機械設計制造及其自動化畢業(yè)設計-手動機器人的設計和優(yōu)化研究

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　手動機器人的設計和優(yōu)化研究</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1選題背景</b></

2、p><p>　　“亞太大學生機器人大賽國內選拔活動”于2002年由“亞洲太平洋地區(qū)廣播電視聯(lián)盟”（ABU）倡導，中國每年一屆，以選拔國內的冠軍隊參加亞太區(qū)桂冠的爭奪。賽事由主辦國確定，各參賽高校根據(jù)不同的主題設計制作出合適的機器人參加比賽。其宗旨是培養(yǎng)青少年接觸、探索高新科學技術的興趣與愛好，提高各參與高校的科技水平，為機器人工業(yè)的發(fā)展發(fā)掘和培養(yǎng)后備人才力量。</p><p>　　ABU RO

3、BOCN 機器人大賽是有別于其他國內或國際各種機器人競賽的比賽。它是由中國，日本，泰國，新加坡和硬度尼西亞組成理事會的“亞洲太平洋廣播聯(lián)盟”（亞廣聯(lián)）舉辦的每年一度的重大國際性賽事。比賽的宗旨是著力培養(yǎng)各國青少年對于高科技的興趣與愛好，提高各參與國的科技水平，為機器人工業(yè)的發(fā)展發(fā)掘和培養(yǎng)后備人才。各個亞廣聯(lián)的成員機構都有權參加該項目的比賽，但參賽的對象僅限于各國的大學生或者工科院校的學生。</p><p>　　它

4、的前身是1988年日本廣播協(xié)會的機器人比賽，于2002年由“亞洲太平洋廣播聯(lián)盟”（亞廣聯(lián)）正式組織成為每年一度的重大國際性賽事。</p><p>　　對于每個國家來說，ROBOCON機器人大賽均可分為前期的國內賽（挑選出可以參加國際賽的代表隊），和后期的國際賽。</p><p>　　截至今年我國已經(jīng)成功舉辦了十二屆該項賽事，我院2005年開始參加該項賽事，到今年是第十屆。在過去幾屆中，機器

5、人的定位采用碼盤加陀螺的算法使機器人的定位有了很大突破。但是隨著全國各個高校技術的革新，碼盤加陀螺的算法顯然已不能滿足我院機器人的定位要求，所以今年我們在去年有接觸到攝像頭的基礎上進行攝像頭的開發(fā)與調試。機械上主要還是采用自主加工的方式，使得機械的可靠性和機構的多樣性有了保證，機械的設計水平也在不斷的提高，新穎的機構越來越多，現(xiàn)在我國在這項賽事中處于領先水平，尤其是電子科技大學的設計思路和調試方法值得國際上參賽各高校的借鑒和學習，今年我

6、校應用的攝像頭是自主開發(fā)和調試的，相對以前在定位上有了明顯的提高。</p><p>　　我院機器人隊從2005年到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了九屆比賽的洗禮，取得了可喜的成績，同時也積攢了寶貴的比賽經(jīng)驗。2014年舉辦的“第十三屆全國大學生機器人大賽”我校將第十次參加該賽事。我院目前的最好成績是全國四強，在全國眾多參賽院校中處于中上水平。還需進一步提高，為躋身于全國強隊之列而努力奮斗。</p><p>

7、<b>　　1.2研究內容</b></p><p>　　本人是機器人隊機械組的一員，與隊友們一起負責對手動機器人（Manual Robot）自動機器人（Automatic Robot）的機械系統(tǒng)設計制作及其配合工作。本設計主要針對手動機器人的設計和優(yōu)化進行研究。</p><p>　　今年參賽的機器人從規(guī)則上可以看出，兩個機器人的配合程度相對以往都有了明顯的提高，總體方

8、向是按著更加人性化的方向發(fā)展，即使機器人更像是“人”，能夠去完成人的一些動作。今年的機器人在配合上要求的嚴格程度和木桶原理類似，若有“一塊短板”便會影響整個任務的完成情況，以致決定最后的勝負。因此所有的結構都是經(jīng)過隊內統(tǒng)一探討和實際試驗后才能拿出最后的方案。并且在機器人研究過程中我們首先需要仔細和反復的研讀比賽規(guī)則，時刻關注大賽官網(wǎng)的動態(tài)變化，遇到規(guī)則中有不理解的地方及時在官網(wǎng)中向工作人員咨詢了解。弄清規(guī)則上各個細節(jié)說明，畫出模糊概念，

9、猜想出題人的意圖，并在制定比賽策略時，考慮全面，避免在準備工作中做些不必要的工作，做到萬無一失。而只有這樣才能提出功能設計方案并對其進行深刻論證。接下來就可以確定機器人的參數(shù)，進行初步的結構設計，并且開列外購清單。在確保合理性和安全性的前提下，我們緊接著就要投入到加工制作中去了，機器人的大部分零件都是我們自己加工制作的，像齒輪、同步帶輪、階梯軸、軸承座、電機座等都是我們自己設計并在機械實驗室自己加工出來的，機器人的底盤和其他支架也是我們

10、自己通過鋁焊加工的。在機械零件加工</p><p>　　手動機器人的設計是整個機器人的設計和制作的一部分，遵循整體設計要求，設計過程也經(jīng)歷了：方案的提出，參數(shù)的確定，具體設計和加工，調試和優(yōu)化的過程。其工作流程如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1 手動機器人設計與制作流程</p><p>　　手動機器人的最終方案確定是按以上流程進行的，前期的主要工作是對規(guī)

11、則的分析，分析的深度決定機器人的合理性，這個階段時間比較長，它是整個機器人設計過程中的基礎，設計過程較快，但較為繁瑣，需要注意很多的細節(jié)問題并不斷地優(yōu)化和改進。通過繪制草圖、零件圖、裝配圖、再畫出三維視圖，在設計過程中突出的原則是“穩(wěn)、準、快”。接下來就是制作階段，在制作時根據(jù)Proe三維視圖，通過Proe導出加工程序在數(shù)控機床上加工，嚴格按照工藝流程加工保證機械零件的合格。加工出零件便可進行裝配調試。通過電控組的調試來分析存在的問題，

12、并不斷解決，最終達到穩(wěn)定的機械系統(tǒng)，以適應比賽的要求，在大賽上發(fā)揮出自己應有的水平。</p><p><b>　　1.3章節(jié)安排</b></p><p>　　全文共分為六章，第一章為緒論部分，整體介紹全文的研究背景和研究任務，及全文章節(jié)安排。第二章對本屆比賽規(guī)則進行了簡要的介紹和分析，并提出了手動機器人的設計要求。第三章對今年手動機器人上用到的機械結構、產(chǎn)品及其選用的

13、材料進行了全面介紹和分析，并重點對手動機器人各個機構模塊進行了詳細的說明并對其機械結構后期的優(yōu)化進行了簡要說明。第四章主要對電機、型材的選用參數(shù)進行的設計計算，并對程序的執(zhí)行流程進行簡要概括及分析其利弊。第五章是介紹了一些機械零件的加工制作及其工藝流程。第六章則是對全文的總結和展望。</p><p>　　2機器人大賽規(guī)則分析</p><p>　　由于這項賽事的特殊性，即每年由不同的國家和地

14、區(qū)舉辦一屆，每屆的主題都不同。主辦方為了宣傳各國文化，吸引更多的國家和地區(qū)參加，使比賽生動有趣，同時為了引導大賽向高技術方向發(fā)展，因此每年制定的規(guī)則都會根據(jù)主辦國的文化特點來更換題目。因為比賽規(guī)則在不斷地變化，并且朝著高技術的方向發(fā)展，所以每年在設計機器人時就會伴隨著技術的更新，否則便會落后于其他高校。每年對比賽規(guī)則的分析和討論都決定著機器人設計的好壞，對比賽規(guī)則分析得是否透徹都直接影響機器人的制作及最終比賽成績。所以對規(guī)則細心對待，懷

15、著一顆敬畏的心去看待它。</p><p>　　2.1第十三屆全國大學生機器人大賽規(guī)則簡介及其分析</p><p>　　今年國際賽主辦方是印度</p><p><b>　　主題簡介如下：</b></p><p>　　“父母是自然給予人類的最偉大恩惠。 從嬰兒到成年，父母促成和支持了兒童身體、情感和智力的發(fā)展，為了幫助兒童成

16、長，發(fā)揮全部潛能，他們給予了愛、安全、啟發(fā)、鼓勵和機會。</p><p>　　2014 RoboCon 全國大學生機器人大賽把“舐犢情深”確定為比賽主題，以表彰父母輩的巨大貢獻。”</p><p>　　本屆機器人大賽是由兩支參賽隊用他們的機器媽媽和機器兒童在公園里玩各種游戲。機器媽媽必須攜帶機器兒童到達兒童區(qū)，機器兒童玩游戲。每支參賽隊要玩蹺蹺板、梅花樁、秋千等三種游戲。</p&g

17、t;<p>　　一旦機器兒童完成三種游戲，它就可以挑戰(zhàn)設于公園中央的第四種游戲。最先成功完成第四種游戲的參賽隊實現(xiàn)了“健康寶寶”，成為獲勝隊。</p><p>　　如果兩支參賽隊均未能完成上述獲勝任務，將按比賽規(guī)則確定獲勝隊。</p><p>　　2.1.1比賽場地及設施</p><p>　?。?）. 比賽場地是一個12000mm× 1200

18、0mm的區(qū)域，四周有高50mm、厚30mm的木質圍欄。</p><p>　?。?）.上場競賽的是紅隊和藍隊。比賽場地有兩個家長區(qū)（一紅一藍）和五個兒童區(qū)。機器兒童在兒童區(qū)中玩游戲。兩（紅和藍）隊的第一個兒童區(qū)是相同的，分別位于各自的區(qū)域中。其它兒童區(qū)用30mm寬的無光白膠帶分為兩半。每支參賽隊應在自己的區(qū)域中活動。</p><p>　　(3). 比賽場地上還各有一個紅色和藍色啟動區(qū)，每隊一

19、個。每個啟動區(qū)的面積為1000mm x 1000mm。</p><p><b>　　(4). 兒童區(qū)</b></p><p>　?、?蹺蹺板兒童區(qū)：紅隊和藍隊的蹺蹺板兒童區(qū)是分開的（見圖3）。</p><p>　　② 梅花樁兒童區(qū)（見圖4）。 </p><p>　?、?秋千兒童區(qū)（見圖5）。</p><

20、;p>　?、?攀登架兒童區(qū)（見圖6）。</p><p>　　(5).攀登架兒童區(qū)位于場地中央。</p><p>　　2.1.2比賽規(guī)則要點：</p><p>　　（1）．每場比賽時間為3分鐘。</p><p>　?。?）．每支參賽隊有2臺機器人，1臺自動機器人（機器兒童），1臺手動機器人（機器媽媽）。</p><p&

21、gt;　?。?）．機器媽媽帶著機器兒童從啟動區(qū)啟動。</p><p>　?。?）．機器媽媽與機器兒童玩蹺蹺板游戲。</p><p>　?。?）．第二個游戲可以是踩梅花樁或蕩秋千。</p><p>　?。?）．第三個游戲是剩下的蕩秋千或踩梅花樁。</p><p>　?。?）．完成三個游戲后，機器兒童才能登上攀登架，實現(xiàn)“健康寶寶”并贏得比賽。&

22、lt;/p><p><b>　　2.2比賽規(guī)則分析</b></p><p>　　從今年的比賽規(guī)則中可以看出，今年的比賽對手動機械手臂的要求是較高的，要使自動機器人在不同的場合有相對應的角度，這對于機械手，無論是在設計方面還是在制作方面都對機械部分提出了更高的要求。這也是設計中的難點之一。</p><p>　　規(guī)則中對機器人的重量和尺寸做了嚴格的限制

23、，兩個機器人總重量之和不得超過40kg，比賽開始前，啟動區(qū)內帶著機器兒童的機器媽媽的尺寸不能超出1000mm×1000mm×1000mm的空間，比賽一旦開始，機器媽媽可以變形，但比賽中包括機器兒童在內的機器媽媽不能超出1500mm的立方體。比賽中，機器兒童的尺寸和形狀可以改變，但在任何時刻應能納入500mm的立方體。</p><p>　　2.3手動機器人的設計分析和要求提出</p>

24、<p>　　通過對規(guī)則的深入解讀，我們可以了解到對于自動機器人在蹺蹺板到蕩秋千的任務中需要水平即xy平面旋轉90度，在蕩秋千到梅花樁任務過程中需在yz平面旋轉90度，再到爬梯的任務中需要在yz平面中旋轉成與水平面夾70度角，這就需要手動機器人在與自動機器人配合完成任務的過程中多次在三維空間里變換角度以滿足完成任務的需要，以及在全場特殊位置的定位等。所以今年主要的兩大難點在于對手動機器人的全場精確定位，對手動機器人的機械手臂

25、的設計。無形之中這就增加了對機械結構的設計要求。</p><p>　　另外，在配合自動機器人完成任務的過程中，還需要手動機器人進行按壓蹺蹺板，推秋千，所以還需要在手動機器人上有對應的結構去完成這些任務。</p><p><b>　　2.4本章小結</b></p><p>　　本章主要針對今年的比賽規(guī)則以及結合今年規(guī)則，分析與往年的不同之處，并利

26、用這些信息對本次大賽的機器人進行設計，為之后的加工制作指導方向，避免和以前一樣的錯誤再次出現(xiàn)，使得機器人的設計不符合大賽的規(guī)則要求。</p><p>　　3 手動機器人的相關理論及設計</p><p>　　根據(jù)比賽規(guī)則以及前文所述的方案分析，在本章中將對手動機器人的整體框架進行設計。機器人是機械和電子結合的產(chǎn)品，所以在設計機械結構的同時也要考慮到電路的控制是否方便以及電器元件的安裝是否合理

27、，由于本文主要設計的是機器人的機械結構，所以重點論述的是機械部分。</p><p>　　3.1 手動機器人所涉及的機械理論及成品零件簡介</p><p>　　我們知道機器一般都是由動力部分、傳動部分、控制部分和執(zhí)行部分組成的，而要使機器人按照自己設計的方式進行運行，必須有一定的機械理論和成品零件的配合。因此本章主要介紹這方面的知識。</p><p>　　3.1.1

28、 帶傳動</p><p>　　一般來說，帶傳動是一種摩擦傳動，由具有彈性和柔性的帶繞在帶輪上所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞運動和動力。帶傳動主要用在功率傳遞中，傳動平穩(wěn)，噪音小。</p><p><b>　　（1）帶傳動的特點</b></p><p>　　與其他傳動相比，帶傳動是一種比較競技的傳動形式，帶的彈性和柔性是帶傳動具有一下優(yōu)點：1）運動平穩(wěn)，

29、噪聲??；2）能緩沖沖擊載荷；3）構造簡單，對制造精度要求較低，特別是在中心距較大的地方；4）不用潤滑，維護成本低；5）過載是打滑，在一般情況下，可以保護傳動系統(tǒng)中的其他零件。</p><p>　　其缺點是：1）帶存在彈性滑動，使傳動效率降低，傳動比不像嚙合傳動那樣準確（同步帶除外）；2）帶的壽命較短；3）傳遞同樣大的圓周力是，軸上的壓軸力和輪廓尺寸比嚙合傳動大。</p><p>　　圖3.

30、1 摩擦帶傳動</p><p>　?。?） 帶傳動的類型</p><p>　　根據(jù)帶的截面形狀，帶傳動可分為平帶傳動、V帶傳動、多楔帶傳動、同步帶傳動等，見圖3.2，圖中所示為平帶、V帶和多楔帶的橫截面形狀。</p><p>　　圖3.2 摩擦帶的截面類型</p><p>　　1.主動輪2.同步帶3.從動輪</p><p&

31、gt;　　圖3.3 同步帶傳動示意圖</p><p><b>　　（3）同步帶傳動</b></p><p>　　同步帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點。如圖3.3所示為同步帶的傳動示意圖。同步帶通常是以鋼絲繩或玻璃纖維繩等為抗拉層、氯丁橡膠或聚氨酯橡膠為基體、工作面上帶齒的環(huán)狀帶。工作時，帶的凸齒與帶輪外緣上的齒槽進行嚙合傳動。由于抗拉層承載后變形小，能保持同步帶的周節(jié)

32、不變，故帶與帶輪間沒有相對滑動，從而保證了同步傳動。</p><p>　　同步帶傳動時的線速度可達50m/s（有時允許達100m/s），傳動功率可達300kw，傳動比可達10（有時允許大20），傳動效率可達0.98。</p><p>　　同步帶傳動的優(yōu)點是：a) 無滑動，能保證固定的傳動比；b) 預緊力較小，軸和軸承上所受的載荷??；c) 帶的厚度小，單位長度的質量小，故允許的線速度較

33、高；d） 帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。其主要缺點是安裝時中心距的要求嚴格，且價格較高。同步帶主要用于要求傳動比準確的中、小功率中。</p><p>　　機器人上用的傳動一般都要求不打滑的，所以我們在制作機器人時考慮到帶傳動首先想到的是同步帶傳動。我們參考了往屆隊員積累下來的經(jīng)驗及其他一些院校制作機器人的經(jīng)驗，分析了帶傳動的優(yōu)點，之后便采用這種傳動方式，并在手動機器人的提升結構和自動機器人的交替?zhèn)鲃咏Y構

34、上用到了同步帶傳動。</p><p><b>　　3.1.2氣缸簡介</b></p><p>　　以氣動系統(tǒng)中最常使用的單活塞雙作用氣缸為例來說明，氣缸典型結構是由缸筒、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封件等組成。雙作用氣缸內部被活塞分成兩個腔。有活塞桿腔稱為有桿腔，無活塞桿腔稱為無桿腔。</p><p>　　當從無桿腔輸入壓縮空氣時，有桿腔排

35、氣，氣缸兩腔的的壓力差作用在活塞上所形成的力克服阻力負載推動活塞運動，使活塞桿伸出；當有桿腔進氣，無桿腔排氣時，使活塞桿縮回。若有桿腔和無桿腔交替進氣和排氣，活塞實現(xiàn)往復直線運動。</p><p>　　在往屆隊員使用的基礎上，今年我院繼續(xù)使用氣缸作為一個機構來快速實現(xiàn)任務，它的結構簡單，動作迅速，并且能代替復雜的結構實現(xiàn)當前的任務。因此今年的所有結構中，能用到氣缸的地方盡量用氣缸來實現(xiàn)，這樣可以迅速準確地完成任務

36、，達到最優(yōu)的結果。</p><p>　　圖3.4 隊內選用的雙作用氣缸</p><p>　　3.2材料、構件與輕量化設計</p><p>　　作為新隊員，在初次設計時往往對材料的選擇沒有足夠的重視，認為強度足夠大就可以了，但是對材料的特性沒有實際的了解，選擇的材料不是強度過大就是強度不夠，沒有達到最優(yōu)化設計。而且在實際中，任何一次的比賽機器人在質量上都有嚴格的限制，

37、因此選用何種材料構成機器的機構本體是我們在設計過程所必需要要面對的問題。一個機構的設計需要從材質、剖面形狀、構件組合形式等方面加以考慮，以便妥善的解決容許應力、變形、質量、固有震動頻率等問題。本節(jié)將會提到一些輕量化的方法，比如打孔處理、優(yōu)化截面形狀等。</p><p>　　3.2.1材料與型材</p><p>　　比賽機器人使用的材料大部分用于結構，一般是金屬材料，一小部分用的碳纖和玻碳等

38、材料。機器人承載和運動不應產(chǎn)生嚴重的變形和斷裂，從力學的角度即具有足夠的強度。因此主要材料選用碳鋼和鋁合金。在機器人主體結構的材料選用上，一方面要保證其結構的牢固性和抗撞性，另一方面考慮到可以利用已有的設備氬弧焊機對其進行焊接加工，焊接比鉚接和螺紋連接更方便可靠，還要考慮機器人的整體重量。綜上考慮，我們機器人主體結構以及大部分零件的材料選擇了鋁合金加工。在往屆使用的基礎上，今年我們繼續(xù)使用碳纖維，它強度高、質量輕而且還有可鉆、可釘、可鋸

39、的良好加工性能，因此我們選用了該材料做機械手，這樣在大沖擊下，也可保證其使用壽命。</p><p>　　材料截面對構件質量和剛度有重要的影響，因此通過合理選擇構件的截面可以較好地滿足機器人的使用要求，如空心圓截面，空心矩形截面，工字截面等。</p><p>　　若空心矩形截面邊長為a、壁厚為t的正方形，空心圓外圓直徑也為a，壁厚為t，。且令t=0.2a。通過計算可以得出，在相同壁厚的條件下

40、，空心正方形截面比空心圓截面的慣性矩高69%~84%，而質量僅增加27%。壁厚越薄，則效果越明顯。</p><p>　　若比較條件變?yōu)榭招木匦谓孛嫘筒暮涂招膱A形截面型材的截面面積相等，且d=a,設空心圓截面壁厚t1=0.2a，可以計算出空心正方形截面壁厚為t2=0.147a。此時空心正方形截面比空心圓形截面的剛度提高了40%~60%。</p><p>　　因此無論從何種角度來衡量，空心矩形

41、截面都比空心圓形截面的剛性優(yōu)越。從設計、裝配的角度來看，矩形截面也有一定方便之處。圓截面型材用作伸縮關節(jié)時則比較容易裝配。</p><p>　　除了上述兩種截面外，還可以采用角鋁或者工字截面的型材。</p><p>　　在比賽機器人中隨著競技功能的區(qū)別，還用到多種非金屬材料，如碼盤橡膠圈、POM板，尼龍塊、玻纖、碳纖和各種粘結劑等等。</p><p>　　3.2.2

42、輕量化設計</p><p>　　在大賽規(guī)則中明確提出了對機器人的重量有嚴格的限制，因此機器人的機構除了強度足夠之外還必須保證足夠輕，這就需要我們在設計過程中嚴格估計和控制每一個零部件的質量，零部件制作完畢后要一一稱重，以便在裝配前對機器人的總重量心中有數(shù)。減重的方式的方式有很多種，但其前提是還要保證零件的強度足以完成比賽，所以我們采用的方式主要是打孔和倒圓角，這樣做出來的產(chǎn)品不僅質量輕便而且美觀大方。</p

43、><p>　　3.3手動機器人的各部分模塊設計</p><p>　　3.3.1手動機器人的規(guī)則要求</p><p>　　（1） 機器媽媽應通過一條與之相連的電纜操作。不允許使用無線射頻控制。操作手不能騎在機器人上。</p><p>　　（2）用電纜操作時，電纜與機器人的連接點離地面至少要有900mm， 從機器媽媽到遙控器的電纜長度應為1000mm

44、以上但不得超過2000mm。</p><p>　?。?）比賽開始前，啟動區(qū)內帶著機器兒童的機器媽媽的尺寸不能超出1000mm長、1000mm寬、1000mm高。比賽一旦開始，機器媽媽可以變形，但比賽中包括機器兒童在內的機器媽媽不能超出1500mm的立方體。</p><p>　?。?）比賽開始后，除“重試”外，參賽隊員不得與機器媽媽接觸。</p><p>　?。?）機

45、器媽媽可以在自己的家長區(qū)中（紅或藍）運行。</p><p>　?。?）機器媽媽的任何一部分可以伸入自己的兒童區(qū)的上方，但不得接觸其地面（秋千兒童區(qū)中用白線劃出的弓形區(qū)域除外）。</p><p>　?。?）參賽隊的機器人不得接觸對方的機器人。</p><p>　?。?）機器媽媽不得分為兩個或多個單元。 </p><p>　?。?）機器媽媽上應有

46、粘貼組委會提供的標簽的地方。其尺寸應為150mm x 100mm。</p><p>　　3.3.2手動機器人整體介紹</p><p>　　結合以上規(guī)則要求，并在機器人的制作調試完成后，對機器人的各方面進行了優(yōu)化處理，得到了最終的優(yōu)化方案。</p><p>　?。?）手動底盤采用四輪，兩輪懸掛的的結構，這樣可以使碼盤與地面完全接觸使得全場的定位更加準確，減少人為調整的

47、時間。</p><p>　?。?）升降部分采用四立桿的結構并用軸承盒做升降裝置，這樣既能提高其機構的的穩(wěn)定性，又能夠讓立桿起到很好的支撐和導向作用。</p><p>　?。?）前后伸縮臂的設計，這樣做的原因是使得手動機器人能更快速地完成任務，并且還根據(jù)規(guī)則要求，手動機器人不得進入兒童區(qū)，這就對機械臂的長度有一定的要求。</p><p>　?。?）機械手的設計今年在材

48、料的選擇上還是沿用去年的碳纖維這一材料，主要是因為它有足夠的強度，質量輕，既提高了自身的強度又對機器人進行了輕量化設計。</p><p>　　（5）今年的配合問題一直是重中之重的，因此在手動機器人機械手的設計上配合也是重點考慮的，在抓取自動機器人方面，最終決定為兩個爪子前后收縮的結構，并在自動機器人上設計有對應的配合結構。</p><p>　　圖3.5 整體效果圖</p>&

49、lt;p>　　圖3.6 實際加工圖</p><p>　　以上就是今年加工的手動機器人，其整體效果如圖3.5和3.6所示，因為機械結構是隨著方案的不斷優(yōu)化而不斷改進的，所以機械結構在比賽前后個別結構會有所改動，但大體結構已基本定下。下面介紹個部分的具體結構和功能以及設計初衷。</p><p><b>　　3.3.3底盤部分</b></p><p

50、>　　經(jīng)過往屆隊員的逐年積淀，我小機器人隊的底盤設計已經(jīng)趨于完善，在設計方面對于底盤的各類要求基本上已經(jīng)都能夠滿足（如強度、同軸度等）。而在底盤的設計部分中，較優(yōu)設計應屬往屆的電機軸承座一體式設計和全向輪懸掛式設計，電機軸承座一體式設計既保證了同軸度，同時又由于是一體成形，因此在強度和抗擊性方面與其他以往的設計比較都得到了有效的增強；而全向輪的懸掛式設計則保證了碼盤能夠時刻與地面接觸，使得手動機器人在全程定位上能夠更加精準。<

51、;/p><p>　　在前期的方案討論中，關于底盤的設計，我們根據(jù)往屆的經(jīng)驗結合今年手動機器人的具體情況，我們選擇了四輪驅動（四輪驅動即四輪同時著地，這個問題便是用全向輪懸掛解決的）。</p><p>　　全向輪的互相配合能夠實現(xiàn)機器人的全向運動，全向輪示意圖如圖3.7，</p><p><b>　　圖3.7 全向輪</b></p>&

52、lt;p>　　這里采用4個全向輪，輪系布局如圖3.8，四個全向輪兩兩平行，安放于底盤的四個頂點上，且均與底盤的對角線垂直，（這里插一句，為了使底盤能夠適應不同的環(huán)境，即即使場地不平，依然能使四個輪子同時著地，需要相鄰的兩個輪子的電機座并非固定在地盤上，而是做成懸掛，以滿足全向運動四輪必須同時抓地的要求）對這4個輪子進行運動學和動力學分析，推導出一定的公式，應用即可實現(xiàn)平面內移動及旋轉的全向運動。</p><p&

53、gt;<b>　　圖3.8 底盤部分</b></p><p>　　圖3.9 底盤加工效果圖</p><p>　　圖3.10 全向輪懸掛實物圖</p><p>　　今年由于手動機器人需要將自動機器人抓起并完成各種動作，所以對手動機器人的重心分布有較高的要求，即對底盤的面積也有一定的要求，經(jīng)過反復計算兼顧規(guī)則的尺寸要求，最終我們選擇20*20*1.

54、5的方鋁管作為底盤材料，并進行氬弧焊接的方式連接。最終焊接成的底盤框架是750*750的。</p><p>　　底盤部分還包括電機，電機參數(shù)的選擇也是今年手動機器人的一個重要設計基準，關于電機參數(shù)的選擇計算還有驅動模塊的設計會在下文第四章中具體計算說明。</p><p><b>　　3.3.4升降部分</b></p><p>　　升降部分的設計

55、從一開始討論方案時我們便確定采用以同步帶帶動伸縮桿上升和下降的形式，然后在后期的設計過程中不斷進行優(yōu)化。具體的結構是通過軸承盒將伸縮臂與主架（四根立桿）連接，將同步帶的一側與伸縮臂框架固定，然后繞過導輪將其懸掛在主體框架上，通過電機加碼盤達到控制其升降的效果。如圖3.11</p><p>　　圖3.11 升降部分</p><p>　　圖3.12 升降加工實物圖</p><

56、;p>　　在加工裝配完成后，實際的實驗過程中，電機會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，不能夠正常升起和下落。分析該機構的穩(wěn)定性之后，發(fā)現(xiàn)在抓起自動機器人過程中，由于自動機器人的重心離手動機器人的提升支撐點距離長，其力矩較大，造成了后端的軸承盒受力太大，由直線軸承與立桿間的滾動摩擦變成了硬性的滑動摩擦，是不利摩擦，這是原因之一，原因之二是所設計的軸承盒較?。撮L度較短），使得軸承與鋁管的接觸面積小，摩擦大。多次來回升降之后對四根立桿的磨損很嚴重，這是一

57、個很致命的問題，如果沒有處理好，只要多調試幾次便會將鋁管磨透，手動機器人的主體框架也就報廢了，所有的零件必須重新裝配。于是我們立刻停止手動的調試工作，著力解決磨損問題。解決問題的關鍵便是增大軸承盒上軸承與鋁管的接觸面積，也就是加長軸承盒和增加軸承在軸承盒上的數(shù)量。通過再次試驗之后，我們發(fā)現(xiàn)之前的問題基本解決。</p><p>　　另外該機構的提升驅動部分，也是重點的設計模塊，會在本章另起一小節(jié)進行介紹和有關計算。

58、</p><p>　　3.3.5機械手部分</p><p>　　機械手顧名思義即為在機器人身上再現(xiàn)人手的功能的技術裝置。機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、或操作的自動機械裝置。它是由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。通常的機械手多為兩指機構或多指機構，今年我們所設計的手動機器人需要將自動機器人抓起完成各項任務，故需設計為多指機構。其整體結構如圖3.13所

59、示</p><p>　　圖3.13 機械手部分</p><p>　　在機械手的設計過程中，考慮到啟動區(qū)的尺寸限制和抓取自動機器人的迅速性，故設計了多個自由度來分別解決該問題，以下則主要通過研究執(zhí)行機構的手部、腕部、和臂部的常用結構，并通過自身分析來介紹說明手動機器人機械手的具體結構和設計思路。</p><p>　?。?）手部 即直接與自動機器人接觸的部分，多為兩指或

60、多指結構，本設計的機械手為四指結構，如圖3.14所示</p><p><b>　　圖3.14 手部</b></p><p>　　機械手的結構原理是將直線導軌上的兩個滑塊與中間的方鋁管及后端的四指固定，前端的兩指與直線導軌固定，由氣缸提供動力帶動直線導軌伸縮以達到松開和夾緊的目的。機械手形狀設計如圖3.15</p><p>　　圖3.15 機械手

61、形狀設計</p><p>　　手部的設計同時也包含了與自動機器人配合部分的設計，在自動機器人上有與機械手相對應的結構與之配合。如圖3.16</p><p>　　圖3.16 自動上與手動機器人配合部分</p><p>　?。?）腕部 即為機械手與機械臂的連接部件，可用來調節(jié)自動機器人的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。

62、由于手動機器人在完成任務過程中需要在三維空間有多種角度的定位要求，這些角度的完成便是由機械手與機械臂的連接部分完成。設計的結構中能滿足水平旋轉90度，豎直旋轉20度、70度、90度。具體結構如圖3.17和3.18所示</p><p>　　圖3.17 腕部設計主視圖</p><p>　　圖3.18 腕部設計左視圖</p><p>　　圖3.19 腕部與手部配合實物圖&

63、lt;/p><p>　?。?）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們做空間運動。</p><p>　　臂部運動的目的是把手部送到空間范圍內的某個位置。如果改變手部的姿態(tài)，用腕部的自由度加以實現(xiàn)。為輔助自動機器人完成各項任務，手動機器人的臂部還具有伸縮和升降的功能?？紤]到紅藍場問題，機械臂設計成相對于手動機器人主架對稱的結構。機械臂的驅動方式是鋼絲繩拉線傳動，

64、通過碼盤和電子剎車控制機械臂的伸縮。碼盤的功能是讀取機械臂伸縮時的位移，通過程序能夠對電機加以控制。由于選用的電機沒有自鎖功能，因此在電控控制方面很難做到精確定位，當電機達到某一位置時會出現(xiàn)前后滑動的情況，不能固定在某一位置。而且如果到達某一極限區(qū)域是，不能讓電機立即斷電，電機有可能堵轉，燒壞電機。因此在電機軸的一段，通過聯(lián)軸器加一電子剎車裝置，當其運行到指定位置時，通過程序控制，讓電子剎車通電，同時讓電機斷電（防止電機堵轉燒壞電機）使

65、其鎖緊而達到精確定位的目的。</p><p>　　在我們的設計中為使機械手動作更加平穩(wěn)，我們利用加長軸承盒增大軸承與鋁管的接觸面積以及用碳纖維板加固的方法使的機械臂在運動過程中更加平穩(wěn)。如圖3.20</p><p>　　圖3.20 機械臂設計</p><p>　　圖3.21 機械臂加工實物圖</p><p>　　以上詳細介紹了關于機械手的各個

66、部分的設計說明。機械手的設計是這次設計的核心內容所在，在設計過程中既要體現(xiàn)其靈活性又要求其在保證完成任務的情況下能夠加持牢固和穩(wěn)定性。因此，在設計和加工過程中通過螺栓的連接增加了其與被夾持物體的接觸面積，來做到其牢固夾持的性能。同時為了使其加持得更加牢固，我們還設計了機械限位的結構與之配合。</p><p><b>　　3.3.6驅動部分</b></p><p>　　

67、驅動方面是各個高校都在執(zhí)著鉆研的一個問題，驅動的合理與否直接關系到機器人在場地上能否準確地到達目的地，為了在速度上不落后于強隊，全場定位就必須足夠準確，這是使用碼盤加陀螺儀或者攝像頭定位的前提條件，這種決定性的作用在手動機器人全場的運行過程中體現(xiàn)的很明顯，每年都有許多高校的機器人在場地上跑偏，這不僅僅是控制技術方面的問題，在機械方面往往由于輪子安裝精度達不到要求帶來許多控制上無法克服的約束。所以驅動方面的安裝也是關系到整個比賽是否能夠順

68、利進行的必要條件。</p><p><b>　　底盤驅動</b></p><p>　　我們知道機器人的行走方式有履帶式、步行式和輪式。其中，步行式難度大而且在速度上明顯落后于另外兩種方式，故不予考慮。</p><p>　　履帶式的優(yōu)點是能登上臺階也能下臺階，由于履帶的突起，路面保持力強，抓地可靠，適合于在路況較差的路面上移動；且能夠原地旋轉重心

69、低，穩(wěn)定等，但其結構復雜，不易制作，輪子多，重量大，控制分析復雜，轉彎不靈活。</p><p>　　結合各個優(yōu)缺點，今年選用了四輪驅動的方式，其中兩個全向輪采用懸掛式，使得四輪全部能夠著地，不會產(chǎn)生懸空現(xiàn)象，控制穩(wěn)定。而且由于底盤四輪結構，地面覆蓋面積較大，故在移動過程中也較為穩(wěn)定。</p><p>　　對于電機與輪子的連接方式，今年還是沿用往屆的設計方法，即電機軸承座一體設計，在保證同軸

70、度的情況下還有效地增強了其強度。其原理如圖3.22所示</p><p>　　圖3.22 底盤驅動模塊</p><p><b>　　升降驅動</b></p><p>　　在升降驅動方面，考慮到在完成任務過程中會讓其停留在某一位置不動，如果電機沒有自鎖功能是很難實現(xiàn)的，因此需要加一電子剎車裝置來控制其位置，也就需要增加控制電子剎車的程序，這在電控組

71、方面不難實現(xiàn)。其設計連接方式如圖3.23所示</p><p>　　圖3.23 升降驅動模塊</p><p>　　本小節(jié)主要介紹了手動機器人的驅動模塊部分中的底盤驅動和升降驅動部分，并分析了其優(yōu)缺點和我們對其驅動方式的選用和設計圖形。</p><p><b>　　3.4 本章小結</b></p><p>　　本章是該設計部

72、分的核心內容，分別介紹了一些用到的機械知識和型材，并重點地對該機器人的各個部分的設計進行了詳盡的說明和設計過程，并對其期間的各個設計結構進行了對比說明和優(yōu)化說明。</p><p>　　4手動機器人的操控系統(tǒng)設計</p><p><b>　　4.1電機的選擇</b></p><p>　　以下是往屆選擇電機的經(jīng)驗：</p><p

73、>　　我們對電機的選擇可以有三種方法：1. 通過計算來確定電機；2. 通過試驗來選擇；3. 通過比較來選擇。這三種方法都據(jù)有可行性，就第一種方法來說，其計算比較繁瑣，按照這種方法進行選擇電機又給我們增加了很打勞動量，所以我們在選擇電機時一般是用后兩種方法來進行選擇的。圖4.1示意出電機容量選擇的方法和步驟。</p><p>　　圖4.1 決定電機容量的方法和步驟</p><p>　　

74、從圖4.1可知，在決定電機容量時涉及負載的估算、驅動對象運動規(guī)律的確定、傳動系統(tǒng)轉動慣量的折算等內容。</p><p>　　在下面的兩節(jié)中我們介紹一下通過計算來選擇電機的方法。</p><p><b>　?。?）負載估算方法</b></p><p>　　決定驅動器容量和傳動系統(tǒng)容量在機器人的設計中是很重要的內容之一。負載估算的正確性影響到上述系

75、統(tǒng)每一個元器件選擇的合理性。從驅動器到負載之間力的傳遞路線如圖4.2所示。電機是將電能轉換為機械能的部件，由此發(fā)生的力經(jīng)過以減速器為核心的動力傳遞系統(tǒng)到達負載端。在此過程中，一部分力克服摩擦，以熱能的形式耗散出去，因此傳動效率無法達到100%，在實際設計中，當然應當將上述路線的順序倒過來，即從負載的大小以及摩擦系數(shù)、運動副的效率去推算電機的容量。</p><p>　　圖4.2 驅動器到負載之間力的傳遞路線<

76、/p><p>　　施加于系統(tǒng)的負載大致可以劃分成3個基本類型：有效力、無效力、慣性力。</p><p><b>　?、儆行ЯΦ挠嬎惴椒?lt;/b></p><p>　　機械對外做功，從本質上講需要力。下面舉幾個有效力的例子。機器人的運動，靠主動輪與地面之間的摩擦力。圖4.3是輪式機器人驅動時的受力簡況。這時主動輪上所受的摩擦力實際上是推動機器人前進的有

77、效主動力。從圖4.3可以看出，簡化后所有的力和力矩在平面力構成一個平衡力系。</p><p>　　圖4.3 機器人驅動輪受力</p><p>　　圖4.4 克服負載重力做功</p><p>　　圖4.4表示有效力克服負載重力做功的情況。主動轉矩是有效力，其大小與無圖的升降速度無關，但是與加速度有關。其計算公式為</p><p><b&g

78、t;　　主動力矩 </b></p><p>　　式中，是電機的角加速度；J是整個系統(tǒng)轉化到電機軸上的折算轉動慣量，也包括負載W折算的部分。</p><p><b>　?、跓o效力的計算方法</b></p><p>　　估計無效力比較困難。摩擦力就是一個例子。估計摩擦力在理論上可以用摩擦系數(shù)，在經(jīng)驗上常借助傳動效率。</p>

79、;<p>　　如圖4.5所示圖，在讓物體沿接觸面滑動時，拉力的大小必須克服摩擦力。如果物體做勻速運動，則拉力不做有效功，所做的功全部轉化成熱。此時電機扭矩為</p><p>　　其他類型的無效力有軸密封處的摩擦、空氣阻力（高速運動時）等等。</p><p><b>　　圖4.5 摩擦損失</b></p><p>　?。?）電機的選

80、擇計算</p><p>　　根據(jù)所設計的機器人質量：老爺機器人質量m1=10Kg，兩轎夫機器人質量m2=30 Kg，總質量m=m1+m2=40 Kg，水平地面載物行走速度為2 m/s，爬坡坡度約為17°，坡長約1m，坡高約30cm，爬坡速度1.5m/s。主輪直徑D＝60mm，同步帶輪速比1：2.1。最大加速度 a＝50轉/s2，兩輪主驅動，PWM控制，50%占空比。電源電壓約20V，電流10A。<

81、/p><p>　　由以上指標可以計算得出：小車爬坡時克服重力分量：</p><p>　　FG =m × g ×sin17°=117(N)</p><p>　　小車克服加速度時的慣性力：</p><p>　　Fa =m×a=40×50×60×0.001×3.14=3

82、76.8（N）</p><p>　　爬坡摩擦力f1=µ×m×g×cos17=0.5×40×9.8×0.956=187.4（N）</p><p>　　水平地面摩擦力f2=µ×m×g=0.5×40×9.8=196(N)，小車所需輸出的最大瞬時機械功率：</p>

83、<p>　　Pm =( FG + Fa + f2)×V=（117+376.8+187.4）×2=1362.4W</p><p>　　因為小車是雙輪驅動，每個電機輸出的峰值功率是681.2W，結合同步帶速比，電機減速箱所需輸出的最高轉速為：</p><p>　　n=V/(D×3.14)/2.1=2/0.1884/2.1=303(rpm)</p

84、><p>　　每個電機減速箱所需輸出的最高峰值轉矩約為：</p><p>　　M=F×D/2/2=681.2×0.06/2/2=10.218(Nm)</p><p>　　通過以上計算，考慮到電機的工作點及減速箱的效率，電機、減速箱及編碼器選型如下：</p><p>　　1.148867（電機RE40）+203115（減速箱GP

85、42C，12：1）＋110514（500線編碼器） </p><p>　　電機總長：147.2mm（不包含減速箱的輸出軸的長度21mm）</p><p>　　電機總質量:840g</p><p>　　電機的直徑:40mm</p><p>　　減速箱的直徑:42mm</p><p>　　電機組合在24V電壓下的工作點：輸

86、出轉速=525rPm ,最大連續(xù)轉矩=1.65Nm , 峰值轉矩=11.3Nm(持續(xù)時間1S)。</p><p>　　本屆手動機器人與自動機器人的總重為30Kg+7.5Kg=37.5Kg〈40Kg，且克服的摩擦力主要為水平地面的滑動摩檫力，故選用電機Re40已能夠滿足手動機器人底盤驅動要求。</p><p><b>　　4.2控制流程設計</b></p>

87、<p>　　因為今年的比賽是對我們機器人的協(xié)作性、穩(wěn)定性以及速度的考驗。我們積累了往屆的經(jīng)驗和教訓，在電控的穩(wěn)定和抗干擾方面有很多經(jīng)驗，加上在去年一些問題的總結的基礎上我們形成了一些在比賽中抗干擾的思想。今年的比賽對我們最大的挑戰(zhàn)是兩個機器人在多次執(zhí)行任務時之間的配合問題處理上。協(xié)調統(tǒng)一、穩(wěn)定可靠是我們的目標。在往年的基礎上，今年我們還將用到以前調試成功和沒有調試成功的處理器、傳感器以及一些執(zhí)行機構等。如：碼盤傳感器和陀螺儀

88、以及攝像頭尋線問題。并且在去年的基礎上，我們還將繼續(xù)開發(fā)使用STM32作為主控。希望能夠超越去年。</p><p>　　4.2.1任務流程</p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><p><b>　　否</b></p>

89、;<p><b>　　是</b></p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><p><b>　　是</b></p><p><b>　　否</b></p>

90、<p><b>　　是</b></p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><

91、;p><b>　　否</b></p><p><b>　　是 </b></p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><p>　　圖4.6 任務流程圖</p><p><b&

92、gt;　　4.2.2程序流程</b></p><p>　　圖4.7 程序流程圖</p><p><b>　　4.3本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了電機選型和一些任務完成及程序設定流程，清晰了手動的任務和編程思路。</p><p>　　5典型零件的加工工藝簡介</p><

93、p>　　機器人的制作階段，我們充分利用了機械工程系實驗室現(xiàn)有的機器設備，能自己加工的零部件我們都自己動手。我系實驗室的設備很齊全，而且能夠滿足學生的要求隨時開放，但是在里邊工作就得遵守一定的規(guī)則，要講衛(wèi)生，要愛護設備，要維護實驗室的安全。機床實驗室的普通機床有銑床、搖臂鉆床、鉆銑床、車床、插齒機、刨床等；數(shù)控技術實驗室有先進的數(shù)控車床和數(shù)控銑床；特種加工實驗室還有精密數(shù)控電火花成形機和數(shù)控電火花切割機。結合這些機床所加工零件的特點

94、，我們選擇合適的機床，加工出了許多合格的產(chǎn)品，像車輪的車削加工，軸承座的銑削加工和鉆孔加工，同步帶輪的線切割等等，最后我們按質按量的完成了任務。</p><p>　　我們加工零件的整個過程是，先繪制圖紙進行產(chǎn)品設計，之后經(jīng)審核沒有錯誤時再去購買材料、去工作場地進行機械加工，最后驗收成品。因為是自產(chǎn)自消，牽涉不到重大的責任問題，所以我們沒有太嚴格的文檔資料。</p><p>　　本節(jié)就幾個典

95、型的零件進行簡單的介紹，說明其工藝過程和必要的強度計算。</p><p>　　1 圓弧齒8M同步帶輪 2 擋片</p><p><b>　　圖5.1 同步帶輪</b></p><p>　　5.1 同步帶輪的加工工藝</p><p>　　機械加工工藝過程設計涉及到多方面的知識，如工序的劃分、粗基準精基準的選擇、加工余量的

96、確定、刀具的選用以及進給速度的選擇等等。</p><p>　　驅動用的履帶輪是一個關鍵性的零件，其加工精度要求很高，需要用良好的機械加工工藝來保證，輪子的材料是直徑為ф65mm的鋁棒，加工工序的劃分如表5.1所示</p><p>　　表5.1 車輪的工藝過程</p><p>　　在這10道工序中最重要的是第3道和第7道工序，工序3要是在工序2的基礎上進行第二次裝夾，

97、裝夾的好壞決定了兩端面A、B的平行度的好壞，也為工序6、7的加工打下基礎，二次裝夾一定要用千分表測量將誤差降到最低。</p><p>　　工序7是一個自動加工的工程，但是編程的好壞和機床加工參數(shù)的選擇直接影響著工件的精度。</p><p>　　工序8中所鉆的孔，是功能孔，即履帶輪上所設計的三個 mm的孔，它的功能是通過螺釘跟傳動同步帶輪聯(lián)結。</p><p>　　這

98、三個孔在機械加工工藝上是很講究的，要求在履帶輪上鉆出來的孔能和在同步帶輪上鉆出來的孔完全對正，進而在一定程度上保證履帶輪和同步帶輪的同軸度要求。</p><p>　　我們的解決方案是，先車出一根心軸，通過車輪和同步帶輪的內孔將兩者緊固在一起，如圖5.2所示，然后再鉆孔，方法簡單而實用。</p><p>　　在鉆 mm的孔的孔時應該用加長鉆頭，因為兩個輪的厚度達到了52mm，普通鉆頭鉆不透，

99、履帶輪選用的材料是鋁，同步帶輪的材料是45號鋼，在鋁材上鉆孔時，</p><p>　　圖5.2 鉆孔輔助心軸</p><p>　　退削困難，因此打孔的時候，進給量要小，每進一次就得退回來將鉆頭的鋁削清除掉才能打孔否則將會打斷鉆頭。</p><p>　　5.2 軸的加工工藝</p><p>　　軸在機器人主要是起支撐作用，所以在剛度及強度方面

100、要求比較高，在參照去年機器人軸的基礎上，軸的材料選用普通碳鋼。</p><p>　　在設計軸時最主要的是要考慮它的強度、剛度以及精度。其剛度以及強度是在參照以前的機器人的基礎上來設計的，屬于經(jīng)驗設計，實踐證明這也是沒有問題的。圖5.3是其設計圖。</p><p><b>　　圖5.3 軸</b></p><p>　　軸是回轉體零件，主要是在車床

101、上加工。當需要加工軸上的平面時，要在銑床上進行加工。其加工工序如表5.2所示，圖5.4所示為已加工好的軸</p><p>　　表5.2 軸的加工工序</p><p><b>　　圖5.4 軸</b></p><p>　　5.3 軸承座的加工</p><p><b>　　1 材料的選擇</b>&l

102、t;/p><p>　　軸承座在機器人中也是起支撐作用的，主要是通過軸承和軸來支撐機器人的重量。從減輕機器人的重量的角度來考慮，使用鋁質材料，另外從強度來考慮，也是沒有問題的。</p><p>　　2 軸承座的加工工序</p><p>　　由于軸承座的形狀比較特別，在市場上是買不到的，所以需要自己加工</p><p>　　1）選用直徑為50mm的

103、鋁棒作為加工材料</p><p>　　2）車削端面與外圓，選用45°的外圓車刀即可。</p><p>　　3）孔加工 先用直徑為16的鉆頭鉆孔，然后用內孔刀再進行加工。</p><p>　　4）銑出三平面，并保證底面和另外兩個面垂直。</p><p>　　5）用線切割機切除中間部分</p><p>　　圖5

104、.5為軸承座的設計效果圖</p><p>　　圖5.5 軸承座設計效果圖</p><p>　　5.4 齒輪的加工</p><p>　　機器人中的齒輪是一個比較小的零件，而且齒輪要經(jīng)常的高速旋轉，故對其耐磨性要求較高，選用的材料是經(jīng)過淬火的厚鋼板。齒輪齒數(shù)分別為15和45，而且其內孔不是圓形的，是不適宜插齒機加工的，所以采用線切割機進行加工，這樣不但可以加工出沒有根

105、切的齒輪，而且其精度也可以達到要求，線切割機的加工精度可以達到0.01mm。</p><p>　　（1） 齒輪的加工工序：</p><p>　　1. 在鋼板上鉆一個直徑為3的小孔，這個小孔主要是為了穿鉬絲用的。</p><p>　　2. 用線切割機編出加工程序，準備加工。</p><p>　　3. 在裝夾時鉬絲的位置可以不完全在小孔的中心，這

106、對內孔與齒頂圓的同心是沒有影響的。</p><p>　　4. 小齒輪在用線切割機加工完后，還要在車床上進行加工，主要是為了能夠在被車的一端能夠安裝緊定螺釘，以防止齒輪在安裝到軸上時發(fā)生軸向移動。</p><p><b>　　5. 鉆孔 攻絲</b></p><p>　　圖5.6所示為已加工出的齒輪</p><p><

107、;b>　　圖5.6 齒輪</b></p><p>　?。?）加工齒輪時的注意事項：</p><p>　　1. 線切割是利用電極與工件之間放電產(chǎn)生大量的熱將金屬溶化來加工零件的，所以在加工時應保持切削夜的連續(xù)。</p><p>　　2. 在進行車削加工時由于不能損壞齒輪，所以要先做一個夾持齒輪的套。</p><p>　　3 在

108、車削時由于夾持齒輪的面積比較小，所以進給量要小些，以防止切削力過大把齒輪損壞。</p><p>　　4. 在用線切割機進行加工時，一定要防止短路。當加工速度過大時，會引起電流過大，從而引起短路的發(fā)生。</p><p>　　5. 在進行穿絲時，要時刻保證上端絲的繃緊狀態(tài)，以防止鉬絲突然被松開時，導致鉬絲的折斷。</p><p><b>　　5.5本章小結&l

109、t;/b></p><p>　　本章主要介紹了一些手動機器人上用到的零件的加工和工藝流程，也是在我畢業(yè)設計時主要的工作，是在實踐中得到的一些經(jīng)驗之談，也是為下幾屆的機器人隊留下一份資料可供參考。</p><p><b>　　6 總結與展望</b></p><p>　　經(jīng)過幾年發(fā)展，我校機器人隊不斷地發(fā)展壯大，機器人隊的技術正在日趨完善。本

110、設計在分析策略，總結以前經(jīng)驗的同時，介紹了本屆手動機器人機械系統(tǒng)的組成，并總結了本人在設計、制作和改進機器人機械結構中所做的工作。通過本次設計使我得到了以下結論：</p><p>　　在拿到一項設計任務后首先要做全面的分析，本設計首先對規(guī)則進行了詳盡的分析和比較，提出了設計要求。</p><p>　　在做設計時要注意細節(jié)的設計考慮全面，每個零件的工藝也要考慮在其中，因為我們要加工出實物來。

111、</p><p>　　在確定方案后要做大量的實驗來驗證方案，才能做具體的設計。</p><p>　　在加工時工藝選擇要合理，這樣既能節(jié)省時間又能加工出合格可靠地零件。</p><p>　　在試制好機器人后要反復的實驗，并做好實驗記錄，及時的發(fā)現(xiàn)問題和設計缺陷，在優(yōu)化設計時要全面的解決這些問題。</p><p>　　機器人要通過實踐去檢驗，必須

112、將機電結合起來，才能發(fā)揮它的性能。</p><p>　　本文在借鑒前人經(jīng)驗的基礎上，根據(jù)本屆比賽規(guī)則提出了手動機器人的設計要點，并在實際制作中實現(xiàn)并應用。希望通過本設計能夠使機器人的機械結構更加清晰，在備戰(zhàn)山東鄒城時能夠有所幫助。</p><p>　　本屆機器人隊實現(xiàn)了最大程度的機械零件的精密加工制作，這在機器人制作中是一項技術突破，為以后機器人的設計制作積累了寶貴的經(jīng)驗。但是我們做得還不

113、夠完善，機械精巧方面我們和很多兄弟院校還有差距。希望在未來的機器人大賽中我校機器人隊的隊員們能借鑒我們的經(jīng)驗和教訓，對機器人繼續(xù)進行改進，做出更巧妙的機構和更穩(wěn)定、更智能的比賽機器人。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　柳洪義.機器人技術基礎宋偉剛編著［M］. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002</p><p&