自动机器人投篮机构设计学士学位论文.docVIP

华南理工大学工学学士学位论文目录摘要2绪论3一取球机构的设计与制作8 取球方案分析9 取球方案的确定15 机器人车身的设计17 关键零部件的设计及制作19（） 电机的确定19（） 摩擦带的设计及制作24（） 取球轮的设计及制作25（） 驱动轴的设计及制作27（） 导轨的设计及制作28 取球机构的安装与调试28二手动机器人其他机构的安装与调试28三毕业设计结束语33四参考文献34学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要本文针对2003cctv全国大学生机器人电视大赛的规则，讨论分析了机器人取球方案及机器人车身造型的设计，用solidworks和autocad进行模拟和制图。在有总质量限制不能超过17kg和dc24v电源限制的条件下，对关键零部件材料的选用及确定进行了讨论，特别是直流电机的各参数的确定,着重介绍了直流电机的组成和工作原理。最后加工制作出机器人实物，对机器人进行调试，附效果图及照片。关键词：机器人；取球；直流电机abstract in this paper, we discuss and analyse the project of robot fetching the ball and the figure of the robot, according to the 2003 cctv china university robocon. the robots simulation and the drawing is done by the solidworks and the autocad. in the limit of the 17kg weight and the condition of the dc24v power supply, we discuss the material of the important part, especially the parameter of the dc electromotor. we also discuss the part of the dc electromotor and its working elements. finally, we produce the robot, and debug the robot. there are some photo and picture of the robot in the last of this paper. keywords : robot; fetching ball; dc electromotor绪论机器人学是一门高度交叉的前沿学科。机器人的诞生和发展，无疑是世纪人类科学技术的重大成就。在过去多年里，机器人从无到有，越来越多的机器人在各行各业得到应用；越来越多的机器人科技工作者从不同方向从事机器人的研究开发和应用；机器人在世界经济各个领域和人民生活的各个方面忠诚地为人类服务。机器人已为上个世纪的人类文明作出了重要贡献，机器人必将为世纪的人类文明作出新的重大贡献。我国的机器人研究开发工作虽然起步较晚，但在国家有关部门的支持和广大机器人科学技术和教育工作者的努力下，发展较快，已在工业机器人、特种机器人和智能机器人各方面取得明显成绩，为我国机器人学的进一步发展奠定良好的基础。去年六月中国中央电视台成功举办2002cctv全国大学生机器人电视大赛，大大促进了全国各高校的竞赛机器人研究和制造技术。今年六月，cctv将举办2003全国大学生机器人电视大赛。此次大赛的场地图及规则如下：目标 将小球投入9个各带有3个圆环和网的篮内以得分。在3分钟内获得高分或者将球投入所有篮筐，并且在中心点的三张网内都有入球的队将获得胜利1比赛场地（1） 比赛场地由厚度为2mm的乙烯基材料铺成。地面由不反光，宽度为50mm的乙烯基胶带粘合。（2） 比赛场地由“全自动机器人移动区”，“人工控制机器人移动区”，“全自动机器人启动区”，“人工控制机器人启动区”，“赛球装卸区”组成。（见上附图） （3） “全自动机器人移动区”（a）“全自动机器人移动区”只限全自动机器人活动。（b）该区域由高100mm，宽20mm的木栅栏所围绕。（c）在“全自动机器人移动区”内有两个由宽30mm的白线围成的圆圈，圆圈的直径分别为3000mm和6000mm。（d）在“全自动机器人移动区”内有8条30mm宽并且经过圆心的白线均匀分布。（e）在“全自动机器人移动区”上方挂有9个篮筐，每个篮筐由3个固定成三角状的带网圆环组成。最外面的4个篮筐离地1500mm，中间的4个篮筐离地2000mm，中心篮筐离地3000mm。（f）在每个篮筐正下方都固定有一个直径100mm，高10mm的白色圆盘，圆盘指示着篮筐的位置。（g）具体细节参照附图。（4） “全自动机器人启动区”（a） 面积：1200mm1200mm（b） 只有全自动机器人可以从此区域出发（5） “人工控制机器人移动区”（a） 此区域可供人工控制机器人活动（b） 该区域由高100mm，宽20mm的木栅栏所围绕（6） “人工控制机器人启动区”（a） 面积：1200mm1200mm（b） 只有人工控制机器人可以从此区域出发（7） “赛球装卸区”（a） 每队的赛球装卸区备有16个赛球，按照44排列（b） 细节参照附图2机器人制作和装运费用（1） 制作费用（a） 比赛组委会向每个参赛组织提供1000美元的补贴（2） 装运费用（a） 参赛机器人将由组委会指定的运输公司统一由水路运输。细节待以后公布。（b） 机器人必须包装在一个1500mm1500mm1500mm见方的箱子中3参赛队员（1） 每队由4人组成，3名学生和1名导师。（2） 比赛时只有3名学生允许进入比赛场地。4机器人每队都可选择制作全自动机器人或人工控制机器人，也可选择制作两种机器人，机器人的数量不受限制。全自动机器人可以在比赛开始前装进赛球，但装进赛球的总数不得超过20。人工控制机器人必须从赛球装卸区装球。（1） 人工控制机器人（a） 人工控制机器人及其延伸部位不可以进入“全自动机器人移动区”。（b） 操作人员可以通过连接在人工控制机器人身上的连线所连接的遥控装置操作机器人，也可以利用红外线、可见光或声波来摇控机器人，但操作者不可以骑坐在人工控制机器身上。（c） 如果通过连线摇控，那么连接机器人和遥控器的连线必须离地1000 mm。人工控制机器人与遥控器之间的线缆长度不可长于3000。（2） 全自动机器人（a） 一旦比赛开始，则不允许操作人员使用任何装置来遥控全自动机器人。（b） 全自动机器人允许进入比赛场地中地任何区域。（3） 控制方式（a） 每队只允许一个人操纵机器人。（b） 人工控制机器人和全自动机器人都允许处理比赛场上各自限制区域内的所有赛球。（c） 全自动机器人允许重试。在声明重试之后，该队全自动机器人允许在起点区域重新组装和重新启动。重装和重新启动可以由队伍中三人中的任何一人完成，每队在一场比赛中只允许重试 一次。（d） 一旦比赛开始，队员就不允许触摸机器人。（4） 电源（a） 每支参赛队必须为该队所有机器人配备好比赛所需电源。（b） 机器人电源电压必须低于dc 24v。（c） 组委会认为危险或不适当的电源将不被获准使用。（例如用火）（5） 重量（a） 所有机器人的总质量不得超过50kg。（b） 总质量包括电源、遥控器、线缆和其他与机器人相联系的部件或附件。不过，赛球将不包括在其中。（c） 机器人将会进行两次称重：1.比赛开始前一天测试机器人重量；2. 比赛正式开始前经再次称重后，不允许再做任何增加重量的改动。（6） 规格尺寸（a） 比赛开始前，人工控制机器人的尺寸不可以超过1200mm长、1200mm宽、2000mm高。全自动机器人的尺寸不可以超过1200mm长、1200mm宽，该尺寸包括赛前所装的赛球尺寸。全自动机器人的高度不能超过2000mm，但该尺寸不包括所装赛球尺寸。（b） 如果有一组机器人从同一起点出发，则所有机器人放在一起时体积必须不超过1200mm长，1200mm宽，2000mm高。（c） 比赛开始之后，机器人可以自由地分解，尺寸大小可以自由的改变但高度必须小于3000mm，所有分解开来的机器人都必须有能力自行移动。从全自动机器人身上分解出来的机器人必须具有全自动机器人的能力。所有从人工控制的机器人身上分解出来的机器人也被视为人工控制的机器人。5.赛球（1） 比赛使用的是合成球，直径为135mm，重155g。（参见marathon “mt101” 系列标准）。（2） 赛球分两种颜色，a队使用红球，b队使用蓝球。6.比赛（1） 比赛采用淘汰制。（2） 比赛时间（a） 比赛持续3分钟。如果裁判认为由于机器原因而不可以继续比赛，则比赛可以提前结束。（b） 接到入场命令之后，参赛队应在1分钟之内完成设置。（c） 开始比赛信号一经发出，人工控制机器人和全自动机器人可立即启动。每个全自动机器人应当由一个遥控器来完成启动。（3） 计分（a） 在比赛结束后计分。（b） 被放入网内的球可以算分，但每个网内只有一个球计分。（c） 两队如果在同一网内都有入球，则两队都可得分。（d） 每个篮筐内得分赛球的分数如下:“中心篮筐”5分/球/网“中间篮筐”2分/球/网“外面篮筐”1分/球/网（e） 球投入所有篮筐，并且在中心点的三张网内都有入球的队将获得胜利。（4） 决定胜负（a） 每场比赛之后，扣去犯规分数，每队的实际得分数高者为胜队。（b） 在平局的情况下，依照一下顺序决定胜负1 在中心篮筐内投入球多的队获胜2 把球投入尽可能多的篮筐内的队获胜3 裁判的判定（c） 如果有一支队将球投入所有篮筐，并且在中心点的三张网内都有入球，将获得胜利。7犯规和扣分如发生以下情况应被视为该队违规，该队须被扣去1分，如果累计扣去3分，则该队将被取消比赛资格。（1） 人工控制机器人及其部件进入了“全自动机器人移动区”。（2） 人工控制机器人故意将球投向对方操作人员或机器人。如发生以下情况应由裁判决定是否取消该队比赛资格。（1） 试图毁坏对方机器人。（2） 试图毁坏场地、篮筐或赛球。（3） 其他有悖于公平竞争原则的行为。9安全（1） 所有机器人的制作都必须以不伤害操作选手、观众、裁判为原则。（2） 所有参赛选手在比赛中必须戴头盔并且在确保安全的前提下操纵机器人。（3） 机器人投出球的球速必须有所限制以保证不会伤害到操作选手、观众和裁判。10其他（1） 规则中没有明确指明的行为，裁判有权利做最后的裁决。（2） 任何争论或辩解将以裁判的决定为最终决定。（3） 任何规则的修改都须经组委会同意。（4） 组委会鼓励所有的参赛队都大胆地使用其国家、地区的特色来装饰其制作的机器人。11机器人制作注意事项制作机器人的关键是要避免危险。制作机器人时应谨记如下几点:（1） 制作全自动机器人时，要注意全自动机器人之间的相互联系和操作。由其他机器人投出的球可能会落在全自动机器人上。所以，设计时要考虑避免受损。（2） 为保证比赛的安全，如果机器人要使用激光，必须是2类激光，而且采用不会对操作选手、观众和裁判有伤害的方式。（3） 组委会对规则的解释和补充将以faq的方式发布。（4） 每个参赛国家的代表队要求提供长度为5分钟的录像带介绍该队的机器人制作和比赛情况。组委会将对各机器人运行是否符合比赛规则作出评议。参赛策略：本次比赛，我们学校的机器人的主题是“九天揽月”，一共设计制作三台机器人，两台自动机器人，一台手动机器人。两台自动机器人分别为“登月一号”和“登月二号”，一台人工控制机器人为“太空炮车”。“登月一号”和“登月二号”的目标是“中心篮框”和“中间篮筐”，“太空炮车”的目标是在“人工控制机器人移动区”内对“外面篮筐”进行投射，有机会有时间的话也对“中间篮筐”进行投射。三台机器人的总质量不能超过50kg，“太空炮车”的质量不能超过17kg。一取球机构的设计与制作取球区域图如下：如规则所述，球均匀分布在1200mm1200mm的正方形区域内，每个圆代表一个球。 取球方案分析方案一：采用取球筐机构，简图如下所示：取球筐的零件图如下：同步带上连接有光滑带，图如下：取球功能主要原理如下：因为球与球的中心距为300mm，而球的直径为135mm，根据球的分布区域图，考虑到比赛时间限制在3分钟内，尽量减少取球时间，一次性取越多球越好，但又有机器人整体尺寸的限制，不能超过1200mm长，1200mm宽，2000mm高，所以，以一次取8个球为佳。因为有质量限制，取球筐采用框架结构，在稳定的基础上尽量减少质量。取球筐的尺寸为1100490150，如下图所示：取球筐图取球筐表面有两条同步带，同步带上连接有光滑带，如上页图纸所示。每条同步带有两个同步轮带动，当机器人走到取球位置的时候，取球筐沿着导轨下降，把8个球罩住（因为光滑带的初始位置是处于取球筐的上表面，球筐的下表面是空的），然后电机带动同步轮转动，同步带也跟着动作，同步带移到球筐的下表面，把8个球兜进取球筐里。如装配简图所示，取球筐有两条钢丝通过绕线轮连接在机器人车身的电机上。当把8个球装在取球筐里后，此电机动作，钢丝拉着取球筐上升，到一定的高度以后（因为出发前有导轨和绕线轮的2000mm的高度限制，所以此一定的高度不能超过2000mm），然后两个电机配合工作，使到取球筐倾斜一定的角度（大约20）。跟着，同步轮转动，光滑带转到一定的位置，把取球筐露出一个可以让球通过的口来；球就滚到一个漏斗里，漏斗的另一边是连着投球机构。为了保证球是一个一个地进入投球机构的，在进入投球装置的口上，有个小机构，电机上连接有拨片，电机转动一个角度，球就进去一个；电机再转动一个角度，又把后面的球给挡住了，从而保证了球是一个一个地进入投球机构的，有利于方便地投球。此方案是第一个想出来的方案，有诸多困难和不成熟之处。第一：取球筐的尺寸太大，加上连接取球筐的导轨，取球部分的尺寸就占了1200mm1200mm的面积的一半了。加上车身和投球机构，整个人工控制机器人的体积将会很大，质量可想而知，控制也很不方便，给人笨重的感觉。第二：导轨和取球筐侧的小轴承之间的滚动和滑动有一定的问题存在，可能会卡死。导致取球筐不能顺利上升。第三：取球筐上升以后，到达一定的高度，向漏斗方向倾斜，漏斗连着导轨，导轨另一头连着投球机构。此间有个高度与角度的的矛盾。首先，投球机构的高度要在1500mm左右，最低不能低于1350mm(因为“外面篮筐”中心的高度是1500mm)。那么，由于连着漏斗的导轨必须倾斜一定的角度以让球能滚进投球机构，所以，漏斗口的高度就要高于1350mm，大约是1550mm。所以，取球筐出球口的高度也应该是大约1550mm，不能低于1550mm。取球筐倾斜20后的尺寸如下图所示：出球口的高度不能低于1550mm，而取球筐倾斜后的高度为517mm，就算不加上机器人底盘驱动部分的高度，出发前的高度已经超过了2000mm，不妥。第四：漏斗口和取球筐要在同一个竖直平面内，才可以保证球从筐里滚出来后，能掉入漏斗口中。因为取球筐是用两条钢线拉着的，所以，只能在一个竖直平面内运动。只有当球筐上升到出球口高度超过漏斗高度的时候，球才有可能从球筐掉进漏斗口中，但是，正因为两者在同一个平面内，所以这过程中，球筐势必跟漏斗发生干涉相撞。要解决这个问题，又必须加入一个机构，一个驱动传动装置来使到漏斗会在水平面上运动来避开球筐，这会另整个机构更加复杂化。综上所述，方案一有较多不合理之处，且不合理之处很难解决。方案二采用同步轮摩擦带机构。装配简图如下页所示。（正视图） （侧视图）此方案的主要工作原理如下：如左图所示，机器人取球机构有一小一大两个轮子，一条摩擦带张紧在两个轮子之间，与大轮子轴相连的车架上有两个椭圆槽，可以通过微调大轮子的位置来调节摩擦带的张紧度，一般是越紧越好。小轮子上装有电机。当电机工作时，小轮子以一定的速度角速度转动，由于摩擦带是张紧的，所以，静摩擦力带动带子以速度v1运动，带子也由于静摩擦力的缘故带动大轮子转动。由于摩擦带上均匀地连接有16个拨球板，摩擦带运动的效果是使到球被拨球板拨进导轨1里。而整个机器人以速度v2运动，所以，均匀摆放在取球区域里的球就被一个一个地拨进导轨1里。导轨1里最多可以放8个球，加上导轨2，整个机器人可以同时装上12个球左右。两个轮子的直径分别为154mm和284mm，相邻两片拨球板之间的线距离为196mm，拨球板的长度为120mm，这些数据均经过计算得出，使到当取第一个球的时候拨球板不会和前方300mm处的第二个球发生干涉相撞而把球给撞乱。当其中一个尺寸改变，其他几个尺寸均要跟着改变。从出球口a里出来的球进入导轨2，球在重力和惯性的作用下，滚向投射机构，被导轨2末端的十字拨杆挡住。拨杆连接有小电机，电机每转45，拨杆也转45，其效果是使导轨2里最前面的一个球进到投射机构，而后面的球被拨杆挡住，用单片机控制小电机，从而就保证了可以控制到球是一个一个地进入投射机构的，给投射机构带来了很大的方便。次方案的困难之处是小轮电机的转速和机器人前进的速度要配合得很好，对单片机程序和传感器要求较高。还有对机器人取球点的位置和取球时机器人前进的路线方向要求较高，要求机器人停在合适的取球开始点上开始取球，并保证机器人在取球前进时保持方向的不变，保证能在取球区域上一次性连续地取同一行（列）上的4个球，尽量节省时间。还有几个方案，均与以上两个方案有大致相同之处，不再一一详列。 取球方案的确定取球方案主要根据以下几个方面来确定：（） 案可行性及合理性；（） 机构的稳定性；（） 整个机构的质量；（） 取球的动作繁简程度；驱动、传动链的数量；（） 取球的时间；（） 机构外型的合理性、美观程度。以上六个方面都是根据比赛规则，以展现机器人的技术水平和机构的创新水平以及赢得比赛为目的，而得出来的标准。现就以上六个方面对方案一和方案二进行比较。（） 方案的可行性及合理性从上面对方案一的说明中，可以看出，方案一存在诸多不可行性和不合理性，且不合理之处很难解决。要有效地实现取球相当困难，方案一可行性差。方案二可以说是很合理，其困难之处是对电机转速和转角的控制，可以通过对单片机的编程来解决，不难。取球的动作也是一气呵成，连贯，取球的效果很好。此方案对于机构的尺寸要求限制不大，机构的尺寸有很大的修改余地，可以很轻松地实现有效地取球。方案二可行性好（） 机构的稳定性方案一中，取球框的上升和下降是靠绕线轮上的钢线来控制的，钢线的另一头连着电机。当电机转动时，钢丝越绕越多或者是越绕越少，这就存在有转动惯量不断改变的问题。使用钢丝本身也就是一个很大的不稳定因素。另外，球筐的上升下降是通过球筐侧面的小轴承在机器人车架中间部分的导轨中的滑动和滚动来定位的。小轴承和导轨是三面接触，而且只有一个轴承一个导轨，所以，在球筐的上升和下降过程中，有可能会出现卡死的情况，即因为机器人的运动和球筐的晃动，轴承卡死在导轨里，从而使到后面的动作都不能实现了。取球机构中绕线轮的位置相当高，因为取球筐尺寸大，加上8个球的质量，整个取球机构的质量不小，这就对支撑绕线轮的装置的安全性和稳定性要求很高。而且取球机构的重心太偏，当球筐上升到高处的时候，由于机器人的运动和球筐的晃动，加上偏心矩的原因，可能会使机器人翻倒，既不稳定，也不安全。球从球筐里掉进漏斗的时候，很可能会由于同时好几个球一起掉而相互碰撞使球弹出漏斗掉在地上，取球效果不稳定。此外，取球机构中的钢丝，球筐，还有支撑绕线轮的架子，都有可能在比赛中与对方机器人相撞，极不安全。综上所述，方案一的稳定性差。方案二中，没有了钢丝，高度也低了，重心低了。取球机构是主要是由轮子和摩擦带组成，不存在卡死现象。各定位装置也是用“杆”来刚性连接，不存在摇晃问题。球的运动是在导轨中完成的，这就对球运动的轨迹有了保证，不会出现意外的“掉球”等现象。使用摩擦带可能会使取球机构的稳定性受到一定的影响，这可以通过在轮子上开个引导槽，限制带子的横向滑动，也可以通过调节摩擦带的张紧程度来解决，问题不大。由于16块拨球板是连接在摩擦带上的，拨球板装上球后，有一定的重量，对摩擦带的要求较高。总的来说，方案二的稳定性好。（） 整个机构的质量由于比赛规则上场比赛的所有机器人的总质量不能超过50kg，所以质量是一个非常重要的要求。方案一的取球机构的质量主要由以下几部分组成：取球筐的质量、两条同步带的质量、光滑带的质量、四个同步轮的质量、五个电机的质量、刚性导轨的质量、漏斗的质量、绕线轮及绕线轮支撑座的质量。这些部件的质量之和不可小视，方案一的机构的质量太大。方案二的取球机构的质量主要由以下几部分组成：两个轮子的质量、两个电机的质量、摩擦带的质量、导轨的质量、拨板和拨杆的质量。方案二的机构的质量比方案一少了很多。（） 取球的动作的繁简程度；驱动、传动链的数量方案一的取球动作主要由以下几部分组成：(a) 取球筐下降罩住8个球；(b) 两个电机转动带动同步带光滑带运动把球装进球筐里；(c) 另两个电机转动带动取球筐上升到一定的高度；(d) 此两个电机配合动作使取球筐倾斜；(e) 两个电机转动带动同步带和光滑带运动到一定的位置使球掉进漏斗里；(f) 拨片转动，使一个球进到投射机构里。方案一的取球动作由五个电机驱动，传动链数量多，动作较复杂。方案二的取球动作主要由以下几部分组成：(a) 电机驱动小轮转动带动摩擦带运动即把球导进导轨2里；(b) 另一个小电机工作使一个球进到投射机构里。方案二的取球动作由两个电机驱动，传动链数量少，动作连贯简单。（） 取球的时间方案一由于动作多，各动作是有先后顺序而不能同时完成的，且各动作的又不能在高速中完成，所以，方案一的取球时间长。方案二的取球动作少，可以同时完成拨球，导球，运球等动作，所以，方案二的取球时间比方案一的少很多。（） 机构外型的合理性、美观程度方案一的机构外型尺寸大，不合理，且四四方方给人笨重的感觉，整个造型不能给人美的感觉，反而会使人多少有些反感。方案二的机构外型尺寸小，合理，由两个轮子一条带子装配起来的装置给人以新颖创新的感觉，符合大赛的宗旨和气氛。综上所述，确定方案二同步轮摩擦带机构为最终取球机构。 机器人车身的设计机器人车身的造型和尺寸要配合取球机构和投射点的高度来确定，其效果图如下：车身的各尺寸如下图： 机器人车身的造型和尺寸考虑到了以下几个方面的因素：一、 比赛规则的要求；二、 取球装置的尺寸；三、 可以装球的数量；四、 投射口的高度；五、 水平方向上各装置机构重心的分布；六、 整个机器人尺寸外型的美观与灵巧性。 关键零部件的设计及制作（） 电机的确定本次比赛规则要求使用24v以下dc电源。所以电机选择额定电压为dc24v的电机。电机是机器人最重要的零部件之一，加上本次大赛的质量限制，所以，怎样选择质量轻，功率和转速合适，性能稳定的电机，对整个机器人的性能有相当重要的影响。直流电机是电机的主要类型之一。直流电动机由于其具有良好的调速性能，在许多对调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。下面主要介绍一下直流电机的工作原理和结构。（以下的“直流电机”均指“直流电动机”）一 直流电机的主要工作原理：直流电机有两个电刷，给电刷加上直流电源，则电流从其中一个电刷流入，经过一个线圈，从另一个电刷流出。根据电磁力定律，载流导体受到电磁力的作用，两段导体受到的力形成一个转矩，使得转子转动。由于电刷和换向片的作用，线圈受到的转矩的方向是不变的，所以，转子转动的方向始终是同一个方向。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减小电动机电磁转矩的波动，绕组形式同单极的直流电机。二 直流电机的结构：直流电机主要由两部分组成，静止的部分和转动的部分，静止的部分叫做定子，转动的部分叫做转子。下面介绍主要的部件。a定子定子的主要部件包括：主磁极主磁极的作用是产生主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极夹心靠近转子一端的扩大的部分称为极眭，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时，由于齿槽移动引起铁耗，主磁极铁心采用低碳钢板冲成一定形状叠装固定而成。铁心上装有励磁绕组，励磁绕组用绝缘导线绕在绕组框架上，经绝缘处理后一起套入主磁极铁心。套在主磁极铁心上的励磁绕组根据其不同的使用情况分为两种：一种是并励绕组；一种是串励绕组；并励绕组的匝数多、导线细，串励绕组的匝数少、导线粗，有些电机是同时有并励 绕组和串励绕组。整个主磁极再用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按n，s极交替出现。换向极换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。机座直流电机的机座一方面的作用是构成主磁路的一部分，机座中作为磁路通路的部分称为磁轭，另一方面是作为电机结构的框架，主磁极和换向极固定于磁轭上。架起电机转动部分的两个端盖装在机座的两端，对电机的各部件起到了机械支撑作用。为了保证具有良好的导磁性能和机械性能，机座通常用铸钢或钢板制成。机座下部的底脚用于将电机固定在基础上。电刷装置电刷装置的作用是将转动的电枢(转子)中的电压和电流引出来，或将外加电源的电流输入到转动的电枢中去。电刷是主要由石墨做成的导电块，放在刷握中，由弹簧机构施以一定的压力使其压在换向器表面上，电机运行时与换向器表面形成滑动接触，电刷上焊的铜丝辫引出或引入电流。在每个放置电刷的位置，根据电流的大小，往往是并排放一组电刷，这一组电刷装在一个刷杆上。电刷的组数即电刷杆数与主磁极的极数相等，各刷杆装在一圆形的可以转动的刷杆座上，转动刷杆座即可谓整电刷在换向器表面的位置，位置调整好后，即可将刷杆座固定在一端的端盖上。端盖端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转于，将定转于连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。b转子直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴承、风扇等。电枢铁心电枢铁心既是主磁路的一部分，又要嵌放电枢绕组。为了减小铁心损耗，电枢铁心一般由涂有绝缘漆硅钢片冲压后叠压而成，冲片外沿的槽是用于放置电枢绕组的，槽间的铁心为齿部，齿面的圆周称为电枢的轭部，轭部上的一些小圆孔是通风孔；叠压好的电枢铁心最后和转轴装为一体。换向器由直流电机的工作原理可以看出，在直流发电机中换向器将线圈中的交流电转换为直流，在直流电动机中换向器将电源的直流电转换为线圈中的交流电，所以换向器也是直流电机中的关键部件之一。换向器是由许多个楔形铜片所组成，每个铜片上宽下窄，把所有换向片组合在一起便成为一圆筒形。每个换向片和相邻换向片间用一薄云母片绝缘。换向片和云母片组成的圆筒两端用v型云母套筒和v型金属压圈压紧，以使其成为一个整体并保证其绝缘性能，这样就构成了一个换向器。将换向器装到转轴上，每个电枢线圈的首端和尾端的引线分别焊人相应换向片的升高片。电枢绕组电枢绕组是直流电机中极为重要的部件。电枢绕组由许多个完全相同的线圈按一定的规律连接组成。线圈用绝缘的圆形或矩形导线绕成。每个线圈分上下两层放在电枢铁心的槽内，上下层间及线圈与电枢铁心间都要妥善地绝缘。线圈下好后，槽口要用竹制或胶木制的槽楔封好，以免在转动时线圈受离心力的作用被甩出来。电枢绕组在磁场中切割磁通产生感应电势。当电枢绕组中流过电流时，电流与磁场作用产生电磁转矩，在直流电机的机电能量转换中电枢绕组起重要作用。电枢铁心、换向器装在转轴上构成转子，通过两端的轴承支撑装在端盖上与定子装配，轴上还装有风扇用于通风冷却。三电动机稳定运行的条件由于取球电机（即小轮子上的电机）要求以一定的速度稳定运行，这个电机的稳定运行能力对于能否有效地成功地取球有着至关重要的影响。因为取球的时候是底盘电机和取球电机一起配合动作的，两个电机的匀速运动能力特别是在取球时摩擦带运输球的过程中的稳定运行是很重要的。机电传动系统里，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配合。特性配合好的最基本要求是系统要能稳定运行。机电传动系统的稳定运行包含重含义：一是系统应能以一定的速度匀速运转，二是系统受某种外部干扰作用（如电压波动、负载转矩波动等）而使运行速度稍有变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。当电动机拖动负载旋转在任一转速时，电动机和负载的转矩分别受到各自机械特性的约束，未必是相等的。如果这时电动机的转矩大于负载转矩，这个系统处于加速状态，反之，如果电动机的转矩小于负载转矩，系统处于减速状态。为了保证系统匀速运转，必要条件是电动机轴上的拖动转矩tm和折算到电动机轴上的负载转矩tl大小相等，方向相反，相互平衡。从tn坐标平面上看，这意味着电动机的机械特性曲线nf(tm)和生产机械的机械特性曲线nf(tl)必须有交点。如下页图所示，图中，曲线为异步电动机的机械特性，曲线为电动机拖动的生产机械的机械特性（恒转矩型的），两特性曲线有交点a和b，交点常称为拖动系统的平衡点。但是机械特性曲线存在交点只是保证系统稳定运行的必要条件，还不是充分条件，实际上只有a点才是稳定平衡点，因为在系统出现干扰时，例如当负载转矩突然增加了tl，则tl变为tl，这时，电动机来不及反映，仍工作在原来的a点，其转矩为tm，于是tmtl，由拖动运动方程可知，系统要减速，即n要下降到nanan，从电动机机械特性的ab段可看出，电动机的转矩tm将增大为tmtmtm，电动机的工作点转移到a点。当干扰消除（tl0）后，必有tmtl迫使电动机加速，转速n上升，而tm又要随n的上升而减小，直到n0，tmtl，系统重新回到原来的运行点a；反之，若tl突然减小，n上升，当干扰消除后，也能回到a点工作，所以a点是系统的稳定平衡点。在b点，若tl突然增加，n要下降，从电动机机械特性的bc段可看出，tm要减小，当干扰消除后，则有tmtl使得n又要下降，tm随n的下降又进一步减小，使n进一步下降，一直到n0，电动机停转；反之，若tl突然减小，n上升，使tm增大，促使n进一步上升，直至越过b点进入ab段的a点工作点。所以，b点不是系统的稳定平衡点。由上可知，对于恒转矩负载，电动机的n增加时，必须具有向下倾斜的机械特性，系统才能稳定运行，若特性上翘，便不能稳定运行。从以上的分析可以总结出机电传动系统稳定运行的充分必要条件是：、 机的机械特性曲线nf(tm)和生产机械的特性曲线nf(tl)有交点（即拖动系统的平衡点）；、 转速大于平衡点所对应的转速时，tmtl，即若干扰使转速上升，当干扰消除后应有tmtl0；而当转速小于平衡点所对应的转速时，tmtl，即若干扰使转速下降，当干扰消除后应有tmtl0。只有满足上述两个条件的平衡点，才是拖动系统的稳定平衡点，即只有这样的特性配合，系统在受到外界干扰后，才具有恢复到原平衡状态的能力而进入稳定运行。取球电机的稳定性关系到整个机器人能否完成取球和投球的任务，所以，一定要使电机工作在平衡点上。四电机各参数的选择取球电机：、额定电压为dc24v、功率的选择：理想状态下，电动机的实际功率负载转矩角速度；由于取球过程中，负载转矩是跟着取到导轨1内的球的个数的改变而改变的，转速也因负载的改变而有变化。所以，电机额定功率的选择要以取到导轨1里的球的最多个数时的功率为基础。取球的稳定性和可行性要求取球速度不能太快，要利于人工控制顺利地取球。但是由于比赛的时间限制，要求取球速度越快越好，争取留多一点的时间给投球部分的动作。这是一对矛盾，综合考虑矛盾的两个方面，初定电机为一秒钟转一圈，即转速n为60r/min。而小轮的周长为：c d154483.56mm因为皮带上拨球板之间的间隔为196mm(因为带子的周长还要考虑到张紧程度，制作误差等因素，所以，有一个间隔的宽度用来抵消带子周长的不确定性，即这个间隔的宽度大约为196mm，估计误差为5mm)，4831962.4，所以电机转动一圈，就有2片或者3片拨球板扫过，即一秒钟可以取2个或者3个球，既可以保证稳定，取球的时间也不算慢。所以，电机的初定角速度为2(rad/s)。负载转矩要以导轨1里有最多个数的球时的情况来计算。导轨1里最多可以装7个球，小轮子的半径为154277(mm)，大轮子的半径为2842142(mm)，所以，负载转矩为： tfl70.155kg9.8n/kg(0.0770.142)/2m 1.17nm理想功率为:p0t 1.172(w) 7.4w考虑到该机构是张紧的，运动零件间的摩擦力不能忽略（例如转轴与固定座之间的摩擦力），还有两个轮子的转动能量消耗，所以，应把理想功率乘上一个系数1.5，pp01.3 9.6w所以，取球电机的额定功率为9.6w。考虑到标准值，购买的电机额定功率是p10w。、额定电流 ipu 10w24v 0.42a取球电机的额定参数如下：dc24v 10w 60rpm 0.42a拨球小电机：拨球小电机需要的扭矩不大，转速也不大，所以，功率不大。考虑尺寸的精小和质量的尽量轻，所选拨球小电机的参数如下：dc24v 3w 40rpm 0.125a。（） 摩擦带的设计及制作在手动机器人中，摩擦带也是很重要的零件。此摩擦带的作用类似于同步带，但由于齿型同步带和同步带轮质量重，所以，不选用同步带。摩擦带是张紧的，一方面由于和小轮（主动轮）的静摩擦力而跟主动轮表面以相同的线速度一起运动，另一方面也由于静摩擦力的缘故带动大轮（从动轮）一起运动。摩擦带的外表面连接有拨球板（如左图所示），其作用是拨球进导轨，然后载着球沿着导轨运动。拨球板的材料是薄铝片，以铆接的方式跟摩擦带连接在一起，所以摩擦带要有足够的强度和韧性。表面要有足够的粗糙度。经过不断地寻找和试验，最后确定使用的摩擦带名叫“片基带”。此片基带有三层材料，中间一层是尼龙，两边各一层是纤维。其材料的特点使该摩擦带具有表面粗糙，强度和韧性足够的特点。如下图所示。摩擦带的尺寸参数为：（周长）（宽）.（厚）（） 取球轮的设计及制作在取球机构中，小轮子（主动轮）由电机驱动旋转，通过静摩擦力带动摩擦带运动，而摩擦带则通过静摩擦力带动大轮子（从动轮）运动。所以轮子的表面与摩擦带要有一定的静摩擦系数，才能保证整个机构传动的平稳性。但是直径为175和284的现成的轮子质量都非常重，所以，只能选择合适的材料来自己加工制作出符合摩擦要求和质量要求的轮子。经过试验，最后选择用于脚轮机构中的尼龙轮作为材料来进行加工。如左图所示。尼龙材料有很强的耐久性，抗酸、碱及各种油污，有一定的抗冲击力，噪音小。主动轮的零件图如下（开三个椭圆孔是为了减轻质量）：制作出来的主动轮的效果图如下：从动轮的零件图如下（开六个扇形孔是为了减轻质量）：制作出来的从动轮的效果图如下：（） 驱动轴的设计及制作取球机构中有两个轴，即小轮轴和大轮轴。考虑到材料的质量和加工的简便性以及强度，小轮轴材料用铝，零件图如下：大轮轴则用不锈钢管代替，由于大轮子与轴是有相对滑动的（小轮轴与小轮子之间没有相对滑动），所以，还需要一个轴承，轴承则用塑料王加工而成，尺寸是与不锈钢管和大轮子中心孔配做。（） 导轨的设计及制作考虑到质量尽量轻的原则。导轨1用若干条钢线拉直而成。导轨2则是锡箔筒，有一定的刚性和强度，而质量则是非常地轻。 取球机构的安装与调试取球机构的各零件制作好，然后按图纸装配起来，装配的时候通过适当微调两个轮子的竖直距离，可以调节摩擦带的张紧程度，从而改进取球的效果。取球时取球电机和底盘轮子电机以一定的速度比一起工作，在机器人前进的过程中，前进方向上的球就被一个一个地拨进导轨1和导轨2里。只要控制好机器人取球时的初始位置和方向，就能顺利地取到球。经过练习，从手动机器人出发点开始出发到取完8个球，时间可以控制在30秒至45秒之间，很好地为接下来的投球提供了宝贵的时间。二手动机器人其他机构的安装与调试投球机构简介投球机构采用不完全齿轮齿条机构，由电机驱动不完全齿轮旋转，齿轮带动跟其啮合的齿条做直线运动，齿条一端连接有弹簧及炮筒机构，齿条运动压缩弹簧，当不完全齿轮转到一定的位置，齿条和齿轮脱离啮合，压缩的弹簧自由释放，炮筒内的球就被射出去，从而达到了投球效果。投球机构效果图如下： 手动机器人的安装与调试手动机器人装配效果图如下：机器人各零件按照一定的先后顺序装配起来，通过多次的装拆装拆，对一些尺寸或者形状不合理的零件进行修改，直到最后达到最合理最理想的装配效果。机器人加上装饰机器人外观的材料，总质量不超过17kg，达到了要求。机器人的控制核心部分是89c52单片机。在调试的过程中，也就是练习的过程中，通过人工手柄按纽来对机器人的单片机io口输入信号。然后通过程序，单片机输出各种信号，从而控制各个电机，实现机器人的各个动作。首先是控制机器人底盘两个轮子电机工作，机器人以高速从出发点走到取球区域。然后调整好位置与方向，控制取球小轮子电机和底盘轮子电机同时协调工作。在大轮子下方装有光电传感器，每检测到一个