自动机器人投篮机构设计学士学位论文 精品.docx
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摘要…………………………………………………………………………………2
绪论…………………………………………………………………………………3
一 取球机构的设计与制作………………………………………………………8
1.1 取球方案分析………………………………………………………9
1.2取球方案的确定……………………………………………………15
1.3机器人车身的设计…………………………………………………17
1.4关键零部件的设计及制作…………………………………………19
(1)电机的确定…………………………………………………19
(2)摩擦带的设计及制作………………………………………24
(3)取球轮的设计及制作………………………………………25
(4)驱动轴的设计及制作………………………………………27
(5)导轨的设计及制作…………………………………………28
1.5取球机构的安装与调试……………………………………………28
二 手动机器人其他机构的安装与调试…………………………………………28
三 毕业设计结束语………………………………………………………………33
四 参考文献………………………………………………………………………34
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
摘 要
本文针对2003CCTV全国大学生机器人电视大赛的规则,讨论分析了机器人取球方案及机器人车身造型的设计,用Solidworks和AutoCad进行模拟和制图。
在有总质量限制不能超过17kg和DC24V电源限制的条件下,对关键零部件材料的选用及确定进行了讨论,特别是直流电机的各参数的确定,着重介绍了直流电机的组成和工作原理。
最后加工制作出机器人实物,对机器人进行调试,附效果图及照片。
关键词:
机器人;取球;直流电机
Abstract
Inthispaper,wediscussandanalysetheprojectofrobotfetchingtheballandthefigureoftherobot,accordingtothe2003CCTVChinauniversityrobocon.Therobot’ssimulationandthedrawingisdonebytheSolidworksandtheAutoCad.
Inthelimitofthe17kgweightandtheconditionoftheDC24Vpowersupply,wediscussthematerialoftheimportantpart,especiallytheparameteroftheDCelectromotor.WealsodiscussthepartoftheDCelectromotoranditsworkingelements.Finally,weproducetherobot,anddebugtherobot.Therearesomephotoandpictureoftherobotinthelastofthispaper.
Keywords:
Robot;Fetchingball;DCelectromotor
绪论
机器人学是一门高度交叉的前沿学科。
机器人的诞生和发展,无疑是20世纪人类科学技术的重大成就。
在过去40多年里,机器人从无到有,越来越多的机器人在各行各业得到应用;越来越多的机器人科技工作者从不同方向从事机器人的研究开发和应用;机器人在世界经济各个领域和人民生活的各个方面忠诚地为人类服务。
机器人已为上个世纪的人类文明作出了重要贡献,机器人必将为21世纪的人类文明作出新的重大贡献。
我国的机器人研究开发工作虽然起步较晚,但在国家有关部门的支持和广大机器人科学技术和教育工作者的努力下,发展较快,已在工业机器人、特种机器人和智能机器人各方面取得明显成绩,为我国机器人学的进一步发展奠定良好的基础。
去年六月中国中央电视台成功举办2002CCTV全国大学生机器人电视大赛,大大促进了全国各高校的竞赛机器人研究和制造技术。
今年六月,CCTV将举办2003全国大学生机器人电视大赛。
此次大赛的场地图及规则如下:
目标
将小球投入9个各带有3个圆环和网的篮内以得分。
在3分钟内获得高分或者将球投入所有篮筐,并且在中心点的三张网内都有入球的队将获得胜利
1.比赛场地
(1) 比赛场地由厚度为2mm的乙烯基材料铺成。
地面由不反光,宽度为50mm的乙烯基胶带粘合。
(2) 比赛场地由“全自动机器人移动区”,“人工控制机器人移动区”,“全自动机器人启动区”,“人工控制机器人启动区”,“赛球装卸区”组成。
(见上附图)
(3) “全自动机器人移动区”
(a)“全自动机器人移动区”只限全自动机器人活动。
(b)该区域由高100mm,宽20mm的木栅栏所围绕。
(c)在“全自动机器人移动区”内有两个由宽30mm的白线围成的圆圈,圆圈的直径分别为3000mm和6000mm。
(d)在“全自动机器人移动区”内有8条30mm宽并且经过圆心的白线均匀分布。
(e)在“全自动机器人移动区”上方挂有9个篮筐,每个篮筐由3个固定成三角状的带网圆环组成。
最外面的4个篮筐离地1500mm,中间的4个篮筐离地2000mm,中心篮筐离地3000mm。
(f)在每个篮筐正下方都固定有一个直径100mm,高10mm的白色圆盘,圆盘指示着篮筐的位置。
(g)具体细节参照附图。
(4) “全自动机器人启动区”
(a) 面积:
1200mm×1200mm
(b) 只有全自动机器人可以从此区域出发
(5) “人工控制机器人移动区”
(a) 此区域可供人工控制机器人活动
(b) 该区域由高100mm,宽20mm的木栅栏所围绕
(6) “人工控制机器人启动区”
(a)面积:
1200mm×1200mm
(b)只有人工控制机器人可以从此区域出发
(7) “赛球装卸区”
(a) 每队的赛球装卸区备有16个赛球,按照4×4排列
(b) 细节参照附图
2.机器人制作和装运费用
(1) 制作费用
(a) 比赛组委会向每个参赛组织提供1000美元的补贴
(2) 装运费用
(a) 参赛机器人将由组委会指定的运输公司统一由水路运输。
细节待以后公布。
(b) 机器人必须包装在一个1500mm×1500mm×1500mm见方的箱子中
3.参赛队员
(1) 每队由4人组成,3名学生和1名导师。
(2) 比赛时只有3名学生允许进入比赛场地。
4.机器人
每队都可选择制作全自动机器人或人工控制机器人,也可选择制作两种机器人,机器人的数量不受限制。
全自动机器人可以在比赛开始前装进赛球,但装进赛球的总数不得超过20。
人工控制机器人必须从赛球装卸区装球。
(1) 人工控制机器人
(a) 人工控制机器人及其延伸部位不可以进入“全自动机器人移动区”。
(b) 操作人员可以通过连接在人工控制机器人身上的连线所连接的遥控装置操作机器人,也可以利用红外线、可见光或声波来摇控机器人,但操作者不可以骑坐在人工控制机器身上。
(c) 如果通过连线摇控,那么连接机器人和遥控器的连线必须离地1000mm。
人工控制机器人与遥控器之间的线缆长度不可长于3000。
(2) 全自动机器人
(a) 一旦比赛开始,则不允许操作人员使用任何装置来遥控全自动机器人。
(b) 全自动机器人允许进入比赛场地中地任何区域。
(3) 控制方式
(a) 每队只允许一个人操纵机器人。
(b) 人工控制机器人和全自动机器人都允许处理比赛场上各自限制区域内的所有赛球。
(c) 全自动机器人允许"重试"。
在声明"重试"之后,该队全自动机器人允许在起点区域重新组装和重新启动。
重装和重新启动可以由队伍中三人中的任何一人完成,每队在一场比赛中只允许"重试"一次。
(d) 一旦比赛开始,队员就不允许触摸机器人。
(4) 电源
(a) 每支参赛队必须为该队所有机器人配备好比赛所需电源。
(b) 机器人电源电压必须低于DC24v。
(c) 组委会认为危险或不适当的电源将不被获准使用。
(例如用火)
(5) 重量
(a) 所有机器人的总质量不得超过50kg。
(b) 总质量包括电源、遥控器、线缆和其他与机器人相联系的部件或附件。
不过,赛球将不包括在其中。
(c) 机器人将会进行两次称重:
1.比赛开始前一天测试机器人重量;2.比赛正式开始前经再次称重后,不允许再做任何增加重量的改动。
(6) 规格尺寸
(a) 比赛开始前,人工控制机器人的尺寸不可以超过1200mm长、1200mm宽、2000mm高。
全自动机器人的尺寸不可以超过1200mm长、1200mm宽,该尺寸包括赛前所装的赛球尺寸。
全自动机器人的高度不能超过2000mm,但该尺寸不包括所装赛球尺寸。
(b) 如果有一组机器人从同一起点出发,则所有机器人放在一起时体积必须不超过1200mm长,1200mm宽,2000mm高。
(c) 比赛开始之后,机器人可以自由地分解,尺寸大小可以自由的改变但高度必须小于3000mm,所有分解开来的机器人都必须有能力自行移动。
从全自动机器人身上分解出来的机器人必须具有全自动机器人的能力。
所有从人工控制的机器人身上分解出来的机器人也被视为人工控制的机器人。
5.赛球
(1) 比赛使用的是合成球,直径为135mm,重155g。
(参见Marathon“MT101”系列标准)。
(2) 赛球分两种颜色,A队使用红球,B队使用蓝球。
6.比赛
(1) 比赛采用淘汰制。
(2) 比赛时间
(a) 比赛持续3分钟。
如果裁判认为由于机器原因而不可以继续比赛,则比赛可以提前结束。
(b) 接到入场命令之后,参赛队应在1分钟之内完成设置。
(c) 开始
比赛信号一经发出,人工控制机器人和全自动机器人可立即启动。
每个全自动机器人应当由一个遥控器来完成启动。
(3) 计分
(a) 在比赛结束后计分。
(b) 被放入网内的球可以算分,但每个网内只有一个球计分。
(c) 两队如果在同一网内都有入球,则两队都可得分。
(d) 每个篮筐内得分赛球的分数如下:
“中心篮筐”5分/球/网
“中间篮筐”2分/球/网
“外面篮筐”1分/球/网
(e) 球投入所有篮筐,并且在中心点的三张网内都有入球的队将获得胜利。
(4) 决定胜负
(a) 每场比赛之后,扣去犯规分数,每队的实际得分数高者为胜队。
(b) 在平局的情况下,依照一下顺序决定胜负
1. 在中心篮筐内投入球多的队获胜
2. 把球投入尽可能多的篮筐内的队获胜
3. 裁判的判定
(c) 如果有一支队将球投入所有篮筐,并且在中心点的三张网内都有入球,将获得胜利。
7.犯规和扣分
如发生以下情况应被视为该队违规,该队须被扣去1分,如果累计扣去3分,则该队将被取消比赛资格。
(1) 人工控制机器人及其部件进入了“全自动机器人移动区”。
(2) 人工控制机器人故意将球投向对方操作人员或机器人。
如发生以下情况应由裁判决定是否取消该队比赛资格。
(1) 试图毁坏对方机器人。
(2) 试图毁坏场地、篮筐或赛球。
(3) 其他有悖于公平竞争原则的行为。
9.安全
(1) 所有机器人的制作都必须以不伤害操作选手、观众、裁判为原则。
(2) 所有参赛选手在比赛中必须戴头盔并且在确保安全的前提下操纵机器人。
(3) 机器人投出球的球速必须有所限制以保证不会伤害到操作选手、观众和裁判。
10.其他
(1) 规则中没有明确指明的行为,裁判有权利做最后的裁决。
(2) 任何争论或辩解将以裁判的决定为最终决定。
(3) 任何规则的修改都须经组委会同意。
(4) 组委会鼓励所有的参赛队都大胆地使用其国家、地区的特色来装饰其制作的机器人。
11.机器人制作注意事项
制作机器人的关键是要避免危险。
制作机器人时应谨记如下几点:
(1) 制作全自动机器人时,要注意全自动机器人之间的相互联系和操作。
由其他机器人投出的球可能会落在全自动机器人上。
所以,设计时要考虑避免受损。
(2) 为保证比赛的安全,如果机器人要使用激光,必须是2类激光,而且采用不会对操作选手、观众和裁判有伤害的方式。
(3) 组委会对规则的解释和补充将以FAQ的方式发布。
(4) 每个参赛国家的代表队要求提供长度为5分钟的录像带介绍该队的机器人制作和比赛情况。
组委会将对各机器人运行是否符合比赛规则作出评议。
参赛策略:
本次比赛,我们学校的机器人的主题是“九天揽月”,一共设计制作三台机器人,两台自动机器人,一台手动机器人。
两台自动机器人分别为“登月一号”和“登月二号”,一台人工控制机器人为“太空炮车”。
“登月一号”和“登月二号”的目标是“中心篮框”和“中间篮筐”,“太空炮车”的目标是在“人工控制机器人移动区”内对“外面篮筐”进行投射,有机会有时间的话也对“中间篮筐”进行投射。
三台机器人的总质量不能超过50kg,“太空炮车”的质量不能超过17kg。
一 取球机构的设计与制作
取球区域图如下:
如规则所述,球均匀分布在1200mm×1200mm的正方形区域内,每个圆代表一个球。
1.1取球方案分析
方案一:
采用取球筐机构,简图如下所示:
取球筐的零件图如下:
同步带上连接有光滑带,图如下:
取球功能主要原理如下:
因为球与球的中心距为300mm,而球的直径为135mm,根据球的分布区域图,考虑到比赛时间限制在3分钟内,尽量减少取球时间,一次性取越多球越好,但又有机器人整体尺寸的限制,不能超过1200mm长,1200mm宽,2000mm高,所以,以一次取8个球为佳。
因为有质量限制,取球筐采用框架结构,在稳定的基础上尽量减少质量。
取球筐的尺寸为1100×490×150,如下图所示:
取球筐图
取球筐表面有两条同步带,同步带上连接有光滑带,如上页图纸所示。
每条同步带有两个同步轮带动,当机器人走到取球位置的时候,取球筐沿着导轨下降,把8个球罩住(因为光滑带的初始位置是处于取球筐的上表面,球筐的下表面是空的),然后电机带动同步轮转动,同步带也跟着动作,同步带移到球筐的下表面,把8个球兜进取球筐里。
如装配简图所示,取球筐有两条钢丝通过绕线轮连接在机器人车身的电机上。
当把8个球装在取球筐里后,此电机动作,钢丝拉着取球筐上升,到一定的高度以后(因为出发前有导轨和绕线轮的2000mm的高度限制,所以此一定的高度不能超过2000mm),然后两个电机配合工作,使到取球筐倾斜一定的角度(大约20°)。
跟着,同步轮转动,光滑带转到一定的位置,把取球筐露出一个可以让球通过的口来;球就滚到一个漏斗里,漏斗的另一边是连着投球机构。
为了保证球是一个一个地进入投球机构的,在进入投球装置的口上,有个小机构,电机上连接有拨片,电机转动一个角度,球就进去一个;电机再转动一个角度,又把后面的球给挡住了,从而保证了球是一个一个地进入投球机构的,有利于方便地投球。
此方案是第一个想出来的方案,有诸多困难和不成熟之处。
第一:
取球筐的尺寸太大,加上连接取球筐的导轨,取球部分的尺寸就占了1200mm×1200mm的面积的一半了。
加上车身和投球机构,整个人工控制机器人的体积将会很大,质量可想而知,控制也很不方便,给人笨重的感觉。
第二:
导轨和取球筐侧的小轴承之间的滚动和滑动有一定的问题存在,可能会卡死。
导致取球筐不能顺利上升。
第三:
取球筐上升以后,到达一定的高度,向漏斗方向倾斜,漏斗连着导轨,导轨另一头连着投球机构。
此间有个高度与角度的的矛盾。
首先,投球机构的高度要在1500mm左右,最低不能低于1350mm(因为“外面篮筐”中心的高度是1500mm)。
那么,由于连着漏斗的导轨必须倾斜一定的角度以让球能滚进投球机构,所以,漏斗口的高度就要高于1350mm,大约是1550mm。
所以,取球筐出球口的高度也应该是大约1550mm,不能低于1550mm。
取球筐倾斜20°后的尺寸如下图所示:
出球口的高度不能低于1550mm,而取球筐倾斜后的高度为517mm,就算不加上机器人底盘驱动部分的高度,出发前的高度已经超过了2000mm,不妥。
第四:
漏斗口和取球筐要在同一个竖直平面内,才可以保证球从筐里滚出来后,能掉入漏斗口中。
因为取球筐是用两条钢线拉着的,所以,只能在一个竖直平面内运动。
只有当球筐上升到出球口高度超过漏斗高度的时候,球才有可能从球筐掉进漏斗口中,但是,正因为两者在同一个平面内,所以这过程中,球筐势必跟漏斗发生干涉相撞。
要解决这个问题,又必须加入一个机构,一个驱动传动装置来使到漏斗会在水平面上运动来避开球筐,这会另整个机构更加复杂化。
综上所述,方案一有较多不合理之处,且不合理之处很难解决。
方案二 采用同步轮-摩擦带机构。
装配简图如下页所示。
(正视图)
(侧视图)
此方案的主要工作原理如下:
如左图所示,机器人取球机构有一小一大两个轮子,一条摩擦带张紧在两个轮子之间,与大轮子轴相连的车架上有两个椭圆槽,可以通过微调大轮子的位置来调节摩擦带的张紧度,一般是越紧越好。
小轮子上装有电机。
当电机工作时,小轮子以一定的速度角速度ω转动,由于摩擦带是张紧的,所以,静摩擦力带动带子以速度V1运动,带子也由于静摩擦力的缘故带动大轮子转动。
由于摩擦带上均匀地连接有16个拨球板,摩擦带运动的效果是使到球被拨球板拨进导轨1里。
而整个机器人以速度V2运动,所以,均匀摆放在取球区域里的球就被一个一个地拨进导轨1里。
导轨1里最多可以放8个球,加上导轨2,整个机器人可以同时装上12个球左右。
两个轮子的直径分别为Ф154mm和Ф284mm,相邻两片拨球板之间的线距离为196mm,拨球板的长度为120mm,这些数据均经过计算得出,使到当取第一个球的时候拨球板不会和前方300mm处的第二个球发生干涉相撞而把球给撞乱。
当其中一个尺寸改变,其他几个尺寸均要跟着改变。
从出球口A里出来的球进入导轨2,球在重力和惯性的作用下,滚向投射机构,被导轨2末端的十字拨杆挡住。
拨杆连接有小电机,电机每转45°,拨杆也转45°,其效果是使导轨2里最前面的一个球进到投射机构,而后面的球被拨杆挡住,用单片机控制小电机,从而就保证了可以控制到球是一个一个地进入投射机构的,给投射机构带来了很大的方便。
次方案的困难之处是小轮电机的转速和机器人前进的速度要配合得很好,对单片机程序和传感器要求较高。
还有对机器人取球点的位置和取球时机器人前进的路线方向要求较高,要求机器人停在合适的取球开始点上开始取球,并保证机器人在取球前进时保持方向的不变,保证能在取球区域上一次性连续地取同一行(列)上的4个球,尽量节省时间。
还有几个方案,均与以上两个方案有大致相同之处,不再一一详列。
1.2取球方案的确定
取球方案主要根据以下几个方面来确定:
(1)案可行性及合理性;
(2)机构的稳定性;
(3)整个机构的质量;
(4)取球的动作繁简程度;驱动、传动链的数量;
(5)取球的时间;
(6)机构外型的合理性、美观程度。
以上六个方面都是根据比赛规则,以展现机器人的技术水平和机构的创新水平以及赢得比赛为目的,而得出来的标准。
现就以上六个方面对方案一和方案二进行比较。
(1)方案的可行性及合理性
从上面对方案一的说明中,可以看出,方案一存在诸多不可行性和不合理性,且不合理之处很难解决。
要有效地实现取球相当困难,方案一可行性差。
方案二可以说是很合理,其困难之处是对电机转速和转角的控制,可以通过对单片机的编程来解决,不难。
取球的动作也是一气呵成,连贯,取球的效果很好。
此方案对于机构的尺寸要求限制不大,机构的尺寸有很大的修改余地,可以很轻松地实现有效地取球。
方案二可行性好
(2)机构的稳定性
方案一中,取球框的上升和下降是靠绕线轮上的钢线来控制的,钢线的另一头连着电机。
当电机转动时,钢丝越绕越多或者是越绕越少,这就存在有转动惯量不断改变的问题。
使用钢丝本身也就是一个很大的不稳定因素。
另外,球筐的上升下降是通过球筐侧面的小轴承在机器人车架中间部分的导轨中的滑动和滚动来定位的。
小轴承和导轨是三面接触,而且只有一个轴承一个导轨,所以,在球筐的上升和下降过程中,有可能会出现卡死的情况,即因为机器人的运动和球筐的晃动,轴承卡死在导轨里,从而使到后面的动作都不能实现了。
取球机构中绕线轮的位置相当高,因为取球筐尺寸大,加上8个球的质量,整个取球机构的质量不小,这就对支撑绕线轮的装置的安全性和稳定性要求很高。
而且取球机构的重心太偏,当球筐上升到高处的时候,由于机器人的运动和球筐的晃动,加上偏心矩的原因,可能会使机器人翻倒,既不稳定,也不安全。
球从球筐里掉进漏斗的时候,很可能会由于同时好几个球一起掉而相互碰撞使球弹出漏斗掉在地上,取球效果不稳定。
此外,取球机构中的钢丝,球筐,还有支撑绕线轮的架子,都有可能在比赛中与对方机器人相撞,极不安全。
综上所述,方案一的稳定性差。
方案二中,没有了钢丝,高度也低了,重心低了。
取球机构是主要是由轮子和摩擦带组成,不存在卡死现象。
各定位装置也是用“杆”来刚性连接,不存在摇晃问题。
球的运动是在导轨中完成的,这就对球运动的轨
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