自动机器人投篮机构设计学士学位论文(编辑修改稿)

自动机器人投篮机构设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

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Ф 154mm 和Ф华南理工大学工学学士学位论 文 15 284mm，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 45176。 ，拨杆也转 45176。 ，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 华南理工大学工学学士学位论 文 16 （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，这就对球运动的轨迹有了保证，不会出现意外的“掉球”等现象。 使用摩擦带可能会使取球机构的稳定性受到一定的影响 ，这可以通过在轮子上开个引导槽，限制带子的横向滑动，也可以通过调节摩擦带的张紧程度来解决，问题不大。 由于 16 块拨球板是连接在摩擦带上的，拨球板装上球后，有一定的重量，对摩擦带的要求较高。 总的来说，方案二的稳定性好。 （３） 整个机构的质量 由于比赛规则上场比赛的所有机器人的总质量不能超过 50kg，所以质量是一个非常重要的要求。 方案一的取球机构的质量主要由以下几部分组成：取球筐的质量、两条同步带的质量、光滑带的质量、四个同步轮的质量、五个电机的质量、刚性导轨的质量、漏斗的质量、绕线轮及绕线轮支撑座的质量。 这些部 件的质量之和不可小视，方案一的机构的质量太大。 方案二的取球机构的质量主要由以下几部分组成：两个轮子的质量、两个电机的质量、摩擦带的质量、导轨的质量、拨板和拨杆的质量。 方案二的机构的质量比方案一少了很多。 （４） 取球的动作的繁简程度；驱动、传动链的数量 方案一的取球动作主要由以下几部分组成： 华南理工大学工学学士学位论 文 17 (a) 取球筐下降罩住 8 个球； (b) 两个电机转动带动同步带光滑带运动把球装进球筐里； (c) 另两个电机转动带动取球筐上升到一定的高度； (d) 此两个电机配合动作使取球筐倾斜； (e) 两个电机转动带动同步带和光滑带 运动到一定的位置使球掉进漏斗里； (f) 拨片转动，使一个球进到投射机构里。 方案一的取球动作由五个电机驱动，传动链数量多，动作较复杂。 方案二的取球动作主要由以下几部分组成： (A) 电机驱动小轮转动带动摩擦带运动即把球导进导轨 2 里； (B) 另一个小电机工作使一个球进到投射机构里。 方案二的取球动作由两个电机驱动，传动链数量少，动作连贯简单。 （５） 取球的时间 方案一由于动作多，各动作是有先后顺序而不能同时完成的，且各动作的又不能在高速中完成，所以，方案一的取球时间长。 方案二的取球动作少，可以同时完成拨球，导球，运球等动作，所以，方案二的取球时间比方案一的少很多。 （６） 机构外型的合理性、美观程度 方案一的机构外型尺寸大，不合理，且四四方方给人笨重的感觉，整个造型不能给人美的感觉，反而会使人多少有些反感。 方案二的机构外型尺寸小，合理，由两个轮子一条带子装配起来的装置给人以新颖创新的感觉，符合大赛的宗旨和气氛。 综上所述，确定方案二同步轮－摩擦带机构为最终取球机构。 １．３ 机器人车身的设计 机器人车身的造型和尺寸要配合取球机构和投射点的高度来确定，其效果图如下： 华南理工大学工学学士学位论 文 18 车身的各尺寸如下图： 华南理工大学工学学士学位论 文 19 4608305558248496187754813348263594343未加标注的加强筋长为1 0 0 m m 机器人车身的造型和尺寸考虑到了以下几个方面的因素： 一、 比赛规则的要求； 华南理工大学工学学士学位论 文 20 二、 取球装置的尺寸； 三、 可以装球的数量； 四、 投射口的高度； 五、 水平方向上各装置机构重心的分布； 六、 整个机器人尺寸外型的美观与灵巧性。 １．４ 关键零部件的设计及制作 （１） 电机的确定 本次比赛规则要求使用 24V以下 DC 电源。 所以电机选择额定电压为 DC24V的电机。 电机是机器人最重要的零部件之一，加上本次大赛的质量限制， 所以，怎样选择质量轻，功率和转速合适，性能稳定的电机，对整个机器人的性能有相当重要的影响。 直流电机是电机的主要类型之一。 直流电动机由于其具有良好的调速性能，在许多对调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。 下面主要介绍一下直流电机的工作原理和结构。 （以下的“直流电机”均指“直流电动机”） 一 直流电机的主要工作原理： 直流电机有两个电刷，给电刷加上直流电源，则电流从其中一个电刷流入，经过一个线圈，从另一个电刷流出。 根据电磁力定律，载流导体受到电磁力的作用，两段导体受到的力形成一个转矩，使得转子转动。 由于电刷 和换向片的作用，线圈受到的转矩的方向是不变的，所以，转子转动的方向始终是同一个方向。 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减小电动机电磁转矩的波动，绕组形式同单极的直流电机。 二 直流电机的结构： 直流电机主要由两部分组成，静止的部分和转动的部分，静止的部分叫做定子，转动的部分叫做转子。 下面介绍主要的部件。 A 定子 定子的主要部件包括： １ 主磁极 主磁极的作用是产生主磁场。 绝大多数直流电机的主磁极不是永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。 主磁极由主 磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。 主磁极夹心靠近转子一端的扩大的部分称为极眭，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。 为了减少转子转动时，由于齿槽移动引起铁耗，主磁极铁心采用低碳钢板冲成一定形状叠装固定而成。 铁心上装有励磁绕组，励磁绕组用绝缘导线绕在绕组框架上，经绝缘处理后一起套入主磁极铁心。 套在主磁极铁心上的励磁绕组根据其不同的使用情况分为两种：一种是并励绕组；一种是串励绕组；并励绕组的匝数多、导线细，串励绕华南理工大学工学学士学位论 文 21 组的匝数少、导线粗，有些电机是同时有并励 绕组和串励绕组。 整个主 磁极再用螺杆固定在机座上。 主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N， S 极交替出现。 ２ 换向极 换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。 换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。 换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。 换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。 ３ 机座 直流电机的机座一方面的作用是构成主磁路的一部分，机座中作为磁路通路的部分称为磁轭，另一方面是作为电机结构的框架，主磁极和换向极固定。