对500mm宽的“河道”，“河道”上放置有两个可供机器穿越“河道”用的可左右移动的支撑物，即桥，两桥体之间间距为380mm。受到区过弯和过“隧洞”的限制，车体尺寸必须小于375mm350mm350mm。经过不断的收集资料和讨论分析，将实现抗灾救援机器人穿越“河道”的动作定位采用可以侧向可伸缩底盘结构。这样既可以使车体在收缩状态保证区的顺利通过，又能使车体在展开状态达到近400mm的最大宽度，使履带稳稳跑在支撑物上，既降低了风险，有大大节省了时间。（1）在车体完全驶出“隧洞”后，车体保持行进状态，如图4-2-1所示。图4-2-1 车体驶出“隧洞”，靠近桥体（2）控制车体伸缩的直流电机转动，带动钢丝绳向一侧收缩，进而使底盘横向导轨伸长，推动左侧履带向外伸展，车体由原先的320mm最大宽度，达到近400mm最大宽度，其中两履带间距380mm。然后抗灾救援机器人直接驶上支撑物，即桥，穿越“河道”，如图4-2-2所示。图4-2-2 车体展开，直接驶上桥（3）当车体完全驶过河道后，控制车体伸缩的直流电机反转，车体收缩，如图4-2-3所示。图4-2-3 通过河道后，车体收缩4.3 区救援目标的取出与放置基于时间、路线的优化考虑，穿越“河道”后，抗灾救援机器人完成车体收缩，原地转向，先进行区任务。区的难点在于如何减小有机玻璃板的阻碍。我们的方案是将可左右移动的有机玻璃板抽出，之后直接将救援目标取出。区中可左右移动的有机玻璃板与门槛之间有一定摩擦力，机械臂直接夹持有机玻璃板机械臂将其抽出难度较大，因此利用机械臂大臂前端固定的挂杆（如图4-3-1所示），调整机械臂姿态（蜗轮蜗杆电机驱动小臂向上翻转至预定角度，行星电机驱动大臂下调使大臂前端挂杆高度位于区可左右移动有机玻璃板下排圆孔圆心高度，周转电机微调机械臂周转角度），车体前进，调整周转角度将挂杆的有效部位伸进有机玻璃板圆孔内，车体直线后退，将板移出，如图4-3-2所示。板移除后，自然放倒于区前。图4-3-1 机械臂大臂右侧固定有一丝杆，用于拉出有机玻璃板 图4-3-2 区拉板过程区有机玻璃板移除后，依次将80mm80mm30mm、50mm50mm50mm木块取出放置于预先移除的有机玻璃板上，机械臂取出100mm100mm10mm木块然后转向，驶上有机玻璃板，利用拨叉将其余木块推送至安全区域。图4-3-3 完成区取木块后直接将木块推送至安全区域4.4 区救援目标的取出与放置设计的机械臂完全伸展开长度达到近400mm，且各关节电机均具有15kgcm以上的扭矩，可以将覆盖在区救援目标上的10mm的有机玻璃板从靠近安全区的位置绕底边顶起（依次如图4-4-1、图4-4-2所示），使抓取区救援目标时无障碍物。 图4-4-1 机械臂预备 图4-4-2 利用机械臂将盖板顶起第五章 设计计算与说明主要技术参数：车轮电机：转速150r/min；额定电压24V；伸缩轮电机：转速15r/min；额定电压12V；底盘旋转电机：转速15 r/min；额定电压12V；机械臂电机：转速5 r/min，3 r/min；额定电压12V；机械抓手电机：转速100r/min；额定电压12V；轴：45调质钢 许用弯曲应力-1=60MPa；铝合金材料：许用弯曲应力-1=25MPa。相关内容计算及说明结果1 速度计算1.1 车前进速度1.2 轮伸缩速度1.3 机械臂横向旋转角速度1.4机械爪抓取速度及张合时间2 钢丝绳强度校核3 过桥分析4 拉4区板分析5 抓取橡胶棒分析6 机械臂强度校核7 机械臂顶三区板分析轮传动电机功率为4W，转速130r/min链轮传动传动比为1:1，车轮转速为n=130r/min，车轮直径为d=22mm车速v=d/1000n/60=0.15m/s绕钢丝绳的滑轮工作直径为10mm电机n=15r/minv=rw=5/1000m(30/60)rad/s=0.00785m/s底盘齿轮模数m=1，两小齿轮d1=d2=32mm，大齿轮d3=64mmD=mzz1=z2=d1/m=32z3=d3/m=64传动比i=z1z2/z2z3=0.5电机转速为15r/min机械臂横向旋转角速度w=（152/600.5）rad/s=0.785rad/sABDv1FEC12030图5-1如图机构简图5-1，DE为螺杆，带动CF以如图5-1所示速度v1方向（或相反方向）运动，螺距P=1mm，为单线螺纹，导程s=1mm，电机转速n=100r/min, AB=110mm,BC=21mm,CE=20mmV1=nS=100mm/min=0.m/sC点速度vc=v1=0.m/sAB,CB均绕B点做圆周运动vccosA/BC=w=dA/dt代入数据得0.355cosA =dA/dt用分离变量法解此微分方程得：At=2.8ln（secA+tanA）从张开到闭合的机构简图可测得A转过了50，带入得t=2.8s20机械爪由张开到闭合用时约2.8s，效率较高。 图5-2对上述微分方程的解对角A求导得0.355dt/dA=（sinA+1）/(cosA+sinAcosA)由此得AB转动角速度=dA/dt=(cosA+sinAcosA)/2.8（sinA+1）已知车m=8kg，G=78.4N履带与场地之间的动摩擦因素为1，钢丝绳直径1mm。钢丝绳安全系数k约为5。则车左轮撑开的滑动摩擦力大小为：F1=Fn=78.4N0.51=39.2N钢丝绳近似破断拉力F破断=500dd（N）其中d为钢丝绳直径，单位mm则F破断=500N钢丝绳能承受的极限拉力F极限=F破断/kF极限=100N已知桥铝棒重0.7kg，履带与桥之间的摩擦因素1约为为0.42，桥与场地之间的动摩擦因素2为0.4则车在桥上运动时所受到的摩擦力F1=1Fn=0.4278.4N=32.928N桥与场地之间的摩擦力F2=2Fn2=0.4(78.4N+1.4kg9.8N/kg)F2=36.848NF1Ff+F1所以车能拉动4区板机械臂底部行星电机功率为18W，转速为5r/min，抓取物体时主要靠行星电机抬起。尼龙棒密度为1.1g/cm3。5.1抓取直径80mm尼龙棒（高80mm）时机械臂位置如图5-4，重心距行星电机的距离为480mm可得尼龙棒质量m1=442g480图5-4可得尼龙棒质量m2=691gG1=6.772N对行星电机中心的扭矩为T2=6.772N0.32m=2.17Nm行星电机扭矩：T=9550p/n=3