浙工贸业设计论文机器人如何解救人质.docx

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浙工贸业设计论文机器人如何解救人质

浙江工贸职业技术学院

毕业设计（论文）

课题名称：

机器人手臂机构

系部：

汽机系

专业：

机电一体化

班级：

机电041班

姓名：

王文中

学号：

0410201123

指导教师：

王文深

完成时间2007年3月6日

浙江工贸职业技术学院汽车与机电工程系

毕业设计（论文）任务书

1、课题内容与要求

1.课题内容:

设计并制作一台简易机器人（以下简称机器人），能够完成一组规定的解救人质动作。

2.参赛作品的总体要求：

2.1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。

2.2机器人重量不限，但应尽可能轻。

2.3机器人造价不限，但应尽可能低。

2.4机器人操控可采用线控或遥控方式；不建议机器人采用自动控制或智能控制。

2.5机器人行进方式不限。

2.6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）。

3.竞赛场地及用品规格:

（1）竞赛场地平面图如附件二所示，地面采用木质地板，表面铺设喷绘广告布，场地尺寸为4000mm×2000mm，出发区尺寸为300mm×300mm，围板高度为100mm。

（2）竞赛场地分为五个区域：

一区为隧道区：

隧道采用透明有机玻璃板制作，其内部空间尺寸为长600mm、宽300mm、高300mm，顶部设有20mm宽的纵向贯通缝隙。

二区为壕沟区：

壕沟宽300mm，深200mm，长度1000mm。

三区为机器人作业区：

三区与五区之间设有高150mm、宽10mm的隔离墙。

四区为人质囚禁区：

人质囚禁区由5个无顶房间组成，每个房间囚禁1个人质，每个房间的内部空间尺寸为100mm×100mm，房间墙高50mm，墙厚10mm。

五区为人质解救通道区：

设有15个安全通道，采用内径为60mm、壁厚为5mm的硬质透明管材制作，通道口高度均为400mm，排列在距离（平面投影距离）隔离墙分别为400mm、500mm和600mm的三条直线上（为便于竞赛时计分，分别称为A排、B排和C排），每一排5个通道，通道口间距为100mm。

（3）人质模型：

设五个规格，形状尺寸如附件二所示。

模型材料采用常用尼龙棒（尼龙66），按附件三图示尺寸加工；五个规格的模型重量分别约为150克、120克、90克、60克和30克。

 2、课题参考文献

1、成大先主编.机械设计手册（机构）.北京：

化学工业出版社,2004

2、吴宗泽,罗圣国主编.机械设计课程设计手册.北京：

高等教育出版社,1992

3、徐灏.机械设计手册.第2版.第4卷.北京：

机械工业出版社,2000

4、卜炎.机械传动装置设计手册.上册.北京：

机械工业出版社,1999

5、现代机械传动手册编辑委员会编.现代机械传动手册.北京：

机械工业出版社,1995

6、尹常知主编.机械制图.北京：

机械工业出版社,1999

7、张秉荣主编.工程力学.北京：

机械工业出版社,2005

8、申永胜主编主编.机械原理教程.北京：

清华大学出版社，2001年

9、邹慧君.机械原理.北京：

高等教育出版社，2001年

10、濮良贵主编.机械设计.北京：

高等教育出版社，1996

11、汪浩、宁海霞主编.金属热处理.北京：

化学工业出版社,2004

12、殷际英、何广平主编.关节型机器人.北京：

化学工业出版社,2004

13、徐爱平、沙有威主编.智能机器人制作入门.北京：

人民邮电出版社

3、课题任务进度安排

一、二周：

接受毕业设计课题，根据课题内容了解课题研究的现状，并进行实地考察，完成开题报告;

三、四周：

进行有关的计算和材料的选择；

五周：

有关图纸的绘制；

六、八周：

做出机器人

九周：

对课题设计进行检查、纠正、整理、综合；最后打印，交指导老师复查。

教研室主任意见：

教研室主任（签名）：

年月日

浙江工贸职业技术学院汽车与机电工程系

毕业设计开题报告

1、课题研究的现状和意义

随着知识经济社会的界入，我们的生存和学习面临两大挑战：

一是“知识爆炸”要求我们具备不断更新知识的能力；二是要求我们具备良好的素质和社会适应能力和创新能力。

据有关专家介绍，机器人充分体现了人和机器的各自优长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。

机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。

工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。

国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。

据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR）的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。

进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10％左右。

2004年增长率达到创记录的20％。

其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。

在制造业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后而出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，作为现代制造业的主要自动化装备在制造业中广泛应用，并将在未来的制造企业中扮演越来越重要的角色。

机器人及其自动化成套装备已成为目前国内外极受重视的高新技术应用领域。

机器人及其自动化成套装备是指以机器人为核心，以信息技术和网络技术为媒介，将所有设备连接到一起而形成的大型自动化生产线。

它是先进制造装备的典型代表，是发展先进制造技术实现生产线的数字化、网络化和智能化的重要手段。

据介绍，机器人及其成套设备的应用将使现代制造业产生变革，对改变传统生产模式，全面提升企业的综合竞争力具有重大作用。

机器人及其自动化成套装备的拥有量和水平是衡量一个国家制造综合实力的重要标志之一。

 2、课题要解决的问题或研究的基本内容

１、机器人行驶机构设计方案的拟订

２、机器人过桥机构设计方案的拟订

３、机器人手臂伸缩机构设计方案的拟订

４、机器人手臂回转机构设计方案的拟定

５、机器人手爪机构设计方案的拟订

６、机器人驱动设计方案的拟订

７、人质解救机器人有关设计、计算与分析

3、课题研究拟采用的手段和工作路线

设计方法：

认真阅读参考资料，根据具体的设计条件和要求进行改进和创新，全面考虑零部件地工艺性、经济性和维护等要求。

设计时计算和画草图交叉进行，应尽量使用标准和规范，这有得利于零件的互换性和工艺性，同时也可减少设计工作量、节省设计时间。

工作路线：

1）设计准备

了解设计任务书，明确设计要求、工作条件、设计内容的步骤；通过查阅有关设计资料，观看电教片和参观实物或模型等，了解设计对象的性能、结构及工艺性；准备好设计需要资料、绘图工具；拟定设计计划等。

　　　２）机器人总体设计

3）绘制零件工作图

绘出零件的必要视图；标注尺寸、公差及表面粗糙度；编写技术要求和标题栏等

4）编写设计说明书

4、课题研究进程计划

一、二周：

接受毕业设计课题，根据课题内容了解课题研究的现状，并进行实地考察，完成开题报告;

三、四周：

进行有关的计算和材料的选择；

五---八周：

有关图纸的绘制；

九周：

对课题设计进行检查、纠正、整理、综合；最后打印，交指导老师复查。

5、课题成果

论文□图纸□产品或作品□应用程序□

其它：

指导教师意见：

指导教师（签名）：

年月日

教研室主任意见：

教研室主任（签名）：

年月日

前言

本“解救人质”机器人从设计到研制出历时三个多月，在带队老师的辛勤指导下，经过我们课题组全体学生的不懈努力，终于圆满完成本项目的理论方案和模型制作等工作。

本机械设计方案书是根据浙江省大学生机械设计竞赛委员会对参赛队伍的要求而编写的。

全书共五大部分，其主要内容为：

本解救人质机器人的创新与特色、本解救人质机器人设计方案的拟订、本解救人质机器人相关设计、计算与分析、设计小结、设计图纸、模型照片等。

本书为广大机器人爱好者提供了一个成功案例，本书可供从事机器人设计和制作的科技人员阅读，亦可供高等院校机械类专业的教师、学生参考。

由于时间仓促和我们水平有限，难免存在疏漏和缺陷，恳请各位专家教授批评指正。

课题组全体成员

2007年4月

第一章本解救人质机器人的创新与特色简介

在研制本机器人的过程中，用到了工程力学、机械原理设计、加工工艺装配等所学知识。

为了使本机器人方便改进和维护，我们采用了模块化设计方法。

主要模块有过桥机构、小车底盘（包括驱动轮、手臂回转及抬升机构等）、伸缩机构及机器人手爪等。

我们在研制过程中，在对整体和部件设计方案充分分析探讨的基础上，利用PROE等软件对各个模块部分零部件的进行设计，然后利用数控加工、特种加工（主要指线切割）以及普通加工等手段对模块零部件进行加工装配，最后在各模块完成的基础上完成对整个机器人的装配。

本项目的创新与特色在于以下几个方面

1、小车过壕沟技术

过壕沟时，采用齿条与同步带摆臂机构来实现。

小车开到壕沟前伸出长240mm左右的带小轮齿条，再小车往前开一段能使齿条带小轮的那端搭到壕沟对岸10mm的距离即可，然后把同步带摆臂向后翻转185度，稍微压紧地面，再启动小车就能完成过沟了。

过沟之后把齿条缩回同步带摆臂摆到原来位置即可。

其原理图如下图1-1所示

图1-1机器人过壕沟原理示意图

2、伸缩手臂制造及伸缩技术

伸缩臂由3节滑轨装配而成。

每个滑轨（有滑槽、滑块及滚珠等构成）本身采用套装方式，结构紧凑。

滑槽和滑块之间安放有滚珠，如图1-2所示，以用来减小摩擦力。

润滑采用酯润滑方式。

其结构简图如下：

图1-2滚珠滑轨结构示意图

伸缩臂伸缩采用了绳传动，绳子绕法见图1-3所示。

图1-3伸缩臂绳传动示意图

采用绳传动机构的好处在于此机构制造简单，传动稳定，控制方便，比其它机构轻了很多。

3、伸缩手臂抬升回转机构的技术创新

由于机器人在工作时要求手臂伸出长度较长，并且要求能够绕支点回转及在任意位置能够自锁。

伸缩手臂是由固定在底板上的电机通过绳轮传动来带动升降回转。

由于电机本身自锁能力较差，因此为了使该机构具有一定的自锁功能，可以考虑适当增大电机主动线轮的直径来实现。

相对于蜗轮蜗杆回转自锁机构，绳轮传动机构制造容易，传动平稳可靠，并且加工也非常容易。

第二章本解救人质机器人的设计方案拟订

设计方案关系到整个项目的成败。

因此我们在进行本项目机器人研发时，极为重视设计方案的探讨及确定。

我们根据比赛要求，以结构简单，加工方便，控制灵活准确为宗旨，进行总体及局部机构的设计。

我们采取的策略一般是对能够实现预定功能的几种方案先制作出实际模型，然后进行比较试验，根据试验结果（功能实现效果及制造难易程度），最后确定出最终设计方案。

在进行设计时，除了要考虑产品使用要求外，还要考虑其制造、使用及外观因素等。

在考虑机器人设计方案时，充分运用了机械原理、机械设计及工艺等相关理论知识。

为了使本机器人更方便改进和维护，我们对机器人采用了模块化设计的方法。

下面就各个模块设计方案确定过程作一简单叙述。

2.1机器人行驶机构设计方案的拟订

行走机构是行走机器人的重要执行部件。

行走机构按其行走运动轨迹，可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。

固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人。

无固定轨迹式的行走方式，按其行走机构的结构特点，可分为轮式、履带式和步行式。

1、车轮式

车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。

车轮式移动的优点是：

能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，转向灵活，而且技术比较成熟。

而且它对路面要求较高，适于平整硬质路面。

其原理图如图2-1所示。

图2-1车轮移动机构原理图

2、履带式

履带式机构实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。

它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。

履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。

它的缺点是由于没有自位轮，没有转向机构，要转弯只能靠左右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在前进方向也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确定回转半径等。

因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。

原理图如图2-2所示。

图2-2履带式行驶机构示意图

3、步行式

步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好，智能程度也相对较高。

它平稳性差，结构复杂，控制困难，灵活性好，但要控制它迈步而不倾倒是有难度的。

正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。

其原理图如图2-3所示。

图2-3步行式机构示意图

在本次机器人设计比赛中，场地为室内光滑平整地面，采用履带式比较合适，因为履带与地面接触好，不易打滑，行动稳定可靠。

由于履带制造复杂，造价高，所以采用同步带代替履带。

同步带传动原理图如图2-4

图2-4同步带传动结构示意图

同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿的封闭环形胶带和相应的带轮所组成。

工作时，带齿与带轮的齿槽相啮合，也是一种啮合传动。

抗拉体：

钢丝

优点：

具有齿轮传动、链传动和带传动的各自优点。

（1）传动比恒定，传动准确。

（2）结构紧凑，平稳，噪音小。

（3）带薄而轻，抗拉体强度高，允许线速度高，带速可达40m/s，传动比可达10，传递功率可达200kW。

（4）效率高。

（5）不需大的初张力，轴负载小。

2.2机器人过桥机构设计方案的拟订

根据设计要求，机器人必须通过一个宽300mm，深200mm的壕沟，（而机器人的长、宽、高均不超过300mm），有以下几种方案可以考虑：

1、搭桥式

采用了双节折叠平放平推对接式的桥梁结构，适应范围广，保障能力较强。

但过沟时间长，结构复杂，实现有一定的难度。

其工作原理图如图2-5。

图2-5搭桥式机构原理图

2、摆臂伸缩式

通过齿条伸长与同步摆臂同时伸长这样车总长就有700mm就可以过壕沟了。

齿条与同步带摆臂机构来实现。

小车开到壕沟前伸出长240mm左右的带小轮齿条，再小车往前开一段能使齿条带小轮的那端搭到壕沟对岸10mm的距离即可，然后把同步带摆臂向后翻转180度，再启动小车就能完成过沟了。

过沟之后把齿条缩回，同步带摆臂摆到原来位置即可。

其原理图如图2-6所示。

图2-6摆臂伸缩机构示意图

3、飞越式

这种方法可以飞越任意宽度深度的壕沟，但是实现难度很大。

一是机器人顶部需安装螺旋桨，为获得足够升力，往往其旋转直径很大，尺寸很容易超过规定300*300*300要求。

二是带动螺旋桨的电机功率很大（估算为100瓦以上），而这种低电压（12伏）的电机很难制造出来。

综合以上考虑，采用摆臂伸缩式机构结构紧凑、操作简单，过沟快，高度方向尺寸容易保证等优点。

因此本设计采用摆臂伸缩式机构。

2.3机器人手臂伸缩机构设计方案的拟订

要使机器人的手臂具有人臂一样的功能，最基本的条件就是要像人一样具有腕、肘及肩关节等类似的动作。

机器人的上肢主要是为了拿物体，或拿了工具去加工工件。

换句话说，只要机器人的手臂能在空间某位置以及与物体方向相吻合的姿态去拿到物体就达到了目的。

根据这一原则，机器人的手臂只须有相对应的6个自由度就可以了。

有时为了降低制造成本，在满足生产要求动作的情况下，反而适当地减少l－2个自由度。

从技术观点出发，把机器人手臂的6个自由度分成两部分，即臂部确保3个自由度，腕部为l－3个自由度。

这样的分法，符合了前面提到的臂部3个自由度决定它在空间的位置，腕部3个自由度决定它的姿态的要求。

机器人臂部3个自由度可以由移动自由度和转动自由度不同型式组合而成，而这种组合型式决定了机器人手臂的运动坐标型式，同时也决定了机器人手臂在空间运动范围的不同形状。

1、关节式

关节式手臂结构形式类似于人类的手臂，它可绕开当在前面的某些障碍，伸入物体内部进行作业或抓取东西。

同时这种结构的布置方式，可使操作机本身所占空间较小，而手腕部分可达到的空间范围较大，因此关节机器人的应用范围日益广泛。

因为这种关节机器人的手臂是在垂直面内进行运动，所以亦有人称此类关节机器为垂直关节机器人。

其原理图如图2-7。

图2-7关节式手臂原理图

2、回转式

回转式手臂在水平面内运动，共具有两个回转关节和一个滑动关节，且其轴线是按极坐标配置的，结构是紧凑、简单，且一般运动速度和精度都较高。

其工作原理图如图2-8。

图2-8关节式手臂原理图

3、钢绳联动伸缩架

其工作原理图如图2-9。

钢绳11的下端与滑架5的A点连接，另一端绕过固定架2上部的滑轮3缠绕在卷筒1上。

钢绳10的下端与滑块7的B点联接，另一端绕过滑架5上部的滑轮4与固定架2的D点联接。

钢绳9的下端与滑块8的C点联接，另一端绕过滑架7上部的滑轮6与滑架5的E点联接。

当顺时针向转筒1时，三个滑架同时外伸。

反之，则同时收缩。

钢绳联动伸缩架这种机构既能抬高，又能伸缩，适合远距离，高度大的工作。

图2-9钢绳联动伸缩架工作原理图

综合以上几种方案考虑，钢绳联动伸缩架绳传动伸缩机构结构较为紧凑，重量轻，伸缩长度较长。

尽管制造装配要求较高，鉴于伸缩机构在机器人中是最为重要的部件，因此我们采用了这种方案。

2.4机器人手臂回转机构设计方案的拟定

对机器人手臂回转机构要求是转动平稳，并且速度快慢可以调节。

由于手臂底座回转所需力矩不大，因此对其驱动电机功率要求不是很大，一般只需在3瓦左右即可，转速在每分钟10转左右。

驱动电机可以与手臂回转立柱通过联轴器相连，也可以通过各种传动机构（例如齿轮机构）相连。

我们考虑到在高度方向上尺寸的限制，而在底盘水平方向上有很大的空间没有有效利用，因此我们这里采用驱动电机通过一对齿轮传动将动力和运动传递到回转立柱，从而回转立柱带动手臂做回转运动。

考虑到抓取和安放人质的稳定可靠性，要求回转速度可以调节。

在抓取和安放人质时要求速度很慢，在中间回转过程中速度可以快一些。

图2-10机器人手臂回转机构示意图

2.5机器人手爪机构设计方案的拟订

机器人手爪设计时要求简单、实用、易造，所以一般多用对置的两个手指。

为了能够抓取不同形状、大小、重量和材质的物体，机器人的手指可以做成不同形状和大小。

一般夹持圆棒形及方形物体可用外夹式两指手；而夹持大尺寸的空心管状或方形物体，常用向外撑开取物的内撑式两指手；大型板材、显像管等不宜夹持的物体，常采用气体吸盘或电磁吸盘。

用气体吸盘吸引的物体必须平整无凹槽，否则会造成漏气，吸不住物体，而电磁吸盘只适用于提取磁性材料。

1、夹子式

这种机构制造简单控制较好，但夹物体不够稳定。

其工作原理图如图2-11。

图2-11夹子式手爪工作原理图

2、关节式

其特点为，适合抓各种不规则物体，稳定性好，但制造复杂，加工精度高。

其原理图如图2-12。

图2-12关节式手爪工作原理图

我们这次比赛手爪抓取的对象由于是圆柱形的尼龙棒，所以手爪设计我们采用夹子式（外夹形式）。

手爪张开是依靠电机通过绳传动的拉动，手爪收紧依靠本身所带圆形弹簧的弹力来实现。

2.6，机器人驱动设计方案的拟订

机器人驱动系统，按动力源可分为液压驱动、气动驱动、普通电机及步进电机驱动四种基本驱动类型。

根据大赛要求，我们可采用这三种基本驱动类型的一种，或合成式驱动系统。

这三种基本驱动系统的主要特点如下：

1、液压驱动

一般说来，液压驱动功率较大，可无级调速，反应灵敏，体积适当，执行机构易实现直接驱动。

但是使用液压系统，必须配备单独的液压站。

另外伸缩用的液压缸不适宜做成3级以上，伸出长度受到很大限制。

2、气动驱动:

相对液压系统，气压系统输出功率较小，但完全可以满足本机器人完成动作需要。

但其体积稍大，工作时有噪音，另外必须配备单独的空气压缩机。

3、普通电机驱动

根据大赛要求，机器人驱动电机只能使用低于36伏的安全电压。

为了使机器人结构更加紧凑，输出的力矩达到要求，我们选用的一般是直流微型减速电机。

采用普通电机驱动，控制电路简单，安装方便，反应较液压气动更快，电机价格低廉，因此和其他驱动具有很大优势。

但其还存在转速很高，输出功率转矩较小，寿命短，驱动装置不能自锁等缺陷。

4、步进电机驱动

图2-13步进电机进给系统示意图

步进电机输出转角大小与输入脉冲数严格成比例，即每输入一个脉冲，电机转子相应转动一步。

若在如图2-13的进给系统里，工作台就移动了一个脉冲当量（一般为1微米）。

步进电机的转速可随输入信号的脉冲频率而变化，可以实现无级调速，且调速范围相当宽。

因此采用步进电机驱动可以获得很好的位置精度（能够自锁）和速度控制性能，故在数控机床中得到广泛应用。

但较普通电机控制来看，低电压步进电机输出转矩一般比较小，控制电路复杂，成本高出很多。

综合比较上述各种驱动的特点，普通电机具有控制方便，成本低廉，并且可以通过各种减速机构来弥补其速度过高、输出转矩过小，不能自锁等缺点。

因此我们最终选用驱动采用普通直流减速电机驱动。

第三章本人质解救机器人有关设计、计算与分析

在对机器人总体及部件设计方案确定之后，接下面就应该进行对各部分传动、驱动机构有关参数的计算以及电机选定、所用零部件材料、尺寸设计与计算和有关速度、受力、强度的计算校核等。

在进行设计和计算过程中，我们充分运用了工程力学、工程制图、机械原理、机械设计及加工工艺等相关理论知识。

下面就各个模块部分的设计计算过程作一简单叙述。

3.1、小车行走机构设计

1、底板的结构设计

（1）地板材料的选用

由于机器人小车重量不是很大，对强度要求不是很高，设计时还要尽量减轻机器人小车的重量，所以采用铝为材料比较合适。

（2）底板结构设计

比赛规定机器人小车的长，宽，高均不能超过300mm，所以地板设计为长280mm，宽240mm，厚3mm的铝板，牌号为2A01。

简图如图3-1

图3-1底板结构图

2、行走机构的设计

（1）电机的选择

1）电机转速的计算

由于比赛场地的总大小为4000mm×2000mm所以小车要有一定的速度才能完成比赛。

初定小车前进速度为ｖ=0.12m/ｓ～0.2m/ｓ。

设计同步带轮的的大径为ｄ=52mm。

ｖ=[2∏ｎ/（60）]×（ｄ/2）

ｎ=60×1000ｖ/（∏ｄ）=44～73r/min

2）电机功率的计算

小车重约为10kg,同步带轮与地面的摩擦系数约为0.4，其原理图如图3-2。

图3-2受力原理图

F摩=Gu

=100×0.4

=40N

M=F摩×R

=20×26

=520N.mm

M=9550×P/n

得P=Mn/9550

=520×65/9550

=3.5W

3）电机选择

电机的牌号TH37JB530，电压为24v,功率8w转速为65r/min。

（4）同步带的选用

同步带材料为橡胶

同步带长为295mm.宽为15mm

（5）各零部件在地板上的布局如图3-3

图3-3部件布局图

3.2机器人过桥机构设计

1、同步