第八届机械设计竞赛说明书

1抗灾救援机器人设计说明书设计者：吴伟明，张恒，王世海（浙江工业大学机械工程学院，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形状救援目标的取放）进行了研究，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展开式底盘和手爪张合式机械爪。具体机构的实现中，方案在采用链轮传动、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，通过辅助导轨的运用实现了车体的侧向展开，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能力。关键词：抗灾救援通过河道机构抓取放置机构2目录中文摘要··················································································1目录······················································································2第一章设计题目与内容1.1竞赛题目·············································································31.2参赛作品的总体要求···································································31.3竞赛方案·············································································31.4竞赛场地及用品规格···································································3第二章机械装置原理方案的构思与拟定2.1题目分析·············································································52.2方案拟定2.2.1关于行走部分的方案选取··························································52.2.2关于通过“河道”的方案选取·······················································62.2.3对于取物装置的方案选取··························································82.2.4对于③区盖板的处理方案··························································92.2.5最终方案的确定·································································10第三章抗灾救援机器人主要结构、传动方案的设计3.1抗灾救援机器人的主要结构3.1.1抗灾救援机器人三维三视图·······················································113.1.2底盘机构·······································································123.1.3机械臂结构·····································································133.1.4机械臂抓取机构·································································143.2抗灾救援机器人传动方案设计3.2.1行走部分·······································································153.2.2机械臂部分·····································································153.2.3机械臂抓取部分·································································16第四章关键动作的实现与分析4.1行走及转弯动作的实现·······························································174.2穿越“河道”动作的实现······························································174.3④区救援目标的取出与放置····························································184.4③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·················································································253第一章设计题目与内容1.1竞赛题目设计并制作“抗灾救援”机器人（以下简称机器人），提交机械设计资料，参加理论设计答辨，参加实物竞赛，能够完成一组竞赛规定的采摘动作。1.2参赛作品的总体要求（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）机器人操控可采用线控或遥控方式。（4）机器人行进方式不限。（5）机器人驱动可采用各种形式的原动机，但不允许使用人力直接驱动；若使用电动机驱动，其电源应为安全电源。（注：动力设备自备，比赛现场仅提供220V交流电源）。1.3竞赛方案（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”放入安全区。1.4竞赛场地及用品规格竞赛场地地面采用木质地板，表面铺设喷绘广告布，场地尺寸为4500mm×1800mm，围板高度为300mm。六个救援目标尺寸分别如图1.4所示，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（图1.4中未注出），可避免救援物被直接扫出。救援平台③和④的墙壁、门、顶盖均为10mm厚的有机玻璃板。4图1-4比赛场地平面图5第二章机械装置原理方案的构思与拟定2.1题目分析认真阅读题目后，发现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”放入安全区。2.2方案拟定2.2.1关于行走部分的方案选取方案一：四轮驱动此方案的机器人在行走部分采用四轮驱动，每一个前轮都采用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：采用轮式行走方案，制作简单方便，成本低，易控制，行走速度快。缺点：抓地力不强，车子不稳，在过转弯隧道时容易卡住，在抓取救援物块的时候容易出现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复杂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采用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。6图2-2-1-2履带式机构简图优点：行走稳定，抓地力强，灵活迅速，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展示出其出色的优点，同时在救援抓取物块的时候，因为接地面大，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：同轮式驱动的情况相比下，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复杂的多，对于精度要求等方面要求更加高，成本也比轮式高的多。2.2.2关于通过“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，将机器人展开，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7优点：过河简单，成功率较高，制作简单，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，体积肯定庞大，对于设计题目的要求，机器的大小严格受控，因此，可调空间非常小，在运动一起非常不灵活，很容易受场地影响。同时，该设计肯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情况下，整部机器因为电机的自锁能力不够而导致下陷，完成不了过河，危险性非常大，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灵活程度及精确度上的要求非常高，对于操作技巧也有很大的讲究，同时，失误率非常大，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，这一方案的危险性是最大的，桥体很容易掉下去，导致过不了河，还有一点的是不能够确保移动桥体的时间，即花的时间可能会非常多，进而影响到后续的任务。方案三：车体展开过桥不去移到桥体，在通过隧道的时候，将车体的两条履带展开，利用滑轨形式，将车体展开至宽度和桥体宽度一致，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8图2-2-2-4机器人车体展开图2-2-2-5机器人过桥优点：机器的体积小，通过滑轨还控制车的宽度，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展开，直接上桥过河，时间段，效率高，安全可靠。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可靠性的考虑，我们小组一致选用第三方案作为最优方案。2.2.3对于取物装置的方案选择方案一：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，然后在运到安全区，如图2-2-3-1所示。图2-2-3-1铲车式装置9优点：能够一次性的将③区④区里面