机器人机械设计原则和内容

1、机械设计原则 任何动作的设计，最终都要通过机械去完成 因此：机械部分才是机器人设计中最关键的部分 设计原则：以简单为第一准则。在设计的全过程中，要时刻贯穿尽量使用最简单、明了、直接的结构去实现所需要功能的设计理念。机器人机械设计原则和内容常用机械零件 齿轮直齿轮：直齿轮是机器人制作结构中最常使用的一种齿轮，呈圆柱形，轮齿均匀分布于外圆柱面，轮齿面垂直于轴，轮齿平行于轴线。 机器人机械设计原则和内容斜齿轮：斜齿轮也呈圆柱状，轮齿和轴线成一定角度。相对直齿轮，斜齿轮传动更安静，可以传递更大载荷，承受最高转速。 机器人机械设计原则和内容蜗轮：蜗轮由蜗杆和蜗轮两部分组成，可以视为用两个斜齿轮以适当角度

2、配对传动。其中蜗杆样子像螺栓，轮齿具有很小的螺旋角。蜗杆的从动轮使用斜齿轮或直齿轮。蜗轮工作安静，可以获得极高的减速比，并具有自锁功能。自锁功能意味着当没有功率输入的时候，蜗轮依然能够保持在原位置，不会因重力或其他原因出现反向移动。对于机器人竞赛来说，在某些情况下，特别需要自锁功能。蜗杆和从动蜗轮分别在垂直平面和水平平面上转动，可作垂直方向转动。 机器人机械设计原则和内容锥齿轮：又称伞齿轮，其外形呈圆锥状。它的轮齿可以是直齿，并和旋转方向垂直。也有少量伞齿轮的轮齿是弯曲的。伞齿轮可承载的能力比较大，而且和蜗轮一样，可以作垂直方向旋转力转动。 机器人机械设计原则和内容行星齿轮：行星齿轮其实是直齿

3、轮的组合，主要用于承载能力很强而空间却有限的场合，例如直流电机的变速箱部分。 机器人机械设计原则和内容齿条齿条是在一个矩形长条上，所有齿平行排列成直线的机械零件。它可以固定带有小齿轮轴转动的部件，即可以将旋转运动转换成直线运动；或者固定齿条部分，当小齿轮转动时，带有小齿轮的部件则会在齿条上产生平行移动。 机器人机械设计原则和内容同步轮、同步带同步轮是一种特殊的齿轮，它与同步带配合使用。作为力的传动，同步轮上的齿形、齿距等参数必须和使用同步带严格一致。经同步带连动的两个轴的转动参数则完全同步。当需要多个零件动作完全一致地同步进行时，应采用同步带机构。同步带机构必须利用配套的齿形带轮和同步带。 机

4、器人机械设计原则和内容皮带轮和皮带通过传动皮带，将2个皮带轮相连，在改变转速情况下进行动力传送。轮的主要参数有轮的外径以及轮上的皮带槽。常见的有矩形、半圆、梯形几种，皮带槽的形状则根据传送带的形状来决定。机器人竞赛常先选用合适的传送带，再决定皮带轮的加工。 机器人机械设计原则和内容轴承为减少摩擦力，提高机械效率，轴承是常采用的部件。机器人竞赛中使用的是微型轴承，轴承内径为46ram，外径为1320ram。轴承加装单盖或双盖，以防止灰尘进入。轴承内径中的轴以及外径安装孑L都要精确加工成紧配合。对微型轴承的安装过程，要特别小心，防止其变形或损坏。 机器人机械设计原则和内容轴机器人结构中常使用各种直

5、径的轴。由于轴相对比较细长，加工困难，价格又高，因此可在金属构件店购买各种直径的轴销来代替，效果很好。直径分别为3ram、4mm、5ram、6ram、8ram、l0mm的轴销都能购买到，可用钢锯或其他方法加工成合适的长度来使用。 机器人机械设计原则和内容螺杆螺杆也是机器人装配中常用到的，在家庭装潢商店可以购买到吊顶用的直径为68mm的螺杆。在金属构件商店，还可以买到不锈钢或黄铜螺杆。对于所需螺杆的长度小于l00mm的情况，可直接购买长螺丝钉来代替。 机器人机械设计原则和内容车轮目前，竞赛机器人大多采用轮式或履带式移动机构，少数双足机器人也并非真正意义上的双足。机器人移动使用的车轮，一般由硬铝加

6、工而成，车轮的直径根据机器人底盘离地的要求并参考移动速度而定。直径小，底盘距地近，重心低，稳定性较好。一般选择车轮的直径为6080mm。加工要求同心度高；对于车轮中心的轴孑L，要求最好外嵌大于l0mm厚的黄铜外套。轴套上等分钻三个紧固孔，孔内壁攻M3或M4螺纹，以便将动力轴固定在车轮外。为增大机器人移动时与地面间的摩擦力，防止打滑，要将车轮外圈加工成矩形槽，以橡胶等摩擦力大的物质包裹在车轮外圈。比较简单可行的方法之一，是选择合适内径的橡胶密封圈紧紧套在车轮的矩形槽内。因此，车轮的最终尺寸要和能得到的橡胶密封圈型号与内径相吻合。密封圈可在橡塑商店内买到。 机器人机械设计原则和内容万向轮使用两轮驱

7、动的机器人，常将两驱动轮作为主动轮安装在后部两侧，而在前部正中央位置安装一个万向轮，主要用以支撑。万向轮在受力情况下可向任意方向转动，将机器人设计成带有一个万向轮的三轮结构，可以减小转弯半径。由于前部万向轮的灵活性，机器人可以按要求实现运动控制。 机器人机械设计原则和内容链条链条是一种很好的传动带，最常见到是自行车和摩托车上的传动链条。它不易打滑，传动可靠，传动承载力较强。可选用摩托车体内部使用的小型链条，在摩托车维修店就可购到。一般是一条链，两个配对链轮，价格便宜，质量好。链条的尺寸可以根据需要加长或减短，链条两端的链轮在安装时应在同一平面上，这样，链条在同一直线上传动效率高，不易滑脱。同时

8、，安装的链条要松紧适度。 机器人机械设计原则和内容履带使用履带也是竞赛机器人常用的移动方式之一。它比车轮移动惯性小，容易控制，但速度比轮式低。履带移动机构比较复杂，自制困难，加工造价高，一般从玩具厂选择合适的尺寸，购买全套部件装配使用，或者直接购买履带式玩具加以改装。使用宽的同步带进行再加工，也可充当履带使用。 机器人机械设计原则和内容连轴器顾名思义，连轴器的功能就是将主动轴和从动轴连接起来，从而使驱动轴随主动轴转动。连轴器有刚性连轴器和弹性连轴器两类，每类又有两端相同轴径和不同轴径之分。刚性连轴器要求在安装中，主动轴要和驱动轴完全同心转动，否则因受力不平衡等原因，极易造成相连部件的损坏。 机

9、器人机械设计原则和内容常用机械结构机器人机械设计原则和内容变速机构我们知道的移动机器人，多数以电机驱动，但电机速度一般每分钟近6000转。速度虽然很高，但电机输出转动力矩却很小，无法驱动机器人移动。为了增加驱动力，就要使用减速机构，进行速度和力矩变换。机器人机械设计原则和内容齿轮减速箱两个不同齿数的齿轮分别连在主动轴和从动轴上，两轴的转速比，反比于两轴上齿轮的齿数比。变速箱中使用多组齿轮配合，可将主动轴转速进行各种减速输出到从动轴，许多电机将齿轮箱直接装在电机前部，作为电机的一部分使用。可以选用不同转速的电机，以适应不同转动力矩的需要，也可以更换不同变比的电机齿轮箱部分。 机器人机械设计原则和

10、内容(2)链轮变速将转动链条套在两个齿数不同的链轴上，可将从动轴变速。我们知道速度和齿数成反比，观察自行车的脚蹬轮和后轴相连的小齿数从动轮便可一目了然。变速自行车由多组齿轮构成多变速机构，来改变自行车速度和驱动力，以适应各种路况的需要。 机器人机械设计原则和内容(3)皮带轮变速这是使用两个直径不同的皮带轮来达到变速的目的，如图21所示。由于两皮带轮外圆周长不同，也可以达到速度变换的目的。当载荷过大时，皮带会在皮带轮上产生滑动，因而不适合做精确的传动，但是这种缺陷却使此类结构具有过载保护功能，避免当异常情况发生时所造成的机械损坏。 机器人机械设计原则和内容移动机构，对可控机器人最基本的移动要求如

11、下：当以各种速度前进或后退时，整体稳定，不倾倒。能按直线方式前进或后退。左右转弯半径小。按程序指令快速前进或迅速停止。 机器人机械设计原则和内容常用的移动结构单万向轮结构：即两驱动轮加一万向轮的三轮方式，其中万向轮又有前置或后置的区别。双万向轮结构：即两驱动轮在后部，前部两侧各装万向轮一个。三驱动轮结构：即三个轮以120。均匀分布在水平面上，任一驱动轮可以转动或滚动两种方式工作。当机器人向任一方向移动时，处在运动方向线的第三个轮停止转动，而向平行于前进方向滚动。这种轮的结构比较特殊，作为前进的驱动轮时，车轮由动力轴驱动转动，而作为支撑的第三轮时，则构成轮的着地小轮，绕本身小轴滚动。这种结构的最

12、大优点是转动半径为零，在比赛场上机动灵活 机器人机械设计原则和内容四驱动轮结构：四驱动轮的结构有两种，一种是使用汽车方式，即四轮前后两侧对称分布。行驶稳定，可控性好，但转弯半径大。另一种是使用以上介绍的特种轮，四轮对角线分布。这种结构的灵活性很好，效率也比较高，但造价贵，设计、安装要求也较高。 机器人机械设计原则和内容履带式移动结构：这种结构的稳定性特别好，转弯半径为零。但速度较慢，噪声较大。 机器人机械设计原则和内容改变旋转方向机构用两个直齿轮直接啮合的结构，可使从动齿轮旋转方向和主动齿轮完全相反。如果在主动齿轮和从动齿轮问加过桥齿轮，三个齿轮直接啮合，则从动轮的转动方向将和主动轮完全一致。

13、伞形齿轮可使主动轮和从动轮转动直角发生变化。蜗杆蜗轮两者的旋转方向为直角。机器人机械设计原则和内容皮带轮机构当主动轴与从动轴相距较远时，可以使用皮带与皮带轮，皮带轮与皮带间依靠张力形成的摩擦力来传递动力。 机器人机械设计原则和内容1)皮带传动的速度变换 设主动轮直径为D1，转速为N1，从动轮直径为D2，转速为N2D1N1=D2N2 机器人机械设计原则和内容(2)皮带传动的方向皮带的安装主要有两种方式，最常用的是平行式带传动，如图22所示，从动轴与主动轴旋转方向 一致机器人机械设计原则和内容交叉式带传动，从动轴与主动轴旋转方向相反机器人机械设计原则和内容机器人机械设计原则和内容当两旋转轴相交，而

14、角度较小时，可直接使用皮带传递动力。如图机器人机械设计原则和内容当两旋转轴交角很大时，两轴中间要增加过桥轮 机器人机械设计原则和内容(3)皮带材料 当连续旋转时，使用环形橡胶带。密环圈的弹性虽不如橡胶带，也可代用。 当两轴距离较远而又无法找到合适的环形橡胶带时，也可用直径为23ram的聚胺酯橡胶带来代替，用火将两接头熔化后粘接成环形传送带使用。 机器人机械设计原则和内容凸轮机构 凸轮机构的作用是将旋转或直线运动转换成其他形式的运动。 机器人机械设计原则和内容(1)平面凸轮平面凸轮可以将旋转运动转换成纵向运动。在转动轴上安装凸轮，在凸轮外缘上安装一个可以滚动的杆状零件，俗称推杆，推杆下部紧挨凸轮

15、面，当凸轮随转动轴作旋转运动时，推杆则作上下往复运动。为减少摩擦，在推杆下端安装滚子。 机器人机械设计原则和内容(2)移动凸轮移动凸轮可以将水平移动转换为上下运动。当滑板作左右水平运动时，安装在平板上的推杆就会上下往复运动。机器人机械设计原则和内容(3)凸轮机械应用摆动机构：将杆的一端固定在鞘轴上，而在动力转轴上安装一个椭圆形零件，此零件仅贴于摆杆下部，当动力轴转动时，摆杆就会产生上下运动，形如招手动作 机器人机械设计原则和内容跳动机构 安装在动力轴上的凸轮形如半个椭圆形，当动力轴转动时，这个机构就会产生缓慢上升，快速下降的运动。使用曲柄机构产生的往复运动是比较平稳的，而凸轮机械最大的特点是能

16、产生不均匀的往复运动，即运动具有一定的突变性。 机器人机械设计原则和内容曲柄机构最典形的曲柄例子是发动机的曲轴。曲轴通过连杆和汽缸活塞相连，曲轴的转动运动转换成活塞的上下往复运动。机器人使用偏心轮结构，在动力轴上固定一转轴，而距轮中心一定的距离处，安装一固定轴。 机器人机械设计原则和内容导轨曲柄的滑动机构：在驱动轴上连接一曲柄，曲柄的另一端连接到带有导轨的长杆上，当曲柄转动时，长杆就会在导轨上实现往复运动。 机器人机械设计原则和内容双滑块组合机构：在曲柄滑块机构中，在滑块部件上开一长槽，槽内装有固定的销轴，滑块上的长槽就可以起到导轨的作用。在曲柄滑块的机构中，通过两个滑块与曲柄组合，制成一种能

17、够实现在直线上往复运动的机构。 机器人机械设计原则和内容连杆机构连杆机构将长度不同的几个杆绞链起来，并能灵活地转动，将输入的旋转运动转换成各种形式的动作。曲柄摆杆机构：此机构将旋转运动变为摇摆运动或将摇摆运动变为旋转运动。机器人机械设计原则和内容双曲柄机构：在驱动轴上安装的曲柄的旋转力的作用下，两个连杆均作旋转运动。机器人机械设计原则和内容平行四连杆机构：平行四连杆机构总是保持相互平行运动。连杆机构、曲柄滑块机构及组合知识， 机器人机械设计原则和内容曲柄滑块机构：最基本的连杆机构是由四个杆构成的四连杆机构，若将其中一个杆固定，将摆杆作成带有导向槽(或滑块)的结构并可以滑动，将旋转运动转变为往复

18、运动，即曲柄机构中介绍的曲柄滑块机构。这种机构经常用在机器人动作设计中，以曲柄滑块为基础，可以形成许多构思巧妙的动作机构。机器人机械设计原则和内容常用动作机构根据竞赛的规则要求，应采用适当的动作机构，以满足不同的竞赛场合的需要。要求参赛队员在深入了解基本动作机构的基础上，发挥集体的聪明才智和创新思维，灵活运用他们对凸轮机构、连杆机构、曲柄滑块机构及组合知识，设计制作出简单、稳定、动作顺畅以及不易损坏的机械机构，这是获胜最重要的条件。 机器人机械设计原则和内容提升机构使用链传动：当主动轴和从动轴距离较远时，使用链条能准确地传递运动。使用连杆机构：采用曲柄摆杆机构，摆杆前部连接提升物部分，后端连曲柄，当驱动轴带动曲柄作旋转时，可使摆杆前端的物体部分上下运动。使用曲柄滑块机构、平行曲柄机构和多连杆组合机构，可以将动作力矩增加。使用带传动：将物体以一定压力夹在两宽幅传动带中间，可以将物体做平移、倾斜移动或垂直移动。使用绳索传动：使用钓鱼线作为绳索来制作卷扬提升机构，不仅简单而且效果较好。 机器人机械