投篮机器人拣球及弹射机构的设计

投篮机器人拣球及弹射机构的设计摘要本文包括投篮机器人从拣球到弹射整个过程的设计。当电机驱动涵道转动后，由于气流的的反向作用，使得下部气压减小上部气压增大。从而使弹力球进入桶内当捡球装置内装入弹力球后底座上的电机驱动机械臂发生转向，机械臂上的电机则转动，使得捡球桶口与装球口相对应，此时，涵道反转弹力球即进入装球装置内。当装球装置内装入球后，驱动凸轮的电机转动。从而使装球装置与凸轮相脱离。在弹簧拉力的作用下，使小球弹出去。关键词：捡球装置，驱动电机，机器人机构设计，弹射机构RobotshootingtheballandpickthedesignoftheejectionmechanismAbstractsThisarticleincludesshootingrobotsfrompickingtheballtocatapulttheentireprocessofdesign.Pickingdeviceconsistsofabucketfittedwithductedfanconfiguration,whenthemotor-drivenductedrotation,duetothereverseflowoftheaction,sothatthelowertheairpressuredecreases,theupperpressureincreases.Sothattheelasticballintothebarrel.Pickingthecompletionoftheaction.Whenthemotor-drivenroboticdeviceintothestretchandthenpickingtheballinsidethebaseoftheshiftoccurredwhenturnedpre-designedangle,thenturnthemotoronthearm,makingpickingbungopeningcorrespondswiththeball,Atthispoint,ductedreverse,elasticballintotheballthatmeans.Whentheballdevicebuilttoscore,drivencammotorrotation.Sothattheballdevicewithcamphaseout.Undertheactionofaspring,sothatthepop-uptotheball.Keywords:pickingdevice,drivemotor,therobotmechanicaldesign目录1绪论.11.1机器人概述.11.2目前研究的概况和发展趋势.21.3选题背景.21.4研究内容.42投篮机器人总体设计方案.52.1整体设计说明.62.2机器人的相关理论及设计.73电机的选择.83.1大电机的选择.83.2小电机的选择.94齿轮的设计.114.1齿轮加工工艺及注意事项.114.2齿轮的传动设计.124.3验算齿轮弯曲强度.144.4传动轴的设计.155凸轮的设计.166导轨和弹簧的设计.186.1导轨的选择.186.2弹簧的选择.187捡球装置.217.1涵道风扇.218支架设计.228.1整体支架设计.228.2电机轴承座的加工工艺.239其他零件的选取.259.1键的选择.2510总计与展望.26致谢.27参考文献.2801绪论1.1机器人概述机器人科学是一门综合了机械、电子、材料、计算机、传感器、仿生、人工智能等多种前沿科学的综合性学科，是最能体现一个国家基础科学技术和制造业水平的学科之一。1920年捷克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分自私和不公正，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：(1)机器人不应伤害人类；(2)机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；(3)机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。机器人真正出现在人类社会中的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才算真正开始。机器人发展到现在，可以分为三代：第一代是示教再现型机器人：它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。第二代是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状1态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是具有智能的机器人：智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。目前，智能机器人已在许多方面具有人类的特点，随着机器人技术不断发展与完善，机器人的智能水平将越来越接近人类。1.2目前研究的概况和发展趋势当今世界，机器人特别是工业机器人已经发展成为一个规模巨大的产业。据粗略估算，全球现在至少有76万台机器人正投入使用。中国于1972年开始研制自己的工业机器人。我国于1985年研制成功第一台弧焊机器人，距世界最早的机器人实用机型推出晚了23年。目前，我国从事机器人研发、制造的单位已达200多家。2000年，我国工业机器人的拥有量约为3500台，其中国产的占五分之一。但是由于我国机器人产业化起步较晚，步伐较慢，基础工业力量比较薄弱，致使工业机器人长期大量依赖进口。研究与市场脱节是我国机器人产业化过程中一个急需解决的问题。同时，我国的企业也缺少大规模集成的经验，难以形成很强的竞争力。1.3选题背景DJI-RoboWar发射系统设计征集公告DJI-RoboWar项目组就高尔夫球发射系统设计进行国内大学生征集，欢迎符合条件的大学生们积极参与投稿。一、应征内容：设计制作标准高尔夫球发射系统。二、征集时间：本次征集活动于2013年10月09日（北京时间）正式启动，征集截止日期为2013年10月15日17时（北京时间）。三、应征作品要求：1.长350mm；2.宽250mm；3.高250mm；4.立体空间，以弹力球作为炮弹，自由创作一款发射系统，发射距离8m；5.可连续发射高尔夫球，要求具备自动装弹功能，总弹数不小于20发；26.不可使用压缩空气；7.此设计系统必须细化完成实际可加工；8.设计方案方便批量生产，物料成本控制在8000元范围内（包含电机）；9.电机型号由S661DT1电磁式直流伺服电动机,项目组统一推荐，10.允许电源应不超过直流24V。四、设计软件与发稿格式：软件：ProE格式：3D装配工程图、2D零件工程图、三维模型装配图1.4研究内容本人作为该研发组的组长，主要负责主题研发与全队的管理，承担着对自动机器人（AutomaticRobot）、采集机器人（CollectorRobot）的机械系统设计制作任务以及其配合工作。本论文主要针对手动机器与采集机器人的设计和优化进行研究。参加亚太大学生机器人比赛的我，在大三时加入我校机器人队。对这种创新型活动有着浓厚的兴趣，并在的比赛中积累了一些机械设计和加工的经验，也深切的知道了机电结合的重要性。掌握高等的理论知识固然重要，实践同等重要，只有在实践中才能显示出理论知识的作用，尤其是这种创新型实践，不但需要理论来指导，更需要突破已有知识的局限，展开丰富的想象，大胆去尝试，以实现机电产品新的任务。在机器人设计方面，若有“一块短板”的话则就会影响整个任务的完成情况，以致决定着最后的胜负。因此所有的结构都是要先经过组内的统一探讨和实际实验后才能拿出最终的方案。并且在机器人研究过程中我们首先需要仔细和反复的研读比赛规则，弄清规则上各个的细节说明，划出模糊概念，猜想出题人意图，并在制定比赛策略时，考虑全面，以免在前期做些不必要的工作，做到万无一失。而只有这样才能提出功能设计方案并对其进行深刻论证。接下来就可以确定机器人的参数，从而完成整个机器人。自动机器人的设计是整个机器人设计和制作的一部分，遵循整体设计要求，设计过程也经历了：方案的提出，参数的确定，具体设计和加工，调试和优化的过程。3其工作流程如图1.1所示。图1.1参赛机器人设计与制作流程机器人的最终方案确定是按以上流程进行的，前期的主要工作是对规则的分析，分析的深度决定机器人设计的合理性，这个阶段时间比较长，而且是整个机器人的设计和制作基础，设计过程较快，但是比较繁琐，需要注意很多的细节问题并不断地优化和改进。通过绘制草图、装配图、零件图、在画出三维视图，在设计过程中突出的原则是“稳、准、快”。接下来就是制作阶段，在制作时依据三维图装配，并且对其进行分析，并不断的解决，最终达到稳定的机械系统，以达到参赛要求。熟悉比赛规则比赛机器人的创意与提案确定自动机器人的设计要求和参数初步设计详细设计制作组装调试试运行演练优化明确目标组建参赛队伍制定进度计划组织学习确定自动机器人实现的动作和设计参数设计草图及说明集体讨论评选方案装配性能测试机械草图设计计算机械装配图零件图42投篮机器人底盘总体设计方案2.1整体设计说明弹球和捡球:捡球捡球装置由一个装有涵道风扇的桶构成，当电机驱动涵道转动后，由于气流的的反向作用，使得下部气压减小，上部气压增大。从而使弹力球进入桶内。完成捡球动作。图2.1涵道风扇装球当捡球装置内装入弹力球后又底座上的电机驱动机械臂发生转向，当转过事先设计好的角度后，机械臂上的电机则转动，使得捡球桶口与装球口相对应，此时，涵道反转，弹力球即进入装球装置内。5图2.2摇臂弹球当装球装置内装入球后，驱动凸轮的电机转动。从而使装球装置与凸轮相脱离。在弹簧拉力的作用下，使小球弹出去。图2.3弹射机构此设计利用凸轮旋转拉动弹射装置当凸轮旋转过尖端弹簧压力突然撤去，此时弹簧收缩将球弹出，整个装置包括：捡球装置装球装置凸轮齿轮传动电机整体支架图2.4弹射及拣球机构62.2机器人的相关理论及设计根据比赛规则以及前文所述的设计要求，在本章中将机器人的整体框架进行设计。机器人是机械和电子结合的产品，所以在设计机械结构的同时也要考虑到电路的控制是否方便以及电器元件的安装是否合理，由于本文主要设计的是机器人的机械结构，所以重点论述的是机械部分。2.3参赛机器人所涉及的机械理论我们知道机器一般都是由动力部分、传动部分、控制部分和执行部分四个组成部分组成，而要机器人按照自己设计的方式进行运行，必须有一定的机械理论和成品零件的配合。73电机的选择3.1大电机的选择其主要性能参数要求：自动机器人总重：10kg驱动轮直径：127mm；1.发射一个弹力球需要的力为；根据抛物线原理，炮口的仰角为45时所需的力最小根据理论力学平衡条件，有平衡方程：X方向受力平衡：X=ut（3-1）Y方向受力平衡：Y=0.5gtt（3-2）式中：m弹力球总重量（kg）；g球体运行加速度（）；2/msM1作用于驱动轮的驱动力矩（Nm）；假设车体在5秒内达到最大速度2m/s，则加速度：0.4m/s2联立上述方程：求得M1=2.6Nm同时，根据公式：（3-3）R代入v=2m/s，R=0.0635m的值，可求得主动轮角速度为=31.50。/rads又根据要求的行驶最大速度Vmax=2m/s，（3-4）max60vnD8由公式初步确定电机经过减速后的最大输出转速：nmax=260/(3,140.127)=301r/min综上，电机经过减速后的最大输出转速为301r/min,每侧电机经减速器减速后在最大行驶速度情况下需要提供的极限扭矩为2.6Nm，且要同时满足速度要求。根据以上计算，选择S661DT1电磁式直流伺服电动机。其具体参数如下：表3.1电机参数以上参数符合计算要求，表中电机扭矩为170mNm，而计算所得为2.6Nm，因此我们选用了大减速比的减速箱为25：1，经计算得电机的实际输出扭矩为：M=170250.91/1000=4.01Nm（3-2）满足要求。3.2小电机的设计按已知的工作要求和条件，此电机属于小功率，载荷变化不大的工作电机，选用直流伺服电动机。直流伺服电动机具有结构简单，工作可靠价格低廉，维护方便，启动性能好等优点，能够满足设计任务中要求的设计条件及环境查阅资料知齿轮传动的效率与齿轮的类型加工精度以及润滑情况有关，一般情况下圆柱齿轮传动的效率为0.90.99，在这取=0.97。预计轮子摩擦因数为0.2，自重为35kg底部齿轮周边旋转速度为1.5m/sF=f=FG=0.29.835=68.6N电机需要的功率为：P=FV/=68.61.5/0.97=106w通过比较，选择T720-012E59电磁式直流伺服电动机，参数如下图：额定电压额定转速额定转矩额定电流最大效率额定功率速度常数24V2400-3000r/min170mNm5.77A91%250w317rpm/V9表2.2T720-012E59电磁式直流伺服电动机有关数据电压140V总长139.5mm有效功率200W外径102mm转速2400-3000r/min轴径10mm额定转矩1000.27mNm质量6kg高等级的防护、耐用的轴承设计和抗振动的结构。伺服电机即使在恶劣环境下的依然是理想的解决方案。内部集成的KTY84温度传感器可以额外保护DURINGIT-IR-2000绝缘绕组。效率高电机利用了最新的磁体技术，因而比传统的电机具有更高的效率。永磁激励意味着可调速伺服电机没有励磁损耗。效率有保证，可确保在各种驱动应用中的灵活使用5。104齿轮的设计机器人中的齿轮是一个比较小的零件，而且齿轮要经常的高速旋转，故对其耐磨性要求较高，选用的材料是经过淬火的厚钢板。齿轮齿数分别为15和45，而且其内孔不是圆形的，是不适宜插齿机加工的，所以采用线切割机进行加工，这样不但可以加工出没有根切的齿轮，而且其精度也可以达到要求，线切割机的加工精度可以达到0.01mm。4.1齿轮的加工工序及注意事项1）加工工序1.在钢板上钻一个直径为3的小孔，这个小孔主要是为了穿钼丝用的。2.用线切割机编出加工程序，准备加工。3.在装夹时钼丝的位置可以不完全在小孔的中心，这对内孔与齿顶圆的同心是没有影响的。4.小齿轮在用线切割机加工完后，还要在车床上进行加工，主要是为了能够在被车的一端能够安装紧定螺钉，以防止齿轮在安装到轴上时发生轴向移动。5.钻孔攻丝图所示为已加工出的齿轮11图4.1齿轮2）加工齿轮时的注意事项：1.线切割是利用电极与工件之间放电产生大量的热将金属溶化来加工零件的，所以在加工时应保持切削夜的连续。2.在进行车削加工时由于不能损坏齿轮，所以要先做一个夹持齿轮的套。3在车削时由于夹持齿轮的面积比较小，所以进给量要小些，以防止切削力过大把齿轮损坏。4.在用线切割机进行加工时，一定要防止短路。当加工速度过大时，会引起电流过大，从而引起短路的发生。5.在进行穿丝时，要时刻保证上端丝的绷紧状态，以防止钼丝突然被松开时，导致钼丝的折断。4.2齿轮传动设计选择材料及确定许用应力电机功率为P=250W将电机转速调为1500r/min,电机上的减速器传动比为i=20n轴=1500/20=75（4-1）T=T=9550Pd/nm=3.18104Nmm因为传递功率不大，转速不高，大小齿轮都采用45钢。大齿轮正火处理，小齿轮调质处理，均用软齿面。小齿轮45钢调质，齿面硬度197286HBS,Hlim2=585MpaFE2=445Mpa大齿轮45钢正火处理，齿面硬度156217HBS，Hlim2=445Mpa,FE2=310Mpa查表取SH=1.1SF=1.2512按齿面接触强度设计，设齿轮按8级精度制造。（4-2）确定公式中的各计算数值：1)查1表11-3，选择载荷系数K=1.5；2)小齿轮的转矩：T=3.18104Nmm3)查1表11-6，选择齿宽系数d=0.8；4)齿数比为1；5)由1表11-4，选择弹性系数为ZE=188；6)对于标准齿轮，区域系数ZH=2.5；小齿轮分度圆直径：=67.1mm齿数取Z1=15,Z2为45设计模数m=d/z=67.1/15=4.4713图4.2小齿轮零件图图4.3大齿轮零件图144.3验算轮齿弯曲强度查资料有轮齿弯曲强度验算公式（11-6）：（4-3）确定公式中的各计算数值：1)查表取齿形系数YFa1=12.56；2)查表取应力集中系数YSa1=11.633)取安全系数SF=1.25则=2.O71.决定模数综合齿面接触强度与按齿轮弯曲强度设计结果的比较，以相对大者为基准并查表取m=5mm2.几何尺寸计算1)分度圆直径d1=mZ1=515=75mmd2=mZ2=545=225mm2）齿轮齿宽b=dd1=0.875=60mm3)中心距：a=(d1+d2)/2=150mm3.齿轮的圆周速度=（3.147575）60000=0.3m/s（4-4）查表可知选用8级精度是合宜的。154.4传动轴的设计轴的转速为n轴=1500/25=60r/min，电机上减速器的传动比为20:1，轴的输入功率为P=250W，输入转矩为T=1.59nm，则轴的最小直径为dmin得dmin=16.6mm取d=17mm同时确定齿轮孔直径为17mm图4.4轴的三维图5凸轮的设计图5.1凸轮16由于凸轮要承受不间断的摩擦，所以在与其接触的部分采用滚动摩擦，以使凸轮的寿命，装入轴承。图5.2轴承根据计算机给出的结果，在相应的位置经行打孔，以减轻重量，同时使外观更加好看。轴承17图5.3凸轮零件图根据要求将凸轮的横向长度设为需要的152mm，将纵向长度设为112mm。如图5.2186导轨和弹簧的设计6.1导轨的选择根据装球装置的大小选用的导轨型号为STW5型号。图6.1STW5型号导轨6.2弹簧的选择假定物理背景：19图6.2背景分析图由背景可知发射速度V2=8m/s设弹簧的劲度系数为K，碰撞损耗的百分比为5.1/2K0.220.05=1/21510-38得K=120由于结构选用的弹簧的最大形变量为200，选用的弹簧为钢丝弹簧。弹簧的钢丝直径为2mm，外径为20mm20图6.3弹簧零件图217捡球装置7.1涵道风扇图7.1涵道风扇涵道风扇（DuctedFan），指在自由螺旋桨的外围设置涵道的一种推进装置。国内很早就有人开始研究涵道风扇螺旋桨，并取得了很多研究成果，其结构紧凑、气动噪声低、使用安全性好，广泛应用于各种交通工具尤其是航空器中。机器人需要给弹射部分装球，所以想到了采用涵道风扇，由于其结构简单紧凑。所以在吸收桶的上方安装其。利用其的正逆反转实现球的装入与装出。这样使得机器人的整体结构简单紧凑，同时能高效率的完成任务。捡球装置由一个装有涵道风扇的桶构成，当电机驱动涵道转动后，由于气流的的反向作用，使得下部气压减小，上部气压增大。从而使弹力球进入桶内。完成捡球动作。228支架设计8.1整体支架的设计图8.1底座图首先根据弹射部分与装球部分的相对位置及整体结构的大小大致画出底座的大小。再根据各部分的运动情况确定底座尺寸。铝的密度小，仅为水的2.7倍；铝的比强度(强度与重量之比)高，某些高强度铝合金的机械强度超过了结构钢；铝没有磁性，铝在低温下(-198)也不变脆，仍具有较好的机械性能；铝可以轧成薄板和箔，拉成细丝，挤压成各种复杂形状的型材，其延展性能很好；铝在空气中能与氧迅速化合，生成一层致密而坚硬的氧化铝薄膜，厚度为0.0050.02微米，成为铝的天然保护层，阻止铝继续被氧化，因而具有好的抗蚀性能，还可以用阳极氧化或电镀的方法，在铝材和铝制品的表面生成彩色鲜艳的氧化膜；铝的导电、导热性好，导电率相当于国际标准退火铜的64.94，约为银的一半，如果就相同的重量而言，铝的导电能力超过这两种金属；铝的导热性几乎比铁的导热率大3倍；铝的反光性能很强，反射紫外线比银还强，铝在碰击时不产生火花10。长239mm宽234mm高200mm23铝对氧的亲和力大，铝可以用作炼钢的脱氧剂和一些高熔点金属氧化物(如MnO2、Cr2O3)的还原剂。铝与氮、硫和卤族元素在高温下发生反应生成如AIN、Al2S3、AlCl3之类的化合物，这些化合物(除AIN外)和铝在真空中加热到1000以上时，生成相应的低价铝化合物，这些低价化合物在低温下发生歧化反应，分解为金属铝及其化合物。铝是两性元素，它与大多数稀酸可缓慢地反应，能迅速溶解于浓盐酸中。但浓硝酸使铝钝化，铝与苛性碱溶液发生强烈反应，迅速溶解生成铝酸根离子。铝由于具有优良的物理性能，所以铝在国民经济各部门和国防工业中得到了广泛的应用。铝作为轻型结构材料，重量轻，强度大，陆、海、空各种运载工具，特别是飞机、导弹、火箭、人造卫星等，均使用大量的铝。由于对铝焊比较熟悉。所以本底座采用铝10。8.2电机轴承座的加工工艺1材料的选择轴承座在机器人中也是起支撑作用的，主要是通过轴承和轴来支撑机器人的重量。从减轻机器人的重量的角度来考虑，使用铝质材料，另外从强度来考虑，也是没有问题的。2轴承座的加工工序由于轴承座的形状比较特别，在市场上是买不到的，所以需要自己加工1）选用直径为5050的铝方作为加工材料2）数控用16的铣刀铣一基准面。3）按前一基准面铣其他三个基准面。4）用8的铣刀掏出内轮廓。5）铣出轴承孔和电机安装配合孔，期间并用电机和轴承试其大小情况，并按情况加工处理。6）除毛刺加工。7）在摇臂钻床上用22的铰刀加工轴承孔，以达到装配精度。其三视图如图所示24图8.3电机轴承座259其他零件的9.1键的选择半联轴器与轴的轴向定位采用平键连接键槽用键槽铣刀加工，长为10mm,为了保持联轴器与轴的连接具有良好的对中性选择平键3mm3mm10mm,半联轴器与轴的配合为h7/k6,滚动轴承与轴的轴向定位由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6,查表得轴上圆角和倒角的尺寸为1452610总结与展望经过几年发展，我校机器人队不断地发展壮大，由于我曾在2013年机器人队做了一年，本人总结了在机器人队的经验、制作和改进机器人机械结构中所做的工作。本文的主要内容为：(1)对作品的规则进行了详尽的分析和解说，以便对机器人的结构进行优化设计。(2)本论文重点讲解了机器人的功能设计和各执行部件的机械结构，并进行运算分析验证，并达到了预期的效果。(3)学习了有关自动机器人方面的电子知识和相关的电路组件。(4)最后解说了一些常见机械零件的加工工艺过程。总之，本文在借鉴前人经验的基础上，根据本届比赛规则提出了手动机器人的创新设计，并在实际制作中实现并应用。希望通过本论文能够使机器人的机械结构更加清晰，在备战大赛时能够有所帮助。本届机器人队实现了最大程度的机械零件的精密加工制作，完全实现了自动化数控编程加工。这在机器人制作中是一项技术突破，为以后机器人的设计制作积累了宝贵的经验。但是我们做得还不够完善，机械精巧方面我们和很多兄弟院校还有差距。希望在未来的机器人大赛中我校机器人队的队员们能借鉴我们的经验和教训，对机器人继续进行改进，做出更巧妙的机构和更稳定、更智能的比赛机器人来27参考文献【1】.宗光华机器人的创意设计与实践M北京：北京航空航天大学出版社，2004【2】杨化书,曲新峰;工业机器人技术的应用及发展J;黄河水利职业技术学院学报;2004年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