第八届机械设计大赛说明书

第八届浙江省大学生机械设计说明书

作品内容简介

根据第八届浙江省大学生机械设计竞赛的设计制作要求，我们设计的机器人具有行进装置、升降和伸缩装置、分开装置和夹紧装置，可顺利完成规定的救援功能。

本机器人采用四轮驱动行走机构，便于控制行走方向。整个机器人手臂采用关节设计，车身地盘采用长方形结构，巧妙的安装其他设计机构。整个机构手臂经过精心设计，能快速的掀开盖子取物。地盘分离装置巧妙的利用连杆杠杆原理，可在最快速度内撑开和缩紧，很大程度上缩短了过桥的时间。蜗轮蜗杆机构采用了功率大电机，在小车抓取圆柱时能轻松的举起，同时使受力保持在小车的中心，使小车的举起移动时不会倒偏。夹紧装置采用丝杆带动连杆机构，能够快速的夹取物件，同时具有自锁性，物价夹取了以后不会掉落。手指采用折线形状，可增多与物体的接触点，提高抓取物体的可靠性。

研究背景及意义

近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水,人为的恐怖祸害如恐怖活动、武力冲突, 以及由炭疽热、、禽流感等生化病毒和有毒物质、辐射性物质等带来的恐怖, 威胁着人们的安全, 引起了人们广泛的关注。虽然人们对各种灾难的警觉和反应能力有所提高, 但在处理破坏性灾难事件时还是准备不够充分, 很多人依然死于不专业、不及时的救援活动一。将机餐人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合, 研制与开发用于搜寻和营救的灾难救级机器人以下简称“灾难救援机器人勺, 是机括人学研究中一个富有挑战性的新领域。

在一些危险性大的灾难中, 如随时会引发爆炸的火灾现场, 有易燃、易爆或剧毒气体存在的现场, 地震后存在易二次倒塌建筑物的现场, 施救人员无法深入进行侦察或施救,人们急于探知灾难现场的内部险情, 但又不敢或无法接近或进入灾难现场。此时, 救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡, 它们不但能够帮助工作人员执行救援工作, 而且能够代替工作人员执行搜救任务, 在灾难救援中起着越来越重要的作用。

一、机器原理方案构思和特色

1、平行连杆式手部设计

平行连杆式手部结构如图1所示，具有如下特点。①具有足够的夹紧力；②具有足够的张开角；③保证目标定位的可靠性；④适应被抓取对象的形状要求。

图1 平行连杆手

2、关节式手臂设计

半关节式手臂由2个肩关节和一个肘关节组成，在两个腕关节处安装电机，进行姿态调整，如图2所示。一个肩关节绕垂直轴线回转，另一个肩关节实现俯仰运动，两个肩关节轴正交。肘关节平行于第二个轴线。关节式手臂设计动作灵活、结构紧凑，各个臂长进过精心设计，能顺利的完成抓去任务。

图2 关节式手臂

二、设计方案拟定

1、题目要求分析

（1）完成动作1，即机器人穿越“隧道”通过平台①，此项动作需要机器人具备行走功能，即需要行进装置。

（2）完成动作2，即机器人通过平台②穿越“河道”，由于隧道宽为350mm 而河道桥宽为380mm，此项动作要求机器人具备改变两侧轮子宽度的能力，即需要分离装置。

（3）完成动作3，即机器人将“救援目标”把平台③，此项动作要求机器人具备打开盖子和抓取物体的能力，即升降、收缩装置和夹紧装置。

（4）完成动作4，即机器人将另一“救援目标”从平台④取出，此项动作要求机器人能顺利开门，取出平台内的救援目标，所需装置基本同动作3。

（5）完成动作5，即把已经取出的“救援目标”放入安全区，此项动作主要还是要求机器人具有行走能力。

2、设计方案

（1）行进驱动机构设计

机器人采用四轮驱动，相较于两轮驱动更方便实现转弯动作和变向要求，使其在抓取救援目标时显得更加灵活。如图3所示，即为四个轮子布置位置情况。

图3四个轮子布置位置

（2）分离驱动机构设计

由于隧道宽度与河道桥宽度不一致，我们采用改变车身宽度，使其与桥宽度一致的设计方案。

将机器人底板分割成大小两块，利用连杆杠杆原理使车身宽度可变，从而达到改变两轮间距的目的。通过将电机与大底盘固定，另一块连杆与小地盘固定，

当电机转动时，连杆转动将机器人的大小地盘分开，从而改变两轮轮距，使轮距基本与桥宽相同。另外通过加宽了轮子，减小了过桥时的失误率，如图4所示。

图4分离驱动过桥机构

（3）蜗轮蜗杆机构设计

采用蜗轮蜗杆机构设计来传递两交错轴之间的运动和动力。具有如下有点①可以得到很大的传动比。②蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳。③具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁。如图5所示。

图5蜗轮蜗杆机构

图6交错轴斜齿轮机构

（4）联动夹紧机构设计

抓取装置采用联动夹紧机构设计，如图7所示。该机构只需要一个驱动源，

实现单件的多向多点同时的复合式夹紧。夹紧机构经过精心设计，保证了两夹紧点在光轴之间有足够的浮动量。保证了联动夹紧机构的刚度的同时具有一定的柔韧度，使中间传力杠杆应力求增力，避免了驱动力过大的问题。同时我们的杠杆机构简单紧凑，保证夹紧可靠。

图7联动夹紧机构

三、动力与传动方案的设计、计算与分析

经估算，机器人在场地内所要行走的路程大概为12000mm，假设在60s内完成，则速度 v = s/t = 12000/60 mm/s = 200 mm/s

行走所用轮子直径 D = 65 mm

电机转速 v = π·D·n ,

则 n = v/(π·D) = 200/(3.14×65) ×60=58.8rmp 机器人总重量 m = 3.5 kg

摩擦系数μ=0.6

一个轮子所受摩擦力 F0 = μFN = μmg = 0.6×3.5×10 = 21N

所受总摩擦力 F = 4F0 = 4×21 = 84N

总功率 P = Fv = 84×0.2 = 16.8W

单个电机功率 P0 = P/4 = 16.8/4 = 4.2W

由以上计算，选取电机转速为60rmp，功率为5W。

四、动作执行机构的设计、计算与分析

1、蜗轮蜗杆机构设计计算

已知蜗轮所需转矩为10N.M 转速为4r/min

由转矩公式 T=9550P/N 得 P=Tn/9550=0.004KW

蜗轮蜗杆传递损失40% 得电机功率为0.0066KW 查表得电机选用

电机 GW370-65