1、畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書專業(yè)（班）專業(yè)（班）： 05 機(jī)電一體化機(jī)電一體化 姓名姓名： 劉帥劉帥 課題名稱、主要內(nèi)容和基本要求課題名稱：模擬物流機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容： 1、根據(jù)工況要求研究機(jī)器人的工作原理2、學(xué)習(xí)主題是模擬物流機(jī)器人的工作過程，實現(xiàn)工件運輸功能，完成總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對關(guān)鍵部件作 CAD 圖或三維立體圖的設(shè)計。3、負(fù)責(zé)機(jī)器人整體設(shè)計，確定機(jī)械部分各相關(guān)的尺寸及電機(jī)選型等。在制作環(huán)節(jié)中，完成焊接工作和整體調(diào)試工作。機(jī)器人完成后能實現(xiàn)從工件庫中挑選出圓形或方形工件，送到指定的地點進(jìn)行堆垛。基本要求：1、了解模擬物流機(jī)器人的應(yīng)用范圍2、分析模擬物流機(jī)器人機(jī)

2、械結(jié)構(gòu)和功能原理3、通過分析完成結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計，經(jīng)加工、焊接等工序完成機(jī)器人的組裝工作。 進(jìn)度安排周次工作內(nèi)容執(zhí)行情況5-6查詢、收集資料、市場調(diào)查、確定總體設(shè)計方案，并進(jìn)行電機(jī)選型。7了解組成機(jī)器人所需的材料，選材，制定采購清單8完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計并進(jìn)行改良910協(xié)調(diào)其它部件的加工制作，并配合其它成員進(jìn)行整體組裝，對需要焊接的部件進(jìn)行焊接和調(diào)整11-12完成機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙13試運行，并對的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良14-15寫畢業(yè)論文16畢業(yè)論文審核、修改17畢業(yè)答辯 指導(dǎo)教師評語 指導(dǎo)教師簽名： 評閱教師評語 評閱教師簽名： 畢業(yè)設(shè)計（論文）成績答辯委員會主任簽名： 摘摘 要要機(jī)器人學(xué)是當(dāng)今世界

3、極為活躍的研究領(lǐng)域之一，它涉及計算機(jī)科學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動控制、人工只能等多個學(xué)科。機(jī)器人是一種典型的現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已成為人類的好幫手。在航空航天、深害探測中，往往使用機(jī)器人去代替人類完成艱巨又復(fù)雜的極限工作任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人自誕生到現(xiàn)在近半個世紀(jì)以來，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域。今天，機(jī)器人又深入到現(xiàn)代生產(chǎn)、國民經(jīng)濟(jì)和人們的生活當(dāng)中。作為機(jī)電一體化專業(yè)的大學(xué)生，有必要掌握一定深度的機(jī)器人技術(shù)方面的知識，以便在工作、學(xué)習(xí)和生活中不斷提自己的能力和水平。我們的畢業(yè)設(shè)計課題是模擬物流機(jī)器人的設(shè)計與制作，本文主要介紹模擬物流機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。全文分為四章，第一

4、章是緒論，它包括的內(nèi)容有畢業(yè)設(shè)計課題的來源以及研究的目的和意義。第二章是機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)分析，通過對搬運機(jī)器人的功能的分析來確定機(jī)器人所需要的零部件，接著是對機(jī)器人的一定方式的分析，對步行機(jī)器人和輪式機(jī)器人的優(yōu)缺點結(jié)合模擬環(huán)境進(jìn)行比較，確定輪式機(jī)器人為最終方案。第三章是機(jī)器人的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要將了機(jī)器人的組裝，以及組裝時要注意的問題。而且還提供了本機(jī)器人的工程圖以及效果圖。第四章是對制作機(jī)器人整個過程的總結(jié)。由于我的水平有限，文中難免存在不當(dāng)之處，所以我懇請各位老師給予批評指正。最后要感謝和我一起制作機(jī)器人的組員已經(jīng)我的指導(dǎo)老師。關(guān)鍵詞： 模擬物流機(jī)器人、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程圖、效果圖 目

5、錄目錄摘 要.IV第一章 緒論.11.1 畢業(yè)設(shè)計課題的來源及研究的目的和意義.1課題來源.1課題的目的和意義.21.2 課題主要研究的內(nèi)容.2第二章 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)分析.42.1 功能分析.42.2 移動式機(jī)器人分析.5步行式機(jī)器人分析.5輪式機(jī)器人.9本機(jī)器人的驅(qū)動方式.132.3 機(jī)器手分析.132.4 其他方面分析.14第三章 機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計.163.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計.163.2 機(jī)器人的組裝.183.3 安裝時需要注意的問題.203.3 機(jī)器人的效果圖.22第四章 課題總結(jié).24參考文獻(xiàn).27致謝.28附錄.29第一章第一章 緒論緒論1.1 畢業(yè)設(shè)計課題的來源及研究的目和意

6、義畢業(yè)設(shè)計課題的來源及研究的目和意義 機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是二十一世紀(jì)自動控制最大的成就，是當(dāng)代具有最高意義的自動化。進(jìn)入二十一世紀(jì)，人們已經(jīng)越來越親身的感受到機(jī)器人深入產(chǎn)業(yè)、深入的生活、深入社會的堅實步伐。 近年來機(jī)器人作為機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、人工只能等學(xué)科的典型載體被廣泛地用來作為高校教學(xué)和研究的選題之一。機(jī)器人專業(yè)研究方向如雨后春筍般的出現(xiàn)，機(jī)器人賽事也方興未艾。圖 1 為大學(xué)生機(jī)器人 圖 1比賽現(xiàn)場。 機(jī)器人比賽的宗旨是喚起青少年課外科技活動的興趣和熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神，激發(fā)思維的想象力，鼓勵理論與實踐的相結(jié)合。機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，我們機(jī)電一體化專業(yè)就是專門培養(yǎng)一批

7、對機(jī)器人學(xué)有所了解大學(xué)生。每年我們都會舉行大學(xué)生機(jī)器人大賽，通過比賽我們將對機(jī)器人學(xué)了解更加深入，對機(jī)器人未來的發(fā)展有很大的幫助。機(jī)器人學(xué)已不僅僅是科學(xué)家門的專利，作為大學(xué)生的我們已經(jīng)能夠具備設(shè)計和制作機(jī)器人，因為我們對機(jī)器人有著濃厚的興趣。我們畢業(yè)設(shè)計的課題來源于2008 年全國職業(yè)院校技能大賽高職組“機(jī)器人”項目競賽做為參考題目，機(jī)器人在比賽場地中從工件庫中挑選出球形白色工件，并送入加工槽，再從工件庫中挑選出紅色立方形工件，送到倉庫，堆垛排列。因此我們的畢業(yè)設(shè)計任務(wù)是制作出一臺物流搬運機(jī)器人，其功能是實現(xiàn)乒乓的搬運。 課題的目的和意義課題的目的和意義機(jī)器人技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)的典型應(yīng)用。包

8、括有機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、以及傳感器機(jī)器等。我們得所制作的機(jī)器人都將用到以上技術(shù)，通過機(jī)器人的制作可以增強(qiáng)我們的專業(yè)知識。 機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化繁榮基礎(chǔ)，它對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性與耐用性等有著重要的影響。通過機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計我們對機(jī)械技術(shù)有了更深的了解。 信息處理技術(shù)包括信息的輸入、識別、變換、運算、存儲及輸出技術(shù)，他們大都依靠計算機(jī)來進(jìn)行的。通過對機(jī)器人的編程我們的計算機(jī)技術(shù)水平也有了響應(yīng)的提高。傳感器技術(shù)是機(jī)器人的關(guān)鍵拘技術(shù)，它將所測得的各種參量如位移、位置、速度、力、溫度等信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一規(guī)格的電信號輸入到信息處理系統(tǒng)中。通過對機(jī)器人傳感器得安裝、選擇以及編程讓我們更加深入得體會到

9、了傳感器的重要性。我們通過對機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計和制作實踐以及組裝編程等，增強(qiáng)了我們的動手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊意識與合作精神，拓展我們的視野，豐富我們的知識，提升我們的綜合素質(zhì)。 俗話說“實踐出真知” ，我們自己動手制作將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實，制作過程中難免會遇到各種各樣的問題，通過大家的研究和討論解決所出現(xiàn)的問題深切感受到理論與實踐相結(jié)合的重要性。有了制作機(jī)器人的經(jīng)歷，相信在事物的分析、判斷，規(guī)劃等能力上都有一定的進(jìn)步。在日后的工作當(dāng)中，將給我們帶來很大的幫助。1.2 課題主要研究的內(nèi)容課題主要研究的內(nèi)容在這次畢業(yè)設(shè)課題當(dāng)中我主要研究的是機(jī)器人總體設(shè)計方面的內(nèi)容。模擬物流機(jī)器人主要組成部分為：機(jī)械手爪用于抓

10、取物體，傳感器用于巡線導(dǎo)航，電池提供電源，電機(jī)為機(jī)器人的動力源，車輪用于驅(qū)動機(jī)器人移動，底盤用來裝載所有的零部件，重點是研究各個零部件相關(guān)的裝配尺寸。首先測量電機(jī)、電池以及電路板等零部件的尺寸，確定機(jī)器人底盤的尺寸大小。然后將底盤的草圖繪制在草稿紙上，并且標(biāo)注好尺寸，再用 CAD軟件進(jìn)行三維建模。通過研究和討論確定方案可行，最后生成二維工程圖紙進(jìn)行機(jī)加工。底盤的尺寸要保證既能將所有零件都安裝上去，而且不能剩余大量空間。尺寸不夠，則導(dǎo)致零件安裝不上，尺寸過大則浪費空間，增加了機(jī)器人的自身重量，所以把握好底盤的尺寸是非常關(guān)鍵的。各個零件之間的安裝順序會影響安裝質(zhì)量，零件安裝的順序要盡量避免在安裝時

11、有其他零件的障礙，否則出現(xiàn)零件固定不牢，有縫隙等。安裝時用螺釘螺母固定的零件不宜固定太緊，這樣容易損壞零件，并且在拆卸改進(jìn)時帶來不便，拆卸次數(shù)多了會造成滑絲現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計最關(guān)鍵的是各個零件之間的尺寸協(xié)調(diào)問題，零件之間不能太緊密也不能離得太遠(yuǎn)，同時要保證機(jī)器人最后運行的穩(wěn)定性。因此完成此次總體結(jié)構(gòu)設(shè)計還需查閱許多機(jī)器人安裝的相關(guān)書籍。通過查閱相關(guān)的資料，不斷積累總體設(shè)計方面的知識，爭取將此次物流搬運機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計的完美。各零件的安裝位置的設(shè)計如下：電機(jī)三個，前端一個負(fù)責(zé)驅(qū)動手抓。后端二個驅(qū)動輪子。安裝在車身的前端下方，便于尋線導(dǎo)航。萬向輪安裝在傳感器前端進(jìn)行方向操縱。本次設(shè)計研究的

12、機(jī)器人的工作過程是：通過巡線傳感器檢測來自地板上軌跡來鎖定運動方向，在軌跡的終點放置機(jī)器人所要搬運的物體。機(jī)器人到達(dá)終點后，由電機(jī)驅(qū)動的手抓將物體加緊，隨后車身旋轉(zhuǎn)確定方向，最后巡線返回完成搬運。第二章第二章 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)分析機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)分析2.1 功能分析功能分析 搬運作業(yè)是指用一種設(shè)備握持工件，并從一個加工位置移到另一個加工位置。因此制做搬運機(jī)器人必須滿足以上要求，握持工件必備機(jī)械手抓，通過電機(jī)帶動手抓的捏合來抓取工件。并且做為自動化作業(yè)的機(jī)器人還必須具備傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)，保證機(jī)器人進(jìn)行搬運作業(yè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 機(jī)器人移動需要運動機(jī)構(gòu)，它能夠使機(jī)器人在它的環(huán)境中無約束的運動。但是運動有

13、縱多不同的可能途徑，因此機(jī)器人運動方法的選折是移動機(jī)器人設(shè)計的一個重要方面。在實驗室中已經(jīng)有能夠行走、跳躍、跑動、滑動、游泳、飛翔和滾動的研究機(jī)器人。這些運動機(jī)構(gòu)中的大部分一直受到它們生物學(xué)上對應(yīng)物的啟示。 然而有一個例外：有源動力輪是人類發(fā)明的，它在平地上達(dá)到極高的效率。這一機(jī)構(gòu)對生物系統(tǒng)而言，不完全是外來的。我們的兩足行走系統(tǒng)可有一個滾動的多邊形來近似。隨著步具的減小，多邊形就逼近為一個圓或輪，但是在自然界中，沒有創(chuàng)造出完全旋轉(zhuǎn)、有源動力的關(guān)節(jié)，而這正是輪式運動所需的技術(shù)。 生物系統(tǒng)在穿越各類崎嶇不平環(huán)境的運動中取得成功，因此有希望模擬他們對運動機(jī)構(gòu)的選擇。但是由于若干原因，在這方面復(fù)制自

14、然界是很困難的。首先，在生物系統(tǒng)中，通過結(jié)構(gòu)的復(fù)制可以容易的實現(xiàn)機(jī)械的復(fù)雜性。結(jié)合專業(yè)化知識，細(xì)胞分割技術(shù)可以很容易地制造出一個有幾百條腿和成千上萬根感知纖毛的千足蟲。在人造結(jié)構(gòu)中，各部分必須單個的制作，因此不存在這種規(guī)模的機(jī)體。此外，細(xì)胞是能極小化的微觀組件，由于微小的尺寸和重量，昆蟲達(dá)到了人類制造技術(shù)還一直不能做到的魯棒性水平。 由于這些限制因素，一般移動機(jī)器人要么用輪式的機(jī)構(gòu)，要么使用有關(guān)節(jié)的腿式機(jī)構(gòu)。2.2 移動式機(jī)器人分析移動式機(jī)器人分析步行式機(jī)器人分析步行式機(jī)器人分析步行式機(jī)器人受到生物學(xué)上的很多啟發(fā)，因此檢驗一下生物學(xué)上成功的有腿系統(tǒng)是有益的，許多不同腿的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在各種各樣的生物

15、體成功的存在。大型動物，如哺乳動物和爬行動物有四條腿，而昆蟲有六條腿甚至更多。某些哺乳動物僅靠兩條腿行走的能力已經(jīng)很完美。尤其是人類，平衡能力已經(jīng)進(jìn)展到甚至可用單腿進(jìn)行跳躍的水平。這種異常的機(jī)動性是以很高的代價得來的，保持平衡的更復(fù)雜的主動控制。 假定三條腿的動物能保證其重心處在地面接觸的三腳區(qū)內(nèi)，它就能展示靜止穩(wěn)定的姿態(tài)。如三條腿的凳子所展現(xiàn)那樣，靜止穩(wěn)定性意味著不需要運動而保持平衡。在沒有外力時，穩(wěn)定性小的偏離會被動地予以校正而趨向穩(wěn)定的姿態(tài)。 但是機(jī)器人必須抬腿行走，為了能達(dá)到靜態(tài)行走機(jī)器人必須至少有六條腿。在這種結(jié)構(gòu)下，有可能設(shè)計出一種步態(tài)。按此，腿的靜態(tài)穩(wěn)定三腳區(qū)總是與地面接觸。 昆

16、蟲和蜘蛛一出生立即能行走，對它們來說，行走時的平衡問題比較簡單。四條腿的哺乳動物一出生不能立即穩(wěn)定的行走，但是它們能很容易的站立。比如野生動物，在它們能站起來之前要花好幾分鐘來嘗試，然后又要花好幾分鐘學(xué)習(xí)行走而不摔倒。兩條腿的人類，剛出生是不可能以靜止穩(wěn)定方式站在一個位置。嬰兒需要幾個月才能站力和行走，甚至需要更長的時間來學(xué)習(xí)跳躍、跑步和單腿站立。 各個腿的復(fù)雜性種類繁多，也存在潛在的能力。再者，生物世界提供了豐富的處于兩個極端的例子。例如，毛蟲利用液壓，通過構(gòu)件體腔和增加壓力使各腿伸展，而且通過釋放液壓使各腿縱向的收回，然后刺激單個可拉伸的肌肉，牽引腿靠向身體。各腿只有一個自由度，它沿著腿縱

17、向的定方向。向前運動依賴于體內(nèi)的液壓，它能伸張兩腿間的距離。毛蟲的腿在機(jī)械上很簡單，即利用少數(shù)的外表肌肉完成了復(fù)雜的整體運動。在另一極端，連同腳趾的深層刺激，人腿有七個自由度以上的自由度，十五個以上的肌肉群，激勵八個復(fù)合的關(guān)節(jié)。在步行式移動機(jī)器人情況下，通常要求至少兩個自由度，通過提起腿和將腿擺動向前，使腿向前運動。盡管迄今為止步行機(jī)器人還沒有大量的工業(yè)應(yīng)用，但是腿式運動仍是一個長期研究的重要領(lǐng)域。腿式機(jī)器人數(shù)目最少的是單腿機(jī)器人。有幾個理由說明，使腿的數(shù)目盡量少是有益的。機(jī)身的質(zhì)量對行走機(jī)器人是十分重要的，而一條腿使累加的腿的質(zhì)量最小。當(dāng)機(jī)器人有幾條腿時，就要求腿之間的協(xié)調(diào)，一條腿就不需要這

18、種協(xié)調(diào)了。也許最重要的是，單腿機(jī)器人使腿式運動的基本優(yōu)點最大化：在全跟蹤的場合，如輪子一樣，腿與地面只有一個接觸點。單腿機(jī)器人只需要一系列的單點接觸，就能經(jīng)受最粗糙的地形。而且取一個跑步的起點，跳躍的機(jī)器人可動態(tài)的跨過比它步伐大的溝隙。制造單腿機(jī)器人的主要困難是保持平衡。一條腿的機(jī)器人不僅不可能靜態(tài)行走，而且在靜止時保持靜態(tài)穩(wěn)定也不可能。機(jī)器人或者改變他的重心，或者給出校正力，總之必須主動自我平衡，因此成功的單腿機(jī)器人必須動態(tài)的穩(wěn)定。在過去的十年中，已經(jīng)展示了各種類型成功的雙腿機(jī)器人如圖 2，已經(jīng)證明雙腿機(jī)器人能跑、跳和上下樓梯行走，甚至玩空中把戲，如翻跟斗等。在商業(yè)部門，本田和索尼公司在過去

19、十年已經(jīng)做出了重大的進(jìn)展，并已能制造出高功能的雙腿機(jī)器人。兩個公司設(shè)計的小型、有動力的關(guān)節(jié)，實現(xiàn)了現(xiàn)有商業(yè)伺服機(jī)聞所未聞的功率和重量性能指標(biāo)。這些新的智能伺服機(jī)，不僅提供了強(qiáng)大的激勵，而且用轉(zhuǎn)矩感知和閉環(huán)控制方法提供了柔性的激勵。索尼夢想機(jī)器人 SDR-4X 模型是 1997 年開始研究的結(jié)果，它以運動表演和交際娛樂為基本目的。這個具有 38 個自由度的機(jī)器人，為了聲音的精細(xì)定向、基于圖像的人員識別的單板微型立體景深圖像的重構(gòu)以及有限的語音識別，裝 圖 2有七個麥克風(fēng)。給定了流動性和運動表演的目標(biāo)，索尼公司花費了巨大的經(jīng)歷設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用系統(tǒng)的運動，這能使他們的技術(shù)人員能以簡單的的方式編排舞蹈

20、。步行式機(jī)器人一個最重要的特征是他們像人的外形。他們可以制造成和人相近的尺寸，這使得它們在人機(jī)交換的研究中成為出色的交通工具。 圖 3 盡管四腿站立不動可以被動的穩(wěn)定住，但要行走仍具有挑戰(zhàn)性。因為在步行期間，為了保持穩(wěn)定，機(jī)器人的中心必須主動的偏移。最近，索尼投資數(shù)百萬美元開發(fā)一個叫最做 AIBO 的四腿機(jī)器人。為了制作這個機(jī)器人，索尼開發(fā)了近實時的新機(jī)器人操作系統(tǒng)和新的嚙合伺服電機(jī)。它具有足夠大的力矩支持機(jī)器人，還保證安全的可向后運動。四退機(jī)器人如圖 3，在人機(jī)交互研究中，具有當(dāng)作有效人造物的潛能。比如，人類可以像對待寵物一樣對待機(jī)器人，并可以像人和狗那樣發(fā)展感情。由于行走期間的靜態(tài)穩(wěn)定性降

21、低了控制復(fù)雜性，六腿結(jié)構(gòu)在移動機(jī)器人學(xué)中曾經(jīng)很流行。如圖 4 六腿機(jī)器人在大多情況下，各條腿有三個自由度，包括臀部彎曲、膝蓋彎曲和臀部外展。昆蟲被證明是地球上最成功的運動生物，它們擅長于用六足穿越所有形式的地形，甚至倒著行走。目前，人造六腿機(jī)器人于六腿昆蟲的性能之間的差距仍然很大。有趣的是，這并不由于機(jī)器人缺乏足夠的自由度，而是因為昆蟲把為數(shù)不多的主動自由度于被動機(jī)構(gòu)結(jié)合起來，如細(xì)微倒毛和和質(zhì)地粗糙的肉趾，這極大的增強(qiáng)了各腿的爪力， 圖 4機(jī)器人學(xué)對這種被動的末端結(jié)構(gòu)的深入研究才剛剛開始。 步行式運動是機(jī)器人和地面之間的點接觸為特征。其主要優(yōu)點包括在粗糙地形上的自適應(yīng)性和機(jī)動性。因此只需要一組

22、點接觸，所以只要機(jī)器人能夠保持適當(dāng)?shù)牡孛娌骄?，這些點之間的地面質(zhì)量是無關(guān)緊要的。另外，只要步行機(jī)器人的步距大于洞穴的寬度，他就能跨過洞穴和裂口。步行式機(jī)器人的最后一個優(yōu)點是，有高度的技巧來操縱環(huán)境中的物體。舉一個精彩的昆蟲例子，即是甲殼蟲，它用靈巧的前肢在運動的同時能夠滾動一個球。步行機(jī)器人運動的最主要的缺點包括動力和機(jī)械的復(fù)雜性。步行機(jī)器人的腿可能包括幾個自由度，必須能夠支撐機(jī)器人部分總重量，而且在許多機(jī)器人中，腿必須能夠抬高和放低機(jī)器人。另外，如果腿有足夠的數(shù)量自由度，在許多不同的方向給予力，機(jī)器人就能實現(xiàn)高度的機(jī)動性 輪式機(jī)器人輪式機(jī)器人輪式機(jī)器人主要有四種輪子類型，在運動學(xué)方面他們差別

23、很大。因此輪子類型的選擇對移動機(jī)器人的整個運動學(xué)有很大的影響。標(biāo)準(zhǔn)輪（圖 5）和小腳輪（圖 6）有一個旋轉(zhuǎn)主軸，因而是高度有向的。在不同的方向運動，必須首先沿著垂直軸操縱輪子。這兩種輪的主要差別在于標(biāo)準(zhǔn)輪可以完成操縱而無 圖 5 圖 6副作用，因為旋轉(zhuǎn)中心經(jīng)過接觸片著地，而小腳輪繞偏心軸旋轉(zhuǎn)，在操縱期間會引起一個力，加到機(jī)器人的底盤。瑞典輪和球形輪二者的設(shè)計比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)輪受力方向的約束少一些。瑞典輪的功能與標(biāo)準(zhǔn)輪一樣，但它在另一方向產(chǎn)生低的阻力。該方向有時垂直與常規(guī)方向，有時在中間角度。球形輪是（圖 7）一種真正的全向輪，經(jīng)常被設(shè)計成可以沿任何方向受動力而旋轉(zhuǎn)。實現(xiàn)這種球形構(gòu)造的一種機(jī)構(gòu)模仿了

24、計算機(jī)鼠標(biāo)的結(jié)構(gòu)。無論用什么輪，在為所有地形環(huán)境設(shè)計的機(jī)器人和具有三個以上輪子的機(jī)器人中，正常情況下需要一個懸掛系統(tǒng)以保持輪子與地面的接觸。一種最簡單的懸掛方法是輪子本身設(shè)計成柔性的。例如，在某些使用小腳輪的四輪室內(nèi)機(jī)器人情況下，制造廠家已經(jīng)把軟橡膠可變形的輪胎用在輪上，制作基本的懸掛體。當(dāng)然，這種有限的解決方案不能與應(yīng)用中錯 圖 7綜復(fù)雜懸掛系統(tǒng)相比擬。在應(yīng)用中，對明顯的非平坦地形，機(jī)器人需要更動態(tài)的懸掛系統(tǒng)。輪式機(jī)器人類型的選折與輪子裝配或輪子幾何特征的選擇密切相關(guān)。移動機(jī)器人的設(shè)計者在設(shè)計輪式機(jī)器人的運動機(jī)構(gòu)時，必須同時考慮這兩個問題。為何輪子的類型和輪子的幾何特征如此重要？因為機(jī)器人的

25、三個基本特征由這些選折所支配：機(jī)動性，可控性和穩(wěn)定性。一些機(jī)器人是全向的，這以為著他們可以在任何時候沿著地面（x,y）向任意方向運動，包括機(jī)器人繞它自己的垂直軸轉(zhuǎn)。這一層次的機(jī)動性需要能朝一個以上方向運動的輪子。所以，全向機(jī)器人經(jīng)常使用有動力的球形輪。在研究領(lǐng)域中，可實現(xiàn)高度機(jī)動性的其他類的移動機(jī)器人是很普遍的，它們只比全向結(jié)構(gòu)機(jī)器人稍微差一點。這種類型的機(jī)器人，在特定方向上的運動可能開始需要一個旋轉(zhuǎn)運動。一般來說，可控性和機(jī)動性之前存在著逆向關(guān)性。例如，對全向裝置，諸如四小腳輪結(jié)構(gòu)，要求效果顯著的處理能把期望的轉(zhuǎn)動和平移的速度轉(zhuǎn)換成單個輪子的命令。而且，這種全向裝置經(jīng)常在輪子上有較大的自由度

26、。對一個特定的行走方向，控制全向機(jī)器人也比較困難，而且當(dāng)它與比較小的機(jī)動性裝置比較時往往準(zhǔn)確度較低。迄今為止，輪子一般是移動機(jī)器人學(xué)和人造交通車輛中最流行的運動機(jī)構(gòu)。它可以達(dá)到很高的效率，而且運用比較簡單的機(jī)械就可實現(xiàn)它的制作。另外，在輪式機(jī)器人設(shè)計中，平衡通常不是一個研究的問題。因為在所有的時間里，輪式機(jī)器人一般都被設(shè)計成在任何時間里所有的輪子均與地接觸。因而，三個輪子就足以保證穩(wěn)定平衡。輪式機(jī)器人研究傾向于把重點放在牽引、穩(wěn)定性、機(jī)動性及控制問題，而不是擔(dān)心平衡。為覆蓋所有的預(yù)期地形，機(jī)器人的輪子能否提供足夠的牽引力和穩(wěn)定性，機(jī)器人的輪子結(jié)構(gòu)能對機(jī)器人的速度進(jìn)行有級的控制嗎。.總之，沒有理

27、想的驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以同時使穩(wěn)定性、機(jī)動性和可控性最大化。各移動機(jī)器人的應(yīng)用對機(jī)器人設(shè)計問題上唯一的約束，而設(shè)計者的任務(wù)就是在折衷的空間中，選擇最合適的可行的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。圖 8 給出了輪子結(jié)構(gòu)的概述，按輪子數(shù)目的排序，表中描述了特殊輪子類型的選擇和機(jī)器人底盤上他們幾何結(jié)構(gòu)的兩個方面。圖 8 本機(jī)器人的驅(qū)動方式本機(jī)器人的驅(qū)動方式步行式機(jī)器人在行走時總得不停的調(diào)整重心以保證不會跌倒，此時控制器必須不斷的將機(jī)器人的平衡狀態(tài)反饋回來，然后機(jī)器人不停地改變加速度或者重心的位置以滿足平衡或定位的要求。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜動靜平衡不好控制，步態(tài)的調(diào)整也是一難點而且速度緩慢，同時價格昂貴。輪式機(jī)器人可以不用考慮自身的平

28、衡問題，而且結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，制作方便，因此通過步行式機(jī)器人與輪式機(jī)器人的比較，以及我們模擬環(huán)境的分析，采用輪式機(jī)器人是最佳的選擇。我們的模擬物流機(jī)器人采用的是三輪式機(jī)器人，因為三個輪子就足以保證機(jī)器人的穩(wěn)定平衡，再者我們所模擬的地形是光滑的地板，并非崎嶇不平的地形，所以選折了三輪子來支撐機(jī)器人. 機(jī)器人的前端有一個無動力萬向輪，之所以選擇萬向輪為前端操縱是因為它可以實現(xiàn)任意方向旋轉(zhuǎn)，行走極其靈活。機(jī)器人的后端有兩個獨立的驅(qū)動輪，他的作用主要是牽引機(jī)器人。驅(qū)動輪的動力源為兩個小型的伺服電機(jī)，可由程序?qū)ζ涞霓D(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。2.3 機(jī)器手分析機(jī)器手分析我們的模擬物流機(jī)器人所搬運的物體是乒乓球

29、，我們考慮的是用帶有連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)器手爪（如圖 9）來抓取乒乓球以實現(xiàn)對乒乓球的搬運。因此機(jī)械手是整部機(jī)器人的關(guān)鍵部分。 圖 9手抓抓取物體要的最基本的動作就是張開手抓和閉合手抓。因此我們選用了連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)加工方便，價格便宜，運動靈活，比較容易實現(xiàn)抓取動作。其動作過程如下：首先由電機(jī)驅(qū)動的桿 1 通過齒輪嚙合帶動桿 2，同時桿 1 和桿 2 通過連桿機(jī)構(gòu)帶動其余的桿進(jìn)行物體的抓取和釋放,抓取還是釋放由電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向來控制，通過編程即可對其控制。機(jī)器手爪制作是用鋁材料制作的，鋁材料質(zhì)量相對對鐵輕很多，電機(jī)驅(qū)動時的負(fù)荷不是很大。由于是金屬材料制作的手抓，其抓取乒乓球時與乒乓球接觸的部位要添加些

30、棉花之類的，目的是避免打滑不至于被夾取的物體脫落。接下來分析乒乓球，目前通用的乒乓球的直徑為 40 毫米，重量為 2.7克。我們的機(jī)器手爪的最大張開距離約有 50 毫米，閉合距離為 30 毫米，因此實現(xiàn)乒乓求的夾取是完全合理的。2.4 其他方面分析其他方面分析我們采用的電源是 6V 的直流電源，由 4 個 1.5V 的電池組成（如圖 10）。電池安放在電池槽中，由于底盤下端的空間不足，電池槽由螺釘固定在底盤的上端。這種 1.5V 電池價格便宜，易于購買，拆卸方便，電源恒定。 圖 10我們采用的是六個觸頭的巡線傳感器（如圖 11），分別有六個指示燈，當(dāng)其檢測到物體時，則該觸頭的指示燈亮，提示我們

31、某個觸頭正在工作。六個觸頭分別用螺釘固定在底盤的下端，需要注意的是觸頭與金屬底盤必須絕緣，否者 圖 11造成短路現(xiàn)象，導(dǎo)致傳感器失效。我們的電路控制板（如圖 12）是安放在機(jī)器人底盤的上端，也由螺釘固定。安裝在上端的好處是方便設(shè)計者的安裝與調(diào)試。圖 12第三章第三章 機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖為總體結(jié)構(gòu)圖，其主要由如下的零部件組成：1 號零件：驅(qū)動輪，數(shù)量兩個 2 號零件：螺柱，數(shù)量四個3 號零件：電機(jī)，數(shù)量三個4 號零件：萬向輪，數(shù)量一個5 號零件：手爪，數(shù)量一個6 號零件：電池盒，數(shù)量一個7 號零件：底盤，數(shù)量一個 圖 13 主視圖

32、 圖 14 俯視圖 圖 15 左視圖3.2 機(jī)器人的組裝機(jī)器人的組裝在機(jī)器人的組裝中我們用到了的工具有螺絲刀、螺釘、螺母、虎口鉗、榔頭、鋸子、銼刀等一系列器材。安裝第一步：首先安裝兩個驅(qū)動輪的電機(jī)，兩電機(jī)的安裝位置在底盤的后端，固定方式是用螺釘和螺母固定。每個電機(jī)的固定要用到四個釘和螺母。每個電機(jī)的四個端點都有專門給螺釘準(zhǔn)備的通孔，為了車身的美觀我們應(yīng)避免螺母露在外面，于是我們將螺母至于底盤的內(nèi)側(cè)。我們所用的工具是螺絲刀，我們用螺絲刀擰螺釘?shù)耐瑫r我們用手指將螺母固定，很快電機(jī)就安裝成功。安裝第二步：接下來我們安裝的是兩個驅(qū)動輪，兩個驅(qū)動輪是直接安裝在電機(jī)上，由電機(jī)直接驅(qū)動。驅(qū)動輪合電機(jī)的連接是

33、用葉片狀聯(lián)軸器，葉片聯(lián)軸器和車輪上均打有很細(xì)小的通孔，由于孔很細(xì)小我們找補(bǔ)找不到與之向匹配的螺釘來固定，于是我們決定用鐵絲將驅(qū)動輪和電機(jī)固定。我們用很直徑很小的鐵絲通過小孔將驅(qū)動輪和電機(jī)捆綁在一起。安裝第三步：電池盒的安裝相對較簡單，用螺釘直接固定在底盤的后上方即可。安裝第四步：萬向輪安裝在車身的前端，萬向輪要與后端的兩個驅(qū)動輪在通一水平上，但萬向輪的直徑卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動輪的直徑，所以我們要將萬向輪安裝在比較低的位置。我們將兩個較長的螺釘從底盤的正上方通過孔伸下來，我們用螺母將萬向輪固定在伸下來的螺釘上，這樣就能保證萬向輪與后端的兩個驅(qū)動輪在同一水平上，而且萬向輪的高度可調(diào)。安裝第五步：由于車身

34、的長度不夠，我們在車身的前端安裝了一塊小鋁板，這樣就能將車身的長度延伸。鋁板上所安裝的是電機(jī)與手爪。首先說電機(jī)的安裝，手爪驅(qū)動電機(jī)的安裝方式與驅(qū)動輪驅(qū)動的電機(jī)安裝方向有所不同，區(qū)別在于驅(qū)動的電機(jī)是橫向安裝的，而手爪驅(qū)動電機(jī)的安裝是豎直方向安裝的，即電機(jī)軸朝正上方，固定方式是一樣的，也是由螺釘和螺母固定。安裝第六步：接下來是手爪的安裝，手爪也是由電機(jī)驅(qū)動的，手爪與電機(jī)的連接也是用葉片聯(lián)軸器。我們先將手爪的動力臂轉(zhuǎn)孔，然后通過孔將手爪和葉片聯(lián)軸器用鐵絲捆綁在一起。 圖 16最后是電子元器件以及傳感器的安裝。如圖 16 是我們機(jī)器人組裝后的實物。3.3 安裝時安裝時需要注意的問題需要注意的問題手爪與

35、電機(jī)的安裝聯(lián)接是一個難點，我們第一中方法是用螺釘將手爪與電機(jī)的軸固定在一起。當(dāng)我們試驗手爪的時發(fā)現(xiàn)了問題，由于手爪是個比較大的附和，電機(jī)已經(jīng)開始驅(qū)動時而手爪卻未有任何動作，經(jīng)過仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)動時并沒有帶動手爪運動而是和螺釘在重復(fù)的旋合著。發(fā)現(xiàn)問題后我們馬上思考第二種方法，我們用葉片聯(lián)軸器將手爪和電機(jī)進(jìn)行固定。首先我們在手爪上轉(zhuǎn)孔，通過螺釘將手爪聯(lián)軸器固定，再將聯(lián)軸器安裝到電機(jī)上，當(dāng)我們再次啟動電機(jī)時，手爪實現(xiàn)了它的嚙合功能。檢查各個零件之間的有沒有松動的地方，發(fā)現(xiàn)有松動的地方馬上進(jìn)行固定。藉此模擬物流機(jī)器人在我們的這么多天的努力下終于安裝完成，雖然過程有些坎坷，但正是因為我們出現(xiàn)問題，并

36、解決問題，這使我們的動手能力以及思維能力都有了很大的提高。萬向輪的安裝重點是必須與后驅(qū)動輪在統(tǒng)一水平線，這樣就能能保證機(jī)器人行走時的平穩(wěn)性，因此保證三輪在同一平面是非常重要的一個問題。電池槽的安裝非常重要，因為電池槽是所有零部件質(zhì)量最重的，因此它的安裝應(yīng)在底盤的中心，否者會造成重心偏移，機(jī)器人行走時前端或后端可能會出翹起的現(xiàn)象，這樣穩(wěn)定性就差了很多，因此保證機(jī)器人的重心不偏移是一個重要問題。電機(jī)的安裝由螺釘固定，每個電機(jī)都由四個螺釘固定，在安裝電機(jī)時要注意螺釘?shù)男?。我們?yīng)將四個螺釘?shù)男线M(jìn)給量均勻分配，即先稍微固定互為對角先的一組螺釘，然后在稍微擰一下另外一對螺釘，這樣電機(jī)受力平均，固定的效

37、果最佳，不會給電機(jī)帶來損害。萬向輪原本計劃是用螺釘固定在螺柱上，但難以保證萬向輪能與其他兩輪在同一水平面上。于是我們采用了長的螺釘與螺母的配合來固定萬向輪（如圖 17） ，這樣的好處是萬向輪的高低位置可調(diào)，解決了我們難以將三輪保持在同一水平面上的難題。 圖 17 對于大多數(shù)機(jī)器人來說，一般都是將驅(qū)動輪直接安裝在電機(jī)軸上，所以電機(jī)安裝的問題勢必涉及到了驅(qū)動輪的安裝。在安裝時應(yīng)注意以下問題：當(dāng)使用一對車輪驅(qū)動時，要讓左、右車輪處于同一平面內(nèi)，如圖 18 那樣左右車輪高低不同是不可取的。檢查的方法很簡單，將機(jī)器人放置在一光滑的平面上，仔細(xì)觀察所有輪子是否同時接觸地面，以及機(jī)器人是否傾斜，或者在每個驅(qū)

38、動輪上的正上方給一個正壓力，觀察機(jī)器人是否會晃動。 圖 18對于雙輪驅(qū)動軸系統(tǒng)還要注意確保兩驅(qū)動輪的軸線處于同一前后位置上（如圖 19） ，這是保持兩驅(qū)動輪的對稱性。操作起來很容易，只要在向驅(qū)動輪安裝底盤上事先做好標(biāo)記有可以了。圖 193.3 機(jī)器人的效果圖機(jī)器人的效果圖下圖為 CAD 繪制的效果圖：1機(jī)器人的頂部效果圖底部效果圖 圖 202 機(jī)器人底部效果圖 圖 21第四章第四章 課題總結(jié)課題總結(jié) 大三下學(xué)期，我開始了我的畢業(yè)設(shè)計的忙碌工作。本學(xué)期的第 5 周，我接到老師分配的選題通知后，開始著手畢業(yè)設(shè)計的準(zhǔn)備工作。我們組的畢業(yè)設(shè)計是要制作出一物流機(jī)器人的機(jī)械人，而我的具體工作是機(jī)器人的總體

39、設(shè)計。首先要確定機(jī)器人的總體方案，我去學(xué)校的圖書館，閱覽室找與物流機(jī)器人相關(guān)的書籍。同時還利用網(wǎng)絡(luò)搜集等各種方式方法，盡量使我的資料完整、精確、數(shù)量多。最后在通過在資料中的選擇確定設(shè)計方案。方案確定后我先用 CAD 繪制三維立體圖讓大家看看方案的效果，然后進(jìn)行討論研究，有不足的地方及時進(jìn)行修改。最后每個零件的三維立體圖轉(zhuǎn)換為二圍的工程圖進(jìn)行加工制作。零件加工完成后，我們開始了機(jī)器人的安裝。歷時兩個月的時間，我們的機(jī)器人在我的努力下終于完成了機(jī)器人的制作。雖然完成了機(jī)器人的制作，但我們的機(jī)器人仍存在著缺點。最大的缺點是機(jī)器人只有一個自由度，即手爪只能夾取，不能上下移動。 圖 22如圖 22 所示

40、是我們最早設(shè)計的具有兩個自由度的方案，即手爪除了能夾取物體外還能上下運動。但由于制作復(fù)雜，造價也比較貴，所以我們就沒有采用這種方案。通過機(jī)器人的制作我的機(jī)械技術(shù)水平、計算機(jī)技術(shù)水平和傳感器技術(shù)水平都由了相應(yīng)的提高。接下來是畢業(yè)論文的撰寫。從最初的不知到如何下手，到對思路逐漸的清晰，整個寫作過程難以用語言來表達(dá)。尤其是遇到困難，我會覺得無從下手，不知從何寫起；當(dāng)困難解決了，我會覺得豁然開朗，思路打開了；當(dāng)論文經(jīng)過一次次的修改后，基本成形的時候，我覺得很有成就感。同時，我也在思考，畢業(yè)論文的完成預(yù)示著什么？預(yù)示著我即將畢業(yè)，即將走出可愛的校園步入社會的大講堂，開始我的又一個新的人生旅程。那么，我應(yīng)

41、該記下一些東西，對我的畢業(yè)論文做一個總結(jié)，劃上一個完整的句號。我做了很多論文的準(zhǔn)備工作，首先是收集機(jī)器人論文相關(guān)的資料。例如有關(guān)移動機(jī)器人的書籍、報刊、雜志等等。并且對我們制作的機(jī)器人進(jìn)行拍照，這有利于論文的撰寫。然后，我認(rèn)真對資料進(jìn)行分類，理論的、實際的例子、圖片等等相關(guān)內(nèi)容整理出來，列出提綱，再與老師進(jìn)行溝通。我的論文題目是“論機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計”。我按照論文的提綱，開始撰寫畢業(yè)論文。在此期間，與老師 或短信以及利用 E-mail 進(jìn)行溝通。我覺得從與老師的溝通過程中，我能學(xué)到很多東西，老師可以從另外一個角度來啟發(fā)我。在我論文撰寫過程中，對我的積極鼓勵和十分耐心、細(xì)致的指導(dǎo)，給我許多非常有益的幫助，使我的論文由十分粗糙，結(jié)構(gòu)和思路相當(dāng)混亂，我自己非常不滿意的狀態(tài)(導(dǎo)師在我感到論文撰寫非常焦急和逼迫時候，給了我許多積極的鼓勵和寬慰，并提供給了我許多有益指導(dǎo)和熱心幫助大的在論文參考書目的提供，思路框架的建構(gòu)，和論點的提煉整合方面的指導(dǎo)，小的在語言組織的表達(dá)完善，細(xì)到一個標(biāo)點的修改和一個索引的核正方面的幫助，在導(dǎo)師指導(dǎo)下深入閱讀和整合收集的材料，重新熔鑄我的論文,在多次修改的情況下)逐漸轉(zhuǎn)變