第一篇：地震救援機器人設(shè)計說明書

地震救援機器人設(shè)計說明書

所在學(xué)校：昆明理工大學(xué)所在學(xué)院：機電工程學(xué)院項目成員：黃青青指導(dǎo)教師:

楊正利吳海濤 李超楊帆

目錄

一.作品簡介 …………………………………………………1 二.主要功能指標(biāo) ……………………………………………2 三.工作原理 …………………………………………………3 四.運動分析 …………………………………………………4 五.實現(xiàn)的可能性 ……………………………………………6 六.創(chuàng)新點 ……………………………………………………6 七.應(yīng)用前景 …………………………………………………6

八.作品部分片 ………………………………………………7 九.參考文獻(xiàn) …………………………………………………9 一.作品簡介

地震救援機器人是基于地震救災(zāi)為背景而設(shè)計研發(fā)的，是一種能夠起清障作用、探索救援道路的先進(jìn)設(shè)備。該作品具有靈活、操作簡便、適用性強、拓展功能多的特點，非常適用于救災(zāi)搶險工作。高度智能化和自動化是本作品的又一大特點，也是具備強勢競爭力的一大優(yōu)勢。同時，采用了先進(jìn)的控制系統(tǒng)和算法，是系統(tǒng)的通用性和適用性進(jìn)一步增強，能夠出色完成各項任務(wù)。

本作品由中心搭載平臺，六條安裝在平臺左右兩側(cè)的機械腿，以及構(gòu)建在平臺上的挖掘機械手組成。機械腿由關(guān)節(jié)電機帶動實現(xiàn)腿部移動，由安裝在左右兩側(cè)的齒輪和連桿機構(gòu)實現(xiàn)腿部伸縮，左右兩側(cè)各三條腿依次移動后，機器人的整體也完成一次前移。達(dá)到預(yù)定位置后由平臺上的氣泵帶動整個挖掘裝置的完成挖掘動作，起到了除障清路的作用。同時腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計比較先進(jìn)，使機械體具有一定的越障能力，擺脫了傳統(tǒng)救災(zāi)設(shè)備在災(zāi)后道路上行動能力不足的缺陷，對災(zāi)區(qū) 環(huán)境有很強的適應(yīng)能力。

二.主要功能指標(biāo)

該機器人是著眼于地震災(zāi)區(qū)的各類救援任務(wù)而開發(fā)的，其獨樹一幟的外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計使其能夠遂行地震災(zāi)區(qū)的各種搜救、援助、運輸、支承等任務(wù)。

首先，機器人的中心搭載平臺采用模塊化設(shè)計，可以根據(jù)實際任務(wù)需要即時更換設(shè)備進(jìn)行搜救工作。機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計比較先進(jìn)，使機械體具有一定的越障能力，能夠更好地適應(yīng)災(zāi)后的地形地貌以及道路情況，能夠在一定程度上避免救援人員在危險區(qū)域受到潛在威脅，可以在最短時間開辟救援通道，最大限度的提高災(zāi)區(qū)被困者的解救及存活概率。

其次，在執(zhí)行援助任務(wù)時，通過對機器人的中心搭載平臺進(jìn)行面積優(yōu)化工作，令其攜帶不同的人物模塊組件，以執(zhí)行不同情況下的援助任務(wù)。當(dāng)搭載吊裝組件時，可以迅速的完成災(zāi)區(qū)廢墟中的開辟工作，并將諸如汽油一類的危險品轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域；當(dāng)搭載紅外感應(yīng)模塊時，機器人可以在夜間執(zhí)行援助任務(wù)，其可以在72小時的黃金時間內(nèi)不間斷的執(zhí)行救助任務(wù)，有效地利用了寶貴時間、提高了工作效率、減輕了救助人員的工作負(fù)擔(dān)并且提高了被困者的獲救幾率。

再次，通過加固中心搭載平臺，使其可以執(zhí)行運送量龐大的運輸任務(wù)。地震災(zāi)區(qū)中很多時候運送生活物資的車輛不能進(jìn)入，就需要其他運輸工具來替代，該機器人便具有此項運輸功能，其六腿結(jié)構(gòu)牢固 且運動靈活，具備一定的越障能力，能更好的適應(yīng)災(zāi)區(qū)的路況，及時將必需品等物資運送至指定地點。同時，其還有運輸人員的能力，可以在往返過程中運送救援人員和被困者，免除人力運送的缺點，對災(zāi)區(qū)救援工作起到了不可替代的作用。

三.工作原理

該機器人以開辟救援通路為主要任務(wù)，當(dāng)其行進(jìn)至工作區(qū)域后即開啟清障功能。

采用六足機構(gòu)的機器人可以平穩(wěn)的運行于路況復(fù)雜的路面，腿部結(jié)構(gòu)具備了較大的伸縮能力，可以越過各種障礙，到達(dá)指定區(qū)域后，由人工遙控選擇合適角度和合適方向，做好準(zhǔn)備工作。

在機器人的中心內(nèi)搭載平臺上裝備有獨立的挖掘機械手，該挖掘機械手為一臺氣壓挖掘機械手。當(dāng)前期準(zhǔn)備工作完成后，挖掘機械手系統(tǒng)運作，通過程序控制氣泵的自動化工作。由于挖掘機械手的設(shè)計目標(biāo)定位于能夠進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)工作，其工作范圍十分寬大，通過對氣壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，可以為挖掘機提供強勁的動力，配合其靈活的機械腿，可以出色的完成開辟救援通道的任務(wù)。

當(dāng)機器人工作于城市廢墟中時，中心平臺可以卸載挖掘機械手，搭載大功率水泥切割機。很多情況下，救援人員面對大片的水泥樓板、混凝土廢墟無計可施，該地震救援機器人就可以發(fā)揮其不可替代的作用：切斷樓板，破除殘垣障礙，開辟救援通道。

機器人可以在很短時間內(nèi)開辟出一條希望之路，若是多個機器人同時相互配合工作，更能高效的完成人力難以完成的任務(wù)。四.運動分析

初始化過程，當(dāng)機器人受到預(yù)定指令準(zhǔn)備向前移時。由分布在機器人腿部的左右兩個接觸傳感器，進(jìn)行系統(tǒng)的初始檢測；腿部處于收縮狀態(tài)時控制程序開始運行，一側(cè)的三條機械腿與支架同時工作，將機器人本體整體平穩(wěn)抬升，至三條機械腿先后完全伸展，具備一定的越障能力的情況下先前移動；機器人行走第一步一側(cè)的三條腿各自提升，通過關(guān)節(jié)電機帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，機械腿上提，隨后由腿部水平放置的關(guān)節(jié)電機驅(qū)動機械腿向前移動至最大步幅，這側(cè)的三條腿停下來。隨后另一側(cè)的三條腿重復(fù)第一步的運動過程，完成機器人向前的行走。

初始化過程中，啟動氣壓電機，控制電磁閥的動作，機器人的氣缸系統(tǒng)完成挖掘機械手的初始狀態(tài)。在主體遷移過程。通過程序控制氣缸系統(tǒng)中的電磁閥，氣壓電機繼續(xù)保持啟動狀態(tài)，給機器人的整個氣缸系統(tǒng)充氣，讓機器人的挖掘機械手可以在前進(jìn)中保持穩(wěn)定。

機器人清理障礙的設(shè)計，機器人就位之后，編寫的程序就會在機器人腿部移動動作結(jié)束，關(guān)閉第一階段即機器人移動的所有過程，并對第二階段運行的挖掘機械手進(jìn)行初始化，即挖掘機械手調(diào)整到工作位置，通過機械手各個關(guān)節(jié)部位氣泵的控制來操作機械手的清障工作。五.實現(xiàn)的可能性

本機器人是針對全國各個地震多發(fā)區(qū)（例如云南的幾條地震帶）的災(zāi)后救援難題進(jìn)行設(shè)計的，在機器人的模塊組合合理的前題及各個機械救援手臂的參數(shù)設(shè)置設(shè)計合理的情況下，可以實現(xiàn)對復(fù)雜災(zāi)后環(huán)境的道路清理及救援工作。

該機器人及多功能于一身，具備執(zhí)行多種任務(wù)的能力，是現(xiàn)實生活中不可或缺的一種先進(jìn)救援機器人。其獨特的中心搭載平臺提供了強大的搭載能力，可以根據(jù)需求搭載不同的任務(wù)組件，完成不同情況下的各種任務(wù)。

六.創(chuàng)新點

該救援機器人移動靈活，救援工作效率高。該救援機器人實現(xiàn)了多功能及復(fù)雜的救援工作。

采用較為簡單的機構(gòu)，通過運動的有效組合，實現(xiàn)重災(zāi)區(qū)道路的清理。

七.應(yīng)用前景

該機器人性能先進(jìn)，功能靈活，可以廣泛應(yīng)用于國防科研、抗震救災(zāi)、工業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。

在國防科研領(lǐng)域：該機器人可作為樣本研究的實驗機器人，探究各種結(jié)構(gòu)的可行性以及搭載多種功能組件的系統(tǒng)兼容性。同時可以改裝成為特種機器人遂行某些特種任務(wù)，偵查、排爆、托運傷員以及不穩(wěn)定地帶的巡邏執(zhí)勤任務(wù)。

在抗震救災(zāi)領(lǐng)域：該機器人可以應(yīng)用于消防搶救工作，探查點地帶的火勢情況，為消防人員的工作提供信息支持和技術(shù)保證。在蟲災(zāi) 地域探查威脅等級，評定受災(zāi)程度，制定初步救災(zāi)計劃等工作。

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域：機器人可以排查受損管道，監(jiān)視車間溫度，提示工人禁止違規(guī)操作，對機械設(shè)備定期的自動維護(hù)并測試生產(chǎn)線的運行情況。

八.作品部分照片

九.參考文獻(xiàn)

[1] 王紅軍，魏超.一種地震搜救機器人運動結(jié)構(gòu)設(shè)計研究1674-6864（2010）03-0025-04.[2] 徐草，章亞男，沈林勇，徐解民，龔振邦.廢墟狹縫搜救機器 人自動送進(jìn)系統(tǒng)研究 1001-4551（2010）11-0110-05.[3] 李斌.蛇形機器人的研究及在災(zāi)難救援中的應(yīng)用.機器人技術(shù)與運用，2003（3）:22-26.[4] 李集.災(zāi)難救急機器人.科技展望，2008（7）:24

[5] 宋孟軍，張明路.多運動模式移動機器人的可變形腿運動學(xué)分析.1001-2354（2011）05-0046-05 [6] 濮良貴.機械設(shè)計[第八版].北京：高等教育出版社.2006.[7] 徐元呂.工業(yè)機器人.北京：中國輕工業(yè)出版社.2006.[8] 張福學(xué).機器人技術(shù)及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社.2000.

第二篇：搬運機器人設(shè)計說明書

青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）緒論

1.1研究背景與意義

工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機械手工程。機械手涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。

工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間[1-3]。

機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其

一、它能部分的代替人工操作；其

二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其

三、它能操作必要的機具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。

圖1-1 生產(chǎn)線上的機械手

Fig.1-1 The manipulator on the production line

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行。工業(yè)機械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作以保護(hù)人身安全，更顯示其優(yōu)越性，有著闊的發(fā)展前途。

1.2工業(yè)機械手的簡史

用于再現(xiàn)人手的功能的技術(shù)裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為工業(yè)機械手。

工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機械手工程。機械手涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。

工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。

機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其

一、它能部分的代替人工操作；其

二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其

三、它能操作必要的機具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）

受到機械工業(yè)的重視。

現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。

機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。

1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。

圖1-2 世界上第一臺工業(yè)機械手 Fig.1-2 The world's first industrial robots 1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。

1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。

美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

公司建立了8年機械手試驗臺，進(jìn)行各種性能的試驗。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。

圖1-3 六自由度機械手

Fig.1-3 Six degrees of freedom manipulator 德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。

瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。

日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個。1976年個大學(xué)和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。

1978年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明SCARA，該機器人具有四個軸和四個運動自由度，(包括繞X,Y,Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度和沿Z軸的平移自由度)。該系列的操作手在其動作空間的四個方向具有有限剛度，而在剩下的其余兩個方向上具有無限大剛度。

如今SCARA機器人[4]還廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥

青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）

品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。它的第一個軸和第二個軸具有轉(zhuǎn)動特性，第三和第四個軸可以根據(jù)工作的需要的不同，制造成相應(yīng)多種不同的形態(tài)，并且一個具有轉(zhuǎn)動、另一個具有線性移動的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類似于一個扇形區(qū)域。

圖1-4 日本的SCARA機器人 Fig.1-4 Japan's SCARA robot 第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。

第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。

1.3國內(nèi)外機械手研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

（1）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。

（2）機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。

（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。

（4）機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器。

（5）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。

（6）當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。

（7）機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。

1.4我國工業(yè)機器人的發(fā)展

我國工業(yè)機器人起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過30多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。

20世紀(jì)70年代是世界科技發(fā)展的一個里程碑：人類登上了月球，實現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界范圍內(nèi)工業(yè)機器人的應(yīng)用掀起了一個高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著改革開放的不斷深入，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，我國機器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持。“七五”期間，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、電焊、弧焊和搬運機器人。1986年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃開始實施，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。

從20世紀(jì)90年代初期起，我國的國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進(jìn)了一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝、碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化

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機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 物料搬運機械手總體設(shè)計

設(shè)計一臺工業(yè)機器人是一項復(fù)雜而又艱巨的任務(wù)，由于本人實踐經(jīng)驗的缺乏和認(rèn)識上的不足，因此在設(shè)計上不可能面面俱到。本次設(shè)計僅僅只設(shè)計機器人的總體機械結(jié)構(gòu)，而對于控制系統(tǒng)以及細(xì)節(jié)部分如機械手設(shè)計等等不作詳細(xì)的探討。

2.1機械手的功能要求

能夠快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的夾起物料并完成搬運工作時物料搬運機械手的最基本的功能要求，這要求具備一定的精度，具有一定的承載能力，同時還有一定的工作空間。當(dāng)然靈活的自由度和完成一定動作的平穩(wěn)性也是必不可少的。在對于物料搬運機械手進(jìn)行設(shè)計是，必須要根據(jù)機械手所要進(jìn)行的動作，選擇合適的機械手的結(jié)構(gòu)，確定工作時序。應(yīng)明確機械手搬運物料的重量和要滿足的精度。進(jìn)而確定機械手運動控制的要求，并且還要兼顧通用性和專用性的同時，盡量選用已經(jīng)定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，以實現(xiàn)機械手的模塊化[5-7]。

本設(shè)計所要設(shè)計的機械手主要用生產(chǎn)線上某袋裝化工產(chǎn)品的搬運動作。搬運物料的結(jié)構(gòu)尺寸為400mm?400mm?300mm，重量為20kg。因此機械手的主要設(shè)計參數(shù)如下。

表2-1 機械手主要設(shè)計要求

Tab.2-1 The mainly design requirements of Manipulator

項目 自由度 最大回轉(zhuǎn)角度 最小回轉(zhuǎn)角度 最大工作半徑 最大載荷 額定載荷 手爪最大行程

參數(shù) 3 240度 90度 960mm 30kg 20kg 410mm

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2.2確定機器人類型

根據(jù)機器人的運動參數(shù)確定其運動形式，然后才能確定其結(jié)構(gòu)。根據(jù)機器人坐標(biāo)建立的形式可以分為以下幾個類型。

(1)直角坐標(biāo)型:主體結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)。

特點是：結(jié)構(gòu)簡單，剛度高。關(guān)節(jié)之間運動相互獨立，沒有耦合作用。占地面積大，導(dǎo)軌面防護(hù)比較困難。

(2)圓柱坐標(biāo)型：圓柱坐標(biāo)式機器人主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度：腰轉(zhuǎn)、升降和伸縮。亦即具有一個旋轉(zhuǎn)運動和兩個直線運動。

特點：通用性較強；結(jié)構(gòu)緊湊；機器人腰轉(zhuǎn)時將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動慣量。受結(jié)構(gòu)限制，手臂不能抵達(dá)底部，減少了工作范圍。

(3)球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)）： 機器人主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度，兩個旋轉(zhuǎn)運動和一個直線運動。特點：工作范圍較大；占地面積?。豢刂葡到y(tǒng)復(fù)雜

(4)關(guān)節(jié)式機器人：關(guān)節(jié)式機器人的主體結(jié)構(gòu)的三個自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

特點：動作靈活，工作空間大；關(guān)節(jié)運動部位密封性好；運動學(xué)復(fù)雜，不便于控制。

綜合比較以上幾種方案的不同優(yōu)缺點及對設(shè)計要求的全面認(rèn)識，本次設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：通用性較強；結(jié)構(gòu)緊湊；機器人腰轉(zhuǎn)時將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動慣量。同時這類機械手也存在一些結(jié)構(gòu)上的缺點，例如手臂不能抵達(dá)底部，這樣就減少了工作范圍。

2.3 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系

末端執(zhí)行器（手爪）執(zhí)行機構(gòu)機械系統(tǒng)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)手臂機構(gòu)腰部機構(gòu)基座驅(qū)動機構(gòu)電液氣驅(qū)動 9

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2-1 工業(yè)機器人組成圖

Fig.2-1 The composition of industrial robot 2.4機械手總體設(shè)計及傳動形式說明

作為機械手的最終的執(zhí)行機構(gòu)，機械機構(gòu)的布局和類型直接影響到機械手的驅(qū)動系統(tǒng)和傳動方式，乃至影響整個機械手的工作性能。針對本論文中提到的物料搬運機械手，機械手在做物料搬運時，手臂具有上升、下降、伸出和收縮的功能。并且機械手的腰部應(yīng)能夠進(jìn)行回轉(zhuǎn)。為了滿足功能要求，本論文的物料搬運機械手設(shè)計分為三個自由度。并且機械手的運動形式分為方向移動和工作執(zhí)行兩個部分。其中方向移動部分占兩個自由度，包括了伸出和縮回激動機構(gòu)和平面擺動機構(gòu)。由于這兩個自由度之間沒有耦合，所以可以有效的簡化機械手的運算和控制。工作執(zhí)行部分只有一個自由度，包括了上升和下降兩個運動形式。對于具體機械手的結(jié)構(gòu)圖見圖2-2。

圖2-2 機械手的總體圖

Fig.2-2 Overall figure of the manipulator 2.4.1機械手的傳動形式說明

由于本機器人主要實現(xiàn)了三個自由度的運動，所以其傳動形式也相對比較簡單，下面對其傳動形式予以說明。

（1）腰部回轉(zhuǎn)運動。由于本機械手要實現(xiàn)物料的搬運，要具有一定的精度。并且考慮到機械手的通用性，在其他場合下也能很快的進(jìn)行工作轉(zhuǎn)換，對于腰部的回轉(zhuǎn)運動采用了步進(jìn)電機提供動力源。因為步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速相對于我們要求的腰部回轉(zhuǎn)運動的速度較快，而且還應(yīng)該提供較大的力矩，因此此處應(yīng)選擇

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帶有減速器的步進(jìn)電機，減速器應(yīng)為行星輪減速器。

（2）手臂部位的伸出和收縮。手臂部位的伸縮運動同樣需要一定的精度，同時為了節(jié)省空間和減輕手臂的重量，此處也是選擇了步進(jìn)電機來作為動力源，同時運動的傳遞使用了絲杠與絲杠螺母的形式。

（3）手爪的上下運動。手爪的上下運動對于搬運機械手來說要求的精度相對較低，而且此處需要的上下運動的力比較大，大約300N，因此此處我們選擇使用氣缸來實現(xiàn)這個方向的運動。

（4）手爪的夾持運動。一般情況下，我們不會講手爪的夾持運動當(dāng)做機器人的自由度，但是在這里涉及到運動形式的介紹，因此在此處對于手爪的夾持運動一并進(jìn)行說明。此處物體的重量比較大，為了提供足夠的加持力，我們選用氣缸來作為手爪的動力源，此處進(jìn)行了手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.4.2滾珠絲杠

滾珠絲桿是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。

滾珠絲杠軸承為適應(yīng)各種用途，提供了標(biāo)準(zhǔn)化種類繁多的產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用與機床，滾珠的循環(huán)方式有循環(huán)導(dǎo)管式、循環(huán)器式、端蓋式。

圖2-3 滾珠絲杠圖 Fig.2-3 The ball screw 預(yù)壓方式有定位預(yù)壓（雙螺母方式、位預(yù)壓方式）、定壓預(yù)壓?？筛鶕?jù)用途選擇適當(dāng)類型。絲桿有高精度研磨加工的精密滾珠絲杠（精度分為從CO-C7的6個等級）和經(jīng)高精度冷軋加工成型的冷軋滾珠絲杠軸承（精度分為從C7-C10的3個等級）。另外，為應(yīng)付用戶急需交貨的情況，還有已對軸端部進(jìn)行了加工

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 的成品，可自由對軸端部進(jìn)行追加工的半成品及冷軋滾珠絲杠軸承。作為此軸承的周邊零部件，在使用所必要的絲杠支撐單元、螺母支座、鎖緊螺母等也已被標(biāo)準(zhǔn)化了，可供用戶選擇使用。

滾珠絲杠軸承以多年來所累積制品技術(shù)為基礎(chǔ)，從材料、熱外理、制造、檢查至出貨，都是以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠繁Ｖ贫葋砑右怨芾?，因此具有高信賴性?.4.3直線導(dǎo)軌

直線導(dǎo)軌可分為：滾輪直線導(dǎo)軌和滾珠直線導(dǎo)軌兩種，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度較高。

直線導(dǎo)軌又稱線軌、滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載，同時可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動.分為方形滾珠直線導(dǎo)軌，雙軸芯滾輪直線導(dǎo)軌，單軸芯直線導(dǎo)軌。在大陸稱直線導(dǎo)軌，臺灣一般稱線性導(dǎo)軌，線性滑軌。

直線運動導(dǎo)軌的作用是用來支撐和引導(dǎo)運動部件，按給定的方向做往復(fù)直線運動。依摩擦性質(zhì)而定，直線運動導(dǎo)軌可以分為滑動摩擦導(dǎo)軌、滾動摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。直線軸承主要用在自動化機械上比較多,像德國進(jìn)口的機床,折彎機,激光焊接機等等,當(dāng)然直線軸承和直線軸是配套用的。像直線導(dǎo)軌主要是用在精度要求比較高的機械結(jié)構(gòu)上, 滑塊-使運動由曲線轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€。新的導(dǎo)軌系統(tǒng)使機床可獲得快速進(jìn)給速度，在主軸轉(zhuǎn)速相同的情況下，快速進(jìn)給是直線導(dǎo)軌的特點。直線導(dǎo)軌與平面導(dǎo)軌一樣，有兩個基本元件；一個作為導(dǎo)向的為固定元件，另一個是移動元件。由于直線導(dǎo)軌是標(biāo)準(zhǔn)部件，對機床制造廠來說．唯一要做的只是加工一個安裝導(dǎo)軌的平面和調(diào)整導(dǎo)軌的平行度。

圖2-4 直線導(dǎo)軌

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Fig.2-4 the linear guide-way 作為導(dǎo)向的導(dǎo)軌為淬硬鋼，經(jīng)精磨后置于安裝平面上。與平面導(dǎo)軌比較，直線導(dǎo)軌橫截面的幾何形狀，比平面導(dǎo)軌復(fù)雜，復(fù)雜的原因是因為導(dǎo)軌上需要加工出溝槽，以利于滑動元件的移動，溝槽的形狀和數(shù)量，取決于機床要完成的功能。例如：一個既承受直線作用力，又承受顛覆力矩的導(dǎo)軌系統(tǒng)，與僅承受直線作用力的導(dǎo)軌相比．設(shè)計上有很大的不同。2.4.4 步進(jìn)電機與氣缸

步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

圖2-5 步進(jìn)電機 Fig.2-5 The stepping motor 步進(jìn)電機的特點：

（1）一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。

（2）步進(jìn)電機外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

（3）步進(jìn)電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時，電機各

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

（4）步進(jìn)電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

氣缸，是引導(dǎo)活塞在其中進(jìn)行直線往復(fù)運動的圓筒形金屬機件。工質(zhì)在發(fā)動機氣缸中通過膨脹將熱能轉(zhuǎn)化為機械能；氣體在壓縮機氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力。渦輪機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機等的殼體通常也稱“氣缸”。氣缸有作往復(fù)直線運動的和作往復(fù)擺動的兩類。作往復(fù)直線運動的氣缸又可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸4種。

根據(jù)工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力。由此來選擇氣缸時應(yīng)使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過大，不僅使設(shè)備笨重、成本高，同時耗氣量增大，造成能源浪費。在夾具設(shè)計時，應(yīng)盡量采用增力機構(gòu)，以減少氣缸的尺寸。2.4.5行星齒輪減速器

行星齒輪減速機主要傳動結(jié)構(gòu)為：行星輪，太陽輪，內(nèi)齒圈。

行星減速機因為結(jié)構(gòu)原因，單級減速最小為3，最大一般不超過10，常見減速比為：3.4.5.6.8.10，減速機級數(shù)一般不超過3，但有部分大減速比定制減速機有4級減速。相對其他減速機，行星減速機具有高剛性、高精度(單級可做到1分以內(nèi))、高傳動效率(單級在97%-98%)、高的扭矩/體積比、終身免維護(hù)等特點。因為這些特點，行星減速機多數(shù)是安裝在步進(jìn)電機和伺服電機上，用來降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，匹配慣量[8]。

行星減速機額定輸入轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到18000rpm(與減速機本身大小有關(guān)，減速機外形越大，額定輸入轉(zhuǎn)速越小)以上，工業(yè)級行星減速機輸出扭矩一般不超過2000Nm，特制超大扭矩行星減速機可做到10000Nm以上。工作溫度一般在-25℃到100℃左右，通過改變潤滑脂可改變其工作溫度。

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圖2-6 行星齒輪減速器 Fig.2-6 The planetary reducer 2.5本章小結(jié)

本章主要對搬運機械手的主要結(jié)構(gòu)形式和傳動形式進(jìn)行了介紹和說明，并且對于設(shè)計中可能要選擇的一些標(biāo)準(zhǔn)間或者外購件進(jìn)行了簡要的說明和介紹，主要是為后面的設(shè)計提供理論和技術(shù)的上支持，說明了整個設(shè)計的可行性。

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手末端執(zhí)行器及第三臂設(shè)計

3.1機械手末端執(zhí)行器設(shè)計方案

3.1.1末端執(zhí)行器設(shè)計要求和設(shè)計參數(shù)

設(shè)計要求：

（1）要有足夠的夾持力和所需的夾持精度；

（2）末端執(zhí)行器要連接在手腕上，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、質(zhì)量輕小，以減輕手臂的負(fù)荷。

設(shè)計參數(shù)：

（1）所需要夾緊的物料尺寸為400mm?400mm?300mm。放松動作時兩個手爪間的最大距離為320mm~420mm。抓持速度為10m/s，夾持器從運輸車上抓取待加工的坯料送到加工機械上及把加工好的工件送回到運輸車上。

（2）工件重量20kg，簡化為400mm?400mm?300mm的長方體材料。（3）夾緊動作平穩(wěn)，起動和終止無剛性沖擊，由運動分析及所需夾持力得到機構(gòu)各部分尺寸。3.1.2手爪結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計

末端執(zhí)行器采用兩個氣缸來完成，總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖3-1 末端執(zhí)行器 Fig.3-1 The end effector 手爪采用來個氣缸來完成抓取動作，對于手爪采用了可以替換的模塊化設(shè)計

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方式以便于物料的形狀發(fā)生變化時可以更換手爪。3.1.3對于手爪氣缸的選型計算

用于手爪開合的兩個氣缸對于力的要求不是很高，因此對于此部分我們只做簡要的計算，并進(jìn)行大體選型。

對于手爪閉合式所需要的力為200N，具體的行程應(yīng)控制在30~50mm。因為氣缸在市場中有現(xiàn)成的可以選擇，因此我們只需要完成選型工作，購買合適的氣缸即可。

圖3-2 CQ2標(biāo)準(zhǔn)型氣缸 Fig.3-2 CQ2 standard cylinders 本設(shè)計中手爪氣缸選用SMC公司CQ2標(biāo)準(zhǔn)型氣缸，該氣缸的具體參數(shù)如下表所示。根據(jù)設(shè)計參數(shù)和CQ2薄型氣缸選型手冊選擇氣缸。

表3-1 氣缸的主要選型參數(shù)

Tab.3-1 Main parameter selection of air cylinder

項目 公司 系列 型號 缸徑 行程

參數(shù) SMC CQ2系列 CQ2B100-50D 100mm 50mm

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

最高使用壓力 1MPa 根據(jù)氣缸的以上參數(shù)，我們可以計算氣缸的推拉力為: F?PS?1?106Pa?3.14?((100/1000/2)m)2?785N

而對于我們的設(shè)計要求最大載荷為200N來說，最大785N的夾持力足夠使用了。其安全系數(shù)為：

Fn??785/200?3.925

F'因此設(shè)計符合設(shè)計要求和安全準(zhǔn)則。3.1.4對于手爪直線導(dǎo)軌的選擇

本處的直線導(dǎo)軌，實際為手爪的主要承重位置，因此在結(jié)構(gòu)上我們采用了雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時導(dǎo)軌采用雙滑塊模式，導(dǎo)軌的材料選用的碳素鋼。本設(shè)計中選購了Misumi公司的SEL2B13-310型號的直線導(dǎo)軌，該類型導(dǎo)軌為通用的輕型導(dǎo)軌。

圖3-3 直線導(dǎo)軌的布置 Fig.3-3 Linear guide arrangement 3.1.5手爪及其連接件設(shè)計

對于手爪的設(shè)計我們只是參考了對于物料搬運的手爪形狀的基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)為為了增強物料搬運機械手的通用性，我們將手爪利用法蘭的形式與導(dǎo)軌連接，下午為手爪的效果圖。

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圖3-4 手爪效果圖 Fig.3-4 Gripper rendering 由于整個手爪結(jié)構(gòu)的特殊性，我們特別設(shè)計了手爪、導(dǎo)軌以及氣缸這三個零件的連接件，效果圖如圖3-5。

圖3-5 連接件效果圖 Fig.3-5 Fitting effect 3.2機械手第三臂設(shè)計

第三臂要承受的負(fù)載力額定負(fù)載為20kg，最大負(fù)載為30kg。同時我們要求在z軸方向上的最大位移為350mm。

最大負(fù)載F'?300N

同樣我們選擇SMC的氣缸，通過查閱SMC氣缸的選型手冊，我們暫選標(biāo)準(zhǔn)型氣缸MB系列，具體的參數(shù)見下表。

表3-2 氣缸的主要選型參數(shù)

Tab.3-2 Main parameter selection of air cylinder

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

項目 公司 系列 型號 缸徑 行程

最高使用壓力

參數(shù) SMC MB系列 MDB100-350 100mm 350mm 1MPa 根據(jù)氣缸的以上參數(shù)，我們可以計算氣缸的推拉力為: F?PS?1?106Pa?3.14?((100/1000/2)m)2?785N

而對于我們的設(shè)計要求最大載荷為300N來說，最大785N的夾持力足夠使用了。其安全系數(shù)為：

Fn??785/300?2.62

F'因此此設(shè)計符合設(shè)計要求和安全準(zhǔn)則。

第三臂的氣缸外形圖如下圖所示。

圖3-6 第三臂氣缸及其底座 Fig.3-6 The third arm cylinder and its base 3.3 小結(jié)

本章主要完成了物料搬運機械手的末端執(zhí)行器和第三臂上下移動的設(shè)計工作。對于用的氣缸進(jìn)行了選型，對主要的零件進(jìn)行了設(shè)計。通過校核，所選擇的氣缸和設(shè)計均符合設(shè)計要求和安全準(zhǔn)則。

青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）物料搬運機械手小臂設(shè)計

4.1機械手小臂的主要機械傳動部件

4.1.1機械傳動部件及其功能要求

機械傳動部件在本產(chǎn)品中主要有絲杠螺母傳動，聯(lián)軸器，導(dǎo)軌等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，機械傳動部件主要是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變換器。其目的是使執(zhí)行元件與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。機械傳動部件對伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大的影響，特別是其傳動類型，傳動方式，傳動剛度以及傳動可靠性對機電一體化系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有重大影響。因此，應(yīng)設(shè)計和選擇傳動間隙小，精度高，體積小，重量輕，運動平穩(wěn)，傳遞轉(zhuǎn)矩較大的傳動部件[9]。

傳動機構(gòu)主要是對運動的變換，主要是其形式，行程，方向，速度。動力的變換主要是其大小和方向。還要克服慣性力（力矩）及摩擦阻力。4.1.2滾軸絲杠的選用

本設(shè)計使用的滾珠絲杠導(dǎo)程是10mm，絲杠直徑是16mm, 絲杠螺母機構(gòu)有滑動摩擦機構(gòu)和滾動摩擦機構(gòu)之分。滑動絲杠螺母機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。滾動絲桿螺母機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但其最大優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~40%），因此在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

本設(shè)計使用絲桿轉(zhuǎn)動、螺母移動的傳動方式。

絲桿轉(zhuǎn)動、螺母移動，該傳動形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)向裝置，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較好，適用于工作行程較大的場合。

表4-1絲杠螺母基本參數(shù)

Tab.4-1 Basic parameters of the lead screw nut 螺帽種精類 單螺帽 度 C10 直徑（mm）長度（mm）額定載荷（動）額定載荷（靜）

1172

8.2KN

17.8KN（1）滾珠絲杠的工作原理

滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構(gòu)，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

有中間傳動原件——滾珠，它由絲杠，螺母，滾珠，反向器組成。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋軌道滾動，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的返回通道，從而形成滾珠流動的閉合回路。

（2）滾珠絲杠傳動的優(yōu)點

具有軸向剛度高（通過預(yù)緊可消除絲杠與滾珠之間的軸向間隙），運動平穩(wěn)，傳動精度高，不易磨損，使用壽命長。

但不能自鎖，具有傳動的可逆性，在升降傳動時，需要采取制動措施。4.1.3 導(dǎo)軌的選用

（1）導(dǎo)軌的作用

導(dǎo)軌的作用是使運動部件能沿一定的軌跡運動（導(dǎo)向），并承受運動部件及工件的重量和切削力（承載）。在導(dǎo)軌副中，運動的一方叫運動導(dǎo)軌；不運動的一方叫支撐導(dǎo)軌。運動導(dǎo)軌相對于支撐導(dǎo)軌的運動，通常是直線運動或回轉(zhuǎn)運動。

（2）導(dǎo)軌的設(shè)計要求 導(dǎo)向精度高

影響導(dǎo)軌精度的主要原因除制造精度外，還有導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，裝配量。導(dǎo)軌及其支撐部件的剛度和熱變形，對靜壓導(dǎo)軌還有油膜的剛度等。

耐磨性能好

主要是指使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度，應(yīng)該力求減少磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。因此可選用合適的耐磨涂料，潤滑方法和保護(hù)裝置，使導(dǎo)軌具有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。

足夠的剛度

導(dǎo)軌受力變形會影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對位置，因此要求導(dǎo)軌有足夠的剛度。

運動輕便和低速平穩(wěn)性

要使導(dǎo)軌的阻力小，運動輕便，低速運行時無爬行現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)工藝性好

要加工和裝配方便，使用時便于調(diào)整和維修，成本低。（3）本設(shè)計的導(dǎo)軌特性

矩形導(dǎo)軌的特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造，檢驗和修理方便，導(dǎo)軌面較寬，承載能力大，剛度高，但磨損后不能自動補償，須有調(diào)整間隙的裝置，但一個方向

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上的調(diào)整不會影響到另一個方向上的位移，因此安裝調(diào)整比較方便，在相同情況下，摩擦阻力與接觸變性都比較小。

圖4-1矩形導(dǎo)軌

Fig.4-1 The rectangular guideway 4.1.4 步進(jìn)電機的選用

（1）步進(jìn)電機的原理

步進(jìn)電機是一種利用電磁感應(yīng)原理，將電脈沖型號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。

步進(jìn)電機的運動是由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖型號，通過環(huán)行分配器按一定的順序加到電動機的各個繞組上。為了使電動機能夠輸出足夠的功率，通過環(huán)行分配器產(chǎn)生的脈沖信號還需要進(jìn)行功率放大。環(huán)行分配器，功率放大器以及其它輔助電路統(tǒng)稱為步進(jìn)電動機的驅(qū)動電源。

（2）步進(jìn)電機的特點

主要特點是能實現(xiàn)精確定位、精確位移，且無積累誤差。這是因為步進(jìn)電機運動受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于數(shù)量輸入指令脈沖的頻率[10]。

步進(jìn)電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。

廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等。

（3）步進(jìn)電機的選用原則

選擇步進(jìn)電機時，首先要保證步進(jìn)電機的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

而在選用功率步進(jìn)電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負(fù)載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負(fù)載力矩大。

選擇步進(jìn)電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當(dāng)量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。

選擇功率步進(jìn)電機時，應(yīng)當(dāng)估算機械負(fù)載的負(fù)載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進(jìn)電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。

（4）本設(shè)計的選用

本設(shè)計選用東方電機PK26系列的2相步進(jìn)電機，2相PK系列為高轉(zhuǎn)矩· 低振動型步進(jìn)電動機。除了每轉(zhuǎn)200分割（1.8?/step）的標(biāo)準(zhǔn)型外，另外還備有每轉(zhuǎn)400分割的高分辨率型以及高轉(zhuǎn)矩、高分辨率的減速機型產(chǎn)品。驅(qū)動本系列時需另購驅(qū)動器。

本系列產(chǎn)品備有高轉(zhuǎn)矩· 高效率型、高轉(zhuǎn)矩型、標(biāo)準(zhǔn)型、標(biāo)準(zhǔn)型保護(hù)等級IP65規(guī)格、高分辨率型、SH減速機型等產(chǎn)品種類。

本設(shè)計用T3060型式的高轉(zhuǎn)矩型60mm的步進(jìn)電機。

圖4-2 T3060步進(jìn)電機 Fig.4-2 T3060 stepping motor

表4-2本設(shè)計選用電機的基本參數(shù)

青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）

Tab.4-2 The design chooses the basic parameters of motor 名稱 2相步進(jìn)電機 類型 高轉(zhuǎn)矩

安裝尺寸 60mm

軸型 單軸

步距角 1.8度

最大靜止轉(zhuǎn)

矩 1.7 Nm

額定電流 2A/相

保持轉(zhuǎn)矩 2.2 Nm 4.1.5 聯(lián)軸器的選用

十字滑塊聯(lián)軸器由兩個在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動，故可補償安裝及運轉(zhuǎn)時兩軸間的相對位移。

這種聯(lián)軸器零件的材料可用45鋼，工作表面需要進(jìn)行熱處理，以提高其硬度；要求較低時也可用Q275鋼，不進(jìn)行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時應(yīng)從中間盤的油孔中注油進(jìn)行潤滑。

因為半聯(lián)軸器與中間盤組成移動副，不能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，故主動軸與從動軸的角速度應(yīng)相等。但在兩軸間有相對位移的情況下工作時，中間盤就會產(chǎn)生很大的離心力，從而增大動載荷及磨損。因此選用時應(yīng)注意其工作轉(zhuǎn)速不得大于規(guī)定值。

本設(shè)計參考選用十字滑塊聯(lián)軸器，主要因為它具有以下優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單的高扭矩剛性、高靈敏度聯(lián)軸器。（2）主體中間用十字滑塊聯(lián)接，安裝方便，免維護(hù)。（3）零回轉(zhuǎn)間隙。

（4）主體軸套采用鋁合金,體積輕巧。

（5）安裝方便、免維護(hù)、可抗油污抗腐蝕和電氣絕緣。（6）容許大的徑向和軸向，角向偏差。（7）吸收較的的傳動扭力。（8）壽命長,性能安全可靠。

（9）制作工藝:精車件,表面處理:本色陽極氧化處理。

4.2手臂部分運動計算

4.2.1速度的計算

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）電動機轉(zhuǎn)速：

n??b?f/360?60?1.8?1000/360?60r/min?300r/min

其中?b?1.8為步進(jìn)電機的步距角（度），f?1000為脈沖頻率（脈沖/秒）（2）每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)

S?360/?b?360/1.8?200脈沖/轉(zhuǎn)

其中S為每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，TSP為導(dǎo)程取10mm。（3）工作臺運動速度

V?n?TSP?300r/min?10mm/r?3000mm/min?50mm/s

4.2.2手臂的結(jié)構(gòu)形式

圖4-3 手臂傳動結(jié)構(gòu)圖 Fig.4-3 Arm drive structure

圖4-4 手臂底座結(jié)構(gòu)圖 Fig.4-4 The arm base structure 4.3小結(jié)

本章主要針對物料搬運機械手的第二個關(guān)節(jié)，也就是小臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，對其使用的電機、滾珠絲杠等主要的外購部件進(jìn)行了選型，并且進(jìn)行了簡要計算，說明了設(shè)計的可行性和合理性。

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5底座及第一關(guān)節(jié)設(shè)計

5.1總體設(shè)計

第一關(guān)節(jié)是整個機械手設(shè)計部分承載重量最大的部分，因此這個設(shè)計的合理性決定了整個機械手的穩(wěn)定性。圖5-1所示為機械手底座部分的截圖。

圖5-1 底座部分 Fig.5-1 The base part 5.2交叉滾子軸承

對于本設(shè)計中底座處因為小臂為懸臂形式，并且要用電機產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，因此在此處應(yīng)使用特殊的軸承，本設(shè)計中選用交叉滾子軸承。

它們的滾子在內(nèi)輪與外輪間，間隔交叉地彼此成直角方式排列。它們能同時承受來自各方向荷重(如軸向、推力或動量荷重等)。因滾子與軌道表面成線狀接觸，物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5-2 交叉滾子軸承 Fig.5-2 The crossed roller bearing 因此，軸承受荷重而彈性變形之可能性很小。此型軸承廣泛運用在如工業(yè)自動機械人、工作機械及醫(yī)療設(shè)施等，需要剛性高、緊密及高轉(zhuǎn)速下仍能確保精確之場合下。

在交叉滾子軸承中，因圓柱滾子在呈 90 ° 的 V 形溝槽滾動面上通過間隔保持器被相互垂直地排列，所以 1 個交叉滾子軸承就可承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及力矩負(fù)荷等所有方向的負(fù)荷。內(nèi)外圈的尺寸被最小限度地小型化，特別極薄型式是接近于極限的小型尺寸，并且具有高剛性，所以最適合于工業(yè)用機器人的關(guān)節(jié)部或旋轉(zhuǎn)部、機械加工中心的旋轉(zhuǎn)工作臺、機械手旋轉(zhuǎn)部、精密旋轉(zhuǎn)工作臺、醫(yī)療機器、計量器、IC 制造裝置等的用途。

交叉滾子軸承，因被分割的內(nèi)環(huán)或外環(huán)，在裝入滾柱和間隔保持器后，與交叉滾柱軸環(huán)固定在一起，以防止互相分離，故安裝交叉滾柱軸環(huán)時操作簡單。由于滾柱為交叉排列，因此只用1套交叉滾柱軸環(huán)就可承受各個方向的負(fù)荷，與傳統(tǒng)型號相比，剛性提高3~4倍。同時，因交叉滾子軸承內(nèi)圈或外圈是兩分割的構(gòu)造，軸承間隙可調(diào)整，即使被施加預(yù)載，也能獲得高精度地旋轉(zhuǎn)運動。

（1）具有出色的旋轉(zhuǎn)精度

交叉滾子軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用滾子呈90°相互垂直交叉排列，滾子之間裝有間隔保持器或者隔離塊，可以防止?jié)L子的傾斜所滾子之間相互磨察，有效防止了旋轉(zhuǎn)扭矩的增加。另外，不會發(fā)生滾子的一方接觸現(xiàn)象或者鎖死現(xiàn)象；同時因為內(nèi)外環(huán)是分割的結(jié)構(gòu)，間隙可以調(diào)整，即使被世家預(yù)壓，也能獲得高精度的旋轉(zhuǎn)運動。

（2）操作安裝簡化

被分割成2部分的外環(huán)或者內(nèi)環(huán)，在裝入滾子和保持器后，被固定在一起，青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）

所以安裝時操作非常簡單。

（3）承受較大的軸向和徑向負(fù)荷

因為滾子在呈90°的V型溝槽滾動面上通過間隔保持器被相互垂直排列，這種設(shè)計使交叉滾子軸承就可以承受較大的徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及力矩負(fù)荷等所有方向的負(fù)荷。

（4）大幅節(jié)省安裝空間

交叉滾子軸承的內(nèi)外環(huán)尺寸被最小限度的小型化，特別是超薄結(jié)構(gòu)是接近極限的小型尺寸，并且具有高剛性，所以最適合于工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)部位或者旋轉(zhuǎn)部位、機械加工中心的旋轉(zhuǎn)工作臺、機械手旋轉(zhuǎn)部、精密旋轉(zhuǎn)工作臺、醫(yī)療儀器、計量器具、IC制造裝置等廣泛用途。

5.3減速步進(jìn)電機

本設(shè)計中選用減速步進(jìn)電機，主要原因是步進(jìn)電機控制容易，而且減速步進(jìn)電機可以減少設(shè)計的工作量，下圖為減速步進(jìn)電機的模型圖。

圖5-3減速步進(jìn)電機 Fig.5-3 Deceleration stepper motor 本設(shè)計中選用的減速步進(jìn)電機是東方馬達(dá)的PN減速步進(jìn)電機，其最大轉(zhuǎn)矩為60NM，本設(shè)計中所選擇的減速步進(jìn)電機的具體參數(shù)見下表。

表5-1 減速步進(jìn)電機參數(shù) Tab.5-1 Slow step motor parameters 型號 ARL98-N36 保持轉(zhuǎn)矩 減速比 37Nm

分辨率 0.0072度

容許轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 容許速度 37Nm

60Nm

0-60r /min 5.4小結(jié)

物料搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

本章主要物料搬運機械手的底座及第一關(guān)節(jié)部分進(jìn)行了設(shè)計和說明。對于底座傳動形式進(jìn)行了設(shè)計，對要進(jìn)行外購的減速步進(jìn)電機進(jìn)行了選型。初步說明了設(shè)計的合理性和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性。

青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）

6總結(jié)

本設(shè)計是物料搬運機械手的設(shè)計，通過半年時間的努力，設(shè)計終于完成。這次設(shè)計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設(shè)計工作的基本流程和設(shè)計的方法以及理念。

在此次的畢業(yè)設(shè)計中，我遇到了許多以前從未遇到過的問題，但通過指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和我的努力，這些問題都得到了較好的解決。

雖然我設(shè)計的只是個簡單的搬運機械手，但需要完成伸縮、回轉(zhuǎn)、擺動等功能，對應(yīng)分別要對這些機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和計算，以及對油路及其部件的選擇。通過這些機設(shè)計，使理論知識與實際相結(jié)合，鞏固和深化了所學(xué)過的專業(yè)理論知識。在設(shè)計的過程中我不斷探索、不斷學(xué)習(xí)和修改。自學(xué)了許多相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，求教了多位專業(yè)老師，上網(wǎng)和在圖書館查閱大量相關(guān)資料。

課題已經(jīng)接近尾聲，一切似乎已將要結(jié)束，而我卻感覺這一切似乎才剛剛開始。通過這次畢業(yè)設(shè)計，對知識結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法、設(shè)計思維我有了一個重新的認(rèn)識。在本次設(shè)計中，前前后后遇到了不少困難，例如對絲杠軸傳動、Z軸傳動的自行設(shè)計，絲杠軸的如何擺放等等問題。由于實踐經(jīng)驗的不足，盡管最后的方案不是太完美，但是我們都慶幸從中所獲甚豐。

由于時間問題，對于本次機械手的設(shè)計還存在許多問題，許多地方都還有待改進(jìn)和提高，希望各位專家評審多多指教。

第三篇：爬樓梯機器人說明書

爬

機器人說明書樓 梯機器人 1

說

明

書

簡介： 該項目涉及一種用于搬運重物上下樓梯的機器人，實現(xiàn)上下樓的智能化，該機器人機械系統(tǒng)設(shè)計較為巧妙，控制方式靈活，具有較高的技術(shù)水平?？蛇m用于各種工廠、住宅樓的貨物搬運。同時，對載物臺稍加人性化設(shè)計，便可實現(xiàn)載人上下樓，解決老人和殘疾人上下樓問題，具有較大的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。

詳細(xì)介紹： 該項目涉及一種用于搬運重物上下樓梯的機器人。通過傾角傳感器控制平衡；通過紅外測距傳感器增強環(huán)境適應(yīng)性；載物臺做水平、豎直運動，重心變化平穩(wěn)；腿與框架螺栓聯(lián)接，便于拆卸存放；結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，體積小，質(zhì)量輕，便于市場推廣?？蛇m用于各種

工廠、住宅樓的貨物搬運。同時，對載物臺稍加人性化設(shè)計，便可實現(xiàn)載人上下樓，解決老人和殘疾人上下樓問題，具有較大的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。

作品設(shè)計、發(fā)明的目的： 設(shè)計一種智能化程度高、快速、穩(wěn)定，同時體積小、質(zhì)量輕、拆裝方便、價格低廉、環(huán)境適應(yīng)性強的樓梯運輸機器人，解決載重上下樓梯的自動化問題?；舅悸罚荷蠘菚r先該機器人本體與平行四邊形機構(gòu)用鉸鏈相連六個車輪的直徑均為85 mm。前輪上安裝有二個電動機，一個驅(qū)動轉(zhuǎn)向另一個驅(qū)動小車的前進(jìn)和后退。中間輪和后輪上各安裝有一個電動機驅(qū)動小車前進(jìn)和后退，四個電動機具有相同的功率。利用平行四邊形變形特點改變與主體相連平行四邊形機構(gòu)的角度可使前車輪、中間車輪分別抬起和落下來實現(xiàn)自適應(yīng)在樓梯面的爬行。

爬樓梯運動分析 經(jīng)試驗在驅(qū)動力允許條件下該機器可爬樓梯臺階的高度為40 mm。爬樓梯過程：首先整車向前運動直到前輪接觸臺階，然后前輪越過臺階，這時前車輪機構(gòu)向上抬起，然后在中間輪和后輪電動機驅(qū)動力的作用下前兩個輪子越過臺階而中間輪和后輪與臺階始終保持接觸當(dāng)中間兩個輪子越過臺階時安裝在主體機構(gòu)上的后車輪在電動機作用下同時爬樓梯臺階樓道、墻面自動吸塵器。樓道、墻面自動吸塵器本體采用平行四邊形機構(gòu)實現(xiàn)上下樓梯功能爬行速度快、平穩(wěn)可靠。轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用傳統(tǒng)差速機構(gòu)增加紅外線位置掃描

系統(tǒng)實現(xiàn)智能化。本體主要起支撐整車支架的作用。前端、中間采用二軸四輪驅(qū)動輪分別安裝在兩側(cè)向平行四邊形機構(gòu)上與其鏈接在一起。同時本體上安放了小車控制機構(gòu)尾部安裝一軸二輪驅(qū)動輪。后車輪也用來起支撐作用后車輪采用電動輪其動力有助于提高吸塵器爬越樓梯的能力。在本體上連接兩個四邊形機構(gòu)來達(dá)到在樓梯上行進(jìn)的目的創(chuàng)新點：

1、通過機電結(jié)合，實現(xiàn)機器人載重上樓的自動化，節(jié)省人力，提高效率；

2、輪驅(qū)結(jié)構(gòu)，承載能力大，運行平穩(wěn)，提高了運輸安全系數(shù)；

3、通過紅外測距傳感器，能夠適應(yīng)不同樓梯高度；

4、電力驅(qū)動裝置為電動推桿，反應(yīng)靈敏、動作迅速，承載能力大，運行平穩(wěn)；

5、此機器人拆裝簡單，便于存放； 技術(shù)關(guān)鍵：

1、如何控制機器人上樓過程的穩(wěn)定性；

2、如何使此機器人適應(yīng)不同高度的樓梯；

3、如何提高此機器人上樓的速度；

4、如何控制此機器人上樓運動過程，使其快速響應(yīng)；

5、如何減小機器人的體積和質(zhì)量；

6、如何使此機器人拆裝簡單，便于存放； 主要技術(shù)指標(biāo)：上樓一層樓所需時間：90-300秒，具體由所選電機決定； 電氣控制部分主要包括單片機、紅外測距傳感器、電力驅(qū)動裝置等

科學(xué)性、先進(jìn)性

1、此機器人有四個輪子，結(jié)構(gòu)牢固，承載能力大；載物臺水平放置，做豎直、水平運動，重心變化小，運行平穩(wěn)。

2、通過紅外測距傳感器，能夠適應(yīng)在不同樓梯高度下工作，增強了環(huán)境適應(yīng)性。

3、采用傾角傳感器，時刻檢測載物臺角度變化，反饋給單片機，控制電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)運動平穩(wěn)；

4、采用電動推桿，響應(yīng)靈敏，承載能力大，運行速度快。

5、輪子為萬向輪，此萬向輪設(shè)制動開關(guān)，上樓梯時可以防止機器人倒退。

6、機械部分主要為框架和四個電動推桿，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕，成本低，便于市場推廣。

7、此機器人的輪子與框架螺栓聯(lián)接，容易拆裝，便于攜帶。

第四篇：變電站智能巡檢機器人設(shè)計說明書

“小凡”智能機器人設(shè)計說明書

一、變電站人工巡檢現(xiàn)狀分析

1、人工巡檢的內(nèi)容、方式、周期和要求 根據(jù)《國家電網(wǎng)公司變電站管理規(guī)范》、《無人值守變電站管理規(guī)范(試行)》、《安徽省電力公司變電設(shè)備管理維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》的意見和要求，目前，某供電公司集控站巡視管理規(guī)定如下： 1.1變電站設(shè)備巡視，分為正常巡視（含交接班巡視）、全面巡視、熄燈巡視和特殊巡視，各類巡視應(yīng)做好記錄。

正常巡視(含交接班巡視)：除按照有關(guān)要求執(zhí)行外，有人值守變電站還應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行交接班設(shè)備巡視，必須在規(guī)定的周期和時間內(nèi)完成。無人值班變電站：集控站所轄站每日1次；其它集控站所轄站每2日1次。

熄燈檢查：應(yīng)檢查設(shè)備有無電暈、放電、接頭有無過熱發(fā)紅現(xiàn)象。有人值班變電站，無人值班變電站每周均應(yīng)進(jìn)行1次。全面巡視（標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)巡視）：應(yīng)對設(shè)備全面的外部檢查，對缺陷有無發(fā)展作出鑒定，檢查設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，檢查防誤閉鎖裝置，檢查接地網(wǎng)及引線是否好。無人值班變電站每月進(jìn)行2次，上半月和下半月各進(jìn)行1次。

特殊巡視：應(yīng)視具體情況而定。下列情況時應(yīng)進(jìn)行特殊巡視：大風(fēng)前、后；雷雨后；冰雪、冰雹、霧天；設(shè)備變動后；設(shè)備新投入運行后；設(shè)備經(jīng)過檢修、改造或長期停運后重新投入系統(tǒng)運行后；設(shè)備異常情況；設(shè)備缺陷有發(fā)展時；法定節(jié)假日、重要保電任務(wù)時段等。在法定節(jié)假日、重要保電任務(wù)時段，各無人值班變電站每日至少巡視一次。1.2迎峰度夏期間除正常巡視外，增加設(shè)備特巡和紅外測溫。無人值班變電站每日巡視1次。紅外測溫分為正常紅外測溫、發(fā)熱點跟蹤測溫、特殊保電時期紅外測溫三種。正常紅外測溫周期為各變電站每周不少于一次，晚高峰時段進(jìn)行。主要針對長期大負(fù)荷的設(shè)備；設(shè)備負(fù)荷有明顯增大時；設(shè)備存在異常、發(fā)熱情況，需要進(jìn)一步分析鑒定；上級有明確要求時，如：特殊時段保電等。

發(fā)熱點跟蹤測溫應(yīng)根據(jù)檢測溫度、負(fù)荷電流、環(huán)境溫度、氣候變化等進(jìn)行發(fā)熱值的比對，分析設(shè)備發(fā)熱點變化，確定發(fā)熱性質(zhì)。其周期為有人值守變電站每日1次，晚高峰時段進(jìn)行。無人值班變電站每個巡視日1次或值班長視發(fā)熱情況每日1次。

特殊保電時期、迎峰度夏期間應(yīng)進(jìn)行全面測溫、重點測溫及發(fā)熱點跟蹤測溫。

測溫記錄應(yīng)記錄全面，主要應(yīng)包含發(fā)熱設(shè)備運行編號、發(fā)熱部位具體描述、發(fā)熱點溫度、該臺設(shè)備其它相相同部位溫度（或同類型設(shè)備相同部位溫度）、負(fù)荷電流大小、測溫時間、天氣狀況、環(huán)境溫度等信息。

2、人工巡檢有效性分析

變電站值班員進(jìn)行人工巡檢，對運行設(shè)備進(jìn)行感觀的簡單的定性判斷，主要通過看、觸、聽、嗅等感官去實現(xiàn)的。人工巡視對設(shè)備外部可見、可聽、可嗅的缺陷能夠發(fā)現(xiàn)，例如：油位、油溫、壓力、滲漏油、外部損傷、銹蝕、冒煙、著火、異味、異常聲音、二次設(shè)備指示信號異常等。

人工巡檢受人員的生理、心理素質(zhì)、責(zé)任心、外部工作環(huán)境、工作經(jīng)驗、技能技術(shù)水平的影響較大，存在漏巡，漏發(fā)現(xiàn)的可能性。且對于設(shè)備內(nèi)部的缺陷，運行人員無專業(yè)儀器或者儀器精確度太低，通過簡單的巡視是不能發(fā)現(xiàn)的，比如油氣試驗項目超標(biāo)，設(shè)備特殊部位發(fā)熱、絕緣不合格等缺陷；還有一類缺陷只能在操作的過程中才能發(fā)現(xiàn)，如機械卡澀、閘刀分合不到位、閘刀機構(gòu)箱門損壞等。

另一方面，由于無人值班變電站增多，許多變電站的距離也較遠(yuǎn)，在站內(nèi)出現(xiàn)事故或大風(fēng)、大雪及雷雨后因集控站無法出車不能及時巡視時，造成集控站值班員不能及時了解現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)隱患，危急電網(wǎng)的安全運行。特別是無法及時了解出現(xiàn)問題的變電站情況，失去優(yōu)先安排處理的機會。巡視人員巡視設(shè)備時需要站在離設(shè)備較近的地方，對巡視人員的人身安全也有一定的威脅，特別是在異?，F(xiàn)象查看、惡劣天氣特巡，事故原因查找時危險性更大。

綜上所述，無人值班變電站的人工巡檢存在及時性、可靠性差，花費人工較多，存在較大的交通風(fēng)險和巡視過程風(fēng)險，巡視效率低下。

二、變電站設(shè)備巡檢機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

“小凡”攜帶紅外熱像儀，高清數(shù)字?jǐn)z像機，聲音探測器三種電站設(shè)備檢測裝置，以自主和遙控的方式代替人對室外高壓設(shè)備進(jìn)行巡檢，以便及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的內(nèi)部熱缺陷及外部機械或電氣問題。例如異物，損傷，發(fā)熱，漏油等給運行人員提供診斷電力設(shè)備運行中的事故隱患和故障先兆的有關(guān)數(shù)據(jù)。該機器人系統(tǒng)的非接觸式移動檢測與變電站綜合主動化的接觸式監(jiān)控結(jié)合，可以真正形成全監(jiān)控方式，大大提高變電站設(shè)備運行的安全可靠性。

1、機器人系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

該機器人的整體結(jié)構(gòu)主要包括基站，移動體控制系統(tǒng)以及由可見光圖像攝像機，紅外圖像攝像機和聲音探測器等組成的電站設(shè)備檢測系統(tǒng)三部分。移動體是整個機器人系統(tǒng)的移動載體和信息采集控制載體，主要包括移動車體，移動體運動控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。對于移動體還需要進(jìn)行有效的監(jiān)視、控制和管理，為此建立了一個基站。基站與移動體之間通過無線網(wǎng)橋組成一個無線局域網(wǎng)?？梢姽鈭D像，紅外圖像通過視頻服務(wù)器的視頻流數(shù)據(jù)和移動體控制系統(tǒng)信息等數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)絡(luò)集線器后，經(jīng)無線網(wǎng)橋，網(wǎng)絡(luò)集線器一起通過電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳到運行監(jiān)控終端，通過連接到電力系統(tǒng)局域網(wǎng)上的計算機可根據(jù)訪間權(quán)限實時測覽變電站設(shè)備的可見光和紅外視頻圖像，機器人本身運行情況等相關(guān)信息，并且可以控制機器人移動體的運動等檢測系統(tǒng)由紅外測溫儀和可見光攝像機等裝置組成，均安裝在移動體即智能巡檢機器人上。該系統(tǒng)可以完成變電站設(shè)備外觀圖像和內(nèi)部溫度信息的采集和處理考慮到機器人的運行環(huán)境。其中機器人采用三輪輪式移動小車前2輪為驅(qū)動輪，由1個電機分別驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，后1輪為萬向輪。機器人外形流暢，直線運動性與轉(zhuǎn)彎性能好。

2、機器人控制系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)主要包括移動體運動控制子系統(tǒng)和工作子系統(tǒng)兩大部分，移動體運動控制子系統(tǒng)硬件由PC104主板和PMAC-104運動控制卡和電機驅(qū)動器組成，主要負(fù)責(zé)機器人在巡檢過程中的運動行為的控制移動。

3、變電站檢測系統(tǒng)

本機器人系統(tǒng)為變電站設(shè)備非電氣信號的采集提供了一個移動載體平臺，在這個平臺上可以搭建不同的檢測系統(tǒng)或裝置。目前在該平臺上搭建了遠(yuǎn)程在線式紅外熱像儀系統(tǒng)，可見光圖像采集處理系統(tǒng)，聲音采集處理系統(tǒng)。在無人值班變電站一些通過電氣信號難以檢測的運行狀態(tài)，例如變壓器漏油，絕緣氣體壓力變化，火災(zāi)和盜竊等可借助機器人所攜帶的圖像來檢測;變壓器開關(guān)及各種電氣接頭內(nèi)部發(fā)熱可以利用機器人攜帶的紅外熱像儀來檢測;變壓器等設(shè)備的聲音異?？梢岳寐曇舨杉幚硐到y(tǒng)進(jìn)行識別。3.1遠(yuǎn)程紅外監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

本設(shè)計采取在線式紅外熱成像裝置。本系統(tǒng)包括紅外圖像采集裝置，紅外圖像處理模塊，圖像顯示，存儲，查詢和報表生成模塊。該診斷系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的設(shè)備溫度閾值，自動進(jìn)行判斷，對超出報警值的設(shè)備在基站主控計算機上給出聲音和文本報警;借助可見光圖像識別，能判斷一些關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)部溫度梯度，不但可以形成某一時刻變電站的一些關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)備溫度曲線，也可以生成某一設(shè)備在一定歷史時間內(nèi)的時間—溫度曲線。3.2遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

本系統(tǒng)在無人值守變電站先利用機器人基站系統(tǒng)對移動體發(fā)送來的可見光圖像進(jìn)行分析，只傳輸分析結(jié)果或待進(jìn)一步確定的圖像。首先對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，識別出被監(jiān)測的電力設(shè)備，通過將該圖像與上次采集的圖像進(jìn)行差圖像分析、累積圖像分析、相關(guān)分析、區(qū)域標(biāo)識、紋理描述和評判等處理。結(jié)合對應(yīng)設(shè)備的參數(shù)庫確定其是何設(shè)備。如有畸變發(fā)生則存儲結(jié)果，向上一級傳輸及發(fā)出告警信號。不再傳輸?shù)恼D像可由調(diào)度員人工遠(yuǎn)程調(diào)用。這就使信道的傳送效率大為提高，而且調(diào)度員也不必時刻注視監(jiān)視屏幕。無人值守變電站中的電力設(shè)備種類繁多，針對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測和狀態(tài)診斷并與其他監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合使變電站運行的可靠性大為提高。3.3遠(yuǎn)程聲音監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

噪聲檢測子系統(tǒng)是變電站巡檢機器人功能的一部分，主要是對變壓器的噪聲進(jìn)行采集和分析。通過機器人攜帶的聲音探測器進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)采集，并將噪聲數(shù)據(jù)經(jīng)過無線網(wǎng)傳回基站。本系統(tǒng)主要包括如下3個模塊

1)噪聲采集傳輸模塊，其任務(wù)是在巡檢機器人上實時采集噪聲信號，經(jīng)過適當(dāng)?shù)膲嚎s，通過無線網(wǎng)橋傳送回總控制端計算機。

O2)噪聲信號檢測模塊，其任務(wù)是將移動巡檢機器人傳回的噪聲與以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷變壓器工作是否正常，如果出現(xiàn)異常，判斷是何種異常。

3)用戶交互模塊，其任務(wù)是根據(jù)檢測的最終結(jié)果給出提示信息或者交互方式，輔助工作人員完成儀表檢測監(jiān)控的任務(wù)，并可根據(jù)工作人員的需要檢測通過其他途徑錄制的噪聲數(shù)據(jù)。

第五篇：關(guān)于地震作文：地震救援

關(guān)于地震作文：地震救援

摘要：災(zāi)難無情人有情，一方有難八方援。在抗震救災(zāi)中，我們感受到了社會主義大家庭的溫暖，從黨中央的領(lǐng)導(dǎo)到平民百姓都牽腸掛肚，四面八方都伸出的友誼之手。

5月12日下午，四川汶川縣發(fā)生了7.8級的極大地震，這次地震不僅震壞了一個個城市，令一個個原本很漂亮的城市變成了一片廢墟，還把附近的村莊也震得七零八落，幾間學(xué)校也不例外，死傷了許多學(xué)生。造成了數(shù)以萬計的人員傷亡和重大的財產(chǎn)損失。

災(zāi)難無情人有情，一方有難八方援。在抗震救災(zāi)中，我們感受到了社會主義大家庭的溫暖，從黨中央的領(lǐng)導(dǎo)到平民百姓都牽腸掛肚，四面八方都伸出的友誼之手，全國人民都表現(xiàn)出對災(zāi)區(qū)人民的極大關(guān)懷，各種救災(zāi)物資源源不斷的運往災(zāi)區(qū)，各種搶險部隊在前線救人，各種醫(yī)療隊伍，陸續(xù)到達(dá)災(zāi)區(qū)，開始了緊張的救援工作。國家領(lǐng)導(dǎo)人溫家寶總理不辭勞苦，親(提供)臨抗災(zāi)第一線，親自指揮搶險戰(zhàn)斗，親自慰問失去親人的人們，場面十分催人淚下。我們還看到災(zāi)區(qū)人們在黨中央領(lǐng)導(dǎo)下化悲痛為力量，奮起抗災(zāi)，英勇無畏地自救精神，相互幫助團(tuán)結(jié)友愛的動人場面。

我們學(xué)校也發(fā)起捐款救災(zāi)的號召，大家都在老師、校長的帶領(lǐng)下踴躍地去捐款，同學(xué)們有的捐五角，有的捐一元，有的捐五元，還有十元的，一百多元的，無論多少都表現(xiàn)了自己的一份愛心和同情心。

我們相信，有全國人們的支持，有災(zāi)區(qū)人們的自力更生精神，地震震不垮災(zāi)區(qū)人民的信心和勇氣，再大的困難也可以戰(zhàn)勝，災(zāi)區(qū)人們一定可以度過難關(guān)，重建家園，勝利一定屬于堅強的災(zāi)區(qū)人民！