尋軌小車課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　一.摘 要</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)等多學(xué)科而形成的高新科技，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。目前工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采用示教再現(xiàn)的方式。</p><p>

2、　　該設(shè)計(jì)以移動工業(yè)機(jī)器人為研究對象，開展機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要分為移動小車部分和機(jī)械手。小車部分采用三個(gè)輪子移動，兩個(gè)與步進(jìn)電機(jī)向連接，作為驅(qū)動裝置，再采用一個(gè)萬向腳輪作為輔助支撐輪。機(jī)械手臂為三個(gè)自由度，手臂采用扭矩馬達(dá)直接驅(qū)動。</p><p><b>　　二.前 言</b></p><p>　　機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā), 綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自

3、動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù),根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo),合理配置與布局各功能單元,在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值,并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于我們生產(chǎn)和生活的方方面面。因機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同而使機(jī)電一體化專業(yè)派生出許多專門化,例如數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、機(jī)電一體化設(shè)備的制造與維修、自動機(jī)和自動線、制

4、冷與空調(diào)、機(jī)器人等。</p><p>　　機(jī)器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。</p><p>　　機(jī)器人是高級整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè) 、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用

5、途。 現(xiàn)在，國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?lt;/p><p>　　智能小車屬于機(jī)器人技術(shù)范疇，它涵蓋了機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)知識，包括機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制系

6、統(tǒng)硬件配置、傳感技術(shù)、控制算法的程序編程等。因?yàn)楹喴字悄苄≤嚨囊?guī)模較小、制作陳本相對夠低，但對電動車的研發(fā)具有深入的研究和改進(jìn)，即可變?yōu)樘皆萝?其次，通過這個(gè)項(xiàng)目的制作，可以提高自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　智能小車是運(yùn)用單片機(jī)和光電對管等一系列傳感器控制電動小車運(yùn)動，通過設(shè)計(jì)傳感器檢測程序和運(yùn)動控制程序，使電動小車具有智能化的運(yùn)動功能，達(dá)到模擬騎車按一定的軌跡運(yùn)動的能力。該設(shè)計(jì)屬于機(jī)器人應(yīng)用范疇，具有較

7、好的應(yīng)用前景。</p><p>　　現(xiàn)如今已其在諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。例如:在生活中，它可以作為導(dǎo)盲車幫助盲人；在工廠流水線上，它可以完成貨物搬運(yùn)，裝卸；在軍事上它可以代替人完成排雷，偵查；在航天領(lǐng)域中，可以完成外星球的礦藏勘探等科學(xué)任務(wù)。尤其是在地震，泥石流，礦難等災(zāi)害面前，更急需高危險(xiǎn)復(fù)雜環(huán)境下智能小車的應(yīng)用。它可通過靈活智能的特性經(jīng)過狹窄彎曲人無法到達(dá)的地方，探測生命跡象，運(yùn)送藥品食品等急救物資。</

8、p><p>　　本課程設(shè)計(jì)應(yīng)是《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》和《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要組成部分。我們主要基于機(jī)器人技術(shù)設(shè)計(jì)車的機(jī)械部分。該車成本低廉，準(zhǔn)確快捷，可用于工業(yè)生產(chǎn)中。按照生產(chǎn)工藝的要求，通過程序控制，可將工件或原料按照一定的時(shí)間送達(dá)指定的位置并完成裝卸，節(jié)省人力，大大提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　三.課程設(shè)計(jì)主要任務(wù)及技術(shù)參數(shù)</p><p>&l

9、t;b>　　1.主要任務(wù)</b></p><p>　　具體要求：設(shè)計(jì)帶有球形果采摘的機(jī)械臂和儲料車廂的智能移動小車，完成采摘機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃，完成一系列復(fù)雜的動作，如手爪張合、車體回轉(zhuǎn)等任務(wù)。</p><p>　　工件的形狀為球形，直徑30-80mm，重量<0.5kg。</p><p>　　智能車主要完成任務(wù)（如圖所示

10、）：</p><p>　　方案：沿指定路線進(jìn)入迷宮——實(shí)現(xiàn)穿越迷宮——車體或機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)——手爪張開——實(shí)現(xiàn)對指定物體采摘——車體或機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)——放到指定位置一系列動作。</p><p><b>　　方案</b></p><p><b>　　2.車體技術(shù)參數(shù)</b></p><p>　　3.操作臂及手

11、爪技術(shù)參數(shù)</p><p>　　小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)自動抓取工件放入小車的車斗中，并且能夠按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動，到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)，機(jī)械手臂將小車車斗中的工件取出放到預(yù)定的工作地點(diǎn)。</p><p><b>　　四.方案論證</b></p><p><b>　　1.電動機(jī)的選擇</b></p><p>　　根據(jù)

12、本項(xiàng)目的要求，我們提出以下兩種方案：</p><p>　　方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是具有快速啟動能力，如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能立即使步進(jìn)電機(jī)啟動或反轉(zhuǎn)。另一顯著特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。</p><p>　　方案二: 采用普通直流電機(jī)。直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁

13、的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求。</p><p>　　扭矩馬達(dá)，該系微型帶渦輪蝸桿減速直流馬達(dá)，可以改變馬達(dá)的接線正負(fù)改變馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，具備兩個(gè)特點(diǎn)：扭矩馬達(dá)，該系微型帶渦輪蝸桿減速直流馬達(dá)，可以改變馬達(dá)的接線正負(fù)改變馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，具備兩個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　1.渦輪蝸桿減速電機(jī)具備自鎖性，即在馬達(dá)在沒有電的情況下，輸出軸是轉(zhuǎn)不動的，即自鎖。</

14、p><p>　　2.減速箱輸出軸方向與馬達(dá)軸是垂直布置，整個(gè)馬達(dá)體輸出軸方向相對普通減速馬達(dá)超短，廣泛適應(yīng)一些對安裝尺寸有該方面要求的場合</p><p>　　基于上述分析，擬選擇方案二，在手臂上采用扭矩馬達(dá)。</p><p>　　2.機(jī)械臂機(jī)構(gòu)方案的選擇</p><p>　　方案一：機(jī)械臂由三個(gè)轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，分別有三個(gè)扭矩馬達(dá)驅(qū)動，另有一電機(jī)控制

15、手抓取。在機(jī)械臂的初始端安裝旋轉(zhuǎn)副使機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)水平面上的旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　方案二：機(jī)械臂由三個(gè)轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，分別有三個(gè)電機(jī)驅(qū)動，一個(gè)電機(jī)控制手抓取。在機(jī)械臂的末端安裝旋轉(zhuǎn)副使手爪實(shí)現(xiàn)水平面上的旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)抓取與小車手臂不同豎直面的上的物體</p><p>　　方案三：機(jī)械臂由兩個(gè)轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，分別有兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動，另一個(gè)電機(jī)控制手抓取。當(dāng)要抓取的物體與小車不在同一個(gè)平面時(shí)，有傳感器探測

16、物體的位置，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算控制使小車移動最終使小車與物體在同一個(gè)水平面上</p><p>　　第一種方案連桿靈活，工作空間大，制造簡單。第二種方案手抓可以自由轉(zhuǎn)動，抓取工件方便但，手抓轉(zhuǎn)動副制造不方便并且會增加手臂末端的重量，加重前端手臂的負(fù)載。第三種方案制造簡單，但工作空間小。</p><p>　　綜合考慮后選擇第一種方案。</p><p>　　3.機(jī)械臂參數(shù)確定及

17、其論證</p><p>　　假定三個(gè)連桿長度分別為80m m和150mm，180驗(yàn)證過程如下上圖考慮到了車身高度，經(jīng)驗(yàn)證滿足抓取工件的所需要求</p><p>　　4.車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　主體采用一塊整的鋁合金板材，采用組合式，在車底板上面打一定數(shù)量的安裝孔，用于安裝其他的零部件。上圖中安裝了一個(gè)用于放置電機(jī)的固定板。</p>

18、<p>　　5.機(jī)器人的手爪方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　手爪采用絲杠傳動，由電機(jī)驅(qū)動絲杠帶動絲杠轉(zhuǎn)動，通過絲杠的轉(zhuǎn)動帶動配合的螺母直線運(yùn)動（螺母通過增加固定的約束是其只能直線移動不能繞軸轉(zhuǎn)動）螺母與拉桿相連接，帶動拉桿直線運(yùn)動。該結(jié)構(gòu)將電機(jī)的定軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為拉桿的水平方向的往復(fù)運(yùn)動，再轉(zhuǎn)化為手爪的張合。</p><p>　　6.小車加工后效果圖</p><p

19、>　　7.對于模型的分析與校核</p><p>　　小車的兩個(gè)驅(qū)動輪用市面上標(biāo)準(zhǔn)件，直徑為60mm</p><p>　　小車的從動輪用市面上的標(biāo)準(zhǔn)件高度為50mm</p><p>　　小車的手臂和手爪采用以及車底板采用鋁合金材料 5052O</p><p>　　使用鋁合金材料是因?yàn)槠涿芏刃≠|(zhì)量輕，鋁合金的強(qiáng)度一般比較高，能減輕手臂的重量

20、減少，驅(qū)動電機(jī)的負(fù)載，可以選擇扭矩較小的電機(jī)。也可以節(jié)省成本減輕電機(jī)的重量。</p><p>　　鋁合金 5052O其力學(xué)性能為</p><p>　　彈性模量7e+010牛頓/m^2</p><p>　　泊松比0.33不適用</p><p>　　抗剪模量2.59e+010牛頓/m^2</p><p>　　密

21、度2680kg/m^3</p><p>　　張力強(qiáng)度195000000牛頓/m^2</p><p>　　X 壓縮強(qiáng)度牛頓/m^2</p><p>　　屈服強(qiáng)度90000000牛頓/m^2</p><p>　　熱膨脹系數(shù)2.38e-005/K</p><p>　　熱導(dǎo)率137W/(m·K

22、)</p><p>　　比熱880J/(kg·K)</p><p>　　材料阻尼比率不適用</p><p>　　為了使小車重心在車中心，車斗采用延性鐵對小車進(jìn)行配重，其力學(xué)性能為：</p><p>　　彈性模量1.2e+011牛頓/m^2</p><p>　　泊松比0.31不適用</p&

23、gt;<p>　　抗剪模量7.7e+010牛頓/m^2</p><p>　　密度7100kg/m^3</p><p>　　張力強(qiáng)度861695000牛頓/m^2</p><p>　　X 壓縮強(qiáng)度牛頓/m^2</p><p>　　屈服強(qiáng)度551485000牛頓/m^2</p><p>　

24、　熱膨脹系數(shù)1.1e-005/K</p><p>　　熱導(dǎo)率75W/(m·K)</p><p>　　比熱450J/(kg·K)</p><p>　　材料阻尼比率不適用</p><p><b>　　整體參數(shù)的分析</b></p><p>　　經(jīng)軟件對小車的質(zhì)量屬性

25、分析，生成如下數(shù)據(jù)：</p><p>　　小車的整體質(zhì)量M=1.086KG<2.0KG 符合設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　對小車的平衡進(jìn)行校核，經(jīng)軟件分析</p><p>　　小車抓取的小球?yàn)镽=40mm,質(zhì)量為0.2kg.</p><p>　　小球?qū)囕喌牧貫椋?.2×0.294＝0.058NM</p>

26、<p>　　小車對車輪的力矩為：1.086×0.106=0.115NM</p><p>　　0.058NM < 0.1115NM</p><p>　　所以小車在抓取小球的過程中不會翻倒，當(dāng)把小球裝到小車?yán)锩婧笮≤嚨闹匦腦軸方向向右移動，再次抓取小球的時(shí)候更不會翻倒。</p><p><b>　　對手臂進(jìn)行分析</b>&

27、lt;/p><p>　　質(zhì)量 = 356.64 克</p><p>　　體積 = 260188.24 立方毫米</p><p>　　表面積 = 117391.23 毫米^2</p><p>　　重心 : ( 毫米 )</p><p><b>　　X = 2.69</b></p><

28、p><b>　　Y = 15.63</b></p><p>　　Z = 160.73</p><p><b>　　對軸心O起矩計(jì)算：</b></p><p>　　M-0.2×0.281-0.356×0.166=0</p><p>　　M=0.115N.M</p>

29、<p><b>　　選擇的馬達(dá)為</b></p><p>　　大扭矩渦輪蝸桿減速電機(jī) 直流馬達(dá)GW370 12V 24rpm</p><p>　　其技術(shù)參數(shù)為：型號：GW370電壓：DC12V空載轉(zhuǎn)速:  24r/min負(fù)載轉(zhuǎn)速： 18r/min輸出扭矩： 5kg.cm</p><p>　　額定電流：0

30、.3A重量：0.18kg</p><p>　　5kg.cm > M=0.115N.M</p><p>　　由上面的計(jì)算可知選著的電機(jī)符合要求。同理可得出其他位置選擇的電機(jī)也是符合要求的。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　通過課程設(shè)計(jì)，使我們在掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程理論的基礎(chǔ)上，對

31、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)器人系統(tǒng)有了更加深入的了解并加深了對機(jī)電一體化這門課程的認(rèn)識。掌握了機(jī)械系統(tǒng)，微電子系統(tǒng)，傳感檢測系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等主要組成的工作原理，特性，應(yīng)用和系統(tǒng)集成的方法，使我們具備了獨(dú)立設(shè)計(jì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的能力，提高了自己的綜合素質(zhì)和利用知識解決問題的能力。</p><p>　　在這二十多天的時(shí)間里，也讓我深刻地認(rèn)識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性 ，理解了理論聯(lián)系實(shí)際這句話的含義 ，完善了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果 ，也讓我

32、發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足之處，比如在項(xiàng)目中對于知識的運(yùn)用和銜接不夠熟練等等 。我會在以后的工作和學(xué)習(xí)中努力改進(jìn)。這次的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的對過去所學(xué)知識進(jìn)行提高和擴(kuò)充的過程，并且為我們以后的發(fā)展打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。由于我自身水平不足的原因，設(shè)計(jì)中一定存在很多不足之處，請各位老師批評指正，同時(shí)感謝各位老師細(xì)心的指導(dǎo)和教育。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>&l

33、t;p>　　機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì) 武漢 華中理工大學(xué)出版社 2000</p><p>　　機(jī)械電子工程設(shè)計(jì) 北京 國防工業(yè)出版社 2001</p><p>　　機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1997</p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì) 北京 高等教育出版社 2001</p><p>　　機(jī)器人學(xué) 北京