移动机器人机械臂的设计
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大臂工字钢.dwg
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小臂体.dwg
手部齿轮A.dwg
移动机器人机械臂的设计论文.doc
移动机器人机械臂装配图.dwg
臂部转关节.dwg
调整垫片.dwg
轴承端盖.dwg
目 录
1 引言………………………………………………………………………………… 1
1.1 移动机器人机械臂的研究意义及目的………………………………………… 1
1.2 移动机器人的发展现状及研究………………………………………………… 2
1.3 本课题的来源和研究内容…………………………………………………… 5
2 移动机器人机械臂的总体设计…………………………………………………… 7
2.1 机械臂结构的确定 …………………………………………………………… 7
2.2 机械臂设计的主要参数………………………………………………………… 7
3 移动机器人机械臂的手部结构设计……………………………………………… 8
3.1 手部结构设计要求……………………………………………………………… 9
3.2 传动方式的选择………………………………………………………………… 9
3.3 手部结构的设计…………………………………………………………… 9
3.4 电机的计算与型号选择………………………………………………………… 12
3.5 材料的选择与强度校核………………………………………………………… 14
3.6 本章小结…………………………………………………………………… 17
4 移动机器人机械臂的臂部结构设计………………………………………18
4.1 臂部结构设计要求…………………………………………………………… 18
4.2 臂部结构的设计………………………………………………………………… 19
4.3 臂部电机的选择………………………………………………………………… 26
5 移动机器人机械臂的肩部结构设计…………………………………………………… 28
5.1 肩部的传动方式………………………………………………………………… 28
5.2 肩部结构的设计………………………………………………………………… 29
5.3 肩部电机的选择………………………………………………………………… 31
5.4 肩部直流电机的计算……………………………………………………………32
5.5 肩部伺服电机与臂部和手部步进电机的控制………………………………… 33
6 移动机器人机械臂的结构分析………………………………………………………… 30
6.1 机械臂总体结构分析…………………………………………………37
6.2 机械臂的肩部结构分析………………………………………………………… 39
6.2 本章小结………………………………………………………………………… 39
结束语 ……………………………………………………………………………… 42
致谢 ………………………………………………………………………………… 45
参考文献…………………………………………………………………………… 46
1 引言
1.1 移动机器人机械臂的研究意义及目的
本文以实际项目小型地面移动机器人的机械臂为研究对象。设计移动机器人的机械臂的结构。所谓移动机械臂，就是将机械臂安装在是一个小型多用途移动作业机器人智能移动平台，小型多用途移动作业机器人是一个智能移动平台，其上可搭载爆炸物处理、侦察、通讯、探测系统或其他特殊作业系统。移动机械臂用来实现一些动作如抓取，可以在机械臂的末端执行器上安装一定的工具进行作业，通过移动平台的移动来扩大机械臂的工作空间，这种结构使移动机械臂拥有更大的操作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机械臂，则具有了更广阔的应用前景[1]。目前智能移动机器人正向着拟人化、仿生化、小型化、多样化方向发展，其应用也越来越广泛，几乎渗透到各个领域[2]。
移动机器人技术的研究属于多学科相互交叉，相互渗透的，对它的研究具有很大的理论价值和广阔的应用前景。在工业机器人问世40多年后的今天，机器人己被人们看作为一种生产工具，同时随着科学技术的迅速发展和人们生活水平的提高，机器人的功能己不再是只能从事某项简单的操作，而是可以承担多种任务;机器人的工作环境也不再是固定在工厂和车间现场，而是开始走向海洋、太空和户外，有些甚至已经进入医院、家庭和娱乐场所。具有智能特性的自主式移动机器人正在向非制造业方向扩展，这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、办公自动化和灾害救护等，如飞行机器人、海难救援机器人、化肥和农药喷撒空中机器人、护理机器人等。近年来，对移动机器人的研究受到重视，仿照生物的功能而发明的各种移动机器人越来越多，小到娱乐机器人玩具、家用服务机器人，大到工程探险、反恐防爆、军事侦察机器人等。相应地，这些领域对所应用的移动机器人系统也提出了更高的要求，特别是在机器人的运动速度、灵活性、自主性、作业能力等方面的要求越来越高。因此，无论是在制造业还是在非制造业，具有智能特性的自主式移动机器人成为了国内外研究的热点。
历史上一切高新技术无不首先应用于军事领域，移动机器人机械臂也不例外。随着二十世纪末的几场局部战争和二十一世纪初期席卷全球的反恐战争进程，特种战争以及城市战争日益成为战争一类型的主角，这一转变直接推动了各国地面移动作战平台即军用地面移动机器人的发展。现代战争凸现了局部范围内的信息化，而战场机器人凭借自身的优势特点，已经在本世纪的战争，例如伊拉克战争中成为耀眼的新星。现代战场尤其是城市内反恐怖战争中单兵的生存能力受到了极大的挑战，微小型地面移动机器人由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，并且可以在远程遥控甚至自主情况下完成部分原本由士兵完成的任务，可以不论白天还是黑夜都能了解周围的楼房里及街道上的敌情。除侦察外，微小型机器人搭载微小型武器系统还可完成诸如扫雷、排除爆炸物、控制武器射击等各项任务，而且不会有人员伤亡，极大减少了伤亡率。因此特别适用于城市和恶劣环境下的局部战争和信息、战争，具有重大意义和军事效益。二十一世纪的战场，战争的初期极可能是一场无人系统的较量。永不疲倦、无所畏惧的微小型无人移动机器人是最理想的士兵。它们已在战争中显示出的作战本领，可以证明它们在未来战场上的重要地位。微小型无人移动机器人的机械臂特别适用于城市和恶劣环境下(如核、生、化战场等)的局部战争和信息战争，具有重大战略意义和效益。
1.2 移动机器人的发展现状及研究
小型地面移动机器人机械臂在未来生活中，包括消防、探测等危险作业中的应用将会越来越广。包括在军事领域中的应用将是发展的必然趋势，也是我国国防科技行业重点支持的方向之一。通过对小型移动机器人机械臂系统研制，在整体系统的各个方面积累了比较丰富的设计经验，相信经过不断的发展和改进移动机器人机械臂将走向成熟和实用化。未来移动机器人机械臂将有以下主要特点:更优的性能质量比;更强的环境适应能力;更高的智能性能;具有成熟的机械臂系统;军品级别的可靠性。
1.2.1 国外移动机器人发展现状
国外在移动机器人机械臂方面的研究起步较早，初期的研究主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高而导致室外移动机器人机械臂的研究未达到预期的效果，但却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人机械臂的途径积累了经验，同时也推动了其它国家对移动机器人机械臂的研究与开发。
进入90年代，随着技术的进步，移动机器人机械臂开始在更现实的基础上开拓各个应用领域，向实用化进军。例如2002年IRobot研制的金字塔探测机器人—“金字塔漫游者”，身长30厘米，宽12厘米，高度可在11至28厘米之间调节。机器人身带5件法宝:超声波传感器、地面探测雷达系统、力度测量仪、高分辨率光纤镜头和导电传感器，具备世界上最小的地面探测雷达系统，可以穿透厚超过90厘米的混凝土。美国在2003年发射的两辆火星探测车“勇气”号和“机遇”号分别于2004年1月3号和24号在火星的不同区域安全着陆，并完成了90个火星日的科研工作。拿“勇气”号探测车来说，就是一个具有手臂的移动机器人。他的大脑是一台高速计算机，车体靠自身具有的六个轮子在火星地面运动，视觉系统采用一对全景照相机来拍摄火星表面和天空的全景视图，也用于形成着陆点附近的地形图、搜索感兴趣的岩石和土壤，来完成寻找火星远古时期存在液态水的证据的工作。另外分别于车体前端和后端安装了两组相同的避危摄像机，由一组立体影像的黑白摄影机所构成的，所拍摄的影像除了用于障碍物侦测之外还用于探测车的路径规划上。最先进的要数探测车上的机械手臂，手臂末端装备了各种工具，有显微镜成像仪、三种质谱仪和两种分光计，一套岩石研磨和样本采集土具以及三个磁铁阵列，所有设备主要是用来寻找火星上是否曾经有液态水的证据。西班牙罗斯?罗卡公司研制的“罗德”轮由此可以看出:蜗轮蜗杆虽然符合 > 条件，而且差大于1，故自锁可靠。
(d)蜗轮蜗杆式的肩部易于旋转方向的要求。
肩部是蜗轮蜗杆传动，蜗杆固定于蜗轮箱内，蜗轮位于蜗轮箱内，通过轴套与转轴相连，与蜗杆啮合。进行旋转运动操作时，主控计算机把臂部角度与目标点的角度进行比 较，角度的差值通过电机驱动器驱动电机转动，电机转动经配套的减速器后，经过一对齿轮副的传动，带动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合，使得与蜗轮通过轴套连接的肩部转轴转动，从而使得固定于肩部转轴的臂部转动，赋予肩部在150度范围内转动。
(e)蜗轮副的传动一般具有工作平稳、结构紧凑的特定，但是在这里将它用作移动机械臂的肩部传动机构后，具体情况有所变化。因为蜗轮蜗杆分别安装在箱体上，不能实现对蜗轮蜗杆的固定装置进行组合加工来保证蜗轮蜗杆的中心距有较小的偏差;装配时，蜗轮中心与回转中心不易重合，存在较大的偏差。从而不能保证蜗杆轴线与蜗轮的节圆在同一平面内。所以解决的办法是蜗杆两端加上调整垫片。也就是说，在传动过程中，蜗轮蜗杆的啮合情况是变化的，这就使得电机驱动肩部转动时出现转动不平稳、驱动力不均匀现象。又因为肩部为一级传动，而且旋转部分很重，体积较大，进行肩部旋转定位时，回转惯性也就较大，同时也没有消除回转惯性力矩的缓冲机构，这种回转惯性也就敏感地、直接地反映到电机上来。由于法兰盘和臂部体积较大，使得肩部的体积也较大，且不够紧凑。
6.3 本章小结
移动机械臂的结构分析以及以肩部为重点的结构分析。
结束语
总结本文对移动机器人的移动机械臂结构系统进行了设计，包括一个3个自由度移动机械臂，移动机械臂的设计包括肩部，臂部及手部的结构设计。并对机械臂进行了性能分析。
移动机械臂，绕水平轴旋转的自由度肩部使用了蜗轮蜗杆副， 臂部使用了圆锥齿轮传动，手部使用了直齿圆柱齿轮及左右螺旋的形式传动。移动机器人机械臂进行了结构设计，利用PRO/ENG对机械手建模运动仿真。
由于作者的水平有限，而且对有些相关学科，如传感器技术、控制技术等并不是很了解，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更加深入的研究与展望：
(1)机械结构优化问题
在移动机器人设计过程中，包括移动机械臂，采用模块化设计，不同功能结构分别进行设计，各模块之间连接采用最优方式。但是在模块各零件设计过程中，各参数计算选择主要从结构强度和刚度要求出发，很多零件为了匹配，比实际需求尺寸大很多。包括一些非关键零件设计，均是根据前人经验设计，选择尺寸。这种设计不仅增加了整个系统质量，同时增加了电机负载，造成了资源浪费。
在各模块整体结构设计过程中，结构优化也很重要。通过各零件之间最优配合，使机械运动在实现功能前提下，实现最高传动效率，将能量消耗降到最低。
臂部的关节应该放在大臂上，不应该放在小臂上，增加了小臂的重量，增大了小臂的传动力矩，以及增加了臂部传动负荷。
（2）计算机的有限元的分析没有做。通过对计算机有限元软件的更深层次挖掘，对零件的强度和刚度和臂部的力学分析，会得到最优的结构。这个以后可以作为后续学习的方向。
(3) 移动机械臂自主控制系统的建立有待于进一步研究，以及它的运动控制技术，路径规划技术，实时视觉技术，定位和导航技术，多传感集成和数据融合技术，高性能计算技术，无线通信与因特网技术问题也是多个有待研究的方面。
移动机器人在未来生活中，包括消防、探测等危险作业中的应用将会越来越广。包括在军事领域中的应用将是发展的必然趋势，也是我国国防科技行业重点支持的方向之一。通过对移动机器人机械臂系统设计，在整体系统的各各方面积累了比较丰富的设计经验，相信经过不断的发展和改进移动机器人将走向成熟和实用化。
未来移动机器人将有以下主要特点:
(1)更优的性能质量比;
(2)更强的环境适应能力;
(3)更高的智能性能;
(4)具有成熟的搭载系统;
相信随着社会的进步，科技的发展，本系统的研究将具有很大的市场潜力和广阔的发展前景。
致 谢
论文是在老师的精心指导下完成的，自论文的选题到各章中若干重要基本问题的研究都倾注了导师的智慧。周老师渊博的知识、敏锐的洞察力以及富于启发性的分析使我受益匪浅，周老师严谨认真的治学作风和勤奋进取的工作精神使我受到极大的鞭策。在此，谨向我最尊重的周老师老师致以最诚挚的谢意!
特别感谢我的父母，他们一直无条件的支持我的学业和研究。感谢一切帮助过我的朋友，感谢网上提供资料的朋友……两年来，我还得到了许多老师与诸多同学的大力支持与帮助，在此向所有曾经关心和帮助我的人一并表示感谢!最后还要感谢百忙中抽出时间审阅我论文的老师，对他们的付出表示真诚的感谢!
参 考 文 献
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