尋軌小車課程設計

1、<p><b>　　一.摘 要</b></p><p>　　工業(yè)機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，機器人技術是綜合了計算機、控制、機構學、傳感技術等多學科而形成的高新科技，是當代研究十分活躍，應用研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。目前工業(yè)機器人主要承擔焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采用示教再現(xiàn)的方式。</p><p>

2、　　該設計以移動工業(yè)機器人為研究對象，開展機器人機械結構設計，主要分為移動小車部分和機械手。小車部分采用三個輪子移動，兩個與步進電機向連接，作為驅動裝置，再采用一個萬向腳輪作為輔助支撐輪。機械手臂為三個自由度，手臂采用扭矩馬達直接驅動。</p><p><b>　　二.前 言</b></p><p>　　機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā), 綜合運用機械技術、微電子技術、自

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

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

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

6、統(tǒng)硬件配置、傳感技術、控制算法的程序編程等。因為簡易智能小車的規(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，即可變?yōu)樘皆萝?其次，通過這個項目的制作，可以提高自己的設計經(jīng)驗。</p><p>　　智能小車是運用單片機和光電對管等一系列傳感器控制電動小車運動，通過設計傳感器檢測程序和運動控制程序，使電動小車具有智能化的運動功能，達到模擬騎車按一定的軌跡運動的能力。該設計屬于機器人應用范疇，具有較

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

8、p><p>　　本課程設計應是《機電一體化系統(tǒng)設計》和《機器人技術基礎》課程學習的一個重要組成部分。我們主要基于機器人技術設計車的機械部分。該車成本低廉，準確快捷，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間送達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.課程設計主要任務及技術參數(shù)</p><p>&l

9、t;b>　　1.主要任務</b></p><p>　　具體要求：設計帶有球形果采摘的機械臂和儲料車廂的智能移動小車，完成采摘機械系統(tǒng)的設計和仿真，進行機器人運動規(guī)劃，完成一系列復雜的動作，如手爪張合、車體回轉等任務。</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（如圖所示

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

11、爪技術參數(shù)</p><p>　　小車最終能夠實現(xiàn)自動抓取工件放入小車的車斗中，并且能夠按照預定的軌跡運動，到達目標地點，機械手臂將小車車斗中的工件取出放到預定的工作地點。</p><p><b>　　四.方案論證</b></p><p><b>　　1.電動機的選擇</b></p><p>　　根據(jù)

12、本項目的要求，我們提出以下兩種方案：</p><p>　　方案一：采用步進電機，步進電機的一個顯著特點就是具有快速啟動能力，如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉矩值，就能立即使步進電機啟動或反轉。另一顯著特點是轉換精度高，正轉反轉控制靈活。</p><p>　　方案二: 采用普通直流電機。直流電動機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣；過載能力強，能受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁

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

14、p><p>　　2.減速箱輸出軸方向與馬達軸是垂直布置，整個馬達體輸出軸方向相對普通減速馬達超短，廣泛適應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。</p><p>　　2.機械臂機構方案的選擇</p><p>　　方案一：機械臂由三個轉動副構成，分別有三個扭矩馬達驅動，另有一電機控制

15、手抓取。在機械臂的初始端安裝旋轉副使機械臂實現(xiàn)水平面上的旋轉。</p><p>　　方案二：機械臂由三個轉動副構成，分別有三個電機驅動，一個電機控制手抓取。在機械臂的末端安裝旋轉副使手爪實現(xiàn)水平面上的旋轉，以實現(xiàn)抓取與小車手臂不同豎直面的上的物體</p><p>　　方案三：機械臂由兩個轉動副構成，分別有兩個電機驅動，另一個電機控制手抓取。當要抓取的物體與小車不在同一個平面時，有傳感器探測

16、物體的位置，經(jīng)單片機計算控制使小車移動最終使小車與物體在同一個水平面上</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動，抓取工件方便但，手抓轉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.機械臂參數(shù)確定及

17、其論證</p><p>　　假定三個連桿長度分別為80m m和150mm，180驗證過程如下上圖考慮到了車身高度，經(jīng)驗證滿足抓取工件的所需要求</p><p>　　4.車身的結構設計方案設計</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。上圖中安裝了一個用于放置電機的固定板。</p>

18、<p>　　5.機器人的手爪方案的設計</p><p>　　手爪采用絲杠傳動，由電機驅動絲杠帶動絲杠轉動，通過絲杠的轉動帶動配合的螺母直線運動（螺母通過增加固定的約束是其只能直線移動不能繞軸轉動）螺母與拉桿相連接，帶動拉桿直線運動。該結構將電機的定軸轉動轉化為拉桿的水平方向的往復運動，再轉化為手爪的張合。</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>　　小車的兩個驅動輪用市面上標準件，直徑為60mm</p><p>　　小車的從動輪用市面上的標準件高度為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為其密度小質量輕，鋁合金的強度一般比較高，能減輕手臂的重量

20、減少，驅動電機的負載，可以選擇扭矩較小的電機。也可以節(jié)省成本減輕電機的重量。</p><p>　　鋁合金 5052O其力學性能為</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>　　張力強度195000000牛頓/m^2</p><p>　　X 壓縮強度牛頓/m^2</p><p>　　屈服強度90000000牛頓/m^2</p><p>　　熱膨脹系數(shù)2.38e-005/K</p><p>　　熱導率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行配重，其力學性能為：</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>　　張力強度861695000牛頓/m^2</p><p>　　X 壓縮強度牛頓/m^2</p><p>　　屈服強度551485000牛頓/m^2</p><p>　

24、　熱膨脹系數(shù)1.1e-005/K</p><p>　　熱導率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)軟件對小車的質量屬性

25、分析，生成如下數(shù)據(jù)：</p><p>　　小車的整體質量M=1.086KG<2.0KG 符合設計的要求。</p><p>　　對小車的平衡進行校核，經(jīng)軟件分析</p><p>　　小車抓取的小球為R=40mm,質量為0.2kg.</p><p>　　小球對車輪的力矩為：0.2×0.294＝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，當把小球裝到小車里面后小車的重心X軸方向向右移動，再次抓取小球的時候更不會翻倒。</p><p><b>　　對手臂進行分析</b>&

27、lt;/p><p>　　質量 = 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>　　選擇的馬達為</b></p><p>　　大扭矩渦輪蝸桿減速電機 直流馬達GW370 12V 24rpm</p><p>　　其技術參數(shù)為：型號：GW370電壓：DC12V空載轉速:  24r/min負載轉速： 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>　　由上面的計算可知選著的電機符合要求。同理可得出其他位置選擇的電機也是符合要求的。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　通過課程設計，使我們在掌握機電一體化系統(tǒng)設計課程理論的基礎上，對

31、機械設計和機器人系統(tǒng)有了更加深入的了解并加深了對機電一體化這門課程的認識。掌握了機械系統(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，應用和系統(tǒng)集成的方法，使我們具備了獨立設計機電一體化產(chǎn)品的能力，提高了自己的綜合素質和利用知識解決問題的能力。</p><p>　　在這二十多天的時間里，也讓我深刻地認識到學好專業(yè)知識的重要性 ，理解了理論聯(lián)系實際這句話的含義 ，完善了大學四年的學習成果 ，也讓我

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

33、t;p>　　機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計 武漢 華中理工大學出版社 2000</p><p>　　機械電子工程設計 北京 國防工業(yè)出版社 2001</p><p>　　機電一體化設計基礎 北京 機械工業(yè)出版社 1997</p><p>　　機械設計 北京 高等教育出版社 2001</p><p>　　機器人學 北京