全向移动功能的篮球机器人的机械系统设计毕业论文

全向移动功能的篮球机器人的机械系统设计毕业论文目录绪论 (1)0.1 移动机器人现状与技术水平 (1)0.2 移动机器人机构研究概况 (1)0.3毕业设计来源及参赛意义 (2)0.4毕业设计的设计方法、主要任务及目标 (2)1 全维轮移动篮球机器人机械系统设计整体方案 (4)1.1机器人整体结构方案 (4)2 移动平台设计 (7)2.1移动机器人的运动方式 (7)2.1.1差动运动方式 (7)2.1.2全运动方式 (8)2.1.3选择全向运动方式 (8)2.2 全向轮的选择 (9)2.2.1 全向轮的介绍： (9)2.2.2全向轮的选型 (10)2.3电动机的选择 (12)2.3.1 直流电机的选取与计算 (13)2.4其他部件的选择校核 (17)2.4.1电机支撑架的选择 (17)2.4.2轴承的选择及校核 (17)2.4.3底盘设计 (18)2.4.4阶梯轴的设计 (18)2.5电机与轮的装配 (19)3 捡球机构的设计 (20)3.1电机的选择及计算 (20)3.1.1所需转矩计算 (20)3.2 齿轮的选择及校核 (22)3.3 插架的设计 (23)3.4 传动轴的设计 (24)3.5捡球机构装配 (25)4 弹射机构设计 (26)4.1 投篮速度的选取与计算 (26)4.2气缸的选择 (27)4.3 导行架的设计 (28)4.3弹射机构的装配 (29)5 全维轮移动篮球机器人机械结构装配及总结 (30)5.1 全维轮移动篮球机器人机械结构 (30)5.2设计总结 (31)参考文献 (33)致谢 (34)绪论0.1 移动机器人现状与技术水平机器人的最初形式是工业机器人，它能有效的提高产品的质量和改善人们的劳动条件，在焊接装配、浇铸、喷漆等方面得到了广泛应用。

工业机器人通常为多关节的机械手臂，本体不具有可移动性，因而工作环境相对来说是固定的，其灵活性只表现在可以按照人们的要求反复编程实现不同的运动。

为了获得更大的独立性，人们对机器人的灵活性和智能提出来更高的要求，要求机器人能够在一定范围内安全运动，完成特定的任务，具有较强的环境适应能力。

因此，近年来，移动机器人的研究成为机器人领域的研究重点之一。

移动机器人狭义上指的是地面上可移动机器人，主要包括军事领域和民用领域机器人两种。

军事智能机器人包括侦查机器人、爆炸物处理机器人和步兵支援机器人等，种类繁多、功能强大、用途广泛，发展潜力巨大。

在民用移动服务机器人方面，日本和美国处于遥遥领先的地位。

机器人被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。

在国内。

上海大学研制出导购机器人，哈尔滨工业大学研制出导游机器人和清扫机器人等。

从广义讲，移动机器人也包括空间机器人（如美国的火星探路者）和水下机器人（如我国研制的海峡6000米探测机器人），它对机器人的控制技术，传感器和材料等方面提出了更高的要求。

目前在欧美、日本等西方发达国家，移动式机器人已广泛应用于五大领域：医疗福利服务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务。

0.2 移动机器人机构研究概况能在工作环境内移动和执行任务是移动式机器人的两大特点。

下面着重介绍一下机器人移动机构方面的研究情况。

由于本文所研究机器人的工作环境是在地面上，下面的介绍就仅限于在平面环境中机器人的移动机构。

能够在平面环境中移动的机构形式主要有履带式移动机构、腿足式移动机构和车轮式移动机构。

此外，还有适用于特定场合的步进式移动机构、蠕动式移动机构和蛇行式移动机构等。

履带式移动是将圆环状的循环轨道履带卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与地面接触，利用履带可以缓冲地面的凹凸不平。

履带移动机构的着地面积比较大，着地压强小，与路面的粘着力也较强，所以它能够在凹凸不平和松软路面上稳定移动。

因此，履带式移动机构是用于路面状态比较复杂的场合。

腿足式移动机构基本上是模仿人或动物的下肢机构形态而制成的。

以两足步行机器人为例，机器人姿态的地位十分重要，为此必须有能直接或间接检测姿态的传感机构。

它还可以在需要获取姿态信息时，通过对踝关节力矩反馈控制使其处于柔顺状态，使脚底适应地面情况，测量此时踝关节的角度，就可得到姿态信息。

腿足式移动机构适应地面的能力也很强，但其机构复杂，运动控制的难度较大，且运动速度比较慢。

车轮式移动机构的优点有：能高速稳定地移动、能量利用率高、机构简单、控制方便和能借鉴至今已很成熟的汽车技术等。

它的缺点是移动场所限于平面。

目前机器人的工作环境，如果不考虑核电站等特殊环境和山地等凹凸不平地面等自然环境，几乎都是人工建造的较为平坦的地面，所以轮式机构的利用价值是非常高的。

因此，车轮式移动机构可认为是移动机器人的重要组成部分。

车轮式移动机构又可分为二轮机构、三轮机构、四轮机构和全方位移动机构。

二轮式移动机构的结构非常简单，但是在静止和低速时非常不稳定。

三轮式移动机构的特点是机构组成容易，旋转中心是在连接两驱动轮的直线上，可以实现零回转半径。

四轮式移动机构的运动基本上与三轮机构相同，由于增加了一个支承轮，运动更加平稳。

0.3毕业设计来源及参赛意义毕业设计来源于参加全国机器人大赛投篮机器人的设计和制作。

全国机器人大赛为我国大学生提供了一个充分展示创造力的舞台，有利于激发大学生开发、研制高科技的兴趣与爱好，有利于培养学生的创造，激发学生的想象力，锻炼学生的实际动手能力。

在竞赛中，学生们把自己的一些想法通过努力变成现实，这是课堂教育做不到的。

0.4毕业设计的设计方法、主要任务及目标为了搞好这次参赛的机器人研制，本着创新与实践相结台的原则，主要方法及任务如下，设计工作的工作流程如图1.1。

1)研究比赛过程，提出方案，确定投球机器人的总体结构；2)根据总体目标，通过市场调查和资料搜集，进行技术可行性论证；3)确定篮球机器人的机械零件，电机的选择等；4)确定篮球机器人的机械结构，并绘图；1全维轮移动篮球机器人机械系统设计整体方案机械系统是指由许多机器、装置、监控仪器等组成的大型工业系统，或由零件、部件等组成的机器。

从不同的角度出发，机械系统的构成有不同的描述。

以前大多是按照系统的结构和组成的装置进行描述，这使得在设计时比较零乱，难以集成。

现代科学的世界观认为，世界是由物质、能量及信息组成的。

与此相对应，任何工程系统的功能，从本质上讲，都是接收物质、能量及信息，经过加工转换，输出新形态的物质、能量及信息。

机械系统设计必须考虑整个系统的运行，而不是只关心各组成部分的工作状态和性能。

传统的设计方法注重内部系统的设计，且以改善零部件的特性为重点，至于各零部件之间、外部环境与内部系统之间的相互作用和影响考虑较少。

零部件的设计固然应该给予足够的重视，但全部用最好的零部件未必能组成好的系统，其技术和经济性未必能实现良好的统一。

应该在保证系统整体工作状态和性能最好的前提下，确定各零部件的基本要求及它们之间的协调和统一。

本次设计中要注意的问题如下：1)合理地确定可靠性要求和安全系数可靠性要求和安全系数分别是可靠性设计及传统设计方法中描述系统工作而不失效的程度指标。

由于设计时使用的载荷、材料强度等数据都属于统计量，因而可靠性要求更符合客观实际。

所以，采用可靠性设计可以使系统的设计更合理、更经济。

系统越复杂，其优越性也就越明显，经济性和可靠性也就越统一。

2)贯彻标准化标准化是组织现代化大生产的重要手段，它大大提高了产品的通用性和互换性，可以使生产技术活动获得必要的统一协调和良好的经济效果。

它创造的经济性体现在很多方面，如加快了产品开发速度，缩短了生产技术准备时间，节约了原材料，提高了产品质量、可靠性和劳动生产率，改善了维修性等。

1.1机器人整体结构方案设计的重点是全维轮移动篮球机器人机械系统设计，在这简单介绍全维轮移动篮球机器人的整体方案：全维轮移动篮球机器人（如图1-1）重约二十公斤，先由移动平台运动到篮球位置，由捡球机构，将篮球捡起，然后给驱动电机一个信号，将球送往弹射机构，弹射机构，它以气动弹射将球发射，弹进篮筐，球的发射速度是15m/s。

图1-1 全维轮篮球机器人1）移动平台如图1-2，它由三个全向轮及其连接部分，三个直流电动机及其就支承部分（如图1-3），及一个底板组成。

工作时有控制信号控制三个轮子运动，达到直线前进后退，曲线运动等，完成投篮所需的运动。

图1-2 移动平台图1-3 轮和电机2）捡球机构如图1-4，它由两个圆柱直齿齿轮啮合，一个步进电机带动一个齿轮运动，从而带动齿轮轴转动，齿轮轴上连接两个铝型材叉架，将捡到的篮球举起送到弹射机构上。

图1-4 捡球机构3）弹射机构如图1-5，它有一个气缸固定到支撑架上，当捡球机构将篮球送到弹射机构的时候，有控制信号控制电磁阀控制压缩空气进入气缸，从而由活塞将篮球弹射出，完成最后的投篮。

图1-5 弹射机构2 移动平台设计移动平台如图1-2，它由三个全向轮及其连接部分，三个直流电动机及其就支承部分，及一个底板组成。

工作时有控制信号控制三个轮子运动，达到直线前进后退，曲线运动等，完成投篮所需的运动。

2.1移动机器人的运动方式按照移动机器人的移动方式来分，机器人可以分为：轮式、腿式、履带式和蜿蜒式，其中轮式是机器人出现最早应用最广的移动方式，它的结构方式相对简单，并且可以在一个平面环境里提供平滑、高速、精确的运动效果。

2.1.1差动运动方式传统的轮式机器人一般采用差动运动方式（如图2-1），在平面内这是一种非完整约束。

差动运动轮系是由两个轴线平行的驱动轮以及一个或多个从动轮组成。

通过控制两个驱动轮达到一定的速度，就可得到差动运动的效果。

例如当两驱动轮具有相同的速度时，就能使得机器人进行直线运动。

当一个驱动轮的速度为零，另一个驱动速度不为零时，机器人就会绕前—驱动轮与地面的接触点作旋转运动。

当两驱动轮速度出现其他情况时，机器人的运动将会是这以上两种运动的合成。

图2-1 差动运动图2-2 全运动方式差动运动的方式非常普遍，它的各种衍生形式如：中心可转向轮、阿卡曼等，这些方式尤其多应用于交通工具。

2.1.2全运动方式全向运动方式（如图2-2）是一种可以在平面内获得任意运动的运动方式，可以完全控制机器人在平面运动的三个自由度（两个水平运动分量和一个自身姿态旋转分量）。

具有全向运动能力的运动系统使机器人可以向任意方向做直线运动，而之前不需要做旋转运动，并且这种轮系可以满足一边做直线运动一边旋转的要求，达到终状态所需要的任意姿态角。

图2-2所示的组合全向移动平台的结构示意图，这种结构可以实现车体坐标下X、Y平面坐标上任意方向的运动以及沿车体中心角度 的旋转。

2.1.3选择全向运动方式如下图2-3所示，圆圈代表机器人的轮廓，圆圈中心外向所引出的连线表示机器人当前的姿态正方向，考虑机器人完成由A点出发，运动到处于它侧向B点，并且仍然回复先前的姿态角的任务。