运载机器人设计运载机器人设计

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编号:20180927222811027501    类型:共享资源    大小:489.69KB    格式:RAR    上传时间:2018-09-28
  
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天津工程师范学院 毕毕 业业 设设 计(论文)计(论文) 题题 目目 第四届 CCTV 杯大学生机器人电视大赛 副标题副标题 运载机器人的设计制作 ` ` 性性 质:质: √√ 毕业设计毕业设计 毕业论文毕业论文 学生姓名学生姓名 许许 涛涛 年年 级级 20002000 级级 系系 别别 机械制造工程系机械制造工程系 专专 业业 机械制造工艺教育机械制造工艺教育 指导教师指导教师 周述齐周述齐 评定成绩评定成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 前前 言言 本设计说明书是对天津工程师范学院参加的“第四届 CCTV 杯大学生机器人电视大赛” 中名为“航母”的机器人设计的,是其中一个重要的环节,是根据天津工程师范学院毕业 设计的要求进行的,在指导教师的建议和同组同学的热心帮助下编写的。他是毕业设计最 终完成时所需写出的重要设计文件。 由“亚广联” (亚洲广播电视联盟)在亚洲及太平洋地区举行一年一度的亚太地区大学 生机器人大赛。在 2002 年 8 月 31 日在日本东京举办首届亚太地区大学生机器人大赛,有 包括中国在内的 20 个国家参赛。从 2002 年开始,我国举行了一年一度的全国大学生机器 人电视大赛,以选拔队伍参加亚广联亚太地区大学生机器人大赛。 “首届全国大学生机器人 电视大赛”是第一次全国范围内的大型机器人大赛,大赛的冠军队代表中国参加了日本东京 2002 年 8 月 31 日“首届亚广联亚太地区大学生机器人大赛”。大赛为大学生们提供了一个 探索科技、创新思维与实践行动的机会;为激发青少年开发与研制高科技的兴趣与爱好, 培养科学创新精神,活跃校园科技,培养未来科技人才和力量提供了舞台。 迄今亚广联已成功的举办了三届大学生机器人大赛,本届为第四届大赛的主题是: “登长城,燃圣火” 。长城是中国也是世界上修建时间最长、工程量最大的一项古代防御工 程。它既是具有丰富文化内涵的文化遗产,又是独具特色的自然景观。国内外游人常以“不 到长城非好汉”的诗句来表达一定要亲自登上长城饱览中华悠久文明和壮丽山河的心情。本 届大赛的意图是通过手动和自动机器人协作,登长城并向 5 个火炬和 4 堆篝火添加燃料得 分,比赛时间为 3 分钟。 目目 录录 摘要 Abstract 、、 机器人竞赛及机器人发展史简介……………………………………(1) 、、 比赛规则的简述………………………………………………………(6) 三、 “航母”机器人工作说明书………………………………………… (9) 四、 “航母”机器人的特点和功能……………………………………… (10) 1. 行走的特点和功能…………………………………………………… (10) 2. 输送的特点和功能…………………………………………………… (10) 3. 外围火炬投球的特点和功能………………………………………… (10) 4. 外围篝火盘的特点和功能…………………………………………… (10) 五、设计方案的拟定………………………………………………………(10) 六、机构结构特点分析………………………………………………… (12) 1、 手臂…………………………………………………………………… (12) 2、 主支撑杆……………………………………………………………… (12) 3、 底盘…………………………………………………………………… (12) 4、 篝火盘投球装置……………………………………………………… (12) 七、主要技术参数及尺寸拟定………………………………………… (12) 八、工作原理的简述………………………………………………………(13) 九、主要零部件强度校核计算……………………………………………(14) 总结…………………………………………………………………………(17) 致谢信………………………………………………………………………(18) 英文资料……………………………………………………………………(19) 译文…………………………………………………………………………(25) 参考资料……………………………………………………………………(30) 第四届 CCTV 杯大学生机器人电视大赛 ——运载机器人的设计制作 许涛 摘 要 机器人是一种可编程的,能执行某些操作或移动动作的自动控制机械。本课 题的主要任务是设计并制作自动机器人“航母”并在“第四届 CCTV 杯大学生机器 人电视大赛”中实现该机器人的预定任务。 在设计说明书中,首先介绍了本组所设计机器人的基本功能和主要技术参数, 其次是就机构的工作原理、机动原理进行了详细的介绍同时对机构进行了平衡 计算强度校核并绘出了装配图。 我们设计的机器人为多功能机器人,它的主要参数均符合设计要求,它的主 要功能有:行走、输送、外围火炬投球、外围篝火盘投球。 [关键词]:自动控制 机动原理 弯曲强度 Abstract A robot is a machine which can be programmed to Perform some tasks which involve manipulative or locomotive actions under automatic control. The main roles of the subject is design and make the motor robot, who is named “AIRCRAFT CARRIER ”, then we will attend the “University student's robot TV match of the fourth CCTV cup”.to finish the predeterminate tasks. In this project, first we introduce the basic functions and main technology parameters of the robot. Then we declare the working elements and the mobile elements in detail . At the same time, we count the winding intensity and draw the constructional blueprint. The robot that we designed is the multi-functional robot, its main parameter accords with the designing requirement , its main function is as follows, walk , transport , peripheral torch shoot ball , peripheral bonfire dish shoot the ball. Key words:Auto-control Mobile elements Winding Intensity 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 1 页 一、机器人竞赛及机器人发展史简介 机器人竞赛是以弘扬科学技术,突显创造与创新,强化团队合作,培养科学素养,关 联当今世界面临的问题与机遇为宗旨的一项综合多种学科知识和技能的青少年科技活动。 参赛同学通过计算机编程、工程设计、动手制作与技术构建,结合日常观察、积累去寻求 最完美的机器人制作方案,从而培养同学们的科技创新精神和动手实践能力,鼓励广大机 器人爱好者在信息、自动化控制等高新科技领域进行力所能及的学习、探索、研究和实践 激发他们对科学的兴趣,提高他们的科学素质。中国青少年机器人竞赛活动是,中国科协 在 21 世纪青少年科技创新活动中着力创建和打造的一个崭新品牌。它以弘扬科学技术,突 显创造与创新,强化团队贡献,培养科学素质,关联当今世界面临的问题与机遇为宗旨。 组织开展这项活动的目的是,组织青少年在参加电脑机器人的活动中,将现实世界的事物 与“动手做”活动相结合,放手让青少年通过活动,去发现解决问题的方法,并获得那些 当今科学家和工程师们所面对的机会,培养青少年的科技创新精神和动手实践能力,让他 们能够更好地适应 21 世纪的科学技术发展的趋势;鼓励更多的青少年电脑机器人爱好者在 信息、自动控制等高新科技领域,进行力所能及的学习、探索、研究和实践,激发他们对 科学的兴趣,提高他们的科学素质。机器人大赛是近年来国际上迅速开展起来的一种高技 术对抗活动,它涉及人工智能、自动控制、机械电子、通信、传感及机构等多个领域的前 沿研究和技术融合,集高技术、娱乐和比赛于一体,引起了公众的广泛关注和极大兴趣。 目前,国际上推出了各种不同类型的机器人大赛,如机器人足球、机器人灭火、机器人相 扑、机器人舞蹈、机器人走迷宫和机器人赛跑等。机器人大赛,不仅为青少年提供了良好 的寓教于乐的载体,也极大地促进了实用智能机器人的研发。 相扑这个日本著名的体育项目也被引入到机器人比赛中,日本的机器人相扑比赛深受 人们的喜爱。目前,我国也引进了这项机器人比赛,天津职业技术师范学院是我国在机器 人相扑比赛领域的先行者。机器人舞蹈比赛是近年兴起的一种趣味性很强的机器人比赛项 目。我国的一些高校都在校内开展了此项比赛,中国科技大学和中国矿业大学是目前我国 此项比赛的领先者。 机器人足球赛是众多机器人竞赛中最为流行的比赛,它提供了一个小空间内的高技术 对抗平台,集技术性、竞技性和趣味性于一体。其中 FIRA 和 ROBOCUP 是最具国际影响的两 项机器人足球赛。 举办机器人大赛的目的是通过竞赛手段,吸引更多科技工作者,尤其是广大青少年学 生参与到这项活动中来,以促进机器人及智能自动化领域相关技术的发展。 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 2 页 机器人发展史简介 美国是机器人的诞生地,早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人,比起号称“ 机器人王国“的日本起步至少要早五六年。经过 30 多年的发展,美国现已成为世界上的机 器人强国之一,基础雄厚,技术先进。综观它的发展史,道路是曲折的,不平坦的。由于 美国政府从 60 年代到 70 年代中的十几年期间,并没有把工业机器人列入重点发展项目, 只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说,在只看到眼前利益,政 府又无财政支持的情况下,宁愿错过良机,固守在使用刚性自动化装置上,也不愿冒着风 险,去应用或制造机器人。加上,当时美国失业率高达 6.65%,政府担心发展机器人会 造成更多人失业,因此不予投资,也不组织研制机器人,这不能不说是美国政府的战略决 策错误。70 年代后期,美国政府和企业界虽有所重视,但在技术路线上仍把重点放在研究 机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上,致使日本的 工业机器人后来居上,并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国,产品在 国际市场上形成了较强的竞争力。进入 80 年代之后,美国才感到形势紧迫,政府和企业界 才对机器人真正重视起来,政策上也有所体现,一方面鼓励工业界发展和应用机器人,另 一方面制订计划、提高投资,增加机器人的研究经费,把机器人看成美国再次工业化的特 征,使美国的机器人迅速发展。80 年代中后期,随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟, 第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要,美国开始生产带有视觉、力觉的第二 代机器人,并很快占领了美国 60%的机器人市场。尽管美国在机器人发展史上走过一条重 视理论研究,忽视应用开发研究的曲折道路,但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于 领先地位。其技术全面、先进,适应性也很强。具体表现在:(1)性能可靠,功能全面, 精确度高;(2)机器人语言研究发展较快,语言类型多、应用广,水平高居世界之首; (3)智能技术发展快,其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用; 4)高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速,主要用于扫雷、布雷、侦察、 站岗及太空探测方面。 早在 1966 年,美国 Unimation 公司的尤尼曼特机器人和 AMF 公司的沃莎特兰机器人 就已经率先进入英国市场。1967 年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司 在英国推销机器人。接着,英国 Hall Automation 公司研制出自己的机器人 RAMP。70 年 代初期,由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的 Lighthall 报告,对 工业机器人实行了限制发展的严厉措施,因而机器人工业一蹶不振,在西欧差不多居于末 位。 但是,国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到:机器人技术的落后, 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 3 页 导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是,从 70 年代末开始,英国政府转而采取 支持态度,推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施,如广泛宣传使用机器人的 重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等,使 英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。 法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列,而且在机器人应用水平和应用范围上处于 世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术,特别是把重点放在 开展机器人的应用研究上。法国机器人的发展比较顺利,主要原因是通过政府大力支持的 研究计划,建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研 究项目,而由工业界支持开展应用和开发方面的工作,两者相辅相成,使机器人在法国企 业界很快发展和普及。国工业机器人的总数占世界第三位,仅次于日本和美国。这里所说 的德国,主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如 此,是因为德国的机器人工业一起步,就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却 是有利于机器人工业发展的。因为战争,导致劳动力短缺,以及国民技术水平高,都是实 现使用机器人的有利条件。到了 70 年代中后期,政府采用行政手段为机器人的推广开辟道 路;在“改善劳动条件计划“中规定,对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位,必须以机 器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场,并推动了工业机 器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族,他们始终坚持技术应用和社会需求相 结合的原则。除了像大多数国家一样,将机器人主要应用在汽车工业之外,突出的一点是 德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业,报废了旧机器,购买了现代化自动设 备、电子计算机和机器人,使纺织工业成本下降、质量提高,产品的花色品种更加适销对 路。到 1984 年终于使这一被喻为“快完蛋的行业“重新振兴起来。与此同时,德国看到了机 器人等先进自动化技术对工业生产的作用,提出了 1985 年以后要向高级的、带感觉的智能 型机器人转移的目标。经过近十年的努力,其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于 公认的领先地位。 在前苏联(主要是在俄罗斯) ,从理论和实践上探讨机器人技术是从 50 年代后半期开 始的。到了 50 年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968 年成功地试制出一台深水作 业机器人。1971 年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年计划(1970 年一 1975 年)开始时,就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到 1975 年,已研制 出 30 个型号的 120 台机器人,经过 20 年的努力,前苏联的机器人在数量、质量水乎上均 处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段,来 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 4 页 安排机器人的研究制造;有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作,都由政府安排, 有计划、按步骤地进行。 有人认为,应用机器人只是为了节省劳动力,而我国劳动力资源丰富,发展机器人不 一定符合我国国情。这是一种误解。在我国,社会主义制度的优越性决定了机器人能够充 分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益,而且将 为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国已在 “七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容,拨巨款在沈阳建立了全国第一个机 器人研究示范工程,全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来,相继研制 出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军 用和特种机器人。目前,示教再现型机器人技术已基本成熟,并在工厂中推广应用。我国 自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986 年 3 月开始 的国家 863 高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看,我们应从 生产和应用的角度出发,结合我国国情,加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和 某些特种机器人。 日本在 60 年代末正处于经济高度发展时期,年增长率达 11%。第二次世界大战后,日本 的劳动力本来就紧张,而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此,日本 在 1967 年由川崎重工业公司从美国 Unimation 公司引进机器人及其技术,建立起生产车间, 并于 1968 年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足, 机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植 政策,鼓励发展和推广应用机器人,从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。 尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策,如由政府银行提供优惠的低息资金,鼓 励集资成立“机器人长期租赁公司” ,公司出资购入机器人后长期租给用户,使用者每月只 需付较低廉的租金,大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担;政府把由计算机控制的 示教再现型机器人作为特别折扣优待产品,企业除享受新设备通常的 40%折扣优待外,还 可再享受 13%的价格补贴。另一方面,国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技 术指导等等。这一系列扶植政策,使日本机器人产业迅速发展起来,经过短短的十几年, 到 80 年代中期,已一跃而为“机器人王国” ,其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居 首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法:“日本机器人的发展经过了 60 年代的摇篮期,70 年代的实用期,到 80 年代进人普及提高期。 ”并正式把 1980 年定为 “产业机器人的普及元年” ,开始在各个领域内广泛推广使用机器人。本政府和企业充分信 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 5 页 任机器人,大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望,它在解决劳动力不足、提高 生产率、改进产品质量和降低生产成本方面,发挥着越来越显著的作用,成为日本保持经 济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器 人生产,使日本汽车及电子产品产量猛增,质量日益提高,而制造成本则大为降低。从而 使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场,并且向机器 人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时,日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国 市场……这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人,增大了国力,获得了 巨大的好处,迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施,奋起直追。 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 6 页 二、比赛规则的简述 (一) 、 比赛场地 图 2-1 1.比赛场地为 14000mm×14000mm 的正方形区域。 2.赛场地面用 2mm 厚的聚乙烯片铺设。聚乙烯片将用无光泽的聚乙烯带连接。 3.比赛场地周围有 100mm 高 30mm 厚的木质围栏。 4.比赛场地由“手动区” 、 “篝火区”和“自动区” (包括烽火台)组成。 5.自动区:范围:9000mm×9000mm 的方形区域。只有自动机器人可在自动区运行。 自动区贴有 30mm 宽的白色引导线。每个队的自动机器人启动区大小为 1000mm×1000mm,位于自动区边上,两队的启动区相对配置。自动区正中有一个 八边形烽火台,高度 100mm,它的四条边长为 2000mm,另四条边长为 1414 mm。在 两条 2000mm 的边与自动区地面之间有坡度为 1/5 的斜面。自动区中有 5 个火炬。 高度为 1800mm 的主火炬位于场地正中。另 4 个高度为 1500mm 的外围火炬在它的 四周。 6.篝火区:四个直径为 1200mm 的篝火区位于自动区的四角。 篝火区中央有直径 600mm、高 100mm 的燃料盘,盘边宽 50mm,盘深 30mm。燃料盘与地面以 350mm 宽 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 7 页 的斜面相连。篝火区的细节参见所附的场地布局平面图。 (二) 、 机器人 每个参赛队必须设计和制作手动机器人或自动机器人,也可以同时制作手动机器人和 自动机器人,对机器人的数量没有限制,但每队只允许有一台手动机器人。 1.自动机器人:自动机器人必须是自主的。由一台自动机器人分离出来的每一件物 品均被认为是另一台自动机器人,所以,它必须能像自动机器人一样工作。比赛 开始前,每个队的所有自动机器人总共可预装 16 个燃料球。每台自动机器人必须 一次操作启动。自动机器人可以进入除篝火区以外的任何区域,但不能伸到篝火 区上方。比赛开始后,所有自动机器人可以逐个启动,但启动动作必须在 20 秒内 完成,然后,负责启动的队员必须立即退出赛场,站在木围栏外。在规定时间内 没有启动的自动机器人将被留在启动区内。一旦机器人启动,参赛队员不能接触 机器人。自动机器人不允许以任何方式相互通信。 2.控制方法:对于自动机器人,每场比赛每队允许一次“重试”。某队叫“重试”且裁判 允许后,该队的所有队员均可在启动区重新设置和启动本队的任何自动机器人。 但是,所有“重试” 的动作必须在 20 秒内完成,然后,负责启动的队员必须立即 退出赛场,站在木围栏外。只有在启动自动机器人和一次“重试”时,自动机器人 的操作者才能进入赛场。 3.能源:比赛期间各队应为自己的所有机器人准备能源。机器人的电源电压必须低 于 24VDC。不允许使用组委会认为危险和不适当的能源。 4.重量:每个队上场的所有机器人的总重不得超过 50kg。总重包括能源、电缆、遥 控器和机器人其它部件的重量。 5.尺寸:自动机器人的总尺寸必须能纳入启动区 1000mm×1000mm×1500mm 的范围 內。自动机器人离开启动区后可以分离,尺寸可以自由改变,但高度不能超过 2000mm。手动机器人的总尺寸必须能纳入启动区 1000mm×1000mm×1500mm 的范 围內。离开启动区后,手动机器人的尺寸可以自由改变,但高度必须在 1500mm 以内,且不能分离。 (三) 、物品(燃料球) 1.燃料球为直径 150mm、重量约 150g 的胶质小篮球。 2.球内的气压是要控制的,使它的弹性较差。球从 1m 高处落下时的反弹高度不应超 过 150mm±50mm。 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 8 页 3.两队分别使用红色和蓝色的球。 (四) 、 比赛 1.赛制:初赛为小组单循环赛,1/8、1/4 复赛、半决赛、决赛为淘汰赛。 1.比赛持续时间:比赛将持续 3 分钟。但是,如果某队 1) 在主火炬的绿色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球; 2) 在某一对角线上的两个外围火炬的自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球; 3) 并且,在四个篝火燃料盘中至少各有一个自己的燃料球; 该队即实现“登上长城”,比赛将立即结束。机器人的设置必须在接到设置命令 l 分钟之内完成。 1.记分:比赛结束时记分,能留在火炬燃料筒或篝火燃料盘内的燃料球(燃料球不 得与机器人接触)可以记分。记分规则如下: 4) 主火炬燃料筒中的一个燃料球记 5 分。 5) 外围炬燃料筒中的一个燃料球记 1 分。 6) 燃料盘中的一个燃料球记 1 分。 7) 主火炬的燃料筒必须由登上烽火台的自动机器人添加燃料球。 8) 在绿色燃料筒和篝火燃料盘中,两队的燃料球分别记分。 9) 如果某队将自己的燃料球投入对方的燃料筒,判对方得分。 1.确定获胜者:比赛的优胜者将根据下列情况确定。 1) “登上长城”的队赢得比赛。 2)在两队均未“登上长城”的情况下,将所有得分相加扣除犯规分,得分多的队获 胜。 3)如果出现平局,比赛的获胜者将按以下顺序来决定。在主火炬的自己的燃料筒 和绿色燃料筒中均添加了燃料的队获胜。在所有火炬中得分多的队获胜。如果按上 述顺序仍不能选定优胜者,将由裁判确定。 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 9 页 三、 “航母”机器人工作说明书 本自动机器人名为“航母” ,设计及制造目的是在“第四届 CCTV 杯大学生机器人电 视大赛”中完成本机器人的设计任务并配合其他机器人在大赛中尽力取得理想的成绩。 “航母”机器人的设计任务主要由三个分别是:任务 1 运送自动机器人“好汉”到达 预定地域,任务 2 对外围火炬准确投球,任务 3 对外围篝火准确投球;具体执行情况如下: 任务 1,机器人“航母”最初放置于自动机器人启动区的中右半部分,此时自动机器人 “好汉”放置在“航母”上;当比赛开始机器人启动后“航母”连同它所运载的“好汉” 以圆弧轨迹运动,此时传感器不对引导线寻线,机器人的运动完全是执行预先编制的运动 程序,依靠程序控制电机差动实现圆弧运动轨迹。采用圆弧运动轨迹的目的是在“航母” 在把“好汉”运至烽火台时“航母”的轴线与烽火台轴线成一定的角度,使“航母”和 “好汉”面向烽火台中央的中央火炬,以便于好汉快速的采用直线运动轨迹到达中央火炬, 这样的优点是同时省去了“好汉”和“航母”的寻线程序提高了机器人的运动速度,可以 节省大量的时间,并且由于“好汉”不需要转弯可以省去一个驱动电机,这样可以减少一 定的重量和资金,最重要的是节省了“好汉”寻线的程序可以减少出错的概率提高了机器 人的可靠性。由于“好汉”有用于找正位置的机构所以航母的运动轨迹不需要特别的精确 可以有一定的偏差。 任务 2,当完成对“好汉”的输送后,本机器人倒退 1 米并转动 90º 在此过程中传感器 开始寻线,完成倒退并转弯后机器人依靠寻线器加速以直线向外围火炬移动到达程序所编 制的位置后开始投球。采用这样的运动方式是根据试验中机器人的转弯越多,所编制的程 序越多并且控制时复杂且困难,因此尽量了避免机器人的转弯,提高了运动速度、争取了 比赛时间。 任务 3,完成外围火炬的投球后机器人“航母”继续直线运动直到到达场地中自动区的 木制围栏触发行程开关后停止运动,接通外围篝火盘的投球程序,对外围篝火盘投球实现 任务 3。 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 10 页 四、 “航母”机器人的特点和功能 根据“第四届 CCTV 杯大学生机器人电视大赛”的比赛规则,经过一段时间的设计及 制作我们特设计了这台名为“航母”的自动机器人本机器人可靠性高,经济合理外形美观, 体积、重量合理,能耗小,效率高,主要参数均符合设计要求,它可以实现以下方面功能: (一) 、行走:在电机带动下依靠寻线器对场地上的白色引导线的追踪可实现在场地 中自由行走。 (二) 、输送:将名为“好汉”的自动机器人运送至八边形烽火台上。 (三) 、外围火炬投球:在自动控制下到达预定地域后通过手臂自动对外围火炬投球。 (四) 、外围篝火盘投球:在自动控制下到达预定地域后又篝火盘投球装置对特定的 外围篝火盘投球。 五、设计方案的拟定: 接到设计任务以后,我们进行了设计方案的拟定,对于本设计来说,我们首先应考虑 该机器人能够实现以下三个功能,运送自动机器人“好汉”到达预定地域,对外围火炬准 确投球和对外围篝火准确投球;同时在满足对尺寸及重量的限制的前提下,希望能够做到 体积小、重量轻、能耗小、效率高、可靠性高、经济合理、外形美观。在使用方面要求机 器人在场上工作时有较高的可靠性。并能始终正常工作(为保证在复赛中继续工作易损部 件应装卸方便) ,从经济方面看,机器人制造成本应与性能相结合,获得较大的性能价格比, 外观造型因比例协调,大方,尽量给人以美感。 经过一段时间的设计分析与研究在指导教师的帮助下我选定如方案图所示的机器人方 案。 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 11 页 方案图 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 12 页 六、机构的特点分析: 自动机器人“航母”主要由手臂、主支撑杆、底盘、篝火盘投球装置 (一)、手臂 手臂由手臂杆和手爪组成它的功能是对外围火炬添加燃料球是“航母”机器人上最关 键的组件之一,手臂杆选用 20×20mm 的回型截面的铝合金材料,手爪由五块 180×180mm 的铝合金板焊接而成,手臂上装有 70rpm 的电机一个和两个带轮,其中一个带轮与电机相 连接另一个通过轴承与主支撑杆上的周颈相连接,由于机器人高度的限制采用手臂杆与水 平方向成 11°角。通过带传动手臂可以以主支撑杆为轴线旋转一定角度以实现投球动作 (二)、主支撑杆 主支撑杆是一个主要的支撑件,在工作中受到弯曲应力的作用,所以它的刚度和强度 显得很重要,我们选用了 38×25mm 的回型截面铝合金作为制造材料,主支撑杆上端通过轴 颈与手臂连接,中部通过焊接与球库装置相连。 (三)、底盘 底盘是本机构的主体部分,它主要起连接个机构并装载自动机器人“好汉”实现行走 功能的作用它是一个焊接件,由 38×25mm 的回型截面铝合金作为制造材料焊接而成底盘总 尺寸 850×500mm,面积为 650×500mm 的前部装有导轨用于放置“好汉”并为“好汉”的 移动起导向的作用,后部的 200×500 的面积用于装载本机器人主支撑杆及篝火盘投球装置, 底盘采用前轮驱动方案,在底盘前部有一块与底盘轴线呈 75°角的平板用于在靠紧八边形 烽火台台阶时车体与场地呈 15°的角度使“好汉”机器人可直线行走到达中央火炬。 (四)、篝火盘投球装置 篝火盘投球装置是本机构的重要组成部分之一,它主要起对外围篝火盘投球的作用, 它由一个转速为 500rpm 的电机与一块挡板及 Ø270 的橡胶轮组成为减轻重量挡板由木板制 成,电机与橡胶轮的作用是电机给轮以一定转速,由橡胶轮以适当的线速度作用在球上给 球一定的初速度投向篝火盘,挡板的作用是配合电机和橡胶轮给球以反转使球落入篝火盘 内时减少前冲的趋势,降低球在惯性的作用下跳出篝火盘的概率。 七、尺寸的拟定及主要技术参数 (一) 、尺寸的拟定:尺寸的拟定我们主要遵循以下几个方面,首先他们应该满足设计 要求中对本机器人尺寸上的限制要求,其次配合“好汉”的尺寸应留出足够的空间放置 “好汉”机器人,以及必须有足够的空间安装本机器人用于完成其他任务的机构。在这些 前提下应该满足安全可靠、经济合理、外形美观等各项要求。并尽量做到体积小重量轻等。 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 13 页 总体尺寸的拟定: 设计要求尺寸的限制为:小于 520x800mm2;以此要求对总装尺寸进行估算: 外围火炬高度为 1.5m,设计车体高度为 1.473m “好汉”的长×宽为 500×700 结合本机器人其他机构设计车长×宽为 520×800 (二) 、主要技术参数: 1.总体尺寸(长×宽×高) (m)………………………0.82×0.52×1.49 2.最大展开尺寸(长×宽×高) (m)…………………1.015×0.934×1.49 3.手臂旋转角度…………………………………………158° 4.最高速度(m/s)………………………………………1.5 5.篝火盘投球机构最大投球距离(m)…………………0.96 6.自重(kg)………………………………………………10 八、工作原理及比赛规则的简述 (一)、行走功能的实现 “航母”机器人的行走功能主要由车体底盘上两个 500rpm 的电机提供动力带动两前轮 以前驱的运动方式实现的,转向功能由车体后部的两个万向轮配合两个前驱电机的差速来 实现。 (二)、输送功能的实现原理 机器人起动后依靠两电机的差速使机器人呈圆弧轨迹行走以一定角度与八边形烽火台接 触实现输送机动机器人“好汉”的功能。 (三)、外围火炬投球功能的实现原理 当机器人到达预定地点手臂上的电机通过与电机相连的一个带轮依靠带传动传递动力 使手臂相对主支撑杆旋转;当手爪上的“S”型开关接触到“火焰”挡板后脱开与手爪底 板的连接,使球落入火炬内。 (四)、外围火炬投球功能实现原理 投球装置主要由一个装有直径为 Ø270mm 橡胶轮的 500rpm 电机和一块木制挡板以及一 个球库组成,机器人到达投球位置后由电机给橡胶轮一定转速后,球库放出一个球,球在 橡胶轮和挡板的挤压下被以一定速度呈反向旋转状态的情况下抛出落入篝火盘实现投球功 能。 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 14 页 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 15 页 九、主要零部件强度校合计算 (一) 、底盘横梁 剪力图: 由受力图分析得: ∑MA=0 -F×282.5×10+RB×645×10=0 33 RB=49×282.5×10/(645×10)=21.46N 33 ∑Y=0 RA +RB –F=0 RA =49-21.46=27.54N 弯矩图: 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 16 页 M==49×282.5×10×362.5×10/645×10=7.78N.M max L Fab 333 强度校核:材料为 LY12 [σ]=43Mpa σ==7.78×1×6/25×10×(38×10) =1.293Mpa[σ]=43Mpa max Z W max M 332 经计算强度足够 (二) 、主支撑杆 剪力图: L=1335.6mm q=18.34N Q=q×L=18.34×1.33536=24.49N max M==18.34×1.33536 /2=16.35N.M max 2 2 qL 2 强度校核:材料为 LY12 [σ]=43Mpa σ==16.35×1×6/25×10×(38×10) =2.72Mpa[σ]=43Mpa max Z W max M 332 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 17 页 经计算强度足够 (三) 、副支撑杆 剪力图: F=9.8N L=0.5m Q=F=9.8N max M=F×L=9.8×0.5=4.9N.M max 强度校核:材料为 LY1 [σ]=40Mpa σ==4.9×6/25×10×(38×10) =0.8Mpa[σ]=40Mpa max Z W max M 332 经计算强度足够 天津工程师范学院毕业设计 (说明书) 第 18 页 总总 结结 为期十六周的机器人毕业设计基本结束,回顾整个过程我觉得收益非浅。毕业设计是 综合运用所学的理论知识与操作技能,分析解决工程实际问题的重要教学环节。通过毕业 设计要掌握分析解决工程实际问题的思想与套路。为完成上述目标,必须在加深对所学课 程实质的理解的基础上,综合运用所学知识联系实际进行分析,坚持严谨求实的科学态度 和探索创新的科学精神,体会从事工程实践和科学研究的方法与步骤。毕业设计作为学完 机械制造工艺专业的全部课程后的综合能力的检验、是本科教育的最后环节也是重要教学 环节。它使理论与实践更加接近,尤其体现在本机器人的动手制作中,不仅运用到所学的 基础知识和专业知识更进一步锻炼了我们的动手能力,使自己能够综合运用本科教
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