機械設計課程設計1

第十五屆全國大學生機器人大賽Robocon方案設計摘要本課題的目的是針對2016亞太機器人大賽的主題和規(guī)則設計制作一臺混合型機器人和一臺經濟型機器人。本文首先分析了本屆比賽的特點，闡述了比賽的總體方案，提出了兩個機器人的任務目標和主要技術參數。在此基礎上，設計了整體結構方案，并通過三維實體建模和樣機實驗等方式分析了各方案的優(yōu)缺點，完成了對整體結構方案的優(yōu)化與改進，確定了兩臺機器人的機構組成。之后，對機器人的各組成機構進行了詳細設計，完成了走行方式、機械手機構形式和攀爬機構形式的設計與改進，進行了電機選型計算和關鍵零件的校核，繪制了機器人的零件圖和裝配圖，解決了在機器人的組裝和調試過程中發(fā)現的一些問題。目錄摘要…………………2機器人及機器人競賽………………4ABU-Robocon2016概述…………..5ABU-Robocon2016主題與比賽流程和任務……………………...6走行電機選擇………………………8結構設計與功能實現......................................................................................................................12控制..................................................................................................................................................16Arduino程序..................................................................................................................................17總結.................................................................................................................................................18一.機器人及機器人競賽機器人學是一門迅速發(fā)展的綜合性科學，其中包含著許多具有戰(zhàn)略性、前沿性和前瞻性的高技術，自第一臺電子編程工業(yè)機器人問世以來，機器人學的研究已取得令人矚目的成就，在工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、旅游業(yè)、空間、海洋以及國防等領域獲得了越來越普遍的應用。機器人這樣一種特殊的機器，大大延伸與擴大了人的手足與大腦的功能，在新世紀中必將會對人類社會的文明進程做出更大的貢獻，它將成為緊隨計算機及網絡技術之后的又一次重大的技術革命,并很可能將世界推向科學技術的新時代。機器人技術涉及到許多相關技術及學科，如機構學、控制工程、計算機、人工智能、微電子學、傳感技術、材料科學以及仿生學等科學技術。因此，機器人是一個非常適合科學普及和科技競賽的主題。機器人賽事從20余年前就幾經開始了?，F在各類機器人賽事名目繁多，范圍遍及世界。截止到2000年共有20余項公認的機器人賽事。伴隨著這些賽事，出現了許多類別的競賽機器人，如四足機器人，擬人機器人等。目前，一些賽事已成為人工智能等高端機器人技術研究交流的平臺。目前,國際上比較著名的機器人競賽有：RoboCup競賽、FIRACup競賽、ABU-Robocon競賽、迷宮機器人競賽、巡線機器人競賽、迷宮操作機器人競賽、滅火機器人競賽、舞蹈機器人競賽和相撲機器人競賽等。這些機器人競賽除了需要采用比較先進的技術外，還有幾個特點：一是對抗性強，比賽時間短，有很強的觀賞性和娛樂性；二是能夠充分地發(fā)揮參賽者的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)參賽者的實踐能力和團隊協(xié)作精神；三是比賽策略和臨場發(fā)揮非常重要，這有助于培養(yǎng)參賽者的宏觀規(guī)劃決策能力、應變能力以及心里素質；四是比賽規(guī)則和題目變化較大。二.ABU-Robocon概述1999年10月中國廣播電視代表團出席了“亞洲—太平洋廣播聯(lián)盟”（Asia-PacificBroadcastingUnion縮寫ABU、簡稱亞廣聯(lián)）第36屆大會。此次大會通過了共同舉辦“亞太地區(qū)大學生機器人比賽”活動的決定，并組成了由日本NHK、中國中央電視臺、韓國KBS、新加坡TCS、泰國TPT、印尼TVRI為成員的“機器人大賽核心小組”。2000年3月，在日本東京成立了“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)機器人大賽籌備委員會”。9月，該委員會在泰國過渡為“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)機器人大賽董事會”并舉行了首屆董事會議，會議通過了“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)機器人大賽”的章程和規(guī)則，并決定從2002年開始，每年舉辦一屆“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)大學生機器人大賽”。比賽的主題與規(guī)則由主辦國根據本國的文化和傳統(tǒng)制定。作為亞廣聯(lián)的成員國，中央電視臺積極參與亞廣聯(lián)組織的亞太地區(qū)大學生機器人電視大賽，每年根據大賽的主題與規(guī)則組織國內的選拔賽。這項大賽的目的是培養(yǎng)和開發(fā)全國大學生的聰明才智與創(chuàng)新精神，展示當代大學生機器人制作能力與高新技術應用水平。提出的口號是“讓思維活躍起來，讓智慧行動起來！”三.ABU-Robocon2016主題與比賽流程和任務常生活中處處要用到能量，它們均源于自然。人類從自然界提取或合成了這些能量。在所有能量中，化石能源是最便宜且易于使用的。過去，我們誤認為化石能源儲量無限而過度消耗了它們。這種能源消耗習慣現在對我們影響很大?；茉措y以勘探，現有的化石能源不會維持太久。為了解決這個問題，我們必須有效地利用現有能源，并同時探索和利用其它清潔和可再生能源，以彌補來自化石的能量。第十五屆全國大學生機器人大賽ROBOCON以“清潔能源”為主題，比賽在圖1所示的場地上進行。比賽規(guī)則的設計體現了盡可能減少能源消耗和利用清潔、可再生能源的意識。每支參賽隊要制作兩臺機器人：一臺是表現半自主和/或自主控制技術的混合型機器人，另一臺是象征節(jié)約能源的經濟型機器人。為了方便，以下把它們分別簡稱為機器人A和機器人B。機器人B只能從機器人A那里接受能量完成行駛動作，但可以用用自己的能量完成轉向動作，以跟蹤包含斜坡和山崗、河流和山道上的路徑機器人A除了向機器人B提供行駛能量外，還需要從機器人B那里取得風力發(fā)電機的螺旋槳，并爬上風機立柱以裝配風力發(fā)電機。比賽流程及任務參賽隊到達比賽場地后，應按以下順序完成各項任務。機器人的設置比賽開始前，有1分鐘的機器人設置時間。每支參賽隊最多有三名隊員進行機器人的設置，協(xié)助隊員不得參與設置。在一分鐘內沒有完成設置的參賽隊在比賽開始后可以繼續(xù)進行設置。比賽開始時機器人和參賽隊員的位置機器人A必須從啟動區(qū)A1啟動。機器人B必須放在啟動區(qū)B內，它與地面所有接觸點（面）不得超出啟動區(qū)B且它的任何部件不得伸到對方場地、場外及其上方。風機螺旋槳必須放在機器人B上。它可以放在機器人B本體的任何地方。機器人B啟動后必須始終與斜坡、山崗、河流、山道的頂面保持物理接觸，但不得與其它表面接觸。三個斜坡和山崗機器人A從啟動區(qū)A1出發(fā)。機器人B帶著風機螺旋槳在啟動區(qū)B中準備機器人A必須用風、磁等作用力間接地驅動機器人B穿越三個斜坡和山崗。為了接近斜坡和山崗上的機器人B，機器人A可以伸展其手臂，但不能與機器人B、斜坡及山崗接觸。河流機器人A必須從遠程驅動區(qū)驅動機器人B。被驅動的機器人B帶著風機螺旋槳應在曲折的河流中穿行并完全進入高地。機器人B不得直行通過河流進入高地（判斷標準：如果沒有4次明顯的轉向動作，即視為直行）。機器人B完全脫離河流后，機器人A方可走出遠程驅動區(qū)。山道機器人B下山時利用重力在山道上自己行駛。機器人A可以從無人區(qū)外控制機器人B的運動和減速。帶著風機螺旋槳的機器人B沿著從高地開始的山坡滑行并進入風力發(fā)電站。只要機器人B進入風力發(fā)電站，機器人A就可從機器人B那里取得風機螺旋槳。此后，在得到裁判的允許后，參賽隊員可以將機器人B搬到場外安全的地方。搬動時，參賽隊員應注意保護自身的安全并不得接觸機器人A。處于自主模式的機器人A爬上風機立柱，安裝風機螺旋槳。如果機器人A從一開始就是全自主機器人，機器人A可以立即不停頓地攀爬風機立柱。如果此前機器人A的部分運行是由操作手控制的（半自主模式），它從機器人B處取得風機螺旋槳后必須移動到啟動區(qū)A2。在裁判員的允許下，處于半自主模式的機器人A必須轉換為自主模式。這種轉換必須在啟動區(qū)A2中進行。轉換時，參賽隊員可以進入比賽場地并與機器人A接觸，但不得給機器人增加或拆除任何部件，轉換后參賽隊員不得再使用遙控器。處于半自主模式的機器人A一旦轉換為自主模式，在以后的比賽中就不能再回到手動模式。帶著風機螺旋槳的機器人A爬上風機立柱并把螺旋槳安裝到立柱頂端的風力發(fā)電機上。螺旋槳應在風力發(fā)電機上至少停留3秒鐘。最先成功地安裝了風機螺旋槳的參賽隊獲勝。這種勝利稱為“Chai-Yo”。除啟動、重試的操作和機器人A的轉換外，參賽隊員不得接觸任何機器人。給某臺機器人規(guī)定的任務必須由該機器人自己完成，相互替代完成的任務無效。所有規(guī)定的任務必須按先后順序逐個完成，跳過某個任務完成的后續(xù)任務無效。四.走行電機選擇1.電機選擇原理根據機器人行進時驅動力和行駛阻力的平衡關系，可以建立機器人的行駛方程式，確定機器人的動力性能。同樣，根據機器人的動力性能要求，就可以求出機器人行進時驅動電機所需要的最大輸出轉矩。機器人行進時，其驅動力一定要克服行駛阻力，其行駛方程可以表述為：（4—1）式中——所有驅動輪動力之和（N）； ——行駛阻力之和（N）2.機器人行駛方程的建立2.1機器人的驅動力如圖4—2，驅動電機輸出的轉矩，經傳動系統(tǒng)至驅動輪。作用在驅動輪上的轉矩使車輪對地面產生一個圓周力，根據作用力與反作用力原理，地面對驅動輪產生一個反作用力，即使機器人的驅動力，其值為：（4—2）或（4—3）式中——電機輸出轉矩（）；——減速器傳動比；——傳動系的機械效率；——驅動輪的半徑（m）圖4—2機器人的驅動力有公式（4—3）知，機器人的驅動力取決于有效轉矩、傳動比、傳動效率和車輪半徑。對于機器人來講，車輪半徑是已知常數，因此決定值的是、、。2.2機器人的行駛阻力機器人行駛時需要不斷克服行駛過程中的各種阻力。不考慮地面的坡度，這些阻力有來自地面的滾動阻力；來自空氣的空氣阻力；加速時的加速阻力,所以總阻力為：（4—4）1）滾動阻力滾動阻力主要是由于輪胎變形和路面變形產生的，等于滾動阻力系數與機器人負荷G的乘積：（4—5）其中為坡度角，當機器人在水平地面行駛時，；滾動阻力系數通常由試驗確定，也可根據經驗選取。它與地面的類型和材質、機器人行駛速度、輪胎的材料有關。2）空氣阻力空氣阻力與機器人的尺寸，外表面形狀和行駛速度有關。由于所設計的機器人行進時接受空氣阻力的表面面積很小，而且比賽在室內舉行，因此可以忽略這一阻力。3）加速阻力機器人在行駛時，需要克服其質量加速運動的慣性力，計算公式為：（4—6）式中——機器人旋轉質量換算系數（）；——機器人的質量（kg）；——機器人行駛時的加速度（）2.3行駛方程的建立根據以上分析，可以得到機器人的行駛方程式：（4—7）或（4—8）根據動力學功率方程可知：（4—9）代入公式（4—8），得到機器人的行駛方程：（4—10）式中——驅動輪的轉動慣量（）；——驅動輪的半徑（m）；——所有驅動電機的輸出轉矩之和（）公式（4—10）表示了驅動力與行駛阻力的數量關系，應用此公式，根據機器人的動力性能要求，可以求出機器人的驅動電機所需要的最大轉矩。3.驅動電機減速器輸出轉矩計算根據機器人的直線運動來確定走行電機的轉矩，設兩個驅動輪受力情況相同，則：（4—11）式中、分別為左右兩驅動輪的驅動力。根據機器人的行駛方程，各個走行電機減速器的輸出轉矩計算公式如下：（4—12）式中、為左右兩個走行電機減速器的輸出轉矩。已知機器人的設計質量，驅動輪半徑，路面坡度角，兩個驅動輪的轉動慣量和為，取0.02，；根據設計要求，正常運行的加速度應為，代入公式（4—12），得出走行電機的減速器輸出的最大轉矩為。4.電機型號初選與驗證經查閱大量直流電機產品資料后，初步選定maxon公司生產的RE35空心杯轉子直流電機，配套減速器的減速比為5.8：1。下面驗證初選的電機是否滿足要求。根據機器人的走行速度要求4.5m/s、電機減速器減速比5.8和驅動輪半徑70mm可以推導出電機的最低轉速要求是：。把減速器的輸出轉矩換算成電機的輸出轉矩：（4—13）式中——電機減速器輸出轉矩（）；——電機輸出轉矩（）；——減速比；——減速器傳輸效率；——電機摩擦轉矩（）經前面的計算和查閱所選型號電機的參數表可獲知這四個參數的值分別為：，，，（可以忽略不計）將以上數據代入公式（4—13），可得：查電機參數表可知，RE35空心杯轉子直流電機的額定轉矩（最大連續(xù)轉矩）是93.3mNm，與比較，可知直流電機的期望輸出轉矩沒有超過電機的最大連續(xù)輸出轉矩，所以可以繼續(xù)下一步檢驗。實際上，根據電機的另一參數——轉矩常數29.2mNm/A，即在機器人的啟動瞬間，如果供給電機的電流能達到12A，機器人的瞬時加速度可以達到左右，根據電機的性能曲線，這是可以做到的。電樞電流的計算電機供應商給出的電機電流計算公式是：(4—14)式中——電機最大效率；——電機轉矩常數（mNm/A）；——空載電流（A）根據電機參數表查得以上參數值為：電機最大效率84%，轉矩常數29.2mNm/A，空載電流168mA。代入公式（4—14）得：查得電機的堵轉電流是39.7A，因此當減速器的輸出轉矩為時，電機處于安全運行狀態(tài)。計算電機在減速器輸出轉矩為時的轉速電機轉速的計算公式為：（4—15）式中——電機的空轉轉速（rpm）；R——電機內阻（）——轉矩常數（OZ-in/A）以上參數大小從電機參數表中查得：空轉轉速7670rpm，電機內阻0.605，轉矩常數4.113OZ-in/A，代入公式（4—15）中，可得當減速器輸出轉矩為時，電機實際輸出轉速為，大于機器人行進速度要求的最低轉速，符合要求。通過以上驗算，可以得出結論：所選的maxon-RE35空心杯轉子直流電機符合要求。五.結構設計與功能實現1.行走結構機器人采用四輪行走結構，確保行進過程的穩(wěn)定性與可操作性。兩個后輪由兩個max電機驅動，作為驅動輪，材質主要是橡膠輪。為減小機器人的大小，采用兩個90度轉角器，將后輪與電機連接，很大程度的減小了機器人尺寸，滿足比賽規(guī)則。前面兩個輪為從動輪，無驅動力。兩個前輪由全向輪組成，全向輪具有各個方面運動的特點，有利于機器人的轉向，實現機器人的靈活運動。后輪驅動輪前輪全向輪前輪懸掛結構四輪結構機器人相對于三輪結構而言具有一個普遍的缺點，四輪結構無法在非平坦道路上滿足四輪同時著地的要求，機器人在行進過程中易造成某個輪懸空，使機器人無法正常行駛。為消除這種影響，此機器人設計了前輪獨立懸掛結構，在三輪著地的必然下，保證四個輪始終著地。此懸掛采用兩個彈簧結構，模仿火車轉向架的懸掛，起到良好的減震，保證四輪著地要求。前輪獨立懸掛機構爬桿機構在本次比賽中，機器人要實現一個重要的任務——爬上2.3m的圓管，將風力發(fā)電扇安裝在發(fā)電站上。此機器人采用兩個氣缸將機器人車體與圓管夾緊，再通過兩個弧形的摩擦輪提供機器人向上爬行的動力，讓機器人平穩(wěn)地快速地向上攀爬。兩個夾緊氣缸為亞德客出產的微型氣缸，行程為50mm,缸徑16mm，在0.7Mpa的氣壓下可提供140N的夾緊力，對于機器人爬桿來說非常足夠。機械手結構此次比賽中，該機器人還需為自主機器人提供動力。由于場地是由高度變化的道具組成，所以該機器人必須有兩個個可以在左右以及上下的自由度?；诖艘?，該機器人設計了一個兩自由度的“機械手”。該“機械手”由十字滑塊組成，可以在左右，上下自由移動?！皺C械手”通過白鋼支架與機器人本體連接在一起，形成一體。定位測距結構為確保機器人能按照預先制定好的路徑行駛，此機器人安裝了獨立的編碼器結構，進行閉環(huán)反饋控制，能實時調整機器人運動狀態(tài)，以及測量機器人的運行路程。該結構由兩個編碼器，小輪及其固定件組成，分別安裝在機器人的旋轉中心?？刂撇捎胊rduino單片機控制，運用c語言進行編程，對機械結構和傳感器進行控制。該機器人用直流電機驅動器對直流電機驅動，運用上位機等軟件調控機器人參數，保證機器人穩(wěn)定工作。機器人有兩種工作模式，一種是遙控模式，一種是自主模式。當機器人處于遙控模式時，操作者通過遙控器，遙控機器人的動作。自主模式，機器人通過巡線傳感器，感知場地的白線，實現自主完全運動。Arduino單片機直流電機驅動器巡線傳感器遙控器程序（程序清單）總結機器人的設計制作周期很長，工作量大，需要投入大量的時間和精力。在這三周的設計與制作機器人的過程中，我深深體會到參加機器人大賽不僅僅需要激情和熱心，更需要不畏困難、堅持到底的決心和毅力，還要有齊心協(xié)力、榮辱與共的團隊精神和認真負責的工作態(tài)度。在設計和制作機器人時應注意以下幾點：1.比賽時間只有三分鐘，因此機器人的設計應以簡潔、高速、高效、靈活輕巧為設計目標。2.一定要對比賽的規(guī)則做細致深入的討論和分析，以制定出成熟的參賽總體方案，明確各臺機器人的比賽任務。針對機器人的比賽任務對機器人的結構進行整體設計。要多總結和吸收往屆比賽經驗，多參考借鑒其它高校的成功經驗。這一點對提高機器人的技術水平非常重要，而且可以避免重復性工作，節(jié)省工作量。同時，通過熟悉往屆的比賽情況，可以了解機器人的發(fā)展趨勢和我們的差距，明確機器人設計與改進的方向。3.要多總結和吸收往屆比賽經驗，多參考借鑒其它高校的成功經驗。這一點對提高機器人的技術水平非常重要，而且可以避免重復性工作，節(jié)省工作量。同時，通過熟悉往屆的比賽情況，可以了解機器人的發(fā)展趨勢和我們的差距，明確機器人設計與改進的方向。4.在機器人的設計制作過程中，一定要做到細致、認真、負責。需要特別注意的是電機的選用和機加工件的設計。選用電機時要做細致的負載分析，綜合考慮速度、加速度、轉矩等性能要求；設計機加工件時要進行細致的審核工作，避免設計錯誤。購買用品和材料時，要做需求分析，確定購買的必要性和購買的數量，避免浪費。遙控程序清單intLeftPWM=4;intRightPWM=13;intCH1=34;intCH2=35;intCH3=36;intCH4=37;intval1,val2,val3,val4;voidsetup(){Serial.begin(9600);pinMode(Le);pinMode(RightPWM,OUTPUT);pinMode(CH1,INPUT);pinMode(CH2,INPUT);pinMode(CH3,INPUT);pinMode(CH4,INPUT);analogWrite(Le);analogWrite(RightPWM,127);}voidloop(){val2=pulseIn(CH2,HIGH);//qian1houqian101015062009(0-255)val2=map(val2,1010,2009,0,255);val1=pulseIn(CH1,HIGH);//zuoyou1200915061010(0-255)val1=map(val1,2009,1010,0,255);//val3=pulseIn(CH3,HIGH);//qian2houzhongqian101815102014//val3=map(val3,1018,2014,0,255);if(val2>150){run(val2,255-val2);}elseif(val2<100){run(val2,255-val2);}elseif(val1>150){run(val1,val1);}elseif(0<val1<100){run(val1,val1);}else{Stop();}}voidrun(inta,intb){analogWrite(Le);analogWrite(RightPWM,b);}voidStop(){analogWrite(Le);analogWrite(RightPWM,127);}自主程序清單int