机械设计竞赛说明书.doc

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设计者:吴伟明,张恒,王世海
(浙江工业高校机械工程学院,杭州310000)
摘要:论文对抗灾救援的模拟环境(包含通过隧洞与河道和两种不同外形救援目标的取放)进行了争辩,设计出一种能够在模拟环境中完成设计要求的抗灾救援机器人。在对设计要求进行具体的分析后,论文提出了一系列包括通过河道机构以及抓取放置机构的理论方案。通过方案的对比定出性能相对较高的侧向开放式底盘和手爪张合式机械爪。具体机构的实现中,方案在接受链轮传动、齿轮传动等经典模式的同时,更是做出了一系列的改进和创新:其中,通过帮助导轨的运用实现了车体的侧向开放,实现了直接通过河道的方案;通过弹性联轴器的运用提高了手爪的稳定性和抓取力量。
关键词:抗灾救援通过河道机构抓取放置机构
目录
中文摘要··················································································1
名目······················································································2
第一章设计题目与内容
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其次章机械装置原理方案的构思与拟定
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“河道”的方案选取·······················································6
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③区盖板的处理方案
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第三章抗灾救援机器人主要结构、传动方案的设计

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第四章关键动作的实现与分析
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“河道”动作的实现······························································17
④区救援目标的取出与放置····························································18
③区救援目标的取出与放置····························································19
第五章设计计算与说明···································································21
参考文献·················································································25
第一章设计题目与内容

设计并制作“抗灾救援”机器人(以下简称机器人),提交机械设计资料,参与理论设计答辨,参与实物竞赛,能够完成一组竞赛规定的采摘动作。

(1)机器人重量不限,但应尽可能轻。
(2)机器人造价不限,但应尽可能低。
(3)机器人操控可接受线控或遥控方式。
(4)机器人行进方式不限。
(5)机器人驱动可接受各种形式的原动机,但不允许使用人力直接驱动;若使用电动机驱动,其电源应为平安电源。(注:动力设备自备,竞赛现场仅供应220V沟通电源)。

(1)完成动作1:机器人穿越“隧道”通过平台①;
(2)完成动作2:机器人通过平台②穿越“河道”;
(3)完成动作3:机器人将“救援目标”把平台③(房间外围固定,无法移动)里的救援目标取出;
(4)完成动作4:机器人将另一“救援目标”从平台④取出;
(5)完成动作5:把已经取出的“救援目标”放入平安区。

竞赛场地地面接受木质地板,表面铺设喷绘广告布,场地尺寸为4500mm×1800mm,围板高度为300mm。,三个圆筒(尼龙棒)的高度均为80mm,直径分别为50mm、80mm、100mm;三个方块(木块)的尺寸分别为100mm×100mm×10mm、80mm×80mm×30mm、50mm×50mm×50mm;其中在“过河”环节中,支撑物为两根可自由移动的铝合金型材(尺寸为
30mm×30mm×550mm),两根支撑物初始距离为380mm,可在0-500mm的范围内移动。其它尺寸如图1-4所示。
其中救援平台③底部由角铁固定,顶端开有通孔,三个“救援目标”被顶盖压住。救援平台④其中两面封闭固定,另外两面中,其中开有一可左右移动的移门,另一门顶端铰接在支架上,受力下整个门可绕铰接点转动。救援平台③和④分别设有高20mm的门槛(),可避开救援物被直接扫出。救援平台③和④的墙壁、门、顶盖均为10mm厚的有机玻璃板。
图1-4竞赛场地平面图
其次章机械装置原理方案的构思与拟定

认真阅读题目后,发觉解救车主要完成以下五个任务:
(1)穿越“隧道”通过平台;
(2)通过平台穿越“河道”;
(3)将“救援目标”把平台③(房间外围固定,无法移动)里的救援目标取出;
(4)将另一“救援目标”从平台④取出;
(5)把已经取出的“救援目标”放入平安区。


方案一:四轮驱动
此方案的机器人在行走部分接受四轮驱动,每一个前轮都接受独立的电机来实现机器的前进后退及转弯,如图2-2-1-1所示。
图2-2-1-1四轮机构简图
优点:接受轮式行走方案,制作简洁便利,成本低,易把握,行走速度快。
缺点:抓地力不强,车子不稳,在过转弯隧道时简洁卡住,在抓取救援物块的时候简洁消灭轮式悬空导致机器不能动或者翻身,同时如解决此问题则需要加上简单的转动机构或大幅度增大机器的重量,导致机器变得很庞重。
方案二:双履带式驱动
此方案的机器人接受两条履带作为主动力来实现机器人的请进后退及转弯,如图2-2-1-2所示。
图2-2-1-2履带式机构简图
优点:行走稳定,抓地力强,机敏快速,能够原地360°转弯,因此在穿过隧道的转弯口是能够很明显的呈现出其精彩的优点,同时在救援抓取物块的时候,由于接地面大,从而能够保证机器人的平稳这一特点,切动力比轮式的大的多(在相同功率的电机下)。
缺点:同轮式驱动的状况相比下,若想达到同样的速度,需要功率更大的电机,同时,履带式驱动机构在加工方面简单的多,对于精度要求等方面要求更加高,成本也比轮式高的多。
“河道”的方案选取
方案一:三段式过桥方案
将机器人做成三段式或者是多段式,在通过隧道时,将机器人开放,然后最前的一段先通过河道,然后利用首段和末端的动力,让全车通过河道,如图2-2-2-1所示。
图2-2-2-1过河方式简图
优点:过河简洁,成功率较高,制作简洁,不受河道上的“桥”影响,能够独自完成过河道任务。
缺点:做成三段式或者多段式机器,体积确定浩大,对于设计题目的要求,机器的大小严格受控,因此,可调空间格外小,在运动一起格外不机敏,很简洁受场地影响。同时,该设计确定利用很多动力系统,电机量需要很大,在过河的同时,又不能让机器的重量很重,否者会导致在过河道的状况下,整部机器由于电机的自锁力量不够而导致下陷,完成不了过河,危急性格外大,做成三段式对于后面的求援活动上会有很大的限制。
方案二:利用机械手拨动桥体然后过桥
直接利用机器的机械手,拨动其中的一个桥,使其宽度达到车体的宽度,然后直接通过桥,如图2-2-2-2。
图2-2-2-2利用机械手拨动桥体通过桥
优点:利用该方案,机器可以设计的很小,因此在任务一中显示出巨大优势,且不需要大量的动力系统。
缺点:该设计方案对机械手的机敏程度及精确度上的要求格外高,对于操作技巧也有很大的讲究,同时,失误率格外大,不能确保桥体能够被移动到正确的位置,不能确保能够移正,同时,这一方案的危急性是最大的,桥体很简洁掉下去,导致过不了河,还有一点的是不能够确保移动桥体的时间,即花的时间可能会格外多,进而影响到后续的任务。
方案三:车体开放过桥
不去移到桥体,在通过隧道的时候,将车体的两条履带开放,利用滑轨形式,将车体开放至宽度和桥体宽度全都,然后直接过河。分别如图2-2-2-3、图2-2-2-4和图2-2-2-5所示。
图2-2-2-3机器人初始位置及状态
图2-2-2-4机器人车体开放
图2-2-2-5机器人过桥
优点:机器的体积小,通过滑轨还把握车的宽度,能够适应不同宽度的桥,在通过隧道的时候就能直接将车体开放,直接上桥过河,时间段,效率高,平安牢靠。
缺点:在车体的加工方面要求高,在撑开是履带对地面的摩擦力可能会很大,可能会导致撑不开,需选用大功率的电机。
由以上三个方案的对比及对操作牢靠性的考虑,我们小组全都选用第三方案作为最优方案。

方案一:铲车式装置取物
利用铲车式的结构,对于③区④区两个区域的物块,直接铲出来,然后在运到平安区,如图2-2-3-1所示。
图2-2-3-1铲车式装置
优点:能够一次性的将③区④区里面的救援物块取出,花费的时间短。
缺点:③区上面那块盖板阻碍很大,由于物块很重,因此对于铲式结构要求很高,电机的功率需要很大,然后不能确保能够一次性的将救援物块取出,同时存在机敏性差,对场地的破坏性大,死点多等一系列缺陷。
方案二:四连杆机械手
设计成四连杆机械手,将救援物块一块一块的取出。
优点:机械手的机敏性强,作业范围大,小而轻松,能够适应不同外形的物块。同时抓取力气较大,能够保证把物块平稳的抓取出来。
缺点:结构简单,加工起来困难,对于精度、材料要求很高。
考虑到③区④区的救援物块的特殊性,因此选择机械手这一方案来抓取物块,稳而平安
③区盖板的处理方案
要取出③区的物块,首先要解决将物块上面的有机玻璃板取出,这样对于接下来取出③区救援目标更加便利,因此对于将有机板取出分一下两个方案。
方案一:利用机械臂,通过吊环形式,将有机玻璃板吊出三区。
图2-2-4-1已吊环形式将有机玻璃板吊取出
优点:让接下来的机械臂的作业范围大大扩大。
缺点:由于有机玻璃板质量很大,再加上四个障碍区限制,不能确保能够平稳的吊出来。同时此方案对车体及机械臂的要求格外高,首先电机的扭矩要求格外大;其次又板的尺寸很大,要求机械臂的长度很大,这对车体的体积有较高要求;最终此方案不能确保吊环能够在较短时间内精确     的进入有机玻璃板的圆孔内。
方案二:利用机械臂和机械手的协作将有机玻璃板向一侧顶起翻开。