移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

1、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)，具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)，通過移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)來擴(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。目前智能移動(dòng)機(jī)器人正向著擬人

2、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(gè)領(lǐng)域。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)

3、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，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)器人越來越多，小到娛樂機(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(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

4、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?，F(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)

5、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)無人系統(tǒng)的較量。永不疲倦、無所畏懼的微小型無人移動(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)谖磥響?zhàn)場(chǎng)上的重要地位。微小型無人移動(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

6、方向之一。通過對(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

7、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)械臂開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上開拓各個(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)器人一“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

8、氣”號(hào)探測(cè)車來說，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)，視覺系統(tǒng)采用一對(duì)全景照相機(jī)來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)備主要是用來尋找火星上是否曾經(jīng)有液

9、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、（6X6）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城250m）長(zhǎng)的電纜或無線電裝置進(jìn)行遙控。機(jī)械手完成整個(gè)操作過程必須借助1臺(tái)黑白或彩色電視顯示器，顯示車上3個(gè)

10、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)卜多機(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)

11、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

12、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20km/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，并通過語(yǔ)啟一系統(tǒng)可以進(jìn)行

13、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

14、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)過渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)(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)

15、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。(4)實(shí)時(shí)視覺技術(shù)。該技術(shù)主要涉及到視覺信息的實(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

16、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，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構(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)，

17、或者通過實(shí)驗(yàn)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(dá)到優(yōu)化的性能。(8)無線通信與因特網(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 本課題的來源和研究?jī)?nèi)容本課題來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)或具他特殊任務(wù)。通過幾個(gè)階段系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與計(jì)算等過程，提

18、高分析與解決工程實(shí)際問題的能力。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)過程中遇見的問題，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)0650mm單臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：150°,旋動(dòng)速度0.5rad/s,系統(tǒng)自重W7

19、kg。機(jī)器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長(zhǎng)X寬X高=800mrH540m由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勺圓柱體。2移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)4.1 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。考慮到還有底盤的移動(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)

20、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)4.2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)的主要參數(shù)4.2.1 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，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)則同樣可以用來衡量手臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)

21、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，ri:r2=11.2,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

22、須能夠?qū)⒈ㄎ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。4.2.2 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)0650mm,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

23、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)6 手部結(jié)構(gòu)

24、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)具有一定的開閉范圍，手指應(yīng)具有一定的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度）或開閉范圍（對(duì)平移型手指從張開到15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

25、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。6 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%Z上；手指的設(shè)計(jì)將采用平移運(yùn)動(dòng)的方式來夾持物體，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。6 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)此畢業(yè)設(shè)計(jì)為畢業(yè)答辯通過的優(yōu)秀畢業(yè)論文，完整說明書和全套設(shè)計(jì)圖紙請(qǐng)加扣扣,32

26、57841604胃.dwgAutoCAD圖形1h80KE12.dwgAutoCAD114KE圖形d白binfho曾16ii.AutoCAD圖鬼40KEdrwOOOl,加gAutoCAD圖形I43KBEhoilfei_AntoCAD40KBeIlou.dwg圖形xiaafcin_AutoCAD9KBaS.Mg圖形x:iaabindibuji.dwgAutoCAD圖就9KBKiaobmzhouguanj.AutsCAJ圖形45KBKlaoshouAutoCAD56KBchilun.dwg圖形KiechilundvrgAutoCAD圖龍I36KBwhoutaoAutoCAD17KEdwg圖軀肩部.d

27、wgAutoCAD232KE1,圖/j目錄.（LoeNlicrosoftWord文檔36KB手部-dwgAutoCAD60KEUI任務(wù)書MicrosoftWord文檔61KB窗形11修動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)訐docMicrosoftWord文檔用部.dwgETi固然裝配圖（AutoCAD230KB正式）.dwg5EKBEJZP-66 材料的選擇與強(qiáng)度校核6.9 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，容易通過熱處理來改善其機(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350H

28、Bs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。6.9 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)m=1mm齒寬b=4mm節(jié)圓直徑d=30mm,齒形角度a=20；齒輪副白傳動(dòng)比u=1:1。電機(jī)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩T=90N-m

29、m<那么齒輪所受的圓周力F-21Ft-d290.=6N30對(duì)于齒輪的校核將從兩方面來計(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；KFtu1%=ZhZe.t'二h，bd1式中：Zh為區(qū)域系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪Zh=2.5;K為載荷系數(shù)，此處取K=1.8;Ze為彈性影響系數(shù)，查得Ze=188MR;仃h為接觸疲勞許用應(yīng)力KHN、Hlim卜h:r(3-4)(3-5)(3-6)其中：Khn為接觸疲勞壽命系數(shù)，取Khn=0.95;仃Hlim齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限，查得hlim=550MPa；為安全系數(shù)，取S=1o從而求得：入=522.5MPa將所有已知量帶入(3-6)式，求得：-H

30、=199.5MPacH=522.5MPa從齒面接觸疲勞強(qiáng)度上來說，齒輪是合格的。(2)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核本文設(shè)計(jì)中的齒輪為一懸臂梁。齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件式為3丁小bm(3-7)式中：F0為齒根危險(xiǎn)截面處的理論彎曲應(yīng)力；YSa為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力校正系數(shù)，取YSa=1.625；YFa為載荷作用于齒頂時(shí)的齒形系數(shù)，取YFa=2.52；df為彎曲疲勞許用應(yīng)力二f二KFN二FES(3-8)其中：Kfn為彎曲疲勞壽命系數(shù)，查得Kfn=0.88;仃FE為彎曲疲勞強(qiáng)度極限，取仃FE=380MPa；取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4o從而求得：:F=238.86MPa將所有已知量帶入(7)式，求得：二

31、F=5.53MP三二F=238.86MPa以上計(jì)算可知，設(shè)計(jì)的齒輪副是合格的。(3)殼體件材料的選擇機(jī)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(qiáng)度大、質(zhì)量輕，完全符合本文的設(shè)計(jì)要求。機(jī)械手指不是殼體機(jī)構(gòu)，它是實(shí)體的。本文設(shè)計(jì)的手指材料也選用同樣的鋁合金。這有利于材料的購(gòu)買，同樣這種材料是滿足設(shè)計(jì)要求的。材料ZAlSi9Mg的彎曲應(yīng)力240MPa,手指抓去的最大質(zhì)量為3000g,重力為29.4N。對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)中的要求。，不會(huì)出現(xiàn)手指彎曲變形的情況。(4)本體支撐件材料的選擇和校核(a)材

32、料的選擇機(jī)械臂支撐件由于與連接件之間為滑動(dòng)摩擦，需要選取一種耐摩擦，同時(shí)要求強(qiáng)度大,質(zhì)量輕，價(jià)格便宜的材料來制造。工程塑料擁有良好的綜合性能，其強(qiáng)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(rùn)滑油的情況下有效的進(jìn)行工作。由于它相對(duì)密度小，因此其強(qiáng)度高。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(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其強(qiáng)度和金屬近似，摩擦因數(shù)小并有自潤(rùn)滑性，因而耐磨性好。聚甲醛材料是一種相當(dāng)便宜的材料。由于本設(shè)計(jì)中的負(fù)荷低，移動(dòng)機(jī)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。（b）支撐件的校核

33、支撐件是用來支撐機(jī)器人主要機(jī)械機(jī)構(gòu)的，本文中共用兩個(gè)支撐件，直徑各為8mm,手部的兩個(gè)導(dǎo)向軸受力幾乎一樣。手部要抓取的物體重量為3Kg。這樣每個(gè)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(shí)應(yīng)注意它們性能上的區(qū)別。共聚甲醛在短期內(nèi)強(qiáng)度好而均聚甲醛柔軟性好。共聚物比均聚物軟化點(diǎn)高10C,受載荷時(shí)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：表3.3聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)（23C）項(xiàng)目單位試驗(yàn)方法ASTM一般型號(hào)均聚物共聚物CF增強(qiáng)型號(hào)均聚物共聚物物比重-1.421.411.561.61理吸水率（24h浸漬）%D5700.

34、250.220.250.29機(jī)吸水率*%D5700.220.160.20-械抗張強(qiáng)度MPaD63868.660.858.8127.5性相對(duì)伸長(zhǎng)%D6384060123能拉伸模量GPaD6383.12.826.218.63抗彎強(qiáng)度MPaD79097.196.173.5193.2彎曲模量GPaD7902.822.595.037.55壓縮弓雖度（10%）MPaD695124.5107.9124.5117.7剪切強(qiáng)度MPaD73265.753.065.766.7懸臂梁（缺口）J/cmD2560.7450.6370.4310.843沖擊強(qiáng)度（無缺口）J/cmD2561.28411.17-4.31洛氏硬度

35、-D785M94M80M90M79錐度摩擦Mg/千周D1044-14-40摩擦系數(shù)（對(duì)鋼）-D1894-0.15-0.15一摩擦系數(shù)同材料-0.35-0.35表注：1.吸水率*（23C,50%RHP衡）聚甲醛的抗壓強(qiáng)度為124.5MPa,抗彎強(qiáng)度為97.1MPa,整個(gè)零件的強(qiáng)度和剛度是非常大的。從每個(gè)件的受力來看，材料聚甲醛的各個(gè)力學(xué)性能完全滿足本文的設(shè)計(jì)要求。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而機(jī)器人移動(dòng)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(rùn)滑性及低摩擦系數(shù)、低磨耗等特點(diǎn)。其動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)相近，粘接較困難。有報(bào)導(dǎo)與鋼進(jìn)行摩擦試驗(yàn)結(jié)果如表3.4所示：

36、表3.4與硬鋁進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果動(dòng)摩擦系數(shù)0.211(Pi：0.27MPa)比因耗31.32mm/(N.m)(v1:25cm/s)臨界Pv值122kPa.m/s3.6本章小結(jié)本章介紹手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及傳動(dòng)方式的選擇的比較，手指的設(shè)計(jì)方案的比較，電機(jī)的計(jì)算與型號(hào)選擇。移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂各零部件所要求的強(qiáng)度、剛度等都不同，應(yīng)該選用不同的材料來制造加工。所以本章就依據(jù)機(jī)器人在工作過程中各零部件不同受力情況，以及機(jī)械設(shè)計(jì)的要求選用了不同的材料來制造零件，并對(duì)零件進(jìn)行了強(qiáng)度校核,使其達(dá)到工作要求。4臂部結(jié)構(gòu)臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求手臂部件是機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的

37、目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位）抓取物體，則移動(dòng)臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部設(shè)計(jì)基本要求：(1)臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個(gè)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、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機(jī)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(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。(2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小

38、在一般情況下，手臂的移動(dòng)要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)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(dòng)。為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施：(a)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料；(b)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸(c)減少回轉(zhuǎn)半徑(d)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置(3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。(4)位置精度要高。一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手位置精度高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保

39、證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。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：表4.1砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)(mm鑄件尺寸鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金銅合金V200X2005-835463533.53-5200X200500X50010-124-108-126-8466-8>500X500152010-1512-20一一一以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造

40、方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)臂部結(jié)構(gòu)大臂部工字鋼結(jié)構(gòu)如圖4.1所示圖4.1大臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖小臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示:圖4.2小臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖肘關(guān)節(jié)的三維爆炸圖如圖4.3所示:圖4.3肘關(guān)節(jié)三維爆炸圖肘關(guān)節(jié)的三維零件圖如圖4.4所示：圖4.4肘關(guān)節(jié)三維零件圖肘關(guān)節(jié)剖視圖如圖4.5所示：圖4.5肘關(guān)節(jié)剖視圖1一圓錐齒輪A2一圓錐齒輪B3一軸套4一滾動(dòng)軸承5一緊定螺釘6一螺釘7一大臂8一螺釘9一軸承端蓋10一軸11一小臂12一電機(jī)圓錐齒輪的嚙合面和齒隙是相互影響的，在檢查調(diào)整時(shí)不能單一地檢查調(diào)整嚙合面或齒隙，而應(yīng)綜合檢

41、查調(diào)整，一般是先檢查調(diào)整嚙合面，然后檢查調(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(jìn)行測(cè)量。如果齒隙不正確，要根據(jù)嚙合面的實(shí)際情況，在嚙合面允許變化的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整齒隙后，要檢查齒背不平齊差，即配對(duì)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。4.2.2臂部肘關(guān)節(jié)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)一對(duì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)如圖4.6所示：圖4.6一對(duì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)注意，直齒圓錐齒輪最小齒數(shù)為Zmin=17,齒數(shù)比不宜過大U=Z2/Zi<5o齒寬系數(shù)不應(yīng)過大，因?yàn)閳A錐齒輪的齒越寬，制造、安裝誤差就越大，偏載

42、也越嚴(yán)重，故一般取WL<0.3,還應(yīng)使最小齒寬bmin>4mm(1)選定齒輪材料，熱處理方式，齒數(shù)及精度等級(jí)對(duì)于一般齒輪傳動(dòng)，可選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼。A齒輪：45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)HB243270(T255);B齒輪：45號(hào)鋼，正火HB183210(Z195);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)Zmin=17,選定齒輪齒數(shù)4=25馬=41=1。£=a+6290鼠按一般的加工能力及使用要求，初選齒輪精度等級(jí)為8級(jí)。(2)初步確定主要參數(shù)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),確定A齒輪的分度圓直

43、徑口,即TiKwK-：d1-114032''二Lu(1-0.5-L)二(mmH0(4-1)式中：工作轉(zhuǎn)矩T1-1.04N.mmKw工作情況系數(shù),由表4-9,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作平穩(wěn)，取Kw=1;Kp載荷分布不均系數(shù)，見表52,一般工業(yè)，一齒輪為懸臂支承，取Kp=1.2;l齒寬系數(shù)，由表5-3取中l(wèi)=0.3;U-齒數(shù)比，LZ/ZL25/25n1；oh0齒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)，取oh01=580Mpa；正火，dh02=530Mpa。將以上系數(shù)和，h0中的小值代入公式得大端模數(shù)d1=37.5mmm3Zi37.525(4-2)=1.5mm(4-

44、3)按照表47齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，選取第一系列模數(shù)值m=1.5mm然后，再根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。式中:b=bm(1-0.5-L)二b=二b0Yn工Ysr200OTi(1-0.5-)diYfKwKvK;d1=mz=1.5x25=37.5mmKv動(dòng)載荷系數(shù)，用平均直徑dm處的圓周速度Vm按降一級(jí)精度(即由圖4-20(a)查取，其中dm=(1-0.5-L)d1=(1-0.50.3)37.5=31.875mm二dm1n1二37.875800vm=1.3345m/sm1601000601000vm3/100=0.3336由圖4-20(a)查得Kv=1;FL20001040111.2=78.3N(1-0

45、.50.3)37.5tg,1=z1/z2=1/u=1/1=0.451=45、2=45z125入cos1cos45z225ze2=cos2cos45Yf齒形系數(shù)，查圖427得YF1=YF2=2.45;(4-4)(4-5)(4-6)(4-7)9級(jí))并(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)(4-12)b=1.Leb齒寬，=L=0.3=7.96mm2sin句2sin45°,圓整后取b=8mm；。%齒輪材料彎曲疲勞的基本許用應(yīng)力，可查圖412(c)得：。卜1=22MPq。葭=180MPa;(4-13)N1=60800830010=1.152109_9N2=60800830010=1.15

46、2109查圖430得YN1=Yn2=1查圖431得丫”=丫%=1x1x2查圖432得丫刈=0.89,%也89_11_叵h=225=252.8MPa(4-14)0.891x1二b2=180176.47MPa1.02由于*=YF2,故計(jì)算小輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度仃儲(chǔ)78.3二b=>2.45=18.81MPa81.5(1-0.50.3)仃<pb表明取m=1.5mm是合格的。(3)計(jì)算圓錐齒輪的有關(guān)參數(shù)工作轉(zhuǎn)矩：T1=1.04N.m圓錐齒輪大端分度圓直徑：&=zm=251.5=37.5mmd2=z2m=251.5=37.5mm圓錐齒輪的分錐角樂，2:(£=a+62=90。)t

47、g、1=Z"Z2=25/25=1、1=45、2=90-、1=90=45圓錐齒輪錐距Le：(4-15)(4-16)Le=37.5-26.52mm2sin12sin45齒寬系數(shù)，：'-L=b/Le=8/26.52：0.3(4)計(jì)算齒輪嚙合處作用力:圓周力2000Tl(1-0.5-)d120001040(1-0.50.3)72=65.25N軸向力Fa1=Fttgasin1=65.25tg20sin45=16.725N徑向力Fr1=Ftgacos、1=65.25tg20cos45=16.725N(4-17)(4-18)(4-19)當(dāng)Z=$1+2=90時(shí)，一齒輪的徑向力與另一齒輪的軸向

48、力數(shù)值相等而方向相反。即Fq=-Fa2,F2=-Fa1。圓錐齒輪作用力方向如圖4.7所示:圖4.7圓錐齒輪作用力方向電動(dòng)機(jī)置于小臂殼體內(nèi)。其中方形截面為機(jī)械手大臂與小臂的殼體，截面為小臂機(jī)構(gòu)的殼體。機(jī)械手手臂剛性好、抗扭能力強(qiáng)、重量輕，所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置都置于機(jī)械手臂內(nèi)部，外形簡(jiǎn)潔。機(jī)械手表面還裝有緩沖墊，當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時(shí)，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：圖4.8大臂的緩沖墊機(jī)械臂的2種三維姿態(tài)如圖4.9所示:圖4.9機(jī)械臂三維姿態(tài)機(jī)械臂的三維爆炸圖如圖4.10所示:第23頁(yè)共42頁(yè)圖4.6步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線

49、圖4.10機(jī)械臂的三維爆炸圖4.3臂部電機(jī)的選擇電機(jī)選型的計(jì)算同手部的計(jì)算同，則選擇了北京和利時(shí)電機(jī)公司56BYG250C-SASSBL-0241號(hào)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表4.1所示:表4.1步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線如圖4.6所示:D.B，品00口1射沖M*9KH工）電機(jī)型號(hào)相數(shù)步距角相電阻相電感保持轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量質(zhì)量驅(qū)動(dòng)電壓56BYG250C-SASSBL-024120.9/1.81.24.01.040.042600.648569T625017耀X3E02411-三1-F，*3Idl、%L”LIUil、:吼|11驅(qū)動(dòng)方式:雙極恒流捶級(jí)方式:標(biāo)淮方式步進(jìn)電機(jī)的尺寸如圖4.

50、7所示:圖4.7步進(jìn)電機(jī)的尺寸步進(jìn)電機(jī)的安裝如圖4.8所示:注意事項(xiàng)：.電機(jī)安裝時(shí)，務(wù)必用電機(jī)前端般安裝止口定位，并注意公差配合，嚴(yán)格保證電機(jī)軸與負(fù)裁軸的同心度,否則會(huì)造成電機(jī)軸彎曲和斷裂.電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接時(shí).請(qǐng)匆接錯(cuò)根.圖4.8步進(jìn)電機(jī)的安裝5移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)肩部的傳動(dòng)方式移動(dòng)機(jī)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乎軸旋轉(zhuǎn)的的自由度的機(jī)器手。移動(dòng)機(jī)械臂是繞水平軸做一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。移動(dòng)機(jī)械臂的肩部。可以選用螺旋機(jī)構(gòu)或者蝸桿這兩種傳動(dòng)方式。螺旋機(jī)構(gòu)高低機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本身可以自鎖是其優(yōu)點(diǎn)，但是轉(zhuǎn)速比不是常數(shù)，對(duì)于主要抓取物體的肩關(guān)節(jié)，不能滿足繞水平方向軸土180。的旋轉(zhuǎn)，

51、實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)力操作比較困難。螺旋機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)還有：制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過大的場(chǎng)合。制造工藝比較復(fù)雜，特別是長(zhǎng)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。摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低(一般為30%60%),磨損快。對(duì)于抓取物體的肩關(guān)節(jié)來說，該機(jī)構(gòu)響應(yīng)慢，不易于控制。蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)：蝸桿傳動(dòng)用于交錯(cuò)軸傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。通常交錯(cuò)角為90度。它的主要優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)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(diǎn)：效率低，需要貴重的減摩性有色金屬。選擇蝸桿傳動(dòng)，主要是考慮到其具有自鎖能的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闄C(jī)械臂要抓取物體，則要求移動(dòng)機(jī)械臂的肩部具有自鎖能力。由于采用具有自鎖功能

52、的蝸輪副傳動(dòng)還有下述優(yōu)點(diǎn)：(1)由于突然的斷電抓取物體的重量以及本身的重量會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的負(fù)載干擾力矩，傳動(dòng)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(huì)在重量干擾力矩的作用下反轉(zhuǎn)，撞擊機(jī)械臂本體。如不采用自鎖的蝸輪副，就要增加停止旋轉(zhuǎn)時(shí)的自鎖機(jī)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(2)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。所以，即使正傳動(dòng)效率降低，執(zhí)行元件功率提高，移動(dòng)機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)隨動(dòng)系統(tǒng)還是采用具有自鎖功能的蝸輪副為宜。經(jīng)過對(duì)上述螺旋機(jī)構(gòu)特點(diǎn)與蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行比較，多功能移動(dòng)機(jī)器人選用了蝸桿傳動(dòng)作為肩關(guān)節(jié)一繞水平方向軸士180o移動(dòng)機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)自由度。如圖5.1所示:圖5.

53、1移動(dòng)機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)的三維圖肩部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)肩部的設(shè)計(jì)包括傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件選擇以及尺寸計(jì)算。肩部的結(jié)構(gòu)尺寸完全取決于搭載對(duì)象的尺寸及質(zhì)量，以及搭載對(duì)象對(duì)肩部的作用力。前面介紹了肩部的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，具體圖紙?jiān)O(shè)計(jì)如圖5.1和圖5.2所示：1f輪A2一電機(jī)座34一螺釘5一蝸輪軸67一軸承端蓋8一螺釘9圖5.2表示移動(dòng)機(jī)械臂肩部主視圖10一電機(jī)EC45暇速器一齒輪B一滾動(dòng)軸承一銷圖5.2表示移動(dòng)機(jī)械臂的肩部的左視圖11一蝸輪15一螺釘19一止動(dòng)墊圈12一螺釘16一連接法蘭20一滾動(dòng)軸承13一蝸輪軸套17一蝸輪軸21一軸承端蓋14一套筒18一圓螺母22一螺釘23一調(diào)整墊片由圖5.1和圖5.2可以清楚了解肩部的傳動(dòng)順序：首先減速箱將減速后的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過一對(duì)齒輪傳動(dòng)傳遞給蝸桿軸，蝸桿與蝸輪嚙合，帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪與一根水平軸通過軸套相連接，最終實(shí)現(xiàn)了搭載系統(tǒng)繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度。圖5.2采用空心軸的設(shè)計(jì)。通過采用空心軸的方法，電機(jī)的電源接線與運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)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(dāng)增大外徑，即可增加軸的強(qiáng)度，并適當(dāng)降低軸質(zhì)量。蝸桿傳動(dòng)在