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1、目录一、设计题目与内容1二、机器装置的原理方案构思和拟定2%1 上下楼梯方案的构思和拟定2%1 机械手以及存环方案的构思和拟定2三、原理方案的实现、传动方案的设计 2%1 针对上下楼梯的方案，采用了两节履带的方式2%1 取环、存环和套环功能的实现5%1 传动方案的设计8四、关键技术的分析与实现、主要结构的设计简图9%1 三舵机结构9%1 控制模块9五、设计计算与说明11%1 驱动电机的计算11%1 翻转电机的计算11%1 同步带和同步带轮的设计计算12%1 机械手臂电机的设计计算 12%1 设计小结13六、附录14工作就是人生的价值，人生的欢乐，也是幸福之所在。一、设计题目与内容本次竞赛的题冃
2、是深海探宝机器人的研制。冃前国内的海底探测机器人的研究现状。中国水下机器人的研究发展起步较晚。1986年“863”计划实施之/前，我国研制的 都是有缆遥控水下机器人，工作深度仅为300米。现在研究的重点是无缆机器人，这种 机器人不依赖人的控制，摆脱了电缆的限制，为水下机器人向深海发展提供了条件。1997 年6月，中国第一套6000米水下机器人试验获得成功，而这一次出海的第二套6000 米水下机器人，担负的任务更为艰巨。本次竞赛项冃的研究内容是设计一探宝车的原理样机。该样机需耍完成竞赛规定的 动作，并实现预定的功能。规定比赛的总时间为10分钟，若在此时间内，没有完成所 有动作，则以10分钟内完成
3、的动作进行计分。探宝车的机械尺寸也有限制，具长、宽、 高都必须在300mm Z内。探宝车需实现的功能耍求如下：竞赛前，探宝车位于起始位置（见图1比赛场地示意图，一区），待裁判示意竞赛 开始后进行竞赛并开始计时，首先探宝车从起始位置开始运动，完成下楼梯的动作后， 到达二区；然后在探宝车的主体不进入三区的前提下，取出位于三区内分别套在9个圆 柱上的PVC环，完成取环的动作，根据PVC环所套圆柱与二区的距离远近，得分不同； 接着探宝车由二区向四区进发，完成上楼梯的动作，在到达四区后，需将从三区所取的 环套在五区内的闘柱上，五区中共有6个慣|柱，根据圆环所套闘柱的直径及其与四区距 离的不同，得分也不相
4、同。将三区内的9个环都套在五区的圆柱后，既完成了竞赛规定 的所有内容。图1竞赛场地二、机器装置的原理方案构思和拟定根据竞赛要求，设计探宝车总体结构，如图2-1所示。探宝车结构由两部分组成: 行走车身和机械臂。行走车身用于实现探宝车的行走和上下楼梯。机械臂的主耍功能是 实现取环、存环和套环。图2-1探宝车简图1上下楼梯方案的构思和拟定履带式结构很容易翻越各种障碍，拟定车身为双履带结构，双履带具有上下楼梯稳 定、结构简单的特点。车身展开时，车身上而积大，设计时就有比较大的空间，有利于 设计机械手臂以及存储9个圆环的机构。2机械手以及存环方案的构思和拟定根据竞赛规则对车身尺寸的限制以及所需抓取圆环的
5、最远距离，考虑将手臂分为 多节，这样手臂折叠时符合尺寸的限制，展开时乂能抓取9个圆环。为了存环和套环方 便，将机械手臂和存环机构结合。拟定方案：将于臂分为三节，手臂的最前端连接由三个舵机组成的机械手和存环机 构，抓取圆环后就可以将圆环直接放入存环机构中。原理方案的实现、传动方案的设计(-) 上下楼梯的方案的实现由中轴上两组齿轮来实现前节履带的上下翻转O1. 下楼梯的实现探宝车在下楼梯的时候大致可以分解为4个动作:选择一个恰当的位置，准备下楼梯。图 3-1-a控制翻转电机转动，带动前节履带紧紧贴住楼梯。%1 利用履带和楼梯接触部分的摩擦力，使车身继续爬下楼梯。%1 半车身最前端接触平地时，控制翻
6、转电机转动，使车身平稳到达地面。2. 上楼梯的实现上楼梯是下楼梯的一个逆过程，大致也可以分解为4个动作: 探宝车靠近楼梯时，控制翻转电机抬起前节履带贴住楼梯。利用履带和楼梯的摩擦力使车身向上运动。%1 当到达图3-2-c位置时，翻转电机转动将前节履带放下。%1 探宝车继续向上运动,到达图3-2-d位置。() ()（二）取环、存环和套环功能的实现如图3-3所示，电机1电机2控制机械臂在水平方向内转动，电机3控制垂直水平 面方向的转动。电机1电机2图3-3机械手臂简图如图3-4为机械手以及存环结构，舵机1控制在水平面上进行每次9的微调。舵 机2控制机械手的开合，抓取圆环，舵机3连接一个挡板，弧形柱
7、用来存储9个圆环。图3-4机械手三维图1）取环、存环的实现在二区取环时，调整车身至图3-5位置，机械手在二区抓取圆环，当抓紧圆环时,控制电机3使机械手抬起到一定位置（图3-7）,将舵机3控制的挡板移开，已抓取的圆环顺着弧形柱下滑，这时将描板再次移到机械手上方，已抓取的圆环就不会掉出了, 接下来就可以抓取其它圆环直到将9个圆环全部取完。探宝车在如图3-5位置，依靠机械手抓取9个圆环，不必调整车身。图3-5取环示意图 抓环，此时舵机3上挡板在机械手上方（挡板未画出，具体位置见图3-4）存环机构图3-6 电机3将机械手抬起至图3-7位置，移开舵机3挡板，圆环掉入存环机构中。舵机A图3-7去抓其它圆环
8、，此时拦板在机械手上方防止圆环掉 存环机构连孩机械臂整圆图3-9（三）传动方案的设计探宝车有以下两种传动方式：1.同步带传动在探宝车的设计中同步带传动是主要的传动方式（图310）。通过两根小同步带和 四根大同步带驱动六个车轮，实现车子的前进、后退、左转、右转、急停等功能。选用同步带传动可以使电机等部件全部放在车身底板的下而，这样车身底板上而除 了机械手臂Z外就没有其他结构了，使得车身更为简单。IIIIIIIIIIIIIIITI1TIIIIintiiiinnmniiinimn图3-10同步带轮传动2.齿轮传动在前节履带的翻转中用到了齿轮传动。如图3-11,由两个翻转电机控制两个小齿轮带动两个与中
9、轴同定的大齿轮转动，实现前节车身的翻转。、翻转电机图3-11齿轮传动关键技术的分析与实现、主要结构的设计简图(%1) 三舵机结构探宝车抓环、存环和套环的动作主耍由机械臂前端的三个舵机完成，称Z为三舵机 结构，其结构原理如图4-1所示。舵机1用于实现机械手每次9。的微调，在用机械臂 套环时，需将存储I员I环用的弧形柱与五区中的I员I柱对准，由于机械臂的定位精度不高， 所以需要对机械臂进行水平面内的微调，控制舵机1可实现此功能。舵机2连接机械手, 通过对机械手的控制，用来抓、放圆环。舵机3连接一块挡板，用于控制挡板的开合。 当机械手抓取一个圆环后，需将挡板打开才能将圆环存入弧形柱上，存入后，需将挡
10、板 闭合，否则存入的原环在取下一个环时，会滑出弧形柱。套环时将挡板移开，让圆环顺 势滑入指定I员I柱中。图4-1三舵机结构(-)控制模块a. 控制模块的主要功能是用于键盘通信和电机控制。探宝车动作的控制是通过 键盘操作实现，键盘上的每一个键都对应某种功能，每次按下一个键，键盘模块就 和控制器进行一次通信，控制器识别信号后，就可以通过控制相应的电机以实现该 键所预设的功能。控制模块由硬件模块和软件模块组成。控制模块的硬件原理结构图如图42所示。探宝车使用4X4键盘，各按键功能 设置见附录。键盘通过串口与CPU通信，CPU在接收和处理后，通过舵机驱动电 路控制舵机动作，通过直流电机驱动电路控制直流
11、电机的转动。控制模块上的电源 模块分别给CPU及电机驱动电路提供电源。图42控制模块的硬件原理结构图b、软件模块的主要功能是通过编制程序，实现对探宝车的逻辑控制。其软件流程 如图43所示。在程序运行后，CPU不断扫描是否接收到键盘信号，一旦接收到键盘信 号后，就进行信号的识别，然后调用相应的子程序，来实现规定的动作。包括：停止子程序；电机子程序（前进，后退，左转，右转，车身前翻，后翻）； 舵机子程序（合上档板，合上机械手；松开档板，松开机械手；合上档板，松开机械手）。图4-3流程图五、设计计算与说明(-)驱动电机的计算驱动电机是深海探宝车的动力来源，通过对驱动电机的控制，可实现探宝车的前进、
12、后退、左转、右转、急停五个功能。本次设计采用两个直流电机作为探宝车的驱动电机。 选择直流电机时，需考虑的关键参数是电机转速和功率。根据竞赛对探宝年完成比赛所 需时间的要求，确定了驱动电机转速为50rpm,以保证探宝车的行走速度。电机功率的 计算过程如下：已知：电机的空转转速n=50rpm,传动效率n=0. 7,探宝车总质量m=4kg,摩擦因 子u二0.6 ,楼梯坡度45 ,同步带轮直径d=0. 05mc计算：因为探宝车下楼梯时，重力沿楼梯斜坡方向的分量做正功，而上楼梯时，重 力分量做负功，所以选择电机时，以满足上楼梯所需功率为准。若探宝车全速前进则：摩擦力 f= u mgcos45 重力在楼梯
13、斜坡方向上的分力F= mg sin45上楼梯电机所需最小功率：p2= (F+f) v=(mg sin45 + U mgcos45 ) XnXd/60=(4X9.8X1.414+0.6X4X9.8X1.414) X50X0.05/60=3.68w设每个驱动电机的功率为p,考虑到传动效率，设电机有效功率p,则P1 p2/2 ,由此我们选用驱动电机的功率参数为3.5w,两个电机总功率为7w ,电机有效功 率=2p0 Q 二4. 9wo结论：选用直流减速电机12v,空载转速50 rpm,最大效率时转速19rmp,功率3. 5w,可以满足探宝车的驱动耍求。(%1) 翻转电机的计算翻转电机是探宝车上下楼梯
14、的保障，在探宋车上下楼梯的时候，翻转电机驱动中轴 翻转，使探宝车顺利上下楼梯。根据翻转电机的功能，确定转速为15rpmo 前节车身M二0. 4 kg翻转电机空转转速n=15 rpm齿轮传动效率n=0.8在抬起前节车身时，前节车身刚离开地面吋电机所需的功率是最大的，此时重力做 负功，设重心和中轴的距离为d=0. 2m重心位置的瞬时速度v=15X2X0. 2/60=0. lm/s电机所需最小的功率为：p? =Mgv/ n=0. 5X9. 8X0. 1/0. 8=0. 61w选用翻转电机功率0. 55w电机总功率p=0. 55X2=1. lw p2 （两个翻转电机）所以翻转电机可以顺利实现前节车身的翻转。选用直流减速电机电压：12v ；空载转速15rpm最大效率时转速8 rmp功率0. 55w。（三）同步带和同步带轮的设计计算根据竞赛规则，车身在折叠时其长、宽、高均耍小于等于300mm,因此在保证这个 要求的前提下，初步拟定了小带轮的节径在25mm左右，大带轮的节径在45mm左右。小 带轮的中心距在llOmni左右，大带轮的中心距在250mm左右。选用小带轮型号：15XL037,节径d二24. 26 nun,外径do=23. 75 mm 大带轮型号：28XL066,节径 d二45. 28mm,外径 do=44. 77mm小同步带的型号：单齿58XL 节线长：294. 64m
