“變形金剛”機械人設計說明書

1、0“變形金剛變形金剛”機械人設計說明書機械人設計說明書目目錄錄1、 設計題目的背景設計題目的背景.31.1 設計題目的要求 .31.2 場地的分布 .41.3 參賽作品內容 .51.4 機器人實物模型的制作規(guī)定 .52、 設計方案的擬定設計方案的擬定.52.1 過河方案的選擇 .52.1.1 過河方案設想一（獨木橋式） .62.1.2 過河方案設想二（自己展開式） .62.1.3 過河方案設想三(上下臺階).62.1.4 過河方案設想四(過平橋).62.2 抓取機械手方案的選擇 .82.2.1 對機械手抓取目標物分析 .82.2.2 對機械手抓取目標物形狀的選擇 .82.2.3 旋轉螺母機械手

2、方案的選擇 .92.3 最終設計模型展示 .102.3.1 作品的特點 .113、理論依據、理論依據.123.1 底盤分析與計算 .123.1.1 自制輪 .123.1.2 驅動的選擇 .123.1.3 輪子分布(二維圖見附件).133.2 機械手的分析與計算 .153.2.1 抓取機械手的分析 .153.2.2 旋轉螺母機械手的分析 .174、線路設計、線路設計.214.1 行走電機控制 .214.2 機械手電機控制 .225、特色、特色.225.1 底盤特色 .225.2 機械手特色 .226、結束語、結束語.227、參考文獻、參考文獻.238、附件、附件.231“變形金剛變形金剛”機械人

3、設計說明書機械人設計說明書摘要：摘要：本文通過對題目背景的分析，從過河機構設計、抓取機構設計、旋轉機構設計三個方面為切入點，運用對比的方法選擇最優(yōu)方案為重力偏右式的過河機構、拉線式的抓取機構、普通旋轉螺母機構，通過 proe 軟件繪制三維圖，再通過對行走驅動計算選擇電機型號。通過齒輪傳動設計與校核確定齒輪的大小。采用四個機械手（三個抓取機械手，一個旋轉機械手）提高工作效率。關鍵詞：關鍵詞：對比 重力偏右式 拉線式普通旋轉螺母 四個機械手1 1、 設計題目的背景設計題目的背景 1.1 設計題目的要求 競賽題目來源于第十屆浙江省大學生機械設計競賽,要求如下幾點：1、機器人在設計收縮狀態(tài)時，其長寬高

4、均應300mm （展開狀態(tài)時尺寸不限） 。2、通過河道（寬 600 深 400）提供三種過河方式。）過平臺式（平臺寬獨木橋式（級）級，向上臺階，向下臺階寬臺階式（臺階150 200)于于于于于30 30于于于于245001001003、抓取指定的目標物放入指定位置共三組全套動作（每組全套動作包括軸承、墊圈、螺母，先軸承后墊片再螺母旋緊為完整的全套動作） 。注：三組目標物（軸承、墊圈、螺母）大小不一樣，分別為滾動軸承型號6310、6308、6306。墊圈 36、30、20 GB/T97.12002。螺母 M30、M24、M16 GB/T6170-2000。4、完成三組全套動作中的一組全套動作才可

5、拉尼龍線，打開勝利的旗幟，完成此動作后機器人停止一切動作。5、實物模型競賽時間限定 8 分鐘，時間一到停止全部動作。6、如果存在子母機，子機要到通過河道才可離開母機，完成所有動作子機必須回到母機才可拉旗。子機在抓取目標物時不得進入平臺 3。27、機器人本體不得翻越位置 1、位置 2、位置 3。8、機器人不得借助競賽場地的四周處側面和邊框作為支承。9、動力設備自備，比賽現(xiàn)場僅提供 220V 交流電源。1.2 場地的分布 根據浙江省大學生機械設計競賽題目的要求,機器人完成任務的總程分為幾個區(qū)域：一為出發(fā)區(qū)、二為河道區(qū)、三為目標物提取區(qū)、四為勝利區(qū)。其中競賽場地地面采用木質地板，表面鋪設噴繪廣告布，

6、場地尺寸為 4000mm2000mm，出發(fā)區(qū)尺寸為 300mm300mm300mm，四周圍板高 50mm。其中，河道深 400，寬 600，過河環(huán)節(jié)有三種方式：第一，過臺階，臺階寬 500，向下臺階 4 級 100 100，向上臺階 2 級；第二，過獨木橋，鋁合金梁 30 30，高于平臺 200；第三，過平臺，寬150。接下來，接下來，要抓取平臺 3 內的“目標物”按順序分別放入位置 1、位置 2、位置 3，先軸承后墊圈再螺母旋緊。競賽用滾動軸承分別為：6310,6308,6306；競賽用墊圈分別為：36,30,20 GB/T97.1-2002；競賽用螺母分別為：M30，M24，M16 GB/

7、T6170-2000。 （比賽場地如圖 1.2.1（1） （2） ）圖 1.2.1（1）比賽場地平面圖3圖 1.2.1（2）場地尺寸圖1.3 參賽作品內容 參賽作品內容包括兩部分： 機械設計方案書 1 套和機器人實物模型 1 件。1.4 機器人實物模型的制作規(guī)定 1）實物模型應與設計方案一致；2）實物模型的機械零件制作除原動機、標準件、通用件及橡膠件外均應自制。2 2、 設計方案的擬定設計方案的擬定 設計思路“變形金剛”機器人過河機構設計抓取目標物機構設計旋轉機械手機構設計圖 2.0 設計思路圖機器人從以上三個方面進行設計，并滿足機械設計大賽的機器人規(guī)定的尺寸300 mm 300 mm 300

8、 mm 的前提。2.1 過河方案的選擇 4河道深 400mm，寬 600mm，穿過河道一共有四個途徑可選擇：2.1.1 過河方案設想一（獨木橋式）2.1.1 獨木橋式二維圖分析: 獨木橋上鋁合金梁 30mm 30mm，高于平臺 200mm。采取過獨木橋式過河，車身為折疊式，當要過河時，車身升高，通過車身中間的皮帶輪帶動機器人過獨木橋。此方案優(yōu)點：空間較小；缺點：平穩(wěn)性很差，很容易側翻失衡，會跌進河道里。2.1.2 過河方案設想二（自己展開式）2.1.2 自己展開式簡圖分析:此方案優(yōu)點是節(jié)省體積，自己鋪路過河，這樣的設計不需要其它的附加裝置，只要通過小車原有的動力機構就能方便的實現(xiàn)，這樣的設計方

9、案更加的合理。但是，由于這次比賽的河寬 600mm，深 400mm，要真正實現(xiàn)過河，很難實現(xiàn)。2.1.3 過河方案設想三(上下臺階) 分析:河道向下臺階有四級，而向上臺階只有兩級。尺寸：100mm 100mm 500mm,此過河道方案實現(xiàn)也較困難，機器人很容易卡在河道里。2.1.4 過河方案設想四(過平橋)5分析:雖然寬 150mm 的平橋比較窄，但如果考慮將車身重心往右壓或將車身做小，通過時不會側翻到河道里的可能還是比較大。分析得出四種過河方式的可能性高低表如表 2.1.3 所示類型上下臺階式獨木橋式自己鋪路式150mm 平橋式可能性低較低低高表 2.1.3 幾種過河方式可能性高低表綜合以上

10、幾點，我們決定采用過河方案四：走 150mm 平橋的方式穿過河道。過平橋動作有兩種可選，簡圖如圖 2.1.3(1)、 （2）所示：2.1.3（1）迷你小巧型優(yōu)勢：過河安全，無重力分布不均的情況缺點：車身面積小，容納機械手及其他空間很少2.1.3（2）重力偏右型優(yōu)勢：車身面積大，有足夠的空間容納機械手及其他6缺點：重力偏右的調整，過河動力的分布考慮到本次比賽中，需要抓取與擰螺母兩種動作，則采用多個機械手可以減少機器人來回走的路程。因此,最終我們采取重力偏右型設計方案。2.2 抓取機械手方案的選擇 2.2.1 對機械手抓取目標物分析 任務：從立柱中抓取不同尺徑的三組墊片、軸承以及螺母放入指定地點，

11、立柱高為 200mm，機器人要在離立柱 215mm 處，其中軸承見表 2.2.1。軸承型號631063086306外徑110mm90mm72mm內徑50mm40mm30mm重量1.082kg0.6450kg0.341kg厚度27mm23mm19mm表 2.2.1注:螺母與墊片的重量相對軸承重量可以忽略。從任務中可以看出1) 機械手臂長度215mm。2) 機械手臂抬起高度200mm。3) 機械手爪抓起最大的目標物時承受的重量1.082kg。2.2.2 對機械手抓取目標物形狀的選擇 1)平鏟式機械手 圖 2.2.2（1）利用齒輪齒條傳動，爪子張開式鏟取目標物圖 2.2.2（1） 。優(yōu)點：取目標物后

12、垂直提出立柱，平穩(wěn)性好。7缺點：利用立柱鏟取目標物，如果目標物掉入平臺上就很難鏟起。2)橫向雙夾式利用齒輪來調整機械手的位置，橫向夾緊目標物圖 2.2.2（2） 。缺點：提取目標物時需要很大的力，目標物難以提取，可靠性不高。提取時機械手的范圍不是很大，增加支桿長度可能超出 300mm 高。3)拉線式 圖 2.2.2（3）拉線式結構簡單，提取力大，提取高度為 255。成本低。分析得出三種機械手的可行性高低表如表 2.2.2類型平鏟式機械手橫向雙夾式拉線式可行性低低高表 2.2.2 幾種機械手可行性高低表綜上所述：我們采用拉線式。2.2.3 旋轉螺母機械手方案的選擇81)拉線旋轉手圖 2.2.3（

13、1）優(yōu)點：制作簡單缺點：夾螺母時，有 200mm 的柱子，則必須采用偏心。這樣在旋轉時，需要二次定位。拉線有一定的角度，擰螺母很難對準，耗時。2)普通旋轉螺母機械手圖 2.2.3（2）根據三個螺母的大小設計三個裝螺母裝置，方便定位，利用齒輪帶動使螺母旋入指定位置。分析得出兩種旋轉螺母機械手效力表如表 2.2.3類型拉線旋轉手普通旋轉螺母機械手效力低高表 2.2.3 幾種旋轉機械手效力高低表綜上所述：我們采用普通旋轉螺母機械手。2.3 最終設計模型展示根據機械手的形狀與大小，我采用四個機械手從而選擇重力偏右型車身。最終模型圖如圖 2.39圖 2.3 機器人模型展示1、機械手臂 2、線輪 3、旋轉

14、立柱4、旋螺母裝置 5、驅動輪 6、機械手機器人簡介：機器人總長為 290mm，橫向寬為 285mm，抓取目標物的橫向臂長285、250、250mm，縱向臂長 235mm。機器人總重量為 7.2kg。機械手抓取范圍在45275mm。整個機器人由機械驅動車身、機械臂和機械手組成。車身行走依靠自制輪子實現(xiàn)，機械臂共分三節(jié)，由旋轉立柱、擺動橫臂及抓取手組成。通過齒輪嚙合傳動實現(xiàn)機械手的抓取功能。本裝置結構簡單、操作簡便、安全可靠、制造成本低。 2.3.1 作品的特點1）行走部分采用 4 個電機驅動采用 4 個 120 轉電機帶動，利用電機的正反旋轉與開關的切換實現(xiàn)前進、后退、旋轉等功能。結構簡單、緊

15、湊，能實現(xiàn)快速動作。2）采用繩輪機構實現(xiàn)機械手臂的快速縮展采用繩輪伸縮機構實現(xiàn)鋼絲繩的縮展，從而帶動機械手臂在垂直面內的擺動；合理地利用了電機的自鎖功能，能在任意位置停留；機構運動速度快、穩(wěn)定性好。3）運用四個機械手一次性抓取所有目標物三個機械手同時抓取整套目標物，放入指定位置。一個旋轉螺母機械手套上三個螺母后，依次進行旋緊螺母（先旋轉大螺母，在中等螺母，最后在小螺母同時一10個機械手準備拉線） 。有效的提高速度。而且在抓取目標物時，其它的機械手可以轉動來調轉機器人的重心，防止機器人側翻，同時可以減少機器人自身的重力。4）采用全向輪作為輔助輪 因為全向輪可以四個方向行走，有利機器人的轉彎，同時

16、起到了一定支撐作用。3 3、理論依據、理論依據3.1 底盤分析與計算3.1.1 自制輪圖 3.1.1（1）自制輪在輪子上黏上橡膠目的增大摩擦力，防止輪子打滑。摩擦系數(shù)54. 03.1.2 驅動的選擇已知機器人整體重量為 7.2kg，摩擦系數(shù)=0.54。因為機器人較重，為了提高機器人行走速度，底盤采用的 4 個驅動機，控制小車的前進與后退（縱向） ，為了能使其同步運行，故選用了相同型號、轉速的電機，其功率。4321pppp小車在行走時的受力分析小車重量為11 （3.1.2-1）NmgG56.708 . 92 . 7其中每個輪子所受到的力為總受力的四分之一，因此 NFF64.174/1工作阻力N

17、（3.1.2-2）53. 964.1754. 0maxFFFv啟動時，電機需要的力矩 （3.1.2-3）)(55.25225353. 9mNrFTv選擇電動機的轉速為 120r/min則 （3.1.2-4）)(17. 3955055.252120120955095501wPPnPT則小車行走的線速度為 （3.1.2-5）smdnv/301. 0100060/12048100060/行走所需的功率為 （3.1.2-6）wFP27.21301. 056.70v由于電動機直接與輪子相接，根據（3.1.2-4） （3.1.2-5）式電機所需功率至少為 24.44w.我們選擇了規(guī)格為 ZGX24RP-F

18、36iN 轉速為 120r/min，功率為 25w可見驅動電機輸出總功率為符合條件3.1.3 輪子分布(二維圖見附件)1) 過河部分的介紹12圖 3.1.1（2）輪子分布四個自制輪子是驅動輪，一個全向輪起輔助作用，增加配重使車子的重心向右移，機械手臂收起是盡量向右靠。這樣使右邊的重量大于左邊（旋轉螺母手邊） 。兩個機械手為前，在過河時,1 號機械手拉起向右轉，2,3 號機械手禁止不動，目的通過自身來調整車子的重心。如圖 3.1.1（3）模型機器人過河模擬圖圖 3.1.1（3）模型機器人過河模擬圖2) 采用輔助輪13圖 3.1.1（4）全向輪采用全向輪作為輔助輪，1、全向輪可以四個方向上運動，可

19、以減少機器人轉彎的阻力。2、由于車身較大，機械手較多，在機器人運動或抓取時起支撐作用。3.2 機械手的分析與計算3.2.1 抓取機械手的分析三個抓取機械手支架相同部分以抓取大軸承的機械手為例。1、立柱旋轉機構分析（1）利用機器底盤固定電機與支架，運用齒輪嚙合傳動使立柱 360的旋轉，便于抓取時進行定位。該結構簡單，效果明顯。如圖 3.2.1（1）圖 3.2.1（1）支架旋轉機構（2）旋轉部分的驅動選擇型號 ZGX24RP-F36iN:1303A6X61 的電動機轉速為1410r/min。由于需要自我調整去抓取目標物，因此轉速不宜太快2、抓取機構分析圖 3.2.1（2）機械手的機構注：根據三個軸

20、承直徑不同來設計爪子的形狀（二維圖見附件）（1）定位針采用定位針可以縮短定位時間，同時，在抓取整套目標物時，防止墊片掉出。（2）爪子上黏有橡膠增加爪子上的摩擦力，防止抓取目標物打滑。計算：（1）已知大軸承軸承型號外徑內徑重量厚度6310110mm50mm1.082kg27mm630672mm30mm0.341kg19mm將爪子設計成軸承外徑的大小，有利于抓緊軸承，同是在爪子處粘上橡膠增大摩擦，在爪子貼地處上面切除對應墊片厚度的橡膠，單獨夾墊片更容易。在爪子前，裝上定位針，有利用對準并可以抓取一套時防止墊片掉下來。（2）驅動電機的選擇計算爪子工作受力簡圖如圖 3.2.1（4）15圖 3.2.1（

21、4）爪子受力簡圖根據受力情況可知，兩邊爪子受力相等則，可知電機受到的力221GFF為。2G（N）94.138 . 960.108 . 98 . 9082. 1)(2221mmgmmMgG（螺母與墊片質量小軸承的重量）2m選擇電動機(速為 10r/min,功率為 25W)線速度為smdnv/02512. 0100060/1048100060/所需的功率為W1751. 02G0.02512v FP由于電動機直接與齒輪相連，至少電機提供 0.1751w 的功率。我們選擇了規(guī)格為 ZGX24RP-F36iN:1303A6X61 轉速為 10r/min，功率為 20w可見抓緊機械手驅動電機輸出總功率符合

22、條件同理 1 區(qū)拉線部位電機選擇 圖 3.2.1（5）拉線電機受力圖因為 1 區(qū)電機需要的力為，經過上述計算得到的至少需要電機提供2G0.1751w 的功率，如 1 區(qū)選擇電機型號為 ZGX24RP-F36iN:1302A6X59 轉速為 15 r/min，功率為 25w（3）抓緊部位驅動選擇型號為 ZGX24RP-F36iN:1303A6X61 的電動機轉速為10r/min。采用齒輪嚙合傳動抓取目標物，由于齒輪無自鎖，我采用長開長閉按鈕，抓取目標物時我們長閉開關，防止目標物掉落。 （因為在相同的驅動情況下，渦輪蝸桿傳動速度相對齒輪來說較慢）（4）繩子、支架選擇立柱與橫桿要承受所有的力，同時減

23、少機器人自身的重量，我們采用不銹鋼方形管。繩子采用鋼絲繩。3.2.2 旋轉螺母機械手的分析1、旋轉螺母機械手展示如圖 3.2.2（1）16圖 3.2.2（1）旋轉螺母機械手（1） 升降裝置由齒輪齒條傳動，保證了抓取裝置垂直于場地平面上下運動，有利于定位。（2） 旋轉裝置采用 6 個大小、模數(shù)相等的齒輪進行傳動，保證了選螺母是的速度相同且快。（3） 抓取裝置根據 3 個螺母的形狀，大小設計出 3 中不同的螺母抓取裝置，有利于抓取螺母與旋轉螺母時高效快速。 2、齒輪傳動設計與校核已知齒輪模數(shù) m =1，轉速 n1=400r/min，取傳動比 i =1a) 選擇齒輪材料及精度等級齒輪 1 采用 45

24、 鋼調質，硬度為 220250HBS,齒輪 2 采用 45 鋼調質，硬度為 170220HBS 因為為普通減速，查表得選 8 級精度，要求表面粗糙度 Ra3.26.3m 。b) 按齒根彎曲疲勞強度設計對于開式齒輪傳動中的齒輪，齒面磨損為其主要失效形式，故通常按照齒根彎曲疲勞強度進行設計計算。按直齒傳動的設計公式可得：17m 1.26 （3-18）3211)(FSaFadYYzKT確定有關參數(shù)與系數(shù)：轉矩：T1=9.55106=9.55106=19.1Nmm （3-19）np400100.83 載荷系數(shù) K查資料集得 K=1.1 確定齒輪有關系數(shù)：確定齒數(shù)在開式傳動中，為保證輪齒在經受相當?shù)哪p

25、后仍不會發(fā)生彎曲破壞，z不宜取太多，一般取 z1=2040取 z1=30，則 z2=iz1=130=30確定中心距： （3-20）mma302)3030(12zzm21）（齒寬系數(shù)：d查資料集得：齒形系數(shù)=2.81，=2.411FY2FY應力修正系數(shù)=1.56，=1.671SY2SY=0.8 （3-21）d1db分度圓直徑 d:d1=mz1=130=30mm （3-22）d2=mz2=130=30mm （3-23）齒寬 b:b=gd1=0.830=24mm （3-24）d取 b1=10mm，b2=10mm18齒數(shù)比齒數(shù)比 u:u=i=1 （3-25） 許用彎曲應力F查資料集得，齒輪 1 按 4

26、5 鋼調質查取，得=230MPa，齒輪 2 按FlimFlim145 鋼調質查取，=230 MPaFlim2查資料集得 Sf =1.4N1 = 60njLh = 604001500 =1.2107 （3-26）（該裝置間斷使用，預期壽命 500h）N2 = N1 / i = 1.2107/ 2 = 0.6107 （3-27）查資料集得：YNT1=1.15，YNT2=1.31= 189MPa （3-28）F1NTKF1limSF4 . 123015. 12= = =186MPa （3-29）F2NTKF2limSF4 . 12003 . 1查資料集得齒形系數(shù)：=2.65 = 2.2261FaY2

27、FaY查取應力校正系數(shù) =1.58 =1.7641SaY2SaY計算大、小齒輪的并加以比較 FYsaYfa=0.0221 MP （3-30）111FSaFaYY1891.582.651a=0.0211 MP （3-31）222FSaFaYY1861.7642.2261a由式（3-18）得：m 1.26=1.26=0.10886 （3-32）3211)(FSaFadYYzKT32308 . 00221. 01 .191 . 1 校核齒面接觸疲勞強度19 =668 Hubd1u(211）KTH（3-33）查資料集得：=560 MPa ；=530 MPaHlim1Hlim1SH=1.1ZNT11.4

28、5 ; ZNT2=1.55 (3-34）aHNTHMPZ7251 . 156045. 1SH1lim11 （3-35）aHNTHMPZ7471 . 153055. 1SH2lim22由（3-33） 、 （3-34） 、 （3-35）得：=38.97MPa （3-36）ubd1u(668211）KTH2014211 (3 .1271 . 16682）2=747 MPa ，齒面接觸疲勞強度校核合格。HH4 4、線路設計、線路設計4.1 行走電機控制圖 4.3 行走線路圖204.2 機械手線路控制機械手部分每個電機用兩個開關控制（控制正反轉） 。在抓取部分用長開長閉開關。線路如圖 4.4 所示圖 4.4 機械手線路接法5 5、特色、特色5.1底盤特色1）底盤采用 4 個電機驅動，使行走速度提高。2）輪子上裹有橡膠，防止與地面打滑。3）采用重力偏右，使機器人車身面積增大，有足夠的空間容納機械手與其他。5.2機