毕业设计（论文）-大型六边形滚动机器人的设计与研究（全套图纸三维）(18页).doc

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1、-毕业设计（论文）-大型六边形滚动机器人的设计与研究（全套图纸三维）-第 12 页毕业设计(论文) 大型六边形滚动机器人的设计与研究学 号：姓 名：专 业：机械设计制造及其自动化系 别： 机械工程系指导教师：XXX讲师XXX副教授二一五年五月摘 要 机器人是一个国家的重要产业，机器人的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机器人的发展。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对大型六边形滚动机器人进行改良和优化是当务之急。有大型机器人生产制造企业对设备的安全指标的有着一定生产的

2、严格要求。在生产设备的企业，充分考虑到在设备运行中可能出现的问题，从而减少噪声污染引起的振动或不当操作设备的现象等。国内大型六边形滚动机器人设备的研发及制造要与全球号召的高效经济、安全稳定主题保持一致。大型六边形滚动机器人的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。全套图纸，加153893706 本毕业设计的目标是设计一种大型六边形滚动机构，该机构尺寸为大型，由六个长度相等的连杆首尾通过转动副连接而成，通过控制交错的3个转动副，可以实现几何变形，如三角形、四边形、五边形、六边形，也可以实现滚动移动的步态，控制部分舵机进行驱动，该机器人利用人体操作实现机构运动的控制。采用六杆机构作为设计基础

3、，通过机构设计与仿真设计实现滚动功能。关键词：大型六边形滚动机器人；结构；六杆机构；曲柄摇杆ABSTRACTWith development of all kind of science technology and global economy, F manipulator is a automated 16 devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control to

4、ols. It can replace the heay labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.The pneumatic

5、 part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow atcompress ength. Ththdirec tionpro cedurework. Artificial intelligence and the relationship between mechanical engineering in the brain and the ha

6、nd approximation, the relationship between the difference is only in artificial intelligence will need to use the hardware machinery manufacturing. In the past, all kinds of machinery without mans operating and controlling the reaction speed, accuracy and operating by the brain evolved slowly and ne

7、rvous system restriction, artificial intelligence will eliminate this restriction. Computer science and mechanical engineering, the mutual promotion between parallel, will make the mechanical engineering at the higher level is the beginning of a new roundofdevelopment,Theinvertedpendulumisatypicalhi

8、ghordersystem,withmultivariable,non-linear, strong-coupling,fleetandabsolutelyinstable.Key word: Micro walking robot；construction；four-bar linkage；crank-rocker目 录摘 要iABSTRACTii目 录iii1绪论1 1.1课题来历与研究的目的以及意义1 1.2机器人的分类2 1.3本课题研究的内容5 1.4 该机器人的Solidworks设计7 1.4.1 草图绘制9 1.4.2 基准特征，参考几何体的创建10 1.4.3 拉伸、旋转、扫

9、描和放样特征建11 1.4.4 工程图的设计12 1.4.5 装配设计12 2 大型六边形滚动机器人总体方案结构的设计12 2.1 大型六边形滚动机器人的总体方案图12 3 机械传动的设计计算16 3.1 电机的选型计算16 3.2 传动轴的设计计算17 3.3 轴承的设计计算17 4 主要零部件的强度校核18 4.1 传动轴强度的校核18 4.2 轴承强度的校核计算18 5 大型六边形滚动机构中主要零件的三维建模18 5.1连杆1的三维建模19 5.2连杆2的三维建模19 5.3电机的三维建模195.4大型六边形滚动机构的三维建模19 结论19 致 谢20参考文献21附录 一32附录 二40

10、1 绪论1.1课题的来源与研究的目的和意义 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或

11、消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互

12、相促进和平行进化。大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时

13、达到的峰值。由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而

14、专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。1.2 机器人的分类1.2.1 轮式机器人 人类史上最成功的移动机构便是轮式机构，各种各样的民用车辆全都是属于 轮式机构，轮式机构的优点在于：(1)动力、机械结构及控制系统成熟简单，可靠性高；(2)设计、制造、维护等成本非常低；(3)移动速度快，容易实现高速移动。目前轮式机器人仍然是各国研究的重点之一。法国的 syrano 项目，美国的洛 克希德马丁公司正在研制的6X 6多功能通用后勤无人车(MULE)。iRobot 公司的“派克鲍茨”(Packb

15、ots)。车。卡内基梅隆大学的国家机器人工程集团为美国 海军陆战队研制“斗士”战术无人地面车辆(TUGV)。德国的“普菜默斯项目， 以色列的“卫士”M 项目等均采用了轮式移动平台3。1.2.2 履带式机器人 履带式机器人的研究也比较早，作为最常见的两种移动方式之一，履带式机器人的研究也已经比较成熟。相对于轮式机器人来说，履带的优点在于越障性能好，但是相对的移动、转向不灵活，总体比较笨重。美国的UrbicK8 城市侦察机器人， “罗伯特”扫雷机器人， 日本的米田机器人实验室的TAQT”移动运输机器人等都是已经实用化的履带式移动机器 人。 由于履带式技术的相对成熟， 目前履带式移动机器人的研究主要

16、集中在其自主运动控制 上。 在结构上面主要集中在模块化和多步态复合上面。 比如哈尔滨工业大学机器人研究所研 制的一种模块化可重构履带式微型机器入就是其中代表性一种4。1.2.3 球形滚动机器人 球形滚动机器人是一种以球形或近似球形为外壳的独立运动体， 是近几年才出现的一种新的机器人机构形式。它的运动方式以滚动运动为主，由于这种运动方式和外壳的特殊性，球形机器人与以往我们熟知的轮式等机器人不同。该类机器人在转向时具有独特的优势。比其他运动方式转向灵活； 并且当运动机构发生坠落等危险情况时， 可以迅速的调整运行状态， 进行连续工作。球形机器人使用微型伺服电机进行驱动，它的运动全向性的特点，使它既能

17、 像轮式机器人一样，具有快速行走的性能。又能像步行机器人一样，在崎岖不平的地面上运行。由于其结构相对简单，所以系统具有重量小，成本低，可靠性高等特点。另外由于球体 滚动相对其他几种装置的运动阻力小很多，所以球形机器人具有运动效率高，能量损耗小的特点。因此这种球形机器人在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值。 球形机器人的发展主要存在这么几个问题制约了其发展：(1)存在由于球形机器人在运动过程中，与接触面发生近似的点接触，所以它的稳定性较差。在爬坡、越障过程中，一旦受外界干扰，很难恢复原来的运动轨迹； (2)由于其外形以及运动特点， 传统的

18、机械手等执行机构， 安装在球形机器人上而比较困难；(3)球形运动机器人的控制涉及到一个非完整系统的概念，非完整系统在减少机械结构复杂 性的同时，对系统的分析和控制带来了很大的难度。在运动控制上，不能应用有效的线性理 论，来对该类机器人进行控制。所以运动控制是阻碍该类机器人发展的一个难点。因此针对上述情况，需要对球形运动器在设计理念上进行创新。 除了在内部结构上进行改进 之外， 在运动方式上， 近年来， 趋向于将球形机器人的滚动运动与其它种运动方式进行融合。1.2.4 蛇形蠕动机器人 随着仿生学的发展，首先产生了步行机器人，探索新的运动模式有了一定的进展但是 由于步行机器人的速度和稳定性不高的问

19、题， 使人们开始研究自然界中无四肢动物的运动方 式，因为这种运动具有良好的地面适应性和运动稳定性。蛇是一种比较典型的无四肢动物。 因此诞生了仿蛇形蠕动机器人。 这种机器人的优点在于运动稳定性好， 适应地形能力强并且 具有高的牵引力，另外由于模块化结构的特点，其可靠性和维护性高。并且它的整个结构可 以密封，适于恶劣的环境下作业。因此近几年来已经成为仿生机器人中比较活跃的一支。该 类机器人是仿照蛇的结构特点和运动机理， 它由多个相同的关节构成， 各节有独立的驱动系 统。蛇形机器人不是利用轮子，而是利用模块之间的相对转动，使身体弯曲伸张实现运动因 此，蛇形机构关节形式的选择直接决定了其运动的功能。目

20、前实现的关节形式种类有： (1)简单关节(1DOF)：这种关节可以使机构在水平或垂直平面内运动，容易控制，经济性好； (2)球窝关节(2DOF)适于大多数框架用刚性管的机器人，球窝关节控制难，制造复杂，但允 许模块之间相对独立运动； (3)柔性连接(2DOF)-柔性连接可以是橡胶等弹性材料，其特点是可以向各个方向弯曲，通常 与线索铰盘驱动器联合使用； (4)特殊关节：为实现特殊目的而使用的关节，通常它有三个自由度5。1.3本课题研究的内容 大型六边形滚动机器人的设计重点是依靠SOLIDWORKS。在设计过程中，了解大型六边形滚动机器人的结构特征和三维软件的使用要领。 本文的设计目标是设计大型六

21、边形滚动机器人。利用人体操作实现机构运动的控制，采用六杆机构作为设计基础，通过机构设计与仿真设计实现滚动功能。 其研究内容包括：（1）功能分析与方案设计；（2）结构设计与三维造型；（3）运动仿真；（4）控制系统设计。1.4 该机器人的Solidworks设计 熟悉SolidWorks的工作环境；了解SolidWorks的命令，掌握在SolidWorks工作环境中文件的打开、保存、导入等基本操作，掌握三维建模流程。1.4.1草图绘制 掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法；掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法；理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束；熟练应用阵列、实体转换等草

22、图绘制工具；能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。1.4.2 基准特征-参考几何体的创建 清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念；灵活运用各种建立基准点的方法；灵活运用各种建立基准轴方法；灵活运用各种建立基准面的方法；灵活运用坐标系的建立方法；能根据建模需要综合应用各种参考几何体。1.4.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建模 灵活运用拉伸特征的概念与建立方法；灵活运用旋转特征的概念与建立方法；掌握扫描特征的概念与建立方法；灵活运用放样特征的概念与建立方法；通过实践能够准确分析零件的特征，灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实

23、体。1.4.4工程图设计 灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法；灵活运用建立标准三视图，剖视图，断面图，局部图，辅助视图等方法；灵活运用各种注释的方法。1.4.5装配设计 灵活运用自底向上的装配方法；灵活运用生成装配体爆炸图的方法；灵活运用SolidWorks智能装配技术；灵活运用装配体零部件的状态和属性控制，并能够在装配体中设计子装配体；灵活运用干涉检查；灵活运用自上向下的装配方法；灵活运用在装配模型工程图中添加零件序号；灵活运用生成装配体材料明细表的方法。2 大型六边形滚动机器人总体方案结构的设计2.1 大型六边形滚动机器人总体方案结构的设计 本次毕业设计的目标是设计一种大型六边形滚动机

24、构，该机构尺寸为大型，由六个长度相等的连杆首尾通过转动副连接而成，通过控制交错的3个转动副，可以实现几何变形，如三角形、四边形、五边形、六边形，也可以实现滚动移动的步态，控制部分舵机进行驱动，该机器人利用人体操作实现机构运动的控制。采用六杆机构作为设计基础，通过机构设计与仿真设计实现滚动功能，其具体方案结构图如下：3 机械传动的设计计算3.1 电机的选型计算 已知整个大型六边形滚动机器人的总重量170KG,其他重量30G，我们取总重量为200Kg，移动速度为12r/min。即：具体的电机设计计算如下:1、确定运行时间本次设计加速时间 负载速度（m/min）有速度可知每秒上升50mm，电机转速3

25、.负载转矩式中：4.电机转矩启动转矩必须转矩S为安全系数，这里取1.0。 根据以上得出数据，我们选用电机型号为160BL-A，此电机厂家为机电产品。依据电动机参数和特性曲线可得： 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为160BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.1KW，额定转矩为7.62N.m，最高的转矩是9N.m，额定的转速是3000r/min，以下是电动机的效果图：外形尺寸130x160，电机输出轴径为25mm。3.2 传动轴的设计计算 轴作为机器的一个关键组成部分，其为各类传动部件的安装，传动的扭矩和旋转运动围绕轴进行，而且经过轴承和机架连接。为了满足定位轴上

26、的紧固件和容易加工和装配的轴类零件和拆卸，通常轴设计成阶梯轴。轴系的零件是由轴和它上边的零部件构成一个装配体系，研究轴的过程中不仅要研究轴体自己的数据，还要将系统里的全部零碎部件融合在一起。 因为用于振动的传递的轴体不仅要传送扭矩，还得经受住弯矩，是以本人研究的阶梯性轴是转动轴。因为确定了小带轮的参数，相应的大带轮随之确定。接下来的工作就是计算轴体的直径了。轴体的研究需要凭借扭转强度来调整弯曲的强度，因为可用作轴的原料比较多，所以必须得明确轴的应用环境，还有规定诸如刚度，强度以及别的机构机能。可以使用热处理这种方法，当然也要琢磨怎样使加工简单并且花费较少，用研究计算所得的数据以确定轴体的用料，

27、故采取45号钢当成轴体的原料，它需要40MPa的切应力。然后需要做正火或者调质处理来确保它的力学性能。 1、初步计算轴的直径扭转强度估计轴的最小直径d，轴的最小直径mm，查表16.2，c=112, p=20.35, n=851,代入设计公式得=17.26mm。考虑键槽等要素对轴的影响，轴的直径应增加以弥补轴的键槽强度减弱。取轴直径d=20mm，就是最右边装带轮处直径等于20mm。装有密封元件和滚动轴承处的直径，应与密封元件和轴承的内孔径尺寸保持一致。轴体上面存在两支点的轴承要选用一样的标准，方便加工轴承的座孔。挨着的轴段，应使直径不一样构成轴肩，轴肩在轴体上部件定位以及承受轴向力时要提供相应的

28、高度，轴肩的直径差通常选5到10mm，本文轴肩处采取5毫米的直径差，接着把每段轴体的长度尺寸匹配到一块，还要注意轴承座的安装以及结构是否合理，同样，螺钉等部件的长度和别的的因素，这样即可确定出轴的各段长度了。3.3 轴承的设计计算轴承的选择并不是只考虑轴径一个因素，还要考虑到轴承的性能，一般要考虑到其寿命、可靠度（指该轴承达到或超过规定寿命的概率）、静载荷、动载荷、额定寿命、基本额定寿命、基本额定载荷等等很多因素。最主要的是允许空间、载荷的大小和方向、轴承工作转速、旋转精度、轴承的刚性（一般磙子轴承的刚性大于球轴承）、轴向游动、安装和拆卸。因为在本设计的轴上径向载荷大，轴向载荷小，而且存在轴或

29、壳体变形大以及安装对中性差的问题，所以选用调心滚子轴承，因为调心磙子轴承主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双轴向载荷，而圆锥磙子轴承有打的锥角可承受大的径、轴向联合载荷。所以选用（双列向心）圆锥磙子轴承，有双内圈，并是可分离的轴承，根据d=80mm,由参考资料2P7356 表7278 带紧定套的调心滚子轴承（GB/T288-1994），选用22218CK/W33+H318轴承，其基本额定载荷为=240KN,=322KN, 根据轴承选用配套的轴承座，参考资料2P7-43表7-2-105 适用圆锥孔的异径孔滚动轴承座(GB/T7813-1998) SNK型轴承座，可选用SNK316型的轴承座。4

30、 主要零部件的强度校核 4.1 传动轴强度的校核 轴的强度计算一般可分为三种：1）按扭转强度或刚度计算；2）按弯扭合成强度计算；3）精确强度校核计算。 当轴的支撑位置和轴所受的载荷大小、方向、作用点及载荷种类均已确定，支撑反力及弯矩可求得时，可按照弯曲或者弯扭合成强度进行轴的强度计算。作用在轴上的载荷一般按集中载荷考虑，如本设计中的带传动对轴的力，其作用点取在轮缘宽度的中点。计算时，通常把轴当作置于铰链支座上的双支点梁，一般轴的支点近似取为轴承宽度中点。由于本设计所用轴主要是受弯曲强度，很少的扭转强度，是根据扭转强度设计，应校核轴的弯曲强度，首先分析轴的受力，左端受的是圆锥筛的重力，右端是带轮

31、对轴的力，中间是轴承座的两个支撑力。左端的作用力包括筛自身的重力、物料的重力、物料旋转产生的离心力。所以考虑圆锥筛对轴产生作用力时，仅是一个经验数据。在这里，假设圆锥筛为实心，对轴的作用力取其重力的。 密度是=7.38/,锥筛大端直径为D=，小端直径是d=360，H=1140，h=510，所以锥筛的体积即0.2;所以,筛的重力约为 轴径是按扭转强度初步设计的，所以要校核轴的弯曲强度，轴的强度校核也就是找出危险截面，看危险截面是否满足轴径条件，如果危险截面满 足，那么别的轴径肯定满足；根据轴的实际尺寸，承受的弯矩、扭矩图考虑应力集中，表面状态，尺寸影响等因素，及轴材料的疲劳极限，计算危险截面的情

32、况是否满足条件。我所校核的轴是根据许用弯曲应力校核的，即由弯矩产生的弯曲应力不超过许用弯曲应力，一般计算顺序是先画出轴的空间受力图，将轴上作用力分解为水平面受力图和垂直面受力图，并求出水平面上和垂直面上的支承点反作用力。然后作出水平面上的弯矩和垂直面上的弯矩图，作出合成弯矩图和转矩图应用公式绘出当量弯矩图，式中是根据转矩性质而定的应力校正系数。对于不变的转矩，取；对于脉动的转矩，取；对于对称循环的转矩取。是材料在对称循环应力状态下的许用弯曲应力；是材料在静应力状态下的许用弯曲应力；是材料在脉动循环应力状态下的许用弯曲应力；在锥筛的设计过程中，轴的材料为45#钢，其基本参数为，；应满足 下列条件

33、： 或 W为轴的抗弯截面系数；轴的受力，轴左端是锥筛对轴的力也就是锥筛的重力，右端是带轮对轴的压力。具体受力情况如下图：由材料力学的相关知识可得： 解得： 由 得：可得轴的弯矩图则如下：轴所受的转矩如下：转矩图如下：所以，=所以当量弯矩图为：可知轴承的危险截面在左边轴承支撑处，根据轴的校核条件可以算出：即：所以：根据校核，截面强度足够，其它截面也是足够安全的。4.2 轴承强度的校核计算 轴承的选用在以上的说明中已经给出，选用的是带紧定套的滚子轴承，型号为22218CK/W33+H318，其基本参数为主要是额定载荷：C=240000N， =322000N，e=0.23,Y=2.5,，假定轴承的寿

34、命为3年，每天工作10小时，一年工作300天，所以轴承的基本额定动载荷可按一下公式进行计算： C=其中：C基本额定动载荷计算值，N； P当量动载荷，按式计算，为轴承所受径向载荷，轴向动载荷，X为径向动载荷系数，Y为轴向动载荷系数； 寿命因数，按表7-2-8选取； 速度因数，按表7-2-9选取； 力矩载荷因数，力矩较小时=1.5,力矩较大时=2; 冲击载荷因数,按表7-2-10选取; 温度系数,按表7-2-11选取;轴承尺寸及性能表中所列基本额定动载荷;由表查得=1.19,=0.366,=1.5,=1.2（中等冲击）,=;1.0；因为轴向载荷=0，即，所以当量动载荷即， ,所以此轴承选的合适,能

35、满足要求。5 路锥自动装车摆放装置中主要零件的三维建模5.1连杆1的三维建模5.2连杆2的三维建模5.3电机的三维建模5.4大型六边形滚动机构的三维建模结论时间过得真快，毕业设计总算完成了，在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是大型六边形滚动机器人的设计和研究，通过初期的定题，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可能做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。