排爆机器人设计项目说明书.docx

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排爆机器人设计项目说明书

排爆机器人设计项目说明书

操纵型机器人——排爆机器人设计

摘要

本文对排爆机器人进行了设计，设计的主要方面包括

（1）排爆机器人传动机构的设计；

（2）排爆机器人结构的设计；（3）工作方式的设计；并根据机械传动原理图，对关键部件进行选型计算，主要成果包括排爆机器人所有部件的三维造型、运动仿真、零件图和装配图。

关键词：

排爆机器人；传动机构；运动分析；四杆机构；仿真

1设计目标

（1）深入了解类人形机器人功能及工作要求，查找与课题有关的文献资料及参考书目，共计5条；

（2）学习掌排爆机器人机构设计的基本知识和设计方法，了解排爆机器人的工作原理、工作过程，进行简单动作及相应机构设计；

（3）根据排爆机器人工作原理、主要特点和技术指标，分析比较，加以论证，确定最终方案；

（4）制作排爆机器人模型，完成各种运动、动作模拟，调试成功。

排爆机器人概述

排爆机器人是排爆人员用于处置或销毁爆炸可疑物的专用器材，避免不必要的人员伤亡。

它可用于多种复杂地形进行排爆。

主要用于代替排爆人员搬运、转移爆炸可疑物品及其它有害危险品；代替排爆人员使用爆炸物销毁器销毁炸弹；代替现场安检人员实地勘察，实时传输现场图像；可配备散弹枪对犯罪分子进行攻击；可配备探测器材检查危险场所及危险物品。

按照行进方式，排爆物机器人分为轮式及履带式。

它们一般体积不大，转向灵活，便于在狭窄的地方工作，操作人员可以在几百米到几公里以外通过无线电或光缆控制其活动。

一个多自由度机械手，用它的手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下来，并把爆炸物运走；车上还装有猎枪，利用激光指示器瞄准后，它可把爆炸物的定时装置及引爆装置击毁；有的机器人还装有高压水枪，可以切割爆炸物。

图1排爆机器人

排爆机器人技术发展趋势

国外的排爆机器人产品经过几十年的研究已经得到大量的应用功能完善、技术先进是其主要的特点。

目前,国外的排爆机器人研究正在从第一代的完全依赖人工控制的遥控排爆机器人以及第二代的具有视觉、感知、和信息处理技术的排爆机器人向着具有高度智能化、网络化控制、全自主能力的排爆机器人方向发展。

同时,基于多年的基础性研究以及相对成熟的技术,国外的排爆机器人产品已经系列化、规模化,其产品不仅种类齐全而且具有很好的互换性和通用性。

模块化的设计思想使一种机器人经过简单的改装就可以应用到其它不同场合。

相对于西方发达国家,我国的排爆机器人研究起步较晚。

目前我国大约有30家左右的高等院校和科研院所在从事各类排爆机器人的研究工作并相继有一些产品问世并投入使用。

但是总体来说排爆机器人研究还处于发展阶段,基础性研究还较薄弱,机器人功能单一,尚未形成没有系列化发展。

国内对于排爆机器人的研究应该借鉴国外的成功经验,积极开展具有自主知识产权的排爆机器人及其相关技术研究。

图2排爆机器人技术发展方向

图3排爆机器人发展需求

2设计要求

1、要求机器人小车进入现场找到任意放置的可疑铁磁材料薄片。

搜索到可疑铁磁材料薄片后将其搬移到起点；

2、整个工作要在五分钟内完成； 

3、机器人小车运行采取分段计时方式，从起点出发开始到搜索到可疑铁磁材料薄片计一次时，从搜索到可疑铁磁材料薄片到搬运回起点再计一次时。

停止计时，整个排爆过程结束；

4、机器人结构紧凑、体积小，重量轻；

5、灵活的多功能机器手臂：

活动空间大，具有4自由度；

6、采用电机驱动，运动准确可靠。

3设计方案

传动及总体结构组成

3.1.1传动方案设计

1.齿轮传动

分类：

平面齿轮传动、空间齿轮传动。

优点：

适用的圆周速度和功率范围广；传动比准确、稳定、效率高，工作可靠性高、寿命长。

缺点：

：

要求较高的制造和安装精度、成本较高。

不适宜远距离两轴之间的传动。

渐开线标准齿轮基本尺寸的名称有齿顶圆；齿根圆；分度圆；摸数；压力角等。

图4齿轮传动

2.涡轮蜗杆传动

适用于空间垂直而不相交的两轴间的运动和动力。

优点：

传动比大；结构尺寸紧凑。

缺点：

轴向力大、易发热、效率低，只能单向传动。

涡轮蜗杆传动的主要参数有：

模数；压力；涡轮分度圆；蜗杆分度圆；导程；涡轮齿数；蜗杆头数；传动比等。

图5涡轮蜗杆传动

3.带传动

包括主动轮、从动轮；环形带

优点：

适用于两轴中心距较大的传动；带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动；过载时打滑防止损坏其他零部件；结构简单、成本低廉。

缺点：

传动的外廓尺寸较大，需张紧装置，由于打滑不能保证固定不变的传动比；带的寿命较短；传动效率较低。

4．链传动

包括：

主动链;从动链;环形链条。

链传动与齿轮传动相比,其主要特点：

制造和安装精度要求较低；中心距较大时，其传动结构简单，瞬时链速和瞬时传动比不是常数，传动平稳性较差。

图6涡轮蜗杆传动

排爆机器人的应用场地复杂多样，要考虑好它的适应能力，经过各个方面的比较以及实际的运用情况，选用链传动和齿轮传动较为合适。

结构方案设计

方案一：

如图7所示。

后大臂沿着丝杠向上运动，前大臂沿着丝杠向右运动；后大臂向下运动，前大臂向运动，实现排爆机器人搬运过程。

此结构能基本满足设计要求，但是由于前大臂、后大臂与小臂间通过销轴连接，运动范围小，且前大臂与后大臂不相连接，使得机构运动精度低，运动不确定。

图7方案一

方案二：

如图8所示，此机构的前大臂与小臂通过移动副连接，前大臂通过滑块可以沿着小臂滑动，解决了方案一工作范围小的缺点。

但是由于前大臂与小臂组成移动副，使得摩擦阻力增加，运动效率低，成本高。

此机构中前大臂主要起支撑作用，机构的运动主要取决与后大臂，这使得此种方案的运动精度更低。

图8方案二

方案三：

如图9所示，机构运动原理与7相同，此机构构成平行四边形，运动具有确定性，销轴处有关节轴承，减少摩擦力，方案三改善了方案一方案二的不足之处。

图9方案三

方案三相对而言增加力机械臂的工作空间和抗压能力，提高了运动精度，增加了机械臂的灵活性适合排爆机器人机械臂的应用，优势明显。

因此机构设计选择方案三。

主要技术参数的确定

1.排爆机器人到达距离为m，有效荷重30kg；

2.齿轮的初定:

已知电机的输出转矩最大为，其最高转速12000r/min，平均转速为6000r/min，由电机驱动，工作寿命为15年（设每年工作300天），两班制。

（1）传动比为1:

1；

（2）选取齿轮齿数为Z=40；

（3）本排爆机工作速度、功率不高，选用6级精度

电机的确定

腰部电动机所需工作功率为

；

传动装置的总效率为：

；

滚动轴承效率

开式齿轮传动效率

联轴器效率

代入数值得：

所需电动机功率为：

略大于

即可。

选用同步转速1460r/min；4级；型号Y116M-4.功率为

电机参数整理如下表

表1电机参数表

型号

Y116M--4

级数

4

额定功率

额定转速

1200rad/min

额定电压

220V

效率

80%

温度

35°

电机重量

35Kg

3.2.2减速器的确定

设n1为输入转速，n2为输出转速，i为减速比，则i=n1/n2。

输入电机的转速为3000r/min，机器人所需转速为15r/min,根据公式计算得i为200。

根据计算出的主要参数选择了RV-320E减速机。

图10减速器示意图

四杆机构的设计

排爆机器人在实现搬运的运动过程中，水平方向的滚珠丝杠副主要承受摩擦力，而垂直方向的滚珠丝杠副主要承受Z轴方向的载荷。

则当机构的小臂处于水平方向、前后大臂与之垂直时，两个方向的滚珠丝杠副受力最大。

具体位置如图所示。

图11机械臂运动位置

根据排爆机器人运动学分析，可设各臂长分别为：

AB=1170，BC=260mm，CD=1080mm，DE=240mm，A点到图中心线的距离d=150mm。

图12机械臂受力图

G1为负载和电机的重力，搬运的负载最大为100N，腕部减速机的重力约为100N，则G1=200N；M为负载和电机共同的转矩，

；小臂材料为45号钢，重量约为50N；对小臂列受力方程如下：

{

{

解得F1=，F2=

机身结构的设计

排爆机器人的手臂结构设计要注意两点：

一是应使机身刚度大、有较大的强度；二是应使手臂运动速度快、惯性小。

首先，因为刚度不够时，手臂会发生弯曲变形，则应选择相同条件下，弯曲刚度较大的截面形状。

考虑完第一点，对于第二点减小惯性冲击，本章的手臂架选择了碳素结构钢材料。

而且尽量缩短手臂的悬伸部分长度。

对小臂进行了剪力与弯矩的分析。

（1）定轴上零件装配方案：

根据整体结构可以知道此处结构为机身，并且在此处

放置两个轴承。

（2）确定轴上零件定位方式：

根据具体工作情况，该臂需要放置两个轴承，该轴上的一对轴承采用的是轴向定位中的轴肩定位。

直齿锥齿轮采用的定位方式则是周向定位中的平键定位。

（3）根据电机功率及转速求出轴的转矩p=

（4）轴的材料选取45号钢，采用正火处理，抗扭截面系数为40mm3。

按照抗扭强度计算传动轴上最细轴的直径。

图13应力分析图

三维造型

底座造型

创建一个新的模型，选择一个基准面创建一个草图，在该草图中绘制排爆机器人的底座，使用【拉伸】命令生成一个长方体，进行【偏置】，在侧面画圆，使用【拉伸】命令，使用【孔】命令，在圆柱上打孔，并【阵列】，这些孔是为了螺栓固定几何体用的。

创建出的排爆机器人底座三维模型如下图所示：

图14底座模型

履带造型

履带是让排爆机器人可以行走的关键，创建一个新的模型，选择一个基准面创建一个草图，使用【拉伸】直接创建草图并拉伸，做好引导线，进行阵列。

做一节履带模型，另建一个履带中心线草图。

新建一个装配体，插入草图，插入履带，使用链零件阵列。

创建出的排爆机器人履带装配模型如下图所示：

图15履带模型

导向造型

导向作为排爆机器人一个重要组成部分，尤其要考虑它的结构，创建一个新的模型，选择一个基准面创建一个草图，在上面画草图，进行【拉伸】，沿曲线，并对实物进行【抽壳】使用【孔】命令，在基台上打孔，抽壳，创建出的排爆机器人导向三维模型如下图所示：

图16导向模型

连杆造型

连杆是让排爆机器人可以平稳运行的重要传动装置，多个连杆一起组建成为一个平面四杆机构。

创建一个新的模型，创建一个长方体，选择一个基准面创建一个草图，在上面画草图，进行【拉伸】，沿曲线，对长方体进行【拉伸切除】。

如此建立不通的连杆。

创建出的连杆三维模型如下图所示：

图17连杆模型

车轮造型

车轮是让排爆机器人行进的关键部件，创建一个新的模型，选择一个基准面创建一个草图，在上面画草图，进行【拉伸】，在端面新建草图，绘制曲线，并【阵列】，得到花纹曲线，使用【拉伸切除】命令。

并在圆柱的中心打孔。

创建出的排爆机器人车轮三维模型如下图所示：

图18车轮模型

数字化装配及仿真

3.4.1机械手的装配

单击新建，要选择装配体，模型及其构成的整车模型库是在零件模型库的基础上建立的，排爆机器人的模型通过底座，大臂，小臂，电机，机械手的组装。

模型的自由组装，然后插入零部件，把要插入的零件加入到装配体中，过装配界面的配合面板进行装配。

打开后软件就会提示插入零件，单击浏览，找到你要插入的零件，这里注意插入的零件是有顺序的，一般第一个零件是整个装配体的基础、框架，通常是最大的零件，这里当然是插入智能车的底盘点击【插入零部件】再点击【配合】，首先插入上安装板，然后依次插入部分装配过的底座，机械臂，机械手的装配件，使用【接触】【对齐】【同心】命令进行约束，完成上部分，点击【确定】，保存装配体。

之后插入零件的顺序就怎么方便怎么来了，我先插入直流减速电机了，这里需要两个电机，插入一个后直接在FeatureManager设计树中按住ctrl左键点击直流减速电机拖动到绘图区就可以直接再生成一个，最后检查模型是否松动装配完成如图所示：

图19机械手装配

整体装配及爆炸视图

在进行各个零部件的整体装配时，首先将机器人分为几个部分，分别为底座，转杆，平衡杆和末端执行器，然后将各个部分按原有的计划进行各个部分进行装配，使各个部分装配完整，方便后期的更改，与个别零件的替换，最后先添加各个零部件到装配文件，设置底盘为固定体，然后按照之前设计时的效果图，让排爆机器人的各个部分进行配合，最后完成整个机器人的整体装配。

对于由多种元件组成的产品而言，从产品的外形上有时很难看清楚它的元件组成和结构关系，为了方便表达产品的构造，需要创建装配体模型的分解图。

再分解图中，只是改变了组件中的整体显示方式，并不改变元件间实际的设计距离。

如图所示：

图20整体装配

四杆机构运动仿真

打开排爆机器人总装配图，选择其中的一部分，排爆机器人连杆机构，选择孤立，选择下方的【运动算例】，添加新运动算例进入仿真界面，如图所示。

然后选择【马达】选项，左边设计树处出现“马达”对话框，选择马达类型为【旋转马达】，选择传动机构中轴的圆柱面，通过【反向】定义方向，选择【等速】，定义运动速度，单击【确定】，拖动装配体键码定义运动时间，点击【计算】，点击【从头播放】，完成传动的运动仿真。

点击【保存动画】，弹出“保存动画到文件”对话框，定义文件名称，保存动画为avi格式，点击【保存】。

图21四杆机构仿真

整机仿真

整机仿真需要对整体机构的运动时间和运动过程有一个初步的了解，确定好每个构件的运动状态，分析其运动过程。

仿真中马达的具体步骤和上述相同，转换视角，在开始时间右键【视向及相机视图】，点击【禁用观阅键码生成】，将键码属性移动到结束时间，鼠标移动视角，及时关闭【禁用观阅键码生成】，进行【计算】，【播放】。

展示码垛机器人整体外形，实现气爪运动、传动机构的运动和配合、手指的运动、支柱的运动，完成排爆机器人的整机仿真，如图22所示。

保存动画为avi格式。

图22整体仿真

实物制作

改造方案

对于材料的选用，我们选择了强度大，价格便宜的亚克力板作为这个机器人的框架。

并且使用螺钉和螺母作为关节处的连接。

在移动的部分，我使用了履带，因为履带能够使机器人的移动更加稳定，并且能够克服更多的地形。

对于驱动装置，我们选择的是电动驱动器，电动驱动器是目前使用的最广泛的驱动器。

它的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度部很高，但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。

图22实物模型制作过程

存在的问题和解决办法

在整个的过程中我们遇到了很多问题。

首先，在设计方面就遇到了一部分问题，由于履带部分的契合出现了问题，导致不能很好的运动，后来经过计算解决而这一问题。

其次，在线路的连接上遇到了问题，我们无法很好的将线路连接在一起，后来我们上网查询了资料，经过学习解决了这一问题。

最后一个问题就是机械手的活动部分，我们最开始不知道如何使其灵活的运动，后来在查询资料后，我们在机械手的部分添加了发动机，使其能够活动。

最终实物

经过小组成员的不懈努力，我们成功的将整个机器人连接到了一起。

在过程中我们遇到了很多的困难，例如在连接线路时我们遇到了很大的困难，不知道该连到哪里，但最终还是解决了。

还有就是选用材料时，最开始选用的几种材料都无法达到要求，当我们试验过各种材料后才选用了亚克力板这种结实而又经济的材料。

在关节的连接的部分，我们最开始找不到合适的螺钉和螺母，我们咋网上找了好久才找到了合适的，并且在关节部分打了孔。

图23实物模型图

4结论

在本次小组任务过程中，还遇到了许多突发事件和各种困难，设计制作曾一度难以进行，但通过仔细分析、讨论和我们自己的状态调整最后解决了问题，在这个过程中我们深刻地体会到共同协作和团队包容的重要性，提高了分析问题解决问题的能力。

这又近一步提高了我们的动手能力，让我们学到了以前在课堂里远远学不到的东西，这将使我们终身受益。

根据设计要求，对其机械本体结构进行了设计，并画出了本体结构的CAD图纸。

对排爆码垛机器人的动作顺序以及每一动作所用的时间，和各运动参数进行了精确的设计计算。

对用到的电机，减速器，齿轮，联轴器，轴承等主要零部件进行了选型和计算。

本文虽然对排爆机器人的机械本体结构经行了设计计算，对关键部件经行了验证，但并未涉及控制系统，有待进行更深层次的研究与探索。

参考文献

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