機器人抗災救援畢業(yè)設計

1、<p>　　機器人———抗災救援</p><p><b>　　一、作品簡介</b></p><p>　　本設計是一種在規(guī)定尺寸范圍內(nèi)既能在平地順利轉(zhuǎn)彎、行進此作品是根據(jù)抗災救援中出現(xiàn)人被困于交通中斷、封閉空間中的復雜地形中，救援人員無法到達那些復雜地區(qū)而導致延誤救援時間，所以我們設計了抗災救援機器人，我們設計的機器人適用于各種復雜地形，并且可以通過準確的人為

2、控制解救被困于被重物形成封閉空間中的人。由于我們的設計的機器人的移動是由4個可以360度轉(zhuǎn)動的輪子組成，所以可以在復雜環(huán)境中自由移動，受環(huán)境的約束??；遇到過不去的溝或河道時，我們可以通過控制機器人架橋來障礙，達到救援現(xiàn)場；當有重物阻擋道路或者被重物困住時，我們通過控制機械手臂來移除和搬運重物。</p><p><b>　　二、研制背景及意義</b></p><p>　

3、　2.1這些機器人的參與，在救災方面可以起到事半功倍的效果。隨著救災機器人的完善，所需的人力也就會減少很多，從而使得跟少的人從事救災這樣危險的工作，更有效的起到了保護人民安全的作用。所以我們要從學生時代抓起，充分利用年輕人的聰明才智，也為國家發(fā)掘人才，做出貢獻。，同時也可以調(diào)動年輕一帶對科學的熱愛與認知。積極參加這類活動，可以是我們的聰明才智的到更好的發(fā)揮，同時也相當于對國家關于抗震救災做出自己小小的貢獻。</p><

4、;p>　　2.2隨著科學技術和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，先進制造技術和數(shù)控技術、最優(yōu)化設計的廣泛應用，使得生產(chǎn)進一步智能化、自動化、經(jīng)濟化。創(chuàng)新設計得到越來越重視也并得到廣泛的發(fā)展，也變得智能化，很多問題可以通過計算機實現(xiàn)，減輕了設計的強度，縮短了設計周期，結合優(yōu)化設計，創(chuàng)新設計變得異常簡單，市場上的商品由此變得紛繁多樣。</p><p>　　2.3培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，注重培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新設計能力、綜合設

5、計能力和協(xié)作精神；加強大學生動手能力的培養(yǎng)和工程實踐的訓練；豐富和活躍校園學術氛圍。</p><p><b>　　三、設計具體要求</b></p><p>　　3.1參賽作品的總體要求</p><p>　?。ㄒ唬C器人重量不限，但應盡可能輕。</p><p>　?。ǘC器人造價不限，但應盡可能低。</p>

6、<p>　?。ㄈC器人操控可采用線控或遙控法方式。</p><p>　?。ㄋ模C器人行進方式不變。</p><p>　?。ㄎ澹C器人驅(qū)動可采用各種形式的原動機，但不允許使用人力直接驅(qū)動；若使用電動機驅(qū)動，其電源應為安全電源。（注：動力設備自備，比賽現(xiàn)場僅提供220V交流電源）</p><p>　　3.2參賽作品的內(nèi)容、形式及其提交方式 </p&g

7、t;<p>　　參賽作品內(nèi)容包括兩部分：機械設計方案書 1 套 和 機器人實物模型 1 件。 </p><p>　　機械設計方案書 應包括以下 7 個部分內(nèi)容： </p><p>　　（1）封面（格式見附件四）； </p><p>　?。?）本作品的創(chuàng)新與特色簡介； </p><p>　　（3）設計方案擬定； </p&

8、gt;<p>　?。?）動力與傳動方案的設計、計算與分析； </p><p>　?。?）動作執(zhí)行機構的設計、計算與分析； </p><p>　?。?）其它設計計算與說明，設計總結； </p><p>　　（7）附錄：裝配圖、零件圖和實物模型照片若干張。 </p><p>　?。?）機械設計方案書 1 套共 15 份，采用 A4

9、紙打印并裝訂成冊。要求 1 份方案書有封頁，其余 14 份方案書不得有封面，并且其中不得出現(xiàn)與參賽學校有關的任何信息（違反此規(guī)定的將被取消理論設計答辨資格）。提交時應密封在文件袋中。 </p><p>　　3.3 機器人實物模型的制作規(guī)定：</p><p>　　（1）實物模型應與設計方案一致；</p><p>　?。?）實物模型的機械零件制作除原動機、標準件、通用件

10、及橡膠件外均應自制。</p><p>　　3.4 競賽場地及用品規(guī)格</p><p>　　競賽場地如圖1和圖2所示，地面采用木質(zhì)地板，表面鋪設噴繪廣告布，場地尺寸為4500mm×1800mm，圍板高度為300mm。圖中六個救援目標尺寸分別如圖所標，三個圓筒（尼龍棒）的高度均為80mm，直徑分別為50mm、80mm、100mm；三個方塊（木塊）的尺寸分別為100mm×10

11、0mm×10mm、80mm×80mm×30mm、50mm×50mm×50mm；其中在“過河”環(huán)節(jié)中，支撐物為兩根可自由移動的鋁合金型材（尺寸為30×30×550），其它尺寸如圖1所示。</p><p>　　競賽方案及其評分辦法 </p><p>　　競賽由理論設計競賽和實物模型競賽兩部分組成，其中理論設計競賽成績滿分為4

12、0 分， 實物模型競賽成績滿分為110分，競賽總成績滿分為150分。 </p><p>　?。?）理論設計競賽方案 </p><p>　?。?）參賽隊員自述 3 分鐘； </p><p>　?。?）專家提問 3 分鐘； </p><p>　?。?）專家打分 2 分鐘。 </p><p>　　3.6理論設計競賽評分依據(jù)

13、</p><p>　?。?）總體方案的綜合評價； </p><p>　　（2）總體方案及其機構的創(chuàng)造性； </p><p>　?。?）書面材料的正確性和充分性。 </p><p>　　實物模型競賽方案及其評分標準 </p><p>　?。?）實物模型競賽時間限 8分鐘 。不足 8 分鐘完成競賽操作（包括要求結束競賽操作

14、）時，參賽隊員需舉手宣布操作結束，現(xiàn)場工作人員應立即停止計時；競賽操作到達 8 分鐘時，現(xiàn)場工作人員應立即宣布比賽結束，參賽隊員應立即停止競賽操作。 </p><p>　　（2）采用抽簽決定競賽上場的次序。參賽隊應在接到進入場地指令 2 分鐘內(nèi)將模型貼邊放在出發(fā)區(qū)待命；不能按時放入者，則調(diào)整到最后上場，并扣 5 分。 </p><p>　?。?）完成動作 1 ，即機器人穿越“隧道”通過平臺

15、①，此項滿分為8分，未完成該動作此項得 0 分。 </p><p>　　（4）完成動作 2 ，即機器人通過平臺②穿越“河道”，此項滿分為30分，未完成該動作，此項得 0 分。 </p><p>　?。?）完成動作 3 ，即機器人將“救援目標”把平臺③（房間外圍固定，無法移動）里的救援目標取出；此項滿分為30分，每成功取出一個“救援目標”計10分，未成功此項得 0 分。</p>

16、<p>　?。?）完成動作 4 ，即機器人將另一“救援目標”從平臺④取出；此項滿分為30分，每成功取出一個“救援目標”計10分，未成功此項得 0 分。</p><p>　?。?）完成動作5，即把已經(jīng)取出的“救援目標”放入安全區(qū)，此項滿分12分，每成功一個“救援目標”計2分，未將“救援目標”放入安全區(qū)，此項為0分。</p><p>　?。?）競賽進行中，機器人若發(fā)生故障，允許即時

17、進行維修，但維修期間計時不停，并每次扣 2 分。 </p><p>　?。?）在實物模型競賽得分相等的情況下，其排名以時間短者為先。</p><p>　　實物模型競賽的其它規(guī)定</p><p>　　（1）競賽過程中，參賽隊員只允許在隊員操作區(qū)操作。 </p><p>　　（2）競賽過程中，機器人的所有動作均不得損壞競賽場地及其設施。 <

18、/p><p>　?。?）當機器人發(fā)生故障需要修理時，參賽隊員不得進入競賽場地（以免損壞場地），而應請求現(xiàn)場工作人員將機器人取出競賽場地實施維修，修理完畢后再請求現(xiàn)場工作人員將機器人放入競賽場地的原位置。 </p><p><b>　　3.6 其它 </b></p><p>　　3.6.1 所有帶入比賽場地內(nèi)的東西都作為機器人的組成部分；</p

19、><p>　　3.6.2 “高墻”、“隧道”、“河道”和“救援目標”模型樣本由承辦單位提供，其中救援平臺③底部由角鐵固定，頂端開有通孔，三個“救援目標”被頂蓋壓住。救援平臺④其中兩面封閉固定，另外兩面中，其中開有一可左右移動的移門，另一門頂端鉸接在支架上，受力下整個門可繞鉸接點轉(zhuǎn)動。救援平臺③和④分別設有高20mm的門檻（圖中未注出），可避免救援物被直接掃出。救援平臺③和④的墻壁、門、頂蓋均為10mm厚的有機玻璃。&

20、lt;/p><p><b>　　3.7如圖1</b></p><p><b>　　如圖1</b></p><p><b>　　3.8如圖2</b></p><p><b>　　如圖2</b></p><p>　　四、 主要參數(shù)及性能指標

21、</p><p><b>　　主要參數(shù)</b></p><p>　?。ㄒ唬C械臂起重量G（過去常用字母Q表示），是指被起升重物的質(zhì)量，單位為千克（kg）或噸（t）。一般分為額定起重量、最大起重量、總起重量、有效起重量等。 </p><p>　　1.額定起重量Gn（不含起重鋼絲繩、吊鉤和滑輪組的質(zhì)量），是指起重機能吊起的重物或物料連同可分吊具或?qū)?/p>

22、具（如抓斗、電磁吸盤、平衡梁等）質(zhì)量的總和。對于幅度可變的起重機，其額定起重量是隨幅度變化的。 </p><p>　　2.最大起重量Gmax，是指起重機正常工作條件下，允許吊起的最大額定起重量。對于幅度可變的起重機，是指最小幅度時，起重機安全工作條件下允許提升的最大額定起重量，也稱名義額定起重量。 </p><p>　　3.總起重量Gt，是指起重機能吊起的重物或物料，連同可分吊具和長期固定

23、在起重機上的吊具或?qū)倬撸òǖ蹉^、滑輪組、起重鋼絲繩以及在臂架或起重小車以下的其他起吊物）的質(zhì)量總和。 </p><p>　　4.有效起重量Gp，是指起重機能吊起的重物或物料的凈質(zhì)量。如帶有可分吊具抓斗的起重機，允許抓斗抓取物料的質(zhì)量就是有效起重量，抓斗與物料的質(zhì)量之和則是額定起重量。 </p><p><b>　?。ǘ┛缍萐 </b></p><

24、;p>　　橋架型起重機支撐中心線之間的水平距離稱為跨度，用字母“S”表示，單位為米（m）。 </p><p>　?。ㄈ╇妱訖C的總功率</p><p>　　機器車各個電動機驅(qū)使相應物體運動的功率之和。</p><p>　　為了能更快的解救那些被困人員和其他寶貴和其它寶貴的財產(chǎn)。我們設計出了這樣一個多功能的機械裝載救人機車。這個機器人也可看做是一輛多功能救援車，

25、其最大的特點是以極少的人力來控制，操作它，從而實現(xiàn)再遠的搶救。即減少了搶救人員的危險系數(shù)。又加大了救援迅速性。其主要功能就是救援被困在建筑中的遇難人員。通過簡單的改裝，也可以用作道路疏通。他的工作強度主要取決于驅(qū)動電機的功率大小，因為電動機是他的主要原動力。同時，因為他的主要動力為電力，所以他的工作條件要求也相應的比較低。他的車身和機械手均為金屬材料，所以他擁有長久的壽命，更有利于地震災區(qū)的搶救工作。</p><p&

26、gt;<b>　　設計方案</b></p><p><b>　　三維模型圖</b></p><p><b>　　機器車總體結構簡圖</b></p><p>　　1—萬向輪 方向可以自由轉(zhuǎn)動</p><p>　　2—架橋板 可以使機器車通過河道</p><p&

27、gt;　　3—機械臂 使機械手自由轉(zhuǎn)動</p><p>　　4—機械手 提取或移動重物</p><p>　　5.1機器人行走的軌跡</p><p>　　5.2小車在狹窄環(huán)境下轉(zhuǎn)彎</p><p>　　普通軸式小車在狹窄的小道上行駛碰到轉(zhuǎn)彎時，可能會被卡住。而我們設計的小車正好解決這一問題，在軸上裝置了電機，可以通過電機使輪子進行360度轉(zhuǎn)動，

28、省去前后左右轉(zhuǎn)動來調(diào)正進行轉(zhuǎn)彎。具體結構如圖4所示：</p><p><b>　　如圖四</b></p><p><b>　　5.2過橋方案</b></p><p>　　在快到達河道時，通過電機轉(zhuǎn)動，從而帶動木板轉(zhuǎn)動，使板緩慢放在河面上，因此機器車就可以通過河道。機器車通過木板橋時，木板脫離車子，從而達到河道對面。<

29、/p><p>　　5.3 小車在狹窄環(huán)境下轉(zhuǎn)彎</p><p>　　普通軸式小車在狹窄的小道上行駛碰到轉(zhuǎn)彎時，可能會被卡住。而我們設計的小車正好解決這一問題，在軸上裝置了電機，可以通過電機使輪子進行360度轉(zhuǎn)動，省去前后左右轉(zhuǎn)動來調(diào)正進行轉(zhuǎn)彎。</p><p>　　5.4用機械手直接將3區(qū)中的板撬開，依次用機械手夾取尼龍棒放置安全區(qū)。機械臂如圖五</p>

30、<p>　　5.5用車身直接頂開4區(qū)中的板，一次用機械收夾取木塊放著安全區(qū)。機械手如圖六</p><p><b>　　如圖五（機械臂）</b></p><p><b>　　如圖六（機械手）</b></p><p><b>　　5.6電力控制系統(tǒng)</b></p><p>

31、;　　用電力控制，相對于其他控制來說，更快捷，更方便。其主動力也很容易得到。防火性、防塵性等都比較好。唯一的缺點是功率不是很大，容易過載和過熱。但其最大的特點是容易實現(xiàn)，也容易控制，反應性非常突出。工作效率也很高。</p><p><b>　　5.7 齒輪傳動。</b></p><p>　　齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。具有結構緊湊、效率

32、高、壽命長等特點。</p><p>　　在某些部位，我們還會采用齒輪傳動。齒輪傳動不但可以實現(xiàn)加速或減速，而且傳動效率高，從而達到高效率工作。</p><p><b>　　理論計算</b></p><p>　　(1)機器人的大概重量5.9千克</p><p>　　測量木質(zhì)板和輪子之間的摩擦因素：</p>&

33、lt;p>　　用彈簧秤測力計來測定木質(zhì)板和輪子的動摩擦因素，設輪子的重量為200牛，通過彈簧秤拉輪子在木質(zhì)板上運動，彈簧秤的示數(shù)為F，</p><p>　　所以輪子和木質(zhì)板的動摩擦u</p><p><b>　　u=F\200</b></p><p>　　經(jīng)過實驗得到摩擦因素 u=0.6</p><p><

34、;b>　　電動機的選擇：</b></p><p>　　為了使小車實現(xiàn)方向的360度旋轉(zhuǎn)和速度的變化，我們小組經(jīng)過討論，一個輪子裝兩個電動機，一個控制輪子的轉(zhuǎn)向，另一個則是速度。因此，兩個電動機的功率是不同的。 </p><p>　　輪子上兩個電動機 如圖七</p><p>　　控制速度的大驅(qū)動電動機，它的功率計算：</p><p

35、>　　利用公式 T=9549*P\n => P=T*n\9549</p><p>　　T是輪子的扭矩（相當于輪子的彎矩，是由電動機提供的），n是電動機的轉(zhuǎn)速。通過木質(zhì)板與輪子的摩擦力f 來算彎矩W，輪子的半徑R</p><p><b>　　W=f*R</b></p><p><b>　　如下圖八</b>&

36、lt;/p><p>　　如圖八 如圖七</p><p>　　另一個控制方向的小驅(qū)動電動機，功率不需要太大，轉(zhuǎn)速不需要很快，采取緩慢轉(zhuǎn)動，使之更好的控制方向的準確性。</p><p>　　大驅(qū)動電機的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 n1=50rpm</p><p>　　小驅(qū)動電機的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 n2=30rpm&

37、lt;/p><p>　　大驅(qū)動電機功率 2.5 w</p><p>　　小驅(qū)動電機功率 1.26 w</p><p>　　機械臂的結構簡圖 如圖九</p><p><b>　　如圖九</b></p><p>　　L12=100 L23=300 L3=150 n3=15rpm</p>

38、<p>　　通過計算用尼龍棒做的物體最重為m1=0.72kg 有機玻璃的重量大約2kg G=10N/kg</p><p>　　機械臂的重量m2=1.2kg</p><p>　　T=9549*P\n</p><p>　　F=(m1+m2)G=32N</p><p>　　T3max=F*L3=4.8N/m</p>&l

39、t;p>　　P1max=7.54W</p><p>　　T2max=F*(L3+L23)=14.4 N/m</p><p>　　P2max=22.6W</p><p>　　T1max=F*(L3+L12+L13)=17.6 N/m</p><p>　　P3max=27.64W</p><p>　　電機的總功率 P

40、0=(2.5*4+1.26*4+7.54+22.6+27.64)=72.82 W</p><p>　　傳動效率η=0.7 </p><p>　　電機有效功率 P1=P0*η=43.12*0.7=50.974W</p><p>　　同步帶輪的半徑R=30*10^-3m</p><p>　　車的總重 m=4.5kg</p><

41、p><b>　　摩擦因子μ=0.6</b></p><p>　　車的最大行進速度Vmax<n1*R*2π/60=50*0.030*2*3.14/60=0.157m/s</p><p><b>　　總體效果圖</b></p><p><b>　　設計總結</b></p><

42、;p>　　總體感覺這次創(chuàng)新設計相當難，不僅是問題的提出、分析、機構的選擇、相關加工參數(shù)的確定、還是查找資料，都要在極短的時間內(nèi)完成，這是相當大的挑戰(zhàn)。這次的創(chuàng)新設計，使我們充分認識到自己的學習成果離實際運用的差距，對今后的學習和發(fā)展有了大致的認識，在合作上也很欠缺，往往不能達成一致意見，出現(xiàn)較大的分歧。在繪制零件圖和運動仿真時，有一些結構比較復雜，對于軟件的應用還很差。設計中的每一步的推理、計算、選擇都要有據(jù)可依，都需要嚴謹?shù)膶W習

43、態(tài)度，對學習工作不能有絲毫的怠慢，對知識不是一般就行，不能似懂非懂，要不斷進步，不斷充實自己，精益求精。 今后的學習空間還很大，因此，我們不能浪費時間，要不斷的努力、不斷的進取，不斷充實自己、完善自己。</p><p>　　這次的創(chuàng)新設計極大的激發(fā)了我們設計的激情，選擇這個專業(yè)就是為了能和機械打交道，然而將近兩年的學習，我們發(fā)現(xiàn)設計一個新的機械并不是那么簡單，只要嘗試總會有突破，但傳統(tǒng)的學習抹殺了我們創(chuàng)新的意識，