【文章內(nèi)容簡介】 機構(gòu)本身都比較復雜。機構(gòu)多，鉸接點多，致使機構(gòu)穩(wěn)定不足，搭建金字塔時很難操作。 第2版手動機器人的設計制作 第2版手動機器人方案確定經(jīng)過了上一版的設計改進，積累了很多的經(jīng)驗。對于第1版，的基本評價是，總體方案是可行的，但是許多結(jié)構(gòu)需要改進。因此，針對第1版手動機器人的缺點，做了如表21的變化。表21 改進細節(jié)序號第1版缺點第2版改進1重心存在問題，與夾取積木后驅(qū)動輪失去正壓力采用四輪全向驅(qū)動2夾子太單薄兩挑桿相對夾緊3一根主支撐梁和一個平行四邊形機構(gòu)，穩(wěn)定性不好三根主梁加三個滑塊4整體機構(gòu)過于復雜，穩(wěn)定性及操作性都不好機構(gòu)盡量能夠復用有了這些改變后，第2版手動機器人就呼之欲出了，三維設計圖見圖213。 圖213 第2版手動機器人三維圖圖214 第2版手動機器人實體圖1).四輪全向底盤第一版機器人中重心存在問題，與夾取積木后驅(qū)動輪失去正壓力，后來進過分析如果將驅(qū)動輪及驅(qū)動電機安裝在機器人的前部，采用前驅(qū)的方式，雖能解決驅(qū)動力問題，但整體重心會往前移很多，導致取上積木后機器人會向前翻倒。于是想到用四驅(qū)，以保證足夠的驅(qū)動力。但四驅(qū)機器人的轉(zhuǎn)向存在問題，上一屆中采用的方式對全向輪損耗太大，不宜繼續(xù)使用。進過網(wǎng)上搜查并購買了一套麥克拉姆輪（四個），這種四驅(qū)底盤能實現(xiàn)全方位的運動，移動及轉(zhuǎn)向都很靈活。底盤如下圖所示：圖215 四輪全向底盤及麥克拉姆輪這種四輪全向底盤每個輪作用于地面的力是與輪軸成一定角度的，四個力合成后決定運動方向。通過控制四個輪子的不同轉(zhuǎn)向，四個輪子上的力合成后會有不同情況，從而機器人向不同方向運動。實現(xiàn)全方位運動的輪子轉(zhuǎn)向分析； 圖216全方位運動圖解2）升降平臺及積木夾具鑒于上一版機器人的升降不穩(wěn)定，在這一版中采用三根主立柱加三個滑塊的運動來實現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)相對簡單很多，穩(wěn)定性也提高了許多。積木夾具采用最簡單方式，兩根長桿先穿進積木的孔內(nèi)，再相互夾緊，即可實現(xiàn)積木挑起后部發(fā)生轉(zhuǎn)動。這種方式簡單可靠，免去了上一版機器人中的復雜機構(gòu)。金頂?shù)姆胖梅绞揭舶l(fā)生了改變，利用機構(gòu)將預持的金頂推到長挑桿上的滑塊上，再利用兩個滑塊的同步運動帶動金頂前進。圖217 升降平臺及積木夾3）滑塊它是在每個切槽處安裝一個小軸承，利用滾動摩擦使得軸承在不銹鋼管上滾動，從而實現(xiàn)直線運動的（如圖218）。在整個所有機器人中有大量使用了這種滑塊，只是尺寸結(jié)構(gòu)有多種形式，用于在不同的不銹鋼管上滑動。 圖218 滑塊 第2版手動機器人總結(jié)第二版機器人已經(jīng)能過順利的完成搭建胡夫金字塔的任務。相比第一版機器人有著長足的 進步。與第1版相比，可以清楚的看到這版手動機器人的幾個優(yōu)點：1) 機構(gòu)簡單；2) 四輪全向底盤，運動靈活方便；3) 積木夾子方式改變，夾緊可靠；4) 功能復用多，兩根長桿完成所有動作；優(yōu)點這里不再一一分析，前面已經(jīng)有相關闡述。缺點1）穿孔取積木難度較大；因為積木的孔比較小，且積木挑桿很長，機器人去取積木時需要很高的定位要求。（這種穿孔取積木的方式在后來的不斷嘗試中發(fā)現(xiàn)還是有著很大的優(yōu)點，所以最終版還是采用這種方式）2）金頂?shù)姆胖眠€是有較大的隨機性；將金頂推到兩長挑桿的滑塊上后，有兩滑塊的同步前進帶動金頂前進。由于兩個滑塊由兩個電機驅(qū)動，同步性難以保證，加上要前進的距離很大，導致金頂較難順利到達位置。3）機器人重量過大(),遠超要求；這一版機器人上層機構(gòu)都很簡單，功能已經(jīng)盡可能的復用，但由于四輪全向底盤的重量（7Kg）過大，導致整個機器人的重量過大。全隊機器人的重量問題在這一版機器人中很嚴重，超出10Kg。要把這些重量減下來，必然需要在機器人的結(jié)構(gòu)上進行較大的改變。 第3版手動機器人的設計制作 第3版手動機器人方案確定第2版手動機器人其實已經(jīng)是一版可以上場的比賽機器人，因為她能夠基本滿足比賽要求。但是他還存在許多問題，并且當時操作手及隊內(nèi)部分人認為這種穿孔再挑的方式在速度上存在較大瓶頸，無法顯著提高搭建金字塔的速度。（其實后來在觀看國外比賽視頻發(fā)現(xiàn)，90%以上隊都采用這種方法，并且速度也可以很快。鑒于種種原因，我又開始設計了第3版機器人。這一版機器人采用一種全新的方案，不得不拋棄之前的成果，只能從頭開始。這版機器人采用之前提到的方案二，預持第一層一塊、第二層一塊、第三層及金頂共四個積木塊，再去一次性取剩余的四塊積木，最后再開始一層一層的搭建工作。手動機器人分為幾大模塊：行走模塊，取積木模塊，預持積木模塊等。下面將進行簡略分析。1） 行走模塊確定由于全向底盤有著其獨特的優(yōu)勢，進過全隊討論一致認為繼續(xù)采用全向底盤。而四輪全向底盤的重量過大，這種底盤形式不得不拋棄。于是才是嘗試三輪全向底盤。三輪全向底盤采用三套電機驅(qū)動三個全向輪，實現(xiàn)全向運動。三輪全向既保持了底盤的全方位移動功能，又比四輪全向底盤少了一套電機輪子，重量上減輕了很多。圖219 三輪全向底盤安裝分布三個輪子分布在一圓上，輪子軸線互成120176。角。通過控制三個輪子的轉(zhuǎn)動及方向即可實現(xiàn)任意方向的移動及轉(zhuǎn)動。這種底盤的主要問題有二：1. 三個驅(qū)動輪難以保證著地時正壓力相同，尤其是在取上積木，整體重心發(fā)生變化，導致某一個輪找地理不足而難以實現(xiàn)期望中的運動。但對于手動機器人來說，主要還是看操作手的手感，只要熟悉了以后還是可以順利的操作的。2. 三輪著地，機器人的重心只要越過三個輪子組成的三角形區(qū)域就會發(fā)生側(cè)翻。這個問題可以在底盤其他地方安裝彈簧萬向輪來解決。2） 取積木模塊確定這版機器人的方案中要去取的四塊積木擺放方式如圖220所示；圖220 積木擺放方式由于在這之前的一段時間里通過不斷的實驗，發(fā)現(xiàn)穿孔取積木最為方便簡單，且搭建過程中依靠桿來導向，可以使得積木搭建精度高。因此，取積木繼續(xù)采用穿孔的方法，只在升降問題上進行了改變。胡夫金字塔的塔基高度為263mm，一塊積木的高度為300mm，將要取的四塊積木墊在兩塊多余的積木上，這樣積木就不需要大空間的升降。再者，由于之前的升降機構(gòu)都不簡單，且可靠性還是存在一定的問題，于是這次小位移的升降可以利用杠桿的原理，將積木塊翹起來即可。取積木的機構(gòu)如下圖所示。電機通過一根繩索與二層挑桿A點連接，二層挑桿A點再通過一根繩索與一層挑桿B點連接，AB點之間的繩索長度大于AB兩點間的距離。這樣電機繩索通過卷積A點后，二層挑桿上揚，在AB間繩索繃直之前一層挑桿不會上揚，直到電機繼續(xù)工作才會挑起一層挑桿。實現(xiàn)了兩層積木的抬起，同時兩層積木有效的分離開來，避免搭建時犯規(guī)。圖221 取積木機構(gòu)3） 預持積木模塊確定由于這版機器人是預持每層積木的一塊，預持的積木塊可以分四層疊放為一縱列。這種預持方式下可以借鑒哈夫拉金字塔II號機器人的結(jié)構(gòu)。三維圖如下圖所示：圖222 預持部分機構(gòu)4） 三維設計圖圖223 第三版手動機器人三維模型圖圖224 第三版手動機器人實體圖 第3版手動機器人總結(jié)通過一定時間的調(diào)試后，證明這版機器人的幾個主要機構(gòu)夠能出色完成功能。從設計初，根據(jù)比賽制定的功能要求等看，這些功能要求都得到了滿足。再從操作手的角度看，取積木時難度大點外，其他方面都比較順手。所以，第3版機器人是綜合性能符合比賽要求的機器人。但是，這版機器人經(jīng)過一段時間的調(diào)試及思考后發(fā)現(xiàn)，還是存在一些問題，需要改善。主要有以下幾點：1. 取積木時，操作難度較大，花的時間比較長，限制全程速度的提高；2. 金頂機構(gòu)過于冗雜，且推出后金頂不在可控，無法充分利用規(guī)則。（規(guī)則提到：一方手動機器人將金頂推進托盤上方后，另一方只能等待，不得干擾。）如果金頂可控后，即使金頂沒能一次到位，操作手可以慢慢調(diào)整。3. 機器人重量為17Kg，依舊超出了理想重量15Kg兩公斤，需要進一步努力來減重。 第4版手動機器人的設計制作 第4版手動機器人方案確定第3版手動機器人其實已經(jīng)是可以上場的比賽機器人，但發(fā)現(xiàn)了一中能比這種方案更快的方案，于是繼續(xù)著新一版手動機器人的設計。由于比賽時胡夫金字塔有兩塊多余的積木及一個金頂,并且可以自己決定比賽時己方存放區(qū)內(nèi)積木的擺放方式。我們通過不斷嘗試發(fā)現(xiàn)用兩塊積木可以墊起需要的六塊積木。擺放方式如下圖所示。圖225 方案三的積木擺放方式這一版機器人采用另一種全新的方案，即之前提到的方案三，預持第三層及金頂共兩個積木塊，再去一次性取剩余的六塊積木，最后再開始一層一層的搭建工作。手動機器人同樣分為幾大模塊：行走模塊，取積木模塊，預持積木模塊等。下面將進行簡略分析。1） 行走模塊確定由于全向底盤有著其獨特的優(yōu)勢，但機器人的重量問題一直沒解決，加上從國外視頻上發(fā)現(xiàn)幾乎所有隊采用是普通底盤，所以經(jīng)討論決定再次嘗試普通兩驅(qū)底盤。為了解決重心問題，通過研究存放區(qū)內(nèi)積木的擺放方式，可以將底盤一部分進入到需要取的一層積木下方，墊著的積木兩側(cè)?？s短取上積木后重心與整車的距離。圖226普通底盤根據(jù)第一版手動機器人的經(jīng)驗，為了防止驅(qū)動輪打滑，于是將驅(qū)動輪裝在底盤的中間，讓驅(qū)動輪與整體重心間的距離盡量小,以保證驅(qū)動輪上有著足夠的正壓力。這種底盤的主要有其優(yōu)缺點：優(yōu)點：. 普通兩輪驅(qū)動，隊內(nèi)控制方法成熟，可以將手動機器人制作成半自動化，實現(xiàn)取積木及靠近金字塔這段路徑的自動化，減少操作手的難度；重量必然會減輕，可以實現(xiàn)將整個機器人的重量減輕到預定范圍；缺點: 底盤移動不再是全向,靈活性減弱,并且需要橫向位移時調(diào)整困難，這需要操作手的不斷鍛煉。2） 取積木模塊確定 這版手動機器人繼續(xù)沿用上一版的穿孔挑起積木的方式，只是挑起積木的方式有所不同。胡夫金字塔的塔基高度為263mm，一塊積木的高度為300mm，將要取的六塊積木墊在兩塊多余的積木上，這樣積木就不需要大空間的升降。于是可以采用與上一版機器人相似的挑起積木并將兩層積木分離的原理，將鉸鏈放在積木及驅(qū)動力點之間，縮短積木重力的力臂，減小對電機的要求。取積木的機構(gòu)如圖227所示。電機通過繩索拉動頂桿的A點，先將二層挑起，電機繼續(xù)工作，直到頂桿頂動一層挑桿后面的橫梁后，于是一層也挑起，但兩層間存在一定的距離，這個距離可以通過改變頂桿來調(diào)整。圖227 取積木機構(gòu)這種取積木的方式，難度相對上一版來所要小一點，但仍需操作的強化訓練。這種方式可以實現(xiàn)一層積木一次到位的搭建，方便了許多，速度也提高了不少。3） 預持模塊確定由于這版機器人是預持第三層積木及金頂積木塊。本來是準備采用上一版中三四層積木同樣的預持方法，考慮到金頂機構(gòu)的冗雜及金頂積木推出后不再可控，于是開始設計另一種全新的金頂預持方案。第三層的機構(gòu)與上一版幾乎一樣，這里就不再贅述，只介紹下金頂?shù)臋C構(gòu)。三維結(jié)構(gòu)如圖228所示。 基座固定在第三層的推手上，搭建第三層時金頂跟隨著前進，但不進入托盤上空（以免犯規(guī)）。電機通過繩索驅(qū)動長桿的A點，由于金頂推手通過繩索繞過長桿最前端再綁在基座上，A點前進時，金頂推手前進的速度與距離為A點的兩倍，以滿足搭建金頂?shù)男枰?。圖228 金頂預持機構(gòu)4） 三維設計圖圖229 第三版手動機器人三維模型圖 第4版手動機器人總結(jié)通過一定時間的調(diào)試后，這一版機器人能較快的完成搭建胡夫金字塔的任務，并且發(fā)現(xiàn)這種方案的發(fā)展?jié)摿艽?。但是，這版機器人經(jīng)過一段時間的調(diào)試及思考后發(fā)現(xiàn)，還是存在一些問題，需要改善。主要有以下兩點：1. 重心問題依舊存在輕微問題，機器人在取上積木后轉(zhuǎn)彎時有一個驅(qū)動輪有少量打滑，影響操作性能；2. 機器人不能向前幾版那樣實現(xiàn)全向運動，機器人在搭建金字塔是橫向平移操作較難，且浪費很多時間； 第4版手動機器人改進雖然第四版手動機器人已經(jīng)能過較好的完成任務了，但是還有著很大的提升空間，可以很大程度上提高我們的成績及實現(xiàn)操作簡單化。，所以在重量上還是有空間來完善這版機器人。1）改進分析由于前面所述的兩個問題都集中在底盤上，所以改進也就主要在底盤上。問題一：轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動輪打滑解決方案：將驅(qū)動輪安裝在車的最前端，通過同步帶將后面的驅(qū)動電機輸出的轉(zhuǎn)動傳遞到驅(qū)動輪上；問題二：底盤無法實現(xiàn)左右平移解決方案：采用第一版機器人上的雙層底盤結(jié)構(gòu)，移動范圍大于所需空間即可。這樣可以實現(xiàn)下層底盤一層定位后即可不在移動，通過移動上層底盤即可實現(xiàn)整個搭建過程。改進后的底盤結(jié)構(gòu)圖如下所示：（上層底盤通過四個滑塊與下層底盤連接）圖230 改進版底盤改進后的三維模型及實體圖如圖231所示。圖231 最終版手動機器人三維模型圖及實體圖2）改進總結(jié)改進后的手動機器人運行速度有了很大程度上的提高，且對操作手的要求明顯降低，減少了操作手出現(xiàn)失誤的可能性。通過一段時間的調(diào)試，手動機器人已經(jīng)能過穩(wěn)定在35s左右，最快能達到28s。相信通過不斷的訓練，還有一定的提升空間，穩(wěn)定在30s內(nèi)是有可能的。因此改進后的手動機器人完全可以適應比賽需求，希望能過取得好的成績。一般手動機器人的設計要點是靈活穩(wěn)定，操作動作少，手柄簡單實用。但由于今年手動機器人的任務很到，需要獨立完成搭建一個整的金字塔，且是最大最高的金字塔。任務重必然要求手動機器人功能齊全，這樣導致今年的手動機器人機構(gòu)比較復雜，手柄任務多，給操作帶來不便。雖進過幾個版本的不斷改進，操作簡單化了很多，但相對與往年來說依舊很繁雜。今年手動機器人由于方案一直在改變，導致整個過程中做了較多的無用功，浪費了許多寶貴的時間，所以一個方案的好壞將在很大程度上決定著機器人的功效。關鍵零部件設計分析與制作3 關鍵零部件設計分析與制作 底盤的設計分析底盤是關鍵的承力部件，機器人所有的重量都會由底盤來承擔，因此底盤必須有足夠的強度；前面也分析得出手動機器人的重心分布應該合理，合理就是說在取上積木后時不會傾倒；考慮到靈活性，底盤的尺寸要設計合理。以上三點就是本手動機器人底盤設計時應該考慮的問題。下面將以最終版手動機器人的底盤作為例子闡述分析和設計過程。 重