机器人悬吊式机构设计制作

黎明技術學院機械工程系專題製作報告機器人懸吊式機構設計製作指導老師:郭銘駿組員:陳志龍胡凱文姜林誠張桂芳林逸傑中華民國九十三年十二月黎明技術學院機械工程系專題製作機器人懸吊式機構設計製作組員:陳志龍胡凱文姜林誠張桂芳林逸傑經考試合格特此證明專題製作審查委員指導老師系主任中華民國九十三年十二月-I-摘要本次的爪夾機器人專題是依據第八屆全國大專院校創思設計與製作競賽的主題而設計。機器人主要的功能是夾取方塊和堆疊方塊，我們需要夾取大、中、小三種尺寸不同的方塊，並在時間內依需要將其依照規定排列放置，另外還要阻擋對方機器人和可能會被對方阻擋，所以穩定性、機動性和速度都要相當好。本組的機器人依據上述原則設計。本組將機器人的設計分為三大部份，分別為︰底盤、手臂、手爪三個部份。其中底盤是機器人最基本的機構，他必須快速且平穩的行走，由於機動性要高因此本組使用後輪驅動不論要向左轉或向右轉都相當簡單。手臂則是一個延伸手爪的機構，他的目的是將手爪延伸至定點夾取方塊，但時間上並不允許我們只有單方向的夾取方塊，所以本組設計除了讓手臂能夠上下移動外還能夠左右旋轉，讓底盤不必整個移動爪夾也能夾取左右兩邊的方塊。爪夾則是整台機器人的成敗關鍵，手爪需要夾取尺寸大小不一的方塊還需依照大小堆疊，因此爪夾堆疊的穩定性相當重要，本組的爪夾主要由氣壓鋼組成，氣壓鋼的短程速度快且力量足夠夾取方塊不易脫落，這是本組選擇氣壓鋼的主要原因。機器人完成後進行測試並加以修改缺失完成專題目標。-II-謝詞雖然在製作的過程有挫折、有失敗也有爭執，但對大家來說這些都是相當有意義的事，因為我們在這當中也學習到了許許多多的經驗，而這些經驗並不是課本可以學到的，所以我們都覺得這份經驗是相當難能可貴的，也因為有了這份經驗，讓我們學到了如何從失敗中求取成功。而其中最功不可沒的自然是我們的指導老師郭銘駿老師，由於郭老師對於本組耐心的指導與糾正，並且督導我們製作專題，使本組的進度不至於落後太多，讓我們專題製作之成品，能夠如期完成。還有感謝讓我們成長的母校，提供一個讓我們完成機器人的地方。-III-目錄摘要………………………………………………………………………………I謝詞…………………………………………………………..……………………II目錄…………………………………………………………...….………………III圖目錄………………………………………………………………………….V表目錄…………………………………………………..…….………………VI第一章緒論1-1前言………………………………………………………………………1第二章機構設計與規劃2-1機器人製作流程圖…………....…..…………………………………32-2機構設計2-2-1底盤(一)………………………....…..………………………………….42-2-2手臂(一)..…..…..……………………………………………………..52-2-3爪夾(一)...….……………………..…………………………………….72-3驅動方式2-3-1油壓鋼與氣壓鋼的比較………………………………………………...92-3-2DC伺服馬達與AC伺服馬達的比較…………………………………10第三章製作過程3-1設計部份-IV-3-1-1底盤(二)………………………………………………………………113-1-2手臂(二)………………………………………………………………123-1-3爪夾(二)………………………………………………………………153-1-4氣壓鋼………………………………………………………………163-2製作成品圖3-2-1機器人組合圖…………………………………………………………173-2-2底盤示意圖……………………………………………………………183-2-3手臂示意圖……………………………………………………………183-2-3手爪示意圖……………………………………………………………19第四章結論…………………………………………………………………….20參考文獻……………………………………….………………………………22附錄A設計工件圖集……..……………….……………………………23附錄B比賽場地…………..…….……………………………………………37-V-圖目錄圖1-1機器人設計圖…………………………………………..………………1圖2-1機器人製作流程圖……………………………………..………………3圖2-2底盤原始設計圖……………………………………………………………4圖2-3機器人手臂原始設計圖…………………………………………………5圖2-4拉升機構………………………………………………………………7圖2-5手爪示意圖………………………………………………………………7圖3-1底盤設計圖(二)………………………………………………………11圖3-2機器人手臂…………………………………………………………13圖3-3手爪設計圖……………………………………………………………15圖3-4手爪旋轉部份……………………………………………………………15圖3-5手爪微調控制…………………………………………………………16圖3-6活動爪端………………………………………………………………16圖3-7氣壓鋼打氣機………………………………………………………………17圖3-8機器人組合圖………………………………………………………………17圖3-9機器人底盤………………………………………………………………18圖3-10機器人手臂………………………………………………………………18圖3-11機器人手爪………………………………………………………………19-VI-表目錄表2-1油壓鋼與氣壓鋼的比較………………………………………………….9表2-2DC伺服馬達與AC伺服馬達的比較………………………………………101第一章緒論1-1前言經過與指導老師的討論過後，本組已決定機器人大致的結構，我們構想中的機器人是需要有足夠的速度和機動性以及夾取方塊時的穩定性，另外為了使動作快速輕巧，結構必須輕量化。若是再考慮維修的方便性，則機構就不能過於複雜，但也必須考慮到是否夠堅固到能與對方機器人推擠，於是我們在這幾個構思下開始設計本組的機器人，圖1-1為本組機器人設計圖。圖1-1機器人設計圖我們的機構主要分為三個部份，分別是：21.底盤︰機器人最底部的機構支撐手臂，主要是能平穩行走讓手臂及爪夾能快速到達定點，而不至於過度搖晃。2.手臂︰由底盤支撐，介由足夠長度的支架和氣壓鋼達到需要的高度以及升降機構和旋轉機構讓爪夾能順利夾取方塊。3.爪夾︰抓取大小方塊的機構，主要由氣壓鋼的收放來達到挾持的目的。加上可調整角度的升降機構，讓手爪抓取方塊或放置方塊時可以調整角度。3收集資料第二章機構設計與規劃2-1機器人製作流程圖FalseFalseFalse圖2-1機器人製作流程圖研究問題設計方案製作組裝設計控制器測試練習42-2機構設計2-2-1底盤(一)底盤是製作機器人中最基本的構造，由圖2-1得知底盤的構造是由方形鋁管、軸承、軸承座、連軸器、輪胎、馬達……等簡單的材料構成，而底盤設計的重點是包括行走、轉彎、支撐手臂和手爪以及要堅固耐撞……等這些條件。圖2-2底盤原始設計圖底盤是本組機器人最底端的構造，當初底盤的構想是想要簡單、輕量化的設計，後來參考眾多書籍和一些其他學校比賽的底盤設計，最後決定使用這種最簡潔的設計來當本組的底盤。底盤配置方面是使用兩顆馬達分別帶動後面兩個輪胎，形成了由後輪帶動以及轉向；當要向左轉時，右輪向前左輪向後，要向右轉時，左輪向前右輪向後。52-2-2手臂(一)整個機械手臂的部份大致上是由方形鋁管、氣壓缸、馬達、齒輪、軸承座、鋼索……等所構成的，而且我們想設計擁有升降性能的機械手臂，想利用此項設計的特點來克服原來受制於機器人高度的規則限制﹔因此我們去參考一些關於升降機構與氣壓類型的書籍資料，了解氣壓缸與齒輪是如何固定，以及其效用為何。整體手臂設計圖如圖2-3所示圖2-3機器人手臂原始設計圖機械手臂主要可分成三個部份﹕(1)旋轉機構旋轉機構的目的是為節省時間，由於當機器人接近方塊時方塊不一定會在機6器人的正前方，於是本組為求短時間內在定點快速夾取各方向之方塊而設計此機構。旋轉機構主要是靠馬達驅動，但若是馬達旋轉得太快的話手臂、手爪可能會晃動的很厲害，於是本組藉用齒輪組將馬達的速度緩下，此外也可增加扭力讓手臂旋轉更輕鬆。(2)支架結構整個手臂結構的部份相當簡單，本組設計使用槓桿原理將手臂舉起，由於機器人有大小的限制僅能有一立方公尺，於是本組在限制的允許高度下將支點架高，此外整體的結構也會比較穩定，兩旁再加上輔助方鋁減少震動時的搖晃。最後將手臂氣壓鋼置入，已達到本組要求延伸的長度。(3)拉伸機構主要令手臂升降的機構，利用繩索和馬達正反轉的收放將手臂舉起和放下，由於用來收放繩索的鋁棒不能有所偏差，於是本組設計由兩個軸承座將其固定，而且手臂的升降僅靠此機構拉升再加上設計上力臂的重量，所需要的馬達扭力相當大。而承受所有拉升力量的繩索，因為需要承受力臂的重量和馬達的拉力需要相當的堅韌，在經過討論後決定使用鋼索來拉升。圖2-4為拉升機構設計圖7圖2-4拉升機構2-2-3爪夾(一)爪夾是整個機器人中最重要的機構，主要是用於夾取大、中、小三種不同的方塊，其中還需考慮到放置方塊時的震動是否會大到震落方塊，以及若是夾取方塊時的角度和放置方塊時的角度不同時，微調機構要如何控制。圖2-5手爪示意圖手爪主要構想來自於夾娃娃機，後來本組又參考了一些相關書籍，才整合設計出手爪的部份。由如圖2-5可知，手爪的張開和緊閉皆是由氣壓缸的伸縮所產8生的，氣壓缸向前推的時候手爪就會做張開的動作，反之氣壓缸向後縮回的時候手爪則是緊閉的，而手爪的上升和下降的微調是和手臂一樣由馬達和鋼索的收放來控制的，這樣一來手爪便可以和手腕一樣上下調整放置或夾取方塊的角度。92-3驅動方式2-3-1油壓鋼與氣壓鋼的比較表2-1油壓鋼與氣壓鋼的比較油壓式氣壓式操作力可得很大的力以及旋轉力和直線運動無法得到很大的力，通常為直線運動速應性大轉矩-慣性比較大，易得高速響應小通常不易高速響應，但配管系的損失小大小、重量重量、大小/輸出非常高，但油壓動力單元頗占空間重量、大小不如油壓，但對於小型、低輸出者有利用價值安全性容易發熱、耐過負荷、若油溢出則有火災的危險不發熱、最耐過負荷、對人體的危險少易用性須注意作動油的管理，管路的沖洗，以及濾器管理須注意除去供給空氣的水分，並附加潤滑性壽命油有潤滑性，機器壽命長空氣無潤滑性，機器壽命不如油壓成本價格、運轉成本皆高成本低由以上油壓缸與氣壓鋼兩種驅動方式比較，可發現雖然油壓缸可以輸出較大10的馬力，但除了裝置接合處容易發生漏油現象之外，危險高、成本也高，所以本組不考慮使用。而氣壓鋼雖然得不到大的力，但控制簡單、安裝容易、成本低、安全性也高，是我們採用此種驅動方式的原因。2-3-2DC伺服馬達與AC伺服馬達的比較表2-2DC伺服馬達與AC伺服馬達的比較DC伺服馬達AC伺服馬達優點1.控制裝置價格較便宜2.控制技術簡單3.安全性高4.容易可逆運轉、制動5.有利於設計軸向空隙構造6.價格便宜1.無刷式可免除毛病、保養2.高耐環境性3.有利於馬達(單體)的經濟性4.過負荷耐量大5.瞬時最大轉矩大6.運轉效率高依據上述表格的比較，雖然AC伺服馬達的運轉效率高且耐環境性優秀，但價格也是DC伺服馬達的好幾倍。基於經濟上和操控上的原因，DC伺服馬達較符合我們的需求，所以我們採用DC伺服馬達來驅動。11第三章製作過程3-1設計部份我們將機構分為速度、手臂升降及夾取三大部份，由於有重量和時間的限制，再加上比賽進行中可能有的碰撞，所以主要以堅固及快速為主要考量。根據之前的設計部份我們更改了些許的部份，將以往不適用的部份修改，例如底盤、手臂……等。3-1-1底盤(二)底盤是機器人最底端的構造，車身方面為求簡潔及輕巧，我們的底盤只簡單的設計成四方形，