【文章內(nèi)容簡介】 83。25第一章 設(shè)計(jì)題目與內(nèi)容 競賽題目設(shè)計(jì)并制作“抗災(zāi)救援”機(jī)器人（以下簡稱機(jī)器人），提交機(jī)械設(shè)計(jì)資料，參加理論設(shè)計(jì)答辨，參加實(shí)物競賽，能夠完成一組競賽規(guī)定的采摘?jiǎng)幼鳌? 參賽作品的總體要求（1）機(jī)器人重量不限，但應(yīng)盡可能輕。（2）機(jī)器人造價(jià)不限，但應(yīng)盡可能低。（3）機(jī)器人操控可采用線控或遙控方式。（4）機(jī)器人行進(jìn)方式不限。（5）機(jī)器人驅(qū)動(dòng)可采用各種形式的原動(dòng)機(jī)，但不允許使用人力直接驅(qū)動(dòng)；若使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其電源應(yīng)為安全電源。（注：動(dòng)力設(shè)備自備，比賽現(xiàn)場僅提供220V交流電源）。 競賽方案（1）完成動(dòng)作1：機(jī)器人穿越“隧道”通過平臺(tái)①；（2）完成動(dòng)作2：機(jī)器人通過平臺(tái)②穿越“河道”；（3）完成動(dòng)作3：機(jī)器人將“救援目標(biāo)”把平臺(tái)③（房間外圍固定，無法移動(dòng)）里的救援目標(biāo)取出；（4）完成動(dòng)作4：機(jī)器人將另一“救援目標(biāo)”從平臺(tái)④取出；（5）完成動(dòng)作5：把已經(jīng)取出的“救援目標(biāo)”放入安全區(qū)。 競賽場地及用品規(guī)格競賽場地地面采用木質(zhì)地板，表面鋪設(shè)噴繪廣告布，場地尺寸為4500mm1800mm，圍板高度為300mm。，三個(gè)圓筒（尼龍棒）的高度均為80mm，直徑分別為50mm、80mm、100mm；三個(gè)方塊（木塊）的尺寸分別為100mm100mm10mm、80mm80mm30mm、50mm50mm50mm；其中在“過河”環(huán)節(jié)中，支撐物為兩根可自由移動(dòng)的鋁合金型材（尺寸為30mm30mm550mm），兩根支撐物初始距離為380mm,可在0500mm的范圍內(nèi)移動(dòng)。其它尺寸如圖14所示。其中救援平臺(tái)③底部由角鐵固定，頂端開有通孔，三個(gè)“救援目標(biāo)”被頂蓋壓住。救援平臺(tái)④其中兩面封閉固定，另外兩面中，其中開有一可左右移動(dòng)的移門，另一門頂端鉸接在支架上，受力下整個(gè)門可繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。救援平臺(tái)③和④分別設(shè)有高20mm的門檻（），可避免救援物被直接掃出。救援平臺(tái)③和④的墻壁、門、頂蓋均為10mm厚的有機(jī)玻璃板。圖14 比賽場地平面圖第二章 機(jī)械裝置原理方案的構(gòu)思與擬定 題目分析認(rèn)真閱讀題目后，發(fā)現(xiàn)解救車主要完成以下五個(gè)任務(wù)：（1）穿越“隧道”通過平臺(tái)；（2）通過平臺(tái)穿越“河道”；（3）將“救援目標(biāo)”把平臺(tái)③（房間外圍固定，無法移動(dòng)）里的救援目標(biāo)取出；（4）將另一“救援目標(biāo)”從平臺(tái)④取出；（5）把已經(jīng)取出的“救援目標(biāo)”放入安全區(qū)。 方案擬定 關(guān)于行走部分的方案選取方案一：四輪驅(qū)動(dòng)此方案的機(jī)器人在行走部分采用四輪驅(qū)動(dòng)，每一個(gè)前輪都采用獨(dú)立的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的前進(jìn)后退及轉(zhuǎn)彎，如圖2211所示。圖2211 四輪機(jī)構(gòu)簡圖優(yōu)點(diǎn)：采用輪式行走方案，制作簡單方便，成本低，易控制，行走速度快。缺點(diǎn)：抓地力不強(qiáng)，車子不穩(wěn)，在過轉(zhuǎn)彎隧道時(shí)容易卡住，在抓取救援物塊的時(shí)候容易出現(xiàn)輪式懸空導(dǎo)致機(jī)器不能動(dòng)或者翻身，同時(shí)如解決此問題則需要加上復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或大幅度增大機(jī)器的重量，導(dǎo)致機(jī)器變得很龐重。方案二：雙履帶式驅(qū)動(dòng)此方案的機(jī)器人采用兩條履帶作為主動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的請進(jìn)后退及轉(zhuǎn)彎，如圖2212所示。圖2212 履帶式機(jī)構(gòu)簡圖優(yōu)點(diǎn)：行走穩(wěn)定，抓地力強(qiáng)，靈活迅速，能夠原地360176。轉(zhuǎn)彎，因此在穿過隧道的轉(zhuǎn)彎口是能夠很明顯的展示出其出色的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在救援抓取物塊的時(shí)候，因?yàn)榻拥孛娲?，從而能夠保證機(jī)器人的平穩(wěn)這一特點(diǎn)，切動(dòng)力比輪式的大的多（在相同功率的電機(jī)下）。缺點(diǎn)：同輪式驅(qū)動(dòng)的情況相比下，若想達(dá)到同樣的速度，需要功率更大的電機(jī)，同時(shí)，履帶式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在加工方面復(fù)雜的多，對于精度要求等方面要求更加高，成本也比輪式高的多。 關(guān)于通過“河道”的方案選取方案一：三段式過橋方案將機(jī)器人做成三段式或者是多段式，在通過隧道時(shí)，將機(jī)器人展開，然后最前的一段先通過河道，然后利用首段和末端的動(dòng)力，讓全車通過河道，如圖2221所示。圖2221 過河方式簡圖優(yōu)點(diǎn)：過河簡單，成功率較高，制作簡單，不受河道上的“橋”影響，能夠獨(dú)自完成過河道任務(wù)。缺點(diǎn)：做成三段式或者多段式機(jī)器，體積肯定龐大，對于設(shè)計(jì)題目的要求，機(jī)器的大小嚴(yán)格受控，因此，可調(diào)空間非常小，在運(yùn)動(dòng)一起非常不靈活，很容易受場地影響。同時(shí)，該設(shè)計(jì)肯定利用很多動(dòng)力系統(tǒng)，電機(jī)量需要很大，在過河的同時(shí)，又不能讓機(jī)器的重量很重，否者會(huì)導(dǎo)致在過河道的情況下，整部機(jī)器因?yàn)殡姍C(jī)的自鎖能力不夠而導(dǎo)致下陷，完成不了過河，危險(xiǎn)性非常大，做成三段式對于后面的求援活動(dòng)上會(huì)有很大的限制。方案二：利用機(jī)械手撥動(dòng)橋體然后過橋直接利用機(jī)器的機(jī)械手，撥動(dòng)其中的一個(gè)橋，使其寬度達(dá)到車體的寬度，然后直接通過橋，如圖2222。 圖2222 利用機(jī)械手撥動(dòng)橋體通過橋優(yōu)點(diǎn)：利用該方案，機(jī)器可以設(shè)計(jì)的很小，因此在任務(wù)一中顯示出巨大優(yōu)勢，且不需要大量的動(dòng)力系統(tǒng)。缺點(diǎn)：該設(shè)計(jì)方案對機(jī)械手的靈活程度及精確度上的要求非常高，對于操作技巧也有很大的講究，同時(shí)，失誤率非常大，不能確保橋體能夠被移動(dòng)到正確的位置，不能確保能夠移正，同時(shí)，這一方案的危險(xiǎn)性是最大的，橋體很容易掉下去，導(dǎo)致過不了河，還有一點(diǎn)的是不能夠確保移動(dòng)橋體的時(shí)間，即花的時(shí)間可能會(huì)非常多，進(jìn)而影響到后續(xù)的任務(wù)。方案三：車體展開過橋不去移到橋體，在通過隧道的時(shí)候，將車體的兩條履帶展開，利用滑軌形式，將車體展開至寬度和橋體寬度一致，然后直接過河。分別如圖222圖2224和圖2225所示。圖2223 機(jī)器人初始位置及狀態(tài)圖2224 機(jī)器人車體展開圖2225 機(jī)器人過橋優(yōu)點(diǎn)：機(jī)器的體積小，通過滑軌還控制車的寬度，能夠適應(yīng)不同寬度的橋，在通過隧道的時(shí)候就能直接將車體展開，直接上橋過河，時(shí)間段，效率高，安全可靠。缺點(diǎn)：在車體的加工方面要求高，在撐開是履帶對地面的摩擦力可能會(huì)很大，可能會(huì)導(dǎo)致?lián)尾婚_，需選用大功率的電機(jī)。由以上三個(gè)方案的對比及對操作可靠性的考慮，我們小組一致選用第三方案作為最優(yōu)方案。 對于取物裝置的方案選擇方案一：鏟車式裝置取物利用鏟車式的結(jié)構(gòu)，對于③區(qū)④區(qū)兩個(gè)區(qū)域的物塊，直接鏟出來，然后在運(yùn)到安全區(qū)，如圖2231所示。圖2231 鏟車式裝置優(yōu)點(diǎn)：能夠一次性的將③區(qū)④區(qū)里面的救援物塊取出，花費(fèi)的時(shí)間短。缺點(diǎn)：③區(qū)上面那塊蓋板阻礙很大，由于物塊很重，因此對于鏟式結(jié)構(gòu)要求很高，電機(jī)的功率需要很大，然后不能確保能夠一次性的將救援物塊取出，同時(shí)存在靈活性差，對場地的破壞性大，死點(diǎn)多等一系列缺陷。方案二：四連桿機(jī)械手設(shè)計(jì)成四連桿機(jī)械手，將救援物塊一塊一塊的取出。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械手的靈活性強(qiáng)，作業(yè)范圍大，小而輕巧，能夠適應(yīng)不同形狀的物塊。同時(shí)抓取力量較大，能夠保證把物塊平穩(wěn)的抓取出來。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工起來困難，對于精度、材料要求很高。考慮到③區(qū)④區(qū)的救援物塊的特殊性，因此選擇機(jī)械手這一方案來抓取物塊，穩(wěn)而安全 對于③區(qū)蓋板的處理方案要取出③區(qū)的物塊，首先要解決將物塊上面的有機(jī)玻璃板取出，這樣對于接下來取出③區(qū)救援目標(biāo)更加方便，因此對于將有機(jī)板取出分一下兩個(gè)方案。 方案一：利用機(jī)械臂，通過吊環(huán)形式，將有機(jī)玻璃板吊出三區(qū)。圖2241 已吊環(huán)形式將有機(jī)玻璃板吊取出優(yōu)點(diǎn)：讓接下來的機(jī)械臂的作業(yè)范圍大大擴(kuò)大。缺點(diǎn)：由于有機(jī)玻璃板質(zhì)量很大，再加上四個(gè)障礙區(qū)限制，不能確保能夠平穩(wěn)的吊出來。同時(shí)此方案對車體及機(jī)械臂的要求非常高，首先電機(jī)的扭矩要求非常大；其次又板的尺寸很大，要求機(jī)械臂的長度很大，這對車體的體積有較高要求；最后此方案不能確保吊環(huán)能夠在較短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確的進(jìn)入有機(jī)玻璃板的圓孔內(nèi)。方案二：利用機(jī)械臂和機(jī)械手的配合將有機(jī)玻璃板向一側(cè)頂起翻開。圖2242 將有機(jī)玻璃板向一側(cè)頂起翻開優(yōu)點(diǎn)：此方案對機(jī)械臂的力矩沒有太大的要求，也能夠做到后期作業(yè)范圍大這一優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)翻開比較容