ROBOCON比賽機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要本課題的目的是針對(duì)2008亞太機(jī)器人大賽的主題和規(guī)則設(shè)計(jì)制作一臺(tái)手動(dòng)機(jī)器人。本文首先分析了本屆比賽的特點(diǎn)，闡述了比賽的總體方案，提出了手動(dòng)機(jī)器人的任務(wù)目標(biāo)和主要技術(shù)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三套整體結(jié)構(gòu)方案，并通過三維實(shí)體建模和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)等方式分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，完成了對(duì)整體結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化與改進(jìn)，確定了手動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成。之后，對(duì)機(jī)器人的各組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成了走行方式、提升機(jī)構(gòu)形式和夾持機(jī)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，進(jìn)行了電機(jī)選型計(jì)算和關(guān)鍵零件的校核，繪制了機(jī)器人的零件圖和裝配圖，解決了在機(jī)器人的組裝和調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題。 設(shè)計(jì)并制作完成的手動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，動(dòng)作迅速，操控靈活，性能穩(wěn)定，得分效率高，完全滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞： 亞太機(jī)器人大賽，手動(dòng)機(jī)器人，方案設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)AbstractThe purpose of this subject is to design a manual robot for the Asian-Pacific Robot Contest 2008. After analyzing the characteristics of this contest, the paper firstly elaborates the general strategy, and then proposes the tasks and main requirements for the manual robot. Based on that, three structural schemes of the robot are designed, and then optimizations and improvements are accomplished through analyzing of the 3D models and robot prototypes. So the mechanisms which composed the manual robot are determined. After that, details of the mechanisms are designed; improvements are made for the moving style, the elevating and clamping mechanisms which are selected. Motors are selected according to computation, key parts are checked, and drawing of parts and assemblage are given. Some problems are solved through debugging.The manual robots structure is very simple, and it moves fast, scores efficiently. Further more, it is very convenient to control the robot. In a word, it satisfies the requirements of design. Key words： Asian-Pacific Robot Contest, Manual robot, Scheme design, Mechanical design目 錄中文摘要IAbstractII第1章 緒論11.1機(jī)器人及機(jī)器人競(jìng)賽11.2 ABU-Robocon概述21.3 ABU-Robocon2008主題與規(guī)則摘要31.4 章節(jié)概述6第2章 規(guī)則分析以及參賽總體方案82.1 規(guī)則分析82.2 參賽總體方案的確定112.3 手動(dòng)機(jī)器人的功能要求和主要技術(shù)參數(shù)13第3章 整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與改進(jìn)153.1 方案一173.1.1 設(shè)計(jì)思路173.1.2 動(dòng)作順序193.1.3分析與總結(jié)203.2 方案二213.2.1 設(shè)計(jì)思路213.2.2 動(dòng)作順序233.2.3 分析與總結(jié)233.3 方案三243.3.1 設(shè)計(jì)思路與總體結(jié)構(gòu)243.3.2 優(yōu)化與改進(jìn)25第4章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)324.1 走行系統(tǒng)設(shè)計(jì)324.1.1 走行方式選擇324.1.2 走行電機(jī)選擇344.1.3 走行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及外形尺寸404.2 提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)414.2.1 優(yōu)化與改進(jìn)424.2.2 相關(guān)計(jì)算與校核484.3 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)52第5章 操作手柄設(shè)計(jì)545.1 操作方式和按鍵布局設(shè)計(jì)545.2 搖桿模擬量的采集、編碼與發(fā)送55總結(jié)58致謝60參考文獻(xiàn)61附錄一：中文翻譯.64附錄二：外文原文.83-IV-畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第-62-頁(yè)第1章 緒論1.1機(jī)器人及機(jī)器人競(jìng)賽機(jī)器人學(xué)是一門迅速發(fā)展的綜合性科學(xué)，其中包含著許多具有戰(zhàn)略性、前沿性和前瞻性的高技術(shù)，自第一臺(tái)電子編程工業(yè)機(jī)器人問世以來(lái)，機(jī)器人學(xué)的研究已取得令人矚目的成就，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、旅游業(yè)、空間、海洋以及國(guó)防等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越普遍的應(yīng)用。機(jī)器人這樣一種特殊的機(jī)器，大大延伸與擴(kuò)大了人的手足與大腦的功能，在新世紀(jì)中必將會(huì)對(duì)人類社會(huì)的文明進(jìn)程做出更大的貢獻(xiàn)，它將成為緊隨計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一次重大的技術(shù)革命,并很可能將世界推向科學(xué)技術(shù)的新時(shí)代。 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1994.機(jī)器人技術(shù)涉及到許多相關(guān)技術(shù)及學(xué)科，如機(jī)構(gòu)學(xué)、控制工程、計(jì)算機(jī)、人工智能、微電子學(xué)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)以及仿生學(xué)等科學(xué)技術(shù)。 王亞輝,何耀民. 機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). 經(jīng)濟(jì)師,2005年第8期.因此，機(jī)器人是一個(gè)非常適合科學(xué)普及和科技競(jìng)賽的主題。機(jī)器人賽事從20余年前就幾經(jīng)開始了。現(xiàn)在各類機(jī)器人賽事名目繁多，范圍遍及世界。截止到2000年共有20余項(xiàng)公認(rèn)的機(jī)器人賽事。伴隨著這些賽事，出現(xiàn)了許多類別的競(jìng)賽機(jī)器人，如四足機(jī)器人，擬人機(jī)器人等。目前，一些賽事已成為人工智能等高端機(jī)器人技術(shù)研究交流的平臺(tái)。目前，國(guó)際上比較著名的機(jī)器人競(jìng)賽有：RoboCup 競(jìng)賽、FIRACup 競(jìng)賽、ABU-Robocon競(jìng)賽、迷宮機(jī)器人競(jìng)賽、巡線機(jī)器人競(jìng)賽、迷宮操作機(jī)器人競(jìng)賽、滅火機(jī)器人競(jìng)賽、舞蹈機(jī)器人競(jìng)賽和相撲機(jī)器人競(jìng)賽等。這些機(jī)器人競(jìng)賽除了需要采用比較先進(jìn)的技術(shù)外，還有幾個(gè)特點(diǎn)：一是對(duì)抗性強(qiáng)，比賽時(shí)間短，有很強(qiáng)的觀賞性和娛樂性；二是能夠充分地發(fā)揮參賽者的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)參賽者的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神；三是比賽策略和臨場(chǎng)發(fā)揮非常重要，這有助于培養(yǎng)參賽者的宏觀規(guī)劃決策能力、應(yīng)變能力以及心里素質(zhì)；四是比賽規(guī)則和題目變化較大。（日）Brain Navi. 機(jī)器人集錦. 北京：科學(xué)出版社，2003. 1.2 ABU-Robocon概述1999年10月中國(guó)廣播電視代表團(tuán)出席了“亞洲太平洋廣播聯(lián)盟”（Asia-Pacific Broadcasting Union 縮寫 ABU、簡(jiǎn)稱亞廣聯(lián)）第36屆大會(huì)。此次大會(huì)通過了共同舉辦“亞太地區(qū)大學(xué)生機(jī)器人比賽”活動(dòng)的決定，并組成了由日本NHK、中國(guó)中央電視臺(tái)、韓國(guó)KBS、新加坡TCS、泰國(guó)TPT、印尼TVRI為成員的“機(jī)器人大賽核心小組”。2000年3月，在日本東京成立了“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)機(jī)器人大賽籌備委員會(huì)”。9月，該委員會(huì)在泰國(guó)過渡為“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)機(jī)器人大賽董事會(huì)”并舉行了首屆董事會(huì)議，會(huì)議通過了“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)機(jī)器人大賽”的章程和規(guī)則，并決定從2002年開始，每年舉辦一屆“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)大學(xué)生機(jī)器人大賽”。比賽的主題與規(guī)則由主辦國(guó)根據(jù)本國(guó)的文化和傳統(tǒng)制定。作為亞廣聯(lián)的成員國(guó)，中央電視臺(tái)積極參與亞廣聯(lián)組織的亞太地區(qū)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽，每年根據(jù)大賽的主題與規(guī)則組織國(guó)內(nèi)的選拔賽。這項(xiàng)大賽的目的是培養(yǎng)和開發(fā)全國(guó)大學(xué)生的聰明才智與創(chuàng)新精神，展示當(dāng)代大學(xué)生機(jī)器人制作能力與高新技術(shù)應(yīng)用水平。提出的口號(hào)是“讓思維活躍起來(lái)，讓智慧行動(dòng)起來(lái)！” 王志良. 競(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007. 1.3 ABU-Robocon2008主題與規(guī)則摘要本屆比賽的主題是“競(jìng)技牛郎”。比賽時(shí)間為3分鐘，比賽雙方為紅隊(duì)和藍(lán)隊(duì)，如果在比賽時(shí)間內(nèi)，一隊(duì)直接將置于自主區(qū)塔柱上瓷碗中的三個(gè)黃油舉起，將成為“牛郎”（勝利者），比賽立即結(jié)束，否則，比賽結(jié)束時(shí)得分最多的一方獲勝。1. 場(chǎng)地a總面積14500mmX13000mm，詳見圖11。b手動(dòng)區(qū)：圖11中天藍(lán)色區(qū)域。c自主區(qū)：圖11中綠色區(qū)域。d公共區(qū)：H型自主區(qū)間標(biāo)識(shí)的紅藍(lán)區(qū)域。e自主區(qū)邊界圍有30mm寬X50mm高的木柵欄。f黃油：用低密度聚乙烯制成的200mm立方體，重量為130g ( 20 g)，如圖12。g陶罐和奶酪：外形如圖13，陶罐重430g (20 g)，奶酪重150g ( 20 g)。 h籃區(qū)：500mm250mm的矩形區(qū)域，外圍有30mm寬X50mm高的木柵欄，如圖14。i中央塔柱、側(cè)邊塔柱及少女島：外形如圖15。2. 自主區(qū)得分點(diǎn)：a. 中央塔柱黃色黃油分值12高度1500mm數(shù)量1。b. 側(cè)邊塔柱白色黃油分值6高度750mm數(shù)量2。3. 手動(dòng)區(qū)得分點(diǎn)：少女島陶罐和奶酪分值（成套放置于籃區(qū)：每套得3分；不成套放置于籃區(qū)：每個(gè)陶罐或奶酪得1分）高度750mm數(shù)量8。圖11 比賽場(chǎng)地示意圖圖12 黃油圖13 陶罐和奶酪 圖14 籃區(qū)圖15 中央塔柱、側(cè)邊塔柱和少女島4. 規(guī)則概要a比賽開始前，在手動(dòng)啟動(dòng)區(qū)內(nèi)，手動(dòng)機(jī)器人的尺寸不能超出1000mm長(zhǎng)、1000mm寬、1000mm高。比賽開始后，手動(dòng)機(jī)器人的尺寸應(yīng)限制在1500mm的立方體內(nèi)。b比賽一旦開始，參賽隊(duì)員不能接觸手動(dòng)機(jī)器人。c手動(dòng)機(jī)器人的部件及其操作員不能侵入自主區(qū)、對(duì)方公共區(qū)、對(duì)方籃區(qū)及它們的上方。d手動(dòng)機(jī)器人只有在自己的公共區(qū)時(shí)才能接觸本隊(duì)的自主機(jī)器人，并且只有當(dāng)手動(dòng)機(jī)器人得分之后才能進(jìn)入公共區(qū)。e手動(dòng)機(jī)器人不能接觸對(duì)方的手動(dòng)和自主機(jī)器人。f比賽開始前，所有自主機(jī)器人（三臺(tái)或三臺(tái)以下）應(yīng)納入1000mm的立方體內(nèi)；比賽開始后，自主機(jī)器人的外形尺寸應(yīng)限制在1500mm的立方體內(nèi)。g自主機(jī)器人不能分離成兩臺(tái)或多臺(tái)，兩臺(tái)以上的自主機(jī)器人在啟動(dòng)區(qū)相互接觸，就被認(rèn)為是一臺(tái)機(jī)器人。h不允許一臺(tái)自主機(jī)器人爬上或跳上中央塔柱抓取黃色黃油得分。i允許兩臺(tái)配合取中間黃油的機(jī)器人有一次可以證明的符合規(guī)定的通信方式。1.4 章節(jié)概述全文共分為五章，第一章為緒論部分，介紹了亞太機(jī)器人大賽的相關(guān)背景以及Robocon2008的主題與規(guī)則。第二章對(duì)比賽的規(guī)則做了詳細(xì)的分析，介紹了本屆比賽的總體參賽方案，并提出手動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求。第三章詳細(xì)講述了手動(dòng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)與完善過程。第四章對(duì)手動(dòng)機(jī)器人的各組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。第五章介紹了在本屆比賽中設(shè)計(jì)制作的操作手柄，簡(jiǎn)要說明了控制搖桿模擬量的采集、數(shù)據(jù)編碼與發(fā)送方式。最后總結(jié)了機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和測(cè)試結(jié)果。第2章 規(guī)則分析以及參賽總體方案2.1 規(guī)則分析相比往屆，本屆比賽的規(guī)則有很大程度的變化，呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。圖21 得分點(diǎn)和進(jìn)入對(duì)方自主區(qū)路線示意圖首先，本屆比賽要求必須有兩臺(tái)機(jī)器人配合才能去奪取中央塔柱的12分黃色黃油，并且兩臺(tái)配合的機(jī)器人只能有一次通信。參看本屆規(guī)則可知，場(chǎng)上總分48分，分布是：自主區(qū)12+6+6=24分；手動(dòng)區(qū)3X8=24分，如圖21?？梢?，自主區(qū)得分點(diǎn)少，分?jǐn)?shù)集中，手動(dòng)區(qū)分?jǐn)?shù)相對(duì)分散，手動(dòng)機(jī)器人得分任務(wù)較重。另外，自主區(qū)的兩個(gè)6分塔柱離自主機(jī)器人啟動(dòng)區(qū)非常近，直線距離只有1581mm，根據(jù)往屆的比賽情況，一參賽隊(duì)丟掉這一區(qū)域6分的可能性比較小，因而中央塔柱的12分黃油便成了兩隊(duì)的決勝地點(diǎn)，這一區(qū)域的競(jìng)爭(zhēng)必然會(huì)非常激烈。 因此可以說，一參賽隊(duì)若能取得中間12分，就有70%的把握獲勝了，而要取得中間12分黃油，在不考慮對(duì)方干擾情況下，若采取自主機(jī)器人與自主機(jī)器人的配合方案，則要求機(jī)器人的定位精度足夠高，穩(wěn)定性足夠好，對(duì)控制技術(shù)的要求很高；而若采取手動(dòng)機(jī)器人與自主機(jī)器人的配合方案，由于規(guī)則規(guī)定手動(dòng)機(jī)器人只有在得分之后才能進(jìn)入公共區(qū)與自主機(jī)器人進(jìn)行配合，因而奪取黃色黃油的速度受到了限制，并且由于規(guī)定手動(dòng)機(jī)器人不能進(jìn)入自主區(qū)，所以被舉起的自主機(jī)器人要能取得黃色黃油，就需要一個(gè)臂長(zhǎng)為1m左右的夾持機(jī)構(gòu)，這將是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一大挑戰(zhàn)。 （德）S.弗羅尼斯.設(shè)計(jì)學(xué)傳動(dòng)零件. 北京：高等教育出版社，1988. 其次，賽場(chǎng)得分點(diǎn)少，正常情況下，一場(chǎng)比賽的總機(jī)器人數(shù)為8臺(tái)。其中每隊(duì)只有兩個(gè)籃區(qū)可供放置陶罐和奶酪得分，自主區(qū)內(nèi)只有3個(gè)黃油可供得分。根據(jù)這一特點(diǎn)，要在本屆比賽中取得好成績(jī)，自主機(jī)器人的速度和穩(wěn)定性是關(guān)鍵。首先要有速度，能在第一時(shí)間占據(jù)得分點(diǎn)，就有了取勝的前提條件；然后要有穩(wěn)定性，機(jī)器人的性能穩(wěn)定，能夠完成預(yù)定的比賽任務(wù)是取勝的基本條件。根據(jù)參賽雙方自主機(jī)器人的速度和穩(wěn)定性差異可以預(yù)見比賽時(shí)出現(xiàn)的比較多的幾種可能情況會(huì)是：1. 雙方勢(shì)均力敵，都沒有取得中間12分黃油，自主區(qū)得分都是6分，這種情況下，決定勝負(fù)的因素有兩個(gè)：一是手動(dòng)機(jī)器的速度和靈活性，取得4套以上陶罐和奶酪者將獲勝；二是自主機(jī)器人破壞對(duì)方籃區(qū)和保護(hù)己方籃區(qū)的能力，能夠保護(hù)好己方籃區(qū)并能成功對(duì)對(duì)方籃區(qū)實(shí)施破壞者將獲勝。2. 自主區(qū)得分分別是18分和6分，這種情況下落后的一方扭轉(zhuǎn)賽局的難度非常大，如果可能，則這一可能性仍然依賴于手動(dòng)機(jī)器人的性能和自主機(jī)器人破壞對(duì)方籃區(qū)和保護(hù)己方籃區(qū)的能力；3. 自主區(qū)得分分別是6分和12分，和前兩種情況一樣，最后的勝負(fù)還是取決于雙方手動(dòng)機(jī)器人的性能優(yōu)劣和自主機(jī)器人籃區(qū)的攻防。可見，手動(dòng)機(jī)器人的得分速度和自主機(jī)器人的籃區(qū)攻防能力便成了比賽后期決定勝負(fù)的主要因素。再次，考察本屆比賽的場(chǎng)地圖可以注意到：比賽雙方分處場(chǎng)地的對(duì)側(cè)，在自主區(qū)，一方機(jī)器人若想進(jìn)入對(duì)方區(qū)域活動(dòng)只有兩種途徑：一是從中間塔柱附近的2000mm寬度區(qū)域通過；一是設(shè)計(jì)跨障機(jī)構(gòu)，讓機(jī)器人兩次跨越高50mm，寬30mm的木柵欄從己方的公共區(qū)進(jìn)入對(duì)方自主區(qū)，如圖21。但是設(shè)計(jì)能夠連續(xù)兩次跨越柵欄的機(jī)器人主要有以下難點(diǎn)：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，越障之后重新定位困難，行進(jìn)速度會(huì)受到影響。從往屆的比賽統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，除了履帶式機(jī)器人，從未出現(xiàn)過能夠連續(xù)兩次跨越障礙的機(jī)器人，而履帶式機(jī)器人的走行速度是很慢的，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是不到1m/s。 張毅，羅元，鄭太雄. 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社2007.基于以上分析，可以認(rèn)為在比賽過程出現(xiàn)跨障機(jī)器人的可能性比較小，或者說這類機(jī)器人的威脅不是很大。因此，更多的情況下，對(duì)方的自主機(jī)器人將從中間區(qū)域試圖進(jìn)入我方自主區(qū)，而自主機(jī)器人在比賽開始后最大可以覆蓋1350mm的寬度，這樣，中間2000mm寬度區(qū)域就成了“一夫當(dāng)關(guān)，萬(wàn)夫莫開”的重要關(guān)口了。2.2 參賽總體方案的確定本屆比賽最顯著的特點(diǎn)是要求兩臺(tái)機(jī)器人配合以?shī)Z取中央塔柱上放置的黃油，這就有兩種可能：一個(gè)是手動(dòng)機(jī)器人和自主機(jī)器人配合；另一個(gè)是自主機(jī)器人與自主機(jī)器人配合。以這兩種配合方式為區(qū)別，在方案設(shè)計(jì)階段可以制定兩套參賽總體方案，可以通過多方面討論分析這兩套方案的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)選定一套方案進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。由前一節(jié)的規(guī)則分析可知，若采用自主機(jī)器人與自主機(jī)器人的配合方案要求穩(wěn)定性好，定位精度高，因而取中間黃油的速度就會(huì)受到約束；而若采用手動(dòng)機(jī)器人與自主機(jī)器人的配合方案，因?yàn)槭謩?dòng)機(jī)器人必須得分后才能進(jìn)入公共區(qū)，取中間黃油時(shí)速度上就更沒有優(yōu)勢(shì)了。這就決定了無(wú)論選用哪種配合方式，都需要有一個(gè)速度非?？斓淖灾鳈C(jī)器人在盡可能短的時(shí)間內(nèi)沖至中央塔柱附近實(shí)施干擾，以阻擋對(duì)方奪取黃色黃油，為己方機(jī)器人的配合爭(zhēng)取機(jī)會(huì)。1. 手動(dòng)機(jī)器人與自主機(jī)器人配合方案機(jī)器人組成和主要功能：手動(dòng)機(jī)器人，1、2、3號(hào)自主機(jī)器人。手動(dòng)機(jī)器人能夾取陶罐和奶酪放入籃區(qū)得分，并能視比賽情況決定何時(shí)進(jìn)入公共區(qū)與1號(hào)自主機(jī)器人配合取黃色黃油；2號(hào)自主機(jī)器人能夠夾取白色黃油，兼有破壞敵方籃區(qū)功能；3號(hào)自主機(jī)器人的主要功能是對(duì)對(duì)方機(jī)器人的配合實(shí)施干擾。這套配合方案的優(yōu)點(diǎn)是取中間黃油過程中受到的干擾較少，并且手動(dòng)機(jī)器人操作手可以視比賽的具體情況決定是否進(jìn)行配合，以及何時(shí)配合。缺點(diǎn)之一是弱化了手動(dòng)機(jī)器人的籃區(qū)得分能力，并使手動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜程度加大，而若要平衡得分能力，則要求自主機(jī)器人兼有夾取陶罐和奶酪的功能，但這樣會(huì)使機(jī)器人的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，機(jī)械設(shè)計(jì)難度增大，而且由于任務(wù)數(shù)目的增多，任務(wù)地點(diǎn)的分散性，控制上的難度也會(huì)成倍增加。缺點(diǎn)之二是由于規(guī)則要求手動(dòng)機(jī)器人在得分之后才能進(jìn)入公共區(qū)與自主機(jī)器人配合，相比自主機(jī)器人與自主機(jī)器人的搭接方案，速度會(huì)很慢，因而會(huì)非常依賴3號(hào)自主機(jī)器人的干擾效果。1號(hào)自主機(jī)器人的設(shè)計(jì)難點(diǎn)集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，需要有一個(gè)臂長(zhǎng)約1m的夾持機(jī)構(gòu)，而在自主啟動(dòng)區(qū)所有的自動(dòng)機(jī)器人應(yīng)納入1m的立方體內(nèi)（美）Fred G. Martin. 機(jī)器人探索工程實(shí)踐指南. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.。2. 自主機(jī)器人與自主機(jī)器人配合方案機(jī)器人組成和主要功能：手動(dòng)機(jī)器人，承載機(jī)器人，被承載機(jī)器人，干擾機(jī)器人。手動(dòng)機(jī)器人只負(fù)責(zé)籃區(qū)得分；干擾機(jī)器人負(fù)責(zé)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)中央塔柱附近對(duì)對(duì)方機(jī)器人的配合實(shí)施干擾，為另兩個(gè)機(jī)器人的配合創(chuàng)造條件，為平衡自主機(jī)器人的得分能力以適應(yīng)策略的多樣性，干擾機(jī)器人還應(yīng)兼有夾取白色黃色和保護(hù)己方籃區(qū)的功能；被承載機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，在啟動(dòng)區(qū)即放置在承載機(jī)器人的提升平臺(tái)上（不接觸），比賽一開始，承載機(jī)器人即提升被承載機(jī)器人并一同沖向中間塔柱，奪取黃色黃油。被承載機(jī)器人兼有夾取白色黃油的功能。這套配合方案的難點(diǎn)在于對(duì)干擾機(jī)器人的走行速度要求很高，對(duì)被承載機(jī)器人則首先要求定位準(zhǔn)確，然后在此基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能提高它的走行速度。優(yōu)點(diǎn)之一是配合方式簡(jiǎn)單，比賽開始前即已經(jīng)做好了配合的預(yù)備工作，承載機(jī)器人只需一個(gè)提升動(dòng)作便完成了配合，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常容易。優(yōu)點(diǎn)之二是配合速度快，夾取黃色黃油的時(shí)間只取決于承載機(jī)器人的走行速度。優(yōu)點(diǎn)之三是解放了手動(dòng)機(jī)器人，根據(jù)前一節(jié)的分析，手動(dòng)機(jī)器人的在籃區(qū)的得分能力對(duì)比賽結(jié)果的影響是關(guān)鍵性的，根據(jù)這一方案，手動(dòng)機(jī)器人只需負(fù)責(zé)夾取陶罐和奶酪放入籃區(qū)得分，因此它可以設(shè)計(jì)得非常簡(jiǎn)潔靈巧。優(yōu)點(diǎn)之四是策略的適應(yīng)性好，即可以進(jìn)攻，也可以防守。因此采用自主機(jī)器人與自主機(jī)器人的配合方案更有優(yōu)勢(shì)。2.3 手動(dòng)機(jī)器人的功能要求和主要技術(shù)參數(shù)在自主機(jī)器人與自主機(jī)器人的配合方案指導(dǎo)下，手動(dòng)機(jī)器人應(yīng)能完成以下比賽任務(wù)：1. 主任務(wù)：盡可能多的夾取少女島上的陶罐和奶酪放入己方籃區(qū)得分；2. 輔助任務(wù)：能夠拾取散落在手動(dòng)區(qū)的陶罐和奶酪放入籃區(qū)得分。其中，輔助任務(wù)在以下情況產(chǎn)生：a. 籃區(qū)遭到破壞，有陶罐或奶酪散落在手動(dòng)區(qū)，而且己方籃區(qū)還有空間放置被拾起的陶罐或奶酪；b. 由于夾取或放置陶罐和奶酪的動(dòng)作失誤造成的陶罐或奶酪散落在手動(dòng)區(qū)，而且己方籃區(qū)還有空間放置被拾起的陶罐或奶酪。而如果少女島上還有陶罐和奶酪，并且根據(jù)比賽情況，若還有可能爭(zhēng)取到時(shí)，手動(dòng)機(jī)器人應(yīng)優(yōu)先執(zhí)行主任務(wù) (美)Robin R. Murphy. 人工智能機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.。根據(jù)手動(dòng)機(jī)器人的比賽任務(wù)，可以確定它應(yīng)具備以下主要功能：1. 走行功能走行功能是手動(dòng)機(jī)器人最基本的功能。機(jī)器人必須能靈巧迅速的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，才能保證它能夠高效的完成比賽任務(wù)。手動(dòng)機(jī)器人的性能很大程度上取決于它的走行系統(tǒng)，因此對(duì)走行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)方式的選擇與設(shè)計(jì)非常重要。2. 夾取功能夾取陶罐和奶酪的功能是手動(dòng)機(jī)器人必不可少的功能，設(shè)計(jì)制作出簡(jiǎn)潔快速的夾取機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)這一功能的主要內(nèi)容。3. 提升功能手動(dòng)機(jī)器人需要把放置在高為485mm的少女島上的陶罐和奶酪放入在地面上圍出的一個(gè)長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)，因而需要有實(shí)現(xiàn)這一高度差的提升機(jī)構(gòu)。由2.1節(jié)的規(guī)則分析可以看出，手動(dòng)機(jī)器人的得分速度是比賽后期決定勝負(fù)的主要因素，參考其它高校手動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)水平，對(duì)手動(dòng)機(jī)器人提出的主要技術(shù)參數(shù)如下：1. 重量、體積等參數(shù)符合2008年ABU ROBOCON 亞太機(jī)器人大賽的相關(guān)規(guī)定和要求。2. 走行全速達(dá)到3.5m/s，夾持機(jī)構(gòu)張合速度300/s,提升機(jī)構(gòu)全行程時(shí)間限制在2s以內(nèi)。3. 手動(dòng)控制響應(yīng)速度快，操作方便。第3章 整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與改進(jìn)亞太機(jī)器人大賽的每年的主題和規(guī)則都不一樣，機(jī)器人的任務(wù)對(duì)象也是年年不同的。設(shè)計(jì)制作的機(jī)器人要能高效的完成比賽任務(wù)，就需要全面把握任務(wù)對(duì)象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單實(shí)用的機(jī)構(gòu)。手動(dòng)機(jī)器人的三個(gè)任務(wù)對(duì)象及其特點(diǎn)描述如下：1. 陶罐：如圖31，重量為430g（ 20 g）,其特點(diǎn)是從側(cè)面看呈“工”字形；2. 奶酪：直徑為150mm的充氣橡皮球，重量為150g（ 20 g），一組陶罐和奶酪放置在少女島上的效果如圖32；3. 籃區(qū)：500mm250mm的矩形區(qū)域，外圍有30mm寬X50mm高的木柵欄，其特點(diǎn)是狹窄，只能并排放置兩套陶罐和奶酪，如圖33。圖31 陶罐的形狀和外形尺寸圖32 放置有陶罐和奶酪的少女島圖33 放置有陶罐和奶酪的籃區(qū)以手動(dòng)機(jī)器人的比賽任務(wù)為基礎(chǔ)，根據(jù)比賽的規(guī)則特點(diǎn)以及任務(wù)對(duì)象的特點(diǎn)，從不同角度出發(fā)，可以提出多套機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案。3.1 方案一 3.1.1 設(shè)計(jì)思路1. 由于籃區(qū)面積狹小，只夠并排放置兩套陶罐和奶酪，為減少操作步驟，夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)分開夾取，同時(shí)放置；充分利用陶罐的“工”字型形狀，采用抬升式夾取方式，簡(jiǎn)單可靠；為防止放置在陶罐之上的奶酪在行進(jìn)過程中掉落，夾持機(jī)構(gòu)上安裝有用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓球桿，結(jié)構(gòu)方案如圖34。圖34 方案一的主夾持機(jī)構(gòu)壓球桿驅(qū)動(dòng)舵機(jī)抬升式夾持機(jī)構(gòu)2. 手動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)得分的地點(diǎn)只有兩個(gè)籃區(qū)，被破壞的可能性比較大，因此機(jī)器人應(yīng)具有拾取散落到手動(dòng)區(qū)的陶罐和奶酪得分的能力，因此設(shè)計(jì)次夾持機(jī)構(gòu)，能夠夾取散落的陶罐和奶酪放入籃區(qū)，其結(jié)構(gòu)方案由一個(gè)能分別夾取陶罐和奶酪連桿式夾持機(jī)構(gòu)和一個(gè)能提供小范圍提升的卷鋼絲式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，如圖35。圖35 方案一的次夾持機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)電機(jī)舵機(jī)游絲提升機(jī)構(gòu)主夾持機(jī)構(gòu)伸縮機(jī)構(gòu)次夾持機(jī)構(gòu)壓球桿機(jī)構(gòu)圖36 方案一的總體結(jié)構(gòu)3. 為減少轉(zhuǎn)彎、定位和姿態(tài)調(diào)整的時(shí)間，將夾持機(jī)構(gòu)布置在機(jī)器人行進(jìn)方向的側(cè)面，比賽時(shí)機(jī)器人盡量貼著木柵欄行進(jìn)，由于比賽規(guī)定手動(dòng)機(jī)器人的任何部分不能伸入自主區(qū)，因此安裝在機(jī)器人側(cè)邊的夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)具有一個(gè)垂直行進(jìn)方向的自由度，沿著木柵欄前進(jìn)時(shí)，將夾持機(jī)構(gòu)收回車體內(nèi)，到達(dá)少女島位置夾取陶罐和奶酪時(shí)，伸出夾持機(jī)構(gòu)，這一自由度用絲杠滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)（美）戈登-麥庫(kù)姆. 機(jī)器人本體制作指南. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.，如圖36。3.1.2 動(dòng)作順序1. 出發(fā)后首先操作機(jī)器人貼著木柵欄；2. 行進(jìn)至少女島位置；3. 伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)伸入陶罐沿下；4. 提升夾持機(jī)構(gòu)；5. 壓球桿壓下；6. 伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)縮回車體；7. 離開木柵欄，降下夾持機(jī)構(gòu)；8. 行進(jìn)至下一少女島；9. 松開壓球桿；10. 重復(fù)動(dòng)作3至5；11. 行進(jìn)至籃區(qū)；12. 降下夾持機(jī)構(gòu)，將兩套陶罐和奶酪放入籃區(qū)；13. 松開壓球桿；14. 伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)縮回車體，完成一次得分。3.1.3分析與總結(jié)方案一功能全面，總體結(jié)構(gòu)形式基于減少轉(zhuǎn)彎和夾取陶罐時(shí)姿態(tài)調(diào)整時(shí)間的思想，比賽時(shí)機(jī)器人需盡量貼著木柵欄行進(jìn)，多數(shù)情況下只需前進(jìn)和后退以改變自身的位置，主夾持機(jī)構(gòu)為“U”形抬升式，簡(jiǎn)單有效，輔助以壓球桿機(jī)構(gòu)，防止陶罐和奶酪掉落，次加持機(jī)構(gòu)能拾取陶罐和奶酪得分，能在一定程度上應(yīng)對(duì)敵方機(jī)器人對(duì)籃區(qū)的破壞。方案一的缺點(diǎn)和不足是：a. 底盤上部機(jī)構(gòu)單薄，只有兩導(dǎo)桿作為支撐，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，夾取陶罐和奶酪后，由于重量全部集中在側(cè)面，上部機(jī)構(gòu)很可能變形傾斜，而且會(huì)影響機(jī)器人的走行；b. 動(dòng)作復(fù)雜，控制點(diǎn)太多，共需使用7個(gè)電機(jī)；c. 壓球桿機(jī)構(gòu)在取第二個(gè)陶罐和奶酪時(shí)需要抬起，從而在這段時(shí)間內(nèi)沒有對(duì)第一個(gè)陶罐和奶酪進(jìn)行保護(hù)； d. 參看前一節(jié)的動(dòng)作順序可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在完成一次得分時(shí)有許多重復(fù)性動(dòng)作，每取一個(gè)陶罐和奶酪，壓球桿機(jī)構(gòu)需要壓下、抬起一次，伸縮機(jī)構(gòu)需要伸入、縮回一次，這會(huì)大大降低手動(dòng)機(jī)器人的得分速度；e. 參看比賽的場(chǎng)地圖可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人能夠貼著木柵欄行進(jìn)的距離非常短，而且很離散，因此這種設(shè)計(jì)方案實(shí)際上不能給機(jī)器人的速度提供多大優(yōu)勢(shì)，相反，由于夾持機(jī)構(gòu)安裝在車體側(cè)面，如果要避免經(jīng)常轉(zhuǎn)彎，就只能沿著一個(gè)方向圍著場(chǎng)地跑，這就限制了機(jī)器人靈活性，策略也會(huì)變得單一。 石志新，羅玉峰，陳紅亮，葉梅燕. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的全域性能指標(biāo)研究. 機(jī)器人，2005 Vol.27 No.5.方案一建模完成后，經(jīng)歷了兩次小的改進(jìn)，第一次是將提升機(jī)構(gòu)的導(dǎo)桿數(shù)由兩根改為三根，提高了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛性，第二次是把壓球桿機(jī)構(gòu)一分為二，分開壓球，避免了分開夾取時(shí)相互影響，代價(jià)是增加了一個(gè)電機(jī)，如圖37。但是，這一方案經(jīng)過幾次小的改進(jìn)后還是不具備進(jìn)行樣機(jī)制作的條件。改進(jìn)后提升機(jī)構(gòu)改進(jìn)后壓球機(jī)構(gòu)圖37 方案一改進(jìn)后的總體結(jié)構(gòu)3.2 方案二3.2.1 設(shè)計(jì)思路針對(duì)方案一的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作步驟繁瑣等缺點(diǎn)，這套方案將在前一方案的基礎(chǔ)上，以簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定、快速為總設(shè)計(jì)思路，精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，合理配置。具體設(shè)計(jì)思路如下：1. 沿用方案一的主夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，但對(duì)具體形式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，如圖38，改“U”形抬升式主夾持機(jī)構(gòu)為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的單側(cè)開合式，取消壓球桿機(jī)構(gòu)，改用在夾持機(jī)構(gòu)上豎立一定高度的鐵絲來(lái)防止奶酪在機(jī)器人行進(jìn)時(shí)掉落；保留方案一的次夾持機(jī)構(gòu)。2. 總體結(jié)構(gòu)如圖39，主夾持機(jī)構(gòu)安裝在車體的前端，次夾持機(jī)構(gòu)安裝在車體的側(cè)面，機(jī)器人不再貼著木柵欄行進(jìn)，取消伸縮機(jī)構(gòu)。圖38 方案二的主夾持機(jī)構(gòu)舵機(jī)護(hù)球桿圖39 方案二的總體結(jié)構(gòu)提升機(jī)構(gòu)次夾持機(jī)構(gòu)主夾持機(jī)構(gòu)3.2.2 動(dòng)作順序1. 出發(fā)后到達(dá)少女島位置，姿態(tài)微調(diào)；2. 夾取陶罐和奶酪；3. 提升主夾持機(jī)構(gòu)；4. 降低主夾持機(jī)構(gòu)；5. 夾取第二個(gè)陶罐和奶酪；6. 提升主夾持機(jī)構(gòu)；7. 行進(jìn)至籃區(qū)，姿態(tài)微調(diào)；8. 降下主夾持機(jī)構(gòu)；9. 松開夾子，車體后退，完成一次得分可見，相比方案一的動(dòng)作順序，簡(jiǎn)練了許多。3.2.3 分析與總結(jié)與方案一相比，方案二無(wú)論在操作動(dòng)作上還是在整體結(jié)構(gòu)上都更為簡(jiǎn)練。單側(cè)開合式的主夾持機(jī)構(gòu)相比“U”形抬升式可以允許有更大的定位誤差，因而姿態(tài)調(diào)整不會(huì)耗費(fèi)多少時(shí)間。放棄貼欄走的方式，手動(dòng)機(jī)器人的比賽策略變得多樣了，操作手可以根據(jù)場(chǎng)上情況，實(shí)時(shí)選擇最有利的得分路線，同時(shí)，這一方案對(duì)機(jī)器人的走行控制提出了更高的要求：走行速度快，轉(zhuǎn)向靈活，姿態(tài)微調(diào)快捷，操作性能好。 蔡自興. 機(jī)器人學(xué). 北京：清華大學(xué)出版社，2000.方案二經(jīng)集體討論通過之后，進(jìn)行了樣機(jī)制作。在調(diào)試樣機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這一方案的最大缺陷是：提升機(jī)構(gòu)由于零件加工、裝配等誤差而出現(xiàn)提升不順暢甚至卡死的情況。 廖念釗. 互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ). 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006. 3.3 方案三3.3.1 設(shè)計(jì)思路與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路：堅(jiān)持簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定、快速的總設(shè)計(jì)思路，總結(jié)前兩個(gè)方案的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以解決方案二的提升問題為主要內(nèi)容。圖310 方案三的總體結(jié)構(gòu)通過機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)確定了提升機(jī)構(gòu)方案之后，設(shè)計(jì)完成的手動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案如下：沿用方案二的主、次夾持機(jī)構(gòu)形式，取消前兩個(gè)方案中次夾持機(jī)構(gòu)的“卷游絲”式小范圍提升機(jī)構(gòu)，讓次夾持機(jī)構(gòu)與主夾持機(jī)構(gòu)共用一個(gè)提升機(jī)構(gòu)；主夾持機(jī)構(gòu)布置在驅(qū)動(dòng)輪的同側(cè)，而將次夾持機(jī)構(gòu)布置在驅(qū)動(dòng)輪的對(duì)側(cè)。提升機(jī)構(gòu)仍采用兩根導(dǎo)桿，相比前兩個(gè)方案的變化是導(dǎo)桿變粗了，直線軸承變長(zhǎng)了。同時(shí)采用游絲加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛性，解決了兩根導(dǎo)桿提升結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，上部機(jī)構(gòu)易晃動(dòng)的缺點(diǎn)， 揚(yáng)桂霞. 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)及選用. 機(jī)械工程師，2001.(7).如圖310。3.3.2 優(yōu)化與改進(jìn)這一方案的樣機(jī)制作出來(lái)后，依據(jù)調(diào)試過程發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)方案三先后進(jìn)行了四項(xiàng)改進(jìn)。第一項(xiàng)是把主夾持機(jī)構(gòu)和次夾持機(jī)構(gòu)的位置相互調(diào)換了一下，原因是在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)器人走行受驅(qū)動(dòng)方式（前驅(qū)和后驅(qū)）的影響很大。采用后驅(qū)的方式時(shí)，機(jī)器人操控性好，轉(zhuǎn)向靈活，而當(dāng)采用前驅(qū)方式時(shí)，機(jī)器人的操控性變得很差，轉(zhuǎn)向時(shí)很難控制。因此需要把主夾持機(jī)構(gòu)布置在驅(qū)動(dòng)輪的對(duì)側(cè)，即多數(shù)情況下采用后驅(qū)的行進(jìn)方式。經(jīng)過分析，產(chǎn)生這一差異的可能原因是：腳輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它將始終保持與摩擦力共線，當(dāng)采用后驅(qū)方式時(shí)，腳輪先于整個(gè)車體轉(zhuǎn)向，起著導(dǎo)向的作用，因而轉(zhuǎn)向靈活；而當(dāng)采用前驅(qū)方式時(shí)，腳輪轉(zhuǎn)向滯后于車體，起著保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向的作用，所以轉(zhuǎn)向時(shí)慣性大，操控性差。 Jorge Angeres. An Innovative Drive for Wheeled Mobile. ASME transactions on mechatronics vol.10 no.1 February 2005.第二項(xiàng)是取消了主夾持機(jī)構(gòu)上的護(hù)球桿。在樣機(jī)的調(diào)試運(yùn)行過程中，除了在劇烈碰撞情況下，機(jī)器人行進(jìn)時(shí)沒有出現(xiàn)過奶酪從陶罐中掉落的情況，因此護(hù)球桿的必要性需要做進(jìn)一步驗(yàn)證，驗(yàn)證方式是分析夾持在機(jī)器人上的陶罐和奶酪的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。 Wen-Hong Zhu .Dynamics of General Constrained Robots Derived from Rigid Bodies. Journal of Applied Mechanics, MAY 2008, Vol. 75 / 031005-1.陶罐和奶酪動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性校核：根據(jù)手動(dòng)機(jī)器人的最大加速度和奶酪的質(zhì)量，建立陶罐和奶酪的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析模型，如圖311。 （31）求得：，因此當(dāng)機(jī)器人處于最大加減速狀態(tài)時(shí)，奶酪不會(huì)從陶罐掉落出來(lái)，護(hù)球桿沒有必要加上。圖311 陶罐和奶酪的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析模型第三項(xiàng)是在靠近驅(qū)動(dòng)輪的一側(cè)安裝了一個(gè)支撐角輪，該腳輪懸離地面約1mm。這一改動(dòng)是針對(duì)機(jī)器人在啟動(dòng)加速時(shí)出現(xiàn)的前后晃動(dòng)而進(jìn)行的。而出現(xiàn)這一狀況的原因是機(jī)器人的重心離驅(qū)動(dòng)輪的軸線太近并且離地面太高，如圖312。經(jīng)過改進(jìn)，這一情況得到了根本性的改善，如圖313。 王樹國(guó)，戰(zhàn)強(qiáng)，陳在禮. 移動(dòng)機(jī)器人的爬梯機(jī)構(gòu). 機(jī)器人，1998，20.圖312 方案三的重心位置圖313 改進(jìn)后的底盤部分第四項(xiàng)是取消次夾持機(jī)構(gòu)而再增加一個(gè)主夾持機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)次夾持機(jī)構(gòu)的初衷是為了在敵方成功破了我方籃區(qū)之后，手動(dòng)機(jī)器人能夠“揀回”一點(diǎn)分?jǐn)?shù)。但是進(jìn)一步分析認(rèn)為，如果對(duì)方能夠成功對(duì)我方籃區(qū)實(shí)施破壞，那么對(duì)方很可能不會(huì)再給我方機(jī)會(huì)把陶罐和奶酪揀起來(lái)再放回去，如在破壞籃區(qū)之后，再采取“占領(lǐng)”該籃區(qū)的方式，這樣，即使我方手動(dòng)機(jī)器人能揀到散落的陶罐和奶酪，受次夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式約束，也是很難再放入另一個(gè)籃區(qū)得分的。而水平較高的干擾方式則可能直接把籃區(qū)的陶罐和奶酪拿走了。從另一方面考慮，與其去揀散落的陶罐和奶酪，還不如抓緊時(shí)間去爭(zhēng)取少女島上的。因此取消次夾持機(jī)構(gòu)而換上一個(gè)可以折疊的主夾持機(jī)構(gòu)，“可以折疊”是為了讓機(jī)器人符合“比賽開始前，在手動(dòng)啟動(dòng)區(qū)內(nèi)，手動(dòng)機(jī)器人的尺寸不能超出1000mm長(zhǎng)、1000mm寬、1000mm高”的規(guī)定。需要說明的是這個(gè)折疊機(jī)構(gòu)是個(gè)“一次性”機(jī)構(gòu)，比賽開始后，依靠機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)的慣性力展開，因而不會(huì)引入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，增加控制量。 張玉茹，李繼婷，李劍鋒. 機(jī)器人靈巧手建模、規(guī)劃與仿真. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. 經(jīng)過改進(jìn)后的手動(dòng)機(jī)器人實(shí)體模型如圖314所示。制作完成的手動(dòng)機(jī)器人實(shí)物照片如圖315所示。圖314（a） 改進(jìn)后的方案三總體結(jié)構(gòu)（展開后）圖314（b）改進(jìn)后的方案三總體結(jié)構(gòu)（展開前）圖315（a） 持有三套陶罐和奶酪的手動(dòng)機(jī)器人圖315（b） 夾取陶罐和奶酪圖315（c） 放置陶罐和奶酪圖315（d） 疊放陶罐和奶酪第4章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 走行系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1.1 走行方式選擇常用的移動(dòng)機(jī)器人走行方式有：履帶式、步行式、輪式。1.履帶式履帶式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積大，所以機(jī)器人在行進(jìn)時(shí)，車體很穩(wěn)健，不怕撞，對(duì)抗性強(qiáng)，并且具有良好的爬坡性能和一定的越障能力，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)向不便，機(jī)動(dòng)性差，摩擦損耗大，電機(jī)效率低，速度較慢。在前幾屆比賽中，有一些采用這一走行方式的隊(duì)伍，但是表現(xiàn)一般。2.步行式步行式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)地面的適應(yīng)能力強(qiáng)，但是目前技術(shù)還不成熟，機(jī)械和控制上的實(shí)現(xiàn)難度大，這對(duì)于以在校大學(xué)生為參賽對(duì)象，以機(jī)器人的速度、靈活性和可靠性為主要對(duì)抗內(nèi)容的亞太機(jī)器人大賽來(lái)說，非常不適用。3.輪式輪式是這項(xiàng)賽事中最常見的機(jī)器人走行方式。它有一下優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高速靈活移動(dòng)，設(shè)計(jì)制作以及控制都相對(duì)簡(jiǎn)單，能量利用率高；缺點(diǎn)是對(duì)路面的要求較高，適合平整的路面，因此輪式走行方式非常適用于這項(xiàng)賽事。我校從第一屆比賽開始，一直都采用這一走行方式，本屆也不例外。輪式走行方式有多種結(jié)構(gòu)形式，按輪數(shù)分類有：三輪式，四輪式；按驅(qū)動(dòng)輪的位置分類有：前驅(qū)式，后驅(qū)式，中驅(qū)式；前幾屆比賽中，我校參賽選手設(shè)計(jì)的三輪驅(qū)動(dòng)的“萬(wàn)向底盤”，是一種比較新穎的輪式走行方式，這種走行方式能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平面內(nèi)的任意方向平移，其結(jié)構(gòu)如圖41，相對(duì)兩輪驅(qū)動(dòng)的普通輪式走行方式，它的優(yōu)點(diǎn)是姿態(tài)調(diào)整迅速，方便；缺點(diǎn)和不足是電機(jī)效率低，機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，安裝精度要求較高，控制難度大，速度也有待提高。 宗光華等機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐(第一版)北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004.圖41 萬(wàn)向底盤本次設(shè)計(jì)中，手動(dòng)機(jī)器人選用三輪走行方式。理由主要有以下兩點(diǎn)：a. 根據(jù)三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理，三輪式可以保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的著地性能一樣，不會(huì)像四輪式那樣會(huì)因地面不平或者裝配誤差造成兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪所受的摩擦力不一樣而影響機(jī)器人走行性能。b. 三輪式結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔，走行靈活。4.1.2 走行電機(jī)選擇. 電機(jī)選擇原理根據(jù)機(jī)器人行進(jìn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力的平衡關(guān)系，可以建立機(jī)器人的行駛方程式，確定機(jī)器人的動(dòng)力性能。同樣，根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)力性能要求，就可以求出機(jī)器人行進(jìn)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的最大輸出轉(zhuǎn)矩。 王立權(quán). 機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作. 北京：清華大學(xué)出版社，2007 .機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力一定要克服行駛阻力，其行駛方程可以表述為： （41）式中 所有驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力之和（N）； 行駛阻力之和（N）. 機(jī)器人行駛方程的建立1. 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力 如圖42，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)至驅(qū)動(dòng)輪。作用在驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩使車輪對(duì)地面產(chǎn)生一個(gè)圓周力，根據(jù)作用力與反作用力原理，地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生一個(gè)反作用力，即使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力，其值為： （42）或 （43）式中 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（）； 減速器傳動(dòng)比； 傳動(dòng)系的機(jī)械效率； 驅(qū)動(dòng)輪的半徑（m）圖42 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力有公式（43）知，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力取決于有效轉(zhuǎn)矩、傳動(dòng)比、傳動(dòng)效率和車輪半徑。對(duì)于機(jī)器人來(lái)講，車輪半徑是已知常數(shù)，因此決定值的是、。2. 機(jī)器人的行駛阻力 機(jī)器人行駛時(shí)需要不斷克服行駛過程中的各種阻力。不考慮地面的坡度，這些阻力有來(lái)自地面的滾動(dòng)阻力；來(lái)自空氣的空氣阻力；加速時(shí)的加速阻力,所以總阻力為： （44）1） 滾動(dòng)阻力 滾動(dòng)阻力主要是由于輪胎變形和路面變形產(chǎn)生的，等于滾動(dòng)阻力系數(shù)與機(jī)器人負(fù)荷G的乘積： （45）其中為坡度角，當(dāng)機(jī)器人在水平地面行駛時(shí)，；滾動(dòng)阻力系數(shù)通常由試驗(yàn)確定，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。它與地面的類型和材質(zhì)、機(jī)器人行駛速度、輪胎的材料有關(guān)。2）空氣阻力 空氣阻力與機(jī)器人的尺寸，外表面形狀和行駛速度有關(guān)。由于所設(shè)計(jì)的機(jī)器人行進(jìn)時(shí)接受空氣阻力的表面面積很小，而且比賽在室內(nèi)舉行，因此可以忽略這一阻力。3）加速阻力 機(jī)器人在行駛時(shí)，需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)的慣性力，計(jì)算公式為： （46）式中 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)（）； 機(jī)器人的質(zhì)量（kg）； 機(jī)器人行駛時(shí)的加速度（）3.行駛方程的建立 根據(jù)以上分析，可以得到機(jī)器人的行駛方程式： （47）或 （48）根據(jù)動(dòng)力學(xué)功率方程可知： （49）代入公式（48），得到機(jī)器人的行駛方程： （410）式中 驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）； 驅(qū)動(dòng)輪的半徑（m）； 所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩之和（）公式（410）表示了驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力的數(shù)量關(guān)系，應(yīng)用此公式，根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)力性能要求，可以求出機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的最大轉(zhuǎn)矩。. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算根據(jù)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)確定走行電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，設(shè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪受力情況相同，則： （411）式中、分別為左右兩驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)機(jī)器人的行駛方程，各個(gè)走行電機(jī)減速器的輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下： （412）式中 、為左右兩個(gè)走行電機(jī)減速器的輸出轉(zhuǎn)矩。已知機(jī)器人的設(shè)計(jì)質(zhì)量，驅(qū)動(dòng)輪半徑，路面坡度角，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和為，取0.02，；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，正常運(yùn)行的加速度應(yīng)為，代入公式（412），得出走行電機(jī)的減速器輸出的最大轉(zhuǎn)矩為。. 電機(jī)型號(hào)初選與驗(yàn)證 經(jīng)查閱大量直流電機(jī)產(chǎn)品資料后，初步選定maxon公司生產(chǎn)的RE35空心杯轉(zhuǎn)子直流電機(jī)，配套減速器的減速比為5.8：1。下面驗(yàn)證初選的電機(jī)是否滿足要求。1） 根據(jù)機(jī)器人的走行速度要求4.5m/s、電機(jī)減速器減速比5.8和驅(qū)動(dòng)輪半徑70mm可以推導(dǎo)出電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速要求是：。2） 把減速器的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)Q算成電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩： （413）式中 電機(jī)減速器輸出轉(zhuǎn)矩（）； 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（）；減速比； 減速器傳輸效率； 電機(jī)摩擦轉(zhuǎn)矩（）經(jīng)前面的計(jì)算和查閱所選型號(hào)電機(jī)的參數(shù)表可獲知這四個(gè)參數(shù)的值分別為：，（可以忽略不計(jì)）將以上數(shù)據(jù)代入公式（413），可得：查電機(jī)參數(shù)表可知，RE35空心杯轉(zhuǎn)子直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩）是93.3mNm，與比較，可知直流電機(jī)的期望輸出轉(zhuǎn)矩沒有超過電機(jī)的最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩，所以可以繼續(xù)下一步檢驗(yàn)。實(shí)際上，根據(jù)電機(jī)的另一參數(shù)轉(zhuǎn)矩常數(shù)29.2mNm/A，即在機(jī)器人的啟動(dòng)瞬間，如果供給電機(jī)的電流能達(dá)到12A，機(jī)器人的瞬時(shí)加速度可以達(dá)到左右，根據(jù)電機(jī)的性能曲線，這是可以做到的。3） 電樞電流的計(jì)算電機(jī)供應(yīng)商給出的電機(jī)電流計(jì)算公式是： (414)式中 電機(jī)最大效率； 電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)（mNm/A）； 空載電流（A）根據(jù)電機(jī)參數(shù)表查得以上參數(shù)值為：電機(jī)最大效率84%，轉(zhuǎn)矩常數(shù)29.2mNm/A，空載電流168mA。代入公式（414）得：查得電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流是39.7A，因此當(dāng)減速器的輸出轉(zhuǎn)矩為時(shí)，電機(jī)處于安全運(yùn)行狀態(tài)。4） 計(jì)算電機(jī)在減速器輸出轉(zhuǎn)矩為時(shí)的轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： （415）式中 電機(jī)的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（rpm）； R電機(jī)內(nèi)阻（） 轉(zhuǎn)矩常數(shù)（OZ-in/A）以上參數(shù)大小從電機(jī)參數(shù)表中查得：空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速7670rpm，電機(jī)內(nèi)阻0.605，轉(zhuǎn)矩常數(shù)4.113OZ-in/A，代入公式（415）中，可得當(dāng)減速器輸出轉(zhuǎn)矩為時(shí)，電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速為，大于機(jī)器人行進(jìn)速度要求的最低轉(zhuǎn)速，符合要求。通過以上驗(yàn)算，可以得出結(jié)論：所選的maxon-RE35空心杯轉(zhuǎn)子直流電機(jī)符合要求。4.1.3 走行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及外形尺寸底盤骨架使用19X19mm，壁厚為0.5mm的不銹鋼方管焊接成形。其結(jié)構(gòu)是以三輪式走行方式為基礎(chǔ)，在驅(qū)動(dòng)輪附近安裝了一個(gè)腳輪以解決機(jī)器人在啟停時(shí)前后晃動(dòng)的問題，該腳輪懸離地面約1mm，通常情況下不與地面接觸。外觀尺寸為500mmX437mm，底盤離地高19mm。外形尺寸和結(jié)構(gòu)形式如圖43所示。圖43 底盤結(jié)構(gòu)及外形尺寸4.2 提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提升機(jī)構(gòu)是亞太機(jī)器人大賽賽場(chǎng)上最常見的機(jī)構(gòu)之一，主要為機(jī)器人提供豎直方向的自由度。往屆比賽采用的提升機(jī)構(gòu)形式：自制的地滾輪滑塊配合鋁方管作為直線運(yùn)動(dòng)副，鏈傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，如圖44。其優(yōu)點(diǎn)是成本低；缺點(diǎn)是制作困難，配合間隙不好把握，安裝不方便，摩擦阻力大，提升的重量上限小，提升速度慢，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不好，而且偏重。本屆比賽采用的提升機(jī)構(gòu)形式：自動(dòng)化機(jī)電產(chǎn)品專用直線運(yùn)動(dòng)副，“卷游絲”式的驅(qū)動(dòng)方式，如圖45。其優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力小，提升順暢、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是成本較高，很難找到配套的空心導(dǎo)桿，而若用實(shí)心導(dǎo)桿，則太重。 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社， 2001（第七版）.圖44 自制的地滾輪式直線運(yùn)動(dòng)副空心導(dǎo)桿直線軸承提升游絲圖45 直線軸承式直線運(yùn)動(dòng)副4.2.1 優(yōu)化與改進(jìn)由于是第一次采用直線軸承式的提升方式，沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)資料和經(jīng)驗(yàn)供參考，在設(shè)計(jì)和制作時(shí)遇到了許多困難，經(jīng)歷了多次優(yōu)化與改進(jìn)。第一版設(shè)計(jì)方案該設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)副組成，結(jié)構(gòu)剛性好。使用的直線軸承型號(hào)是SC10UU，直線導(dǎo)桿的直徑為10mm，材料為不銹鋼棒。提升電機(jī)用的是改裝后的GWS-S666舵機(jī)，其性能參數(shù)是：工作電壓為6V時(shí)的輸出扭矩是，額定轉(zhuǎn)速是。用一個(gè)電位器對(duì)提升的高度進(jìn)行檢測(cè)（日）船倉(cāng)一郎，土屋，堯. 機(jī)器人控制電子學(xué). 北京：科學(xué)出版社，2004.，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升位置控制，圖46。這一設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)是：a. 加工和裝配的精度很難達(dá)到它對(duì)三根導(dǎo)桿的相對(duì)位置精度和平行度的要求，因此在提升過程中會(huì)出現(xiàn)不順暢甚至卡死的情況；b. 設(shè)計(jì)過程中對(duì)摩擦力的估計(jì)過低，造成舵機(jī)過載，提升速度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。圖46第一版提升機(jī)構(gòu)第二版設(shè)計(jì)方案根據(jù)第一版出現(xiàn)的問題，第二版采用兩導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)形式，降低機(jī)構(gòu)對(duì)加工和裝配精度的要求，同時(shí)選擇更大型號(hào)的直線軸承和直線導(dǎo)桿，即解決了由于導(dǎo)桿直徑太小引起的結(jié)構(gòu)剛性不好的問題，也減小了摩擦阻力。此外采用牽拉游絲的方式解決了兩導(dǎo)桿提升形式穩(wěn)定性差的問題 錢曉忠.競(jìng)賽機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與基本機(jī)械結(jié)構(gòu)Robocon全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽J.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,01.。但在市場(chǎng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，專用的導(dǎo)桿都是實(shí)心的，長(zhǎng)度為1m直徑為20mm的導(dǎo)桿重量達(dá)到了2.5kg，采用這樣笨重的導(dǎo)桿是與手動(dòng)機(jī)器人輕巧靈動(dòng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)相違背的，因此只能通過實(shí)驗(yàn)尋找直線導(dǎo)桿的替代品。通過多次實(shí)驗(yàn)，最終確定使用外經(jīng)為19mm，壁厚為1mm的不銹鋼管替代專用導(dǎo)桿，直線軸承則選用亞美特公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)MF20LUU的加長(zhǎng)型直線軸承，如圖47。圖47 加長(zhǎng)型直線軸承針對(duì)第一版設(shè)計(jì)方案中提升速度慢的問題，第二版重新選用提升電機(jī)，放棄使用改裝的舵機(jī)，而選用普通的直流減速電機(jī)。經(jīng)過以上優(yōu)化與改進(jìn)，設(shè)計(jì)制作了第二版提升機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖48，這一設(shè)計(jì)方案解決了前一版方案的所有問題，全行程提升最快只需0.8s。其不足之處是不銹鋼圓管和直線軸承配合間隙為1mm，滑塊有一些晃動(dòng)，但是對(duì)機(jī)器人的整體性能的影響可以忽略。最大的缺點(diǎn)是提升電機(jī)自鎖力量不夠，無(wú)法讓滑塊停止在某一高度位置，而如果選用減速比更大的電機(jī)，雖然能實(shí)現(xiàn)自鎖，但是速度又達(dá)不到要求。 Kenan Koser. A slider crank mechanism based robot arm performance and dynamic analysis. Mechanism and Machine Theory 39 (2004) 169182.圖48 第二版提升機(jī)構(gòu)第三版設(shè)計(jì)方案針對(duì)第二版設(shè)計(jì)方案的自鎖（制動(dòng)）問題，設(shè)計(jì)采用電磁制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)提升機(jī)構(gòu)的制動(dòng)。電磁制動(dòng)器按工作原理可分為上電制動(dòng)器和失電制動(dòng)器。失電制動(dòng)器是在不通電狀態(tài)時(shí)，壓簧的回復(fù)力將銜鐵與摩擦片壓緊而產(chǎn)生摩擦力矩，而摩擦片通過機(jī)械聯(lián)結(jié)的方式與旋轉(zhuǎn)軸固連在一起的，這樣就迫使旋轉(zhuǎn)軸停止運(yùn)動(dòng)，起到制動(dòng)作用。當(dāng)制動(dòng)器通電后，電磁力克服彈簧力吸引銜鐵脫離摩擦片，而使銜鐵對(duì)摩擦片的制動(dòng)摩擦力消失，讓旋轉(zhuǎn)軸處于自由狀態(tài)。上電制動(dòng)器的工作原理恰好相反，制動(dòng)器的銜鐵是和旋轉(zhuǎn)軸固連在一起的，通電狀態(tài)下，制動(dòng)器內(nèi)部線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)將銜鐵吸著在摩擦盤上，產(chǎn)生摩擦力矩實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，斷電狀態(tài)下由于摩擦面上正壓力小，摩擦力矩小，旋轉(zhuǎn)軸能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械