ROBOCON比賽機器人畢業(yè)設(shè)計.doc

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1、畢業(yè)設(shè)計（論文） 中文摘要 本課題的目的是針對2008亞太機器人大賽的主題和規(guī)則設(shè)計制作一臺手動機器人。 本文首先分析了本屆比賽的特點，闡述了比賽的總體方案，提出了手動機器人的任務(wù)目標(biāo)和主要技術(shù)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了三套整體結(jié)構(gòu)方案，并通過三維實體建模和樣機實驗等方式分析了各方案的優(yōu)缺點，完成了對整體結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化與改進，確定了手動機器人的機構(gòu)組成。之后，對機器人的各組成機構(gòu)進行了詳細(xì)設(shè)計，完成了走行方式、提升機構(gòu)形式和夾持機構(gòu)形式的設(shè)計與改進，進行了電機選型計算和關(guān)鍵零件的校核，繪制了機器人的零件圖和裝配圖，解決了在機器人的組裝和調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題。 設(shè)計并制作完成的手動機

2、器人結(jié)構(gòu)簡潔，動作迅速，操控靈活，性能穩(wěn)定，得分效率高，完全滿足設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞： 亞太機器人大賽，手動機器人，方案設(shè)計，機構(gòu)設(shè)計 Abstract The purpose of this subject is to design a manual robot for the Asian-Pacific Robot Contest 2008. After analyzing the characteristics of this contest, the paper firstly elaborates the general str

3、ategy, and then proposes the tasks and main requirements for the manual robot. Based on that, three structural schemes of the robot are designed, and then optimizations and improvements are accomplished through analyzing of the 3D models and robot prototypes. So the mechanisms which composed the man

4、ual robot are determined. After that, details of the mechanisms are designed; improvements are made for the moving style, the elevating and clamping mechanisms which are selected. Motors are selected according to computation, key parts are checked, and drawing of parts and assemblage are given. Some

5、 problems are solved through debugging. The manual robot’s structure is very simple, and it moves fast, scores efficiently. Further more, it is very convenient to control the robot. In a word, it satisfies the requirements of design. Key words： Asian-Pacific Robot Contest, Manual robot, Schem

6、e design, Mechanical design  目 錄 中文摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1機器人及機器人競賽 1 1.2 ABU-Robocon概述 2 1.3 ABU-Robocon2008主題與規(guī)則摘要 3 1.4 章節(jié)概述 6 第2章 規(guī)則分析以及參賽總體方案 8 2.1 規(guī)則分析 8 2.2 參賽總體方案的確定 11 2.3 手動機器人的功能要求和主要技術(shù)參數(shù) 13 第3章 整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與改進 15 3.1 方案一 17 3.1.1 設(shè)計思路 17 3.1.2 動作順序 19

7、3.1.3分析與總結(jié) 20 3.2 方案二 21 3.2.1 設(shè)計思路 21 3.2.2 動作順序 23 3.2.3 分析與總結(jié) 23 3.3 方案三 24 3.3.1 設(shè)計思路與總體結(jié)構(gòu) 24 3.3.2 優(yōu)化與改進 25 第4章 機械系統(tǒng)設(shè)計 32 4.1 走行系統(tǒng)設(shè)計 32 4.1.1 走行方式選擇 32 4.1.2 走行電機選擇 34 4.1.3 走行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及外形尺寸 40 4.2 提升機構(gòu)設(shè)計 41 4.2.1 優(yōu)化與改進 42 4.2.2 相關(guān)計算與校核 48 4.3 夾持機構(gòu)設(shè)計 52 第5章 操作手柄設(shè)計 54 5.1 操作方式和按鍵

8、布局設(shè)計 54 5.2 搖桿模擬量的采集、編碼與發(fā)送 55 總結(jié) 58 致謝 60 參考文獻 61 附錄一：中文翻譯…………………………………………………………..……………….64 附錄二：外文原文…………………………………………………………………………...83 -IV- 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第-62-頁 第1章 緒論 1.1機器人及機器人競賽 機器人學(xué)是一門迅速發(fā)展的綜合性科學(xué)，其中包含著許多具有戰(zhàn)略性、前沿性和前瞻性的高技術(shù)，自第一臺電子編程工業(yè)機器人問世以來

9、，機器人學(xué)的研究已取得令人矚目的成就，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、旅游業(yè)、空間、海洋以及國防等領(lǐng)域獲得了越來越普遍的應(yīng)用。機器人這樣一種特殊的機器，大大延伸與擴大了人的手足與大腦的功能，在新世紀(jì)中必將會對人類社會的文明進程做出更大的貢獻，它將成為緊隨計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一次重大的技術(shù)革命,并很可能將世界推向科學(xué)技術(shù)的新時代。[[] 吳瑞祥. 機器人技術(shù)及應(yīng)用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1994. ] 機器人技術(shù)涉及到許多相關(guān)技術(shù)及學(xué)科，如機構(gòu)學(xué)、控制工程、計算機、人工智能、微電子學(xué)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)以及仿生學(xué)等科學(xué)技術(shù)。[[] 王亞輝,何耀民. 機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 經(jīng)濟師,2

10、005年第8期. ]因此，機器人是一個非常適合科學(xué)普及和科技競賽的主題。機器人賽事從20余年前就幾經(jīng)開始了?，F(xiàn)在各類機器人賽事名目繁多，范圍遍及世界。截止到2000年共有20余項公認(rèn)的機器人賽事。伴隨著這些賽事，出現(xiàn)了許多類別的競賽機器人，如四足機器人，擬人機器人等。目前，一些賽事已成為人工智能等高端機器人技術(shù)研究交流的平臺。 目前，國際上比較著名的機器人競賽有：RoboCup 競賽、FIRACup 競賽、ABU-Robocon競賽、迷宮機器人競賽、巡線機器人競賽、迷宮操作機器人競賽、滅火機器人競賽、舞蹈機器人競賽和相撲機器人競賽等。這些機器人競賽除了需要采用比較先進的技術(shù)外，還有幾個特點

11、：一是對抗性強，比賽時間短，有很強的觀賞性和娛樂性；二是能夠充分地發(fā)揮參賽者的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)參賽者的實踐能力和團隊協(xié)作精神；三是比賽策略和臨場發(fā)揮非常重要，這有助于培養(yǎng)參賽者的宏觀規(guī)劃決策能力、應(yīng)變能力以及心里素質(zhì)；四是比賽規(guī)則和題目變化較大。[[]（日）Brain Navi. 機器人集錦. 北京：科學(xué)出版社，2003. ] 1.2 ABU-Robocon概述 1999年10月中國廣播電視代表團出席了“亞洲—太平洋廣播聯(lián)盟”（Asia-Pacific Broadcasting Union 縮寫 ABU、簡稱亞廣聯(lián)）第36屆大會。此次大會通過了共同舉辦“亞太地區(qū)大學(xué)生機器人比賽”活動的

12、決定，并組成了由日本NHK、中國中央電視臺、韓國KBS、新加坡TCS、泰國TPT、印尼TVRI為成員的“機器人大賽核心小組”。2000年3月，在日本東京成立了“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)機器人大賽籌備委員會”。9月，該委員會在泰國過渡為“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)機器人大賽董事會”并舉行了首屆董事會議，會議通過了“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)機器人大賽”的章程和規(guī)則，并決定從2002年開始，每年舉辦一屆“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)大學(xué)生機器人大賽”。比賽的主題與規(guī)則由主辦國根據(jù)本國的文化和傳統(tǒng)制定。 作為亞廣聯(lián)的成員國，中央電視臺積極參與亞廣聯(lián)組織的亞太地區(qū)大學(xué)生機器人電視大賽，每年根據(jù)大賽的主題與規(guī)則組織國內(nèi)的選拔賽。這項大賽的目的是培養(yǎng)

13、和開發(fā)全國大學(xué)生的聰明才智與創(chuàng)新精神，展示當(dāng)代大學(xué)生機器人制作能力與高新技術(shù)應(yīng)用水平。提出的口號是“讓思維活躍起來，讓智慧行動起來！”[[] 王志良. 競賽機器人制作技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社,2007. ] 1.3 ABU-Robocon2008主題與規(guī)則摘要 本屆比賽的主題是“競技牛郎”。比賽時間為3分鐘，比賽雙方為紅隊和藍隊，如果在比賽時間內(nèi)，一隊直接將置于自主區(qū)塔柱上瓷碗中的三個黃油舉起，將成為“牛郎”（勝利者），比賽立即結(jié)束，否則，比賽結(jié)束時得分最多的一方獲勝。 1. 場地 a．總面積14500mmX13000mm，詳見圖1—1。 b．手動區(qū)：圖1—1中天藍色

14、區(qū)域。 c．自主區(qū)：圖1—1中綠色區(qū)域。 d．公共區(qū)：H型自主區(qū)間標(biāo)識的紅藍區(qū)域。 e．自主區(qū)邊界圍有30mm寬X50mm高的木柵欄。 f．黃油：用低密度聚乙烯制成的200mm立方體，重量為130g ( 20 g)，如圖1—2。 g．陶罐和奶酪：外形如圖1—3，陶罐重430g (20 g)，奶酪重150g ( 20 g)。 h．籃區(qū)：500mm250mm的矩形區(qū)域，外圍有30mm寬X50mm高的木柵欄，如圖1—4。 i．中央塔柱、側(cè)邊塔柱及少女島：外形如圖1—5。 2. 自主區(qū)得分點： a. 中央塔柱——黃色黃油——分值12——高度1500mm——數(shù)量1。 b. 側(cè)邊塔柱

15、——白色黃油——分值6——高度750mm——數(shù)量2。 3. 手動區(qū)得分點： 少女島——陶罐和奶酪——分值（成套放置于籃區(qū)：每套得3分；不成套放置于籃區(qū)：每個陶罐或奶酪得1分）——高度750mm——數(shù)量8。 圖1—1 比賽場地示意圖 圖1—2 黃油 圖1—3 陶罐和奶酪 圖1—4 籃區(qū) 圖1—5 中央塔柱、側(cè)邊塔柱和少女島 4. 規(guī)則概要 a．比賽開始前，在手動啟動區(qū)內(nèi)，手動機器人的尺寸不能超出1000mm長、1000mm寬、1000mm高

16、。比賽開始后，手動機器人的尺寸應(yīng)限制在1500mm的立方體內(nèi)。 b．比賽一旦開始，參賽隊員不能接觸手動機器人。 c．手動機器人的部件及其操作員不能侵入自主區(qū)、對方公共區(qū)、對方籃區(qū)及它們的上方。 d．手動機器人只有在自己的公共區(qū)時才能接觸本隊的自主機器人，并且只有當(dāng)手動機器人得分之后才能進入公共區(qū)。 e．手動機器人不能接觸對方的手動和自主機器人。 f．比賽開始前，所有自主機器人（三臺或三臺以下）應(yīng)納入1000mm的立方體內(nèi)；比賽開始后，自主機器人的外形尺寸應(yīng)限制在1500mm的立方體內(nèi)。 g．自主機器人不能分離成兩臺或多臺，兩臺以上的自主機器人在啟動區(qū)相互接觸，就被認(rèn)為是一臺機器人。

17、 h．不允許一臺自主機器人爬上或跳上中央塔柱抓取黃色黃油得分。 i．允許兩臺配合取中間黃油的機器人有一次可以證明的符合規(guī)定的通信方式。 1.4 章節(jié)概述 全文共分為五章，第一章為緒論部分，介紹了亞太機器人大賽的相關(guān)背景以及Robocon2008的主題與規(guī)則。第二章對比賽的規(guī)則做了詳細(xì)的分析，介紹了本屆比賽的總體參賽方案，并提出手動機器人的設(shè)計任務(wù)和設(shè)計要求。第三章詳細(xì)講述了手動機器人整體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計與完善過程。第四章對手動機器人的各組成機構(gòu)進行了詳細(xì)設(shè)計。第五章介紹了在本屆比賽中設(shè)計制作的操作手柄，簡要說明了控制搖桿模擬量的采集、數(shù)據(jù)編碼與發(fā)送方式。最后總結(jié)了機器人設(shè)計與制作的相關(guān)經(jīng)

18、驗、教訓(xùn)和測試結(jié)果。  第2章 規(guī)則分析以及參賽總體方案 2.1 規(guī)則分析 相比往屆，本屆比賽的規(guī)則有很大程度的變化，呈現(xiàn)出新的特點。 圖2—1 得分點和進入對方自主區(qū)路線示意圖 首先，本屆比賽要求必須有兩臺機器人配合才能去奪取中央塔柱的12分黃色黃油，并且兩臺配合的機器人只能有一次通信。參看本屆規(guī)則可知，場上總分48分，分布是：自主區(qū)12+6+6=24分；手動區(qū)3X8=24分，如圖2—1?？梢?，自主區(qū)得分點少，分?jǐn)?shù)集中，手動區(qū)分?jǐn)?shù)相對分散，手動機器人得分任務(wù)較重。另外，自主區(qū)的兩個6分塔柱離自主機器人啟動區(qū)非常近，直線距離只有1581mm，根據(jù)往屆的比賽情況，一參賽

19、隊丟掉這一區(qū)域6分的可能性比較小，因而中央塔柱的12分黃油便成了兩隊的決勝地點，這一區(qū)域的競爭必然會非常激烈。 因此可以說，一參賽隊若能取得中間12分，就有70%的把握獲勝了，而要取得中間12分黃油，在不考慮對方干擾情況下，若采取自主機器人與自主機器人的配合方案，則要求機器人的定位精度足夠高，穩(wěn)定性足夠好，對控制技術(shù)的要求很高；而若采取手動機器人與自主機器人的配合方案，由于規(guī)則規(guī)定手動機器人只有在得分之后才能進入公共區(qū)與自主機器人進行配合，因而奪取黃色黃油的速度受到了限制，并且由于規(guī)定手動機器人不能進入自主區(qū)，所以被舉起的自主機器人要能取得黃色黃油，就需要一個臂長為1m左右的夾持機構(gòu)，這將是機

20、構(gòu)設(shè)計上的一大挑戰(zhàn)。[[] （德）S.弗羅尼斯.設(shè)計學(xué)——傳動零件. 北京：高等教育出版社，1988. ] 其次，賽場得分點少，正常情況下，一場比賽的總機器人數(shù)為8臺。其中每隊只有兩個籃區(qū)可供放置陶罐和奶酪得分，自主區(qū)內(nèi)只有3個黃油可供得分。根據(jù)這一特點，要在本屆比賽中取得好成績，自主機器人的速度和穩(wěn)定性是關(guān)鍵。首先要有速度，能在第一時間占據(jù)得分點，就有了取勝的前提條件；然后要有穩(wěn)定性，機器人的性能穩(wěn)定，能夠完成預(yù)定的比賽任務(wù)是取勝的基本條件。根據(jù)參賽雙方自主機器人的速度和穩(wěn)定性差異可以預(yù)見比賽時出現(xiàn)的比較多的幾種可能情況會是： 1. 雙方勢均力敵，都沒有取得中間12分黃油，自主區(qū)得分

21、都是6分，這種情況下，決定勝負(fù)的因素有兩個：一是手動機器的速度和靈活性，取得4套以上陶罐和奶酪者將獲勝；二是自主機器人破壞對方籃區(qū)和保護己方籃區(qū)的能力，能夠保護好己方籃區(qū)并能成功對對方籃區(qū)實施破壞者將獲勝。 2. 自主區(qū)得分分別是18分和6分，這種情況下落后的一方扭轉(zhuǎn)賽局的難度非常大，如果可能，則這一可能性仍然依賴于手動機器人的性能和自主機器人破壞對方籃區(qū)和保護己方籃區(qū)的能力； 3. 自主區(qū)得分分別是6分和12分，和前兩種情況一樣，最后的勝負(fù)還是取決于雙方手動機器人的性能優(yōu)劣和自主機器人籃區(qū)的攻防。 可見，手動機器人的得分速度和自主機器人的籃區(qū)攻防能力便成了比賽后期決定勝負(fù)的主要因素。

22、 再次，考察本屆比賽的場地圖可以注意到：比賽雙方分處場地的對側(cè)，在自主區(qū)，一方機器人若想進入對方區(qū)域活動只有兩種途徑：一是從中間塔柱附近的2000mm寬度區(qū)域通過；一是設(shè)計跨障機構(gòu)，讓機器人兩次跨越高50mm，寬30mm的木柵欄從己方的公共區(qū)進入對方自主區(qū)，如圖2—1。但是設(shè)計能夠連續(xù)兩次跨越柵欄的機器人主要有以下難點：機構(gòu)設(shè)計難度大，越障之后重新定位困難，行進速度會受到影響。從往屆的比賽統(tǒng)計結(jié)果來看，除了履帶式機器人，從未出現(xiàn)過能夠連續(xù)兩次跨越障礙的機器人，而履帶式機器人的走行速度是很慢的，統(tǒng)計數(shù)據(jù)是不到1m/s。[[] 張毅，羅元，鄭太雄. 移動機器人技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社2

23、007. ] 基于以上分析，可以認(rèn)為在比賽過程出現(xiàn)跨障機器人的可能性比較小，或者說這類機器人的威脅不是很大。因此，更多的情況下，對方的自主機器人將從中間區(qū)域試圖進入我方自主區(qū)，而自主機器人在比賽開始后最大可以覆蓋1350mm的寬度，這樣，中間2000mm寬度區(qū)域就成了“一夫當(dāng)關(guān)，萬夫莫開”的重要關(guān)口了。 2.2 參賽總體方案的確定 本屆比賽最顯著的特點是要求兩臺機器人配合以奪取中央塔柱上放置的黃油，這就有兩種可能：一個是手動機器人和自主機器人配合；另一個是自主機器人與自主機器人配合。以這兩種配合方式為區(qū)別，在方案設(shè)計階段可以制定兩套參賽總體方案，可以通過多方面討論分析這兩套方案的優(yōu)缺點

24、來選定一套方案進行設(shè)計制作。 由前一節(jié)的規(guī)則分析可知，若采用自主機器人與自主機器人的配合方案要求穩(wěn)定性好，定位精度高，因而取中間黃油的速度就會受到約束；而若采用手動機器人與自主機器人的配合方案，因為手動機器人必須得分后才能進入公共區(qū)，取中間黃油時速度上就更沒有優(yōu)勢了。這就決定了無論選用哪種配合方式，都需要有一個速度非?？斓淖灾鳈C器人在盡可能短的時間內(nèi)沖至中央塔柱附近實施干擾，以阻擋對方奪取黃色黃油，為己方機器人的配合爭取機會。 1. 手動機器人與自主機器人配合方案 機器人組成和主要功能：手動機器人，1、2、3號自主機器人。手動機器人能夾取陶罐和奶酪放入籃區(qū)得分，并能視比賽情況決定何時進入

25、公共區(qū)與1號自主機器人配合取黃色黃油；2號自主機器人能夠夾取白色黃油，兼有破壞敵方籃區(qū)功能；3號自主機器人的主要功能是對對方機器人的配合實施干擾。 這套配合方案的優(yōu)點是取中間黃油過程中受到的干擾較少，并且手動機器人操作手可以視比賽的具體情況決定是否進行配合，以及何時配合。缺點之一是弱化了手動機器人的籃區(qū)得分能力，并使手動機器人的設(shè)計難度和復(fù)雜程度加大，而若要平衡得分能力，則要求自主機器人兼有夾取陶罐和奶酪的功能，但這樣會使機器人的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，機械設(shè)計難度增大，而且由于任務(wù)數(shù)目的增多，任務(wù)地點的分散性，控制上的難度也會成倍增加。缺點之二是由于規(guī)則要求手動機器人在得分之后才能進入公共區(qū)與自主機

26、器人配合，相比自主機器人與自主機器人的搭接方案，速度會很慢，因而會非常依賴3號自主機器人的干擾效果。1號自主機器人的設(shè)計難點集中在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，需要有一個臂長約1m的夾持機構(gòu)，而在自主啟動區(qū)所有的自動機器人應(yīng)納入1m的立方體內(nèi)[[]（美）Fred G. Martin. 機器人探索——工程實踐指南. 北京：電子工業(yè)出版社，2004. ]。 2. 自主機器人與自主機器人配合方案 機器人組成和主要功能：手動機器人，承載機器人，被承載機器人，干擾機器人。手動機器人只負(fù)責(zé)籃區(qū)得分；干擾機器人負(fù)責(zé)在盡可能短的時間內(nèi)到達中央塔柱附近對對方機器人的配合實施干擾，為另兩個機器人的配合創(chuàng)造條件，為平衡自

27、主機器人的得分能力以適應(yīng)策略的多樣性，干擾機器人還應(yīng)兼有夾取白色黃色和保護己方籃區(qū)的功能；被承載機器人，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，在啟動區(qū)即放置在承載機器人的提升平臺上（不接觸），比賽一開始，承載機器人即提升被承載機器人并一同沖向中間塔柱，奪取黃色黃油。被承載機器人兼有夾取白色黃油的功能。 這套配合方案的難點在于對干擾機器人的走行速度要求很高，對被承載機器人則首先要求定位準(zhǔn)確，然后在此基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能提高它的走行速度。優(yōu)點之一是配合方式簡單，比賽開始前即已經(jīng)做好了配合的預(yù)備工作，承載機器人只需一個提升動作便完成了配合，實現(xiàn)起來非常容易。優(yōu)點之二是配合速度快，夾取黃色黃油的時間只取決于承載機器人的走行速

28、度。優(yōu)點之三是解放了手動機器人，根據(jù)前一節(jié)的分析，手動機器人的在籃區(qū)的得分能力對比賽結(jié)果的影響是關(guān)鍵性的，根據(jù)這一方案，手動機器人只需負(fù)責(zé)夾取陶罐和奶酪放入籃區(qū)得分，因此它可以設(shè)計得非常簡潔靈巧。優(yōu)點之四是策略的適應(yīng)性好，即可以進攻，也可以防守。因此采用自主機器人與自主機器人的配合方案更有優(yōu)勢。 2.3 手動機器人的功能要求和主要技術(shù)參數(shù) 在自主機器人與自主機器人的配合方案指導(dǎo)下，手動機器人應(yīng)能完成以下比賽任務(wù)： 1. 主任務(wù)：盡可能多的夾取少女島上的陶罐和奶酪放入己方籃區(qū)得分； 2. 輔助任務(wù)：能夠拾取散落在手動區(qū)的陶罐和奶酪放入籃區(qū)得分。 其中，輔助任務(wù)在以下情況產(chǎn)生：a. 籃區(qū)

29、遭到破壞，有陶罐或奶酪散落在手動區(qū)，而且己方籃區(qū)還有空間放置被拾起的陶罐或奶酪；b. 由于夾取或放置陶罐和奶酪的動作失誤造成的陶罐或奶酪散落在手動區(qū)，而且己方籃區(qū)還有空間放置被拾起的陶罐或奶酪。而如果少女島上還有陶罐和奶酪，并且根據(jù)比賽情況，若還有可能爭取到時，手動機器人應(yīng)優(yōu)先執(zhí)行主任務(wù)[[] (美)Robin R. Murphy. 人工智能機器人學(xué)導(dǎo)論. 北京：電子工業(yè)出版社，2004. ]。 根據(jù)手動機器人的比賽任務(wù)，可以確定它應(yīng)具備以下主要功能： 1. 走行功能 走行功能是手動機器人最基本的功能。機器人必須能靈巧迅速的前進、后退、轉(zhuǎn)彎，才能保證它能夠高效的完成比賽任務(wù)。手動機器人

30、的性能很大程度上取決于它的走行系統(tǒng)，因此對走行系統(tǒng)驅(qū)動方式和結(jié)構(gòu)方式的選擇與設(shè)計非常重要。 2. 夾取功能 夾取陶罐和奶酪的功能是手動機器人必不可少的功能，設(shè)計制作出簡潔快速的夾取機構(gòu)是實現(xiàn)這一功能的主要內(nèi)容。 3. 提升功能 手動機器人需要把放置在高為485mm的少女島上的陶罐和奶酪放入在地面上圍出的一個長方形區(qū)域內(nèi)，因而需要有實現(xiàn)這一高度差的提升機構(gòu)。 由2.1節(jié)的規(guī)則分析可以看出，手動機器人的得分速度是比賽后期決定勝負(fù)的主要因素，參考其它高校手動機器人的技術(shù)水平，對手動機器人提出的主要技術(shù)參數(shù)如下： 1. 重量、體積等參數(shù)符合2008年ABU ROBOCON 亞太機器人大賽的

31、相關(guān)規(guī)定和要求。 2. 走行全速達到3.5m/s，夾持機構(gòu)張合速度300/s,提升機構(gòu)全行程時間限制在2s以內(nèi)。 3. 手動控制響應(yīng)速度快，操作方便。  第3章 整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與改進 亞太機器人大賽的每年的主題和規(guī)則都不一樣，機器人的任務(wù)對象也是年年不同的。設(shè)計制作的機器人要能高效的完成比賽任務(wù)，就需要全面把握任務(wù)對象的特點，設(shè)計出簡單實用的機構(gòu)。 手動機器人的三個任務(wù)對象及其特點描述如下： 1. 陶罐：如圖3—1，重量為430g（ 20 g）,其特點是從側(cè)面看呈“工”字形； 2. 奶酪：直徑為150mm的充氣橡皮球，重量為150g（ 20 g），一組陶罐

32、和奶酪放置在少女島上的效果如圖3—2； 3. 籃區(qū)：500mm250mm的矩形區(qū)域，外圍有30mm寬X50mm高的木柵欄，其特點是狹窄，只能并排放置兩套陶罐和奶酪，如圖3—3。 圖3—1 陶罐的形狀和外形尺寸 圖3—2 放置有陶罐和奶酪的少女島 圖3—3 放置有陶罐和奶酪的籃區(qū) 以手動機器人的比賽任務(wù)為基礎(chǔ)，根據(jù)比賽的規(guī)則特點以及任務(wù)對象的特點，從不同角度出發(fā)，可以提出多套機器人的結(jié)構(gòu)方案。 3.1 方案一 3.1.1 設(shè)計思路 1. 由于籃區(qū)面積狹小，只夠并排放置兩套陶罐和奶酪，為減少操作步驟，夾持機構(gòu)應(yīng)能實現(xiàn)分開夾取，同時放置；充分利用

33、陶罐的“工”字型形狀，采用抬升式夾取方式，簡單可靠；為防止放置在陶罐之上的奶酪在行進過程中掉落，夾持機構(gòu)上安裝有用舵機驅(qū)動的壓球桿，結(jié)構(gòu)方案如圖3—4。 圖3—4 方案一的主夾持機構(gòu) 壓球桿 驅(qū)動舵機 抬升式夾持機構(gòu) 2. 手動機器人實現(xiàn)得分的地點只有兩個籃區(qū)，被破壞的可能性比較大，因此機器人應(yīng)具有拾取散落到手動區(qū)的陶罐和奶酪得分的能力，因此設(shè)計次夾持機構(gòu)，能夠夾取散落的陶罐和奶酪放入籃區(qū)，其結(jié)構(gòu)方案由一個能分別夾取陶罐和奶酪連桿式夾持機構(gòu)和一個能提供小范圍提升的卷鋼絲式翻轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，如圖3—5。 圖3—5 方案一的次夾持機構(gòu)

34、翻轉(zhuǎn)電機 舵機 游絲 提升機構(gòu) 主夾持機構(gòu) 伸縮機構(gòu) 次夾持機構(gòu) 壓球桿機構(gòu) 圖3—6 方案一的總體結(jié)構(gòu) 3. 為減少轉(zhuǎn)彎、定位和姿態(tài)調(diào)整的時間，將夾持機構(gòu)布置在機器人行進方向的側(cè)面，比賽時機器人盡量貼著木柵欄行進，由于比賽規(guī)定手動機器人的任何部分不能伸入自主區(qū)，因此安裝在機器人側(cè)邊的夾持機構(gòu)應(yīng)具有一個垂直行進方向的自由度，沿著木柵欄前進時，將夾持機構(gòu)收回車體內(nèi)，到達少女島位置夾取陶罐和奶酪時，伸出夾持機構(gòu)，這一自由度用絲杠滑塊機構(gòu)實現(xiàn)[[]（美）戈登-麥庫姆. 機器人本體制作指南. 北京：機械工業(yè)出版社,2006. ]，

35、如圖3—6。 3.1.2 動作順序 1. 出發(fā)后首先操作機器人貼著木柵欄； 2. 行進至少女島位置； 3. 伸縮機構(gòu)驅(qū)動夾持機構(gòu)伸入陶罐沿下； 4. 提升夾持機構(gòu)； 5. 壓球桿壓下； 6. 伸縮機構(gòu)驅(qū)動夾持機構(gòu)縮回車體； 7. 離開木柵欄，降下夾持機構(gòu)； 8. 行進至下一少女島； 9. 松開壓球桿； 10. 重復(fù)動作3至5； 11. 行進至籃區(qū)； 12. 降下夾持機構(gòu)，將兩套陶罐和奶酪放入籃區(qū)； 13. 松開壓球桿； 14. 伸縮機構(gòu)驅(qū)動夾持機構(gòu)縮回車體，完成一次得分。 3.1.3分析與總結(jié) 方案一功能全面，總體結(jié)構(gòu)形式基于減少轉(zhuǎn)彎和夾取陶罐時姿態(tài)調(diào)整時間的

36、思想，比賽時機器人需盡量貼著木柵欄行進，多數(shù)情況下只需前進和后退以改變自身的位置，主夾持機構(gòu)為“U”形抬升式，簡單有效，輔助以壓球桿機構(gòu)，防止陶罐和奶酪掉落，次加持機構(gòu)能拾取陶罐和奶酪得分，能在一定程度上應(yīng)對敵方機器人對籃區(qū)的破壞。 方案一的缺點和不足是：a. 底盤上部機構(gòu)單薄，只有兩導(dǎo)桿作為支撐，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，夾取陶罐和奶酪后，由于重量全部集中在側(cè)面，上部機構(gòu)很可能變形傾斜，而且會影響機器人的走行；b. 動作復(fù)雜，控制點太多，共需使用7個電機；c. 壓球桿機構(gòu)在取第二個陶罐和奶酪時需要抬起，從而在這段時間內(nèi)沒有對第一個陶罐和奶酪進行保護； d. 參看前一節(jié)的動作順序可以發(fā)現(xiàn)，機器人在完成一

37、次得分時有許多重復(fù)性動作，每取一個陶罐和奶酪，壓球桿機構(gòu)需要壓下、抬起一次，伸縮機構(gòu)需要伸入、縮回一次，這會大大降低手動機器人的得分速度；e. 參看比賽的場地圖可以發(fā)現(xiàn)，機器人能夠貼著木柵欄行進的距離非常短，而且很離散，因此這種設(shè)計方案實際上不能給機器人的速度提供多大優(yōu)勢，相反，由于夾持機構(gòu)安裝在車體側(cè)面，如果要避免經(jīng)常轉(zhuǎn)彎，就只能沿著一個方向圍著場地跑，這就限制了機器人靈活性，策略也會變得單一。[[] 石志新，羅玉峰，陳紅亮，葉梅燕. 機器人機構(gòu)的全域性能指標(biāo)研究. 機器人，2005 Vol.27 No.5. ] 方案一建模完成后，經(jīng)歷了兩次小的改進，第一次是將提升機構(gòu)的導(dǎo)桿數(shù)由兩根改為

38、三根，提高了機器人的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛性，第二次是把壓球桿機構(gòu)一分為二，分開壓球，避免了分開夾取時相互影響，代價是增加了一個電機，如圖3—7。但是，這一方案經(jīng)過幾次小的改進后還是不具備進行樣機制作的條件。 改進后提升機構(gòu) 改進后壓球機構(gòu) 圖3—7 方案一改進后的總體結(jié)構(gòu) 3.2 方案二 3.2.1 設(shè)計思路 針對方案一的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作步驟繁瑣等缺點，這套方案將在前一方案的基礎(chǔ)上，以簡潔、穩(wěn)定、快速為總設(shè)計思路，精簡結(jié)構(gòu)，合理配置。 具體設(shè)計思路如下： 1. 沿用方案一的主夾持機構(gòu)設(shè)計思想，但對具體形式進行重新設(shè)計，如圖3—8，改“U”形抬升式主夾持機構(gòu)為舵機驅(qū)動的單側(cè)

39、開合式，取消壓球桿機構(gòu)，改用在夾持機構(gòu)上豎立一定高度的鐵絲來防止奶酪在機器人行進時掉落；保留方案一的次夾持機構(gòu)。 2. 總體結(jié)構(gòu)如圖3—9，主夾持機構(gòu)安裝在車體的前端，次夾持機構(gòu)安裝在車體的側(cè)面，機器人不再貼著木柵欄行進，取消伸縮機構(gòu)。 圖3—8 方案二的主夾持機構(gòu) 舵機 護球桿 圖3—9 方案二的總體結(jié)構(gòu) 提升機構(gòu) 次夾持機構(gòu) 主夾持機構(gòu) 3.2.2 動作順序 1. 出發(fā)后到達少女島位置，姿態(tài)微調(diào)； 2. 夾取陶罐和奶酪； 3. 提升主夾持

40、機構(gòu)； 4. 降低主夾持機構(gòu)； 5. 夾取第二個陶罐和奶酪； 6. 提升主夾持機構(gòu)； 7. 行進至籃區(qū)，姿態(tài)微調(diào)； 8. 降下主夾持機構(gòu)； 9. 松開夾子，車體后退，完成一次得分 可見，相比方案一的動作順序，簡練了許多。 3.2.3 分析與總結(jié) 與方案一相比，方案二無論在操作動作上還是在整體結(jié)構(gòu)上都更為簡練。單側(cè)開合式的主夾持機構(gòu)相比“U”形抬升式可以允許有更大的定位誤差，因而姿態(tài)調(diào)整不會耗費多少時間。放棄貼欄走的方式，手動機器人的比賽策略變得多樣了，操作手可以根據(jù)場上情況，實時選擇最有利的得分路線，同時，這一方案對機器人的走行控制提出了更高的要求：走行速度快，轉(zhuǎn)向靈活，姿態(tài)

41、微調(diào)快捷，操作性能好。[[] 蔡自興. 機器人學(xué). 北京：清華大學(xué)出版社，2000. ] 方案二經(jīng)集體討論通過之后，進行了樣機制作。在調(diào)試樣機時，發(fā)現(xiàn)了這一方案的最大缺陷是：提升機構(gòu)由于零件加工、裝配等誤差而出現(xiàn)提升不順暢甚至卡死的情況。[[] 廖念釗. 互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ). 北京：中國計量出版社，2006. ] 3.3 方案三 3.3.1 設(shè)計思路與總體結(jié)構(gòu) 設(shè)計思路：堅持簡潔、穩(wěn)定、快速的總設(shè)計思路，總結(jié)前兩個方案的經(jīng)驗教訓(xùn)，以解決方案二的提升問題為主要內(nèi)容。 圖3—10 方案三的總體結(jié)構(gòu) 通過機構(gòu)實驗確定了提升機構(gòu)方案之后，設(shè)計完成的手動機器人總體結(jié)構(gòu)

42、方案如下： 沿用方案二的主、次夾持機構(gòu)形式，取消前兩個方案中次夾持機構(gòu)的“卷游絲”式小范圍提升機構(gòu)，讓次夾持機構(gòu)與主夾持機構(gòu)共用一個提升機構(gòu)；主夾持機構(gòu)布置在驅(qū)動輪的同側(cè)，而將次夾持機構(gòu)布置在驅(qū)動輪的對側(cè)。提升機構(gòu)仍采用兩根導(dǎo)桿，相比前兩個方案的變化是導(dǎo)桿變粗了，直線軸承變長了。同時采用游絲加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛性，解決了兩根導(dǎo)桿提升結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，上部機構(gòu)易晃動的缺點，[[] 揚桂霞. 直線滾動導(dǎo)軌的特點及選用. 機械工程師，2001.(7). ]如圖3—10。 3.3.2 優(yōu)化與改進 這一方案的樣機制作出來后，依據(jù)調(diào)試過程發(fā)現(xiàn)的問題，對方案三先后進行了四項改進。 第一項是把主夾持機構(gòu)和次

43、夾持機構(gòu)的位置相互調(diào)換了一下，原因是在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)機器人走行受驅(qū)動方式（前驅(qū)和后驅(qū)）的影響很大。采用后驅(qū)的方式時，機器人操控性好，轉(zhuǎn)向靈活，而當(dāng)采用前驅(qū)方式時，機器人的操控性變得很差，轉(zhuǎn)向時很難控制。因此需要把主夾持機構(gòu)布置在驅(qū)動輪的對側(cè)，即多數(shù)情況下采用后驅(qū)的行進方式。經(jīng)過分析，產(chǎn)生這一差異的可能原因是：腳輪的結(jié)構(gòu)特點決定了它將始終保持與摩擦力共線，當(dāng)采用后驅(qū)方式時，腳輪先于整個車體轉(zhuǎn)向，起著導(dǎo)向的作用，因而轉(zhuǎn)向靈活；而當(dāng)采用前驅(qū)方式時，腳輪轉(zhuǎn)向滯后于車體，起著保持原來運動方向的作用，所以轉(zhuǎn)向時慣性大，操控性差。[[] Jorge Angeres. An Innovative Drive

44、for Wheeled Mobile. ASME transactions on mechatronics vol.10 no.1 February 2005. ] 第二項是取消了主夾持機構(gòu)上的護球桿。在樣機的調(diào)試運行過程中，除了在劇烈碰撞情況下，機器人行進時沒有出現(xiàn)過奶酪從陶罐中掉落的情況，因此護球桿的必要性需要做進一步驗證，驗證方式是分析夾持在機器人上的陶罐和奶酪的動態(tài)穩(wěn)定性。[[] Wen-Hong Zhu .Dynamics of General Constrained Robots Derived from Rigid Bodies. Journal of Applied Mec

45、hanics, MAY 2008, Vol. 75 / 031005-1. ] 陶罐和奶酪動態(tài)穩(wěn)定性校核： 根據(jù)手動機器人的最大加速度和奶酪的質(zhì)量，建立陶罐和奶酪的動態(tài)穩(wěn)定性分析模型，如圖3—11。 （3—1） 求得：，因此當(dāng)機器人處于最大加減速狀態(tài)時，奶酪不會從陶罐掉落出來，護球桿沒有必要加上。 圖3—11 陶罐和奶酪的動態(tài)穩(wěn)定性分析模型 第三項是在靠近驅(qū)動輪的一側(cè)安裝了一個支撐角輪，該腳輪懸離地面約1mm。這一改動是針對機器人在啟動加速時出現(xiàn)的前后晃動而進行的。而出現(xiàn)這一狀況的原因是機器人的重心離驅(qū)動輪的軸線太近并且離地面太高，如圖3—1

46、2。經(jīng)過改進，這一情況得到了根本性的改善，如圖3—13。[[] 王樹國，戰(zhàn)強，陳在禮. 移動機器人的爬梯機構(gòu). 機器人，1998，20. ] 圖3—12 方案三的重心位置 圖3—13 改進后的底盤部分 第四項是取消次夾持機構(gòu)而再增加一個主夾持機構(gòu)。設(shè)計次夾持機構(gòu)的初衷是為了在敵方成功破了我方籃區(qū)之后，手動機器人能夠“揀回”一點分?jǐn)?shù)。但是進一步分析認(rèn)為，如果對方能夠成功對我方籃區(qū)實施破壞，那么對方很可能不會再給我方機會把陶罐和奶酪揀起來再放回去，如在破壞籃區(qū)之后，再采取“占領(lǐng)”該籃區(qū)的方式，這樣，即使我方手動機器人能揀到散落的陶罐和奶酪，受次夾持機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式約束，也是很

47、難再放入另一個籃區(qū)得分的。而水平較高的干擾方式則可能直接把籃區(qū)的陶罐和奶酪拿走了。從另一方面考慮，與其去揀散落的陶罐和奶酪，還不如抓緊時間去爭取少女島上的。因此取消次夾持機構(gòu)而換上一個可以折疊的主夾持機構(gòu)，“可以折疊”是為了讓機器人符合“比賽開始前，在手動啟動區(qū)內(nèi)，手動機器人的尺寸不能超出1000mm長、1000mm寬、1000mm高”的規(guī)定。需要說明的是這個折疊機構(gòu)是個“一次性”機構(gòu)，比賽開始后，依靠機器人啟動時的慣性力展開，因而不會引入一個驅(qū)動電機，增加控制量。[[] 張玉茹，李繼婷，李劍鋒. 機器人靈巧手——建模、規(guī)劃與仿真. 北京：機械工業(yè)出版社，2007. ] 經(jīng)過改進后的手動

48、機器人實體模型如圖3—14所示。 制作完成的手動機器人實物照片如圖3—15所示。 圖3—14（a） 改進后的方案三總體結(jié)構(gòu)（展開后） 圖3—14（b）改進后的方案三總體結(jié)構(gòu)（展開前） 圖3—15（a） 持有三套陶罐和奶酪的手動機器人 圖3—15（b） 夾取陶罐和奶酪 圖3—15（c） 放置陶罐和奶酪 圖3—15（d） 疊放陶罐和奶酪  第4章 機械系統(tǒng)設(shè)計 4.1 走行系統(tǒng)設(shè)計 4.1.1 走行方式選擇 常用的移動機器人走行方式有：履帶式、步行式、輪式。 1.履帶式 履帶式的優(yōu)點是著地面積大，所以機器人在行進時，車體很穩(wěn)健，不怕撞，對抗性

49、強，并且具有良好的爬坡性能和一定的越障能力，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)向不便，機動性差，摩擦損耗大，電機效率低，速度較慢。在前幾屆比賽中，有一些采用這一走行方式的隊伍，但是表現(xiàn)一般。 2.步行式 步行式的優(yōu)點是對地面的適應(yīng)能力強，但是目前技術(shù)還不成熟，機械和控制上的實現(xiàn)難度大，這對于以在校大學(xué)生為參賽對象，以機器人的速度、靈活性和可靠性為主要對抗內(nèi)容的亞太機器人大賽來說，非常不適用。 3.輪式 輪式是這項賽事中最常見的機器人走行方式。它有一下優(yōu)點：能實現(xiàn)機器人的高速靈活移動，設(shè)計制作以及控制都相對簡單，能量利用率高；缺點是對路面的要求較高，適合平整的路面，因此輪式走行方式非常適用于這項賽事。我

50、校從第一屆比賽開始，一直都采用這一走行方式，本屆也不例外。 輪式走行方式有多種結(jié)構(gòu)形式，按輪數(shù)分類有：三輪式，四輪式；按驅(qū)動輪的位置分類有：前驅(qū)式，后驅(qū)式，中驅(qū)式；前幾屆比賽中，我校參賽選手設(shè)計的三輪驅(qū)動的“萬向底盤”，是一種比較新穎的輪式走行方式，這種走行方式能實現(xiàn)機器人平面內(nèi)的任意方向平移，其結(jié)構(gòu)如圖4—1，相對兩輪驅(qū)動的普通輪式走行方式，它的優(yōu)點是姿態(tài)調(diào)整迅速，方便；缺點和不足是電機效率低，機構(gòu)比較復(fù)雜，安裝精度要求較高，控制難度大，速度也有待提高。[[] 宗光華等．機器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐(第一版)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004. ] 圖4—1 萬向底盤 本次設(shè)計中

51、，手動機器人選用三輪走行方式。理由主要有以下兩點：a. 根據(jù)三點確定一個平面的原理，三輪式可以保證兩個驅(qū)動輪的著地性能一樣，不會像四輪式那樣會因地面不平或者裝配誤差造成兩個驅(qū)動輪所受的摩擦力不一樣而影響機器人走行性能。b. 三輪式結(jié)構(gòu)形式簡潔，走行靈活。 4.1.2 走行電機選擇 Ⅰ. 電機選擇原理 根據(jù)機器人行進時驅(qū)動力和行駛阻力的平衡關(guān)系，可以建立機器人的行駛方程式，確定機器人的動力性能。同樣，根據(jù)機器人的動力性能要求，就可以求出機器人行進時驅(qū)動電機所需要的最大輸出轉(zhuǎn)矩。[[] 王立權(quán). 機器人創(chuàng)新設(shè)計與制作. 北京：清華大學(xué)出版社，2007 . ] 機器人行進時，其驅(qū)動力一定要

52、克服行駛阻力，其行駛方程可以表述為： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （4—1） 式中 ——所有驅(qū)動輪動力之和（N）； ——行駛阻力之和（N） Ⅱ. 機器人行駛方程的建立 1. 機器人的驅(qū)動力 如圖4—2，驅(qū)動電機輸出的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動系統(tǒng)至驅(qū)動輪。作用在驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩使車輪對地面產(chǎn)生一個圓周力，根據(jù)作用力與反作用力原理，地面對驅(qū)動輪產(chǎn)生一個反作用力，即使機器人的驅(qū)動力，其值為： 　　　 （4—2）或　　　　　　　 　　　　 （4—3） 式中 ——電機輸出轉(zhuǎn)矩（）； ——減速器傳動比；

53、 ——傳動系的機械效率； ——驅(qū)動輪的半徑（m） 圖4—2 機器人的驅(qū)動力 有公式（4—3）知，機器人的驅(qū)動力取決于有效轉(zhuǎn)矩、傳動比、傳動效率和車輪半徑。對于機器人來講，車輪半徑是已知常數(shù)，因此決定值的是、、。 2. 機器人的行駛阻力 機器人行駛時需要不斷克服行駛過程中的各種阻力。不考慮地面的坡度，這些阻力有來自地面的滾動阻力；來自空氣的空氣阻力；加速時的加速阻力,所以總阻力為： 　　　　 　　　　 　 ?。?—4） 1） 滾動阻力 滾動阻力主要是由于輪胎變形和路面變形產(chǎn)生的，等于滾動阻力系數(shù)與機器人負(fù)荷G的乘積： 　

54、　　　　　　　　　　 　　 　?。?—5） 其中為坡度角，當(dāng)機器人在水平地面行駛時，；滾動阻力系數(shù)通常由試驗確定，也可根據(jù)經(jīng)驗選取。它與地面的類型和材質(zhì)、機器人行駛速度、輪胎的材料有關(guān)。 2）空氣阻力 空氣阻力與機器人的尺寸，外表面形狀和行駛速度有關(guān)。由于所設(shè)計的機器人行進時接受空氣阻力的表面面積很小，而且比賽在室內(nèi)舉行，因此可以忽略這一阻力。 3）加速阻力 機器人在行駛時，需要克服其質(zhì)量加速運動的慣性力，計算公式為： （4—6） 式中 ——機器人旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)（）； —

55、—機器人的質(zhì)量（kg）； ——機器人行駛時的加速度（） 3.行駛方程的建立 根據(jù)以上分析，可以得到機器人的行駛方程式： 　　　　　　　　　 （4—7） 或 　　　　 （4—8） 根據(jù)動力學(xué)功率方程可知： 　　　　　 　 （4—9） 代入公式（4—8），得到機器人的行駛方程： ?。?—10） 式中 ——驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——驅(qū)動輪的半徑（m）； ——所有驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩之和（） 公式（4—10

56、）表示了驅(qū)動力與行駛阻力的數(shù)量關(guān)系，應(yīng)用此公式，根據(jù)機器人的動力性能要求，可以求出機器人的驅(qū)動電機所需要的最大轉(zhuǎn)矩。 Ⅲ. 驅(qū)動電機減速器輸出轉(zhuǎn)矩計算 根據(jù)機器人的直線運動來確定走行電機的轉(zhuǎn)矩，設(shè)兩個驅(qū)動輪受力情況相同，則： 　　　　　　　　　　 　 （4—11） 式中、分別為左右兩驅(qū)動輪的驅(qū)動力。 根據(jù)機器人的行駛方程，各個走行電機減速器的輸出轉(zhuǎn)矩計算公式如下： 　　　　 （4—12） 式中 、為左右兩個走行電機減速器的輸出轉(zhuǎn)矩。 已知機器人的設(shè)計質(zhì)量，驅(qū)動輪半徑，路面坡度角，兩個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動慣量和為，取0.02，；根據(jù)設(shè)計要求，正

57、常運行的加速度應(yīng)為，代入公式（4—12），得出走行電機的減速器輸出的最大轉(zhuǎn)矩為。 Ⅳ. 電機型號初選與驗證 經(jīng)查閱大量直流電機產(chǎn)品資料后，初步選定maxon公司生產(chǎn)的RE35空心杯轉(zhuǎn)子直流電機，配套減速器的減速比為5.8：1。下面驗證初選的電機是否滿足要求。 1） 根據(jù)機器人的走行速度要求4.5m/s、電機減速器減速比5.8和驅(qū)動輪半徑70mm可以推導(dǎo)出電機的最低轉(zhuǎn)速要求是：。 2） 把減速器的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)Q算成電機的輸出轉(zhuǎn)矩： 　　　　　　　　　　　 （4—13） 式中 ——電機減速器輸出轉(zhuǎn)矩（）； ——電機輸出轉(zhuǎn)矩（）； ——減速比；

58、 ——減速器傳輸效率； ——電機摩擦轉(zhuǎn)矩（） 經(jīng)前面的計算和查閱所選型號電機的參數(shù)表可獲知這四個參數(shù)的值分別為： ，，，（可以忽略不計） 將以上數(shù)據(jù)代入公式（4—13），可得： 查電機參數(shù)表可知，RE35空心杯轉(zhuǎn)子直流電機的額定轉(zhuǎn)矩（最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩）是93.3mNm，與比較，可知直流電機的期望輸出轉(zhuǎn)矩沒有超過電機的最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩，所以可以繼續(xù)下一步檢驗。實際上，根據(jù)電機的另一參數(shù)——轉(zhuǎn)矩常數(shù)29.2mNm/A，即在機器人的啟動瞬間，如果供給電機的電流能達到12A，機器人的瞬時加速度可以達到左右，根據(jù)電機的性能曲線，這是可以做到的。 3） 電樞電流的計算 電機供

59、應(yīng)商給出的電機電流計算公式是： 　　　　　　　　 (4—14) 式中 ——電機最大效率； ——電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)（mNm/A）； ——空載電流（A） 根據(jù)電機參數(shù)表查得以上參數(shù)值為：電機最大效率84%，轉(zhuǎn)矩常數(shù)29.2mNm/A，空載電流168mA。代入公式（4—14）得： 查得電機的堵轉(zhuǎn)電流是39.7A，因此當(dāng)減速器的輸出轉(zhuǎn)矩為時，電機處于安全運行狀態(tài)。 4） 計算電機在減速器輸出轉(zhuǎn)矩為時的轉(zhuǎn)速 電機轉(zhuǎn)速的計算公式為： 　　　　　　　　　 （4—15） 式中 ——電機的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（rpm）； R

60、——電機內(nèi)阻（） ——轉(zhuǎn)矩常數(shù)（OZ-in/A） 以上參數(shù)大小從電機參數(shù)表中查得：空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速7670rpm，電機內(nèi)阻0.605，轉(zhuǎn)矩常數(shù)4.113OZ-in/A，代入公式（4—15）中，可得當(dāng)減速器輸出轉(zhuǎn)矩為時，電機實際輸出轉(zhuǎn)速為，大于機器人行進速度要求的最低轉(zhuǎn)速，符合要求。 通過以上驗算，可以得出結(jié)論：所選的maxon-RE35空心杯轉(zhuǎn)子直流電機符合要求。 4.1.3 走行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及外形尺寸 底盤骨架使用19X19mm，壁厚為0.5mm的不銹鋼方管焊接成形。其結(jié)構(gòu)是以三輪式走行方式為基礎(chǔ)，在驅(qū)動輪附近安裝了一個腳輪以解決機器人在啟停時前后晃動的問題，該腳輪懸離地面約1m

61、m，通常情況下不與地面接觸。外觀尺寸為500mmX437mm，底盤離地高19mm。外形尺寸和結(jié)構(gòu)形式如圖4—3所示。 圖4—3 底盤結(jié)構(gòu)及外形尺寸 4.2 提升機構(gòu)設(shè)計 提升機構(gòu)是亞太機器人大賽賽場上最常見的機構(gòu)之一，主要為機器人提供豎直方向的自由度。 往屆比賽采用的提升機構(gòu)形式：自制的地滾輪滑塊配合鋁方管作為直線運動副，鏈傳動的驅(qū)動方式，如圖4—4。其優(yōu)點是成本低；缺點是制作困難，配合間隙不好把握，安裝不方便，摩擦阻力大，提升的重量上限小，提升速度慢，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不好，而且偏重。 本屆比賽采用的提升機構(gòu)形式：自動化機電產(chǎn)品專用直線運動副，“卷游絲”式的驅(qū)動方式，如

62、圖4—5。其優(yōu)點是摩擦阻力小，提升順暢、結(jié)構(gòu)簡單；缺點是成本較高，很難找到配套的空心導(dǎo)桿，而若用實心導(dǎo)桿，則太重。[[] 濮良貴.機械設(shè)計. 北京：高等教育出版社， 2001（第七版）. ] 圖4—4 自制的地滾輪式直線運動副 空心導(dǎo)桿 直線軸承 提升游絲 圖4—5 直線軸承式直線運動副 4.2.1 優(yōu)化與改進 由于是第一次采用直線軸承式的提升方式，沒有相關(guān)的設(shè)計資料和經(jīng)驗供參考，在設(shè)計和制作時遇到了許多困難，經(jīng)歷了多次優(yōu)化與改進。 第一版設(shè)計方案 該設(shè)計方案的特點是由三個直線運動副組成，結(jié)構(gòu)剛性好。使用的直線軸承型號是SC10UU，直線導(dǎo)桿的直徑為10mm，材

63、料為不銹鋼棒。提升電機用的是改裝后的GWS-S666舵機，其性能參數(shù)是：工作電壓為6V時的輸出扭矩是，額定轉(zhuǎn)速是。用一個電位器對提升的高度進行檢測[[]（日）船倉一郎，土屋，堯. 機器人控制電子學(xué). 北京：科學(xué)出版社，2004. ]，進而實現(xiàn)提升位置控制，圖4—6。 這一設(shè)計方案的缺點是：a. 加工和裝配的精度很難達到它對三根導(dǎo)桿的相對位置精度和平行度的要求，因此在提升過程中會出現(xiàn)不順暢甚至卡死的情況；b. 設(shè)計過程中對摩擦力的估計過低，造成舵機過載，提升速度達不到設(shè)計要求。 圖4—6　第一版提升機構(gòu) 第二版設(shè)計方案 根據(jù)第一版出現(xiàn)的問題，第二版采用兩導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)形式，降低機構(gòu)對

64、加工和裝配精度的要求，同時選擇更大型號的直線軸承和直線導(dǎo)桿，即解決了由于導(dǎo)桿直徑太小引起的結(jié)構(gòu)剛性不好的問題，也減小了摩擦阻力。此外采用牽拉游絲的方式解決了兩導(dǎo)桿提升形式穩(wěn)定性差的問題[[] 錢曉忠.競賽機器人的創(chuàng)意設(shè)計與基本機械結(jié)構(gòu)——Robocon全國大學(xué)生機器人電視大賽[J].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005,01. ]。 但在市場調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，專用的導(dǎo)桿都是實心的，長度為1m直徑為20mm的導(dǎo)桿重量達到了2.5kg，采用這樣笨重的導(dǎo)桿是與手動機器人輕巧靈動的設(shè)計目標(biāo)相違背的，因此只能通過實驗尋找直線導(dǎo)桿的替代品。通過多次實驗，最終確定使用外經(jīng)為19mm，壁厚為1mm的不銹鋼管替代專用導(dǎo)

65、桿，直線軸承則選用亞美特公司生產(chǎn)的型號為LMF20LUU的加長型直線軸承，如圖4—7。 圖4—7 加長型直線軸承 針對第一版設(shè)計方案中提升速度慢的問題，第二版重新選用提升電機，放棄使用改裝的舵機，而選用普通的直流減速電機。 經(jīng)過以上優(yōu)化與改進，設(shè)計制作了第二版提升機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4—8，這一設(shè)計方案解決了前一版方案的所有問題，全行程提升最快只需0.8s。其不足之處是不銹鋼圓管和直線軸承配合間隙為1mm，滑塊有一些晃動，但是對機器人的整體性能的影響可以忽略。最大的缺點是提升電機自鎖力量不夠，無法讓滑塊停止在某一高度位置，而如果選用減速比更大的電機，雖然能實現(xiàn)自鎖，但是速度又達不到要求。

66、[[] Kenan Koser. A slider crank mechanism based robot arm performance and dynamic analysis. Mechanism and Machine Theory 39 (2004) 169–182. ] 圖4—8 第二版提升機構(gòu) 第三版設(shè)計方案 針對第二版設(shè)計方案的自鎖（制動）問題，設(shè)計采用電磁制動器實現(xiàn)提升機構(gòu)的制動。 電磁制動器按工作原理可分為上電制動器和失電制動器。失電制動器是在不通電狀態(tài)時，壓簧的回復(fù)力將銜鐵與摩擦片壓緊而產(chǎn)生摩擦力矩，而摩擦片通過機械聯(lián)結(jié)的方式與旋轉(zhuǎn)軸固連在一起的，這樣就迫使旋轉(zhuǎn)軸停止運動，起到制動作用。當(dāng)制動器通電后，電磁力克服彈簧力吸引銜鐵脫離摩擦片，而使銜鐵對摩擦片的制動摩擦力消失，讓旋轉(zhuǎn)軸處于自由狀態(tài)。上電制動器的工作原理恰好相反，制動器的銜鐵是和旋轉(zhuǎn)軸固連在一起的，通電狀態(tài)下，制動器內(nèi)部線圈產(chǎn)生磁場將銜鐵吸著在摩擦盤上，產(chǎn)生摩擦力矩實現(xiàn)制動，斷電狀態(tài)下由于摩擦面上正壓力小，摩擦力矩小，旋轉(zhuǎn)軸能夠自由轉(zhuǎn)動。[[] 機械設(shè)計手冊編委會. 機械