1、1本科毕业论文（20 届）手动机器人的设计和优化研究所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期21 绪论1.1 选题背景“亚太大学生机器人大赛国内选拔活动”于 2002 年由“亚洲太平洋地区广播电视联盟” （ABU）倡导，中国每年一届，以选拔国内的冠军队参加亚太区桂冠的争夺。赛事由主办国确定，各参赛高校根据不同的主题设计制作出合适的机器人参加比赛。其宗旨是培养青少年接触、探索高新科学技术的兴趣与爱好，提高各参与高校的科技水平，为机器人工业的发展发掘和培养后备人才力量。ABU ROBOCN 机器人大赛是有别于其他国内或国际各种机器人竞赛的比赛。它是由中国，日本，泰国，新加坡
2、和硬度尼西亚组成理事会的“亚洲太平洋广播联盟”（亚广联）举办的每年一度的重大国际性赛事。比赛的宗旨是着力培养各国青少年对于高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘和培养后备人才。各个亚广联的成员机构都有权参加该项目的比赛，但参赛的对象仅限于各国的大学生或者工科院校的学生。它的前身是 1988 年日本广播协会的机器人比赛，于 2002 年由“亚洲太平洋广播联盟” （亚广联）正式组织成为每年一度的重大国际性赛事。对于每个国家来说，ROBOCON 机器人大赛均可分为前期的国内赛（挑选出可以参加国际赛的代表队） ，和后期的国际赛。截至今年我国已经成功举办了十二届该项赛事，我院
3、 2005 年开始参加该项赛事，到今年是第十届。在过去几届中，机器人的定位采用码盘加陀螺的算法使机器人的定位有了很大突破。但是随着全国各个高校技术的革新，码盘加陀螺的算法显然已不能满足我院机器人的定位要求，所以今年我们在去年有接触到摄像头的基础上进行摄像头的开发与调试。机械上主要还是采用自主加工的方式，使得机械的可靠性和机构的多样性有了保证，机械的设计水平也在不断的提高，新颖的机构越来越多，现在我国在这项赛事中处于领先水平，尤其是电子科技大学的设计思路和调试方法值得国际上参赛各高校的借鉴和学习，今年我校应用的摄像头是自主开发和调试的，相对以前在定位上有了明显的提高。我院机器人队从 2005 年
4、到现在已经经历了九届比赛的洗礼，取得了可喜的成绩，同时也积攒了宝贵的比赛经验。2014 年举办的“第十三届全国大学生机器人大赛”3我校将第十次参加该赛事。我院目前的最好成绩是全国四强，在全国众多参赛院校中处于中上水平。还需进一步提高，为跻身于全国强队之列而努力奋斗。1.2 研究内容本人是机器人队机械组的一员，与队友们一起负责对手动机器人（Manual Robot）自动机器人（Automatic Robot）的机械系统设计制作及其配合工作。本设计主要针对手动机器人的设计和优化进行研究。今年参赛的机器人从规则上可以看出，两个机器人的配合程度相对以往都有了明显的提高，总体方向是按着更加人性化的方向发
5、展，即使机器人更像是“人” ，能够去完成人的一些动作。今年的机器人在配合上要求的严格程度和木桶原理类似，若有“一块短板”便会影响整个任务的完成情况，以致决定最后的胜负。因此所有的结构都是经过队内统一探讨和实际试验后才能拿出最后的方案。并且在机器人研究过程中我们首先需要仔细和反复的研读比赛规则，时刻关注大赛官网的动态变化，遇到规则中有不理解的地方及时在官网中向工作人员咨询了解。弄清规则上各个细节说明，画出模糊概念，猜想出题人的意图，并在制定比赛策略时，考虑全面，避免在准备工作中做些不必要的工作，做到万无一失。而只有这样才能提出功能设计方案并对其进行深刻论证。接下来就可以确定机器人的参数，进行初步
6、的结构设计，并且开列外购清单。在确保合理性和安全性的前提下，我们紧接着就要投入到加工制作中去了，机器人的大部分零件都是我们自己加工制作的，像齿轮、同步带轮、阶梯轴、轴承座、电机座等都是我们自己设计并在机械实验室自己加工出来的，机器人的底盘和其他支架也是我们自己通过铝焊加工的。在机械零件加工制作完成后，再将其装配成整体，之后交给电控组布线、调试，在调试过程中机械组会根据调试的情况对机械结构进一步的优化和维护，最终定下一套稳定的完成任务的方案，并确定我们最终的参赛的机器人。手动机器人的设计是整个机器人的设计和制作的一部分，遵循整体设计要求，设计过程也经历了：方案的提出，参数的确定，具体设计和加工，
7、调试和优化的过程。其工作流程如图 1.1 所示。4图 1.1 手动机器人设计与制作流程手动机器人的最终方案确定是按以上流程进行的，前期的主要工作是对规则的分析，分析的深度决定机器人的合理性，这个阶段时间比较长，它是整个机器人设计过程中的基础，设计过程较快，但较为繁琐，需要注意很多的细节问题并不断地优化和改进。通过绘制草图、零件图、装配图、再画出三维视图，在设计过程中突出的原则是“稳、准、快” 。接下来就是制作阶段，在制作时根据 Proe 三维视图，通过 Proe 导出加工程序在数控机床上加工，严格按照工艺流程加工保证机械零件的合格。加工出零件便可进行装配调试。通过电控组的调试来分析存在的问题，
8、并不断解决，最终达到稳定的机械系统，以适应比赛的要求，在大赛上发挥出自己应有的水平。1.3 章节安排全文共分为六章，第一章为绪论部分，整体介绍全文的研究背景和研究任务，熟悉比赛规则比赛机器人的创意与提案确定手动机器人的设计要求和参数初步设计详细设计制作 组装 调试试运行 演练优化明确目标 组建参赛队伍 制定进度计划 组织学习确定 1 号机器人实现的动作和设计参数设计草图及说明 集体讨论评选方案机械加工 装配 电路调试 性能测试机械草图 设计计算 机械装配图 零件图 5及全文章节安排。第二章对本届比赛规则进行了简要的介绍和分析，并提出了手动机器人的设计要求。第三章对今年手动机器人上用到的机械结构
9、、产品及其选用的材料进行了全面介绍和分析，并重点对手动机器人各个机构模块进行了详细的说明并对其机械结构后期的优化进行了简要说明。第四章主要对电机、型材的选用参数进行的设计计算，并对程序的执行流程进行简要概括及分析其利弊。第五章是介绍了一些机械零件的加工制作及其工艺流程。第六章则是对全文的总结和展望。62 机器人大赛规则分析由于这项赛事的特殊性，即每年由不同的国家和地区举办一届，每届的主题都不同。主办方为了宣传各国文化，吸引更多的国家和地区参加，使比赛生动有趣，同时为了引导大赛向高技术方向发展，因此每年制定的规则都会根据主办国的文化特点来更换题目。因为比赛规则在不断地变化，并且朝着高技术的方向发
10、展，所以每年在设计机器人时就会伴随着技术的更新，否则便会落后于其他高校。每年对比赛规则的分析和讨论都决定着机器人设计的好坏，对比赛规则分析得是否透彻都直接影响机器人的制作及最终比赛成绩。所以对规则细心对待，怀着一颗敬畏的心去看待它。2.1 第十三届全国大学生机器人大赛规则简介及其分析今年国际赛主办方是印度主题简介如下：“父母是自然给予人类的最伟大恩惠。 从婴儿到成年，父母促成和支持了儿童身体、情感和智力的发展，为了帮助儿童成长，发挥全部潜能，他们给予了爱、安全、启发、鼓励和机会。2014 RoboCon 全国大学生机器人大赛把“舐犢情深”确定为比赛主题，以表彰父母辈的巨大贡献。 ”本届机器人大
11、赛是由两支参赛队用他们的机器妈妈和机器儿童在公园里玩各种游戏。机器妈妈必须携带机器儿童到达儿童区，机器儿童玩游戏。每支参赛队要玩跷跷板、梅花桩、秋千等三种游戏。一旦机器儿童完成三种游戏，它就可以挑战设于公园中央的第四种游戏。最先成功完成第四种游戏的参赛队实现了“健康宝宝” ，成为获胜队。如果两支参赛队均未能完成上述获胜任务，将按比赛规则确定获胜队。2.1.1 比赛场地及设施（1）. 比赛场地是一个 12000mm 12000mm 的区域，四周有高 50mm、厚 30mm的木质围栏。7（2）.上场竞赛的是红队和蓝队。比赛场地有两个家长区（一红一蓝）和五个儿童区。机器儿童在儿童区中玩游戏。两（红和
12、蓝）队的第一个儿童区是相同的，分别位于各自的区域中。其它儿童区用 30mm 宽的无光白胶带分为两半。每支参赛队应在自己的区域中活动。(3). 比赛场地上还各有一个红色和蓝色启动区，每队一个。每个启动区的面积为 1000mm x 1000mm。(4). 儿童区 跷跷板儿童区：红队和蓝队的跷跷板儿童区是分开的（见图 3） 。 梅花桩儿童区（见图 4） 。 秋千儿童区（见图 5） 。 攀登架儿童区（见图 6） 。(5).攀登架儿童区位于场地中央。2.1.2 比赛规则要点：（1） 每场比赛时间为 3 分钟。（2） 每支参赛队有 2 台机器人，1 台自动机器人（机器儿童） ，1 台手动机器人（机器妈妈）
13、 。（3） 机器妈妈带着机器儿童从启动区启动。（4） 机器妈妈与机器儿童玩跷跷板游戏。（5） 第二个游戏可以是踩梅花桩或荡秋千。（6） 第三个游戏是剩下的荡秋千或踩梅花桩。（7） 完成三个游戏后，机器儿童才能登上攀登架，实现“健康宝宝”并赢得比赛。2.2 比赛规则分析从今年的比赛规则中可以看出，今年的比赛对手动机械手臂的要求是较高的，要使自动机器人在不同的场合有相对应的角度，这对于机械手，无论是在设计方面还是在制作方面都对机械部分提出了更高的要求。这也是设计中的难点之一。规则中对机器人的重量和尺寸做了严格的限制，两个机器人总重量之和不得超8过 40kg，比赛开始前，启动区内带着机器儿童的机器妈
14、妈的尺寸不能超出1000mm1000mm1000mm 的空间，比赛一旦开始，机器妈妈可以变形，但比赛中包括机器儿童在内的机器妈妈不能超出 1500mm 的立方体。比赛中，机器儿童的尺寸和形状可以改变，但在任何时刻应能纳入 500mm 的立方体。2.3 手动机器人的设计分析和要求提出通过对规则的深入解读，我们可以了解到对于自动机器人在跷跷板到荡秋千的任务中需要水平即 xy 平面旋转 90 度，在荡秋千到梅花桩任务过程中需在 yz 平面旋转 90 度，再到爬梯的任务中需要在 yz 平面中旋转成与水平面夹 70 度角，这就需要手动机器人在与自动机器人配合完成任务的过程中多次在三维空间里变换角度以满足
15、完成任务的需要，以及在全场特殊位置的定位等。所以今年主要的两大难点在于对手动机器人的全场精确定位，对手动机器人的机械手臂的设计。无形之中这就增加了对机械结构的设计要求。另外，在配合自动机器人完成任务的过程中，还需要手动机器人进行按压跷跷板，推秋千，所以还需要在手动机器人上有对应的结构去完成这些任务。2.4 本章小结本章主要针对今年的比赛规则以及结合今年规则，分析与往年的不同之处，并利用这些信息对本次大赛的机器人进行设计，为之后的加工制作指导方向，避免和以前一样的错误再次出现，使得机器人的设计不符合大赛的规则要求。93 手动机器人的相关理论及设计根据比赛规则以及前文所述的方案分析，在本章中将对手
16、动机器人的整体框架进行设计。机器人是机械和电子结合的产品，所以在设计机械结构的同时也要考虑到电路的控制是否方便以及电器元件的安装是否合理，由于本文主要设计的是机器人的机械结构，所以重点论述的是机械部分。3.1 手动机器人所涉及的机械理论及成品零件简介我们知道机器一般都是由动力部分、传动部分、控制部分和执行部分组成的，而要使机器人按照自己设计的方式进行运行，必须有一定的机械理论和成品零件的配合。因此本章主要介绍这方面的知识。3.1.1 带传动一般来说，带传动是一种摩擦传动，由具有弹性和柔性的带绕在带轮上所产生的摩擦力来传递运动和动力。带传动主要用在功率传递中，传动平稳，噪音小。（1）带传动的特点
17、与其他传动相比，带传动是一种比较竞技的传动形式，带的弹性和柔性是带传动具有一下优点：1）运动平稳，噪声小；2）能缓冲冲击载荷；3）构造简单，对制造精度要求较低，特别是在中心距较大的地方；4）不用润滑，维护成本低；5）过载是打滑，在一般情况下，可以保护传动系统中的其他零件。其缺点是：1）带存在弹性滑动，使传动效率降低，传动比不像啮合传动那样准确（同步带除外） ；2）带的寿命较短；3）传递同样大的圆周力是，轴上的压轴力和轮廓尺寸比啮合传动大。10图 3.1 摩擦带传动（2） 带传动的类型根据带的截面形状，带传动可分为平带传动、V 带传动、多楔带传动、同步带传动等，见图 3.2，图中所示为平带、V 带和多楔带的横截面形状。图 3.2 摩擦带的截面类型1.主动轮 2.同步带 3.从动轮
