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自动 搬运 机器人 机械 部分 设计

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湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）开题论证审批表学生姓名胡志斌学号200841914331年级专业及班级2008级机械设计制造及其自动化(3)班指导教师及职称康江副教授开题时间2012年9月25日毕业论文（设计）题目自动搬运机器人机械部分的设计（第十届全国大学生机器人比赛自动机器人设计）文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等）（宋体五号，行间距单倍行距。）一、选题研究意义1、通过对机器人机构的研究和设计掌握一般机构设计的步骤和方法。提高实际工作能力。如调查研究、查阅文献和收集资料并进行分析的能力；制订设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图能力；总结提高撰写论文的能力。2、设计机器人代表学校参加机器人大赛为学校争得荣誉。3、通过对课题的研究，了解国内外有关机器人的技术现状及发展趋势。机器人性能不断提高，而单机价格不断下降。机械结构向模块化、可重构化发展。4、通过毕业设计培养自己的创新精神，提供分析问题和解决问题的能力。培养我们综合运用所学的基础理论，基本知识和基本技能的能力，提高分析解决实际问题的能力。二、国内外研究现状1920年，捷克作家卡雷尔查培克（KarelCapek）编写了一部幻想剧：罗莎姆万能罗博特公司（“RossumsUniversalRobots”）。剧中描写一家公司发明并制造了一大批能听命于人，能劳动而且形状象人的及其公司驱使这些人造劳动者进行各种日常劳动，甚至取代了世界各国工人的工作，而进一步的研究竟能使这些机器富有感情，于是导致了它们反抗主人的暴乱。剧中的人造劳动者取名为捷克语Robota，意为“苦力”、“劳役”，英语Robot系由此衍生而来12。在机器人这一总的范畴之内，除了制造业中应用的工业机器人（操作臂）之外，还有种类繁多的各种机器人，分别应用在资源开发、排险救灾、社会服务和军事、航天等各方面3。美国斯坦福研究院的NilsNilssen和CharlesRosen等人1972年研造出了取名Shakey的自主移动机器人4。移动机器人是具有移动功能的机器人。通常，机器人的移动机构有轮式、履带式和步行式三种5。70年代末，随着计算机技术和传感技术的发展，世界上一批著名公司开始研究移动机器人平台，这些移动机器人平台主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台4。而我国在“七五”计划中把机器人列入国家重点科研规划内容。1990年后我国的移动机器人技术得到了很大的发展6。机器人技术的迅速发展，已对许多国家的工业生产、太空和海洋探索、国防以及国民经济和人民生活产生了重大的影响。近年来，关于智能移动机器人的研究得到了越来越多的重视。智能移动机器人具有学习、推理和决策的能力。为了提高智能移动机器人的这些能力，许多最新的智能技术在智能移动机器人中得到了应用，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能技术、人工神经网络技术、多传感器融合技术等。在我国，1985年已先后在几个学会内设立了机器人专业委员会。中国人工智能学会智能机器人学会也于1993年成立，并成功地举办了四届全国性的学术会议7。在机器人的研究领域，智能化、微型化是机器人的未来发展方向，而具有避障功能和自动搬运功能的智能搬运机器人是机器人研究领域的一个研究热点，在民用和军用领域应用前景广阔。智能移动机器人技术是一门综合性很强的高科技，涉及到计算机、自动控制、人工智能、力学等广泛学科领域中的许多前沿技术。自主移动机器人研究已被列入世界各国的高技术发展计划。如美国国防高级研究计划局（DARPA）的“战略生存与生存能力”工程、日本同产省的“极限环境下作业的机器人”发展计划、欧洲共同体的“尤里卡”计划，以及我国的“863”高科技计划中，都把有害环境如核工厂和战场使用的移动机器人作为重要的研究内容8。而以自主移动机器人为对象或应用领域的，基于适应、学习、进化机理，具有高级生命行为特征的自主系统的研究与开发，已成为21世纪初信息科学与生命科学富于挑战性的交叉研究领域之一。智能移动机器人的运动控制系统无疑是整个机器人的中心系统。智能移动机器人的运动场地，环境都可能是非常的复杂。有在低空执行侦查或作业的，有在深达几千米的海底，有在离地球几亿公里的火星上工作的，有在江海湖泊的，有在微观世界工作的9。对各种复杂环境和场地，有许多的学者专家都提出了各种运动控制方案。在文献10中，于金鹏提出基于多DSP的智能机器人运动控制系统的研究，使智能机器人体积更小，处理更快。在文献11中，孙昌安提出应用一种简捷的连杆组合建立了拟人双足步行机的结构模型并对其进行了动态步行稳定性研究。在文献12中，王敏，金波斯科，黄心汉提出了一种基于传感器和模糊规则的智能机器人运动规划方法。该方法运用了基于调和函数分析的人工势能场原理。采用模糊规则可减少推导势能函数所必须的计算，同时给机器人伺服系统发出指令，使它能够自动地寻找通向目标的路径。提出的方法具有简单、快速的特点。而在文献13中，王沫楠，孟庆鑫以八足步行机器人为研究对象，提出了基于“动力学补偿”的分布式关节伺服控制系统设计方案，详细介绍了单步行足结构、多关节驱动的控制实现及步行足控制实验系统，并且通过实验验证了控制器的可行性及性能。而对于搬运机器人，也同样有专家学者进行了一些研究。在文献14中，利用FPGA作为搬运机器人控制系统的检测和控制核心，控制机器人行走和机器人搬运。该控制系统采用有限状态机描述和硬件描述语言设计机器人控制器，具有自动纠偏、寻线准确、高集成度和高可靠性等特点。在机器人的避障功能设计上，在文献15中，张汝波,周宁对此进行了研究和论证。智能机器人是一个集环境感知、动态决策与规划行为控制与执行等多功能于一体的高智能化机器系统。在移动机器人自主行走的过程中，不可避免的会遇到一些障碍物。因此，导航技术是智能移动机器人的重点研究方向之一，也是移动机器人实现完全自主的必须解决的问题。所谓导航就是指移动机器人按照预先给出的任务命令，根据己知的地图信息作出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围的局部环境信息，自主地做出决策，调整自身位姿，引导自身安全行驶或跟踪己知路径到达目标位置。移动机器人导航技术涉及的最基础和最重要内容为传感技术。传感技术研究如何实时准确地获取周围环境信息、感知环境，从而为移动机器人自主决策提供依据。机器人利用超声波传感器对移动机器人周围的障碍物提取多方面的信息，为识别此障碍物提供依据。通过超声波传感器来收集周边环境的信息数据并通过这些信息建立起外部环境的模型，从而实现类似于人的避障行为。本课题就是从开发一个小型的智能搬运机器人出发，在机器人运动系统和执行系统基础上，进行智动搬运机器人移动功能和搬运功能的设计与分析，通过软件模拟来加以实现。在此基础上，完成相应的基础验证实验，做出实物进行测试。三、主要参考文献1周远清，张再兴等.智能机器人系统M.北京：清华大学出版社，19892蔡自兴机器人原理及其应用M长沙：中南工业大学出版社，20003熊有伦，唐立新,刘恩沧编机器人技术基础M.武汉：华中科技大学出版社，19964王志文，郭戈移动机器人导航技术现状与展望J.机器人,2003-9:470-4745宋伟刚编著.机器人学运动学、动力学与控制M.北京：科学出版社,20076吕恬生，刘文焕.机器人趣谈M.四川科学技术出版社,19997王耀南著.机器人智能控制工程M.北京：科学出版社,20048蔡自兴.机器人学M.北京:清华大学出版社，2000，l一219罗均，谢少荣，翟宇毅，王琦等编著.特种机器人M.北京：化学工业出版社，200610于金鹏.基于多DSP的智能机器人运动控制系统的研究D,济南：山东大学，200511孙昌安.用连杆组合的拟人双足步行机的设计与动态步行控制J.机械科学与技术,1995,54(2):374412王敏，金波斯科，黄心汉.基于传感器和模糊规则的机器人在动态障碍环境中的智能运动控制J.控制理论与应用,2000,6:81982513王沫楠，孟庆鑫.步行机器人控制方素及单足控制实验研究J.林业机械与木工设备,2003,5:1014研究方案四、研究目的自动搬运机器人机械部分的设计是一次探索科技、创新思维与实际行动结合的机会。其代表湖南农业大学用于参加第十届全国大学生机器人比赛。五、研究内容1、机器人的总体设计根据规定的题目进行合理的分析，分析各个需要完成的动作，设计出合理的机构，包括稳定的底盘，旋转机构、机身、机械手等。要保证机器人移动的稳定性、移动精度和移动方向设计了机器人专用的三轮底盘。三轮底盘具有全向移动、稳定性好。需要攻克的难点是三轮底盘的精度问题。2、电机的选择为了提高工作效率，需要电机高速运行并快速启停时，必须考虑它的升、降速控制问题。电机的工作性能直接影响机器人的定位精度、速度和响应能力，因此，采用高性能的直流伺服电机具有重要意义。直流伺服电机具有：1.体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽；2.低速力矩大,波动小，运行平稳；3.低噪音,高效率；4.后端编码器反馈构成直流伺服等优点等。3、齿轮的设计查阅相关的机械设计手册，选择合适的减速比、按照受力分析得到的数据设计以满足设计要求。4、材料的选取为了保证机器人的质量和重量，机器人的整体结构选用方铝，方铝具有重量轻质量好，能承受力大。六、研究方法在摘取花和香坛的升降采用了创新的设计，利用底盘的移动和机械手的抬起配合时得机器人在摘取过程中流畅精准。在机械手的设计上采用了齿轮控制上升下降减小了电机的功率要求，提高了控制精度，使机器搬运效率更高。这也是自动机器人设计的另一个创新点。七、预期成果1、提供0号设计图纸一张、1号设计图纸两张、零件图5张以上；2、撰写设计计算说明书一分；3、查阅参考资料文献15篇以上；4、设计出一台自动搬运机器人，能快速的完成所规定的搬运任务；5、用于第十届全国大学生机器人比赛并取得佳绩。6、机械设计应该稳定可靠，能够很好地与控制系统结合，完成高精度动作。八、条件保障1、康教授的亲临指导2、个人的学术基础3、相关机械设计软件、资料的支持4、湖南农业大学机器人小组的强力支持时间进程安排工作进度安排起止日期主要工作内容2011.9.202011.9.21下达任务书2011.9.202011.924查阅文献、收集资料2011.9.25完成开题报告2011.9.262011.12.30总体方案设计2012.1.22012.3.15总装图和零件图的绘制2012.3.152012.4.25撰写设计计算说明书2012.3.302012.4.1完成中期检查2012.5.62012.5.7提交毕业设计正稿2012.5.142012.5.20准备答辩并修改开题论证小组意见组长签名：年月日专业委员会意见专业教研室主任签名：年月日湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）中期检查表学 部： 理工学部 学生姓名胡志斌学 号200841914331年级专业及班级2008级机械设计制造及其自动化(3)班指导教师姓名康江指导教师职称副教授毕业论文（设计）题目自动搬运机器人机械部分的设计工作进度已完成的主要内容尚需解决的主要问题1、 开题报告2、 系统总体方案的设计3、总装图和零件图的绘制 1、 系统总体优化2、 总装图和零件图的优化3、 设计说明书撰写 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日检查（考核）小组意见 检查小组组长签名： 年 月 日湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文（设计）开题论证记录学 院： 东方科技学院 记录人： 学生姓名胡志斌学 号200841914331年级专业及班级2008级机械设计制造及其自动化(3)班指导教师姓名康 江指导教师职称副教授论文（设计）题目自动搬运机器人机械部分的设计论证小组质疑：1、自动搬运机器人底盘结构设计大致包含哪些方面的设计？2、你如何设计使得自动搬运机器人的机械手在启动前不超出规定的尺寸？3、如何实现自动搬运机器人行驶稳定性及定位的准确性？学生回答简要记录：1、自动搬运机器人底盘结构设计大致包含以下几个方面内容：电机选择、轮子选择、底盘结构、传动系等。2、因考虑到自动搬运机器人的工作量大又需考虑工作效率，针对此情况特设计了一套能变形的机械手使得机器人在未启动前，尺寸保持在规定的范围内。3、在自动搬运机器人设计过程中考虑到机器人上层机构搬运物体重量大，所以设计出了一个合理的底盘使得机器人在行驶过程中具有很好的稳定性。在定位方面结合了控制部分的编码盘传感器之外还特设计了机械机构来定位，两者互相补偿使得定位精准。论证小组成员签名 论证地点： 论证日期： 年 月 日 注：此表可从教务处网站下载中心下载。记录、签名栏必须用黑色笔手工填写。湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）任务书学生姓名胡志斌学号200841914331年级专业及班级2008级机械设计制造及其自动化(3)班指导教师及职称康江副教授学部理工学部2012年9月20日填写说明一、毕业论文（设计）任务书是学院根据已经确定的毕业论文（设计）题目下达给学生的一种教学文件，是学生在指导教师指导下独立从事毕业论文（设计）工作的依据。此表由指导教师填写。二、此任务书必须针对每一位学生，不能多人共用。三、选题要恰当，任务要明确，难度要适中，份量要合理，使每个学生在规定的时限内，经过自己的努力，可以完成任务书规定的设计研究内容。四、任务书一经下达，不得随意更改。五、各栏填写基本要求。（一）主要内容和要求：1工程设计类选题明确设计具体任务，设计原始条件及主要技术指标；设计方案的形成（比较与论证）；该生的侧重点；应完成的工作量，如图纸、译文及计算机应用等要求。2实验研究类选题明确选题的来源，具体任务与目标，国内外相关的研究现状及其评述；该生的研究重点，研究的实验内容、实验原理及实验方案；计算机应用及工作量要求，如论文、文献综述报告、译文等。3文法经管类论文明确选题的任务、方向、研究范围和目标；对相关的研究历史和研究现状简要介绍，明确该生的研究重点；要求完成的工作量，如论文、文献综述报告、译文等。（二）主要参考文献与外文资料：在确定了毕业论文（设计）题目和明确了要求后，指导教师应给学生提供一些相关资料和相关信息，或划定参考资料的范围，指导学生收集反映当前研究进展的近13年参考资料和文献。外文资料是指导老师根据选题情况明确学生需要阅读或翻译成中文的外文文献。（三）毕业论文（设计）的进度安排：1设计类、实验研究类课题实习、调研、收集资料、方案制定约占总时间的20%；主体工作，包括设计、计算、绘制图纸、实验及结果分析等约占总时间的50%；撰写初稿、修改、定稿约占总时间的30%。2文法经管类论文实习、调研、资料收集、归档整理、形成提纲约占总时间的60%；撰写论文初稿，修改、定稿约占总时间的40%。六、各栏填写完整、字迹清楚。应用黑色签字笔填写，也可使用打印稿，但签名栏必须相应责任人亲笔签名。毕业论文（设计）题目（第十届全国大学生机器人比赛）自动搬运机器人机械部分的设计主要内容和要求主要内容：1为我校参加全国第十届CCTV杯大学生机器人比赛设计一个自动搬运机器人。2该机器人主要在第十届机器人比赛中将收集水灯花瓣和花，把它们摆放在准备点。3机器人应该速度快、对抗性强、精度高。4该机器人应该能够与其它的机器人互相配合。5完成任务的时间应该控制在20秒内。6机械设计应该稳定可靠，能够很好地与控制系统结合，完成高精度动作。设计要求：1设计说明书不少于1.5万字。2提供0号设计图纸一张、1号设计图纸两张、零件图5张以上。主要参考资料（具体格式以规范化要求规定为准）1机械设计（第八版）濮良贵，纪名刚主编北京：高等教育出版社，2006；2机械设计课程设计金清肃主编武汉：华中科技大学出版社，2007；3简明机械设计手册，同济大学出版社，洪钟德主编，2002年5月第一版；4减速器选用手册，化学工业出版社，周明衡主编，2002年6月第一版；5工程机械构造图册，机械工业出版社，刘希平主编；6工程制图赵大兴主编北京：高等教育出版社，2006；7互换性与测量技术基础（第二版）徐学林主编，长沙：湖南大学出版社，2009.7；8减速器与变速器设施与选用手册）程乃士主编，北京：机械工业出版社，2006.10；9工程材料徐自立主编武汉：华中科技大学出版社，2003；10理论力学（I）（第六版）哈尔滨工业大学理论力学教研组主编北京：高等教育出版设，2005；11solidworks三维设计及应用教程M商跃进，曹茹北京.：机械工业出版社，2008.212Solidworks2007机械设计工程实践胡仁喜,刘昌丽.2007.713机械CAD/CAM技术王隆泰.第二版.2010.214Solidworks产品设计实例精解2004曹岩,李建华.北京：机械工业出版社,2004.615机械设计课程设计手册（第三版）吴宗泽，罗圣国，北京：高等教育出版社，2006.516画法几何与机械制图张淑娟，全腊珍，北京：中国农业出版社，2007.8工作进度安排起止日期主要工作内容2011.9.20-2011.9.21下达任务书2011.9.20-2011.9.24查阅文献、收集资料2011.9.25完成开题报告2011.9.26-2011.12.30总体方案设计2012.1.2-2012.3.15总体装配图和零件图的绘制2012.3.15-2012.4.25撰写设计计算说明书2012.3.302012.4.1完成中期检查2012.5.6-2012.5.7提交毕业设计正稿2012.5.14-2012.5.20准备答辩并修正要求完成日期：20年月日指导教师签名：接受任务日期：20年月日；学生本人签名：湖南农业大学东方科技学院湖南农业大学东方科技学院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学生姓名学生姓名：胡志斌胡志斌学学 号：号：200841914331200841914331年级专业及班级：年级专业及班级：20082008级机械设计制造及其自动化级机械设计制造及其自动化 (3)(3)班班 指导老师及职称：指导老师及职称：康江康江 副教授副教授学学 部：部：理工学部理工学部湖南长沙提交日期：2012 年 5 月湖南农业大学东方科技学院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.11 前言 .21.1 2011 年亚太机器人大赛比赛主题与规则 .22 机器人创意设计与方案 .32.1 机器人一般组成.32.2 本次机器人设计原则.42.3 比赛策略.42.4 研制概要.43 自动组装机器人机械设计 .53.1 搬运机器人的任务及应完成的动作.53.2 材料的选择.73.3 底盘部件的设计.83.3.1 轮子的选择.83.3.2 底盘的确定.93.3.3 机械定位的设计.113.4 自动搬运机器人搬运机械手的设计.123.4.1 机械手设计要求.123.4.2 机械手腕设计.123.4.3 张合机构的设计.133.4.4 升降臂的设计.163.4.5 张合传动的动力安装设计.183.5 自动搬运机器人升降部件的设计.183.5.1 升降机构的分析.183.5.2 升降机构的传动的设计.183.6 电机的选择.203.6.1 电机选样.203.6.2 底盘电机选择.223.6.3 升降电机的选择.233.6.4 张合电机的选择.253.7 齿轮的设计.253.7.1 升降齿轮传动的设计 .253.7.2 张合齿轮传动的设计 .294.1 对有限元分析软件的介绍.304.2 对主升降臂进行受力分析.305 结论 .34参考文献.34致谢.35附录.361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学 生：胡志斌指导老师：康 江（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）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 PartStudent:Hu ZhibinTutor:Kang Jiang(Orient Science&Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) 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 2the “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. Key words: Robot;handling;Omni-wheel1 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3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 Venues2 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4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。 52.4 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。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6Fig.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7Fig.5 Blues site3.2 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)/(3mkg6108 . 76107 . 2拉伸弹性模量 铝是钢的 1/3PaE /9101 . 2 9107 . 0剪切切变模量 PaG/9108691026泊松比 金属约为 0.3331. 033. 0膨胀系数 1/K5101 . 15104 . 2拉伸强度 Pa/9101 . 4 约91025. 0约8 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 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9 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。213.3.2 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 chassis10 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：1f2f3f4f （1）31ffFX （2）42ffFy （3）)a()a()a()a(4321ffffMo1)当；与方向相同 此时机器人向 X 方向运动（图7-a）。31ff 1f3f042 ff2)当；与方向相同 此时机器人向 Y 方向运动(图7-b)。42ff 2f4f031 ff3)；与方向相反与方向相反时此时机器人原地旋转(图7-c)。4321ffff1f3f2f4f 4)，2 ；方向与相同此时机器人向与的合力方向移131Fff242Fff1F2F1F2F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： 1f2f3f （4）30cos30cos32ffFy （5）12330in30sinfsffFx （6）)()()(3210afafafM11 1)当；和的方向如图9所示方向，且时机器人向 Y 方向运动。32ff 3f2f01f 2)当；与方向如图9所示；或此时机器人向 x 方向运动。32122fff2f3f032 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。321fff3f1f2f 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00M00M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11Fig.9 Robot chassis12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，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，经分析把机械定位设计在离立柱底面高为134的地方，这样设计既不影响上层机械手的运动，也不影响机器人的正常作业，其定位模型如图9所示。3.4 自动搬运机器人搬运机械手的设计3.4.1 机械手设计要求 机械手是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被22搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。机械手手爪设计有如下要求： 1)机械手是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计，在满足作业要求的前提下，机械手还要求体积小、重量轻、结构紧凑。 2)机械手的万能性与专用性是矛盾的。万能机械手在结构上很复杂，甚至很难实现，从实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。 3)机械手的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。 4)机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。因考虑到规则规定的立体尺寸限制（自动搬运机器人未启动的立体尺寸长、宽、高不得超过(1m1m1.5m）速度和效率的因素，特为此机器人设计了能伸展和收缩的实现13机变形的械搬运手，使机器人能在存储区一次性能把不对称存放的两个花和两个花瓣一次取下，又能分别把不对称的花和花瓣分别放置到准备点1和准备点2。3.4.2 机械手腕设计 机械手摘取花和花瓣主要以平端的形式完成（如图10），这样设计既简单又能精确的完成抓取花和花瓣的任务。图10 机械手腕Fig.10 Mechanical wrist因比赛时红蓝的摆放不同，因此机械手腕需需设计成既能端花又能端花瓣，花瓣的最大外径为400mm,花的最最大外径为280mm，综合考虑机械手腕的外形参数为：总长：345mm; 宽:200mm; 限位卡宽：385.89mm。3.4.3 张合机构的设计因比赛时间只有 3 分钟，在三分钟之内要求三台机器人要协调的配合完成点燃火焰的任务。而自动搬运机器人面对两个花和花瓣，一次抓一个显然效率太低耗时很长，面对这一问题，我设计出了一个张合变形机构，张合机构主要利用了齿轮、铰链、连杆三大机构的原理。(1)齿轮传动。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动，按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。8齿轮传动的优点：齿轮传动平稳、结构紧凑、传动比精确、工作可靠、效率高、寿命长、使用的功率、速度和尺寸范围大等。齿轮传动缺点：制造成本高，刚性传动没有过载保护作用，振动和噪音大等。14(2)铰链。铰链又称合页是用来连接两个固体，并允许两者之间做转动的机械装置。铰链可能由可移动的组件构成，或者由可折叠的材料构成，结构简单。5铰链的优点：结构简单。铰链的缺点：无法自锁。(3)连杆机构。连杆机构构件运动形式多样，如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动，从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。此外，低副面接触的结构使连杆机构具有以下一些优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小；制造方便，易获得较高的精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。平面连杆机构的缺点是：一般情况下，只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中作复杂运动和作往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。5连杆机构的优点：制造方便、磨损较小。连杆机构的缺点：设计复杂，精度不高、工作效率不高、易自锁。图11 机械手6Fig.11 manipulator综合三大机构的优点，设计出了如图 11 的机构。此机构包含了齿轮传动，连杆传动，铰链机构，既解决了连杆机构无法自锁的缺点，又解决了铰链机构无法自锁的弊端，利用齿轮作为中介把三者合一，使他们的优点都发挥出来，为搬运手机构能顺利完成任务得到了保障。15因存储区的四根立柱中心距为 500mm,，所以抓取时机械手展开四个手腕的中心距也应为 500mm,即、都为 500mm。由于尺寸限制机器人的长宽不得超出 1000mm。ijLjkLklL为保证余量先设 AD 宽度为 906mm，高度 H=225mm。在三角形 MBF 中有：222MFMBBFLLL （7）图 12 机械手简图Fig.12 Manipulator diagram从而有:BF 的长度：mmmmmmMFMBLBF82184.392)322()225(2222在三角形中有：1AEE （8）22211EEAEAELLL当机械手收合时的高度：mmmmmmBFBFH18.340)178()82184.393(22212机械手张开时的角度：06.14590arccos1BFh机械手闭合时的角度：06.6382184.39218.340arccos2BFH所以有机械手转过的最大角度为：8206.63-06.1452116图 13 四杆机构简图Fig.13 Four-bar diagram连杆和齿轮传动的机构可简化成四杆架构如图 13 所示，CD 为张合齿轮与连杆链接点的半径，长度；绞点 B 到齿轮的转动中心 C 点的距离为 253mm。在四边形 ABCDmmLCD120中有： CDABLL BCADLL所以有连杆的长度： mmLLBCAD253所以有连杆与张合杆的铰接安装长度： mmLLCDAB120 在四边形 ABCD 中，CD 为主动件，当 CD 以 C 为中心向右摆动时，通过连杆 AD 带动张合杆 AB 转动，从而实现机械手的闭合。当 CD 以 C 为中心向左摆动时，通过连杆 AD 带动张合杆 AB 转动，从而实现机械手的张开。由比赛规则储存区两个花和花瓣的中心距为 500mm，所以张合机构，张开时四机械手腕的中心距也应为 500mm.两旁的手腕收合时高度需比中间两固定手腕高。最大宽度为930mm，满足规则要求。3.4.4 升降臂的设计升降臂是机械手和传动机构的主要链接和传动机构，也是决定机械手载重的重要零件，此机器人的升降机构采用的是摆臂式升降(如图 14)，因立柱总高为 900mm，从地面到花或花瓣的中心高为 850mm。花和花瓣的中心孔直径为 72mm，存储的立柱柱头直径为60mm，两者最大间隙是：126072maxmmmmA17图14 机械臂Fig.14 Mechanical arm 当花或花瓣正好摆放在正中间时得边距为：mmmmA6212min因最小间隙为 6mm 最大间隙为 12mm 当旋转升降臂足够长时，可把旋转抬升看作为垂直上升，从而可把花和花瓣顺利取出，顺利存放。设摆臂从转点至立柱中心的长为 L。由规则要求长宽不得超 1000mm,所以 L1000mm。转点的高度定为 850mm,此高正好是花瓣和花的中心高，最利于花瓣和花的拿取，建立数学坐标分析如图 14。摆臂应满足如下的条件方可成功取道具，其中 L 为摆臂的长度，100mm 为立柱凸台的总高，为摆臂在水平方向的最大位移，为摆臂转过的二分之一倍转角。则有：1X （9）mmXmm661 （10）LXL1cos Lmm50sin（11） 经作图分析（分析图如图 15 所示）以及配合机器人底盘部件的整体设计，取摆臂为600mm。代入公式得： （12）08333. 060050sinmmmm18图15 旋转臂坐标图Fig.15 Rotating arm coordinates figure 所以有： 55. 7 mmmmmmX202. 555. 7cos6006001即水平方向上的最大位移为 5.202mm,升降臂的有效作最大角度 是：1 .1555. 722因机械手腕的总长度是：345mm,固定端到作用中心距离为 225mm。所以有旋转臂的长度为：mmmmmmmmLL3752256002251摆臂的长度为：375mm，转点到道具水平中心的距离为：600mm。 图16 电机安装图Fig.16 Motor the installation drawing3.4.5 张合传动的动力安装设计19此机械手的重量整体靠前，重量不均会导致机器运动不平稳，零件易磨损，影响底盘的精确运动等问题，经分析把张合齿轮的动力电机安装至机械转臂的末端，使用长轴链接传动到张合大齿轮处，这样设计既平衡了前张合机构的重量，又使机器人的整体设计更加美观，设计示意图如图 16。3.5 自动搬运机器人升降部件的设计3.5.1 升降机构的分析升降机构需要保持升降的平稳性和效率性，大部分的升降都是以平升的方式，如，剪式升降、吊式升降等，但在此特为机器人设计了摆臂式的升降机构，这种摆臂式升降的优点有：结构比较紧凑，精度高，反应速度快等。摆臂的传动可以选择齿轮、同步带、凸轮等。3.5.2 升降机构的传动的设计(1)采用同步带传输动力。同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮啮合。同步带传动时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能好,对于要求同步的传动，也可用于低速传动。同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 传输的同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达 1:10。允许线速度可达 50M/S，传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达 98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。3优点：精度高，有瞬时传动比质量轻；缺点：价格昂贵，需要定制 (2)凸轮机构一般是由凸轮。从动件和机架三个构件组成的高副机构。凸轮通常作连续等速转动，从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动凸轮机构能实现复杂的运动要求，通常由两部份动件组成，即凸轮与从动子，两者均固定于座架上。凸轮装置是相当多变化的，故几乎所有任意动作均可经由此一机构产生。 凸轮可以定义为一个具有曲面或曲槽之机件，利用其摆动或回转，可以使另一组件从动子提供预先设定的20运动。从动子之路径大部限制在一个滑槽内，以获得往覆运动。在其回复的行程中，有时依靠其本身之重量，但有些机构为获得确切的动作，常以弹簧作为回复之力。5 优点：实现复杂的运动要求、紧凑、设计方便。缺点：质量过大。图17 升降传动Fig.17 Lift transmission图18 机器人建模Fig.18 Robot modeling21由于比赛要求我们的质量轻则不能选择凸轮机构，同步带有柔性，升降机构是一个精度要求高、定位准、定好位不得有形变，同步带也不能选用，所以就平稳性和效率性来说齿轮相对较好，从而选择齿轮做传动机构，其示意图如图 17。至此，自动搬运机器人的机械构造部分基本设计完成，由三大部件理论设计尺寸画出三维图装配，仿真出三维实体机械原型机如图 18 所示。3.6 电机的选择3.6.1 电机选样整台机器人我们总共用了五台电机，按功能可以分为三类：底盘电机，升降电机，机械手变形机。面对市场五花八门的电机，选择一款合适的电机是完成机器人的重要环节。(1)步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。(2)有刷直流电机。直流电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式） ，转子有绕阻，通电后，转子上也形成磁场（磁极） ，定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（N 极和 S 极之间）的相互吸引下，使电机旋转。改变电机两端电压方向就改变电机的旋转方向。它具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。但是有刷直流电机也有它的缺点，因为直流电机有碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。(3)空心杯电动机。空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了极大改善，不但具有突出的节能22特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。空心杯电动机主要特点： 1)节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在 70%以上，部分产品可达到 90%以上（铁芯电动机一般在 20%-50%）。 2)控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于 28 毫秒，部分产品可以达到 10 毫秒以内（铁芯电动机一般在 100 毫秒以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节。 图19 电机Fig.19 motor 3)拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在 2%以内。 另外，空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻 1/3-1/2。对比以上三种电机进行比较，很显然空心杯行星减速电机具有很大优势，所以选择了空心杯行星减速电机(样品如图 19)。3.6.2 底盘电机选择由于整台机器人的重量大概在 13kg 左右，从启动区到存储区所要行走的路程为S=2750mm,初步预算机器人从启动区到存储区去的行走时间为 t=4S。由于路程比较短，可以认为先加速行走，再减速行走。 （13） SVt2由公式（13）可知，将S与t代入公式求出最大速度： 已知驱动轮的直径为d=160mm，故半径r=80mm，故由公式可知：smsmtSV/375. 145 . 52max2322max/34375. 0/21smsmtVa （14）加速度： （15）根据牛顿第二定律，表达式为： （16）将质量m与加速度a代入求的惯性力为：NF46875. 434375. 013合m机器人的质量，m=13kg车轮与地面的摩擦系数为=0.4-0.619摩擦力为： （17） Nmgf655 . 01013因为 （18）所以：NNNfFF46875.6946875. 465合驱功率等于力和速度的乘积，即 （19） WsNFvP51953.95/m375. 146875.69即转矩 （20） mmNNFT5 .5557mm8046875.69r驱电机功率可按下式估算： （21）式中 负载峰值力矩，N.m;负载峰值转速，rad/s; 由2查得联轴器传动的效率，取值=0.99; 电机功率，W;Fma合FFf驱合(1.5 2.5)LPLPmMPLPMLPmPsradrv/1875.1708. 0375. 1maxWPm72656.14499. 01875.175575. 55 . 124型号 36SYK71 的空心杯减速电机额定电压为 24V, 额定转速为 9600RPM，额定输出转速为 160 转/分，功率为 160W。3.6.3 升降电机的选择升降机构的传动主要靠齿轮带动，机械手所用的材料为38251、25251方铝，齿轮采用45号钢板加工而成，经 SOLIDWORK2010仿真计算机械手部件重约为4KG，两手m个花和花瓣总重为1KG 上升时间为4秒。大齿轮旋转角度为12，由于转角比较小，总m可以认为先加速再减速。图20 升降模型Fig.20 Lift model （22） 2t由公式（22）可知，将与t代入公式求出最大角速度： （23） 由一对转动齿轮的减速比: 29412.11i所以小齿轮的最大角速度： （24）sradi/7647.41max小 机械手原型如图20，把上图化简等效得出图21所示的受力模型，转动点到花的中心为600mm，大齿轮的半径为167.78mm。F1=(+)g=50N（g=10）,需要的平衡力为手m总mF2。当机械手保持水平时需要的平衡力最大sst/rad64242max25图21 力臂图Fig.21 Behavior and the figure由力臂公式： （25）1721LWLF可得：2168600FmmF因NF501所以有：57143.1782F因 F2和小齿啮合传动，所以小轮上的负载力 F3=F2=178.80558N 方向与大齿轮 F2相反，大齿轮的转动处为转动无润滑摩擦，查机械设计手册，取铝和钢的摩擦系数为=0.1；则有：摩擦力： （26）Nmgf51 . 0105所以 （27）NNNfFF57143.183557143.1783驱小齿轮的分度圆直径： d=mz=1.7517=29.75mm （28）小齿轮的分度圆半径： r=d/2=14.875mm （29）由公式：转矩(T)=扭力(F)作用半径(R)可得：转矩： （30）mmNNFT62502.2730mm875.1457143.183r驱电机功率可按下式估算： （31）式中 负载峰值力矩，N.m;负载峰值转速，rad/s; 由 查得齿轮传动的效率，取值=0.97; 电机功率，W;所以选择型号36SYK 的空心杯减速电机额定电压为24V, 额定转速为9600rpm，额定输出转速为160r/pm，功率为180W。3.6.4 张合电机的选择(1.5 2.5)LPLPmMPLPMLPmPWPm79385.17299. 07647.4173063. 25 . 126张合机构的传动主要靠齿轮带动，传动平行四边形所用的材料为25251方铝，齿轮采用45号钢板加工而成，张合的两平行四边形分别托一个花和花瓣,重量分别为500g,张合一次的时间为3S。大齿轮的齿数 Z 为172，小齿轮的齿数 z 为17。减速比 i=10,因此处所需功率不大，但机械手张开和闭合都需要精确的控制，精确张开需保证四个机械手腕在同一平面上以保证抓取花和花瓣时顺利成功，当在准备点1放好一个花和花瓣时，两外机械手闭合，且要使两机械手腕中心重合，以保证第二次放花和花瓣时能精准无误。由升降电机选择的计算类比得出张合电机的功率较小为保证设计的统一性此处电机选用和底盘同样功率的电机。选用型号36SYK71的空心杯减速电机额定电压为24V, 额定转速为9600rpm，额定输出转速为160r/pm，功率为160W。3.7 齿轮的设计3.7.1 升降齿轮传动的设计 (1)选定齿轮类型、精度等级、齿轮材料及齿数 1）考虑此减速器的功率及现场安装的限制，故大小齿轮都选用直齿圆柱齿轮传动。 2）升降运动速度不高，故选用八级精度（GB/T10095-1998）19 3）小齿轮材料选用 45Cr(调质)，齿面硬度为小齿轮 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质）硬度为 240HBS。 4）选小齿轮齿数，大齿轮齿数，取171Z99987.19129411.1117172iZ。1922Z (2)初步设计齿轮传动的主要尺寸 按齿面接触强度设计 （32）2131)(132. 2HEdtZuuKTd确定各参数的值:1）试选=1.6tK2）计算小齿轮传递的转矩。 （33）mmNnPT955016016. 0105 .95105 .95511513）由16表 10-7 查得: =1d4）由16表 10-6 得材料的弹性影响系数： =189.8 EZ21Mpa27 5）齿轮的疲劳强度极限由16图 10-21d，查小齿轮的接触疲劳强度；大齿轮的接触疲劳强Mpa6001lim度。MPa5501lim6）由16公式 10-13 计算应力值环数，因机器人的设计寿命为 9 年，而齿轮的设计寿命要求设为 10 年，一年工作 300 天，每天工作 8 个小时，则有： （34）h10304. 2103008116060608111）（NjLnN （35）h1004. 229411.11h10304. 229411.117812NN7）查16图 10-19 取接触疲劳寿命系数：9 . 01HNK93. 02HNK8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为 1%,安全系数 S=1,由16公式 10-12 得: =0.90600=540 （36）H1SKHHN1lim1MPa =0.93550=511.5 （37）H2SKHHN2lim2MPa许用接触应力: （38） MpaMpaHHH75.52725 .511540221(3)计算1)小齿轮的分度圆直径 dt 12131)(132. 2HEdtZuuKTdd1t=(公式在 P203 10-9a）=22.24047mm 2)计算圆周速度: （39）smsndvt/18. 0/m10006016024047.22100060113)计算齿宽 b 和模数tm齿宽 b: （40）mm24047.2224047.221d1tdb摸数:tm28 （41）mmZdmtt30826. 11724047.22114)计算齿宽与高之比hb齿高： （42）mmht94359. 230826. 125. 2m225. 2 （43）55555. 794359. 224047.22hb5)计算载荷系数 K根据，八级精度，查16图 10-8 得:动载系数 K =1.1 直齿轮，smv/18. 0V1FHKK查16图 10-2 得:使用系数=1.5AK查课本由16表 10-4 用插值法查得 8 级精度、小齿轮相对支承悬臂布置时，K=2.548，查16图 10-13 得；故载荷系数：H235. 2Fk （44）2042. 4548. 211 . 15 . 1HHVAKKKKK 按实际载荷系数校正所得的分度圆直径，由16式（10-10a）得： （45）6901.296 . 12042. 424047.22331ttKKdd7）计算模数 m。7053. 1176901.3011mmzdm(4)齿根弯曲疲劳强度设计 由16(10-5)弯曲强度的设计公式: （46）nm)(21213FSaFadYYZKT确定公式内各计算数值：1）由16图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲MPaFE5001强度极限；MPaFE38022）由16图 10-18 取弯曲疲劳强度寿命系数，；91. 01FNK94. 02FNK3）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由16公式（10-12）得 （47）MPaMPSKFEFNF325a4 . 150091. 011129 （48）MPaMPSKFEFNF14286.255a4 . 138094. 0222 4）载荷系数 K68775. 3235. 211 . 15 . 1K K KKKFFVA5）查取齿形系数。由16表(10-5)查得：；97. 21FaY1332. 22FaY6）查取应力校正系数。 由16表(10-5)查得：；52. 11SaY8594. 12SaY7)计算大小齿轮的 并加以比较。FSFFY （49）01389. 0a32552. 197. 211MPFYFSF （50）01555. 0a14286.2558594. 11332. 222MPFYFSaFa大齿轮的数值大，选用大齿轮。(5)设计计算由公式： （51）32112FSaFadYYzKTm得：mmm74909. 101555. 017195506877. 3232对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 1.74909 并就近原则，按 GB/T1357-1987 圆整为标准模数,取 m =1.75mm 但为了同时n满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径 d =30.6901来计算应有1mm的齿数。于是有:，取96578.1675. 16901.2911mdZ171Z ，取 （52）9987.1911729411.1112ZiZ1922Z这样设计出来的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。30 (6)几何尺寸计算 1）计算分度圆直径 （53）mmmzd75.2975. 11711 mmmzd33675. 119222 2）计算中心距 （54） mmdda875.182233675.29221 3）计算齿轮宽度 （55）mmdbd75.2975.2911圆整后取 ；。mmB301mmB52(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 0.254 对主要零件的受力分析314.1 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