【文章內(nèi)容簡介】 的機構卻由很多種方案來實現(xiàn)，增加了設計難度和維修難度。雖然鍛煉了隊員們的動手能力與設計能力，卻造成了人員和資源的極大浪費。由于本屆比賽的規(guī)則的指定，手動轎夫機器人和自動轎夫機器人有很多相似之處。對于相同或相似的功能，我們采取了模塊化設計，減少了設計工作量，提高了設計質量。模塊的安裝接口也給我們拆裝機器人提供了方便，對于整個調試過程甚至比賽備賽都起到了重要作用。在抬轎機構的設計中，我把相似功能模塊提取出來，分為提升模塊、旋轉模塊、鎖死模塊、跟隨模塊，每個模塊都完成自己獨立的功能，也有自己獨立的安裝接口。后面的章節(jié)我將分模塊介紹兩臺機器人的抬轎機構。第4章 抬轎機構設計轎子連接了手動和自動轎夫機器人，承載著旅客機器人，是比賽中最為關鍵的道具，所以我們必須盡可能控制轎子的姿態(tài)。為了滿足比賽要求，抬轎機構上需要有很多運動副，而這些運動副有著各自不同的特點。為方便介紹，如圖41，我們對機器人的方向[9]作如下規(guī)定：X——比賽中機器人的行進方向Y——與X、Z方向構成右手坐標系Z——垂直于比賽場地平面向上圖41　場地坐標軸關系圖下面逐一分析各運動副的要求。(1)Z軸方向的移動副比賽規(guī)則要求旅客機器人完成上轎和下轎任務，所以抬轎機構需要有一個Z軸方向的移動副?？紤]到這里需要主動的上下移動，并且上轎后的行進過程中旅客機器人需要在轎子上，這個移動副需要有驅動，并且可以實現(xiàn)鎖死。圖42　 Z軸方向的移動副示意圖(2)繞Y軸方向的轉動副在過山任務中，自動轎夫機器人和手動轎夫機器人先后登上山坡，轎子會出現(xiàn)一端高一端低的情況。因此，轎子的夾持機構和抬轎本體之間必須有一個轉動副。這個轉動副可以由前面提到的Z軸方向的移動副以及自動轎夫機器人和手動轎夫機器人的走行系統(tǒng)共同作用控制，所以它不需要有自己的驅動，只需要一個自由轉動副[10]。圖43　 繞Y軸方向的轉動副示意圖(3) 繞Z軸方向的轉動副在過森林任務中，自動轎夫機器人和手動轎夫機器人將繞過由三個立柱。因此，自動轎夫機器人和手動轎夫機器人都需要有繞Z軸方向的轉動副。這個轉動副受自動轎夫機器人和手動轎夫機器人的相對位置控制，所以這個轉動副也只需要一個自由轉動副。圖44　 繞Z軸方向的轉動副示意圖由于車輪式比其它兩種方式制作簡單，控制簡單，具有較高的可靠性，適用于本次比賽的場地，所以我們采用車輪式結構。(4) X軸方向的移動副很明顯無論怎樣控制自動轎夫機器人和手動轎夫機器人的行進，也很難避免兩臺機器人之間的距離的變化[11]。然而比賽規(guī)則要求自動轎夫機器人和手動轎夫機器人之間不可以有力的傳遞（由于轎子正壓力產(chǎn)生的摩擦是被允許的）。因此，自動轎夫機器人和手動轎夫機器人不可以都與轎子固定。我們至少要放開其中之一而用一個移動副替代來滿足比賽規(guī)則的要求。前文提到自動轎夫機器人和手動轎夫機器人之一必須用一個移動副替代固定機構，而這一點直接導致了自動轎夫機器人和手動轎夫機器人的抬轎機構的差異。如果自動轎夫機器人和手動轎夫機器人都不與轎子固定，那么只有由轎子的正壓力產(chǎn)生的摩擦可以給轎子施加水平的力，用來改變轎子的運動狀態(tài)。很明顯，這是不可行的，而且難以控制。所以，我們要有一個轎夫機器人與轎子固定。那么我們來分析一下究竟應該由自動轎夫機器人還是手動轎夫機器人接觸對轎子的固定。從運行方式來說，手動轎夫機器人由操作手控制，對于突發(fā)狀況有著更強的適應能力。自動轎夫機器人完全自主運行，難以處理突發(fā)狀況。從操作手的視野說，如果把移動副放在轎子和手動轎夫機器人之間，操作手可以比較容易的控制手動轎夫機器人承載轎子，同時控制手動的整體走行[12]。反之，如果把移動副放在轎子和自動轎夫機器人之間，操作手需要同時關注遠方的移動副和近處手動轎夫機器人的走行，難以兼顧。從手動轎夫機器人的機動性上說，移動副在手動轎夫機器人和轎子之間時手動轎夫機器人只是驅動他自己，機動性能較好。如果移動副在自動轎夫機器人和轎子之間，手動轎夫機器人將和轎子以及轎子上的旅客機器人連為一體，機動性能降低。綜上所述，轎子和自動轎夫機器人固定，與手動轎夫機器人形成移動副更有利于比賽。下面是機器人比賽中常見的提升機構1．剪叉式升降平臺圖45　剪叉式升降平臺結構簡圖剪叉式升降平臺通常由平臺、剪叉式起升機構和底座三個部分組成。具有結構緊湊、承載量大、通過性強和操控性好的特點，但該機構對動力源的要求較高，而且占用空間較大。2．分級升降機構圖46　分級升降機構我們要把一個物體提升到一定的高度，可以是單級直接提升，也可以是多級提升。多級提升的每一級都是建立在前一級的提升的基礎之上的。3．有軌升降此種方式就是單級提升方式。待提升機構以滑塊形式沿著固定的軌道上升、下降。軌道只起導向作用，驅動傳動方式可以多種多樣。這種有軌提升中，軌道的精度對提升機構影響很大。由于直線運動具有磨擦低、精度高的特點，因此在機器人比賽中廣泛應用。幾種提升方式的比較方式1對電機的要求較高，而且要保證豎直升降，就得采用雙剪叉并行結構，或給剪叉頂端一個固定的運動導軌，尤其對機械加工與安裝要求較高，不適于在機器人大賽中實際應用。方式2體積可以得到有效控制，但由于必須采用液壓或氣動作為動力源。由于比賽重量限制使得我們不能應用液壓技術，而氣動的能源受到比賽規(guī)則的限制，所以這種經(jīng)典的提升方式在本屆比賽中或者在以后的比賽中將很難得到重用。方式3阻力小，精度高，剛性好，剛度高，三個方向抗顛覆力矩能力大，運動平穩(wěn)，缺點是導軌重量較大[13]。在綜合多種因素考慮后我們最終選用了方式3。對于有軌提升，常見的傳動方式有卷輪游絲，鏈輪鏈條，同步輪同步帶，齒輪齒條，絲杠。齒輪齒條較重，不適合比賽。卷輪游絲，鏈輪鏈條，同步輪同步帶原理基本相同，而卷輪游絲結構簡單，成本較低。所以我們選擇對卷輪游絲和絲杠這兩種提升傳動方式進行設計。卷輪游絲提升速度快，但對電機的轉矩要求較高，提升模塊設計如圖47。電機帶動卷輪轉動,將游絲卷起,從而將提升平臺延導軌方向拉起,實現(xiàn)提升。提升平臺導軌電機卷輪圖47　卷輪游絲提升模塊為了讓轎子可以穩(wěn)定在某個高度，提升機構需要鎖死。然而單純依靠電機自鎖的力量是遠遠不夠的，這就要我們從機械和控制上同時想辦法解決這個問題，機械上最容易想到的就是棘輪棘爪機構，然而照搬手冊上的機構將增加機械設計及制作上的工作量，在分析了幾個特定高度的位置關系后，我設計了一個單棘齒棘輪，再輔以傳感器來實現(xiàn)停止位置的定位及自鎖。圖48 自鎖機構示意圖工作原理：提升過程中不用自鎖，提升時卷輪按圖示方向旋轉，棘爪在彈簧的拉力處于復位狀態(tài)，當?shù)竭_停止位置時，通過位置傳感器反饋的信息控制電機停止工作[14]，在負載重力作用下卷輪順時針轉動碰到棘爪時停下。當需要下降時，電機先逆時針轉動缷掉載荷，電磁鐵同時工作鐵芯拉動麻繩將棘爪與棘輪脫開[15]，當下降到指定位置時電磁鐵斷電彈簧復將棘爪拉回到復位狀態(tài)。絲杠提升速度較慢，但對電機的轉矩要求較低，而且如果使用升角較小的滑動絲杠則不需要任何附加機構就可以在任何位置實現(xiàn)自鎖[16]，其提升模塊設計如下圖。提升平臺導軌絲杠電機圖47　絲杠提升模塊絲杠的自鎖校核計算機構中選用的絲杠是圓螺紋絲杠，其特點是螺紋強度高，應力集中小，適用于受沖擊和變載荷的傳動。絲杠為單線，導程為5mm，牙型角60度，中徑15mm。驗算自鎖的公式為： （41） （42）其中——螺紋升角——當量摩擦角——螺旋副的摩擦系數(shù)L——導程查表得，鋼對鋼的值為，代入（42）得取L=10mm，代入（41）得故該絲杠可以自鎖。 通過上述分析及校核計算，不難看出使用絲杠提升方式結構簡單，無需附加鎖死機構。因此，我們選擇用絲杠提升方式作為最終的制作方案。根據(jù)前文的分析，轉動機構包括一個繞Y