最小运动惯量原则:由于机器人运动部件多,运动状态经常改变,必然产生冲击和振动,采用最小运动惯量原则,可增加机器人运动平稳性,提高机器人动力学特性。
为此,在设计时应该注意在满足强度的前提下,尽量减小运动不讲的质量,并注意运动部件对转轴的质心装配。
尺度规划优化远侧:当设计要求满足一定工作空间要求时,通过尺度优化以选定最小臂杆尺寸,这将有利于机器人刚度的提高,使运动惯量进一步降低。
高强度材料选用原则:由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的,选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。
刚度设计的远侧:机器人设计中刚度是比强度更重要的问题,要使刚度最大,必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸,提高支撑刚度和接触刚度,合理地安排作用在杆臂上的力和力矩,尽量减少杆件的弯曲变形。
可靠性原则:机器人因机构复杂、环节较多,可靠性问题显得尤为重要。
一般来说,元器件的可靠性应高于部件的可靠性,而部件的可靠性应高于整机的可靠性。
工艺性原则:机器人是一种高精度、高集成度得自动机械系统,良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。
仅有合理地机构设计而无良好的工艺性,必然导致机器人性能的降低和成本的提高。
3 机器人机械设计3.1 底盘和轮子的选择与设计 为了让机器人能够快速的定位,那么它需要有足够的灵活性,当使用全向轮作为动力轮时我们就就得考虑底盘形状了。
底盘整体可分为四边形底盘和三角形底盘,它们的作用 3 -和功能特性也有很多不同。
四边形底盘:动力轮分布在底盘的四个方向(如下图所示),轮心到底盘重心 O 的距离等于 a,假设四个轮子与地面的滚动摩擦力分别为 f1、f2、f3、f4按照运动力学公式推导如下: 图 2 四边形底盘分析 Fig.2 Chassis Of Quadrilateral ∑Fx f1 f3 ∑Fy f2 f4 ∑Mo f1 a f2 a f3 a f14 a(1) 当 f1 f3 ;f1 与 f3 方向相同 f2 f4 0 此时机器人向 X 方向运动(2) 当 f2 f4 ;f2 与 f4 方向相同 f1 f2 0 此时机器人向 Y 方向运动(3) f1 f2 f3 f4;f1 与 f3 方向相反 f2 与 f4 方向相反时 此时机器人原地 旋转(4) f1 f3 F1f2 f4 F2; F1 方向与 F2 相反 此时机器人向 F1 与 F2 的合 力方向移动。
4 - 三角形底盘:等边三角形底盘,动力轮分布在三条垂直平分轴线上,且到重心距离相等如下图所示。
假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为 f1、f2、f3按照力学公式推导如下: 图 3 三角型底盘分析 Fig.3 Analysis Of Triangular Chassis ∑Fy f2cos30° f3cos30° ∑Fx f3sin30° f2sin30°f1 ∑Mo f1 a f2 a f3 a1 当 f1 0f2 f3 ;f2 和 f3 的方向如图示方向时机器人向 Y 方向运动2 当 f1 2f2 2f3 ;f2 与 f3 方向如图所示;或 f2 f3 0 此时机器人向 x 方向移动。
3 f1 f2 f3 ;f3 方向与图示相反 f1 和 f2 方向与图示一致时 此时机器人原地 旋转4 此时,如果依照四边形底盘第 4 种情况分析不能得到,能产生一个朝向任意方向 的合力 但无法使 Mo 0 这样机器人就会走出一个弧线。
当合力方向在大约 35° 时 Mo 0,也就是三角形底盘只能朝与水平线相差 35°的斜线方向直线移动 5 -综上分析两种底盘都可以实现平移和走某一方向斜线均可以满足设计需求。
但是两者均有利弊: 底盘类型 弊端 优势 35°斜线不能向任意角度平移 设计简便 能保证 3 个轮子在同 三角底盘 运动。
一平面内,能灵活转向。
由于 4 点确定一平面属于过定 可以向任意方向平移 四边形底盘 位很难保证平面度。
结论:由于搬运机器人搬运的是花瓣盆是在一定的高度的。
所以要求爪子必须是在固定的高度,要求相当好的平稳性,三点确定一面,所以选择三角底盘。
3.2 各轮系的结构和特性 假设在一个理想的状态,用硬质外壳的移动机器人,车轮,局限在水平面运动。
则机器人在水平面上的运动可以由图2 表示. 平面坐标系定义xoy 点P 是在机器人本体上的参考点车体坐标系为X PY 则机器人的位置和姿态可以由ξ x y θ T 表示 其中 x y 为点P 在平面世界坐标系中的位置θ为世界坐标系x 轴到机器人坐标系X 轴的角度其逆时针为正. 用点P 作为质点来代表机器人若能在平面世界坐标系下实现 x y θ三个自由度的运动则把它称为全方位移动机器人. 图 4 移动机器人在世界坐标系中的位置 Fig.4 Mobile Robot In The World Coordinate System Location 6 -将轮子划分为传统轮系包括固定方向轮 fixed wheel 、同心方向轮 centeredorientablewheel 和偏心方向轮off2centered orientable wheel 和自由方向轮系如Swedish 轮、球轮等. Swedish 轮也称Mecanum 轮由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成轮子和滚子之间的夹角为γ通常夹角γ为90°如下图所示,每个轮子具有三个自由度 一个是绕轮子轴心转动第二个是绕滚子轴心转动第三个是绕轮子和地面的接触点转动. 轮子由电机驱动其余两个自由度自由运动. 由三个或以上的Swedish 轮子可以构成全方位移动机器人。
综上分析传统轮系和自由方向轮系两种轮系都能实现机器人移动与定位的设计需求。
但是两者均有利弊: 轮系类型 弊端 优势 要改变运动方向只能在平面内 制造简单、价格便宜, 传统轮系 转向、转向半径大 制造困难、价格较昂贵 可以实现方向平移、改变运动方 自由方向轮系 向基本无须转向 上述表格我们可以看出自由方向轮系在平面移动运动方向改变上有巨大的优势。
所以我选择自由轮系的设计思路,有利于机器人的快速转向运动与定位。
3.3 升降体设计起重机构需要不断提升的稳定和效率可以选择螺杆,导轨,滑块和其他机构,但是必须适应比赛过程中升降快的优势,下面是选择形式的分析。
1 采用直线导轨运动:往复运动的场合,具有比直线轴承负荷较高的评价,并能承受高负载条件下的扭矩实现高精度直线运动一些。
直线运动的指导作用是用来支持和引导运动部件,根据给定的往复直线运动的方向。
由摩擦性质的决心,直线运动导轨可分为滑动摩擦,滚动摩擦铁路,钢轨的弹性摩擦,铁路和其他类型的流体摩擦。
2 直线轴承解除用途:旅行的无限直线运动系统的低生产成本的同时与气缸轴线。
由于携带与轴,所以负载使用小球点接触。
旋转的摩擦阻力最小,可以得到高精度的平稳运动钢珠。
直线轴承是用于与淬火结合。
对于无限直线运动系统。
负荷滚珠和淬火传动轴因为是点接触,更小的负荷,但直线运动,最小的摩擦,精度高,速度快的议案。
7 -3 传动带的使用:时间就是强大的钢丝或玻璃纤维层的聚氨酯或氯丁橡胶与橡胶环带覆盖,齿形带的一周内提出,从事与齿滑轮。
皮带传动,传动比准确,对轴力小,结构紧凑,油,耐磨损,耐老化性能,需要同步传输,也可用于低速传输。
同步带是由一根内齿面与等距圆带,并与相应的圆组成是一致的。
它结合了皮带传动,链传动和齿轮传动自己的优势。
通过与牙齿与牙槽骨轮啮合旋转,通过权力。
传动皮带传动具有准确的传动比,无滑,恒可用率,传动平稳,吸收振动,噪音,传动比范围内,通常可达 1:10。
允许线速度可达 50 米/秒,传输功率从几瓦到一百千瓦。
传动效率高,一般可达 98%,紧凑,多适用于轴传动,无润滑,无任何污染,所以不能让更多的污染,在正常的工作场所和工作条件差。
4,动力传动螺丝:螺丝是变为直线运动,旋转运动或直线运动,旋转运动传递到结构。
一个由螺杆,螺母和滚珠丝杆组成的典型。
其作用是变为直线运动,旋转运动的滚珠丝杆是进一步延伸和发展
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