某拾球機器人關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24686某拾球機器人關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)設(shè)計案例 183291.1葉輪機構(gòu)設(shè)計 1296811.2行走機構(gòu)設(shè)計 1145281.3吸球機構(gòu)設(shè)計 4324331.4扭盤機構(gòu)設(shè)計 5152161.5儲球機構(gòu)的設(shè)計 61.1葉輪機構(gòu)設(shè)計拾球機的葉輪機構(gòu)是由一個有6片扇翼的扇輪、掃球板以及驅(qū)動電機系統(tǒng)組成。其工作過程為：在球館內(nèi)，乒乓球散落在場館各處，拾球機通過視覺傳感器運動至目標(biāo)物處，通過葉輪機構(gòu)將乒乓球卷入裝置中。葉輪機構(gòu)由電機驅(qū)動，當(dāng)乒乓球位于葉輪機構(gòu)下方時，扇翼逆時針轉(zhuǎn)動，將乒乓球卷至2片扇翼中間的夾縫處，在電機的驅(qū)動下，乒乓球隨扇翼被帶動到吸球管道端口處再通過吸球管道將乒乓球運送到儲球室內(nèi)。圖葉輪機構(gòu)1.2行走機構(gòu)設(shè)計行走機構(gòu)選用四輪結(jié)構(gòu)，采用可以全方位移動的麥克納姆輪進行運作，麥克納姆輪是瑞典一家公司的發(fā)明的，輪子由中心輪以及在中心輪周圍的輪軸組成，這些輪軸與與中心輪成一定的夾角，夾角主要是用于提高輪子的法向力。麥克納姆輪的原理主要是讓分散在不同方向的力最終能夠合成到任意指定的方向，讓裝置能夠在最終合成力的方向上移動。在每一個小的輪軸上都分布有小滾子，這讓輪子可以進行橫向的移動。用四個麥克納姆輪組裝的機器機構(gòu)緊湊、運動靈活，方便實現(xiàn)全方位移動的功能。麥克納姆輪可以讓拾球機在各種乒乓球場地進行任務(wù)工作。圖麥克納姆輪采用麥克納姆輪為移動機構(gòu)的拾球機在進行前后移動時，麥克納姆輪的運動狀態(tài)如圖3-所示。圖中的紅色實線箭頭是輪子在向前轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦力，左邊機器的車輪全部會向前轉(zhuǎn)，但前側(cè)兩輪與后側(cè)兩輪的側(cè)向分力抵消于是左邊的小車會向前進，同理右邊的小車受到摩擦力影響會向后退。圖前后移動示意圖再如圖3所示，左邊小車前側(cè)兩輪左側(cè)的向前轉(zhuǎn)，右側(cè)的向后轉(zhuǎn)，這使得前側(cè)有向右的分力，而后側(cè)兩輪與前側(cè)兩輪同向，因而有向左的分力，這使得左邊的小車做順時針運動。而右邊的小車前側(cè)有向左的分力，后側(cè)有向右的分力，使得小車做逆時針運動圖旋轉(zhuǎn)運動示意圖若令前側(cè)兩輪左邊的向后轉(zhuǎn)，右邊的向前轉(zhuǎn)，后側(cè)兩輪則與前側(cè)相反，可以使底盤做出向左平移的運動；若前側(cè)兩輪左邊的向前轉(zhuǎn)，右邊的向后轉(zhuǎn)，后側(cè)兩輪與前側(cè)的也是相反的，這就可以使得底盤做出向右平移的運動。如圖3所示。當(dāng)四個輪子中只驅(qū)動對角兩個輪子則可以令機器做出向左前、左后、右前、右后方平移的動作。圖左右平移示意圖如圖3所示，四個麥克納姆輪，只需驅(qū)動對角兩個輪子就可實現(xiàn)底盤的斜向平移運動，比如前側(cè)兩輪中左輪不驅(qū)動，處于停車狀態(tài)，右輪向前轉(zhuǎn)，則受到向左前方的合力；后側(cè)兩輪中左輪向前轉(zhuǎn)，右輪不驅(qū)動，處于停車狀態(tài)，則受到向左前方的合力，所以底盤會做出向左前方平移的運動。又如前側(cè)兩輪中左輪不驅(qū)動，右輪向后轉(zhuǎn)，則受到向右后方的合力；后側(cè)兩輪中左輪向后轉(zhuǎn)，右輪不驅(qū)動，則受到向右后方的合力，所以底盤會做出向右后方平移的運動。圖斜向平移示意圖拾球機的重量大致在20kg-30kg之間，可選擇麥克納姆輪的直徑為100mm，其最大的負載能力為40kg，材質(zhì)為鋁合金，可減輕重量，使得一組4個含聯(lián)軸器重1.52kg。1.3吸球機構(gòu)設(shè)計乒乓球的直徑為40mm，質(zhì)量為2.7g，其具有體積小，質(zhì)量輕的特點。吸球機構(gòu)的工作原理是利用管道內(nèi)外大氣壓差來進行工作。吸球機構(gòu)主要由吸球管道、風(fēng)扇。復(fù)位擋板組成。將風(fēng)扇安裝于吸球管道末端，啟動風(fēng)扇時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動形成的風(fēng)壓能夠使吸球管道內(nèi)部的壓強要小于外部的，此時乒乓球在大氣壓的作用下被壓入管道內(nèi)。管道的設(shè)計采用斜坡，這有利于乒乓球的滾動以及減弱風(fēng)扇的風(fēng)力降低電耗。圖吸球機構(gòu)力學(xué)平衡計算公式為：(F式中的FM為風(fēng)力，R為乒乓球半徑，MF式中的CF為風(fēng)力系數(shù)（球體的系數(shù)取0.5），標(biāo)準大氣壓下取ρ=1.2kg/m3,A為迎風(fēng)面積（A=πR2乒乓球在斜面上滾動的最小風(fēng)速為：

v=δcosα+RsinαV=kvSmax式中k=1.5，α=37°，m=2.7g,g=9.78N/kg,可得風(fēng)扇的最小排量為V=4.72m3乒乓球球在吸球管道內(nèi)部的運動是被約束的，但因為下落時受到風(fēng)力的作用，會使下落的精度受到影響，若要使乒乓球能夠安全下落至儲球機構(gòu)內(nèi)，本裝置在吸取管道的末端設(shè)置了一段延伸的管道，稱為出球口，出球口要為乒乓球下落時起到一定的定位作用，所以其長度大致在30mm左右。因為設(shè)立了出球口，這使得吸球管道內(nèi)外的壓差會變小，這會增加吸球難度。因此，需要在吸球管的出球口處設(shè)置復(fù)位擋板。未工作時，出球口處的復(fù)位擋板處于打開狀態(tài)，工作時，復(fù)位擋板在受到管道內(nèi)的負壓作用下將被吸起，蓋住出球口處，使得乒乓球能夠順利進入吸球管道內(nèi)。為了保證吸球管道與葉輪處的精確接合，需要在吸球管的前端設(shè)計延伸板，延伸板既要使乒乓球能夠過渡到吸球管內(nèi)，也要與葉輪有配合，不至于出現(xiàn)乒乓球落到管外的地方。在設(shè)計延伸板時，其長度為30mm。1.4扭盤機構(gòu)設(shè)計扭盤機構(gòu)的目的是輔助識別搜尋目標(biāo)，識別系統(tǒng)是靠視覺傳感器的傳感器來捕捉目標(biāo)，一般標(biāo)準鏡頭的視覺約為30°，如果不通過此結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)輔助搜尋，則拾球機最多有330°的視覺盲區(qū)。這會極大程度的降低機器人的性能。若扭盤承載整個機身，則需要更大的扭矩，雖然可以通過改變電機馬力的方式來工作，但這樣就需要耗費大量的電能，為節(jié)約成本，我們選擇將扭盤運作于裝置頭部。使用優(yōu)質(zhì)的軸承固定中心轉(zhuǎn)軸，工作時能夠減少摩擦力，對電機進行編程控制，使其正反方向交替反復(fù)轉(zhuǎn)動，直至識別系統(tǒng)搜尋到目標(biāo)物體停止轉(zhuǎn)動。進行交替轉(zhuǎn)動的目的是防止裝置的機身頭部與機身下部之間的下路發(fā)生纏繞現(xiàn)象。為了便于扭盤的正反方向交替反復(fù)轉(zhuǎn)動，在扭盤機構(gòu)上設(shè)立了兩個小滑輪，滑輪起到輔助軸承旋轉(zhuǎn)的作用，在拾球機的下部裝置還存在一條環(huán)形軌道用于確定滑輪的位置和減小摩擦。由于扭盤要支撐整個機身，可以設(shè)計一個彈簧減震器，可以減輕裝置在行走時地面不平整帶來的震動，保護機器人。圖扭盤機構(gòu)1.5儲球機構(gòu)的設(shè)計儲球機構(gòu)主要是用于儲存被裝置搜尋到的乒乓球的機構(gòu)，儲球機構(gòu)結(jié)構(gòu)樣式簡單，主要部分是外殼與裝置機構(gòu)之間的空間，用這部分空間進行乒乓球的存儲。乒乓球通過葉輪機構(gòu)進