移动机器人机械臂的设计【9张CAD高清图纸及说明书】
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9张CAD高清图纸及说明书
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南京理工大学泰州科技学院毕业设计（论文）任务书学院(系)：机械工程学院专 业：机械工程及自动化学 生 姓 名：魏礼彬学 号：0601510154设计(论文)题目：移动机器人机械臂的设计起 迄 日 期: 2010年3月22日6月27日设计(论文)地点:南京理工大学泰州科技学院指 导 教 师:周建平专业负责人:龚光容发任务书日期: 2010年 3月 12 日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、院（系）领导签字后生效。此任务书应在第七学期结束前填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及院（系）主管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“学院（系）”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 77142005文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 本课题以小型地面移动机器人的机械臂为研究对象，要求学生综合运用所学基础理论知识,根据被抓取工件的结构尺寸、重量及工况，进行结构选型、机构设计。本课题的研究从功能需求分析入手，根据设计要求，构思机构运动形式、结构尺寸和传动布局，并进行机构、零部件设计计算等环节的实践，来培养学生的设计、计算、制图及计算机应用能力，以提高同学分析与解决工程实际问题的能力。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：内容：以小型地面移动机器人的机械折叠臂为研究对象，设计机械臂及夹持机构，并满足总体尺寸、重量及运动特性等指标。 要求：（1）根据教师提供的部分材料和所布置任务，查阅中外资料，了解课题研究的工程背景。（2）翻译外文资料(10000字符以上)。（3）设计机械臂及夹持机构。设计要求：机械臂折叠时总长650mm，单臂杆转动范围:150，旋动速度0.5rad/s，系统自重7kg。机器人底盘系统的总体尺寸不超出：长宽高=800mm540mm260mm。机械臂的抓取重量为3kg，抓取对象为直径40mm、长度360mm的圆柱体。（4）对系统进行机构分析、设计与计算。（5）绘制该系统装配图及部分零件图。（用Auto CAD或其他绘图软件绘制）。（6）编写设计、计算说明书。 毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等：（1）绘制机器人机械臂系统的三维造型图、装配图及部分零件图。（2）根据系统的设计计算和分析结果编写设计、计算说明书。（3）给出系统各零件的材料和重量清单，估算系统总重量。 4主要参考文献：1 张毅等. 移动机器人技术及其应用M. 北京：电子工业出版社，2007.2 李新春等.移动机械手结构设计J. 机器人，2004（11）：103106.3 李振波等.微型全方位移动机器人的研制J. 机器人，2000（9）：354358.4 常文森,贺汉根,李晨.军用移动机器人技术发展综述J. 计算技术与自动化，1998（2）：26.5 江浩,樊炳辉等.新型移动机器人的结构设计J. 应用科技，2000（8）：35.6 马香峰等.工业机器人的操作机设计M.北京：冶金工业出版社，1996.7 蒋新松. 机器人学导论M. 沈阳：辽宁科学技术出版社，1994.8 苏学成.樊炳辉等，一种新型的机器人移动结构J.机械工程学报，2003（4）：120123.9 R西格沃特,I诺巴克什,自主移动机器人导论M李人厚,译.西安：西安交通大学出版社，2006.10 王野，王田苗等.危险作业机器人关键技术综述J.机器人技术与应用,2005(6):2331. 11 文福安,梁崇高,廖启征. 并联机器人机构位置正解J.中国机械工程,1999.12 黄亚楼,卢桂章. 微机机器人和精密操作的研究发展M. 机器人,1992(4).13 王昆,何小柏,汪信远. 机械设计课程设计M. 高等教育出版社,2005.14 朱磊磊,陈军.轮式移动机器人研究综述J.机床与液压,2009,37(8):242247.15 郑超,赵言正,付庄.一种小型履带机器人的结构设计和实现J.机电一体化,2007,4:7072.16 陈学东等.四足机器人爬行步态的正运动学分析J.机械工程学报.2003,39(2):812.毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 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 查阅中外资料，了解课题研究的工程背景并翻译外文资料。对课题方案进行构思、分析比较并理出思路，撰写开题报告。初步设计。根据设计指标的要求对移动机器人机械臂系统进行方案设计与三维造型。详细设计。根据设计指标的要求，对选定的系统方案进行机构分析、作详细的结构设计与计算。绘制移动机器人机械臂系统装配图，拆画部分零件图绘制改进后的小臂部件装配图与零件图。撰写设计、计算说明书。修改论文，准备答辩。论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日学院（系）意见：院（系）领导： 年 月 日 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页目 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 194.3 臂部电机的选择 265 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 285.2 肩部结构的设计 295.3 肩部电机的选择 315.4 肩部直流电机的计算325.5 肩部伺服电机与臂部和手部步进电机的控制 336 移动机器人机械臂的结构分析 306.1 机械臂总体结构分析376.2 机械臂的肩部结构分析 396.2 本章小结 39结束语 42 致谢 45参考文献 46 本科毕业设计说明书（论文） 第 47 页 共 47 页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”轮式机器人。该机器人可用于清理雷场和处理炸药等危险物品。该车长1. 4m,宽0. 67m、高0. 8m、重350kg、(6 X 6)驱动、动力装置为1台电动机，车上供电蓄电池可使用2h，车速(前进或后退)可在0 至6. 5km/h之间连续变化。车上装有活动操作臂，有6个自由度，固定在机器人车的旋转塔上。机械臂不伸长时可吊重80kg，伸直时最长为1. 5m，此时可吊重16kg。操作臂顶端装有夹爪，夹紧力可达30kg，能把物体提升至2. 75m高。该车采用100m(或250m)长的电缆或无线电装置进行遥控。机械手完成整个操作过程必须借助1台黑白或彩色电视显示器，显示车上3个摄像机获得的监视驾驶、机械臂控制和夹爪操作的图像。车上装有两个卤气探照灯，可在夜间或能见度很低的地区使用。除室外移动机器人外，世界各国在遥控移动机器人、高完整性机器人、生态机器人学(生物机器人学)、多机器人系统、环境与移动机器人系统的集成等方面都作了大量的研究。1.2.2 国内移动机器人发展现状国内对移动机器人机械臂的研究起步虽然较晚，但经过近几十年的发展也取得了很大进步，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。国内的移动机器人机械臂研究主要经历了算法的研究和仿真、国外机器人平台的引进和自主开发三个阶段。下面是国内的主要研究成果。“九五”期间由浙江大学、南京理工大学、国防科大、清华大学、北京理工大学联合研制了ALVLABII型陆地移动机器人，并成功完成了全部实验测试，正常行驶速度为30.6km/h，同时支持临场感遥控驾驶及战场侦察等功能。清华V型智能车THMR-V是清华大学智能技术与系统国家重点实验室在中科院院士张钱教授主持下研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994年通过鉴定。车体采用道奇7座厢式车改装，装备有彩色摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统;由差分GPS、磁罗盘和光电码盘组成的组合定位导航系统等。两套计算机系统分别进行视觉处理，完成信息、融合、路径规划、行为与决策控制等功能。4台IPC工控机分别完成激光测距信J息、处理、定位信息、处理、通讯管理、驾驶控制等功能。设计行驶于高速公路车速为80krn/h，一般道路为2 0km/h。目前已能够在校园的非结构化环境下，进行道路跟踪和避障碍自主行驶。清华大学智能车涉及到五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术，基于传感器信息的局部路径规划技术，路径规划的仿真技术，传感技术、信息融合技术和智能移动机器人的设计和实现。DY- I型导游服务机器人是海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司推出的新一代智能导游机器人，该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息、避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成。导游机器人由蓄电池供电，可连续运行4h，在一定环境下可自主行走，并可进行避障，并通过语启一系统可以进行人机交互。此外还有香港城市大学智能设计自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中科院沈阳自动化所研发了具有自主产权的激光导引AGV和用于公安防暴的“灵晰一B”型移动机器人、中国科学院自动化所自行设计制造的全方位移动机器人导航系统等。本文主要论述是移动机器人机械臂结构设计。1.2.3 移动机器人的研究热点综合国内外对于移动机器人的研究情况，当代移动机器人的研究主要集中于以下几个方面。(1)机械臂结构。机械臂机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进行的。在机械臂机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展。(2)运动控制技术。稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础，由于移动机器人机械臂本身是一个非完整约束系统，是一个欠驱动的零漂移的动力学系统，因此，该系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此，通过时变、不连续控制以及混合策略，根据动力学模型和运动学模型，建立合理的反馈控制律，实现速度和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术的核心内容。(3)路径规划技术。该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部路径规划技术。由于自主式移动机器人机械臂在行驶中，必须避开它无法通过的或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域，因此局部路径规划，尤其是复杂环境下的路径规划问题，显得更为重要。(4)实时视觉技术。该技术主要涉及到视觉信息的实时采集、预处理、特征提取和模式识别。而且，视觉信息处理的能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定智能机器人整体性能的决定性因素。(5)定位和导航技术。该技术是现代移动机器人机械臂研制所急需的关键技术，也是下一代无人战车的技术基础。位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量，测量方法有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗盘、全球定位系统、地图模型匹配和自然路标导航等。(6)多传感集成和数据融合技术。自主式移动机器人机械臂采用测距技术，GPS定位技术和小型陀螺仪技术等多种传感技术来采集不同类型的环境信息。因此，准确地处理和分析不同传感器采集到的信息，用于对所处环境作出准确可靠的描述，并据此作出正确的决策和控制，是多传感集成和数据融合研究的任务。(7)高性能计算技术。在移动机器人机械臂的早期研究工作中，专用硬件结构为多数研究者所采用，这是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需的计算能力。近年来，随着计算机计算能力的迅猛提高，研究者们开始采用通用处理器来构建机器人系统。目一前用于移动机器人机械臂的硬件结构多数采用一个高速通用处理器加上几个专用板卡或芯片(用于颜色查表、模板匹配或数学形态学计算)，或者通过实验确定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系统来缩小体积，达到优化的性能。(8)无线通信与因特网技术。这两项技术可以实现多机器人臂之间的通信和信息共享，以及移动机械臂与外部的联系。本文要研究是移动机器人机械臂结构设计。1.3 本课题的来源和研究内容本课题来源于南京市科技局的科技计划项目，具有较大的应用价值。结合当前小型移动机器人的发展，而进行移动机器人机械臂的结构设计和计算，要求结构紧凑、轻巧，以提高机器人臂杆系统的运动性能。将移动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，可以用于执行爆炸物处理、侦察、通讯、探测系统或其他特殊任务。通过几个阶段系统的分析、设计与计算等过程，提高分析与解决工程实际问题的能力。具备较扎实的机械设计及自动化方面的专业知识，能较熟练的使用CAD软件或其他工程设计与分析软件进行设计。本课题以小型地面移动机器人的机械折叠臂为研究对象，设计了移动机器人机械臂的设计。论文以实际工程为背景，结合移动机器人机械臂研究设计过程中遇见的问题，进行分析。内容安排如下：在了解总体尺寸、重量及运动指标的基础上，进行机构分析和比较；对选定的方案进行机构造型、分析、设计与计算；绘制该系统装配图及部分零件图；编写设计、计算说明书。设计机械臂及夹持机构。设计数据要求：机械臂折叠时总长650mm，单臂杆转动范围:150，旋动速度0.5rad/s，系统自重7kg。机器人底盘系统的总体尺寸不超出：长宽高=800mm540mm260mm。机械臂的抓取重量为3kg，抓取对象为直径40mm、长度360mm的圆柱体。2 移动机器人机械臂的总体设计2.1 机械臂结构的确定作为一款多功能移动机器人，为完成如排爆等任务，抓取危险物品移动至安全爆地点，能够灵活的移动到指定的目标位置来抓取目标物，能够方便的伸长、旋转达到不同的姿态，自由度太少将大大限制机械手的工作空间，无法抓取目标物，有时考虑到目标物可能置于狭小空间中，还应该使机械手能够有效达到避障的目的。考虑到还有底盘的移动以及机械臂的重量。本文设计的机械手具有3个自由度。下面分别是手部、臂部和肩部的具体设计。机械臂的结构如图2.1所示：图2.1 机械臂的结构1. 手部关节 2.肘关节 3.肩关节 4.转台2.2 机械臂设计的主要参数2.2.1 臂长的确定 加拿大西蒙弗雷泽大学的高峰等人根据人体手臂和腿部的机构组成，提出了尺寸综合的三动杆原理19，作为机械手机构运动学、动力学的评价准则。该原理的内容是:人体手臂、腿部及动物四肢从机构原理上分析都可以看作三自由度平面三动杆演化来，因为决定它们的运动学和动力学特征的最基本的部分是平面运动，这部分运动被称为三动杆的主运动，它是瞬时运动轴线平行的三动杆机构运动，三自由度面的动杆机构可以作为上述机构的简化模型，该机构的运动学、动力学的评价准则同样可以用来衡量手臂机构的运动学和动力学性质。根据三动杆基本运动理论，仿人手臂可以看作三动杆机构，即将大臂、小臂、手爪作为三动杆。 假定机械手各部分长度为:上臂A、小臂B、手爪C，L=(A+B+ C)/3，则可得到r1 =A/ L，根据三动杆机构的性能分析，可以得出下面的结论，即当三杆长度满足下列条件，r1 : r2 = 11.2，并且r30.5时，三动杆的灵活性和运动幅度较高，同时，其全局条件数最大，手臂末端的操作速度、变形也处于中等范围内。当全局条件数最大时，操作过程中易于实现精度控制。因此，结合三动杆原理，确定机械手的各部分尺寸长度为大臂380mm、小臂420m,手爪160mm。设计该长度还考虑到了机器人的排爆用途，即机械手必须能够将爆炸物抓取移动，以直径40mm，长为360mm的圆柱体为例进行了计算，这样确定了上述尺寸。2.2.2 结构参数要求及设计的原则（1）结构设计参数的要求机械臂折叠时总长650mm，单臂杆转动范围:150，旋动速度0.5rad/s， 机械臂的抓取重量为3kg，抓取对象为直径40mm、长度360mm的圆柱体。(2)机械系统是移动机器人机械臂性能的基础，结构设计参数直接影响到移动机械臂性能指标。合理的、优化的结构设计不仅能提供可靠的机器人本体，更可以减少调试试验中的不可靠因素。但是，机械设计周期十分长，其受到的影响因素也很多，包括加工精度、热处理工艺、材料选取、装配工艺、非正常工作状况等等都将影响到机械系统的性能，所以机械系统的设计在本项目中显得十分重要。 在设计过程中应遵循以下结构设计原则：(a) 结构尺寸方面满足设计指标;(b) 零件结构便于加工、测量;(c) 满足刚度强度要求;(d) 总体结构易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理;(e) 给机器人暂时未能够装配的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将来能改进与扩展;(f ) 采用模块化设计，各个功能模块之间相互独立装配，互不干扰。设计过程中主要使用的设计工具有美国PTC参数技术公司的三维设计软件Pro/engineer野火版3.0以及Autodesk公司的二维设计软件AutoCAD2007。3 移动机械臂机械手部结构设计3.1 手部结构设计要求机械手手部(末端执行器)结构形式多样，但总的设计都有如下几点基本要求:（1)应具有适当的夹紧力和驱动力，手指握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏抓取物体;力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑抓取物体重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证夹持安全可靠。（2)手指应具有一定的开闭范围，手指应具有一定的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)或开闭范围(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)，以便于抓取或退出物体。（3)应保证抓取物体在手指内的夹持精度，应保证每个被抓取的物体，在手指内都有准确的相对位置。 (4)要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证自身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。3.2 传动方式的选择机械传动是主要的传动装置，常用的有带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等。根据机械手结构的实际情况选择齿轮传动。齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一类传动。它传动效率高，在正常的润滑条件下效率可达99%以上；手指的设计将采用平移运动的方式来夹持物体，这里将采用左右螺旋轴和齿轮副一起作为传动机构来完成末端机构所要求达到的功能。采用这两种结构使整个末端执行器体积小、质量轻。3.3 手部结构的设计工业机器人应用的双指机械式夹持器按其手爪的运动方式可分为回转型和平移型。如图 3. 1和3. 2 是两种典型的机械夹持器结构。本文选择平移型夹持器的结构，它与前者相比具有结构简单、控制容易的优点。图3.1 回转型 图3.2 平移型在手爪的设计中主要考虑了以下几种方案：方案一:齿轮齿条平行连杆的机构，该方案见图3.3所示。 1一夹钳 2一连杆 3一扇形齿轮 4一齿条 5一手爪壳体 6一直线电机图3.3 直线电机带动齿轮齿条的手爪方案 该结构驱动电机为直线电机，直线电机轴带动齿条沿轴线方向直线运动，两个扇形齿轮则在齿条的带动下实现转动，从而带动连杆和与连杆铰接的夹钳实现开合动作，该机构从实现上最为简单。考虑到与后面要使用电机的配套，如果选择直线电机，则必须选择单独的一套驱动器，势必增加成本。方案二: 圆柱直齿轮和螺旋轴而方案一为了实现较大的手爪开合尺寸，齿条部分必需做的较长，而在整个手爪开合的行程中，手爪完全张开时，齿条有一部分要伸出手爪壳体。综合以上因素，实际设计中，对机械手进行了如下的结构设计。传动机构采用圆柱直齿轮和螺旋轴，整个末端执行器体积小、质量轻。两手指相对于末端执行器在左右螺旋的带动下做平移运动，达到开合作用。手部结构如图3.4所示。图3.4 手部结构图1一步进电机 2一齿轮A 3一导向轴 4一左右螺旋轴5一齿轮B 6一夹持器右指 7一夹持器左指 8一衬套经过以上的研究讨论从而设计手部结构。手部结构采用超硬铝合金材料，在保证一定的刚度的同时又降低了整体的重量。前段可以夹持形状规则(与手指接触面为平面)的物体，后段为菱形形状，可以夹持圆形和不规则形状的物体手指伸出长度为 125mm，开合范围 4-70mm。它的内部结构是这样的，驱动电机1经齿轮2传动齿轮5，驱动左右螺旋轴4使两手指6、7进行开合运动。两手指相对于末端执行器在左右螺旋的带动下做平移运动，达到开合作用。两根导向轴3固定两手指并引导两手指的运动轨迹。这种设计可以更好的使机器人完成工作。手部的三维爆炸图如图3.5所示：图3.5 手部的三维爆炸图3.4电机的计算与型号选择34.1 电机的计算在确定握力时，除考虑抓取物体重量3Kg外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证夹持安全可靠。另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可以达到非常高的位姿准确度。综上所述，本文选择电机驱动为机械手的驱动方式。本文设计要求夹持的物体重为 m=3000g，设螺纹为 M8，其中径 r=3.6mm，螺距 P=1mm，当量摩擦系数 f=0.1，Q为轴向载荷，M为螺纹驱动力矩。手指材料为铝合金，铝合金与常用材料的磨擦系数如表3.1所示:表3.1 主要工程材料摩擦系数 摩擦副材料 静摩擦系数 铝合金 黄 铜 0.27 青 铜 0.22 钢 0.3 胶 木 0.34 钢 纸 0.32 树 脂 0.28 硬橡胶 0.25 石 板 0.26从表3.1可以看出铝合金与不同材料的静摩擦系数趋近于0.3，所以取被抓物体和末端执行器手指之间的静摩擦系数，则： (3-1)螺纹增力比 （3-2）式中 当量摩擦角，= ；螺纹升角，= 带入数据,得, 得 （3-3）选用齿轮传动比 n=1:1，忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩，根据上述计算，我们选择了北京和利时电机公司生产的 28BYG250C-SASSMQ-0071 型步进电机，它的保持转矩为 90，满足设计要求。3.4.2 电机的技术参数及尺寸步进电机的如图3.6所示：图3.6 步进电机步进电机的技术参数如表3. 2所示：表3.2 步进电机的技术参数步进电机的尺寸如图3.7所示：图3.7 步进电机的尺寸步进电机的安装如图3.8所示：图3.8 步进电机的安装3.5 材料的选择与强度校核3.5.1 齿轮系材料的选择对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿心要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可以采用软齿面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于350HBS，热处理方法为调制或正火，常用材料有45号钢和40Cr等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度一般为8级。本文设计的齿轮副速度要求不高，所以设计选用40Cr为材料，软齿面即可满足传动要求。3.5.2 齿轮副的强度校核 轮齿在受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。对于制造精度较低的传动齿轮，由于制造误差大，实际上多由在齿顶处咬合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。本文设计的是直齿圆柱齿轮，齿数Z=30，模数=1 mm，齿宽b=4mm,节圆直径，齿形角度，齿轮副的传动比u=1:1。电机传动的转矩T=90。那么齿轮所受的圆周力 （3-4）对于齿轮的校核将从两方面来计算：1) 齿面接触疲劳强度的校核齿面接触疲劳强度的校核公式为； （3-5）式中： 为区域系数，标准直齿轮=2.5； K为载荷系数，此处取K=1.8； 为弹性影响系数，查得=188； 为接触疲劳许用应力 （3-6）其中： 为接触疲劳寿命系数，取=0.95； 齿轮接触疲劳强度极限，查得=550； S为安全系数，取S=1。 从而求得： =522.5将所有已知量带入(3-6)式，求得： =199.5=522.5 从齿面接触疲劳强度上来说，齿轮是合格的。(2）齿根弯曲疲劳强度的校核） 本文设计中的齿轮为一悬臂梁。 齿根危险截面的弯曲强度条件式为 （3-7）式中：为齿根危险截面处的理论弯曲应力； 为载荷作用于齿顶时的应力校正系数，取=1.625； 为载荷作用于齿顶时的齿形系数，取=2.52； 为弯曲疲劳许用应力 （3-8）其中： 为弯曲疲劳寿命系数，查得=0.88； 为弯曲疲劳强度极限，取=380； 取弯曲疲劳安全系数S=1.4。 从而求得： =238.86将所有已知量带入(7)式，求得： =5.53=238.86以上计算可知，设计的齿轮副是合格的。 (3)壳体件材料的选择机械手臂的壳体可以全部选用硬铝合金分段铸造加工而成。本文选用的是ZAlSi9Mg，这是一种硬铝材料，强度大、质量轻，完全符合本文的设计要求。机械手指不是壳体机构，它是实体的。本文设计的手指材料也选用同样的铝合金。这有利于材料的购买，同样这种材料是满足设计要求的。材料ZAlSi9Mg的弯曲应力240，手指抓去的最大质量为3000g，重力为29.4N。对比两者的力学性能和受力情况，很显然此材料来制造手指远远满足设计中的要求。，不会出现手指弯曲变形的情况。 (4)本体支撑件材料的选择和校核（a）材料的选择机械臂支撑件由于与连接件之间为滑动摩擦,需要选取一种耐摩擦,同时要求强度大,质量轻,价格便宜的材料来制造。工程塑料拥有良好的综合性能,其强度、刚度、冲击韧性、抗疲劳等不较高,特别是拥有很高的耐磨性。它可以在无润滑油的情况下有效的进行工作。由于它相对密度小,因此其强度高。聚甲醛(POM)是一种比较常用的工程塑料。它是以线性结晶高聚甲醛树脂为基础的。它有着高强度、高弹性模量等优良的综合力学性能。其强度和金属近似,摩擦因数小并有自润滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一种相当便宜的材料。由于本设计中的负荷低,移动机构的速度不快,从而此处选择有聚甲醛这种工程塑料来制造手部的导向轴。（b）支撑件的校核支撑件是用来支撑机器人主要机械机构的，本文中共用两个支撑件，直径各为8mm,手部的两个导向轴受力几乎一样。手部要抓取的物体重量为3Kg。这样每个导向轴受到的重量有3Kg。受到的重力仅为29.4N。聚甲醛分为均聚和共聚两种，使用时应注意它们性能上的区别。共聚甲醛在短期内强度好而均聚甲醛柔软性好。共聚物比均聚物软化点高10，受载荷时热变形温度高，热稳定性好，成型温度范围广。聚甲醛成型材料的一般性质如表3.3所示：表3.3 聚甲醛成型材料的一般性质(23)项目单位试验方法ASTM一般型号CF增强型号均聚物共聚物均聚物共聚物物理机械性能比重吸水率(24h浸渍)吸水率*抗张强度相对伸长拉伸模量抗弯强度弯曲模量压缩强度(10%)剪切强度悬臂梁（缺口）冲击强度(无缺口)洛氏硬度锥度摩擦摩擦系数(对钢)摩擦系数同材料-%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） 聚甲醛的抗压强度为124.5，抗弯强度为97.1，整个零件的强度和刚度是非常大的。从每个件的受力来看，材料聚甲醛的各个力学性能完全满足本文的设计要求。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而机器人移动速度慢，从摩擦的角度来说，聚甲醛也是理想的支撑件材料。聚甲醛与其他塑料相比，具有自润滑性及低摩擦系数、低磨耗等特点。其动摩擦系数和静摩擦系数相近，粘接较困难。有报导与钢进行摩擦试验结果如表3.4所示：表3.4 与硬铝进行摩擦实验结果动摩擦系数0.21 1(P1：0.27MPa)(v1：25cms)比因耗1.32mm3(Nm)临界Pv值122kPa. ms3.6本章小结本章介绍手部结构设计要求及传动方式的选择的比较，手指的设计方案的比较，电机的计算与型号选择。移动机器人机械臂各零部件所要求的强度、刚度等都不同，应该选用不同的材料来制造加工。所以本章就依据机器人在工作过程中各零部件不同受力情况，以及机械设计的要求选用了不同的材料来制造零件，并对零件进行了强度校核，使其达到工作要求。4 臂部结构4.1 臂部结构设计的基本要求手臂部件是机械手的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)抓取物体，则移动臂部自由度加以实现。因此，一般来说臂部设计基本要求: （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，机械手常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢（如图4.1和4.2所示）或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。（2)臂部运动速度要高，惯性要小在一般情况下，手臂的移动要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。 为减少转动惯量，应采取以下措施: (a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料; (b) 减少手臂运动件的轮廓尺寸 (c) 减少回转半径 (d) 驱动系统中设有缓冲装置(3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。(4)位置精度要高。一般来说，直角和圆柱坐标系机械手位置精度高;关节式机械手的位置最难控制，故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。本文采用铝合金材料设计成薄壁件，一方面保证机械臂的刚度，另一方面可减小机械臂的重量，减小基座关节电机的载荷，并且提高了机械臂的动态响应。砂型铸造铸件最小壁厚的设计。最小壁厚：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同，主要取决于合金的种类和铸件的大小，见表4.1所示：铸件尺寸 铸钢 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 铜合金 200200 200200500500 500500 58 1012 1520 35 410 1015 46 812 1220 35 68 33.5 46 35 68 表4.1砂型铸造铸件最小壁厚计（mm）以上介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点，在特种铸造方法中，应根据每种不同的铸造方法及其特点进行相应的铸件结构设计。本文机械臂壳体采用铸造铝合金。具体尺寸见总装配图。4.2 臂部结构设计4.2.1 臂部结构大臂部工字钢结构如图4.1所示图4.1 大臂部工字钢结构图小臂部工字钢结构图如图4.2所示：图4.2 小臂部工字钢结构图肘关节的三维爆炸图如图4.3所示：图4.3 肘关节三维爆炸图肘关节的三维零件图如图4.4所示：图4.4 肘关节三维零件图肘关节剖视图如图4.5所示：图4.5 肘关节剖视图1一圆锥齿轮A 2一圆锥齿轮B 3一轴套 4一滚动轴承 5一紧定螺钉6一螺钉 7一大臂 8一螺钉 9一轴承端盖 10一轴11一小臂 12一电机圆锥齿轮的啮合面和齿隙是相互影响的，在检查调整时不能单一地检查调整啮合面或齿隙，而应综合检查调整，一般是先检查调整啮合面，然后检查调整齿隙。调整好圆锥齿轮的啮合面后，要检查圆锥齿轮的齿隙。将百分表的量头触在牙齿大端的节圆处进行测量。如果齿隙不正确，要根据啮合面的实际情况，在啮合面允许变化的范围内进行调整。调整齿隙后，要检查齿背不平齐差，即配对圆锥齿轮的锥顶要重合。此要求可通过检查两圆锥齿轮大端的背锥面是否相平齐来保证。4.2.2 臂部肘关节直齿圆锥齿轮传动的设计一对直齿圆锥齿轮传动如图4.6所示：图4.6 一对直齿圆锥齿轮传动参数选择时应注意，直齿圆锥齿轮最小齿数为，齿数比不宜过大。齿宽系数不应过大，因为圆锥齿轮的齿越宽，制造、安装误差就越大，偏载也越严重，故一般取，还应使最小齿宽(1) 选定齿轮材料，热处理方式 ，齿数及精度等级 对于一般齿轮传动，可选用优质碳素钢。A齿轮：45号钢，调质HB240270（T255）；B齿轮：45号钢，正火HB180210（Z195）；两轮均为软齿面（HB350）。为避免根切及具有较好性能，考虑到直齿圆锥齿轮最小齿数,选定齿轮齿数。按一般的加工能力及 使用要求，初选齿轮精度等级为8级。(2) 初步确定主要参数由于两齿轮齿面均为软齿面（HB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
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