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移动机器人机械臂结构设计,移动,机器人,机械,结构设计
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说明书 第 31 页 共 31 页1 绪论1.1 引言在星球表面探索、地震或事故现场救灾、自然界未知事物探索等环境中工作的移动机器人，面临着复杂、未知、多变的非结构环境，应具有良好的适应性、灵活性。移动机器人应当能够依靠自身的功能，克服环境的不确定性，有效地完成任务1。机器人不仅可以在粉尘、噪声、有毒、辐射等有害条件下部分替代人去操作，还能在人所不能及的极限条件下，如深海、外层空间环境中完成人所赋予的任务，扩大了人类改造自然的能力，尤其是近些年来自动化和计算机的发展极大地推动了工业机器人的发展。机器人的研究、开发、应用涉及许多学科，机器人技术是一门跨学科的综合性技术。多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学等学科都和机器人技术有密切的联系2。1.2国内外研究现状地面移动机器人是脱离人的直接控制，采用遥控、自主或半自主等方式在地面运动的物体。地面移动机器人的研究最早可追溯到五十年代初，美国Barrett Electronics公司研究开发出世界第一台自动引导车俩系统。由于当时电子领域尚处于晶体管时代，该车功能有限，仅在特定小范围运动，目的是提高运输自动化水平。到了六、七十年代，美国仙童公司研究出集成电路，随后出现集成微处理器，为控制电路小型化奠定了硬件基础。到了八十年代，国外掀起了智能机器人研究热潮，其中具有广阔应用前景和军事价值的移动机器人受到西方各国的普遍关注3。在移动机器人的发展中，出现两个机器人大国，一个是日本，另一个是美国。时至今日，各种类型的地面移动机器人纷纷研制出来，其应用范围从民用、工业用到军用，涉及人类运动的方方面面。进入90年代，机器人技术的发展由于受到发达资本主义经济不景气的影响，专门从事机器人研究和生产的部门数目有所减少，但由于人工智能、计算机科学、传感器科学的长足进步，使得机器人的研究在高水平上进行。机器人发展到今天已经是灿烂辉煌，随着信息技术、电子技术的发展，移动机器人作为人工智能的一个分支也将吸收这些成果，功能将更完善，新的移动机器人也将涌现出来4。未来的机器人技术，将在以下几个方面发展。 （1） 高速操作臂 高速操作臂可以大大提高机器人的工作效率。为此，必须开展新的手腕机构和伺服驱动装置，以及能适应机械臂高速运动的变转动惯量的动态控制方法等的研究。 （2） 柔性操作臂 目前的操作臂本身质量要比它所能抓起的质量大的多。如臂自身质量为30kg，仅能搬运还不到10kg的物体，这与人的手臂相比要小的多，其原因主要是驱动装置的效率低、轻型材料的强度和韧性不够。因此，新型材料的开发成为了研制高效机器人的重中之重。（3）多自由度操作臂 要实现狭小空间的操作，研制超多自由度的机械手是完全必要的。 （4）高精度、多自由度控制操作臂 机器人被越来越多的用在医疗，军事等需求高精度的场合，在保证精度的同时还要追求高自由度，要能完成各种各样的动作，这就要求研制出更稳定的系统来保证操作臂动作的精度。（5）微型操作臂 目前的操作臂局限于材料和驱动力，自身的大小不能满足越来越精密的工作场合。为此，微型操作臂的开发已在日程中5。1.3 机械臂介绍1.3.1 机器人操作臂的机构和空间描述机器人要实现功能最重要的部件就是机械臂 (亦称操作臂)，一般是由一系列连杆由旋转关节或移动关节相连接的开式运动链，一端装在固定的支座上(机座);另一端自由，安装手爪、工具，实现各种操作6。为了描述组成操作臂的各连杆之间的相对位置和姿态，在每个连杆上固接一个坐标系，用其来描述相对运动。机器人通过机械臂完成人们交予的任务，从早期齿轮传动只能上下移动的垂直臂到后来液压驱动多自由度自由伸缩的机械臂，期间一共度过了40年的时间7。如今，机械臂已经更加拟人化，包括安装了触觉，视觉，力觉等感受功能部件，使机械臂运动起来能够理性避让障碍,减少不必要的损失。1.3.2 操作臂运动学、动力学、静力和变形把操作臂的连杆近似的当成刚体，则相邻两连杆坐标系之间的位置关系用连杆变换矩阵来表示。操作臂运动学则讨论手臂末端执行器的位姿与关节变量之间的关系8。操作臂运动学由两个基本问题:正向运动学和逆向运动学。操作臂动力学研究各关节驱动力与终端操作器的位置、速度和加速度之间的关系。操作臂的动力学方程十分复杂，不仅与操作臂的形位有关，还和连杆的质量分布、连杆的结构、关节之间的摩擦等有关9。操作臂的动力学方程有多种形式:关节空间、操作空间和状态空间形式。研究操作臂动力学一方面是为机器人控制提供精确的动力学模型，计算驱动力函数、实现前馈补偿;另一方面是为了仿真，根据加速度计算相应的关节力10。1.3.3 操作臂的轨迹规划和运动控制机器人的操作臂在运动之前，需要明确是否一定要沿特定的路径运动，还要明确在运动过程中是否会与障碍物相碰11。如果对运动的路径没有特殊的要求，则通常是每个关节按指定的平滑时间函数，同时从起点运动到终点;如果一定要沿特定的路径，那么轨迹规划器应利用函数插值逼近预期的路径12。 轨迹控制的目的在于精确地实现所规划的运动。运动控制包括:建立操作臂的动力学模型;根据所建模型确定控制规律或策略，以达到预期的系统响应和性能。讨论控制规律的分解和相应的控制方案13。1.4 目前主要存在的问题 工业机器人是计算机技术出现后发展起来的一种新型机械结构，工作效率和机动性比传统机械高很多14。随之而来的是，机器人的结构设计在减少质量、提高刚度方面比传统机械结构有更高的要求。在设计工作中，结构的最优化显得更为重要。如今的机器人手臂存在几个急需解决的问题，首先是机械手臂工作状态下的稳定性。军用机器人特别是防暴拆弹机器人是用来拆除炸弹，需要用机械臂夹起炸弹，运输到特定的防暴护具中进行引爆。这就要求在夹起和运输过程中的平稳，稍许的震动也许就会是炸弹被引爆，造成不必要的损失。其次是机械手臂的适应性15。机械手臂是机器人的核心之一，机器人只有通过机械手臂才能发挥各种作用。在很多场合，现场条件都很复杂，这就需要机械手臂有很好的适应性，能进入各种复杂的管道或者角落进行作业，或者对障碍物柔性避让。这就对机械手臂的结构优化有了更大的要求16。1.5 我国机器人的发展战略 谈及我国的机器人发展战略，许多有识之士己发表了不少高见。为了使我国机器人学有更大的发展，首先必须进一步发展对机器人的认识，取得正确和求实的共识。对于具体的一些思路，则涉及在发展工业机器人的同时，注意开发特种机器人;培养与发展国内机器人市场;建立机器人产业集团，形成规模生产;开展国际合作，打开国际市场，参与国际竞争;合理选择主攻战略方向，开发有市场有知识产权的新技术;更加重视基础研究，加大技术储备;稳定和扩大研究队伍等。21世纪已经到来，在新世纪里，中国机器人学必将在世界上占有一席之地，并可望发展成机器人大国。1.6 设计的主要内容和要求全旋转关节小型机器人具有典型的工业机器人的运动特征。唯有体型较小，可以放在桌面上，适宜于教学实验和作为自动化及控制技术的研究工具。 该课题在调研的基础上完成5自由度步进电机驱动，传动设计和结构设计。重点工作是电动机的选择和校核及其关键零部件的强度计算。2 传动系统的设计2.1 传动系统的方案设计2.1.1 各种传动方式的比较 （1）带传动：带传动具有结果简单、传动平稳、 造价低廉、不需要润滑油及缓冲吸振等特点。 （2）链传动：链传动具有平均传动比准确、传动效率高、尺寸较紧凑、能在恶劣的条件下工作，但其不能保持瞬间的传动比恒定，工作时有噪声、磨损后易发生跳齿，不适合用于空间，限制要求中心距小及急速反向传动的场合。 （3）齿轮传动：齿轮传动能保证瞬间传动比的恒定，传动比范围大；速度和传递的功率的范围大，可用于高速、中速和低速的传动；但制造的成本比较的高，无过载的保护作用。 综合以上各特点：因为本机器人用于科研、教学实验、握重3 kg，所以载荷较小，工作也比较的稳定，环境较好。但要求传动准确，瞬间传动比准确恒定，且要有较大的传动比。故本机器人尺寸较小，结构要求紧凑，并且要求传动反应灵活、迅速、准确。所以，综合考虑选用齿轮传动且多级齿轮传动，以获得较大的驱动力矩；由于传动比大，也可提高传动精度。2.1.2机器人轮廓图图2.1 机器人轮廓图图2.2 机器人三维图2.1.3大臂部分的传动方式设计图2.3 大臂传动结构齿轮10固定于轴A,。当齿轮9旋转时，同时齿轮10与A轴不动，则使得B轴围绕着A轴产生转动。这A轴为大臂与腰身连接的关节。初选：此系统的模数为：1Z5=18 则d5=18 mm；Z6=99 则d6=99mm ；Z7=18 则d7=18mm；Z8=109 则d8=109mm；Z9=18 则d9=18 mm；Z10=109 则d10=109 mm；步进电机初选：45BF008；2.1.4小臂部分的传动方式设计方案一：此方案仿大臂部分的传动方式的设计，步进电机安装在小臂上。图2.4 小臂传动结构方案一方案二：这个方案的步进电机是安装在大臂上。图2.5 小臂传动结构方案二方案比较：方案一中因为电机是要安装在小臂上，所以对于机器人来说的转动惯量是比较大的。方案二因为电机是安装在大臂上，所以对于机器人来说其的转动惯量来说要比较的小，而且使得机器人的重心也比较低。所以选择方案二：图2.6 小臂传动结构初选：此系统模数为：1Z11=18 则d11=18mm；Z12=79 则d12=79mm；Z13=18 则d13=18mm； Z14=79则d14=79mm；Z15=18 则d15=18mm；Z16=79 则d16=79mm；步进电机为45BF0082.1.5 手腕部分的传动方式设计图2.7 手腕传动结构分析：（1）手腕的仰俯动作（即绕D轴旋转） 如图2.8：图2.8 手腕俯仰动作实行机构（D轴）若齿轮1和齿轮2以相同的速度（大小和方向）旋转时，此时齿轮3被卡死，则迫使手腕绕着D轴旋转。所以此时手腕实现了俯仰动作。(2) 手腕的旋转动作（即绕C轴旋转） 如图2.9：图2.9 手腕俯仰动作实行机构（C轴）若齿轮1和齿轮2以相同大小但不同方向的速度旋转，此时齿轮3也旋转，即绕C轴旋转。所以此时手腕实现了旋转动作。初选：此系统的模数为：1。因为此系统的左右完全对称，所以我们就只要分析一边就可以了，即我们选择左边。Z17=18 则d17=18mm；Z18=54 则d18=54mm； Z19=18则d19=18mm； Z20=65 则d20=65mm； Z21=18 则d21=18mm；Z22=18则d22=18mm； 注：Z21，Z22位一对圆锥齿轮。2.1.6手部夹持器的传动方式设计及其结构设计（1）传动方式设计图2.10 手部夹持器的传动结构初选：此系统模数为 1Z2318 则d23=18mm；Z2460 则d24=60mm；直流电动机选择为：M08832（2）机构设计：方案一：图2.11 单向传动方案方案二：图2.12 双向传动方案方案比较：因为要满足夹持的物体一直都在手臂的中心线上，所我们应该选择方案二。2.2各个部分传动比的计算 （1）腰身部分：由图2.2可知腰身部分采用二级圆柱齿轮，传动比为： （2）大臂部分：由图2.3可知大臂采用三级圆柱齿轮传动，传动比为： （3）小臂部分：由图2.4可知小臂采用三级圆柱齿轮传动，传动比为： （4）手腕部分：由图2.5可知手腕采用二级圆柱齿轮加上一级的圆锥齿轮传动，传动比为： 注：此传动比既是手腕俯仰运动的传动比也是手腕旋转运动的传动比。（5）手部夹持器部分：由图2.6可知因为手抓要求自锁，且开合速度不宜过快，所以采用螺旋传动，传动比：2.3传动系统总图 综合以上的计算和设计可以得到下面的传动系统总图：图2.13 传动系统总图3 结构设计由于本机器人多采用齿轮传动机构，而且要保证传动精度，所以齿轮消隙问题要做一定的考虑。 （1）由于大臂、小臂、手腕多处于伸展状态，因重力作用，齿轮的传动能较好保持单齿轮接触状态，传动稳定，不必另加消隙装置。 （2）立柱传动机构因无静力矩作用，而齿轮加工误差会使齿轮啮合不稳定，啮合齿面变化，从而使立柱有一个较小角度的自由摆动，影响传动定位精度，要加以调整消除。此处采用了一个偏心轴和一个偏心盘来来调节两对齿轮传动间隙。可通过座体上端盖板口和底座下口调节。（见机械总图）（3）为使控制简化，将小臂板中心线与立柱中心轴线放在同一平面上，以保证手爪的中心线与立柱的中心线在同一平面内，控制，计算都比较的方便。3.1零件的密度根据机械设计手册查的材料密度如下： 45号钢 g/ 取7.85 g/ 酚醛层压板 g/ 取 1.4 g/ 尼龙1010 g/ 取 1.05 g/ 20号钢 g/ 取 7.85 g/ 铝板 g/ 普通钢板 g/ 取7.85 g/ ZL102铸铝 g/ 镀锌铁板 g/ 丁晴橡胶 g/3.2 零件重量列表 计算本零件重量忽略小孔及倒角、圆角，对螺栓作光杆处理，尺寸向较大方向选取。表3.1 零件重量表零件序号零件名称质量（克）1夹持器手指41.12螺纹杆2403齿轮24534外壳124.55销13.56外壳边49.57螺丝钉2.228螺丝钉2.319卡环0.7410套筒0.88511齿轮2321.612直流电动机19513外套37.514螺栓97.515螺母1.1716齿轮2225.217轴40.218密封器件7.3519齿轮21和20154.520螺母1.1721齿轮18和19124.522套筒3.1223轴31.524密封器件7.525螺母1.1726步进电动机33027齿轮1710.528小臂板309.7529加强筋46.530轴18631销7.532齿轮1632133销4.7634密封器件7.535套筒336螺母1.1737齿轮15和14271.538轴31.539套筒3.4540套筒1.5641螺母1.1742齿轮13和12257.443套筒344轴3045套筒1.5646螺母1.1747大臂板51948加强筋39.849步进电动机67550齿轮1129.551齿轮8和959452轴31.553密封器件7.554螺母1.1755轴695.456齿轮6和747157齿轮10329.458销1559螺丝钉7.560垫片1861密封元件7.562套筒1.863步进电动机67564齿轮529.55大铝盖板：39.4 g ；小铝盖板:24.9g ；直流电机M28832：130g；步进电动机45BF008：675g；步进电动机36BF005：330g；3.3机器人受力大小分析将各个零件作适当的简化集中到各轴线上，得到各点的受力图：图3.1 机器人受力分析图（取所受力矩最大姿态）F1 NF2= NF3= NF4= NF5= NF6= NF7= NF8 NF9 NF10 NF11 NF12 NF13= NF14 NF15 N3.4机器人轮廓基本尺寸的设计要求：总体尺寸为900mm左右初步设计比例为：1.2 ：1 ：0.5，则可得： 大臂： mm 小臂： mm 手爪： mm根据机器人受力大小分析和机器人轮廓基本尺寸得设计可以得到机器人受力分析图（如下页所示），取得为机器人所受力矩最大姿态3.5静力矩计算 (1) 大臂所受重力静力矩 (2)小臂所受重力静力矩：（3）手腕俯仰所受重力静力矩： (4)手腕回转所受重力静力矩： 4伺服系统的设计和校核4.1伺服系统的设计 本机器人伺服系统若采用直流伺服电机，则要配大降速比的谐波减速器，还要做闭环控制系统，要加传感器，反馈动作幅度。而国内谐波减速器在工艺、材料、制造等方面还不够完善，使用效果不够好，且价格较贵；外加反馈器件也要增加机器人的成本。所以综合考虑不采用闭环系统，不用直流电动机，而用步进电动机。 步进电动机可通过控制脉冲数和脉冲时间来达到控制动作幅度和速度的目的。开环控制比较的方便，且总体也便宜，动作精度也能达到所要求的标准。因为立柱、小臂、大臂所需驱动力相对较大，所以采用45BF008步进电动机，起最大的静转矩为1.96；但因为手腕所受到的力矩较小些，所以采用36BF005步进电动机，起最大的静力矩为0.784；夹持器采用螺旋传动机构且无速度要求，因其降速比大，所以采用M28832直流电机。4.2机械传动效率概略值（1） 圆柱齿轮传动： 开式传动：0.940.96 取 0.96； 单级圆柱齿轮减速器（包括轴承）：0.970.98； 两级圆柱齿轮减速器（包括轴承）： 0950.96 取0.95；（2）圆锥齿轮传动： 开式传动：0.920.94 取 0.94； 单级圆锥齿轮减速器（包括轴承）：0.950.96；、（3）滚动轴承（一对）：0.990.95 取0.95；（4）滑动轴承： 0.950.98 取0.95；4.3步进电动机参数表4.1 步进电机参数电机型号45BF00836BF005相数33分配方式AABBAABB步矩角（）1.8751.5电压（V）2727最大静转矩（）1.960.784空载启动频率（step/s）25003100重量（kg）0.680.33使用温度范围 40504050温升（k）6565图4.1 步进电机启动矩频特性4.4 大臂俯仰驱动电机计算 （1）设计要求：上臂俯仰范围：；最高运动速度：。 （2）根据载荷要求及电机性能初选步进电机45BF008，其步矩角为。（3）上臂传动部分为三级的圆柱齿轮传动其传动比为：302.5；其传动效率为：；其转动惯量为： 。4.4.1起动段计算 由45BF008步进电机起动矩频特性图（图5.1）可知：为避免起动失步，取该电动机起动频率为 step/s；设起动时间s，则有： 起动过程中上臂转速： 其平均加速度为：由载荷分析可得上臂所受的静力矩为： 而加速力矩为： 对应的所需电机力矩： 由图5.3可得：步进电机45BF008当起动频率为800 step/s时，对应起动力矩。所以，电机满足设计要求。此时，步进电机走过的步数为： step4.4.2加速段计算由设计要求，最高运动速度，则电机所需要运行频率: step/s取 step/s，加速时间取 s，则加速过程中，上臂的转速: 其加速度 此时，加速力矩： ，又知静力矩：所以 电机所需的力矩为： 此时，加速段走过的步数： step则起动、加速段合计走过步数 step 走过角度 4.4.3降速停止段计算 设电机由运行频率step/s，经0.1s降速停止，则其所经步数为： step 所经角度： 4.5 小臂俯仰驱动电机计算设计要求：小臂俯仰范围：12030，最高运动速度。根据载荷要求和电机的性能，初步选步进电动机45BF45BF008角，上臂驱动部分为三级圆柱齿轮传动，其传动比：， 其传动效率： 小臂转动时的转动惯量：I1.79 4.5.1起动段计算 由于45BF45BF008机起动矩频特性图，为避免起动失步，取该电动机起动频率 step/s，设其起动时间，则有： 起动过程中小臂转速其平均加速度由前可小臂所受静力矩 而加速力矩 对应电动所需力矩 步进电动机45BF45BF008率为800step/s时，对应起动的力矩T0.5，所以T,，电机满足设计要求。 此时，电机走过的步数 step4.5.2加速段计算由设计要求最高运动速度，则电动机所需运行的频率step/s 取，加速时间为，则加速过程中：小臂的转速：其加速度：此时，小臂的加速力矩为：所以， 加速段走过的步数 ： step起动、加速段合计走过的步数 step走过的角度 4.5.3降速停止段计算设该电机有运行频率 setp/s，经过0.1s降速停止，其所经过的步数为：step所经过的角度：4.6 手腕俯仰驱动电动机计算 设计的要求：手腕的俯仰角，最高速度：手臂俯仰。根据载荷的要求和电动机性能 初选两个步进电机36BF005，其步矩角。手腕部分为两组两级的圆柱齿轮传动，加一级圆锥齿轮传动。则其的传动效率，由前面可知，手腕的俯仰的转动惯量。其传动比为：i=16.25 当两电动机以相同的速度和方向旋转时，则此时手腕将实现俯仰运动。4.6.1起动段计算由36BF005步进电机起动矩频特性图，取该电动机的起动频率为：step/s，以避免在到470 step/s 频率间的力矩突降，此时对应的起动力矩T=0.43，设其起动时间，则有： 启动过程中手腕俯仰速度为： 其平均加速度：由前知道手腕俯仰的静力矩而加速力矩为：对应所需要的电机力矩：T所以电机满足要求。4.6.2加速段计算由设计要求最高运动速度，则电动机所需运行的频率step/s 取，加速时间为，则加速过程中：手腕的转速：其加速度：此时，手腕的加速力矩为：所以， 加速段走过的步数 ： step起动、加速段合计走过的步数 step 走过的角度 4.6.3降速停止段计算设该电机有运行频率 setp/s，经过0.2s降速停止，其所经过的步数为：step所经过的角度：4.7 手爪开合驱电机计算设计要求：最大载荷量 3kg,最大的夹持直径为40mm。因手爪夹持物体过程中无速度的要求，考虑，简化控制，初选用直流电动机M28-841，其额定电压为24v，额定转矩为1000，.则额定转速，额定功率。 由机械总图可知：传动的螺杆为M120.75,45号钢制；左右手指为铸铝ZL102，采用双向螺旋加紧，一级圆柱齿轮传动，传动比为i=5。传动效率：4.7.1电动机动力计算 因已知头数n=1,螺距t=0.75mm,直径d=12mm所以，升角，螺纹牙的牙型角，则牙型斜角。钢和铝的摩擦系数为f=0.17，则摩擦角假设手爪和物体直接接触，靠其之间的摩擦力来夹住物体，取一较小的摩擦系数，则：手爪夹紧正压力，同时为螺杆轴向压力Q=98N。则螺杆所需要的扭矩:则所需电动机力矩T所以电机满足要求。4.7.2螺纹传动自锁性计算因为升角，摩擦角，升角小于摩擦角，则满足自锁条件。4.7.3传动比验算手爪开合速度 mm/s手爪由最大开度47mm到闭合所需的时间t=47/2*7.5=3.13 s螺纹传动效率所以，此传动机构能满足设计的要求。5 零件的强度和刚度计算由载荷计算和动力计算可知，大臂传动机构中的传动齿轮受载较大。因此，此处仅对大臂传动中的Z109/Z18中的小齿轮作弯曲疲劳强度校核。因为大臂板是两块矩形薄板，其在纵向抗弯强度，刚度均较大，但因大臂板受到小臂板侧向载荷，有一定的扭矩，其抗扭刚度较差，因此对大臂作抗扭刚度校核，以免扭转变形过大，阻碍臂板之间的齿轮传动。5.1零件的强度校核计算 根据机械设计手册有公式：计算应力：许用应力：强度条件：齿轮材料为45号钢，硬度为162217HBS,取200HBS。5.1.1大臂部分强度校核对大臂部分的Z18、Z109（第三级传动）进行校核mm,mm；有前面可知：静力矩，加速段最大的力矩则总力矩为：所以，又知b=5mm，；查表可得：，,;则带入公式：设本机械手臂每天工作1.5个小时，寿命为10年，则 所以，查表可得：，带入公式可得：由上可知满足强度条件，即5.2零件抗扭刚度校核计算 校核大臂板的抗扭刚度。由机械设计手册，可得薄壁板的抗扭模量： （b为板的长，a为板的宽）则，可得大臂板的抗扭模量： 将大臂板简化为l=580mm,W=150mm,d=6mm的均质矩形板，则其所受扭矩为（由受力图可得）： g图5.1 臂板受力情况 由上图可以得到：M16.0759.80.1257.44M2675（42+75）9.80.7740M3M20.7740则前端合扭矩 MM1M27.440.77406.666 查表可以得到：酚醛塑料E8.1416.73 取16.0GPa，近似取0.3，则：则单位
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