变形金刚机械人设计说明书.docx
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变形金刚机械人设计说明书
“变形金刚”机械人设计说明书
“变形金刚”机械人设计说明书
1、设计题目的背景.....................................................................................................................................................2
1.1设计题目的要求.......................................................................................................2
1.2场地的分布..............................................................................................................3
1.3参赛作品内容...........................................................................................................4
1.4机器人实物模型的制作规定......................................................................................42、设计方案的拟定.....................................................................................................................................................4
2.1过河方案的选择........................................................................................................4
2.1.1过河方案设想一（独木桥式）..........................................................................5
2.1.2过河方案设想二（自己展开式）.......................................................................5
2.1.3过河方案设想三（上下台阶）..............................................................................5
2.1.4过河方案设想四（过平桥）..................................................................................5
2.2抓取机械手方案的选择.............................................................................................7
2.2.1对机械手抓取目标物分析.................................................................................7
2.2对机械手抓取目标物形状的选择.......................................................................72.
2.2.3旋转螺母机械手方案的选择..............................................................................8
2.3最终设计模型展示.....................................................................................................9
2.3.1作品的特点....................................................................................................103、理论依据...................................................................................................................................................................11
3.1底盘分析与计算.......................................................................................................11
3.1.1自制轮..........................................................................................................11
3.1.2驱动的选择...................................................................................................11
3.1.3轮子分布（二维图见附件）................................................................................12
3.2机械手的分析与计算...............................................................................................14
3.2.1抓取机械手的分析..........................................................................................14
3.2.2旋转螺母机械手的分析...................................................................................164、线路设计...................................................................................................................................................................20
4.1行走电机控制.........................................................................................................20
4.2机械手电机控制......................................................................................................215、特色............................................................................................................................................................................21
5.1底盘特色................................................................................................................21
5.2机械手特色.............................................................................................................216、结束语........................................................................................................................................................................21
7、参考文献...................................................................................................................................................................22
8、附件............................................................................................................................................................................22
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“变形金刚”机械人设计说明书
摘要:
本文通过对题目背景的分析，从过河机构设计、抓取机构设计、旋转机构设计三个方面为切入点，运用对比的方法选择最优方案为重力偏右式的过河机构、拉线式的抓取机构、普通旋转螺母机构，通过proe软件绘制三维图，再通过对行走驱动计算选择电机型号。
通过齿轮传动设计与校核确定齿轮的大小。
采用四个机械手（三个抓取机械手，一个旋转机械手）提高工作效率。
关键词:
对比重力偏右式拉线式普通旋转螺母四个机械手
1、设计题目的背景
1.1设计题目的要求
竞赛题目来源于第十届浙江省大学生机械设计竞赛,要求如下几点:
1、机器人在设计收缩状态时，其长宽高均应?
300mm（展开状态时尺寸不限）。
2、通过河道（宽600深400）提供三种过河方式。
，
台阶式（台阶100，100，宽500，向下台阶4级，向上台阶2级）,
独木桥式（铝合金梁30，30,高于平台200）,
过平台式（平台宽150）,
3、抓取指定的目标物放入指定位置共三组全套动作（每组全套动作包括轴承、垫圈、螺母，先轴承后垫片再螺母旋紧为完整的全套动作）。
注:
三组目标物（轴承、垫圈、螺母）大小不一样，分别为滚动轴承型号6310、6308、6306。
垫圈36、30、20GB/T97.1—2002。
螺母M30、M24、M16GB/T6170-2000。
4、完成三组全套动作中的一组全套动作才可拉尼龙线，打开胜利的旗帜，完成此动作后机器人停止一切动作。
5、实物模型竞赛时间限定8分钟，时间一到停止全部动作。
6、如果存在子母机，子机要到通过河道才可离开母机，完成所有动作子机必须回到母机才可拉旗。
子机在抓取目标物时不得进入平台3。
7、机器人本体不得翻越位置1、位置2、位置3。
8、机器人不得借助竞赛场地的四周处侧面和边框作为支承。
2
9、动力设备自备，比赛现场仅提供220V交流电源。
1.2场地的分布
根据浙江省大学生机械设计竞赛题目的要求,机器人完成任务的总程分为几个区域:
一为出发区、二为河道区、三为目标物提取区、四为胜利区。
其中竞赛场地地面采用木质地板，表面铺设喷绘广告布，场地尺寸为4000mm×2000mm，出发区尺寸为300mm×300mm×300mm，四周围板高50mm。
其中，河道深400，宽600，过河环节有三种方式:
第一，过台阶，台阶宽500，向下台阶4级100100，向上台阶2，级;第二，过独木桥，铝合金梁3030，高于平台200;第三，过平台，宽150。
接，
下来，接下来，要抓取平台3内的“目标物”按顺序分别放入位置1、位置2、位置3，先轴承后垫圈再螺母旋紧。
竞赛用滚动轴承分别为:
6310,6308,6306;竞赛用垫圈分别为:
36,30,20GB/T97.1-2002;竞赛用螺母分别为:
M30，M24，M16GB/T6170-2000。
（比赛场地如图1.2.1
（1）
（2））
图1.2.1
（1）比赛场地平面图
3
图1.2.1
（2）场地尺寸图
1.3参赛作品内容
参赛作品内容包括两部分:
机械设计方案书1套和机器人实物模型1件。
1.4机器人实物模型的制作规定
1）实物模型应与设计方案一致;
2）实物模型的机械零件制作除原动机、标准件、通用件及橡胶件外均应自制。
2、设计方案的拟定
设计思路
“变形金刚”
机器人
过河机构设计抓取目标物机旋转机械手机
构设计构设计
图2.0设计思路图
机器人从以上三个方面进行设计，并满足机械设计大赛的机器人规定的尺寸300mm300mm300mm的前提。
，，
2.1过河方案的选择
4
河道深400mm，宽600mm，穿过河道一共有四个途径可选择:
2.1.1过河方案设想一（独木桥式）
2.1.1独木桥式二维图
分析:
独木桥上铝合金梁30mm30mm，高于平台200mm。
采取过独木桥式过河，，
车身为折叠式，当要过河时，车身升高，通过车身中间的皮带轮带动机器人过独木桥。
此方案优点:
空间较小;缺点:
平稳性很差，很容易侧翻失衡，会跌进河道里。
2.1.2过河方案设想二（自己展开式）
2.1.2自己展开式简图
分析:
此方案优点是节省体积，自己铺路过河，这样的设计不需要其它的附加装置，只要通过小车原有的动力机构就能方便的实现，这样的设计方案更加的合理。
但是，由于这次比赛的河宽600mm，深400mm，要真正实现过河，很难实现。
2.1.3过河方案设想三（上下台阶）
分析:
河道向下台阶有四级，而向上台阶只有两级。
尺寸:
100mm100mm500mm,，，此过河道方案实现也较困难，机器人很容易卡在河道里。
2.1.4过河方案设想四（过平桥）
分析:
虽然宽150mm的平桥比较窄，但如果考虑将车身重心往右压或将车身做
5
小，通过时不会侧翻到河道里的可能还是比较大。
分析得出四种过河方式的可能性高低表如表2.1.3所示
类型上下台阶式独木桥式自己铺路式150mm平桥式
可能性低较低低高
表2.1.3几种过河方式可能性高低表
综合以上几点，我们决定采用过河方案四:
走150mm平桥的方式穿过河道。
过平桥动作有两种可选，简图如图2.1.3
（1）、
（2）所示:
2.1.3
（1）迷你小巧型
优势:
过河安全，无重力分布不均的情况
缺点:
车身面积小，容纳机械手及其他空间很少
2.1.3
（2）重力偏右型
优势:
车身面积大，有足够的空间容纳机械手及其他
缺点:
重力偏右的调整，过河动力的分布
6
考虑到本次比赛中，需要抓取与拧螺母两种动作，则采用多个机械手可以减少机器人来回走的路程。
因此,最终我们采取重力偏右型设计方案。
2.2抓取机械手方案的选择
2.2.1对机械手抓取目标物分析
任务:
从立柱中抓取不同尺径的三组垫片、轴承以及螺母放入指定地点，立柱高为200mm，机器人要在离立柱215mm处，其中轴承见表2.2.1。
轴承型号631063086306
外径110mm90mm72mm
内径50mm40mm30mm
重量1.082kg0.6450kg0.341kg
厚度27mm23mm19mm
表2.2.1
注:
螺母与垫片的重量相对轴承重量可以忽略。
从任务中可以看出
1）机械手臂长度215mm。
2）机械手臂抬起高度200mm。
3）机械手爪抓起最大的目标物时承受的重量1.082kg。
2.2.2对机械手抓取目标物形状的选择
1）平铲式机械手
图2.2.2
（1）
利用齿轮齿条传动，爪子张开式铲取目标物图2.2.2
（1）。
优点:
取目标物后垂直提出立柱，平稳性好。
缺点:
利用立柱铲取目标物，如果目标物掉入平台上就很难铲起。
2）横向双夹式
7
利用齿轮来调整机械手的位置，横向夹紧目标物图2.2.2
（2）。
缺点:
提取目标物时需要很大的力，目标物难以提取，可靠性不高。
提取时机
械手的范围不是很大，增加支杆长度可能超出300mm高。
3）拉线式
图2.2.2（3）
拉线式结构简单，提取力大，提取高度为255。
成本低。
分析得出三种机械手的可行性高低表如表2.2.2
类型平铲式机械手横向双夹式拉线式
可行性低低高
表2.2.2几种机械手可行性高低表综上所述:
我们采用拉线式。
2.2.3旋转螺母机械手方案的选择
1）拉线旋转手
8
图2.2.3
（1）
优点:
制作简单
缺点:
夹螺母时，有200mm的柱子，则必须采用偏心。
这样在旋转时，需要二次定位。
拉线有一定的角度，拧螺母很难对准，耗时。
2）普通旋转螺母机械手
图2.2.3
（2）
根据三个螺母的大小设计三个装螺母装置，方便定位，利用齿轮带动使螺母旋入指定位置。
分析得出两种旋转螺母机械手效力表如表2.2.3
普通旋转螺母机械类型拉线旋转手
手
效力低高
表2.2.3几种旋转机械手效力高低表
综上所述:
我们采用普通旋转螺母机械手。
2.3最终设计模型展示
根据机械手的形状与大小，我采用四个机械手从而选择重力偏右型车身。
最终模型图如图2.3
9
图2.3机器人模型展示
1、机械手臂2、线轮3、旋转立柱
4、旋螺母装置5、驱动轮6、机械手
机器人简介:
机器人总长为290mm，横向宽为285mm，抓取目标物的横向臂长285、250、250mm，纵向臂长235mm。
机器人总重量为7.2kg。
机械手抓取范围在45~275mm。
整个机器人由机械驱动车身、机械臂和机械手组成。
车身行走依靠自制轮子实现，机械臂共分三节，由旋转立柱、摆动横臂及抓取手组成。
通过齿轮啮合传动实现机械手的抓取功能。
本装置结构简单、操作简便、安全可靠、制造成本低。
2.3.1作品的特点
1）行走部分采用4个电机驱动
采用4个120转电机带动，利用电机的正反旋转与开关的切换实现前进、后退、旋转等功能。
结构简单、紧凑，能实现快速动作。
2）采用绳轮机构实现机械手臂的快速缩展
采用绳轮伸缩机构实现钢丝绳的缩展，从而带动机械手臂在垂直面内的摆动;合理地利用了电机的自锁功能，能在任意位置停留;机构运动速度快、稳定性好。
3）运用四个机械手一次性抓取所有目标物
三个机械手同时抓取整套目标物，放入指定位置。
一个旋转螺母机械手套上三个螺母后，依次进行旋紧螺母（先旋转大螺母，在中等螺母，最后在小螺母同时一个机械手准备拉线）。
有效的提高速度。
而且在抓取目标物时，其它的机械手可以转
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动来调转机器人的重心，防止机器人侧翻，同时可以减少机器人自身的重力。
4）采用全向轮作为辅助轮
因为全向轮可以四个方向行走，有利机器人的转弯，同时起到了一定支撑作用。
3、理论依据
3.1底盘分析与计算
3.1.1自制轮
图3.1.1
（1）自制轮
在轮子上黏上橡胶目的增大摩擦力，防止轮子打滑。
摩擦系数,,0.54
3.1.2驱动的选择
已知机器人整体重量为7.2kg，摩擦系数=0.54。
因为机器人较重，为了提高机器人行走速度，底盘采用的4个驱动机，控制小车的前进与后退（纵向），为了能使其同步运行，故选用了相同型号、转速的电机，
p,p,p,p其功率。
1234
小车在行走时的受力分析
小车重量为
G,mg,7.2，9.8,70.56N（3.1.2-1）
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其中每个轮子所受到的力为总受力的四分之一，因此F,F/4,17.64N1
工作阻力
N（3.1.2-2）F,F,,，F,0.54，17.64,9.53vmax
启动时，电机需要的力矩
53（3.1.2-3）T,F，r,9.53，,252.55（N,m）v2
选择电动机的转速为120r/min
则
PP120，252.55T,9550，,9550，,P,,3.17（w）（3.1.2-4）1n1209550
则小车行走的线速度为
v,,dn/60，1000,,，48，120/60，1000,0.301m/s（3.1.2-5）行走所需的功率为
P,Fv,70.56，0.301,21.27w（3.1.2-6）
由于电动机直接与轮子相接，根据（3.1.2-4）（3.1.2-5）式电机所需功率至少为24.44w.我们选择了规格为ZGX24RP-F36iN转速为120r/min，功率为25w
可见驱动电机输出总功率为符合条件
3.1.3轮子分布（二维图见附件）
1）过河部分的介绍
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图3.1.1
（2）轮子分布
四个自制轮子是驱动轮，一个全向轮起辅助作用，增加配重使车子的重心向右移，机械手臂收起是尽量向右靠。
这样使右边的重量大于左边（旋转螺母手边）。
两个机械手为前，在过河时,1号机械手拉起向右转，2,3号机械手禁止不动，目的通过自身来调整车子的重心。
如图3.1.1（3）模型机器人过河模拟图
图3.1.1（3）模型机器人过河模拟图
2）采用辅助轮
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图3.1.1（4）全向轮
采用全向轮作为辅助轮，1、全向轮可以四个方向上运动，可以减少机器人转弯的阻力。
2、由于车身较大，机械手较多，在机器人运动或抓取时起支撑作用。
3.2机械手的分析与计算
3.2.1抓取机械手的分析
三个抓取机械手支架相同部分以抓取大轴承的机械手为例。
1、立柱旋转机构分析
（1）利用机器底盘固定电机与支架，运用齿轮啮合传动使立柱360?
的旋转，便于抓取时进行定位。
该结构简单，效果明显。
如图3.2.1
（1）
图3.2.1
（1）支架旋转机构
（2）旋转部分的驱动选择型号ZGX24RP-F36iN:
1303A6X61的电动机转速为
14
10r/min。
由于需要自我调整去抓取目标物，因此转速不宜太快
2、抓取机构分析
图3.2.1
（2）机械手的机构
注:
根据三个轴承直径不同来设计爪子的形状（二维图见附件）
（1）定位针
采用定位针可以缩短定位时间，同时，在抓取整套目标物时，防止垫片掉出。
（2）爪子上黏有橡胶
增加爪子上的摩擦力，
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