重心驱动式球形滚动机器人机械系统设计文档格式.docx
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1.2机器人发展概况4
1.3本课题研究的内容6
1.4Solidworks设计基础8
1.4.1草图绘制9
1.4.2基准特征，参考几何体的创建10
1.4.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建10
1.4.4工程图的设计10
1.4.5装配设计11
2重心驱动式球形滚动机器人总体方案结构的设计12
2.1重心驱动式球形滚动机器人机构的总体方案图12
3机械传动的设计计算17
3.1直流伺服电机的选型计算18
3.2传轴的设计计算19
3.3轴承的设计计算20
结论20
致谢21
参考文献22
附录一23
附录二28
绪论
由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。
但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。
封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。
因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。
人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。
机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。
在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。
机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。
现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。
人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。
电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。
这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。
人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。
又一方面实践促进人脑智力。
在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。
大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。
在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。
相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。
在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。
在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。
在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。
由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。
但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。
封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。
综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。
从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。
综合和专业水平。
有机械工程全面而专业的冲突；
在综合性工程技术也有综合和专业问题。
在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。
1）实现的潜力
2010年，国家各部委进行详细的调查和论证后认为：
智能机器人这个大产业在接下来的几十年内产值和市场占有率都会是井喷式的。
在2013七月，在测量市场大小的根本上行使2010之“机器人产业的市场趋势考查”后续。
情况即中国市场正在急剧膨胀，然后韩国，日本和德国都在拼命瓜分市场。
2）工业机器人的定义和需求
在日本，工业机器人从开始普及到现在已然30年。
工业机器人对全球制造业发展提供了很多的帮助，像战胜了困难的，污浊的，无法掌握的应用情况，供应了优秀的产品品质，补充了贫乏的现场人力。
能理解，在将来数年，由于老龄化加剧，现场人力数目缩小，会发生很多的用人贫乏。
因此，产业机器人的希冀变得更多。
产业机器人在全新范畴的施行（像食物，药剂以及消费物的研发，建设以及制造范围）亦然有很好的远景。
特别是在医学范畴，试剂以及样品分析前处理，可能获得类似于高度精准的技术实验数据。
人力也能够防止于在危急境况下作业，如病毒和细菌。
另一面来说，怎么去教依旧是产业机器人的很大问题。
利用口令进行示范，必须锻炼的非常好，方能娴熟的操纵各式各样产业机器人。
在当下的机器人体系里，多臂互相配合链接操纵的境况下，操纵要用去巨额的工夫。
早前的机器人体系愈来愈艰巨，是让教授更易学的一个大难点。
在将来的时间里边，达成不必讲授成了终极的目的。
更由于这样，智能的机器人会成为不可或缺的。
我们需求各式各类的研发成效，联合科研院所的协助。
3）机器人在社会中的定义和需要
由于全球都迈进了衰老型社会，想让老弱病残幼在存活和环境容纳中获得援手。
估计机器人会给以充分的反馈，好比讯号的供应以及撑持，帮助那些居家讨生活的人，向组建社团给以帮助，缩小休养之包袱，给身体功能施以帮助，以及增加商业设施。
这会能使得老人以及残疾人觉得就是貌似孩子们、孙子们和他们呆在一块儿似的。
历经实践，这是愈来愈明朗，在以后，服务型机器人的成长会加快环境容纳度，我们会使得延续康健的时期愈来愈长，用自帮自助的存在方法，有目的地工作和参与社会。
所以有，它可以变成构建更好环境以及衰老境况乃至世界上生长的能量。
B）机器人服务平台
如果我们必须领会服务机器人体系的运作方法，就得懂得实际情况、顾客还有产品中的悬殊，包括领导大批机器人还给以帮助。
不只是增添了很多额外花费，以及能否赚钱的疑惑。
诚然我们可以建造出来服务机器人体系，若是服务的回报无法回本更无盈利，就更不能扩大利用了。
假如一个多服务系统机器人可以建造出来，可给他人用的崭新的帮助方式已初露锋芒，制造者才敢去想走到了这一步，得到的回报能否顺利地抵消甚至超出用去的本金。
所以，现在极大的障碍是创造出一个体系，这体系会渗透进帮助型机器人的发展范畴，也更容易渗透进IT行业。
4）机器人在教育中的定义和需求
C）机器人在教育中的需求
在日本，那样的向来肩负着本国对外竞争力的研发科技、生产制造人员却是在急剧锐减，现在，他们加快应对着居民衰老化，真正境况是，依托相应调研报告，眼下的事实却是，日本群众用在高端科技的精力以及会意程度非常明显的愈来愈少了。
即使如此，机器人和机器人应用工程课堂展示教学也收获了重视，是一种很好的锻炼制造员工以及淡化对科学害怕的技术措施。
机器人活动比赛被承办在各式各样的地区，传统刊物也录用了兴趣者们的作品，还有机器人知识亦然在人民里边传播开来。
电机把持，传感器科学和计算机应用，机构零部件和别的技术归纳在一块，是为机器人技术。
于是，途径PBL——源自困难的进修以及同等的要领，激发了察觉麻烦的本领以及处理的技巧，相当顺应思维培养的组合，其也可增强优化多组件科技以及提升归纳体系的优点。
要实现此方针，不妨面向基础教育的同学达成科学培养，使培养方式和手段得以普遍使用，还有方针即是开始于小学和初中止于科技培养部门工程师。
D）机器人在教育中的挑战
说起机器人培养的要求，如此3种方向在未来数年会当作机器人培养的中心。
首先是对各行各业的外部人力的教导。
比方说，各个社区来负责践诺开放向青少年的机器人培养行径。
全体地区的互动方式中都有他们的身影，比如地方广电局以及私人单位的加入。
然后就是达成社会机器人培养观念的引导。
第五科技根本设计的种种资料已然赞同社会达成了技能的看法。
末了一点，是关于重用高素质的人力。
2005年，日本的几个部委在定期工作资料中早就说明，他的高管以及技能人力的减少源自于本国的群众衰老在加剧。
他呼吁必须善加利用那种高级人才，不要过于限制他们的岁数以及保持工作场所。
这成为一个极度首要的困难，对校企培养来讲。
真正尊重知识人材是处理此困难的一个绝佳思维，针对日本眼下难处来讲。
我们应该建造渠道，传播知识人材得到的技巧、技能和经历的给接下来的工程师。
机器人的培养愈加发展，熟练掌握每种能力的工程师已然能够有所担当，接下来具备雄厚履历的知识人材操作起来也是十分顺手了。
1.1课题的来源与研究的目的和意义
现在有两种类型的机器人可以到达我们难以接近或者不能接触的复杂环境开展自主勘察。
一个机器人是模仿多足昆虫的行进轨迹，另外一个机器人则是脚底装上车轮依靠滚动行走。
依靠车轮滚动机器人的缺点是无法吻合崎岖不平整的路面，但模仿多足昆虫行进机器人则能在上述环境里轻巧的行使职责。
所以将车轮与腿部结合为一体的机器人的未来极为明朗，像用于施工现场、煤炭挖掘、摸清敌情、事故救援、太空考察以及电力行业等环境。
结合了车轮与腿部的机器人是各类机器人中极简单完成顺利爬行的。
在众多机器人中，通过仿照类似蜘蛛、蜥蜴等爬行动物的腿部组织以及爬行方式研发的重心驱动式球形滚动机器人是极具代表性之一种。
某些相对条件高、工作起来必须可靠的行为比如自然探测、天外考察和海洋营救的情况必须让车轮和腿部相结合的复合机器人来操作，因为它与两条腿及其他产品相比，构成部分十分简单，运行安全，行动迅速。
世界上将小型步行四杆机构开展了普遍的考查，目前有超过70种微走四杆机构的出现，因为微走了四杆机构作用在布局复杂，难以预料的情况，大家想要他的动力部分愈发先进，还要达到极好的自给自足。
还有，小型行走四杆体的腿数量大，完成每条腿的顺利行进必须处理好彼此的运动关系，小型四杆行走体研究与设计的关键在于怎样才能完美的达成那样的协作关系。
小型四杆走型体，作为一个可以通过经历内、外感知工具传递讯号何时到达和具体情况,达到能顺利行进在复杂地形下的目的，然后实现自己的使命及效用的机器人体系。
已经被普遍使用在多个领域，自然侵害，实地调查，污染查证和文体活动，在国防，存在，人身平安和科技开发里起了愈来愈关键的作用。
然而依靠车轮的机器人的长处是运行速率高，容易拐弯，运动性能好，制造方便，用料低廉，然而难以适应地形，避障能力不好。
车轮和腿相结合的机器可完美地适应地形，能一步一步越过障碍和不明物体，可是间歇的行进，效率和速度都较小。
随着重心驱动式球形滚动机器人的不断开发和应用范围的扩展，未来会在更多复杂且未知的环境中工作。
纷繁庞杂、种类繁多的实际应用只是依赖于车轮或腿机构般机器人的话并不能满足需求。
种类齐全的结合型运行结构纷纷出台，可以共同慢慢增长车轮和多腿机器人的技术规范，这些特色已被车轮多腿结合型机器人吸收并加以应用，它不但能提高在光滑陆地的运行功用，逾越困难环境的本领也得到加强。
可是现在重心驱动式球形滚动机器人在原理层面尚有大量障碍，倘若选取脚式运动的话。
但是，多条腿的爬虫在多足向自然提供能体布局是庞大和纤巧的，经历其持久的演变和活动的轻巧性，很简单就可逾越各式各样的恶劣境况，甚至可在光滑的表面上倒立行走。
所以有，把多脚爬虫步履运动结论掺和进行进机器人的布局研发和掌管里边，制造兼备完美做工和行进本领的车轮与腿部结合型机器人，这将提供给多机构结合型机器人的开发和制造完备且杰出的知识以及实际的道理。
1.2机器人发展概况
第一台工业机器人问世已整整40年了。
在机器人发展的历史上,存在着两条不同的技术路线:
一条是日本和瑞典所走的"
需求牵引,技术驱动"
把美国开拓的机器人,结合工业发展的需求,开发出一系列特定应用的机器人,如弧焊、点焊、喷漆装配、刷胶、建筑等等,从而形成了庞大的机器人产业;
另一条是把机器人作为研究人工智能的载体,看成计算机科学的一部分,即从单纯技术上模仿人的某些功能出发,研究智能机器人,如美国、英国相当一部分大学及研究所所做的,由于人工智能和其他智能技术的发展远落后于人们对它的冀望,致使绝大部分研究成果始终走不出实验室。
我们必须对需要与可能二者作认真的研究,按"
需求牵引,技术导向"
的原则,才能得出正确的研究方向,制订出一条可行的技术路线。
2.21世纪工业机器人面临的形势
21世纪即将来临,毫无疑问,技术的发展及世界市场的竞争,将沿着20世纪90年代展开的道路前进,危机与机遇并存。
能否把现在的大规模生产线作为一块跳板,跳到具有和它具有同样效率,能生产中小批量的"
敏捷"
生产线,以期达到生产同一类产品的价格和批量无关。
这将决定一个企业、一个地区以至一个国家在未来竞争中的地位。
这一发展态势将为机器人技术的进一步研究与开发提供极大的机遇。
在用通过编程可重组的生产单元实现敏捷制造装备中,传统机械的机器人化及新一代机器人化的机器将是两个重要的发展方向。
这里所谓的机器人化,是赋予机器以一定的"
感知、思维（问题解题、决策和规划）和动作"
的能力,或者说采用机械电子工程（Mechantronics）的办法来改造传统机械,发展新机械。
另外材料、传感器、控制等技术的发展又为机器及机器人本体的发展提供了很好的基础。
3.非制造业用机器人面临的形势
21世纪将是人类开发海洋的世纪。
由于海洋和空间都不适宜于人类的生存。
适应这种需求,发展各种机器人将是一个可选择的途径,这将大大促进机器人的发展。
从自动化的发展来看,21世纪前20年内,将是非制造业的自动化发展的时期。
开发适应于非结构环境工作的机器人仍将是机器人发展的一个长远方向。
作为长期可行的技术途径,发展一种人机系统,把工况分析、判断及决策等高层活动由人来完成,低层由机器人完成,使人脱离危险的工作面,或辅助人进行更精细的动作（如医疗机器人）等。
二、工业机器人
1.系统发展方式
工业机器人必须改变过去的"
部件发展方式"
而优先考虑"
系统发展方式"
。
随着工业机器人应用范围的不断扩大,在今天机器人早已从当初的柔性上下料装置,发展成为可编程的高度柔性加工单元。
随着高刚性及微驱动问题的解决,机器人作为高精度、高柔性的敏捷性加工设备的时代,迟早将会到来。
不论机器人在生产线中起什么样的作用,它总是作为系统中的一员而存在。
考虑到我们即将进入敏捷制造的时代,我们更应该从组成敏捷生产系统的观点出发,考虑工业机器人的发展。
从系统观点出发,首先要考虑如何能和其他设备方便地实现连接及通信。
机器人和本地数据库之间的通信从发展方向看是场地总线,而分布式数据库之间则采用以太网,我国应该根据国际的情况尽快地制订相应的通信规范及协议,以便我们在开发机器人系统时可以遵循。
总之,从系统观点来看,设计和开发机器人必须考虑和其他设备互联和协调工作的能力。
2.编程语言及编程方式
通用的工业机器人程序语言仍是动作级语言,虽然开发了很多种任务级语言,但多不实用。
随着OO技术的发展及离线编程技术的成熟,任务级语言可能会日趋成熟。
但在可以预见的将来,由于"
任务"
的复杂性,实用的语言仍将是动作级语言。
机器人群作为整个集成化的生产装备的一部分,编程及监控技术必须进一步改进,使得它能和整个生产设备在统一的框架下进行编程、仿真及监控。
目前的编程语言仍然是供应商独立开发,五花八门,各式各样。
在今后的发展中,随着机器人控制器采用通用计算机已成为一个主流,机器人语言完全可以像计算机语言一样规范化,这将大大有利于系统集成,便于系统的编程、仿真及监控。
当前在形成我们自己的工业机器人产业中,完全有条件制订机器人语言规范,特别是动作级的编程语言规范。
这样系统可以在统一的语言下进行编程,经仿真验证后,通过输出接口直接下装到每一台机器人,通过输入接口对整个运行情况进行监控,并可保留原有的编程资料。
相对而言底层设备的"
集成框架"
的开发工作,应及早安排。
机器人编程方式是一个大问题。
1.3本课题研究的内容
本次设计的题目是重心驱动式球形滚动机器人的设计。
在设计过程中，了解重心驱动式球形滚动机器人的结构特征和三维软件的使用要领。
本文的设计目标是设计重心驱动式球形滚动机器人。
该机器人能够在失重状态下滚动。
其研究内容包括：
（1）功能分析与方案设计；
（2）结构设计与三维造型；
（3）运动仿真；
（4）控制系统设计。
1.4Solidworks设计基础
熟悉SolidWorks的工作环境；
了解SolidWorks的命令，掌握在SolidWorks工作环境中文件的打开、保存、导入等基本操作，掌握三维建模流程。
1.4.1草图绘制
掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法；
掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法；
理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束；
熟练应用阵列、实体转换等草图绘制工具；
能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。
1.4.2基准特征-参考几何体的创建
清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念；
灵活运用各种建立基准点的方法；
灵活运用各种建立基准轴方法；
灵活运用各种建立基准面的方法；
灵活运用坐标系的建立方法；
能根据建模需要综合应用各种参考几何体。
1.4.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建模
灵活运用拉伸特征的概念与建立方法；
灵活运用旋转特征的概念与建立方法；
掌握扫描特征的概念与建立方法；
灵活运用放样特征的概念与建立方法；
通过实践能够准确分析零件的特征，灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。
综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实体。
1.4.4工程图设计
灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法；
灵活运用建立标准三视图，剖视图，断面图，局部图，辅助视图等方法；
灵活运用各种注释的方法。
1.4.5装配设计
灵活运用自底向上的装配方法；
灵活运用生成装配体爆炸图的方法；
灵活运用SolidWorks智能装配技术；
灵活运用装配体零部件的状态和属性控制，并能够在装配体中设计子装配体；
灵活运用干涉检查；
灵活运用自上向下的装配方法；
灵活运用在装配模型工程图中添加零件序号；
灵活运用生成装配体材料明细表的方法。
2重心驱动式球形滚动机器人总体方案结构的设计
2.1重心驱动式球形滚动机器人的总体方案图
本次设计的重心驱动式球形滚动机器人采取的方案是：
采用外观为圆形的壳体作为机器人的主体，内部装有直流电机，通过底部的电机转动带动上部分的电机转动从而致使失重板的倾斜从而使得我的机器人的运动功效得以实现，传统的重心驱动式球形滚动机器人如下图2.1、2.2所示，我的大致计划构造是如图2.3所示：
图2.1
图2.2
3机械传动的设计计算
3.1直流伺服电机的选型计算
已知整个重心驱动式球形滚动机器人的总重量160KG,其他重量40KG，我们取总重量为200Kg，移动速度为1~2r/min。
即：
具体的电机设计计算如下:
1、确定运行时间
本次设计加速时间
负载速度（m/min）
有速度可知每秒上升50mm，
电机转速
3.负载转矩
式中：
4.电机转矩
启动转矩
必须转矩
S为安全系数，这里取1.0。
根据以上得出数据，我们选用电机型号为160BL-A，此电机厂家为机电产品。
依据电动机参数和特性曲线可得：
根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为160BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.1KW，额定转矩为7.62N.m，最高
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