过桥机器人设计说明书

“勇气号”过桥机械车的方案设计摘要本方案设计了机器人的“几”字型总体方案，实现了“骑桥”的过河方式；采用履带式行进方式，实现机器人本体的行进与转弯；选取了“丝杆+气爪”的动作装置，实现机器人对目标的抓取和拧紧。综上所述，本方案最终实现了机器人所有任务的完成。本设计运用Solid Works软件，通过三维实体造型进行方案设计，反复优化零部件结构，调整尺寸，确保无干涉情况，再导出零件图进行加工制作，再根据出现的问题修改完善，最后导出装配图和部分零件的二维图。关键词：机器人 设计竞赛 Solid Works目录目录.1第一章 设计题目及设计要求.21.1 竞赛题目.31.2 参赛作品的总体要求与设计分析.4 1.2.1参赛作品的总体要求.5 1.2.2场地分析与方案初设.6第二章 设计方案拟定与结构设计.72.1 概述.82.2 机械部分.92.2.1 机械车行走部分的结构设计.102.2.2 机械车身体的结构设计.112.2.3 机械臂的结构设计.122.2.4 抓取和拧紧装置的机构设计.132.2.5 各机械部件的连接设计.142.3 控制部分.15第三章 详细设计、计算与校核.163.1 车的动力与传动方案设计、计算与分析.171. 车的过桥和转动部分.183.2 机械臂的动力与传动方案设计、计算与分析.191. 机械臂的关节部分.202. 气爪的抓取和拧紧部分.21第四章 方案的创新点22 1.机械机构方面的创新设计.232.机械手臂的创新设计.243.抓取机构的创新设计.254.拧紧机构的创新设计.265.本方案的设计有点.27第五章 其它设计计算与说明，设计总结285.1本设计方案的优点295.2设计总结30第一章 竞赛题目及设计要求1.1竞赛题目设计一台可完成竞赛规定动作的简易机器人（以下简称机器人），提交机械设计资料，完成模型制作，参加答辨和现场竞赛。1.2 参赛作品的总体要求与设计分析1.2.1参赛作品的总体要求（1）机器人在收缩状态时，其长宽高均应300mm；展开状态时尺寸不限。（2）机器人重量不限，但应尽可能轻。（3）机器人造价不限，但应尽可能低。（4）机器人操控可采用线控、自动控制、智能控制。（5）机器人行进方式不限。（6）机器人驱动可采用各种形式的原动机，但不允许使用人力直接驱动；若使用电动机驱动，其电源应为安全电源。（注：动力设备自备，比赛现场仅提供 220V 交流电源）。1.2.2场地分析与方案设计竞赛场地（如图1.2.1）所示，地面采用木质地板，表面铺设喷绘广告布，场地尺寸为4000mm2000mm，出发区尺寸为300mm300mm300mm，四周围板高50mm。竞赛用滚动轴承分别为：6310,6308,6306；竞赛用垫圈分别为：36,30,20 GB/T97.1-2002；竞赛用螺母分别为：M30，M24，M16 GB/T6170-2000。 图1.2.1 从上面CAD图中可以看出，比赛场地是分成四个部分的。起点部分、过河部分、物品放置部分、抓取部分。在起点处有300300300的挡板，所以这样就限制了机器人的车身，最终根据以上本方案的初步设计数据综合考虑机器人的车身为长250mm，宽230mm，高280mm。这样的车身设计也是考虑到下车后的转弯。在桥支座处，总宽为90mm，最低高度为4mm，所以本方案将两侧身板的初步设宽度为72mm，抬高13mm，这样车子就能上桥了。桥为30宽，所以设计两挡板之间的距离为32mm。在抓取部分挡板到细杆的距离为220mm，杆高200mm，所以本方案初步设计的大臂伸长水平距为230mm，气爪抬高210mm。都是留有余量的。被抓取物是:轴承D=110.1mm，d=45mm；D=90mm，d=45mm；D=72mm，d=25mm。垫圈D=66mm，d=30mm，B=5.1mm；D=56.1mm，d=24mm，B=3.9mm；D=36.9mm，d=16mm，B=3mm。螺母M30；M24；M16。根据这些数据用来设计本方案的抓取装置和拧紧装置第二章 竞赛的总体设计方案2.1概述为实现设计任务和达到设计要求，本课题小组经认真分析研究后认为，本课题的关键在于：1.机械车的尺寸规格，长宽高都不能超过300mm。2.机械车的过河方式。3.机械车能否顺利的抓取区域三的轴承、垫圈、螺母。4.机械车能否顺利的将轴承、垫圈、螺母按顺序放到区域二的固定螺栓上，并将螺母拧到底。5.机械车怎样拉下胜利的旗帜。6.就是完成时间不能超过8分钟所以针对以上问题，我们经分析以后决定：从场地的布置上看，有三种方式可以使小车从区域一到区域二。分别是：走最右边的宽150mm的窄道；从中间过宽为30mm，高为200mm的桥；走楼梯，下三阶，上二阶的楼梯。首先，考虑到行径、转弯的灵活性，本方案选用履带式行进方式，既高效有平稳。然后就是时间问题，因为总共完成任务的时间规定不能超过8分钟，所以为此决定尽量不要将时间浪费在过河上。由于桥的铺设是在起点的正对方向，车子可以直接走直线上桥来实现过河。所以介于时间的节省，本方案最终决定是过桥方案。过完桥之后就转弯直接去抓取，先将大垫圈抓取放到大轴承上，再将大螺母放在大垫圈上。再一起将这三样同时抓取往回放到指定地点。这样机器人只要往返三次就能实现抓取和拧紧，最后拉旗完成任务。这是大概的方案。2.2 机械部分2.2.1 机械车行走部分的结构设计由场地的模型可以知道，场地是有广告纸铺成的，所以为了不让机器人在行走和转弯的时候发生打滑现象，本方案一致认为用皮带作为传动，即为履带式的行走方式。作为行走部分的主体，底部四个皮带轮都是靠放在车顶的两个大功率电机来驱动的。但是又因为过桥需要驱动上方的两个过桥轮，所以我们设计为多步传动。以一个电机为例：电机驱动上方的过桥轮，这个是直接驱动的，再同过过桥轮的驱动来驱动正下放的一个底轮，这个是将电机的转动传动到底轮的过程，最后两个底轮之间皮带连接同步带动（如图2.2.1-1所示）。其中由于通过皮带传动使轴受到轮子的径向力很大，所以本方案在这里将轴和轮子的配合形式定位过度配合，使轮子和车之间有间隙从而减少了轴的径向力；同样为了让轴和侧身紧密连接本方案将轴设计成阶梯型（如图2.2.1-2所示阶梯轴），然后外加一个内阶梯的法兰盘（如图2.2.1-3所示法兰盘）这样在较大的径向力下，轴和侧身板之间也不会发生偏移。 然后，这之间的所有传动都是通过同步带来实现。电机的正反转可控制车子的前后行走，单边底轮不动用来实现车子的转弯。而两个电机分别是控制一边底轮的传动，同步带也使各个轮之间的旋转都是同步，使车子在行径过程中更加平稳。图2.2.1-1图2.2.1-2图2.2.1-32.2.2机械车身体过桥的结构设计为了实现过桥，机器人的车身设计成了一个“几”字型，中间宽度为设计根据桥两边的支座宽度和高度来设计，当然为了不让车身在桥上倾斜，在中间固定了两块挡板，挡板之间的宽度刚好为桥的宽的。过桥是通过轮子在桥上行进实现的（如图2.2.2-1和2.2.2-2。所示），从图示可以看出轮子的宽度为30mm可以架在铝合金桥上，中间部分宽为8mm可以嵌在桥中间。车身一边加上地板用来放置气爪。而一边只有底轮和侧身上的安放配重的支座。这样的设计节省了不少空间。可以说，本方案的车没有完整的底板的。挡板过桥轮2.2.3机械臂的结构设计机械臂的机构设计，本方案采用的是最原始的结构关节折叠型（如图2.2.3-1所示）为大臂整体。其优点是这种结构简单，活动范围较大，稳定性较好。本方案用丝杆和大功率电机将大臂推出车体，在选用丝杆时考虑到大臂所受的力几乎都要丝杆来承受，所以本方案选用导程小、单头的滚珠丝杆来推动小臂使大臂从折叠状态提升，（如图2.2.3-3所示）丝杆和电机都固定在侧身板上，通过电机带动丝杆转，来使滚轴前进推动大臂的运动。本方案用中间套筒加弹簧来使大臂可以伸缩（如图2.2.3-2所示），在这里设计这个伸缩套筒有很多种用处，在套筒中加入软弹簧可以变换长度，同时也可以实现小幅度的旋转。为了能够将气爪放入车体，大臂处于收缩状态。另外从减轻机械臂的重量和展开状态的刚性要求角度出发，本方案选择硬铝作为机械臂的材料，并在其中间开槽和打孔。手臂的最大行程能够将轴承从中间杆中拿出。图2.2.3-1伸缩套筒图2.2.3-2滚珠丝杆图2.2.3-32.2.4抓取和拧紧装置的机构设计通过和老师的交流，为了能够快速的完成抓取和拧紧动作，本方案选用气爪作为抓取与拧紧工具。首先，气爪在气体的推动下能够快速的松开和夹紧。所以为了抓取轴承、垫圈、螺母，只要设计出相应尺寸的爪子（如图2.2.4-1所示）。为了防止中间过程的磨损，本方案选用耐磨的45号钢来做气爪爪子。爪子分成两层和前后，前部最内的一层用来抓取大轴承，深度为大轴承的三分之一，这个是为气爪本身的行程来考虑的设计；第二层，由于行程够用，所以可以抓起第二个和第三轴承。后部的两层是用来抓取垫片的，也是同样的道理。而为了能够抓起螺母，本方案在爪子抓口出做成六角形的缺口，可以卡住螺母。（如图2.2.4-1所示CAD图），然后就是拧紧装置，这个和抓取装置是同一个装置。在气抓上安装一个电机旋转装置，使整个气爪绕一个轴套（如图2.2.4-2所示）旋转，这样就达到拧紧的效果了，考虑到是偏心运动，本方案选用转速相对较小的电机来带动气爪，同样传动方式仍是皮带。（如图2.2.4-3所示）经过这样一系列的尺寸规定，以及拧紧装置的设想，本方案初步设计了一下气爪的结构（如图2.2.4-4）图2.2.4-1图2.2.4-2皮带传动图2.2.4-3图2.2.4-42.2.5各机械部件的连接设计底轮轴与侧身板的固定本方案用了法兰盘，使其不会晃动；轴是固定的，为了使底轮能够用活动自如，本方案用轴承使底轮和轴进行配合；为了使轴承不轴向滑动，也为了不使底轮不轴向滑动，本方案用到了挡圈；两个侧身班的连接，用顶部两块平行块用螺钉连接；大臂和车身的连接，本方案用到了螺栓连接；其间还多次用到套筒，用来挡住轴承和中间挡板（如图2.2.5-1所示）图2.2.5-12.3控制部分整个机器人的所有动力源均为直流电机，采用有线遥控方式控制模机器人的运作。本方案用两个24V-150rpm的电机来驱动车子的前进；用一个24V-50rpm的电机来驱动侧身的丝杆来推动大臂的升降；用一个24V-30rpm的电机在气爪上来驱动气爪的转动。同时安装了两个调速器来调节两个125转电机的转速，防止过快而不容易控制。所以本方案总共只有四个电机。通过以上的场地分析和实际数据测量，再加上控制电机和控制开关之后，于是本方案将车型初定为（如图2.3所示）的样子图2.3第三章 详细设计、计算和校核3.1车的动力与传动方案设计、计算与分析3.1.1前进动力部分计算分析底轮驱动是采用两个24V，n =125r/min的减速电机（型号ZGA37RH26INo），通过皮带的传动。底轮的要求本方案原本打算设计成为直径为30mm，又因为需要同步带来传动所以通过手册的查询（查机械手册。）本方案选定为节径为30.72mm，齿数为19的带轮为底轮。又考虑到车身长度不能超过300。所以本方案将底轮之间的中心距设计成185.43mm；同样为了使高度不超过300mm，将竖直的两个皮带轮之间的中心距设为198.15。另一方面为了计算皮带型号方便，本方案将动力传动的带轮大小设为一样。节线公式：L=2a+（D+d）/2+(D-d)/4a1.同步带轮及带的选择：底轮带节线长=30.72+185.432=467.36mm，根据此数据查得同步带型号：184XL，92齿。竖直传动带节线长=30.72+198.152=492.76mm，同步带型号：194XL，97齿。顶端了两电机驱动皮带节线长分别为228.60mm和284.48mm，型号为：90XL，45齿和112XL，56齿。气爪旋转处的驱动皮带节线长计算，因为气爪上的空间有限，所以我们选择的两个带轮是有大小的，小的型号：节径24.26，齿数15；大的型号：节径37.19，齿数23。节线长=233.70+（37.19-24.26）/2+(37.19-24.26)/（433.70）=162.56mm，皮带型号：64XL，32齿。2.电机型号选择的相关计算 对于驱动电机的选用，本方案没有经过严格的计算和设计。根据场地的和时间的规定。首先，选用的底轮大小为d=30mm，车子从起点到桥的距离为765mm，轮子旋转一周的距离是d=94.2mm,也就是说从起点到上桥车轮要旋转89圈，起先本方案打算用24V-200rpm的普通直流减速电机，这样从起点到桥只要23秒，可是后来在调试中发现两个问题：电子转速大控制者难以控制车辆；扭矩小，车子容易在地上打滑。考虑到这些，本方案在选购电机是发现型号为ZGA37RH26INo的减速电机，功率大转速也高。所以最终选定为24V-125rpm的这种减速电机来做为驱动。但是这样的电机长度比一般的要长，所以本方案才将电机安放在车顶部的剩余空间。3.2机械臂的动力与传动方案设计、计算与分析3.2.1机械臂的关节部分手臂与侧身板不是直接连接的，由（图2.2.1-1）可知大臂是靠电机驱动丝杆运动出来的。首先，通过分析场地，在抓取区域，从挡板到竖直杆的距离为205mm再加上挡板的厚度为15mm，所以车子要够到杆的话手臂水平的伸长量必须大于220mm，有竖直杆的高度为200mm，所以还要确保手臂的上升能将气爪提高200mm。同过这些要求的分析。最终确定，丝杆的长度为167mm，单头，螺距为6的滚珠丝杆，用24V50rpm的普通减速电机来带动丝杆。此处的速度不宜快，而是要求稳定上升。上升时间T=167/6/50=33.4s，这个时间表示，将手臂推到最高处要半分钟，显然这个是很占时间的，所以本方案打算在过桥和去抓取的过程中慢慢的将手臂伸出来。伸缩芯（图3.2.1-1）伸缩筒（图3.2.1-2）如图3.2.1-1和3.2.1-2所示，这是手臂中一部分结构图，这是大臂的前端这样的套筒设计是为了在将爪子放回车体中节省空间。在套筒中放上长50mm，d=14mm的系弹簧。3.2.2气爪的抓取和拧紧部分如图3.2.2-1所示是爪子的CAD的设计图 图3.2.2-1这是根据气爪最大行程和轴承、垫圈、螺母规格设计的爪子。图中的阶梯深度为轴承的1/3深，由于爪子的最大行程为120mm，而最大的轴承直径为110mm，根据这个设计爪子大阶梯之间的距离为110mm。同样根据中、小轴承来设计第二阶梯，但是由于气爪收缩状态间距很小所以只要设计一个阶梯就能分别抓起中、小轴承。同样道理设计抓垫片的阶梯。第四章 方案的创新点1.机械机构方面的创新设计为了能够实现过桥步骤，本方案将小车设计成“几”字型（如图4-1）图4-1“几”字型车身如此车型可以保持不倾斜并且平稳快速的实现过桥动作对于车体的行走，本方案设计用履带式行走方式，能够平稳的实现直走和转弯，外加调速器来控制行走速度和实现微调 机械手臂从初始状态到末尾状态是用滚珠丝杆推动来实现的，滚珠丝杆既可以推动沉重的大臂有节省了大部分的空间。 抓取机构是用气爪，快速而且容易夹紧。拧螺母机构通过旋转气爪，调速进行，不用额外的设计拧紧装置，直接在抓取基础上实现。2.机械手臂的创新设计 机械手臂前端套筒设计（如图4-2）图4-2伸缩套筒通过压缩弹簧来实现，主要是将弹簧放在一个钢制的套筒中，将臂的一部分塞入套筒，对弹簧进行压缩达到缩短臂长的效果，为气爪的在车身侧板的安装提供了空间，在必要时可以调节角度和大臂的长度。驱动电机驱动滚珠丝杆将大臂往外推，其中丝杆轴原处旋转，而轴套沿丝杆直线上升。（如图4-3）图4-3丝杆传动3.抓取机构的创新设计 机械车的抓取机构是气爪，气爪是我们车的主要特色，意在抓取速度快和容易夹紧。抓取过程从上往下，气爪前端中空，套轴承的杆子穿过气爪，可以做到定位效果。另外，爪子的设计也独具创新，（如图4-4所示）图4-4气爪爪子CAD53214 图4-5气爪爪子分成三层圆弧状，高度大小刚好能使三种规格的轴承放入。同时将爪子一端的两个内面做成齿形的，方便螺母的夹紧。从（图4-5）可以看出阶梯3用来放置大轴承；阶梯2用来放另外两个轴承；1处就是用来夹螺母的；4、5处分别放大小的垫片。这样的设计一次性可以抓取一个轴承、垫片、螺母；也就是说本方案只需要三次个来回就能完成抓取安放工作。4.拧紧机构的创新设计 拧紧的话是通过旋转整个气爪来实现，将螺母用气爪夹紧，放到螺栓上，过程中控制电机转速，防止旋转过程中的过大偏心。这里将抓取和拧紧装置放在了同一个位置，节省了很大的空间，也为车身的整体重量减轻起到作用。5.本设计方案的优点我们本着“用最简单方案完成最复杂动作”的原则对机器人进行设计与制造。此机械车结构紧凑、实施性强、可靠度高。设计初我们想了很多的方案，有从桥上过的，从楼梯走的，还有过宽150mm边缘走的。但是最终考虑到节省时间，我们决定选用过桥方案。机械车通过中间两块挡板，使车子在过桥的时候夹在在桥上过去，从而达到平衡。但是这样的对于驱动电机的扭矩要求比较高。同时由于空间的有限，起初我们设计的手抓是竖直升降型的，且用于升降的滑轨可以由丝杆左右旋转的。但是在真正制图计算的时候发现，这样设计超出了预定的高度。所以我就应用了最基本的折叠机构，也就是最终的手臂设计方案，这样既控制了高度，又方便设计。再者就是对于拧紧装置的设计，本来是想单独设计一个套筒，分成高低依次的三层，分别用来拧三个规格的螺母。可是这样的话我们就要在我们原有的车身上再加出一个手臂，当然驱动装置也是。第五章 设计总结 首先，感谢组委会举办这次机械设计大赛给我们这样的学习机会和认识平台。让我们充分体验了一件机械产品从提出要求，确定方案到出图设计，再到制造加工，再到装配调试，这一个个过程，我们可谓受益匪浅。从另一方面也告诉我们，实践的重要性，我们学到的知识是很重要的，但是没有付诸行动，知识一味的智商谈兵，那么我仍是没有得到真正的知识所带来的价值。通过这次大赛，让我们对此的体会很深。期间遇到很多困难，电机烧坏、孔打错了、或者说是方案的错误，这些问题有时候是小事，但是有些确实起决定性作用的。我们指导老师总是鼓励我们说：方法总是比问题多的。所以我们不再苦恼于或害怕与出问题，而是想要问题早点出现，能让我们能够及时解决。所以这次大赛也使我们在心理上得到了提高，敢于放手干，敢于接受承担。同样，团队精神在这里也体现的淋漓尽致。同时，我们要感谢我们的指导老师。在整个过程中，我们的指导老师时常给我们在方案设计上和加工过程中提出宝贵的意见，这也是我们能够不断完善方案的原因之一通过这次比赛，让我们充分认识，在以后真正走上工作岗位，会比这个更加残酷。问题也会比这个多，承担的风险更大。所以我们要做好充分的准备来面对今后的一切。参考文献：1.简明机械零件设计手册 2.机械设计手册 第六版 3.麦迪传动带