创新设计范例3

家用遥控机器人设计说明书指导教师:杨家军设计者:陈跃华魏博涛杨雁群华中科技大学目录机器人功能用途简介及工作原理机器人总图设计方案，要求及尺寸选择1)手臂部分2)底盘部分3)内部结构心得与体会功能简介该机器人使用电机驱动，用遥控器控制。机器人由轮子驱动可以在室内进行简单的行走。机器人的手臂可以伸缩，并可以抓取小件物品。机器人的身体可以上下升降，以抓取不同高度的物品。用途简介该机器人设计用于室内或较平整的场所，由遥控器控制来抓取小件物品；主要用于老幼病弱在家中取水，药品，及毛巾等。该机器人设计用于室内或较平整的场所，由遥控器控制来抓取小件物品；主要用于老幼病弱在家中取水，药品，及毛巾等。工作原理该机器人主要由三部分组成：手臂部分，主体部分，底盘部分。手臂部分是该机器人设计的主要部分。其大致分为手臂连杆机构，手爪部分，滑块及固定杆。滑块在固定杆上移动，推动手臂连杆机构作相应的运动。连杆机构可以作前后伸缩，左右摆动。手爪部分用于抓取物品，利用钢丝绳传动。主体部分是利用马达传动，供给手臂部分以运动的动力。主体内部依靠齿轮系变换传动比，并用丝杆与底盘相连，靠丝杆的转动来使主体部分上升下降。底盘部分也是利用马达传动，靠轮子的运动使机器人相对于地面运动，并能实现转弯。底盘通过导杆及丝杆与主体相连。目录机器人总图头部（内置蓄电池及安放一照明灯）连杆机构组成的手臂手爪部分底盘部分导杆（起固定作用）丝杆（控制主体部分上下移动）车轮主体部分，通过内部机构控制手臂及丝杆的动作目录设计方案，要求及尺寸选择手臂部分目录机构简介手臂部分通过三个四杆机构并联组合来达到传动要求。AF，BC，DE，EJ四杆构成的四杆机构主要完成手臂的前后伸缩功能，通过B点沿固定杆的上下移动来达到手臂协调地前后运动。而AH(固定杆，垂直），HG，GF，AF四杆主要是控制GF杆在任何时候都为垂直，这样可将GF杆也视为固定杆，通过GFJI这个平行四边形使得手爪永远都是水平放置的。a构件为蜗杆，它通过与固连在固定杆上的蜗轮之间的传动来调节手臂的左右摆动。b构件为圆盘，实际为曲柄，他调节B点的上下移动。C构件也为曲柄，它通过钢丝绳来调节手爪的抓取动作。设计方案1.手爪部分采用类似自行车刹的结构，用钢丝绳传动，减少了机构的复杂度。也可采用油压传动控制手爪，则会增加制造成本和维护费用；或采用连杆机构传动，由于手臂中间有一个弯曲，力的传动比较难以实现，并且这样机构就显得复杂得多。另外一个方案是用两根丝绳控制，一根控制手爪的抓紧，另一根控制松开，但这样很明显会增加部件，且抓紧时力度不易控制。2.手臂部分采用三个四杆机构。要实现手臂的上下转动，若采用齿轮实现(见图）,则其力学性能不好，不能承受大的力矩。并且前臂的动作很难控制与后臂协调。从伞中得到启发，采用一个平行四边形四杆机构，可以得到很大的扭矩，并且前后手臂运动非常协调。3.手爪要使其水平放置，才有利于抓取易打翻的物品。若将手爪直接焊接在前臂上（见图），显然不能保持水平。因此，采用两个平行四边形机构实现其水平。4.手臂的转动则是采用固定导杆的转动实现，并且采用蜗轮蜗杆传动，有良好的自锁性能，机构简单且传动比合适。采用齿轮传动控制手臂升降，力学性能不好，承受的力矩不能太大。若将手爪直接焊接再前臂上后臂转动时手爪不能保持水平5.B点处的滑块结构如右图所示.滑块分为上下两部分,上下滑块间有磙子,B点处的连杆为手臂部分的连杆.在推杆的作用下,下滑块将作上下移动,且推动上滑块作上下移.而上滑块还将随固定杆转动.磙子起分离两滑块运动的作用.设计尺寸运动要求:设定手臂的运动范围在如下图所示的120度范围内.机构尺寸:设定AC=10cm,BC=15cm,AF=HG=25cm,CD=EF=5cm,CF=DE=15cm,GF=AH=5cm,GI=FJ=20cm,蜗杆n=150r/min,蜗轮Z=25,则n=6r/min.则，B点的运动范围为距离A点6cm至24cm范围内。ΔH=18cm.因此,圆盘b的最小直径至少为18cm。手爪长度为10cm（内有橡皮），手爪上弹簧的强度系数为k=0.5.上滑块，可以上下移动，左右摆动。点下滑块，由曲柄推动，其推程为18CM。推杆底盘部分目录蜗轮蜗轮机构简介底盘是一个简化了的普通汽车底盘，它靠后轮驱动，前轮控制转向。动力是由电动机提供的。后轮驱动系统主要是由一个行星齿轮系控制。它能够使得两个轮胎的转角不同，从而能顺利实现转弯。并且它由蜗轮蜗杆控制，使得转速稳定，且能够实现自锁，防止发动机停转后车轮继续运动。前轮转向系统主要是由一个等腰梯形机构控制。通过一系列齿轮的减速作用，控制蜗轮缓漫转动，而通过蜗轮的转动来控制等腰梯形，从而使得前轮两轮胎的转角不同，顺利实现转弯。设计方案对于转向系来说,可以设计为矩形的转向机构,但矩形机构转向两轮是平行的,因而轮子会产生滑动摩擦.但等腰梯形转向机构则可以保证两轮法线交于后轮的延长线上,只产生滚动摩擦。后轮采用差速器也是考虑到防止轮子发生滑动摩擦，减少寿命。同时采用蜗轮蜗杆，而不直接采用齿轮传动，实现即停。设计参数设计参数1）底盘后轮的转速设计为30转/分，电机转速为750转/分。电机到后轮的传动比为1：25，蜗轮6齿数为25。（差速器传动比均为1：1）2）转弯时转速为5转/分，传动比为1：160。3）Z1=20；Z2=40；Z3=20；Z4=40，蜗轮5齿数为40。转向时前轮法线延长线交点在后轮轴向延长线上内部结构目录机构简介内部由电动机带动,在齿轮系的传动作用下,使得蜗杆a,圆盘b,c,各自完成相应的动作.齿轮齿数简述如下:模数M=4mm,齿数Z1=20,Z2=60,Z2’=30,Z2”=20,Z2”’=18,Z3=40,Z3’=27,Z4=20,Z5=Z6=Z6’=Z7=20,Z7’=Z7”=25,Z8=Z9=25,Z10=50,Z11=35.电机转速设定为N=750r/min.传动比：从电机到丝杆（d)为7.5/1,从电机到蜗杆(a)为10/1,从电机到圆盘（b)为243/1,从电机到圆盘（c)为243/1。设计方案为了减小转速，使用了齿轮系传动。因为要求最终转速非常小，采用行星齿轮系的传动，使得传动比大大增加，而且减小了占用空间。行齿轮的传动比i2’5=n2’/nH=1-(Z3Z4/Z2’Z3’).为了使主体部分能相对于底盘升降，采用了丝杆传动。--------魏博涛在这不长的设计过程中，我学会了很多。我以前以为机械设计是一件很容易的事情，但实际上并非如此。如果要把每一个细节都搞得清清楚楚，每一个小问题都不放过，如果要把每一个机构都设计得最优，那还是要动一点脑筋的。有时候甚至想破脑壳，仅仅为了一个小问题，仅仅为了有一点点不满意的地方。比如说手臂的水平问题，起初想找一个水平基面，就在前臂上做了一个平行四边形的四杆机构，后来经过仔细考虑，发现这样并不能保证手臂的完全水平，只有另外找一个垂直基面，用了两个四杆机构，才保证手爪的始终水平。正所谓看事容易做事难，一个小设计况且如此，大东西就可见一斑了。从设计中，我对机械原理和各种机构的功能与作用的理解更加深刻，为了实现某些功能，我要思考到底是用连杆机构呢，还是凸轮机构，传动是采用齿轮好还是蜗轮蜗杆好。在参数设计过程中，我对各种部件的基本参数及其之间的换算关系有了更加深刻的认识。同时从图书馆的书中得到了许多课本以外的东西。在设计中，我懂得了互相协作的精神。光靠一个人的力量是做不好也做不成事情的。只有大家分工合作，才可以在短期内完成一项大的工作，只有大家一起出点子，才能把工作做的最好。机械是一个很巧妙的东西，只要善于动脑筋，就可以让他为我们做事。目录-------------杨雁群经过十天的机械设计实践，我体会了创业与创新的艰辛。丰富的想象力，巧妙的构思需要我们自己动手来实现.俗话说:“三个和尚没水喝.”但我认为,只要合理的分工合作,三个臭皮匠必然能凑成个诸葛亮.我经过了对机械原理的学习,初步了解了一些关于机械方面的知识,经过这次机械设计,我更加理解了这方面的知识,学以至用,用中求新.机械设计不是一个简单零件的拼凑,它给了我们一个自己动脑,自己动手的机会,使我懂得只有动脑与动手的结合,才能使自己的理想变为现实.理论与实践缺一不可.刚开始时，我以为做一个机构实在太简单了，在设计中才发现在脑中酝酿的机械构造并不一定行得通，只有通过动手运用已学的机械学规律才能正确确定机械结构。方案的确定只是机械设计的开始一步，画示意图也是对AUTOCAD的更一步熟悉。有时在考虑尺寸大小时，示意图需要大幅度改动，才能符合要求，于是又重画，如此反复多次。真正创业的艰辛就可想而知了。十天的机械设计相对于我们以后的工作生涯来说是短暂的，但它又是重要的。它使我们在步入社会前，参加工作前，对工作有了一个初步的接触和认识，为毕业时快速适应工作奠定了基础。--------------陈跃华在这次机械设计中，我不仅对机械原理有了更加深刻的认识，而且对他有关方面的知识也有了进一步的认识。多种思维方法导致了设计方案的多种多样；但要确定一种最佳方案确实要花一点工夫，我们这一组经过了多方面的考虑，花了几天时间最终才确定了这种方案，其中也从身边不同事物中吸取精华，采用了如伞的机构原理来设计手臂机构，从自行车中得到体会，确定了手爪抓取物品的控制方案，其中走了许多弯路，也是深有感触，手臂机构的方案就花了好长时间，走了不少的路，饶来饶去最终确定方案，确定方案以后也不是一帆风顺，画图写文本也花了不少的心血，其中的劳累怎一个苦字了得，单就内部结构的示意图就画了十几便。在这次设计中，我们还是忽略了一些问题，造价，实用性问题，而且在机构中，我们还忽略了有关电磁方法的设计，名为遥控，其实并没有设计遥控的部件。设计中，我还体会到了团结精神重要性，三人合心，其利断金，我们在不断的争吵中使得方案进一步完善，“三人行，必有我师”，我也从组员之间学到了不少的东西。