移动机器人转台的设计【5张图/9400字】【优秀机械毕业设计论文】

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移动机器人转台的设计【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

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A0-转台装配图.dwg

A3-俯仰台.dwg

A3-蜗杆轴.dwg

A3-锯齿形螺纹丝杠.dwg

A4-涡轮蜗杆减速器主动轴.dwg

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关键词：: 移动挪动机器人转台设计优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份，33页。9400字。
任务书一份。
开题报告一份。
中期检查表一份。

图纸共5张，如下所示
A0-转台装配图.dwg
A3-俯仰台.dwg
A3-锯齿形螺纹丝杠.dwg
A3-蜗杆轴.dwg
A4-涡轮蜗杆减速器主动轴.dwg

1 引言…………………………………………………………………………………… 1
1.1本课题研究内容及意义……………………………………………………………… 1
1.2 国内外发展现状…………………………………………………………………… 1
1.3 本文所做的工作…………………………………………………………………… 1
2 装台系统的总体设计 ………………………………………………………………… 3
3 俯仰系统的设计……………………………………………………………………… 5
3.1 俯仰机构的设计……………………………………………………………………… 5
3.2 俯仰系统的传动分析与计算……………………………………………………… 8
4 转台回转系统的设计………………………………………………………………… 13
4.1 转台回转机构的设计……………………………………………………………… 13
4.2 传动比的设置……………………………………………………………………… 16
4.3 回转系统的动力分析与计算……………………………………………………… 16
结束语 …………………………………………………………………………………… 31
致谢 ……………………………………………………………………………………… 32
参考文献………………………………………………………………………………33
毕业设计（论文）任务书
1．本毕业设计（论文）课题应达到的目的：

本课题以小型地面移动机器人的转台为研究对象，要求学生综合运用所学基础理论知识,根据给定的总体结构尺寸、重量及运动特性指标，进行结构选型、机构设计。通过本课题的研究，通过对设计要求、工作原理和机构动作的分析和理解，构思机构运动方式和传动布局，并进行机构、零部件设计计算等环节的实践，来培养学生的设计、计算、制图及计算机应用能力，以提高同学分析与解决工程实际问题的能力。
2．本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：

内容：
以小型地面移动机器人的转台为研究对象，设计转台的旋转与升降系统，并满足总体尺寸、重量及运动特性等指标。
要求：
（1）根据教师提供的部分材料和所布置任务，查阅中外资料，了解课题研究的工程背景。
（2）翻译外文资料(10000字符以上)。
（3）设计转台系统。转台系统有回转和俯仰两个自由度，系统的总体尺寸：长×宽×高=250mm×250mm×180mm。转台转动范围:360°，旋转速度10～15rpm；俯仰平台转动范围25°（下摆5°，上仰20°），旋转速度5～10rpm。
（4）对转台系统进行机构分析、设计与计算。设计要求：系统自重≤8kg；载重量为20kg。
（5）绘制该系统装配图及部分零件图。（用Auto CAD或其他绘图软件绘制）。
（6）编写设计、计算说明书。

毕业设计（论文）任务书
3．对本毕业设计（论文）课题成果的要求〔包括毕业设计论文、图表、实物样品等〕：

（1）绘制机器人转台系统的装配图及部分零件图。
（2）根据系统的设计计算和分析结果编写设计、计算说明书。
（3）给出系统各零件的材料和重量清单，估算系统总重量。

4．主要参考文献：

[1] 王野，王田苗等.危险作业机器人关键技术综述［J］.机器人技术与应用,2005(6):23-31.
[2] 李新春等.移动机械手结构设计［J］. 机器人，2004（11）：103～106.
[3] 张毅，罗元，郑台雄.移动机器人技术及其应用［M］.北京：电子工业出版社，2007.
[4] 常文森,贺汉根,李晨.军用移动机器人技术发展综述［J］. 计算技术与自动化，1998（2）：2～6.
[5] 江浩,樊炳辉等.新型移动机器人的结构设计［J］. 应用科技，2000（8）：3～5.
[6] 马香峰等.工业机器人的操作机设计［M］.北京：冶金工业出版社，1996.
[7] 蒋新松. 机器人学导论［M］. 沈阳：辽宁科学技术出版社，1994.
[8] 苏学成.樊炳辉等，一种新型的机器人移动结构［J］.机械工程学报，2003（4）：120～123.
[9] J?西格沃特,I?诺巴克什,自主移动机器人导论［M］李人厚,译.西安：西安交通大学出版社，2006.
[10] 李振波等.微型全方位移动机器人的研制［J］. 机器人，2000（9）：354～358.
[11] 张毅等. 移动机器人技术及其应用[M]. 北京：电子工业出版社，2007.
[12] 信建国等.履带腿式非结构环境移动机器人特性分析[J].机器人,2004,26(1):36～39.
[13] 江浩等.新型移动机器人的结构设计[J].应用科技,2000,27(8):3～5.
[14] 明守远,杨德智.地面反恐排爆机器人的机械运动探讨[J]. 机器人技术与应用,2004,3:20-30.
[15] 冯小明.自动二维天线测试转台的设计[J].火控雷达技术,2001, 30(3):289～292

移动机器人转台的设计

内容简介：: 南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书 (论文 ) 作者 : 王风学号： 0601510150 学院（系） : 机械工程学院专业 : 机械工程及自动化题目 : 移动机器人转台的的设计指导者：评阅者： 2010 年 6 月 27 日周建平副教授毕业设计说明书（论文）中文摘要课题以多用途特殊移动作业机器人为研究对象，针对此提出的机器人需要实现的功能和需要满足的性能指标，并结合当前机器人技术的发展，设计出一种能搭载有多种装置的移动机器人平台。机器人可以用于消防、侦查以及探测等危险作业。移动转台总体采用主动轮、从动轮等轮系结构设计 ,并采用带传动方式。在总体结构的基础上，对回转系统和俯仰系统作了研究。对转台自由度以及实现自由度的机械结构进行了设计及详细计算。同时对搭载转台驱动系统进行了计算分析，得到了适合设计要求的完整方案。计算结果对性能的优化以及驱动系统、机械系统的设计优化给予了直接的理论依据。同时，对移动机器人关键零件进行了应力及变形校核，确保设计满足强度要求。最后对多用途特殊移动作业机器人的发展前景进行了展望。关键词多用途特殊移动作业机器人结构设计动力学分析毕业设计说明书（论文）外文摘要 n is of a a of is to be as In on of of of of is of of to At of to on s 南京理工大学泰州科技学院学生毕业设计（论文）中期检查表学生姓名王风学号 0601510150 指导教师周建平选题情况课题名称移动机器人转台的结构设计难易程度偏难适中偏易工作量较大合理较小符合规范化的要求任务书有无开题报告有无外文翻译质量优良中差学习态度、出勤情况好一般差工作进度快按计划进行慢中期工作汇报及解答问题情况优良中差中期成绩评定：中所在专业意见：负责人：年月日南京理工大学泰州科技学院毕业设计（论文）任务书学院 ( 系 ) ：机械工程学院专业：机械工程及自动化学生姓名：王风学号： 0601510150 设计 (论文 )题目：移动机器人转台的设计起迄日期 : 2010 年 3 月 22 日 6 月 27 日设计 (论文 )地点 : 南京理工大学泰州科技学院指导教师 : 周建平专业负责人 : 龚光容发任务书日期 : 2010 年 3 月 12 日任务书填写要求 1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系部领导签字后生效。此任务书应在第七学期结束前填好并发给学生； 2 任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴； 3 任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系部主管领导审批后方可重新填写； 4 任务书内有关“系部”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号； 5 任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标 714 2005文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性； 6 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 2005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2009年 3 月 15日”或“ 2009 毕业设计（论文）任务书 1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：本课题以小型地面移动机器人的转台为研究对象，要求学生综合运用所学基础理论知识 ,根据给定的总体结构尺寸、重量及运动特性指标，进行结构选型、机构设计。通过本课题的研究，通过对设计要求、工作原理和机构动作的分析和理解，构思机构运动方式和传动布局，并进行机构、零部件设计计算等环节的实践，来培养学生的设计、计算、制图及计算机应用能力，以提高同学分析与解决工程实际问题的能力。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：内容：以小型地面移动机器人的转台为研究对象，设计转台的旋转与升降系统，并满足总体尺寸、重量及运动特性等指标。要求：（ 1）根据教师提供的部分材料和所布置任务，查阅中外资料，了解课题研究的工程背景。（ 2）翻译外文资料 (10000字符以上 )。（ 3）设计转台系统。转台系统有回转和俯仰两个自由度，系统的总体尺寸：长宽高 =250250180台转动范围 :360 ，旋转速度 10 15俯仰平台转动范围 25（下摆 5，上仰 20），旋转速度 5 10 （ 4）对转台系统进行机构分析、设计与计算。设计要求：系统自重 8重量为20 （ 5）绘制该系统装配图及部分零件图。（用。（ 6）编写设计、计算说明书。毕业设计（论文）任务书 3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等：（ 1）绘制机器人转台系统的装配图及部分零件图。（ 2）根据系统的设计计算和分析结果编写设计、计算说明书。（ 3）给出系统各零件的材料和重量清单，估算系统总重量。 4主要参考文献： 1 王野，王田苗等 J 2005(6): 232 李新春等 J . 机器人， 2004（ 11）： 103 106. 3 张毅，罗元，郑台雄 M 子工业出版社， 2007. 4 常文森 ,贺汉根 ,李晨 J . 计算技术与自动化， 1998（ 2）： 2 6. 5 江浩 ,樊炳辉等 J . 应用科技， 2000（ 8）： 3 5. 6 马香峰等 M 金工业出版社， 1996. 7 蒋新松 . 机器人学导论 M . 沈阳：辽宁科学技术出版社， 1994. 8 苏学成种新型的机器人移动结构 J 2003（ 4）： 120 123. 9 J西格沃特 ,I诺巴克什 ,自主移动机器人导论 M李人厚 ,译安交通大学出版社， 2006. 10 李振波等 J . 机器人， 2000（ 9）： 354 358. 11 张毅等 . 移动机器人技术及其应用 M. 北京：电子工业出版社， 2007. 12 信建国等 J ,2004,26(1): 36 39. 13 江浩等 J2000,27(8):3 5. 14 明守远 ,杨德智 J. 机器人技术与应用 ,2004,3:2015 冯小明 J2001, 30(3):289292 毕业设计（论文）任务书 5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起迄日期工作内容 2010 年 3月 22日 3月 30 日 3月 31日 4月 20 日 4月 21日 6月 10 日 6月 11日 6月 22 日 6月 27日查阅中外资料，了解课题研究的工程背景并翻译外文资料。对课题方案进行构思、分析比较并理出思路，撰写开题报告。根据设计指标的要求对移动机器人转台系统进行方案设计。对选定的系统方案进行机构分析、设计与计算。绘制移动机器人转台系统装配图，拆画部分零件图。撰写设计、计算说明书。准备毕业设计论文答辩、论文评审。论文答辩所在专业审查意见：负责人：年月日学院（系）意见：院（系）主任：年月日南京理工大学泰州科技学院毕业设计 (论文 )开题报告学生姓名：王风学号： 0601510150 专业：机械工程及自动化设计 (论文 )题目：移动机器人转台的设计指导教师 : 周建平 2010 年 4 月 4 日开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2010 年 3 月 15 日”或“ 2010 毕业设计（论文）开题报告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述：文献综述摘要机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备 1。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。它大都用于简单、重复、繁重的工作，如上、下料，搬运等，以及工作环境恶劣的场所，如喷漆、焊接、清砂和清理核废料等 2。它使传统的工业生产面貌发生了根本性的变化 ,使人类的生产方式从手工作业、自动化跨入了智能化的时代。关键词移动作业机器人旋转台驱动方式 1 移动作业机器人的应用和发展趋势自从 20 世纪 60 年代初人类创造了第一台机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，在短短 40 多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，工业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。目前，机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中 3。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等小型机器人都已被大量采用 4 ,在众多制造业领域中，应用工业机器人最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业 5。就国际上而言，现在机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。目前小型机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化（例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。）；控制技术的开放化、和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面 6 7。在国内机器人技术也有了很大发展，在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用 8。 2 小型移动机器人的构成小型移动机器人的结构型式是多种多样的，但归纳起来看，机器人基本上是由执行机构、控制系统和驱动系统三部分组成 9。这三部分之间及其与检测系统、工作对象之间的相互关系可以用下图来表示图 1 机器人各组成部分关系图 2 1 执行机构执行机构也叫操作机，由一系列连杆或其它形式的运动副所组成，可实现各个方向的运动，它包括带轮履带、车身、运动臂、腕关节和手部等部件。有时也可装备侦察设备等。行程速度检测控制系统其它传感器驱动系统执行机构工作对象图 2 机器人的执行机构（ 1）带轮履带是机器人的基础部分，整个装置的行走机构和驱动系统。行走机构多用滚轮式或履带式，行走方式分为有轨和无轨两种。有时为了能使机器人完成较高攀爬的操作，可以增加电机驱动摆臂机构，进行爬行作业。（ 2）旋转台是外接装置的承载平台，要保证与行走、摆动、驱动机构进行可靠地连接，所以必须具有足够的强度和刚度。回转功能是指小型机器人的工作装置在车体上进行 90 度的往复转动。小型机器人在行走装置的车体上与工作装置之间采用了回转机构。回转机构是由电机减速器、回转轴、涡轮、蜗杆共同组成，其摩擦系数微乎其微，转动平稳灵活，即使很小的位移也能控制，克服了无回转功能的不足，且承载平台还需实现自锁功能，满足实际工作的要求。图 3 转台及手臂结构简图（ 3）手臂是执行机构的主要运动部件，它用来支承腕关节和手部，并使它们在工作空间内运动。手臂的运动及机构与机器人所采用的坐标系直接相关。手臂的运动可归结为直线运动。直线运动多通过油（气）缸驱动来实现，也可通过齿轮。齿条、滚珠丝杆来实现。（ 4）腕关节是连接手臂和手部的部件，用于调整手部的方向、姿态。腕关节的结构大体上可以分为弯曲式和转动式两种结构。为了使机器人有较好的动力学特性，一般将作动器装在立柱或者靠近立柱的其它部件上，通过链条、齿形带或者连杆，将作动器的运动传递到腕关节。（ 5）手部装置一般指夹持装置，主要用来按操作顺序和位置传送工作。根据工作原理的不同，夹持装置可分为机械夹紧式、真空抽吸式、气（液）压张紧式和磁力式四种。 2 2 驱动系统驱动系统主要是指驱动执行机构的传动装置，根据动力源的不同，可分为电动、液压和气动三种 10 11。根据需要也可以由这三种类型组成复合式的驱动系统。（ 1）液压技术具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。（ 2）气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等特点，适用于中小负载的系统中。由于气压传动系统使用安全可靠 ! 可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作，而气动机器人具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。但难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。如在上、下料和冲压机械手中应用较多。（ 3）电动驱动系统一般采用低惯量、大转矩的交直流电机和配套的伺服驱动器。 2 3 控制系统小型机器人的控制系统的主要任务是控制小型机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及运动的时间等项目 12。控制系统的典型部件有传感器、控制系统的硬件和软件等。其控制方式有点位式、轨迹式、力（力矩）控制方式和智能控制方式四种 13。（ 1）点位式能准确的控制末端执行器的工作位置，而路径无关紧要，比较简单。（ 2）轨迹式能让机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动。（ 3）力（力矩）控制方式除了准确定位之外，还能控制力或力矩进行工作。其中应用比较广泛的是统，可编程序控制器 (在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。它是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置，它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点 ;气动技术也是实现工业自动化的重要手段，并且已广泛地应用于各工业部门，在机械产品自动化、工业自动化及企业技术改造方面占有重要的地位 14 15。 3 研究方案 1 根据设计指标 ,首先对移动载体和搭载平台进行了构型分析 ,然后对各零部件进行详细的设计。 2. 从总体尺寸、系统自重等方面考虑，选择出合适的电机、减速器等部件，因转台还需搭载运动臂等外部，故还需考略转台因有一定的承载能力。对搭载平台进行应力和强度校核 ,在满足设计要求的前提下 ,对转塔结构进行优化 ,完成了轻量化设计。 3. 转台要有回转和俯仰两个自由度（转台转动范围 :360俯仰平台转动范围25），可参考塔吊的运动原理，转台转动平稳可以考虑使用推力球轴承，为使其达到自锁的目的，可使用蜗轮蜗杆装置。 4 总结综上所述，小型机器人转台的设计的主要部分就在于选择合适的机构。根据给定的自由度和技术参数选择出合适的运动和自锁部件并对各部分进行设计计算。目前小型机器人的发展十分迅速，在各行业中起着重要作用，而我国对在各种危险环境下作业的小型机器人要求十分迫切。参考文献 1 减速机信息网 . 工业机器人技术 L. ,2006. 2 熊有伦 . 机器人技术技术 M. 武汉：华中理工大学大学出版社， 1996. 3 of 286. 4 林绳宗 . 全球机器人应用概况 J2005,6:55. 5 龚振邦 . 机器人机械设计 M. 北京 : 电子工业出版社 , 1995. 6 中国自动化网 L. ,2006. 7 周锡驹 J. 自动化学报 ,1987，):222 238. 8 陈佩云 ,金茂菁 ,曲忠萍 . 我国工业机器人发展现状 J. 机器人技术与应用，2001(1):2 5. 9 吴瑞祥 . 机器人技术及应用 M. 北京：北京航空航天大学出版社， 1994. 10 李允文 M. 北京 :机械工业出版社， 1994. 11 张建民 M北京理工大学出版社 ,1988. 12 郭洪红 . 工业机器人技术 M. 西安：西安电子科技大学出版社， 2006. 13 谢存禧，张铁 M. 北京 :机械工业出版社， 2005. 1995 14 李军英，刘艳香，焦冬梅三菱气动机械手中的应用 J2007，3： 55. 15 机器与智能网 . 工业机器人应用领域分析网络 L. , 2007 毕业设计（论文）开题报告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题以小型地面移动机器人的转台为研究对象，要求综合运用所学基础理论知识 ,根据给定的总体结构尺寸、重量及运动特性指标，进行结构选型、机构设计。通过本课题的研究，通过对设计要求、工作原理和机构动作的分析和理解，构思机构运动方式和传动布局，并进行机构、零部件设计计算等环节的实践，来培养设计、计算、制图及计算机应用能力，以提高分析与解决工程实际问题的能力。毕业设计（论文）开题报告指导教师意见： 1对“文献综述”的评语：该同学的“文献综述”是在较好的理解和分析设计任务书的要求，广泛搜集并研究相关文献资料的基础上写成的。综述对移动机器人的发展和研究现状作了分析和归纳，对本课题的设计提出了自己的初步构想，为课题的深入研究打下了良好的基础。 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：本课题通过对移动机器人转台和俯仰的机构设计、三维造型与计算、零件图、装配图绘图等多方面的锻炼，具有综合训练作用。其中同时考虑结构的轻量化、紧凑性和稳定性，具有一定的难度。预计通过努力能完成移动机器人转台和俯仰系统的设计。指导教师：年月日所在专业审查意见：负责人：年月日本科毕业设计说明书（论文）第页共页目录 1 引言 1 课题研究内容及意义 1 国内外发展现状 1 本文所做的工作 1 2 装台系统的总体设计 3 3 俯仰系统的设计 5 仰机构的设计 5 俯仰系统的传动分析与计算 8 4 转台回转系统的设计 13 转台回转机构的设计 13 传动比的设置 16 回转系统的动力分析与计算 16 结束语 31 致谢 32 参考文献 33 本科毕业设计说明书（论文）第 1 页共 33 页 1 引言小型机器人主要用于代替人工作业，批量生产成本一般较低。由于上述特点，它大都用于简单、重复、繁重的工作，如上、下料，搬运等，以及工作环境恶劣的场所，如喷漆、焊接、清砂和清理核废料等。它使传统的工业生产面貌发生了根本性的变化 ,使人类的生产方式从手工作业、自动化跨入了智能化的时代。本课题研究内容及意义本课题以小型地面移动机器人的转台为研究对象，综合运用所学基础理论知识 ,根据给定的总体结构尺寸、重量及运动特性指标，进行结构选型、机构设计。通过本课题的研究，通过对设计要求、工作原理和机构动作的分析和理解，构思机构运动方式和传动布局，并进行机构、零部件设计计算等环节的实践，培养设计、计算、制图及计算机应用能力，以提高分析与解决工程实际问题的能力。国内外发展现状随着生活水平的提高，科技的发展，人们将大量简单繁重的工作交给机器人，机器人仆人将大量出现。如汽车司机长时间驾驶容易疲劳，汽车将有安全的自动驾驶模式。现在自动驾驶车能对前方车辆实行避让超车，但对小动物或人不知避让，这要待更聪明的传感器出现或图像处理更精细些。在医疗领域，能进入人体的微型机器人将大显身手。它们进入血管、肠道等地方进行清理、探查、保健预警等。工业机器人在国外发达国家用的很普遍，随着新兴产业的出现，相应的工业机器人必将会研制出来。国际形势虽无世界大战之虑，但局部冲突时有发生，反恐形势依然严峻。美国和许多欧洲国家以及日本都投入大量人力物力研发军用机器人。大型的无人坦克冲锋陷阵，小型的昆虫机器人“间谍”到处爬行，少量的作战人员在安全的信息中心运筹帷幄。 2004 年我国中国科学院沈阳自动化研究所也自行研制出“灵蜥”系列反恐防暴机器人。本文所做的工作本次设计主要完成两个运动，转台的旋转与升降系统。转台系统有回转和俯仰两个自由度。为使俯仰运动满足自锁的要求，拟采用棘轮机构，因其工作时有较大的冲击和噪声，而且运动精度较差，故放弃。考虑使用螺旋机构，其优点是能获得很大的减速比，还可有自锁性。它的主要缺点是机械效率一般较低，特别是具有自锁性时效率将低于50%。转台的回转运动可考虑使用蜗轮蜗杆机构，其优点是传动平稳，啮合冲击小，由于本科毕业设计说明书（论文）第 2 页共 33 页蜗杆的头数少，故单级传动可获得较大的传动比，且结构紧凑。本科毕业设计说明书（论文）第 3 页共 33 页 2 转台系统的总体设计转台系统有两个自由度，若视转台的回转为第一自由度。第一自由度结构及尺寸取决于搭载对象的质量，以及搭载对象对机器人的作用力，而第一自由度受第二自由度影响，故应先计算第二自由度传动的零件。第二自由度即为转台的俯仰运动，采用了螺纹副结构，并结合摆动导杆机构，实现了俯仰台旋转自由度图示为上层搭载平台第二自由度三维图。图载系统第二自由度三维图俯仰系统的结构尺寸取决于搭载物的尺寸及质量，以及搭载对象对机器人的作用力。俯仰运动的传动结构为螺旋传动，并利用了摆动导杆机构，具体图纸设计如图 1 234 5 6 7 81 09图仰系统二维结构图 1俯仰台 2螺母 3丝杠销 5联轴器 6连接座 7减速箱 8电机 9空心轴 10搭载台本科毕业设计说明书（论文）第 4 页共 33 页如图电机旋转运动经减速箱减速后，由联轴器传递给丝杠，使丝杠旋转。丝杠旋转使与之配合的螺母作相对直线运动。因为螺母是固定在俯仰台底部的，所以实质上是俯仰台在绕水平轴转动，实现了俯仰的自由度。转台的回转自由度主要是由蜗轮蜗杆减速器传递的。电机旋转运动经减速箱减速后，由同步带传递给蜗杆轴，蜗杆轴带动蜗轮转动，使之完成回转运动。蜗轮蜗杆传动的一种空间的齿轮传动，它能实现交错角为 90 度的两轴间的动力和运动传递。在这个移动机器人的设计中，它与同步带轮合作，将电机的高速转动一级一级减速，达到所要的结果，在此传动中，由于摩擦等因素，能量受到损耗，转为热能，所以不仅需对材料的受力校核，而且对材料的受热特性也要验证。本科毕业设计说明书（论文）第 5 页共 33 页 3 俯仰系统的设计俯仰机构的设计转台的俯仰运动直接由滑动螺旋副完成，滑动螺旋副常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹或矩形螺纹等。梯形螺纹一般是指牙形角 30 ，螺纹副的大径和小径处有径向间隙。牙根强度高，螺纹的工艺性好。主要用于传力螺旋和传动螺旋如金属切削机床的丝杠等。锯齿形螺纹有两种牙形，一种是工作面牙形斜角 31 ，非工作面牙形斜角302 ；另一种是 01 ， 452 的锯齿形角，其外螺纹的牙根处有相当大的圆角，减小了应力集中，提高了动载强度；大径处无间隙，便于对中；和梯形螺纹一样都具有螺纹的强度高、工艺性好的特点，但有更高的效率。用于单向受力的传力螺旋，如大型起重机的螺旋千斤顶等。文中采用 3/30 牙形的锯齿形螺纹，此处采用锯齿形螺纹，主要是因为锯齿形螺纹具有较好的自锁性能，螺纹之间的摩擦力及支承面之间的摩擦力都能阻止螺母的松脱。所以即使在振动及交变载荷作用下，也不需要防松。滑动螺旋副的失效主要是螺纹磨损，因此螺杆的直径和螺母高度通常是根据耐磨性计算确定的。传力螺旋应校核螺杆的危险界面的强度，要求自锁的螺杆应校核其自锁性。能够搭载发射性装置是多用途特殊移动作业机器人的主要功能，所以要求控制俯仰台运动的机构具有自锁能力。因此采用了螺旋旋动中的滑动螺旋副传动，并采用单线螺纹。下面根据指标进行螺杆参数和螺母参数的计算。螺杆的中径 2d ： 2（其中： 3/30 锯齿形螺纹，，此处取； F 轴向载荷，根据指标， 000 ； P 许用压强（当丝杠与螺母均选用 45钢时，。代入数据计算得：本科毕业设计说明书（论文）第 6 页共 33 页由锯齿形螺纹的参数关系，其中 d 为螺纹公称直径， P 为螺距，以及查阅标准，可得 0 ，。则有：螺杆小径为： 5 5 3 5 5 3 螺母的高度 H ： 2 取整得 : 0 旋合圈数 z ：足要求螺纹的工作高度则螺纹的工作压强 p 的计算如下： M P P 0002 所以按照这个参数设计的螺杆螺母传动满足强度要求。验算自锁：螺纹升角计算： 2 （式（， S 为导程，。 n 为螺纹头数，此处 1n 。代入数据计算如下： 1a r c t a na r c t a na r c t a 当量摩擦角计算： 2co s （式（，s为螺旋副的摩擦系数， 1.0s，为工作面牙形斜角， 3 。代入数据计算为：本科毕业设计说明书（论文）第 7 页共 33 页 o r c t a o sa r c t a n s 满足自锁要求的条件为：。根据计算结果，该滑动螺旋副参数设计满足自锁要求。螺杆强度校核：螺杆当量应力计算： 231221 （式（， T 为传递转矩，由图知，该滑动螺旋副的传递力矩主要为螺纹副的阻力矩，其计算公式如下： 2v （式中， 2d 螺旋副分度圆直径；螺纹升角； F 螺旋副轴向力，此处取值为 000 ； v 螺纹当量摩擦角，vv ，处取有 rc ta n v将以上参数值代入式（得 N m 6 4 52/a 0 0 文中机器人的设计过程中。代入数据到式（： 231221 2322 004 45钢的许用应力 M P 6538 05 本科毕业设计说明书（论文）第 8 页共 33 页则有，所以螺杆强度满足要求。螺纹牙强度校核：螺纹牙底宽度则有螺杆抗剪强度： M P 0001 螺杆抗弯强度： M P h 8 5 0 0 033 221 螺母与螺杆材料相同，则螺母牙与螺杆牙强度相同，亦满足强度要求。此处螺杆只承受较小的压力，并且实际工作的长径比亦很小，所以无需对螺杆稳定性进行校核。至此，滑动旋转副设计结束。俯仰系统的传动分析与计算转台俯仰运动用驱动电机为瑞士电机选主要参数如表表仰台控制电机参数表指标数值功率 200W 正常电压 36V 空载转速 17000高转矩 3750定转矩 112量 270g 最大效率 92 最大允许速度 25000负载电流 325速箱参数：减速箱选用的司自带的减速箱本参数如下表本科毕业设计说明书（论文）第 9 页共 33 页表仰台控制电机减速箱参数表指标数值减速比 156 1 最大效率 72 质量 460g 电机特性曲线如图图载系统第二自由度驱动电机特性曲线图根据上述表中电机及减速箱的参数，以及实际载荷情况，对电机进行校核。电机的校核主要分两部分，一部分是电机输出转矩的校核，另一部分是电机输出速度的校核。首先校核电机转矩：如图的传动系统，可知电机输出的转矩主要是用于克服滑动螺旋副的螺纹阻力矩。在滑动螺旋副的设计中，根据式（经计算出在最大载荷时，系统需要克服的螺纹阻力矩 645 。所选电机的输出转矩为： N m 157311573%72%92156112 由计算结果可知，电机输出转矩满足计算要求。校核电机输出速度：要校核电机输出速度，首先需要确定搭载系统的旋转速度指标要求。规定俯仰台台面水平时，为运动初始位置，要求俯仰台自由度为绕初始位置可以进行 15 的旋转，且俯仰台旋转速度最大为由图俯仰台处于水平状态时，螺旋副丝杠与螺母初始角度设计为 90，这种设计保证了在支撑俯仰台的空心轴旋转到任意位置时，俯仰台与水平面间所成角度都不会变化，同时也便于角度的控制计算。下图及图示分别为俯仰台处于本科毕业设计说明书（论文）第 10 页共 33 页初始状态时以及绕旋转中心旋转了角度后的状态图。图中，为丝杠的旋转速度；P 为丝杠螺距； V 表示支撑俯仰台的支架与滑块连接点为俯仰台旋转了角度时，丝杠与水平面之间的夹角。 2 台螺母A( B )仰台初始位置状态图 2 台螺母B ) 仰台运动到某位置处状态图由图示可得，当俯仰台处于初始位置时 60i（则俯仰台的旋转速度为：本科毕业设计说明书（论文）第 11 页共 33 页 230（综合式（（得： 22 （当俯仰台绕旋转中心旋转了角度后，即出于图态时，图中点 B 是与点 A 重合的丝杠上的点，点 A 的运动可分解为绕点 O 旋转，以及相对点 B 作直线运动。 A 点的绝对运动为绕点算得： )c o s (60 i （式中可根据三角函数关系求得 ,计算结果如下： rc ta 则有速度 V 如下： s r c t a nc c 6023 又根据摆动导杆的急回特性，可知在的可取值范围内，值愈大，俯仰台的旋转速度愈大。图中， 305有将 15 带入式（解得角度为： o r c ta n 速度 V 可以获得最大值，为 o （在俯仰台同一次旋转工作中，规定电机以相同的转速工作，即式（得本科毕业设计说明书（论文）第 12 页共 33 页又由（可得， 302 （丝杠螺距，同时将式（入上式（并带入各变量值，可解得： oi 知 m n i ，则要求电机输出速度为： m i n/2 0 59 n i 最大允许转速为 25000R/得电机转速满足要求。综上，所选择电机各指标均满足使用要求。通过对机器人功能要求进行分解，将机器人分为移动车体平台及上层搭载平台两部分，分别对两部分进行设计。在移动车体设计过程中，主要从提高机器人环境适应能力出发，对机器人进行了传动系统、轮系结构以及底盘的设计。在搭载平台设计过程中，在确定了平台自由度前提下，对各自由度进行了详细设计。通过桥式支架，将搭载平台与车体进行连接，保证了车体内部空间，并方便了机器人安装与维护。本科毕业设计说明书（论文）第 13 页共 33 页 4 转台回转系统的设计转台回转机构的设计要使转台完成回转运动，就要考虑选用合适的减速器，完成动力传递并满足设计要求的转速。常用减速器的类型及特点见表本科毕业设计说明书（论文）第 14 页共 33 页表用减速器的类型及特点本科毕业设计说明书（论文）第 15 页共 33 页表用减速器的类型及特点（续）蜗轮蜗杆有如下特点：本科毕业设计说明书（论文）第 16 页共 33 页（ 1）传动平稳、振动、冲击和噪声均很小；（ 2）能以单级获得较大的传动比，结构紧凑，传动比范围大， 5 i 70 ,其中一般要大于 15；（ 3）摩擦损耗较大，传动效率较低。蜗轮蜗杆传动分为三大类比：圆柱蜗杆、环面蜗杆、锥面蜗杆。圆柱蜗杆又分为普通圆柱蜗杆和圆弧圆柱蜗杆两种。按蜗杆齿廓曲线的形状，普通圆柱蜗杆可以分为：（ 1）阿基米德圆柱蜗杆，简称杆；（ 2）法向直廓圆柱蜗杆，即称为延展渐开线蜗杆，简称杆；（ 3）渐开线圆柱蜗杆，简称杆；（ 4）锥面包络圆柱蜗杆，简称杆；对于如此大的传动比，如果用一般的齿轮进行减速设计，则需要很多级才可以实现，这样的话，无论是体积还是重量都不可能达到课题所限制的数值，考虑到移动机器人的工作特点，本文选用的是杆。传动比的设置多级减速器各级传动比的分配，直接影响减速器的承载能力和使用寿命，还会影响基本体积、重量和润滑。一般的分配原则：（ 1）使各级传动承载能力大致相等；（ 2）使减速器的尺寸与质量较小；（ 3）使各级齿轮圆周速度较小。低速级大齿轮直接影响加速器的尺寸和重量，减小低速级传动比，即减小了低速级大齿轮及包容它的机体的尺寸和重量。增大高速级传动比，即增大高速级大齿轮的尺寸，减小了与低速级大齿轮的尺寸差，有利于各级齿轮同时润滑，同时降低了高速级后面各级齿轮的尺寸差，有利于降低噪声和振动，提高传动的平稳性。但是又不能使一、二级传动比差距过大，这里我选择1 回转系统的动力分析与计算由于已知系统的总体尺寸为：长宽高 =25025080台转动范围为360 度，旋转速度为 10 15且系统自重要不大于 8载重量为 20 转动惯量的计算本科毕业设计说明书（论文）第 17 页共 33 页选取直径为 200 圆进行计算尺寸，算出转动惯量： 21 m2 r （这里的 m 可以用平均质量的概念来计算，即： ,0 （于是 =22 0 1 0 0 0 0 0 03 1 0 0 =637 则： 21 m2 r = 21 6 3 7 0 = 给定条件：设转台在 2秒内达到最大转速 15 r/则它的加速度是 21 5 260 0 . 2 5 /2 r a d 则它的转动惯性力矩为： 3 . 1 9 5 0 . 2 5 2 . 5 0 8M N m 根据给定的传动效率 =以 3 . 1 3 50 . 8T m 滚动摩擦力矩计算在本设计中，虽然转台基本上是水平或者是在倾斜很小的角度内转动的，其转动也都是有滚珠或者轴承来支撑来完成的，但是，因为 20负载对于 8自重来说，摩擦力也是不可不重视的，下面我将对移动机器人的转台进行摩擦力矩的计算：取摩擦系数则 f d g r （假设密度为均匀的，用表示，则面平均质量为： 220 637r ，则 2m s rd d r d （ 02 0 . 0 5 3 3f g r r d N m 本科毕业设计说明书（论文）第 18 页共 33 页总的阻力矩为： M=m 驱动电机的选择（ 1）根据综合分析和以上的计算，驱动轴总阻力力矩为： M=m 按工作要求和条件选取电动机。（ 2）选择电动机容量工作机所需的功率：（电动机输出功率： P （所以 : （由电动机至工作机之间的总效率： 544321 （其中p1 2 34 5分别为滚筒弹性联轴器 ,闭式蜗杆传动 ,皮带轮传动 ,一对滚动轴承，齿轮联轴器的传动效率。查表可知p=筒 ) 1 =性联轴器 ) 由于蜗杆传动效率与蜗杆头数 1=4 双头蜗杆 ,估计 2 = 带轮传动 ) 4 =对滚动轴承 ) 5=轮联轴器 ) 所以： 40 . 9 6 0 . 9 9 5 0 . 8 1 0 . 9 3 0 . 9 9 0 . 9 9 0 . 6 8 4a 所需电动机的功率 : 50 根据电机特性曲线，并保有一定的余量，初步选择电机型号为机，具体参数见表传动装置的总传动比和分配各级传动比由于是以通过自带的减速器控制其转速，在此，我设为 1440 r/ (1)计算总传动比： 1440i 9 615ma =12 (2)各级传动比的分配由于为蜗杆传动，传动比都集中在蜗杆上，其他不分配传动比。本科毕业设计说明书（论文）第 19 页共 33 页取皮带轮传动比，则蜗杆传动比为 4。这里我选择的带轮是，单根窄 V 带轮。表项目指标说明标称功率 250W 最大输出功率额定电压 36V 空载转速 11000堵载转矩 5260转条件下的转矩值，即起动转矩最大允许转速 12000最大连续电流 (5000最大连续转矩 (5000303机可以连续工作的转矩最大效率 85% 转矩常数转矩与有效电流值之比重量 1150g 计算传动装置的运动和动力参数（ 1）蜗轮蜗杆的转速皮带轮转速和电动机的额定转速相同 440r/杆转速：2 1440 3 6 0 /4n r p m（ 2）蜗轮蜗杆的功率蜗杆轴的功率：蜗轮的功率： p= 3）蜗轮蜗杆的转矩轴的一般受力分析见图本科毕业设计说明书（论文）第 20 页共 33 页图力分析示意图输入的转矩：1 0 . 2 8 89 5 5 0 9 5 5 0 7 . 6 4360 蜗杆的转矩：1 1 4 7 . 6 4 0 . 9 9 5 0 . 9 9 7 . 5 2 6 N m 蜗轮轴的转矩： 2 1 1 2 4 7 . 5 2 6 2 4 0 . 8 1 0 . 9 9 1 4 4 . 8 4T T i N m 221 2 3 4 7 . 5 2 6 4 0 . 9 3 0 . 9 9 2 7 . 4 4T T i N m 将上述计算得到的动力参数列表于表蜗轮蜗杆的动力参数参数电动机蜗杆蜗轮转速 r/440 1440 360 15 功率 P/矩动比 i 单根蜗轮蜗杆传动： 4 效率对于蜗轮蜗杆机构传动的参数选择根据机械手册查得：传动效率 r （本科毕业设计说明书（论文）第 21 页共 33 页其中， r 为分度圆柱导程角，为啮合摩擦角，（为摩擦因子），分度圆滑动速度 1 1 14c o s 6 1 0 c o d nV r r 单位为（一般的计算公式见表综合计算，得具体的蜗轮蜗杆参数如下表考虑到传动功率不大，转速较低，选用杆传动，精度达到 8c 级，采用标准般选为右旋蜗杆。蜗杆选 35面淬火，硬度为 4550面粗糙度蜗轮边缘选择属模铸造。蜗轮蜗杆正确啮合的条件：主平面内的模数和压力角彼此相等，即蜗轮端面的模数2为标准值；蜗轮端面的压力角2t应等于蜗杆轴面的压力角1a，且为标准值。即： 21;m m21a a此外，还应该保证2，即蜗杆与蜗轮的螺旋线方向一致。具体设计将会后面论述。本科毕业设计说明书（论文）第 22 页共 33 页标准中心距径向间隙蜗轮螺旋角蜗杆导程角齿根圆直径齿顶圆直径齿根高齿顶高蜗轮蜗杆计算公式符号名称 1 2mh f 2.1a )2(1 a )2( 22 f ) f )22 (21 表杆传动的几何尺寸计算分度圆直径本科毕业设计说明书（论文）第 23 页共 33 页表的基本参数名称符号公式及依据蜗杆轴向齿距 1m =杆螺旋线导程 1z=杆法向齿形角 n200 蜗杆轴向齿形角 x2 0 . 1 4c o s nx r 蜗杆直径系数 q 杆分度圆直径 12 蜗杆分度圆导程角 r 模数 m m =顶高 2 5m h 齿根高 ) 1 . 2 5 1 . 2 1 . 5fh m c 齿全高 h 2 h h 齿顶圆直径根圆直径蜗轮蜗杆的设计计算 (1) 常数计算由传动比2i=24，参考机械设计手册齿轮传动部分，取1z=4，则2z=96，由表查得 2/2 2 0 ， 2/70 ，其中 710蜗轮材料的许用接触，当 610蜗轮材料的许用弯曲应力。齿轮应力循环次数： 60 j 60 360 1 365 24 5= 0 次本科毕业设计说明书（论文）第 24 页共 33 页接触强度寿命系数 710= 弯曲强度寿命系数 610 则 Z =220 =70 (2) 按接触强度设计 222121 50 0 0 P （从 K=1 载荷系数 K=212215000()d K = 215000( ) 1 . 2 1 4 4 . 8 4 3 1 61 1 5 . 8 4 8 而 21合要求。由于蜗轮蜗杆的啮合条件是：1 2 1 2m,m ，所以22d 48=60。故 a=41 (3) 校核涡轮的齿面接触强度齿面接触强度计算公式为 2本科毕业设计说明书（论文）第 25 页共 33 页 23H E A K K （材料弹性系数： 2/155 （用系数转平稳），动载系数当 V2 e 时， X=以： 2211135N 22133N 11S e R 81N 22S e R A= 2S+A=2SA/1R=e=A/2R= 故所选轴承适合工作寿命 5年。蜗杆轴的设计 (1)蜗杆轴的材料的选择，确定许用应力考虑到减速器为普通中用途中小功率减速传动装置，轴主要传递蜗轮的转矩。蜗杆选 35面淬火，硬度为 45 50面粗糙度 (2)按扭转强度，初步估计轴的最小直径 ,选用联轴器。由上面的已经算出， d 只要大于 10能满足要求，轴伸安装联轴器，考虑补偿轴的可能位移，选用弹性拄销联轴器，取工作情况系数.5 K a T = 1 . 5 1 4 4 . 8 4 = 2 1 7 . 2 6 N m 由转速和转矩查表 5014用性柱销联轴器，标准孔径 d =40轴伸直径为 40 (3)轴承采用角

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