机器人的设计文档格式.docx
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根据场地大小,操作手的跑动,手动机器人的重量等原因,为手动机器人估计的平均速度在2m/s左右,并且加减速较缓慢,这个速度比前几届的手动机器人都要慢。
但整车重量显著增加,所以需要计算分析行走电机能否提供足够的功率。
手动机器人的重量在15kg左右,上积木后整车重量在20Kg左右,轮子与地面的摩擦系数约为0.3。
假设每个轮为100N。
以2m/s计算的话,可得:
(2-1)
去年电机的最大输出功率是189w,可见在这一点上是适合的。
驱动轮的直径是138mm,2m/s为其均速,最高速度以3m/s计算,则其转速为
转/分,冯哈勃3863-018c38/1,38/2系列的电机,其最大输出功率是189w,最大转速是571转/分,能满足要求。
2)升降模块确定
升降的形式多种多样,有利用连杆实现,如起重机;
有利用绳索实现,如电梯;
还可以利用流体的压力实现,如各种机床升降。
比赛中所运用的升降都是一般的直线运动,所以说只要能实现直线运动并且具有一定带负载能力的直线运动形式都可以被用作升降。
在简单,易行,实用的指导思想下,所考虑的升降形式主要有拉线式(绳索式),同步带式,齿轮齿条式,连杆式。
(1)同步带式同步带式通过同步带和带轮的配合,把电机的旋转运动转化为直线运动,我们就将其用作升降。
其基本配置就是电机,同步带,同步带轮以及支座。
把需要升降的物体固定在同步带上,随着电机转动就可以实现物体上下升降。
这种方式的优点是运行平稳,同步带强度大一般不会出现突然断裂。
主要缺点是安装困难(中心距保证),同步带使用久了会被拉长就会出现晃动等情况,结构比较复杂。
(2)齿轮齿条式齿轮齿条式实际上和同步带式没有很大的区别,他们都是依靠齿啮合来传动,传动精度高而且平稳。
但是,齿轮齿条式比同步带式更复杂,不管制造还是安装,重量和速度也是它一个致命的缺陷。
(3)连杆式连杆式就是利用连杆来实现升降,实际上就是利用一种特殊轨迹(上下)的连杆机构实现升降。
一般我们用的比较多的是四杆机构。
它的特点是可以实现特定的轨迹,而不一定是直线,所以它的组合繁多,能满足不同条件下的要求,还能在特点位置实现自锁功能。
但是它也有明显的缺陷,在我们自身的零件加工精度下,连杆机构不能很好的实现轨迹,而且它的晃动会是一个不稳定因素。
(4)拉线式通过电机的旋转来收放绳索,使得系在绳索另一端的物体运动。
正是利用它来实现升降。
使用拉线式需要注意的几个问题是:
电机输出功率的大小;
绳索抗拉抗疲劳能力的大小;
路径上拐弯的数目。
对于电机输出功率和绳索的抗拉抗疲劳能力,必须选择功率足够的电机和抗拉能力足够的绳索。
在提升积木中,希望手动能在2秒内将重4kg的自主机器人抬升1m,所需要的功率是
。
这是不考虑任何摩擦和损失的情况下得到的,因此电机输出功率在40W左右是比较合理的,而最大负载输出功率在60W左右的汽车玻璃升降器的电机就成了的首选。
不仅是功率上合适,而且其涡轮蜗杆的减速形式是一种非常好的自锁方式,有利于抬升后高度的保持。
对于绳索的抗拉抗疲劳能力,可以这样计算。
首先抗拉必须得到保证,抬升重为40N的积木,考虑各种因素所需拉力在100N左右,再乘以一个安全系数(这里以3计),就在400N左右。
从绳索反复使用的抗疲劳角度出发,需要的拉力在800N左右。
选用的大力马线每股的抗拉能力是20kg,也就是200N,因此4股800N就能满足要求。
但是由于不可能保证每股的受力相等,即4股线的抗拉能力实际上不到800N,最后把线做成8股。
还有一个存在的问题是路径上拐弯的数目,这个问题将结合下图说明(图2-3)。
图2-3拉线式示意图
使用滑轮可以改变力的方向,而且理想状况下力的大小不会改变。
因此,可以选择最合适的位置来安装电机,使得整个机器人的配置和重心等问题更趋优化。
理想情况下,即把各处摩擦和损耗都忽略掉,有:
(2-2)
当W=40N,a=2m/s2时,
(2-3)
即绳索不会出现强度或疲劳问题。
但是实际上摩擦和损耗都存在,经过实际的使用,发现图中滑轮(改变力90°
)引起的力损耗最大。
从做的几次简单的试验看,至少一半的力在这个滑轮上损失掉。
而其他几个改变180°
方向的滑轮对力的损耗倒不是很大。
后来发现并不是因为90°
或是180°
才使得力损耗不同,而是因为90°
那个线轮是电机输出的第一个连接线轮,受力最大。
滑轮和绳索之间不是想象中的静摩擦(滑轮依靠轴承转动),由于压力太大,并且方向不正,滑轮容易被卡死,这样就导致绳索和滑轮之间的滑动摩擦。
此种情况下,绳索不仅受到摩擦力大,而且表面很容易磨损。
所以,应该尽量减少滑轮的数量,使得绳索的路径尽可能简单。
(5)升降方式确定这次的升降是直线上下升降,要求能平稳运行,且对精度也有一定要求。
因此,齿轮齿条式就被排除(太慢太重),同步带式和连杆式也不能使用(两者晃动都会影响精度)。
拉线式是最简单也是最有效的升降,因此,决定使用拉线式升降。
3)夹取模块确定
由于今年的积木块(图2-3所示)尺寸为500×
300mm,用普通的夹具去夹取积木势必会导致夹具尺寸很大,进而导致结构不紧凑而不牢固。
于是将注意力集中在积木上的通孔(直径60mm)上,希望能设计出一种体积小的夹具,来实现稳定的夹取积木。
图2-4积木
进过思考最终设计出一种利用平行四边形机构的夹具(如图2-5所示),利用舵机拉动A,B两点实现平行四边形机构运动。
当平行四边形机构向矩形运动时撑住积木内孔,实现夹紧。
图2-5积木夹具
4)金顶模块确定
胡夫金字塔的金顶需要放置的位置很远,从后动区的木质围栏到托盘中心的距离为1180mm,托盘距地面的高度为1165mm。
高而远的位置使得放置金顶的难度比较大。
利用一根长杆来挑起金顶并实现金顶放置,不但在启动区时难以保证图2-6.金顶位置
在1×
1.5m的范围内,而且在放置时由于距离过远必然会导致机构变形很大,难以稳定。
在构思中想到利用两个挑方块积木的长杆,将两根长杆作为导轨,金顶机构在导轨上滑动,实现金顶的放置。
这样使得金顶机构相对要简单很多。
金顶机构如下图所示:
图2-7金顶机构
5)三维设计图
第1版手动机器人的整体三维效果图如图2-8所示
图2-8第1版手动机器人三维图
图2-9第1版手动机器人实体图
2.2.2第1版手动机器人总结
通过将第一版手动机器人制作出来后发现了许多问题,整个机器人几乎不能完成任务。
第1版手动机器人主要存在如下缺点:
1)重心存在问题,与夹取积木后驱动轮失去正压力
设计之初主要考虑机器人的翻到问题,而忽视了采用后轮驱动,重心靠前的情况下后轮抓地力不足,驱动轮出现明显的打滑现象。
这是个很严重的问题,因为驱动轮失去正压力就意味着配合失去了意义。
驱动轮上的压力可以通过下图计算。
图2-10重心分布图
W1和W2分别是自主机器人和手动机器人的自重,d1和d2分别是其重心到作用点水平方向的距离,则有
(2-4)
(2-5)
在自主机器人不变的情况下,想要增加F,有两个方法:
(1)增大W2d2。
也就是说,要增加手动自重,或者将中心往驱动轮移动。
增加自重显然不是个好办法,要移动重心也不是件容易的事。
(2)减小机器人总长L。
机器人的长度不可能做的很小,毕竟手动机器人是要抬升多块积木,底盘需要保持一定的尺寸以保持稳定。
可见,这种配合形式下想增加驱动轮的压力是比较困难的。
但是,通过观察不难手动机器人万向轮上的压力比驱动轮上要大得多。
假如改变一下两者的位置,问题就能得以解决。
2)夹子太单薄
这主要是穿孔夹取积木时,由于孔相对积木来说尺寸很小,需要很大的力才能保证积木不发生晃动,很难实现功能。
并且夹子本身相对孔来说尺寸太大,去积木时对机器人的定位要求很高,操作难度大。
3)升降采用一根主支撑梁和一个平行四边形机构,稳定性不好
主梁杆变形是因为底盘上的横杆发生了扭转变形,而立杆本身则是发生了弯曲变形。
加上平行四边形机构中铰链很多,连接到一起时必然存在间隙,导致机构晃动。
图2-11配合后受力图
(1)滑块受力分析
上图中W是积木的重量,a是自主机器人上升的加速度,若忽略滑块的重量,则有,
(2-6)
水平方向有
(2-7)
则Fa和Fb是大小相等方向相反的力。
再对A点进行力矩平衡分析,有
(2-8)
其中S是拉力F到受力点A水平方向的距离。
上面有很多是已知的,W=40N,a=2m/s2,S=22mm,L=80mm,D是跟积木块的重心位置有关的,经过粗略的分析,得到D约为80cm。
所以,得到如下计算结果,
F=48N
Fb=-Fa=493.2N
(2)立杆弯曲变形引起的挠度
假设立杆下的横
杆是固定的,不会变形。
立杆受力如右图。
B点挠度由两部分组成:
一是Fb作用的结果,而是Fa作用的结果。
Fb作用:
(2-9)
Fa作用:
(2-10)
,壁厚0.7mm的不锈钢管I已知。
随着抬升高度H的增加,挠度会变大。
通过增加壁厚,增大I,可以减小挠度。
(3)横杆扭转变形引起的挠度
由于横杆也是厚度为0.7mm的不锈钢管,其抗扭变形的能力很差。
而其有微小的扭转,对于立杆的影响都是很大的。
最后采取了很多措施来减小立杆的变形,包括拉线固定,加厚钢管,改变结构等。
4)整体机构过于复杂,稳定性及操作性都不好
从机器人的整体机构来看,结构过于复杂,很多机构只需要在一个地方使用,并且每个机构本身都比较复杂。
机构多,铰接点多,致使机构稳定不足,搭建金字塔时很难操作。
2.3第2版手动机器人的设计制作
2.3.1第2版手动机器人方案确定
经过了上一版的设计改进,积累了很多的经验。
对于第1版,的基本评价是,总体方案是可行的,但是许多结构需要改进。
因此,针对第1版手动机器人的缺点,做了如表2-1的变化。
表2-1改进细节
序号
第1版缺点
第2版改进
1
重心存在问题,与夹取积木后驱动轮失去正压力
采用四轮全向驱动
2
夹子太单薄
两挑杆相对夹紧
3
一根主支撑梁和一个平行四边形机构,稳定性不好
三根主梁加三个滑块
4
整体机构过于复杂,稳定性及操作性都不好
机构尽量能够复用
有了这些改变后,第2版手动机器人就呼之欲出了,三维设计图见图2-13。
图2-13第2版手动机器人三维图
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