题 目：
毕 业 设 计（论文） 胡夫手动机器人的设计与制作
I
II
系 （ 所 ）电动汽车与系统控制研究所
系 (所) 主任
批 准 日 期 西 安 交 通 大 学
毕业设计(论文)任务书
院班 学生
毕业设计(论文)课题 胡夫手动机器人的设计与制作
毕业设计(论文)工作自 2010 年 3 月 1 日起至 2010 年 6 月 28 日止
毕业设计(论文)进行地点： 西安交通大学工程坊A区 505室
课题的背景、意义及培养目标
课题来源于2010亚太大学生机器人电视大赛国内选拔活动，我校把此作为一项重要的学生科
技活动每年组队参加。本届根据赛题要求准备制作胡夫手动机器人、哈夫拉I号机器人、哈夫拉Ⅱ
号机器人、门卡乌拉机器人，4个参赛机器人。学生将得到从方案规划、结构尺寸设计、控制系统设计与实现，到最后机器人安装完成，并调试参赛这样一个完整的训练过程，可极大地提高学生创
造性设计能力、动手能力和培养团队合作精神。
通过亲身设计并制作胡夫手动机器人，完成对所学知识的综合应用和系统掌握，锻炼工程
设计和科研能力。
设计(论文)的原始数据与资料
详见“2010年亚广联国际大学生机器人大赛规则”，主要要求有：全部机器人个数不超
过4个。第一阶段，手动机器人单独完成“胡夫”金字塔未完成的7块积木的搭建和一个塔尖的放
置，时间不超过90秒；第二阶段，两台自动机器人共同完成“哈夫拉”金字塔7块积木的搭建和
一个塔尖的放置，时间不超过60秒；第三阶段，一台自动机器人单独完成“门卡乌拉”金字塔一
块积木和一个塔尖的搭建，时间不超过30秒。所有机器人出发时尺寸不超过(长×宽×高)1m×1m
×1.5m，四个机器人顺序、快速完成任务是关键。机器人上场时总重量不超过50kg。
课题的主要任务
III
3、构建三维模型，并绘制所需零件的图纸；
课题的基本要求(工程设计类题应有技术经济分析要求)
分析；
完成任务后提交的书面材料要求(图纸规格、数量，论文字数，外文翻译字数等) # 主要参考文献
指导教师
接受设计(论文)任务日期
（注：由指导教师填写） 学生签名：
IV
西 安 交 通 大 学
毕业设计(论文)考核评议书
指导教师对学生 所完成的课题为
的毕业设计(论文)进行的情况，完成的质量及评分的意见：
指导教师 年 月 日
院系(专业
毕业设计(论文)评审意见书
评审意见：
评阅人
年 月 日
V
毕业设计(论文)答辩结果
院 系(专业)
毕业设计(论文)答辩组对学生 所完成的课题为
的毕业设计(论文)经过答辩,其意见为
并确定成绩为
毕业设计(论文)答辩组负责人 答辩组成员 年 月 日
VI
摘 要
亚太机器人大赛（Robocon）是本科生展示本领的大舞台，在这里讲究的不仅是技术，策略和心理等要素同样重要。本届比赛要求参赛队有一台手动和2-3台自主机器人上场。根据比赛的规则，每个机器人都有自己特殊的功能。手动机器人主要负责胡夫金字塔的搭建。
本文从比赛任务对于手动机器人的要求出发，阐述手动机器人的设计演变过程。可以看到手动机器人在设计思想和技术上的进步。理论分析（力学，形变等分析）在整个的设计过程中是必不可少的，这对设计具有指导意义，从几个关键点的设计就可以看出理论分析的作用。
在本届比赛参赛机器人的设计制作过程中，利用数控机床自行设计及加工了一批零件，这对于加快比赛的准备进程，及时改变细节设计有极大的好处。而且，符合大赛锻炼大学生动手能力的要求。对于机械专业的学生来说，这是不可多得的将理论与实践结合的好机会。
熟练运用三维软件是机器人的设计前提保证，为设计提供了直观方便的平台。依然沿袭了上几届的Solidworks，主要是因为这款软件容易上手，模型效果理想，还可以方便的使用以前几届队员建立的各种零部件模型。
现在来看，本届比赛的手动机器人结合了快速，灵活，稳定等优点，希望在赛场上也能表现优异。
关键词：亚太机器人大赛，机器人
VII
ABSTRACT
The Robocon is a stage for college students to show their skills and abilities. Technique is very important here, and so does strategy and mentality. It is strictly restricted, in this competition, that there should be one manual robot and three autonomous robots at most. Each robot has its own special function, according to the rules. Otherwise, the manual robot answers for building the Khufu Pyramid
Due to the requirement of the task, the evolvement of the design of the manual robot is showed. From the evolvement of three versions, you can see the progress we made in design idea and technique. Theoretic analyses are necessary through out the design, which will guide design to a right direction. The effect of theoretic analyses can be found in designs of some important parts.
There is one distinct change in the preparation for the competition held this year that we machining a passel of parts making use of numerical control machine, which speeds up the preparation and allows us to change details in design. Furthermore, it meets the requirement of the Robocon that improving the ability of practice. For those who major in mechanical engineering, it is a good opportunity to combine theory and practice.
Skillfully using of 3D design software is the precondition for designing. Those kinds of software provide convenient and intuitionistic stage for engineers. We use Solid works inherited from former designers, because of the simple using and good looking of model. In addition, we can reuse models built by former designers.
At present, the manual robot combines the advantages of speediness, agility, stability. It is highly hoped that all these advantages will be seen in this competition.
KEY WORDS：Robocon, Robot, Design
VIII
目录
前 言................................................................................................................................................. 1
1 绪论............................................................................................................................................... 2
1.1 课题来源 ............................................................................................................................ 2
1.1.1 Robocon 的背景 .................................................................................................. 2
1.1.2 亚太地区大学生机器人比赛 ................................................................................. 2
1.1.3 中国的“全国大学生机器人大赛” ......................................................................... 3
1.2 本届赛题及规则 ................................................................................................................ 3
1.2.1 本届赛题基本情况 ................................................................................................. 3
1.2.2 本届国内选拔赛规则介绍 ..................................................................................... 4
1.3 本届比赛规则分析 ............................................................................................................ 9
1.4比赛方案 ........................................................................................................................... 10
2 手动机器人的设计制作 ............................................................................................................. 13
2.1设计概述 ........................................................................................................................... 13
2.2 第1版手动机器人的设计制作 ...................................................................................... 14
2.2.1 第1版手动机器人方案确定 ............................................................................... 14
2.2.2 第1版手动机器人总结 ....................................................................................... 21
2.3 第2版手动机器人的设计制作 ...................................................................................... 24
2.3.1 第2版手动机器人方案确定 ............................................................................... 24
2.3.2 第2版手动机器人总结 ....................................................................................... 27
2.4 第3版手动机器人的设计制作 ...................................................................................... 28
2.4.1 第3版手动机器人方案确定 ............................................................................... 28
2.4.2 第3版手动机器人总结 ....................................................................................... 31
2.5 第4版手动机器人的设计制作 ...................................................................................... 32
2.5.1 第4版手动机器人方案确定 ............................................................................... 32
2.5.2 第4版手动机器人总结 ....................................................................................... 35
2.5.3 第4版手动机器人改进 ....................................................................................... 36
2.6手动机器人的设计总结 ................................................................................................... 37
3 关键零部件设计分析与制作 ..................................................................................................... 38
3.1 底盘的设计分析 .............................................................................................................. 38
3.1.1 重心分布分析 ....................................................................................................... 38
3.1.2 强度变形分析 ....................................................................................................... 39
3.2 驱动部分的分析设计 ...................................................................................................... 41
3.2.1 轴的强度分析 ....................................................................................................... 41
3.2.2 轴承座的强度分析 ............................................................................................... 43
4 胡夫手动机器人的制作与调试 ................................................................................................. 45
4.1 机器人的制作 .................................................................................................................. 45
4.1.1 制作材料 ............................................................................................................. 45
4.2 机器人控制原理简介 ...................................................................................................... 47
4.3 联合调试 .......................................................................................................................... 49
5 总结............................................................................................................................................. 50
参考文献......................................................................................................................................... 52
附 录 .............................................................................................................................................. 53
IX
附录一：翻译 ......................................................................................................................... 53
致 谢 .............................................................................................................................................. 75
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前 言
今年国内比赛的题目是“辉煌金塔”，突出的特点在于比赛分为三个阶段，阶段之间没有任何联系。并且今年的机器人要完成的任务是搬运金字塔积木块，完成三个金字塔的搭建。金字塔及其上的积木块尺寸都很大，导致今年的机器人在外形尺寸必然很大，并且对机械结构的要求很高。
今年手自动机器人的任务相对往年来说有着本质的变化，今年手动机器人与自动机器人是完全分开独立的，不再需要与自动机器人进行配合，手动机器人需要独自的完成最大的金字塔——胡夫金字塔的搭建。虽然论分值，手动机器人最高得分为22分，相对总分120分来说比较少，但三个塔只要完成任意两个金字塔的搭建就可保证胜利。毫无疑问，今年的一个主题是“快”，所以手动机器人如果能稳定可靠的取得先机，后面两阶段的自动机器人只需完成一个塔的搭建即可获胜。怎样使手动机器人快速行进，牢靠抓取，精确的将积木块放置到位是对手动的三个基本要求。手动机器人的设计制作过程也是紧紧围绕这三点基本要求展开的，这在手动机器人几个版本的演进过程中得到了很好的体现，知道最终制作了一版符合功能要求的手动机器人。
今年在机械方面同以往比有几个进步的地方，一是一些已有的零部件缺陷得到更正，二是自行设计并加工了很多零件。自行加工的零件能符合对于机器人的精度要求，还能及时快速的将设计转化为实物，因此这大大提升了备赛的进程，可以对出现的问题做出迅速的反应。手动机器人上很多零件也是自行加工的，发现问题并改正设计后，又重新投入使用，效果是很明显的。这在过去几届是不可想象的，一个零件做一次更改需要到外面加工厂加工，周期长效率低。
控制方面，ARM9单片机运行在了手动机器人上，并使用主从机的形式。模拟量控制转化为数字量控制，使得控制变得可靠稳定。
1
1 绪论
1.1 课题来源
1.1.1 Robocon 的背景
Robocon(Robot Contest)发端于日本。Robocon 组委会由两个主要的组织由NHK和NHK Enterprises 21组建，同时还包括日本机器人学会、日本机械工程师协会以及各技术学院和大学的代表。Robocon定位在想象力和创造力即创意的较量。给学生提供一个实现原创性设计的机会，也架设一座学校与学校之间沟通的桥梁。
Robocon是一个挑战智力的比赛，其目的是鼓励．未来的工程师打破传统的模式，以创造性的思维亲自设计和亲手制造自己的机器人，从而培养学生对机器人乃至科学的兴趣，对问题独特的见解，并通过比赛增加阅历，享受乐趣。
1.1.2 亚太地区大学生机器人比赛
1999年10月中国广播电视代表团出席了“亚洲一太平洋广播联盟”(Asia—Pacific Broadcasting Union缩写ABU、简称亚广联)第36届大会。此次大会通过了共同举办“亚太地区大学生机器人比赛’’活动的决定，并组成了由日本NHK、中国中央电视台、韩国KBS、新加坡TCS、泰国TPT、印尼TVRI为成员的“机器人大赛核心小组”。2000年3月在日本东京成立了“亚广联亚太地区机器人大赛筹备委员会”。该委员会的成由日本NHK、中国中央电视台、韩国KBS、新加坡TCS、泰国TPT、印尼TVRI组成。2000年9月，6个筹备委员会成员的代表在泰国举行了第1届“亚广联亚太地区机器大赛”董事会，并将“亚广联亚太地区机器人大赛筹备委员会”过渡为“亚广联亚太地机器人大赛”董事会。会议通过了“亚广联亚太地区机器人大赛”(Asia—Pacific Robot Contest，它的简称Robocon即沿用传统日本全国大学生组机器人比赛的名称)的章和规则等。大会决定于2002年8月31日在日本东京举办“首届亚广联亚太地区大生机器人大赛”，并确定以后每年举办一届，委托泰国主办第2届(2003年)、韩国主第3届(2004年)。亚广联是亚太地区国家在1964年创立的非政治、非商业性的
2
新广播机构的联合体，目前包括49个国家和100个地区组成，目的是致力于促进亚太区广播、电视事业的发展。她的地域涵盖了世界2／3的面积和36亿人口，总部坐落马来西亚。由此可见，亚广联举办“亚太地区大学生机器人比赛”活动对机器人技术广普及的影响将是空前的。Robocon的总干事，日本NHK的Minoru Kurita说，“大力推进这项赛事的理由主要不在于输赢，而是在参与过程中享受设计与创造的乐趣”。
1.1.3 中国的“全国大学生机器人大赛”
为了选拔中国大学生的优秀代表队参加“首届亚广联亚太地区大学生机器人大赛”，经广电总局和中宣部批准，中央电视台于2002年6月15、16日举办了中国“首届全国大学生机器人电视大赛”。此次大赛为我国大学生提供了一次探索科技、创新思维与实际行动结合的机会。它为激发广大青少年对高技术的兴趣与爱好、激励创新意识、活跃校园科技活动、培养未来科技人才提供了大舞台，也是中央电视台宣传、深化“科技兴国，战略方针的一个新举措。“全国大学生机器人大赛”从2002年的第1届起将形成每年一度的定期赛事，这将有力地激发老师和学生科技创新的意识和积极性。
1.2 本届赛题及规则
1.2.1 本届赛题基本情况
“第九届全国大学生机器人电视大赛”的基本情况如下。
●主题：辉煌金塔
●宗旨：
(1)为大学生提供一个探索科技、创新思维与实践行动的舞台；
(2)激发青少年学习高科技的兴趣和爱好；
(3)培养勇于科学创新精神；
(4)活跃校园科技；
(5)培养未来科技人才和力量。
●目的：
(1)举办一年一度的国内预选赛，选拔冠军队征战“亚太地区大学生机
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器人比赛”；
(2)培养智慧与行动相结合的人才；
(3)打造训练有素的后备工程技术力量；
(4)丰富教育模式；
(5)提高全民科学素质。
●口号：
(1)让思维沸腾起来，让智慧行动起来!
(2)开拓创造力，激发想象力，锻炼实际动手能力!
●主办单位：中央电视台青少年中心青年部。
●协办单位：科技部高新技术发展及产业化司、国家863计划机器人主题、中国自动化学会机器人竞赛工作委员会。
1.2.2 本届国内选拔赛规则介绍
本次比赛主题源于埃及金字塔。
从尼罗河谷来到吉萨高原，高耸的三座金字塔（图1）首先映入眼帘。建成于公元前2600多年、被称为世界七大奇迹之一的这三座吉萨金字塔是古埃及第四王朝祖孙三代法老王胡夫、海夫拉、门卡乌拉的陵墓。
狮身人面的斯芬克思匍伏在海夫拉金字塔前，或是在沉思，或是在向人们娓娓讲述古王朝的辉煌。
图1-1 吉萨金字塔遗址
相传有个聪明的年轻人叫伊姆荷太普，在给法老王设计陵墓时，用山上采下的方形石块设计和建成一个六层的梯形塔，代替原有的泥砖陵墓。它一出现就受到统治者的青睐，认为这是登上天堂的天梯或是青天撒下的太阳光芒。这种高大
4
的角锥体建筑物，底座为四方形，每个侧面是三角形，样子就像汉字的金字，所以我们叫它“金字塔”。建造最大的胡夫金字塔，用了250多万块巨石。成群结队的人将这些大石块沿着地面斜坡向上拖运，然后层层堆砌。工程之艰难与浩大难以想象。
金字塔闪耀着古埃及人民智慧和力量的光芒。直到今天，规模宏大、建筑神奇、气势雄伟的金字塔依然给人留下许多未解之谜。神秘的埃及金字塔吸引许多科学家、考古学家和历史学家前往探究，也吸引世界各地的无数游客前去观光游览。
比赛规则 比赛分为三个阶段，红队和蓝队分阶段操作手动机器人和自主机器人搬运积木搭建各个阶段的金字塔。第一阶段只用手动机器人修建胡夫金字塔。第二阶段用1或2台自动机器人修建海夫拉金字塔。第三阶段用1台自动机器人修建门卡乌拉金字塔。表1-1说明了三个阶段和规定的时间。
表1-1 各阶段比赛任务及时间
金字塔
时间（秒）
第一阶段 胡夫 90 第二阶段 海夫拉 60 第三阶段 门卡乌拉 30
预装的积木
比赛开始前，搭建胡夫金字塔的手动机器人最多可预装4块积木（包括金顶积木在内）。
比赛开始前，搭建海夫拉金字塔的自动机器人可预装任意多块积木（包括金顶积木）。
比赛开始前，搭建门卡乌拉金字塔的自动机器人可预装任意多块中间层积木。但不能预装金顶积木。比赛的流程如下：
1）首先，自动机器人必须把一块积木放到金字塔上。
2）其次，机器人必须到存放区取金顶积木。
3）然后，机器人让金顶积木在门卡乌拉金字塔上就位。
5
搭建过程中，只能是建完一层再建另一层。当下层的所有积木没有完全就位时（在25mm的允许误差范围内），不能在其上一层放置积木。
三个阶段中都成功搭建完成的队将成为 “机器法老”（胜利者），比赛结束。如果没有成为“机器法老”的队，在规定的合计3分钟比赛时间内得分多的队获胜。
记分规则如下： 1）. 胡夫金字塔（22分）
• 第一中间层上的积木记1分；
• 第二中间层上的积木记2分；
• 第三中间层上的积木记3分；
• 金顶积木记10分。
2）. 海夫拉金字塔（44分）
• 第一中间层上的积木记2分；
• 第二中间层上的积木记4分；
• 第三中间层上的积木记6分；
• 金顶积木记20分。
3）. 门卡乌拉 金字塔（24分）
• 中间层上的积木记4分；
• 金顶积木记24分。
图1-2 比赛场地图
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比赛场地 比赛场地由两个自动区、
一个手动区和三个金字塔（胡夫、海夫拉和门卡乌拉）组成。#1自动区是环绕海夫拉金字塔的区域，#2自动区是环绕门卡乌拉金字塔的区域。
比赛场地的形状与尺寸示于图1-3。#1自动区、#2自动区和手动区周围有100mm高、30mm厚的木质围栏。但是，标有F和G的围栏厚度为140mm。
比赛场地地面画有白色引导线。引导线的中心距是500 mm，分别从海夫拉金字塔和门卡乌拉金字塔的中心起算，如图1-3所示。白色引导线的宽度是50mm。
图1-3 比赛场地的区域划分图
道具
1) 积木
积木用发泡聚苯乙烯制成，每块积木重约750g。尺寸为500×500×300mm。
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图1-4 积木
2) 金顶
金顶采用密度比积木材质大的发泡聚苯乙烯制成。
图1-5 金顶
3） 塔
胡夫金字塔
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图1-6 胡夫金字塔
竞赛
● 所有报名参赛的队如超出32队，除上届比赛的前16名外先进行预选赛，选出的16个队与上届前16名进入正式比赛。
● 正式比赛分为8组，每组4队。
● 小组初赛为单循环赛，小组前两名优胜队进入1/8复赛。
● 1/8、1/4复赛、半决赛与决赛均为淘汰
1.3 本届比赛规则分析
通过对本届比赛规则的研究不难发现本届比赛与以往几届的几大区别：
1）各阶段分开独立，手动机器人独立工作，且每阶段层次性明显。以往每届比赛都要求手动机器人与自动机器人配合来完成某项任务，尤其去年更是发展到极致。而今年走向了另一个极端——手动机器人在比赛中完全分离。而手动机器人需要完成的任务最重，需要独自完成最大最高的金字塔搭建任务。搭建过程层次分明，必须搭建完下一层才能搭建上一层，这样对手动机器人的机械结构及手动操作手的熟练度要求都很高。
2）比赛双方除金顶处外完全隔离，互不干扰。本届比赛与去年一样，比赛双方在两互不干扰的区域去完成各自的任务，只有每个金字塔的金顶位置需要争取 。总的来说，今年与去年一样是纯粹的速度上的比拼，几乎可以忽略相互干扰。这样机器人在技术上的要求提高了。
3）比赛场地小，道具大，精度要求高。今年的比赛场地分为三个隔离的区域，致使每个区域都比较小，加上道具（金字塔和积木）都很大，这样机器人运动范围有限，不再像往届那样需要每个机器人满场的运行。加上搭建金字塔的精度要求高，这些就要求机器人的功能结构动作速度快及准确可靠。
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由以上分析可见，本次比赛难度很大，对机器人的要求很高,尤其是机器人的机械结构对任务的完成情况有着重要的影响。对于手动机器人，同样存在很多问题需要解决，将在后面一一介绍。
1.4比赛方案
由于今年比赛的特殊情况，手动机器人在整个过程中与自动机器人无合作及任务上的联系，所以我作为手动机器人的设计者主要围绕手动机器人的任务来进行分析方案。
规则中要求：比赛开始前，搭建胡夫金字塔的手动机器人最多可预装4块积木（包括金顶积木在内）；对于手动机器人，如果某参赛队码放了一整层，裁判员将举旗让该队构建下一层；否则，不允许构建下一层。金字塔只能是建完一层再建另一；。当下层的所有积木没有完全就位时（在25mm的允许误差范围内），不能在其上一层放置积木。
而手动机器人总共需要搭建7块积木及一个金顶，这样手动机器人至少需要去积木存放区取一次积木。基于此，手动机器人搭建过程有三种方案：
方案一.预持第一层的三块积木及金顶积木块；将第一层积木搭建好后，然后去存放区取剩余的四块积木，用于搭建第二层及第三层；最后搭建金顶；
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三个方案有着各自的优缺点，并且在机械机构方面还存在着各种难点，所以在设计时是根据全队讨论挑选方案来进行设计的。最开始尝试的是方案一，在发
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现其不足后又先后尝试了方案二及方案三，最终选择了方案三，下面将进行详细的设计说明。
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2 手动机器人的设计制作
2.1设计概述
规则对手动机器人的限制：
1.手动机器人在启动区的尺寸限制是1000mm长、1000mm宽、1500mm高
2.通过电缆操作，电缆连接点高出地面1000mm
3.手动机器人的尺寸形状可以改变，但其不能超过直径为2000mm 的圆形区域，不可分体
4.参赛的四台机器人总重不超过50kg
5.手动机器人最多只能预装4块积木（包括金顶积木），所以必须到存放区取四块积木
手动机器人只能在手动区运行，并且不能从空中超出手动区（胡夫金字塔座范围除外）。今年的积木块为500×500×300mm，体积很大，机器人在一次拿上4块积木或更多积木时，机器人的尺寸必然也很大。而手动区为两米宽的狭长区域，这样对机器人的转弯及移动灵活性要求高。
图2-1 手动机器人活动范围
首先必须了解手动机器人需要完成的基本功能：
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1) 预持0-4块积木（机器人及积木能保证在启动区范围内）；
2) 到积木存放区取剩余的积木；
3) 将积木块逐层搭建在胡夫金字塔上（包括金顶积木）；
可以总结出手动机器人的要求为：
1) 速度快------启动区离胡夫金字塔较远；
2) 转向灵活------手动区为一狭长的区域矩形；
3) 能过横向平移——搭建金字塔时积木精度要求高；
4) 放积木及取积木动作迅速；
5) 取和放积木时最好有机械定位；
6) 重心可靠------积木块尺寸大且重量大，预持或取上积木后要求重
心稳；
其中第2点和第6点是整个设计制作过程的重点，因为只有这样才能保证机器人能过稳定灵活的运行。在前两版机器人的调试过程中，就出现过因为重心不稳定的情况。这是绝对要避免的结果。
在考虑了基本的功能，要求后，可以得到手动机器人所需要的一些基本机构：
1) 行走机构；
2) 抓取机构；
3) 升降机构-----取放积木时的升降；
根据上面的分析，手动机器人的大致框架实际上就呈现出来了。
2.2 第1版手动机器人的设计制作
2.2.1 第1版手动机器人方案确定
在最初的全队讨论时一直决定第一版手动机器人采用的方案为方案一。由于启动区时，机器人及积木都必须在1×1×1.5m的范围内，而积木尺寸为500×500×300mm。所以在启动区第一层的三块积木需立起来，通过启动后放到至水平再去搭建。
手动机器人可以分为几大模块：行走模块，升降模块，夹取模块,金顶模块等。
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根据前面的分析，要求手动机器人速度快转向灵活，还需要一定的稳定性抬升积木块。根据前几届的经验，四轮的后轮差速驱动是比较符合要求的。加上机器人需要有侧向平移的能力，于是采用双层底盘结构，双电机后轮差速驱动。
上层底盘能过相对下层底盘进行侧向的平移。
图2-2 双层底盘
根据场地大小，操作手的跑动，手动机器人的重量等原因，为手动机器人估计的平均速度在2m/s左右，并且加减速较缓慢，这个速度比前几届的手动机器人都要慢。但整车重量显著增加，所以需要计算分析行走电机能否提供足够的功率。
手动机器人的重量在15kg左右，上积木后整车重量在20Kg左右，轮子与地面的摩擦系数约为0.3。假设每个轮为100N。以2m/s计算的话，可得：
PFV0.3100260W (2-1)
去年电机的最大输出功率是189w, 可见在这一点上是适合的。
驱动轮的直径是138mm，2m/s为其均速，最高速度以3m/s计算，则其转速为360415转/分，冯哈勃3863-018c 38/1,38/2系列的电机，其最大0.1383.14
输出功率是189w，最大转速是571转/分，能满足要求。
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升降的形式多种多样，有利用连杆实现，如起重机；有利用绳索实现，如电梯；还可以利用流体的压力实现，如各种机床升降。比赛中所运用的升降都是一般的直线运动，所以说只要能实现直线运动并且具有一定带负载能力的直线运动形式都可以被用作升降。在简单，易行，实用的指导思想下，所考虑的升降形式主要有拉线式（绳索式），同步带式，齿轮齿条式，连杆式。
（1）同步带式 同步带式通过同步带和带轮的配合，把电机的旋转运动转化为直线运动，我们就将其用作升降。其基本配置就是电机，同步带，同步带轮以及支座。把需要升降的物体固定在同步带上，随着电机转动就可以实现物体上下升降。这种方式的优点是运行平稳，同步带强度大一般不会出现突然断裂。主要缺点是安装困难（中心距保证），同步带使用久了会被拉长就会出现晃动等情况，结构比较复杂。
（2）齿轮齿条式 齿轮齿条式实际上和同步带式没有很大的区别，他们都是依靠齿啮合来传动，传动精度高而且平稳。但是，齿轮齿条式比同步带式更复杂，不管制造还是安装，重量和速度也是它一个致命的缺陷。
（3）连杆式 连杆式就是利用连杆来实现升降，实际上就是利用一种特殊轨迹（上下）的连杆机构实现升降。一般我们用的比较多的是四杆机构。它的特点是可以实现特定的轨迹，而不一定是直线，所以它的组合繁多，能满足不同条件下的要求，还能在特点位置实现自锁功能。但是它也有明显的缺陷，在我们自身的零件加工精度下，连杆机构不能很好的实现轨迹，而且它的晃动会是一个不稳定因素。
（4）拉线式 通过电机的旋转来收放绳索，使得系在绳索另一端的物体运动。正是利用它来实现升降。使用拉线式需要注意的几个问题是：电机输出功率的大小；绳索抗拉抗疲劳能力的大小；路径上拐弯的数目。
对于电机输出功率和绳索的抗拉抗疲劳能力，必须选择功率足够的电机和抗拉能力足够的绳索。在提升积木中，希望手动能在2秒内将重4kg的自主机器人抬升1m，所需要的功率是49.8113.2W3。这是不考虑任何摩擦和损
失的情况下得到的，因此电机输出功率在40W左右是比较合理的，而最大负载输出功率在60W左右的汽车玻璃升降器的电机就成了的首选。不仅是功率上合
16
适，而且其涡轮蜗杆的减速形式是一种非常好的自锁方式，有利于抬升后高度的保持。
对于绳索的抗拉抗疲劳能力，可以这样计算。首先抗拉必须得到保证，抬升重为40N的积木，考虑各种因素所需拉力在100N左右，再乘以一个安全系数（这里以3计），就在400N左右。从绳索反复使用的抗疲劳角度出发，需要的拉力在800N左右。选用的大力马线每股的抗拉能力是20kg，也就是200N，因此4股800N就能满足要求。但是由于不可能保证每股的受力相等，即4股线的抗拉能力实际上不到800N，最后把线做成8股。
还有一个存在的问题是路径上拐弯的数目，这个问题将结合下图说明（图2-3
）。
图2-3 拉线式示意图
使用滑轮可以改变力的方向，而且理想状况下力的大小不会改变。因此，可以选择最合适的位置来安装电机，使得整个机器人的配置和重心等问题更趋优化。
理想情况下，即把各处摩擦和损耗都忽略掉，有：
FWWa(2-2) g
当W=40N，a=2m/s2时，
17
FWW402a=40+48N800N (2-3) g9.8
即绳索不会出现强度或疲劳问题。但是实际上摩擦和损耗都存在，经过实际的使用，发现图中滑轮（改变力90°）引起的力损耗最大。从做的几次简单的试验看，至少一半的力在这个滑轮上损失掉。而其他几个改变180°方向的滑轮对力的损耗倒不是很大。后来发现并不是因为90°或是180°才使得力损耗不同，而是因为90°那个线轮是电机输出的第一个连接线轮，受力最大。滑轮和绳索之间不是想象中的静摩擦（滑轮依靠轴承转动），由于压力太大，并且方向不正，滑轮容易被卡死，这样就导致绳索和滑轮之间的滑动摩擦。此种情况下，绳索不仅受到摩擦力大，而且表面很容易磨损。所以，应该尽量减少滑轮的数量，使得绳索的路径尽可能简单。
（5）升降方式确定 这次的升降是直线上下升降，要求能平稳运行，且对精度也有一定要求。因此，齿轮齿条式就被排除（太慢太重），同步带式和连杆式也不能使用（两者晃动都会影响精度）。拉线式是最简单也是最有效的升降，因此，决定使用拉线式升降。
3） 夹取模块确定
由于今年的积木块（图2-3所示）尺寸为500
×500×300mm，用普通的夹具去夹取积木势必会
导致夹具尺寸很大，进而导致结构不紧凑而不牢
固。于是将注意力集中在积木上的通孔（直径
60mm）上，希望能设计出一种体积小的夹具，来
实现稳定的夹取积木。
图2-4 积木
进过思考最终设计出一种利用平行四边形机构的夹具（如图2-5所示），利用舵机拉动A,B
两点实现平行四边形机构运动。当平行四边形机构向矩形运动时撑住积木内孔，实现夹紧。
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图2-5 积木夹具
4） 金顶模块确定
胡夫金字塔的金顶需要放置的位
置很远,从后动区的木质围栏到托盘中
心的距离为1180mm，托盘距地面的高
度为1165mm。
高而远的位置使得放置金顶的难
度比较大。利用一根长杆来挑起金顶并
实现金顶放置，不但在启动区时难以保证 图2-6.金顶位置
在1×1×1.5m的范围内，而且在放置时由于距离过远必然会导致机构变形很大，难以稳定。
在构思中想到利用两个挑方块积木的长杆，将两根长杆作为导轨，金顶机构在导轨上滑动，实现金顶的放置。这样使得金顶机构相对要简单很多。
金顶机构如下图所示：
图
2-7 金顶机构
19
5） 三维设计图
第1版手动机器人的整体三维效果图如图2-8所示
图2-8 第
1版手动机器人三维图
图2-9 第1版手动机器人实体图
20
2.2.2 第1版手动机器人总结
通过将第一版手动机器人制作出来后发现了许多问题，整个机器人几乎不能完成任务。第1版手动机器人主要存在如下缺点：
1）重心存在问题，与夹取积木后驱动轮失去正压力
设计之初主要考虑机器人的翻到问题，而忽视了采用后轮驱动，重心靠前的情况下后轮抓地力不足，驱动轮出现明显的打滑现象。
这是个很严重的问题，因为驱动轮失去正压力就意味着配合失去了意义。
驱动轮上的压力可以通过下图计算。
图2-10 重心分布图
W1和W2分别是自主机器人和手动机器人的自重，d1和d2分别是其重心到作用点水平方向的距离，则有
W2d2W1d1FL
-4)
(2FW2d2W1d1
L(2-5)
在自主机器人不变的情况下，想要增加F，有两个方法：
（1）增大W2d2。也就是说，要增加手动自重，或者将中心往驱动轮移动。增加自重显然不是个好办法，要移动重心也不是件容易的事。
（2）减小机器人总长L。机器人的长度不可能做的很小，毕竟手动机器人是要抬升多块积木，底盘需要保持一定的尺寸以保持稳定。
21
可见，这种配合形式下想增加驱动轮的压力是比较困难的。但是，通过观察不难手动机器人万向轮上的压力比驱动轮上要大得多。假如改变一下两者的位置，问题就能得以解决。
2）夹子太单薄
这主要是穿孔夹取积木时，由于孔相对积木来说尺寸很小，需要很大的力才能保证积木不发生晃动，很难实现功能。并且夹子本身相对孔来说尺寸太大，去积木时对机器人的定位要求很高，操作难度大。
3）升降采用一根主支撑梁和一个平行四边形机构，稳定性不好
主梁杆变形是因为底盘上的横杆发生了扭转变形，而立杆本身则是发生了弯曲变形。加上平行四边形机构中铰链很多，连接到一起时必然存在间隙，
导致机构晃动。
图2-11 配合后受力图
（1）滑块受力分析
上图中W是积木的重量，a是自主机器人上升的加速度，若忽略滑块的重量，则有，
FWWa (2-6) g
水平方向有
22
FaFb0 (2-7)
则Fa和Fb是大小相等方向相反的力。
再对A点进行力矩平衡分析，有
FbL(WWa)DFS (2-8) g
其中S是拉力F到受力点A水平方向的距离。
上面有很多是已知的，W=40N，a=2m/s2, S=22mm, L=80mm, D是跟积木块的重心位置有关的，经过粗略的分析，得到D约为80cm。所以，得到如下计算结果，
F=48N
Fb=-Fa=493.2N
（2）立杆弯曲变形引起的挠度
假设立杆下的横杆是固定的，不会变形。立
杆受力如右图。
B点挠度由两部分组成：一是Fb作用的结
果，而是Fa作用的结果。 3FLHFb作用：fbb (2-9) 3EI
Fa作用： FaH2LHHfa36EILH
(2-10)
ffa
fb，壁厚0.7mm的不锈钢管I已知。
随着抬升高度H的增加，挠度会变大。通过增加壁厚，增大I，可以减小挠度。
（3）横杆扭转变形引起的挠度
由于横杆也是厚度为0.7mm的不锈钢管，其抗扭变形的能力很差。而其有微小的扭转，对于立杆的影响都是很大的。
最后采取了很多措施来减小立杆的变形，包括拉线固定，加厚钢管，改变结构等。
23
4）整体机构过于复杂，稳定性及操作性都不好
从机器人的整体机构来看，结构过于复杂，很多机构只需要在一个地方使用，并且每个机构本身都比较复杂。机构多，铰接点多，致使机构稳定不足，搭建金字塔时很难操作。
2.3 第2版手动机器人的设计制作
2.3.1 第2版手动机器人方案确定
经过了上一版的设计改进，积累了很多的经验。对于第1版，的基本评价是，总体方案是可行的，但是许多结构需要改进。因此，针对第1版手动机器人的缺点，做了如表2-1的变化。
表2-1 改进细节
序号
1
2
3
4 第1版缺点 重心存在问题，与夹取积木后驱动轮失去正压力 夹子太单薄 一根主支撑梁和一个平行四边形机构，稳定性不好 整体机构过于复杂，稳定性及操作性都不好 第2版改进 采用四轮全向驱动 两挑杆相对夹紧 三根主梁加三个滑块 机构尽量能够复用 有了这些改变后，第2版手动机器人就呼之欲出了，三维设计图见图
2-13。
图2-13 第2版手动机器人三维图
24
图2-14 第2版手动机器人实体图
1).四轮全向底盘
第一版机器人中重心存在问题，与夹取积木后驱动轮失去正压力，后来进过分析如果将驱动轮及驱动电机安装在机器人的前部，采用前驱的方式，虽能解决驱动力问题，但整体重心会往前移很多，导致取上积木后机器人会向前翻倒。
于是想到用四驱，以保证足够的驱动力。但四驱机器人的转向存在问题，上一届中采用的方式对全向轮损耗太大，不宜继续使用。进过网上搜查并购买了一套麦克拉姆轮（四个）
，这种四驱底盘能实现全方位的运动，移动及转向都很灵
活。底盘如下图所示：
图2-15 四轮全向底盘及麦克拉姆轮
这种四轮全向底盘每个轮作用于地面的力是与轮轴成一定角度的，四个力合成后决定运动方向。通过控制四个轮子的不同转向，四个轮子上的力合成后会有不同情况，从而机器人向不同方向运动。实现全方位运动的轮子转向分析；
25
图2-16全方位运动图解
2）升降平台及积木夹具
鉴于上一版机器人的升降不稳定，在这一版中采用三根主立柱加三个滑块的运动来实现，这种结构相对简单很多，稳定性也提高了许多。
积木夹具采用最简单方式，两根长杆先穿进积木的孔内，再相互夹紧，即可实现积木挑起后部发生转动。这种方式简单可靠，免去了上一版机器人中的复杂机构。
金顶的放置方式也发生了改变，
利用机构将预持的金顶推到长挑杆上的滑块上，再利用两个滑块的同步运动带动金顶前进。
图2-17 升降平台及积木夹
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3）滑块
它是在每个切槽处安装一个小轴承，利用滚动摩擦使得轴
承在不锈钢管上滚动，从而实现直线运动的（如图2-18）。
在整个所有机器人中有大量使用了这种滑块，只是尺寸结
构有多种形式，用于在不同的不锈钢管上滑动。 图2-18 滑块
2.3.2 第2版手动机器人总结
第二版机器人已经能过顺利的完成搭建胡夫金字塔的任务。相比第一版机器人有着长足的 进步。与第1版相比，可以清楚的看到这版手动机器人的几个优点：
1) 机构简单；
2) 四轮全向底盘，运动灵活方便；
3) 积木夹子方式改变，夹紧可靠；
4) 功能复用多，两根长杆完成所有动作；
优点这里不再一一分析，前面已经有相关阐述。
缺点
1）穿孔取积木难度较大；
因为积木的孔比较小，且积木挑杆很长，机器人去取积木时需要很高的定位要求。（这种穿孔取积木的方式在后来的不断尝试中发现还是有着很大的优点，所以最终版还是采用这种方式）
2）金顶的放置还是有较大的随机性；
将金顶推到两长挑杆的滑块上后，有两滑块的同步前进带动金顶前进。由于两个滑块由两个电机驱动，同步性难以保证，加上要前进的距离很大，导致金顶较难顺利到达位置。
3）机器人重量过大(19.5Kg),远超要求；
这一版机器人上层机构都很简单，功能已经尽可能的复用，但由于四轮全向底盘的重量（7Kg）过大，导致整个机器人的重量过大。
全队机器人的重量问题在这一版机器人中很严重，超出10Kg。要把这些重
量减下来，必然需要在机器人的结构上进行较大的改变。
27
2.4 第3版手动机器人的设计制作
2.4.1 第3版手动机器人方案确定
第2版手动机器人其实已经是一版可以上场的比赛机器人，因为她能够基本满足比赛要求。但是他还存在许多问题，并且当时操作手及队内部分人认为这种穿孔再挑的方式在速度上存在较大瓶颈，无法显著提高搭建金字塔的速度。（其实后来在观看国外比赛视频发现，90%以上队都采用这种方法，并且速度也可以很快。
鉴于种种原因，我又开始设计了第3版机器人。这一版机器人采用一种全新的方案，不得不抛弃之前的成果，只能从头开始。
这版机器人采用之前提到的方案二，预持第一层一块、第二层一块、第三层及金顶共四个积木块，再去一次性取剩余的四块积木，最后再开始一层一层的搭建工作。
手动机器人分为几大模块：行走模块，取积木模块，预持积木模块等。下面将进行简略分析。
1） 行走模块确定
由于全向底盘有着其独特的优势，进过全队讨论一致认为继续采用全向底盘。而四轮全向底盘的重量过大，这种底盘形式不得不抛弃。于是才是尝试三轮全向底盘。三轮全向底盘采用三套电机驱动三个全向轮，实现全向运动。三轮全向既保持了底盘的全方位移动功能，又比四轮全向底盘少了一套电机轮子，
重量
上减轻了很多。
图2-19 三轮全向底盘安装分布
28
三个轮子分布在一圆上，轮子轴线互成120°角。通过控制三个轮子的转动及方向即可实现任意方向的移动及转动。
这种底盘的主要问题有二：
1. 三个驱动轮难以保证着地时正压力相同，尤其是在取上积木，整体重心发生变化，导致某一个轮找地理不足而难以实现期望中的运动。但对于手动机器人来说，主要还是看操作手的手感，只要熟悉了以后还是可以顺利的操作的。
2. 三轮着地，机器人的重心只要越过三个轮子组成的三角形区域就会发生侧翻。这个问题可以在底盘其他地方安装弹簧万向轮来解决。
2） 取积木模块确定
这版机器人的方案中要去取的四块积木摆放方式如图
2-20所示；
图2-20 积木摆放方式
由于在这之前的一段时间里通过不断的实验，发现穿孔取积木最为方便简单，且搭建过程中依靠杆来导向，可以使得积木搭建精度高。因此，取积木继续采用穿孔的方法，只在升降问题上进行了改变。
胡夫金字塔的塔基高度为263mm，一块积木的高度为300mm，将要取的四块积木垫在两块多余的积木上，这样积木就不需要大空间的升降。再者，由于之前的升降机构都不简单，且可靠性还是存在一定的问题，于是这次小位移的升降可以利用杠杆的原理，将积木块翘起来即可。取积木的机构如下图所示。电机通过一根绳索与二层挑杆A点连接，二层挑杆A点再通过一根绳索与一层挑杆B点连接，AB点之间的绳索长度大于AB两点间的距离。这样电机绳索通过卷积A点后，二层挑杆上扬，在AB间绳索绷直之前一层挑杆不会上扬，直到电机继
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续工作才会挑起一层挑杆。实现了两层积木的抬起，
同时两层积木有效的分离开来，避免搭建时犯规。
图2-21 取积木机构
3） 预持积木模块确定
由于这版机器人是预持每层积木的一块，预持的积木块可以分四层叠放为一纵列。这种预持方式下可以借鉴哈夫拉金字塔II
号机器人的结构。三维图如下图所示：
图2-22 预持部分机构
30
4）
三维设计图
图
2-23 第三版手动机器人三维模型图
图2-24 第三版手动机器人实体图
2.4.2 第3版手动机器人总结
通过一定时间的调试后，证明这版机器人的几个主要机构够能出色完成功能。从设计初，根据比赛制定的功能要求等看，这些功能要求都得到了满足。再从操作手的角度看，取积木时难度大点外，其他方面都比较顺手。所以，第3版机器人是综合性能符合比赛要求的机器人。
31
但是，这版机器人经过一段时间的调试及思考后发现，还是存在一些问题，需要改善。主要有以下几点：
1. 取积木时，操作难度较大，花的时间比较长，限制全程速度的提高；
2. 金顶机构过于冗杂，且推出后金顶不在可控，无法充分利用规则。（规则提到：一方手动机器人将金顶推进托盘上方后，另一方只能等待，不得干扰。）如果金顶可控后，即使金顶没能一次到位，操作手可以慢慢调整。
3. 机器人重量为17Kg，依旧超出了理想重量15Kg两公斤，需要进一步努力来减重。
2.5 第4版手动机器人的设计制作
2.5.1 第4版手动机器人方案确定
第3版手动机器人其实已经是可以上场的比赛机器人，但发现了一中能比这种方案更快的方案，于是继续着新一版手动机器人的设计。
由于比赛时胡夫金字塔有两块多余的积木及一个金顶,并且可以自己决定比赛时己方存放区内积木的摆放方式。
我们通过不断尝试发现用两块积木可以垫起需要的六块积木。摆放方式如下图所示。
图2-25 方案三的积木摆放方式
这一版机器人采用另一种全新的方案，即之前提到的方案三，预持第三层及32
金顶共两个积木块，再去一次性取剩余的六块积木，最后再开始一层一层的搭建工作。
手动机器人同样分为几大模块：行走模块，取积木模块，预持积木模块等。下面将进行简略分析。
1） 行走模块确定
由于全向底盘有着其独特的优势，但机器人的重量问题一直没解决，加上从国外视频上发现几乎所有队采用是普通底盘，所以经讨论决定再次尝试普通两驱底盘。
为了解决重心问题，通过研究存放区内积木的摆放方式，可以将底盘一部分进入到需要取的一层积木下方，垫着的积木两侧。
缩短取上积木后重心与整车的距离。
图2-26普通底盘
根据第一版手动机器人的经验，为了防止驱动轮打滑，于是将驱动轮装在底盘的中间，让驱动轮与整体重心间的距离尽量小,以保证驱动轮上有着足够的正压力。
这种底盘的主要有其优缺点：
优点：. 普通两轮驱动，队内控制方法成熟，可以将手动机器人制作成半自动化，实现取积木及靠近金字塔这段路径的自动化，减少操作手的难度；重量必然会减轻，可以实现将整个机器人的重量减轻到预定范围；
缺点: 底盘移动不再是全向,灵活性减弱,并且需要横向位移时调整困难，这需要操作手的不断锻炼。
2） 取积木模块确定
这版手动机器人继续沿用上一版的穿孔挑起积木的方式，只是挑起积木的方式有所不同。
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胡夫金字塔的塔基高度为263mm，一块积木的高度为300mm，将要取的六块积木垫在两块多余的积木上，这样积木就不需要大空间的升降。于是可以采用与上一版机器人相似的挑起积木并将两层积木分离的原理，将铰链放在积木及驱动力点之间，缩短积木重力的力臂，减小对电机的要求。
取积木的机构如图2-27所示。电机通过绳索拉动顶杆的A点，先将二层挑
起，电机继续工作，直到顶杆顶动一层挑杆后面的横梁后，于是一层也挑起，但两层间存在一定的距离，这个距离可以通过改变顶杆来调整。
图2-27 取积木机构
这种取积木的方式，难度相对上一版来所要小一点，但仍需操作的强化训练。这种方式可以实现一层积木一次到位的搭建，方便了许多，速度也提高了不少。
3） 预持模块确定
由于这版机器人是预持第三层积木及金顶积木块。本来是准备采用上一版中三四层积木同样的预持方法，考虑到金顶机构的冗杂及金顶积木推出后不再可控，于是开始设计另一种全新的金顶预持方案。第三层的机构与上一版几乎一样，这里就不再赘述，只介绍下金顶的机构。三维结构如图2-28所示。
基座固定在第三层的推手上，搭建第三层时金顶跟随着前进，但不进入托盘上空（以免犯规）。电机通过绳索驱动长杆的A点，由于金顶推手通过绳索
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绕过长杆最前端再绑在基座上，A点前进时，金顶推手前进的速度与距离为
A
点的两倍，以满足搭建金顶的需要。
图2-28 金顶预持机构
4）
三维设计图
图2-29 第三版手动机器人三维模型图
2.5.2 第4版手动机器人总结
通过一定时间的调试后，这一版机器人能较快的完成搭建胡夫金字塔的任务，并且发现这种方案的发展潜力很大。
但是，这版机器人经过一段时间的调试及思考后发现，还是存在一些问题，需要改善。主要有以下两点：
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1. 重心问题依旧存在轻微问题，机器人在取上积木后转弯时有一个驱动轮有少量打滑，影响操作性能；
2. 机器人不能向前几版那样实现全向运动，机器人在搭建金字塔是横向平移操作较难，且浪费很多时间；
2.5.3 第4版手动机器人改进
虽然第四版手动机器人已经能过较好的完成任务了，但是还有着很大的提升空间，可以很大程度上提高我们的成绩及实现操作简单化。并且这版机器人的出乎意料的减轻到13.5Kg，所以在重量上还是有空间来完善这版机器人。
1）改进分析
由于前面所述的两个问题都集中在底盘上，所以改进也就主要在底盘上。 问题一：转弯时驱动轮打滑
解决方案：将驱动轮安装在车的最前端，通过同步带将后面的驱动电机输出的转动传递到驱动轮上；
问题二：底盘无法实现左右平移
解决方案：采用第一版机器人上的双层底盘结构，移动范围大于所需空间即可。这样可以实现下层底盘一层定位后即可不在移动，通过移动上层底盘即可实现整个搭建过程。
改进后的底盘结构图如下所示：（上层底盘通过四个滑块与下层底盘连接）
图2-30 改进版底盘
改进后的三维模型及实体图如图2-31所示。
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图2-31 最终版手动机器人三维模型图及实体图
2）改进总结
改进后的手动机器人运行速度有了很大程度上的提高，且对操作手的要求明显降低，减少了操作手出现失误的可能性。通过一段时间的调试，手动机器人已经能过稳定在35s左右，最快能达到28s。相信通过不断的训练，还有一定的提升空间，稳定在30s内是有可能的。因此改进后的手动机器人完全可以适应比赛需求，希望能过取得好的成绩。
2.6手动机器人的设计总结
一般手动机器人的设计要点是灵活稳定，操作动作少，手柄简单实用。但由于今年手动机器人的任务很到，需要独立完成搭建一个整的金字塔，且是最大最高的金字塔。任务重必然要求手动机器人功能齐全，这样导致今年的手动机器人机构比较复杂，手柄任务多，给操作带来不便。虽进过几个版本的不断改进，操作简单化了很多，但相对与往年来说依旧很繁杂。
今年手动机器人由于方案一直在改变，导致整个过程中做了较多的无用功，浪费了许多宝贵的时间，所以一个方案的好坏将在很大程度上决定着机器人的功效。
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3 关键零部件设计分析与制作
3.1 底盘的设计分析
底盘是关键的承力部件，机器人所有的重量都会由底盘来承担，因此底盘必须有足够的强度；前面也分析得出手动机器人的重心分布应该合理，合理就是说在取上积木后时不会倾倒；考虑到灵活性，底盘的尺寸要设计合理。以上三点就是本手动机器人底盘设计时应该考虑的问题。下面将以最终版手动机器人的底盘作为例子阐述分析和设计过程。
3.1.1 重心分布分析
重心分析其实应该整体考虑机器人而不是单从底盘的角度考虑。如图
3-1。
图3-1 受力分析
由Solidworks分析得出，手动机器人的重心离中间立杆的距离d1=140mm，驱动轮距中间立柱L1=240mm，万向轮距中间立柱L2=300mm，大致估算所有积木的重心W2距中间立柱d2=530mm,后面的作用力F为L2=300mm。W1和W2实测得W1=11.2kg，W2=10.6kg。
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因此，翘起积木的驱动力
F2为
(3-1)
根据力和力矩的平衡有：W 1W2FF1;
W2 d 2F 1L 2 W1 d1 F L1; (3-2) 计算得：F=192.2N;
F1=21.45N;
现假设轮子与地面间的摩擦系数是0.3，需要2m/s2的加速度。
192.20.32.642m/s2 (3-3) 11.210.6
也就是说压力足够，理论上不会出现打滑的现象。
上面分析了最终版手动的重心问题，打滑现象基本不会出现，但由于重心较高，减速时可能会出现往前倒得可能。对于这个问题目前没想到好的解决办法，加上实际中往前倒得倾向不是很严重，所以主要靠操作手熟练操作，控制好减速度。
3.1.2 强度变形分析
手动机器人的重量在12kg左右，除去底盘约有10kg的重量需要底盘来承担。
最终版手动机器人的底盘如图3-2。两根侧梁是整个底盘中变形最大的地方。
图3-2 最终版底盘
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侧梁的受力分析图如下：
图3-3 侧梁的力学分析
在用Ansys进行力学分析时，可以将力学模型简化为中间（a）点固定，两端承受F及F1，分析两端的最大变形及整根梁的最大应力。
Ansys
分析如下图所示：
图3-4
约束及加载
（a）变形 （b）应变 （c）应力
图3-5 分析结果
从上图可见，在取上积木的情况下，最大的变形有1.9mm，相对于整个梁的长度来说，这个变形量不算太大；其最大的应力为140MPa这比普通不锈钢的屈服应力240 MPa要小很多。也就是说，在强度和变形方面，使用这种不锈钢管是足够的。
40