移動機器人機械臂的設計
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大臂關節(jié).dwg
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移動機器人機械臂裝配圖.dwg
臂部轉(zhuǎn)關節(jié).dwg
調(diào)整墊片.dwg
軸承端蓋.dwg
目 錄
1 引言………………………………………………………………………………… 1
1.1 移動機器人機械臂的研究意義及目的………………………………………… 1
1.2 移動機器人的發(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 移動機器人機械臂的總體設計…………………………………………………… 7
2.1 機械臂結構的確定 …………………………………………………………… 7
2.2 機械臂設計的主要參數(shù)………………………………………………………… 7
3 移動機器人機械臂的手部結構設計……………………………………………… 8
3.1 手部結構設計要求……………………………………………………………… 9
3.2 傳動方式的選擇………………………………………………………………… 9
3.3 手部結構的設計…………………………………………………………… 9
3.4 電機的計算與型號選擇………………………………………………………… 12
3.5 材料的選擇與強度校核………………………………………………………… 14
3.6 本章小結…………………………………………………………………… 17
4 移動機器人機械臂的臂部結構設計………………………………………18
4.1 臂部結構設計要求…………………………………………………………… 18
4.2 臂部結構的設計………………………………………………………………… 19
4.3 臂部電機的選擇………………………………………………………………… 26
5 移動機器人機械臂的肩部結構設計…………………………………………………… 28
5.1 肩部的傳動方式………………………………………………………………… 28
5.2 肩部結構的設計………………………………………………………………… 29
5.3 肩部電機的選擇………………………………………………………………… 31
5.4 肩部直流電機的計算……………………………………………………………32
5.5 肩部伺服電機與臂部和手部步進電機的控制………………………………… 33
6 移動機器人機械臂的結構分析………………………………………………………… 30
6.1 機械臂總體結構分析…………………………………………………37
6.2 機械臂的肩部結構分析………………………………………………………… 39
6.2 本章小結………………………………………………………………………… 39
結束語 ……………………………………………………………………………… 42
致謝 ………………………………………………………………………………… 45
參考文獻…………………………………………………………………………… 46
1 引言
1.1 移動機器人機械臂的研究意義及目的
本文以實際項目小型地面移動機器人的機械臂為研究對象。設計移動機器人的機械臂的結構。所謂移動機械臂，就是將機械臂安裝在是一個小型多用途移動作業(yè)機器人智能移動平臺，小型多用途移動作業(yè)機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)。移動機械臂用來實現(xiàn)一些動作如抓取，可以在機械臂的末端執(zhí)行器上安裝一定的工具進行作業(yè)，通過移動平臺的移動來擴大機械臂的工作空間，這種結構使移動機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)的機械臂，則具有了更廣闊的應用前景[1]。目前智能移動機器人正向著擬人化、仿生化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應用也越來越廣泛，幾乎滲透到各個領域[2]。
移動機器人技術的研究屬于多學科相互交叉，相互滲透的，對它的研究具有很大的理論價值和廣闊的應用前景。在工業(yè)機器人問世40多年后的今天，機器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時隨著科學技術的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，機器人的功能己不再是只能從事某項簡單的操作，而是可以承擔多種任務;機器人的工作環(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)進入醫(yī)院、家庭和娛樂場所。具有智能特性的自主式移動機器人正在向非制造業(yè)方向擴展，這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護理、服務、農(nóng)林、辦公自動化和災害救護等，如飛行機器人、海難救援機器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機器人、護理機器人等。近年來，對移動機器人的研究受到重視，仿照生物的功能而發(fā)明的各種移動機器人越來越多，小到娛樂機器人玩具、家用服務機器人，大到工程探險、反恐防爆、軍事偵察機器人等。相應地，這些領域?qū)λ鶓玫囊苿訖C器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機器人的運動速度、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器人成為了國內(nèi)外研究的熱點。
歷史上一切高新技術無不首先應用于軍事領域，移動機器人機械臂也不例外。隨著二十世紀末的幾場局部戰(zhàn)爭和二十一世紀初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭進程，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)場機器人憑借自身的優(yōu)勢特點，已經(jīng)在本世紀的戰(zhàn)爭，例如伊拉克戰(zhàn)爭中成為耀眼的新星。現(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)，微小型地面移動機器人由于體積小、隱蔽性好、快速反應、機動性好、生存能力強、成本低等特點，并且可以在遠程遙控甚至自主情況下完成部分原本由士兵完成的任務，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，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，可以證明它們在未來戰(zhàn)場上的重要地位。微小型無人移動機器人的機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 移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究
小型地面移動機器人機械臂在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應用將會越來越廣。包括在軍事領域中的應用將是發(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。通過對小型移動機器人機械臂系統(tǒng)研制，在整體系統(tǒng)的各個方面積累了比較豐富的設計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進移動機器人機械臂將走向成熟和實用化。未來移動機器人機械臂將有以下主要特點:更優(yōu)的性能質(zhì)量比;更強的環(huán)境適應能力;更高的智能性能;具有成熟的機械臂系統(tǒng);軍品級別的可靠性。
1.2.1 國外移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀
國外在移動機器人機械臂方面的研究起步較早，初期的研究主要從學術角度研究室外機器人的體系結構和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高而導致室外移動機器人機械臂的研究未達到預期的效果，但卻帶動了相關技術的發(fā)展，為探討人類研制智能機器人機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器人機械臂的研究與開發(fā)。
進入90年代，隨著技術的進步，移動機器人機械臂開始在更現(xiàn)實的基礎上開拓各個應用領域，向?qū)嵱没M軍。例如2002年IRobot研制的金字塔探測機器人—“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)。機器人身帶5件法寶:超聲波傳感器、地面探測雷達系統(tǒng)、力度測量儀、高分辨率光纖鏡頭和導電傳感器，具備世界上最小的地面探測雷達系統(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器人。他的大腦是一臺高速計算機，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，由一組立體影像的黑白攝影機所構成的，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。最先進的要數(shù)探測車上的機械手臂，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，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。進行旋轉(zhuǎn)運動操作時，主控計算機把臂部角度與目標點的角度進行比 較，角度的差值通過電機驅(qū)動器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)動經(jīng)配套的減速器后，經(jīng)過一對齒輪副的傳動，帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，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，從而使得固定于肩部轉(zhuǎn)軸的臂部轉(zhuǎn)動，賦予肩部在150度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。
(e)蝸輪副的傳動一般具有工作平穩(wěn)、結構緊湊的特定，但是在這里將它用作移動機械臂的肩部傳動機構后，具體情況有所變化。因為蝸輪蝸桿分別安裝在箱體上，不能實現(xiàn)對蝸輪蝸桿的固定裝置進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，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，在傳動過程中，蝸輪蝸桿的嚙合情況是變化的，這就使得電機驅(qū)動肩部轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)、驅(qū)動力不均勻現(xiàn)象。又因為肩部為一級傳動，而且旋轉(zhuǎn)部分很重，體積較大，進行肩部旋轉(zhuǎn)定位時，回轉(zhuǎn)慣性也就較大，同時也沒有消除回轉(zhuǎn)慣性力矩的緩沖機構，這種回轉(zhuǎn)慣性也就敏感地、直接地反映到電機上來。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
移動機械臂的結構分析以及以肩部為重點的結構分析。
結束語
總結本文對移動機器人的移動機械臂結構系統(tǒng)進行了設計，包括一個3個自由度移動機械臂，移動機械臂的設計包括肩部，臂部及手部的結構設計。并對機械臂進行了性能分析。
移動機械臂，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，手部使用了直齒圓柱齒輪及左右螺旋的形式傳動。移動機器人機械臂進行了結構設計，利用PRO/ENG對機械手建模運動仿真。
由于作者的水平有限，而且對有些相關學科，如傳感器技術、控制技術等并不是很了解，仍有許多問題需要解決，還有許多問題值得進一步討論和更加深入的研究與展望：
(1)機械結構優(yōu)化問題
在移動機器人設計過程中，包括移動機械臂，采用模塊化設計，不同功能結構分別進行設計，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。但是在模塊各零件設計過程中，各參數(shù)計算選擇主要從結構強度和剛度要求出發(fā)，很多零件為了匹配，比實際需求尺寸大很多。包括一些非關鍵零件設計，均是根據(jù)前人經(jīng)驗設計，選擇尺寸。這種設計不僅增加了整個系統(tǒng)質(zhì)量，同時增加了電機負載，造成了資源浪費。
在各模塊整體結構設計過程中，結構優(yōu)化也很重要。通過各零件之間最優(yōu)配合，使機械運動在實現(xiàn)功能前提下，實現(xiàn)最高傳動效率，將能量消耗降到最低。
臂部的關節(jié)應該放在大臂上，不應該放在小臂上，增加了小臂的重量，增大了小臂的傳動力矩，以及增加了臂部傳動負荷。
（2）計算機的有限元的分析沒有做。通過對計算機有限元軟件的更深層次挖掘，對零件的強度和剛度和臂部的力學分析，會得到最優(yōu)的結構。這個以后可以作為后續(xù)學習的方向。
(3) 移動機械臂自主控制系統(tǒng)的建立有待于進一步研究，以及它的運動控制技術，路徑規(guī)劃技術，實時視覺技術，定位和導航技術，多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術，高性能計算技術，無線通信與因特網(wǎng)技術問題也是多個有待研究的方面。
移動機器人在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應用將會越來越廣。包括在軍事領域中的應用將是發(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。通過對移動機器人機械臂系統(tǒng)設計，在整體系統(tǒng)的各各方面積累了比較豐富的設計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進移動機器人將走向成熟和實用化。
未來移動機器人將有以下主要特點:
(1)更優(yōu)的性能質(zhì)量比;
(2)更強的環(huán)境適應能力;
(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，周老師嚴謹認真的治學作風和勤奮進取的工作精神使我受到極大的鞭策。在此，謹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的大力支持與幫助，在此向所有曾經(jīng)關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
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本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 1 頁 共 46 頁 目 錄 1 引言??????????????????????????? ???? 1 移動機器人機械臂的研究意義及目的 ???????????????? 1 移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究 ??? ???????????????? 2 課題的來源和研究內(nèi)容 ????????? ??? ???????? 5 2 移動機器人機械臂的總體設計 ???????????????????? 7 機械臂結構的確定 ????????? ??????? ??????? 7 機械 臂設計的主要參數(shù) ?????????????????????? 7 3 移動機器人機械臂的手部結構設計 ?????????????????? 8 手部結構設計要求 ???????????????????????? 9 傳動方式的選擇 ???????????????????????? ? 9 部結構的設計 ????????? ???? ?????????? 9 電機的計算與型號選擇 ?????????????????????? 12 材料的選擇與強度校核 ????? ????????????????? 14 章小結 ???? ??????? ??????????????? 17 4 移動機器人機械臂的臂部結構設計???????????? ? ?? 18 臂部結構設計要求 ??????????????????????? 18 臂部結構的設計 ????????????????????????? 19 臂部電機的選擇 ????????????????????????? 26 5 移動機器人機械臂的肩部結構設計 ???????????????? ???? 28 肩部的傳動方式 ???????????????????????? ? 28 肩部結構的設計 ???????????????????????? ? 29 肩部電機的選擇 ????????????????????????? 31 肩部直流電機的計算 ?????????????????????? ? 32 肩部伺服電機與臂部和手部步進電機的控制 ????????????? 33 6 移動機器人機械臂的結構 分析 ?????????????????????? 30 6 . 1 機械臂總體結構 分析 ?????????? ?? ??????? 37 機械臂的肩部結構 分析 ?????????????????????? 39 本章小結 ???????????????????????????? 39 結束語 ?????????????????????????????? 42 致謝 ??????????????????????????????? 45 參考文獻????????????????????????????? 46 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 2 頁 共 46 頁 1 引言 移動機器人機械臂的研究 意義及目的 本文以實際項目小型地面移動機器人的 機械臂 為研究對象。設計移動機器人的機械臂的結構。所謂移動機械臂，就是將機械臂安裝在是一個小型多用途移動作業(yè)機器人智能移動平臺，小型多用途移動作業(yè)機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)。移動機械臂用來實現(xiàn) 一些動作如抓取，可以在機械臂的末端執(zhí)行器上安裝一定的工具進行作業(yè) ，通過移動平臺的移動來擴大機械臂的 工作空間，這種結構使移動機械臂擁有更 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)的機械臂， 則 具有 了 更廣闊的應用前景 [1]。目前智能移動機器人正向著擬人化、仿生化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應用也越來越廣泛，幾乎滲透到 各個 領域 [2]。 移動機器人技術的研究屬于多學科相互交叉，相互滲透的，對它的研究具有很大的理論價值和廣闊的應用前景。在工業(yè)機器人問世 40 多年后的今天，機器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時隨著科學技術的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，機器人的功能己不再是只能從事某項簡單的操作，而是可以承擔多種任務 ;機器人的工作環(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) 進入醫(yī)院、家庭和娛樂場所。具有智能特性的自主式移動機器人正在向非制造業(yè)方向擴展，這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護理、服務、農(nóng)林、辦公自動化和災害救護等，如飛行機器人、海難救援機器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機器人、護理機器人等。近年來，對移動機器人的研究受到重視，仿照生物的功能而發(fā)明的各種移動機器人越來越多，小到娛樂機器人 玩具、家用服務機器人，大到工程探險、反恐防爆、軍事偵察機器人等。 相應地，這些領域?qū)λ鶓玫囊苿訖C器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機器人的運動速度、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器人 成為了國內(nèi)外研究的熱點。 歷史上一切高新技術無不首先應用于軍事領域，移動機器人機械臂也不例外。隨著二十世紀末的幾場局部戰(zhàn)爭和二十一世紀初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭進程，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)場機器 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 3 頁 共 46 頁 人憑借自身的優(yōu)勢特點，已經(jīng)在本世紀的戰(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)，微小型地面移動機器人由于體積小、隱蔽性好、快速反應、機動性好、生存能力強、成本低等特點，并 且可以在遠程遙控甚至自主情況下完成部分原本由士兵完成的任務， 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，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，可以證明它們在未來戰(zhàn)場上的重要地位。微小型無人移動機器人 的機械臂 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。 移動機器人 的 發(fā)展現(xiàn)狀及 研究 小型地面移動機器人機械臂在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應用將會越來越廣。包括在軍事領域中的應用將是發(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。通過對小型移動機器人機械臂系統(tǒng)研制，在整體系統(tǒng)的各個方面積累了比較豐富的設 計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進移動機器人機械臂將走向成熟和實用化。未來移動機器人機械臂將有以下主要特點 :更優(yōu)的性能質(zhì)量比 ;更強的環(huán)境適應能力 ;更高的智能性能 ;具有成熟的機械臂系統(tǒng) ;軍品級別的可靠性。 國外移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀 國外在移動機器人 機械臂 方面的研究起步較早，初期的研究主要從學術角度研究室外機器人的體系結構和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于 80 年代對機器人的智能行為期望過高而導致室外移動機器人 機械臂 的研究未達到預期的效果，但卻帶動了相關技術的發(fā)展，為探討人類研制智能機器人 機械 臂 的途徑積累了經(jīng)驗，同時也推動了其它國家對移動機器人 機械臂 的研究與開發(fā)。 進入 90 年代，隨著技術的進步，移動機器人 機械臂 開始在更現(xiàn)實的基礎上開拓各個應用領域，向?qū)嵱没M軍。例如 2002 年 制的金字塔探測機器人 — “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)。機器人身帶 5 件法寶 :超聲波傳感器、地面探測雷達系統(tǒng)、力度測量儀、高分辨率光纖鏡頭和導電傳感器，具備世界上最小的地面探測雷達系統(tǒng)，可以穿透厚超過 90 厘米的混凝 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 4 頁 共 46 頁 土。美國在 2003 年發(fā)射的兩輛火星探測車“勇氣”號和“機遇 ”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器人。他的大腦是一臺高速計算機，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，由一組立體影像的黑白攝影機所構成的，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。最先進的要數(shù)探測車上的機械手臂，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”輪式機器人。該機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 3506 X 6)驅(qū)動、動力裝置為 1 臺電動機，車上供電蓄電池可使用 2h，車速 (前進或后退 )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， 固定在機器人車的旋轉(zhuǎn)塔上。 機械 臂不伸長時可吊重 80直時最長為 1. 5m，此時可吊重 16作臂頂端裝有夾爪，夾緊力可達 30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行遙控。 機械 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 個攝像機獲得的監(jiān)視駕駛、 機械 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。 除室外移動機器人外，世界各國在遙控移動機器人、高完整性機器人、生態(tài)機器人學 (生物機器人學 )、多機器人系統(tǒng)、 環(huán)境與移動機器人系統(tǒng)的集成等方面都作了大量的研究。 國內(nèi)移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)對移動機器人 機械臂 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)的移動機器人 機械臂 研究主要經(jīng)歷了算法的研究和仿真、國外機器人平臺的引進和自主開發(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、南京理工大學、國防科大、清華大學、北京理工大學聯(lián)合研制了 陸地移動機器人，并成功完成了全部實驗測試，正常行駛速度為 h，同時支持臨場感 遙控駕駛及戰(zhàn)場偵察等功能。清華 清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室在中科院院士張錢教 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 5 頁 共 46 頁 授主持下研制的新一代智能移動機器人，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，裝備有彩色攝像機和激光測距儀組成的道路與障礙物檢測系統(tǒng) ;由差分 羅盤和光電碼盤組成的組合定位導航系統(tǒng)等。兩套計算機系統(tǒng)分別進行視覺處理，完成信息、融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。 4 臺 控機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。設計 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構化環(huán)境下，進行道路跟蹤和避障礙自主行駛。清華大學智能車涉及到五個方面的關鍵技術 ： 基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術，路徑規(guī)劃的仿真技術，傳感技術、信息融合技術和智能移動機器人的設計和實現(xiàn)。 型導游服務機器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學機器人技術公司推出的新一代智能導游機器人，該機器人由伺服驅(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。導游機器人由蓄電池供電，可連續(xù)運行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進行避障，并通過語啟一系統(tǒng)可以進行人機交互。此外還有香港城市大學智能設計自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人、中科院沈陽自動化所研發(fā)了具有自主產(chǎn)權的激光導引 用于公安防暴的“靈晰一 B”型移動機器人、中國科學院自動化所自行設計制造的全方位移動機器人導航系統(tǒng)等。本文主要論述是移動機器人機械臂結構設計。 移動機器人的研究 熱點 綜合國內(nèi)外對于移動機器人的研究情況，當代移動機器人的研究主要集中于以下幾個方面。 (1)機械臂結構。機械臂機械結構形式的選型和設計 ，是根據(jù)實際需要進行的。在機械臂機構方面，結合機器人在各個領域及各種場合的應用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當前，對足式步行機器人、履帶式和特種機器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機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。穩(wěn)健的運動控制技術是移動機器人整體性能的基礎，由于移動機器人機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)動力學模型和運動學模型，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，是該項技術的核心內(nèi) 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 6 頁 共 46 頁 容。 (3)路徑規(guī)劃技術。該技術主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術。由于自主式移動機器人機械臂在行駛中，必須避開它無法通過的或?qū)ζ浒踩旭倶嫵赏{的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，顯得更為重要。 (4)實時視覺技術。該技術主要涉及到視覺信息的實時采集、預處理、特征提取和模式識別。而且，視覺信息處理的能力、處理速 度、處理的可靠性和準確性是決定智能機器人整體性能的決定性因素。 (5)定位和導航技術。該技術是現(xiàn)代移動機器人機械臂研制所急需的關鍵技術，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術基礎。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導航等。 (6)多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術。自主式移動機器人機械臂采用測距技術， 此，準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。 (7)高性能計算技術。在移動機器人機械臂的早期研究工作中，專用硬件結構為多數(shù)研究者所采用，這是因為當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，隨著計算機計算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構建機器人系統(tǒng)。目一前用于移動機器人機械臂的硬件結構多數(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)學形態(tài)學計算 )，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，達到優(yōu)化 的性能。 (8)無線通信與因特網(wǎng)技術。這兩項技術可以實現(xiàn)多機器人臂之間的通信和信息共享，以及移動機械臂與外部的聯(lián)系。 本文要研究是移動機器人機械臂結構設計。 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，具有較大的應用價值。結合當前小型移動機器人的發(fā)展，而進行移動機器人機械臂的結構設計和計算，要求結構緊湊、輕巧，以提高機器人臂桿系統(tǒng)的運動性能。 將移動機械臂安裝在是一個小型多用途移 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 7 頁 共 46 頁 動作業(yè)機器人智能移動平臺，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 。 通過幾個階段系統(tǒng)的 分析、設計與計算等過程，提高分析與解決工程實際問題的能力。 具備較扎實的機械設計及自動化方面的專業(yè)知識，能較熟練的使用 本課題以小型地面移動機器人的機械折疊臂為研究對象，設計了移動機器人機械臂的設計。 論文以實際工程為背景，結合移動機器人機械臂研究設計過程中遇見的問題，進行分析。內(nèi)容安排如下： 在了解總體尺寸、重量及運動指標的基礎上，進行機構分析和比較；對選定的方案進行機構造型、分析、設計與計算；繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖；編寫設計、計算說明書。 設計機械臂及夾持機 構。設計數(shù)據(jù)要求：機械臂折疊時總長 ≤ 650臂桿轉(zhuǎn)動范圍 :150°，旋動速度 s，系統(tǒng)自重 ≤ 7器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長×寬×高 =800540260械臂的抓取重量為 3取對象為直徑 40度 360圓柱體。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 8 頁 共 46 頁 2 移動機器人 機械臂的總體設計 機械臂 結構的確定 作為一款多功能移動機器人，為完成如排爆等任務，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位置來抓取目標物，能夠方便的伸長、旋轉(zhuǎn)達到不同的姿態(tài)，自由度太少將大大限制機械手的工作空間，無法抓取目標物，有時考慮到目標物可能置于狹小空間中，還應該使機械手能夠有效達到避障的目的?？紤]到還有 底 盤的移動以及機械臂的重量。本文設計的機械手具有 3 個自由度。下面分別是手部、 臂 部和肩部的具體設計。機械臂的 結構 如圖 示： 圖 機械臂的結構 1. 手部關節(jié) 節(jié) 節(jié) 機械 臂設計 的主要參數(shù) 臂長的確定 加拿大西蒙弗雷澤大學的高峰等人根據(jù)人體手臂和腿部 的機構組成，提出了尺寸綜合的三動桿原理 [19]，作為機械手機構運動學、動力學的評價準則。該原理的內(nèi)容是 :人體手臂、腿部及動物四肢從機構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和動力學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構運動，三自由度面的 動桿機構可以作為上述機構的簡化模型，該機構的運動學、動力學的評價準則同樣可以用來衡量手臂機構的運動學和動力學性質(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構，即將大臂、小臂、手爪作為三 動桿。 假定機械手各部分長度為 :上臂 A、小臂 B、手爪 C， L=(A+B+ C)/3，則可得到 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 9 頁 共 46 頁 =A/ L，根據(jù)三動桿機構的性能分析，可以得出下面的結論，即當三桿長度滿足下列條件， 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，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。進行旋轉(zhuǎn)運動操作時，主控計算機把臂部角度與目標點的角度進行比 較，角度的差值通過電機驅(qū)動器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)動經(jīng)配套的減速器后，經(jīng)過一對齒輪副的傳動，帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，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，從而使得固定于肩部轉(zhuǎn)軸的臂部轉(zhuǎn)動，賦予肩部在 150 度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。 (e)蝸輪副的傳動一般具有工作平穩(wěn)、結構緊湊的特定，但是在這里將它用作移動機械臂的肩部傳動機構后，具體情況有所變化。因為蝸輪蝸桿分別安裝在 箱體上，不能實現(xiàn)對蝸輪蝸桿的固定裝置進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，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，在傳動過程中，蝸輪蝸桿的嚙合情況是變化的，這就使得電機驅(qū)動 肩部 轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)、驅(qū)動力不均勻現(xiàn)象。又因為肩部為一級傳動，而且旋轉(zhuǎn)部分很重，體積較大，進行肩部旋轉(zhuǎn)定位時，回轉(zhuǎn)慣性也就較大，同時也沒有消除回轉(zhuǎn)慣性力矩的緩沖機構，這種回轉(zhuǎn)慣性也就敏感地、直接地反映到電機上來。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。 本章 小 結 移動機械臂的結構分析以及 以 肩部 為重點 的結構分析。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 43 頁 共 46 頁 結束語 總結 本文對移動機器人的移動機械臂結構系統(tǒng)進行了設計，包括一個 3 個自由度移動 機械臂， 移動機械臂的設計包括肩部，臂部及手部的結構設計。 并對 機械臂 進行了性能分析 。 移動機械臂 ，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 ， 手部使用了直齒圓柱齒輪及左右螺旋的形式傳動。 移動 機器人 機械臂 進行了結構設計，利用 機械 手建模運動仿真。 由于作者的水平 有限，而且對有些相關學科，如傳感器技術、控制技術 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一步討論和更加深入的研究 與展望 ： (1)機械結構優(yōu)化問題 在移動機器人設計過程中，包括 移動機械臂 ，采用模塊化設計，不同功能結構分別進行設計，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。但是在模塊各零件設計過程中，各參數(shù)計算選擇主要從結構強度和剛度要求出發(fā)，很多零件為了匹配，比實際需求尺寸大很多。包括一些非關鍵零件設計，均是根據(jù)前人經(jīng)驗設計，選擇尺寸。這種設計不僅增加了整個系統(tǒng)質(zhì)量，同時增加了電機負載，造成了資源浪費。 在各模塊整體結構設計過程中，結構優(yōu)化也很重要。通過各零件之間最優(yōu)配合，使機械運動在實現(xiàn)功能前提下，實現(xiàn)最高傳動效率，將能量消耗降到最低。 臂部的關節(jié)應該放在大臂上，不應該放在小臂上，增加了小臂的重量，增大了小臂的傳動力矩，以及增加了臂部傳動負荷。 （ 2） 計算機的有限元的分析沒有做 。通過對計算機 有限元 軟件的更深層次挖掘，對零件的強度和剛度 和臂部的力學分析 ，會得到最優(yōu)的結構。這個以后可以作為后續(xù)學習的方向。 (3) 移動機械臂 自主 控制系統(tǒng)的建立有待于進一步研究，以及它的 運動控制技術 ， 路徑規(guī)劃技術 ， 實時視覺技術 ， 定位和導航技術 ， 多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術 ，高性能計算技術 ， 無線通信與因特網(wǎng)技術 問題也是多 個有待研究的方面。 移動機器人在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應用將會越來越廣。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 44 頁 共 46 頁 包括在軍事領域中的應用將是發(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 移動機器人機械 臂 系統(tǒng) 設計 ，在整體系統(tǒng)的各各方面積累了比較豐富的設計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進移動機器人將走向成熟和實用化。 未來移動機器人將有以下主要特點 : (1)更優(yōu)的性能質(zhì)量比 ; (2)更強的環(huán)境適應能力 ; (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。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 45 頁 共 46 頁 致 謝 論文是在老師的精心指導下完成的，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，周老師嚴謹認真的治學作風和勤奮進取的工作精神使我受到極大的鞭策。在此，謹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的大力支持與幫助，在此向所有曾經(jīng)關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間審閱我論文的老師，對他們的付出表示真誠的感謝 ! 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 46 頁 共 46 頁 參 考 文 獻 [1] 李新春等 J］ . 機器人， 2004（ 11）： 103~106. 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