毕业设计（论文）-自动搬运机器人机械部分的设计（含全套CAD图纸） .doc

全全日日制制普普通通本本科科生生毕毕业业设设计计 自动搬运机器人机械部分的设计自动搬运机器人机械部分的设计 the design of automatic handling robot in mechanical part 由于部分原因，说明书删除部分，完整版说明书，由于部分原因，说明书删除部分，完整版说明书，cad 图图 纸，联系纸，联系153893706 学生姓名学生姓名： 学学 号：年级专业及班级：号：年级专业及班级：20082008级机械设计制造及其级机械设计制造及其 指导老师及职称：学指导老师及职称：学 部：部：理工学部理工学部 提交日期：2012 年 5 月 全日制普通本科生 毕业设计诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进 行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了 谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录 摘要.1 关键词.1 1 前言 2 1.1 2011 年亚太机器人大赛比赛主题与规则 .2 2 机器人创意设计与方案 3 2.1 机器人一般组成3 2.2 本次机器人设计原则4 2.3 比赛策略4 2.4 研制概要4 3 自动组装机器人机械设计 5 3.1 搬运机器人的任务及应完成的动作5 3.2 材料的选择7 3.3 底盘部件的设计8 3.3.1 轮子的选择8 3.3.2 底盘的确定9 3.3.3 机械定位的设计.11 3.4 自动搬运机器人搬运机械手的设计.12 3.4.1 机械手设计要求.12 3.4.2 机械手腕设计.12 3.4.3 张合机构的设计13 3.4.4 升降臂的设计.16 3.4.5 张合传动的动力安装设计.18 3.5 自动搬运机器人升降部件的设计.18 3.5.1 升降机构的分析.18 3.5.2 升降机构的传动的设计.18 3.6 电机的选择.20 3.6.1 电机选样.20 3.6.2 底盘电机选择.22 3.6.3 升降电机的选择.23 3.6.4 张合电机的选择.25 3.7 齿轮的设计.25 3.7.1 升降齿轮传动的设计 .25 3.7.2 张合齿轮传动的设计 29 4.1 对有限元分析软件的介绍.30 4.2 对主升降臂进行受力分析.30 5 结论 .34 参考文献34 致谢35 附录36 1 自动搬运机器人机械部分的设计自动搬运机器人机械部分的设计 摘 要：随着国内外机器人竞赛热潮的兴起，大学生亲自动手制作机器人已成为参加机器人大 赛的主要方式。本人作为湖南农业大学2011年亚太大学生机器人大赛的参赛队员，参与了机器人的设 计和制作整个过程，在创新设计能力、动手能力和培养团队合作精神等方面都得到了提高。而本次设 计的简易自动组装机器人是一台自动化程度较高的机器人，这个机器人由行走模块、主控模块和机械 手臂组成。需要完成一定难度的“水灯”组装工作并将组装好的水灯放入“小河”中（题目源于2011 年亚太大学生机器人大赛）。这对机器人的竞争力、灵活性、准确性有较高要求。机器人的控制系统 采用单片机或 arm 作底层控制模块，充分利用单片机高处理能力。机器人的机械结构采用铝型材制作， 利用铝型材轻便加工方便的优点。 关键词：机器人；搬运；全向轮 the design of automatic handling robot in mechanical part abstract: with the rise of domestic and international robot competition boom, hands-on production robot made by college students has become the main way in robot contest. as a student of orient technological institute, hunan agricultural university, and a player of asia-pacific college students robot contest, 2011, i participated in the entire process of design and manufacture of the robot, our ability in innovation and creation, and the spirit of cultivating teamwork have been improved in all aspects. the design of simple automatic assembly robot is a kind of higher automatization which composed by walking module, control module and mechanical arms modules. its a little difficult to complete the consistent of “water lanterns” and put them in the “small river” properly. (the subject comes from abs asia-pacific robot contest) that requires higher standard in competitiveness, flexibility and accuracy in robot. the robot control system adopts single-chip microcomputer or arm as bottom control module; make full use of single-chip microcomputer high processing ability. robot mechanical structure was made of aluminum section that possessing the advantage in deft processing. 2 key words: robot;handling;omni-wheel 1 前言 机器人涉及多学科交叉综合；人工智能、机器人技术、通信技术、传感器技术、信 息及编程技术、计算机学、材料学、电子技术、传动技术、接口技术、电机拖动学、精 密机械技术、自动控制理论、伺服传动技术等诸多领域的技术集成。因此难度高、技术 综合性极强，能充分锻炼参与者多学科综合及设计能力和团队协作精神。2011年全国大 学生机器人大赛机器人主要任务是由手动机器人将“水灯”的各个部件运往普通区，再 由自动机器人拿取水灯的各部件完成组装并放入“小河”中，点上“烛火”完成水灯制 作（先完成者胜利） 。比赛结束。 在这种互相干扰不大、主要比拼速度及精度的竞赛中，制作的机器人越稳定，越高 速，就越有可能取得比赛的胜利。本人参与设计的简易自动组装机器人就是参加该项比 赛的机器人之一。 1.1 2011年亚太机器人大赛比赛主题与规则 图1 比赛道具-（组装完成的河灯） fig.1 competition props - (the assembled lanterns) 每个参与比赛的代表队上场的机器人不超过三个；包括一个手动机器人和一个（或 两个自动机器人） 。手动机器人必须完成拿起3敬香盆的首要任务、并放置在普通区。在 此之后，该手动机器人将带来一个基座放在组装点位置。该手动机器人将收集普通区的 三柱香，用于后面的水灯组装。 自动机器人将收集水灯花瓣和花，把它们摆放在准备点。机器人会自动组装一水灯 和一花花瓣在位于组装点族的基座上。在完成这项任务， 手动机器人将三炷香放入水灯 进行装饰。自动机器人将携带完成装配的水灯放到河面上。机器人任何部分不能接触河 3 面。 最后，只有一个自动机器人将拖放顶部烛光火焰完成了流域地表水灯漂浮蜡烛。第 一队点亮蜡烛灯火焰成功就是本场比赛的冠军。这种类型被称为获奖 “水灯节”。比赛 场地如图2。 图2 比赛场地 fig.2 venues 2 机器人创意设计与方案 2.1 机器人一般组成 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。 执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动 副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和 运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关 节坐标式等类型。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力 元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱 动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱 动装置。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统， 与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。 控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机 完成。另一种是分散式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两 4 级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学 计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个 cpu，进行插 补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。 2.2 本次机器人设计原则 对于此次比赛的机器人来说，主要考验的是机器人的行走路线、机器人运行的稳定 性、快速性、准确性以及可操作性。通过总结往届的经验，小组制定了如下机器人设计 原则。 1)机器人必须与大赛的主题相吻合，创意独到，在遵循规则的前提下能巧妙地合理 地利用规则。 2)机器人必须具有较高的速度(包括加速度)，比赛中谁的速度快，谁就能在更的时 间内完成组装搬运工作，抢得比赛的先机，因此小组制定了速战速决的战术。 3)机器人必须稳、准。指机器人运动的机动性、稳定性和组装水灯的准确性。速度 只有与机动性、灵巧性和准确性结合才能相得益彰。才能在竞争激烈，赛况瞬息万变的 比赛中获得胜利。 4)机器人应具有高智能。目前大部分自动机器人尚处于预编程的水平上，无法达到 高要求的定位标准。如果机器人的智能水平能够有所提高，能够正确的处理瞬息万变的 赛场信提高定位能力，那么就能更快更好的完成组装和搬运。 5)机器人代表队的配合默契程度。指自动机器人、手控机器人的配合要好，因为比 赛不是比拼单台机器人的功能，小组特别强调机器人团队之间的协同作战。 2.3 比赛策略 在比赛一开始机器人就以最短路线运动到组装区域，并利用编码盘导引调整行动误 差保证最后准确的定位在组装区中心位置，然后机器人转向去抓取待组装的水灯部件进 行组装，完成组装后将组装好的水灯夹取放入小河中。 2.4 研制概要 根据大赛规则，小组经过了多次集体讨论，初步确定了机械结构的设计方案： 1)手动机器人任务：将3敬香盆放置在普通区，然后将带来一个基座和蜡烛装饰放在 组装点族位置，并且该手动机器人将收集普通区的蜡烛，再次用于在水灯大会。 2)自动搬运机器人：将收集水灯花瓣和花，并把它们摆放在准备点。 5 3)自动组装机器人：将会自动堆叠（组装）一水灯和一花瓣在位于组装点族的蜡烛 基座上，然后将组装好的水灯放入小河中。 3 自动组装机器人机械设计 3.1 搬运机器人的任务及应完成的动作 根据比赛规则要求，机器人将抓起如下图3所示花瓣和图4花，花朵由一个圆柱形泡 沫做成，其重量，中心孔直径为76毫米，外圆直径280毫米,高度为100毫米。花gm250 瓣是由一个圆柱形泡沫做成，其重量，中心孔直径为76毫米，外圆直径为400毫gm250 米,高度为100毫米。 图3 花瓣 fig.3 petal 图4 花 fig.4 flower 在比赛一开始机器人从图5启动区出发，在储存区取得全部花瓣和花，在移动到准备 区，分别把两组花瓣和花放置好，自动机器人成功的把两个花瓣和两花放在4个准备点上 得40分，每个10分。从启动区到储存区有2750mm 的距离，从储存区到第一个准备点的距 6 离是2500mm，第一个准备点到第二个准备点的距离是2500mm。设计完成此任务机器人总 共需要18秒。机器人运动分解（蓝队场地既上图图5所示场地）： 1)机器人从启动区向存储区平移2750mm； 2)机器人前行500mm； 3)机器人后退500mm； 4)机器人按逆时针旋转90； 5)机器人向准备点1平移2500mm； 6)机器人前行500mm； 7)机器人后退500mm； 8)机器人向准备点2平移2500mm； 9)机器人前行500mm。 根据需要完成的任务分析，将机器人的机械结构总体设计分为三大部分，即底盘部 件设计、机械手部件设计、升降部件设计。 （1、存储区， 2、启动区， 3、准备点2， 4、准备点2） 图5 蓝队场地 fig.5 blues site 3.2 材料的选择 比赛机器人使用的材料大部分用于结构，一般应该是金属材料。机器人承载和运动 不应产生严重变形和断裂，从力学角度即具有足够的强度。因此主要材料选各种碳钢和 7 铝合金。这两者比较，比赛机器人负载小、自重轻，因此特别讲究强度、刚度以及抗磨 损性的构件，一般更多的选用铝合金作为结构件的材料。表 1 是钢和铝的典型机械特性 比较。铝的强度约为钢的 1/3，而密度也大约是钢的 1/3，既两者的比强度相差无几，但 是铝合金的质量相对轻 1/3。材料截面对构件质量和刚度施加重要的影响，因此通过合理 的选择构件的截面，如空心圆截面、空心矩形截面、工字截面等；合理的搭建构件如三 角形结构、梯形结构等，这两方面都可以较好的满足机器人的使用要求。 若空心矩形截面是边长为 a、壁厚为 t 的正方形，空心圆截面的外圆直径也为 a，壁 厚也为 t，且令通过计算可以得出，在相同壁厚的条件下，正方形空心截面比空at2 . 0 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。 若比较条件改为空心矩形截面和空心圆截面型材的截面相等，且，设空心圆ad 0 截面壁厚，可以计算出正方形空心截面的壁厚为。此时正方形空心atd2 . 0atf147 . 0 截面比空心圆截面的刚度提高了 40%60%. 表 1 钢和铝的典型机械特性 9 table 1 manipulator gear parameters 钢 铝 备注 密度 铝是钢的 1/3)/( 3 mkg 6 108 . 7 6 107 . 2 拉伸弹性模量 铝是钢的 1/3pae / 9 101 . 2 9 107 . 0 剪切切变模量 pag/ 9 1086 9 1026 泊松比 金属约为 0.3331 . 0 33 . 0 膨胀系数 1 / k 5 101 . 1 5 104 . 2 拉伸强度 pa/ 9 101 . 4 约 9 1025 . 0 约 因此无论从何种角度来衡量，空心矩形截面都比空心圆截面的刚性优越。从设计、 装配的角度来看，矩形截面也有一定方便之处。综合考虑本机器人的制作材料主要以方 铝合金为主。 3.3 底盘部件的设计 3.3.1 轮子的选择 8 将轮子划分为传统轮系,包括固定方向轮( fixed wheel ) 、同心方向轮( centered orientablewheel) 和偏心方向轮(off2centered orientable wheel) ,和自由方向轮系, 如swedish 轮、球轮等. swedish 轮也称mecanum 轮,由轮辐和固定在外周的许多小滚子 构成,轮子和滚子之间的夹角为,通常夹角为90,如图7-a所示。 4 对全向轮进行分析可知(分析图如图6-b)，全向轮具有三个自由度, 即可朝三个方向 运动： 1)当全向轮向 y 轴方向运动时，轮子绕轴心转动； 2)当全向轮向x轴方向平移时，轮子锁死鼓轮绕滚子轴心转动 a b 图6 全向轮 fig.6 omni-directional wheel 3)当全向轮沿 z 方向移动时，轮子绕轴心转动，鼓轮也绕滚子轴心转动。即当全向 轮沿 z 方向移动时，轮子运动轨迹由1、2两者的运动合成而得。 综上分析传统轮系和自由方向轮系两种轮系都能实现机器人移动与定位的设计需求。 但是两者均有利弊： 1)传统轮系 优势：制造简单、价格便宜 弊端： 要改变运动方向只能在平面内转向、转向半径大、转向时间长 2)自由方向轮系 优势：可以实现多方向平移、改变运动方向基本无须转向 弊端：控制算法复杂 由上述对比可以看出自由方向轮系在平面移动和运动方向改变上有巨大的优势。依 托机器人小组多年对机器人控制算法技术的研究与创新，在控制技术方面完全有能力对 9 全方位轮进行精确控制，从而弥补全方位轮控制算法难的问题。由于全方位轮的优势比 传统轮系的优势更大更能满足机器人的设计理念，所以选用全方位移动轮作。 21 3.3.2 底盘的确定 为了使机器人能够快速的定位就需要有足够的灵活性，在使用全向轮作为动力轮的 时候我们就必须考虑底盘形状的问题。底盘大体可分为三轮底盘和四轮底盘它们的功能 特性也有很大差别。 (1)四轮底盘。动力轮分布在底盘的四个方向两两同轴且相互垂直，轮心到 p 底盘重 心 o 的距离都等于 a 如图 7 所示： 图 7 四轮底盘分析图 fig.7 round were chassis 假设每个轮子与地面的摩擦力分别为、,按照力学公式推导如下： 1 f 2 f 3 f 4 f （1） 31 fffx （2） 42 fffy （3） )a()a()a()a( 4321 ffffmo 1)当；与方向相同 此时机器人向 x 方向运动（图7-a）。 31 ff 1 f 3 f0 42 ff 10 2)当；与方向相同 此时机器人向 y 方向运动(图7-b)。 42 ff 2 f 4 f0 31 ff 3)；与方向相反与方向相反时此时机器人原地旋转(图7-c)。 4321 ffff 1 f 3 f 2 f 4 f 4)，2 ；方向与相同此时机器人向与的合力方向移 131 fff 242 fff 1 f 2 f 1 f 2 f 动(图7-d)。 (2)三轮底盘。三轮底盘三轮分布成等边三角形，动力轮分布在三条垂直平分轴线上， 且到重心距离相等如图8所示。 图8 三轮底盘分析图 fig.8 three rounds were chassis 假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为、，按照力学公式推导如下： 1 f 2 f 3 f （4） 30cos30cos 32 fffy （5） 123 30in30sinfsfffx （6） )()()( 3210 afafafm 1)当；和的方向如图9所示方向，且时机器人向 y 方向运动。 32 ff 3 f 2 f0 1 f 2)当；与方向如图9所示；或此时机器人向 x 方向运动。 321 22fff 2 f 3 f0 32 ff 3)；方向与图示相反和方向与图示一致时 此时机器人原地旋转。 321 fff 3 f 1 f 2 f 11 4)此时如果依照四轮底盘第4种情况分析不能得到，能产生一个朝向任意方向的合力 但无法使这样机器人就会走出一个弧线。当合力方向在大约35时，也就是0 0 m0 0 m 三轮底盘只能朝与水平线相差35的斜线方向直线移动综上分析两种底盘都能实现平移和 走某一方向斜线均可以满足设计需求。但是两者均有利弊： 1)三轮底盘的优势是：设计简便，平面度要求低，能保证3个轮子在同一平面内，能 灵活转向。弊端是：只有35角度斜线不能朝向任意角度平移。 2)四轮底盘的优势是：可以向任意方向平移。弊端是：平面度制作加工精度要求高， 因机器人的重量因素，所用的轮子都是刚性，在我们的制作技术上很难保证四个轮的着 地点都在同一平面上。 由于比赛规则要求机器人需要上一个斜台，四边形底盘由于平面度问题无法做到这 一点，而且三轮底盘在制作中平面要求相对较低并且可以通过软件程序的补偿算法实现 很好向前、横移、角度平移等效果，所以选用三轮底盘。 3.3.3 机械定位的设计 图9 机器人底盘 11 fig.9 robot chassis 机械定位装置在工业自动化过程控制设备中电动执行机构实现机电一体的关键技术。定 位是否精准直接关系到设备的控制精度和稳定性以及运转寿命。而在机器人大赛中也一 样，有精准的定位会使机器人做事的效率更高，能更精准快速的完成规定的任务。机械 定位虽没有电气定位的种类多，但也有一定的优势。首先，结构更简单，无需耗能，可 配合电气元件同时定位；其次，减少电气控制的压力、使机器更简单，更安全；其次， 12 采用机械定位装置可补偿电气定位的误差，使精度进一步提升。在比赛场地中花和花瓣 无论在的储存点或准备点都是放置在立柱的顶端，而且立柱是固定的呈一字排列，各立 柱之间的中心距离是 500mm，在机械手取花和花瓣时动作只发生在 800mm 高的柱顶，经 分析把机械定 此处已删除此处已删除 （55） 圆整后取 ；。mmb30 1 mmb5 2 (7)小齿轮零件图见附录，图号为（zdjqr-38）。 3.7.2 张合齿轮传动的设计 因机械手张合的速度需配合路径 3、4、5、和 7、8、9 动作的节骤，机械手由张开状态 变为闭合状态时所需的时间设定为，此机器人选用的电机输出转速为：160 转/分。st3 取传动比此处的齿轮传动受力小，传动简单，故齿轮的设计由升降齿轮的设计类10:1i 比而得，其传动齿轮参数如表 2 所示。 8 表 2 机械手齿轮参数 table 2 manipulator gear parameters 样 品 模数 m 齿数 z 压力角 齿点高系数 ha 齿顶间隙数 c 大齿轮 1.75 192 20 1 0.25 小齿轮 1.75 17 20 1 0.25 表 3 机械手齿轮参数 table 3 manipulator gear parameters 13 样 品 模数 m 齿数 z 压力角 齿点高系数 ha 齿顶间隙数 c 大齿轮 1.75 172 20 1 0.25 小齿轮 1.75 17 20 1 0.25 4 对主要零件的受力分析 4.1 对有限元分析软件的介绍 此机器人设计过程中主要使用的三维软件是 solidworks2010然而为了方便，受力分 析用 solidworks2010 simulationxpress ，solidworks simulationxpress 为 solidworks 用 户提供了容易使用的初步应力分析工具。simulationxpress 通过在计算机上测试您的设计 而取代昂贵并费时的实地测试可帮助我们降低成本以及研发周期，可以对设计的机器进 行安全分析使设计好的机器能更早发现问题。simulationxpress 对零件的分析都必须经先 完成六个步骤的设置，他们分别是：夹具；载荷；材料；运行；结果；优化。分析结果 的精确度取决于材料属性、夹具以及载荷。要使结果有效，指定材料属性必须准确描述 零件材料，夹具与载荷也必须准确描述零件的工作条件。 12 4.2 对主升降臂进行受力分析 取机器人中主升降臂为对象进行受力分析，打开主升降臂（如图22） 1)打开 solidworkssimulationxpress，确定好夹具； 2)由 solidworks2010仿真分析得出杆受力为50n；现在主升降臂上加载2倍的作用力 100n； 3)材料设定为铝合金 6061；(6061 合金的屈服强度：55148500 牛顿/m2) 4)设置好网格运行（如图 23） ； 14 图22 主升降臂 fig.22 the lord hoist arms 图23 网格分析 fig.23 grid analysis 5）运行模拟输出结果（如图 24、25、26、27） 15 图24 应力分析 fig.24 stress analysis 图25 位移分析 fig.25 displacement analysis 16 图26 变形分析 fig.26 deformation analysis 图27 安全系数分析 fig.27 safety factor analysis 表4 分析结果 table 4 analysis results 零件名称 最大位移值 最大应力值（von mises） 安全系数 主升降臂 0.2258mm 1190.5805mpa 1 17 由有限元分析结果表3可知主升降臂的各项性能指标均能达到设计要求，材料的选用 合理。 5 结论 毕业设计是毕业前的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的一次综合应用。 这一个过程对学生的学习能力和动手能力也是一个很好的锻炼机会。理论与实际相结合， 不仅把课堂上学的有关知识与技能训练相结合，还起到引导学生了解和接触社会实际的 作用。自动搬运机器人涉及到机械原理、特种加工、电子技术、微机控制、接口技术、 传感测试技术、程序编写及调试等多方面的知识，锻炼综合应用能力，在设计时自学了 大量的技术资料，充实了自己。 经过一个多月的努力，本毕业设计接近尾声。通过这个毕业设计，我不仅把知识融 会贯通，而且积累了许多机械设计和设计说明编写的经验，使自己在大学四年所学的专 业知识和动手能力有了很大的提高。我在机械设计方面的知识有很大的欠缺，所以在做 毕业设计的过程中，遇到了许多的困难，但这些困难能让我更深刻地体会到，不断去学 习和更新知识是很重要的。要想提升自己的能力，就必须亲自动手。只有在设计的过程 中，不断地去解决所遇到的问题，不断地去积累自己的经验，才能在毕业之后更快地走 上好的发展平台，为社会贡献自己的一分力量。 参考文献 1 全腊珍,张淑娟。画法几何与机械制图m.北京：中国农业出版社，2007.8 2 giorgio buttazzo, mauro marinoni and giacomo guidi: energy-aware strategies in real - time systems for autonomous robots.iscis 2004, lncs 3280,2004； 3 洪钟德.简明机械设计手册s.同济大学出版社，2002年5月第一版； 4 wener s: energy- optimal design of walking machines. multibody system dynamics, no.13,2005； 5 刘希平。工程机械构造图册m.机械工业出版社；1991.2 6 赵大兴。工程制图m.北京：高等教育出版社，2006； 7 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