摘要
本文以全国机器人大赛篮球比赛为应用背景，设计了一种具有全向移动功能的篮球机器人的机械系统。
机器人的机械系统设计分为的移动平台设计、捡球机构设计以及弹射机构设计。所设计的移动平台具有较好的全向运动且控制精确容易实现，捡球机构结构简单实用控制算法简单，弹射机构性能优良。设计中重点是根据机器人运动所需力矩和转速选择电机、编码器以及减速器。将设计完各个功能模块合理的整合成一套性能稳定且易实现的机械系统，并为各个功能模块设计选择所需的零部件。该机械系统具有优秀的运动性能，达到了设计要求。
关键词：移动机器人；全向轮；机器人结构设计；直流电机
ABSTRACT
The thesis focuses on the design of a mechanical system with a basketball omnidirectional mobile robot functions of the background the National Robotics
Robot's mechanical system design into mobile platform design, picking mechanism design and catapult mechanism design. Mobile platform designed to have a good full motion and easy to achieve precise control; picking control algorithm is simple and practical mechanism structure is simple; excellent performance ejection mechanism. The thesis focuses on the design of selecting the motor, encoder and reducer with that the robot requires speed and torque. After rational design of each module integrated into a stable performance and easy implementation of a mechanical system, and select the desired components designed for each functional module. The mechanical system has excellent sport performance, met the design requirements.
Keyword ：mobile robot；omni-directional Wheel；structure design of robot；dc-motor
目录
绪论 . .................................................................... 1
0.1 移动机器人现状与技术水平 ........................................ 1
0.2 移动机器人机构研究概况 .......................................... 1
0.3毕业设计来源及参赛意义 ...................................... 2
0.4毕业设计的设计方法、主要任务及目标 . .............................. 2
1 全维轮移动篮球机器人机械系统设计整体方案 ............................... 4
1.1机器人整体结构方案 . .............................................. 4
2 移动平台设计 . .......................................................... 7
2.1移动机器人的运动方式 . ............................................ 7
2.1.1差动运动方式 .............................................. 7
2.1.2全运动方式 ................................................ 8
2.1.3选择全向运动方式 .......................................... 8
2.2 全向轮的选择 ................................................... 9
2.2.1 全向轮的介绍： . ........................................... 9
2.2.2全向轮的选型 ............................................. 10
2.3电动机的选择 . ................................................... 12
2.3.1 直流电机的选取与计算 . .................................... 13
2.4其他部件的选择校核 . ............................................. 17
2.4.1电机支撑架的选择 ......................................... 17
2.4.2轴承的选择及校核 ......................................... 17
2.4.3底盘设计 ................................................. 18
2.4.4阶梯轴的设计 ............................................. 18
2.5电机与轮的装配 . ................................................. 19
3 捡球机构的设计 . ....................................................... 20
3.1电机的选择及计算 . ............................................... 20
3.1.1所需转矩计算 ............................................. 20
3.2 齿轮的选择及校核 ............................................... 22
3.3 插架的设计 ..................................................... 23
3.4 传动轴的设计 ................................................... 24
3.5捡球机构装配 . ................................................... 25
4 弹射机构设计 . ......................................................... 26
4.1 投篮速度的选取与计算 ........................................... 26
4.2气缸的选择 . ..................................................... 27
4.3 导行架的设计 ................................................... 28
4.3弹射机构的装配 . ................................................. 29
5 全维轮移动篮球机器人机械结构装配及总结 ................................ 30
5.1 全维轮移动篮球机器人机械结构 ................................... 30
5.2设计总结 . ....................................................... 31
参考文献 . ............................................................... 33
致 谢 . .................................................................. 34
绪论
0.1 移动机器人现状与技术水平
机器人的最初形式是工业机器人，它能有效的提高产品的质量和改善人们的劳动条件，在焊接装配、浇铸、喷漆等方面得到了广泛应用。工业机器人通常为多关节的机械手臂，本体不具有可移动性，因而工作环境相对来说是固定的，其灵活性只表现在可以按照人们的要求反复编程实现不同的运动。
为了获得更大的独立性，人们对机器人的灵活性和智能提出来更高的要求，要求机器人能够在一定范围内安全运动，完成特定的任务，具有较强的环境适应能力。因此，近年来，移动机器人的研究成为机器人领域的研究重点之一。
移动机器人狭义上指的是地面上可移动机器人，主要包括军事领域和民用领域机器人两种。军事智能机器人包括侦查机器人、爆炸物处理机器人和步兵支援机器人等，种类繁多、功能强大、用途广泛，发展潜力巨大。在民用移动服务机器人方面，日本和美国处于遥遥领先的地位。机器人被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。在国内。上海大学研制出导购机器人，哈尔滨工业大学研制出导游机器人和清扫机器人等。从广义讲，移动机器人也包括空间机器人（如美国的火星探路者）和水下机器人（如我国研制的海峡6000米探测机器人），它对机器人的控制技术，传感器和材料等方面提出了更高的要求。目前在欧美、日本等西方发达国家，移动式机器人已广泛应用于五大领域：医疗福利服务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务。
0.2 移动机器人机构研究概况
能在工作环境内移动和执行任务是移动式机器人的两大特点。下面着重介绍一下 机器人移动机构方面的研究情况。由于本文所研究机器人的工作环境是在地面上，下面的介绍就仅限于在平面环境中机器人的移动机构。能够在平面环境中移动的机构形式主要有履带式移动机构、腿足式移动机构和车轮式移动机构。此外，还有适用于特定场合的步进式移动机构、蠕动式移动机构和蛇行式移动机构等。
履带式移动是将圆环状的循环轨道履带卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与地面接触，利用履带可以缓冲地面的凹凸不平。履带移动机构的着地面积比较大，
着地压 强小，与路面的粘着力也较强，所以它能够在凹凸不平和松软路面上稳定移动。因此，履带式移动机构是用于路面状态比较复杂的场合。
腿足式移动机构基本上是模仿人或动物的下肢机构形态而制成的。以两足步行机器人为例，机器人姿态的地位十分重要，为此必须有能直接或间接检测姿态的传感机构。它还可以在需要获取姿态信息时，通过对踝关节力矩反馈控制使其处于柔顺状态，使脚底适应地面情况，测量此时踝关节的角度，就可得到姿态信息。腿足式移动机构 适应地面的能力也很强，但其机构复杂，运动控制的难度较大，且运动速度比较慢。
车轮式移动机构的优点有：能高速稳定地移动、能量利用率高、机构简单、控制 方便和能借鉴至今已很成熟的汽车技术等。它的缺点是移动场所限于平面。目前机器 人的工作环境，如果不考虑核电站等特殊环境和山地等凹凸不平地面等自然环境，几 乎都是人工建造的较为平坦的地面，所以轮式机构的利用价值是非常高的。因此，车 轮式移动机构可认为是移动机器人的重要组成部分。车轮式移动机构又可分为二轮机 构、三轮机构、四轮机构和全方位移动机构。二轮式移动机构的结构非常简单，但是 在静止和低速时非常不稳定。三轮式移动机构的特点是机构组成容易，旋转中心是在连接两驱动轮的直线上，可以实现零回转半径。四轮式移动机构的运动基本上与三轮机构相同，由于增加了一个支承轮，运动更加平稳。
0.3毕业设计来源及参赛意义
毕业设计来源于参加全国机器人大赛投篮机器人的设计和制作。全国机器人大赛为我国大学生提供了一个充分展示创造力的舞台，有利于激发大学生开发、研制高科技的兴趣与爱好，有利于培养学生的创造，激发学生的想象力，锻炼学生的实际动手能力。在竞赛中，学生们把自己的一些想法通过努力变成现实，这是课堂教育做不到的。
0.4毕业设计的设计方法、主要任务及目标
为了搞好这次参赛的机器人研制，本着创新与实践相结台的原则，主要方法及任务如下，设计工作的工作流程如图1.1。
1) 研究比赛过程，提出方案，确定投球机器人的总体结构；
2) 根据总体目标，通过市场调查和资料搜集，进行技术可行性论证；
3) 确定篮球机器人的机械零件，电机的选择等；
4) 确定篮球机器人的机械结构，并绘图；
1 全维轮移动篮球机器人机械系统设计整体方案
机械系统是指由许多机器、装置、监控仪器等组成的大型工业系统，或由零件、部件等组成的机器。 从不同的角度出发，机械系统的构成有不同的描述。以前大多是按照系统的结构和组成的装置进行描述，这使得在设计时比较零乱，难以集成。现代科学的世界观认为，世界是由物质、能量及信息组成的。与此相对应，任何工程系统的功能，从本质上讲，都是接收物质、能量及信息，经过加工转换，输出新形态的物质、能量及信息。
机械系统设计必须考虑整个系统的运行，而不是只关心各组成部分的工作状态和性能。传统的设计方法注重内部系统的设计，且以改善零部件的特性为重点，至于各零部件之间、外部环境与内部系统之间的相互作用和影响考虑较少。零部件的设计固然应该给予足够的重视，但全部用最好的零部件未必能组成好的系统，其技术和经济性未必能实现良好的统一。应该在保证系统整体工作状态和性能最好的前提下，确定各零部件的基本要求及它们之间的协调和统一。
本次设计中要注意的问题如下：
1) 合理地确定可靠性要求和安全系数
可靠性要求和安全系数分别是可靠性设计及传统设计方法中描述系统工作而不失效的程度指标。
由于设计时使用的载荷、材料强度等数据都属于统计量，因而可靠性要求更符合客观实际。所以，采用可靠性设计可以使系统的设计更合理、更经济。系统越复杂，其优越性也就越明显，经济性和可靠性也就越统一。
2) 贯彻标准化
标准化是组织现代化大生产的重要手段，它大大提高了产品的通用性和互换性，可以使生产技术活动获得必要的统一协调和良好的经济效果。它创造的经济性体现在很多方面，如加快了产品开发速度，缩短了生产技术准备时间，节约了原材料，提高了产品质量、可靠性和劳动生产率，改善了维修性等。
1.1机器人整体结构方案
设计的重点是全维轮移动篮球机器人机械系统设计，在这简单介绍全维轮移动篮球机器人的整体方案：全维轮移动篮球机器人（如图1-1）重约二十公斤，先由移动平台运动到篮球位置，由捡球机构，将篮球捡起，然后给驱动电机一个信号，将球送往弹射机构，弹射机构，它以气动弹射将球发射，弹进篮筐，球的发射速度是15m/s。
图1-1 全维轮篮球机器人
1）移动平台如图1-2，它由三个全向轮及其连接部分，三个直流电动机及其就支承部分（如图1-3），及一个底板组成。工作时有控制信号控制三个轮子运动，达到直线前进后退，曲线运动等，完成投篮所需的运动。
图1-2 移动平台 图1-3 轮和电机
2）捡球机构如图1-4，它由两个圆柱直齿齿轮啮合，一个步进电机带动一个齿轮运动，从而带动齿轮轴转动，齿轮轴上连接两个铝型材叉架，将捡到的篮球举起送到弹射机构上。
图1-4 捡球机构
3）弹射机构如图1-5，它有一个气缸固定到支撑架上，当捡球机构将篮球送到弹射机构的时候，有控制信号控制电磁阀控制压缩空气进入气缸，从而由活塞将篮球弹射出，完成最后的投篮。
图1-5 弹射机构
2 移动平台设计
移动平台如图1-2，它由三个全向轮及其连接部分，三个直流电动机及其就支承部分，及一个底板组成。工作时有控制信号控制三个轮子运动，达到直线前进后退，曲线运动等，完成投篮所需的运动。
2.1移动机器人的运动方式
按照移动机器人的移动方式来分，机器人可以分为：轮式、腿式、履带式和蜿蜒式，其中轮式是机器人出现最早应用最广的移动方式，它的结构方式相对简单，并且可以在一个平面环境里提供平滑、高速、精确的运动效果。
2.1.1差动运动方式
传统的轮式机器人一般采用差动运动方式（如图2-1），在平面内这是一种非完整约束。差动运动轮系是由两个轴线平行的驱动轮以及一个或多个从动轮组成。通过控制两个驱动轮达到一定的速度，就可得到差动运动的效果。例如当两驱动轮具有相同的速度时，就能使得机器人进行直线运动。当一个驱动轮的速度为零，另一个驱动速度不为零时，机器人就会绕前—驱动轮与地面的接触点作旋转运动。当两驱动轮速度出现其他情况时，机器人的运动将会是这以上两种运动的合成。
图2-1 差动运动 图2-2 全运动方式
差动运动的方式非常普遍，它的各种衍生形式如：中心可转向轮、阿卡曼等，这些方式尤其多应用于交通工具。
2.1.2全运动方式
全向运动方式（如图2-2）是一种可以在平面内获得任意运动的运动方式，可以完全控制机器人在平面运动的三个自由度（两个水平运动分量和一个自身姿态旋转分量）。具有全向运动能力的运动系统使机器人可以向任意方向做直线运动，而之前不需要做旋转运动，并且这种轮系可以满足一边做直线运动一边旋转的要求，达到终状态所需要的任意姿态角。
图2-2所示的组合全向移动平台的结构示意图，这种结构可以实现车体坐标下X 、Y 平面坐标上任意方向的运动以及沿车体中心角度 的旋转。
2.1.3选择全向运动方式
如下图2-3所示，圆圈代表机器人的轮廓，圆圈中心外向所引出的连线表示机器人当前的姿态正方向，考虑机器人完成由A 点出发，运动到处于它侧向B 点，并且仍然回复先前的姿态角的任务。对于差动机器人来说，机器人必须首先在原地顺时针旋转90度，然后才能向B 点运动，到达B 点之后，再原地逆时针旋转90度，机器人完成这样一系列动作之后才能达到我们的要求。而对于全向机器人来说，无论它现处何种状态，都可以直接向B 点运动，在完成任务的任一时间段内都可以调整自己的姿态角。
图2-3 差动方式与全向方式的运动比较
鉴于全向轮优异的动力学和运动学性能，如果将其应用于机器人篮球比赛中去，机器人将会更容易跟踪规划的轨迹，在运动的过程中达到我们要求的任一姿态，提高机器人的灵活性，使机器人在赛场上更具竞争力。
基于以上分析，全向移动轮式机器人成为机器人篮球比赛运动平台最理想的选择。目前全向移动已经成为各个球队设计发展的趋势，如何使全向移动平台性能的更加优异是各球队研究的热点。
2.2 全向轮的选择 2.2.1 全向轮的介绍：
全向轮包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。全向轮能够在许多不同的方向移动，左右车轮的小光盘将全力推出，但也将极大的方便横向滑动。这是一个建立完整的驱动器的方法。全向轮可以像一个正常的车轮或使用滚轮的辊侧向滚动，其胶辊提供了极大的扣人心弦。它适用於在使用机器人、手推车、转移输送机、货运车、行李等，全方位车轮将提供完善的性能，当集成与传统的车轮。例如，您可以使用两种传统的车轮中心车轴和四个全方位前轴和后轴车轮，以建立一个六轮车辆。全方位轮移动和旋转，这是很容易的方向控制和跟踪，并尽可能快地转动。全方位轮无需润滑或现场维护和安装选项是非常简单和稳定。全方位轮通常可以大致可以分为2种类型：一类是单盘的全方位轮，一个是双排的全方位轮。单盘全方位轮的被动辊的单盘，而双板的全方位轮被动辊有两个板块是相互尊重，旋转稍。相比单盘的全方位轮，双板的全方位轮滚筒之间没有死区的优势。
全向轮的分类，目前用于实际的全向轮种类繁多，样式各异，按照其使用方式，将其分为单个全向轮和组合全向轮。
1. 单个全向轮，单个全向轮即单个轮子就具备全向移动的能力，一般为球形全向轮，自由度为三，球形轮体为球形，通过控制分布在轮提周围的摩擦轮，实现球轮的驱动。但结构和控制非常复杂，而且应用范围有限，之恩那个在环境比较理想的条件下（如地面平整）使用。
2. 组合全向轮，组合全向轮的设计思想是：驱动轮可以在不平与驱动方向上自由滚动。将几个这样的全向轮组合成一个系统，在这各系统中单个的轮子在一个方向上可以提供扭矩，但在另外一个方向上（通常是轴线方向）能够自由滚动，组合起来的整个系统具有全向运动的功能。
各类型的组合全向轮优缺点如下分析：
表2-1 各种组合全向轮的优缺点
2.2.2全向轮的选型
由于设计时间、以及经费的限制，论文设计必须从实际出发，所以设计开发考虑的首要因素就是：简单经济实用。考虑到今后的进一步需要还要使其适用范围广。
综合以上分析，全向轮的选择需满足如下要求： a ．结构简单
b ．轮子与地面的接触点尽可能地连续变化。 c ．结实耐用。
d 适用于激烈对抗的比赛环境
e ．可以在条件较差的地面上运动
选用国产成都航发的全向轮QL-15，ug 模型图如图2-4。
图2-4 全向轮QL-15
成都航发全向轮QL-15的特点
a ．从动轮外缘与大轮外缘作了相适的弧形设计，使运动时与地面的接触点变化连续，降低了多边型效应。
b ．从动轮中轴承的使用更能使轮子发挥好全向性能。
c ．在全向轮运行时，从动轮之间的间隙与地面作用的效果类似于汽车轮胎上用来增强摩擦作用的纹理，配合从动轮外表面防滑材料的选择使全向轮抓地性能良好，可适应条件较差的地面
d ．从动轮之间的连接采用一根单独的整轴，整轴具有一定的柔性。运动中出现从动轮之间的过渡时，起到一定的减振效果
e ．从动轮外表面耐磨、防滑、可以起到一定的减振效果。
f ．在轮毂的齿根部这个薄弱环节设计了加强筋，使轮予结构更为坚固，从而避免了出现由于运动过程产生扭矩力使轮毅齿根断裂或损坏的现象，延长了全向轮的实用寿命。
轮子的组合设计移动平台采用三个全向轮在360度均匀分布如图2-5所示：
图2-5 QL-15的分布图
2.3电动机的选择
计算机控制的机械系统的运动，是靠受控的驱动元件来驱动的，常用的驱动元件有步进电机、直流伺服电机等。步进电机一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件。其转速的高低，取决于输入到步进电机的电脉冲频率的高低。电脉冲频率f 高，则电视转速快，反之，转速慢。步进电梳可以在很宽范围内通过改变脉冲频率来调速，能够快速启动、反转和制动，通常不需要反馈就能进行精确控制，误差不会积累。其控制系统结构简单，且与数字设备兼容。
对机器人驱动装置的一般要求如下：
1) 驱动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率（即功率/重量比）要高，效率也要高；
2) 反应速度大要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大； 3) 动作平滑，不产生冲击；
4) 控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 5) 安全可靠； 6) 操作帮维护方便；
7) 对环境无污染，噪声要小；
8) 经济上合理。
计算机控制的机械系统的运动，是靠受控的驱动元件来驱动的，通常的机器人驱动方式有以下四种:
1. 步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会累计；步进电机具有自锁功能力（变磁阻式）和保持转矩（永磁式）的能力。这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机器人。
2. 直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。具有起动转矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好，控制方便，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，成本较高，而照需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。
3．交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO ，大功率晶闸管GTR 和场效应关MOSFET 等电力电子器件、脉冲调宽技术（PWM ）和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DPS 三环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的气动功率，提供很高的响应速度。
4．液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率／体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压形同经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，避免使用这种驱动方式。
总和以上分析选用直流伺服电动机作为该移动平台的驱动。
2.3.1 直流电机的选取与计算
机器人最大速度设置为1. 2m /s ，因为车轮半径为152.4mm ，取整为160mm ，所以等到轮的角速度为15rad /s ，机器人的重量约20kg ，轮子重量为630g ，车轮与地面的摩擦系数为0.36电机与车轮不同轴转动设减速比为i 。
1. 电机输出轴理论力矩的计算
机器人在做速度为1. 2m /s 匀速运动时的功率，有小车的受力分析可知：
p 1=FV =f 摩擦V =μmgV =0. 36⨯20⨯9. 8⨯1. 2=84. 6W 则减速器的输出轴的功率为84.6W 。
减速器的效率查表可知η=0. 97 考虑实际情况η=0. 9 则电机的输出轴功率为：
由角速度ω=15rad /s 可求出转速n =144r /min
电机输出的轴理论力矩为：
P 84. 6P 2=1==94W
η0. 9
P 20. 094
T =9549⨯=9549⨯=6. 23N ⋅m 1
n 144
2. 输出轴理论力矩的修正
由于使用环境温度的不同与工作运转中受力的变化，所以在进行实际考虑的时候必须要对理论力矩进行修正，以保证减速起的正常运作和使用寿命。
T =T 1⋅a 1⋅a 2
式中：
T 为选型力矩
a 1为环境温度系数
表2-2
表2-3
机器人工作的环境温度在26~30℃范围内，所以：
a 1=1. 2
在工作中收到的载荷为冲击载荷，所以：
a 2=1. 4
3. 输出轴的功率计算
该功率为三个电机的总功率，则每个电机的功率为52.6W
4. 计算必要的转矩
P =
T ⋅n T 1⋅a 1⋅a 2⋅n 6. 23⨯1. 2⨯1. 4⨯144
===0. 158KW [1**********]9
机器人起动时所需的转矩最大，先计算起动时的必要转矩
负载转矩
1f ⋅⋅d
=70. 56⨯0. 5⨯0. 08=15. 68N ⋅m T L =
2⋅η2⨯0. 9
5. 转动比的计算 电动输出轴的转矩则： T =T L
1
i ⋅0. 9
i =2. 8
由以上计算数据，根据现实情况选择空心杯电机直流电动机： 36SYK62（36mm ）如图2-6，的该电机长度为155mm ，直径为36mm ，所需提供的电压不低于24V ，最大转速为5920rpm ，最大功率为96W 。所需的减速器为单极减速与该电机配用的减速器为单级P36H 减速器如图2-7。
图2-6 直流电动机
图2-7 单级减速器
进行位置控制时还需要编码器，编码器的选择按照其工作原理选择增量式
编码器，本次设计中编码器工作时每圈输出的脉冲数为500。该型号的电机还配套了型号为HKT30的编码器如图2-8，构成了对速度的闭环反馈；该电机的输入可直接同电机驱动芯片的输出相连接，非常方便。
图2-8 HKT30编码器
根据电动机所带的编码器HKT30有关参数如下图2-9：
图2-9 编码器参数
可知根据使用环境控制机构，测电机转速，经济方面考虑，HKT30的编码器满足要求。
根据以上所选的电机、减速器以及编码器的型号，按照对应的尺寸做出电机的ug 三维图如图2-10所示：
图2-10 电动机三维图
2.4其他部件的选择校核 2.4.1电机支撑架的选择
根据空心杯直流电机36SYK62 以及减速器单级P36H 外形尺寸，定做的电机支架 如图2-11，2-12所示。
图2-11 电机支架1 图2-12电机支架2
2.4.2轴承的选择及校核
根据电机支承支架图2-13的外伸直径为20mm ，长度为20mm 选择轴承为深沟球轴承6008如图，d =40mm D =68mm B =
15mm
由上可知轮子的最大转速为
n =144r /min ≤n N
从机械结构可知该轴承不收轴向力只有径向力F ，F ≤200N
可知该轴承可以满足要求。
图2-13轴承
2.4.3底盘设计
按照比赛对机器人质量的要求，和经济考虑，选择底板为铝板如图2-14。
图2-14
2.4.4阶梯轴的设计
阶梯轴的尺寸设计跟所连轴承的内径、宽度，直流电机减速器输出轴的直径。长度以及QL-15的中心孔等数据设计阶梯轴如下图2-15：
图2-15轴
2.5电机与轮的装配
移动平台的装配图如图2-16，ug 三维爆炸图如2-17所示：
图2-16 轮和电机装配图
这种轮和电机连接的设计，可以分析出轴承代替直流电机的电机轴承受机器人的重量，轴承内圈固定不动，外圈随着轮子的转动而转动，直流电机轴不受弯矩，只传递扭矩，很好的保护了直流电机轴，延长电机的寿命。但也有很大的缺点就是所用的零件结构较复杂，需要定做，经济性不好。
图2-17 ug 三维爆炸图
3 捡球机构的设计
捡球机构如图1-4，它由两个圆柱直齿齿轮啮合，一个电机带动一个齿轮运动，从而带动齿轮轴转动，齿轮轴上连接两个铝型材叉架，将捡到的篮球送起送到弹射机构上。
3.1电机的选择及计算
电机的选择按照第三章所述，步进电机可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会累计；步进电机具有自锁功能力（变磁阻式）和保持转矩（永磁式）的能力。这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机器人。考虑捡球所需的动作及控制方法考虑选择步进电机做为捡球机构所需的电机。
步进电机的负载有：直齿圆柱齿轮转动，插架抬升等.
3.1.1所需转矩计算
插架抬升，需要将篮球送到弹射机构。本次设计是按照全国机器人大赛的要求设计的，投篮所用的篮球也是标准篮球，标准篮球的参数如下：
标准篮球直径(dB)为 24.6厘米。按型号分为：#7，#6，#5。 1. 标准男子比赛用球: 重量600-650g ， 圆周75-76cm 。 2.标准女子比赛用球: 重量510-550g ，圆周70-71cm 。 3.青少年比赛用球:重量470-500g ，圆周69-71cm 。 4.儿童比赛用球:重量300-340g ，圆周56-57cm 。
为了是所选的电机满足各种情况，选取篮球的参数都按照最大选取，篮球的直径为246mm ，重量为M =650g 。
插架的材料为铝材，估算插架的重量为m =400g ，插架的长l 取600mm 。设定插球机构在t a =1s 内将球送进弹射机构内，走过的角度为240 。
以上所选的数值均为极限情况所需的参数，则插球机构的角速度约4rad /s 电机与传动齿轮同轴转动设减速比为1，所用的两个齿轮为相同，输出转矩不变：
步进电机的选型计算： 1. 算出工作脉冲数A
工作脉冲数A （脉冲）=
所需的移动量
⨯电动机每运转一周所需的脉冲数
电动机每运转一周的移动量
l 3600. 62⨯π360A =⨯=⨯=100(脉冲)
s 1. 81. 2⨯π1. 8 式中：
l 为插架完成投篮走过的距离 s 为插架随电动机转一周走过的距离
步距角选为1.8，因为所需电动机只需两相，而两相电动机的步距角为0.9/1.8，本设计选取了1.8度
2. 决定加减速时间t 1
加减速时间以定位时间的25%为适，定位时间设定为0.8s 加减速时间t 1=0. 8⨯0. 25=0. 2s 3. 算出运行脉冲速度f 2
工作脉冲数-起动脉冲速度⨯加减速时间
定位时间-加减速时间
f 2=A -f 1⨯t 1=100-0=167Hz
t 0-t 10. 8-0. 2
运行脉冲速度=
4.算出运行速度N (r /min)
θ1. 8 N =f 2⨯s ⨯60=167⨯⨯60=5r /min 360360
5. 算出加速转矩T L (N ⋅m ) 插架转动惯量： J 1=(M +2m ) l 2(kg ⋅m )
πθ(f -f ) J
T '=1⋅s ⋅21=0. 035N ⋅m
t 0 980. 718 6.算出负载转矩T '
T '=(M +2m ) gl =8. 7N ⋅m 7. 算出必要转矩T M
T M =(T L +T ') ⨯2=17. 47N ⋅m
依据转速—转矩特性来选取最大起动频率
考虑到机器人控制系统对电机的性能要求是：精度高（运行误差小）、重量小（机器人总重有限制）、转矩满足要求（能带动插球机构运动）、便于控制（控制算法简单）。
综合以上考虑及计算结果，选取北京斯达特机电科技发展有限公司的23HS2002步进电机，电气技术数据如下表4-1：
表3-1 23HS2002步进电机参数
3.2 齿轮的选择及校核
由电机的参数可知齿轮的中心孔尺寸为10mm ，两齿啮合为开式齿轮，为标准齿轮。
（1）齿轮主要参数的选择和计算
因为载荷中有轻微振动，传动速度不高，传动尺寸无特殊要求，查《机械基础》表14－10，齿轮选用45号钢，调质处理，硬度260HBS ；该齿轮传动为一般齿轮传动，圆周速度不会太大，根据《机械设计学基础》表5－7，选8级精度。
主要参数选择和几何尺寸计算 ● 齿数
齿数通常z1在20～40之间选取，z ＝40。 ● 模数m
标准模数应大于或等于上式计算出的模数，查《机械基础》P311表14－1，选取标准模数m=1mm。 ● 分度圆直径d
d =mz =40mm
*
=1，c *=0. 25） ● 其他几何尺寸的计算（h a
*
=1 齿顶高 ：h a =h a m 由于正常齿轮：h a
*
所以：h a =h a m =1mm
齿根高： h f =(h a +c *) m 由于正常齿：c *=0. 25
*
所以: h f =(h a +c *) =1. 25mm
*
*
全齿高 h =h a +h f =2. 25mm 齿顶圆直径 d a =d +2h a =42mm 齿根圆直径 d f =d -h f =47. 5mm (2)齿根校核
齿根弯曲疲劳强度的校核公式为 σ=2KT 1Y ≤σ
F F FP
bmd 1
● 齿形系数Y F
根据Z, 查《机械设计学基础》P153表5－11，得YF ＝2.81 弯曲疲劳许用应力σFP 计算公式
σ
σFP =Flim Y N
S Fmin 1) 弯曲疲劳极限应力σF lim
根据齿轮的材料、热处理方式和硬度，由《机械设计学基础》P 154图5－33的MQ 取值线查得
σFlim1=180MPa
2) 弯曲疲劳寿命系数YN
86
根据N1=6.722⨯10>3⨯10，查《机械设计学基础》P156图5－34得，YN1=1。 3) 弯曲疲劳强度的最小安全系数S Fmin
本传动要求一般的可靠性，查《机械设计学基础》P151表5－10，取SFmin ＝1.2。
4) 弯曲疲劳许用应力
将以上各参数代入弯曲疲劳许用应力公式得
σFP1=
σFlim1
S Fmin
Y N1=
180
⨯1MPa=150MPa1.2
5) 齿根弯曲疲劳强度校核
σF 1=
2KT 1
Y F 1=33. 37MPa
因此，齿轮齿根的抗弯强度是安全的。
3.3 插架的设计
插架固定在传动轴上，两个插架组合在一起将篮球举起送到弹射机构上，所以插架要具有一定的强度，但是考虑到机器人的总重有限制，插架的材料密度不宜过大，同时考虑到经济性，综合以上因素插架材料选择铝型材。
插架的尺寸确定由插举篮球所需要完成的动作，根据机器人的高度尺寸及篮球的尺寸，设计其尺寸如下图3-1：
图3-1 插架尺寸
3.4 传动轴的设计
传动轴在捡球机构中主要是两个作用：一是将齿轮的的转矩传递给插架，二是支承齿轮和插架。传动轴所传递的转矩和收到扭矩不大，选择45钢就可满足要求。其尺寸如下图3-2：
图3-2 轴的尺寸
传动轴的支承采用两个支承座中间固定一个深沟球轴承6000，轴与轴承采用过盈配合，从而将轴固定如3-3图所示：
图3-3 轴的支承方式
3.5捡球机构装配
将所选的的零件和标准件装配图如图3-4所示：
3-4 捡球机构的装配图
捡球机构的主要是将篮球举起送到弹射机构中，捡球机构设计利用了步进电机控制齿轮的传动而达到所需要的运动，设计的结构简单，控制方法简单，而且所选的零件容易购买。但是运送篮球时，没有解决篮球可能脱落的问题，还待于进一步设计完善。
4 弹射机构设计
弹射机构如图1-5，它有一个气缸固定到支承架上，当捡球机构将篮球送到弹射机构的时候，有控制信号控制电磁阀控制压缩空气进入气缸，从而由活塞将篮球弹射出，完成最后的投篮。
弹射机构的设计主要完成气缸的选型，气缸是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。气缸的应用领域：印刷（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人等等。
气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类。做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。
①单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。
②双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。 ③膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封性能好，但行程短。
④冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速（10～20米/秒）运动的动能，借以做功。
⑤无杆气缸：没有活塞杆的气缸的总称。有磁性气缸，缆索气缸两大类。 做往复摆动的气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴做摆动运动，摆动角小于 280°。此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等
气缸工作原理根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。在工程设计时选择气缸缸径，可根据其使用压力和理论推力或拉力的大小，从经验表中查出。
4.1 投篮速度的选取与计算
设篮球的发射的初速度为v, θ=45︒根据能量守恒可得到：
1
m (v sin θ) =mgh 02
可推出： v sin θ=20h 0
为了使篮球机器人能射中比赛场地里的篮筐，标注篮板上沿高度：3.25m ，
h 0取比赛场地中心篮筐高度为4m ，l 0取中心框距手动机器人的水平距离5m （如
图2-6所示）
因此可知v ≥12. 6m /s
图4-1篮球发射轨迹示意图
又由图4-1得到：
12vt sin θ-gt =h 2
可得到： vt cos θ=l 0
125h =5tg θ-g 22v cos θ
根据系统动力能量提供条件，我们拟取v =13m /s 代入上式，下面验算它是
否能适用。可得到：
125 h θ=45︒=5tg 45︒-g 2=7. 3m ≥4m ︒2213(cos45)
因此本系统中去篮球发射初速度可以满足需要，因为本系统的设定的
θ=45︒也可以满足要求。
4.2气缸的选择
本设计的气缸选择单作用的气缸弹射机构将篮球弹出去是的速度由以上计
算可取15m/s, 篮球的质量为650g ，则篮球弹出的动量：
P =mv =Ft
由上公式可估算出篮球受到力为900N ，从而推算出活塞杆的推力约为900N 。
查气缸相关手册可选气缸参数如下：
D>75mm ,C>70mm，d>25mm
根据上面的参数选择FESTO 费斯托标准气缸DNG-50-100-PPV-A ，如图4-2、。
图4-2 气缸ug 图
4.3 导行架的设计
导行架固定在支承板上，导行架主要是角度的选择，由投篮速度选取计算选
取导行架的角度为45 ，可知： 125g 2≥4m 2v cos θ h =5tg θ-
θ≥40
所以导行架的固定为45 满足要求
导行架的材料应具有一定的强度，但是考虑到机器人的总重有限制，导行架
不宜过大，同时考虑到经济性，综合以上因素导行架材料选择铝型材。
4.3弹射机构的装配
弹射机构的安装用两个45度的支承座固定与底板上，再将导行架固定上，
安装上气缸。其装配图如图4-3所示：
图4-3 弹射机构装配图
5 全维轮移动篮球机器人机械结构装配及总结
5.1 全维轮移动篮球机器人机械结构
装配图如图5-1所示，详细情况见附图A0图纸。
图5-1全维轮移动篮球机器人机械结构装配图
全维轮移动篮球机器人的机械装配将轮和电机的装配与捡球机构、弹射机构
的有机装配一起，完成机器人大赛所需要的机械部分的功能要求。Ug 三维效果
图如下图5-2、5-3、5-4所示：
图5-2 三维效果图
图5-3 三维效果图
图5-4 三维效果图
5.2设计总结
在整个机器人机械结构设计过程中完成了以下工作：
1. 机械结构总体方案按照全国机器人大赛的要求规划设计整体方案。
2. 设计了一种较为使用的全向移动平台，并用ug 做出三维实体模型。轮和
电机联接的设计，可以分析出轴承代替直流电机的电机轴承受机器人的重量，轴
承内圈固定不动，外圈随着轮子的转动而转动，直流电机轴不弯矩，只传递扭矩，
很好的保护了直流电机轴，延长电机的寿命
3. 设计了全维轮篮球机器人的捡球机构，并用ug 做出三维实体模型，该机
构参考了机械课程设计的减速器中齿轮的传动方法，结构简单且容易实现。
4. 设计全维轮篮球机器人的弹射机构，并用ug
做出三维实体模型，该机构
易实现投篮所需的力，机构简单。
将所设计的机构用ug 组装起来，进行方案的优化分析。
但是设计过成也遇到了许多问题，如轮和电机的连接还不够理想，弹射机构
的具体实物能不能达到所预期的效果等等。由于时间有限，这些问题还不能很好
的解决，待于以后的学习中解决。
参考文献
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[8] 卢业忠. 世界机器人市场发展 [J] 电子产品世界 2003,2.
[9] 濮良贵 .机械设计[M].北京. 第七版; 高等教育出版社，2002：66-87.
致 谢
新疆大学两年的学习生活已经入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。在这里特别感激那些在我的学习生活中给予我帮助和鼓励的的人。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首大学时光，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护，学友情深，情同兄妹。两年的时光，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
本次毕业设计是在袁亮老师们的悉心指导下完成的。不仅使我树了远大的学术目标、掌握了基本的机器人机械系统的设计方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本次毕业设计过程中的每一步都是在老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。在此，谨向袁亮老师表示崇高的敬意和衷心的感谢
袁亮老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。也给与我很大的帮助，使我得到不少的提高，这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢老师的耐心的辅导。
摘要
本文以全国机器人大赛篮球比赛为应用背景，设计了一种具有全向移动功能的篮球机器人的机械系统。
机器人的机械系统设计分为的移动平台设计、捡球机构设计以及弹射机构设计。所设计的移动平台具有较好的全向运动且控制精确容易实现，捡球机构结构简单实用控制算法简单，弹射机构性能优良。设计中重点是根据机器人运动所需力矩和转速选择电机、编码器以及减速器。将设计完各个功能模块合理的整合成一套性能稳定且易实现的机械系统，并为各个功能模块设计选择所需的零部件。该机械系统具有优秀的运动性能，达到了设计要求。
关键词：移动机器人；全向轮；机器人结构设计；直流电机
ABSTRACT
The thesis focuses on the design of a mechanical system with a basketball omnidirectional mobile robot functions of the background the National Robotics
Robot's mechanical system design into mobile platform design, picking mechanism design and catapult mechanism design. Mobile platform designed to have a good full motion and easy to achieve precise control; picking control algorithm is simple and practical mechanism structure is simple; excellent performance ejection mechanism. The thesis focuses on the design of selecting the motor, encoder and reducer with that the robot requires speed and torque. After rational design of each module integrated into a stable performance and easy implementation of a mechanical system, and select the desired components designed for each functional module. The mechanical system has excellent sport performance, met the design requirements.
Keyword ：mobile robot；omni-directional Wheel；structure design of robot；dc-motor
目录
绪论 . .................................................................... 1
0.1 移动机器人现状与技术水平 ........................................ 1
0.2 移动机器人机构研究概况 .......................................... 1
0.3毕业设计来源及参赛意义 ...................................... 2
0.4毕业设计的设计方法、主要任务及目标 . .............................. 2
1 全维轮移动篮球机器人机械系统设计整体方案 ............................... 4
1.1机器人整体结构方案 . .............................................. 4
2 移动平台设计 . .......................................................... 7
2.1移动机器人的运动方式 . ............................................ 7
2.1.1差动运动方式 .............................................. 7
2.1.2全运动方式 ................................................ 8
2.1.3选择全向运动方式 .......................................... 8
2.2 全向轮的选择 ................................................... 9
2.2.1 全向轮的介绍： . ........................................... 9
2.2.2全向轮的选型 ............................................. 10
2.3电动机的选择 . ................................................... 12
2.3.1 直流电机的选取与计算 . .................................... 13
2.4其他部件的选择校核 . ............................................. 17
2.4.1电机支撑架的选择 ......................................... 17
2.4.2轴承的选择及校核 ......................................... 17
2.4.3底盘设计 ................................................. 18
2.4.4阶梯轴的设计 ............................................. 18
2.5电机与轮的装配 . ................................................. 19
3 捡球机构的设计 . ....................................................... 20
3.1电机的选择及计算 . ............................................... 20
3.1.1所需转矩计算 ............................................. 20
3.2 齿轮的选择及校核 ............................................... 22
3.3 插架的设计 ..................................................... 23
3.4 传动轴的设计 ................................................... 24
3.5捡球机构装配 . ................................................... 25
4 弹射机构设计 . ......................................................... 26
4.1 投篮速度的选取与计算 ........................................... 26
4.2气缸的选择 . ..................................................... 27
4.3 导行架的设计 ................................................... 28
4.3弹射机构的装配 . ................................................. 29
5 全维轮移动篮球机器人机械结构装配及总结 ................................ 30
5.1 全维轮移动篮球机器人机械结构 ................................... 30
5.2设计总结 . ....................................................... 31
参考文献 . ............................................................... 33
致 谢 . .................................................................. 34
绪论
0.1 移动机器人现状与技术水平
机器人的最初形式是工业机器人，它能有效的提高产品的质量和改善人们的劳动条件，在焊接装配、浇铸、喷漆等方面得到了广泛应用。工业机器人通常为多关节的机械手臂，本体不具有可移动性，因而工作环境相对来说是固定的，其灵活性只表现在可以按照人们的要求反复编程实现不同的运动。
为了获得更大的独立性，人们对机器人的灵活性和智能提出来更高的要求，要求机器人能够在一定范围内安全运动，完成特定的任务，具有较强的环境适应能力。因此，近年来，移动机器人的研究成为机器人领域的研究重点之一。
移动机器人狭义上指的是地面上可移动机器人，主要包括军事领域和民用领域机器人两种。军事智能机器人包括侦查机器人、爆炸物处理机器人和步兵支援机器人等，种类繁多、功能强大、用途广泛，发展潜力巨大。在民用移动服务机器人方面，日本和美国处于遥遥领先的地位。机器人被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。在国内。上海大学研制出导购机器人，哈尔滨工业大学研制出导游机器人和清扫机器人等。从广义讲，移动机器人也包括空间机器人（如美国的火星探路者）和水下机器人（如我国研制的海峡6000米探测机器人），它对机器人的控制技术，传感器和材料等方面提出了更高的要求。目前在欧美、日本等西方发达国家，移动式机器人已广泛应用于五大领域：医疗福利服务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务。
0.2 移动机器人机构研究概况
能在工作环境内移动和执行任务是移动式机器人的两大特点。下面着重介绍一下 机器人移动机构方面的研究情况。由于本文所研究机器人的工作环境是在地面上，下面的介绍就仅限于在平面环境中机器人的移动机构。能够在平面环境中移动的机构形式主要有履带式移动机构、腿足式移动机构和车轮式移动机构。此外，还有适用于特定场合的步进式移动机构、蠕动式移动机构和蛇行式移动机构等。
履带式移动是将圆环状的循环轨道履带卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与地面接触，利用履带可以缓冲地面的凹凸不平。履带移动机构的着地面积比较大，
着地压 强小，与路面的粘着力也较强，所以它能够在凹凸不平和松软路面上稳定移动。因此，履带式移动机构是用于路面状态比较复杂的场合。
腿足式移动机构基本上是模仿人或动物的下肢机构形态而制成的。以两足步行机器人为例，机器人姿态的地位十分重要，为此必须有能直接或间接检测姿态的传感机构。它还可以在需要获取姿态信息时，通过对踝关节力矩反馈控制使其处于柔顺状态，使脚底适应地面情况，测量此时踝关节的角度，就可得到姿态信息。腿足式移动机构 适应地面的能力也很强，但其机构复杂，运动控制的难度较大，且运动速度比较慢。
车轮式移动机构的优点有：能高速稳定地移动、能量利用率高、机构简单、控制 方便和能借鉴至今已很成熟的汽车技术等。它的缺点是移动场所限于平面。目前机器 人的工作环境，如果不考虑核电站等特殊环境和山地等凹凸不平地面等自然环境，几 乎都是人工建造的较为平坦的地面，所以轮式机构的利用价值是非常高的。因此，车 轮式移动机构可认为是移动机器人的重要组成部分。车轮式移动机构又可分为二轮机 构、三轮机构、四轮机构和全方位移动机构。二轮式移动机构的结构非常简单，但是 在静止和低速时非常不稳定。三轮式移动机构的特点是机构组成容易，旋转中心是在连接两驱动轮的直线上，可以实现零回转半径。四轮式移动机构的运动基本上与三轮机构相同，由于增加了一个支承轮，运动更加平稳。
0.3毕业设计来源及参赛意义
毕业设计来源于参加全国机器人大赛投篮机器人的设计和制作。全国机器人大赛为我国大学生提供了一个充分展示创造力的舞台，有利于激发大学生开发、研制高科技的兴趣与爱好，有利于培养学生的创造，激发学生的想象力，锻炼学生的实际动手能力。在竞赛中，学生们把自己的一些想法通过努力变成现实，这是课堂教育做不到的。
0.4毕业设计的设计方法、主要任务及目标
为了搞好这次参赛的机器人研制，本着创新与实践相结台的原则，主要方法及任务如下，设计工作的工作流程如图1.1。
1) 研究比赛过程，提出方案，确定投球机器人的总体结构；
2) 根据总体目标，通过市场调查和资料搜集，进行技术可行性论证；
3) 确定篮球机器人的机械零件，电机的选择等；
4) 确定篮球机器人的机械结构，并绘图；
1 全维轮移动篮球机器人机械系统设计整体方案
机械系统是指由许多机器、装置、监控仪器等组成的大型工业系统，或由零件、部件等组成的机器。 从不同的角度出发，机械系统的构成有不同的描述。以前大多是按照系统的结构和组成的装置进行描述，这使得在设计时比较零乱，难以集成。现代科学的世界观认为，世界是由物质、能量及信息组成的。与此相对应，任何工程系统的功能，从本质上讲，都是接收物质、能量及信息，经过加工转换，输出新形态的物质、能量及信息。
机械系统设计必须考虑整个系统的运行，而不是只关心各组成部分的工作状态和性能。传统的设计方法注重内部系统的设计，且以改善零部件的特性为重点，至于各零部件之间、外部环境与内部系统之间的相互作用和影响考虑较少。零部件的设计固然应该给予足够的重视，但全部用最好的零部件未必能组成好的系统，其技术和经济性未必能实现良好的统一。应该在保证系统整体工作状态和性能最好的前提下，确定各零部件的基本要求及它们之间的协调和统一。
本次设计中要注意的问题如下：
1) 合理地确定可靠性要求和安全系数
可靠性要求和安全系数分别是可靠性设计及传统设计方法中描述系统工作而不失效的程度指标。
由于设计时使用的载荷、材料强度等数据都属于统计量，因而可靠性要求更符合客观实际。所以，采用可靠性设计可以使系统的设计更合理、更经济。系统越复杂，其优越性也就越明显，经济性和可靠性也就越统一。
2) 贯彻标准化
标准化是组织现代化大生产的重要手段，它大大提高了产品的通用性和互换性，可以使生产技术活动获得必要的统一协调和良好的经济效果。它创造的经济性体现在很多方面，如加快了产品开发速度，缩短了生产技术准备时间，节约了原材料，提高了产品质量、可靠性和劳动生产率，改善了维修性等。
1.1机器人整体结构方案
设计的重点是全维轮移动篮球机器人机械系统设计，在这简单介绍全维轮移动篮球机器人的整体方案：全维轮移动篮球机器人（如图1-1）重约二十公斤，先由移动平台运动到篮球位置，由捡球机构，将篮球捡起，然后给驱动电机一个信号，将球送往弹射机构，弹射机构，它以气动弹射将球发射，弹进篮筐，球的发射速度是15m/s。
图1-1 全维轮篮球机器人
1）移动平台如图1-2，它由三个全向轮及其连接部分，三个直流电动机及其就支承部分（如图1-3），及一个底板组成。工作时有控制信号控制三个轮子运动，达到直线前进后退，曲线运动等，完成投篮所需的运动。
图1-2 移动平台 图1-3 轮和电机
2）捡球机构如图1-4，它由两个圆柱直齿齿轮啮合，一个步进电机带动一个齿轮运动，从而带动齿轮轴转动，齿轮轴上连接两个铝型材叉架，将捡到的篮球举起送到弹射机构上。
图1-4 捡球机构
3）弹射机构如图1-5，它有一个气缸固定到支撑架上，当捡球机构将篮球送到弹射机构的时候，有控制信号控制电磁阀控制压缩空气进入气缸，从而由活塞将篮球弹射出，完成最后的投篮。
图1-5 弹射机构
2 移动平台设计
移动平台如图1-2，它由三个全向轮及其连接部分，三个直流电动机及其就支承部分，及一个底板组成。工作时有控制信号控制三个轮子运动，达到直线前进后退，曲线运动等，完成投篮所需的运动。
2.1移动机器人的运动方式
按照移动机器人的移动方式来分，机器人可以分为：轮式、腿式、履带式和蜿蜒式，其中轮式是机器人出现最早应用最广的移动方式，它的结构方式相对简单，并且可以在一个平面环境里提供平滑、高速、精确的运动效果。
2.1.1差动运动方式
传统的轮式机器人一般采用差动运动方式（如图2-1），在平面内这是一种非完整约束。差动运动轮系是由两个轴线平行的驱动轮以及一个或多个从动轮组成。通过控制两个驱动轮达到一定的速度，就可得到差动运动的效果。例如当两驱动轮具有相同的速度时，就能使得机器人进行直线运动。当一个驱动轮的速度为零，另一个驱动速度不为零时，机器人就会绕前—驱动轮与地面的接触点作旋转运动。当两驱动轮速度出现其他情况时，机器人的运动将会是这以上两种运动的合成。
图2-1 差动运动 图2-2 全运动方式
差动运动的方式非常普遍，它的各种衍生形式如：中心可转向轮、阿卡曼等，这些方式尤其多应用于交通工具。
2.1.2全运动方式
全向运动方式（如图2-2）是一种可以在平面内获得任意运动的运动方式，可以完全控制机器人在平面运动的三个自由度（两个水平运动分量和一个自身姿态旋转分量）。具有全向运动能力的运动系统使机器人可以向任意方向做直线运动，而之前不需要做旋转运动，并且这种轮系可以满足一边做直线运动一边旋转的要求，达到终状态所需要的任意姿态角。
图2-2所示的组合全向移动平台的结构示意图，这种结构可以实现车体坐标下X 、Y 平面坐标上任意方向的运动以及沿车体中心角度 的旋转。
2.1.3选择全向运动方式
如下图2-3所示，圆圈代表机器人的轮廓，圆圈中心外向所引出的连线表示机器人当前的姿态正方向，考虑机器人完成由A 点出发，运动到处于它侧向B 点，并且仍然回复先前的姿态角的任务。对于差动机器人来说，机器人必须首先在原地顺时针旋转90度，然后才能向B 点运动，到达B 点之后，再原地逆时针旋转90度，机器人完成这样一系列动作之后才能达到我们的要求。而对于全向机器人来说，无论它现处何种状态，都可以直接向B 点运动，在完成任务的任一时间段内都可以调整自己的姿态角。
图2-3 差动方式与全向方式的运动比较
鉴于全向轮优异的动力学和运动学性能，如果将其应用于机器人篮球比赛中去，机器人将会更容易跟踪规划的轨迹，在运动的过程中达到我们要求的任一姿态，提高机器人的灵活性，使机器人在赛场上更具竞争力。
基于以上分析，全向移动轮式机器人成为机器人篮球比赛运动平台最理想的选择。目前全向移动已经成为各个球队设计发展的趋势，如何使全向移动平台性能的更加优异是各球队研究的热点。
2.2 全向轮的选择 2.2.1 全向轮的介绍：
全向轮包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。全向轮能够在许多不同的方向移动，左右车轮的小光盘将全力推出，但也将极大的方便横向滑动。这是一个建立完整的驱动器的方法。全向轮可以像一个正常的车轮或使用滚轮的辊侧向滚动，其胶辊提供了极大的扣人心弦。它适用於在使用机器人、手推车、转移输送机、货运车、行李等，全方位车轮将提供完善的性能，当集成与传统的车轮。例如，您可以使用两种传统的车轮中心车轴和四个全方位前轴和后轴车轮，以建立一个六轮车辆。全方位轮移动和旋转，这是很容易的方向控制和跟踪，并尽可能快地转动。全方位轮无需润滑或现场维护和安装选项是非常简单和稳定。全方位轮通常可以大致可以分为2种类型：一类是单盘的全方位轮，一个是双排的全方位轮。单盘全方位轮的被动辊的单盘，而双板的全方位轮被动辊有两个板块是相互尊重，旋转稍。相比单盘的全方位轮，双板的全方位轮滚筒之间没有死区的优势。
全向轮的分类，目前用于实际的全向轮种类繁多，样式各异，按照其使用方式，将其分为单个全向轮和组合全向轮。
1. 单个全向轮，单个全向轮即单个轮子就具备全向移动的能力，一般为球形全向轮，自由度为三，球形轮体为球形，通过控制分布在轮提周围的摩擦轮，实现球轮的驱动。但结构和控制非常复杂，而且应用范围有限，之恩那个在环境比较理想的条件下（如地面平整）使用。
2. 组合全向轮，组合全向轮的设计思想是：驱动轮可以在不平与驱动方向上自由滚动。将几个这样的全向轮组合成一个系统，在这各系统中单个的轮子在一个方向上可以提供扭矩，但在另外一个方向上（通常是轴线方向）能够自由滚动，组合起来的整个系统具有全向运动的功能。
各类型的组合全向轮优缺点如下分析：
表2-1 各种组合全向轮的优缺点
2.2.2全向轮的选型
由于设计时间、以及经费的限制，论文设计必须从实际出发，所以设计开发考虑的首要因素就是：简单经济实用。考虑到今后的进一步需要还要使其适用范围广。
综合以上分析，全向轮的选择需满足如下要求： a ．结构简单
b ．轮子与地面的接触点尽可能地连续变化。 c ．结实耐用。
d 适用于激烈对抗的比赛环境
e ．可以在条件较差的地面上运动
选用国产成都航发的全向轮QL-15，ug 模型图如图2-4。
图2-4 全向轮QL-15
成都航发全向轮QL-15的特点
a ．从动轮外缘与大轮外缘作了相适的弧形设计，使运动时与地面的接触点变化连续，降低了多边型效应。
b ．从动轮中轴承的使用更能使轮子发挥好全向性能。
c ．在全向轮运行时，从动轮之间的间隙与地面作用的效果类似于汽车轮胎上用来增强摩擦作用的纹理，配合从动轮外表面防滑材料的选择使全向轮抓地性能良好，可适应条件较差的地面
d ．从动轮之间的连接采用一根单独的整轴，整轴具有一定的柔性。运动中出现从动轮之间的过渡时，起到一定的减振效果
e ．从动轮外表面耐磨、防滑、可以起到一定的减振效果。
f ．在轮毂的齿根部这个薄弱环节设计了加强筋，使轮予结构更为坚固，从而避免了出现由于运动过程产生扭矩力使轮毅齿根断裂或损坏的现象，延长了全向轮的实用寿命。
轮子的组合设计移动平台采用三个全向轮在360度均匀分布如图2-5所示：
图2-5 QL-15的分布图
2.3电动机的选择
计算机控制的机械系统的运动，是靠受控的驱动元件来驱动的，常用的驱动元件有步进电机、直流伺服电机等。步进电机一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件。其转速的高低，取决于输入到步进电机的电脉冲频率的高低。电脉冲频率f 高，则电视转速快，反之，转速慢。步进电梳可以在很宽范围内通过改变脉冲频率来调速，能够快速启动、反转和制动，通常不需要反馈就能进行精确控制，误差不会积累。其控制系统结构简单，且与数字设备兼容。
对机器人驱动装置的一般要求如下：
1) 驱动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率（即功率/重量比）要高，效率也要高；
2) 反应速度大要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大； 3) 动作平滑，不产生冲击；
4) 控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 5) 安全可靠； 6) 操作帮维护方便；
7) 对环境无污染，噪声要小；
8) 经济上合理。
计算机控制的机械系统的运动，是靠受控的驱动元件来驱动的，通常的机器人驱动方式有以下四种:
1. 步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会累计；步进电机具有自锁功能力（变磁阻式）和保持转矩（永磁式）的能力。这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机器人。
2. 直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。具有起动转矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好，控制方便，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，成本较高，而照需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。
3．交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO ，大功率晶闸管GTR 和场效应关MOSFET 等电力电子器件、脉冲调宽技术（PWM ）和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DPS 三环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的气动功率，提供很高的响应速度。
4．液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率／体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压形同经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，避免使用这种驱动方式。
总和以上分析选用直流伺服电动机作为该移动平台的驱动。
2.3.1 直流电机的选取与计算
机器人最大速度设置为1. 2m /s ，因为车轮半径为152.4mm ，取整为160mm ，所以等到轮的角速度为15rad /s ，机器人的重量约20kg ，轮子重量为630g ，车轮与地面的摩擦系数为0.36电机与车轮不同轴转动设减速比为i 。
1. 电机输出轴理论力矩的计算
机器人在做速度为1. 2m /s 匀速运动时的功率，有小车的受力分析可知：
p 1=FV =f 摩擦V =μmgV =0. 36⨯20⨯9. 8⨯1. 2=84. 6W 则减速器的输出轴的功率为84.6W 。
减速器的效率查表可知η=0. 97 考虑实际情况η=0. 9 则电机的输出轴功率为：
由角速度ω=15rad /s 可求出转速n =144r /min
电机输出的轴理论力矩为：
P 84. 6P 2=1==94W
η0. 9
P 20. 094
T =9549⨯=9549⨯=6. 23N ⋅m 1
n 144
2. 输出轴理论力矩的修正
由于使用环境温度的不同与工作运转中受力的变化，所以在进行实际考虑的时候必须要对理论力矩进行修正，以保证减速起的正常运作和使用寿命。
T =T 1⋅a 1⋅a 2
式中：
T 为选型力矩
a 1为环境温度系数
表2-2
表2-3
机器人工作的环境温度在26~30℃范围内，所以：
a 1=1. 2
在工作中收到的载荷为冲击载荷，所以：
a 2=1. 4
3. 输出轴的功率计算
该功率为三个电机的总功率，则每个电机的功率为52.6W
4. 计算必要的转矩
P =
T ⋅n T 1⋅a 1⋅a 2⋅n 6. 23⨯1. 2⨯1. 4⨯144
===0. 158KW [1**********]9
机器人起动时所需的转矩最大，先计算起动时的必要转矩
负载转矩
1f ⋅⋅d
=70. 56⨯0. 5⨯0. 08=15. 68N ⋅m T L =
2⋅η2⨯0. 9
5. 转动比的计算 电动输出轴的转矩则： T =T L
1
i ⋅0. 9
i =2. 8
由以上计算数据，根据现实情况选择空心杯电机直流电动机： 36SYK62（36mm ）如图2-6，的该电机长度为155mm ，直径为36mm ，所需提供的电压不低于24V ，最大转速为5920rpm ，最大功率为96W 。所需的减速器为单极减速与该电机配用的减速器为单级P36H 减速器如图2-7。
图2-6 直流电动机
图2-7 单级减速器
进行位置控制时还需要编码器，编码器的选择按照其工作原理选择增量式
编码器，本次设计中编码器工作时每圈输出的脉冲数为500。该型号的电机还配套了型号为HKT30的编码器如图2-8，构成了对速度的闭环反馈；该电机的输入可直接同电机驱动芯片的输出相连接，非常方便。
图2-8 HKT30编码器
根据电动机所带的编码器HKT30有关参数如下图2-9：
图2-9 编码器参数
可知根据使用环境控制机构，测电机转速，经济方面考虑，HKT30的编码器满足要求。
根据以上所选的电机、减速器以及编码器的型号，按照对应的尺寸做出电机的ug 三维图如图2-10所示：
图2-10 电动机三维图
2.4其他部件的选择校核 2.4.1电机支撑架的选择
根据空心杯直流电机36SYK62 以及减速器单级P36H 外形尺寸，定做的电机支架 如图2-11，2-12所示。
图2-11 电机支架1 图2-12电机支架2
2.4.2轴承的选择及校核
根据电机支承支架图2-13的外伸直径为20mm ，长度为20mm 选择轴承为深沟球轴承6008如图，d =40mm D =68mm B =
15mm
由上可知轮子的最大转速为
n =144r /min ≤n N
从机械结构可知该轴承不收轴向力只有径向力F ，F ≤200N
可知该轴承可以满足要求。
图2-13轴承
2.4.3底盘设计
按照比赛对机器人质量的要求，和经济考虑，选择底板为铝板如图2-14。
图2-14
2.4.4阶梯轴的设计
阶梯轴的尺寸设计跟所连轴承的内径、宽度，直流电机减速器输出轴的直径。长度以及QL-15的中心孔等数据设计阶梯轴如下图2-15：
图2-15轴
2.5电机与轮的装配
移动平台的装配图如图2-16，ug 三维爆炸图如2-17所示：
图2-16 轮和电机装配图
这种轮和电机连接的设计，可以分析出轴承代替直流电机的电机轴承受机器人的重量，轴承内圈固定不动，外圈随着轮子的转动而转动，直流电机轴不受弯矩，只传递扭矩，很好的保护了直流电机轴，延长电机的寿命。但也有很大的缺点就是所用的零件结构较复杂，需要定做，经济性不好。
图2-17 ug 三维爆炸图
3 捡球机构的设计
捡球机构如图1-4，它由两个圆柱直齿齿轮啮合，一个电机带动一个齿轮运动，从而带动齿轮轴转动，齿轮轴上连接两个铝型材叉架，将捡到的篮球送起送到弹射机构上。
3.1电机的选择及计算
电机的选择按照第三章所述，步进电机可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会累计；步进电机具有自锁功能力（变磁阻式）和保持转矩（永磁式）的能力。这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机器人。考虑捡球所需的动作及控制方法考虑选择步进电机做为捡球机构所需的电机。
步进电机的负载有：直齿圆柱齿轮转动，插架抬升等.
3.1.1所需转矩计算
插架抬升，需要将篮球送到弹射机构。本次设计是按照全国机器人大赛的要求设计的，投篮所用的篮球也是标准篮球，标准篮球的参数如下：
标准篮球直径(dB)为 24.6厘米。按型号分为：#7，#6，#5。 1. 标准男子比赛用球: 重量600-650g ， 圆周75-76cm 。 2.标准女子比赛用球: 重量510-550g ，圆周70-71cm 。 3.青少年比赛用球:重量470-500g ，圆周69-71cm 。 4.儿童比赛用球:重量300-340g ，圆周56-57cm 。
为了是所选的电机满足各种情况，选取篮球的参数都按照最大选取，篮球的直径为246mm ，重量为M =650g 。
插架的材料为铝材，估算插架的重量为m =400g ，插架的长l 取600mm 。设定插球机构在t a =1s 内将球送进弹射机构内，走过的角度为240 。
以上所选的数值均为极限情况所需的参数，则插球机构的角速度约4rad /s 电机与传动齿轮同轴转动设减速比为1，所用的两个齿轮为相同，输出转矩不变：
步进电机的选型计算： 1. 算出工作脉冲数A
工作脉冲数A （脉冲）=
所需的移动量
⨯电动机每运转一周所需的脉冲数
电动机每运转一周的移动量
l 3600. 62⨯π360A =⨯=⨯=100(脉冲)
s 1. 81. 2⨯π1. 8 式中：
l 为插架完成投篮走过的距离 s 为插架随电动机转一周走过的距离
步距角选为1.8，因为所需电动机只需两相，而两相电动机的步距角为0.9/1.8，本设计选取了1.8度
2. 决定加减速时间t 1
加减速时间以定位时间的25%为适，定位时间设定为0.8s 加减速时间t 1=0. 8⨯0. 25=0. 2s 3. 算出运行脉冲速度f 2
工作脉冲数-起动脉冲速度⨯加减速时间
定位时间-加减速时间
f 2=A -f 1⨯t 1=100-0=167Hz
t 0-t 10. 8-0. 2
运行脉冲速度=
4.算出运行速度N (r /min)
θ1. 8 N =f 2⨯s ⨯60=167⨯⨯60=5r /min 360360
5. 算出加速转矩T L (N ⋅m ) 插架转动惯量： J 1=(M +2m ) l 2(kg ⋅m )
πθ(f -f ) J
T '=1⋅s ⋅21=0. 035N ⋅m
t 0 980. 718 6.算出负载转矩T '
T '=(M +2m ) gl =8. 7N ⋅m 7. 算出必要转矩T M
T M =(T L +T ') ⨯2=17. 47N ⋅m
依据转速—转矩特性来选取最大起动频率
考虑到机器人控制系统对电机的性能要求是：精度高（运行误差小）、重量小（机器人总重有限制）、转矩满足要求（能带动插球机构运动）、便于控制（控制算法简单）。
综合以上考虑及计算结果，选取北京斯达特机电科技发展有限公司的23HS2002步进电机，电气技术数据如下表4-1：
表3-1 23HS2002步进电机参数
3.2 齿轮的选择及校核
由电机的参数可知齿轮的中心孔尺寸为10mm ，两齿啮合为开式齿轮，为标准齿轮。
（1）齿轮主要参数的选择和计算
因为载荷中有轻微振动，传动速度不高，传动尺寸无特殊要求，查《机械基础》表14－10，齿轮选用45号钢，调质处理，硬度260HBS ；该齿轮传动为一般齿轮传动，圆周速度不会太大，根据《机械设计学基础》表5－7，选8级精度。
主要参数选择和几何尺寸计算 ● 齿数
齿数通常z1在20～40之间选取，z ＝40。 ● 模数m
标准模数应大于或等于上式计算出的模数，查《机械基础》P311表14－1，选取标准模数m=1mm。 ● 分度圆直径d
d =mz =40mm
*
=1，c *=0. 25） ● 其他几何尺寸的计算（h a
*
=1 齿顶高 ：h a =h a m 由于正常齿轮：h a
*
所以：h a =h a m =1mm
齿根高： h f =(h a +c *) m 由于正常齿：c *=0. 25
*
所以: h f =(h a +c *) =1. 25mm
*
*
全齿高 h =h a +h f =2. 25mm 齿顶圆直径 d a =d +2h a =42mm 齿根圆直径 d f =d -h f =47. 5mm (2)齿根校核
齿根弯曲疲劳强度的校核公式为 σ=2KT 1Y ≤σ
F F FP
bmd 1
● 齿形系数Y F
根据Z, 查《机械设计学基础》P153表5－11，得YF ＝2.81 弯曲疲劳许用应力σFP 计算公式
σ
σFP =Flim Y N
S Fmin 1) 弯曲疲劳极限应力σF lim
根据齿轮的材料、热处理方式和硬度，由《机械设计学基础》P 154图5－33的MQ 取值线查得
σFlim1=180MPa
2) 弯曲疲劳寿命系数YN
86
根据N1=6.722⨯10>3⨯10，查《机械设计学基础》P156图5－34得，YN1=1。 3) 弯曲疲劳强度的最小安全系数S Fmin
本传动要求一般的可靠性，查《机械设计学基础》P151表5－10，取SFmin ＝1.2。
4) 弯曲疲劳许用应力
将以上各参数代入弯曲疲劳许用应力公式得
σFP1=
σFlim1
S Fmin
Y N1=
180
⨯1MPa=150MPa1.2
5) 齿根弯曲疲劳强度校核
σF 1=
2KT 1
Y F 1=33. 37MPa
因此，齿轮齿根的抗弯强度是安全的。
3.3 插架的设计
插架固定在传动轴上，两个插架组合在一起将篮球举起送到弹射机构上，所以插架要具有一定的强度，但是考虑到机器人的总重有限制，插架的材料密度不宜过大，同时考虑到经济性，综合以上因素插架材料选择铝型材。
插架的尺寸确定由插举篮球所需要完成的动作，根据机器人的高度尺寸及篮球的尺寸，设计其尺寸如下图3-1：
图3-1 插架尺寸
3.4 传动轴的设计
传动轴在捡球机构中主要是两个作用：一是将齿轮的的转矩传递给插架，二是支承齿轮和插架。传动轴所传递的转矩和收到扭矩不大，选择45钢就可满足要求。其尺寸如下图3-2：
图3-2 轴的尺寸
传动轴的支承采用两个支承座中间固定一个深沟球轴承6000，轴与轴承采用过盈配合，从而将轴固定如3-3图所示：
图3-3 轴的支承方式
3.5捡球机构装配
将所选的的零件和标准件装配图如图3-4所示：
3-4 捡球机构的装配图
捡球机构的主要是将篮球举起送到弹射机构中，捡球机构设计利用了步进电机控制齿轮的传动而达到所需要的运动，设计的结构简单，控制方法简单，而且所选的零件容易购买。但是运送篮球时，没有解决篮球可能脱落的问题，还待于进一步设计完善。
4 弹射机构设计
弹射机构如图1-5，它有一个气缸固定到支承架上，当捡球机构将篮球送到弹射机构的时候，有控制信号控制电磁阀控制压缩空气进入气缸，从而由活塞将篮球弹射出，完成最后的投篮。
弹射机构的设计主要完成气缸的选型，气缸是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。气缸的应用领域：印刷（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人等等。
气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类。做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。
①单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。
②双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。 ③膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封性能好，但行程短。
④冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速（10～20米/秒）运动的动能，借以做功。
⑤无杆气缸：没有活塞杆的气缸的总称。有磁性气缸，缆索气缸两大类。 做往复摆动的气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴做摆动运动，摆动角小于 280°。此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等
气缸工作原理根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。在工程设计时选择气缸缸径，可根据其使用压力和理论推力或拉力的大小，从经验表中查出。
4.1 投篮速度的选取与计算
设篮球的发射的初速度为v, θ=45︒根据能量守恒可得到：
1
m (v sin θ) =mgh 02
可推出： v sin θ=20h 0
为了使篮球机器人能射中比赛场地里的篮筐，标注篮板上沿高度：3.25m ，
h 0取比赛场地中心篮筐高度为4m ，l 0取中心框距手动机器人的水平距离5m （如
图2-6所示）
因此可知v ≥12. 6m /s
图4-1篮球发射轨迹示意图
又由图4-1得到：
12vt sin θ-gt =h 2
可得到： vt cos θ=l 0
125h =5tg θ-g 22v cos θ
根据系统动力能量提供条件，我们拟取v =13m /s 代入上式，下面验算它是
否能适用。可得到：
125 h θ=45︒=5tg 45︒-g 2=7. 3m ≥4m ︒2213(cos45)
因此本系统中去篮球发射初速度可以满足需要，因为本系统的设定的
θ=45︒也可以满足要求。
4.2气缸的选择
本设计的气缸选择单作用的气缸弹射机构将篮球弹出去是的速度由以上计
算可取15m/s, 篮球的质量为650g ，则篮球弹出的动量：
P =mv =Ft
由上公式可估算出篮球受到力为900N ，从而推算出活塞杆的推力约为900N 。
查气缸相关手册可选气缸参数如下：
D>75mm ,C>70mm，d>25mm
根据上面的参数选择FESTO 费斯托标准气缸DNG-50-100-PPV-A ，如图4-2、。
图4-2 气缸ug 图
4.3 导行架的设计
导行架固定在支承板上，导行架主要是角度的选择，由投篮速度选取计算选
取导行架的角度为45 ，可知： 125g 2≥4m 2v cos θ h =5tg θ-
θ≥40
所以导行架的固定为45 满足要求
导行架的材料应具有一定的强度，但是考虑到机器人的总重有限制，导行架
不宜过大，同时考虑到经济性，综合以上因素导行架材料选择铝型材。
4.3弹射机构的装配
弹射机构的安装用两个45度的支承座固定与底板上，再将导行架固定上，
安装上气缸。其装配图如图4-3所示：
图4-3 弹射机构装配图
5 全维轮移动篮球机器人机械结构装配及总结
5.1 全维轮移动篮球机器人机械结构
装配图如图5-1所示，详细情况见附图A0图纸。
图5-1全维轮移动篮球机器人机械结构装配图
全维轮移动篮球机器人的机械装配将轮和电机的装配与捡球机构、弹射机构
的有机装配一起，完成机器人大赛所需要的机械部分的功能要求。Ug 三维效果
图如下图5-2、5-3、5-4所示：
图5-2 三维效果图
图5-3 三维效果图
图5-4 三维效果图
5.2设计总结
在整个机器人机械结构设计过程中完成了以下工作：
1. 机械结构总体方案按照全国机器人大赛的要求规划设计整体方案。
2. 设计了一种较为使用的全向移动平台，并用ug 做出三维实体模型。轮和
电机联接的设计，可以分析出轴承代替直流电机的电机轴承受机器人的重量，轴
承内圈固定不动，外圈随着轮子的转动而转动，直流电机轴不弯矩，只传递扭矩，
很好的保护了直流电机轴，延长电机的寿命
3. 设计了全维轮篮球机器人的捡球机构，并用ug 做出三维实体模型，该机
构参考了机械课程设计的减速器中齿轮的传动方法，结构简单且容易实现。
4. 设计全维轮篮球机器人的弹射机构，并用ug
做出三维实体模型，该机构
易实现投篮所需的力，机构简单。
将所设计的机构用ug 组装起来，进行方案的优化分析。
但是设计过成也遇到了许多问题，如轮和电机的连接还不够理想，弹射机构
的具体实物能不能达到所预期的效果等等。由于时间有限，这些问题还不能很好
的解决，待于以后的学习中解决。
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致 谢
新疆大学两年的学习生活已经入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。在这里特别感激那些在我的学习生活中给予我帮助和鼓励的的人。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首大学时光，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护，学友情深，情同兄妹。两年的时光，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
本次毕业设计是在袁亮老师们的悉心指导下完成的。不仅使我树了远大的学术目标、掌握了基本的机器人机械系统的设计方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本次毕业设计过程中的每一步都是在老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。在此，谨向袁亮老师表示崇高的敬意和衷心的感谢
袁亮老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。也给与我很大的帮助，使我得到不少的提高，这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢老师的耐心的辅导。