移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
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移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂裝配圖.dwg
臂部轉(zhuǎn)關(guān)節(jié).dwg
調(diào)整墊片.dwg
軸承端蓋.dwg
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(lái)源和研究?jī)?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(hào)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(yǔ) ……………………………………………………………………………… 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(duì)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(tái)，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(tái)，其上可搭載爆炸物處理、偵察、通訊、探測(cè)系統(tǒng)或其他特殊作業(yè)系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)械臂用來(lái)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(guò)移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)來(lái)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(lái)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(duì)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(wèn)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(jiǎn)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(chǎng)，而是開(kāi)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(lè)場(chǎng)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(lái)，對(duì)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(lái)越多，小到娛樂(lè)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(lái)越高。因此，無(wú)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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
歷史上一切高新技術(shù)無(wú)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(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)和二十一世紀(jì)初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程，特種戰(zhàn)爭(zhēng)以及城市戰(zhàn)爭(zhēng)日益成為戰(zhàn)爭(zhēng)一類型的主角，這一轉(zhuǎn)變直接推動(dòng)了各國(guó)地面移動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)即軍用地面移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)凸現(xiàn)了局部范圍內(nèi)的信息化，而戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人憑借自身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，已經(jīng)在本世紀(jì)的戰(zhàn)爭(zhēng)，例如伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中成為耀眼的新星?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)尤其是城市內(nèi)反恐怖戰(zhàn)爭(zhēng)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(huì)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(zhēng)和信息、戰(zhàn)爭(zhēng)，具有重大意義和軍事效益。二十一世紀(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)，戰(zhàn)爭(zhēng)的初期極可能是一場(chǎng)無(wú)人系統(tǒng)的較量。永不疲倦、無(wú)所畏懼的微小型無(wú)人移動(dòng)機(jī)器人是最理想的士兵。它們已在戰(zhàn)爭(zhēng)中顯示出的作戰(zhàn)本領(lǐng)，可以證明它們?cè)谖磥?lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的重要地位。微小型無(wú)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(chǎng)等)的局部戰(zhàn)爭(zhēng)和信息戰(zhàn)爭(zhēng)，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(lái)生活中，包括消防、探測(cè)等危險(xiǎn)作業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)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(shì)，也是我國(guó)國(guó)防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的方向之一。通過(guò)對(duì)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(guò)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(lái)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(jí)別的可靠性。
1.2.1 國(guó)外移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)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(duì)機(jī)器人的智能行為期望過(guò)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(guó)家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究與開(kāi)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(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上開(kāi)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(cè)機(jī)器人—“金字塔漫游者”，身長(zhǎng)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(cè)雷達(dá)系統(tǒng)、力度測(cè)量?jī)x、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(cè)雷達(dá)系統(tǒng)，可以穿透厚超過(guò)90厘米的混凝土。美國(guó)在2003年發(fā)射的兩輛火星探測(cè)車“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)分別于2004年1月3號(hào)和24號(hào)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(hào)探測(cè)車來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)具有手臂的移動(dòng)機(jī)器人。他的大腦是一臺(tái)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(jué)系統(tǒng)采用一對(duì)全景照相機(jī)來(lái)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(lái)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(cè)之外還用于探測(cè)車的路徑規(guī)劃上。最先進(jìn)的要數(shù)探測(cè)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)一對(duì)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(guò)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(duì)蝸輪蝸桿的固定裝置進(jìn)行組合加工來(lái)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(shuō)，在傳動(dòng)過(guò)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?jí)傳動(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(méi)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(lái)。由于法蘭盤(pán)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(yǔ)
總結(jié)本文對(duì)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(duì)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(duì)機(jī)械手建模運(yùn)動(dòng)仿真。
由于作者的水平有限，而且對(duì)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(wèn)題需要解決，還有許多問(wèn)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(wèn)題
在移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)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(guò)程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化也很重要。通過(guò)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(méi)有做。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)有限元軟件的更深層次挖掘，對(duì)零件的強(qiáng)度和剛度和臂部的力學(xué)分析，會(huì)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(jué)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(wú)線通信與因特網(wǎng)技術(shù)問(wèn)題也是多個(gè)有待研究的方面。
移動(dòng)機(jī)器人在未來(lái)生活中，包括消防、探測(cè)等危險(xiǎn)作業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)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(shì)，也是我國(guó)國(guó)防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的方向之一。通過(guò)對(duì)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(guò)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(lái)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(huì)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(chǎng)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(wèn)題的研究都傾注了導(dǎo)師的智慧。周老師淵博的知識(shí)、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(chéng)摯的謝意!
特別感謝我的父母，他們一直無(wú)條件的支持我的學(xué)業(yè)和研究。感謝一切幫助過(guò)我的朋友，感謝網(wǎng)上提供資料的朋友……兩年來(lái)，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(duì)他們的付出表示真誠(chéng)的感謝!
參 考 文 獻(xiàn)
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 1 頁(yè) 共 46 頁(yè) 目 錄 1 引言??????????????????????????? ???? 1 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的 ???????????????? 1 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究 ??? ???????????????? 2 課題的來(lái)源和研究?jī)?nèi)容 ????????? ??? ???????? 5 2 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì) ???????????????????? 7 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的確定 ????????? ??????? ??????? 7 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 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 ???????????????????????? 9 傳動(dòng)方式的選擇 ???????????????????????? ? 9 部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ????????? ???? ?????????? 9 電機(jī)的計(jì)算與型號(hào)選擇 ?????????????????????? 12 材料的選擇與強(qiáng)度校核 ????? ????????????????? 14 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 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 ??????????????????????? 18 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ????????????????????????? 19 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 肩部的傳動(dòng)方式 ???????????????????????? ? 28 肩部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ???????????????????????? ? 29 肩部電機(jī)的選擇 ????????????????????????? 31 肩部直流電機(jī)的計(jì)算 ?????????????????????? ? 32 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 機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu) 分析 ?????????????????????? 39 本章小結(jié) ???????????????????????????? 39 結(jié)束語(yǔ) ?????????????????????????????? 42 致謝 ??????????????????????????????? 45 參考文獻(xiàn)????????????????????????????? 46 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 2 頁(yè) 共 46 頁(yè) 1 引言 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(duì)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(tái)，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(tái)，其上可搭載爆炸物處理、偵察、通訊、探測(cè)系統(tǒng)或其他特殊作業(yè)系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)械臂用來(lái)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(guò)移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)來(lái)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(lái)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(duì)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(wèn)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(jiǎn)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(chǎng)，而是開(kāi)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(lè)場(chǎng)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(lái)，對(duì)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(lái)越多，小到娛樂(lè)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(lái)越高。因此，無(wú)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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。 歷史上一切高新技術(shù)無(wú)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(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)和二十一世紀(jì)初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程，特種戰(zhàn)爭(zhēng)以及城市戰(zhàn)爭(zhēng)日益成為戰(zhàn)爭(zhēng)一類型的主角，這一轉(zhuǎn)變直接推動(dòng)了各國(guó)地面移動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)即軍用地面移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)凸現(xiàn)了局部范圍內(nèi)的信息化，而戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 3 頁(yè) 共 46 頁(yè) 人憑借自身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，已經(jīng)在本世紀(jì)的戰(zhàn)爭(zhēng)，例如伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中成為耀眼的新星?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)尤其是城市內(nèi)反恐怖戰(zhàn)爭(zhēng)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(huì)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(zhēng)和信息、戰(zhàn)爭(zhēng)，具有重大意義和軍事效益。二十一世紀(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)，戰(zhàn)爭(zhēng) 的初期極可能是一場(chǎng)無(wú)人系統(tǒng)的較量。永不疲倦、無(wú)所 畏懼的微小型無(wú)人移動(dòng)機(jī)器人 是最理想的士兵。它們已在戰(zhàn)爭(zhēng)中顯示出的作戰(zhàn)本領(lǐng)，可以證明它們?cè)谖磥?lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的重要地位。微小型無(wú)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(chǎng)等 )的局部戰(zhàn)爭(zhēng)和信息戰(zhàn)爭(zhēng)，具有重大戰(zhàn)略意義和 效益。 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(lái)生活中，包括消防、探測(cè)等危險(xiǎn)作業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)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(shì)，也是我國(guó)國(guó)防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的方向之一。通過(guò)對(duì)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(guò)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(lái)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(jí)別的可靠性。 國(guó)外移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)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(duì)機(jī)器人的智能行為期望過(guò)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(guó)家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人 機(jī)械臂 的研究與開(kāi)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(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。例如 2002 年 制的金字塔探測(cè)機(jī)器人 — “金字塔漫游者”，身長(zhǎng) 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(cè)雷達(dá)系統(tǒng)、力度測(cè)量?jī)x、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(cè)雷達(dá)系統(tǒng)，可以穿透厚超過(guò) 90 厘米的混凝 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 4 頁(yè) 共 46 頁(yè) 土。美國(guó)在 2003 年發(fā)射的兩輛火星探測(cè)車“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇 ”號(hào)分別于 2004 年 1月 3 號(hào)和 24 號(hào)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(hào)探測(cè)車來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)具有手臂的移動(dòng)機(jī)器人。他的大腦是一臺(tái)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(jué)系統(tǒng)采用一對(duì)全景照相機(jī)來(lái)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(lái)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(cè)之外還用于探測(cè)車的路徑 規(guī)劃上。最先進(jìn)的要數(shù)探測(cè)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(lái)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(chǎng)和處理炸藥等危險(xiǎn)物品。該車長(zhǎng) 1. 4m,寬 0. 67m、高 0. 8m、重 3506 X 6)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力裝置為 1 臺(tái)電動(dòng)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(dòng)操作臂，有 6 個(gè)自由度， 固定在機(jī)器人車的旋轉(zhuǎn)塔上。 機(jī)械 臂不伸長(zhǎng)時(shí)可吊重 80直時(shí)最長(zhǎng)為 1. 5m，此時(shí)可吊重 16作臂頂端裝有夾爪，夾緊力可達(dá) 30把物體提升至 2. 75m 高。該車采用 100m(或250m)長(zhǎng)的電纜或無(wú)線電裝置進(jìn)行遙控。 機(jī)械 手完成整個(gè)操作過(guò)程必須借助 1 臺(tái)黑白或彩色電視顯示器，顯示車上 3 個(gè)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(gè)鹵氣探照燈，可在夜間或能見(jiàn)度很低的地區(qū)使用。 除室外移動(dòng)機(jī)器人外，世界各國(guó)在遙控移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的集成等方面都作了大量的研究。 國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人 機(jī)械臂 的研究起步雖然較晚，但經(jīng)過(guò)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(gè)單項(xiàng)研究階段。國(guó)內(nèi)的移動(dòng)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(guó)外機(jī)器人平臺(tái)的引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā)三個(gè)階段。下面是國(guó)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(guó)防科大、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)聯(lián)合研制了 陸地移動(dòng)機(jī)器人，并成功完成了全部實(shí)驗(yàn)測(cè)試，正常行駛速度為 h，同時(shí)支持臨場(chǎng)感 遙控駕駛及戰(zhàn)場(chǎng)偵察等功能。清華 清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中科院院士張錢教 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 5 頁(yè) 共 46 頁(yè) 授主持下研制的新一代智能移動(dòng)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(guò)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(cè)距儀組成的道路與障礙物檢測(cè)系統(tǒng) ;由差分 羅盤(pán)和光電碼盤(pán)組成的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)等。兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行視覺(jué)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(tái) 控機(jī)分別完成激光測(cè)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(jì) 行駛于高速公路車速為 80h，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(gè)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(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 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(dòng)系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語(yǔ)言識(shí)別及語(yǔ)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(yùn)行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進(jìn)行避障，并通過(guò)語(yǔ)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(jì)自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的激光導(dǎo)引 用于公安防暴的“靈晰一 B”型移動(dòng)機(jī)器人、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)制造的全方位移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)等。本文主要論述是移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 移動(dòng)機(jī)器人的研究 熱點(diǎn) 綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究情況，當(dāng)代移動(dòng)機(jī)器人的研究主要集中于以下幾個(gè)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(jì) ，是根據(jù)實(shí)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(gè)領(lǐng)域及各種場(chǎng)合的應(yīng)用，研究人員開(kāi)展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當(dāng)前，對(duì)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(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。 (2)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂本身是一個(gè)非完整約束系統(tǒng)，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)的零漂移的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過(guò)連續(xù)可微的時(shí)不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過(guò)時(shí)變、不連續(xù)控制以及混合 策略，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過(guò)渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 6 頁(yè) 共 46 頁(yè) 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(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂在行駛中，必須避開(kāi)它無(wú)法通過(guò)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(wèn)題，顯得更為重要。 (4)實(shí)時(shí)視覺(jué)技術(shù)。該技術(shù)主要涉及到視覺(jué)信息的實(shí)時(shí)采集、預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別。而且，視覺(jué)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(dòng)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(wú)人戰(zhàn)車的技術(shù)基礎(chǔ)。位置的測(cè)量可以分為相對(duì)位置測(cè)量和絕對(duì)位置測(cè)量，測(cè)量方法有里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、主動(dòng)燈塔、磁羅盤(pán)、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(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂采用測(cè)距技術(shù)， 此，準(zhǔn)確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對(duì)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(jì)算技術(shù)。在移動(dòng)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?yàn)楫?dāng)時(shí)市場(chǎng)上的通用硬件不能滿足諸如實(shí)時(shí)圖像處理所需的計(jì)算能力。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的迅猛提高，研究者們開(kāi)始采用通用處理器來(lái)構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)。目一前用于移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個(gè)高速通用處理器加上幾個(gè)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(jì)算 )，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來(lái)縮小體積，達(dá)到優(yōu)化 的性能。 (8)無(wú)線通信與因特網(wǎng)技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人臂之間的通信和信息共享，以及移動(dòng)機(jī)械臂與外部的聯(lián)系。 本文要研究是移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 課題的來(lái)源和研究?jī)?nèi)容 本課題來(lái)源于南京市科技局的科技計(jì)劃項(xiàng)目，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)合當(dāng)前小型移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展，而進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)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(yùn)動(dòng)性能。 將移動(dòng)機(jī)械臂安裝在是一個(gè)小型多用途移 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 7 頁(yè) 共 46 頁(yè) 動(dòng)作業(yè)機(jī)器人智能移動(dòng)平臺(tái)，可以用于執(zhí)行 爆炸物處理、偵察、通訊、探測(cè)系統(tǒng)或其他特殊 任務(wù) 。 通過(guò)幾個(gè)階段系統(tǒng)的 分析、設(shè)計(jì)與計(jì)算等過(guò)程，提高分析與解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。 具備較扎實(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化方面的專業(yè)知識(shí)，能較熟練的使用 本課題以小型地面移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械折疊臂為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)。 論文以實(shí)際工程為背景，結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂研究設(shè)計(jì)過(guò)程中遇見(jiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行分析。內(nèi)容安排如下： 在了解總體尺寸、重量及運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和比較；對(duì)選定的方案進(jìn)行機(jī)構(gòu)造型、分析、設(shè)計(jì)與計(jì)算；繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖；編寫(xiě)設(shè)計(jì)、計(jì)算說(shuō)明書(shū)。 設(shè)計(jì)機(jī)械臂及夾持機(jī) 構(gòu)。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)要求：機(jī)械臂折疊時(shí)總長(zhǎng) ≤ 650臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)范圍 :150°，旋動(dòng)速度 s，系統(tǒng)自重 ≤ 7器人底盤(pán)系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長(zhǎng)×寬×高 =800540260械臂的抓取重量為 3取對(duì)象為直徑 40度 360圓柱體。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 8 頁(yè) 共 46 頁(yè) 2 移動(dòng)機(jī)器人 機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì) 機(jī)械臂 結(jié)構(gòu)的確定 作為一款多功能移動(dòng)機(jī)器人，為完成如排爆等任務(wù)，抓取危險(xiǎn)物品移動(dòng)至安全爆地點(diǎn)，能夠靈活的移動(dòng)到指定的目標(biāo)位置來(lái)抓取目標(biāo)物，能夠方便的伸長(zhǎng)、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(wú)法抓取目標(biāo)物，有時(shí)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(pán)的移動(dòng)以及機(jī)械臂的重量。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有 3 個(gè)自由度。下面分別是手部、 臂 部和肩部的具體設(shè)計(jì)。機(jī)械臂的 結(jié)構(gòu) 如圖 示： 圖 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu) 1. 手部關(guān)節(jié) 節(jié) 節(jié) 機(jī)械 臂設(shè)計(jì) 的主要參數(shù) 臂長(zhǎng)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(dòng)桿原理 [19]，作為機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。該原理的內(nèi)容是 :人體手臂、腿部及動(dòng)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(dòng)桿演化來(lái)，因?yàn)闆Q定它們的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征的最基本的部分是平面運(yùn)動(dòng)，這部分運(yùn)動(dòng)被稱為三 動(dòng)桿的主運(yùn)動(dòng)，它是瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)軸線平行的三動(dòng)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，三自由度面的 動(dòng)桿機(jī)構(gòu)可以作為上述機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則同樣可以用來(lái)衡量手臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)三動(dòng)桿基本運(yùn)動(dòng)理論，仿人手臂可以看作三動(dòng)桿機(jī)構(gòu)，即將大臂、小臂、手爪作為三 動(dòng)桿。 假定機(jī)械手各部分長(zhǎng)度為 :上臂 A、小臂 B、手爪 C， L=(A+B+ C)/3，則可得到 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 9 頁(yè) 共 46 頁(yè) =A/ L，根據(jù)三動(dòng)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(zhǎng)度滿足下列條件， 1~且 1 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(guò)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(guò)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(guò)一對(duì)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(guò)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(duì)蝸輪蝸桿的固定裝置進(jìn)行組合加工來(lái)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(shuō)，在傳動(dòng)過(guò)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?jí)傳動(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(méi)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(lái)。由于法蘭 盤(pán)和臂部體積較大，使得肩部的體積也較大，且不夠緊湊。 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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 43 頁(yè) 共 46 頁(yè) 結(jié)束語(yǔ) 總結(jié) 本文對(duì)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(duì) 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 機(jī)械 手建模運(yùn)動(dòng)仿真。 由于作者的水平 有限，而且對(duì)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(wèn)題需要解決，還有許多問(wèn)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(wèn)題 在移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)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(guò)程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化也很重要。通過(guò)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(méi)有做 。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī) 有限元 軟件的更深層次挖掘，對(duì)零件的強(qiáng)度和剛度 和臂部的力學(xué)分析 ，會(huì)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(jué)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(wú)線通信與因特網(wǎng)技術(shù) 問(wèn)題也是多 個(gè)有待研究的方面。 移動(dòng)機(jī)器人在未來(lái)生活中，包括消防、探測(cè)等危險(xiǎn)作業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 44 頁(yè) 共 46 頁(yè) 包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是我國(guó)國(guó)防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的 方向之一。通過(guò)對(duì) 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(guò)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(lái)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(huì)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(chǎng)潛力和廣 闊的發(fā)展前景。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 45 頁(yè) 共 46 頁(yè) 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(wèn)題的研究都傾注了導(dǎo)師的智慧。周老師淵博的知識(shí)、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(chéng)摯的謝意 ! 特別感謝我的父母，他們一直無(wú)條件的支持我的學(xué)業(yè)和研究。感謝一切幫助過(guò)我的朋友，感謝網(wǎng)上提 供資料的朋友??兩年來(lái)，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(duì)他們的付出表示真誠(chéng)的感謝 ! 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 46 頁(yè) 共 46 頁(yè) 參 考 文 獻(xiàn) [1] 李新春等 J］ . 機(jī)器人， 2004（ 11）： 103~106. 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