畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）自動搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)（含全套CAD圖紙）

1、全全日日制制普普通通本本科科生生畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 自動搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)自動搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì) the design of automatic handling robot in mechanical part 由于部分原因，說明書刪除部分，完整版說明書，由于部分原因，說明書刪除部分，完整版說明書，cad 圖圖 紙，聯(lián)系紙，聯(lián)系153893706 學(xué)生姓名學(xué)生姓名： 學(xué)學(xué) 號：年級專業(yè)及班級：號：年級專業(yè)及班級：20082008級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其 指導(dǎo)老師及職稱：學(xué)指導(dǎo)老師及職稱：學(xué) 部：部：理工學(xué)部理工學(xué)部 提交日期：2012 年 5 月 全日制普通本科生 畢業(yè)

2、設(shè)計(jì)誠信聲明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn) 行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用 的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。 對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說明并表示了 謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名： 年 月 日 目 錄 摘要.1 關(guān)鍵詞.1 1 前言 .2 1.1 2011 年亞太機(jī)器人大賽比賽主題與規(guī)則 .2 2 機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)與方案 .3 2.1 機(jī)器人一般組成.3 2.2 本次機(jī)器人設(shè)計(jì)原則.4 2.3 比賽策略.4 2.4 研制概要.4

3、 3 自動組裝機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì) .5 3.1 搬運(yùn)機(jī)器人的任務(wù)及應(yīng)完成的動作.5 3.2 材料的選擇.7 3.3 底盤部件的設(shè)計(jì).8 3.3.1 輪子的選擇.8 3.3.2 底盤的確定.9 3.3.3 機(jī)械定位的設(shè)計(jì).11 3.4 自動搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì).12 3.4.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)要求.12 3.4.2 機(jī)械手腕設(shè)計(jì).12 3.4.3 張合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).13 3.4.4 升降臂的設(shè)計(jì).16 3.4.5 張合傳動的動力安裝設(shè)計(jì).18 3.5 自動搬運(yùn)機(jī)器人升降部件的設(shè)計(jì).18 3.5.1 升降機(jī)構(gòu)的分析.18 3.5.2 升降機(jī)構(gòu)的傳動的設(shè)計(jì).18 3.6 電機(jī)的選擇.20 3.6.1 電

4、機(jī)選樣.20 3.6.2 底盤電機(jī)選擇.22 3.6.3 升降電機(jī)的選擇.23 3.6.4 張合電機(jī)的選擇.25 3.7 齒輪的設(shè)計(jì).25 3.7.1 升降齒輪傳動的設(shè)計(jì) .25 3.7.2 張合齒輪傳動的設(shè)計(jì) .29 4.1 對有限元分析軟件的介紹.30 4.2 對主升降臂進(jìn)行受力分析.30 5 結(jié)論 .34 參考文獻(xiàn).34 致謝.35 附錄.36 自動搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)自動搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 摘 要：隨著國內(nèi)外機(jī)器人競賽熱潮的興起，大學(xué)生親自動手制作機(jī)器人已成為參加機(jī)器人大 賽的主要方式。本人作為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)2011年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽的參賽隊(duì)員，參與了機(jī)器人的設(shè) 計(jì)和制作整

5、個(gè)過程，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動手能力和培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神等方面都得到了提高。而本次設(shè) 計(jì)的簡易自動組裝機(jī)器人是一臺自動化程度較高的機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人由行走模塊、主控模塊和機(jī)械 手臂組成。需要完成一定難度的“水燈”組裝工作并將組裝好的水燈放入“小河”中（題目源于2011 年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽）。這對機(jī)器人的競爭力、靈活性、準(zhǔn)確性有較高要求。機(jī)器人的控制系統(tǒng) 采用單片機(jī)或 arm 作底層控制模塊，充分利用單片機(jī)高處理能力。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用鋁型材制作， 利用鋁型材輕便加工方便的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人；搬運(yùn)；全向輪 the design of automatic handling robot in m

6、echanical 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 colleg

7、e 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 automatizat

8、ion 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

9、, 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

10、. key words: robot;handling;omni-wheel 1 前言 機(jī)器人涉及多學(xué)科交叉綜合；人工智能、機(jī)器人技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信 息及編程技術(shù)、計(jì)算機(jī)學(xué)、材料學(xué)、電子技術(shù)、傳動技術(shù)、接口技術(shù)、電機(jī)拖動學(xué)、精 密機(jī)械技術(shù)、自動控制理論、伺服傳動技術(shù)等諸多領(lǐng)域的技術(shù)集成。因此難度高、技術(shù) 綜合性極強(qiáng)，能充分鍛煉參與者多學(xué)科綜合及設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。2011年全國大 學(xué)生機(jī)器人大賽機(jī)器人主要任務(wù)是由手動機(jī)器人將“水燈”的各個(gè)部件運(yùn)往普通區(qū)，再 由自動機(jī)器人拿取水燈的各部件完成組裝并放入“小河”中，點(diǎn)上“燭火”完成水燈制 作（先完成者勝利） 。比賽結(jié)束。 在這種互相

11、干擾不大、主要比拼速度及精度的競賽中，制作的機(jī)器人越穩(wěn)定，越高 速，就越有可能取得比賽的勝利。本人參與設(shè)計(jì)的簡易自動組裝機(jī)器人就是參加該項(xiàng)比 賽的機(jī)器人之一。 1.1 2011年亞太機(jī)器人大賽比賽主題與規(guī)則 圖1 比賽道具-（組裝完成的河燈） fig.1 competition props - (the assembled lanterns) 每個(gè)參與比賽的代表隊(duì)上場的機(jī)器人不超過三個(gè)；包括一個(gè)手動機(jī)器人和一個(gè)（或 兩個(gè)自動機(jī)器人） 。手動機(jī)器人必須完成拿起3敬香盆的首要任務(wù)、并放置在普通區(qū)。在 此之后，該手動機(jī)器人將帶來一個(gè)基座放在組裝點(diǎn)位置。該手動機(jī)器人將收集普通區(qū)的 三柱香，用于后面的水

12、燈組裝。 自動機(jī)器人將收集水燈花瓣和花，把它們擺放在準(zhǔn)備點(diǎn)。機(jī)器人會自動組裝一水燈 和一花花瓣在位于組裝點(diǎn)族的基座上。在完成這項(xiàng)任務(wù)， 手動機(jī)器人將三炷香放入水燈 進(jìn)行裝飾。自動機(jī)器人將攜帶完成裝配的水燈放到河面上。機(jī)器人任何部分不能接觸河 面。 最后，只有一個(gè)自動機(jī)器人將拖放頂部燭光火焰完成了流域地表水燈漂浮蠟燭。第 一隊(duì)點(diǎn)亮蠟燭燈火焰成功就是本場比賽的冠軍。這種類型被稱為獲獎 “水燈節(jié)”。比賽 場地如圖2。 圖2 比賽場地 fig.2 venues 2 機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)與方案 2.1 機(jī)器人一般組成 機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，

13、其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動副（轉(zhuǎn)動 副或移動副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和 運(yùn)動坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān) 節(jié)坐標(biāo)式等類型。 驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力 元件使機(jī)器人進(jìn)行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū) 動裝置主要是電力驅(qū)動裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，此外也有采用液壓、氣動等驅(qū) 動裝置。 檢測裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人的運(yùn)動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)， 與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動作

14、符合預(yù)定的要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)器人的全部控制由一臺微型計(jì)算機(jī) 完成。另一種是分散式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩 級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué) 計(jì)算，并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個(gè) cpu，進(jìn)行插 補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動，并向主機(jī)反饋信息。 2.2 本次機(jī)器人設(shè)計(jì)原則 對于此次比賽的機(jī)器人來說，主要考驗(yàn)的是機(jī)器人的行走路線、機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定 性、快速性、準(zhǔn)確性以及可操作性。通過總結(jié)往屆的經(jīng)驗(yàn)，小組制定了如下機(jī)器人設(shè)計(jì) 原則。 1)機(jī)器人必須與大賽的主

15、題相吻合，創(chuàng)意獨(dú)到，在遵循規(guī)則的前提下能巧妙地合理 地利用規(guī)則。 2)機(jī)器人必須具有較高的速度(包括加速度)，比賽中誰的速度快，誰就能在更的時(shí) 間內(nèi)完成組裝搬運(yùn)工作，搶得比賽的先機(jī)，因此小組制定了速戰(zhàn)速決的戰(zhàn)術(shù)。 3)機(jī)器人必須穩(wěn)、準(zhǔn)。指機(jī)器人運(yùn)動的機(jī)動性、穩(wěn)定性和組裝水燈的準(zhǔn)確性。速度 只有與機(jī)動性、靈巧性和準(zhǔn)確性結(jié)合才能相得益彰。才能在競爭激烈，賽況瞬息萬變的 比賽中獲得勝利。 4)機(jī)器人應(yīng)具有高智能。目前大部分自動機(jī)器人尚處于預(yù)編程的水平上，無法達(dá)到 高要求的定位標(biāo)準(zhǔn)。如果機(jī)器人的智能水平能夠有所提高，能夠正確的處理瞬息萬變的 賽場信提高定位能力，那么就能更快更好的完成組裝和搬運(yùn)。 5)

16、機(jī)器人代表隊(duì)的配合默契程度。指自動機(jī)器人、手控機(jī)器人的配合要好，因?yàn)楸?賽不是比拼單臺機(jī)器人的功能，小組特別強(qiáng)調(diào)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)同作戰(zhàn)。 2.3 比賽策略 在比賽一開始機(jī)器人就以最短路線運(yùn)動到組裝區(qū)域，并利用編碼盤導(dǎo)引調(diào)整行動誤 差保證最后準(zhǔn)確的定位在組裝區(qū)中心位置，然后機(jī)器人轉(zhuǎn)向去抓取待組裝的水燈部件進(jìn) 行組裝，完成組裝后將組裝好的水燈夾取放入小河中。 2.4 研制概要 根據(jù)大賽規(guī)則，小組經(jīng)過了多次集體討論，初步確定了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案： 1)手動機(jī)器人任務(wù)：將3敬香盆放置在普通區(qū)，然后將帶來一個(gè)基座和蠟燭裝飾放在 組裝點(diǎn)族位置，并且該手動機(jī)器人將收集普通區(qū)的蠟燭，再次用于在水燈大會。 2

17、)自動搬運(yùn)機(jī)器人：將收集水燈花瓣和花，并把它們擺放在準(zhǔn)備點(diǎn)。 3)自動組裝機(jī)器人：將會自動堆疊（組裝）一水燈和一花瓣在位于組裝點(diǎn)族的蠟燭 基座上，然后將組裝好的水燈放入小河中。 3 自動組裝機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì) 3.1 搬運(yùn)機(jī)器人的任務(wù)及應(yīng)完成的動作 根據(jù)比賽規(guī)則要求，機(jī)器人將抓起如下圖3所示花瓣和圖4花，花朵由一個(gè)圓柱形泡 沫做成，其重量，中心孔直徑為76毫米，外圓直徑280毫米,高度為100毫米?；╣m250 瓣是由一個(gè)圓柱形泡沫做成，其重量，中心孔直徑為76毫米，外圓直徑為400毫gm250 米,高度為100毫米。 圖3 花瓣 fig.3 petal 圖4 花 fig.4 flower 在比賽

18、一開始機(jī)器人從圖5啟動區(qū)出發(fā)，在儲存區(qū)取得全部花瓣和花，在移動到準(zhǔn)備 區(qū)，分別把兩組花瓣和花放置好，自動機(jī)器人成功的把兩個(gè)花瓣和兩花放在4個(gè)準(zhǔn)備點(diǎn)上 得40分，每個(gè)10分。從啟動區(qū)到儲存區(qū)有2750mm 的距離，從儲存區(qū)到第一個(gè)準(zhǔn)備點(diǎn)的距 離是2500mm，第一個(gè)準(zhǔn)備點(diǎn)到第二個(gè)準(zhǔn)備點(diǎn)的距離是2500mm。設(shè)計(jì)完成此任務(wù)機(jī)器人總 共需要18秒。機(jī)器人運(yùn)動分解（藍(lán)隊(duì)場地既上圖圖5所示場地）： 1)機(jī)器人從啟動區(qū)向存儲區(qū)平移2750mm； 2)機(jī)器人前行500mm； 3)機(jī)器人后退500mm； 4)機(jī)器人按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90； 5)機(jī)器人向準(zhǔn)備點(diǎn)1平移2500mm； 6)機(jī)器人前行500mm； 7)機(jī)器

19、人后退500mm； 8)機(jī)器人向準(zhǔn)備點(diǎn)2平移2500mm； 9)機(jī)器人前行500mm。 根據(jù)需要完成的任務(wù)分析，將機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)分為三大部分，即底盤部 件設(shè)計(jì)、機(jī)械手部件設(shè)計(jì)、升降部件設(shè)計(jì)。 （1、存儲區(qū)， 2、啟動區(qū)， 3、準(zhǔn)備點(diǎn)2， 4、準(zhǔn)備點(diǎn)2） 圖5 藍(lán)隊(duì)場地 fig.5 blues site 3.2 材料的選擇 比賽機(jī)器人使用的材料大部分用于結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)該是金屬材料。機(jī)器人承載和運(yùn)動 不應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重變形和斷裂，從力學(xué)角度即具有足夠的強(qiáng)度。因此主要材料選各種碳鋼和 鋁合金。這兩者比較，比賽機(jī)器人負(fù)載小、自重輕，因此特別講究強(qiáng)度、剛度以及抗磨 損性的構(gòu)件，一般更多的選用鋁合金作為

20、結(jié)構(gòu)件的材料。表 1 是鋼和鋁的典型機(jī)械特性 比較。鋁的強(qiáng)度約為鋼的 1/3，而密度也大約是鋼的 1/3，既兩者的比強(qiáng)度相差無幾，但 是鋁合金的質(zhì)量相對輕 1/3。材料截面對構(gòu)件質(zhì)量和剛度施加重要的影響，因此通過合理 的選擇構(gòu)件的截面，如空心圓截面、空心矩形截面、工字截面等；合理的搭建構(gòu)件如三 角形結(jié)構(gòu)、梯形結(jié)構(gòu)等，這兩方面都可以較好的滿足機(jī)器人的使用要求。 若空心矩形截面是邊長為 a、壁厚為 t 的正方形，空心圓截面的外圓直徑也為 a，壁 厚也為 t，且令通過計(jì)算可以得出，在相同壁厚的條件下，正方形空心截面比空at2 . 0 心圓截面的慣性矩高 69%84%，而質(zhì)量僅增加 27%。壁厚越薄，

21、則效果越明顯。 若比較條件改為空心矩形截面和空心圓截面型材的截面相等，且，設(shè)空心圓ad 0 截面壁厚，可以計(jì)算出正方形空心截面的壁厚為。此時(shí)正方形空心atd2 . 0atf147 . 0 截面比空心圓截面的剛度提高了 40%60%. 表 1鋼和鋁的典型機(jī)械特性 9 table 1 manipulator gear parameters 鋼 鋁 備注 密度 鋁是鋼的 1/3)/( 3 mkg 6 108 . 7 6 107 . 2 拉伸彈性模量 鋁是鋼的 1/3pae / 9 101 . 2 9 107 . 0 剪切切變模量 pag/ 9 1086 9 1026 泊松比 金屬約為 0.3331

22、. 0 33 . 0 膨脹系數(shù) 1 / k 5 101 . 1 5 104 . 2 拉伸強(qiáng)度 pa/ 9 101 . 4 約 9 1025 . 0 約 因此無論從何種角度來衡量，空心矩形截面都比空心圓截面的剛性優(yōu)越。從設(shè)計(jì)、 裝配的角度來看，矩形截面也有一定方便之處。綜合考慮本機(jī)器人的制作材料主要以方 鋁合金為主。 3.3 底盤部件的設(shè)計(jì) 3.3.1 輪子的選擇 將輪子劃分為傳統(tǒng)輪系,包括固定方向輪( fixed wheel ) 、同心方向輪( centered orientablewheel) 和偏心方向輪(off2centered orientable wheel) ,和自由方向輪系, 如

23、swedish 輪、球輪等. swedish 輪也稱mecanum 輪,由輪輻和固定在外周的許多小滾子 構(gòu)成,輪子和滾子之間的夾角為,通常夾角為90,如圖7-a所示。 4 對全向輪進(jìn)行分析可知(分析圖如圖6-b)，全向輪具有三個(gè)自由度, 即可朝三個(gè)方向 運(yùn)動： 1)當(dāng)全向輪向 y 軸方向運(yùn)動時(shí)，輪子繞軸心轉(zhuǎn)動； 2)當(dāng)全向輪向x軸方向平移時(shí)，輪子鎖死鼓輪繞滾子軸心轉(zhuǎn)動 a b 圖6 全向輪 fig.6 omni-directional wheel 3)當(dāng)全向輪沿 z 方向移動時(shí)，輪子繞軸心轉(zhuǎn)動，鼓輪也繞滾子軸心轉(zhuǎn)動。即當(dāng)全向 輪沿 z 方向移動時(shí)，輪子運(yùn)動軌跡由1、2兩者的運(yùn)動合成而得。 綜上

24、分析傳統(tǒng)輪系和自由方向輪系兩種輪系都能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動與定位的設(shè)計(jì)需求。 但是兩者均有利弊： 1)傳統(tǒng)輪系 優(yōu)勢：制造簡單、價(jià)格便宜 弊端： 要改變運(yùn)動方向只能在平面內(nèi)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)向半徑大、轉(zhuǎn)向時(shí)間長 2)自由方向輪系 優(yōu)勢：可以實(shí)現(xiàn)多方向平移、改變運(yùn)動方向基本無須轉(zhuǎn)向 弊端：控制算法復(fù)雜 由上述對比可以看出自由方向輪系在平面移動和運(yùn)動方向改變上有巨大的優(yōu)勢。依 托機(jī)器人小組多年對機(jī)器人控制算法技術(shù)的研究與創(chuàng)新，在控制技術(shù)方面完全有能力對 全方位輪進(jìn)行精確控制，從而彌補(bǔ)全方位輪控制算法難的問題。由于全方位輪的優(yōu)勢比 傳統(tǒng)輪系的優(yōu)勢更大更能滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念，所以選用全方位移動輪作。 21 3.3.

25、2 底盤的確定 為了使機(jī)器人能夠快速的定位就需要有足夠的靈活性，在使用全向輪作為動力輪的 時(shí)候我們就必須考慮底盤形狀的問題。底盤大體可分為三輪底盤和四輪底盤它們的功能 特性也有很大差別。 (1)四輪底盤。動力輪分布在底盤的四個(gè)方向兩兩同軸且相互垂直，輪心到 p 底盤重 心 o 的距離都等于 a 如圖 7 所示： 圖 7 四輪底盤分析圖 fig.7 round were chassis 假設(shè)每個(gè)輪子與地面的摩擦力分別為、,按照力學(xué)公式推導(dǎo)如下： 1 f 2 f 3 f 4 f （1） 31 fffx （2） 42 fffy （3） )a()a()a()a( 4321 ffffmo 1)當(dāng)；與方向

26、相同 此時(shí)機(jī)器人向 x 方向運(yùn)動（圖7-a）。 31 ff 1 f 3 f0 42 ff 2)當(dāng)；與方向相同 此時(shí)機(jī)器人向 y 方向運(yùn)動(圖7-b)。 42 ff 2 f 4 f0 31 ff 3)；與方向相反與方向相反時(shí)此時(shí)機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)(圖7-c)。 4321 ffff 1 f 3 f 2 f 4 f 4)，2 ；方向與相同此時(shí)機(jī)器人向與的合力方向移 131 fff 242 fff 1 f 2 f 1 f 2 f 動(圖7-d)。 (2)三輪底盤。三輪底盤三輪分布成等邊三角形，動力輪分布在三條垂直平分軸線上， 且到重心距離相等如圖8所示。 圖8 三輪底盤分析圖 fig.8 three ro

27、unds were chassis 假設(shè)每個(gè)輪子能提供的反向摩擦力分別為、，按照力學(xué)公式推導(dǎo)如下： 1 f 2 f 3 f （4） 30cos30cos 32 fffy （5） 123 30in30sinfsfffx （6） )()()( 3210 afafafm 1)當(dāng)；和的方向如圖9所示方向，且時(shí)機(jī)器人向 y 方向運(yùn)動。 32 ff 3 f 2 f0 1 f 2)當(dāng)；與方向如圖9所示；或此時(shí)機(jī)器人向 x 方向運(yùn)動。 321 22fff 2 f 3 f0 32 ff 3)；方向與圖示相反和方向與圖示一致時(shí) 此時(shí)機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)。 321 fff 3 f 1 f 2 f 4)此時(shí)如果依照四輪底盤

28、第4種情況分析不能得到，能產(chǎn)生一個(gè)朝向任意方向的合力 但無法使這樣機(jī)器人就會走出一個(gè)弧線。當(dāng)合力方向在大約35時(shí)，也就是0 0 m0 0 m 三輪底盤只能朝與水平線相差35的斜線方向直線移動綜上分析兩種底盤都能實(shí)現(xiàn)平移和 走某一方向斜線均可以滿足設(shè)計(jì)需求。但是兩者均有利弊： 1)三輪底盤的優(yōu)勢是：設(shè)計(jì)簡便，平面度要求低，能保證3個(gè)輪子在同一平面內(nèi)，能 靈活轉(zhuǎn)向。弊端是：只有35角度斜線不能朝向任意角度平移。 2)四輪底盤的優(yōu)勢是：可以向任意方向平移。弊端是：平面度制作加工精度要求高， 因機(jī)器人的重量因素，所用的輪子都是剛性，在我們的制作技術(shù)上很難保證四個(gè)輪的著 地點(diǎn)都在同一平面上。 由于比賽規(guī)

29、則要求機(jī)器人需要上一個(gè)斜臺，四邊形底盤由于平面度問題無法做到這 一點(diǎn)，而且三輪底盤在制作中平面要求相對較低并且可以通過軟件程序的補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn) 很好向前、橫移、角度平移等效果，所以選用三輪底盤。 3.3.3 機(jī)械定位的設(shè)計(jì) 圖9 機(jī)器人底盤 11 fig.9 robot chassis 機(jī)械定位裝置在工業(yè)自動化過程控制設(shè)備中電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體的關(guān)鍵技術(shù)。定 位是否精準(zhǔn)直接關(guān)系到設(shè)備的控制精度和穩(wěn)定性以及運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。而在機(jī)器人大賽中也一 樣，有精準(zhǔn)的定位會使機(jī)器人做事的效率更高，能更精準(zhǔn)快速的完成規(guī)定的任務(wù)。機(jī)械 定位雖沒有電氣定位的種類多，但也有一定的優(yōu)勢。首先，結(jié)構(gòu)更簡單，無需耗能，可 配

30、合電氣元件同時(shí)定位；其次，減少電氣控制的壓力、使機(jī)器更簡單，更安全；其次， 采用機(jī)械定位裝置可補(bǔ)償電氣定位的誤差，使精度進(jìn)一步提升。在比賽場地中花和花瓣 無論在的儲存點(diǎn)或準(zhǔn)備點(diǎn)都是放置在立柱的頂端，而且立柱是固定的呈一字排列，各立 柱之間的中心距離是 500mm，在機(jī)械手取花和花瓣時(shí)動作只發(fā)生在 800mm 高的柱頂，經(jīng) 分析把機(jī)械定 此處已刪除此處已刪除 （55） 圓整后取 ；。mmb30 1 mmb5 2 (7)小齒輪零件圖見附錄，圖號為（zdjqr-38）。 3.7.2 張合齒輪傳動的設(shè)計(jì) 因機(jī)械手張合的速度需配合路徑 3、4、5、和 7、8、9 動作的節(jié)驟，機(jī)械手由張開狀態(tài) 變?yōu)殚]合狀

31、態(tài)時(shí)所需的時(shí)間設(shè)定為，此機(jī)器人選用的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為：160 轉(zhuǎn)/分。st3 取傳動比此處的齒輪傳動受力小，傳動簡單，故齒輪的設(shè)計(jì)由升降齒輪的設(shè)計(jì)類10:1i 比而得，其傳動齒輪參數(shù)如表 2 所示。 8 表 2機(jī)械手齒輪參數(shù) table 2 manipulator gear parameters 樣 品 模數(shù) m 齒數(shù) z 壓力角 齒點(diǎn)高系數(shù) ha 齒頂間隙數(shù) c 大齒輪 1.75 192 20 1 0.25 小齒輪 1.75 17 20 1 0.25 表 3機(jī)械手齒輪參數(shù) table 3 manipulator gear parameters 樣 品 模數(shù) m 齒數(shù) z 壓力角 齒點(diǎn)高系數(shù) h

32、a 齒頂間隙數(shù) c 大齒輪 1.75 172 20 1 0.25 小齒輪 1.75 17 20 1 0.25 4 對主要零件的受力分析 4.1 對有限元分析軟件的介紹 此機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中主要使用的三維軟件是 solidworks2010然而為了方便，受力分 析用 solidworks2010 simulationxpress ，solidworks simulationxpress 為 solidworks 用 戶提供了容易使用的初步應(yīng)力分析工具。simulationxpress 通過在計(jì)算機(jī)上測試您的設(shè)計(jì) 而取代昂貴并費(fèi)時(shí)的實(shí)地測試可幫助我們降低成本以及研發(fā)周期，可以對設(shè)計(jì)的機(jī)器進(jìn) 行安全分

33、析使設(shè)計(jì)好的機(jī)器能更早發(fā)現(xiàn)問題。simulationxpress 對零件的分析都必須經(jīng)先 完成六個(gè)步驟的設(shè)置，他們分別是：夾具；載荷；材料；運(yùn)行；結(jié)果；優(yōu)化。分析結(jié)果 的精確度取決于材料屬性、夾具以及載荷。要使結(jié)果有效，指定材料屬性必須準(zhǔn)確描述 零件材料，夾具與載荷也必須準(zhǔn)確描述零件的工作條件。 12 4.2 對主升降臂進(jìn)行受力分析 取機(jī)器人中主升降臂為對象進(jìn)行受力分析，打開主升降臂（如圖22） 1)打開 solidworkssimulationxpress，確定好夾具； 2)由 solidworks2010仿真分析得出桿受力為50n；現(xiàn)在主升降臂上加載2倍的作用力 100n； 3)材料設(shè)定為

34、鋁合金 6061；(6061 合金的屈服強(qiáng)度：55148500 牛頓/m2) 4)設(shè)置好網(wǎng)格運(yùn)行（如圖 23） ； 圖22 主升降臂 fig.22 the lord hoist arms 圖23 網(wǎng)格分析 fig.23 grid analysis 5）運(yùn)行模擬輸出結(jié)果（如圖 24、25、26、27） 圖24 應(yīng)力分析 fig.24 stress analysis 圖25 位移分析 fig.25 displacement analysis 圖26 變形分析 fig.26 deformation analysis 圖27 安全系數(shù)分析 fig.27 safety factor analysis 表

35、4分析結(jié)果 table 4 analysis results 零件名稱 最大位移值 最大應(yīng)力值（von mises） 安全系數(shù) 主升降臂 0.2258mm 1190.5805mpa 1 由有限元分析結(jié)果表3可知主升降臂的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，材料的選用 合理。 5 結(jié)論 畢業(yè)設(shè)計(jì)是畢業(yè)前的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是對所學(xué)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識的一次綜合應(yīng)用。 這一個(gè)過程對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和動手能力也是一個(gè)很好的鍛煉機(jī)會。理論與實(shí)際相結(jié)合， 不僅把課堂上學(xué)的有關(guān)知識與技能訓(xùn)練相結(jié)合，還起到引導(dǎo)學(xué)生了解和接觸社會實(shí)際的 作用。自動搬運(yùn)機(jī)器人涉及到機(jī)械原理、特種加工、電子技術(shù)、微機(jī)控制、接口技術(shù)、 傳感測試

36、技術(shù)、程序編寫及調(diào)試等多方面的知識，鍛煉綜合應(yīng)用能力，在設(shè)計(jì)時(shí)自學(xué)了 大量的技術(shù)資料，充實(shí)了自己。 經(jīng)過一個(gè)多月的努力，本畢業(yè)設(shè)計(jì)接近尾聲。通過這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅把知識融 會貫通，而且積累了許多機(jī)械設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)說明編寫的經(jīng)驗(yàn)，使自己在大學(xué)四年所學(xué)的專 業(yè)知識和動手能力有了很大的提高。我在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識有很大的欠缺，所以在做 畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，遇到了許多的困難，但這些困難能讓我更深刻地體會到，不斷去學(xué) 習(xí)和更新知識是很重要的。要想提升自己的能力，就必須親自動手。只有在設(shè)計(jì)的過程 中，不斷地去解決所遇到的問題，不斷地去積累自己的經(jīng)驗(yàn)，才能在畢業(yè)之后更快地走 上好的發(fā)展平臺，為社會貢獻(xiàn)自己的一分

37、力量。 參考文獻(xiàn) 1 全臘珍,張淑娟。畫法幾何與機(jī)械制圖m.北京：中國農(nóng)業(yè)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 洪鐘德.簡明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊s.同濟(jì)大學(xué)出版社，2002年5月第一版； 4 wener s: energy- optimal design of walking machines. multibody

38、system dynamics, no.13,2005； 5 劉希平。工程機(jī)械構(gòu)造圖冊m.機(jī)械工業(yè)出版社；1991.2 6 趙大興。工程制圖m.北京：高等教育出版社，2006； 7 徐學(xué)林。互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）m.長沙：湖南大學(xué)出版社，2009.7； 8 程乃士.減速器與變速器設(shè)施與選用手冊）s.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.10； 9 徐自立。工程材料m. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003； 10 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組。理論力學(xué)（i）（第六版）m.北京：高等教育出版設(shè)， 2005； 11 商躍進(jìn)，曹茹。solidworks 三維設(shè)計(jì)及應(yīng)用教程m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008