服务机器人机构综述

效劳机器人机构综述前言在二十一世纪初的今天，机器人行业正处于高速开展的进程中，其中效劳机器人更是因为广阔的市场前景和积极的社会效应而备受青睐！而人口老龄化、社会智能化正是其产业蓬勃开展的催化剂。效劳机器人因其功能齐全、性能稳定、操作方便、技术更新快、能很好的满足日益增长的市场需求等特点而广受研发者和投资者的喜欢。然而作为机器人动作运行根底的机械结构，在设计机器人的过程中显得尤为关键。本综述通过各类效劳机器人机械结构之间的比照，提取了其中最常用的各局部结构，能够大致地了解当下机器人机械设计的主要方向。一、机器人移动机构常见的移动机构有仿生机械腿式、履带式、轨道式、轮式等等，要选用适用于各类效劳机器人的移动机构就必须分析各种移动机构的优缺点。1、仿生机械腿式移动机构根本介绍仿生机械腿是机器人系统的重要机械局部，如图1所示，作为步行的工具，它具有如下特点：执行机构是用来保证复杂空间运动的刚体，机械腿通常可以看作是由一系列的连杆和相应的运动副组成，实现复杂的运动，完成方案的动作。仿生机械腿的移动机构转向灵活，可以在狭小空间自由移动，但是其稳定性和速度相对缺乏，而且仿生机械腿的结构和控制方法复杂，要对其进行准确控制需要复杂的控制算法和多种传感器配合工作，这会大幅度增加机器人的制造本钱。图1.1仿生机械腿式移动机构实物图2、履带式移动机构根本介绍履带式移动机构作为常用的移动机构之一得到了广泛的应用，在军用坦克、重型装甲等军工领域都有它们的身影，在挖掘机、吊车等工程机械领域也占有足够的分量。它与地面的接触面积大，在相同的载重下，履带式移动机构能够在更为松软的地面上移动。履带式效劳机器人的穿越障碍能力强，在相同载重下，履带式移动机构强于轮构式移动机。履带式移动机构性价比比拟高，但是不易于拆卸，震动比拟大。图1.2履带式移动机构的实际应用3、轨道式移动机构根本介绍轨道式驱动系统组成包括型材轨道、同步带、同步带轮、同步带轮箱、减速器、交流伺服电机、限位开关、接近开关、拖链、滑座等结构。同步带轮装在同步带轮箱内，同步带轮箱安装在轨道的两端。在一端的同步带轮上安装减速器和伺服驱动电机，组成驱动系统。同步带与同步带轮配合装在轨道型材的槽内，滑座通过滑动接触安装在型材轨道上，通过型材轨道实现导向，并与同步带固连，在同步带带动下实现来回运动，如图1.3所示。轨道式具有运动稳定性好、定位能力强等优点，但是它因受限于轨道布局，因而运动范围固定，无法移动到任意制定位置。图1.3轨道式移动机构应用模型4、轮式移动机构根本介绍轮式移动机构是最受设计者使用移动机构之一，它早也融入我们的生产和生活中。涉及到我们的很多领域，大到我们的轮式挖掘机，小到我们的小孩玩具车，重到我们的导弹运输车，轻到我们日常生活中的自行车。轮式移动机构因其独特的特点广受青睐。它具有价格廉价，开发容易等特点。我们很容易在电子市场买到各式各样的轮子，也很容易找到各种轮式机构的参数、设计方法，而且结构多样，实用性强。轮子的种类繁多，PU轮、PVC轮、半陶轮、发光轮、万向轮、橡胶轮等。各种不同的轮子组合也会产生不同的效果。但是它穿越障碍能力不够强，稳定性不如履带式移动机构，不能很好的在松软的地面上行走。〔a〕两后轮独立驱动〔b〕前轮驱动兼转动〔c〕前轮转向后轮驱动图1.43轮移动机构的3种形式机器人身体框架结构效劳器机器人的身体框架相当于机器人的“骨架”，外壳、底盘、手臂、头部等部件通过安装在身体框架上组成完整的机械系统。各类控制板、主控机、传感器和人机接口等也安装于身体框架上。身体框架的设计时，主要需要考虑以下几点内容：1、身体框架的尺寸受机器人整体外观尺寸的限制，需要结合外形设计共同考虑制定合理的框架布局；2、整体应具备足够的强度与刚度，保证机器人整体性能；3、为使内部器件结构紧凑、易于维护，必须合理规划器件的安装位置。已有的效劳机器人主要采用铝合金型材作为结构件，如图2.1(a)所示；其中四根支柱采用的是3030和2020系列铝合金型材，中间的安装版为6mm厚铝板；高度上从下至上分为三层，第一层安装驱动轮部件、万向轮和电池；第二层安装各种控制板、驱动板；第三层安装主控机、扬声器等。型材具有重量轻、强度好、拆装方便等优点，其本身具有安装槽，是一种良好的机械接口，不需额外加工安装孔，且配套的各种连接件的规格标准、通用。但是型材带来以上优点的同时，也具有本钱高、灵活性缺乏和组装较繁琐的缺点；比方，由于型材安装需要使用配套的角件和螺钉，如果要求框架在高度方向上截面积有较大的变化，就很难用型材去搭建这样的框架了，因此型材仅适合用于制作小批量，桶状的机器人身体框架。笔者意识到其不大可能用作未来批量生产的机器人结构件，所以在后续改良时采用了角钢取而代之；因为角钢便于焊接，通过焊接能够搭配出复杂的结构形状，也简化了装配工作量．改良的身体框架如图2.1(b)所示，其在空间上仍具有分层结构；将底盘从身体框架中分高出去．形成一个独立的部件；并且在角钢上加工出均匀的安装孔位。身体框架从下到上分为2层，第1层用于连接底盘，内部用于摆放蓄电池；第2层主要用于安装控制柜、主控机等控制单元，同时连接手臂、头部、传感器和人机接口等根据设计需要安装在适宜的高度位置．上下框架的支柱，安装板均采用钣金折弯工艺加工，这样可以增加同等重量下的结构刚度，连接处通过焊接连接成整体．上下两层框架设计成可拆卸结构，这样的目的是便于分开调试和安装．(a)(b)图2.1不同工艺的身体框架机器人手臂结构效劳机器人的手臂结构有很多种，在特定的环境下不同的效劳机器人拥有适合自己的手臂结构，特别是在模块化设计盛行的当下，如何选择和设计恰当的手臂尤为重要。本文查阅了相关资料，发现因其本身的结构特点、设计难度等方面的原因，3自由度和5自由度的手臂最为盛行。3自由度手臂被广泛的用于工业中，替代人们反复而又单调的工作，为生产企业带来了可观的经济效益，因为其结构简单，设计容易，易于实现等特点在其他领域也使用得非常多。3自由度手臂按坐标方式分又分为直角坐标型(如图3.1〔a〕)和圆柱坐标型〔如图3.1〔b〕〕。(a)直角坐标系(b)圆柱坐标系图3.13自由度机械手臂按坐标方式分类5自由度手臂结构也被广泛的用于工业生产中。我们知道3自由度手臂在理论上能到达空间中的任何一个位置，与3自由度手臂不同的是，5自由度的手臂更容易完成这一目标，在更容易实现的前提下而不会感觉到过分冗余。所以5自由度的手臂结构被广泛的用于空间有一定局限的复杂环境中，5自由度手臂示意图如图3.2所示。图3.2自由度机械手臂示意图在一般家用效劳机器人中，机器人处于室内这样一个复杂的环境中，这个环境中不仅会有桌椅、凳子等相对静态的物体存在，也会有像人、宠物等相对动态的物体出现。在这样一个复杂的环境中，3自由度手臂显然失去了它的用武之地。再来，因为我们人的手是5个自由度，在这样一个以人为主体的环境中，所以一些类人的设计更会得到消费者的许可和共鸣。机器人手部结构机器人的手部是用来抓持对象的机构，故又称为抓取机构，或称为夹持器。手部的结构形式很多，大局部是按工作要求和对象形式而特定设计的，其自由度根据需要而定。如简单夹持器只有一个自由度，使两手指能开合即可。假设要模拟人手五指的运动，是非一般机器人技术所能实现的。常用的手部按抓持对象的方式可分为夹持类和吸附类。夹持类手部又可分为夹钳式、勾托式、弹簧式等等；吸附类手部又可分为气吸式和磁吸式等。手部特点：1、手部与手腕相连处可拆卸；2、手部是末端操作器；3、手部是一个独立的部件；4、手部的通用性比检差。在分析常用典型手部结构根底上，传动机构总体上采用以连杆为主体的运动机构，使传动机构结构简单，动作灵活，降低本钱；同时利用连杆机构中的平行四边形结构可以实现手部的相对平行移动，提高工件的定心精度。手部的自重增加了机械的载荷，在设计连杆局部时，可将杆件设计成某一局部为挖空结构，且在杆件二端加衬套结构，不仅可以增加杆件的刚性，也可以增加杆件的装配精度。连杆主要采用45调质碳素钢。转动副采用双头螺栓来实现，要求螺栓的耐磨性高，与连杆接触局部采用间隙配合实现连杆的转动，因此所加预紧力不应过大。通过手部传动静力学分析并依据夹紧力确定各个连杆的长度，分别对连杆进行疲劳强度平安系数校核和静强度平安系数校核，以确定最终各个杆件的长度。设计的手部是可以更换的，手部形式可以不同，但是与手腕的机械接口必须相同，即接口匹配。例如经常使用的v型指，它并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图4所示。图4一个自由度的机器人手部夹持机构五、机器人头部功能与结构人的头部集中了视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉共5种感觉功能，人类凭借这些功能能够很好的判断、认知、掌握外部复杂环境的各种情况，并通过丰富的面部表情表达自身的感受和意愿。而作为普通家居型效劳机器人，并不需要具备跟人类头部具有完全一致的功能，根据具体的设计目标只需具备其中的一种或几种功能即可。如今市面上大局部效劳机器人的头部只安装视觉感官装置，主要功能是准确定位与视觉监测。机器人头部与身体的连接那么需要灵活的转动副来完成。图4.1效劳机器人头部及身体外形图【参考文献】[1]韩立志，何斌，刘文珍，李明.五自由度效劳机器人手臂的参数化设计及HyperMesh分析[J].上海大学机械自动化及