机械毕业设计(论文)-多爪自动搬运机器人-机械手类(含全套图纸).doc
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1、完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -学院学院 全全日日制制普普通通本本科科生生毕毕业业设设计计 多爪自动搬运机器人多爪自动搬运机器人 MORE CLAWS AUTOMATIC HANDLING ROBOT 学生姓名学生姓名: 学学 号:号: 年级专业及班级:年级专业及班级: 指导老师及职称:指导老师及职称: 湖南长沙 提交日期:2011 年 5 月 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 声明 本人郑重声明:所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下, 进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。除文中已经注 明引用的内容外,本论文不含任何其他
2、个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确 的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名: 年 月 日 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 目 录 摘 要 .1 关键词 .1 1 前言1 2 总体方案的设计2 2.1 总体设计图2 2.2 机器人设计的要求2 2.3 机器人设计的原则3 3 机器人机械设计3 3.1 底盘和轮子的选择与设计3 3.2 各轮系的结构和特性6 3.3 升降体设计7 3.4 传动设计.9 3.5 滑块设计.9 3.6 爪子的设计思路.9 3.7 爪子托盘的设计1
3、0 3.8 摇杆设计.11 4 电子硬件.12 4.1 动力轮电机的选择.12 4.2 电机伺服器控制.13 4.3 编码盘采样.15 4.4 光电传感器.16 5 机器人主控制板硬件设计.18 5.1 主控板硬件实物图.18 5.2 AVR 电源模块.18 5.3 最小系统.18 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 5.4 人机交互界面.19 6 总结.24 参考文献 24 致谢 25 附录 26 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -1 多爪自动搬运机器人多爪自动搬运机器人 学 生:豆志文 指导老师:康 江 (湖南农业大学东方科技学院,长沙 41
4、0128) 摘 要:国内外大学生智能机器人是一个多种高新技术的集成体,它融合了机械、电子、 传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识,涉及到当今许多前沿领域的技术。本 文是以第十届亚太机器人大赛为背景而设计的自动机器人,它采用合理的机构,经过巧妙的结合, 而达到精确快速完成任务的要求。 关键词关键词:机器人;机构;准确;快速 More Claws Automatic Handling Robot Student:Dou Zhiwen Tutor:KangJiang (Orient Science作为从机,联合对应一个 CPU 初中,插值和伺服控制处理行动, 以实现特定的运动,反馈信息
5、给主机。构成机器人的要素有机械执行机构、驱动设备、 检测装置和控制系统等。 2.3 机器人设计的原则 最小运动惯量原则:由于机器人运动部件多,运动状态经常改变,必然产生冲击 和振动,采用最小运动惯量原则,可增加机器人运动平稳性,提高机器人动力学特性。 为此,在设计时应该注意在满足强度的前提下,尽量减小运动不讲的质量,并注意运 动部件对转轴的质心装配。 尺度规划优化远侧:当设计要求满足一定工作空间要求时,通过尺度优化以选定 最小臂杆尺寸,这将有利于机器人刚度的提高,使运动惯量进一步降低。 高强度材料选用原则:由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起 作用的,选用高强度材料以减轻零部件的
6、质量是十分必要的。 刚度设计的远侧:机器人设计中刚度是比强度更重要的问题,要使刚度最大,必 须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸,提高支撑刚度和接触刚度,合理地安排作用在杆 臂上的力和力矩,尽量减少杆件的弯曲变形。 可靠性原则:机器人因机构复杂、环节较多,可靠性问题显得尤为重要。一般来 说,元器件的可靠性应高于部件的可靠性,而部件的可靠性应高于整机的可靠性。 工艺性原则:机器人是一种高精度、高集成度得自动机械系统,良好的加工和装 配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理地机构设计而无良好的工艺性, 必然导致机器人性能的降低和成本的提高。 3 机器人机械设计 3.1 底盘和轮子的选择与设计 为了
7、让机器人能够快速的定位,那么它需要有足够的灵活性,当使用全向轮作为动 力轮时我们就就得考虑底盘形状了。底盘整体可分为四边形底盘和三角形底盘,它们的 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -4 作用和功能特性也有很多不同。 四边形底盘:动力轮分布在底盘的四个方向(如下图所示) ,轮心到底盘重心 O 的距 离等于 a,假设四个轮子与地面的滚动摩擦力分别为 f1、f2、f3、f4,按照运动力学公式 推导如下: 图 2 四边形底盘分析 Fig.2 Chassis Of Quadrilateral Fx = f1 + f3 Fy = f2 + f4 Mo = (f1 * a) + (
8、f2 * a) + (f3 * a) + (f14 * a) (1) 当 f1 = f3 ;f1 与 f3 方向相同 f2 = f4 = 0 此时机器人向 X 方向运动 (2) 当 f2 = f4 ;f2 与 f4 方向相同 f1 = f2 = 0 此时机器人向 Y 方向运动 (3) f1 = f2 = f3 = f4;f1 与 f3 方向相反 f2 与 f4 方向相反时 此时机器人原地 旋转 (4) f1 = f3 = F1,f2 = f4 = F2; F1 方向与 F2 相反 此时机器人向 F1 与 F2 的合 力方向移动。 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -5
9、三角形底盘:等边三角形底盘,动力轮分布在三条垂直平分轴线上,且到重心距离 相等如下图所示。假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为 f1、f2、f3,按照力学公式 推导如下: 图 3 三角型底盘分析 Fig.3 Analysis Of Triangular Chassis Fy = f2*cos30+ f3*cos30 Fx = f3*sin30+ f2*sin30+f1 Mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a) (1) 当 f1 = 0,f2 = f3 ;f2 和 f3 的方向如图示方向时机器人向 Y 方向运动 (2) 当 f1 = 2*f2 = 2*f3 ;f2
10、与 f3 方向如图所示;或 f2 = f3 = 0 此时机器人 向 x 方向移动。 (3) f1 = f2 = f3 ;f3 方向与图示相反 f1 和 f2 方向与图示一致时 此时机器人原地 旋转 (4) 此时,如果依照四边形底盘第 4 种情况分析不能得到,能产生一个朝向任意方向 的合力 但无法使 Mo = 0 这样机器人就会走出一个弧线。当合力方向在大约 35 时Mo = 0,也就是三角形底盘只能朝与水平线相差 35的斜线方向直线移动 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -6 综上分析两种底盘都可以实现平移和走某一方向斜线均可以满足设计需求。但是两者 均有利弊: 底盘类
11、型弊端优势 三角底盘 35斜线不能向任意角度平移 运动。 设计简便 能保证 3 个轮子在同 一平面内,能灵活转向。 四边形底盘 由于 4 点确定一平面属于过定 位很难保证平面度。 可以向任意方向平移 结论:由于搬运机器人搬运的是花瓣盆是在一定的高度的。所以要求爪子必须是 在固定的高度,要求相当好的平稳性,三点确定一面,所以选择三角底盘。 3.2 各轮系的结构和特性 假设在一个理想的状态,用硬质外壳的移动机器人,车轮,局限在水平面运动。则机 器人在水平面上的运动可以由图2 表示. 平面坐标系定义xoy ,点P 是在机器人本体上的 参考点,车体坐标系为X PY ,则机器人的位置和姿态可以由= (
12、x , y ,) T 表示, 其 中( x , y) 为点P 在平面世界坐标系中的位置,为世界坐标系x 轴到机器人坐标系X 轴 的角度, 其逆时针为正. 用点P 作为质点来代表机器人,若能在平面世界坐标系下实现( x , y , ) 三个自由度的运动,则把它称为全方位移动机器人. 图 4 移动机器人在世界坐标系中的位置 Fig.4 Mobile Robot In The World Coordinate System Location 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -7 将轮子划分为传统轮系,包括固定方向轮( fixed wheel ) 、同心方向轮( center
13、ed orientablewheel) 和偏心方向轮(off2centered orientable wheel) ,和自由方向轮 系,如Swedish 轮、球轮等. Swedish 轮也称Mecanum 轮,由轮辐和固定在外周的许多 小滚子构成,轮子和滚子之间的夹角为,通常夹角为90,如下图所示,每个轮子 具有三个自由度, 一个是绕轮子轴心转动,第二个是绕滚子轴心转动,第三个是绕轮子 和地面的接触点转动. 轮子由电机驱动,其余两个自由度自由运动. 由三个或以上的 Swedish 轮子可以构成全方位移动机器人。 综上分析传统轮系和自由方向轮系两种轮系都能实现机器人移动与定位的设计需 求。但是两
14、者均有利弊: 轮系类型弊端优势 传统轮系 要改变运动方向只能在平面内 转向、转向半径大 制造简单、价格便宜, 自由方向轮系 制造困难、价格较昂贵可以实现方向平移、改变运动 方向基本无须转向 上述表格我们可以看出自由方向轮系在平面移动运动方向改变上有巨大的优势。 所以我选择自由轮系的设计思路,有利于机器人的快速转向运动与定位。 3.3 升降体设计 起重机构需要不断提升的稳定和效率可以选择螺杆,导轨,滑块和其他机构,但是必 须适应比赛过程中升降快的优势,下面是选择形式的分析。 1 采用直线导轨运动:往复运动的场合,具有比直线轴承负荷较高的评价,并能承受 高负载条件下的扭矩实现高精度直线运动一些。
15、直线运动的指导作用是用来支持和引导运动部件,根据给定的往复直线运动的方向。 由摩擦性质的决心,直线运动导轨可分为滑动摩擦,滚动摩擦铁路,钢轨的弹性摩擦, 铁路和其他类型的流体摩擦。 2 直线轴承解除用途:旅行的无限直线运动系统的低生产成本的同时与气缸轴线。由 于携带与轴,所以负载使用小球点接触。旋转的摩擦阻力最小,可以得到高精度的平 稳运动钢珠。直线轴承是用于与淬火结合。对于无限直线运动系统。负荷滚珠和淬火 传动轴因为是点接触,更小的负荷,但直线运动,最小的摩擦,精度高,速度快的议 案。 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -8 3 传动带的使用:时间就是强大的钢丝或玻璃
16、纤维层的聚氨酯或氯丁橡胶与橡胶环 带覆盖,齿形带的一周内提出,从事与齿滑轮。皮带传动,传动比准确,对轴力小, 结构紧凑,油,耐磨损,耐老化性能,需要同步传输,也可用于低速传输。同步带是 由一根内齿面与等距圆带,并与相应的圆组成是一致的。它结合了皮带传动,链传动 和齿轮传动自己的优势。通过与牙齿与牙槽骨轮啮合旋转,通过权力。传动皮带传动 具有准确的传动比,无滑,恒可用率,传动平稳,吸收振动,噪音,传动比范围内, 通常可达 1:10。允许线速度可达 50 米/秒,传输功率从几瓦到一百千瓦。传动效率高, 一般可达 98,紧凑,多适用于轴传动,无润滑,无任何污染,所以不能让更多的污 染,在正常的工作场
17、所和工作条件差。 4,动力传动螺丝:螺丝是变为直线运动,旋转运动或直线运动,旋转运动传递到结 构。一个由螺杆,螺母和滚珠丝杆组成的典型。其作用是变为直线运动,旋转运动的 滚珠丝杆是进一步延伸和发展,这种发展的意义是从行动滑动轴承的滚动动作。有了 小摩擦,螺丝被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 上述分析可以达到几吊装任务要求,进行机构的效率和质量的优劣分析可以知道: 升降式的优点缺点 直线轴承是在圆形轨道的要求,在该部队的细节铁路太小,太厚更加繁琐。简单,成 本低 线性滑轨式的昂贵,更重。精度高,可制成。 综上分析几种升降机构都可以实现任务要求,进行就效率和质量优劣分析可知 道: 升降类型弊端
18、优势 直线轴承式 需要圆形的导轨,导轨过细则 受力太小,过粗则较笨重。 简单,成本低廉 直线滑轨式价格昂贵,重量较重。 精度高,可自制。 动力传输类型弊端优势 丝杆 传动缓慢,需要软件算法提高 精度 简单,成本低廉,传动力大 同步带价格昂贵,需要定制精度高,有瞬时传动比质量轻 由于比赛要求我们能够短期内完成的升降运动,动作精度高,而机器人的重量要求, 选择直线滑轨式和同步带转动升降更占优势。 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -9 3.4 传动设计 整个上升结构的重量约 5KG,即整个的重力约为 50N。搬运物体的重量约 4KG, 即重量约 40N。 所购买的同步带资料
19、:L 型 节距 9.525 齿高 1.91 带厚 3.6 角度 40 温度-2080,V50M/S,P300KW 我们这次比赛机器人的上升速度约为 3M/S, 承载物所需理论用功为: P=F*V P=(50+40)N*3M=270W 270W 90KW 电机的功率 90KW 远远小于同步带所承载的功率 所以所选同步带适合我们这 次机器人上的传动。有经验和实验室做实验可知,此同步带满足要求。 3.5 滑块设计 铝合金型材为 30X30,深沟球轴承:内径 6 外径 15 宽度 5.由于轴承式用来 做上升滑块滚子的,所以设计中不需要过于考虑其受压情况,只有转速要求,此类轴 承的脂润滑转速(R/MIN
20、)为 32000.而我们机器人的上升结构所需的转速为: 线速度等于角速度乘以圆周半径即: V=W*R W=V/R =3/(0.0075) =400R/S 约 24000R/MIN 32000 所以是此轴承是合适可用的。 3.6 爪子的设计思路 夹取的爪子本身需要保持足够的强度,稳定性和效率,可以选择联动,铰链,凸 轮等机构,但比赛必须满足快速采取行动,锁定,重量轻,操作方便等,分析如下: 1,联动:联动元件在各种形式的运动,如要实现旋转,摇摆,平面或空间的运动和 运动的复杂性,可用于实现已知运动轨迹。此外,低副连杆使表面接触结构具有以下 优点:运动副减少对单位面积的压力,表面接触,以便润滑,从
21、而降低损耗;更方便 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -10 获得高准确度;两个组件之间的接触本身的几何封闭维护,有时不喜欢凸轮被封闭, 弹簧力保持联系。平面连杆机构的缺点是:在正常情况下,只能近似的运动轨迹或给 予运动规律的实现,这种设计也比较复杂,当比赛要求所需元件运动副数往往更复杂 的结构,使机体,降低了效率,不仅增加了自锁的可能性发生,并且机体运动的制造 干涉,难以平衡。这将导致更多的振动和动载荷,它通常用于的场合下联动的速度。 2,铰链:是用来连接两个固体,并允许设备之间的机械做旋转。铰链可能由可移动 的组件,或折叠的物质组成,结构简单。 3,凸轮机构一般是由
22、凸轮,从动件和机架三个构件组成的高副机构。凸轮通常是连 续旋转不变,跟随根据设计要求,它得到一些经常锻炼。凸轮机构来实现复杂的运动 要求,通常通过移动两部分组成,即分凸轮和从动轮,都固定在机座上。凸轮是相当 多的变化,所以几乎所有的任何一个机构,其中可以产生行动。可作为凸轮表面或沟 槽的往复运动的定义,其摆动或旋转使用。从机内的子限制最多的路径,滑道去盖运 动。在往复运动的时候,有时依靠自身的重量,但一些机构为了获取准确的动作,往 往作为弹簧的功率响应,而有些事使用的导槽,那是对一个特定的运动路径。 综上分析三种家去机构都能实现夹取、平稳性的设计需求。但是三者均有利弊: 夹取机构类型弊端优势
23、连杆机构 设计复杂,准确性不高、工作 效率不高 方便、底磨损、易自锁 铰链无法自锁结构简单。 凸轮机构质量过大结构紧凑、设计方便 由于比赛要求我们的夹取机构质量轻则不能选择凸轮机构,就平稳性和效率性来说其 它两机构都可以完成比赛任务,但就设计简洁来说铰链拥有更大的优势,而铰链无法 自锁的弊端,在我们的夹取动力机构舵机上可以实现自锁,且操作非常方便。选择舵 机作为夹取装置的动力机构是因为:舵机质量轻、能自锁、控制简单行程可控等优点。 3.7 爪子托盘的设计 准备材料有: 有机玻璃(待加工) ,10 x 10 铝合金型材 20 x 20 铝合金型材 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 15389370
24、6 提供 -11 图 5 托盘结构 Figure.5 tray structure 由于此托盘所承载的比赛要求的搬运物最重约为 4kg ,而铝合金的承载能力是 上百千克的 ,因此所选的材料可用。 3.8 摇杆设计 构思图为: 图 6 摇杆结构 Figure.6 rocker structure 完整说明书 CAD 图纸由扣扣 153893706 提供 -12 搬运物总重约 4kg,铝合金承载杆约 800mm,摇杆 600mm。 F=4kg x 10= 40 N M = 40N x 600/2 x 0.001 =12N*m 4 电子硬件的选择 4.1 力轮电机的选择 方案 1:采用直流减速电机。
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