移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)【9張CAD高清圖紙、文檔所見(jiàn)所得】

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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(chē)間現(xiàn)場(chǎng)，而是開(kāi)始走向海洋、太空和戶(hù)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(lèi)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?chē)臉欠坷锛敖值郎系臄城?。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(lèi)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(chē)“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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的路徑規(guī)劃上。最先進(jìn)的要數(shù)探測(cè)車(chē)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(chē)長(zhǎng)1. 4m,寬0. 67m、高0. 8m、重350kg、(6 X 6)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力裝置為1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，車(chē)上供電蓄電池可使用2h，車(chē)速(前進(jìn)或后退)可在0 至6. 5km/h之間連續(xù)變化。車(chē)上裝有活動(dòng)操作臂，有6個(gè)自由度，固定在機(jī)器人車(chē)的旋轉(zhuǎn)塔上。機(jī)械臂不伸長(zhǎng)時(shí)可吊重80kg，伸直時(shí)最長(zhǎng)為1. 5m，此時(shí)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(chē)采用100m(或250m)長(zhǎng)的電纜或無(wú)線(xiàn)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(chē)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(chē)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。1.2.2 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ALVLABII型陸地移動(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30.6km/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V型智能車(chē)THMR-V是清華大學(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(qián)教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(chē)體采用道奇7座廂式車(chē)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GPS、磁羅盤(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)IPC工控機(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(chē)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(chē)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)。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(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(chē)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AGV和用于公安防暴的“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)。1.2.3 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)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(chē)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)，GPS定位技術(shù)和小型陀螺儀技術(shù)等多種傳感技術(shù)來(lái)采集不同類(lèi)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(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(zhuān)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(mǎn)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(zhuān)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(xiàn)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)。1.3 本課題的來(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(zhuān)業(yè)知識(shí)，能較熟練的使用CAD軟件或其他工程設(shè)計(jì)與分析軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。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)650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)范圍:150，旋動(dòng)速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重7kg。機(jī)器人底盤(pán)系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長(zhǎng)寬高=800mm540mm260mm。機(jī)械臂的抓取重量為3kg，抓取對(duì)象為直徑40mm、長(zhǎng)度360mm的圓柱體。2 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)2.1 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(tái)2.2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)的主要參數(shù)2.2.1 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(chēng)為三動(dòng)桿的主運(yùn)動(dòng)，它是瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)軸線(xiàn)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r1 =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(mǎn)足下列條件，r1 : r2 = 11.2，并且r30.5時(shí)，三動(dòng)桿的靈活性和運(yùn)動(dòng)幅度較高，同時(shí)，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(shí)，操作過(guò)程中易于實(shí)現(xiàn)精度控制。因此，結(jié)合三動(dòng)桿原理，確定機(jī)械手的各部分尺寸長(zhǎng)度為大臂380mm、小臂420m,手爪160mm。設(shè)計(jì)該長(zhǎng)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)⒈ㄎ镒ト∫苿?dòng)，以直徑40mm，長(zhǎng)為360mm的圓柱體為例進(jìn)行了計(jì)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(jì)的原則（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求機(jī)械臂折疊時(shí)總長(zhǎng)650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)范圍:150，旋動(dòng)速度0.5rad/s， 機(jī)械臂的抓取重量為3kg，抓取對(duì)象為直徑40mm、長(zhǎng)度360mm的圓柱體。(2)機(jī)械系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂性能的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響到移動(dòng)機(jī)械臂性能指標(biāo)。合理的、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能提供可靠的機(jī)器人本體，更可以減少調(diào)試試驗(yàn)中的不可靠因素。但是，機(jī)械設(shè)計(jì)周期十分長(zhǎng)，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(jì)在本項(xiàng)目中顯得十分重要。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：(a) 結(jié)構(gòu)尺寸方面滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo);(b) 零件結(jié)構(gòu)便于加工、測(cè)量;(c) 滿(mǎn)足剛度強(qiáng)度要求;(d) 總體結(jié)構(gòu)易拆卸，便于平時(shí)的試驗(yàn)、調(diào)試、和修理;(e) 給機(jī)器人暫時(shí)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(lái)能改進(jìn)與擴(kuò)展;(f ) 采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊之間相互獨(dú)立裝配，互不干擾。設(shè)計(jì)過(guò)程中主要使用的設(shè)計(jì)工具有美國(guó)PTC參數(shù)技術(shù)公司的三維設(shè)計(jì)軟件Pro/engineer野火版3.0以及Autodesk公司的二維設(shè)計(jì)軟件AutoCAD2007。3 移動(dòng)機(jī)械臂機(jī)械手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)都有如下幾點(diǎn)基本要求:（1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過(guò)大則動(dòng)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(guò)小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落。在確定握力時(shí)，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證夾持安全可靠。（2)手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍，手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角度(手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度)或開(kāi)閉范圍(對(duì)平移型手指從張開(kāi)到閉合的直線(xiàn)移動(dòng)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(gè)被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對(duì)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(dòng)方式的選擇機(jī)械傳動(dòng)是主要的傳動(dòng)裝置，常用的有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)等。根據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況選擇齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)傳動(dòng)。它傳動(dòng)效率高，在正常的潤(rùn)滑條件下效率可達(dá)99%以上；手指的設(shè)計(jì)將采用平移運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)夾持物體，這里將采用左右螺旋軸和齒輪副一起作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)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(gè)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單、控制容易的優(yōu)點(diǎn)。圖3.1 回轉(zhuǎn)型 圖3.2 平移型在手爪的設(shè)計(jì)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(jiàn)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(xiàn)電機(jī)圖3.3 直線(xiàn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條的手爪方案 該結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直線(xiàn)電機(jī)，直線(xiàn)電機(jī)軸帶動(dòng)齒條沿軸線(xiàn)方向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)扇形齒輪則在齒條的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿和與連桿鉸接的夾鉗實(shí)現(xiàn)開(kāi)合動(dòng)作，該機(jī)構(gòu)從實(shí)現(xiàn)上最為簡(jiǎn)單?？紤]到與后面要使用電機(jī)的配套，如果選擇直線(xiàn)電機(jī)，則必須選擇單獨(dú)的一套驅(qū)動(dòng)器，勢(shì)必增加成本。方案二: 圓柱直齒輪和螺旋軸而方案一為了實(shí)現(xiàn)較大的手爪開(kāi)合尺寸，齒條部分必需做的較長(zhǎng)，而在整個(gè)手爪開(kāi)合的行程中，手爪完全張開(kāi)時(shí)，齒條有一部分要伸出手爪殼體。綜合以上因素，實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了如下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用圓柱直齒輪和螺旋軸，整個(gè)末端執(zhí)行器體積小、質(zhì)量輕。兩手指相對(duì)于末端執(zhí)行器在左右螺旋的帶動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到開(kāi)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(guò)以上的研究討論從而設(shè)計(jì)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(shí)又降低了整體的重量。前段可以?shī)A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?shī)A持圓形和不規(guī)則形狀的物體手指伸出長(zhǎng)度為 125mm，開(kāi)合范圍 4-70mm。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1經(jīng)齒輪2傳動(dòng)齒輪5，驅(qū)動(dòng)左右螺旋軸4使兩手指6、7進(jìn)行開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。兩手指相對(duì)于末端執(zhí)行器在左右螺旋的帶動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到開(kāi)合作用。兩根導(dǎo)向軸3固定兩手指并引導(dǎo)兩手指的運(yùn)動(dòng)軌跡。這種設(shè)計(jì)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(jì)算與型號(hào)選擇34.1 電機(jī)的計(jì)算在確定握力時(shí)，除考慮抓取物體重量3Kg外，還應(yīng)考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)，以保證夾持安全可靠。另外，電動(dòng)機(jī)根據(jù)運(yùn)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(jì)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(dòng)為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。本文設(shè)計(jì)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(dòng)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(shù) 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(dòng)比 n=1:1，忽略齒輪傳動(dòng)摩擦及軸承滾動(dòng)摩擦力矩，根據(jù)上述計(jì)算，我們選擇了北京和利時(shí)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(mǎn)足設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)熱處理來(lái)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(duì)于強(qiáng)度、速度和精度要求不高的齒輪傳動(dòng)，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(hào)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(jí)。本文設(shè)計(jì)的齒輪副速度要求不高，所以設(shè)計(jì)選用40Cr為材料，軟齒面即可滿(mǎn)足傳動(dòng)要求。3.5.2 齒輪副的強(qiáng)度校核 輪齒在受載荷時(shí)，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(duì)于制造精度較低的傳動(dòng)齒輪，由于制造誤差大，實(shí)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(jì)算，通常按全部載荷作用于齒頂來(lái)計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。本文設(shè)計(jì)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(dòng)比u=1:1。電機(jī)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩T=90。那么齒輪所受的圓周力 （3-4）對(duì)于齒輪的校核將從兩方面來(lái)計(jì)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(lái)說(shuō)，齒輪是合格的。(2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核） 本文設(shè)計(jì)中的齒輪為一懸臂梁。 齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件式為 （3-7）式中：為齒根危險(xiǎn)截面處的理論彎曲應(yīng)力； 為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力校正系數(shù)，取=1.625； 為載荷作用于齒頂時(shí)的齒形系數(shù)，取=2.52； 為彎曲疲勞許用應(yīng)力 （3-8）其中： 為彎曲疲勞壽命系數(shù)，查得=0.88； 為彎曲疲勞強(qiáng)度極限，取=380； 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。 從而求得： =238.86將所有已知量帶入(7)式，求得： =5.53=238.86以上計(jì)算可知，設(shè)計(jì)的齒輪副是合格的。 (3)殼體件材料的選擇機(jī)械手臂的殼體可以全部選用硬鋁合金分段鑄造加工而成。本文選用的是ZAlSi9Mg，這是一種硬鋁材料，強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，完全符合本文的設(shè)計(jì)要求。機(jī)械手指不是殼體機(jī)構(gòu)，它是實(shí)體的。本文設(shè)計(jì)的手指材料也選用同樣的鋁合金。這有利于材料的購(gòu)買(mǎi)，同樣這種材料是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的。材料ZAlSi9Mg的彎曲應(yīng)力240，手指抓去的最大質(zhì)量為3000g，重力為29.4N。對(duì)比兩者的力學(xué)性能和受力情況，很顯然此材料來(lái)制造手指遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中的要求。，不會(huì)出現(xiàn)手指彎曲變形的情況。 (4)本體支撐件材料的選擇和校核（a）材料的選擇機(jī)械臂支撐件由于與連接件之間為滑動(dòng)摩擦,需要選取一種耐摩擦,同時(shí)要求強(qiáng)度大,質(zhì)量輕,價(jià)格便宜的材料來(lái)制造。工程塑料擁有良好的綜合性能,其強(qiáng)度、剛度、沖擊韌性、抗疲勞等不較高,特別是擁有很高的耐磨性。它可以在無(wú)潤(rùn)滑油的情況下有效的進(jìn)行工作。由于它相對(duì)密度小,因此其強(qiáng)度高。聚甲醛(POM)是一種比較常用的工程塑料。它是以線(xiàn)性結(jié)晶高聚甲醛樹(shù)脂為基礎(chǔ)的。它有著高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其強(qiáng)度和金屬近似,摩擦因數(shù)小并有自潤(rùn)滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一種相當(dāng)便宜的材料。由于本設(shè)計(jì)中的負(fù)荷低,移動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度不快,從而此處選擇有聚甲醛這種工程塑料來(lái)制造手部的導(dǎo)向軸。（b）支撐件的校核支撐件是用來(lái)支撐機(jī)器人主要機(jī)械機(jī)構(gòu)的，本文中共用兩個(gè)支撐件，直徑各為8mm,手部的兩個(gè)導(dǎo)向軸受力幾乎一樣。手部要抓取的物體重量為3Kg。這樣每個(gè)導(dǎo)向軸受到的重量有3Kg。受到的重力僅為29.4N。聚甲醛分為均聚和共聚兩種，使用時(shí)應(yīng)注意它們性能上的區(qū)別。共聚甲醛在短期內(nèi)強(qiáng)度好而均聚甲醛柔軟性好。共聚物比均聚物軟化點(diǎn)高10，受載荷時(shí)熱變形溫度高，熱穩(wěn)定性好，成型溫度范圍廣。聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)如表3.3所示：表3.3 聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)(23)項(xiàng)目單位試驗(yàn)方法ASTM一般型號(hào)CF增強(qiáng)型號(hào)均聚物共聚物均聚物共聚物物理機(jī)械性能比重吸水率(24h浸漬)吸水率*抗張強(qiáng)度相對(duì)伸長(zhǎng)拉伸模量抗彎強(qiáng)度彎曲模量壓縮強(qiáng)度(10%)剪切強(qiáng)度懸臂梁（缺口）沖擊強(qiáng)度(無(wú)缺口)洛氏硬度錐度摩擦摩擦系數(shù)(對(duì)鋼)摩擦系數(shù)同材料-%MPa%GPaMPaGPaMPaMPaJ/cmJ/cm-Mg/千周-D570D570D638D638D638D790D790D695D732D256D256D785D1044D1894-1.420.250.2268.6403.197.12.82124.565.70.7451.284M94-1.410.220.1660.8602.8296.12.59107.953.00.63711.17M80140.150.351.560.250.2058.8126.2173.55.03124.565.70.431-M90-1.610.29-127.538.63193.27.55117.766.70.8434.31M79400.150.35表注: 1. 吸水率*（23，50%RH平衡） 聚甲醛的抗壓強(qiáng)度為124.5，抗彎強(qiáng)度為97.1，整個(gè)零件的強(qiáng)度和剛度是非常大的。從每個(gè)件的受力來(lái)看，材料聚甲醛的各個(gè)力學(xué)性能完全滿(mǎn)足本文的設(shè)計(jì)要求。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而機(jī)器人移動(dòng)速度慢，從摩擦的角度來(lái)說(shuō)，聚甲醛也是理想的支撐件材料。聚甲醛與其他塑料相比，具有自潤(rùn)滑性及低摩擦系數(shù)、低磨耗等特點(diǎn)。其動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)相近，粘接較困難。有報(bào)導(dǎo)與鋼進(jìn)行摩擦試驗(yàn)結(jié)果如表3.4所示：表3.4 與硬鋁進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果動(dòng)摩擦系數(shù)0.21 1(P1：0.27MPa)(v1：25cms)比因耗1.32mm3(Nm)臨界Pv值122kPa. ms3.6本章小結(jié)本章介紹手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及傳動(dòng)方式的選擇的比較，手指的設(shè)計(jì)方案的比較，電機(jī)的計(jì)算與型號(hào)選擇。移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂各零部件所要求的強(qiáng)度、剛度等都不同，應(yīng)該選用不同的材料來(lái)制造加工。所以本章就依據(jù)機(jī)器人在工作過(guò)程中各零部件不同受力情況，以及機(jī)械設(shè)計(jì)的要求選用了不同的材料來(lái)制造零件，并對(duì)零件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，使其達(dá)到工作要求。4 臂部結(jié)構(gòu)4.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求手臂部件是機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)抓取物體，則移動(dòng)臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部設(shè)計(jì)基本要求: （1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機(jī)械手常采用無(wú)縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼（如圖4.1和4.2所示）或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。（2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小在一般情況下，手臂的移動(dòng)要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施: (a) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料; (b) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸 (c) 減少回轉(zhuǎn)半徑 (d) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置(3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。(4)位置精度要高。一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手位置精度高;關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類(lèi)和鑄件的大小，見(jiàn)表4.1所示：鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 200200 200200500500 500500 58 1012 1520 35 410 1015 46 812 1220 35 68 33.5 46 35 68 表4.1砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm）以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見(jiàn)總裝配圖。4.2 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.1 臂部結(jié)構(gòu)大臂部工字鋼結(jié)構(gòu)如圖4.1所示圖4.1 大臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖小臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示：圖4.2 小臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖肘關(guān)節(jié)的三維爆炸圖如圖4.3所示：圖4.3 肘關(guān)節(jié)三維爆炸圖肘關(guān)節(jié)的三維零件圖如圖4.4所示：圖4.4 肘關(guān)節(jié)三維零件圖肘關(guān)節(jié)剖視圖如圖4.5所示：圖4.5 肘關(guān)節(jié)剖視圖1一圓錐齒輪A 2一圓錐齒輪B 3一軸套 4一滾動(dòng)軸承 5一緊定螺釘6一螺釘 7一大臂 8一螺釘 9一軸承端蓋 10一軸11一小臂 12一電機(jī)圓錐齒輪的嚙合面和齒隙是相互影響的，在檢查調(diào)整時(shí)不能單一地檢查調(diào)整嚙合面或齒隙，而應(yīng)綜合檢查調(diào)整，一般是先檢查調(diào)整嚙合面，然后檢查調(diào)整齒隙。調(diào)整好圓錐齒輪的嚙合面后，要檢查圓錐齒輪的齒隙。將百分表的量頭觸在牙齒大端的節(jié)圓處進(jìn)行測(cè)量。如果齒隙不正確，要根據(jù)嚙合面的實(shí)際情況，在嚙合面允許變化的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整齒隙后，要檢查齒背不平齊差，即配對(duì)圓錐齒輪的錐頂要重合。此要求可通過(guò)檢查兩圓錐齒輪大端的背錐面是否相平齊來(lái)保證。4.2.2 臂部肘關(guān)節(jié)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)一對(duì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)如圖4.6所示：圖4.6 一對(duì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)注意，直齒圓錐齒輪最小齒數(shù)為，齒數(shù)比不宜過(guò)大。齒寬系數(shù)不應(yīng)過(guò)大，因?yàn)閳A錐齒輪的齒越寬，制造、安裝誤差就越大，偏載也越嚴(yán)重，故一般取，還應(yīng)使最小齒寬(1) 選定齒輪材料，熱處理方式 ，齒數(shù)及精度等級(jí) 對(duì)于一般齒輪傳動(dòng)，可選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼。A齒輪：45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)HB240270（T255）；B齒輪：45號(hào)鋼，正火HB180210（Z195）；兩輪均為軟齒面（HB350）。為避免根切及具有較好性能，考慮到直齒圓錐齒輪最小齒數(shù),選定齒輪齒數(shù)。按一般的加工能力及 使用要求，初選齒輪精度等級(jí)為8級(jí)。(2) 初步確定主要參數(shù)由于兩齒輪齒面均為軟齒面（HB350），可以先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定A齒輪的分度圓直徑，即（mm） （4-1）式中：工作轉(zhuǎn)矩工作情況系數(shù) ，由表49，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作平穩(wěn)，取1；載荷分布不均系數(shù)，見(jiàn)表52，一般工業(yè)，一齒輪為懸臂支承，取1.2；齒寬系數(shù)，由表53取0.3；齒數(shù)比，；齒輪材料接觸疲勞的基本許用應(yīng)力，由圖413(a)，碳鋼，鋼質(zhì)，調(diào)質(zhì)，取；正火，。 將以上系數(shù)和中的小值代入公式得 （4-2）大端模數(shù) （4-3） 按照表47齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，選取第一系列模數(shù)值。 然后，再根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。 （4-4） （4-5）式中： （4-6） （4-7） 動(dòng)載荷系數(shù)，用平均直徑處的圓周速度按降一級(jí)精度（即9級(jí)）并由圖420(a)查取，其中 （4-8） （4-9） （4-10）由圖420（a）查得1； （4-11） （4-12） 齒形系數(shù)，查圖427得；齒寬，圓整后?。积X輪材料彎曲疲勞的基本許用應(yīng)力，可查圖412（c）得：，； （4-13）查圖430得 查圖431得 查圖432得 ， （4-14）由于，故計(jì)算小輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 表明取是合格的。(3) 計(jì)算圓錐齒輪的有關(guān)參數(shù)工作轉(zhuǎn)矩： 圓錐齒輪大端分度圓直徑：圓錐齒輪的分錐角，：（） 圓錐齒輪錐距： （4-15）齒寬系數(shù)： （4-16）(4) 計(jì)算齒輪嚙合處作用力：圓周力 （4-17）軸向力 （4-18）徑向力 （4-19）當(dāng)時(shí)，一齒輪的徑向力與另一齒輪的軸向力數(shù)值相等而方向相反。即 ，。圓錐齒輪作用力方向如圖4.7所示：圖4.7 圓錐齒輪作用力方向電動(dòng)機(jī)置于小臂殼體內(nèi)。其中方形截面為機(jī)械手大臂與小臂的殼體，截面為小臂機(jī)構(gòu)的殼體。機(jī)械手手臂剛性好、抗扭能力強(qiáng)、重量輕，所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置都置于機(jī)械手臂內(nèi)部，外形簡(jiǎn)潔。機(jī)械手表面還裝有緩沖墊，當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時(shí)，可以起到緩沖作用，避免手臂沖擊造成損壞。為大臂外殼所粘貼的橡膠墊，起緩沖墊作用圖4.8所示： 圖4.8 大臂的緩沖墊機(jī)械臂的2種三維姿態(tài)如圖4.9所示：圖4.9 機(jī)械臂三維姿態(tài)機(jī)械臂的三維爆炸圖如圖4.10所示：圖4.10 機(jī)械臂的三維爆炸圖4.3 臂部電機(jī)的選擇電機(jī)選型的計(jì)算同手部的計(jì)算同，則選擇了北京和利時(shí)電機(jī)公司56BYG250C-SASSBL-0241型號(hào)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表4.1所示：表4.1 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)電機(jī)型號(hào)相數(shù)步距角相電阻相電感保持轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量質(zhì)量驅(qū)動(dòng)電壓56BYG250C-SASSBL-024120.9/1.81.24.01.040.042600.648 步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線(xiàn)如圖4.6所示：圖4.6 步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的尺寸如圖4.7所示：圖4.7 步進(jìn)電機(jī)的尺寸步進(jìn)電機(jī)的安裝如圖4.8所示：圖4.8 步進(jìn)電機(jī)的安裝5 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1 肩部的傳動(dòng)方式移動(dòng)機(jī)械臂肩部為繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度，搭載物體本身具有繞平軸旋轉(zhuǎn)的的自由度的機(jī)器手。移動(dòng)機(jī)械臂是繞水平軸做一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。移動(dòng)機(jī)械臂的肩部?？梢赃x用螺旋機(jī)構(gòu)或者蝸桿這兩種傳動(dòng)方式。螺旋機(jī)構(gòu)高低機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本身可以自鎖是其優(yōu)點(diǎn)，但是轉(zhuǎn)速比不是常數(shù)，對(duì)于主要抓取物體的肩關(guān)節(jié)，不能滿(mǎn)足繞水平方向軸士180。的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)力操作比較困難。螺旋機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)還有:制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合。制造工藝比較復(fù)雜，特別是長(zhǎng)螺桿更難保證熱處理及磨削工藝質(zhì)量，剛性和抗振性能較差。摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低(一般為30%60%)，磨損快。對(duì)于抓取物體的肩關(guān)節(jié)來(lái)說(shuō)，該機(jī)構(gòu)響應(yīng)慢，不易于控制。蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)：蝸桿傳動(dòng)用于交錯(cuò)軸傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。通常交錯(cuò)角為90度。它的主要優(yōu)點(diǎn):傳動(dòng)比大，工作較穩(wěn)定。噪聲低，結(jié)構(gòu)緊湊，可以自鎖。主要缺點(diǎn)：效率低，需要貴重的減摩性有色金屬。選擇蝸桿傳動(dòng)，主要是考慮到其具有自鎖能的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闄C(jī)械臂要抓取物體，則要求移動(dòng)機(jī)械臂的肩部具有自鎖能力。由于采用具有自鎖功能的蝸輪副傳動(dòng)還有下述優(yōu)點(diǎn):(1)由于突然的斷電抓取物體的重量以及本身的重量會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的負(fù)載干擾力矩，傳動(dòng)系統(tǒng)處于逆?zhèn)鳡顟B(tài)，如果反傳不能自鎖，執(zhí)行元件軸就會(huì)在重量干擾力矩的作用下反轉(zhuǎn)，撞擊機(jī)械臂本體。如不采用自鎖的蝸輪副，就要增加停止旋轉(zhuǎn)時(shí)的自鎖機(jī)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(2)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。所以，即使正傳動(dòng)效率降低，執(zhí)行元件功率提高，移動(dòng)機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)隨動(dòng)系統(tǒng)還是采用具有自鎖功能的蝸輪副為宜。經(jīng)過(guò)對(duì)上述螺旋機(jī)構(gòu)特點(diǎn)與蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行比較，多功能移動(dòng)機(jī)器人選用了蝸桿傳動(dòng)作為肩關(guān)節(jié)繞水平方向軸士180。移動(dòng)機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)自由度。如圖5.1所示： 圖5.1 移動(dòng)機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)的三維圖5.2 肩部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)肩部的設(shè)計(jì)包括傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件選擇以及尺寸計(jì)算。肩部的結(jié)構(gòu)尺寸完全取決于搭載對(duì)象的尺寸及質(zhì)量，以及搭載對(duì)象對(duì)肩部的作用力。前面介紹了肩部的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，具體圖紙?jiān)O(shè)計(jì)如圖5.1和圖5.2所示：圖5.2 表示移動(dòng)機(jī)械臂肩部主視圖1一齒輪A 2一電機(jī)座 3一齒輪B 4一螺釘 5一蝸輪軸 6一滾動(dòng)軸承7一軸承端蓋 8一螺釘 9一銷(xiāo)10一電機(jī)EC45+減速器圖5.2 表示移動(dòng)機(jī)械臂的肩部的左視圖11一蝸輪 15一螺釘 19一止動(dòng)墊圈12一螺釘 16一連接法蘭 20一滾動(dòng)軸承13一蝸輪軸套 17一蝸輪軸 21一軸承端蓋14一套筒 18一圓螺母 22一螺釘23一調(diào)整墊片由圖5.1和圖5.2可以清楚了解肩部的傳動(dòng)順序:首先減速箱將減速后的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)一對(duì)齒輪傳動(dòng)傳遞給蝸桿軸，蝸桿與蝸輪嚙合，帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪與一根水平軸通過(guò)軸套相連接，最終實(shí)現(xiàn)了搭載系統(tǒng)繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度。圖5.2采用空心軸的設(shè)計(jì)。通過(guò)采用空心軸的方法，電機(jī)的電源接線(xiàn)與運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)線(xiàn)便可以從空心軸中通過(guò)。其次，圖中中心軸主要受扭矩作用，只要通過(guò)適當(dāng)增大外徑，即可增加軸的強(qiáng)度，并適當(dāng)降低軸質(zhì)量。蝸桿傳動(dòng)在這個(gè)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用，下面主要針對(duì)這一對(duì)蝸輪蝸桿副進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。常用普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的種類(lèi)有阿基米德圓柱蝸桿(ZA型)，漸開(kāi)線(xiàn)圓柱蝸桿(ZI型)。漸開(kāi)線(xiàn)圓柱蝸桿(ZI型):端面齒廓為漸開(kāi)線(xiàn)。這種蝸桿可以磨削，加工精度容易保證，傳動(dòng)效率高。一般用于蝸桿頭數(shù)較多(C3頭以上)，轉(zhuǎn)速較高和要求較精密的傳動(dòng)，如滾齒機(jī)、.磨齒機(jī)上的精密蝸桿副等。阿基米德圓柱蝸桿(ZA型):車(chē)制。這種蝸桿加工方便，應(yīng)用廣泛，但導(dǎo)程角大時(shí)加大困難，齒面磨損較快。因此，一般用于頭數(shù)較少，載荷較小、低速或不太重要的傳動(dòng)。通過(guò)對(duì)二者的特征進(jìn)行比較，可見(jiàn)多功能移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該選擇阿基米德圓柱蝸桿，即ZA型蝸桿。蝸桿副的設(shè)計(jì)，主要確定以下參數(shù):(1)中心距a=43(2)蝸桿頭數(shù)z=1;(3)蝸桿模數(shù)m=2，分度圓直徑d1=28;(4)傳動(dòng)比i=32;(5)蝸輪變位系數(shù)x, = 0 .普通圓柱蝸桿傳動(dòng)變位的主要目的是配湊中心距。此外還可以提高傳動(dòng)的承載能力和效率，消除蝸桿的根切。5.3 肩部電機(jī)的選擇 移動(dòng)機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)選用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為瑞士MAXON公司的直流無(wú)刷電機(jī)136211-EC40-250W 。電機(jī)選主要參數(shù)如表5.1所示。表5.