【文章內(nèi)容簡介】 緊度，一般是越緊越好。 小輪子上裝有電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，小輪子以一定的速度角速度ω轉(zhuǎn)動，由于摩擦帶是張緊的，所以，靜摩擦力帶動帶子以速度 V1運(yùn)動，帶子也由于靜摩擦力的緣故帶動大輪子轉(zhuǎn)動。由于摩擦帶上均勻地連接有 16 個(gè)撥球板，摩擦帶運(yùn)動的效果是使到球被撥球板撥進(jìn)導(dǎo)軌 1 里。 而整個(gè)機(jī)器人以速度 V2 運(yùn)動，所以，均勻擺放在取球區(qū)域里的球就被一個(gè)一個(gè)地?fù)苓M(jìn)導(dǎo)軌 1 里。導(dǎo)軌 1 里最多可以放 8 個(gè)球，加上導(dǎo)軌 2，整個(gè)機(jī)器人可以同時(shí)裝上 12 個(gè)球左右。 兩個(gè)輪子的直徑分別為Ф 154mm 和Ф華南理工大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 15 284mm，相鄰兩片撥球板之間的線距離為 196mm，撥球板的長度為 120mm，這些數(shù)據(jù)均經(jīng)過計(jì)算得出，使到當(dāng)取第一個(gè)球的時(shí)候撥球板不會和前方 300mm 處的第二個(gè)球發(fā)生干涉相撞而把球給撞亂。當(dāng)其中一個(gè)尺寸改變，其他幾個(gè)尺寸均要跟著改變。 從出球口 A 里出來的球進(jìn)入導(dǎo)軌 2，球在重力和慣性的作用下，滾向投射機(jī)構(gòu)，被導(dǎo)軌 2 末端的十字撥桿擋住。撥桿連接有小電機(jī)，電機(jī)每轉(zhuǎn) 45176。，撥桿也轉(zhuǎn) 45176。，其效果是使導(dǎo)軌 2 里最前 面的一個(gè)球進(jìn)到投射機(jī)構(gòu)，而后面的球被撥桿擋住，用單片機(jī)控制小電機(jī)，從而就保證了可以控制到球是一個(gè)一個(gè)地進(jìn)入投射機(jī)構(gòu)的，給投射機(jī)構(gòu)帶來了很大的方便。 次方案的困難之處是小輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速和機(jī)器人前進(jìn)的速度要配合得很好，對單片機(jī)程序和傳感器要求較高。還有對機(jī)器人取球點(diǎn)的位置和取球時(shí)機(jī)器人前進(jìn)的路線方向要求較高，要求機(jī)器人停在合適的取球開始點(diǎn)上開始取球，并保證機(jī)器人在取球前進(jìn)時(shí)保持方向的不變，保證能在取球區(qū)域上一次性連續(xù)地取同一行（列）上的 4 個(gè)球，盡量節(jié)省時(shí)間。 還有幾個(gè)方案，均與以上兩個(gè)方案有大致相同之處，不再 一一詳列。 １．２ 取球方案的確定 取球方案主要根據(jù)以下幾個(gè)方面來確定： （１） 案可行性及合理性； （２） 機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性； （３） 整個(gè)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量； （４） 取球的動作繁簡程度；驅(qū)動、傳動鏈的數(shù)量； （５） 取球的時(shí)間； （６） 機(jī)構(gòu)外型的合理性、美觀程度。 以上六個(gè)方面都是根據(jù)比賽規(guī)則，以展現(xiàn)機(jī)器人的技術(shù)水平和機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新水平以及贏得比賽為目的，而得出來的標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)就以上六個(gè)方面對方案一和方案二進(jìn)行比較。 （１） 方案的可行性及合理性 從上面對方案一的說明中，可以看出，方案一存在諸多不可行性和不合理性，且不合理之處很難解決。要有效地實(shí)現(xiàn)取球相當(dāng)困難，方案一可 行性差。 方案二可以說是很合理，其困難之處是對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制，可以通過對單片機(jī)的編程來解決，不難。取球的動作也是一氣呵成，連貫，取球的效果很好。此方案對于機(jī)構(gòu)的尺寸要求限制不大，機(jī)構(gòu)的尺寸有很大的修改余地，可以很輕松地實(shí)現(xiàn)有效地取球。方案二可行性好 華南理工大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 16 （２） 機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性 方案一中，取球框的上升和下降是靠繞線輪上的鋼線來控制的，鋼線的另一頭連著電機(jī)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，鋼絲越繞越多或者是越繞越少，這就存在有轉(zhuǎn)動慣量不斷改變的問題。使用鋼絲本身也就是一個(gè)很大的不穩(wěn)定因素。另外，球筐的上升下降是通過球筐側(cè)面的小軸承在機(jī) 器人車架中間部分的導(dǎo)軌中的滑動和滾動來定位的。小軸承和導(dǎo)軌是三面接觸，而且只有一個(gè)軸承一個(gè)導(dǎo)軌，所以，在球筐的上升和下降過程中，有可能會出現(xiàn)卡死的情況，即因?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)動和球筐的晃動，軸承卡死在導(dǎo)軌里，從而使到后面的動作都不能實(shí)現(xiàn)了。 取球機(jī)構(gòu)中繞線輪的位置相當(dāng)高，因?yàn)槿∏蚩鸪叽绱?，加?8 個(gè)球的質(zhì)量，整個(gè)取球機(jī)構(gòu)的質(zhì)量不小，這就對支撐繞線輪的裝置的安全性和穩(wěn)定性要求很高。而且取球機(jī)構(gòu)的重心太偏，當(dāng)球筐上升到高處的時(shí)候，由于機(jī)器人的運(yùn)動和球筐的晃動，加上偏心矩的原因，可能會使機(jī)器人翻倒，既不穩(wěn)定，也不安全。 球從球筐里掉進(jìn)漏斗的時(shí)候，很可能會由于同時(shí)好幾個(gè)球一起掉而相互碰撞使球彈出漏斗掉在地上，取球效果不穩(wěn)定。 此外，取球機(jī)構(gòu)中的鋼絲，球筐，還有支撐繞線輪的架子，都有可能在比賽中與對方機(jī)器人相撞，極不安全。 綜上所述，方案一的穩(wěn)定性差。 方案二中，沒有了鋼絲，高度也低了，重心低了。取球機(jī)構(gòu)是主要是由輪子和摩擦帶組成，不存在卡死現(xiàn)象。各定位裝置也是用“桿”來剛性連接，不存在搖晃問題。球的運(yùn)動是在導(dǎo)軌中完成的，這就對球運(yùn)動的軌跡有了保證，不會出現(xiàn)意外的“掉球”等現(xiàn)象。使用摩擦帶可能會使取球機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性受到一定的影響 ，這可以通過在輪子上開個(gè)引導(dǎo)槽，限制帶子的橫向滑動，也可以通過調(diào)節(jié)摩擦帶的張緊程度來解決，問題不大。由于 16 塊撥球板是連接在摩擦帶上的，撥球板裝上球后，有一定的重量，對摩擦帶的要求較高。 總的來說，方案二的穩(wěn)定性好。 （３） 整個(gè)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量 由于比賽規(guī)則上場比賽的所有機(jī)器人的總質(zhì)量不能超過 50kg，所以質(zhì)量是一個(gè)非常重要的要求。 方案一的取球機(jī)構(gòu)的質(zhì)量主要由以下幾部分組成：取球筐的質(zhì)量、兩條同步帶的質(zhì)量、光滑帶的質(zhì)量、四個(gè)同步輪的質(zhì)量、五個(gè)電機(jī)的質(zhì)量、剛性導(dǎo)軌的質(zhì)量、漏斗的質(zhì)量、繞線輪及繞線輪支撐座的質(zhì)量。這些部 件的質(zhì)量之和不可小視，方案一的機(jī)構(gòu)的質(zhì)量太大。 方案二的取球機(jī)構(gòu)的質(zhì)量主要由以下幾部分組成：兩個(gè)輪子的質(zhì)量、兩個(gè)電機(jī)的質(zhì)量、摩擦帶的質(zhì)量、導(dǎo)軌的質(zhì)量、撥板和撥桿的質(zhì)量。方案二的機(jī)構(gòu)的質(zhì)量比方案一少了很多。 （４） 取球的動作的繁簡程度；驅(qū)動、傳動鏈的數(shù)量 方案一的取球動作主要由以下幾部分組成： 華南理工大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 17 (a) 取球筐下降罩住 8 個(gè)球； (b) 兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動同步帶光滑帶運(yùn)動把球裝進(jìn)球筐里； (c) 另兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動取球筐上升到一定的高度； (d) 此兩個(gè)電機(jī)配合動作使取球筐傾斜； (e) 兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動同步帶和光滑帶 運(yùn)動到一定的位置使球掉進(jìn)漏斗里； (f) 撥片轉(zhuǎn)動，使一個(gè)球進(jìn)到投射機(jī)構(gòu)里。 方案一的取球動作由五個(gè)電機(jī)驅(qū)動，傳動鏈數(shù)量多，動作較復(fù)雜。 方案二的取球動作主要由以下幾部分組成： (A) 電機(jī)驅(qū)動小輪轉(zhuǎn)動帶動摩擦帶運(yùn)動即把球?qū)нM(jìn)導(dǎo)軌 2 里； (B) 另一個(gè)小電機(jī)工作使一個(gè)球進(jìn)到投射機(jī)構(gòu)里。 方案二的取球動作由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動，傳動鏈數(shù)量少，動作連貫簡單。 （５） 取球的時(shí)間 方案一由于動作多，各動作是有先后順序而不能同時(shí)完成的，且各動作的又不能在高速中完成，所以，方案一的取球時(shí)間長。 方案二的取球動作少，可以同時(shí)完成撥球，導(dǎo)球，運(yùn)球等動作，所以，方案二的取球時(shí)間比方案一的少很多。 （６） 機(jī)構(gòu)外型的合理性、美觀程度 方案一的機(jī)構(gòu)外型尺寸大，不合理，且四四方方給人笨重的感覺，整個(gè)造型不能給人美的感覺，反而會使人多少有些反感。 方案二的機(jī)構(gòu)外型尺寸小，合理，由兩個(gè)輪子一條帶子裝配起來的裝置給人以新穎創(chuàng)新的感覺，符合大賽的宗旨和氣氛。 綜上所述，確定方案二同步輪－摩擦帶機(jī)構(gòu)為最終取球機(jī)構(gòu)。 １．３ 機(jī)器人車身的設(shè)計(jì) 機(jī)器人車身的造型和尺寸要配合取球機(jī)構(gòu)和投射點(diǎn)的高度來確定，其效果圖如下： 華南理工大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 18 車身的各尺寸如下圖： 華南理工大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 19 4608305558248496187754813348263594343未加標(biāo)注的加強(qiáng)筋長為1 0 0 m m 機(jī)器人車身的造型和尺寸考慮到了以下幾個(gè)方面的因素： 一、 比賽規(guī)則的要求； 華南理工大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 20 二、 取球裝置的尺寸； 三、 可以裝球的數(shù)量； 四、 投射口的高度； 五、 水平方向上各裝置機(jī)構(gòu)重心的分布； 六、 整個(gè)機(jī)器人尺寸外型的美觀與靈巧性。 １．４ 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)及制作 （１） 電機(jī)的確定 本次比賽規(guī)則要求使用 24V以下 DC 電源。所以電機(jī)選擇額定電壓為 DC24V的電機(jī)。電機(jī)是機(jī)器人最重要的零部件之一，加上本次大賽的質(zhì)量限制， 所以，怎樣選擇質(zhì)量輕，功率和轉(zhuǎn)速合適，性能穩(wěn)定的電機(jī)，對整個(gè)機(jī)器人的性能有相當(dāng)重要的影響。 直流電機(jī)是電機(jī)的主要類型之一。直流電動機(jī)由于其具有良好的調(diào)速性能，在許多對調(diào)速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。下面主要介紹一下直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)。（以下的“直流電機(jī)”均指“直流電動機(jī)”） 一 直流電機(jī)的主要工作原理： 直流電機(jī)有兩個(gè)電刷，給電刷加上直流電源，則電流從其中一個(gè)電刷流入，經(jīng)過一個(gè)線圈，從另一個(gè)電刷流出。根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體受到電磁力的作用，兩段導(dǎo)體受到的力形成一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由于電刷 和換向片的作用，線圈受到的轉(zhuǎn)矩的方向是不變的，所以，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向始終是同一個(gè)方向。 實(shí)用中的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連接而成，以減小電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同單極的直流電機(jī)。 二 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)： 直流電機(jī)主要由兩部分組成，靜止的部分和轉(zhuǎn)動的部分，靜止的部分叫做定子，轉(zhuǎn)動的部分叫做轉(zhuǎn)子。下面介紹主要的部件。 A 定子 定子的主要部件包括： １ 主磁極 主磁極的作用是產(chǎn)生主磁場。絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極不是永久磁鐵而是由勵(lì)磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主 磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。主磁極夾心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴(kuò)大的部分稱為極眭，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵(lì)磁繞組容易固定。為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)，由于齒槽移動引起鐵耗，主磁極鐵心采用低碳鋼板沖成一定形狀疊裝固定而成。鐵心上裝有勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組用絕緣導(dǎo)線繞在繞組框架上，經(jīng)絕緣處理后一起套入主磁極鐵心。套在主磁極鐵心上的勵(lì)磁繞組根據(jù)其不同的使用情況分為兩種：一種是并勵(lì)繞組；一種是串勵(lì)繞組；并勵(lì)繞組的匝數(shù)多、導(dǎo)線細(xì)，串勵(lì)繞華南理工大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 21 組的匝數(shù)少、導(dǎo)線粗，有些電機(jī)是同時(shí)有并勵(lì) 繞組和串勵(lì)繞組。整個(gè)主 磁極再用螺桿固定在機(jī)座上。主磁極的個(gè)數(shù)一定是偶數(shù)，勵(lì)磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按 N， S 極交替出現(xiàn)。 ２ 換向極 換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個(gè)小磁極，它的作用是改善直流電機(jī)的換向情況，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。換向極結(jié)構(gòu)和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成，并用螺桿固定在機(jī)座上。換向極的個(gè)數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機(jī)中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯(lián)的，要流過較大的電流，因此和主磁極的串勵(lì)繞組一樣，導(dǎo)線有較大的截面。 ３ 機(jī)座 直流電機(jī)的機(jī)座一方面的作用是構(gòu)成主磁路的一部分，機(jī)座中作為磁路通路的部分稱為磁軛，另一方面是作為電機(jī)結(jié)構(gòu)的框架，主磁極和換向極固定