機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容

1、機械設(shè)計原則 任何動作的設(shè)計，最終都要通過機械去完成 因此：機械部分才是機器人設(shè)計中最關(guān)鍵的部分 設(shè)計原則：以簡單為第一準則。在設(shè)計的全過程中，要時刻貫穿盡量使用最簡單、明了、直接的結(jié)構(gòu)去實現(xiàn)所需要功能的設(shè)計理念。機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容常用機械零件 齒輪直齒輪：直齒輪是機器人制作結(jié)構(gòu)中最常使用的一種齒輪，呈圓柱形，輪齒均勻分布于外圓柱面，輪齒面垂直于軸，輪齒平行于軸線。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容斜齒輪：斜齒輪也呈圓柱狀，輪齒和軸線成一定角度。相對直齒輪，斜齒輪傳動更安靜，可以傳遞更大載荷，承受最高轉(zhuǎn)速。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容蝸輪：蝸輪由蝸桿和蝸輪兩部分組成，可以視為用兩個斜齒輪以適當角度

2、配對傳動。其中蝸桿樣子像螺栓，輪齒具有很小的螺旋角。蝸桿的從動輪使用斜齒輪或直齒輪。蝸輪工作安靜，可以獲得極高的減速比，并具有自鎖功能。自鎖功能意味著當沒有功率輸入的時候，蝸輪依然能夠保持在原位置，不會因重力或其他原因出現(xiàn)反向移動。對于機器人競賽來說，在某些情況下，特別需要自鎖功能。蝸桿和從動蝸輪分別在垂直平面和水平平面上轉(zhuǎn)動，可作垂直方向轉(zhuǎn)動。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容錐齒輪：又稱傘齒輪，其外形呈圓錐狀。它的輪齒可以是直齒，并和旋轉(zhuǎn)方向垂直。也有少量傘齒輪的輪齒是彎曲的。傘齒輪可承載的能力比較大，而且和蝸輪一樣，可以作垂直方向旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)動。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容行星齒輪：行星齒輪其實是直齒

3、輪的組合，主要用于承載能力很強而空間卻有限的場合，例如直流電機的變速箱部分。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容齒條齒條是在一個矩形長條上，所有齒平行排列成直線的機械零件。它可以固定帶有小齒輪軸轉(zhuǎn)動的部件，即可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動；或者固定齒條部分，當小齒輪轉(zhuǎn)動時，帶有小齒輪的部件則會在齒條上產(chǎn)生平行移動。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容同步輪、同步帶同步輪是一種特殊的齒輪，它與同步帶配合使用。作為力的傳動，同步輪上的齒形、齒距等參數(shù)必須和使用同步帶嚴格一致。經(jīng)同步帶連動的兩個軸的轉(zhuǎn)動參數(shù)則完全同步。當需要多個零件動作完全一致地同步進行時，應(yīng)采用同步帶機構(gòu)。同步帶機構(gòu)必須利用配套的齒形帶輪和同步帶。 機

4、器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容皮帶輪和皮帶通過傳動皮帶，將2個皮帶輪相連，在改變轉(zhuǎn)速情況下進行動力傳送。輪的主要參數(shù)有輪的外徑以及輪上的皮帶槽。常見的有矩形、半圓、梯形幾種，皮帶槽的形狀則根據(jù)傳送帶的形狀來決定。機器人競賽常先選用合適的傳送帶，再決定皮帶輪的加工。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容軸承為減少摩擦力，提高機械效率，軸承是常采用的部件。機器人競賽中使用的是微型軸承，軸承內(nèi)徑為46ram，外徑為1320ram。軸承加裝單蓋或雙蓋，以防止灰塵進入。軸承內(nèi)徑中的軸以及外徑安裝孑L都要精確加工成緊配合。對微型軸承的安裝過程，要特別小心，防止其變形或損壞。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容軸機器人結(jié)構(gòu)中常使用各種直

5、徑的軸。由于軸相對比較細長，加工困難，價格又高，因此可在金屬構(gòu)件店購買各種直徑的軸銷來代替，效果很好。直徑分別為3ram、4mm、5ram、6ram、8ram、l0mm的軸銷都能購買到，可用鋼鋸或其他方法加工成合適的長度來使用。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容螺桿螺桿也是機器人裝配中常用到的，在家庭裝潢商店可以購買到吊頂用的直徑為68mm的螺桿。在金屬構(gòu)件商店，還可以買到不銹鋼或黃銅螺桿。對于所需螺桿的長度小于l00mm的情況，可直接購買長螺絲釘來代替。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容車輪目前，競賽機器人大多采用輪式或履帶式移動機構(gòu)，少數(shù)雙足機器人也并非真正意義上的雙足。機器人移動使用的車輪，一般由硬鋁加

6、工而成，車輪的直徑根據(jù)機器人底盤離地的要求并參考移動速度而定。直徑小，底盤距地近，重心低，穩(wěn)定性較好。一般選擇車輪的直徑為6080mm。加工要求同心度高；對于車輪中心的軸孑L，要求最好外嵌大于l0mm厚的黃銅外套。軸套上等分鉆三個緊固孔，孔內(nèi)壁攻M3或M4螺紋，以便將動力軸固定在車輪外。為增大機器人移動時與地面間的摩擦力，防止打滑，要將車輪外圈加工成矩形槽，以橡膠等摩擦力大的物質(zhì)包裹在車輪外圈。比較簡單可行的方法之一，是選擇合適內(nèi)徑的橡膠密封圈緊緊套在車輪的矩形槽內(nèi)。因此，車輪的最終尺寸要和能得到的橡膠密封圈型號與內(nèi)徑相吻合。密封圈可在橡塑商店內(nèi)買到。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容萬向輪使用兩輪驅(qū)

7、動的機器人，常將兩驅(qū)動輪作為主動輪安裝在后部兩側(cè)，而在前部正中央位置安裝一個萬向輪，主要用以支撐。萬向輪在受力情況下可向任意方向轉(zhuǎn)動，將機器人設(shè)計成帶有一個萬向輪的三輪結(jié)構(gòu)，可以減小轉(zhuǎn)彎半徑。由于前部萬向輪的靈活性，機器人可以按要求實現(xiàn)運動控制。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容鏈條鏈條是一種很好的傳動帶，最常見到是自行車和摩托車上的傳動鏈條。它不易打滑，傳動可靠，傳動承載力較強?？蛇x用摩托車體內(nèi)部使用的小型鏈條，在摩托車維修店就可購到。一般是一條鏈，兩個配對鏈輪，價格便宜，質(zhì)量好。鏈條的尺寸可以根據(jù)需要加長或減短，鏈條兩端的鏈輪在安裝時應(yīng)在同一平面上，這樣，鏈條在同一直線上傳動效率高，不易滑脫。同時

8、，安裝的鏈條要松緊適度。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容履帶使用履帶也是競賽機器人常用的移動方式之一。它比車輪移動慣性小，容易控制，但速度比輪式低。履帶移動機構(gòu)比較復(fù)雜，自制困難，加工造價高，一般從玩具廠選擇合適的尺寸，購買全套部件裝配使用，或者直接購買履帶式玩具加以改裝。使用寬的同步帶進行再加工，也可充當履帶使用。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容連軸器顧名思義，連軸器的功能就是將主動軸和從動軸連接起來，從而使驅(qū)動軸隨主動軸轉(zhuǎn)動。連軸器有剛性連軸器和彈性連軸器兩類，每類又有兩端相同軸徑和不同軸徑之分。剛性連軸器要求在安裝中，主動軸要和驅(qū)動軸完全同心轉(zhuǎn)動，否則因受力不平衡等原因，極易造成相連部件的損壞。 機

9、器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容常用機械結(jié)構(gòu)機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容變速機構(gòu)我們知道的移動機器人，多數(shù)以電機驅(qū)動，但電機速度一般每分鐘近6000轉(zhuǎn)。速度雖然很高，但電機輸出轉(zhuǎn)動力矩卻很小，無法驅(qū)動機器人移動。為了增加驅(qū)動力，就要使用減速機構(gòu)，進行速度和力矩變換。機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容齒輪減速箱兩個不同齒數(shù)的齒輪分別連在主動軸和從動軸上，兩軸的轉(zhuǎn)速比，反比于兩軸上齒輪的齒數(shù)比。變速箱中使用多組齒輪配合，可將主動軸轉(zhuǎn)速進行各種減速輸出到從動軸，許多電機將齒輪箱直接裝在電機前部，作為電機的一部分使用?？梢赃x用不同轉(zhuǎn)速的電機，以適應(yīng)不同轉(zhuǎn)動力矩的需要，也可以更換不同變比的電機齒輪箱部分。 機器人機械設(shè)計原則和

10、內(nèi)容(2)鏈輪變速將轉(zhuǎn)動鏈條套在兩個齒數(shù)不同的鏈軸上，可將從動軸變速。我們知道速度和齒數(shù)成反比，觀察自行車的腳蹬輪和后軸相連的小齒數(shù)從動輪便可一目了然。變速自行車由多組齒輪構(gòu)成多變速機構(gòu)，來改變自行車速度和驅(qū)動力，以適應(yīng)各種路況的需要。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容(3)皮帶輪變速這是使用兩個直徑不同的皮帶輪來達到變速的目的，如圖21所示。由于兩皮帶輪外圓周長不同，也可以達到速度變換的目的。當載荷過大時，皮帶會在皮帶輪上產(chǎn)生滑動，因而不適合做精確的傳動，但是這種缺陷卻使此類結(jié)構(gòu)具有過載保護功能，避免當異常情況發(fā)生時所造成的機械損壞。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容移動機構(gòu)，對可控機器人最基本的移動要求如

11、下：當以各種速度前進或后退時，整體穩(wěn)定，不傾倒。能按直線方式前進或后退。左右轉(zhuǎn)彎半徑小。按程序指令快速前進或迅速停止。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容常用的移動結(jié)構(gòu)單萬向輪結(jié)構(gòu)：即兩驅(qū)動輪加一萬向輪的三輪方式，其中萬向輪又有前置或后置的區(qū)別。雙萬向輪結(jié)構(gòu)：即兩驅(qū)動輪在后部，前部兩側(cè)各裝萬向輪一個。三驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)：即三個輪以120。均勻分布在水平面上，任一驅(qū)動輪可以轉(zhuǎn)動或滾動兩種方式工作。當機器人向任一方向移動時，處在運動方向線的第三個輪停止轉(zhuǎn)動，而向平行于前進方向滾動。這種輪的結(jié)構(gòu)比較特殊，作為前進的驅(qū)動輪時，車輪由動力軸驅(qū)動轉(zhuǎn)動，而作為支撐的第三輪時，則構(gòu)成輪的著地小輪，繞本身小軸滾動。這種結(jié)構(gòu)的最

12、大優(yōu)點是轉(zhuǎn)動半徑為零，在比賽場上機動靈活 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容四驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)：四驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)有兩種，一種是使用汽車方式，即四輪前后兩側(cè)對稱分布。行駛穩(wěn)定，可控性好，但轉(zhuǎn)彎半徑大。另一種是使用以上介紹的特種輪，四輪對角線分布。這種結(jié)構(gòu)的靈活性很好，效率也比較高，但造價貴，設(shè)計、安裝要求也較高。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容履帶式移動結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性特別好，轉(zhuǎn)彎半徑為零。但速度較慢，噪聲較大。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容改變旋轉(zhuǎn)方向機構(gòu)用兩個直齒輪直接嚙合的結(jié)構(gòu)，可使從動齒輪旋轉(zhuǎn)方向和主動齒輪完全相反。如果在主動齒輪和從動齒輪問加過橋齒輪，三個齒輪直接嚙合，則從動輪的轉(zhuǎn)動方向?qū)⒑椭鲃虞喭耆恢隆?/p>

13、傘形齒輪可使主動輪和從動輪轉(zhuǎn)動直角發(fā)生變化。蝸桿蝸輪兩者的旋轉(zhuǎn)方向為直角。機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容皮帶輪機構(gòu)當主動軸與從動軸相距較遠時，可以使用皮帶與皮帶輪，皮帶輪與皮帶間依靠張力形成的摩擦力來傳遞動力。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容1)皮帶傳動的速度變換 設(shè)主動輪直徑為D1，轉(zhuǎn)速為N1，從動輪直徑為D2，轉(zhuǎn)速為N2D1N1=D2N2 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容(2)皮帶傳動的方向皮帶的安裝主要有兩種方式，最常用的是平行式帶傳動，如圖22所示，從動軸與主動軸旋轉(zhuǎn)方向 一致機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容交叉式帶傳動，從動軸與主動軸旋轉(zhuǎn)方向相反機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容當兩旋轉(zhuǎn)軸相交，而

14、角度較小時，可直接使用皮帶傳遞動力。如圖機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容當兩旋轉(zhuǎn)軸交角很大時，兩軸中間要增加過橋輪 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容(3)皮帶材料 當連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，使用環(huán)形橡膠帶。密環(huán)圈的彈性雖不如橡膠帶，也可代用。 當兩軸距離較遠而又無法找到合適的環(huán)形橡膠帶時，也可用直徑為23ram的聚胺酯橡膠帶來代替，用火將兩接頭熔化后粘接成環(huán)形傳送帶使用。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容凸輪機構(gòu) 凸輪機構(gòu)的作用是將旋轉(zhuǎn)或直線運動轉(zhuǎn)換成其他形式的運動。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容(1)平面凸輪平面凸輪可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成縱向運動。在轉(zhuǎn)動軸上安裝凸輪，在凸輪外緣上安裝一個可以滾動的桿狀零件，俗稱推桿，推桿下部緊挨凸輪

15、面，當凸輪隨轉(zhuǎn)動軸作旋轉(zhuǎn)運動時，推桿則作上下往復(fù)運動。為減少摩擦，在推桿下端安裝滾子。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容(2)移動凸輪移動凸輪可以將水平移動轉(zhuǎn)換為上下運動。當滑板作左右水平運動時，安裝在平板上的推桿就會上下往復(fù)運動。機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容(3)凸輪機械應(yīng)用擺動機構(gòu)：將桿的一端固定在鞘軸上，而在動力轉(zhuǎn)軸上安裝一個橢圓形零件，此零件僅貼于擺桿下部，當動力軸轉(zhuǎn)動時，擺桿就會產(chǎn)生上下運動，形如招手動作 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容跳動機構(gòu) 安裝在動力軸上的凸輪形如半個橢圓形，當動力軸轉(zhuǎn)動時，這個機構(gòu)就會產(chǎn)生緩慢上升，快速下降的運動。使用曲柄機構(gòu)產(chǎn)生的往復(fù)運動是比較平穩(wěn)的，而凸輪機械最大的特點是能

16、產(chǎn)生不均勻的往復(fù)運動，即運動具有一定的突變性。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容曲柄機構(gòu)最典形的曲柄例子是發(fā)動機的曲軸。曲軸通過連桿和汽缸活塞相連，曲軸的轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)換成活塞的上下往復(fù)運動。機器人使用偏心輪結(jié)構(gòu)，在動力軸上固定一轉(zhuǎn)軸，而距輪中心一定的距離處，安裝一固定軸。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容導軌曲柄的滑動機構(gòu)：在驅(qū)動軸上連接一曲柄，曲柄的另一端連接到帶有導軌的長桿上，當曲柄轉(zhuǎn)動時，長桿就會在導軌上實現(xiàn)往復(fù)運動。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容雙滑塊組合機構(gòu)：在曲柄滑塊機構(gòu)中，在滑塊部件上開一長槽，槽內(nèi)裝有固定的銷軸，滑塊上的長槽就可以起到導軌的作用。在曲柄滑塊的機構(gòu)中，通過兩個滑塊與曲柄組合，制成一種能

17、夠?qū)崿F(xiàn)在直線上往復(fù)運動的機構(gòu)。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)將長度不同的幾個桿絞鏈起來，并能靈活地轉(zhuǎn)動，將輸入的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成各種形式的動作。曲柄擺桿機構(gòu)：此機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)閾u擺運動或?qū)u擺運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容雙曲柄機構(gòu)：在驅(qū)動軸上安裝的曲柄的旋轉(zhuǎn)力的作用下，兩個連桿均作旋轉(zhuǎn)運動。機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容平行四連桿機構(gòu)：平行四連桿機構(gòu)總是保持相互平行運動。連桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)及組合知識， 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容曲柄滑塊機構(gòu)：最基本的連桿機構(gòu)是由四個桿構(gòu)成的四連桿機構(gòu)，若將其中一個桿固定，將擺桿作成帶有導向槽(或滑塊)的結(jié)構(gòu)并可以滑動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)

18、運動，即曲柄機構(gòu)中介紹的曲柄滑塊機構(gòu)。這種機構(gòu)經(jīng)常用在機器人動作設(shè)計中，以曲柄滑塊為基礎(chǔ)，可以形成許多構(gòu)思巧妙的動作機構(gòu)。機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容常用動作機構(gòu)根據(jù)競賽的規(guī)則要求，應(yīng)采用適當?shù)膭幼鳈C構(gòu)，以滿足不同的競賽場合的需要。要求參賽隊員在深入了解基本動作機構(gòu)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮集體的聰明才智和創(chuàng)新思維，靈活運用他們對凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)及組合知識，設(shè)計制作出簡單、穩(wěn)定、動作順暢以及不易損壞的機械機構(gòu)，這是獲勝最重要的條件。 機器人機械設(shè)計原則和內(nèi)容提升機構(gòu)使用鏈傳動：當主動軸和從動軸距離較遠時，使用鏈條能準確地傳遞運動。使用連桿機構(gòu)：采用曲柄擺桿機構(gòu)，擺桿前部連接提升物部分，后端連曲柄，當驅(qū)動軸帶動曲柄作旋轉(zhuǎn)時，可使擺桿前端的物體部分上下運動。使用曲柄滑塊機構(gòu)、平行曲柄機構(gòu)和多連桿組合機構(gòu)，可以將動作力矩增加。使用帶傳動：將物體以一定壓力夾在兩寬幅傳動帶中間，可以將物體做平移、傾斜移動或垂直移動。使用繩索傳動：使用釣魚線作為繩索來制作卷揚提升機構(gòu)，不僅簡單而且效果較好。 機器人機械