过桥机器人设计说明书.doc

“勇气号”过桥机械车方案设计

摘要
本方案设计了机器人“几”字型总体方案，实现了“骑桥”过河方式；采用履带式行进方式，实现机器人本体行进与转弯；选用了“丝杆+气爪”动作装置，实现机器人对目抓取和拧紧。综上所述，本方案最终实现了机器人所有任务完毕。
本设计运用Solid Works软件，通过三维实体造型进行方案设计，反复优化零部件构造，调整尺寸，保证无干涉状况，再导出零件图进行加工制作，再根据出现问题修改完善，最终导出装配图和部分零件二维图。

关键词：机器人 设计竞赛 Solid Works

目录
目录.……...……………………………………………………………...1
第一章 设计题目及设计规定.………..………………………………2
1.1 竞赛题目.……………………………………………………..3
1.2 参赛作品总体规定与设计分析.….………………………4
1.2.1参赛作品总体规定.…………….………………………5
1.2.2场地分析与方案初设......................………………………6
第二章 设计方案确定与构造设计.…..………………………………7
2.1 概述.…...………………………………………………………8
2.2 机械部分.…….………………………………………………..9
2.2.1 机械车行走部分构造设计..…………………………10
2.2.2 机械车身体构造设计.….……………………………11
2.2.3 机械臂构造设计.….…………………………………12
2.2.4 抓取和拧紧装置机构设计.………………………….13
2.2.5 各机械部件连接设计.……………………….………14
2.3 控制部分.….…………………………………………………15
第三章 详细设计、计算与校核.……………………………………16
3.1 车动力与传动方案设计、计算与分析.……….…………17
1. 车过桥和转动部分..…………………………………18
3.2 机械臂动力与传动方案设计、计算与分析.….…………19
1. 机械臂关节部分…..…………………………………20
2. 气爪抓取和拧紧部分....………………………………21
第四章 方案创新点………………………………………………22
1.机械机构方面创新设计………………………………….23
2.机械手臂创新设计……………………………………….24
3.抓取机构创新设计……………………………………….25
4.拧紧机构创新设计……………………………………….26
5.本方案设计有点………………………………………….27
第五章 其他设计计算与阐明，设计总结…………………………28
5.1本设计方案长处……………………………………………29
5.2设计总结………………………………………………………30

第一章 竞赛题目及设计规定
1.1竞赛题目
设计一台可完毕竞赛规定动作简易机器人（如下简称机器人），提交机械设计资料，完毕模型制作，参与答辨和现场竞赛。
1.2 参赛作品总体规定与设计分析
1.2.1参赛作品总体规定
（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）机器人重量不限，但应尽量轻。
（3）机器人造价不限，但应尽量低。
（4）机器人操控可采用线控、自动控制、智能控制。
（5）机器人行进方式不限。
（6）机器人驱动可采用多种形式原动机，但不容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）。
1.2.2场地分析与方案设计
竞赛场地（如图1.2.1）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×mm，出发区尺寸为300mm×300mm×300mm，四面围板高50mm。
竞赛用滚动轴承分别为：6310,6308,6306；竞赛用垫圈分别为：36,30,20 GB/T97.1-；竞赛用螺母分别为：M30，M24，M16 GB/T6170-。

图1.2.1

从上面CAD图中可以看出，比赛场地是提成四个部分。起点部分、过河部分、物品放置部分、抓取部分。
在起点处有300×300×300挡板，因此这样就限制了机器人车身，最终根据以上本方案初步设计数据综合考虑机器人车身为长250mm，宽230mm，高280mm。这样车身设计也是考虑到下车后转弯。
在桥支座处，总宽为90mm，最低高度为4mm，因此本方案将两侧身板初步设宽度为72mm，抬高>13mm，这样车子就能上桥了。桥为30宽，因此设计两挡板之间距离为32mm。
在抓取部分挡板到细杆距离为220mm，杆高200mm，因此本方案初步设计大臂伸长水平距为230mm，气爪抬高210mm。都是留有余量。
被抓取物是:轴承D=110.1mm，d=45mm；D=90mm，d=45mm；
D=72mm，d=25mm。垫圈D=66mm，d=30mm，B=5.1mm；D=56.1mm，d=24mm，B=3.9mm；D=36.9mm，d=16mm，B=3mm。
螺母M30；M24；M16。根据这些数据用来设计本方案抓取装置和拧紧装置

第二章 竞赛总体设计方案
2.1概述
为实现设计任务和到达设计规定，本课题小组经认真分析研究后认为，本课题关键在于：
1.机械车尺寸规格，长宽高都不能超过300mm。
2.机械车过河方式。
3.机械车能否顺利抓取区域三轴承、垫圈、螺母。
4.机械车能否顺利将轴承、垫圈、螺母按次序放到区域二固定螺栓上，并将螺母拧究竟。
5.机械车怎样拉下胜利旗帜。
6.就是完毕时间不能超过8分钟
因此针对以上问题，我们经分析后来决定：
从场地布置上看，有三种方式可以使小车从区域一到区域二。分别是：走最右边宽150mm窄道；从中间过宽为30mm，高为200mm桥；走楼梯，下三阶，上二阶楼梯。
首先，考虑到行径、转弯灵活性，本方案选用履带式行进方式，既高效有平稳。然后就是时间问题，由于总共完毕任务时间规定不能超过8分钟，所认为此决定尽量不要将时间挥霍在过河上。由于桥铺设是在起点正对方向，车子可以直接走直线上桥来实现过河。因此介于时间节省，本方案最终决定是过桥方案。过完桥之后就转弯直接去抓取，先将大垫圈抓取放到大轴承上，再将大螺母放在大垫圈上。再一起将这三样同步抓取往回放到指定地点。这样机器人只要来回三次就能实现抓取和拧紧，最终拉旗完毕任务。
这是大概方案。

2.2 机械部分
2.2.1 机械车行走部分构造设计
由场地模型可以懂得，场地是有广告纸铺成，所认为了不让机器人在行走和转弯时候发生打滑现象，本方案一致认为用皮带作为传动，即为履带式行走方式。
作为行走部分主体，底部四个皮带轮都是靠放在车顶两个大功率电机来驱动。不过又由于过桥需要驱动上方两个过桥轮，因此我们设计为多步传动。以一种电机为例：电机驱动上方过桥轮，这个是直接驱动，再同过过桥轮驱动来驱动正下放一种底轮，这个是将电机转动传动究竟轮过程，最终两个底轮之间皮带连接同步带动（如图2.2.1-1所示）。其中由于通过皮带传动使轴受到轮子径向力很大，因此本方案在这里将轴和轮子配合形式定位过度配合，使轮子和车之间有间隙从而减少了轴径向力；同样为了让轴和侧身紧密连接本方案将轴设计成阶梯型（如图2.2.1-2所示阶梯轴），然后外加一种内阶梯法兰盘（如图2.2.1-3所示法兰盘）这样在较大径向力下，轴和侧身板之间也不会发生偏移。
然后，这之间所有传动都是通过同步带来实现。电机正反转可控制车子前后行走，单边底轮不动用来实现车子转弯。而两个电机分别是控制一边底轮传动，同步带也使各个轮之间旋转都是同步，使车子在行径过程中愈加平稳。

图2.2.1-1
图2.2.1-2

图2.2.1-3

2.2.2机械车身体过桥构造设计
为了实现过桥，机器人车身设计成了一种“几”字型，中间宽度为设计根据桥两边支座宽度和高度来设计，当然为了不让车身在桥上倾斜，在中间固定了两块挡板，挡板之间宽度刚好为桥宽。过桥是通过轮子在桥上行进实现（如图2.2.2-1和2.2.2-2。所示），从图示可以看出轮子宽度为30mm可以架在铝合金桥上，中间部分宽为8mm可以嵌在桥中间。车身一边加上地板用来放置气爪。而一边只有底轮和侧身上安放配重支座。这样设计节省了不少空间。可以说，本方案车没有完整底板。
挡板
过桥轮

2.2.3机械臂构造设计
机械臂机构设计，本方案采用是最原始构造——关节折叠型（如图2.2.3-1所示）为大臂整体。其长处是这种构造简朴，活动范围较大，稳定性很好。本方案用丝杆和大功率电机将大臂推出车体，在选用丝杆时考虑到大臂所受力几乎都要丝杆来承受，因此本方案选用导程小、单头滚珠丝杆来推进小臂使大臂从折叠状态提高，（如图2.2.3-3所示）丝杆和电机都固定在侧身板上，通过电机带动丝杆转，来使滚轴前进推进大臂运动。
本方案用中间套筒加弹簧来使大臂可以伸缩（如图2.2.3-2所示），在这里设计这个伸缩套筒有诸多种用处，在套筒中加入软弹簧可以变换长度，同步也可以实现小幅度旋转。为了可以将气爪放入车体，大臂处在收缩状态。此外从减轻机械臂重量和展开状态刚性规定角度出发，本方案选择硬铝作为机械臂材料，并在其中间开槽和打孔。手臂最大行程可以将轴承从中间杆中拿出。

图2.2.3-1
伸缩套筒

图2.2.3-2

滚珠丝杆
图2.2.3-3

2.2.4抓取和拧紧装置机构设计
通过和老师交流，为了可以迅速完毕抓取和拧紧动作，本方案选用气爪作为抓取与拧紧工具。首先，气爪在气体推进下可以迅速松开和夹紧。所认为了抓取轴承、垫圈、螺母，只要设计出对应尺寸爪子（如图2.2.4-1所示）。为了防止中间过程磨损，本方案选用耐磨45号钢来做气爪爪子。爪子提成两层和前后，前部最内一层用来抓取大轴承，深度为大轴承三分之一，这个是为气爪自身行程来考虑设计；第二层，由于行程够用，因此可以抓起第二个和第三轴承。后部两层是用来抓取垫片，也是同样道理。而为了可以抓起螺母，本方案在爪子抓口出做成六角形缺口，可以卡住螺母。（如图2.2.4-1所示CAD图），
然后就是拧紧装置，这个和抓取装置是同一种装置。在气抓上安装一种电机旋转装置，使整个气爪绕一种轴套（如图2.2.4-2所示）旋转，这样就到达拧紧效果了，考虑到是偏心运动，本方案选用转速相对较小电机来带动气爪，同样传动方式仍是皮带。（如图2.2.4-3所示）
通过这样一系列尺寸规定，以及拧紧装置设想，本方案初步设计了一下气爪构造（如图2.2.4-4）

图2.2.4-1

图2.2.4-2
皮带传动

图2.2.4-3

图2.2.4-4

2.2.5各机械部件连接设计
底轮轴与侧身板固定本方案用了法兰盘，使其不会晃动；轴是固定，为了使底轮可以用活动自如，本方案用轴承使底轮和轴进行配合；为了使轴承不轴向滑动，也为了不使底轮不轴向滑动，本方案用到了挡圈；两个侧身班连接，用顶部两块平行块用螺钉连接；大臂和车身连接，本方案用到了螺栓连接；其间还多次用到套筒，用来挡住轴承和中间挡板（如图2.2.5-1所示）

图2.2.5-1

2.3控制部分
整个机器人所有动力源均为直流电机，采用有线遥控方式控制模机器人运作。本方案用两个24V-150rpm电机来驱动车子前进；用一种24V-50rpm电机来驱动侧身丝杆来推进大臂升降；用一种24V-30rpm电机在气爪上来驱动气爪转动。同步安装了两个调速器来调整两个125转电机转速，防止过快而不轻易控制。
因此本方案总共只有四个电机。
通过以上场地分析和实际数据测量，再加上控制电机和控制开关之后，于是本方案将车型初定为（如图2.3所示）样子

图2.3

第三章 详细设计、计算和校核

3.1车动力与传动方案设计、计算与分析
3.1.1前进动力部分计算分析
底轮驱动是采用两个24V，n =125r/min减速电机（型号ZGA37RH26INo），通过皮带传动。底轮规定本方案原本打算设计成为直径为30mm，又由于需要同步带来传动因此通过手册查询（查机械手册。。。）本方案选定为节径为30.72mm，齿数为19带轮为底轮。又考虑到车身长度不能超过300。因此本方案将底轮之间中心距设计成185.43mm；同样为了使高度不超过300mm，将竖直两个皮带轮之间中心距设为198.15。另首先为了计算皮带型号以便，本方案将动力传动带轮大小设为同样。
[节线公式：L=2a+π（D+d）/2+(D-d)²/4a]
1.同步带轮及带选择：
底轮带节线长=30.72π+185.43×2=467.36mm，根据此数据查得同步带型号：184XL，92齿。
竖直传动带节线长=30.72π+198.15×2=492.76mm，同步带型号：194XL，97齿。
顶端了两电机驱动皮带节线长分别为228.60mm和284.48mm，型号为：90XL，45齿和112XL，56齿。
气爪旋转处驱动皮带节线长计算，由于气爪上空间有限，因此我们选择两个带轮是有大小，小型号：节径24.26，齿数15；大型号：节径37.19，齿数23。节线长=2×33.70+π（37.19-24.26）/2+(37.19-24.26)²/（4×33.70）=162.56mm，皮带型号：64XL，32齿。
2.电机型号选择有关计算
对于驱动电机选用，本方案没有通过严格计算和设计。根据场地和时间规定。首先，选用底轮大小为d=30mm，车子从起点到桥距离为765mm，轮子旋转一周距离是πd=94.2mm,也就是说从起点到上桥车轮要旋转8~9圈，起先本方案打算用24V-200rpm一般直流减速电机，这样从起点到桥只要2~3秒，可是后来在调试中发现两个问题：电子转速大控制者难以控制车辆；扭矩小，车子轻易在地上打滑。考虑到这些，本方案在选购电机是发现型号为ZGA37RH26INo减速电机，功率大转速也高。因此最终选定为24V-125rpm这种减速电机来做为驱动。
不过这样电机长度比一般要长，因此本方案才将电机安放在车顶部剩余空间。

3.2机械臂动力与传动方案设计、计算与分析
3.2.1机械臂关节部分
手臂与侧身板不是直接连接，由（图2.2.1-1）可知大臂是靠电机驱动丝杆运动出来。首先，通过度析场地，在抓取区域，从挡板到竖直杆距离为205mm再加上挡板厚度为15mm，因此车子要够到杆话手臂水平伸长量必须不小于220mm，有竖直杆高度为200mm，因此还要保证手臂上升能将气爪提高200mm。同过这些规定分析。
最终确定，丝杆长度为167mm，单头，螺距为6滚珠丝杆，用24V—50rpm一般减速电机来带动丝杆。此处速度不适宜快，而是规定稳定上升。上升时间T=167/6/50=33.4s，这个时间表达，将手臂推到最高处要半分钟，显然这个是很占时间，因此本方案打算在过桥和去抓取过程中慢慢将手臂伸出来。

伸缩芯（图3.2.1-1）

伸缩筒（图3.2.1-2）
如图3.2.1-1和3.2.1-2所示，这是手臂中一部分构造图，这是大臂前端这样套筒设计是为了在将爪子放回车体中节省空间。在套筒中放上长50mm，d=14mm系弹簧。

3.2.2气爪抓取和拧紧部分
如图3.2.2-1所示是爪子CAD设计图

图3.2.2-1
这是根据气爪最大行程和轴承、垫圈、螺母规格设计爪子。图中阶梯深度为轴承1/3深，由于爪子最大行程为120mm，而最大轴承直径为110mm，根据这个设计爪子大阶梯之间距离为110mm。同样根据中、小轴承来设计第二阶梯，不过由于气爪收缩状态间距很小因此只要设计一种阶梯就能分别抓起中、小轴承。同样道理设计抓垫片阶梯。

第四章 方案创新点
1.机械机构方面创新设计
为了可以实现过桥环节，本方案将小车设计成“几”字型（如图4-1）

图4-1“几”字型车身
如此车型可以保持不倾斜并且平稳迅速实现过桥动作
对于车体行走，本方案设计用履带式行走方式，可以平稳实现直走和转弯，外加调速器来控制行走速度和实现微调
机械手臂从初始状态到末尾状态是用滚珠丝杆推进来实现，滚珠丝杆既可以推进沉重大臂有节省了大部分空间。
抓取机构是用气爪，迅速并且轻易夹紧。
拧螺母机构通过旋转气爪，调速进行，不用额外设计拧紧装置，直接在抓取基础上实现。
2.机械手臂创新设计
机械手臂前端套筒设计（如图4-2）

图4-2伸缩套筒
通过压缩弹簧来实现，重要是将弹簧放在一种钢制套筒中，将臂一部分塞入套筒，对弹簧进行压缩到达缩短臂长效果，为气爪在车身侧板安装提供了空间，在必要时可以调整角度和大臂长度。驱动电机驱动滚珠丝杆将大臂往外推，其中丝杆轴原处旋转，而轴套沿丝杆直线上升。（如图4-3）

图4-3丝杆传动
3.抓取机构创新设计
机械车抓取机构是气爪，气爪是我们车重要特色，意在抓取速度快和轻易夹紧。抓取过程从上往下，气爪前端中空，套轴承杆子穿过气爪，可以做到定位效果。此外，爪子设计也独具创新，（如图4-4所示）

图4-4气爪爪子CAD
5
3
2
1
4

图4-5气爪爪子
提成三层圆弧状，高度大小刚好能使三种规格轴承放入。同步将爪子一端两个内面做成齿形，以便螺母夹紧。从（图4-5）可以看出阶梯3用来放置大轴承；阶梯2用来放此外两个轴承；1处就是用来夹螺母；4、5处分别放大小垫片。这样设计一次性可以抓取一种轴承、垫片、螺母；也就是说本方案只需要三次个来回就能完毕抓取安放工作。
4.拧紧机构创新设计
拧紧话是通过旋转整个气爪来实现，将螺母用气爪夹紧，放到螺栓上，过程中控制电机转速，防止旋转过程中过大偏心。这里将抓取和拧紧装置放在了同一种位置，节省了很大空间，也为车身整体重量减轻起到作用。
5.本设计方案长处
我们本着“用最简朴方案完毕最复杂动作”原则对机器人进行设计与制造。此机械车构造紧凑、实行性强、可靠度高。
设计初我们想了诸多方案，有从桥上过，从楼梯走，尚有过宽150mm边缘走。不过最终考虑到节省时间，我们决定选用过桥方案。机械车通过中间两块挡板，使车子在过桥时候夹在在桥上过去，从而到达平衡。不过这样对于驱动电机扭矩规定比较高。同步由于空间有限，起初我们设计手抓是竖直升降型，且用于升降滑轨可以由丝杆左右旋转。不过在真正制图计算时候发现，这样设计超过了预定高度。因此我就应用了最基本折叠机构，也就是最终手臂设计方案，这样既控制了高度，又以便设计。再者就是对于拧紧装置设计，本来是想单独设计一种套筒，提成高下依次三层，分别用来拧三个规格螺母。可是这样话我们就要在我们原有车身上再加出一种手臂，当然驱动装置也是。

第五章 设计总结

首先，感谢组委会举行这次机械设计大赛给我们这样学习机会和认识平台。让我们充足体验了一件机械产品从提出规定，确定方案到出图设计，再到制造加工，再到装配调试，这一种个过程，我们可谓受益匪浅。
从另首先也告诉我们，实践重要性，我们学到知识是很重要，不过没有付诸行动，知识一味智商谈兵，那么我仍是没有得到真正知识所带来价值。通过这次大赛，让我们对此体会很深。期间碰到诸多困难，电机烧坏、孔打错了、或者说是方案错误，这些问题有时候是小事，不过有些确实起决定性作用。我们指导老师总是鼓励我们说：措施总是比问题多。因此我们不再苦恼于或胆怯与出问题，而是想要问题早点出现，能让我们可以及时处理。因此这次大赛也使我们在心理上得到了提高，勇于放手干，勇于接受承担。同样，团体精神在这里也体现淋漓尽致。
同步，我们要感谢我们指导老师。在整个过程中，我们指导老师时常给我们在方案设计上和加工过程中提出宝贵意见，这也是我们可以不停完善方案原因之一
通过这次比赛，让我们充足认识，在后来真正走上工作岗位，会比这个愈加残酷。问题也会比这个多，承担风险更大。因此我们要做好充足准备来面对此后一切。

参照文献：1.《简要机械零件设计手册》
2.《机械设计手册》 第六版
3.《麦迪传动带》