移動機器人機械臂的結構設計

1、移動機器人機械臂的結構設計第1章緒論1.1 課題背景及選題意義機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備。最前沿的機器人研發(fā)和制造技術集機械工程、電子工程、材料科學、計算機工程、傳感器及控制工程、生物工程等多學科技術為一體，代表了機電一體化的最高成就，是一個國家高科技實力和發(fā)展水平的重要標志。從科學技術開發(fā)的角度來看，機器人的機構是實現(xiàn)智能化的硬件平臺。為了與環(huán)境更好地進行交互、靈活地操縱物體、完成目標任務、跟上智能化的步伐、讓機械臂具有極高的靈活性與可靠性機，械臂研究致力于模仿人類的手臂，并出現(xiàn)了冗余度擬人雙臂機器人，這種機器人具有可克服奇異性高容錯性等特點10就目前實際在工業(yè)制造、國防安全、警務

2、防爆等各領域的實用性而言，采用更為普遍的是具有固定機座的工業(yè)機器人和帶機械臂的移動機器人。隨著機器人的不斷發(fā)展，機器人的種類也在不斷增加，但是無論何種形狀的機器人，都至少具有移動和操作能力這兩個最基本的功能之一。因此根據(jù)功能特性可以把機器人大體分為三大類2:（1）只能移動的移動機器人。（2）僅具有操作能力的機械臂。（3）具有移動和操作能力的移動機械臂系統(tǒng)。自上世紀60年代以來，機械臂開始廣泛的應用到加工裝配、焊接、涂裝等行業(yè)，機械臂不但減輕了人們的工作強度，并且極大的提升了加工生產效率。但這些機械臂絕大部分是固定于固定基座上的，這種用于重復性工作的機械臂相對位置精度要求較高，而絕對位置精度要求

3、一般。隨著機器人應用領域的不斷擴展，使得機器人所面對的環(huán)境越來越多樣化，所執(zhí)行的任務也具有多種不確定性因素，這就要求機器人需要同時具有移動和操作的能力。搭載在移動底盤上的機械臂系統(tǒng)恰好能夠滿足這種需求，這類機械臂因為具有移動能力，故又被稱為移動機械臂。它既具有移動平臺的運動性能又具有機械臂的執(zhí)行功能。最初的移動機械臂主要應用于太空探索方向，現(xiàn)在它的應用己遍及多個領域，并在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、家庭服務等方面具有廣泛的應用前景?；谝苿悠脚_的機械臂系統(tǒng)具有靈活度高、適應性廣、功耗低等特性，已成為二十一世紀機器人發(fā)展的重點方向。本課題來源于南京市科技局的科技計劃項目。通過進行機器人機械臂的結構設計和計

4、算等，使得移動機械臂具有結構緊湊、輕巧，高運動性能等特點。1.2 理論的淵源及演進過程移動機器人的研究始于20世紀60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的NilsNilssen和CharlesRosen等人，在196/至1972年中研發(fā)出了取名Shakey的自主移動機器人3,目的是研究應用人工智能技術在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。自此以來，機械臂開始廣泛應用于加工裝配行業(yè)。從工業(yè)機器人的發(fā)展歷程，可以看出機器人的發(fā)展狀況：(1)第一代機器人，即按事先示教的位置和姿態(tài)進行重復的動作的機械。它也可以簡稱為示教/再現(xiàn)方式的機器人或是T/P方式(Teaching/Playback)的機器

5、人。目前國際上實用的機器人大多仍是這種工作方式。由于這種工作方式只能按照事先示教的位置和姿態(tài)進行重復的動作而對周圍環(huán)境無感覺的功能，其應用范圍受到一定的限制，主要用于材料的搬運、噴漆、點焊等工作。(2)第二代機器人，即具有如視覺、觸覺等外部感覺功能的機器人。這種機器人由于具有外部的感覺功能，因此可以根據(jù)外界的情況修改自身的動作，從而完成較為復雜的作業(yè)。例如，機械裝配、打磨、工件檢查等工作。(3)第三代機器人，這類機器人除了具有外部感覺功能外，還具有規(guī)劃和決策的功能。從而可以適應因為環(huán)境的變化而自主進行的工作。第三代機器人目前還處于研究階段，距離實際應用還有一段距離。在普及第一代工業(yè)機器人的基礎

6、上，第二代工業(yè)機器人已經(jīng)推廣，成為主流安裝機型，第三代智能機器人也占有一定比重(占日本1998年安裝臺數(shù)的10%銷售額的36%。隨著機械臂的發(fā)展，安裝于固定基座的機械臂的工作空間極其有限，不能滿足實際任務需要。針對這種情況，自上世紀80年代末期開始，許多機構分別開展了移動機器人(MobileRobot)技術的研究5。如美國Hughe隊工智能中心在1987年開始的移動機器人越野實驗。國內科研院所也在同一時期開展了移動機器人的研究6,如清華大學自1988年開始設計的一系列移動機器人THMR(TsinghuaMobileRobot)。將機械臂應用于移動平臺的案例也越來越多，如在軍事行動和反恐行動中使

7、用的偵查排爆機器人，災害救援時使用的搜索機器人，農業(yè)中使用的采摘機器人，為行動不便的人設計的智能輪椅7,水下機器人8,地外行星樣品采集機器人等。在移動機器人技術快速發(fā)展的今天，為移動平臺安裝機械臂或者說為機械臂提供移動基座是當今移動機器人發(fā)展的重要方向，而研究這種兩者結合的移動機械臂相關技術也是機械臂研究領域的必然發(fā)展趨勢。1.3 移動機械臂研究的綜述在焊接、噴涂和搬運等工業(yè)自動化生產線上，工業(yè)機械臂已經(jīng)占據(jù)主導地位9,然而，機械臂的應用領域遠不只是在工業(yè)領域，對于宇宙空間、反恐戰(zhàn)場、家庭生活以及眾多特殊領域的工作要求，機械臂的發(fā)展也有其大顯身手的余地，多領域的發(fā)展使得機械臂必須具有：輕型化、

8、低能耗、模塊化、高穩(wěn)定性等特點。本節(jié)將以機械臂在非工業(yè)生產領域中的應用來說明其當前國內外研究現(xiàn)狀。1.3.1 國外有關研究的綜述在移動機器人的應用于軍事領域中，較為成功的案例有美軍上個世紀末期投入使用的“魔爪”(TALON系列軍用機器人10-11,見圖1-1。通過裝載不同的模塊，TALON機器人被用來執(zhí)行一系列危險任務，比如偵查危險環(huán)境，拆除路邊的簡易爆炸裝置，甚至被用于執(zhí)行攻擊性任務。其中最主要的應用模塊就是移動機械臂，在最初的設計方案中機械臂具有3個自由度，分別是肩部俯仰、肘部俯仰和腕部旋轉。行動中由機器人小車本體和肩部、肘部俯仰關節(jié)實現(xiàn)機械臂的空間位置確定，為末端執(zhí)行器提供準確的坐標位置

9、。在這種設計方案中的機械臂關節(jié)數(shù)量較少，機械臂的整體重量較輕。但是這種采用平面二連桿機構的輕型機械臂，由于其結構限制只能對車體正前方的目標進行操作，嚴重制約了其使用范圍。為擴大機械臂的使用范圍，2005年，F(xiàn)oster-Miller公司委托美國東北大學，對用于TALON的機械臂進行了重新設計。新設計的機械臂最主要的特點是增加了一個肩部旋轉自由度，使機械臂的工作空間擴展到車體兩側，提高了TALON的適應能力。重新設計后的機械臂的主要性能參數(shù)如表1-1所示。除此之外，應用較多的移動機械臂還有美國iRobot公司研制的PackBotTMEO于口PackBotTM510移動機器人，這兩款機械臂具有八個

10、獨立的自由度（包括其末端夾持器），其操作更靈活并具有更強的負載能力12o對于輕型機械臂的研究，日也走在了世界的前列。日本三菱公司推出的PA10!是其典型代表。該機械臂由輕質鋁合金材料制成，具有七個自由度，屬于冗余自由度機械臂，正是由于他有一個多的自由度，使得它在遇到障礙物時能夠靈活避開，這種冗余自由度設計使該機械臂具有更加靈活的工作空間。PA10勺轉動關節(jié)采用伺服電機與諧波齒輪的傳動方案，各個關節(jié)都安裝有高精度的轉角傳感器，能夠實現(xiàn)機械臂的精確定位13o圖1-1魔爪軍用機器人項目參數(shù)自由度4個自重（空載時）9.1kg完全伸展時負載能力8.0kg一般狀態(tài)卜負栽能力11.3kg完全伸展時臂桿長度1

11、.32m肩部旋轉范圍360度肩部俯仰范圍270度肘部俯仰范圍180度手腕旋轉范圍340度是否模塊化關節(jié)是表1-1 “魔爪”機械臂的性能參數(shù)1.3.2 國內有關研究的綜述國內對移動機械臂的研究起步稍晚，但也有一些成熟的技術產品。比如沈陽自動化研究所研制的靈蜥系列移動機器人，其本體主要由移動小車、機械臂和控制中心構成，其中有代表性的型號是“靈蜥-A”、“靈蜥-B”、“靈蜥-H”和“靈蜥-HW四款反恐防爆機器人。其中“靈蜥-H”警用反恐防暴機器人采用的是三履帶式結構，見圖1-2。靈蜥-H機器人在靈蜥一B的基礎上，改進了機械臂系統(tǒng)，使其具有6個自由度，且增大了機械臂結構尺寸，擴寬的工作空間，使其最大工

12、作半徑超過2米，最大負載達到50N14。同時還為該機器人安裝了攝像機監(jiān)視器，夜間照明系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)測傳感器，使其更加有效完成反恐作業(yè)。上海交通大學也曾推出過一款名為Super-D的反恐防暴機器人，見圖1-3,其采用的是輪式結構，在其上安裝有一條用于操作的輕型機械臂。雖然國內移動機器人領域現(xiàn)在已經(jīng)有了較大的發(fā)展，但與國際先進水平相比仍有較長的路要走，比如國外的移動機械臂多采用模塊化關節(jié)的設計思想，這在關節(jié)更換，故障排除等方面有著巨大的優(yōu)勢，而國內機械臂設計中還缺少這種指導思想。圖1-2靈蜥-H警用反恐機器人圖1-3Super-D反恐防暴機器人系統(tǒng)第二章機械臂結構初步擬定2.1 引言移動機械臂在具

13、有傳統(tǒng)輕型機械臂質量輕、高負載自重比和模塊化關節(jié)設計等特點的基礎上，針對其使用要求還需具有快速更換故障件，較強的防塵防水能力。本章針對課題提出的移動機械臂的設計指標，分析確定了機械臂合理構型，介紹了機械臂關節(jié)設計，傳動系統(tǒng)等設計方案。在考慮實用與美觀的同時完成了機械臂臂桿的設計。2.2 .移動機器人機械臂技術指標本文根據(jù)任務要求，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。具體指標如下：(1)機械臂折疊時總長0650mm單臂桿轉動范圍：150°,旋動速度0.5rad/s,系統(tǒng)自重07kg。(2)機器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出

14、：長X寬X高=800mrm(540mrK260mm(3)機械臂的抓取重量為3kg,抓取對象為直徑40mm長度360mlmJ圓柱體。2.3 移動機器人機械臂的構型選擇機械臂(操作機)構一般為空間連桿機構。其運動副又稱為關節(jié)(joint),由于結構和便于驅動的原因，常用轉動關節(jié)和移動關節(jié)，并分別用R和P表示。獨立驅動者成為主關節(jié)，反之成為從關節(jié)。在操作機中主關節(jié)的數(shù)目等于操作機的自由度。由于手臂機構基本上決定了操作機的工作空間范圍，所以手臂運動通常稱為操作機的主運動。機械臂通常按手臂的坐標形式進行分類，有以下四種類型：(1) 直角坐標型(cartesiancoordinaterobot)直角坐標型

15、具有三個移動關節(jié)(PPP),可使手部產生三個相互獨立的位移(x,y,z),如圖2-1所示。其優(yōu)點是定位精度高、軌跡求解容易、控制簡單等，而缺點是所占空間尺寸較大，工作范圍小，操作靈活性差，運動速度較低。(2)圓柱坐標型(cylindricalcoordinaterobot)圓柱坐標型具有兩個移動關節(jié)和一個轉動關節(jié)(PPR),手部坐標為(z,r,9),如圖2-2所示。其優(yōu)點是所占空間尺寸較小，工作范圍較大，結構簡單，手部可獲得較高的速度。缺點是手部外伸離中心軸較越遠，其切向線位移分辨精度越低。(3)球坐標型(polarcoordinaterobot)球坐標型具有兩個轉動關節(jié)和一個移動關節(jié)(RRP

16、),手部坐標為(r,a,B)。此種操作機的優(yōu)點是結構緊湊，所占空間小。但目前應用較少。(4)關節(jié)型(articulatedrobot)關節(jié)型機器人(articulatedrobot)是機器人中使用最多的一種結形式構，這種機器人是模擬人的上臂而構成的。為了保證機器人手部有6個空間自由度，其主動關節(jié)數(shù)目一般為6,或不少于6。但根據(jù)實際使用要求，也有小于6自由度的。一般情況下，全部關節(jié)皆為轉動型關節(jié)。關節(jié)型機器人的特點是結構緊湊，所占空間體積小，相對的工作空間最大，還能繞過基座周圍的一些障礙物。世界一些著名機器人都采用這種結構形式40多關節(jié)機械臂的優(yōu)點是：動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機

17、座的工件，并能繞過機體和工作機械之間障礙物進行工作。圖2-3關節(jié)型根據(jù)機械臂設計要求，本文要求的移動機器人具有體積小，可折疊，單兵能背負的特征，適用于排爆等特殊場合，對動作半徑和靈活度具有較高要求。結合設計指標分析，參考國內外各種危險作業(yè)機器人靈巧機械臂的結構形式后，本文決定采用關節(jié)型機器人。構型為旋轉一一俯仰一一俯仰一一俯仰，如圖2-3所示。在機械臂工作過程中，其最主要的功能就是實現(xiàn)機械臂末端操作器的各種工作位姿。機械臂末端操作器的空間位姿可由三個沿坐標軸的平移的參數(shù)和三個繞坐標軸旋轉的參數(shù)來表示，通過對這6個參數(shù)的確定來實現(xiàn)機械臂末端操作器的位姿確定，這要求機械臂至少具有6個自由度來實現(xiàn)末

18、端操作器的位姿任意性。但在一些工作場合中，實際操作并不需要實現(xiàn)機械臂末端操作器位姿的任意性，只需要實現(xiàn)工作需要的有限位姿種類即可（如本文中只需夾持圓柱體，顯然不需要6自由度），這時候可以利用少自由度機器人實現(xiàn)與6自由度機器人相同的工作結果，并且少自由度機器人在設計、加工、裝配和控制上都有著自身的優(yōu)勢。少自由度并聯(lián)機器人是指自由度數(shù)少于6的并聯(lián)機器人17,這里借用少自由度并聯(lián)機器人的定義，將這種自由度數(shù)少于6的串聯(lián)機器人（也就是機械臂）稱為少自由度用連機器人。對于空間開式結構有自由度數(shù)目等于關節(jié)數(shù)目，故有5F=£fimpi,其中fi=6i。在本文中，約束條件i=5,故fi=1,F=1x

19、4=4，所i4以自由度為4。2.4 移動機器人機械臂桿件基本參數(shù)的確定由任務要求可以看出，由于機械臂采用旋轉-俯仰-俯仰-俯仰的布局方式，機械臂工作時可視為先確定肩關節(jié)的旋轉角度，再確定各俯仰關節(jié)角度，最后確定腕部關節(jié)旋轉角度的位置確定流程，鎖定其肩部關節(jié)旋轉運動，其靈活工作空間可視為由上臂和前臂手腕長度確定的圓環(huán)狀工作空間，再加上肩部的旋轉，在不考慮障礙的條件下，機械臂的靈活工作空間就是一個球殼狀的空間。如圖2-4所示。由機械臂構型可知工作空間主要受其上臂、前臂和腕部軸向尺寸的影響，在這里設上臂長為L1、前臂長為L2和腕部長為H,因為機械臂需要保證可折疊的設計方案，故而有L1>L2,所

20、以機械臂的靈活工作空間外徑為C2=L1+L2-H。當HVL1-L2時，靈活工作空間內徑為L1-L2+H;當H>L1-L2時，靈活工作空間內徑為H-（L1-L2）,兩者可結合記為C4=|L1-L2-H|0綜合來說機械臂的靈活工作空間為C4C2內空間。在這種條件下腕部軸向尺寸越小，靈活工作空間越大，并且當僅當H=L1-L2的時候機械臂的靈活工作空間內徑為0,所以機械臂設計時，在滿足幾何結構要求的前提下，應盡量使機械臂腕部軸向尺寸盡可能滿足H=Li-L2圖2-4機械臂空間示意圖根據(jù)任務要求，機械臂折疊時總長0650mm這就規(guī)定了最長的單個臂桿的長度。先假設L1=600mm由H=L1-L2可得總

21、長度L1+L2+H=2L1=1200mm.同長度的連桿，對于不同輕型機械臂的工作空間有很大個影響。機器人的工作空間定義為：不同關節(jié)運動所達到的末端執(zhí)行器的所有位置的集合，該集合稱為可達工作空間。機器人工作空間的大小代表了機器人的活動范圍，它是衡量機器人工作能力的一個重要運動學指標。在遺傳算法工具箱尋求機器人的優(yōu)化設計、控制及應用過程中，工作空間都是一個需要考慮的重要問題。對于鏈式機械臂的運動學以及軌跡規(guī)劃分析，目前使用較為廣泛的是采用的D-H坐標變換方法對單臂的各連桿進行坐標系標定，建立機械臂的數(shù)學模型，并在該數(shù)學模型的基礎上使用基于Matlab平臺的機器人工具箱一RoboticsToolbo

22、x求解可操作度的最大值。然而考慮到本設計的側重點是對機械臂的結構、關節(jié)、傳動布置等進行設計，并結合本科階段學識情況，這里對進行這樣的簡化處理：通過與同一構型的成熟機械臂長度進行類比，根據(jù)它們的線性比例關系確定本文機械臂所需的長度。通過查找文獻，找到一個通過Matlab的遺傳算法迭代1000次后得到的同構性機械臂長度方案。如圖2-5和2-6所示，分別為完全展開狀態(tài)和折疊狀態(tài)的幾何模型。這里，l1=716mml2=643mmH=200mm.總長l'總=11+l'2+H=1559mm而本文所需的機械臂總長l總=1200mm故可得下列比例式:l總1112H12001'總7166

23、432001559可以解得11=551mm,2=495mmH=154mm圖2-5完全展開狀態(tài)的幾何模型圖2-6折疊狀態(tài)的幾何模型2.5 設計方法選定基于移動平臺的機械臂結構設計方法主要有基于模塊化關節(jié)的機械臂設計方法15和基于分離式關節(jié)的機械臂設計方法。我們先將這兩種方法做對比16表2-1機械臂結構設計方法的比較模塊化關節(jié)的機械臂設計方法分離式關節(jié)的機械臂設計方法優(yōu)占八、模塊化關節(jié)機械臂設計方法使其關節(jié)模塊為高度集成的機電一體化產品；開發(fā)周期短，機械傳動效率高，結構緊湊；標準化設計具有良好的互換性，易于維護；可以根據(jù)自由度要求自由組合，減少開發(fā)成本；其機械臂結構裝置結構簡單、傳動鏈緊湊、傳遞效

24、率高、布線方便。分離式關節(jié)的機械臂設計方法使驅動與執(zhí)行端分離，能夠肩效的將機械臂驅動電機集中在其基座上，降低了機械臂的傾覆力矩，提圖J機械臂的承載性能：同時肩效的降低機械臂擺動端質量，減小機械臂轉動慣量，增加了負裁/自重比；運行時摩擦損耗低。缺占八、模塊化設計導致模塊的種類過于單一，忽略了部分關機的細節(jié)處理，無法滿足機械臂特殊功能的需求；關節(jié)模塊使得機械臂各個關節(jié)的質量增加，從而增加了機械臂擺動部分的質量，增大了其轉動慣量，也曾加了機械臂的傾覆危險性。關節(jié)內部傳動機構的摩擦損耗較大，傳動效率低，關節(jié)轉角范圍受限。分離式設計需要對每個關節(jié)進行特定設計，開發(fā)周期長，由于其傳動鏈較長，導致其結構復雜

25、，增大了其傳動空間，結構不夠緊湊；傳動方式存在著疲勞破壞的問題、縮短了使用壽命、增加了維護難度和成本；且形式單一，不能夠根據(jù)需求自由組合，應用領域受到限制。綜合分析，本文選用的機械臂結構設計方案為模塊化機械臂結構，即把機械臂的各個關節(jié)設計成為高度集成的機電一體化模塊，然后通過連桿將各個關節(jié)模塊連接在一起。運用這種模塊化關節(jié)設計機械臂系統(tǒng)，開發(fā)周期短，機械傳動效率高，各個部分結構緊湊；模塊采用標準化設計方法，具有良好的互換性，并且易于維護。2.6 傳動機構方案移動機械人的功率勢必要受到能源環(huán)節(jié)的制約，因此操作機的功率和輸出轉矩勢必要受到相應的制約。然而，移動機械機械臂由于是空間開式結構并且其執(zhí)行

26、端需夾持3kg的負載，所以輸出轉矩必須要有一定要求。解決這個矛盾最簡單的方法是采用大傳動比的傳動機構。所以在進行方案設計時的原則一是傳動比要大，二是傳動效率要高。常用的減速機構有諧波減速器，行星齒輪減速器、蝸輪蝸桿、滾珠絲杠、齒輪系、同步帶、線纜傳動等。當輸入轉速1500轉/分鐘，傳動比和輸出力矩相同的情況下，部分減速器的性能比較見表2-2。表2-2減速器性能比較減速器類型參數(shù)單位行星齒輪人字齒輪蝸桿加螺旋齒輪圓柱齒輪諧波齒輪1傳動級數(shù)322312輸出力矩N.m3903903903903903傳動比97.49610098.31004效率%85857893855齒輪數(shù)量個1344626軸承數(shù)量套

27、1766857節(jié)圓線速度M/S7.627.627.627.620.0948齒滑動速度M/S12.712.712.712.70.129同時嚙合齒數(shù)%75333010齒面接觸應力MPA3453453453454.1211齒剪應力MPA1721721721722.0612安全系數(shù)33253613齒面接觸狀態(tài)線線線線面14運動平穩(wěn)性中好好中好15力的平衡好好不好好好16外形尺寸高CM33.135.640.658.818.517外形尺寸長CM38.150.843.2911618外形尺寸寬CM33.125.425.434.616.519體積1000cM340146441855.520質量Kg1111279

28、2.532525蝸輪蝸桿減速器效率低，發(fā)熱大，潤滑要求高，在熱平衡計算不合格的情況下還需加裝散熱片、散熱風扇、冷卻回路等裝置，顯然不適用于移動機器人。圓柱齒輪傳動效率高但是尺寸大。諧波齒輪減速器具有效率高，傳動比大，傳動平穩(wěn)，尺寸小的優(yōu)點，是機械臂關節(jié)模塊的理想選擇。所以本文選用諧波齒輪減速器作為主要減速機構，在必要時配以其他類型減速器。2.6.1 腰部旋轉關節(jié)的傳動方案關節(jié)結構可視為由兩部分組成：輸入端和輸出端。驅動裝置所在的部分為輸入端，減速器所在的部分為輸出端，輸入端和輸出端的軸線可以平行也可以垂直。驅動裝置這里假設為電機。鑒于模塊化設計方法，各個關節(jié)模塊會有相通的地方。腰部旋轉關節(jié)的特

29、殊之處是考慮到腰部回轉傳動機構可以布置在移動平臺上，因此可有較大的布置空間。2.6.2 機械臂俯仰關節(jié)的傳動方案當傳動裝置不是布置在移動平臺上而是布置在機械臂的關節(jié)內時，就要牽涉到一個怎么樣在狹小空間里合理布置傳動裝置的問題。從機械臂結構緊湊、外形美觀的設計原則出發(fā)，結合圖2-9(a)的法國防務機器人外形特征，我們先對俯仰關節(jié)模塊外形做出規(guī)劃。如圖2-10(b)藍色部分是輸入端，電機在這一端將轉矩黃色的是臂桿，它連在輸出端上，把運動傳到下一關節(jié)。傳輸出端，紅色的是輸出端，它內部的傳動裝置與殼體相連帶動殼體做俯仰運動。(a)法國防務機器人(局部)(b)關節(jié)外形示意圖圖2-9針對這樣的外形，我們提

30、出如圖2-10的4個方案，并對其一一探討：方案一輸入端輸出端所有傳動裝置同軸，這種方案結構簡單，動力傳遞路徑比較短，但是在長度方向上尺寸大，這樣會使關節(jié)長度變長，結構不緊湊。方案二不僅在長度上減少有限，而且輸入輸出成直角偏置，從圖中可以看出，兩直角邊之間的空間利用不到，這會造成空間浪費，這個方案可以直接排除。方案三是輸入和輸出平行但不重合，而是偏置一個距離；方案四是輸入和輸出成垂直偏置。方案四同方案三相比較，結構更為緊湊，也更利于電器走線，從外形結構的角度出發(fā)，本文優(yōu)先選用方案四。輸出電機一檻1(a)機械臂關節(jié)結構方案一同步帶(b)機械臂關節(jié)結構方案二電機減速罌1 輸出減速器1減速器2 (c)

31、機械臂關節(jié)結構方案三(d)機械臂關節(jié)結構方案四圖2-10機械臂關節(jié)結構方案2.7 移動機械臂臂桿的初步設計移動機械臂臂桿起到連接各個關節(jié)，傳遞動力的作用。因為移動機械臂從事危險作業(yè)，如排爆工作，所以在對臂桿的要求是：強度大，剛度高，質量輕，具有足夠的硬度加工性能良好，工作可靠。高強度鋁合金能夠很好的滿足上述要求。高強度鋁合金是指在高品質原鋁中添加微量稀土原料，提高它的強度延展性、耐腐蝕性等。2A06是一種高強度硬鋁，其力學性能為抗拉強度ob±430Mpa,條件屈服強度。0.2至285Mpa,伸長率65(%)至10。密度為2.73g/cm3因為輕型機械臂安裝在移動平臺上，工作環(huán)境復雜，

32、內部電氣裝置線暴露在外會遭到破壞。所以機械臂桿采用空心圓柱的造型，這樣在最大程度的提高抗彎截面系數(shù)的同時能夠將各種裝置安裝在關節(jié)和臂桿內部，并對整個機械臂做一定的防污防塵處理，為其能在復雜環(huán)境下工作提供保證。臂桿在選擇等截面還是等強度的問題上，本文更傾向于后者。雖然等強度梁能有效減少應力集中帶來的不利影響，但是無疑也使得工藝變得復雜，并且不利于內部裝置的安裝。在機械臂臂桿和關節(jié)的連接問題上，有兩個方案：一是臂桿和關節(jié)模塊的輸出部分一體成型，即圖2-9(b)的紅色和黃色部分做成一體。這樣的好處是連接可靠，密封性好。二是將臂桿和關節(jié)模塊的輸出部分分成兩個部分，用連接裝置相連，這樣的好處是臂桿和關節(jié)

33、模塊可分離，從而易于模塊的維修、更換、升級。但是相應的，連接可靠性和密封性上會有所下降。本著模塊化設計的思想，本文選擇了了方案二，在本文后半部分會對連接部分用ANSYS做校核分析。第三章驅動、減速裝置的選型3.1 引言移動機器人的核心就是移動機械臂的機動能力，在構型決定的條件下?lián)碛泻线m的驅動器和傳動裝置就是保證其強大動力的關鍵。同時限制整個裝置的質量和減少能耗也是至關重要的。在本章中，將首先對整個機械臂做大體的受力分析，選擇原動機的類型；根據(jù)前文選定的傳動方案和設計指標、受力情況做出計算、選擇原動機、減速器以及其他輔助傳動機構；按照各個裝置的實際大小畫出模型圖，以便于下一章關節(jié)模塊的整體設計。

34、3.2 關節(jié)負載的估算在對機械臂進行具體計算時，驅動器以及各個關節(jié)驅動裝置的選擇是直接影響機械臂性能指標的重要過程。在對驅動器選型時，應當首先真確的評估機械臂各個關節(jié)可能受到的最大負載，以及各個機械臂連桿會受到的最大彎矩。然后根據(jù)負載狀況，分段選擇各個關節(jié)的驅動裝置。在估算機械臂關節(jié)轉矩前，首先需要對機械臂各個部分的質量分布進行合理的假設。第一：關節(jié)質量的分布。對于質量在機械臂各個關節(jié)的分布假設，根據(jù)各個關節(jié)離基座的距離而定，由于離基座越近的關節(jié)所需承受的轉矩越大，即所需的驅動單元質量也就越大，導致關節(jié)的總質量也越大，所以將于基座相連的腰關節(jié)與肩關節(jié)的重量相同，為1.5kg:與基座距離最近的第

35、一個連桿關節(jié)肘關節(jié)的重量為1kg,而靠近執(zhí)行端的腕關節(jié)重量為0.5kg第二，連桿質量分布。各個關節(jié)間連桿采用質量均勻的鋁制結構件材料制成，其質量為0.3kg/my故各連桿質量由各個連桿的長度決定。第三，各部分重心分布。各個關節(jié)的重心均假設在其旋轉軸線上，各個連桿的重心均假設在其中心軸線上且在其長度方向的中點處，末端夾持裝置的重心因負載中心而定，并設其與負載的重心重合。在分析完機械臂的質量分布之后，需要精確的選定機械臂所受最大轉矩的狀態(tài)位置。由于機械臂的在運動過程中，所受載荷主要為重力載荷，即已知機械臂所受載荷的方向是垂直向下的。根據(jù)機械臂轉動關節(jié)所受轉矩等于重力乘以力臂的原理可知，當機械臂在承

36、受最大載荷的情況下，使機械臂完全伸展開，運動達到（或者靜止在）水平位置時，機械臂各個關節(jié)所受的轉矩為最大值。顯然，機械臂各個關節(jié)所受轉矩的情況為：與機械臂基座相連的關節(jié)所受轉矩最大，其他各個關節(jié)所受轉矩與其到基座的距離成類似反比關系，所以肩關節(jié)所受轉矩T2肘關節(jié)所受轉矩丁3腕關節(jié)轉矩丁4?？紤]到機械臂在加速減速階段施加在其上的慣性力，將各關節(jié)的轉矩安全系數(shù)設為1.3,即各個關節(jié)所受最大力矩為水平位置時關節(jié)所受力矩的1.3倍圖3-1移動機械臂受力簡圖圖3-1是移動機械臂的受力簡圖，圖中各力的大小為:F1=11=6.50.551=3.6N;'F3=13=6.50.495=3.21N;F4=

37、5N;F5=5HG=6.50.15430=31N從而可以求出各俯仰關節(jié)的工作轉矩分別為:T2=Fi(11/2)F211F3(1112/2)F4(1112)F5(ll2H)=3.60.551/2100.5113.21(0.5510.495/2)5(0.5510.495)31(0.5510.4950.154)=51.09NmT3=F3(12/2)F412F5(12H)=21.49NmT4=F5H=30.460.154=4.96Nm考慮了安全系數(shù)的計算轉矩為：Tca2=kT2=1.351.09=66.42NmTca3=kT3=1.321.49=27.937NmTca4=kT=1.34.69=6.09

38、7Nm至于腰部-回轉關節(jié)模塊的轉矩，實際來講是小于T2的，但是考慮到設計的方便和模塊化的設計理念，令Tca1=02=63.57Nm各關節(jié)所受轉矩整理為表3-1所示：表3-1移動機械臂關節(jié)計算轉矩關節(jié)類型腰關節(jié)Tca1肩關節(jié)Tca2肘關節(jié)Tca3腕美節(jié)Tca4所受轉矩66.42Nm66.42Nm27.937Nm6.097Nm3.3 關節(jié)驅動器的選型3.3.1 驅動方式的選擇在前文中已經(jīng)將驅動器默認為電機。這里，我們再次羅列出各種驅動方式，比較它們的特點，做出有根據(jù)的選擇。目前機械臂常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動等多種方式，各種驅動方式有其自身的特點，在工業(yè)機器人中液壓和氣壓驅動應用

39、很廣泛，某些機器人則同時采用多種驅動方式，這都視不同機器人的特點和要求所定。比較這些驅動方式的特點，從中選出適合移動機械手的驅動方式：(1)液壓傳動。液壓傳動的優(yōu)點有：驅動力和驅動力矩較大；速度反應性較好；調速范圍較大，而且可以無級調速，易于適應不同的工作要求；傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向。但是液壓傳動的缺點對移動機械人而言足夠致命：一套完整的液壓設備太過復雜，質量大、體積大，無法安裝在機械臂關節(jié)模塊中。(2)氣壓驅動。氣壓傳動的優(yōu)點有：通過調節(jié)氣流，就可實現(xiàn)無級變速；由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅動的機械手動作速度快；由于壓縮空氣粘度小，因此在管路中的壓力損失也

40、很小，一股其阻力損失不到油液在油路中損失的千分之一，故壓縮空氣可以集中供應，遠距離輸送。氣壓傳動的缺點是：壓縮空氣的工作壓力較低，致使機械手結構較大。所以并不適用輕型移動機械臂。(3)電機驅動。電機驅動的優(yōu)點為：電機驅動機械手可避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，效率比液壓和氣壓驅動要高；電機系統(tǒng)將電動機、測速機、編碼器、減速器及制動器組裝在一次加工的殼體中，使得整個電機系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大提高；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)輸入計算機，可達到非常高的位姿準確度。綜上所述，本文移動機械臂采用電機驅動。3.3.2 電機類型的選擇電動機分很多類型，其中特種電機

41、大致劃分為如下幾類：永磁電機、伺服電機、磁阻類電機、信號檢測和傳感電機以及非傳統(tǒng)電磁原理電機。應用于運動控制系統(tǒng)的控制電機是伺服電機和步進電機。伺服電機分類見圖3-1。圖3-1伺服電動機的分類現(xiàn)將主要的具有控制能力電機的特性列于表3-2:表3-2主要的控制用電機的特性比較控制精度低頻振動機械特性過載能力運行特性速度響應能力步進電機0.0361.8有非恒轉矩不具有開環(huán)控制200400ms交流伺服電機可達9.89'無恒轉矩3倍過載閉環(huán)控制<10ms永磁無刷直流電機注10'輕微非恒功率有閉環(huán)控制較局永磁交流伺服電動機在永磁無刷直流電機的基礎上改善J轉動脈動較大，出力較小，抖動等

42、缺點。直流伺服電動機較局有非恒轉矩3倍過載閉環(huán)控制較好注：用詞無刷電機的精度取決于位置傳感器。事實上，光電編碼器的精度可優(yōu)于1?,但是這種傳感器不宜在有灰塵、潮氣、振動和沖擊的環(huán)境下工作。移動機械臂的電機傳感器宜選用旋轉變壓器。這種傳感器耐熱、耐沖擊、抗干擾、成本低、工作可靠不易損壞，精度一般為10'。瑞士maxonmotor電機曾被廣泛應用于“勇氣號”火星探測器，具有卓越的性能。本文將主要選用maxonmotor的直流電機和配套齒輪箱。移動機械臂的工作場合可能會有易燃易爆物質，為了降低由移動機械臂引起爆炸的危險，直選無刷直流電機，來避免換向電刷產生電火花的可能。選擇電機時，在確定選擇

43、哪一款電機之前首先要明確驅動要求：需要多大的轉矩，在這一轉矩下的速度有多大；在負載情況下要連續(xù)工作多長時間；加速度情況；負載的慣量有多大。由于不用電機直接驅動，而是通過減速箱等機械裝置輸出其功率，因此，所有參數(shù)要折算到電機軸。第四章腰關節(jié)、肩關節(jié)模塊模塊設計4.1 前言從本章開始按關節(jié)進行各個模塊的具體設計工作。包括了從電動機到減速、傳動機構、裝配零件、直到模塊外殼的設計。繪出各個零件的二維和三維圖。基于模塊化的考慮，腰關節(jié)和肩關節(jié)將選擇同樣的動力方案。4.2 電動機和減速器的型號選擇電機的選擇往往是伴隨著減速器一塊進行的。Maxon給出了電機-減速器-輔助裝置的配套方案，方便客戶選用。本文將

44、遵從Maxon公司的方案進行選擇。我們可以通過對轉矩的需求來選擇可能的電機型號。一方面，要考慮峰值轉矩Mmax,另一方面，還要考慮有效轉矩Mrms。連續(xù)運行特征是通過工作點(Mb,nb)來表述的。本文用安全系數(shù)法來考慮摩擦和慣性力等對工作力矩的影響。一般來講，峰值轉矩Mmax是靜態(tài)下理論轉矩的1.6倍。Mmax=1.6X48.9=78.24Nm；而有效轉矩Mrms=1.3X48.9=63.57Nm。最大機械功率為Pmax=MmaxXW=78.24X0.5=39.12Nm；有效機械功率Prms=MrmsXW=63.57x0.5=63.57Nm。Maxonmotor的無刷直流電機產品轉速在一般在5

45、000rpm以上，而本文輸出轉速僅為4.777rpm。減速比達1046。如果用行星減速箱，這至少需要五級行星齒輪減速箱，這種減速箱的效率只有50%并且也達不到本文要求的輸出扭矩。普通的單級諧波減速器也達不到這樣的減速比。所以本文選用了兩種不同的減速裝置：行星減速箱串聯(lián)諧波減速器?？紤]到Maxon無刷電機具有較大的過載能力，電機選用型號為EC-max30,功率為40wo這種電機的二維和三維示意圖分別見圖3-2(a)、(b)0(a)MaxonEC-max30二維圖(b)MaxonEC-max30三維圖圖3-2MaxonEC-max30電機示意圖這種減速器的電機參數(shù)為：標稱功率：40w;額定電壓12

46、V;空載轉速9280;最大連續(xù)轉矩29.5mNm；最大效率79%;重量163N。Maxon組合體系給出的配套減速箱為GP32C其二維圖和三維圖見圖3-3。這種型號的減速箱有多種減速比可供選擇，我們選擇3.7:1。減速箱數(shù)據(jù)為：減速比：3.7;減速級數(shù)：2級；輸出的最大連續(xù)轉矩：1Nm；允許瞬間輸出轉矩：1.25Nm;最大效率80%;重量118g。(a)MaxonGP32C二維圖(b)MaxonGP32C三維圖圖3-3MaxonGP32C減速器示意圖與行星減速器串聯(lián)使用的諧波減速器，本文選擇了日本HarmonicDrive公司的CSD-25-100-2A-GR諧波減速器。見圖3-4,這種減速器的

47、參數(shù)為減速比100:1;平均負載轉矩的最大容許值：75Nm；瞬間容許最大扭矩152Nm。顯然，輸出扭矩是滿足工作要求的。這樣一套減速機構總的傳動比3.7*100=370。本文任務要求的輸出轉速為0.5rad/s=4.777rpmb假設輸入端的轉速為二6688rpm。那么要達到要求，還需要的減速比為6688/(4.777*370)=3.897,為方便計算，取整為4。(a)CSD-25-100-2A-GR二維圖(b)CSD-25-100-2A-GR三維圖圖3-4CSD-25-100-2A-GR示意圖4.3 腰關節(jié)、肩關節(jié)模塊其他傳動機構的選擇4.3.1 同步帶傳動的計算選型根據(jù)前文所述的傳動結構，

48、電機和行星減速器之間是通過同步帶連接的，同步帶的選取可以查閱機械設計手冊。本文選取周節(jié)制同步。先假設大帶輪和小帶輪的直徑一樣，那么我們可以得到以下三個已知條件：傳遞的功率40W;小帶輪的速度ni,大帶輪的速度n2,假設Vi=V2=6688r/min；工作機、傳動運轉穩(wěn)定。同步帶的設計計算過程如下:1）設計功率Pd=KAp=1*40=40W;2)帶型和節(jié)距Pb查機械設計手冊周節(jié)制同步帶選型圖可知，在40W、6688rpm的條件下應選用MXL型同步帶，節(jié)距Pb=2.0323)小帶輪齒數(shù)Z1查表得Zmin=18為了盡可能減小同步帶傳動的尺寸，取Z=Zmin=18。4)小帶輪直徑did1=PbZ1/j

49、t=2.032*18/兀=11.64mm5)帶速v=兀d1n1/60*1000=7t11.64*6684/60*1000=4.07m/s<Vmax6)傳動比i=17)大帶輪齒數(shù)Z2Z2=iZ1=188)大帶輪直徑d2d2=id1=11.64mm9)初定中心距a012.30mm=0.7(d1+d2)<a0<2(d1+d2)=46.56mm為了使模塊結構盡可能小，應取小的a0o考慮到馬達EC-max30與減速器GP32C之間不發(fā)生干涉，取a0=32mm10)初定帶的節(jié)線長度L0p及其齒數(shù)ZbL0p磴a0+Tt/2(d2+d1)+(d2-d1)2/4a0=2*32+兀/2(11.6

50、4+11.64)=100.57mm查周節(jié)制帶的節(jié)線長度表可知Lp=101.6mm,長度代號為40.0,齒數(shù)為50。11)實際中心距中心距可調整aa0+(Lp-L0p)/2=32+(101.6100.57)/2=32.52mm12)基準額定功率P0P0=(Tamv2)v/1000=(27-0.007*4.072)4.07/1000=109.42W13)帶寬bsPd40bs > bsoxi.i4, kzp-=6.4x1.14(=2.64mm取3mm。0:1109.4214)作用在軸上的力Fr=Pd/vX1000=40/4.07=9.8N終上所述，選用的同步帶型號為MXL節(jié)距為2.032mm小

51、帶輪大帶輪大相等，直徑均為11.64mm齒數(shù)均為18;中心距為32.52mm帶的節(jié)線長度為101.6mm,齒數(shù)為50;帶寬3mm見圖3-5。(a)同步帶傳動二維圖(b)同步帶傳動三維圖3-5同步帶傳動示意圖4.3.2錐齒輪傳動的設計計算根據(jù)前文所述的傳動結構，輸入端軸線和輸出端軸線是垂直的，行星減速器的輸出和諧波減速器的輸入偏置了90。所以在行星減速器的輸出和諧波減速器的輸入之間要有能夠改變運動方向的傳動機構，本文選擇直線齒錐齒輪正交傳動。4.3.2.1 錐齒輪的強度計算為了簡化設計工作，對于閉式傳動，先按接觸強度初步確定其尺寸，然后進行接觸強度和彎曲強度的校核。對于正交傳動的直齒錐齒輪，按接

52、觸強度計算有：TiKaKh111.064di=eZbZ：.：32=120011.7353210.22mm出Hlim44M15002考慮到不發(fā)生根切的條件為zmin=2ha*/sin2acos(=2X1/sin220cos14=17.62所以小齒輪齒數(shù)取為18。那么d1=mz1=184.3.2.2 錐齒輪的尺寸計算直線齒錐齒輪傳動的幾何計算按如下方法進行：1)確定齒形角a、齒頂高系數(shù)ha*、頂隙系數(shù)c*本文齒形制選擇GB/T123691990,那么齒形角燈20°齒頂高系數(shù)ha*=1;頂隙系數(shù)c*=0.22)大端端面模數(shù)m從減小尺寸的角度出發(fā)，模數(shù)選擇應盡量選小值。這里初選1.3)齒數(shù)比

53、u由前文所述，減速比應選擇4,也即齒數(shù)比為44)齒數(shù)z通常z1=1630o從關節(jié)模塊尺寸角度出發(fā)，錐齒輪大齒的直徑要小于諧波減速器的直徑。諧波減速器的直徑是85mm。所以大齒輪的直徑小于85mm,小齒輪的直徑小于85/4=21.25mm。又由于模數(shù)m=1,所以小齒輪齒數(shù)z1三21。這里初選18.Z2=uZ1=4*18=725)節(jié)錐角6Tan61=sin90/(u+cos90)=1/(4+0)=0.25.得出61=14°62=90°-14°=7606)分度圓直徑dd1=mz1=1*18=18mm;d2=mz2=1*72=72mm.7)錐距RR=d1/(2*sin61

54、)=18/(2*sin14)=37.2m8）齒寬系數(shù)1/41/3,從減小尺寸的角度出發(fā)，取0.259 ）齒寬bb=0.25*37.2=9.3mm10 ）齒頂高haHa1=ha2=ha=ha*m=1*1=1mm;11）齒高hh=（2ha*+c*）m=（2*1+0.2）*1=2.2mm12）齒根高hfhf=h-ha=2.2-1=1.2mm13）齒頂圓直徑dada1=d1+2ha1cos1=18+2*1*cos14=19.94mm;da2=d2+2ha2cos62=72+2*1*cos76=72.48mm14）齒根角0fTanf=hf/R=1.2/37.2=0.032,可得f=1.85°1

55、5）齒頂角伯Oa=0f=1.85°16）頂錐角密泡1=根+0a=14+1.85=15.85;由2=2+9a=76+1.85=77.8517）根錐角ff1=0f=141.85=12.150;f2=S2-f=76-1.85=74.1518）外錐高AkAk1=d2/2-ha1sin81=72/2-1*sin14=35.76mm;Ak2=d1/2-ha2sin次=18/2-1sin76=8.03mm19）支承距HH1=A1-Ak1=20）齒距pp=兀m=Tt«3.1421）當量齒數(shù)ZvZv1=Z1/cosH=18/cos14=18.55mm;Zv2=Z2/cos62=72/cos76=297.62mm4.3.2.3錐齒輪接觸強度的校核接下來彎曲強度校核，計算接觸應力，對于正交傳動有：KaKvKhKH-Ftmu21(TH=ZHZE又K/A馬tmT_1dmibeHu其中：ZH-節(jié)點區(qū)域系數(shù)，查機械設計手冊得ZH=2.375ZE-彈性系數(shù)，查手冊得ZE=189.8JN/mm2Z-接觸強度計算的重合度系數(shù)，由下式計算：ZJ?而81a的計算過程如下:(1)分度圓直徑dvdvi =R-0.5bRcos、1d137.2