毕业设计说明书(机器人解救人质).doc

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解救人质简易机器人的研制

摘要：

本设计基于传感器技术、智能控制技术、机电一体化技术及机器人学研制了一个能穿山洞，过小河，完成解救“人质”，并放置到安全通道等一系列动作的智能电动小车。

论文分析了小车本体、主控系统、信息感知单元、驱动单元等模块的理论论证、设计与调试过程，并结合实际调试过程的分析，详细阐述了小车整个行驶过程中的运动参数的规划与实现。

本设计的理论设计方案、调试方法、测试数据分析方法及设计中的特色与创新点等对自动运输机器人、家用清洁机器人、灭火机器人等自主及半自主机器人的设计与实现有一定的参考意义。

Thisdesigncanwearacaveaccordingtospreadingthetechnique,machineofthefeelingmachinetechnique,intelligencecontrolelectricityintegralwholetoturntechniqueandrobottolearntodevelop1,leadbrook,thecompletiongivesreliefto"hostage",andplacesafepassageetc.aseriestheintelligencedynamoelectricsmallcaroftheaction.Thethesisanalyzedasmallcaressence,maincontrolsystem,informationfeelingtoknowunitanddriveunitetc.thetheoriesargument,designofthemoldpiecewithadjusttotryprocess,andcombinetoadjustanalysisoftryingtheprocessphysically,elaboratedasmallcarindetailwholedriveprocessinoftheprogrammingandtherealizationofsportparameter.

Thisdesignoftheoriesdesignproject,adjusttotrytheanalysismethodandthespecialfeaturesandtheinnovationinthedesignofthemethod,testdatatoorderetc.istotheautomaticconveyancerobot,domesticexpensessweeprobot,extinguishfirerobot...etc.designandrealizationof[with]independenceandthehalfindependentrobotcontaincertainreferencemeaning.

关键词：

四轮小车、路径规划 、蜗轮蜗杆、过桥机构、行走机构和手臂上下摆动机构

一、前言：

“工欲善其事，必先利其器”。

人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。

作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。

世间万物，人力是第一资源，这是任何其它物质不能替代的。

尽管人类社会本身还存在着不文明、不平等的现象，甚至还存在着战争，但是，社会的进步是历史的必然，象其它许多科学技术的发明发现一样，机器人也渐渐成为人类的好助手、好朋友。

二、设计目的和任务：

通过设计，进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图、（其中包括计算机辅助设计）和学习使用设计资料、手册、标准和规范等；通过设计，把有关课程（机械原理、机械设计、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、现代机械设计理论及方法等）中所获得的理论知识在实际中综合的加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切地结合起来；通过设计，提高机构分析与综合的能力，机械结构设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。

本设计的宗旨是应用于示教性的空间五自由度机器人，设计重点侧重于方案和结构，设计中应用CAD电子绘图版软件，工作任务包括机器人机器人的过桥机构设计、小车行走机构设计和手臂上下摆动设计以及驱动的选择，传动方案的确定等等。

三、方案的拟订

本设计以制造简单，控制灵活准确为宗旨,进行总体机构的设计。

充分运用了机械原理、机械设计及工艺等相关理论知识。

为了使本机器人更方便改进和维护，我们对机器人采用了模块化设计的方法。

1、机器人过桥机构设计方案的拟订

根据设计要求，机器人必须通过一个宽300mm，深200mm的壕沟，（而机器人的长、宽、高均不超过300mm），有以下几种方案可以考虑：

（1）、飞越式

这种方法可以飞越任意宽度深度的壕沟，但是实现难度很大。

一是机器人顶部需安装螺旋桨，为获得足够升力，往往其旋转直径很大，尺寸很容易超过规定300*300*300要求。

二是带动螺旋桨的电机功率很大（估算为100瓦以上），而这种低电压（12伏）的电机很难制造出来。

（2）、步行式

步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好，智能程度也相对较高。

但它平稳性差，结构复杂，控制困难，灵活性好，但要控制它迈步而不倾倒是有难度的。

正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。

（3）、履带式

履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。

它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。

履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。

它的缺点是由于没有自位轮，没有转向机构，要转弯只能靠左右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在前进方向也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确定回转半径等。

因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。

图2-1履带式过桥机构示意图

如图2-1所示，过桥机构由里外均有齿形的同步带（效果近似于履带）带动的摆臂和齿轮齿条伸缩机构构成。

小车开到壕沟前伸出长约240mm左右的下面带车轮的齿条，小车往再前开一段能使齿条带小轮的那端搭到壕沟对岸10mm的距离即可，然后把同步带摆臂向后翻转180度，再启动小车就能完成过沟了。

过沟之后把齿条缩回同步带摆臂摆到原来位置即可。

（4）、架桥式

即采用架桥机构与机器人小车分离的办法。

如图2-1所示，架桥机构行驶由电机驱动，可以直走和转弯。

其底版由上下两块底版组成，其中下底板在过桥时可以完全伸出，伸出后其前轮与上底版前轮之间距离要保证不小于280mm，这样就可以保证整个桥搭在壕沟两端。

这样就完成了搭桥工作，上面的机器人小车就可以从桥上开过去，实现过桥动作。

图2-2架桥式机构原理示意图

综合以上考虑，后两种方案实现较为容易，又由于本机器人是在光滑平整的地面上动作，非常适合车轮运动，因此本设计采用架桥式机构。

2、机器人行驶机构设计方案的拟订

要求机器人行驶时可以实现前进、后退、左转、右转四个动作，实现的方法可以用步行式、履带式以及轮式三种方式。

1、步行式（见上）

2、履带式（见上）

3、车轮式

图2-3车轮行驶机构示意图

如图2-3所示，后面为两个驱动轮，前面为两个支撑轮。

直走时两电机转向相同，转弯时两电机转向相反。

为减轻重量，车轮本身采用铝或尼龙材料。

为保证与地面始终接触并增加与地面的摩擦力，轮缘采用弹性较好的橡胶制造。

车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。

车轮式移动的优点是：

适于平整硬质路面，能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，转向灵活，而且技术比较成熟。

综合以上几种方案，考虑到行走地面为光滑平整，再者轮式机构实现容易，因此机器人行驶机构我们采用了轮式机构。

3、机器人手臂升降机构设计方案的拟订

由于机器人采用普通直流电机驱动，而普通直流电机一般都具有转矩不大、不能自锁的缺陷，因此必须在电机与手臂之间需增加一个减速增力和实现自锁的装置。

根据机械传动知识可知，蜗轮蜗杆传动就可以实现上述功能。

如图2-12所示，安装时蜗轮和手臂固定在一起，电机与蜗杆固定在小车底盘上，要求蜗轮带动手臂每分转动5转左右并且速度可以调节，由于所需力矩很大，因此这里需选择一个功率较大的电机。

图2-12机器人手臂升降机构示意图

4、机器人驱动设计方案的拟订

机器人驱动系统，按动力源可分为液压驱动、气动驱动和电动驱动三种基本驱动类型。

我们可采用这三种基本驱动类型的一种，或合成式驱动系统。

这三种基本驱动系统的主要特点如下：

（1）、液压驱动

一般说来，液压驱动功率较大，可无级调速，反应灵敏，体积适当，执行机构易实现直接驱动。

但是使用液压系统，必须配备单独的液压站。

另外伸缩用的液压缸不适宜做成3级以上，伸出长度受到很大限制。

（2）、气动驱动:

相对液压系统，气压系统输出功率较小，但完全可以满足本机器人完成动作需要。

但其体积稍大，工作时有噪音，另外必须配备单独的空气压缩机。

（3）、普通电机驱动

根据本次设计要求，机器人驱动电机使用的是低于36伏的安全电压。

为了使机器人结构更加紧凑，输出的力矩达到要求，我们选用的一般是直流微型减速电机。

采用普通电机驱动，控制电路简单，安装方便，反应较液压气动更快，电机价格低廉，因此和其他驱动具有很大优势。

但其还存在转速很高，输出功率转矩小一般较小，寿命短，驱动装置不能自锁等缺陷。

步进电机驱动

图2-10步进电机进给系统示意图

步进电机输出转角大小与输入脉冲数严格成比例，即每输入一个脉冲，电机转子相应转动一步。

若在如图2-10的进给系统里，工作台就移动了一个脉冲当量（一般为1微米）。

步进电机的转速可随输入信号的脉冲频率而变化，可以实现无级调速，且调速范围相当宽。

因此采用步进电机驱动可以获得很好的位置精度（能够自锁）和速度控制性能，故在数控机床中得到广泛应用。

但较普通电机控制来看，低电压步进电机输出转矩一般比较小，控制电路复杂，成本高出很多。

综合比较上述各种驱动的特点，普通电机具有控制方便，成本低廉，并且可以通过各种减速机构来弥补其速度过高、输出转矩过小，不能自锁等缺点。

因此我们最终选用驱动采用普通直流减速电机驱动。

四、设计过程：

1机器人过桥机构的设计

（一）、工作原理

利用过桥机构中下底板的电机的旋转，实现齿轮的转动，进一步推动齿条向前伸长，将下底板推出去，并伸到理想长度，从而完成搭桥的结构，最后让小车从过桥机构上开过。

原理如图3-1：

图3-1过桥机构示意图

（二）、行走部分的设计

1、底板的设计

1）材料的选择

上底板所受的力不是很大，强度要求不高，考虑到机器人的重量要尽可能轻，所以选择铝板作为上底板。

2）结构的设计

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，所以初设过桥机构的长宽均为280mm，铝板所受的压力不是很大，强度要求不高，选择铝板的厚度为5mm。

2、车轮的设计

1）材料的选择

上底板要安装四个轮子，分别为驱动轮与前轮。

驱动轮完成的动作是电机带动该轮旋转，不可以变形，质量轻，故选择铝材料，外表面包一橡胶圈以增大摩擦力，使轮子与地面不打滑，同时轮子与电机的固定用紧固螺钉旋紧。

前轮子在行走过程中不起作用，只在搭桥时起支撑作用，小车从上面经过，会使过桥机构往后移动，所以这两个轮子卡在河岸边缘防止过桥机构后移，故材料不限。

但还是要考虑重量问题，选择塑料或者铝为轮子材料。

2）结构尺寸的设计

驱动轮直径大小影响到前进速度，驱动轮的直径要适当大，又考虑到总高≤300mm，根据过桥机构上小车的高度，初定轮子的直径D=54mm。

前轮主要起支撑作用，轮子要比驱动轮小，确定D=50mm。

3、电机的选择

1）电机转速的计算

①小车打转时

初定转弯时间为：

t=2s～4s

转弯半径为：

D=240mm

C=лd=240×3.14=753.6mm

V1′=753.6/2=376.8mm/s

V1″=753.6/4=188.4mm/s

V1=188.4mm/s～376.8mm/s

②驱动轮直走时

t=8s～10s，S=2.5m=2500mm

V2′=2500/8=312.5mm/s

V2″=2500/10=250mm/s

V2=250mm/s～312.5mm/s

轮子D=54mmC=лd=3.14×54=169.56mm

n1′=60×188.4/169.56=66.67r/min

n1″=60×376.8/169.56=133.33r/min

n1=66.67r/min～133.33r/min

n2′=60×250/169.56=88.46r/min

n2″=60×312.5/169.56=110.58r/min

n2=88.46r/min～110.58r/min

选择电机转速n为88.46r/min～110.58r/min,故选择95r/min的电动机

2）电机功率的计算

初定小车重量为：

G=mg=11×10=110（N）

小车与地面的摩擦力为：

查《机械手册》的橡胶与地面的摩擦系数µ=0.4

f=mgµ=11×10×0.4=44N

驱动轮的扭矩为：

T=f.1/2d=44×1/2×54=1188N.mm=1.188N.m

驱动电机的功率为:

P=Tn/9550=1.188×95/9550=0。

0118KW=11.8W

根据电机系列选择P=15W

3）选择电机的型号

根据以上计算结果，我们选择宁波天恒电机厂生产的JH37JB555型直流减速电机。

电机的型号为:

JH37JB555.

其主要参数:

V=268.47mm/sP=15Wn=95r/min

4、伸缩部分的结构设计

1）伸缩底板

伸缩底板材料：

下底板所受的力不是很大，强度要求不高，考虑到过桥机构的重量要尽可能轻，所以选择铝板作为下底板。

2）齿轮

①材料选择

齿轮的材料为45钢

②结构尺寸的设计

I、模数的确定

模数m=1.5

II、齿数的确定

齿数Z=11。

III、几何尺寸计算

分度圆直径为：

d=mZ=11×1.5=16.5mm。

齿顶圆直径为：

da=m（Z+2）=1.5（11+2）=19mm。

齿根圆直径为：

df=m（Z-2.5）=1.5（11-2.5）=12mm

宽度为B=10mm。

IV、齿轮的结构示意图如图3-2

图3-2过桥机构齿轮结构示意图

3）齿条的设计

①齿条材料的选择

齿条的材料为45钢

②结构尺寸的设计

模数为m=1.5mm

宽度为B=10mm

总长为L=230mm

有效长度为L1=210mm，

厚度为t=4mm。

4）电机的选择

①电机转速的确定

预设底板推出的时间为t=2s～5s

底板的推出的有效长度为L1=210mm

底板的推出速度V=210/2～210/5=105～42mm/s

m=1.5Z=11d=1.5×11=16.5mm

n=60×42/16.5～60×105/16.5=162.72r/min～42r/min

确定电机的转速n=160r/min

②电机功率的确定

考虑到底板伸出只克服两侧导向板的摩擦力和底板下两只轮子的滚动摩擦力，选择P=4W的电机。

③电机型号的确定

电机的型号为

电机的有关参数

n=160r/minP=4WU=12V

5）轮子的设计

①材料的确定

如图3-2，（6）和（18）两个轮子在行走过程中只起支撑作用，在搭桥时起支撑作用，小车从上面经过，会使过桥机构往后移动，所以这两个轮子卡在河岸边缘防止过桥机构后移，故材料不限。

但还是要考虑重量问题，选择尼龙材料。

②结构尺寸的设计

下底板的轮子主要起转弯作用，根据驱动轮的尺寸，轮子安装高度为40mm的滚动轮。

过桥机构零部件的安装图如下。

图3-3

图3-4过桥机构底盘示意图

1、4轮子2、3轮子电机5转动轴6、18轮子7、17轴承座8、9铝板10车轮支座11、6小轮子12齿轮13齿条14电机支座15齿轮齿条电机

2小车行走机构设计计算与分析

（一）、小车底板的设计

1、材料的选用

小车所受力不大，强度要求不高，故选择铝板作为小车的底板。

2、结构的设计

设计要求机器人小车的长、宽、高≤300mm，过桥机构安装平台的长、宽为280mm。

再考虑小车其他零件的尺寸，确定小车底板的长、宽均为240mm，采用4mm的厚度。

（二）、小车行走的实现方式

1、小车直走

小车驱动轮同时正转，或者同时逆转时，小车则直行。

2、小车转弯

小车的两个驱动轮其中有一个轮子正转，另一个逆转就可以实现小车的转弯。

通过小车两个驱动轮转向的不同来实现小车左转弯和右转弯的动作。

（三）、行走机构电机的计算与选择

1、电机的转速计算与选择

1）驱动轮打转时

初定转弯时间为：

t=2s～4s

转弯半径为：

D=200mm

L=πD=200×3.14=628mm

V1′=628/2=314mm/s

V1″=628/4=164.5mm/s

V1=164.5mm/s～314mm/s

2）驱动轮直走时

t=3s～5sS=2m=2000mm

V2′=2000/5=400mm/s

V2″=2000/9=222.2mm/s

V2=222.2mm/s～400mm/s

轮子D=49mm，C=πD=3.14×49=153.86mm

n1′=60×164.5/153.86=64.15r/min

n1″=60×314/153.86=122.45r/min

n1=64.15r/min～122.45r/min

n2′=60×222.2/153.86=86.65r/min

n2″=60×400/153.86=155.99r/min

n2=86.65r/min～155.99r/min

因此，选择电机转速n要在86.65r/min～155.99r/min。

2、选择电机的功率

初定小车重量为：

G=mg=8.7×10=87N

查《机械手册》的橡胶与地面的摩擦系数μ=0.65

f=mgμ=8.7×10×0.65=56.55N

驱动轮的扭矩为：

T=f.1/2d=56.55×1/2×49=1385N.m=1.385N.mm

驱动电机的功率为:

P=Tn/9550=1.385×95/9550=13.78W

根据电机系列选择P=15W

3、选择电机的型号

选择型号为JH37JB555型的电动机。

其主要参数为:

U=24VP=15Wn=95r/min

（四）、轮子的设计

1、轮子的材料选用

小车上共安装了四个轮子，分别为驱动轮与前轮。

电机带动驱动轮旋转，所以材料要不变形，质量轻，选择铝材料，外圈分别套了橡圈以增大与地面的摩擦力，不打滑、前进速度尽可能快。

同时轮子与电机的固定用紧固螺钉旋紧，前轮和驱动轮的结构相同。

2、结构尺寸设计

根据总高度≤300mm，减去过桥机构的高度后，初定小车四个轮子的直径为；D=49mm。

（五）、前轮心轴设计

1、材料的选用

轴的受力小，材料采用45号钢。

2、结构尺寸设计

两个轮子用一根轴固定在轴承上，由驱动轮带动两个前轮同时转动，轴长初定为210mm，直径为6mm光轴。

（六）、前轮心轴轴承座结构设计

1、材料的选用

轴承座的受力小，考虑重量问题，采用铝材料。

2、结构尺寸设计

两个前轮分别装于心轴两端通过轴承座固定在机器人的底板上，与过桥平台机构的前轮固定一样，采用相同结构，示意图如图3-5。

图3-5前轮心轴轴承座结构图

（七）、电机的安装支座

1、材料的选用

电机安装支座的受力小，考虑重量问题，采用铝材料。

2、结构尺寸设计

电机安装支座通过两个φ3的两个孔与电机固定，另两个φ3的孔用于跟底板的固定，结构示意图如图3-6。

图3-6底盘驱动电机安装支座结构图

（八）、小车底板的安装图

示意图如图3-7所示。

图3-7底盘安装示意图

3手臂上下摆动的设计计算与分析

（一）、手臂上下摆动原理图如图3-8

图3-8手臂上下摆动原理图

（二）、蜗轮的设计

1、材料选择

齿轮的材料为45钢

2、结构尺寸的设计

1）、模数的确定

初定模数m=1.5

2）、齿数的确定

初定齿数Z=35。

3）、几何尺寸计算

分度圆直径为：

d=mZ=1.5×35=52.5mm。

齿顶圆直径为：

da=m（Z+2）=1.5（35+2）=55.5mm。

齿根圆直径为：

df=m（Z-2.5）=1.5（35-2.5）=48.75mm

宽度为B=8mm。

（三）、蜗杆的设计

1、蜗杆材料的选择

蜗杆的材料为45钢

2、结构尺寸的确定

1）、蜗杆的头数确定

头数Z=1

2）、蜗杆模数的确定

模数为m=1.5mm

3）、蜗杆系数的确定

查《机械零件手册》得蜗杆直径系数q=8，径向间隙系数C*=0.2

4）、几何尺寸的确定

分度圆直径为：

d=mq==1.5×8=12mm。

齿顶圆直径为：

da=m（q+2ha*）=1.5（8+2×1）=15mm。

齿根圆直径为：

df=m（q-2ha*-2C*）=1.5（8-2×1-2×0.245）=8.265mm

总长L≥（11+0.06Z）m·2=（11+0.06×35）×1.5×2=39.3mm

故选择L=40mm。

（四）、电机的选择

P1为拉伸绳子的电机重量

P2为摇摆手爪的电机重量

G为手臂的自重

G1为手爪的重量

G2为人质的重量

1、电机转速的选择

传动比i=Z2/Z1=35/1=35

因为手臂抬高和下降速度不宜过大，速度太大，手臂在下降过程中由于惯性，会出现急降现象，蜗轮与蜗杆之间存在着较大的传动间隙，初设蜗轮n=3r/min，

所以

电机n=35×3=105r/min

选择电机转速为95r/min。

2、电机功率的选择

对支点N的力矩平衡方程式得：

P1·L4+M-P2·L1-G（G1+G2）·（L1+L2+L3）=0

0.8×0.07+M-0.9×0.16-4.5×0.33-（0.7+0.539）×（0.4+0.17+0.16）=0

M=2.45N·m

i=35

T2=iT1η

T1=T2/iη=M/iη=2.45/35×0.5=0.14

P=T1n/9550=0.14×95/9550=0.0139KW=13.9W

根据电机手册选择电机的