移動機器人機械臂的設(shè)計

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 移動機器人機械臂的研究意義及目的</p><p>　　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(shè)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

2、、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(yīng)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(yīng)用也越來越廣泛，幾乎滲透到各個領(lǐng)域[2]。</p><p

3、>　　移動機器人技術(shù)的研究屬于多學(xué)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(yīng)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(xué)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(wù);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

4、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(wù)、農(nóng)林、辦公自動化和災(zāi)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(wù)機器人，大到工程探險、反恐防爆、軍事偵察機器人等。相應(yīng)地，這些領(lǐng)域?qū)λ鶓?yīng)用的移動機器人系統(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

5、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。</p><p>　　歷史上一切高新技術(shù)無不首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)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

6、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(yīng)、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(wù)，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

7、擊等各項任務(wù)，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(lǐng)，可以證明它</p><p>　　1.2 移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究</p><p>　　小型地面移動機器人機械臂在未

8、來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應(yīng)用將會越來越廣。包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)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(shè)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(yīng)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。</p>&l

9、t;p>　　1.2.1 國外移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　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(xué)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(dǎo)致室外移動機器人機械臂的研究未達到預(yù)期的效果，但卻帶動了相關(guān)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

10、發(fā)。</p><p>　　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(chǔ)上開拓各個應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)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

11、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

12、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</p><p>　　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(xué)(生物機器人學(xué))、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。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)移動

13、機器人發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　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。“九五”期間由浙江大學(xué)、南京理工大學(xué)、國防科大、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)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

14、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(xué)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(dǎo)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、

15、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(shè)計行駛于高速公路車速為80krn/h，一般道路為2 0km/h。目前</p><p>　　1.2.3 移動機器人的研究熱點</p><p>　　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。</p><p>　　(1)機

16、械臂結(jié)構(gòu)。機械臂機械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)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(lǐng)域及各種場合的應(yīng)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。</p><p>　　(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(chǔ)，由于移動機器人

17、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(xué)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(xué)模型和運動學(xué)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。</p><p>　　(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

18、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(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，顯得更為重要。</p><p>　　(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(yù)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。</p><p>　　(5)定位和導(dǎo)航

19、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(guān)鍵技術(shù)，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術(shù)基礎(chǔ)。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(dǎo)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(dǎo)航等。</p><p>　　(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

20、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(wù)。</p><p>　　(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畢業(yè)設(shè)計論文代做平臺 《580畢業(yè)設(shè)計網(wǎng)》 是專業(yè)代做團隊 也有大量畢業(yè)設(shè)計成品提供參考

21、 www.bysj580.com QQ3449649974，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(xué)形態(tài)學(xué)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。</p><p>　　(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

22、及移動機械臂與外部的聯(lián)系。</p><p>　　本文要研究是移動機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計。</p><p>　　1.3 本課題的來源和研究內(nèi)容</p><p>　　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(yīng)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(shè)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

23、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(wù)。通過幾個階段系統(tǒng)的分析、設(shè)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(shè)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(shè)計與分析軟件進行設(shè)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(shè)計了移動機器人機械臂的設(shè)計。</p><p>　　論文以實際工程為背景，結(jié)合移動機器人機械

24、臂研究設(shè)計過程中遇見的問題，進行分析。內(nèi)容安排如下：</p><p>　　在了解總體尺寸、重量及運動指標的基礎(chǔ)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(shè)計與計算；繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖；編寫設(shè)計、計算說明書。</p><p>　　設(shè)計機械臂及夾持機構(gòu)。設(shè)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≤7

25、kg。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。</p><p>　　2 移動機器人機械臂的總體設(shè)計</p><p>　　2.1 機械臂結(jié)構(gòu)的確定</p><p>　　作為一款多功能移動機器人，為完成如排爆等任務(wù)

26、，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(yīng)該使機械手能夠有效達到避障的目的?？紤]到還有底盤的移動以及機械臂的重量。本文設(shè)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(shè)計。機械臂的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 機械臂

27、的結(jié)構(gòu)</p><p>　　1. 手部關(guān)節(jié) 2.肘關(guān)節(jié) 3.肩關(guān)節(jié) 4.轉(zhuǎn)臺</p><p>　　2.2 機械臂設(shè)計的主要參數(shù)</p><p>　　2.2.1 臂長的確定</p><p>　　加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)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)

28、運動學(xué)、動力學(xué)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(xué)和動力學(xué)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(xué)、動力學(xué)的評價準則同樣可以用來衡量手臂機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)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、

29、手爪作為三動桿。</p><p>　　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。&l

30、t;/p><p>　　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(shè)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)⒈ㄎ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。</p><p>　　2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)要求及設(shè)計的原則</p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的要求&

31、lt;/p><p>　　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。</p><p>　　(2)機械系統(tǒng)是移動機器人機械臂性能的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)

32、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(shè)計在本項目中顯得十分重要。 </p><p>　　在設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：</p><p>　　(a) 結(jié)構(gòu)尺寸方面滿足設(shè)計指標;</p><p>　　(b)

33、 零件結(jié)構(gòu)便于加工、測量;</p><p>　　(c) 滿足剛度強度要求;</p><p>　　(d) 總體結(jié)構(gòu)易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理;</p><p>　　(e) 給機器人暫時未能夠裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來能改進與擴展;</p><p>　　(f ) 采用模塊化設(shè)計，各個功能模塊之間相互獨立裝配，互不干擾

34、。</p><p>　　設(shè)計過程中主要使用的設(shè)計工具有美國PTC參數(shù)技術(shù)公司的三維設(shè)計軟件Pro/engineer野火版3.0以及Autodesk公司的二維設(shè)計軟件AutoCAD2007。</p><p>　　3 移動機械臂機械手部結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求</p><p>　　機械手手部(末端執(zhí)行器)結(jié)構(gòu)形式

35、多樣，但總的設(shè)計都有如下幾點基本要求:</p><p>　?。?)應(yīng)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?xí)p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(yīng)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。</p><p>　?。?)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍，手指應(yīng)具有一定的

36、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。</p><p>　　（3)應(yīng)保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應(yīng)保證每個被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準確的相對位置。</p><p>　　(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。</p>

37、<p>　　3.2 傳動方式的選擇</p><p>　　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。</p><p>　　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(yīng)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；</p><p>　　手指的設(shè)計將采用平移運動的方式來夾持物體，這里將

38、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。</p><p>　　3.3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　工業(yè)機器人應(yīng)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。</

39、p><p>　　圖3.1 回轉(zhuǎn)型 圖3.2 平移型</p><p>　　在手爪的設(shè)計中主要考慮了以下幾種方案：</p><p>　　方案一:齒輪齒條平行連桿的機構(gòu)，該方案見圖3.3所示。</p><p>　　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<

40、;/p><p>　　圖3.3 直線電機帶動齒輪齒條的手爪方案</p><p>　　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。</p><p>　　方案二

41、: 圓柱直齒輪和螺旋軸</p><p>　　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(shè)計中，對機械手進行了如下的結(jié)構(gòu)設(shè)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。</p><p&

42、gt;　　圖3.4 手部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1一步進電機 2一齒輪A 3一導(dǎo)向軸 4一左右螺旋軸</p><p>　　5一齒輪B 6一夾持器右指 7一夾持器左指 8一襯套</p><p>　　經(jīng)過以上的研究討論從而設(shè)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

43、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(dǎo)向軸3固定兩手指并引導(dǎo)兩手指的運動軌跡。。這種設(shè)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

44、：</p><p>　　圖3.5 手部的三維爆炸圖</p><p>　　3.4電機的計算與型號選擇</p><p>　　3．4.1 電機的計算</p><p>　　在確定握力時，除考慮抓取物體重量3Kg外，還應(yīng)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

45、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。</p><p>　　本文設(shè)計要求夾持的物體重為 m=3000g，設(shè)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:</p><p>　　表3.1 主要工程材料摩擦系數(shù)</p>

46、;<p>　　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：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p><b>　　螺紋增力比</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p>

47、;<p>　　式中 ——當量摩擦角，= ；</p><p><b>　　——螺紋升角，= </b></p><p><b>　　帶入數(shù)據(jù),得, 得</b></p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　選用齒輪傳動比 n=1:1，忽略齒

48、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(shè)計要求。</p><p>　　電機的技術(shù)參數(shù)及尺寸</p><p>　　步進電機的如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 步進電機</p><p>　　步進電機的技術(shù)參數(shù)

49、如表3. 2所示：</p><p>　　表3.2 步進電機的技術(shù)參數(shù)</p><p>　　步進電機的尺寸如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 步進電機的尺寸</p><p>　　步進電機的安裝如圖3.8所示：</p><p>　　圖3.8 步進電機的安裝</p><p>　　3.

50、5 材料的選擇與強度校核</p><p>　　3.5.1 齒輪系材料的選擇</p><p>　　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。</p><p>　　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)

51、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(shè)計的齒輪副速度要求不高，所以設(shè)計選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動要求。</p><p>　　3.5.2 齒輪副的強度校核</p><p>　　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

52、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。</p><p>　　本文設(shè)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</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　對于齒輪的校

53、核將從兩方面來計算：</p><p>　　1) 齒面接觸疲勞強度的校核</p><p>　　齒面接觸疲勞強度的校核公式為；</p><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　式中： 為區(qū)域系數(shù)，標準直齒輪=2.5；</p><p>　　K為載荷系數(shù)，此處取K=1.8；</

54、p><p>　　為彈性影響系數(shù)，查得=188；</p><p><b>　　為接觸疲勞許用應(yīng)力</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　其中： 為接觸疲勞壽命系數(shù)，取=0.95；</p><p>　　齒輪接觸疲勞強度極限，查得=550；<

55、/p><p>　　S為安全系數(shù)，取S=1。</p><p>　　從而求得： =522.5</p><p>　　將所有已知量帶入(3-6)式，求得：</p><p>　　=199.5=522.5</p><p>　　從齒面接觸疲勞強度上來說，齒輪是合格的。</p><p>　　(2）齒根彎曲疲勞強度的

56、校核） </p><p>　　本文設(shè)計中的齒輪為一懸臂梁。</p><p>　　齒根危險截面的彎曲強度條件式為</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p>　　式中：為齒根危險截面處的理論彎曲應(yīng)力；</p><p>　　為載荷作用于齒頂時的應(yīng)力校正系數(shù)，取

57、=1.625；</p><p>　　為載荷作用于齒頂時的齒形系數(shù)，取=2.52；</p><p><b>　　為彎曲疲勞許用應(yīng)力</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　其中： 為彎曲疲勞壽命系數(shù)，查得=0.88；</p><p>　　為彎

58、曲疲勞強度極限，取=380；</p><p>　　取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。</p><p>　　從而求得： =238.86</p><p>　　將所有已知量帶入(7)式，求得：</p><p>　　=5.53=238.86</p><p>　　以上計算可知，設(shè)計的齒輪副是合格的。</p><p

59、>　　(3)殼體件材料的選擇</p><p>　　機械手臂的殼體可以全部選用硬鋁合金分段鑄造加工而成。本文選用的是ZAlSi9Mg，這是一種硬鋁材料，強度大、質(zhì)量輕，完全符合本文的設(shè)計要求。</p><p>　　機械手指不是殼體機構(gòu)，它是實體的。本文設(shè)計的手指材料也選用同樣的鋁合金。這有利于材料的購買，同樣這種材料是滿足設(shè)計要求的。材料ZAlSi9Mg的彎曲應(yīng)力240，手指抓去的最大

60、質(zhì)量為3000g，重力為29.4N。對比兩者的力學(xué)性能和受力情況，很顯然此材料來制造手指遠遠滿足設(shè)計中的要求。，不會出現(xiàn)手指彎曲變形的情況。</p><p>　　(4)本體支撐件材料的選擇和校核</p><p><b>　?。╝）材料的選擇</b></p><p>　　機械臂支撐件由于與連接件之間為滑動摩擦,需要選取一種耐摩擦,同時要求強度大,

61、質(zhì)量輕,價格便宜的材料來制造。</p><p>　　工程塑料擁有良好的綜合性能,其強度、剛度、沖擊韌性、抗疲勞等不較高,特別是擁有很高的耐磨性。它可以在無潤滑油的情況下有效的進行工作。由于它相對密度小,因此其強度高。</p><p>　　聚甲醛(POM)是一種比較常用的工程塑料。它是以線性結(jié)晶高聚甲醛樹脂為基礎(chǔ)的。它有著高強度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其強度和金屬近似,摩擦因數(shù)小并

62、有自潤滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一種相當便宜的材料。</p><p>　　由于本設(shè)計中的負荷低,移動機構(gòu)的速度不快,從而此處選擇有聚甲醛這種工程塑料來制造手部的導(dǎo)向軸。</p><p><b>　?。╞）支撐件的校核</b></p><p>　　支撐件是用來支撐機器人主要機械機構(gòu)的，本文中共用兩個支撐件，直徑各為8mm,手部的兩個導(dǎo)向軸受

63、力幾乎一樣。手部要抓取的物體重量為3Kg。這樣每個導(dǎo)向軸受到的重量有3Kg。受到的重力僅為29.4N。聚甲醛分為均聚和共聚兩種，使用時應(yīng)注意它們性能上的區(qū)別。共聚甲醛在短期內(nèi)強度好而均聚甲醛柔軟性好。共聚物比均聚物軟化點高10℃，受載荷時熱變形溫度高，熱穩(wěn)定性好，成型溫度范圍廣。聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)如表3.3所示：</p><p>　　表3.3 聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)(23℃)</p>&l

64、t;p>　　表注: 1. 吸水率*（23℃，50%RH平衡） </p><p>　　聚甲醛的抗壓強度為124.5，抗彎強度為97.1，整個零件的強度和剛度是非常大的。從每個件的受力來看，材料聚甲醛的各個力學(xué)性能完全滿足本文的設(shè)計要求。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而機器人移動速度慢，從摩擦的角度來說，聚甲醛也是理想的支撐件材料。聚甲醛與其他塑料相比，具有自潤滑性及低摩擦系數(shù)、低磨耗等特點。其動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)

65、相近，粘接較困難。有報導(dǎo)與鋼進行摩擦試驗結(jié)果如表3.4所示：</p><p>　　表3.4 與硬鋁進行摩擦實驗結(jié)果</p><p><b>　　3.6本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹手部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求及傳動方式的選擇的比較，手指的設(shè)計方案的比較，電機的計算與型號選擇。移動機器人機械臂各零部件所要求的強度、剛度等都不同，應(yīng)該選用不同

66、的材料來制造加工。所以本章就依據(jù)機器人在工作過程中各零部件不同受力情況，以及機械設(shè)計的要求選用了不同的材料來制造零件，并對零件進行了強度校核，使其達到工作要求。</p><p><b>　　4 臂部結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　4.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求</p><p>　　手臂部件是機械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動它們

67、做空間運動。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)抓取物體，則移動臂部自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部設(shè)計基本要求: </p><p>　?。?）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕</p><p>　　臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工<

68、/p><p>　　字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼（如圖4.1和4.2所示）或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。</p><p>　?。?)臂部運動速度要高，慣性要小</p><p>　　在一般情況下，手臂的移動要

69、求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。</p><p>　　為減少轉(zhuǎn)動慣量，應(yīng)采取以下措施:</p><p>　　(a) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料;</p><p>　　(b) 減少手臂運動件的輪廓尺寸</p><p>　　(c

70、) 減少回轉(zhuǎn)半徑</p><p>　　(d) 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置</p><p>　　(3)手臂動作應(yīng)靈活。</p><p>　　為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。</p><p>　　(4)位置精度要高。</p><p>　　一般來說，直角和圓柱坐標系機械手位置精度高;關(guān)節(jié)式機械手的位

71、置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測機構(gòu)，能較好的控制位置精度。</p><p>　　本文采用鋁合金材料設(shè)計成薄壁件，一方面保證機械臂的剛度，另一方面可減小機械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機的載荷，并且提高了機械臂的動態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表4.1所示：</p&

72、gt;<p>　　表4.1  砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm）</p><p>　　以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點進行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文機械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。</p><p><b>　　臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p&g

73、t;　　4.2.1 臂部結(jié)構(gòu)</p><p>　　大臂部工字鋼結(jié)構(gòu)如圖4.1所示</p><p>　　圖4.1 大臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　小臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示：</p><p>　　圖4.2 小臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　肘關(guān)節(jié)的三維爆炸圖如圖4.3所示：</p>

74、<p>　　圖4.3 肘關(guān)節(jié)三維爆炸圖</p><p>　　肘關(guān)節(jié)的三維零件圖如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4 肘關(guān)節(jié)三維零件圖</p><p>　　肘關(guān)節(jié)剖視圖如圖4.5所示：</p><p>　　圖4.5 肘關(guān)節(jié)剖視圖</p><p>　　1一圓錐齒輪A 2一圓錐齒輪B 3一

75、軸套 4一滾動軸承 5一緊定螺釘</p><p>　　6一螺釘 7一大臂 8一螺釘 9一軸承端蓋 10一軸</p><p>　　11一小臂 12一電機</p><p>　　圓錐齒輪的嚙合面和齒隙是相互影響的，在檢查調(diào)整時不能單一地檢查調(diào)整嚙合面或齒隙，而應(yīng)綜合檢查調(diào)整，一般是先檢查調(diào)整嚙合面，然后

76、檢查調(diào)整齒隙。調(diào)整好圓錐齒輪的嚙合面后，要檢查圓錐齒輪的齒隙。將百分表的量頭觸在牙齒大端的節(jié)圓處進行測量。如果齒隙不正確，要根據(jù)嚙合面的實際情況，在嚙合面允許變化的范圍內(nèi)進行調(diào)整。調(diào)整齒隙后，要檢查齒背不平齊差，即配對圓錐齒輪的錐頂要重合。此要求可通過檢查兩圓錐齒輪大端的背錐面是否相平齊來保證。</p><p>　　臂部肘關(guān)節(jié)直齒圓錐齒輪傳動的設(shè)計</p><p>　　一對直齒圓錐齒輪傳動

77、如圖4.6所示：</p><p>　　圖4.6 一對直齒圓錐齒輪傳動</p><p>　　參數(shù)選擇時應(yīng)注意，直齒圓錐齒輪最小齒數(shù)為，齒數(shù)比不宜過大。齒寬系數(shù)不應(yīng)過大，因為圓錐齒輪的齒越寬，制造、安裝誤差就越大，偏載也越嚴重，故一般取，還應(yīng)使最小齒寬</p><p>　　(1) 選定齒輪材料，熱處理方式 ，齒數(shù)及精度等級 </p><p>　

78、　對于一般齒輪傳動，可選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼。</p><p>　　A齒輪：45號鋼，調(diào)質(zhì)HB240～270（T255）；</p><p>　　B齒輪：45號鋼，正火HB180～210（Z195）；</p><p>　　兩輪均為軟齒面（HB<350）。為避免根切及具有較好性能，考慮到直齒圓錐齒輪最小齒數(shù),選定齒輪齒數(shù)。。</p><p>　　按

79、一般的加工能力及 使用要求，初選齒輪精度等級為8級。</p><p>　　(2) 初步確定主要參數(shù)</p><p>　　由于兩齒輪齒面均為軟齒面（HB<350），可以先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，確定A齒輪的分度圓直徑，即</p><p>　?。╩m） （4-1）</p><p><b>　　

80、式中：工作轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　?。ぷ髑闆r系數(shù) ，由表4－9，電動機驅(qū)動，工作平穩(wěn)，取＝1；</p><p>　?。d荷分布不均系數(shù)，見表5－2，一般工業(yè)，一齒輪為懸臂支承，取＝1.2；</p><p>　　－齒寬系數(shù)，由表5－3?。?.3；</p><p><b>　?。X數(shù)比，；</b><

81、;/p><p>　?。X輪材料接觸疲勞的基本許用應(yīng)力，由圖4－13(a)，碳鋼，鋼質(zhì)，調(diào)質(zhì)，?。徽?，。 </p><p>　　將以上系數(shù)和中的小值代入公式得</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　大端模數(shù) （4-3）<

82、;/p><p>　　按照表4－7齒輪標準模數(shù)，選取第一系列模數(shù)值。</p><p>　　然后，再根據(jù)齒根彎曲疲勞強度進行驗算。</p><p><b>　　（4-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中：

83、 （4-6）</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　?。瓌虞d荷系數(shù)，用平均直徑處的圓周速度按降一級精度（即9級）并由圖4－20(a)查取，其中</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>

84、　　（4-9）</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　由圖4－20（a）查得＝1；</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　

85、?。X形系數(shù)，查圖4－27得；</p><p>　?。X寬，，圓整后??；</p><p>　?。X輪材料彎曲疲勞的基本許用應(yīng)力，可查圖4－12（c）得：，；</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　查圖4－30得 </p><p>　　查圖4－31得 <

86、/p><p>　　查圖4－32得 ，</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　由于，故計算小輪齒根彎曲疲勞強度</p><p><b>　　表明取是合格的。</b></p><p>　　(3) 計算圓錐齒輪的有關(guān)參數(shù)</p><

87、;p><b>　　工作轉(zhuǎn)矩： </b></p><p>　　圓錐齒輪大端分度圓直徑：</p><p>　　圓錐齒輪的分錐角，：（）</p><p><b>　　圓錐齒輪錐距：</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>

88、;<b>　　齒寬系數(shù)：</b></p><p><b>　　（4-16）</b></p><p>　　(4) 計算齒輪嚙合處作用力：</p><p>　　圓周力 （4-17）</p><p>　　軸向力 （4-18）</p>

89、<p>　　徑向力 （4-19）</p><p>　　當時，一齒輪的徑向力與另一齒輪的軸向力數(shù)值相等而方向相反。即 ，。圓錐齒輪作用力方向如圖4.7所示：</p><p>　　圖4.7 圓錐齒輪作用力方向</p><p>　　電動機置于小臂殼體內(nèi)。其中方形截面為機械手大臂與小臂的殼體，截面為小臂機構(gòu)的殼體。機械手手臂剛性好

90、、抗扭能力強、重量輕，所有傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置都置于機械手臂內(nèi)部，外形簡潔。機械手表面還裝有緩沖墊，當驅(qū)動裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時，可以起到緩沖作用，避免手臂沖擊造成損壞。為大臂外殼所粘貼的橡膠墊，起緩沖墊作用圖4.8所示：</p><p>　　圖4.8 大臂的緩沖墊</p><p>　　機械臂的2種三維姿態(tài)如圖4.9所示：</p><p>　　圖4.9 機械臂

91、三維姿態(tài)</p><p>　　機械臂的三維爆炸圖如圖4.10所示：</p><p>　　圖4.10 機械臂的三維爆炸圖</p><p>　　4.3 臂部電機的選擇</p><p>　　電機選型的計算同手部的計算同，則選擇了北京和利時電機公司56BYG250C-SASSBL-0241型號電機。步進電機技術(shù)參數(shù)如表4.1所示：</p&g

92、t;<p>　　表4.1 步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　步進電機的矩頻特性曲線如圖4.6所示：</p><p>　　圖4.6 步進電機的矩頻特性曲線</p><p>　　步進電機的尺寸如圖4.7所示：</p><p>　　圖4.7 步進電機的尺寸</p><p>　　步進電機的安裝如圖4.8

93、所示：</p><p>　　圖4.8 步進電機的安裝</p><p>　　5 移動機器人機械臂的肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　5.1 肩部的傳動方式</p><p>　　移動機械臂肩部為繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度，搭載物體本身具有繞平軸旋轉(zhuǎn)的的自由度的機器手。移動機械臂是繞水平軸做一定角度的轉(zhuǎn)動。移動機械臂的肩部。可以選用螺旋機構(gòu)或者

94、蝸桿這兩種傳動方式。</p><p>　　螺旋機構(gòu)高低機結(jié)構(gòu)簡單，本身可以自鎖是其優(yōu)點，但是轉(zhuǎn)速比不是常數(shù)，對于主要抓取物體的肩關(guān)節(jié)，不能滿足繞水平方向軸士180。的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機械動力操作比較困難。</p><p>　　螺旋機構(gòu)的主要缺點還有:制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。制造工藝比較復(fù)雜，特別是長螺桿更難保證熱處理及磨削工藝質(zhì)量，剛性和抗振性能較差。摩擦阻

95、力大，傳動效率低(一般為30%~60%)，磨損快。對于抓取物體的肩關(guān)節(jié)來說，該機構(gòu)響應(yīng)慢，不易于控制。</p><p>　　蝸桿傳動的特點：蝸桿傳動用于交錯軸傳遞運動及動力。通常交錯角為90度。它的主要優(yōu)點:傳動比大，工作較穩(wěn)定。噪聲低，結(jié)構(gòu)緊湊，可以自鎖。主要缺點：效率低，需要貴重的減摩性有色金屬。選擇蝸桿傳動，主要是考慮到其具有自鎖能的優(yōu)點。因為機械臂要抓取物體，則要求移動機械臂的肩部具有自鎖能力。</

96、p><p>　　由于采用具有自鎖功能的蝸輪副傳動還有下述優(yōu)點:</p><p>　　(1)由于突然的斷電抓取物體的重量以及本身的重量會在系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的負載干擾力矩，傳動系統(tǒng)處于逆?zhèn)鳡顟B(tài)，如果反傳不能自鎖，執(zhí)行元件軸就會在重量干擾力矩的作用下反轉(zhuǎn)，撞擊機械臂本體。如不采用自鎖的蝸輪副，就要增加停止旋轉(zhuǎn)時的自鎖機構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜。</p><p>　　(2)傳動比大，結(jié)構(gòu)

97、緊湊，體積小。所以，即使正傳動效率降低，執(zhí)行元件功率提高，移動機械臂的肩關(guān)節(jié)隨動系統(tǒng)還是采用具有自鎖功能的蝸輪副為宜。</p><p>　　經(jīng)過對上述螺旋機構(gòu)特點與蝸桿傳動特點進行比較，多功能移動機器人選用了蝸桿傳動作為肩關(guān)節(jié)—繞水平方向軸士180。移動機械臂肩關(guān)節(jié)采用了蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)自由度。如圖5.1所示：</p><p>　　圖5.1 移動機械臂肩關(guān)節(jié)的三維圖</

98、p><p>　　5.2 肩部結(jié)構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　肩部的設(shè)計包括傳動結(jié)構(gòu)的構(gòu)件選擇以及尺寸計算。肩部的結(jié)構(gòu)尺寸完全取決于搭載對象的尺寸及質(zhì)量，以及搭載對象對肩部的作用力。前面介紹了肩部的傳動結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿傳動，具體圖紙設(shè)計如圖5.1和圖5.2所示：</p><p>　　圖5.2 表示移動機械臂肩部主視圖</p><p>　　1一齒

99、輪A 2一電機座 3一齒輪B</p><p>　　4一螺釘 5一蝸輪軸 6一滾動軸承</p><p>　　7一軸承端蓋 8一螺釘 9一銷</p><p>　　10一電機EC45+減速器</p&g

100、t;<p>　　圖5.2 表示移動機械臂的肩部的左視圖</p><p>　　11一蝸輪 15一螺釘 19一止動墊圈</p><p>　　12一螺釘 16一連接法蘭 20一滾動軸承</p><p>　　13一蝸輪軸套 17一蝸輪軸 21一軸承端蓋</p&

101、gt;<p>　　14一套筒 18一圓螺母 22一螺釘</p><p><b>　　23一調(diào)整墊片</b></p><p>　　由圖5.1和圖5.2可以清楚了解肩部的傳動順序:首先減速箱將減速后的電機的旋轉(zhuǎn)運動，通過一對齒輪傳動傳遞給蝸桿軸，蝸桿與蝸輪嚙合，帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪與一根水平軸通過軸套相連接，最終實現(xiàn)了搭載系統(tǒng)

102、繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度。圖5.2采用空心軸的設(shè)計。通過采用空心軸的方法，電機的電源接線與運動控制信號線便可以從空心軸中通過。其次，圖中中心軸主要受扭矩作用，只要通過適當增大外徑，即可增加軸的強度，并適當降低軸質(zhì)量。</p><p>　　蝸桿傳動在這個系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用，下面主要針對這一對蝸輪蝸桿副進行參數(shù)計算。</p><p>　　常用普通圓柱蝸桿傳動的種類有阿基米德圓柱蝸桿(ZA型)，

103、漸開線圓柱蝸桿(ZI型)。</p><p>　　漸開線圓柱蝸桿(ZI型):端面齒廓為漸開線。這種蝸桿可以磨削，加工精度容易保證，傳動效率高。一般用于蝸桿頭數(shù)較多(C3頭以上)，轉(zhuǎn)速較高和要求較精密的傳動，如滾齒機、.磨齒機上的精密蝸桿副等。</p><p>　　阿基米德圓柱蝸桿(ZA型):車制。這種蝸桿加工方便，應(yīng)用廣泛，但導(dǎo)程角大時加大困難，齒面磨損較快。因此，一般用于頭數(shù)較少，載荷較小

104、、低速或不太重要的傳動。</p><p>　　通過對二者的特征進行比較，可見多功能移動機器人應(yīng)該選擇阿基米德圓柱蝸桿，即ZA型蝸桿。蝸桿副的設(shè)計，主要確定以下參數(shù):</p><p>　　(1)中心距a=43</p><p>　　(2)蝸桿頭數(shù)z=1;</p><p>　　(3)蝸桿模數(shù)m=2，分度圓直徑d1=28;</p>&l

105、t;p>　　(4)傳動比i=32;</p><p>　　(5)蝸輪變位系數(shù)x, = 0 .普通圓柱蝸桿傳動變位的主要目的是配湊中心距。此外還可以提高傳動的承載能力和效率，消除蝸桿的根切。</p><p>　　5.3 肩部電機的選擇</p><p>　　移動機械臂的肩關(guān)節(jié)選用驅(qū)動電機為瑞士MAXON公司的直流無刷電機136211-EC40-250W 。電機選主

106、要參數(shù)如表5.1所示。</p><p>　　表5.1 肩關(guān)節(jié)控制電機參數(shù)表</p><p>　　減速箱參數(shù):減速箱選用的MAXON公司自帶的減速箱GP42C，肩部基本參數(shù)如下表5.2所示：</p><p>　　表5.2 肩部控制電機減速箱參數(shù)表</p><p>　　電機特性曲線如圖5.3所示：</p><p>　　

107、圖5.3 肩關(guān)節(jié)驅(qū)動電機特性曲線圖</p><p>　　5.4 肩部直流電機的計算</p><p>　　直流電機的選擇在前面的機構(gòu)設(shè)計中，已經(jīng)為肩部選擇好了電機及減速器，電機為MAXON直流無刷電機EC45-250W，與之配套的減速器為MAXON減速器GP42C，減速比為43: 1,電機和減速器的參數(shù)在一前文中已經(jīng)列出。</p><p>　　系統(tǒng)的傳動比=43X

108、32X1=1376</p><p>　　當以最高速度調(diào)整角度時，電機的轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　　（5-1）</b></p><p>　　式中：為旋轉(zhuǎn)時隨動系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)速時的最大電機轉(zhuǎn)速(設(shè)計時要求旋轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)速=0.5rad/s)</p><p>　　在實際選用電機時，常常考慮5%-10%的轉(zhuǎn)速余量，MAXON

109、EC45的最大轉(zhuǎn)速為10900rpm滿足設(shè)計要求。EC45的額定轉(zhuǎn)速為10200rpm。</p><p>　　假設(shè)系統(tǒng)負載為10kg，系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)動慣量人，，負載轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)動慣量，旋轉(zhuǎn)加速度，設(shè)計時要求為/s， 為電機轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)經(jīng)驗和設(shè)計要求參考值，為傳動效率， =0.85 x0.72 x0.7=0.4，電機最大加速力矩為：</p><p><b>　　(5

110、-2)</b></p><p>　　電機的最大連續(xù)力矩為，據(jù)此求得電機最大功率為</p><p><b>　　(5-3)</b></p><p>　　根據(jù)上面的計算，所選電機能達到要求。電機的余量可以為不同的搭載對象提供一個余量。</p><p>　　5.5肩部伺服電機與臂部和手部步進電機的控制</p&

111、gt;<p>　　5.5.1 電機選擇</p><p>　　這里為兩個關(guān)節(jié)選用了步進電機，與同扭矩的伺服電機相比，步進電機具有質(zhì)量輕，體積小，不需要減速機構(gòu)，成本低。而且步進電機控制比較容易。電機的角位移正比于所給的脈沖數(shù)，電機的速度正比于脈沖的頻率，所以對步進電機的位置最終可歸結(jié)為對脈沖數(shù)的控制，速度控制可歸結(jié)為對脈沖頻率的控制。雖然步進電機曾經(jīng)有高頻容易丟步，低頻易共振等問題，但隨著混合式步進

112、電機以及基于交流逆變和PWM恒流控制驅(qū)動器的出現(xiàn)，這些問題已經(jīng)得到改善。在選擇控制器時必須保證足夠的精度，也就是要求驅(qū)動器有較高的細分數(shù)，其細分數(shù)可根據(jù)精度需要設(shè)定。機械手在滿足抓取功能的前提下，在相對來說步進電機是一個較好的選擇，步進電機對于手臂設(shè)計有如下的優(yōu)點：</p><p>　　(1) 同等體積下鎖定力矩大。</p><p>　　(2) 轉(zhuǎn)速控制范圍大，低速力矩大。</p&g

113、t;<p>　　(3) 開環(huán)控制，降低系統(tǒng)成本。</p><p>　　(4) 分辨率高，采用細分驅(qū)動器技術(shù)可達到每步0.0072度。</p><p>　　(5) 低速運行平穩(wěn)，已接近交流伺服系統(tǒng)水平。</p><p><b>　　(6) 功耗低。</b></p><p>　　5.5.2 驅(qū)動器的選擇<