PAGE題目亞太機(jī)器人競(jìng)賽手動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)摘要亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽是面向全亞太大學(xué)在校學(xué)生的一項(xiàng)重要賽事。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是2010年度的競(jìng)賽試題。要求建造一個(gè)自動(dòng)機(jī)器人，合理設(shè)計(jì)其機(jī)械臂，結(jié)合競(jìng)賽規(guī)則，使機(jī)器人能搬動(dòng)指定形狀的物體上下、前后移動(dòng)。本設(shè)計(jì)緊扣2010年度亞太機(jī)器人大賽的任務(wù)要求，合理使用SolidWorks、Pro/Engineer、AutoCAD等應(yīng)用軟件。設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊，有一定的合理性。一共有四張A0圖紙，分別是總體裝配圖、小車底盤裝配圖、第一層運(yùn)送機(jī)裝配圖和第二層升降機(jī)裝配圖。論文中也分別對(duì)動(dòng)力源、傳動(dòng)和執(zhí)行裝置分析談?wù)?，擇取最?yōu)。本次設(shè)計(jì)結(jié)合競(jìng)賽規(guī)則要求，通過(guò)查閱資料、綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，完成了亞太機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)草擬的兩套結(jié)構(gòu)方案分別進(jìn)行了分析比較，對(duì)插塊整體等主要零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、受力分析等計(jì)算，確定主要設(shè)計(jì)參數(shù)。利用CAD等工程軟件繪出工程設(shè)計(jì)圖。通過(guò)分析計(jì)算，完成的設(shè)計(jì)到達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：亞太機(jī)器人大賽機(jī)械臂設(shè)計(jì)圖紙繪制結(jié)構(gòu)要素組成

ABSTRACTAsiaPacificUniversityRobotCompetition（ABU-ROBOCON）isanimportanteventfacedtotheentireasia-pacificcollegestudents.Mechanicalarmstructuredesignisthesubjectof2010ABU-ROBOCON.Itisrequiredtobuildaautomaticrobot,withitsreasonabledesign,accordingtotherulesandrequirements,therobotshouldbeabletomoveobjectsandcontrolitsmovements.Thisdesignfacedtothetasksandrequirementsof2010Asia-PacificRobotCompetition.UsemachenicalsoftwaresasSolidWorks,Pro/Engineer,AutoCADproperly.Reasonabledesign,compactstructure,highrationality.TherearefourA0drawingsinallinthisdesignprocess,thegeneralassembly,thecarchassisassembly,thefirstfloorcarryingmachineassemblyandthesecondliftassembly.Inthisarticle,thetransmissionofpower,theexecutivedeviceandtheexecutivedevicearealsoanalyzed.Thebestischoosen.Thedesignobeycompetitionrules,byconsultingdatas,usecomprehensiveofknowledge,tofinishtheasia-pacificrobotmanipulatordesignwork.Inthedesignprocess,twosetsofstructureschemearedrawn,andanalyzedandcompared,manymainpartsintensitysuchasthewholeblockhavebeenstiffnessandstressanalysis,andthedesignparametercalculationstobedetermined.ThedrawingsaredrawnsbyusingAutoCAD.Throughtheanalysisandcalculationofthedesign,torealizethedesignrequirements.Keywords:AsiaPacificDrawing(s)StructuralComponents目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章 課題分析 11.1課題意義 11.2課題的設(shè)計(jì)工作任務(wù)要求分析 11.3設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性分析 3第二章 建模類軟件使用 42.1SolidWorks 42.2AutoCAD 52.3Pro/Engineer 62.4本次設(shè)計(jì)主要工作 6第三章 機(jī)械方案設(shè)計(jì)分析 83.1具體設(shè)計(jì)要求分析 83.2工作原理分析 93.3運(yùn)動(dòng)原理分析 113.4力傳遞分析 123.5方案比較 17第四章 設(shè)計(jì)組成要素分析選擇 184.1基本組成結(jié)構(gòu) 184.2動(dòng)力分析 204.3傳動(dòng)部件分析 214.4執(zhí)行部件分析 21第五章 機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算 225.1執(zhí)行件載荷計(jì)算 225.2動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 245.3傳動(dòng)件設(shè)計(jì) 25第六章 全文總結(jié) 26謝辭 27參考文獻(xiàn) 28大連交通大學(xué)2010屆本科生畢業(yè)論文PAGE18課題分析1.1課題意義亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽（ABU-ROBOCON）是由亞廣聯(lián)發(fā)起的致力于培養(yǎng)各國(guó)青少年開發(fā)、研制高科技的興趣與愛(ài)好，鍛煉大學(xué)生動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)和提高大學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)的一項(xiàng)重要賽事。各個(gè)亞洲廣播電視聯(lián)盟成員都可以參加該項(xiàng)比賽，每個(gè)國(guó)家的冠軍隊(duì)可以參加亞太地區(qū)的決賽。亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽國(guó)內(nèi)選拔賽自2002年開始每年一屆，為“亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽”選拔中國(guó)大學(xué)生的優(yōu)秀代表隊(duì)。亞太機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是2010年的亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽的競(jìng)賽試題。大賽的主題是“機(jī)器法老建金字塔”。這個(gè)想法是基于一個(gè)時(shí)間機(jī)器，它把古代埃及金字塔的建造者帶到了大學(xué)教室中。而新的目標(biāo)是按順序建造三個(gè)金字塔的一部分。參賽者應(yīng)該達(dá)到精確、快速和協(xié)作，他們要堅(jiān)持不使用塊之間的結(jié)合材料的主要要求。第一個(gè)成功完成建造三個(gè)金字塔的隊(duì)伍就是“機(jī)器法老”。機(jī)器人大賽及機(jī)械臂設(shè)計(jì)涉及人工智能、圖像處理、通訊傳感、精密機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制等多領(lǐng)域的前沿研究和技術(shù)集成。目前已經(jīng)形成了一個(gè)國(guó)際聯(lián)盟的人工智能和機(jī)器人項(xiàng)目開發(fā)目標(biāo)，被世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和眾多高等院校所重視?？梢蕴岣邔W(xué)生動(dòng)手能力，發(fā)展身邊的巧妙構(gòu)思，關(guān)注科技、熱愛(ài)科技、走進(jìn)科技，培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，造就適應(yīng)21世紀(jì)全球科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的新一代。1.2課題的設(shè)計(jì)工作任務(wù)要求分析本次設(shè)計(jì)以本年度“法老機(jī)器人建造金字塔”為契機(jī)，建造一個(gè)自動(dòng)機(jī)器人。要求機(jī)器人能搬動(dòng)指定形狀的物體上下、前后移動(dòng)。設(shè)計(jì)參數(shù)：載荷最大1Kg，最大臂長(zhǎng)1米，上下移動(dòng)位移0.3米。如圖1-1所示圖1-1本課題要求示意圖1．任務(wù)概述：在如圖所示的金字塔塔基基礎(chǔ)上，放入金字塔塊，其中第一層一塊，塔頂一塊。放置完畢效果如圖所示（紅色部分）如圖1-2所示圖3-2本課題它塊歸位情況示意圖2．金字塔及其塔基的規(guī)格金字塔由塔基以及頂部塔層組成：第一層有2個(gè)塊，塔層有1個(gè)塊。需要搭建：第一層的1個(gè)塊以及頂部的黃金塊3．金字塔塊的規(guī)格每塊金字塔塊尺寸為500mm*500mm*300mm中間有Φ塔塊基座上有直徑為18mm、高度合適（300mm.600mm所有的塊尺寸和重量相同。塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，每個(gè)塊的重量為750g。4．放置規(guī)則金字塔每層將陸續(xù)搭建。在下一層的每一個(gè)方塊都放置在正確的位置之前，不允許搭建上一層的方塊。由全自動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行，隊(duì)員啟動(dòng)機(jī)器人后應(yīng)馬上離開場(chǎng)地。允許范圍安放誤差范圍25mm5..機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造在一個(gè)階段任務(wù)中,自動(dòng)機(jī)器人開啟后應(yīng)自主運(yùn)動(dòng)。在比賽開始時(shí),在出發(fā)區(qū),自動(dòng)機(jī)器人和所持塊的尺寸不能超過(guò)1000mm（長(zhǎng)）x1000mm（寬）x1500mm（高），比賽開始后沒(méi)有尺寸限制。機(jī)器人的重量：所有機(jī)器人及在整個(gè)比賽中用到的設(shè)備包括電源、電纜、控制器和其它的設(shè)備的總重量應(yīng)不超過(guò)50kg.同型號(hào)、重量、電壓的備份電池的重量不計(jì)算在內(nèi)。機(jī)器人的能源：每個(gè)機(jī)器人所用電源的電壓不能超過(guò)DC24V。不能使用任何被認(rèn)為有危險(xiǎn)或不適合的能源。安全細(xì)節(jié)：禁止使用易爆物品、火和危險(xiǎn)化學(xué)物品。如果使用激光,激光應(yīng)在2級(jí)或以下，設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備激光的時(shí)候，必須完全小心保證在所有的過(guò)程中在場(chǎng)的所有人不會(huì)受到傷害。特別的,不能讓激光照射到觀眾的眼中。1.3設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性分析在設(shè)機(jī)結(jié)構(gòu)可行性分析是為了弄清楚開發(fā)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目是不是可以實(shí)現(xiàn)和值得進(jìn)行研究的過(guò)程，實(shí)際上是一次大大簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)分析和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程，因此，進(jìn)行可執(zhí)行性的分析是非常必要的，也是很重要的，經(jīng)過(guò)最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)和進(jìn)行的市場(chǎng)調(diào)查得出以下三點(diǎn)的可行性分析：1．經(jīng)濟(jì)可行性：基于課上所學(xué)理論和實(shí)踐的相結(jié)合，亞太機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和安全性都是非?？煽康?，有利于最小化經(jīng)濟(jì)方面的損失。同時(shí)，節(jié)省人力物力也是經(jīng)濟(jì)性考慮的問(wèn)題之一，因此在經(jīng)濟(jì)上是可行的。2．技術(shù)可行性：通過(guò)對(duì)亞太機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前景趨勢(shì)和性能進(jìn)行調(diào)研與合理設(shè)計(jì)計(jì)算與強(qiáng)度校核，利用現(xiàn)今的機(jī)械技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)該課題設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的制造與加工，因此技術(shù)上是可行的。3．執(zhí)行可行性：亞太機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用給物流系統(tǒng)與工廠帶來(lái)了巨大的便利，其高效性和靈活性都取得有目共睹的成果，因此在執(zhí)行方面是可行的。建模類軟件使用設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用三維CAD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)是一種手段，也是一種便利。三維實(shí)體能夠直接用于工程分析和實(shí)際加工。市面上有眾多的機(jī)械建模類軟件，結(jié)合“機(jī)械臂設(shè)計(jì)”的實(shí)際用途，逐一學(xué)習(xí)、比較和甄選也是本次設(shè)計(jì)的進(jìn)程之一。2.1SolidWorks2.1.1Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。目前已發(fā)展至SolidWorks2010版。功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。2.1.2本設(shè)計(jì)主要使用的SolidWorks的為了將設(shè)計(jì)中的邏輯部分實(shí)體化為三維的模型，“亞太機(jī)器人機(jī)械臂設(shè)計(jì)”主要使用了SolidWorks的3D建模功能。具體實(shí)現(xiàn)為完成草圖繪制后再用拉伸，旋轉(zhuǎn)，掃描，邊界切除，組裝等功能。由于SolidWorks在出工程圖的時(shí)候較之其他3D建模類軟件（如PROE）較為方便和智能，里面有自帶一些比較智能的功能，如繪制工程圖比較便捷，標(biāo)注零件序列號(hào)比較便捷；自動(dòng)查找2D草繪的多于的線條、重復(fù)的線條、或者說(shuō)是交點(diǎn)處沒(méi)有完全連接的線條，可以更方便的修復(fù)重復(fù)在同一條線條上的線而且沒(méi)有那么復(fù)雜。修改圖紙方面，也沒(méi)有連鎖的改圖制約，即不會(huì)因?yàn)槟愀腻e(cuò)了一個(gè)地方而接不下去改后面的；在裝配方面，SolidWorks比較簡(jiǎn)單易行，故選擇SolidWorks為主要建模工具。另外，在裝配和三維導(dǎo)二維圖紙方面，也主要使用該軟件。2.2AutoCAD2.2.1AutoCAD（AutoComputerAidedDesign）二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計(jì)文檔和基本三維設(shè)計(jì)。現(xiàn)已經(jīng)成為國(guó)際上廣為流行的繪圖工具。“.dwg”文件格式成為二維繪圖的標(biāo)準(zhǔn)格式。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過(guò)交互菜單或命令行方式便可以進(jìn)行各種操作。具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計(jì)算機(jī)和工作站上運(yùn)行，并支持分辨率由320×200到2048×1024的各種圖形顯示設(shè)備40多種，以及數(shù)字儀和鼠標(biāo)器30多種，繪圖儀和打印機(jī)數(shù)十種，這就為AutoCAD的普及創(chuàng)造了條件。AutoCAD軟件具有如下特點(diǎn)：1.具有完善的圖形繪制功能。2.有強(qiáng)大的圖形編輯功能。3.可以采用多種方式進(jìn)行二次開發(fā)或用戶定制。5.支持多種硬件設(shè)備。6.支持多種操作平臺(tái)7.具有通用性、易用性，適用于各類用戶。2.2.2本設(shè)計(jì)主要使用的AutoCAD的因?yàn)楸敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)中，需要繪制4張A0設(shè)計(jì)圖紙，都是電子版制圖，均為“*.dwg”格式，全部由AutoCad繪制完成。在繪制過(guò)程中，利用由SolidWorks導(dǎo)入的三維至二維圖紙的基礎(chǔ)上，為了更加的實(shí)用美觀、符合機(jī)械裝配要求，由AutoCAD進(jìn)行再加工。在AutoCAD繪制過(guò)程中，主要用到以下功能1.平面繪圖--創(chuàng)建直線、圓、橢圓、多邊形、樣條曲線等基本圖形對(duì)象。在繪圖輔助的幫助下，如正交、對(duì)象捕捉、極軸追蹤、捕捉追蹤等繪圖輔助工具，從而完善圖形形狀。2.平面繪圖--移動(dòng)、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、陣列、拉伸、延長(zhǎng)、修剪、縮放對(duì)象等。3.尺寸標(biāo)注及文字書寫--創(chuàng)建多種類型尺寸，自行設(shè)定標(biāo)注外觀。設(shè)定文字字體、傾斜角度及寬度縮放比例等屬性。4.圖層管理功能--圖形對(duì)象都位于某一圖層上，設(shè)定圖層顏色、線型、線寬等特性。2.3Pro/Engineer2.3.1Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（ParametricTechnologyCorporation，簡(jiǎn)稱PTC）的重要產(chǎn)品。是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。Pro/ENGINEER擁有目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。1.全相關(guān)性2.基于特征的參數(shù)化造型3.裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征4.數(shù)據(jù)管理5.裝配管理6.易于使用2.3.2本設(shè)計(jì)主要使用的由于Pro/Engineer在曲面和分模等方面的便利，在本次“亞太機(jī)器人機(jī)械臂設(shè)計(jì)”過(guò)程中，Pro/Engineer主要為輔助SolidWorks完成建模的作用。2.4本次設(shè)計(jì)主要工作本設(shè)計(jì)主要根據(jù)2010年的亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽的競(jìng)賽試題的要求，建造二層自動(dòng)型機(jī)器人以放置上下兩塊的金字塔快。在完成熟悉掌握了建模類軟件SolidWorks、AutoCAD、Pro/Engineer的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際的機(jī)械人機(jī)械臂進(jìn)行建模。在列出幾個(gè)方案，一一整體計(jì)算校核比較后，將確認(rèn)的一個(gè)最優(yōu)方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定尺寸檢查后確定材料，并將所得數(shù)據(jù)文件就強(qiáng)度要求、剛度要求以及穩(wěn)定性要求進(jìn)行進(jìn)行再次校核。需要繪制4張A0設(shè)計(jì)圖紙，都是電子版制圖，均為“*.dwg”格式，全部由AutoCad繪制完成。通過(guò)SolidWorks和Pro/Engineer軟件對(duì)零件的三維實(shí)體化之后導(dǎo)入AutoCad以簡(jiǎn)化繪制工作。利用SolidWorks便捷的三維實(shí)體化和圖紙導(dǎo)入功能，建立大致三維模型導(dǎo)入完成后的圖紙用AutoCad進(jìn)行再加工，完善尺寸標(biāo)注，添加材料明細(xì)表，等等1.各個(gè)方案的整體校核和計(jì)算―使用大學(xué)物理、理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的相關(guān)理論對(duì)各個(gè)方案的整體校核和計(jì)算。計(jì)算從理論入手，運(yùn)用物理學(xué)（力學(xué)）中的相關(guān)公式逐一計(jì)算；如若理論證明可行，考慮實(shí)際情況，如摩擦力、材料自重等等。2.最優(yōu)方案的細(xì)化分析和材料選取―通過(guò)對(duì)選取出來(lái)的最優(yōu)方案的進(jìn)一步細(xì)化計(jì)算，確定材料，載荷情況下的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性分析。重要零部件分析，并繪制圖紙。值得注意的是：由于本設(shè)計(jì)以機(jī)械設(shè)計(jì)為前提和目的，所以幾乎所有的計(jì)算和分析都結(jié)合圖紙進(jìn)行。機(jī)械方案設(shè)計(jì)分析在最初的設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選，最后思路集中到了兩個(gè)方案之中：分別通過(guò)兩種不同的設(shè)計(jì)思路來(lái)實(shí)現(xiàn)金字塔塊的歸位，理論上都是可行的。一種是直接接觸的，另一種是通過(guò)其它介質(zhì)（間接）的作用。由題目要求共有上下兩層共計(jì)兩塊的泡沫聚苯乙烯，預(yù)計(jì)通過(guò)時(shí)間為參賽時(shí)間的三分之一：10秒；現(xiàn)分別對(duì)這兩種方案進(jìn)行思路概述、參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算和可能性分析，以擇取最有方案進(jìn)行進(jìn)一步的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和材料確定。3.1具體設(shè)計(jì)要求分析由此次比賽規(guī)則和要求，可知：1．設(shè)計(jì)參數(shù)：載荷最大1Kg，最大臂長(zhǎng)1米，上下移動(dòng)位移0.3米2．每塊金字塔塊尺寸為500mm*500mm*300mm中間有Φ60的小孔貫穿3．塔塊基座上有直徑為18mm、高度合適（300mm.600mm4．塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，每個(gè)塊的重量為750g。所有的塊尺寸和重量相同。5．允許范圍安放誤差范圍25mm6．在比賽開始時(shí),在出發(fā)區(qū),自動(dòng)機(jī)器人和所持塊的尺寸不能超過(guò)1000mm（長(zhǎng)）x1000mm（寬）x1500mm（高），比賽開始后沒(méi)有尺寸限制。7．機(jī)器人的重量：所有機(jī)器人及在整個(gè)比賽中用到的設(shè)備包括電源、電纜、控制器和其它的設(shè)備的總重量應(yīng)不超過(guò)50kg.同型號(hào)、重量、電壓的備份電池的重量不計(jì)算在內(nèi)。8．機(jī)器人的能源：每個(gè)機(jī)器人所用電源的電壓不能超過(guò)DC24V。不能使用任何被認(rèn)為有危險(xiǎn)或不適合的能源。根據(jù)以上條件，設(shè)計(jì)工作載荷：1.5kg運(yùn)動(dòng)參數(shù)：1．動(dòng)力源：電壓DC24V，重量20kg，輸出功率500w2．傳動(dòng)系統(tǒng)：傳動(dòng)盡可能簡(jiǎn)單、明了，要求傳動(dòng)效率高，摩擦小，穩(wěn)定，損耗小。3．執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行部件盡可能使用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的材料。以保證質(zhì)量，穩(wěn)定時(shí)間，使機(jī)械臂可靠。并能夠滿足500mm*500mm*300mm3.2工作原理分析在最初的設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選，最后思路集中到了兩個(gè)方案之中：分別通過(guò)兩種不同的設(shè)計(jì)思路來(lái)實(shí)現(xiàn)金字塔塊的歸位，理論上都是可行的。一種是直接接觸的，另一種是通過(guò)其它介質(zhì)（風(fēng)力）的作用。3.2.1方案一設(shè)計(jì)一個(gè)符合規(guī)范，滿足結(jié)構(gòu)學(xué)和材料力學(xué)條件的機(jī)械臂。充分利用金字塔塊內(nèi)徑Φ60mm的小孔，使用機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來(lái)使金字塔塊發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并以歸位。將金字塔塊安放歸位的過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)應(yīng)該就是當(dāng)機(jī)械臂安放歸位。同時(shí)我們希望機(jī)械臂在插入金字塔塊小孔內(nèi)徑的時(shí)候不僅有豎直向下的力的作用，還有一個(gè)簡(jiǎn)單撐扶住金字塔塊的小臂。這個(gè)小臂（以下稱為輔助臂）在方形金字塔塊的側(cè)面作用，輔助臂可以用彈簧、橡膠圈等有滿足虎克定律有一定（彈力）伸展的較大虎克系數(shù)的材質(zhì)作為部件。使金字塔塊式被“抓舉”歸位的?，F(xiàn)再設(shè)計(jì)一個(gè)橫向的輔助臂，使金字塔歸位過(guò)程比較穩(wěn)妥。既能保證金字塔塊不受影響的情況下將機(jī)械臂收回，又能考慮穩(wěn)定性。如圖1-1及圖1-2所示圖3-1方案一初始狀態(tài)示意圖從方案一初始狀態(tài)可見，分為第一層和第二層升降機(jī)共計(jì)兩個(gè)機(jī)械臂。分別負(fù)責(zé)抓舉第一層立方形和第二層尖塔型兩塊金子塔塊。初始是兩個(gè)塔塊均放在車子上，其中兩上下兩層的機(jī)械臂都有右邊輔助臂固定，以防止金字塔塊在運(yùn)送至目的地的過(guò)程中翻轉(zhuǎn)。圖3-2方案一放置狀態(tài)示意圖從方案一放置狀態(tài)可見，第一、第二層機(jī)械臂依次在橫向移動(dòng)，伸出金字塔塊；在第一層金字塔塊安放就位之后，第二層升降機(jī)抓緊金字塔尖頂，橫向移動(dòng)，直至扣住尖頂固定座。3.2.2方案二方案二的思路比較簡(jiǎn)單，考慮到金字塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，質(zhì)量較輕，體積較大，于是試圖利用風(fēng)能將金字塔塊“吹”至金字塔規(guī)定位置。理論上完全可以根據(jù)金字塔塊的運(yùn)動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)功率，使金字塔塊在風(fēng)力作用下正好就位，并且可以避免小車與金字塔塊積壓、扭轉(zhuǎn)等變形。如圖3-3及圖3-4所示圖3-3方案二初始狀態(tài)示意圖圖3-4方案一放置狀態(tài)示意圖用純數(shù)學(xué)的方法，直接將金字塔塊與金字塔之間的距離和電動(dòng)機(jī)功率一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，希望可以僅僅由輸出功率變化而運(yùn)送成功。3.3運(yùn)動(dòng)原理分析3.第一層狀態(tài)一情況下的機(jī)械臂與金字塔塊尖沒(méi)有力的相互作用，即機(jī)械臂受到自身重力和支架對(duì)它的支持力的作用。在收回機(jī)械臂的時(shí)候，金字塔塊與機(jī)械臂是不需要接觸的，也就是說(shuō)，是兩個(gè)完全獨(dú)立的個(gè)體。在設(shè)計(jì)的時(shí)候特地選擇了比金字塔塊內(nèi)徑貫穿孔更小的直徑來(lái)作為機(jī)械臂，這樣可以說(shuō)就實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。多了一個(gè)橫向的輔助臂，使金字塔歸位過(guò)程比較穩(wěn)妥。既能保證金字塔塊不受影響的情況下將機(jī)械臂收回，又能考慮穩(wěn)定性。因?yàn)樵谑栈貦C(jī)械臂的時(shí)候，金字塔塊與機(jī)械臂也是不需要接觸的。希望機(jī)械臂在插入金字塔塊小孔內(nèi)徑的時(shí)候不僅有豎直向下的力的作用，還有一個(gè)簡(jiǎn)單撐扶住金字塔塊的輔助臂，在方形金字塔塊的側(cè)面作用。這樣的話，比較穩(wěn)定，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的要求和機(jī)械臂的靈敏度也是可以接受的程度，如圖3-7機(jī)械臂初始狀態(tài)受力分析示意圖、圖3-8機(jī)械臂放置金字塔塊示意圖、圖3-9機(jī)械臂放置金字塔塊受力簡(jiǎn)圖示意圖可見。不僅提供了豎直方向與金字塔塊重力相平衡的力、彎矩；在水平方向，因?yàn)橛辛艘驗(yàn)檩o助壁的幫助，也能比較穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。材料選取方面，也可以分情況考慮，比較切合成本甚至比賽的要求。3.用純數(shù)學(xué)的方法，直接將金字塔塊與金字塔之間的距離和電動(dòng)機(jī)功率一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，希望可以僅僅由輸出功率變化而運(yùn)送成功。方案二考慮到金字塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，質(zhì)量較輕，體積較大，于是試圖利用風(fēng)能將金字塔塊“吹”至金字塔規(guī)定位置。3.4力傳遞分析3.第一層狀態(tài)一情況下的機(jī)械臂與金字塔塊尖沒(méi)有力的相互作用，圓型主臂和方型輔助臂均只受到自身重力和支架對(duì)它的支持力的作用。第一層機(jī)械臂小車初始狀態(tài)受力分析如圖所示：圖3-5機(jī)械臂初始狀態(tài)受力分析示意圖水平方向：無(wú)豎直方向：G=750g=0.75kg（已知）F=G=750g=0.75kg2．小車放置金字塔狀態(tài)一．豎直方向當(dāng)進(jìn)入小車放置金字塔狀態(tài)時(shí)，機(jī)械臂與金字塔塊充分接觸，機(jī)械臂將金字塔塊所有重量舉起，并依靠摩擦帶動(dòng)金字塔塊的前進(jìn)?！呓鹱炙K材料為塑料聚苯乙烯，質(zhì)量較輕，為均質(zhì)∴第一層機(jī)械臂小車放置金字塔塊狀態(tài)如圖所示圖3-6機(jī)械臂放置金字塔塊示意圖可見，機(jī)械臂與金字塔塊直接接觸的地方并非機(jī)械臂插塊整體的全長(zhǎng)，設(shè)計(jì)該長(zhǎng)度為0.4m,已知金字塔塊G=750g=0.75kg小車放置金字塔狀態(tài)豎直方向受力簡(jiǎn)圖如圖所示圖3-7機(jī)械臂放置金字塔塊受力簡(jiǎn)圖示意圖第二層機(jī)械臂桿二主要是推的。緩慢推動(dòng)，使金字塔塊保持勻速第二層機(jī)械臂受力分析如圖所示：圖3-8第二層機(jī)械臂受力分析示意圖3.已知：金字塔塊體積500mm*500mm*500mm,由Φ60mm小孔貫穿；為泡沫聚苯乙烯，750g，密度為1.04~1.06g/cm要求機(jī)械臂載荷最大1Kg，最大臂長(zhǎng)1m，上下移動(dòng)位移0.3m，總重量不大于50kg根據(jù)題意，三座金字塔，共計(jì)安放時(shí)間為30秒?，F(xiàn)考慮自動(dòng)機(jī)器人的第一層塔塊，∴通過(guò)時(shí)間為t=30/3/2=5秒設(shè)電扇直徑為Φ300mm，底邊長(zhǎng)度為0.5m，當(dāng)時(shí)空氣密度為1.3kg/m3圖3-9方案三示意圖如圖所示，電扇將金字塔塊吹放歸位。去除中間小孔，則實(shí)際作用面面積為現(xiàn)考慮理想情況下，即忽略一切阻力，完全考慮風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能的輸入能率。假設(shè)在真空狀態(tài)下的，沒(méi)有空氣阻力，電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，風(fēng)能在全部轉(zhuǎn)化為聚苯乙烯的動(dòng)能。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)摩擦，速度只受電動(dòng)機(jī)提供風(fēng)力影響（與距離無(wú)關(guān)）∴最終的即時(shí)速度為則發(fā)動(dòng)機(jī)需要提供的功率P為：由此可見，理論上的功率極小。實(shí)際上，金字塔塊并不能始終保持風(fēng)能完全轉(zhuǎn)為動(dòng)能。就能量守恒的原理來(lái)說(shuō)其中WO輸出總功風(fēng)力能輸出效率功動(dòng)能風(fēng)力在空氣中的損耗金字塔塊與底座等摩擦的損耗圖3-10受力空氣體積示意圖如圖所示，真正的空氣體積可用梯形近似表達(dá)，h是電扇與金字塔塊的距離整理所得，即是風(fēng)扇與木塊距離h與木塊速度關(guān)系式。由式子可能，h仍然受到、、等諸多因素影響。3.5方案比較以上兩個(gè)方案，分別通過(guò)機(jī)械臂對(duì)金字塔塊的抓舉（方案一）和電動(dòng)機(jī)提供足夠的能量直接作用于金字塔塊（方案二），這兩種方案使其歸位。方案一充分考慮到當(dāng)機(jī)械臂安放歸位之后，如何在保證金字塔塊不受影響的情況下將機(jī)械臂收回。所以設(shè)計(jì)了一個(gè)比金字塔塊內(nèi)部有Φ60mm小孔略小的機(jī)械臂，利用機(jī)械臂與金字塔塊內(nèi)壁小孔間直徑差，觸碰時(shí)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，推放金字塔塊；不觸碰時(shí)安全收回。并且多了一個(gè)橫向的輔助臂，使金字塔歸位過(guò)程比較穩(wěn)妥。既能保證金字塔塊不受影響的情況下將機(jī)械臂收回，又能考慮穩(wěn)定性。機(jī)械臂在插入金字塔塊小孔內(nèi)徑的時(shí)候不僅有豎直向下的力的作用，還有一個(gè)簡(jiǎn)單撐扶住金字塔塊的輔助臂，在方形金字塔塊的側(cè)面作用。這樣的話，多了一個(gè)耗材輔助臂，小車質(zhì)量和成本會(huì)相對(duì)增加。方案二考慮到金字塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，質(zhì)量較輕，體積較大，于是試圖利用風(fēng)能將金字塔塊“吹”至金字塔規(guī)定位置。理論上完全可以根據(jù)金字塔塊的運(yùn)動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)功率，使金字塔塊在風(fēng)力作用下正好就位，并且可以避免小車與金字塔塊積壓、扭轉(zhuǎn)等變形。但是在實(shí)際操作，具體的執(zhí)行會(huì)受到氣溫、氣壓、濕度、空氣密度、摩擦等等的影響。經(jīng)過(guò)比較，選擇方案一。設(shè)計(jì)組成要素分析選擇根據(jù)以上分析計(jì)算，選擇方案一作為此次設(shè)計(jì)的方案。方案一在兼顧了設(shè)計(jì)合理性與運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的條件下，實(shí)現(xiàn)了制造和實(shí)際情況下的最優(yōu)化?，F(xiàn)對(duì)方案一的設(shè)計(jì)組成要素分析選擇：4.1基本組成結(jié)構(gòu)由于本次設(shè)計(jì)要求為設(shè)計(jì)機(jī)械臂搬移上下共計(jì)兩層的金字塔塊，根據(jù)經(jīng)過(guò)篩選比較的方案一，小車由底盤、第一層運(yùn)送機(jī)、第二層升降機(jī)三個(gè)結(jié)構(gòu)組成。其中底盤上裝載電動(dòng)機(jī)，作為動(dòng)力源；底下裝載輪盤，以便滑動(dòng)；為了使小車結(jié)構(gòu)合理、便于拆卸裝載和維護(hù)，將小車底盤又分為底盤上部和底盤下部，其中底盤上部選用一個(gè)質(zhì)量牢固可靠性較高的材料制成的，主要負(fù)責(zé)底盤下部的拼裝工作，底盤下部帶有輪盤，可以推動(dòng)，能負(fù)載，有很好的抗壓性，能抵抗一般沖擊，以固定或支撐元件。如圖4-1及圖4-2所示圖4-1車底盤上部示意圖圖4-2車底盤下部示意圖第一層運(yùn)送機(jī)需要有一個(gè)直徑小于金字塔塊小孔內(nèi)徑的插塊，以完成對(duì)金字塔塊的牽引、提取工作，底部必須有能滑動(dòng)的底座；并且需要有足夠能抵抗變形和彎矩受力的支持塊來(lái)固定和連接。為了能使整個(gè)運(yùn)送機(jī)順利運(yùn)送金字塔塊，需要配有足夠驅(qū)動(dòng)和功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)置于小車底盤。如圖4-3所示圖4-3第一層運(yùn)送機(jī)示意圖第二層升降機(jī)相對(duì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜：除了底部同樣需要有能滑動(dòng)的底座，與金字塔塊接觸部分同樣需要有足夠抗壓彎強(qiáng)度的直徑小于金字塔塊小孔內(nèi)徑的插塊之外，還必須考慮亞太機(jī)器人大賽的參加規(guī)則，即在初始狀態(tài)的體積有限制。所以根據(jù)方案一的設(shè)計(jì)，在豎直方向要有一個(gè)能上下移動(dòng)的豎直長(zhǎng)滑軌，為了能順利運(yùn)動(dòng)，則需要發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)和同步帶來(lái)牽引；同樣的，水平方向，也需要發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)和同步帶來(lái)牽引。如圖4-4所示圖4-4第二層升降機(jī)示意圖4.2動(dòng)力分析根據(jù)設(shè)計(jì)，動(dòng)力主要來(lái)自三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中車底盤的有兩個(gè)，第二層升降機(jī)也有一個(gè)。發(fā)動(dòng)機(jī)的啟用是整個(gè)系統(tǒng)所有動(dòng)力的主要來(lái)源，發(fā)動(dòng)機(jī)不僅要提供小車運(yùn)動(dòng)、同步輪和升降機(jī)的滑移，還有插塊對(duì)于金字塔塊的搬移，當(dāng)然其中的摩擦等損耗也均與發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供。合理的選用發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間、提高運(yùn)動(dòng)效率，還可以節(jié)省小車總重量。4.3傳動(dòng)部件分析在本次設(shè)計(jì)中的傳動(dòng)主要依靠傳動(dòng)同步帶輪。根據(jù)受力情況和負(fù)載情況如圖4-5所示：圖4-5帶輪示意圖合理的傳動(dòng)方案，應(yīng)能滿足發(fā)電機(jī)和整體結(jié)構(gòu)的性能要求、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、效率高合使用維護(hù)方便等。為了盡可能的滿足以上要求，根據(jù)實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況和參賽規(guī)則，確定使用同步帶傳動(dòng)，帶傳動(dòng)為摩擦傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，能緩沖吸振、噪音小，傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸較其他傳動(dòng)形式大。并且在傳遞相同功率時(shí)，帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)較為緊湊。4.4執(zhí)行部件分析為避免力的支持過(guò)于單一，因此對(duì)于運(yùn)動(dòng)的精度要求比較高，故需要選取許用應(yīng)力和許用彎矩較大的材料，如鋼、鋁合金，這樣的話執(zhí)行部件必須做到質(zhì)量輕，體積小，移動(dòng)靈活，抗摩擦。機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算5.1執(zhí)行件載荷計(jì)算根據(jù)方案二的參數(shù)計(jì)算和校核結(jié)果，考慮到實(shí)際使用情況，需要選取一款具有效率高、體積小、質(zhì)量小、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)所需動(dòng)力發(fā)動(dòng)裝置。經(jīng)過(guò)比較和查閱機(jī)(1)剪力分析剪力Fs(x)=q(1-x)∵均質(zhì)剪力圖如圖所示圖5-1小車放置金字塔剪力圖示意圖(2)彎矩方面：彎矩圖如圖所示圖5-2小車放置金字塔彎矩圖示意圖(3)校核扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度如圖最大轉(zhuǎn)矩MMAX=0.15Nm取機(jī)械臂直徑d=55mm<60mm現(xiàn)使用實(shí)心軸二．水平方向在水平方向上，有一個(gè)摩擦力克服金字塔塊的滑動(dòng)趨勢(shì)，該摩擦力作用于金字塔塊表面，使金字塔塊保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)的靜止?fàn)顟B(tài)。摩擦力是靜摩擦力，該靜摩擦力阻止物體滑動(dòng)趨勢(shì)。小車放置金字塔水平方向受力簡(jiǎn)圖如圖所示圖5-3小車放置金字塔水平方向受力簡(jiǎn)圖示意圖根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=10s，路程取0.5m。則速度則總做功：該力以及該做功由輔助臂相平衡，這樣也避免了潛在的不穩(wěn)定因素。5.2動(dòng)力參數(shù)計(jì)算選取發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)方案一的參數(shù)計(jì)算和校核結(jié)果，考慮到實(shí)際使用情況，需要選取一款具有效率高、體積小、質(zhì)量小、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)所需動(dòng)力發(fā)動(dòng)裝置。經(jīng)過(guò)比較和查閱機(jī)械手冊(cè)，選取“Y系列封閉式籠型三相異步電動(dòng)機(jī)”。該電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：采用封閉自扇冷式結(jié)構(gòu)。能防止灰塵或其他固體一部進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)，能防止任何方向的濺水對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。除了上述特點(diǎn)，在性能方面還具有耗電少、性能好、噪聲低、維修方便等。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，考慮到傳動(dòng)效率、磨損等因素，選取Y801-2或Y90S-2型發(fā)動(dòng)機(jī)。其參數(shù)如下所示：表4-1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)比較型號(hào)額定功率/kw轉(zhuǎn)速/（r/min）電流（A）效率（%）功率因數(shù)/cosY801-20.7528301.81750.84Y90S-21.528403.44780.85型號(hào)最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)電流額定電流轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/（kg/m2）質(zhì)量/kgY801-22.27.02.20.0007516Y90S-22.27.02.20.001222經(jīng)過(guò)比較，選用Y801-2型發(fā)動(dòng)機(jī)。5.3傳動(dòng)件設(shè)計(jì)選取材料為了簡(jiǎn)化實(shí)際材料的采購(gòu)和加工過(guò)程，根據(jù)參數(shù)計(jì)算，將方案二的機(jī)械臂設(shè)計(jì)的所用材料分為如下四種1．強(qiáng)度、硬度高，能負(fù)載，密度較大，同等質(zhì)量情況下體積較小。有很好的抗壓性，能抵抗一般沖擊，以固定或支撐元件。如底座平臺(tái)、電機(jī)安裝板、升降同步輪平臺(tái)、金字塔塊橫向平臺(tái)、支架立板、T型板等2．強(qiáng)度、硬度較高，相對(duì)能負(fù)載。比較輕巧。容易帶動(dòng)起運(yùn)動(dòng)。如金字塔塊插塊整體、滑動(dòng)車體、主軸、從動(dòng)輪車軸等。3．相對(duì)密度較小。應(yīng)該有很好的，從而給予運(yùn)動(dòng)部件較好的支持。如軸套、車軸、車盤安裝座、升降從動(dòng)軸等。4．質(zhì)量輕，體積小，移動(dòng)靈活，抗摩擦。如電機(jī)座、軸承座、輪子等。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取1類材料為鋼板2類材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3類材料為鋼板45#鋼4類材料為鋁合金全文總結(jié)本文首先介紹了此次設(shè)計(jì)題目的意思和研究背景。亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽是面向全亞太大學(xué)在校學(xué)生的一項(xiàng)重要賽事。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是2010年度的