移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
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臂部轉(zhuǎn)關(guān)節(jié).dwg
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目 錄
1 引言………………………………………………………………………………… 1
1.1 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的………………………………………… 1
1.2 移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)…………………………………………………… 7
2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的確定 …………………………………………………………… 7
2.2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)的主要參數(shù)………………………………………………………… 7
3 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………… 8
3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………… 9
3.2 傳動(dòng)方式的選擇………………………………………………………………… 9
3.3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 9
3.4 電機(jī)的計(jì)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(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………18
4.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………… 18
4.2 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 19
4.3 臂部電機(jī)的選擇………………………………………………………………… 26
5 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 28
5.1 肩部的傳動(dòng)方式………………………………………………………………… 28
5.2 肩部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 29
5.3 肩部電機(jī)的選擇………………………………………………………………… 31
5.4 肩部直流電機(jī)的計(jì)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(dòng)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
1 引言
1.1 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的
本文以實(shí)際項(xiàng)目小型地面移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂為研究對象。設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)。所謂移動(dòng)機(jī)械臂,就是將機(jī)械臂安裝在是一個(gè)小型多用途移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人智能移動(dòng)平臺,小型多用途移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人是一個(gè)智能移動(dòng)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(dòng)機(jī)械臂用來實(shí)現(xiàn)一些動(dòng)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(dòng)平臺的移動(dòng)來擴(kuò)大機(jī)械臂的工作空間,這種結(jié)構(gòu)使移動(dòng)機(jī)械臂擁有更大的操作空間和高度的運(yùn)動(dòng)冗余性,并同時(shí)具有移動(dòng)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(dòng)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(gè)領(lǐng)域[2]。
移動(dòng)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(jià)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(shí)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(xiàng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(xiǎn)、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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
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(dòng)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(dòng)了各國地面移動(dòng)作戰(zhàn)平臺即軍用地面移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。現(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(diǎn),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(dòng)機(jī)器人由于體積小、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機(jī)動(dòng)性好、生存能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn),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(xiàng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究
小型地面移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂在未來生活中,包括消防、探測等危險(xiǎn)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(diǎn)支持的方向之一。通過對小型移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)研制,在整體系統(tǒng)的各個(gè)方面積累了比較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進(jìn)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂將走向成熟和實(shí)用化。未來移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂將有以下主要特點(diǎn):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(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
國外在移動(dòng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)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(dòng)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(dòng)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(yàn),同時(shí)也推動(dòng)了其它國家對移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上開拓各個(gè)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(gè)火星日的科研工作。拿“勇氣”號探測車來說,就是一個(gè)具有手臂的移動(dòng)機(jī)器人。他的大腦是一臺高速計(jì)算機(jī),車體靠自身具有的六個(gè)輪子在火星地面運(yùn)動(dòng),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(diǎn)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(shí)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(jì),一套巖石研磨和樣本采集土具以及三個(gè)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”輪由此可以看出:蝸輪蝸桿雖然符合 > 條件,而且差大于1,故自鎖可靠。
(d)蝸輪蝸桿式的肩部易于旋轉(zhuǎn)方向的要求。
肩部是蝸輪蝸桿傳動(dòng),蝸桿固定于蝸輪箱內(nèi),蝸輪位于蝸輪箱內(nèi),通過軸套與轉(zhuǎn)軸相連,與蝸桿嚙合。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)操作時(shí),主控計(jì)算機(jī)把臂部角度與目標(biāo)點(diǎn)的角度進(jìn)行比 較,角度的差值通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)配套的減速器后,經(jīng)過一對齒輪副的傳動(dòng),帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng),蝸桿與蝸輪嚙合,使得與蝸輪通過軸套連接的肩部轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而使得固定于肩部轉(zhuǎn)軸的臂部轉(zhuǎn)動(dòng),賦予肩部在150度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。
(e)蝸輪副的傳動(dòng)一般具有工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊的特定,但是在這里將它用作移動(dòng)機(jī)械臂的肩部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后,具體情況有所變化。因?yàn)槲佪單仐U分別安裝在箱體上,不能實(shí)現(xiàn)對蝸輪蝸桿的固定裝置進(jìn)行組合加工來保證蝸輪蝸桿的中心距有較小的偏差;裝配時(shí),蝸輪中心與回轉(zhuǎn)中心不易重合,存在較大的偏差。從而不能保證蝸桿軸線與蝸輪的節(jié)圓在同一平面內(nèi)。所以解決的辦法是蝸桿兩端加上調(diào)整墊片。也就是說,在傳動(dòng)過程中,蝸輪蝸桿的嚙合情況是變化的,這就使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)肩部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)、驅(qū)動(dòng)力不均勻現(xiàn)象。又因?yàn)榧绮繛橐患墏鲃?dòng),而且旋轉(zhuǎn)部分很重,體積較大,進(jìn)行肩部旋轉(zhuǎn)定位時(shí),回轉(zhuǎn)慣性也就較大,同時(shí)也沒有消除回轉(zhuǎn)慣性力矩的緩沖機(jī)構(gòu),這種回轉(zhuǎn)慣性也就敏感地、直接地反映到電機(jī)上來。由于法蘭盤和臂部體積較大,使得肩部的體積也較大,且不夠緊湊。
6.3 本章小結(jié)
移動(dòng)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)分析以及以肩部為重點(diǎn)的結(jié)構(gòu)分析。
結(jié)束語
總結(jié)本文對移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),包括一個(gè)3個(gè)自由度移動(dòng)機(jī)械臂,移動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)包括肩部,臂部及手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并對機(jī)械臂進(jìn)行了性能分析。
移動(dòng)機(jī)械臂,繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度肩部使用了蝸輪蝸桿副, 臂部使用了圓錐齒輪傳動(dòng),手部使用了直齒圓柱齒輪及左右螺旋的形式傳動(dòng)。移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),利用PRO/ENG對機(jī)械手建模運(yùn)動(dòng)仿真。
由于作者的水平有限,而且對有些相關(guān)學(xué)科,如傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等并不是很了解,仍有許多問題需要解決,還有許多問題值得進(jìn)一步討論和更加深入的研究與展望:
(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題
在移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中,包括移動(dòng)機(jī)械臂,采用模塊化設(shè)計(jì),不同功能結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì),各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。但是在模塊各零件設(shè)計(jì)過程中,各參數(shù)計(jì)算選擇主要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求出發(fā),很多零件為了匹配,比實(shí)際需求尺寸大很多。包括一些非關(guān)鍵零件設(shè)計(jì),均是根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),選擇尺寸。這種設(shè)計(jì)不僅增加了整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量,同時(shí)增加了電機(jī)負(fù)載,造成了資源浪費(fèi)。
在各模塊整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,結(jié)構(gòu)優(yōu)化也很重要。通過各零件之間最優(yōu)配合,使機(jī)械運(yùn)動(dòng)在實(shí)現(xiàn)功能前提下,實(shí)現(xiàn)最高傳動(dòng)效率,將能量消耗降到最低。
臂部的關(guān)節(jié)應(yīng)該放在大臂上,不應(yīng)該放在小臂上,增加了小臂的重量,增大了小臂的傳動(dòng)力矩,以及增加了臂部傳動(dòng)負(fù)荷。
(2)計(jì)算機(jī)的有限元的分析沒有做。通過對計(jì)算機(jī)有限元軟件的更深層次挖掘,對零件的強(qiáng)度和剛度和臂部的力學(xué)分析,會得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)以后可以作為后續(xù)學(xué)習(xí)的方向。
(3) 移動(dòng)機(jī)械臂自主控制系統(tǒng)的建立有待于進(jìn)一步研究,以及它的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),路徑規(guī)劃技術(shù),實(shí)時(shí)視覺技術(shù),定位和導(dǎo)航技術(shù),多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù),高性能計(jì)算技術(shù),無線通信與因特網(wǎng)技術(shù)問題也是多個(gè)有待研究的方面。
移動(dòng)機(jī)器人在未來生活中,包括消防、探測等危險(xiǎn)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(diǎn)支持的方向之一。通過對移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì),在整體系統(tǒng)的各各方面積累了比較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進(jìn)移動(dòng)機(jī)器人將走向成熟和實(shí)用化。
未來移動(dòng)機(jī)器人將有以下主要特點(diǎn):
(1)更優(yōu)的性能質(zhì)量比;
(2)更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力;
(3)更高的智能性能;
(4)具有成熟的搭載系統(tǒng);
相信隨著社會的進(jìn)步,科技的發(fā)展,本系統(tǒng)的研究將具有很大的市場潛力和廣闊的發(fā)展前景。
致 謝
論文是在老師的精心指導(dǎo)下完成的,自論文的選題到各章中若干重要基本問題的研究都傾注了導(dǎo)師的智慧。周老師淵博的知識、敏銳的洞察力以及富于啟發(fā)性的分析使我受益匪淺,周老師嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)作風(fēng)和勤奮進(jìn)取的工作精神使我受到極大的鞭策。在此,謹(jǐn)向我最尊重的周老師老師致以最誠摯的謝意!
特別感謝我的父母,他們一直無條件的支持我的學(xué)業(yè)和研究。感謝一切幫助過我的朋友,感謝網(wǎng)上提供資料的朋友……兩年來,我還得到了許多老師與諸多同學(xué)的大力支持與幫助,在此向所有曾經(jīng)關(guān)心和幫助我的人一并表示感謝!最后還要感謝百忙中抽出時(shí)間審閱我論文的老師,對他們的付出表示真誠的感謝!
參 考 文 獻(xiàn)
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