毕业设计（论文）-投球机器人结构设计.docx

普通本科毕业设计论文课题名称：投球机器人结构设计学院专业班级学号姓名指导教师（签字）教研室主任（签字）院长（签字）2023年4月7日IVAbsrtactVKEYWORDS:VI投球机器人结构设计1第一章前言11.1 课题设计的意义和目的11.2 国内外的发展现状和趋势21.2 .1国内的发展现状和趋势21.3 .2国外的发展现状和趋势41.3 课题主要研究的内容6第二章投球机器人总体结构设计82.1 总体方案的确定82.2 2设计参数的选择92.3 各传动部件的结构设计102. 3.1投球机器人底座的设计103. 3.2立柱和机械臂结构设计102. 4夹持机械手结构设计14第三章投球机器人传动部件的计算校核163.1夹持电机的选型163. 2机械臂驱动力的计算校核163. 3夹持机械手计算183. 4机械手夹持丝杆螺母载荷的校验193. 5夹持丝杆螺母额定寿命的校验203. 6立柱和机械臂的设计计算203. 7立柱和机械臂的强度校核223.8齿轮传动系的设计计算243. 8.1确定齿轮传动精度等级244. 8.2计算齿轮的许用应力的大小255. 8.3按投球机器人齿面接触疲劳强度确定中心距256. 8.4验算齿面接触疲劳强度26总结29参考文献29致谢31摘要在现代科技不断发展的过程中，很多结构形式的机器人的发展在电子技术和先进的制造技术的发展下，得到了飞速的发展。使得在体育锻炼、体育竞技、生产配套、医学辅助上出现了很多的机器人结构，来代替和辅助人们在工作和生产上的人脑形态。在现有的市场环境中，对于投球机器人的发展还不是很普遍，在乒乓球的领域中，有发球机器人的存在和运用较为广泛；在羽毛球的训练中，同样有发球机器人和捡拾机器人的使用；在篮球上，对于机器人的使用频率较低，一般篮球机器人在实际的运用上主要是在休闲娱乐的场所，实现篮球投球机器人和人进行互动，满足提高娱乐度的作用，对于辅助投球和参与训练过程中的帮助捡拾和投球达到传球功能的机器人技术还不是很多。本次设计的投球机器人的结构，主要是实现在体育锻炼上，能够通过机器人的辅助捡球和投球，达到人们在锻炼和训练上的辅助功能。其主要是通过现有的机器人结构传动方式，将机器人传动和电子化的驱动方式，运用在投球机器人上。主要的结构组成有底座回转传动系统，支柱结构设计，传动臂结构的设计，升缩杆结构设计，篮球夹持结构的设计。通过对球球机器人的结构形式的设计，满足基本的捡球和投球的要求，使得现有的投球机器人的发展得到更加快速的进步，在现有的市场上提高投球机器人的占有率。通过对投球机器人的各传动部件的设计，校核和分析各传动结构的运动形式，夹持传动结构的选择和设计，完成部件总体结构的组合，绘制传动结构总体，撰写设计论文。关键词：篮球、投球、机器人、回转结构、捡拾AbsrtactIntheprocessofcontinuousdevelopmentofmoderntechnology,thedevelopmentofmanystructuralformsofrobotshasachievedrapiddevelopmentwiththedevelopmentofelectronictechnologyandadvancedmanufacturingtechnology.Thishasledtotheemergenceofmanyrobotstructuresinphysicaltraining,sportscompetitions,productionfacilities,andmedicalassistancetoreplaceandassistpeopleintheirworkandproductionofhumanbrainmorphology.Inthecurrentmarketenvironment,thedevelopmentofpitchingrobotsisnotverycommon.Inthefieldoftabletennis,thereareservicerobotsthatexistandarewidelyused;Inbadmintontraining,therearealsoservicerobotsandpickuprobotsused;Inbasketball,thefrequencyofusingrobotsisrelativelylow.Generally,theactualuseofbasketballrobotsismainlyinplacesofleisureandentertainment,achievinginteractionbetweenbasketballpitchingrobotsandpeopletomeettheroleofimprovingentertainment.Therearenotmanyrobottechnologiesthatassistinpitchingandparticipatinginthetrainingprocesstohelppickupandpitchtheballtoachievethepassingfunction.Thestructureofthepitchingrobotdesignedinthisdesignismainlyimplementedinphysicaltraining,whichcanachievetheauxiliaryfunctionsofpeopleinexerciseandtrainingthroughtheassistanceofrobotsinpickingupandpitchingtheball.Itmainlyappliestherobottransmissionandelectronicdrivingmethodstotheballthrowingrobotthroughtheexistingrobotstructuretransmissionmethods.Themainstructuralcomponentsincludethebaserotarytransmissionsystem,pillarstructuredesign,transmissionarmstructuredesign,liftingandretractingrodstructuredesign,andbasketballclampingstructuredesign.Throughthedesignofthestructuralformoftheballrobot,itmeetsthebasicrequirementsofballpickingandthrowing,makingthedevelopmentofexistingballthrowingrobotsmorerapidprogress,andimprovingtheshareofballthrowingrobotsintheexistingmarket.Throughthedesignofvarioustransmissioncomponentsoftheballthrowingrobot,checkandanalyzethemotionformofeachtransmissionstructure,selectanddesigntheclampingtransmissionstructure,completethecombinationoftheoverallstructureofthecomponents,drawtheoveralltransmissionstructure,andwriteadesignpaper.Keywords:basketball,pitching,robots,slewingstructures,pickup投球机器人结构设计第一章绪论1.1课题设计的意义和目的在本次的设计过程中，通过对篮球投球机器人的现场调研和分析，实地考察篮球教学过程中的传球和对篮球的捡拾的过程。在捡拾过程中，征用了很多的运动中的时间，将消耗更多的运动上的体力。在投球上，如果在打球的过程中人员较少，场地较为广阔的情况下，能够将机器人辅助的技术运用在投球上，可以大大的提高了在篮球训练和教育上的效果，节省大量的时间来提高效率。所以在本次的选题上，通过查阅投球机器人在国内外的参考文献，综合投球相关的投球机器人的结构形式和设计的总体方向，更将的了解机器人的发展，将综合更多的机器人结构形式。选择本次设计的课题内容，拟定本次课题，再进行设计内容的可行性分析，最终确定本次课题设计的意义。在查阅相关的投球机器人的书籍和文献上，投球机器人的发展在我国运用和技术上远不如国外的发展。在很多的国外机器人的发展上，已经使用了Ai技术等高科技的技术手段，实现了投球机器人能够达到和人近乎一样的基本操作过程。在很多的流水线和码垛上，更多的机器人发展技术更为突出，一些发达国家,机器人的技术已经可以代替大部分人工的工作，解决了在危险工作环境下的安全性生产。同样大量的机器人运用在工作上，可以大幅度的降低人工工作的劳动力。提高生产上的基本要求，解决了因为人工造成的疲劳和劳动力不足的情况。在近几年的发展上，机器人已经快速的进入我们的生活，在家用和工业用上，更多的机器人将在不断的代替人工，实现更加先进的技术变更和技术的改进，达到智能化更为强大的机器人技术。投球机器人的设计，在现有的国内教研上和大学研究的发展中，很少进行了深入的研究和开发，使得投球机器人的运用不是很多。本次设计投球机器人的主要目的是解决国内投球机器人设计上的短缺，改进投球机器人的结构形式，优化传动结构上的形式，使得投球机器人的发展更快的引起人们的重视，提高更多的科研人员的研发兴趣。在设计过程中，通过查阅相关设计文献进行展开，首先进行投球机器人的基本结构形式的了解，确定简易的结构形式，满足本次课题设计的基本要求。从设计的目的上出发，实现投球机器人在参与人工训练上，可以更好的为频繁的捡拾模式带来更为便捷的效率。为人们在打球上提供捡球和传球的过程，实现更为人性化的机器人传动结构形式。结合多样性的传动方式，实现投球机器人的多功能型。1.2国内外的发展现状和趋势1.2.1国内的发展现状和趋势投球机器人的使用在我国的市场上是特征少的，也是比较稀缺的一种机器人结构形式。在我国对投球机器人的研制和研发以及生产上，相对于其他的发达国家，起步是非常晚的，所以在基本的技术上和设计的精度上是落后于其他的发达国家的。我国在人工智能的发展上，急需提高一些高精尖的技术水平，将电子信息化技术和硬件技术更好的运用在机器人的发展和研发上，才能在未来的发展过程中更好的提高机器人的基本载体技术，在软件的控制和硬件的运用上，使得我国的机器人更快的赶上一些西方国家的技术水平。在智能化的投球机器人的发展上，国内的发展上的空缺和研发上的不足已经很明显，使得在投球机器人的市场上没有更好的推广和信任。严重的阻碍了我国在投球机器人上的量化发展。只有在一些竞赛和比赛上，进行了一些单方向上的设计和研究，没有形成实际的生产控制上的实际，不能更好的进行国内投球机器人的实际运用和一些短板上的认识。在投球机器人的发展上技术一直因此停滞不前，主要的研发和投资远远不够达到快速发展的基本需求。在八九十年代，国内在投球机器人的发展上，有过类似的设计和研究，清华大学的智能机器人的研究中，开始进行了一些基本机械结构传动和运转上的研发。并且在得到国家相关机构的鉴定后，在市场了实现了小批量的生产和运用，只是在后来的发展上，没有更大的进步和提高。上海交通大学在对于机器人的底面传动和运动上的研发过程中，实现了机器人在消防安全上的使用，进行了基本的智能遥控操作系统，为消防试验和消防工作解决了代替人工的方式，填补了我国在消防上的机器人使用的空缺。在后来的一些先进的研发上，我国将更多的引进机器人，通过学习和拆解一些先进的机器人设备，将智能化的机器人技术不断的进行自我的提升。目前在一些生产的流水线和工作的岗位上，很多的机器人已经在不断的被人们运用。特别是在一些高技术行业上，进行火箭的发展和军事设备的使用上，更为先进的机器人正在不断的被使用，达到了更为实际的运用上的验证。才能更加快速的发现使用上的问题，更好的解决在实际工作过程中的技术短板，提高机器人在生活上的基本发展要求，实现自动化程度较高的特点。在投球机器人的发展上，目前我国还存在很多的技术问题，比如在捡拾篮球的精确上,捡拾过程中的运载上，对投球角度的判定和确定定位上，都需要精确的参数进行准确的分析和位置上的收集，在投球的力度控制上才能更好的实现准确的传球等功能。目前国内的投球机器人在比赛上的出现首次展览是在长沙的机器人大赛上，投球项目上的机器人由国内的公司自主的研发和生产，在竞赛上得到了很多人的认可。其主要的结构形式如下图IT所示。其结构主要采用的是篝火盘的结构形式，通过支柱进行底盘的连接，实现回转齿轮的传动过程，采用机械臂的形式进行篮球的投球过程。图1-1：长沙投球机器人大赛实拍在国内的投球机器人的发展上，还需要更多的先进技术能力的支撑，引进更为先进的智能化技术。在自主的研发和生产制造的精度上，还需要提升更高的空间。投球机器人的夹持传动结构的类型很多，但是在夹持不规则的球体的夹持原理上，更主要的是提高夹持和夹持位置的精度，才能更好的实现准确的投球的过程。所以在国内的投球机器人的发展趋势上，更需要的是智能化程度更高的技术水平和自动化水平更好的机械传动系统。满足对生产上的基本制造条件的要求和对制造简单化的要求，从软件和硬件上更好的解决投球机器人的发展过程。使得投球机器人的性能上更加的稳定，实现工作过程中的可靠性。将我国在投球机器人上的空白更快的进行填补，使得在机械手的发展中，更快和更好的实现国家工业技术上的发展。在未来的投球机器人的发展上，才能占有一定的市场份额，将投球机器人更多的推广到全国各地，实现机器人在未来的发展上有更大的技术支撑，占据生产和生活上的主导地位。1.2.2国外的发展现状和趋势先进的机械手和机器人的发展在国外的市场上，已经不是稀奇的技术水平了。一些高端的机器人已经可以实现模拟人一样的形式进行工作和代替人工内容。在国外的机械手和机器人的发展上，早在1930年期间，就在苏联也伯恩斯坦进行了机器人概念的提出，随之被快速的突破，实现在更好的研究上叨叨了不同层面上的发展，一些研究者们纷纷进行一些新的方案和设计内容的提出，解决一些使用上的问题，快速进行机器人智能化和精准制造上的要求。这也是使得机器人在国外被快速运用的主要原因之一，不断为机器人的发展提供一些新的技术内容。在国外的机器人的发展上形成了一个完整的发展体现，以至于使得发达国家的机器人形成了快速的发展和普遍的使用。后来在日本、美国、意大利的机器人的发展上，更多的学者将智能化的控制系统运用在机器人上，实现了机械手等传动结构的自动化控制过程。实现了机械臂和传动机械结构进行了和电气元件的完美融合，实现了优先于人工精度的机器人传动过程，更多的机器人被应用在更多的方面。比如码垛机械手，送餐机器人，机械人外骨骼系统，医疗辅助手术机器人，上下料机械人，管道机器人，清扫机器人，投球机器人等广泛的进行使用，使得生活和工作上更多的人将机器人视为自己的伙伴，能够为自己提供帮助的关键工具。在20世纪70年代，日本以及美国的工业发展上，对机器人和机械手进行了更为先进的改进和研究，可以实现机器人的多功能等动作上的稳定性，实现系统化的控制模式，将集成控制的过程进行系统化的设置，植入机器人的传动过程中，达到了翻转和向前向后运动的过程。对机械手的传动和整个的传动的系统进行了工作效率上的大幅度的提升。随着现代化科技技术的不断发展，在目前的发展上，国外发的进行工业的发展速度和发展的技术水平上，实现了多领域的高精尖的发展。并且不断的进行工业技术的改进，使得机械手的发展更加快速的得到运用，从工业上提高了国外在制造和生产上的效率。在本次设计的投球机器人相关文献的查阅上，可以知道美国进行投球机器人的研究中，也是出于世界的领先地位，其投球机器人类的结构形式及种类非常多，而且在投球机器人的发展上技术更为稳定，如图1-2所示的美国投球机器人，在传动的智能化上，已经达到了模拟人一样的模式，可以进行对现场场馆的自动扫描，进行自行的运动和传动，实现智能化程度较高的捡拾篮球和投球的过程。图1-2：智能投球机器人1.3课题主要研究的内容在投球机器人的结构设计上，通过充分考虑其工作过程中的动作要求及需要实现的基本投球要求。满足本次设计拟定解决的问题，将投球机器人的结构设计上尽量优化简单化，通过基本的传动部件实现投球机器人的传动设计上的要求，采用基本的齿轮传动、丝杆传动、机械臂传动等结构形式，进行机器人的总体结构的设计，采用步进电机实现对传动结构的驱动。在机械爪的设计上，采用圆弧性的结构形式，对篮球进行夹持的过程，整个夹持过程确保稳定可靠，防止在投球的过程中出现脱落等意外发生。在本次的投球机器人的结构设计上，主要的设计优势是结构简单，制造成本低，稳定性较好，实现对不规则物体的夹持力合理,能够更好的运用在投球辅助的过程之中。通过本次的设计，主要解决以下的关键性性能要求：（1）、实现投球机器人结构设计上的多样化的特点，实现多功能的使用要求，可以在训练过程中满足快速提供给人球体的捡拾和传递的过程。达到在工作过程中实现投球机器人节省时间的作用。（2）、根据投球机器人的运用基本要求，设计的结构自动化程度高，实现角度上的自动调整，可以根据球体的不同位置进行传感器的自动感应，实现自动取球的过程，采用的电机实现传动上的自动化功能，实现智能运动的过程。（3）、通过机械再造行业的技术要求和发展，对投球机器人结构设计上，进行基本传动结构的面机曲面的建模和强度的分析，实现通过软件进行基本结构设计上的要求，使得传球投递的过程达到最佳的工作过程。（4）、设计的投球机器人的结构上，对电子信息化的自动化程度要求高，达到机电一体化的设计动态控制过程。、对于投球机器人设计的材料的选择和材质的设计要求，满足现有市场材料的基本采购要求，降低生产制造的成本。第二章投球机器人总体结构设计2.1总体方案的确定通过对本次设计的投球机器人的相关文献的查询和了解，选择本次投球机器人的结构的基本组成有底座回转部分、支柱结构的设计，传动臂结构的设计，升缩杆结构设计，篮球夹持结构的设计。其结构总体简图如下图2-1所示：图2-1.投球机器人结构简图对传动夹持机械结构的设计中，选择使用连杆传动的结构形式，连杆传动在进行传动结构的设计上，具有传动稳定性高，传动的精度高，实现大力矩传动的设计优势。在连杆传动机构的设计上，本次投球机器人夹持机构选择使用的驱动形式是电机驱动，采用螺母传动底座固定连杆传动方式，电机驱动实现丝杆带动螺母组件实现伸缩夹紧和松开的过程。采用丝杆传动的优势是能够更好的实现对夹持力的控制，解决在夹持过程中不稳定的缺陷，夹持机构的结构形式如下图2-2所示，其设计的优点如下所示：(1)、采用丝杆实现夹持和放松的传动形式，更好的实现对篮球的夹持过程,达到对不规则物体夹持的基本设计要求;(2)、采用丝杆传动的方式，在制造上比较简单，丝杆螺母的制造过程便捷成本低；(3)、丝杆传动的夹持过程中的精度高，可以达到对球体的抓举的位置更加的准确可靠，实现对投球过程中的高精度设计要求。图2-2：投球机器人末端夹持器结构简图通过对投球机器人的设计过程中的分析和选择，本次投球机器人总体结构设计的优点和设计的缺点分析，本次投球机器人的结构设计采用齿轮传动实现底座的回转传动的过程，齿轮传动更好更快的实现传动动作的迅速移动，使得整体的反应比较灵敏。在工作上的阻力较低，达到本次对投球机器人设计的要求。2.2设计参数的选择根据本次投球机器人的设计要求，选择机械夹持机构的形式为双臂式夹持机构。驱动传动机器人机构为支柱式传动形式，其传动机构选择使用机械臂及伸缩臂，投球机械人的总体机构设计基本参数选择如下：(1)、底座的回转直径为64-100mm；(2)、机械臂的长度为1132mm；(3)、升缩臂的行程在1500mm-2000mm;（4）、夹持力为5T5N,最大的张力行程175mm,最小收缩行程125mm；（5）、行走速度为0.5ms;（6）、总体重量为50kg,最大夹持捡拾回转区域为R=85mm0在设计上，夹持机械手的运行的速度是投球机器人总体结构生比较重要的一个设计的参数，在实际的捡拾和投球的过程中，夹持机械手的运行速度也是投球机器人传动投球过程中的一个工作效率的体现，在本次的设计上通过电控的要求，设计夹持机构工作过程中的旋转的速度为100mms,最大夹持后横移上升的速度可以根据夹持机构旋转的工作效率进行计算为：v=100*0.8=80mmso2.3各传动部件的结构设计2. 3.1投球机器人底座的设计投球机器人的底座的结构设计，由于底座是一个关键的支撑和实现回转的传动结构，所以在结构设计上的要求中，需要有很强的承载能力来实现对整个机器人结构的支撑，所以在本次的设计中，底座的设计采用选择圆柱式焊接壳体结构进行主体部分的设计。底座箱体的结构采用钢材进行加工完成，底座的结构不需要设计的很复杂，但是需要有足够的强度，满足运行的工作要求和投球反作用力的承载能力。所以在底座的结构设计上，采用螺钉的固定形式进行底座的安装和回转轴承结构的安装，满足设计的刚性要求和传动的基本原则要求。在底座的材料选择上，本次选择使用45钢进行调质，增加其工作状态下的强度性能。2. 3.2立柱和机械臂结构设计机械传动系统上，以及在进行设备的结构设计上，立柱和机械臂的种类很多,大部分采用的是型材结构的形式，为了实现更好的强度要求和抗疲劳要求。很多的机床设备上采用的立柱和机械臂结构多数为HT250铸铁材料，还有QT450球墨铸铁等进行立柱和机械臂结构的铸造成型。立柱和机械臂在实际的使用上，一般是根据设备的总体重量和动载荷的大小，进行立柱和机械臂结构的设计，对于一般的立柱和机械臂结构形式来时，机械载荷的大小就是立柱和机械臂强度设计的基本要求，在动载荷的支撑力作用下，进行合理的参数选择，使得立柱和机械臂的强度达到运动及支撑动载荷下的要求即可。使得立柱和机械臂在整个结构上形成一个稳定的支撑作用，一般在传动机构的构造上，将立柱和机械臂结构的形式设计成三角形支撑的形式，提高整体的稳定性要求。还有一些比较特殊的机构上采用四边形结构的立柱和机械臂安装形式，增加强度的同时有抗击动平衡的作用。还有采用锥形的机构进行立柱和机械臂总体结构形式的设计，实现接触地面的位置上处于一个比较宽的范围内，更加可靠的提高了支撑上的性能。所以在投球机器人的立柱和机械臂结构的设计上，不管选择什么样的结构形式，都应该满足一下几点设计的基本要求：（1）、不管选择什么样的结构形式的立柱和机械臂构造，但是在设计上立柱和机械臂的参数选择和计算的过程中，需要根据投球机器人的实际要求，选择合适的动载荷要求，进行动载荷和承载能力的叠加，进行分析计算，保证立柱和机械臂的强度大于基本的动载荷和支承力的总和，才能满足立柱和机械臂在安装和运动需求上的要求，实现稳定性的承载能力和可靠性的运动性能。在立柱和机械臂的机构设计上，尽量便于简易，安装的孔位和安装的位置便于拆装和拆卸，更好的满足运输和折叠等设计优势的要求。所以在投球机器人的立柱和机械臂的设计上，同样需要考虑安装上的干涉和拆卸的便捷性，才能更好的满足后期的维修等工作，实现在实际运用上的便捷性和操作上的安全性等要求。(2)、强度和刚度的设计要求，应用在进行设备上和机械部件上的立柱和机械臂，在运输的过程中受力也是很大的，特别是在工作过程中，会因为夹持受力的作用，受到很大的冲击力的作用，所以在立柱和机械臂的材料选择上和支撑安装部件的设计参数上，选择选择更为厚实的板材和棒材的结构，满足承载能力的要求。同样立柱和机械臂的强度和刚度，是实现在工作工程中保证安全工作的一个重要的部件。可以更好的提高设备和机器人等在传动工作上的精度要求，降低累积误差造成的设备的精度等级的要求。有一个保障性的支撑机构，更好的在生产制造上抗击一些外部力量对设备造成的冲击力的作用，更好的保证精度的基本要求。还需要考虑立柱和机械臂自身的重量对强度和刚度的影响，才能实现在载荷下对动载荷和冲击力的稳定运动效果。(3)、在立柱和机械臂的结构设计上，需要对立柱和机械臂进行安装位和孔位的分析，对立柱和机械臂本身的强度造成的影响，实现在受力分析下的弯曲力的大小进行分析，在结构上更好的进行失稳状态下的分析。满足单个传动零件的强度要求。才能符合整体结构在传动结构上的相对受力要求。(4)、立柱和机械臂使用工况的分析，在使用的不同的环境下，对立柱和机械臂的设计要求是不一样的，在潮湿的环境中，一般的材料会造成腐蚀和生锈等情况，所以在立柱和机械臂的制造过程中，一般选择使用发黑表处理的方式进行表面的处理，还有比较常见的一种方式是在材料表面进行喷涂油漆的方式防止表面生锈腐蚀。在一些特殊的使用环境上，支撑件还选择使用不锈钢等材料的原料，但是不锈钢在使用上的成本较高。在立柱和机械臂的设计原则上，还需要考虑其材料的重量，一般选择使用材质较轻强度高的材料，更好的进行成本上的控制和运动上降低动载荷的作用，使用屈服强度较高的材质进行支撑部件的材料选择。如果在结构设计合理的情况下，还可以选择使用折弯件，达到在加工上的方便性和降低加工的成本。(5)、立柱和机械臂的设计步骤首先在设计过程中，需要先确定立柱和机械臂的基本尺寸和投球机器人的立柱和机械臂设计的尺寸要求，才能更好的计算和确定立柱和机械臂的高度和长度，在本次的投球机器人的结构设计上，对立柱和机械臂高度没有明确的要求，但是对机械臂的结构长度有要求，所以在选择立柱和机械臂的时候，需要进行相互尺寸间的选择，才能更好的确定设计的尺寸要求。选择合适的长度和高度的尺寸。在完成总体结构形式的确定后，可以对总体的自身重量的要求，进行立柱和机械臂的设计和选择，才能确保总体的重量不超过设计的参数要求，符合人性化的操作和投球高度上的基本要求。按照本次设计的要求，机械臂的长度选择为1132mm,更加适合在使用上满足对投球机器人的高度上的要去，确保机械在运行的过程中满足场地和使用工作工况上的性能。然后再确定立柱和机械臂的生产和制造的工艺，一般立柱和机械臂的加工都是材料镀金焊接的方式进行生产，所以在制造上不是很麻烦，为了对生产成本的控制和制造上的便捷性进行考虑，更好的确定立柱和机械臂的生产工艺，所以在材料的选择上使用加工性能较好的材料。最后进行立柱和机械臂结构形式的确定，结构的确定更好的实现立柱和机械臂在使用上发挥最大的工作载荷要求，实现在运动上和运行上的结构分析，实现立柱和机械臂本身的转动上的参数选择，对立柱和机械臂的载荷的计算是很重要的设计内容。通过以上的分析和设计的内容要求，本次设计的投球机器人的立柱和机械臂结构形式的选择使用镀金焊接的结构方式，采用工字钢进行焊接成型，再进行铳削加工安装孔位等结构形式。满足投球机器人的载荷要求和强度刚度的基本要求，在本次投球机器人的设计上，承载的能力不要求太大，所以在立柱和机械臂的设计上，采用钢板焊接形式进行立柱和机械臂的加工即可，选择使用同底座一样的材料，用45钢板进行焊接，加工安装孔位进行安装。2.4夹持机械手结构设计在投球机器人的夹持机械手的结构上，经过多次的修改和分析，最终选择使用曲边夹持的方式对球体进行夹持，选择曲边结构进行两端夹持的结构形式，其主要的设计优势是更好的对圆形的球体进行夹持紧固，圆弧不会损伤球面的质量，不会造成球体夹持上的变形，圆弧的夹持面更好的分散了夹持力的大小，将夹持力分布在球体的弧面的接触上，更好的达到预期的设计要求。最先考虑的是采用三爪的夹持方式，其主要设计的缺点是在投球的过程中，球体不容易进行脱落实现投射的过程，所以采用三爪进行球面夹持的结构在设计上是不可靠的，通过查阅相关的设计文献，很多国外的投球机械人的设计上，采用的基本都是两爪式的夹持机构形式，更好的将机械化和电子信息化的运动相互集合，在机械传动性能上和力学性能上，更好的达到传动系统的基本要求，所以在本次的夹持机械手的设计上，选择石永红双向夹持结构的弧面接触夹持球体面的形式。这样设计的主要优点如下：(1)、设计机构上有通用性，达到夹持和传动上的灵巧性；(2)、对曲面性的球体来书，这样的抓取上更有较强的抓取投球的功能；（3）、对投球机器人在进行不同方向上的球体进行捡拾和抓取的时候，能够进行多方面上的捡拾工程，达到实用性较强的特点，在不同的捡拾和投球的过程中，能自动进行方向上和角度上的调整，实现对球体抓取的效果。第三章投球机器人传动部件的计算校核2.1 夹持电机的选型在投球机器人夹持机构的设计上，主要考虑到夹持球体的结构提升性，在夹持机构选择使用丝杆螺母传动的方式进行夹持的机构上，选择采用电机进行步进传动的方式实现对丝杆的驱动过程，更好的控制机器人在夹持球体上的基本设计要求。所以在本次夹持电机的选型和功率的选择上，考虑本次机械手的所受的力的大小为5T0N的夹持力，所以选择的电机不易过大，通过查阅现有市场上的电机的特点和优势性。本次选择的电机为电动机载荷较小的电机，通用电压为220V,综合对投球机器人的夹持结构的结构安装和传动上的分析，选择使用宁波产电动机系列号为YYCJ的电动步进电机，这种电动机在使用上比较普遍的一种,有高性能的节能作用，是一种新型的步进电机，在使用工作上符合国际设备使用的基本要求。其主要的电机参数如下：其型号系列为YYCJ80,其工作通用的电压为220V,电机可以输出的最大功率为1.3kw,步进的最大转速可以达到15001500rmin,变频率为50HZ,工作效率达到70%以上。图3T：电机简图2.2 机械臂驱动力的计算校核(1)计算投球机器人传动结构中驱动臂的转到过程中的负载惯量J-己知投球过程中的机械臂在材料的选择上采用的是45钢，可以通过材料的结构性能确定其密度为：p=7.8×103kgcm3,可以通过以下的计算式得：Jr=2£叫=0.78X10-3£叫=078X10r*(2X3"X8.9+44X100.9+25lX5.2)怨而32；=ij=21A3kg.cm2(2)计算回转底座的工作转动惯量大小JOJ0=0.78×103D41.=0.78×10-3×(6.64-34)×8.2kgcm3=11.62kgcm3(3)折算到投球机器人在电动机传动过程中的轴上传动机构的传动的惯量大小计算为h,可以知道已知投球机器人在执行工作的情况下，其工作台底座及夹持机械手的总质量要求为m=50kg,所以在电动机的参数确定后，计算每转一圈的轴向移动的行程，1.=1.25cm,通过以下的计算式可以得：f/A225J1.=mI=50×%3；4火&CM2=9.95kg.cm2(4)所以加在电动机的传动轴上的工作负载的总量转动惯量为为：Jd=JR+Jl+Jq=43+11.62+9.95)kgcn=43kgcm2(5)投球机器人的机械臂的旋转工作中的负载力矩大小的计算TC*可以根据投球机器人的机械臂在转臂过程的轴向负载的大小为Fa=Fma=29.2969N,则电动机在工作中每转一圈的时候，机器人的回转机械臂执行部件在轴向上移动的距离为1.=125mm=0.125m,可以进行进给传动系统工作中的总效率的计算n=0.90,由式得:=29.2969x0125W.加二。648Nm2112×3.14×0.90(6)计算投球过程中的摩擦负载力矩的大小Ta.己知在不旋转状态下坐标轴的轴向负载力(即为空载时的驱动臂摩擦力)Fo=1575N,由上述计算可得：=/1.=-"75x°°lNn=2.79Nm“°2112×3.14×0.90(7)计算投球过程中由机械臂在驱动下，产生的附加负载力的大小进行力矩的计算T/.己知投球的过程中，机械臂的回转驱动臂上的齿轮组的传动过程中最大的预紧力的大小为Fp=976.56N,则投球机器人的底座齿轮组的机械臂驱动的基本形成为1.o=125mm=O.125mm,驱动臂在齿轮组的驱动下的工作效率的大小可以计算为："0=094,可以通过以上的数据进行计算得：976.56x0.1252×3.14×0.90x(l-0.%2)NJn=O.2M"z3. 3夹持机械手计算(1)计算投球机器人的夹持机械手上的丝杆和螺母的旋转力大小进行丝杆和螺母的旋转力的计算过程中，根据设计所选择的已知设计的调节，采用双向的机械手进行夹持，计算丝杆运动中的最大的夹持的半径的大小为175mm,选择二取M=12mn,则可以计算机械手在工作过程中投球时候具有最大的工作扭矩力，所以在丝杆的传动下，实现电机的功率传递，可以根据电机的选择大小进行功率的确定为：匕二1.5kw,可以进行对夹持丝杆的工作中投球时候的最大力矩进行夹持转速的计算为n=30rmin,丝杆的结构形式如下图所示3-2所示：图3-2,丝杆结构图可以根据电机的选择和投球过程中的最大扭矩进行机械手夹持中的速度计算为:11Dn603.14x12×10'3×3060ns=0.019，/S可以选取投球机械手夹持中的传递机械工作的效率为：=0.8,可以计算出旋转力的大小为：F.=×103=08x15x10-37V=6.3W2V0.019（2）计算投球机械手在两个夹持手抓连杆传动上的夹持力的大小：根据投球机械手的夹持过程中受到反向力的过程，在球体的自身重力的作用下进行投出，所以在整个投球的工作中，纵向的夹持力为Y,以及横向的工作的夹持力为X,可以分别计算出其大小为：F1=0.4Fz=0.4×6.31=2.524NF<3=0.95=0.95×6.31=5.99N3.4机械手夹持丝杆螺母载荷的校验投球机器人在进行投射球体的过程中，丝杆螺母实现快速的转动，将球体进行投除，此时的机械手的夹持上，丝杆支承力是最大的，实现对丝杆进行拉伸的一个作用力，受到了球体反向力的作用。可以根据传动过程中的丝杆螺母的传动临界转速的大小，进行丝杆长度尺寸的计算，长度&二83.75Innu查阅文献可以选取弹性模量的大小为：E=IlxlO5MPa,丝杆的选择设计上的材料选择为40Cr材质，其密度夕=!乂7.8、10-5*1111,金属在空气中的重力加速度的大小为9.8,g使用中的安全系数的大小为：K1.o.8。由查看文献查得：4=4.73。投球机器人的夹持丝杆的运动过程中的最小惯性的力矩为：I-dX34.34mm4=67909mm464264投球机器人的夹持丝杆工作中的最小的截面积的大小为：A=d;=1×34.32mm2=923.54mm2424所以在投球机器人的夹持丝杆的转动上，根据以上的计算内容，可以计算得:rmin=1073叱60/12画八C60×4.7322.1×105×67909x9.8×103nc=K1-I=0.8×7Jc12用YPA2x3.14x837.52、7.8×10-5×923.54.5rmin通过以上的计算和分析，在本次的投