【文章內(nèi)容簡介】 25第一章 設(shè)計題目與內(nèi)容 競賽題目設(shè)計并制作“抗災救援”機器人（以下簡稱機器人），提交機械設(shè)計資料，參加理論設(shè)計答辨，參加實物競賽，能夠完成一組競賽規(guī)定的采摘動作。 參賽作品的總體要求（1）機器人重量不限，但應盡可能輕。（2）機器人造價不限，但應盡可能低。（3）機器人操控可采用線控或遙控方式。（4）機器人行進方式不限。（5）機器人驅(qū)動可采用各種形式的原動機，但不允許使用人力直接驅(qū)動；若使用電動機驅(qū)動，其電源應為安全電源。（注：動力設(shè)備自備，比賽現(xiàn)場僅提供220V交流電源）。 競賽方案（1）完成動作1：機器人穿越“隧道”通過平臺①；（2）完成動作2：機器人通過平臺②穿越“河道”；（3）完成動作3：機器人將“救援目標”把平臺③（房間外圍固定，無法移動）里的救援目標取出；（4）完成動作4：機器人將另一“救援目標”從平臺④取出；（5）完成動作5：把已經(jīng)取出的“救援目標”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。，三個圓筒（尼龍棒）的高度均為80mm，直徑分別為50mm、80mm、100mm；三個方塊（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。其它尺寸如圖14所示。其中救援平臺③底部由角鐵固定，頂端開有通孔，三個“救援目標”被頂蓋壓住。救援平臺④其中兩面封閉固定，另外兩面中，其中開有一可左右移動的移門，另一門頂端鉸接在支架上，受力下整個門可繞鉸接點轉(zhuǎn)動。救援平臺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③和④的墻壁、門、頂蓋均為10mm厚的有機玻璃板。圖14 比賽場地平面圖第二章 機械裝置原理方案的構(gòu)思與擬定 題目分析認真閱讀題目后，發(fā)現(xiàn)解救車主要完成以下五個任務(wù)：（1）穿越“隧道”通過平臺；（2）通過平臺穿越“河道”；（3）將“救援目標”把平臺③（房間外圍固定，無法移動）里的救援目標取出；（4）將另一“救援目標”從平臺④取出；（5）把已經(jīng)取出的“救援目標”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)動此方案的機器人在行走部分采用四輪驅(qū)動，每一個前輪都采用獨立的電機來實現(xiàn)機器的前進后退及轉(zhuǎn)彎，如圖2211所示。圖2211 四輪機構(gòu)簡圖優(yōu)點：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：抓地力不強，車子不穩(wěn)，在過轉(zhuǎn)彎隧道時容易卡住，在抓取救援物塊的時候容易出現(xiàn)輪式懸空導致機器不能動或者翻身，同時如解決此問題則需要加上復雜的轉(zhuǎn)動機構(gòu)或大幅度增大機器的重量，導致機器變得很龐重。方案二：雙履帶式驅(qū)動此方案的機器人采用兩條履帶作為主動力來實現(xiàn)機器人的請進后退及轉(zhuǎn)彎，如圖2212所示。圖2212 履帶式機構(gòu)簡圖優(yōu)點：行走穩(wěn)定，抓地力強，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，同時在救援抓取物塊的時候，因為接地面大，從而能夠保證機器人的平穩(wěn)這一特點，切動力比輪式的大的多（在相同功率的電機下）。缺點：同輪式驅(qū)動的情況相比下，若想達到同樣的速度，需要功率更大的電機，同時，履帶式驅(qū)動機構(gòu)在加工方面復雜的多，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器人做成三段式或者是多段式，在通過隧道時，將機器人展開，然后最前的一段先通過河道，然后利用首段和末端的動力，讓全車通過河道，如圖2221所示。圖2221 過河方式簡圖優(yōu)點：過河簡單，成功率較高，制作簡單，不受河道上的“橋”影響，能夠獨自完成過河道任務(wù)。缺點：做成三段式或者多段式機器，體積肯定龐大，對于設(shè)計題目的要求，機器的大小嚴格受控，因此，可調(diào)空間非常小，在運動一起非常不靈活，很容易受場地影響。同時，該設(shè)計肯定利用很多動力系統(tǒng)，電機量需要很大，在過河的同時，又不能讓機器的重量很重，否者會導致在過河道的情況下，整部機器因為電機的自鎖能力不夠而導致下陷，完成不了過河，危險性非常大，做成三段式對于后面的求援活動上會有很大的限制。方案二：利用機械手撥動橋體然后過橋直接利用機器的機械手，撥動其中的一個橋，使其寬度達到車體的寬度，然后直接通過橋，如圖2222。 圖2222 利用機械手撥動橋體通過橋優(yōu)點：利用該方案，機器可以設(shè)計的很小，因此在任務(wù)一中顯示出巨大優(yōu)勢，且不需要大量的動力系統(tǒng)。缺點：該設(shè)計方案對機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，失誤率非常大，不能確保橋體能夠被移動到正確的位置，不能確保能夠移正，同時，這一方案的危險性是最大的，橋體很容易掉下去，導致過不了河，還有一點的是不能夠確保移動橋體的時間，即花的時間可能會非常多，進而影響到后續(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 機器人初始位置及狀態(tài)圖2224 機器人車體展開圖2225 機器人過橋優(yōu)點：機器的體積小，通過滑軌還控制車的寬度，能夠適應不同寬度的橋，在通過隧道的時候就能直接將車體展開，直接上橋過河，時間段，效率高，安全可靠。缺點：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很大，可能會導致?lián)尾婚_，需選用大功率的電機。由以上三個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)兩個區(qū)域的物塊，直接鏟出來，然后在運到安全區(qū)，如圖2231所示。圖2231 鏟車式裝置優(yōu)點：能夠一次性的將③區(qū)④區(qū)里面的救援物塊取出，花費的時間短。缺點：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，同時存在靈活性差，對場地的破壞性大，死點多等一系列缺陷。方案二：四連桿機械手設(shè)計成四連桿機械手，將救援物塊一塊一塊的取出。優(yōu)點：機械手的靈活性強，作業(yè)范圍大，小而輕巧，能夠適應不同形狀的物塊。同時抓取力量較大，能夠保證把物塊平穩(wěn)的抓取出來。缺點：結(jié)構(gòu)復雜，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玻璃板取出，這樣對于接下來取出③區(qū)救援目標更加方便，因此對于將有機板取出分一下兩個方案。 方案一：利用機械臂，通過吊環(huán)形式，將有機玻璃板吊出三區(qū)。圖2241 已吊環(huán)形式將有機玻璃板吊取出優(yōu)點：讓接下來的機械臂的作業(yè)范圍大大擴大。缺點：由于有機玻璃板質(zhì)量很大，再加上四個障礙區(qū)限制，不能確保能夠平穩(wěn)的吊出來。同時此方案對車體及機械臂的要求非常高，首先電機的扭矩要求非常大；其次又板的尺寸很大，要求機械臂的長度很大，這對車體的體積有較高要求；最后此方案不能確保吊環(huán)能夠在較短時間內(nèi)準確的進入有機玻璃板的圓孔內(nèi)。方案二：利用機械臂和機械手的配合將有機玻璃板向一側(cè)頂起翻開。圖2242 將有機玻璃板向一側(cè)頂起翻開優(yōu)點：此方案對機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，同時翻開比較容易，易操控。缺點：不能確保有機玻