“变形金刚”机械人设计说明书
“变形金刚”机械人设计说明书
摘要：本文通过对题目背景的分析，从过河机构设计、抓取机构设计、旋转机构设计三个方面为切入点，运用对比的方法选择最优方案为重力偏右式的过河机构、拉线式的抓取机构、普通旋转螺母机构，通过proe软件绘制三维图，再通过对行走驱动计算选择电机型号。通过齿轮传动设计与校核确定齿轮的大小。采用四个机械手（三个抓取机械手，一个旋转机械手）提高工作效率。 关键词：对比 重力偏右式 拉线式普通旋转螺母 四个机械手
1、 设计题目的背景
1.1 设计题目的要求
竞赛题目来源于第十届浙江省大学生机械设计竞赛,要求如下几点：
1、机器人在设计收缩状态时，其长宽高均应≤300mm （展开状态时尺寸不限） 。 2、通过河道（宽600悠悠球轴承深400）提供三种过河方式。
3、抓取指定的目标物放入指定位置共三组全套动作（每组全套动作包括轴承、垫圈、螺母，先轴承后垫片再螺母旋紧为完整的全套动作）。 注：三组目标物（轴承、垫圈、螺母）大小不一样，分别为滚动轴承型号6310、6308、6306。垫圈36、30、20 GB/T97.1—2002。螺母M30、M24、M16 GB/T6170-2000。
4、完成三组全套动作中的一组全套动作才可拉尼龙线，打开胜利的旗帜，完成此动作后机器人停止一切动作。
5、实物模型竞赛时间限定8分钟，时间一到停止全部动作。
6、如果存在子母机，子机要到通过河道才可离开母机，完成所有动作子机必须回到母机才可拉旗。子机在抓取目标物时不得进入平台3。
7、机器人本体不得翻越位置1、位置2、位置3。
83d打印机制作、机器人不得借助竞赛场地的四周处侧面和边框作为支承。
9、动力设备自备，比赛现场仅提供 220V 交流电源。
1.2 场地的分布
根据浙江省大学生机械设计竞赛题目的要求,机器人完成任务的总程分为几个区域：一为出发区、二为河道区、三为目标物提取区、四为胜利区。其中竞赛场地地面采用木质地板，表面铺设喷绘广告布，场地尺寸为4000mm×2000mm，出发区尺寸为300mm×300mm×300mm，四周围板高50mm。其中，河道深400，宽600，过河环节有三种方式：第一，过台阶，台阶宽500，向下台阶4级100100，向上台阶2级；第二，过独木桥，铝合金梁3030，高于平台200；第三，过平台，宽150。接下来，接下来，要抓取平台3内的“目标物”按顺序分别放入位置1、位置2、位置3，先轴承后垫圈再螺母旋紧。竞赛用滚动轴承分别为：6310,6308,6306；竞赛用垫圈分别为：36,30,20 GB/T97.1-2002；竞赛用螺母分别为：M30，M24，M16 GB/T6170-2000。（比赛场地如图1.2.1（1）（2））
图1.2.1（1）比赛场地平面图
图1.2.1（2）场地尺寸图
1.3参赛作品内容
参赛作品内容包括两部分： 机械设计方案书1套和机器人实物模型1件。
1.4机器人实物模型的制作规定
1）实物模型应与设计方案一致；
2）实物模型的机械零件制作除原动机、标准件、通用件及橡胶件外均应自制。
2、 设计方案的拟定
设计思路
图2.0设计思路图
机器人从以上三个方面进行设计，并满足机械设计大赛的机器人规定的尺寸300 mm 300 mm 300 mm的前提。
2.1过河方案的选择
河道深400mm，宽600mm地址匹配，穿过河道一共有四个途径可选择：
2.1.1过河方案设想一（独木桥式）
2.1.1独木桥式二维图
分析: 独木桥上铝合金梁30mm30mm，高于平台200mm。采取过独木桥式过河，车身为折叠式，当要过河时，车身升高，通过车身中间的皮带轮带动机器人过独木桥。此方案优点：空间较小；缺点：平稳性很差，很容易侧翻失衡，会跌进河道里。
2.1.2过河方案设想二（自己展开式）
2.1.2自己展开式简图
分析:此方案优点是节省体积，自己铺路过河，这样的设计不需要其它的附加装置，只要通过小车原有的动力机构就能方便的实现，这样的设计方案更加的合理。但是，由于这次比赛的河宽600mm，深400mm，要真正实现过河，很难实现。
2.1.3过河方案设想三(上下台阶)
分析:河道向下台阶有四级，而向上台阶只有两级。尺寸：100mm100mm500mm,此过河道方案实现也较困难，机器人很容易卡在河道里。
2.1.4过河方案设想四(过平桥)
分析:虽然宽150mm的平桥比较窄，但如果考虑将车身重心往右压或将车身做小，通过时不会侧翻到河道里的可能还是比较大。
分析得出四种过河方式的可能性高低表如表2.1.3所示
类型 | 上下台阶式 | 独木桥式 | 自己铺路式 | 150mm平桥式 |
可能性 | 低 | 较低 | 低 | 高 |
| | | | |
表2.1.3几种过河方式可能性高低表
综合以上几点，我们决定采用过河方案四：走150mm平桥的方式穿过河道。过平桥动作有两种可选，简图如图2.1.3(1)、（2）所示：
2.1.3（1）迷你小巧型
优势：过河安全，无重力分布不均的情况
缺点：车身面积小，容纳机械手及其他空间很少
2.1.3（2）重力偏右型
优势：车身面积大，有足够的空间容纳机械手及其他
缺点：重力偏右的调整，过河动力的分布
考虑到本次比赛中，需要抓取与拧螺母两种动作，则采用多个机械手可以减少机器人来回走的路程。因此,最终我们采取重力偏右型设计方案。
2.2抓取机械手方案的选择
2.2.1对机械手抓取目标物分析
任务：从立柱中抓取不同尺径的三组垫片、轴承以及螺母放入指定地点，立柱高为200mm，机器人要在离立柱215mm 处，其中轴承见表2.2.1。
轴承型号 植物蛋白提取 | 6310 | 6308 | 6306 |
外径 | 110mm | 90mm | 72mm |
内径 | 50mm | 40mm | 30mm |
重量 | 1.082kg | 0.6450kg | 0.341kg |
厚度 | 27mm | 23mm | 19mm |
| | | |
表2.2.1
注:螺母与垫片的重量相对轴承重量可以忽略。
从任务中可以看出
1) 机械手臂长度215mm。
2) 机械手臂抬起高度200mm。
3) 机械手爪抓起最大的目标物时承受的重量1.082kg。
2.2.2对机械手抓取目标物形状的选择
1)平铲式机械手
图2.2.2（1）
利用齿轮齿条传动，爪子张开式铲取目标物图2.2.2（1）。
优点：取目标物后垂直提出立柱，平稳性好。
缺点：利用立柱铲取目标物，如果目标物掉入平台上就很难铲起。变速轮
2)横向双夹式
利用齿轮来调整机械手的位置，横向夹紧目标物图2.2.2（2）。
缺点：提取目标物时需要很大的力，目标物难以提取，可靠性不高。提取时机械手的范围不是很大，增加支杆长度可能超出300mm高。
3)拉线式
图2.2.2（3）
拉线式结构简单，提取力大，提取高度为255。成本低。
分析得出三种机械手的可行性高低表如表2.2.2
表2.2.2几种机械手可行性高低表
综上所述：我们采用拉线式。
2.2.3旋转螺母机械手方案的选择
1)拉线旋转手
图2.2.3（1）
优点：制作简单
缺点：夹螺母时，有200mm的柱子，则必须采用偏心。这样在旋转时，需要二次定位。拉线有一定的角度，拧螺母很难对准，耗时。
2)普通旋转螺母机械手
图2.2.3（2）
根据三个螺母的大小设计三个装螺母装置，方便定位，利用齿轮带动使螺母旋入指定位置。
美容喷雾器分析得出两种旋转螺母机械手效力表如表2.2.3
表2.2.3几种旋转机械手效力高低表
综上所述：我们采用普通旋转螺母机械手。
2.3最终设计模型展示
根据机械手的形状与大小，我采用四个机械手从而选择重力偏右型车身。最终模型图如图2.3
图2.3机器人模型展示
1、机械手臂 2、线轮 3、旋转立柱
4、旋螺母装置 5、驱动轮 6、机械手
机器人简介：
机器人总长为290mm，横向宽为285mm，抓取目标物的横向臂长285、250、250mm，纵向臂长235mm。机器人总重量为7.2kg。机械手抓取范围在45~275mm。整个机器人由机械驱动车身、机械臂和机械手组成。车身行走依靠自制轮子实现，机械臂共分三节，由旋转立柱、摆动横臂及抓取手组成。通过齿轮啮合传动实现机械手的抓取功能。本装置结构简单、操作简便、安全可靠、制造成本低。
2.3.1作品的特点
1）行走部分采用4个电机驱动
采用4个120转电机带动，利用电机的正反旋转与开关的切换实现前进、后退、旋转等功能。结构简单、紧凑，能实现快速动作。
2）采用绳轮机构实现机械手臂的快速缩展
采用绳轮伸缩机构实现钢丝绳的缩展，从而带动机械手臂在垂直面内的摆动；合理地利用了电机的自锁功能，能在任意位置停留；机构运动速度快、稳定性好。
3）运用四个机械手一次性抓取所有目标物
三个机械手同时抓取整套目标物，放入指定位置。一个旋转螺母机械手套上三个螺母后，依次进行旋紧螺母（先旋转大螺母，在中等螺母，最后在小螺母同时一个机械手准备拉线）。有效的提高速度。而且在抓取目标物时，其它的机械手可以转动来调转机器人的重心，防止机器人侧翻，同时可以减少机器人自身的重力。
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