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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
學(xué)院(系)：
機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)：
機(jī)械工程及自動(dòng)化
學(xué) 生 姓 名：
魏禮彬
學(xué) 號(hào)：
0601510154
設(shè)計(jì)(論文)題目：
移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
起 迄 日 期:
2010年3月22日～6月27日
設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn):
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
指 導(dǎo) 教 師:
周建平
專業(yè)負(fù)責(zé)人:
龔光容
發(fā)任務(wù)書日期: 2010年 3月 12 日
任務(wù)書填寫要求
1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負(fù)責(zé)人審查、院（系）領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在第七學(xué)期結(jié)束前填好并發(fā)給學(xué)生；
2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)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(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)所在專業(yè)及院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫；
4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“學(xué)院（系）”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號(hào)”要寫全號(hào)；
5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫，應(yīng)按照國(guó)標(biāo)GB 7714—2005《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書
1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：
本課題以小型地面移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂為研究對(duì)象，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí),根據(jù)被抓取工件的結(jié)構(gòu)尺寸、重量及工況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。本課題的研究從功能需求分析入手，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，構(gòu)思機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式、結(jié)構(gòu)尺寸和傳動(dòng)布局，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)、零部件設(shè)計(jì)計(jì)算等環(huán)節(jié)的實(shí)踐，來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、計(jì)算、制圖及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，以提高同學(xué)分析與解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。
2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
內(nèi)容：
以小型地面移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械折疊臂為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)機(jī)械臂及夾持機(jī)構(gòu)，并滿足總體尺寸、重量及運(yùn)動(dòng)特性等指標(biāo)。
要求：
（1）根據(jù)教師提供的部分材料和所布置任務(wù)，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(shè)計(jì)機(jī)械臂及夾持機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)要求：
①機(jī)械臂折疊時(shí)總長(zhǎng)≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)范圍:150°，旋動(dòng)速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重≤7kg。機(jī)器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長(zhǎng)×寬×高=800mm×540mm×260mm。
②機(jī)械臂的抓取重量為3kg，抓取對(duì)象為直徑40mm、長(zhǎng)度360mm的圓柱體。
（4）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)與計(jì)算。
（5）繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖。（用Auto CAD或其他繪圖軟件繪制）。
（6）編寫設(shè)計(jì)、計(jì)算說(shuō)明書。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書
3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕：
（1）繪制機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)的三維造型圖、裝配圖及部分零件圖。
（2）根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和分析結(jié)果編寫設(shè)計(jì)、計(jì)算說(shuō)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(xiàn)：
[1] 張毅等. 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.
[2] 李新春等.移動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)器人，2004（11）：103~106.
[3] 李振波等.微型全方位移動(dòng)機(jī)器人的研制［J］. 機(jī)器人，2000（9）：354~358.
[4] 常文森,賀漢根,李晨.軍用移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展綜述［J］. 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，
1998（2）：2~6.
[5] 江浩,樊炳輝等.新型移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］. 應(yīng)用科技，2000（8）：3~5.
[6] 馬香峰等.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.
[7] 蔣新松. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論［M］. 沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.
[8] 蘇學(xué)成.樊炳輝等，一種新型的機(jī)器人移動(dòng)結(jié)構(gòu)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003（4）：
120~123.
[9] R?西格沃特,I?諾巴克什,自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論［M］李人厚,譯.西安：西安交通
大學(xué)出版社，2006.
[10] 王野，王田苗等.危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)綜述［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2005(6):23~31.
[11] 文福安,梁崇高,廖啟征. 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)位置正解［J］.中國(guó)機(jī)械工程,1999.
[12] 黃亞樓,盧桂章. 微機(jī)機(jī)器人和精密操作的研究發(fā)展［M］. 機(jī)器人,1992(4).
[13] 王昆,何小柏,汪信遠(yuǎn). 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)［M］. 高等教育出版社,2005.
[14] 朱磊磊,陳軍.輪式移動(dòng)機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)床與液壓,2009,37(8):242~247.
[15] 鄭超,趙言正,付莊.一種小型履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電一體化,2007,4:70~72.
[16] 陳學(xué)東等.四足機(jī)器人爬行步態(tài)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2003,39(2):
8~12.
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書
5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 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(duì)課題方案進(jìn)行構(gòu)思、分析比較并理出思路，撰寫開(kāi)題報(bào)告。
初步設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與三維造型。
詳細(xì)設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，對(duì)選定的系統(tǒng)方案進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析、作詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。繪制移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)裝配圖，拆畫部分零件圖繪制改進(jìn)后的小臂部件裝配圖與零件圖。
撰寫設(shè)計(jì)、計(jì)算說(shuō)明書。修改論文，準(zhǔn)備答辯。
論文答辯
所在專業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
學(xué)院（系）意見(jiàn)：
院（系）領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 Ⅰ 頁(yè) 共 Ⅰ 頁(yè)
目 錄
1 引言………………………………………………………………………………… 1
1.1 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的………………………………………… 1
1.2 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究………………………………………………… 2
1.3 本課題的來(lái)源和研究?jī)?nèi)容…………………………………………………… 5
2 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)…………………………………………………… 7
2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的確定 …………………………………………………………… 7
2.2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)的主要參數(shù)………………………………………………………… 7
3 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………… 8
3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………… 9
3.2 傳動(dòng)方式的選擇………………………………………………………………… 9
3.3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 9
3.4 電機(jī)的計(jì)算與型號(hào)選擇………………………………………………………… 12
3.5 材料的選擇與強(qiáng)度校核………………………………………………………… 14
3.6 本章小結(jié)…………………………………………………………………… 17
4 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………18
4.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………… 18
4.2 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 19
4.3 臂部電機(jī)的選擇………………………………………………………………… 26
5 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 28
5.1 肩部的傳動(dòng)方式………………………………………………………………… 28
5.2 肩部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 29
5.3 肩部電機(jī)的選擇………………………………………………………………… 31
5.4 肩部直流電機(jī)的計(jì)算……………………………………………………………32
5.5 肩部伺服電機(jī)與臂部和手部步進(jìn)電機(jī)的控制………………………………… 33
6 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)分析………………………………………………………… 30
6.1 機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)分析…………………………………………………37
6.2 機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)分析………………………………………………………… 39
6.2 本章小結(jié)………………………………………………………………………… 39
結(jié)束語(yǔ) ……………………………………………………………………………… 42
致謝 ………………………………………………………………………………… 45
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 46
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 47 頁(yè) 共 47 頁(yè)
1 引言
1.1 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的
本文以實(shí)際項(xiàng)目小型地面移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂為研究對(duì)象。設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)。所謂移動(dòng)機(jī)械臂，就是將機(jī)械臂安裝在是一個(gè)小型多用途移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人智能移動(dòng)平臺(tái)，小型多用途移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人是一個(gè)智能移動(dòng)平臺(tái)，其上可搭載爆炸物處理、偵察、通訊、探測(cè)系統(tǒng)或其他特殊作業(yè)系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)械臂用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些動(dòng)作如抓取，可以在機(jī)械臂的末端執(zhí)行器上安裝一定的工具進(jìn)行作業(yè)，通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)來(lái)擴(kuò)大機(jī)械臂的工作空間，這種結(jié)構(gòu)使移動(dòng)機(jī)械臂擁有更大的操作空間和高度的運(yùn)動(dòng)冗余性，并同時(shí)具有移動(dòng)和操作功能，這使它優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械臂，則具有了更廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前智能移動(dòng)機(jī)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(lái)越廣泛，幾乎滲透到各個(gè)領(lǐng)域[2]。
移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究屬于多學(xué)科相互交叉，相互滲透的，對(duì)它的研究具有很大的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。在工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世40多年后的今天，機(jī)器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時(shí)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(jī)器人的功能己不再是只能從事某項(xiàng)簡(jiǎn)單的操作，而是可以承擔(dān)多種任務(wù);機(jī)器人的工作環(huán)境也不再是固定在工廠和車間現(xiàn)場(chǎng)，而是開(kāi)始走向海洋、太空和戶外，有些甚至已經(jīng)進(jìn)入醫(yī)院、家庭和娛樂(lè)場(chǎng)所。具有智能特性的自主式移動(dòng)機(jī)器人正在向非制造業(yè)方向擴(kuò)展，這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護(hù)理、服務(wù)、農(nóng)林、辦公自動(dòng)化和災(zāi)害救護(hù)等，如飛行機(jī)器人、海難救援機(jī)器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人等。近年來(lái)，對(duì)移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人越來(lái)越多，小到娛樂(lè)機(jī)器人玩具、家用服務(wù)機(jī)器人，大到工程探險(xiǎn)、反恐防爆、軍事偵察機(jī)器人等。相應(yīng)地，這些領(lǐng)域?qū)λ鶓?yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、靈活性、自主性、作業(yè)能力等方面的要求越來(lái)越高。因此，無(wú)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(dòng)機(jī)器人成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
歷史上一切高新技術(shù)無(wú)不首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂也不例外。隨著二十世紀(jì)末的幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)和二十一世紀(jì)初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程，特種戰(zhàn)爭(zhēng)以及城市戰(zhàn)爭(zhēng)日益成為戰(zhàn)爭(zhēng)一類型的主角，這一轉(zhuǎn)變直接推動(dòng)了各國(guó)地面移動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)即軍用地面移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)凸現(xiàn)了局部范圍內(nèi)的信息化，而戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人憑借自身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，已經(jīng)在本世紀(jì)的戰(zhàn)爭(zhēng)，例如伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中成為耀眼的新星。現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)尤其是城市內(nèi)反恐怖戰(zhàn)爭(zhēng)中單兵的生存能力受到了極大的挑戰(zhàn)，微小型地面移動(dòng)機(jī)器人由于體積小、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機(jī)動(dòng)性好、生存能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，并且可以在遠(yuǎn)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(jī)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(xiàng)任務(wù)，而且不會(huì)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(zhēng)和信息、戰(zhàn)爭(zhēng)，具有重大意義和軍事效益。二十一世紀(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)，戰(zhàn)爭(zhēng)的初期極可能是一場(chǎng)無(wú)人系統(tǒng)的較量。永不疲倦、無(wú)所畏懼的微小型無(wú)人移動(dòng)機(jī)器人是最理想的士兵。它們已在戰(zhàn)爭(zhēng)中顯示出的作戰(zhàn)本領(lǐng)，可以證明它們?cè)谖磥?lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的重要地位。微小型無(wú)人移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂特別適用于城市和惡劣環(huán)境下(如核、生、化戰(zhàn)場(chǎng)等)的局部戰(zhàn)爭(zhēng)和信息戰(zhàn)爭(zhēng)，具有重大戰(zhàn)略意義和效益。
1.2 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究
小型地面移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂在未來(lái)生活中，包括消防、探測(cè)等危險(xiǎn)作業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)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(shì)，也是我國(guó)國(guó)防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的方向之一。通過(guò)對(duì)小型移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)研制，在整體系統(tǒng)的各個(gè)方面積累了比較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，相信經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和改進(jìn)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂將走向成熟和實(shí)用化。未來(lái)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂將有以下主要特點(diǎn):更優(yōu)的性能質(zhì)量比;更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力;更高的智能性能;具有成熟的機(jī)械臂系統(tǒng);軍品級(jí)別的可靠性。
1.2.1 國(guó)外移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外在移動(dòng)機(jī)器人機(jī)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(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。雖然由于80年代對(duì)機(jī)器人的智能行為期望過(guò)高而導(dǎo)致室外移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究未達(dá)到預(yù)期的效果，但卻帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機(jī)器人機(jī)械臂的途徑積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也推動(dòng)了其它國(guó)家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究與開(kāi)發(fā)。
進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂開(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。例如2002年IRobot研制的金字塔探測(cè)機(jī)器人—“金字塔漫游者”，身長(zhǎng)30厘米，寬12厘米，高度可在11至28厘米之間調(diào)節(jié)。機(jī)器人身帶5件法寶:超聲波傳感器、地面探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)、力度測(cè)量?jī)x、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(cè)雷達(dá)系統(tǒng)，可以穿透厚超過(guò)90厘米的混凝土。美國(guó)在2003年發(fā)射的兩輛火星探測(cè)車“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)分別于2004年1月3號(hào)和24號(hào)在火星的不同區(qū)域安全著陸，并完成了90個(gè)火星日的科研工作。拿“勇氣”號(hào)探測(cè)車來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)具有手臂的移動(dòng)機(jī)器人。他的大腦是一臺(tái)高速計(jì)算機(jī)，車體靠自身具有的六個(gè)輪子在火星地面運(yùn)動(dòng)，視覺(jué)系統(tǒng)采用一對(duì)全景照相機(jī)來(lái)拍攝火星表面和天空的全景視圖，也用于形成著陸點(diǎn)附近的地形圖、搜索感興趣的巖石和土壤，來(lái)完成尋找火星遠(yuǎn)古時(shí)期存在液態(tài)水的證據(jù)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(jī)，由一組立體影像的黑白攝影機(jī)所構(gòu)成的，所拍攝的影像除了用于障礙物偵測(cè)之外還用于探測(cè)車的路徑規(guī)劃上。最先進(jìn)的要數(shù)探測(cè)車上的機(jī)械手臂，手臂末端裝備了各種工具，有顯微鏡成像儀、三種質(zhì)譜儀和兩種分光計(jì)，一套巖石研磨和樣本采集土具以及三個(gè)磁鐵陣列，所有設(shè)備主要是用來(lái)尋找火星上是否曾經(jīng)有液態(tài)水的證據(jù)。西班牙羅斯·羅卡公司研制的“羅德”輪式機(jī)器人。該機(jī)器人可用于清理雷場(chǎng)和處理炸藥等危險(xiǎn)物品。該車長(zhǎng)1. 4m,寬0. 67m、高0. 8m、重350kg、(6 X 6)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力裝置為1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，車上供電蓄電池可使用2h，車速(前進(jìn)或后退)可在0 至6. 5km/h之間連續(xù)變化。車上裝有活動(dòng)操作臂，有6個(gè)自由度，固定在機(jī)器人車的旋轉(zhuǎn)塔上。機(jī)械臂不伸長(zhǎng)時(shí)可吊重80kg，伸直時(shí)最長(zhǎng)為1. 5m，此時(shí)可吊重16kg。操作臂頂端裝有夾爪，夾緊力可達(dá)30kg，能把物體提升至2. 75m高。該車采用100m(或250m)長(zhǎng)的電纜或無(wú)線電裝置進(jìn)行遙控。機(jī)械手完成整個(gè)操作過(guò)程必須借助1臺(tái)黑白或彩色電視顯示器，顯示車上3個(gè)攝像機(jī)獲得的監(jiān)視駕駛、機(jī)械臂控制和夾爪操作的圖像。車上裝有兩個(gè)鹵氣探照燈，可在夜間或能見(jiàn)度很低的地區(qū)使用。
除室外移動(dòng)機(jī)器人外，世界各國(guó)在遙控移動(dòng)機(jī)器人、高完整性機(jī)器人、生態(tài)機(jī)器人學(xué)(生物機(jī)器人學(xué))、多機(jī)器人系統(tǒng)、環(huán)境與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的集成等方面都作了大量的研究。
1.2.2 國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究起步雖然較晚，但經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展也取得了很大進(jìn)步，但大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段。國(guó)內(nèi)的移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂研究主要經(jīng)歷了算法的研究和仿真、國(guó)外機(jī)器人平臺(tái)的引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā)三個(gè)階段。下面是國(guó)內(nèi)的主要研究成果?！熬盼濉逼陂g由浙江大學(xué)、南京理工大學(xué)、國(guó)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(dòng)機(jī)器人，并成功完成了全部實(shí)驗(yàn)測(cè)試，正常行駛速度為30.6km/h，同時(shí)支持臨場(chǎng)感遙控駕駛及戰(zhàn)場(chǎng)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中科院院士張錢教授主持下研制的新一代智能移動(dòng)機(jī)器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994年通過(guò)鑒定。車體采用道奇7座廂式車改裝，裝備有彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀組成的道路與障礙物檢測(cè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行視覺(jué)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(tái)IPC工控機(jī)分別完成激光測(cè)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(jì)行駛于高速公路車速為80krn/h，一般道路為2 0km/h。目前已能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，進(jìn)行道路跟蹤和避障礙自主行駛。清華大學(xué)智能車涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)，路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)，傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)和智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。DY- I型導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)公司推出的新一代智能導(dǎo)游機(jī)器人，該機(jī)器人由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語(yǔ)言識(shí)別及語(yǔ)言合成系統(tǒng)組成。導(dǎo)游機(jī)器人由蓄電池供電，可連續(xù)運(yùn)行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進(jìn)行避障，并通過(guò)語(yǔ)啟一系統(tǒng)可以進(jìn)行人機(jī)交互。此外還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的激光導(dǎo)引AGV和用于公安防暴的“靈晰一B”型移動(dòng)機(jī)器人、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)制造的全方位移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)等。本文主要論述是移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1.2.3 移動(dòng)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)
綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究情況，當(dāng)代移動(dòng)機(jī)器人的研究主要集中于以下幾個(gè)方面。
(1)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)械臂機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域及各種場(chǎng)合的應(yīng)用，研究人員開(kāi)展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當(dāng)前，對(duì)足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。
(2)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂本身是一個(gè)非完整約束系統(tǒng)，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)的零漂移的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過(guò)連續(xù)可微的時(shí)不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過(guò)時(shí)變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過(guò)渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容。
(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)。由于自主式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂在行駛中，必須避開(kāi)它無(wú)法通過(guò)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(wèn)題，顯得更為重要。
(4)實(shí)時(shí)視覺(jué)技術(shù)。該技術(shù)主要涉及到視覺(jué)信息的實(shí)時(shí)采集、預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別。而且，視覺(jué)信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準(zhǔn)確性是決定智能機(jī)器人整體性能的決定性因素。
(5)定位和導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)是現(xiàn)代移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂研制所急需的關(guān)鍵技術(shù)，也是下一代無(wú)人戰(zhàn)車的技術(shù)基礎(chǔ)。位置的測(cè)量可以分為相對(duì)位置測(cè)量和絕對(duì)位置測(cè)量，測(cè)量方法有里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、主動(dòng)燈塔、磁羅盤、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標(biāo)導(dǎo)航等。
(6)多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)。自主式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂采用測(cè)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(lái)采集不同類型的環(huán)境信息。因此，準(zhǔn)確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對(duì)所處環(huán)境作出準(zhǔn)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)。
(7)高性能計(jì)算技術(shù)。在移動(dòng)機(jī)器人機(jī)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?yàn)楫?dāng)時(shí)市場(chǎng)上的通用硬件不能滿足諸如實(shí)時(shí)圖像處理所需的計(jì)算能力。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的迅猛提高，研究者們開(kāi)始采用通用處理器來(lái)構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)。目一前用于移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個(gè)高速通用處理器加上幾個(gè)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(jì)算)，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來(lái)縮小體積，達(dá)到優(yōu)化的性能。
(8)無(wú)線通信與因特網(wǎng)技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人臂之間的通信和信息共享，以及移動(dòng)機(jī)械臂與外部的聯(lián)系。
本文要研究是移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1.3 本課題的來(lái)源和研究?jī)?nèi)容
本課題來(lái)源于南京市科技局的科技計(jì)劃項(xiàng)目，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)合當(dāng)前小型移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展，而進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算，要求結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，以提高機(jī)器人臂桿系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。將移動(dòng)機(jī)械臂安裝在是一個(gè)小型多用途移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人智能移動(dòng)平臺(tái)，可以用于執(zhí)行爆炸物處理、偵察、通訊、探測(cè)系統(tǒng)或其他特殊任務(wù)。通過(guò)幾個(gè)階段系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與計(jì)算等過(guò)程，提高分析與解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。具備較扎實(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化方面的專業(yè)知識(shí)，能較熟練的使用CAD軟件或其他工程設(shè)計(jì)與分析軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。本課題以小型地面移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械折疊臂為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)。
論文以實(shí)際工程為背景，結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂研究設(shè)計(jì)過(guò)程中遇見(jiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行分析。內(nèi)容安排如下：
在了解總體尺寸、重量及運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和比較；對(duì)選定的方案進(jìn)行機(jī)構(gòu)造型、分析、設(shè)計(jì)與計(jì)算；繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖；編寫設(shè)計(jì)、計(jì)算說(shuō)明書。
設(shè)計(jì)機(jī)械臂及夾持機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)要求：機(jī)械臂折疊時(shí)總長(zhǎng)≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)范圍:150°，旋動(dòng)速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重≤7kg。機(jī)器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長(zhǎng)×寬×高=800mm×540mm×260mm。機(jī)械臂的抓取重量為3kg，抓取對(duì)象為直徑40mm、長(zhǎng)度360mm的圓柱體。
2 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的確定
作為一款多功能移動(dòng)機(jī)器人，為完成如排爆等任務(wù)，抓取危險(xiǎn)物品移動(dòng)至安全爆地點(diǎn)，能夠靈活的移動(dòng)到指定的目標(biāo)位置來(lái)抓取目標(biāo)物，能夠方便的伸長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)達(dá)到不同的姿態(tài)，自由度太少將大大限制機(jī)械手的工作空間，無(wú)法抓取目標(biāo)物，有時(shí)考慮到目標(biāo)物可能置于狹小空間中，還應(yīng)該使機(jī)械手能夠有效達(dá)到避障的目的?？紤]到還有底盤的移動(dòng)以及機(jī)械臂的重量。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有3個(gè)自由度。下面分別是手部、臂部和肩部的具體設(shè)計(jì)。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：
圖2.1 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)
1. 手部關(guān)節(jié) 2.肘關(guān)節(jié) 3.肩關(guān)節(jié) 4.轉(zhuǎn)臺(tái)
2.2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)的主要參數(shù)
2.2.1 臂長(zhǎng)的確定
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(jī)構(gòu)組成，提出了尺寸綜合的三動(dòng)桿原理[19]，作為機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。該原理的內(nèi)容是:人體手臂、腿部及動(dòng)物四肢從機(jī)構(gòu)原理上分析都可以看作三自由度平面三動(dòng)桿演化來(lái)，因?yàn)闆Q定它們的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征的最基本的部分是平面運(yùn)動(dòng)，這部分運(yùn)動(dòng)被稱為三動(dòng)桿的主運(yùn)動(dòng)，它是瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)軸線平行的三動(dòng)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，三自由度面的動(dòng)桿機(jī)構(gòu)可以作為上述機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則同樣可以用來(lái)衡量手臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)三動(dòng)桿基本運(yùn)動(dòng)理論，仿人手臂可以看作三動(dòng)桿機(jī)構(gòu)，即將大臂、小臂、手爪作為三動(dòng)桿。
假定機(jī)械手各部分長(zhǎng)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(dòng)桿機(jī)構(gòu)的性能分析，可以得出下面的結(jié)論，即當(dāng)三桿長(zhǎng)度滿足下列條件，r1 : r2 = 1~1.2，并且r3<0.5時(shí)，三動(dòng)桿的靈活性和運(yùn)動(dòng)幅度較高，同時(shí)，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(dāng)全局條件數(shù)最大時(shí)，操作過(guò)程中易于實(shí)現(xiàn)精度控制。
因此，結(jié)合三動(dòng)桿原理，確定機(jī)械手的各部分尺寸長(zhǎng)度為大臂380mm、小臂420m,手爪160mm。設(shè)計(jì)該長(zhǎng)度還考慮到了機(jī)器人的排爆用途，即機(jī)械手必須能夠?qū)⒈ㄎ镒ト∫苿?dòng)，以直徑40mm，長(zhǎng)為360mm的圓柱體為例進(jìn)行了計(jì)算，這樣確定了上述尺寸。
2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)要求及設(shè)計(jì)的原則
（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求
機(jī)械臂折疊時(shí)總長(zhǎng)≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)范圍:150°，旋動(dòng)速度0.5rad/s， 機(jī)械臂的抓取重量為3kg，抓取對(duì)象為直徑40mm、長(zhǎng)度360mm的圓柱體。
(2)機(jī)械系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂性能的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響到移動(dòng)機(jī)械臂性能指標(biāo)。合理的、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能提供可靠的機(jī)器人本體，更可以減少調(diào)試試驗(yàn)中的不可靠因素。但是，機(jī)械設(shè)計(jì)周期十分長(zhǎng)，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(jī)械系統(tǒng)的性能，所以機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在本項(xiàng)目中顯得十分重要。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：
(a) 結(jié)構(gòu)尺寸方面滿足設(shè)計(jì)指標(biāo);
(b) 零件結(jié)構(gòu)便于加工、測(cè)量;
(c) 滿足剛度強(qiáng)度要求;
(d) 總體結(jié)構(gòu)易拆卸，便于平時(shí)的試驗(yàn)、調(diào)試、和修理;
(e) 給機(jī)器人暫時(shí)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(lái)能改進(jìn)與擴(kuò)展;
(f ) 采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊之間相互獨(dú)立裝配，互不干擾。
設(shè)計(jì)過(guò)程中主要使用的設(shè)計(jì)工具有美國(guó)PTC參數(shù)技術(shù)公司的三維設(shè)計(jì)軟件Pro/engineer野火版3.0以及Autodesk公司的二維設(shè)計(jì)軟件AutoCAD2007。
3 移動(dòng)機(jī)械臂機(jī)械手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求
機(jī)械手手部(末端執(zhí)行器)結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計(jì)都有如下幾點(diǎn)基本要求:
（1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過(guò)大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞抓取物體;力量過(guò)小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落。在確定握力時(shí)，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證夾持安全可靠。
（2)手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍，手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角度(手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度)或開(kāi)閉范圍(對(duì)平移型手指從張開(kāi)到閉合的直線移動(dòng)距離)，以便于抓取或退出物體。
（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(gè)被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對(duì)位置。
(4)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強(qiáng)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(fù)載。
3.2 傳動(dòng)方式的選擇
機(jī)械傳動(dòng)是主要的傳動(dòng)裝置，常用的有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)等。
根據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況選擇齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的一類傳動(dòng)。它傳動(dòng)效率高，在正常的潤(rùn)滑條件下效率可達(dá)99%以上；
手指的設(shè)計(jì)將采用平移運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)夾持物體，這里將采用左右螺旋軸和齒輪副一起作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成末端機(jī)構(gòu)所要求達(dá)到的功能。采用這兩種結(jié)構(gòu)使整個(gè)末端執(zhí)行器體積小、質(zhì)量輕。
3.3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的雙指機(jī)械式夾持器按其手爪的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jiǎn)單、控制容易的優(yōu)點(diǎn)。
圖3.1 回轉(zhuǎn)型 圖3.2 平移型
在手爪的設(shè)計(jì)中主要考慮了以下幾種方案：
方案一:齒輪齒條平行連桿的機(jī)構(gòu)，該方案見(jiàn)圖3.3所示。
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(jī)
圖3.3 直線電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條的手爪方案
該結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直線電機(jī)，直線電機(jī)軸帶動(dòng)齒條沿軸線方向直線運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)扇形齒輪則在齒條的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿和與連桿鉸接的夾鉗實(shí)現(xiàn)開(kāi)合動(dòng)作，該機(jī)構(gòu)從實(shí)現(xiàn)上最為簡(jiǎn)單?？紤]到與后面要使用電機(jī)的配套，如果選擇直線電機(jī)，則必須選擇單獨(dú)的一套驅(qū)動(dòng)器，勢(shì)必增加成本。
方案二: 圓柱直齒輪和螺旋軸
而方案一為了實(shí)現(xiàn)較大的手爪開(kāi)合尺寸，齒條部分必需做的較長(zhǎng)，而在整個(gè)手爪開(kāi)合的行程中，手爪完全張開(kāi)時(shí)，齒條有一部分要伸出手爪殼體。綜合以上因素，實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了如下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用圓柱直齒輪和螺旋軸，整個(gè)末端執(zhí)行器體積小、質(zhì)量輕。兩手指相對(duì)于末端執(zhí)行器在左右螺旋的帶動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到開(kāi)合作用。手部結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。
圖3.4 手部結(jié)構(gòu)圖
1一步進(jìn)電機(jī) 2一齒輪A 3一導(dǎo)向軸 4一左右螺旋軸
5一齒輪B 6一夾持器右指 7一夾持器左指 8一襯套
經(jīng)過(guò)以上的研究討論從而設(shè)計(jì)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(shí)又降低了整體的重量。前段可以?shī)A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?shī)A持圓形和不規(guī)則形狀的物體手指伸出長(zhǎng)度為 125mm，開(kāi)合范圍 4-70mm。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1經(jīng)齒輪2傳動(dòng)齒輪5，驅(qū)動(dòng)左右螺旋軸4使兩手指6、7進(jìn)行開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。兩手指相對(duì)于末端執(zhí)行器在左右螺旋的帶動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到開(kāi)合作用。兩根導(dǎo)向軸3固定兩手指并引導(dǎo)兩手指的運(yùn)動(dòng)軌跡。。這種設(shè)計(jì)可以更好的使機(jī)器人完成工作。手部的三維爆炸圖如圖3.5所示：
圖3.5 手部的三維爆炸圖
3.4電機(jī)的計(jì)算與型號(hào)選擇
3．4.1 電機(jī)的計(jì)算
在確定握力時(shí)，除考慮抓取物體重量3Kg外，還應(yīng)考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)，以保證夾持安全可靠。另外，電動(dòng)機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，可以達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度。綜上所述，本文選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。
本文設(shè)計(jì)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(dāng)量摩擦系數(shù) f=0.1，Q為軸向載荷，M為螺紋驅(qū)動(dòng)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:
表3.1 主要工程材料摩擦系數(shù)
摩擦副材料
靜摩擦系數(shù)
鋁合金
黃 銅
0.27
青 銅
0.22
鋼
0.3
膠 木
0.34
鋼 紙
0.32
樹 脂
0.28
硬橡膠
0.25
石 板
0.26
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：
(3-1)
螺紋增力比
（3-2）
式中 ——當(dāng)量摩擦角，= ；
——螺紋升角，=
帶入數(shù)據(jù),得, 得
（3-3）
選用齒輪傳動(dòng)比 n=1:1，忽略齒輪傳動(dòng)摩擦及軸承滾動(dòng)摩擦力矩，根據(jù)上述計(jì)算，我們選擇了北京和利時(shí)電機(jī)公司生產(chǎn)的 28BYG250C-SASSMQ-0071 型步進(jìn)電機(jī)，它的保持轉(zhuǎn)矩為 90，滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4.2 電機(jī)的技術(shù)參數(shù)及尺寸
步進(jìn)電機(jī)的如圖3.6所示：
圖3.6 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表3. 2所示：
表3.2 步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)
步進(jìn)電機(jī)的尺寸如圖3.7所示：
圖3.7 步進(jìn)電機(jī)的尺寸
步進(jìn)電機(jī)的安裝如圖3.8所示：
圖3.8 步進(jìn)電機(jī)的安裝
3.5 材料的選擇與強(qiáng)度校核
3.5.1 齒輪系材料的選擇
對(duì)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(guò)熱處理來(lái)改善其機(jī)械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。
對(duì)于強(qiáng)度、速度和精度要求不高的齒輪傳動(dòng)，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)制或正火，常用材料有45號(hào)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(jí)。本文設(shè)計(jì)的齒輪副速度要求不高，所以設(shè)計(jì)選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動(dòng)要求。
3.5.2 齒輪副的強(qiáng)度校核
輪齒在受載荷時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。對(duì)于制造精度較低的傳動(dòng)齒輪，由于制造誤差大，實(shí)際上多由在齒頂處咬合的輪齒分擔(dān)較多的載荷，為便于計(jì)算，通常按全部載荷作用于齒頂來(lái)計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。
本文設(shè)計(jì)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(dòng)比u=1:1。電機(jī)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩T=90。那么齒輪所受的圓周力
（3-4）
對(duì)于齒輪的校核將從兩方面來(lái)計(jì)算：
1) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為；
（3-5）
式中： 為區(qū)域系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪=2.5；
K為載荷系數(shù)，此處取K=1.8；
為彈性影響系數(shù)，查得=188；
為接觸疲勞許用應(yīng)力
（3-6）
其中： 為接觸疲勞壽命系數(shù)，取=0.95；
齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限，查得=550；
S為安全系數(shù)，取S=1。
從而求得： =522.5
將所有已知量帶入(3-6)式，求得：
=199.5=522.5
從齒面接觸疲勞強(qiáng)度上來(lái)說(shuō)，齒輪是合格的。
(2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核）