ROBOCON比赛机器人毕业设计.doc

毕业设计（论文）中文摘要本课题的目的是针对2008亚太机器人大赛的主题和规则设计制作一台手动机器人。本文首先分析了本届比赛的特点，阐述了比赛的总体方案，提出了手动机器人的任务目标和主要技术参数。在此基础上，设计了三套整体结构方案，并通过三维实体建模和样机实验等方式分析了各方案的优缺点，完成了对整体结构方案的优化与改进，确定了手动机器人的机构组成。之后，对机器人的各组成机构进行了详细设计，完成了走行方式、提升机构形式和夹持机构形式的设计与改进，进行了电机选型计算和关键零件的校核，绘制了机器人的零件图和装配图，解决了在机器人的组装和调试过程中发现的一些问题。 设计并制作完成的手动机器人结构简洁，动作迅速，操控灵活，性能稳定，得分效率高，完全满足设计要求。关键词： 亚太机器人大赛，手动机器人，方案设计，机构设计AbstractThe 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 strategy, 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 manual 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 problems are solved through debugging.The manual robots 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, Scheme design, Mechanical design目 录中文摘要IAbstractII第1章 绪论11.1机器人及机器人竞赛11.2 ABU-Robocon概述21.3 ABU-Robocon2008主题与规则摘要31.4 章节概述6第2章 规则分析以及参赛总体方案82.1 规则分析82.2 参赛总体方案的确定112.3 手动机器人的功能要求和主要技术参数13第3章 整体结构方案设计与改进153.1 方案一173.1.1 设计思路173.1.2 动作顺序193.1.3分析与总结203.2 方案二213.2.1 设计思路213.2.2 动作顺序233.2.3 分析与总结233.3 方案三243.3.1 设计思路与总体结构243.3.2 优化与改进25第4章 机械系统设计324.1 走行系统设计324.1.1 走行方式选择324.1.2 走行电机选择344.1.3 走行系统结构形式及外形尺寸404.2 提升机构设计414.2.1 优化与改进424.2.2 相关计算与校核484.3 夹持机构设计52第5章 操作手柄设计545.1 操作方式和按键布局设计545.2 摇杆模拟量的采集、编码与发送55总结58致谢60参考文献61附录一：中文翻译.64附录二：外文原文.83-IV-毕业设计（论文） 第-62-页第1章 绪论1.1机器人及机器人竞赛机器人学是一门迅速发展的综合性科学，其中包含着许多具有战略性、前沿性和前瞻性的高技术，自第一台电子编程工业机器人问世以来，机器人学的研究已取得令人瞩目的成就，在工业、农业、商业、旅游业、空间、海洋以及国防等领域获得了越来越普遍的应用。机器人这样一种特殊的机器，大大延伸与扩大了人的手足与大脑的功能，在新世纪中必将会对人类社会的文明进程做出更大的贡献，它将成为紧随计算机及网络技术之后的又一次重大的技术革命,并很可能将世界推向科学技术的新时代。 吴瑞祥. 机器人技术及应用. 北京：北京航空航天大学出版社,1994.机器人技术涉及到许多相关技术及学科，如机构学、控制工程、计算机、人工智能、微电子学、传感技术、材料科学以及仿生学等科学技术。 王亚辉,何耀民. 机器人的应用现状及发展趋势. 经济师,2005年第8期.因此，机器人是一个非常适合科学普及和科技竞赛的主题。机器人赛事从20余年前就几经开始了。现在各类机器人赛事名目繁多，范围遍及世界。截止到2000年共有20余项公认的机器人赛事。伴随着这些赛事，出现了许多类别的竞赛机器人，如四足机器人，拟人机器人等。目前，一些赛事已成为人工智能等高端机器人技术研究交流的平台。目前，国际上比较著名的机器人竞赛有：RoboCup 竞赛、FIRACup 竞赛、ABU-Robocon竞赛、迷宫机器人竞赛、巡线机器人竞赛、迷宫操作机器人竞赛、灭火机器人竞赛、舞蹈机器人竞赛和相扑机器人竞赛等。这些机器人竞赛除了需要采用比较先进的技术外，还有几个特点：一是对抗性强，比赛时间短，有很强的观赏性和娱乐性；二是能够充分地发挥参赛者的创造性思维，培养参赛者的实践能力和团队协作精神；三是比赛策略和临场发挥非常重要，这有助于培养参赛者的宏观规划决策能力、应变能力以及心里素质；四是比赛规则和题目变化较大。（日）Brain Navi. 机器人集锦. 北京：科学出版社，2003. 1.2 ABU-Robocon概述1999年10月中国广播电视代表团出席了“亚洲太平洋广播联盟”（Asia-Pacific Broadcasting Union 缩写 ABU、简称亚广联）第36届大会。此次大会通过了共同举办“亚太地区大学生机器人比赛”活动的决定，并组成了由日本NHK、中国中央电视台、韩国KBS、新加坡TCS、泰国TPT、印尼TVRI为成员的“机器人大赛核心小组”。2000年3月，在日本东京成立了“亚广联亚太地区机器人大赛筹备委员会”。9月，该委员会在泰国过渡为“亚广联亚太地区机器人大赛董事会”并举行了首届董事会议，会议通过了“亚广联亚太地区机器人大赛”的章程和规则，并决定从2002年开始，每年举办一届“亚广联亚太地区大学生机器人大赛”。比赛的主题与规则由主办国根据本国的文化和传统制定。作为亚广联的成员国，中央电视台积极参与亚广联组织的亚太地区大学生机器人电视大赛，每年根据大赛的主题与规则组织国内的选拔赛。这项大赛的目的是培养和开发全国大学生的聪明才智与创新精神，展示当代大学生机器人制作能力与高新技术应用水平。提出的口号是“让思维活跃起来，让智慧行动起来！” 王志良. 竞赛机器人制作技术. 北京：机械工业出版社,2007. 1.3 ABU-Robocon2008主题与规则摘要本届比赛的主题是“竞技牛郎”。比赛时间为3分钟，比赛双方为红队和蓝队，如果在比赛时间内，一队直接将置于自主区塔柱上瓷碗中的三个黄油举起，将成为“牛郎”（胜利者），比赛立即结束，否则，比赛结束时得分最多的一方获胜。1. 场地a总面积14500mmX13000mm，详见图11。b手动区：图11中天蓝色区域。c自主区：图11中绿色区域。d公共区：H型自主区间标识的红蓝区域。e自主区边界围有30mm宽X50mm高的木栅栏。f黄油：用低密度聚乙烯制成的200mm立方体，重量为130g ( 20 g)，如图12。g陶罐和奶酪：外形如图13，陶罐重430g (20 g)，奶酪重150g ( 20 g)。 h篮区：500mm250mm的矩形区域，外围有30mm宽X50mm高的木栅栏，如图14。i中央塔柱、侧边塔柱及少女岛：外形如图15。2. 自主区得分点：a. 中央塔柱黄色黄油分值12高度1500mm数量1。b. 侧边塔柱白色黄油分值6高度750mm数量2。3. 手动区得分点：少女岛陶罐和奶酪分值（成套放置于篮区：每套得3分；不成套放置于篮区：每个陶罐或奶酪得1分）高度750mm数量8。图11 比赛场地示意图图12 黄油图13 陶罐和奶酪 图14 篮区图15 中央塔柱、侧边塔柱和少女岛4. 规则概要a比赛开始前，在手动启动区内，手动机器人的尺寸不能超出1000mm长、1000mm宽、1000mm高。比赛开始后，手动机器人的尺寸应限制在1500mm的立方体内。b比赛一旦开始，参赛队员不能接触手动机器人。c手动机器人的部件及其操作员不能侵入自主区、对方公共区、对方篮区及它们的上方。d手动机器人只有在自己的公共区时才能接触本队的自主机器人，并且只有当手动机器人得分之后才能进入公共区。e手动机器人不能接触对方的手动和自主机器人。f比赛开始前，所有自主机器人（三台或三台以下）应纳入1000mm的立方体内；比赛开始后，自主机器人的外形尺寸应限制在1500mm的立方体内。g自主机器人不能分离成两台或多台，两台以上的自主机器人在启动区相互接触，就被认为是一台机器人。h不允许一台自主机器人爬上或跳上中央塔柱抓取黄色黄油得分。i允许两台配合取中间黄油的机器人有一次可以证明的符合规定的通信方式。1.4 章节概述全文共分为五章，第一章为绪论部分，介绍了亚太机器人大赛的相关背景以及Robocon2008的主题与规则。第二章对比赛的规则做了详细的分析，介绍了本届比赛的总体参赛方案，并提出手动机器人的设计任务和设计要求。第三章详细讲述了手动机器人整体结构方案的设计与完善过程。第四章对手动机器人的各组成机构进行了详细设计。第五章介绍了在本届比赛中设计制作的操作手柄，简要说明了控制摇杆模拟量的采集、数据编码与发送方式。最后总结了机器人设计与制作的相关经验、教训和测试结果。第2章 规则分析以及参赛总体方案2.1 规则分析相比往届，本届比赛的规则有很大程度的变化，呈现出新的特点。图21 得分点和进入对方自主区路线示意图首先，本届比赛要求必须有两台机器人配合才能去夺取中央塔柱的12分黄色黄油，并且两台配合的机器人只能有一次通信。参看本届规则可知，场上总分48分，分布是：自主区12+6+6=24分；手动区3X8=24分，如图21。可见，自主区得分点少，分数集中，手动区分数相对分散，手动机器人得分任务较重。另外，自主区的两个6分塔柱离自主机器人启动区非常近，直线距离只有1581mm，根据往届的比赛情况，一参赛队丢掉这一区域6分的可能性比较小，因而中央塔柱的12分黄油便成了两队的决胜地点，这一区域的竞争必然会非常激烈。 因此可以说，一参赛队若能取得中间12分，就有70%的把握获胜了，而要取得中间12分黄油，在不考虑对方干扰情况下，若采取自主机器人与自主机器人的配合方案，则要求机器人的定位精度足够高，稳定性足够好，对控制技术的要求很高；而若采取手动机器人与自主机器人的配合方案，由于规则规定手动机器人只有在得分之后才能进入公共区与自主机器人进行配合，因而夺取黄色黄油的速度受到了限制，并且由于规定手动机器人不能进入自主区，所以被举起的自主机器人要能取得黄色黄油，就需要一个臂长为1m左右的夹持机构，这将是机构设计上的一大挑战。 （德）S.弗罗尼斯.设计学传动零件. 北京：高等教育出版社，1988. 其次，赛场得分点少，正常情况下，一场比赛的总机器人数为8台。其中每队只有两个篮区可供放置陶罐和奶酪得分，自主区内只有3个黄油可供得分。根据这一特点，要在本届比赛中取得好成绩，自主机器人的速度和稳定性是关键。首先要有速度，能在第一时间占据得分点，就有了取胜的前提条件；然后要有稳定性，机器人的性能稳定，能够完成预定的比赛任务是取胜的基本条件。根据参赛双方自主机器人的速度和稳定性差异可以预见比赛时出现的比较多的几种可能情况会是：1. 双方势均力敌，都没有取得中间12分黄油，自主区得分都是6分，这种情况下，决定胜负的因素有两个：一是手动机器的速度和灵活性，取得4套以上陶罐和奶酪者将获胜；二是自主机器人破坏对方篮区和保护己方篮区的能力，能够保护好己方篮区并能成功对对方篮区实施破坏者将获胜。2. 自主区得分分别是18分和6分，这种情况下落后的一方扭转赛局的难度非常大，如果可能，则这一可能性仍然依赖于手动机器人的性能和自主机器人破坏对方篮区和保护己方篮区的能力；3. 自主区得分分别是6分和12分，和前两种情况一样，最后的胜负还是取决于双方手动机器人的性能优劣和自主机器人篮区的攻防。可见，手动机器人的得分速度和自主机器人的篮区攻防能力便成了比赛后期决定胜负的主要因素。再次，考察本届比赛的场地图可以注意到：比赛双方分处场地的对侧，在自主区，一方机器人若想进入对方区域活动只有两种途径：一是从中间塔柱附近的2000mm宽度区域通过；一是设计跨障机构，让机器人两次跨越高50mm，宽30mm的木栅栏从己方的公共区进入对方自主区，如图21。但是设计能够连续两次跨越栅栏的机器人主要有以下难点：机构设计难度大，越障之后重新定位困难，行进速度会受到影响。从往届的比赛统计结果来看，除了履带式机器人，从未出现过能够连续两次跨越障碍的机器人，而履带式机器人的走行速度是很慢的，统计数据是不到1m/s。 张毅，罗元，郑太雄. 移动机器人技术及其应用. 北京：电子工业出版社2007.基于以上分析，可以认为在比赛过程出现跨障机器人的可能性比较小，或者说这类机器人的威胁不是很大。因此，更多的情况下，对方的自主机器人将从中间区域试图进入我方自主区，而自主机器人在比赛开始后最大可以覆盖1350mm的宽度，这样，中间2000mm宽度区域就成了“一夫当关，万夫莫开”的重要关口了。2.2 参赛总体方案的确定本届比赛最显著的特点是要求两台机器人配合以夺取中央塔柱上放置的黄油，这就有两种可能：一个是手动机器人和自主机器人配合；另一个是自主机器人与自主机器人配合。以这两种配合方式为区别，在方案设计阶段可以制定两套参赛总体方案，可以通过多方面讨论分析这两套方案的优缺点来选定一套方案进行设计制作。由前一节的规则分析可知，若采用自主机器人与自主机器人的配合方案要求稳定性好，定位精度高，因而取中间黄油的速度就会受到约束；而若采用手动机器人与自主机器人的配合方案，因为手动机器人必须得分后才能进入公共区，取中间黄油时速度上就更没有优势了。这就决定了无论选用哪种配合方式，都需要有一个速度非常快的自主机器人在尽可能短的时间内冲至中央塔柱附近实施干扰，以阻挡对方夺取黄色黄油，为己方机器人的配合争取机会。1. 手动机器人与自主机器人配合方案机器人组成和主要功能：手动机器人，1、2、3号自主机器人。手动机器人能夹取陶罐和奶酪放入篮区得分，并能视比赛情况决定何时进入公共区与1号自主机器人配合取黄色黄油；2号自主机器人能够夹取白色黄油，兼有破坏敌方篮区功能；3号自主机器人的主要功能是对对方机器人的配合实施干扰。这套配合方案的优点是取中间黄油过程中受到的干扰较少，并且手动机器人操作手可以视比赛的具体情况决定是否进行配合，以及何时配合。缺点之一是弱化了手动机器人的篮区得分能力，并使手动机器人的设计难度和复杂程度加大，而若要平衡得分能力，则要求自主机器人兼有夹取陶罐和奶酪的功能，但这样会使机器人的结构变得复杂，机械设计难度增大，而且由于任务数目的增多，任务地点的分散性，控制上的难度也会成倍增加。缺点之二是由于规则要求手动机器人在得分之后才能进入公共区与自主机器人配合，相比自主机器人与自主机器人的搭接方案，速度会很慢，因而会非常依赖3号自主机器人的干扰效果。1号自主机器人的设计难点集中在机械结构的设计上，需要有一个臂长约1m的夹持机构，而在自主启动区所有的自动机器人应纳入1m的立方体内（美）Fred G. Martin. 机器人探索工程实践指南. 北京：电子工业出版社，2004.。2. 自主机器人与自主机器人配合方案机器人组成和主要功能：手动机器人，承载机器人，被承载机器人，干扰机器人。手动机器人只负责篮区得分；干扰机器人负责在尽可能短的时间内到达中央塔柱附近对对方机器人的配合实施干扰，为另两个机器人的配合创造条件，为平衡自主机器人的得分能力以适应策略的多样性，干扰机器人还应兼有夹取白色黄色和保护己方篮区的功能；被承载机器人，结构简单，重量轻，在启动区即放置在承载机器人的提升平台上（不接触），比赛一开始，承载机器人即提升被承载机器人并一同冲向中间塔柱，夺取黄色黄油。被承载机器人兼有夹取白色黄油的功能。这套配合方案的难点在于对干扰机器人的走行速度要求很高，对被承载机器人则首先要求定位准确，然后在此基础上应尽可能提高它的走行速度。优点之一是配合方式简单，比赛开始前即已经做好了配合的预备工作，承载机器人只需一个提升动作便完成了配合，实现起来非常容易。优点之二是配合速度快，夹取黄色黄油的时间只取决于承载机器人的走行速度。优点之三是解放了手动机器人，根据前一节的分析，手动机器人的在篮区的得分能力对比赛结果的影响是关键性的，根据这一方案，手动机器人只需负责夹取陶罐和奶酪放入篮区得分，因此它可以设计得非常简洁灵巧。优点之四是策略的适应性好，即可以进攻，也可以防守。因此采用自主机器人与自主机器人的配合方案更有优势。2.3 手动机器人的功能要求和主要技术参数在自主机器人与自主机器人的配合方案指导下，手动机器人应能完成以下比赛任务：1. 主任务：尽可能多的夹取少女岛上的陶罐和奶酪放入己方篮区得分；2. 辅助任务：能够拾取散落在手动区的陶罐和奶酪放入篮区得分。其中，辅助任务在以下情况产生：a. 篮区遭到破坏，有陶罐或奶酪散落在手动区，而且己方篮区还有空间放置被拾起的陶罐或奶酪；b. 由于夹取或放置陶罐和奶酪的动作失误造成的陶罐或奶酪散落在手动区，而且己方篮区还有空间放置被拾起的陶罐或奶酪。而如果少女岛上还有陶罐和奶酪，并且根据比赛情况，若还有可能争取到时，手动机器人应优先执行主任务 (美)Robin R. Murphy. 人工智能机器人学导论. 北京：电子工业出版社，2004.。根据手动机器人的比赛任务，可以确定它应具备以下主要功能：1. 走行功能走行功能是手动机器人最基本的功能。机器人必须能灵巧迅速的前进、后退、转弯，才能保证它能够高效的完成比赛任务。手动机器人的性能很大程度上取决于它的走行系统，因此对走行系统驱动方式和结构方式的选择与设计非常重要。2. 夹取功能夹取陶罐和奶酪的功能是手动机器人必不可少的功能，设计制作出简洁快速的夹取机构是实现这一功能的主要内容。3. 提升功能手动机器人需要把放置在高为485mm的少女岛上的陶罐和奶酪放入在地面上围出的一个长方形区域内，因而需要有实现这一高度差的提升机构。由2.1节的规则分析可以看出，手动机器人的得分速度是比赛后期决定胜负的主要因素，参考其它高校手动机器人的技术水平，对手动机器人提出的主要技术参数如下：1. 重量、体积等参数符合2008年ABU ROBOCON 亚太机器人大赛的相关规定和要求。2. 走行全速达到3.5m/s，夹持机构张合速度300/s,提升机构全行程时间限制在2s以内。3. 手动控制响应速度快，操作方便。第3章 整体结构方案设计与改进亚太机器人大赛的每年的主题和规则都不一样，机器人的任务对象也是年年不同的。设计制作的机器人要能高效的完成比赛任务，就需要全面把握任务对象的特点，设计出简单实用的机构。手动机器人的三个任务对象及其特点描述如下：1. 陶罐：如图31，重量为430g（ 20 g）,其特点是从侧面看呈“工”字形；2. 奶酪：直径为150mm的充气橡皮球，重量为150g（ 20 g），一组陶罐和奶酪放置在少女岛上的效果如图32；3. 篮区：500mm250mm的矩形区域，外围有30mm宽X50mm高的木栅栏，其特点是狭窄，只能并排放置两套陶罐和奶酪，如图33。图31 陶罐的形状和外形尺寸图32 放置有陶罐和奶酪的少女岛图33 放置有陶罐和奶酪的篮区以手动机器人的比赛任务为基础，根据比赛的规则特点以及任务对象的特点，从不同角度出发，可以提出多套机器人的结构方案。3.1 方案一 3.1.1 设计思路1. 由于篮区面积狭小，只够并排放置两套陶罐和奶酪，为减少操作步骤，夹持机构应能实现分开夹取，同时放置；充分利用陶罐的“工”字型形状，采用抬升式夹取方式，简单可靠；为防止放置在陶罐之上的奶酪在行进过程中掉落，夹持机构上安装有用舵机驱动的压球杆，结构方案如图34。图34 方案一的主夹持机构压球杆驱动舵机抬升式夹持机构2. 手动机器人实现得分的地点只有两个篮区，被破坏的可能性比较大，因此机器人应具有拾取散落到手动区的陶罐和奶酪得分的能力，因此设计次夹持机构，能够夹取散落的陶罐和奶酪放入篮区，其结构方案由一个能分别夹取陶罐和奶酪连杆式夹持机构和一个能提供小范围提升的卷钢丝式翻转机构组成，如图35。图35 方案一的次夹持机构翻转电机舵机游丝提升机构主夹持机构伸缩机构次夹持机构压球杆机构图36 方案一的总体结构3. 为减少转弯、定位和姿态调整的时间，将夹持机构布置在机器人行进方向的侧面，比赛时机器人尽量贴着木栅栏行进，由于比赛规定手动机器人的任何部分不能伸入自主区，因此安装在机器人侧边的夹持机构应具有一个垂直行进方向的自由度，沿着木栅栏前进时，将夹持机构收回车体内，到达少女岛位置夹取陶罐和奶酪时，伸出夹持机构，这一自由度用丝杠滑块机构实现（美）戈登-麦库姆. 机器人本体制作指南. 北京：机械工业出版社,2006.，如图36。3.1.2 动作顺序1. 出发后首先操作机器人贴着木栅栏；2. 行进至少女岛位置；3. 伸缩机构驱动夹持机构伸入陶罐沿下；4. 提升夹持机构；5. 压球杆压下；6. 伸缩机构驱动夹持机构缩回车体；7. 离开木栅栏，降下夹持机构；8. 行进至下一少女岛；9. 松开压球杆；10. 重复动作3至5；11. 行进至篮区；12. 降下夹持机构，将两套陶罐和奶酪放入篮区；13. 松开压球杆；14. 伸缩机构驱动夹持机构缩回车体，完成一次得分。3.1.3分析与总结方案一功能全面，总体结构形式基于减少转弯和夹取陶罐时姿态调整时间的思想，比赛时机器人需尽量贴着木栅栏行进，多数情况下只需前进和后退以改变自身的位置，主夹持机构为“U”形抬升式，简单有效，辅助以压球杆机构，防止陶罐和奶酪掉落，次加持机构能拾取陶罐和奶酪得分，能在一定程度上应对敌方机器人对篮区的破坏。方案一的缺点和不足是：a. 底盘上部机构单薄，只有两导杆作为支撑，结构稳定性差，夹取陶罐和奶酪后，由于重量全部集中在侧面，上部机构很可能变形倾斜，而且会影响机器人的走行；b. 动作复杂，控制点太多，共需使用7个电机；c. 压球杆机构在取第二个陶罐和奶酪时需要抬起，从而在这段时间内没有对第一个陶罐和奶酪进行保护； d. 参看前一节的动作顺序可以发现，机器人在完成一次得分时有许多重复性动作，每取一个陶罐和奶酪，压球杆机构需要压下、抬起一次，伸缩机构需要伸入、缩回一次，这会大大降低手动机器人的得分速度；e. 参看比赛的场地图可以发现，机器人能够贴着木栅栏行进的距离非常短，而且很离散，因此这种设计方案实际上不能给机器人的速度提供多大优势，相反，由于夹持机构安装在车体侧面，如果要避免经常转弯，就只能沿着一个方向围着场地跑，这就限制了机器人灵活性，策略也会变得单一。 石志新，罗玉峰，陈红亮，叶梅燕. 机器人机构的全域性能指标研究. 机器人，2005 Vol.27 No.5.方案一建模完成后，经历了两次小的改进，第一次是将提升机构的导杆数由两根改为三根，提高了机器人的结构稳定性和刚性，第二次是把压球杆机构一分为二，分开压球，避免了分开夹取时相互影响，代价是增加了一个电机，如图37。但是，这一方案经过几次小的改进后还是不具备进行样机制作的条件。改进后提升机构改进后压球机构图37 方案一改进后的总体结构3.2 方案二3.2.1 设计思路针对方案一的结构复杂，操作步骤繁琐等缺点，这套方案将在前一方案的基础上，以简洁、稳定、快速为总设计思路，精简结构，合理配置。具体设计思路如下：1. 沿用方案一的主夹持机构设计思想，但对具体形式进行重新设计，如图38，改“U”形抬升式主夹持机构为舵机驱动的单侧开合式，取消压球杆机构，改用在夹持机构上竖立一定高度的铁丝来防止奶酪在机器人行进时掉落；保留方案一的次夹持机构。2. 总体结构如图39，主夹持机构安装在车体的前端，次夹持机构安装在车体的侧面，机器人不再贴着木栅栏行进，取消伸缩机构。图38 方案二的主夹持机构舵机护球杆图39 方案二的总体结构提升机构次夹持机构主夹持机构3.2.2 动作顺序1. 出发后到达少女岛位置，姿态微调；2. 夹取陶罐和奶酪；3. 提升主夹持机构；4. 降低主夹持机构；5. 夹取第二个陶罐和奶酪；6. 提升主夹持机构；7. 行进至篮区，姿态微调；8. 降下主夹持机构；9. 松开夹子，车体后退，完成一次得分可见，相比方案一的动作顺序，简练了许多。3.2.3 分析与总结与方案一相比，方案二无论在操作动作上还是在整体结构上都更为简练。单侧开合式的主夹持机构相比“U”形抬升式可以允许有更大的定位误差，因而姿态调整不会耗费多少时间。放弃贴栏走的方式，手动机器人的比赛策略变得多样了，操作手可以根据场上情况，实时选择最有利的得分路线，同时，这一方案对机器人的走行控制提出了更高的要求：走行速度快，转向灵活，姿态微调快捷，操作性能好。 蔡自兴. 机器人学. 北京：清华大学出版社，2000.方案二经集体讨论通过之后，进行了样机制作。在调试样机时，发现了这一方案的最大缺陷是：提升机构由于零件加工、装配等误差而出现提升不顺畅甚至卡死的情况。 廖念钊. 互换性与测量技术基础. 北京：中国计量出版社，2006. 3.3 方案三3.3.1 设计思路与总体结构设计思路：坚持简洁、稳定、快速的总设计思路，总结前两个方案的经验教训，以解决方案二的提升问题为主要内容。图310 方案三的总体结构通过机构实验确定了提升机构方案之后，设计完成的手动机器人总体结构方案如下：沿用方案二的主、次夹持机构形式，取消前两个方案中次夹持机构的“卷游丝”式小范围提升机构，让次夹持机构与主夹持机构共用一个提升机构；主夹持机构布置在驱动轮的同侧，而将次夹持机构布置在驱动轮的对侧。提升机构仍采用两根导杆，相比前两个方案的变化是导杆变粗了，直线轴承变长了。同时采用游丝加强结构稳定性和刚性，解决了两根导杆提升结构不稳定，上部机构易晃动的缺点， 扬桂霞. 直线滚动导轨的特点及选用. 机械工程师，2001.(7).如图310。3.3.2 优化与改进这一方案的样机制作出来后，依据调试过程发现的问题，对方案三先后进行了四项改进。第一项是把主夹持机构和次夹持机构的位置相互调换了一下，原因是在调试过程中发现机器人走行受驱动方式（前驱和后驱）的影响很大。采用后驱的方式时，机器人操控性好，转向灵活，而当采用前驱方式时，机器人的操控性变得很差，转向时很难控制。因此需要把主夹持机构布置在驱动轮的对侧，即多数情况下采用后驱的行进方式。经过分析，产生这一差异的可能原因是：脚轮的结构特点决定了它将始终保持与摩擦力共线，当采用后驱方式时，脚轮先于整个车体转向，起着导向的作用，因而转向灵活；而当采用前驱方式时，脚轮转向滞后于车体，起着保持原来运动方向的作用，所以转向时惯性大，操控性差。 Jorge Angeres. An Innovative Drive for Wheeled Mobile. ASME transactions on mechatronics vol.10 no.1 February 2005.第二项是取消了主夹持机构上的护球杆。在样机的调试运行过程中，除了在剧烈碰撞情况下，机器人行进时没有出现过奶酪从陶罐中掉落的情况，因此护球杆的必要性需要做进一步验证，验证方式是分析夹持在机器人上的陶罐和奶酪的动态稳定性。 Wen-Hong Zhu .Dynamics of General Constrained Robots Derived from Rigid Bodies. Journal of Applied Mechanics, MAY 2008, Vol. 75 / 031005-1.陶罐和奶酪动态稳定性校核：根据手动机器人的最大加速度和奶酪的质量，建立陶罐和奶酪的动态稳定性分析模型，如图311。 （31）求得：，因此当机器人处于最大加减速状态时，奶酪不会从陶罐掉落出来，护球杆没有必要加上。图311 陶罐和奶酪的动态稳定性分析模型第三项是在靠近驱动轮的一侧安装了一个支撑角轮，该脚轮悬离地面约1mm。这一改动是针对机器人在启动加速时出现的前后晃动而进行的。而出现这一状况的原因是机器人的重心离驱动轮的轴线太近并且离地面太高，如图312。经过改进，这一情况得到了根本性的改善，如图313。 王树国，战强，陈在礼. 移动机器人的爬梯机构. 机器人，1998，20.图312 方案三的重心位置图313 改进后的底盘部分第四项是取消次夹持机构而再增加一个主夹持机构。设计次夹持机构的初衷是为了在敌方成功破了我方篮区之后，手动机器人能够“拣回”一点分数。但是进一步分析认为，如果对方能够成功对我方篮区实施破坏，那么对方很可能不会再给我方机会把陶罐和奶酪拣起来再放回去，如在破坏篮区之后，再采取“占领”该篮区的方式，这样，即使我方手动机器人能拣到散落的陶罐和奶酪，受次夹持机构的结构形式约束，也是很难再放入另一个篮区得分的。而水平较高的干扰方式则可能直接把篮区的陶罐和奶酪拿走了。从另一方面考虑，与其去拣散落的陶罐和奶酪，还不如抓紧时间去争取少女岛上的。因此取消次夹持机构而换上一个可以折叠的主夹持机构，“可以折叠”是为了让机器人符合“比赛开始前，在手动启动区内，手动机器人的尺寸不能超出1000mm长、1000mm宽、1000mm高”的规定。需要说明的是这个折叠机构是个“一次性”机构，比赛开始后，依靠机器人启动时的惯性力展开，因而不会引入一个驱动电机，增加控制量。 张玉茹，李继婷，李剑锋. 机器人灵巧手建模、规划与仿真. 北京：机械工业出版社，2007. 经过改进后的手动机器人实体模型如图314所示。制作完成的手动机器人实物照片如图315所示。图314（a） 改进后的方案三总体结构（展开后）图314（b）改进后的方案三总体结构（展开前）图315（a） 持有三套陶罐和奶酪的手动机器人图315（b） 夹取陶罐和奶酪图315（c） 放置陶罐和奶酪图315（d） 叠放陶罐和奶酪第4章 机械系统设计4.1 走行系统设计4.1.1 走行方式选择常用的移动机器人走行方式有：履带式、步行式、轮式。1.履带式履带式的优点是着地面积大，所以机器人在行进时，车体很稳健，不怕撞，对抗性强，并且具有良好的爬坡性能和一定的越障能力，缺点是结构复杂，转向不便，机动性差，摩擦损耗大，电机效率低，速度较慢。在前几届比赛中，有一些采用这一走行方式的队伍，但是表现一般。2.步行式步行式的优点是对地面的适应能力强，但是目前技术还不成熟，机械和控制上的实现难度大，这对于以在校大学生为参赛对象，以机器人的速度、灵活性和可靠性为主要对抗内容的亚太机器人大赛来说，非常不适用。3.轮式轮式是这项赛事中最常见的机器人走行方式。它有一下优点：能实现机器人的高速灵活移动，设计制作以及控制都相对简单，能量利用率高；缺点是对路面的要求较高，适合平整的路面，因此轮式走行方式非常适用于这项赛事。我校从第一届比赛开始，一直都采用这一走行方式，本届也不例外。轮式走行方式有多种结构形式，按轮数分类有：三轮式，四轮式；按驱动轮的位置分类有：前驱式，后驱式，中驱式；前几届比赛中，我校参赛选手设计的三轮驱动的“万向底盘”，是一种比较新颖的轮式走行方式，这种走行方式能实现机器人平面内的任意方向平移，其结构如图41，相对两轮驱动的普通轮式走行方式，它的优点是姿态调整迅速，方便；缺点和不足是电机效率低，机构比较复杂，安装精度要求较高，控制难度大，速度也有待提高。 宗光华等机器人的创意设计与实践(第一版)北京：北京航空航天大学出版社,2004.图41 万向底盘本次设计中，手动机器人选用三轮走行方式。理由主要有以下两点：a. 根据三点确定一个平面的原理，三轮式可以保证两个驱动轮的着地性能一样，不会像四轮式那样会因地面不平或者装配误差造成两个驱动轮所受的摩擦力不一样而影响机器人走行性能。b. 三轮式结构形式简洁，走行灵活。4.1.2 走行电机选择. 电机选择原理根据机器人行进时驱动力和行驶阻力的平衡关系，可以建立机器人的行驶方程式，确定机器人的动力性能。同样，根据机器人的动力性能要求，就可以求出机器人行进时驱动电机所需要的最大输出转矩。 王立权. 机器人创新设计与制作. 北京：清华大学出版社，2007 .机器人行进时，其驱动力一定要克服行驶阻力，其行驶方程可以表述为： （41）式中 所有驱动轮动力之和（N）； 行驶阻力之和（N）. 机器人行驶方程的建立1. 机器人的驱动力 如图42，驱动电机输出的转矩，经传动系统至驱动轮。作用在驱动轮上的转矩使车轮对地面产生一个圆周力，根据作用力与反作用力原理，地面对驱动轮产生一个反作用力，即使机器人的驱动力，其值为： （42）或 （43）式中 电机输出转矩（）； 减速器传动比； 传动系的机械效率； 驱动轮的半径（m）图42 机器人的驱动力有公式（43）知，机器人的驱动力取决于有效转矩、传动比、传动效率和车轮半径。对于机器人来讲，车轮半径是已知常数，因此决定值的是、。2. 机器人的行驶阻力 机器人行驶时需要不断克服行驶过程中的各种阻力。不考虑地面的坡度，这些阻力有来自地面的滚动阻力；来自空气的空气阻力；加速时的加速阻力,所以总阻力为： （44）1） 滚动阻力 滚动阻力主要是由于轮胎变形和路面变形产生的，等于滚动阻力系数与机器人负荷G的乘积： （45）其中为坡度角，当机器人在水平地面行驶时，；滚动阻力系数通常由试验确定，也可根据经验选取。它与地面的类型和材质、机器人行驶速度、轮胎的材料有关。2）空气阻力 空气阻力与机器人的尺寸，外表面形状和行驶速度有关。由于所设计的机器人行进时接受空气阻力的表面面积很小，而且比赛在室内举行，因此可以忽略这一阻力。3）加速阻力 机器人在行驶时，需要克服其质量加速运动的惯性力，计算公式为： （46）式中 机器人旋转质量换算系数（）； 机器人的质量（kg）； 机器人行驶时的加速度（）3.行驶方程的建立 根据以上分析，可以得到机器人的行驶方程式： （47）或 （48）根据动力学功率方程可知： （49）代入公式（48），得到机器人的行驶方程： （410）式中 驱动轮的转动惯量（）； 驱动轮的半径（m）； 所有驱动电机的输出转矩之和（）公式（410）表示了驱动力与行驶阻力的数量关系，应用此公式，根据机器人的动力性能要求，可以求出机器人的驱动电机所需要的最大转矩。. 驱动电机减速器输出转矩计算根据机器人的直线运动来确定走行电机的转矩，设两个驱动轮受力情况相同，则： （411）式中、分别为左右两驱动轮的驱动力。根据机器人的行驶方程，各个走行电机减速器的输出转矩计算公式如下： （412）式中 、为左右两个走行电机减速器的输出转矩。已知机器人的设计质量，驱动轮半径，路面坡度角，两个驱动轮的转动惯量和为，取0.02，；根据设计要求，正常运行的加速度应为，代入公式（412），得出走行电机的减速器输出的最大转矩为。. 电机型号初选与验证 经查阅大量直流电机产品资料后，初步选定maxon公司生产的RE35空心杯转子直流电机，配套减速器的减速比为5.8：1。下面验证初选的电机是否满足要求。1） 根据机器人的走行速度要求4.5m/s、电机减速器减速比5.8和驱动轮半径70mm可以推导出电机的最低转速要求是：。2） 把减速器的输出转矩换算成电机的输出转矩： （413）式中 电机减速器输出转矩（）； 电机输出转矩（）；减速比； 减速器传输效率； 电机摩擦转矩（）经前面的计算和查阅所选型号电机的参数表可获知这四个参数的值分别为：，（可以忽略不计）将以上数据代入公式（413），可得：查电机参数表可知，RE35空心杯转子直流电机的额定转矩（最大连续转矩）是93.3mNm，与比较，可知直流电机的期望输出转矩没有超过电机的最大连续输出转矩，所以可以继续下一步检验。实际上，根据电机的另一参数转矩常数29.2mNm/A，即在机器人的启动瞬间，如果供给电机的电流能达到12A，机器人的瞬时加速度可以达到左右，根据电机的性能曲线，这是可以做到的。3） 电枢电流的计算电机供应商给出的电机电流计算公式是： (414)式中 电机最大效率； 电机转矩常数（mNm/A）； 空载电流（A）根据电机参数表查得以上参数值为：电机最大效率84%，转矩常数29.2mNm/A，空载电流168mA。代入公式（414）得：查得电机的堵转电流是39.7A，因此当减速器的输出转矩为时，电机处于安全运行状态。4） 计算电机在减速器输出转矩为时的转速电机转速的计算公式为： （415）式中 电机的空转转速（rpm）； R电机内阻（） 转矩常数（OZ-in/A）以上参数大小从电机参数表中查得：空转转速7670rpm，电机内阻0.605，转矩常数4.113OZ-in/A，代入公式（415）中，可得当减速器输出转矩为时，电机实际输出转速为，大于机器人行进速度要求的最低转速，符合要求。通过以上验算，可以得出结论：所选的maxon-RE35空心杯转子直流电机符合要求。4.1.3 走行系统结构形式及外形尺寸底盘骨架使用19X19mm，壁厚为0.5mm的不锈钢方管焊接成形。其结构是以三轮式走行方式为基础，在驱动轮附近安装了一个脚轮以解决机器人在启停时前后晃动的问题，该脚轮悬离地面约1mm，通常情况下不与地面接触。外观尺寸为500mmX437mm，底盘离地高19mm。外形尺寸和结构形式如图43所示。图43 底盘结构及外形尺寸4.2 提升机构设计提升机构是亚太机器人大赛赛场上最常见的机构之一，主要为机器人提供竖直方向的自由度。往届比赛采用的提升机构形式：自制的地滚轮滑块配合铝方管作为直线运动副，链传动的驱动方式，如图44。其优点是成本低；缺点是制作困难，配合间隙不好把握，安装不方便，摩擦阻力大，提升的重量上限小，提升速度慢，结构稳定性不好，而且偏重。本届比赛采用的提升机构形式：自动化机电产品专用直线运动副，“卷游丝”式的驱动方式，如图45。其优点是摩擦阻力小，提升顺畅、结构简单；缺点是成本较高，很难找到配套的空心导杆，而若用实心导杆，则太重。 濮良贵.机械设计. 北京：高等教育出版社， 2001（第七版）.图44 自制的地滚轮式直线运动副空心导杆直线轴承提升游丝图45 直线轴承式直线运动副4.2.1 优化与改进由于是第一次采用直线轴承式的提升方式，没有相关的设计资料和经验供参考，在设计和制作时遇到了许多困难，经历了多次优化与改进。第一版设计方案该设计方案的特点是由三个直线运动副组成，结构刚性好。使用的直线轴承型号是SC10UU，直线导杆的直径为10mm，材料为不锈钢棒。提升电机用的是改装后的GWS-S666舵机，其性能参数是：工作电压为6V时的输出扭矩是，额定转速是。用一个电位器对提升的高度进行检测（日）船仓一郎，土屋，尧. 机器人控制电子学. 北京：科学出版社，2004.，进而实现提升位置控制，图46。这一设计方案的缺点是：a. 加工和装配的精度很难达到它对三根导杆的相对位置精度和平行度的要求，因此在提升过程中会出现不顺畅甚至卡死的情况；b. 设计过程中对摩擦力的估计过低，造成舵机过载，提升速度达不到设计要求。图46第一版提升机构第二版设计方案根据第一版出现的问题，第二版采用两导杆结构形式，降低机构对加工和装配精度的要求，同时选择更大型号的直线轴承和直线导杆，即解决了由于导杆直径太小引起的结构刚性不好的问题，也减小了摩擦阻力。此外采用牵拉游丝的方式解决了两导杆提升形式稳定性差的问题 钱晓忠.竞赛机器人的创意设计与基本机械结构Robocon全国大学生机器人电视大赛J.无锡职业技术学院学报,2005,01.。但在市场调查后发现，专用的导杆都是实心的，长度为1m直径为20mm的导杆重量达到了2.5kg，采用这样笨重的导杆是与手动机器人轻巧灵动的设计目标相违背的，因此只能通过实验寻找直线导杆的替代品。通过多次实验，最终确定使用外经为19mm，壁厚为1mm的不锈钢管替代专用导杆，直线轴承则选用亚美特公司生产的型号为LMF20LUU的加长型直线轴承，如图47。图47 加长型直线轴承针对第一版设计方案中提升速度慢的问题，第二版重新选用提升电机，放弃使用改装的舵机，而选用普通的直流减速电机。经过以上优化与改进，设计制作了第二版提升机构，其结构如图48，这一设计方案解决了前一版方案的所有问题，全行程提升最快只需0.8s。其不足之处是不锈钢圆管和直线轴承配合间隙为1mm，滑块有一些晃动，但是对机器人的整体性能的影响可以忽略。最大的缺点是提升电机自锁力量不够，无法让滑块停止在某一高度位置，而如果选用减速比更大的电机，虽然能实现自锁，但是速度又达不到要求。 Kenan Koser. A slider crank mechanism based robot arm performance and dynamic analysis. Mechanism and Machine Theory 39 (2004) 169182.图48 第二版提升机构第三版设计方案针对第二版设计方案的自锁（制动）问题，设计采用电磁制动器实现提升机构的制动。电磁制动器按工作原理可分为上电制动器和失电制动器。失电制动器是在不通电状态时，压簧的回复力将衔铁与摩擦片压紧而产生摩擦力矩，而摩擦片通过机械联结的方式与旋转轴固连在一起的，这样就迫使旋转轴停止运动，起到制动作用。当制动器通电后，电磁力克服弹簧力吸引衔铁脱离摩擦片，而使衔铁对摩擦片的制动摩擦力消失，让旋转轴处于自由状态。上电制动器的工作原理恰好相反，制动器的衔铁是和旋转轴固连在一起的，通电状态下，制动器内部线圈产生磁场将衔铁吸着在摩擦盘上，产生摩擦力矩实现制动，断电状态下由于摩擦面上正压力小，摩擦力矩小，旋转轴能够自由转动。 机械设计手册编委会. 机械