移動機器人機械臂的設計
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移動機器人機械臂的設計論文.doc
移動機器人機械臂裝配圖.dwg
臂部轉關節(jié).dwg
調整墊片.dwg
軸承端蓋.dwg
目 錄
1 引言………………………………………………………………………………… 1
1.1 移動機器人機械臂的研究意義及目的………………………………………… 1
1.2 移動機器人的發(fā)展現狀及研究………………………………………………… 2
1.3 本課題的來源和研究內容…………………………………………………… 5
2 移動機器人機械臂的總體設計…………………………………………………… 7
2.1 機械臂結構的確定 …………………………………………………………… 7
2.2 機械臂設計的主要參數………………………………………………………… 7
3 移動機器人機械臂的手部結構設計……………………………………………… 8
3.1 手部結構設計要求……………………………………………………………… 9
3.2 傳動方式的選擇………………………………………………………………… 9
3.3 手部結構的設計…………………………………………………………… 9
3.4 電機的計算與型號選擇………………………………………………………… 12
3.5 材料的選擇與強度校核………………………………………………………… 14
3.6 本章小結…………………………………………………………………… 17
4 移動機器人機械臂的臂部結構設計………………………………………18
4.1 臂部結構設計要求…………………………………………………………… 18
4.2 臂部結構的設計………………………………………………………………… 19
4.3 臂部電機的選擇………………………………………………………………… 26
5 移動機器人機械臂的肩部結構設計…………………………………………………… 28
5.1 肩部的傳動方式………………………………………………………………… 28
5.2 肩部結構的設計………………………………………………………………… 29
5.3 肩部電機的選擇………………………………………………………………… 31
5.4 肩部直流電機的計算……………………………………………………………32
5.5 肩部伺服電機與臂部和手部步進電機的控制………………………………… 33
6 移動機器人機械臂的結構分析………………………………………………………… 30
6.1 機械臂總體結構分析…………………………………………………37
6.2 機械臂的肩部結構分析………………………………………………………… 39
6.2 本章小結………………………………………………………………………… 39
結束語 ……………………………………………………………………………… 42
致謝 ………………………………………………………………………………… 45
參考文獻…………………………………………………………………………… 46
1 引言
1.1 移動機器人機械臂的研究意義及目的
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。設計移動機器人的機械臂的結構。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、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，這種結構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，其應用也越來越廣泛，幾乎滲透到各個領域[2]。
移動機器人技術的研究屬于多學科相互交叉，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工具，同時隨著科學技術的迅速發(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;機器人的工作環(huán)境也不再是固定在工廠和車間現場，而是開始走向海洋、太空和戶外，有些甚至已經進入醫(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、農林、辦公自動化和災害救護等，如飛行機器人、海難救援機器人、化肥和農藥噴撒空中機器人、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、家用服務機器人，大到工程探險、反恐防爆、軍事偵察機器人等。相應地，這些領域對所應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外研究的熱點。
歷史上一切高新技術無不首先應用于軍事領域，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。現代戰(zhàn)爭凸現了局部范圍內的信息化，而戰(zhàn)場機器人憑借自身的優(yōu)勢特點，已經在本世紀的戰(zhàn)爭，例如伊拉克戰(zhàn)爭中成為耀眼的新星。現代戰(zhàn)場尤其是城市內反恐怖戰(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、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，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、控制武器射擊等各項任務，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，可以證明它們在未來戰(zhàn)場上的重要地位。微小型無人移動機器人的機械臂特別適用于城市和惡劣環(huán)境下(如核、生、化戰(zhàn)場等)的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭，具有重大戰(zhàn)略意義和效益。
1.2 移動機器人的發(fā)展現狀及研究
小型地面移動機器人機械臂在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應用將會越來越廣。包括在軍事領域中的應用將是發(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計經驗，相信經過不斷的發(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)的性能質量比;更強的環(huán)境適應能力;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。
1.2.1 國外移動機器人發(fā)展現狀
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術角度研究室外機器人的體系結構和信息處理，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致室外移動機器人機械臂的研究未達到預期的效果，但卻帶動了相關技術的發(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發(fā)。
進入90年代，隨著技術的進步，移動機器人機械臂開始在更現實的基礎上開拓各個應用領域，向實用化進軍。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)水的證據的工作。另外分別于車體前端和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。最先進的要數探測車上的機械手臂，手臂末端裝備了各種工具，有顯微鏡成像儀、三種質譜儀和兩種分光計，一套巖石研磨和樣本采集土具以及三個磁鐵陣列，所有設備主要是用來尋找火星上是否曾經有液態(tài)水的證據。西班牙羅斯?羅卡公司研制的“羅德”輪由此可以看出:蝸輪蝸桿雖然符合 > 條件，而且差大于1，故自鎖可靠。
(d)蝸輪蝸桿式的肩部易于旋轉方向的要求。
肩部是蝸輪蝸桿傳動，蝸桿固定于蝸輪箱內，蝸輪位于蝸輪箱內，通過軸套與轉軸相連，與蝸桿嚙合。進行旋轉運動操作時，主控計算機把臂部角度與目標點的角度進行比 較，角度的差值通過電機驅動器驅動電機轉動，電機轉動經配套的減速器后，經過一對齒輪副的傳動，帶動蝸桿轉動，蝸桿與蝸輪嚙合，使得與蝸輪通過軸套連接的肩部轉軸轉動，從而使得固定于肩部轉軸的臂部轉動，賦予肩部在150度范圍內轉動。
(e)蝸輪副的傳動一般具有工作平穩(wěn)、結構緊湊的特定，但是在這里將它用作移動機械臂的肩部傳動機構后，具體情況有所變化。因為蝸輪蝸桿分別安裝在箱體上，不能實現對蝸輪蝸桿的固定裝置進行組合加工來保證蝸輪蝸桿的中心距有較小的偏差;裝配時，蝸輪中心與回轉中心不易重合，存在較大的偏差。從而不能保證蝸桿軸線與蝸輪的節(jié)圓在同一平面內。所以解決的辦法是蝸桿兩端加上調整墊片。也就是說，在傳動過程中，蝸輪蝸桿的嚙合情況是變化的，這就使得電機驅動肩部轉動時出現轉動不平穩(wěn)、驅動力不均勻現象。又因為肩部為一級傳動，而且旋轉部分很重，體積較大，進行肩部旋轉定位時，回轉慣性也就較大，同時也沒有消除回轉慣性力矩的緩沖機構，這種回轉慣性也就敏感地、直接地反映到電機上來。由于法蘭盤和臂部體積較大，使得肩部的體積也較大，且不夠緊湊。
6.3 本章小結
移動機械臂的結構分析以及以肩部為重點的結構分析。
結束語
總結本文對移動機器人的移動機械臂結構系統(tǒng)進行了設計，包括一個3個自由度移動機械臂，移動機械臂的設計包括肩部，臂部及手部的結構設計。并對機械臂進行了性能分析。
移動機械臂，繞水平軸旋轉的自由度肩部使用了蝸輪蝸桿副， 臂部使用了圓錐齒輪傳動，手部使用了直齒圓柱齒輪及左右螺旋的形式傳動。移動機器人機械臂進行了結構設計，利用PRO/ENG對機械手建模運動仿真。
由于作者的水平有限，而且對有些相關學科，如傳感器技術、控制技術等并不是很了解，仍有許多問題需要解決，還有許多問題值得進一步討論和更加深入的研究與展望：
(1)機械結構優(yōu)化問題
在移動機器人設計過程中，包括移動機械臂，采用模塊化設計，不同功能結構分別進行設計，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。但是在模塊各零件設計過程中，各參數計算選擇主要從結構強度和剛度要求出發(fā)，很多零件為了匹配，比實際需求尺寸大很多。包括一些非關鍵零件設計，均是根據前人經驗設計，選擇尺寸。這種設計不僅增加了整個系統(tǒng)質量，同時增加了電機負載，造成了資源浪費。
在各模塊整體結構設計過程中，結構優(yōu)化也很重要。通過各零件之間最優(yōu)配合，使機械運動在實現功能前提下，實現最高傳動效率，將能量消耗降到最低。
臂部的關節(jié)應該放在大臂上，不應該放在小臂上，增加了小臂的重量，增大了小臂的傳動力矩，以及增加了臂部傳動負荷。
（2）計算機的有限元的分析沒有做。通過對計算機有限元軟件的更深層次挖掘，對零件的強度和剛度和臂部的力學分析，會得到最優(yōu)的結構。這個以后可以作為后續(xù)學習的方向。
(3) 移動機械臂自主控制系統(tǒng)的建立有待于進一步研究，以及它的運動控制技術，路徑規(guī)劃技術，實時視覺技術，定位和導航技術，多傳感集成和數據融合技術，高性能計算技術，無線通信與因特網技術問題也是多個有待研究的方面。
移動機器人在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應用將會越來越廣。包括在軍事領域中的應用將是發(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。通過對移動機器人機械臂系統(tǒng)設計，在整體系統(tǒng)的各各方面積累了比較豐富的設計經驗，相信經過不斷的發(fā)展和改進移動機器人將走向成熟和實用化。
未來移動機器人將有以下主要特點:
(1)更優(yōu)的性能質量比;
(2)更強的環(huán)境適應能力;
(3)更高的智能性能;
(4)具有成熟的搭載系統(tǒng);
相信隨著社會的進步，科技的發(fā)展，本系統(tǒng)的研究將具有很大的市場潛力和廣闊的發(fā)展前景。
致 謝
論文是在老師的精心指導下完成的，自論文的選題到各章中若干重要基本問題的研究都傾注了導師的智慧。周老師淵博的知識、敏銳的洞察力以及富于啟發(fā)性的分析使我受益匪淺，周老師嚴謹認真的治學作風和勤奮進取的工作精神使我受到極大的鞭策。在此，謹向我最尊重的周老師老師致以最誠摯的謝意!
特別感謝我的父母，他們一直無條件的支持我的學業(yè)和研究。感謝一切幫助過我的朋友，感謝網上提供資料的朋友……兩年來，我還得到了許多老師與諸多同學的大力支持與幫助，在此向所有曾經關心和幫助我的人一并表示感謝!最后還要感謝百忙中抽出時間審閱我論文的老師，對他們的付出表示真誠的感謝!
參 考 文 獻
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畢業(yè)設計（論文）任務書 學院 ( 系 ) ： 機械工程學院 專 業(yè) ： 機械工程及自動化 學 生 姓 名： 學 號： 設計 (論文 )題目 ： 移動機器人機械臂的設計 起 迄 日 期 : 設計 (論文 )地點 : 指 導 教 師 : 專業(yè)負責人 : 發(fā)任務書日期 : 任務書填寫要求 1．畢業(yè)設計（論文）任務書由指導教師根據各課題的具體情況填寫，經 學生所在專業(yè)的負責人 審查、 院（系）領導 簽字后生效。此任務書應在第七學期結束前填好并發(fā)給學生； 2． 任務書內容必須用黑墨水筆工 整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼； 3． 任務書內填寫的內容，必須和學生畢業(yè)設計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應當經過所在專業(yè)及 院（系） 主管領導審批后方可重新填寫； 4． 任務書內有關“ 學院（系） ”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數字代碼。學生的“學號”要寫全號； 5． 任務書內“主要參考文獻”的填寫，應按照國標 714— 2005《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性； 6． 有關年月日等日期的 填寫，應當按照國標 7408— 2005《數據元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數字書寫。如“ 2009年 3 月 15日”或“ 2009 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 1．本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的： 本課題以小型地面移動機器人的機械臂 為研究對象，要求學生綜合運用所學基礎理論知識 ,根據被抓取工件的結構尺寸、重量及工況，進行結構選型、機構設計。本課題的研究從功能需求分析入手，根據設計要求，構思機構運動形式、結構尺寸和傳動布局，并 進行機構、零部件設計計算等環(huán)節(jié)的實踐，來培養(yǎng)學生的設計、計算、制圖及計算機應用能力，以提高同學分析與解決工程實際問題的能力。 2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）： 內容： 以 小型地面移動機器人的機械 折疊 臂 為研究對象，設計機械臂及夾持機構，并滿足總體尺寸、重量及運動特性等指標。 要求： （ 1）根據教師提供的部分材料和所布置任務，查閱中外資料，了解課題研究的工程背景。 （ 2）翻譯外文資料 (10000字符以上 )。 （ 3）設計機械臂及夾持機構。設計要求： ①機械臂 折疊時總長 ≤ 650臂桿轉動范圍 :150°，旋動速度 s，系統(tǒng)自重 ≤ 7器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長×寬×高 =800540260 ② 機械臂的抓取重量 為 3取對象為直徑 40度 360圓柱體。 （ 4）對系統(tǒng)進行機構分析、設計與計算。 （ 5）繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖。（用 （ 6）編寫設計、計算說明書。 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 3．對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設計 論文、圖表、實物樣品等〕： （ 1）繪制機器人機械臂系統(tǒng)的三維造型圖、裝配圖及部分零件圖。 （ 2）根據系統(tǒng)的設計計算和分析結果編寫設計、計算說明書。 （ 3）給出系統(tǒng)各零件的材料和重量清單，估算系統(tǒng)總重量。 4．主要參考文獻： [1] 張毅等 . 移動機器人技術及其應用 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2007. 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[16] 陳學東等 J]學 報 9(2): 8~12. 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 5．本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃： 起 迄 日 期 工 作 內 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 查閱中外資料，了解課題研究的工程背景并翻譯外文資料。對課題方案進行構思、分析比較并理出思路，撰寫開題報告。 初步設計。根據設計指標的要求對移動機器人機械臂系統(tǒng)進行方案設計與三維造型。 詳細設計。根據設計指標的要求，對選定的系統(tǒng)方案進行機構分析、作詳細的結構設計與計算。繪制移動機器人機械臂系統(tǒng)裝配圖，拆畫部分零件圖繪制改進后的小臂部件裝配圖與零件圖。 撰寫設計、計算說明書。修改論文，準備答辯。 論文答辯 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日 學院（系）意見： 院（系）領導： 年 月 日 畢業(yè)設計 (論文 )外文資料翻譯 學院 (系 )： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 學 號： 外文出處： R 附 件： 指導教師評語： 譯 文的 意思基本正確，語句較通順。專業(yè)性術語的翻譯也較為得當。譯文的數量已超過學校規(guī)定的要求。這說明該生具有較強的科技文獻的閱讀理解與翻譯能力。 簽名： 年 月 日 注： 請將該封面與附件裝訂成冊。 (用外文寫 ) 附件 1：外文資料翻譯譯文 移動機器人基于 摘要： 在公共空間，移動的機器人可以用作導游者。指導一個人到達目標位置，移動的機器人的路徑應該安全，可以避免障礙物并生成良好的導航的路徑。一般來說，激光測距儀是用來檢測在移動機器人周圍的地圖。 我們建議移動機器人的導航方法用我們的，我們的方法可以在檢測緊急情況下使用，它是我們開發(fā)的一種 移動機器人的導 航改性的柔性的矢量場與激光測距儀和紅外傳感器的方法 ，因為它高于激光測距儀響應的頻率，通過實驗結果表明了我們提出的控制方案和避障方法應用在公共場所里移動機器人的控制是非常有效的。 關鍵詞： 移動機器人導航 改性的柔性的矢量場方法 激光測距儀 紅外傳感器。 1. 引言 一個移動機器人可以在公共場所當向導，比如市場，郵局，圖書館等等，最重要的功能是弄夠找到路徑到達目標和導航的目標位置。無論怎樣，在公共場所，移動機器人應該能夠在避免障礙和到達目標位置同時進行。像一把椅子，一個架子和一個人等等這樣的障礙。為達 到導航目標位置的目的，許多研究者給了勢場法的地址 [1][2]。一個向量場柱狀圖 [3] [5]和動態(tài)窗口的方法 [6]。由于市場是由許多狹窄的通道和許多障礙組成。以下是把勢場法 應用到市場里的機器人身上遇到的一些困難： 1)在近空間的障礙中很難找到通口。當機器人在狹窄的通道中移動會發(fā)生擺動運動。 2)還有矢量場柱狀圖對環(huán)境地圖的變化敏感，但是卻不能找到到達目標的路徑，因為我們從移動機器人的完成中僅僅能得到角度的信息。動態(tài)窗口中使用了以目標 ,離障礙距離和速度為標題作為移動機器人的參數在動態(tài)窗口可以通過優(yōu)化過程找到最佳 速度。但是這不是唯一的為避免障礙而獲得到達目標最短路徑的方法。為了使機器人在公共場所中安全和穩(wěn)定運行，一個新的導航方法是非常必要的，這種方法對于導航移動機器人環(huán)境的變化和運動最短路徑的能力是敏感的。因此，我們提出一個新的移動機器人導航的方法，即 移動機器人的導航改性的柔性的矢量場與激光測距儀和紅外傳感器的方法 。 在我們提出的方法中，由于路徑信息的獲得來自于障礙（作為圓）和移動機器人（作為一點）的幾何關系，可以減少處理載荷。由于我們在移動機器人中開發(fā)了具有差別驅動結構，當控制移動機器人趨向產生路徑的時候，首先應該 在運動學條件下考慮移動機器人穩(wěn)定的速度。通常，如果把路徑規(guī)劃和路徑跟蹤分開，就會存在各種追蹤控制方法，比如滑動模式，線性化， 反演 ，神經網絡，神經模糊系統(tǒng)。無論怎樣，使用在傳統(tǒng)的控制方法中，當追蹤突然發(fā)生錯誤時，產生的這個基本速度命令是以極端大的估值和因遭受速度暴漲開始的。 在這篇論文中我們提出一個新的速度變化圖的方法來保證移動機器人穩(wěn)定的運動。如果我們第一時間假想移動機器人開始的位置和目標位置 ，在移動機器人的開始位置，目標位置和現在位置之間使用歐氏距離，我們就能生產參考的速度變化圖。 2. 移動機器人平 臺和路徑規(guī)劃 動機器人平臺 圖 1是我們開發(fā)的移動機器人平臺。 移動機器人差別驅動結構有非完整約束。它有若干個傳感器來檢測移動機器人周圍的狀況。在這次研究中，我們僅僅使用兩個傳感器，一個是（激光測距儀）檢測掃描地圖的數據和另外一個是（紅外傳感器）緊急停止和避免障礙。這兩個傳感器各有優(yōu)缺點。激光測距儀生產詳細地掃描地圖數據，但是它比紅外傳感器運行的慢。另外一方面，紅外傳感器比激光測距儀運行迅速除了它生成一點數據。因此，我們打算提出的是為穩(wěn)定驅動控制和避障這兩個傳感器的數據相結合的方法。 徑規(guī)劃 為了到達目標位置，在它開始移動之前我們就應該知道它的路徑了。如果地圖數據時提前給出，我們就能生成安全路徑到達目標的立場，否則我們就不能得到完整的路徑。在文中，我們假設如下： 3.們可以從里程表的信息中知道移動機器人的的位置和移動機器人的姿勢 由以上三個假設 ，我們提出了路徑規(guī)劃策略在圖 2中表明。圖 2 危險的區(qū)域指示了移動機器人沒有障礙碰撞的一個區(qū)域。 我們就可以直觀地知道紅線邊沿的路徑是最短的 安全的路徑。我們事先沒有地圖數據，我們就建議找出下一個預期的點，這一點來自危險區(qū)域的圓和移動機器人現在位置的幾何關系。雖然障礙到處都是，但是從我們提出的改性的柔性的矢量場的方法中我們就可以決定下一個預期的點，在掃描期間里路徑規(guī)劃過程不斷的被廢除。 3. 移動機器人控制 非完整移動機器人可以有兩個坐標系統(tǒng)，一個是由 G ,L,在圖 3中， 意思是移動機器人的線速度和 角速度。 自由移動的移動機器人是作為完整的移動機器人有三個自由度（ X,Y,但是，由于運動學上的限制，非完整移動機器人的自由度減少到兩個。在沒有滑動的條件下，一個非完整移動機器人的運動限制由以下公式給出 從運動控制角度看，我們開發(fā)的移動機器人有 把這兩個齒輪的直徑，半徑，角速度描繪成兩輪的速度（ ?？梢杂靡韵聝奢喌慕堑乃俣汝P系來敘述線速度和角速度。 為了控制移動機器人，兩個齒輪的速度可以分成兩部分：一個是確定移動機器人的線速度和另一個 是追蹤移動機器人的姿態(tài)。 = - = + 是線速度控制部分和 速度控制的目標是根據移動機器人的位置和目標位置的距離來控制移動機器人的速度。在接下來的分段中，我們提出用歐氏距離來生成線速度的方法。移動機器人通過控制 接下來的章節(jié)中，我們將解釋利用 4. 仿真和實驗結果 由于提出避障運算法則要用在狹窄的市場空間中為目的，就在通道中設置像架子之類的物體作為測試環(huán)境。我們 組成了市場模型的兩部分。這個測試環(huán)境的尺寸是由 6米 *6米。我們假設沒有人在測試環(huán)境中。在實驗結果中，點線指示了要求的位置和紅線指示了激光掃描數據。 圖表中也展示了多障礙情況。圖 11是我們看到這個實驗結果。如果在測試環(huán)境中有多障礙，這時提出的運算法則能夠提供安全通道，保證移動機器人無碰撞地通過通道。之后，那個運算法則生成到達要求位置的最短軌跡 圖 定的曲率跟蹤運算法則仿真結果（ a）右拐彎仿真的結果 （ b）左拐彎仿真的結果 圖 個結果表明了當機器人進 入了危險區(qū)域是機器人是怎樣逃離危險區(qū)域的。無論機器人的位置在哪里，是在危險區(qū)域還是在碰撞區(qū)域，在危險區(qū)域圓周圍都可以控制機器人。圖 器人利用柔性的矢量場根據機器人的位置直接脫離危險區(qū)域。因此，移動機器人移動到安全區(qū)域和接受穩(wěn)定的最短的路徑到達目標位置。 圖 機器人和多障礙之間避免碰撞的結果（ a） b） 圖 示了機器人軌跡。圖中的數據來自圖 11 實驗的結果。圖 12 展示了機器人安全地避免障礙的結果。我們設定 F{200,10Q), F(150,120), P(200,100), P(16G,180)作為開始位置，設定 P(240,450), P(00), (230,500), (170,600)為要求的位置。我們把機器人的速度設成 70cm/s 與人類步行速度一樣 示了機器人避開障礙物。 圖 運用避障運算法 則后機器人的軌跡 (a)機器人的軌跡從（ 200， 100）到 (240， 450[, (b)機器人的軌跡從（ 180， 160）到 (160， 520[, (c)機器人的軌跡從（ 200， 100）到 (230， 500[, (d)機器人的軌跡從（ 160， 180）到 (170， 600[, 5. 結論 在這篇論文中，我們討論了導航方法關于 在改性的柔性的矢量場中使用激光測距儀和紅外傳感器的方法。該控制器分為線速度控制和角速度控制部分。利用歐氏距離并考慮了移動機器人在穩(wěn)定運動時而生成線速度剖面圖 。角速度 部分，我們利用了虛擬圓起源于角點和切向直線。無論怎樣，因為移動機器人存在碰撞區(qū)域，所以我們通過利用提出的穩(wěn)定曲率運算法則來控制移動機器人。 附件 2：外文原文 R In a is as a a to In is of We a R is it We to to in by IR 1. a is as a in as a a a so is to to a In a a a of a ][2], a ] [5] a ]. is of a to as a as 1) It is to in 2) is an in is to of it to we to go to to of as an is to of in a is is to of of in as a we a R) In is of as a as a be a of be in is if as a we a of in If we of at we 2. is a It In we RF R in it is R On IR RF it we to n lo we he lo If is in we to at we do In we as 1 is in 2. of 3. no we of is 2. 2. an no We is in we t in we we of we is 3. be by G,SG L,L,. In , C is d is b is of V w of A is as of X, Y, , of of a to On of of a is vc is wc is of of as of r, be as of e as In to of be us is of is of = - = + is wc is of is of to In we by We in 4. we of in at in a We up of as a of We no in In of is 11. As we 11, if in go to 10 10 a) b) 10 of is be of As 10, to to of to at 11 1 : of (a) b) of 12 11. 12 We {200,10Q), F(150,120), P(200,100), P(16G,180) as (240,450), P(00), (230,500), (170,600) as We 0cm/s is as of We by is an as 12. 12 12: of (a) of 200, 100) 240, 450[, (b) of 180, 160) 160, 520) [ (c) of 230, 500) [ (d) of 160,180) 170, 600) [ 5. n we RF R to we OP on in we by 1] O. 5. 1, 90995. [2] 15, 4, [3] J. . 7, 3, 2781991. [4] r of a 52, 3, 005. [5] J. . n , 4, 1991. [6] D. W. . to , 1997 [7] R. . 126 1995 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 1 頁 共 46 頁 目 錄 1 引言??????????????????????????? ???? 1 移動機器人機械臂的研究意義及目的 ???????????????? 1 移動機器人的發(fā)展現狀及研究 ??? ???????????????? 2 課題的來源和研究內容 ????????? ??? ???????? 5 2 移動機器人機械臂的總體設計 ???????????????????? 7 機械臂結構的確定 ????????? ??????? ??????? 7 機械 臂設計的主要參數 ?????????????????????? 7 3 移動機器人機械臂的手部結構設計 ?????????????????? 8 手部結構設計要求 ???????????????????????? 9 傳動方式的選擇 ???????????????????????? ? 9 部結構的設計 ????????? ???? ?????????? 9 電機的計算與型號選擇 ?????????????????????? 12 材料的選擇與強度校核 ????? ????????????????? 14 章小結 ???? ??????? ??????????????? 17 4 移動機器人機械臂的臂部結構設計???????????? ? ?? 18 臂部結構設計要求 ??????????????????????? 18 臂部結構的設計 ????????????????????????? 19 臂部電機的選擇 ????????????????????????? 26 5 移動機器人機械臂的肩部結構設計 ???????????????? ???? 28 肩部的傳動方式 ???????????????????????? ? 28 肩部結構的設計 ???????????????????????? ? 29 肩部電機的選擇 ????????????????????????? 31 肩部直流電機的計算 ?????????????????????? ? 32 肩部伺服電機與臂部和手部步進電機的控制 ????????????? 33 6 移動機器人機械臂的結構 分析 ?????????????????????? 30 6 . 1 機械臂總體結構 分析 ?????????? ?? ??????? 37 機械臂的肩部結構 分析 ?????????????????????? 39 本章小結 ???????????????????????????? 39 結束語 ?????????????????????????????? 42 致謝 ??????????????????????????????? 45 參考文獻????????????????????????????? 46 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 2 頁 共 46 頁 1 引言 移動機器人機械臂的研究 意義及目的 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。設計移動機器人的機械臂的結構。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、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 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，這種結構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，其應用也越來越廣泛，幾乎滲透到 各個 領域 [2]。 移動機器人技術的研究屬于多學科相互交叉，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工具，同時隨著科學技術的迅速發(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 ;機器人的工作環(huán)境也不再是固定在工廠和車間現場，而是開始走向海洋、太空和戶外，有些甚至已經 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、農林、辦公自動化和災害救護等，如飛行機器人、海難救援機器人、化肥和農藥噴撒空中機器人、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、家用服務機器人，大到工程探險、反恐防爆、軍事偵察機器人等。 相應地，這些領域對所應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 成為了國內外研究的熱點。 歷史上一切高新技術無不首先應用于軍事領域，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代戰(zhàn)爭凸現了局部范圍內的信息化，而戰(zhàn)場機器 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 3 頁 共 46 頁 人憑借自身的優(yōu)勢特點，已經在本世紀的戰(zhàn)爭，例如伊拉克戰(zhàn)爭中成為耀眼的新星?，F代戰(zhàn)場尤其是城市內反恐怖戰(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、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， 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、控制武器射擊等各項任務，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，可以證明它們在未來戰(zhàn)場上的重要地位。微小型無人移動機器人 的機械臂 特別適用于城市和惡劣環(huán)境下 (如核、生、化戰(zhàn)場等 )的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭，具有重大戰(zhàn)略意義和 效益。 移動機器人 的 發(fā)展現狀及 研究 小型地面移動機器人機械臂在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應用將會越來越廣。包括在軍事領域中的應用將是發(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 計經驗，相信經過不斷的發(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)的性能質量比 ;更強的環(huán)境適應能力 ;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。 國外移動機器人發(fā)展現狀 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術角度研究室外機器人的體系結構和信息處理，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致室外移動機器人 機械臂 的研究未達到預期的效果，但卻帶動了相關技術的發(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 的研究與開發(fā)。 進入 90 年代，隨著技術的進步，移動機器人 機械臂 開始在更現實的基礎上開拓各個應用領域，向實用化進軍。例如 2002 年 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 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 4 頁 共 46 頁 土。美國在 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)水的證據的工作 。 另外分別于車體前端和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。最先進的要數探測車上的機械手臂，手臂末端裝備了各種工具，有顯微鏡成像儀、三種質譜儀和兩種分光計，一套巖石研磨和樣本采集土具以及三個磁鐵陣列，所有設備主要是用來尋找火星上是否曾經有液態(tài)水的證據。西班牙羅斯·羅卡公司研制的“羅德”輪式機器人。該機器人可用于清理雷場和處理炸藥等危險物品。該車長 1. 4m,寬 0. 67m、高 0. 8m、重 3506 X 6)驅動、動力裝置為 1 臺電動機，車上供電蓄電池可使用 2h，車速 (前進或后退 )可在 0 至 6. 5km/h 之間連續(xù)變化。車上裝有活動操作臂，有 6 個自由度， 固定在機器人車的旋轉塔上。 機械 臂不伸長時可吊重 80直時最長為 1. 5m，此時可吊重 16作臂頂端裝有夾爪，夾緊力可達 30把物體提升至 2. 75m 高。該車采用 100m(或250m)長的電纜或無線電裝置進行遙控。 機械 手完成整個操作過程必須借助 1 臺黑白或彩色電視顯示器，顯示車上 3 個攝像機獲得的監(jiān)視駕駛、 機械 臂控制和夾爪操作的圖像。車上裝有兩個鹵氣探照燈，可在夜間或能見度很低的地區(qū)使用。 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 (生物機器人學 )、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。 國內移動機器人發(fā)展現狀 國內對移動機器人 機械臂 的研究起步雖然較晚，但經過近幾十年的發(fā)展也取得了很大進步，但大多數研究尚處于某個單項研究階段。國內的移動機器人 機械臂 研究主要經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。下面是國內的主要研究成果?！熬盼濉逼陂g由浙江大學、南京理工大學、國防科大、清華大學、北京理工大學聯合研制了 陸地移動機器人，并成功完成了全部實驗測試，正常行駛速度為 h，同時支持臨場感 遙控駕駛及戰(zhàn)場偵察等功能。清華 清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室在中科院院士張錢教 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 5 頁 共 46 頁 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 羅盤和光電碼盤組成的組合定位導航系統(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、行為與決策控制等功能。 4 臺 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。設計 行駛于高速公路車速為 80h，一般道路為 2 0km/h。目前已能夠在校園的非結構化環(huán)境下，進行道路跟蹤和避障礙自主行駛。清華大學智能車涉及到五個方面的關鍵技術 ： 基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術，路徑規(guī)劃的仿真技術，傳感技術、信息融合技術和智能移動機器人的設計和實現。 型導游服務機器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學機器人技術公司推出的新一代智能導游機器人，該機器人由伺服驅動系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語言識別及語言合成系統(tǒng)組成。導游機器人由蓄電池供電，可連續(xù)運行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進行避障，并通過語啟一系統(tǒng)可以進行人機交互。此外還有香港城市大學智能設計自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人、中科院沈陽自動化所研發(fā)了具有自主產權的激光導引 用于公安防暴的“靈晰一 B”型移動機器人、中國科學院自動化所自行設計制造的全方位移動機器人導航系統(tǒng)等。本文主要論述是移動機器人機械臂結構設計。 移動機器人的研究 熱點 綜合國內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。 (1)機械臂結構。機械臂機械結構形式的選型和設計 ，是根據實際需要進行的。在機械臂機構方面，結合機器人在各個領域及各種場合的應用，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，正在向實用化迅速發(fā)展。 (2)運動控制技術。穩(wěn)健的運動控制技術是移動機器人整體性能的基礎，由于移動機器人機械臂本身是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅動的零漂移的動力學系統(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，根據動力學模型和運動學模型，建立合理的反饋控制律，實現速度和轉向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術的核心內 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 6 頁 共 46 頁 容。 (3)路徑規(guī)劃技術。該技術主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術。由于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對其安全行駛構成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，顯得更為重要。 (4)實時視覺技術。該技術主要涉及到視覺信息的實時采集、預處理、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。 (5)定位和導航技術。該技術是現代移動機器人機械臂研制所急需的關鍵技術，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術基礎。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航等。 (6)多傳感集成和數據融合技術。自主式移動機器人機械臂采用測距技術， 此，準確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對所處環(huán)境作出準確可 靠的描述，并據此作出正確的決策和控制，是多傳感集成和數據融合研究的任務。 (7)高性能計算技術。在移動機器人機械臂的早期研究工作中，專用硬件結構為多數研究者所采用，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，研究者們開始采用通用處理器來構建機器人系統(tǒng)。目一前用于移動機器人機械臂的硬件結構多數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、模板匹配或數學形態(tài)學計算 )，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。 (8)無線通信與因特網技術。這兩項技術可以實現多機器人臂之間的通信和信息共享，以及移動機械臂與外部的聯系。 本文要研究是移動機器人機械臂結構設計。 課題的來源和研究內容 本課題來源于南京市科技局的科技計劃項目，具有較大的應用價值。結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構設計和計算，要求結構緊湊、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型多用途移 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 7 頁 共 46 頁 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 。 通過幾個階段系統(tǒng)的 分析、設計與計算等過程，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計及自動化方面的專業(yè)知識，能較熟練的使用 本課題以小型地面移動機器人的機械折疊臂為研究對象，設計了移動機器人機械臂的設計。 論文以實際工程為背景，結合移動機器人機械臂研究設計過程中遇見的問題，進行分析。內容安排如下： 在了解總體尺寸、重量及運動指標的基礎上，進行機構分析和比較；對選定的方案進行機構造型、分析、設計與計算；繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖；編寫設計、計算說明書。 設計機械臂及夾持機 構。設計數據要求：機械臂折疊時總長 ≤ 650臂桿轉動范圍 :150°，旋動速度 s，系統(tǒng)自重 ≤ 7器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長×寬×高 =800540260械臂的抓取重量為 3取對象為直徑 40度 360圓柱體。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 8 頁 共 46 頁 2 移動機器人 機械臂的總體設計 機械臂 結構的確定 作為一款多功能移動機器人，為完成如排爆等任務，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，還應該使機械手能夠有效達到避障的目的。考慮到還有 底 盤的移動以及機械臂的重量。本文設計的機械手具有 3 個自由度。下面分別是手部、 臂 部和肩部的具體設計。機械臂的 結構 如圖 示： 圖 機械臂的結構 1. 手部關節(jié) 節(jié) 節(jié) 機械 臂設計 的主要參數 臂長的確定 加拿大西蒙弗雷澤大學的高峰等人根據人體手臂和腿部 的機構組成，提出了尺寸綜合的三動桿原理 [19]，作為機械手機構運動學、動力學的評價準則。該原理的內容是 :人體手臂、腿部及動物四肢從機構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和動力學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運動，三自由度面的 動桿機構可以作為上述機構的簡化模型，該機構的運動學、動力學的評價準則同樣可以用來衡量手臂機構的運動學和動力學性質。根據三動桿基本運動理論，仿人手臂可以看作三動桿機構，即將大臂、小臂、手爪作為三 動桿。 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 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 9 頁 共 46 頁 =A/ L，根據三動桿機構的性能分析，可以得出下面的結論，即當三桿長度滿足下列條件， 1~且 1 由此可以看出 :蝸輪蝸桿雖然符合 > 條件，而且差大于 1，故自鎖可靠。 (d)蝸輪蝸桿式的肩部易于旋轉方向的要求。 肩 部是蝸輪蝸桿傳動，蝸桿固定于蝸輪箱內，蝸輪位于蝸輪箱內，通過軸套與轉軸相連，與蝸桿嚙合。進行旋轉運動操作時，主控計算機把臂部角度與目標點的角度進行比 較，角度的差值通過電機驅動器驅動電機轉動，電機轉動經配套的減速器后，經過一對齒輪副的傳動，帶動蝸桿轉動，蝸桿與蝸輪嚙合，使得與蝸輪通過軸套連接的肩部轉軸轉動，從而使得固定于肩部轉軸的臂部轉動，賦予肩部在 150 度范圍內轉動。 (e)蝸輪副的傳動一般具有工作平穩(wěn)、結構緊湊的特定，但是在這里將它用作移動機械臂的肩部傳動機構后，具體情況有所變化。因為蝸輪蝸桿分別安裝在 箱體上，不能實現對蝸輪蝸桿的固定裝置進行組合加工來保證蝸輪蝸桿的中心距有較小的偏差 ;裝配時，蝸輪中心與回轉中心不易重合，存在較大的偏差。從而不能保證蝸桿軸線與蝸輪的節(jié)圓在同一平面內。所以解決的辦法是蝸桿兩端加上調整墊片。也就是說，在傳動過程中，蝸輪蝸桿的嚙合情況是變化的，這就使得電機驅動 肩部 轉動時出現轉動不平穩(wěn)、驅動力不均勻現象。又因為肩部為一級傳動，而且旋轉部分很重，體積較大，進行肩部旋轉定位時，回轉慣性也就較大，同時也沒有消除回轉慣性力矩的緩沖機構，這種回轉慣性也就敏感地、直接地反映到電機上來。由于法蘭 盤和臂部體積較大，使得肩部的體積也較大，且不夠緊湊。 本章 小 結 移動機械臂的結構分析以及 以 肩部 為重點 的結構分析。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 43 頁 共 46 頁 結束語 總結 本文對移動機器人的移動機械臂結構系統(tǒng)進行了設計，包括一個 3 個自由度移動 機械臂， 移動機械臂的設計包括肩部，臂部及手部的結構設計。 并對 機械臂 進行了性能分析 。 移動機械臂 ，繞水平軸旋轉的自由度 肩部 使用了蝸輪蝸桿副 ， 臂部使用了圓錐齒輪傳動 ， 手部使用了直齒圓柱齒輪及左右螺旋的形式傳動。 移動 機器人 機械臂 進行了結構設計，利用 機械 手建模運動仿真。 由于作者的水平 有限，而且對有些相關學科，如傳感器技術、控制技術 等 并不是很了解，仍有許多問題需要解決，還有許多問題值得進一步討論和更加深入的研究 與展望 ： (1)機械結構優(yōu)化問題 在移動機器人設計過程中，包括 移動機械臂 ，采用模塊化設計，不同功能結構分別進行設計，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。但是在模塊各零件設計過程中，各參數計算選擇主要從結構強度和剛度要求出發(fā)，很多零件為了匹配，比實際需求尺寸大很多。包括一些非關鍵零件設計，均是根據前人經驗設計，選擇尺寸。這種設計不僅增加了整個系統(tǒng)質量，同時增加了電機負載，造成了資源浪費。 在各模塊整體結構設計過程中，結構優(yōu)化也很重要。通過各零件之間最優(yōu)配合，使機械運動在實現功能前提下，實現最高傳動效率，將能量消耗降到最低。 臂部的關節(jié)應該放在大臂上，不應該放在小臂上，增加了小臂的重量，增大了小臂的傳動力矩，以及增加了臂部傳動負荷。 （ 2） 計算機的有限元的分析沒有做 。通過對計算機 有限元 軟件的更深層次挖掘，對零件的強度和剛度 和臂部的力學分析 ，會得到最優(yōu)的結構。這個以后可以作為后續(xù)學習的方向。 (3) 移動機械臂 自主 控制系統(tǒng)的建立有待于進一步研究，以及它的 運動控制技術 ， 路徑規(guī)劃技術 ， 實時視覺技術 ， 定位和導航技術 ， 多傳感集成和數據融合技術 ，高性能計算技術 ， 無線通信與因特網技術 問題也是多 個有待研究的方面。 移動機器人在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應用將會越來越廣。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 44 頁 共 46 頁 包括在軍事領域中的應用將是發(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 移動機器人機械 臂 系統(tǒng) 設計 ，在整體系統(tǒng)的各各方面積累了比較豐富的設計經驗，相信經過不斷的發(fā)展和改進移動機器人將走向成熟和實用化。 未來移動機器人將有以下主要特點 : (1)更優(yōu)的性能質量比 ; (2)更強的環(huán)境適應能力 ; (3)更高的智能性能 ; (4)具有成熟的搭載系統(tǒng) ; 相信隨著社會的進步，科技的發(fā)展，本系統(tǒng)的研究將具有很大的市場潛力和廣 闊的發(fā)展前景。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 45 頁 共 46 頁 致 謝 論文是在老師的精心指導下完成的，自論文的選題到各章中若干重要基本問題的研究都傾注了導師的智慧。周老師淵博的知識、敏銳的洞察力以及富于啟發(fā)性的分析使我受益匪淺，周老師嚴謹認真的治學作風和勤奮進取的工作精神使我受到極大的鞭策。在此，謹向我最尊重的周老師老師致以最誠摯的謝意 ! 特別感謝我的父母，他們一直無條件的支持我的學業(yè)和研究。感謝一切幫助過我的朋友，感謝網上提 供資料的朋友??兩年來，我還得到了許多老師與諸多同學的大力支持與幫助，在此向所有曾經關心和幫助我的人一并表示感謝 !最后還要感謝百忙中抽出時間審閱我論文的老師，對他們的付出表示真誠的感謝 ! 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 46 頁 共 46 頁 參 考 文 獻 [1] 李新春等 J］ . 機器人， 2004（ 11）： 103~106. 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