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南京理工大學泰州科技學院
畢業(yè)設計（論文）任務書
學院(系)：
機械工程學院
專 業(yè)：
機械工程及自動化
學 生 姓 名：
魏禮彬
學 號：
0601510154
設計(論文)題目：
移動機器人機械臂的設計
起 迄 日 期:
2010年3月22日～6月27日
設計(論文)地點:
南京理工大學泰州科技學院
指 導 教 師:
周建平
專業(yè)負責人:
龔光容
發(fā)任務書日期: 2010年 3月 12 日
任務書填寫要求
1．畢業(yè)設計（論文）任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學生所在專業(yè)的負責人審查、院（系）領導簽字后生效。此任務書應在第七學期結(jié)束前填好并發(fā)給學生；
2．任務書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(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．任務書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學生畢業(yè)設計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應當經(jīng)過所在專業(yè)及院（系）主管領導審批后方可重新填寫；
4．任務書內(nèi)有關“學院（系）”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”要寫全號；
5．任務書內(nèi)“主要參考文獻”的填寫，應按照國標GB 7714—2005《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
6．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標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，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
1．本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的：
本課題以小型地面移動機器人的機械臂為研究對象，要求學生綜合運用所學基礎理論知識,根據(jù)被抓取工件的結(jié)構(gòu)尺寸、重量及工況，進行結(jié)構(gòu)選型、機構(gòu)設計。本課題的研究從功能需求分析入手，根據(jù)設計要求，構(gòu)思機構(gòu)運動形式、結(jié)構(gòu)尺寸和傳動布局，并進行機構(gòu)、零部件設計計算等環(huán)節(jié)的實踐，來培養(yǎng)學生的設計、計算、制圖及計算機應用能力，以提高同學分析與解決工程實際問題的能力。
2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內(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：
以小型地面移動機器人的機械折疊臂為研究對象，設計機械臂及夾持機構(gòu)，并滿足總體尺寸、重量及運動特性等指標。
要求：
（1）根據(jù)教師提供的部分材料和所布置任務，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）設計機械臂及夾持機構(gòu)。設計要求：
①機械臂折疊時總長≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動范圍:150°，旋動速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重≤7kg。機器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長×寬×高=800mm×540mm×260mm。
②機械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。
（4）對系統(tǒng)進行機構(gòu)分析、設計與計算。
（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）編寫設計、計算說明書。
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
3．對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設計論文、圖表、實物樣品等〕：
（1）繪制機器人機械臂系統(tǒng)的三維造型圖、裝配圖及部分零件圖。
（2）根據(jù)系統(tǒng)的設計計算和分析結(jié)果編寫設計、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：
[1] 張毅等. 移動機器人技術(shù)及其應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.
[2] 李新春等.移動機械手結(jié)構(gòu)設計［J］. 機器人，2004（11）：103~106.
[3] 李振波等.微型全方位移動機器人的研制［J］. 機器人，2000（9）：354~358.
[4] 常文森,賀漢根,李晨.軍用移動機器人技術(shù)發(fā)展綜述［J］. 計算技術(shù)與自動化，
1998（2）：2~6.
[5] 江浩,樊炳輝等.新型移動機器人的結(jié)構(gòu)設計［J］. 應用科技，2000（8）：3~5.
[6] 馬香峰等.工業(yè)機器人的操作機設計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.
[7] 蔣新松. 機器人學導論［M］. 沈陽：遼寧科學技術(shù)出版社，1994.
[8] 蘇學成.樊炳輝等，一種新型的機器人移動結(jié)構(gòu)［J］.機械工程學報，2003（4）：
120~123.
[9] R?西格沃特,I?諾巴克什,自主移動機器人導論［M］李人厚,譯.西安：西安交通
大學出版社，2006.
[10] 王野，王田苗等.危險作業(yè)機器人關鍵技術(shù)綜述［J］.機器人技術(shù)與應用,2005(6):23~31.
[11] 文福安,梁崇高,廖啟征. 并聯(lián)機器人機構(gòu)位置正解［J］.中國機械工程,1999.
[12] 黃亞樓,盧桂章. 微機機器人和精密操作的研究發(fā)展［M］. 機器人,1992(4).
[13] 王昆,何小柏,汪信遠. 機械設計課程設計［M］. 高等教育出版社,2005.
[14] 朱磊磊,陳軍.輪式移動機器人研究綜述[J].機床與液壓,2009,37(8):242~247.
[15] 鄭超,趙言正,付莊.一種小型履帶機器人的結(jié)構(gòu)設計和實現(xiàn)[J].機電一體化,2007,4:70~72.
[16] 陳學東等.四足機器人爬行步態(tài)的正運動學分析[J].機械工程學報.2003,39(2):
8~12.
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
5．本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：
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。對課題方案進行構(gòu)思、分析比較并理出思路，撰寫開題報告。
初步設計。根據(jù)設計指標的要求對移動機器人機械臂系統(tǒng)進行方案設計與三維造型。
詳細設計。根據(jù)設計指標的要求，對選定的系統(tǒng)方案進行機構(gòu)分析、作詳細的結(jié)構(gòu)設計與計算。繪制移動機器人機械臂系統(tǒng)裝配圖，拆畫部分零件圖繪制改進后的小臂部件裝配圖與零件圖。
撰寫設計、計算說明書。修改論文，準備答辯。
論文答辯
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日
學院（系）意見：
院（系）領導：
年 月 日
本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計……………………………………………… 8
3.1 手部結(jié)構(gòu)設計要求……………………………………………………………… 9
3.2 傳動方式的選擇………………………………………………………………… 9
3.3 手部結(jié)構(gòu)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(jié)…………………………………………………………………… 17
4 移動機器人機械臂的臂部結(jié)構(gòu)設計………………………………………18
4.1 臂部結(jié)構(gòu)設計要求…………………………………………………………… 18
4.2 臂部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計…………………………………………………… 28
5.1 肩部的傳動方式………………………………………………………………… 28
5.2 肩部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析………………………………………………………… 30
6.1 機械臂總體結(jié)構(gòu)分析…………………………………………………37
6.2 機械臂的肩部結(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…………………………………………………………………………… 46
本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 47 頁 共 47 頁
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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)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。
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(shù)角度研究室外機器人的體系結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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(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350kg、(6 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。
1.2.2 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ALVLABII型陸地移動機器人，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GPS、磁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IPC工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(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)和智能移動機器人的設計和實現(xiàn)。DY- I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(shù)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(quán)的激光導引AGV和用于公安防暴的“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(jié)構(gòu)設計。
1.2.3 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(jié)構(gòu)。機械臂機械結(jié)構(gòu)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(gòu)方面，結(jié)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(shù)。穩(wěn)健的運動控制技術(shù)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(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?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(shù)。該技術(shù)是現(xiàn)代移動機器人機械臂研制所急需的關鍵技術(shù)，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術(shù)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(shù)。自主式移動機器人機械臂采用測距技術(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(shù)。在移動機器人機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(gòu)建機器人系統(tǒng)。目一前用于移動機器人機械臂的硬件結(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(shù)。這兩項技術(shù)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(jié)構(gòu)設計。
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，具有較大的應用價值。結(jié)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(jié)構(gòu)設計和計算，要求結(jié)構(gòu)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CAD軟件或其他工程設計與分析軟件進行設計。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(jié)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(gòu)分析和比較；對選定的方案進行機構(gòu)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(gòu)。設計數(shù)據(jù)要求：機械臂折疊時總長≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動范圍:150°，旋動速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重≤7kg。機器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長×寬×高=800mm×540mm×260mm。機械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。
2 移動機器人機械臂的總體設計
2.1 機械臂結(jié)構(gòu)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。考慮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(jié)構(gòu)如圖2.1所示：
圖2.1 機械臂的結(jié)構(gòu)
1. 手部關節(jié) 2.肘關節(jié) 3.肩關節(jié) 4.轉(zhuǎn)臺
2.2 機械臂設計的主要參數(shù)
2.2.1 臂長的確定
加拿大西蒙弗雷澤大學的高峰等人根據(jù)人體手臂和腿部的機構(gòu)組成，提出了尺寸綜合的三動桿原理[19]，作為機械手機構(gòu)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(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(gòu)運動，三自由度面的動桿機構(gòu)可以作為上述機構(gòu)的簡化模型，該機構(gòu)的運動學、動力學的評價準則同樣可以用來衡量手臂機構(gòu)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(gòu)，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r1 =A/ L，根據(jù)三動桿機構(gòu)的性能分析，可以得出下面的結(jié)論，即當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，確定機械手的各部分尺寸長度為大臂380mm、小臂420m,手爪160mm。設計該長度還考慮到了機器人的排爆用途，即機械手必須能夠?qū)⒈ㄎ镒ト∫苿?，以直?0mm，長為360mm的圓柱體為例進行了計算，這樣確定了上述尺寸。
2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)要求及設計的原則
（1）結(jié)構(gòu)設計參數(shù)的要求
機械臂折疊時總長≤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)機械系統(tǒng)是移動機器人機械臂性能的基礎，結(jié)構(gòu)設計參數(shù)直接影響到移動機械臂性能指標。合理的、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計不僅能提供可靠的機器人本體，更可以減少調(diào)試試驗中的不可靠因素。但是，機械設計周期十分長，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械系統(tǒng)的性能，所以機械系統(tǒng)的設計在本項目中顯得十分重要。
在設計過程中應遵循以下結(jié)構(gòu)設計原則：
(a) 結(jié)構(gòu)尺寸方面滿足設計指標;
(b) 零件結(jié)構(gòu)便于加工、測量;
(c) 滿足剛度強度要求;
(d) 總體結(jié)構(gòu)易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理;
(e) 給機器人暫時未能夠裝配的傳感器、功能元件等預留安裝位置，以備將來能改進與擴展;
(f ) 采用模塊化設計，各個功能模塊之間相互獨立裝配，互不干擾。
設計過程中主要使用的設計工具有美國PTC參數(shù)技術(shù)公司的三維設計軟件Pro/engineer野火版3.0以及Autodesk公司的二維設計軟件AutoCAD2007。
3 移動機械臂機械手部結(jié)構(gòu)設計
3.1 手部結(jié)構(gòu)設計要求
機械手手部(末端執(zhí)行器)結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設計都有如下幾點基本要求:
（1)應具有適當?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，甚至會損壞抓取物體;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)手指應具有一定的開閉范圍，手指應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)應保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應保證每個被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準確的相對位置。
(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載。
3.2 傳動方式的選擇
機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)機械手結(jié)構(gòu)的實際情況選擇齒輪傳動。齒輪傳動是機械傳動中應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99%以上；
手指的設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構(gòu)來完成末端機構(gòu)所要求達到的功能。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)的設計
工業(yè)機器人應用的雙指機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
圖3.3 直線電機帶動齒輪齒條的手爪方案
該結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機為直線電機，直線電機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，該機構(gòu)從實現(xiàn)上最為簡單?？紤]到與后面要使用電機的配套，如果選擇直線電機，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，實際設計中，對機械手進行了如下的結(jié)構(gòu)設計。傳動機構(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
1一步進電機 2一齒輪A 3一導向軸 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，達到開合作用。兩根導向軸3固定兩手指并引導兩手指的運動軌跡。。這種設計可以更好的使機器人完成工作。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電機的計算與型號選擇
3．4.1 電機的計算
在確定握力時，除考慮抓取物體重量3Kg外，還應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，電動機根據(jù)運行距離及電機的脈沖當量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計算機，可以達到非常高的位姿準確度。綜上所述，本文選擇電機驅(qū)動為機械手的驅(qū)動方式。
本文設計要求夾持的物體重為 m=3000g，設螺紋為 M8，其中徑 r=3.6mm，螺距 P=1mm，當量摩擦系數(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公司生產(chǎn)的 28BYG250C-SASSMQ-0071 型步進電機，它的保持轉(zhuǎn)矩為 90，滿足設計要求。
3.4.2 電機的技術(shù)參數(shù)及尺寸
步進電機的如圖3.6所示：
圖3.6 步進電機
步進電機的技術(shù)參數(shù)如表3. 2所示：
表3.2 步進電機的技術(shù)參數(shù)
步進電機的尺寸如圖3.7所示：
圖3.7 步進電機的尺寸
步進電機的安裝如圖3.8所示：
圖3.8 步進電機的安裝
3.5 材料的選擇與強度校核
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械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。
對于強度、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。本文設計的齒輪副速度要求不高，所以設計選用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度。
本文設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) 齒面接觸疲勞強度的校核
齒面接觸疲勞強度的校核公式為；
（3-5）
式中： 為區(qū)域系數(shù)，標準直齒輪=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
從齒面接觸疲勞強度上來說，齒輪是合格的。
(2）齒根彎曲疲勞強度的校核）
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