小型三轮足球机器人设计说明书.docx

小型三轮足球机器人设计说明书.docx

《小型三轮足球机器人设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小型三轮足球机器人设计说明书.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

小型三轮足球机器人设计说明书

机械工程综合课程设计

设计与计算说明书

设计题目:

小型三轮足球机器人

设计者：

PB10009036马英

指导教师：

李永新

中国科学技术大学

精密机械与精密仪器系

2013年12月24日

中国科学技术大学

目录

第一章设计任务书……………………………………………………4

1.1设计题目：

小型三轮全向移动机器人…………………………………………4

1.2设计要求和参数…………………………………………………………………4

1.3参数概括…………………………………………………………………………5

1.4总体布局及最大尺寸……………………………………………………………5

第二章运动系统设计计算……………………………………………6

2.1电机的选择………………………………………………………………………6

2.1.1运动参数计算………………………………………………………………………………6

2.1.2电机选型图…………………………………………………………………………………7

2.2减速器设计………………………………………………………………………8

2.2.1减速器参数计算……………………………………………………………………………8

2.2.2减速器的设计图如图所示…………………………………………………………………9

2.2.3说明…………………………………………………………………………………………10

2.3电池选择…………………………………………………………………………10

2.4车轮选择…………………………………………………………………………12

2.4.1轮子型号……………………………………………………………………………………12

2.4.2轮子的构成…………………………………………………………………………………12

2.4.2.1转子…………………………………………………………………………………………………………12

2.4.2.1.1O型橡胶圈材料…………………………………………………………………………………………12

2.4.2.1.2转子本身材料的选择……………………………………………………………………………………13

2.4.2.1.3转子轴的材料……………………………………………………………………………………………13

2.4.2.1.4转子数量的选择…………………………………………………………………………………………13

2.4.2.2左右支撑架材料的选择……………………………………………………………………………………13

2.4.2.3轮子装配图…………………………………………………………………………………………………14

2.5击球电磁铁选择…………………………………………………………………14

2.5.1击球过程物理简化计算……………………………………………………………………14

2.5.2电磁铁内部设计图…………………………………………………………………………16

2.5.3螺旋管式电磁铁计算公式…………………………………………………………………16

2.5.4击球电磁铁参数计算………………………………………………………………………17

2.6带球机构设计……………………………………………………………………18

2.6.1带球机构参数计算…………………………………………………………………………18

2.6.2带球机构电机的选择………………………………………………………………………21

2.6.3带球机构减速器的设计……………………………………………………………………22

2.6.4带球机构装配图……………………………………………………………………………23

2.6.5带球机构与击球电磁铁的干涉分析………………………………………………………25

2.7挑球机构的设计…………………………………………………………………25

2.7.1设计说明……………………………………………………………………………………25

2.7.2挑球机构结构图……………………………………………………………………………25

2.7.3挑球机构电磁铁选择………………………………………………………………………26

2.7.3.1电磁铁实物图………………………………………………………………………………………………26

2.7.3.2挑球机构电磁铁尺寸及特性………………………………………………………………………………26

2.7.4挑球机构支架零件图………………………………………………………………………27

2.7.5挑球机构与支架……………………………………………………………………………27

2.7.6局部装配图…………………………………………………………………………………28

第三章典型零件工艺卡………………………………………………28

第四章典型零件零件图………………………………………………40

第一章设计任务书：

1.1设计题目：

小型三轮全向移动机器人。

1.2设计要求和参数：

（1）机器人的最大形体尺寸为：

高≦150mm，机器人能够放进直径为180mm的圆筒中。

机器人总体质量小于2.5kg，机器人最小直线运行速度大于3.0m/s，最小加速度为3.0m/s2，轮子直径约为40~60mm，地面摩擦系数约0.40~0.70。

（2）机器人要求总体质量轻，重心低，尽量处在机器人对称轴线上，运动系统灵活、可靠，系统转动惯量小，连接部件牢固、防松，整体刚性好，具备良好的撞击性能。

（3）结构设计要考虑接插件连接方便，更换电池方便，运动中电池要防止松动、撞击其它部件，电源开关、系统设置开关按放在便于操作位置。

（4）运动机构采用三个轮子布置或四个轮子布置，三、四轮布置中前面两只轮子夹角约为120度，三轮机构基本按等边三角形设计，四轮机构中后面两只轮子夹角约为90度。

主要电机的安装位置要高度对称，转动特性保持一致，作直线移动时，机器人要求能够达到高直线度轨迹运行。

（5）轮子结构设计：

车轮结构主要有单排轮和双排轮结构，双排轮由轮辐和四个鼓形滚子组成，滚子绕自身轴线自由转动；单排轮由轮辐和多个自由滚动的小圆盘组成。

（6）底盘设计：

所有零部件全部安装在底盘上，底盘要求有足够的刚度和强度，同时质量尽可能轻，多余部分采用挖空设计，注意连接螺钉的连接可靠性，定位面的设计加工精度。

（7）电池盒设计：

电池重量较大，应放在位置较低部分，以降低机器人重心，电池更换频繁，注意便于更换。

（8）机器人外廓全部为黑色，各项功能设计成模块结构，便于安装调试和维护。

（9）带球机构设计：

最大球心直线速度不小于1.5米/秒，机器人正面接球宽度尽可能宽些，两边有光电检测机构，判断球是否被控制，带球过程中球能自动定位在运球机构的对称中点，便于准确击球。

由于机器人做传球配合时利用击球机构射球，球有一定的速度和冲击，控制射球力量和位移误差较大，另外带球滚子高速运转时触球有打击力，造成球在接触滚子瞬间球被打击脱开，带球机构拿不住球，所以带球机构设计中要考虑减振缓冲机构。

（10）击球机构设计：

球击出速度不小于10.0m/s，击杆行程不小于10mm，其中击杆加速行程为7mm，击球行程为3mm。

击球机构拟采用电磁机构，要设计好适当的电磁铁结构。

（11）挑球机构设计：

球挑出高度不小于300mm，越过最近距离的机器人，建议采用电磁--杠杆机构。

1.3参数概括：

技术参数：

直径×高≤Φ180×150；重量≤2.5kg；最大移动速度≥2.0m/s；最大加速度≥2.0m/s2；地面摩擦系数约0.30~0.70。

1.4总体布局及最大尺寸：

根据设计要求，最大尺寸为Φ180x150。

机械部分包括车轮、电池、电机、减速器、击球机构、带球机构、挑球机构、带球机构增速器等。

它们的位置安排见如下草图：

第二章运动系统设计计算：

2.1电机的选择

2.1.1运动参数计算

当机器人向前走时驱动力是由前两个电机提供的，这里为保守起见机器人的质量为2.5KG，地面摩擦系数为0.3-0.7，

由于v>=2m/s，

所以Vxcos30º>=2m/s，所以V>=2.31m/s,

又因为40<=D<=60也即20<=R<=30,RW=V>=2.31

所以W>=2.31/R,

所以W>=2.31/（20/1000）=115.5rad/s,

即n=60xW/2x3.14>=1103.5r/min;

由于a>=2m/s²,

所以F=ma>=2.5x2=5N->F1=F2>=2.5N,

又因为F1=F´xcos30︒，所以F´>=2.89N

所以P=F´xRxW>=2.89x20x115.5/1000=6.67w;

注：

由于摩擦系数在0.3到0.7之间，所以单个轮子提供的最小牵引力为2.5x9.8x0.3/3=2.45N，最大为5.7N，为满足要求，选择摩擦系数为0.4.考虑到中间传动机构的效率为50％，所以电机的功率为13.35w。

2.1.2电机选型图：

电机尺寸图：

电机选择的型号为2342，电机的电压为12V，输出功率为17w，无负载转速8100r/min,堵转力矩80mNm。

由于单个电机的输出功率要求为13.35w，这里17w>13.35w,所以满足功率要求。

堵转力矩为80mNm，远大于单个轮子所需要的力矩50mNm，再经过减速器的力矩放大，所以力矩满足要求。

2.2减速器设计

2.2.1减速器参数计算

由于电机的无负载转速为8100r/min,堵转力矩为80mNm，设电机正常工作时的输出力矩为T，转速为n2；减速器的减速比为i，轮子的转速为n1，转矩为T轮。

则根据直流电机的机械特性可得:

（1）

根据减速器的减速比可得：

（2）

根据减速器的力矩放大作用，且设力矩放大效率为50%：

（3）

整理可得

所以取i=3，则根据公式

（2）可得

n2=1103.5xi=1103.5x3=3310.5r/min;

根据公式

（1）可得T=47.3mNm，验证公式（3），T*i*50%=47.3*3*0.5=70.95mNm>50mNm,公式（3）满足。

所以令减速器的高速级齿轮齿数为z1，低速级转速齿数为z2，模数为m，则m*（z1+z2）=l，并且

，所以4mz1=l，为防止最小齿数的齿轮产生根切，取z1=17，m=0.5，则l=34mm，z2=3*z1=3*17=51。

则d1=mz1=0.5*17=8.5mm，d2=mz2=0.5*51=25.5mm。

2.2.2减速器的设计图如图所示：

2.2.3说明

为了减小减速器的空间尺寸，这里我们采用单臂式减速器。

减速器的高速轴是电机的轴，减速器低速轴是轮子的轴，采用这种方式可以有效的减小尺寸。

高速级齿轮厚3mm，低速级齿轮厚4mm。

减速器的材料：

由于在相同工作时间小齿轮比大齿轮旋转周数多，所以小齿轮材料用45#钢，调制处理，齿面硬度260HBS；大齿轮材料也为45#钢，正火处理，硬度为215HBS。

为降低减速器的重量，外壳选用硬铝材料。

2.3电池选择

采用两块12V锂电池并联的方式供电，这样电机在启动时的启动电流虽然很大，但是由两个电池来分配就减轻了电池的压力。

【技术参数】：

标称电压：

11.1V

输入电压：

12.6V

输出电压：

9V-12.6V

电池容量：

2000mAh

外径尺寸：

52*38*33mm

整体重量：

≤160克

内带保护线路：

有过充、过放、过流、短路等保护功能

【电池充电要求】：

1：

需要锂电专用充电器；恒流恒压；

2：

充电电压：

12.6V

3：

充电电流：

≤2.0A

【电池放电要求】：

1：

最大瞬间电流：

5A

2：

最大工作电流：

4A

【电池示意图】：

2.4车轮选择

2.4.1轮子型号

根据康奈尔03文档记录，轮子选择SIR型的，因为相比与其他类型的轮子，SIR型的轮子有很多有点：

1、SIR型轮子很薄；2、机器人运行速度比较低时SIR型轮子不会引起震动；3、SIR型轮子加工很容易。

基于这三个优点，SIR型的轮子是目前最适合的。

2.4.2轮子的构成

SIR型轮子由三部分组成：

转子、左右支撑架、固定螺钉。

2.4.2.1转子

转子由三部分组成：

O型橡胶圈、转子本身、转子轴。

2.4.2.1.1O型橡胶圈材料是转子和地面的接触材料，一方面要保证足够的牵引力，一方面要保证O型橡胶圈足够结实。

基于此我们有两种材料可供选择：

丁晴橡胶和硅树脂，两种材料相比可知丁晴橡胶能获得更大的牵引力，并且很难用手破坏；而硅树脂能获得的牵引力很小，并且很容易用手破坏，所以O型橡胶圈的材料选择丁晴橡胶。

2.4.2.1.2转子本身材料的选择：

对于转子本身而言，材料的选择取决于材料的质量以及长期工作时会不会降低转子与轴之间的摩擦。

考虑到这两方面，缩醛树脂是最好的选择。

2.4.2.1.3转子轴的材料选择主要考虑到转子轴承受的载荷很大，所以材料要有足够的强度和刚度，基于此，选择40Cr。

2.4.2.1.4转子数量的选择：

转子的数量越多越容易减少机器人的震动，但同时材料的需求就越多，所以参考康奈尔文档设计，车轮直径是50mm时选择15个转子，那么根据之前设计的轮子直径是40mm，选择转子的数量为12。

具体设计尺寸见设计图。

2.4.2.2左右支撑架材料的选择：

支撑架主要起支撑的作用，所以要有足够的强度和硬度，同时还要具备质量轻的性质，所以选择硬铝。

2.4.2.3轮子装配图：

2.5击球电磁铁选择

2.5.1击球过程物理简化计算

方案一：

采用吸和后断电的方式击球，这里取电磁铁断电时弹簧的自由长度为20mm，为方便计算，这里我们将杆与球的碰撞过程看作碰撞力均匀变化的过程，其碰撞力变化系数为λ，

对杆进行分析：

设电磁铁上的弹簧劲度系数为k，那么杆在加速行程（7mm内）的功能计算为：

这里m为杆的质量为37g，v为杆加速7mm时的速度；这里我们取杆为Φ10x60，材料为不锈钢，那么杆的质量为3.14x0.5²x6x7.85=37g；

假设杆与球碰撞5mm后恰好速度为零，而球速度为10m/s，那么对杆而言，它在碰撞过程中：

对于小球在加速过程中：

其中M为小球质量，M=0.046Kg，其中u=0.4，g=9.8N/Kg；

解得λ=1840.7N/cm，k=319.6N/cm。

这样电磁铁总共压缩量为12mm，需要383.5N。

（注:

球的直径42毫米，重46克）

方案二：

方案二与方案一的结构是相同的，不同的是击球方向和弹簧的作用，在方案一中电磁力起的作用是回复的作用，弹簧起的作用是对小球做功；而方案二中，弹簧起的作用是回复，电磁力的作用主要是对小球做功。

根据已有的资料知道，电流为1.4A时电磁力可以做到1N，我们为保守起见，在这里就把设计的电磁铁的力设为1N，这样我们假设杆移动12mm后恰好停止，那么电磁力做的功转化成了弹簧的弹性势能、小球的动能和克服地面对小球做的功，设定弹簧的劲度系数为k，小球质量为m，地面摩擦系数为u，我们可得方程：

解得k=1.366N/cm

综合方案一和方案二，方案二更合理，所以采用方案二。

2.5.2电磁铁内部设计图：

2.5.3螺旋管式电磁铁计算公式：

2.5.4击球电磁铁参数计算

根据已有的公式可得：

令衔铁的半径为r1=7.5mm，导杆的半径为r2=5mm，则F=F1-F2，其中F1为截面r1都是衔铁时产生的吸力，F2是截面半径为r2时产生的吸力。

R0=14mm

又因为F>=1;也即

>=1

我们为了保证击球时产生足够大的力，采用瞬间放电并且瞬间电流很大的方式，如此一来就能保证在很短的时间内产生很大的撞击力并且对整个电路不造成伤害，这里我们根据经验去I=100A，则W=46匝，又因为放线圈的横截面积为247mm²，所以单匝线圈的直径为Φ1.3mm。

在这里我们可以根据实际情况对电流和匝数进行调整。

电阻紧丝计算：

2.6带球机构设计

2.6.1带球机构参数计算：

设dribbler的转速为w1，半径为R，并且设球心朝机器人的和速度为v。

球的半径为r，转速为w2，保守起见分析小球和dribbler接触点线速度相同的瞬间，所以有：

Rw1=rw2

（1）

v=Rw1>=1.5

（2）

在这里我们设dribbler和球面间的摩擦系数为u1，地面与球之间的摩擦系数u=0.35，

并设dribbler和球的接触点的法向力为F，摩擦力为f1，地面对小球的支撑力为N，摩擦力为f2，这样对小球进行力平衡

受力图为：

分析可得：

N=mg+F*sinΦ1+f1*cosΦ1

所以f2=F*cosΦ1-f1*sinΦ1

f1=u1*F

为保证小球能转:

f1>=f2

则有F*cosΦ1-f1*sinΦ1<=u1*F

得到

，取Φ1=28.35º，则u1>=0.6。

为保证小球不脱离：

f2<=uN

将各表达式代入得

保守起见取u1=0.6，得到

=

=0.65N

从而得到f1=u1*F=0.6*0.65=0.39N

考虑到电磁铁击球机构中杆的直径为10mm，所以代入式

（1）得

;解得w2=71.43rad/s,即Rw1=21*71.43，取R=5mm，得到w1=300rad/s，得n1=2866r/min。

由于在计算时假设dribbler和球接触点无相对滑动，但实际是相对滑动的，所以n1>=2866r/min。

根据已有的资料选择dribbler的材料为Sorbothane30（详见康奈尔04）

2.6.2带球机构电机的选择

由f1=u1*F=0.6*0.65=0.39N，则加在dribbler上的力矩Td=R*f1=5*0.39=1.95mNm。

由于dribbler处于平衡状态所以电机传递给dribbler的转矩T机=Td=1.95mNm。

所以选择电机时为了减少空间尺寸，并且保证设计指标，这里我采取直接将dribbler和电机连在一起，保证电机输出力矩T机时，电机的转速n1>=2866r/min就行，这里我们就取n1=3000r/min。

电机选择的型号为2224系列：

电机外形尺寸：

2.6.3带球机构减速器的设计

由于带球机构正常运行时加在dribbler上的力F是被动力，小球与dribbler接触时力F时变化的，但根据以上设计力F最大只能到0.65N，当F比0.65N大时小球就脱离了dribbler，所以dribbler需要的最大的力矩就是Td=1.95mNm。

所以在设计减速器时减速器的输出力矩就用Td=1.95mNm来计算，即便是dribbler运行需要的力矩比1.95mNm小也没事，只是在小球和dribbler表面打滑而已。

由于电机的无负载转速为7800r/min,堵转力矩为19.8mNm，设电机正常工作时的输出力矩为T，转速为n2；减速器的减速比为i，dribbler的转速为n1，转矩为Td。

则根据直流电机的机械特性可得:

（1）

根据减速器的减速比可得：

（2）

根据减速器的力矩放大作用，且设力矩放大效率为50%：

（3）

整理可得

，T=18.15mNm舍去。

根据公式（3）可得i=2.38

考虑到减速器的空间大小问题，并且根据比赛规则，机器人覆盖小球的面积不得超过20%，所以这里采用两级减速器，因为如果采用一级减速器，与dribbler的轴相连的齿轮属于低速级齿轮，它的公称直径会远大于dribbler的直径，就违反了比赛规则，所以我们采用两级减速器，减小低速级齿轮的直径。

设两级减速器的减速比分别是i1，i2，则有i=i1*i2

为了减小齿轮的尺寸，这里选择模数m=0.5，为保证设计要求，这里令第二级的低速级齿轮公称直径d4=10mm，所以

；为了保证第二级的告诉齿轮不根切，所以z3=17，那么

；所以

；为了保证连接齿轮2和齿轮3的轴直径至少为4mm，所以有

+0.25；又

z1=17,所以就有z2=35，z1=18；得到d1=9mm，d2=17.5mm，d3=8.5mm；齿轮厚度均取3mm。

这里我们采用悬挂式带球机构，所以减速器不需要外壳。

2.6.4带球机构装配图

创新：

说明：

1、采用两级减速，为了防止第二级的高速齿轮和电机干涉，采用如上设计，将第一级和第二级分开，分别位于带球机构的两侧，这样经过实际的测量后保证不会干涉；

2、为了达到设计要求，第二级的低速级齿轮直径取10mm；

3、为了达到减振、吸振的目的，采用悬挂式的结构，并且在机构的最上方加滑动导轨，在机构后方加弹簧缓冲。

这里采用的是悬挂式带球机构，整个悬架的材料选择硬铝。

2.6.5带球机构与击球电磁铁的干涉分析

由图可知，带球机构与击球电磁铁是不干涉的。

2.7挑球机构的设计

4、©技术支持:

团购100

5、

6、

7、©技术支持:

团购100

8、

9、

2.7.1设计说明

为了保证球被挑起时沿着与地面成35︒角的方向运动，并且考虑到保守起见，这里球的出射速度和击球机构击出球时球的速度一样，v=3m/s。

机器人的尺寸保守起见取Φ180*150；计算可得挑起机器人距离阻挡机器人300-400mm范围内挑球时越过阻挡机器人。

所以根据这些指标，现挑球机构设计见下图：

2.7.2挑球机构结构图

2.7.3挑球机构电磁铁选择

选择的电磁铁工作电压是12V，工作形成是10mm。

2.7.3.1电磁铁实物图

2.7.3.2挑球机构电磁铁尺寸及特性

2.7.4挑球机构支架零件图

2.7.5挑球机构与支架

2.7.6局部装配图