移動機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計,移動機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計,移動,挪動,機(jī)器人,機(jī)械,設(shè)計
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
學(xué)院(系)：
機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)：
機(jī)械工程及自動化
學(xué) 生 姓 名：
魏禮彬
學(xué) 號：
0601510154
設(shè)計(論文)題目：
移動機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計
起 迄 日 期:
2010年3月22日～6月27日
設(shè)計(論文)地點:
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
指 導(dǎo) 教 師:
周建平
專業(yè)負(fù)責(zé)人:
龔光容
發(fā)任務(wù)書日期: 2010年 3月 12 日
任務(wù)書填寫要求
1．畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負(fù)責(zé)人審查、院（系）領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在第七學(xué)期結(jié)束前填好并發(fā)給學(xué)生；
2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；
3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫；
4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“學(xué)院（系）”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號；
5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714—2005《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：
本課題以小型地面移動機(jī)器人的機(jī)械臂為研究對象，要求學(xué)生綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識,根據(jù)被抓取工件的結(jié)構(gòu)尺寸、重量及工況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)設(shè)計。本課題的研究從功能需求分析入手，根據(jù)設(shè)計要求，構(gòu)思機(jī)構(gòu)運動形式、結(jié)構(gòu)尺寸和傳動布局，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)、零部件設(shè)計計算等環(huán)節(jié)的實踐，來培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、計算、制圖及計算機(jī)應(yīng)用能力，以提高同學(xué)分析與解決工程實際問題的能力。
2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
內(nèi)容：
以小型地面移動機(jī)器人的機(jī)械折疊臂為研究對象，設(shè)計機(jī)械臂及夾持機(jī)構(gòu)，并滿足總體尺寸、重量及運動特性等指標(biāo)。
要求：
（1）根據(jù)教師提供的部分材料和所布置任務(wù)，查閱中外資料，了解課題研究的工程背景。
（2）翻譯外文資料(10000字符以上)。
（3）設(shè)計機(jī)械臂及夾持機(jī)構(gòu)。設(shè)計要求：
①機(jī)械臂折疊時總長≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動范圍:150°，旋動速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重≤7kg。機(jī)器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長×寬×高=800mm×540mm×260mm。
②機(jī)械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。
（4）對系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析、設(shè)計與計算。
（5）繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖。（用Auto CAD或其他繪圖軟件繪制）。
（6）編寫設(shè)計、計算說明書。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實物樣品等〕：
（1）繪制機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)的三維造型圖、裝配圖及部分零件圖。
（2）根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計計算和分析結(jié)果編寫設(shè)計、計算說明書。
（3）給出系統(tǒng)各零件的材料和重量清單，估算系統(tǒng)總重量。
4．主要參考文獻(xiàn)：
[1] 張毅等. 移動機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.
[2] 李新春等.移動機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］. 機(jī)器人，2004（11）：103~106.
[3] 李振波等.微型全方位移動機(jī)器人的研制［J］. 機(jī)器人，2000（9）：354~358.
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1998（2）：2~6.
[5] 江浩,樊炳輝等.新型移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］. 應(yīng)用科技，2000（8）：3~5.
[6] 馬香峰等.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.
[7] 蔣新松. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論［M］. 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.
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[10] 王野，王田苗等.危險作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)綜述［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2005(6):23~31.
[11] 文福安,梁崇高,廖啟征. 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)位置正解［J］.中國機(jī)械工程,1999.
[12] 黃亞樓,盧桂章. 微機(jī)機(jī)器人和精密操作的研究發(fā)展［M］. 機(jī)器人,1992(4).
[13] 王昆,何小柏,汪信遠(yuǎn). 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計［M］. 高等教育出版社,2005.
[14] 朱磊磊,陳軍.輪式移動機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)床與液壓,2009,37(8):242~247.
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8~12.
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進(jìn)度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2010年
3月22日 ~ 3月 30 日
3月31日 ~ 4月20日
4月21日 ~ 6月10日
6月11日 ~ 6月22日
6月27日
查閱中外資料，了解課題研究的工程背景并翻譯外文資料。對課題方案進(jìn)行構(gòu)思、分析比較并理出思路，撰寫開題報告。
初步設(shè)計。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)的要求對移動機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計與三維造型。
詳細(xì)設(shè)計。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)的要求，對選定的系統(tǒng)方案進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析、作詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算。繪制移動機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)裝配圖，拆畫部分零件圖繪制改進(jìn)后的小臂部件裝配圖與零件圖。
撰寫設(shè)計、計算說明書。修改論文，準(zhǔn)備答辯。
論文答辯
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
學(xué)院（系）意見：
院（系）領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁
目 錄
1 引言………………………………………………………………………………… 1
1.1 移動機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的………………………………………… 1
1.2 移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究………………………………………………… 2
1.3 本課題的來源和研究內(nèi)容…………………………………………………… 5
2 移動機(jī)器人機(jī)械臂的總體設(shè)計…………………………………………………… 7
2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的確定 …………………………………………………………… 7
2.2 機(jī)械臂設(shè)計的主要參數(shù)………………………………………………………… 7
3 移動機(jī)器人機(jī)械臂的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………… 8
3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求……………………………………………………………… 9
3.2 傳動方式的選擇………………………………………………………………… 9
3.3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計…………………………………………………………… 9
3.4 電機(jī)的計算與型號選擇………………………………………………………… 12
3.5 材料的選擇與強(qiáng)度校核………………………………………………………… 14
3.6 本章小結(jié)…………………………………………………………………… 17
4 移動機(jī)器人機(jī)械臂的臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………18
4.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求…………………………………………………………… 18
4.2 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計………………………………………………………………… 19
4.3 臂部電機(jī)的選擇………………………………………………………………… 26
5 移動機(jī)器人機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………… 28
5.1 肩部的傳動方式………………………………………………………………… 28
5.2 肩部結(jié)構(gòu)的設(shè)計………………………………………………………………… 29
5.3 肩部電機(jī)的選擇………………………………………………………………… 31
5.4 肩部直流電機(jī)的計算……………………………………………………………32
5.5 肩部伺服電機(jī)與臂部和手部步進(jìn)電機(jī)的控制………………………………… 33
6 移動機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)分析………………………………………………………… 30
6.1 機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)分析…………………………………………………37
6.2 機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)分析………………………………………………………… 39
6.2 本章小結(jié)………………………………………………………………………… 39
結(jié)束語 ……………………………………………………………………………… 42
致謝 ………………………………………………………………………………… 45
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 46
本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 47 頁 共 47 頁
1 引言
1.1 移動機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的
本文以實際項目小型地面移動機(jī)器人的機(jī)械臂為研究對象。設(shè)計移動機(jī)器人的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)。所謂移動機(jī)械臂，就是將機(jī)械臂安裝在是一個小型多用途移動作業(yè)機(jī)器人智能移動平臺，小型多用途移動作業(yè)機(jī)器人是一個智能移動平臺，其上可搭載爆炸物處理、偵察、通訊、探測系統(tǒng)或其他特殊作業(yè)系統(tǒng)。移動機(jī)械臂用來實現(xiàn)一些動作如抓取，可以在機(jī)械臂的末端執(zhí)行器上安裝一定的工具進(jìn)行作業(yè)，通過移動平臺的移動來擴(kuò)大機(jī)械臂的工作空間，這種結(jié)構(gòu)使移動機(jī)械臂擁有更大的操作空間和高度的運動冗余性，并同時具有移動和操作功能，這使它優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械臂，則具有了更廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前智能移動機(jī)器人正向著擬人化、仿生化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛，幾乎滲透到各個領(lǐng)域[2]。
移動機(jī)器人技術(shù)的研究屬于多學(xué)科相互交叉，相互滲透的，對它的研究具有很大的理論價值和廣闊的應(yīng)用前景。在工業(yè)機(jī)器人問世40多年后的今天，機(jī)器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，機(jī)器人的功能己不再是只能從事某項簡單的操作，而是可以承擔(dān)多種任務(wù);機(jī)器人的工作環(huán)境也不再是固定在工廠和車間現(xiàn)場，而是開始走向海洋、太空和戶外，有些甚至已經(jīng)進(jìn)入醫(yī)院、家庭和娛樂場所。具有智能特性的自主式移動機(jī)器人正在向非制造業(yè)方向擴(kuò)展，這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護(hù)理、服務(wù)、農(nóng)林、辦公自動化和災(zāi)害救護(hù)等，如飛行機(jī)器人、海難救援機(jī)器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人等。近年來，對移動機(jī)器人的研究受到重視，仿照生物的功能而發(fā)明的各種移動機(jī)器人越來越多，小到娛樂機(jī)器人玩具、家用服務(wù)機(jī)器人，大到工程探險、反恐防爆、軍事偵察機(jī)器人等。相應(yīng)地，這些領(lǐng)域?qū)λ鶓?yīng)用的移動機(jī)器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機(jī)器人的運動速度、靈活性、自主性、作業(yè)能力等方面的要求越來越高。因此，無論是在制造業(yè)還是在非制造業(yè)，具有智能特性的自主式移動機(jī)器人成為了國內(nèi)外研究的熱點。
歷史上一切高新技術(shù)無不首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，移動機(jī)器人機(jī)械臂也不例外。隨著二十世紀(jì)末的幾場局部戰(zhàn)爭和二十一世紀(jì)初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭進(jìn)程，特種戰(zhàn)爭以及城市戰(zhàn)爭日益成為戰(zhàn)爭一類型的主角，這一轉(zhuǎn)變直接推動了各國地面移動作戰(zhàn)平臺即軍用地面移動機(jī)器人的發(fā)展?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭凸現(xiàn)了局部范圍內(nèi)的信息化，而戰(zhàn)場機(jī)器人憑借自身的優(yōu)勢特點，已經(jīng)在本世紀(jì)的戰(zhàn)爭，例如伊拉克戰(zhàn)爭中成為耀眼的新星?，F(xiàn)代戰(zhàn)場尤其是城市內(nèi)反恐怖戰(zhàn)爭中單兵的生存能力受到了極大的挑戰(zhàn)，微小型地面移動機(jī)器人由于體積小、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機(jī)動性好、生存能力強(qiáng)、成本低等特點，并且可以在遠(yuǎn)程遙控甚至自主情況下完成部分原本由士兵完成的任務(wù)，可以不論白天還是黑夜都能了解周圍的樓房里及街道上的敵情。除偵察外，微小型機(jī)器人搭載微小型武器系統(tǒng)還可完成諸如掃雷、排除爆炸物、控制武器射擊等各項任務(wù)，而且不會有人員傷亡，極大減少了傷亡率。因此特別適用于城市和惡劣環(huán)境下的局部戰(zhàn)爭和信息、戰(zhàn)爭，具有重大意義和軍事效益。二十一世紀(jì)的戰(zhàn)場，戰(zhàn)爭的初期極可能是一場無人系統(tǒng)的較量。永不疲倦、無所畏懼的微小型無人移動機(jī)器人是最理想的士兵。它們已在戰(zhàn)爭中顯示出的作戰(zhàn)本領(lǐng)，可以證明它們在未來戰(zhàn)場上的重要地位。微小型無人移動機(jī)器人的機(jī)械臂特別適用于城市和惡劣環(huán)境下(如核、生、化戰(zhàn)場等)的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭，具有重大戰(zhàn)略意義和效益。
1.2 移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究
小型地面移動機(jī)器人機(jī)械臂在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應(yīng)用將會越來越廣。包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢，也是我國國防科技行業(yè)重點支持的方向之一。通過對小型移動機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)研制，在整體系統(tǒng)的各個方面積累了比較豐富的設(shè)計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進(jìn)移動機(jī)器人機(jī)械臂將走向成熟和實用化。未來移動機(jī)器人機(jī)械臂將有以下主要特點:更優(yōu)的性能質(zhì)量比;更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力;更高的智能性能;具有成熟的機(jī)械臂系統(tǒng);軍品級別的可靠性。
1.2.1 國外移動機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
國外在移動機(jī)器人機(jī)械臂方面的研究起步較早，初期的研究主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進(jìn)行驗證。雖然由于80年代對機(jī)器人的智能行為期望過高而導(dǎo)致室外移動機(jī)器人機(jī)械臂的研究未達(dá)到預(yù)期的效果，但卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機(jī)器人機(jī)械臂的途徑積累了經(jīng)驗，同時也推動了其它國家對移動機(jī)器人機(jī)械臂的研究與開發(fā)。
進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動機(jī)器人機(jī)械臂開始在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。例如2002年IRobot研制的金字塔探測機(jī)器人—“金字塔漫游者”，身長30厘米，寬12厘米，高度可在11至28厘米之間調(diào)節(jié)。機(jī)器人身帶5件法寶:超聲波傳感器、地面探測雷達(dá)系統(tǒng)、力度測量儀、高分辨率光纖鏡頭和導(dǎo)電傳感器，具備世界上最小的地面探測雷達(dá)系統(tǒng)，可以穿透厚超過90厘米的混凝土。美國在2003年發(fā)射的兩輛火星探測車“勇氣”號和“機(jī)遇”號分別于2004年1月3號和24號在火星的不同區(qū)域安全著陸，并完成了90個火星日的科研工作。拿“勇氣”號探測車來說，就是一個具有手臂的移動機(jī)器人。他的大腦是一臺高速計算機(jī)，車體靠自身具有的六個輪子在火星地面運動，視覺系統(tǒng)采用一對全景照相機(jī)來拍攝火星表面和天空的全景視圖，也用于形成著陸點附近的地形圖、搜索感興趣的巖石和土壤，來完成尋找火星遠(yuǎn)古時期存在液態(tài)水的證據(jù)的工作。另外分別于車體前端和后端安裝了兩組相同的避危攝像機(jī)，由一組立體影像的黑白攝影機(jī)所構(gòu)成的，所拍攝的影像除了用于障礙物偵測之外還用于探測車的路徑規(guī)劃上。最先進(jìn)的要數(shù)探測車上的機(jī)械手臂，手臂末端裝備了各種工具，有顯微鏡成像儀、三種質(zhì)譜儀和兩種分光計，一套巖石研磨和樣本采集土具以及三個磁鐵陣列，所有設(shè)備主要是用來尋找火星上是否曾經(jīng)有液態(tài)水的證據(jù)。西班牙羅斯·羅卡公司研制的“羅德”輪式機(jī)器人。該機(jī)器人可用于清理雷場和處理炸藥等危險物品。該車長1. 4m,寬0. 67m、高0. 8m、重350kg、(6 X 6)驅(qū)動、動力裝置為1臺電動機(jī)，車上供電蓄電池可使用2h，車速(前進(jìn)或后退)可在0 至6. 5km/h之間連續(xù)變化。車上裝有活動操作臂，有6個自由度，固定在機(jī)器人車的旋轉(zhuǎn)塔上。機(jī)械臂不伸長時可吊重80kg，伸直時最長為1. 5m，此時可吊重16kg。操作臂頂端裝有夾爪，夾緊力可達(dá)30kg，能把物體提升至2. 75m高。該車采用100m(或250m)長的電纜或無線電裝置進(jìn)行遙控。機(jī)械手完成整個操作過程必須借助1臺黑白或彩色電視顯示器，顯示車上3個攝像機(jī)獲得的監(jiān)視駕駛、機(jī)械臂控制和夾爪操作的圖像。車上裝有兩個鹵氣探照燈，可在夜間或能見度很低的地區(qū)使用。
除室外移動機(jī)器人外，世界各國在遙控移動機(jī)器人、高完整性機(jī)器人、生態(tài)機(jī)器人學(xué)(生物機(jī)器人學(xué))、多機(jī)器人系統(tǒng)、環(huán)境與移動機(jī)器人系統(tǒng)的集成等方面都作了大量的研究。
1.2.2 國內(nèi)移動機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)對移動機(jī)器人機(jī)械臂的研究起步雖然較晚，但經(jīng)過近幾十年的發(fā)展也取得了很大進(jìn)步，但大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段。國內(nèi)的移動機(jī)器人機(jī)械臂研究主要經(jīng)歷了算法的研究和仿真、國外機(jī)器人平臺的引進(jìn)和自主開發(fā)三個階段。下面是國內(nèi)的主要研究成果?！熬盼濉逼陂g由浙江大學(xué)、南京理工大學(xué)、國防科大、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)聯(lián)合研制了ALVLABII型陸地移動機(jī)器人，并成功完成了全部實驗測試，正常行駛速度為30.6km/h，同時支持臨場感遙控駕駛及戰(zhàn)場偵察等功能。清華V型智能車THMR-V是清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室在中科院院士張錢教授主持下研制的新一代智能移動機(jī)器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994年通過鑒定。車體采用道奇7座廂式車改裝，裝備有彩色攝像機(jī)和激光測距儀組成的道路與障礙物檢測系統(tǒng);由差分GPS、磁羅盤和光電碼盤組成的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)等。兩套計算機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行視覺處理，完成信息、融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。4臺IPC工控機(jī)分別完成激光測距信J息、處理、定位信息、處理、通訊管理、駕駛控制等功能。設(shè)計行駛于高速公路車速為80krn/h，一般道路為2 0km/h。目前已能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，進(jìn)行道路跟蹤和避障礙自主行駛。清華大學(xué)智能車涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)，路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)，傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)和智能移動機(jī)器人的設(shè)計和實現(xiàn)。DY- I型導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)公司推出的新一代智能導(dǎo)游機(jī)器人，該機(jī)器人由伺服驅(qū)動系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語言識別及語言合成系統(tǒng)組成。導(dǎo)游機(jī)器人由蓄電池供電，可連續(xù)運行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進(jìn)行避障，并通過語啟一系統(tǒng)可以進(jìn)行人機(jī)交互。此外還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計自動化及制造研究中心的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人、中科院沈陽自動化所研發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的激光導(dǎo)引AGV和用于公安防暴的“靈晰一B”型移動機(jī)器人、中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計制造的全方位移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)等。本文主要論述是移動機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1.2.3 移動機(jī)器人的研究熱點
綜合國內(nèi)外對于移動機(jī)器人的研究情況，當(dāng)代移動機(jī)器人的研究主要集中于以下幾個方面。
(1)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，是根據(jù)實際需要進(jìn)行的。在機(jī)械臂機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當(dāng)前，對足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。
(2)運動控制技術(shù)。穩(wěn)健的運動控制技術(shù)是移動機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動機(jī)器人機(jī)械臂本身是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅(qū)動的零漂移的動力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動力學(xué)模型和運動學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術(shù)的核心內(nèi)容。
(3)路徑規(guī)劃技術(shù)。該技術(shù)主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術(shù)和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)。由于自主式移動機(jī)器人機(jī)械臂在行駛中，必須避開它無法通過的或?qū)ζ浒踩旭倶?gòu)成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，顯得更為重要。
(4)實時視覺技術(shù)。該技術(shù)主要涉及到視覺信息的實時采集、預(yù)處理、特征提取和模式識別。而且，視覺信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準(zhǔn)確性是決定智能機(jī)器人整體性能的決定性因素。
(5)定位和導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)是現(xiàn)代移動機(jī)器人機(jī)械臂研制所急需的關(guān)鍵技術(shù)，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術(shù)基礎(chǔ)。位置的測量可以分為相對位置測量和絕對位置測量，測量方法有里程計、慣性導(dǎo)航、主動燈塔、磁羅盤、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標(biāo)導(dǎo)航等。
(6)多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)。自主式移動機(jī)器人機(jī)械臂采用測距技術(shù)，GPS定位技術(shù)和小型陀螺儀技術(shù)等多種傳感技術(shù)來采集不同類型的環(huán)境信息。因此，準(zhǔn)確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對所處環(huán)境作出準(zhǔn)確可靠的描述，并據(jù)此作出正確的決策和控制，是多傳感集成和數(shù)據(jù)融合研究的任務(wù)。
(7)高性能計算技術(shù)。在移動機(jī)器人機(jī)械臂的早期研究工作中，專用硬件結(jié)構(gòu)為多數(shù)研究者所采用，這是因為當(dāng)時市場上的通用硬件不能滿足諸如實時圖像處理所需的計算能力。近年來，隨著計算機(jī)計算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)。目一前用于移動機(jī)器人機(jī)械臂的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個高速通用處理器加上幾個專用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)計算)，或者通過實驗確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來縮小體積，達(dá)到優(yōu)化的性能。
(8)無線通信與因特網(wǎng)技術(shù)。這兩項技術(shù)可以實現(xiàn)多機(jī)器人臂之間的通信和信息共享，以及移動機(jī)械臂與外部的聯(lián)系。
本文要研究是移動機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1.3 本課題的來源和研究內(nèi)容
本課題來源于南京市科技局的科技計劃項目，具有較大的應(yīng)用價值。結(jié)合當(dāng)前小型移動機(jī)器人的發(fā)展，而進(jìn)行移動機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算，要求結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，以提高機(jī)器人臂桿系統(tǒng)的運動性能。將移動機(jī)械臂安裝在是一個小型多用途移動作業(yè)機(jī)器人智能移動平臺，可以用于執(zhí)行爆炸物處理、偵察、通訊、探測系統(tǒng)或其他特殊任務(wù)。通過幾個階段系統(tǒng)的分析、設(shè)計與計算等過程，提高分析與解決工程實際問題的能力。具備較扎實的機(jī)械設(shè)計及自動化方面的專業(yè)知識，能較熟練的使用CAD軟件或其他工程設(shè)計與分析軟件進(jìn)行設(shè)計。本課題以小型地面移動機(jī)器人的機(jī)械折疊臂為研究對象，設(shè)計了移動機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計。
論文以實際工程為背景，結(jié)合移動機(jī)器人機(jī)械臂研究設(shè)計過程中遇見的問題，進(jìn)行分析。內(nèi)容安排如下：
在了解總體尺寸、重量及運動指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和比較；對選定的方案進(jìn)行機(jī)構(gòu)造型、分析、設(shè)計與計算；繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖；編寫設(shè)計、計算說明書。
設(shè)計機(jī)械臂及夾持機(jī)構(gòu)。設(shè)計數(shù)據(jù)要求：機(jī)械臂折疊時總長≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動范圍:150°，旋動速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重≤7kg。機(jī)器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長×寬×高=800mm×540mm×260mm。機(jī)械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。
2 移動機(jī)器人機(jī)械臂的總體設(shè)計
2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的確定
作為一款多功能移動機(jī)器人，為完成如排爆等任務(wù)，抓取危險物品移動至安全爆地點，能夠靈活的移動到指定的目標(biāo)位置來抓取目標(biāo)物，能夠方便的伸長、旋轉(zhuǎn)達(dá)到不同的姿態(tài)，自由度太少將大大限制機(jī)械手的工作空間，無法抓取目標(biāo)物，有時考慮到目標(biāo)物可能置于狹小空間中，還應(yīng)該使機(jī)械手能夠有效達(dá)到避障的目的?？紤]到還有底盤的移動以及機(jī)械臂的重量。本文設(shè)計的機(jī)械手具有3個自由度。下面分別是手部、臂部和肩部的具體設(shè)計。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：
圖2.1 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)
1. 手部關(guān)節(jié) 2.肘關(guān)節(jié) 3.肩關(guān)節(jié) 4.轉(zhuǎn)臺
2.2 機(jī)械臂設(shè)計的主要參數(shù)
2.2.1 臂長的確定
加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)的高峰等人根據(jù)人體手臂和腿部的機(jī)構(gòu)組成，提出了尺寸綜合的三動桿原理[19]，作為機(jī)械手機(jī)構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)的評價準(zhǔn)則。該原理的內(nèi)容是:人體手臂、腿部及動物四肢從機(jī)構(gòu)原理上分析都可以看作三自由度平面三動桿演化來，因為決定它們的運動學(xué)和動力學(xué)特征的最基本的部分是平面運動，這部分運動被稱為三動桿的主運動，它是瞬時運動軸線平行的三動桿機(jī)構(gòu)運動，三自由度面的動桿機(jī)構(gòu)可以作為上述機(jī)構(gòu)的簡化模型，該機(jī)構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)的評價準(zhǔn)則同樣可以用來衡量手臂機(jī)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)三動桿基本運動理論，仿人手臂可以看作三動桿機(jī)構(gòu)，即將大臂、小臂、手爪作為三動桿。
假定機(jī)械手各部分長度為:上臂A、小臂B、手爪C，L=(A+B+ C)/3，則可得到r1 =A/ L，根據(jù)三動桿機(jī)構(gòu)的性能分析，可以得出下面的結(jié)論，即當(dāng)三桿長度滿足下列條件，r1 : r2 = 1~1.2，并且r3<0.5時，三動桿的靈活性和運動幅度較高，同時，其全局條件數(shù)最大，手臂末端的操作速度、變形也處于中等范圍內(nèi)。當(dāng)全局條件數(shù)最大時，操作過程中易于實現(xiàn)精度控制。
因此，結(jié)合三動桿原理，確定機(jī)械手的各部分尺寸長度為大臂380mm、小臂420m,手爪160mm。設(shè)計該長度還考慮到了機(jī)器人的排爆用途，即機(jī)械手必須能夠?qū)⒈ㄎ镒ト∫苿?，以直?0mm，長為360mm的圓柱體為例進(jìn)行了計算，這樣確定了上述尺寸。
2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)要求及設(shè)計的原則
（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的要求
機(jī)械臂折疊時總長≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動范圍:150°，旋動速度0.5rad/s， 機(jī)械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。
(2)機(jī)械系統(tǒng)是移動機(jī)器人機(jī)械臂性能的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)直接影響到移動機(jī)械臂性能指標(biāo)。合理的、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅能提供可靠的機(jī)器人本體，更可以減少調(diào)試試驗中的不可靠因素。但是，機(jī)械設(shè)計周期十分長，其受到的影響因素也很多，包括加工精度、熱處理工藝、材料選取、裝配工藝、非正常工作狀況等等都將影響到機(jī)械系統(tǒng)的性能，所以機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計在本項目中顯得十分重要。
在設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：
(a) 結(jié)構(gòu)尺寸方面滿足設(shè)計指標(biāo);
(b) 零件結(jié)構(gòu)便于加工、測量;
(c) 滿足剛度強(qiáng)度要求;
(d) 總體結(jié)構(gòu)易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理;
(e) 給機(jī)器人暫時未能夠裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來能改進(jìn)與擴(kuò)展;
(f ) 采用模塊化設(shè)計，各個功能模塊之間相互獨立裝配，互不干擾。
設(shè)計過程中主要使用的設(shè)計工具有美國PTC參數(shù)技術(shù)公司的三維設(shè)計軟件Pro/engineer野火版3.0以及Autodesk公司的二維設(shè)計軟件AutoCAD2007。
3 移動機(jī)械臂機(jī)械手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求
機(jī)械手手部(末端執(zhí)行器)結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計都有如下幾點基本要求:
（1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞抓取物體;力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證夾持安全可靠。
（2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍，手指應(yīng)具有一定的開閉角度(手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度)或開閉范圍(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離)，以便于抓取或退出物體。
（3)應(yīng)保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應(yīng)保證每個被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對位置。
(4)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。
3.2 傳動方式的選擇
機(jī)械傳動是主要的傳動裝置，常用的有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動等。
根據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的實際情況選擇齒輪傳動。齒輪傳動是機(jī)械傳動中應(yīng)用最廣泛的一類傳動。它傳動效率高，在正常的潤滑條件下效率可達(dá)99%以上；
手指的設(shè)計將采用平移運動的方式來夾持物體，這里將采用左右螺旋軸和齒輪副一起作為傳動機(jī)構(gòu)來完成末端機(jī)構(gòu)所要求達(dá)到的功能。采用這兩種結(jié)構(gòu)使整個末端執(zhí)行器體積小、質(zhì)量輕。
3.3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計
工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的雙指機(jī)械式夾持器按其手爪的運動方式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。如圖 3. 1和3. 2 是兩種典型的機(jī)械夾持器結(jié)構(gòu)。本文選擇平移型夾持器的結(jié)構(gòu)，它與前者相比具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易的優(yōu)點。
圖3.1 回轉(zhuǎn)型 圖3.2 平移型
在手爪的設(shè)計中主要考慮了以下幾種方案：
方案一:齒輪齒條平行連桿的機(jī)構(gòu)，該方案見圖3.3所示。
1一夾鉗 2一連桿 3一扇形齒輪 4一齒條 5一手爪殼體 6一直線電機(jī)
圖3.3 直線電機(jī)帶動齒輪齒條的手爪方案
該結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)為直線電機(jī)，直線電機(jī)軸帶動齒條沿軸線方向直線運動，兩個扇形齒輪則在齒條的帶動下實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，從而帶動連桿和與連桿鉸接的夾鉗實現(xiàn)開合動作，該機(jī)構(gòu)從實現(xiàn)上最為簡單?？紤]到與后面要使用電機(jī)的配套，如果選擇直線電機(jī)，則必須選擇單獨的一套驅(qū)動器，勢必增加成本。
方案二: 圓柱直齒輪和螺旋軸
而方案一為了實現(xiàn)較大的手爪開合尺寸，齒條部分必需做的較長，而在整個手爪開合的行程中，手爪完全張開時，齒條有一部分要伸出手爪殼體。綜合以上因素，實際設(shè)計中，對機(jī)械手進(jìn)行了如下的結(jié)構(gòu)設(shè)計。傳動機(jī)構(gòu)采用圓柱直齒輪和螺旋軸，整個末端執(zhí)行器體積小、質(zhì)量輕。兩手指相對于末端執(zhí)行器在左右螺旋的帶動下做平移運動，達(dá)到開合作用。手部結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。
圖3.4 手部結(jié)構(gòu)圖
1一步進(jìn)電機(jī) 2一齒輪A 3一導(dǎo)向軸 4一左右螺旋軸
5一齒輪B 6一夾持器右指 7一夾持器左指 8一襯套
經(jīng)過以上的研究討論從而設(shè)計手部結(jié)構(gòu)。手部結(jié)構(gòu)采用超硬鋁合金材料，在保證一定的剛度的同時又降低了整體的重量。前段可以夾持形狀規(guī)則(與手指接觸面為平面)的物體，后段為菱形形狀，可以夾持圓形和不規(guī)則形狀的物體手指伸出長度為 125mm，開合范圍 4-70mm。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的，驅(qū)動電機(jī)1經(jīng)齒輪2傳動齒輪5，驅(qū)動左右螺旋軸4使兩手指6、7進(jìn)行開合運動。兩手指相對于末端執(zhí)行器在左右螺旋的帶動下做平移運動，達(dá)到開合作用。兩根導(dǎo)向軸3固定兩手指并引導(dǎo)兩手指的運動軌跡。。這種設(shè)計可以更好的使機(jī)器人完成工作。手部的三維爆炸圖如圖3.5所示：
圖3.5 手部的三維爆炸圖
3.4電機(jī)的計算與型號選擇
3．4.1 電機(jī)的計算
在確定握力時，除考慮抓取物體重量3Kg外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和震動，以保證夾持安全可靠。另外，電動機(jī)根據(jù)運行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，可以達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度。綜上所述，本文選擇電機(jī)驅(qū)動為機(jī)械手的驅(qū)動方式。
本文設(shè)計要求夾持的物體重為 m=3000g，設(shè)螺紋為 M8，其中徑 r=3.6mm，螺距 P=1mm，當(dāng)量摩擦系數(shù) f=0.1，Q為軸向載荷，M為螺紋驅(qū)動力矩。手指材料為鋁合金，鋁合金與常用材料的磨擦系數(shù)如表3.1所示:
表3.1 主要工程材料摩擦系數(shù)
摩擦副材料
靜摩擦系數(shù)
鋁合金
黃 銅
0.27
青 銅
0.22
鋼
0.3
膠 木
0.34
鋼 紙
0.32
樹 脂
0.28
硬橡膠
0.25
石 板
0.26
從表3.1可以看出鋁合金與不同材料的靜摩擦系數(shù)趨近于0.3，所以取被抓物體和末端執(zhí)行器手指之間的靜摩擦系數(shù)，則：
(3-1)
螺紋增力比
（3-2）
式中 ——當(dāng)量摩擦角，= ；
——螺紋升角，=
帶入數(shù)據(jù),得, 得
（3-3）
選用齒輪傳動比 n=1:1，忽略齒輪傳動摩擦及軸承滾動摩擦力矩，根據(jù)上述計算，我們選擇了北京和利時電機(jī)公司生產(chǎn)的 28BYG250C-SASSMQ-0071 型步進(jìn)電機(jī)，它的保持轉(zhuǎn)矩為 90，滿足設(shè)計要求。
3.4.2 電機(jī)的技術(shù)參數(shù)及尺寸
步進(jìn)電機(jī)的如圖3.6所示：
圖3.6 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表3. 2所示：
表3.2 步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)
步進(jìn)電機(jī)的尺寸如圖3.7所示：
圖3.7 步進(jìn)電機(jī)的尺寸
步進(jìn)電機(jī)的安裝如圖3.8所示：
圖3.8 步進(jìn)電機(jī)的安裝
3.5 材料的選擇與強(qiáng)度校核
3.5.1 齒輪系材料的選擇
對齒輪材料性能的基本要求為齒面要硬，齒心要韌。鋼材韌性好，耐沖擊，容易通過熱處理來改善其機(jī)械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。
對于強(qiáng)度、速度和精度要求不高的齒輪傳動，可以采用軟齒面齒輪。軟齒面齒輪的齒面硬度低于350HBS，熱處理方法為調(diào)制或正火，常用材料有45號鋼和40Cr等。加工方法一般為熱處理后切齒，切制后即為成品，精度一般為8級。本文設(shè)計的齒輪副速度要求不高，所以設(shè)計選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動要求。
3.5.2 齒輪副的強(qiáng)度校核
輪齒在受載荷時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。對于制造精度較低的傳動齒輪，由于制造誤差大，實際上多由在齒頂處咬合的輪齒分擔(dān)較多的載荷，為便于計算，通常按全部載荷作用于齒頂來計算齒根的彎曲強(qiáng)度。
本文設(shè)計的是直齒圓柱齒輪，齒數(shù)Z=30，模數(shù)=1 mm，齒寬b=4mm,節(jié)圓直徑，齒形角度，齒輪副的傳動比u=1:1。電機(jī)傳動的轉(zhuǎn)矩T=90。那么齒輪所受的圓周力
（3-4）
對于齒輪的校核將從兩方面來計算：
1) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為；
（3-5）
式中： 為區(qū)域系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪=2.5；
K為載荷系數(shù)，此處取K=1.8；
為彈性影響系數(shù)，查得=188；
為接觸疲勞許用應(yīng)力
（3-6）
其中： 為接觸疲勞壽命系數(shù)，取=0.95；
齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限，查得=550；
S為安全系數(shù)，取S=1。
從而求得： =522.5
將所有已知量帶入(3-6)式，求得：
=199.5=522.5
從齒面接觸疲勞強(qiáng)度上來說，齒輪是合格的。
(2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核）