“勇气号”过桥机械车的方案设计摘要本方案设计了机器人的“几”字型总体方案，实现了“骑桥”的过河方式；采用履带式行进方式，实现机器人本体的行进与转弯；选取了“丝杆+气爪”的动作装置，实现机器人对目标的抓取和拧紧。

综上所述，本方案最终实现了机器人所有任务的完成。

本设计运用Solid Works软件，通过三维实体造型进行方案设计，反复优化零部件结构，调整尺寸，确保无干涉情况，再导出零件图进行加工制作，再根据出现的问题修改完善，最后导出装配图和部分零件的二维图。

关键词：机器人设计竞赛Solid Works目录目录 (1)第一章设计题目及设计要求 (2)1.1 竞赛题目 (3)1.2 参赛作品的总体要求与设计分析 (4)1.2.1参赛作品的总体要求 (5)1.2.2场地分析与方案初设 (6)第二章设计方案拟定与结构设计 (7)2.1概述 (8)2.2机械部分 (9)2.2.1机械车行走部分的结构设计 (10)2.2.2机械车身体的结构设计 (11)2.2.3机械臂的结构设计 (12)2.2.4抓取和拧紧装置的机构设计 (13)2.2.5各机械部件的连接设计 (14)2.3控制部分 (15)第三章详细设计、计算与校核 (16)3.1车的动力与传动方案设计、计算与分析 (17)1. 车的过桥和转动部分 (18)3.2机械臂的动力与传动方案设计、计算与分析 (19)1. 机械臂的关节部分 (20)2. 气爪的抓取和拧紧部分 (21)第四章方案的创新点 (22)1.机械机构方面的创新设计 (23)2.机械手臂的创新设计 (24)3.抓取机构的创新设计 (25)4.拧紧机构的创新设计 (26)5.本方案的设计有点 (27)第五章其它设计计算与说明，设计总结 (28)5.1本设计方案的优点 (29)5.2设计总结 (30)第一章竞赛题目及设计要求1.1竞赛题目设计一台可完成竞赛规定动作的简易机器人（以下简称机器人），提交机械设计资料，完成模型制作，参加答辨和现场竞赛。

1.2 参赛作品的总体要求与设计分析1.2.1参赛作品的总体要求（1）机器人在收缩状态时，其长宽高均应≤300mm；展开状态时尺寸不限。

（2）机器人重量不限，但应尽可能轻。

（3）机器人造价不限，但应尽可能低。

（4）机器人操控可采用线控、自动控制、智能控制。

（5）机器人行进方式不限。

（6）机器人驱动可采用各种形式的原动机，但不允许使用人力直接驱动；若使用电动机驱动，其电源应为安全电源。

（注：动力设备自备，比赛现场仅提供220V 交流电源）。

1.2.2场地分析与方案设计竞赛场地（如图1.2.1）所示，地面采用木质地板，表面铺设喷绘广告布，场地尺寸为4000mm×2000mm，出发区尺寸为300mm ×300mm×300mm，四周围板高50mm。

竞赛用滚动轴承分别为：6310,6308,6306；竞赛用垫圈分别为：36,30,20 GB/T97.1-2002；竞赛用螺母分别为：M30，M24，M16 GB/T6170-2000。

图1.2.1从上面CAD图中可以看出，比赛场地是分成四个部分的。

起点部分、过河部分、物品放置部分、抓取部分。

○1在起点处有300×300×300的挡板，所以这样就限制了机器人的车身，最终根据以上本方案的初步设计数据综合考虑机器人的车身为长250mm，宽230mm，高280mm。

这样的车身设计也是考虑到下车后的转弯。

○2在桥支座处，总宽为90mm，最低高度为4mm，所以本方案将两侧身板的初步设宽度为72mm，抬高>13mm，这样车子就能上桥了。

桥为30宽，所以设计两挡板之间的距离为32mm。

○3在抓取部分挡板到细杆的距离为220mm，杆高200mm，所以本方案初步设计的大臂伸长水平距为230mm，气爪抬高210mm。

都是留有余量的。

被抓取物是:轴承○1D=110.1mm，d=45mm；○2D=90mm，d=45mm；○3D=72mm，d=25mm。

垫圈○1D=66mm，d=30mm，B=5.1mm；○2D=56.1mm，d=24mm，B=3.9mm；○3D=36.9mm，d=16mm，B=3mm。

螺母○1M30；○2M24；○3M16。

根据这些数据用来设计本方案的抓取装置和拧紧装置第二章竞赛的总体设计方案2.1概述为实现设计任务和达到设计要求，本课题小组经认真分析研究后认为，本课题的关键在于：1.机械车的尺寸规格，长宽高都不能超过300mm。

2.机械车的过河方式。

3.机械车能否顺利的抓取区域三的轴承、垫圈、螺母。

4.机械车能否顺利的将轴承、垫圈、螺母按顺序放到区域二的固定螺栓上，并将螺母拧到底。

5.机械车怎样拉下胜利的旗帜。

6.就是完成时间不能超过8分钟所以针对以上问题，我们经分析以后决定：从场地的布置上看，有三种方式可以使小车从区域一到区域二。

分别是：○1走最右边的宽150mm的窄道；○2从中间过宽为30mm，高为200mm的桥；○3走楼梯，下三阶，上二阶的楼梯。

首先，考虑到行径、转弯的灵活性，本方案选用履带式行进方式，既高效有平稳。

然后就是时间问题，因为总共完成任务的时间规定不能超过8分钟，所以为此决定尽量不要将时间浪费在过河上。

由于桥的铺设是在起点的正对方向，车子可以直接走直线上桥来实现过河。

所以介于时间的节省，本方案最终决定是过桥方案。

过完桥之后就转弯直接去抓取，先将大垫圈抓取放到大轴承上，再将大螺母放在大垫圈上。

再一起将这三样同时抓取往回放到指定地点。

这样机器人只要往返三次就能实现抓取和拧紧，最后拉旗完成任务。

这是大概的方案。

2.2 机械部分2.2.1 机械车行走部分的结构设计由场地的模型可以知道，场地是有广告纸铺成的，所以为了不让机器人在行走和转弯的时候发生打滑现象，本方案一致认为用皮带作为传动，即为履带式的行走方式。

作为行走部分的主体，底部四个皮带轮都是靠放在车顶的两个大功率电机来驱动的。

但是又因为过桥需要驱动上方的两个过桥轮，所以我们设计为多步传动。

以一个电机为例：电机驱动上方的过桥轮，这个是直接驱动的，再同过过桥轮的驱动来驱动正下放的一个底轮，这个是将电机的转动传动到底轮的过程，最后两个底轮之间皮带连接同步带动（如图2.2.1-1所示）。

其中由于通过皮带传动使轴受到轮子的径向力很大，所以本方案在这里将轴和轮子的配合形式定位过度配合，使轮子和车之间有间隙从而减少了轴的径向力；同样为了让轴和侧身紧密连接本方案将轴设计成阶梯型（如图2.2.1-2所示阶梯轴），然后外加一个内阶梯的法兰盘（如图2.2.1-3所示法兰盘）这样在较大的径向力下，轴和侧身板之间也不会发生偏移。

然后，这之间的所有传动都是通过同步带来实现。

电机的正反转可控制车子的前后行走，单边底轮不动用来实现车子的转弯。

而两个电机分别是控制一边底轮的传动，同步带也使各个轮之间的旋转都是同步，使车子在行径过程中更加平稳。

图2.2.1-1图2.2.1-2图2.2.1-32.2.2机械车身体过桥的结构设计为了实现过桥，机器人的车身设计成了一个“几”字型，中间宽度为设计根据桥两边的支座宽度和高度来设计，当然为了不让车身在桥上倾斜，在中间固定了两块挡板，挡板之间的宽度刚好为桥的宽的。

过桥是通过轮子在桥上行进实现的（如图2.2.2-1和2.2.2-2。

所示），从图示可以看出轮子的宽度为30mm可以架在铝合金桥上，中间部分宽为8mm可以嵌在桥中间。

车身一边加上地板用来放置气爪。

而一边只有底轮和侧身上的安放配重的支座。

这样的设计节省了不少空间。

可以说，本方案的车没有完整的底板的。

过桥轮挡板2.2.3机械臂的结构设计机械臂的机构设计，本方案采用的是最原始的结构——关节折叠型（如图2.2.3-1所示）为大臂整体。

其优点是这种结构简单，活动范围较大，稳定性较好。

本方案用丝杆和大功率电机将大臂推出车体，在选用丝杆时考虑到大臂所受的力几乎都要丝杆来承受，所以本方案选用导程小、单头的滚珠丝杆来推动小臂使大臂从折叠状态提升，（如图2.2.3-3所示）丝杆和电机都固定在侧身板上，通过电机带动丝杆转，来使滚轴前进推动大臂的运动。

本方案用中间套筒加弹簧来使大臂可以伸缩（如图2.2.3-2所示），在这里设计这个伸缩套筒有很多种用处，在套筒中加入软弹簧可以变换长度，同时也可以实现小幅度的旋转。

为了能够将气爪放入车体，大臂处于收缩状态。

另外从减轻机械臂的重量和展开状态的刚性要求角度出发，本方案选择硬铝作为机械臂的材料，并在其中间开槽和打孔。

手臂的最大行程能够将轴承从中间杆中拿出。

图2.2.3-1伸缩套筒图2.2.3-2图2.2.3-3滚珠丝杆2.2.4抓取和拧紧装置的机构设计通过和老师的交流，为了能够快速的完成抓取和拧紧动作，本方案选用气爪作为抓取与拧紧工具。

首先，气爪在气体的推动下能够快速的松开和夹紧。

所以为了抓取轴承、垫圈、螺母，只要设计出相应尺寸的爪子（如图2.2.4-1所示）。

为了防止中间过程的磨损，本方案选用耐磨的45号钢来做气爪爪子。

爪子分成两层和前后，前部最内的一层用来抓取大轴承，深度为大轴承的三分之一，这个是为气爪本身的行程来考虑的设计；第二层，由于行程够用，所以可以抓起第二个和第三轴承。

后部的两层是用来抓取垫片的，也是同样的道理。

而为了能够抓起螺母，本方案在爪子抓口出做成六角形的缺口，可以卡住螺母。

（如图2.2.4-1所示CAD图），然后就是拧紧装置，这个和抓取装置是同一个装置。

在气抓上安装一个电机旋转装置，使整个气爪绕一个轴套（如图2.2.4-2所示）旋转，这样就达到拧紧的效果了，考虑到是偏心运动，本方案选用转速相对较小的电机来带动气爪，同样传动方式仍是皮带。

（如图2.2.4-3所示）经过这样一系列的尺寸规定，以及拧紧装置的设想，本方案初步设计了一下气爪的结构（如图2.2.4-4）图2.2.4-1图2.2.4-2皮带传动图2.2.4-3图2.2.4-42.2.5各机械部件的连接设计○1底轮轴与侧身板的固定本方案用了法兰盘，使其不会晃动；○2轴是固定的，为了使底轮能够用活动自如，本方案用轴承使底轮和轴进行配合；○3为了使轴承不轴向滑动，也为了不使底轮不轴向滑动，本方案用到了挡圈；○4两个侧身班的连接，用顶部两块平行块用螺钉连接；○5大臂和车身的连接，本方案用到了螺栓连接；○6其间还多次用到套筒，用来挡住轴承和中间挡板（如图2.2.5-1所示）图2.2.5-12.3控制部分整个机器人的所有动力源均为直流电机，采用有线遥控方式控制模机器人的运作。

本方案用两个24V-150rpm的电机来驱动车子的前进；用一个24V-50rpm的电机来驱动侧身的丝杆来推动大臂的升降；用一个24V-30rpm的电机在气爪上来驱动气爪的转动。