移動機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文

移動機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日

注意事項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂

指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評價(jià)：一、撰寫（設(shè)計(jì)）過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識、技能的扎實(shí)程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）指導(dǎo)教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日

評閱教師評閱書評閱教師評價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評價(jià)：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學(xué)系意見：系主任：（簽名）年月日第1章緒論1.1課題背景及選題意義機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備。最前沿的機(jī)器人研發(fā)和制造技術(shù)集機(jī)械工程、電子工程、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、傳感器及控制工程、生物工程等多學(xué)科技術(shù)為一體，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是一個(gè)國家高科技實(shí)力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志。從科學(xué)技術(shù)開發(fā)的角度來看，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)智能化的硬件平臺。為了與環(huán)境更好地進(jìn)行交互、靈活地操縱物體、完成目標(biāo)任務(wù)、跟上智能化的步伐、讓機(jī)械臂具有極高的靈活性與可靠性機(jī)，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(jī)器人，這種機(jī)器人具有可克服奇異性高容錯(cuò)性等特點(diǎn)[1]。就目前實(shí)際在工業(yè)制造、國防安全、警務(wù)防爆等各領(lǐng)域的實(shí)用性而言，采用更為普遍的是具有固定機(jī)座的工業(yè)機(jī)器人和帶機(jī)械臂的移動機(jī)器人。隨著機(jī)器人的不斷發(fā)展，機(jī)器人的種類也在不斷增加，但是無論何種形狀的機(jī)器人，都至少具有移動和操作能力這兩個(gè)最基本的功能之一。因此根據(jù)功能特性可以把機(jī)器人大體分為三大類[2]:(1)只能移動的移動機(jī)器人。(2)僅具有操作能力的機(jī)械臂。(3)具有移動和操作能力的移動機(jī)械臂系統(tǒng)。自上世紀(jì)60年代以來，機(jī)械臂開始廣泛的應(yīng)用到加工裝配、焊接、涂裝等行業(yè)，機(jī)械臂不但減輕了人們的工作強(qiáng)度，并且極大的提升了加工生產(chǎn)效率。但這些機(jī)械臂絕大部分是固定于固定基座上的，這種用于重復(fù)性工作的機(jī)械臂相對位置精度要求較高，而絕對位置精度要求一般。隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，使得機(jī)器人所面對的環(huán)境越來越多樣化，所執(zhí)行的任務(wù)也具有多種不確定性因素，這就要求機(jī)器人需要同時(shí)具有移動和操作的能力。搭載在移動底盤上的機(jī)械臂系統(tǒng)恰好能夠滿足這種需求，這類機(jī)械臂因?yàn)榫哂幸苿幽芰Γ视直环Q為移動機(jī)械臂。它既具有移動平臺的運(yùn)動性能又具有機(jī)械臂的執(zhí)行功能。最初的移動機(jī)械臂主要應(yīng)用于太空探索方向，現(xiàn)在它的應(yīng)用己遍及多個(gè)領(lǐng)域，并在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、家庭服務(wù)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景?；谝苿悠脚_的機(jī)械臂系統(tǒng)具有靈活度高、適應(yīng)性廣、功耗低等特性，已成為二十一世紀(jì)機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)方向。本課題來源于南京市科技局的科技計(jì)劃項(xiàng)目。通過進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算等，使得移動機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，高運(yùn)動性能等特點(diǎn)。1.2理論的淵源及演進(jìn)過程移動機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的NilsNilssen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年中研發(fā)出了取名Shakey的自主移動機(jī)器人[3]，目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。自此以來，機(jī)械臂開始廣泛應(yīng)用于加工裝配行業(yè)。從工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程，可以看出機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r：（1）第一代機(jī)器人，即按事先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)的動作的機(jī)械。它也可以簡稱為示教／再現(xiàn)方式的機(jī)器人或是T/P方式(Teaching/Playback)的機(jī)器人。目前國際上實(shí)用的機(jī)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(jìn)行重復(fù)的動作而對周圍環(huán)境無感覺的功能，其應(yīng)用范圍受到一定的限制，主要用于材料的搬運(yùn)、噴漆、點(diǎn)焊等工作。（2）第二代機(jī)器人，即具有如視覺、觸覺等外部感覺功能的機(jī)器人。這種機(jī)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(fù)雜的作業(yè)。例如，機(jī)械裝配、打磨、工件檢查等工作。（3）第三代機(jī)器人，這類機(jī)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(yīng)因?yàn)榄h(huán)境的變化而自主進(jìn)行的工作。第三代機(jī)器人目前還處于研究階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)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(jī)械臂的發(fā)展，安裝于固定基座的機(jī)械臂的工作空間極其有限，不能滿足實(shí)際任務(wù)需要。針對這種情況，自上世紀(jì)80年代末期開始，許多機(jī)構(gòu)分別開展了移動機(jī)器人（MobileRobot）技術(shù)的研究[5]。如美國Hughes人工智能中心在1987年開始的移動機(jī)器人越野實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)科研院所也在同一時(shí)期開展了移動機(jī)器人的研究[6]，如清華大學(xué)自1988年開始設(shè)計(jì)的一系列移動機(jī)器人THMR（TsinghuaMobileRobot）。將機(jī)械臂應(yīng)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用的偵查排爆機(jī)器人，災(zāi)害救援時(shí)使用的搜索機(jī)器人，農(nóng)業(yè)中使用的采摘機(jī)器人，為行動不便的人設(shè)計(jì)的智能輪椅[7]，水下機(jī)器人[8]，地外行星樣品采集機(jī)器人等。在移動機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的今天，為移動平臺安裝機(jī)械臂或者說為機(jī)械臂提供移動基座是當(dāng)今移動機(jī)器人發(fā)展的重要方向，而研究這種兩者結(jié)合的移動機(jī)械臂相關(guān)技術(shù)也是機(jī)械臂研究領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢。1.3移動機(jī)械臂研究的綜述在焊接、噴涂和搬運(yùn)等工業(yè)自動化生產(chǎn)線上，工業(yè)機(jī)械臂已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位[9]，然而，機(jī)械臂的應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)不只是在工業(yè)領(lǐng)域，對于宇宙空間、反恐戰(zhàn)場、家庭生活以及眾多特殊領(lǐng)域的工作要求，機(jī)械臂的發(fā)展也有其大顯身手的余地，多領(lǐng)域的發(fā)展使得機(jī)械臂必須具有：輕型化、低能耗、模塊化、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。本節(jié)將以機(jī)械臂在非工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用來說明其當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。1.3.1國外有關(guān)研究的綜述在移動機(jī)器人的應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中，較為成功的案例有美軍上個(gè)世紀(jì)末期投入使用的“魔爪”（TALON）系列軍用機(jī)器人[10-11]，見圖1-1。通過裝載不同的模塊，TALON機(jī)器人被用來執(zhí)行一系列危險(xiǎn)任務(wù)，比如偵查危險(xiǎn)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(wù)。其中最主要的應(yīng)用模塊就是移動機(jī)械臂，在最初的設(shè)計(jì)方案中機(jī)械臂具有3個(gè)自由度，分別是肩部俯仰、肘部俯仰和腕部旋轉(zhuǎn)。行動中由機(jī)器人小車本體和肩部、肘部俯仰關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的空間位置確定，為末端執(zhí)行器提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置。在這種設(shè)計(jì)方案中的機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)量較少，機(jī)械臂的整體重量較輕。但是這種采用平面二連桿機(jī)構(gòu)的輕型機(jī)械臂，由于其結(jié)構(gòu)限制只能對車體正前方的目標(biāo)進(jìn)行操作，嚴(yán)重制約了其使用范圍。為擴(kuò)大機(jī)械臂的使用范圍，2005年，F(xiàn)oster-Miller公司委托美國東北大學(xué)，對用于TALON的機(jī)械臂進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)的機(jī)械臂最主要的特點(diǎn)是增加了一個(gè)肩部旋轉(zhuǎn)自由度，使機(jī)械臂的工作空間擴(kuò)展到車體兩側(cè)，提高了TALON的適應(yīng)能力。重新設(shè)計(jì)后的機(jī)械臂的主要性能參數(shù)如表1–1所示。除此之外，應(yīng)用較多的移動機(jī)械臂還有美國iRobot公司研制的PackBotTMEOD和PackBotTM510移動機(jī)器人，這兩款機(jī)械臂具有八個(gè)獨(dú)立的自由度（包括其末端夾持器），其操作更靈活并具有更強(qiáng)的負(fù)載能力[12]。對于輕型機(jī)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便是其典型代表。該機(jī)械臂由輕質(zhì)鋁合金材料制成，具有七個(gè)自由度，屬于冗余自由度機(jī)械臂，正是由于他有一個(gè)多的自由度，使得它在遇到障礙物時(shí)能夠靈活避開，這種冗余自由度設(shè)計(jì)使該機(jī)械臂具有更加靈活的工作空間。PA10的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)與諧波齒輪的傳動方案，各個(gè)關(guān)節(jié)都安裝有高精度的轉(zhuǎn)角傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂的精確定位[13]。表1-1“魔爪”機(jī)械臂的性能參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)自由度4個(gè)自重（空載時(shí)）9.1kg完全伸展時(shí)負(fù)載能力8.0kg一般狀態(tài)下負(fù)載能力11.3kg完全伸展時(shí)臂桿長度1.32m肩部旋轉(zhuǎn)范圍360度肩部俯仰范圍270度肘部俯仰范圍180度手腕旋轉(zhuǎn)范圍340度是否模塊化關(guān)節(jié)是圖1-1魔爪軍用機(jī)器人1.3.2國內(nèi)有關(guān)研究的綜述國內(nèi)對移動機(jī)械臂的研究起步稍晚，但也有一些成熟的技術(shù)產(chǎn)品。比如沈陽自動化研究所研制的靈蜥系列移動機(jī)器人，其本體主要由移動小車、機(jī)械臂和控制中心構(gòu)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(jī)器人。其中“靈蜥-H”警用反恐防暴機(jī)器人采用的是三履帶式結(jié)構(gòu)，見圖1-2。靈蜥-H機(jī)器人在靈蜥一B的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了機(jī)械臂系統(tǒng)，使其具有6個(gè)自由度，且增大了機(jī)械臂結(jié)構(gòu)尺寸，擴(kuò)寬的工作空間，使其最大工作半徑超過2米，最大負(fù)載達(dá)到50N[14]。同時(shí)還為該機(jī)器人安裝了攝像機(jī)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(xué)也曾推出過一款名為Super-D的反恐防暴機(jī)器人，見圖1-3，其采用的是輪式結(jié)構(gòu)，在其上安裝有一條用于操作的輕型機(jī)械臂。雖然國內(nèi)移動機(jī)器人領(lǐng)域現(xiàn)在已經(jīng)有了較大的發(fā)展，但與國際先進(jìn)水平相比仍有較長的路要走，比如國外的移動機(jī)械臂多采用模塊化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)思想，這在關(guān)節(jié)更換，故障排除等方面有著巨大的優(yōu)勢，而國內(nèi)機(jī)械臂設(shè)計(jì)中還缺少這種指導(dǎo)思想。圖1–2靈蜥-H警用反恐機(jī)器人圖1–3Super-D反恐防暴機(jī)器人系統(tǒng)第二章機(jī)械臂結(jié)構(gòu)初步擬定2.1引言移動機(jī)械臂在具有傳統(tǒng)輕型機(jī)械臂質(zhì)量輕、高負(fù)載自重比和模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對其使用要求還需具有快速更換故障件，較強(qiáng)的防塵防水能力。本章針對課題提出的移動機(jī)械臂的設(shè)計(jì)指標(biāo)，分析確定了機(jī)械臂合理構(gòu)型，介紹了機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，傳動系統(tǒng)等設(shè)計(jì)方案。在考慮實(shí)用與美觀的同時(shí)完成了機(jī)械臂臂桿的設(shè)計(jì)。2.2.移動機(jī)器人機(jī)械臂技術(shù)指標(biāo)本文根據(jù)任務(wù)要求，以小型地面移動機(jī)器人的機(jī)械折疊臂為研究對象，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)動特性等指標(biāo)。具體指標(biāo)如下：（1）機(jī)械臂折疊時(shí)總長≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動范圍:150°，旋動速度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×寬×高=800mm×540mm×260mm。（3）機(jī)械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。2.3移動機(jī)器人機(jī)械臂的構(gòu)型選擇機(jī)械臂（操作機(jī)）構(gòu)一般為空間連桿機(jī)構(gòu)。其運(yùn)動副又稱為關(guān)節(jié)（joint),由于結(jié)構(gòu)和便于驅(qū)動的原因，常用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)，并分別用R和P表示。獨(dú)立驅(qū)動者成為主關(guān)節(jié)，反之成為從關(guān)節(jié)。在操作機(jī)中主關(guān)節(jié)的數(shù)目等于操作機(jī)的自由度。由于手臂機(jī)構(gòu)基本上決定了操作機(jī)的工作空間范圍，所以手臂運(yùn)動通常稱為操作機(jī)的主運(yùn)動。機(jī)械臂通常按手臂的坐標(biāo)形式進(jìn)行分類，有以下四種類型：直角坐標(biāo)型(cartesiancoordinaterobot)直角坐標(biāo)型具有三個(gè)移動關(guān)節(jié)（PPP)，可使手部產(chǎn)生三個(gè)相互獨(dú)立的位移(x,y,z)，如圖2-1所示。其優(yōu)點(diǎn)是定位精度高、軌跡求解容易、控制簡單等，而缺點(diǎn)是所占空間尺寸較大，工作范圍小，操作靈活性差，運(yùn)動速度較低。圓柱坐標(biāo)型（cylindricalcoordinaterobot)圓柱坐標(biāo)型具有兩個(gè)移動關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)(PPR)，手部坐標(biāo)為(z,r,θ),如圖2-2所示。其優(yōu)點(diǎn)是所占空間尺寸較小，工作范圍較大，結(jié)構(gòu)簡單，手部可獲得較高的速度。缺點(diǎn)是手部外伸離中心軸較越遠(yuǎn)，其切向線位移分辨精度越低。球坐標(biāo)型(polarcoordinaterobot)球坐標(biāo)型具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個(gè)移動關(guān)節(jié)(RRP),手部坐標(biāo)為(r,α,β)。此種操作機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小。但目前應(yīng)用較少。關(guān)節(jié)型（articulatedrobot）關(guān)節(jié)型機(jī)器人（articulatedrobot）是機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)形式構(gòu)，這種機(jī)器人是模擬人的上臂而構(gòu)成的。為了保證機(jī)器人手部有6個(gè)空間自由度，其主動關(guān)節(jié)數(shù)目一般為6，或不少于6。但根據(jù)實(shí)際使用要求，也有小于6自由度的。一般情況下，全部關(guān)節(jié)皆為轉(zhuǎn)動型關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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(jī)器人都采用這種結(jié)構(gòu)形式[4]。多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的優(yōu)點(diǎn)是：動作靈活、運(yùn)動慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間障礙物進(jìn)行工作。圖2-1直角坐標(biāo)型圖2-2圓柱坐標(biāo)型圖2-3關(guān)節(jié)型根據(jù)機(jī)械臂設(shè)計(jì)要求，本文要求的移動機(jī)器人具有體積小，可折疊，單兵能背負(fù)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(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)分析,參考國內(nèi)外各種危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人靈巧機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式后，本文決定采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人。構(gòu)型為旋轉(zhuǎn)——俯仰——俯仰——俯仰，如圖2-3所示。在機(jī)械臂工作過程中，其最主要的功能就是實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端操作器的各種工作位姿。機(jī)械臂末端操作器的空間位姿可由三個(gè)沿坐標(biāo)軸的平移的參數(shù)和三個(gè)繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的參數(shù)來表示，通過對這6個(gè)參數(shù)的確定來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端操作器的位姿確定，這要求機(jī)械臂至少具有6個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)末端操作器的位姿任意性。但在一些工作場合中，實(shí)際操作并不需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端操作器位姿的任意性，只需要實(shí)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(shí)候可以利用少自由度機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與6自由度機(jī)器人相同的工作結(jié)果，并且少自由度機(jī)器人在設(shè)計(jì)、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(jī)器人是指自由度數(shù)少于6的并聯(lián)機(jī)器人[17]，這里借用少自由度并聯(lián)機(jī)器人的定義，將這種自由度數(shù)少于6的串聯(lián)機(jī)器人（也就是機(jī)械臂）稱為少自由度串連機(jī)器人。對于空間開式結(jié)構(gòu)有自由度數(shù)目等于關(guān)節(jié)數(shù)目，故有,其中。在本文中，約束條件i=5,故=1,,所以自由度為4。2.4移動機(jī)器人機(jī)械臂桿件基本參數(shù)的確定由任務(wù)要求可以看出，由于機(jī)械臂采用旋轉(zhuǎn)-俯仰-俯仰-俯仰的布局方式，機(jī)械臂工作時(shí)可視為先確定肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，再確定各俯仰關(guān)節(jié)角度，最后確定腕部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的位置確定流程，鎖定其肩部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhuǎn)，在不考慮障礙的條件下，機(jī)械臂的靈活工作空間就是一個(gè)球殼狀的空間。如圖2–4所示。由機(jī)械臂構(gòu)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(shè)上臂長為L1、前臂長為L2和腕部長為H，因?yàn)闄C(jī)械臂需要保證可折疊的設(shè)計(jì)方案，故而有L1＞L2，所以機(jī)械臂的靈活工作空間外徑為C2=L1+L2-H。當(dāng)H＜L1-L2時(shí)，靈活工作空間內(nèi)徑為L1-L2+H；當(dāng)H＞L1-L2時(shí)，靈活工作空間內(nèi)徑為H-(L1-L2)，兩者可結(jié)合記為C4=|L1-L2-H|。綜合來說機(jī)械臂的靈活工作空間為C4~C2內(nèi)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(dāng)僅當(dāng)H=L1-L2的時(shí)候機(jī)械臂的靈活工作空間內(nèi)徑為0，所以機(jī)械臂設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足幾何結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡量使機(jī)械臂腕部軸向尺寸盡可能滿足H=L1-L2。圖2-4機(jī)械臂空間示意圖根據(jù)任務(wù)要求，機(jī)械臂折疊時(shí)總長≤650mm。這就規(guī)定了最長的單個(gè)臂桿的長度。先假設(shè)L1=600mm。由H=L1-L2可得總長度L1+L2+H=2L1=1200mm.不同長度的連桿，對于不同輕型機(jī)械臂的工作空間有很大個(gè)影響。機(jī)器人的工作空間定義為：不同關(guān)節(jié)運(yùn)動所達(dá)到的末端執(zhí)行器的所有位置的集合，該集合稱為可達(dá)工作空間。機(jī)器人工作空間的大小代表了機(jī)器人的活動范圍，它是衡量機(jī)器人工作能力的一個(gè)重要運(yùn)動學(xué)指標(biāo)。在遺傳算法工具箱尋求機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制及應(yīng)用過程中，工作空間都是一個(gè)需要考慮的重要問題。對于鏈?zhǔn)綑C(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)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(biāo)變換方法對單臂的各連桿進(jìn)行坐標(biāo)系標(biāo)定，建立機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型，并在該數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上使用基于Matlab平臺的機(jī)器人工具箱—RoboticsToolbox求解可操作度的最大值。然而考慮到本設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)是對機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)、傳動布置等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合本科階段學(xué)識情況，這里對進(jìn)行這樣的簡化處理：通過與同一構(gòu)型的成熟機(jī)械臂長度進(jìn)行類比，根據(jù)它們的線性比例關(guān)系確定本文機(jī)械臂所需的長度。通過查找文獻(xiàn)，找到一個(gè)通過Matlab的遺傳算法迭代1000次后得到的同構(gòu)性機(jī)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，mm、mm、H=200mm.總長mm。而本文所需的機(jī)械臂總長故可得下列比例式：可以解得=551mm,=495mm,=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(shè)計(jì)方法選定基于移動平臺的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要有基于模塊化關(guān)節(jié)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法[15]和基于分離式關(guān)節(jié)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法。我們先將這兩種方法做對比[16]：表2-1機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的比較模塊化關(guān)節(jié)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法分離式關(guān)節(jié)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法優(yōu)點(diǎn)模塊化關(guān)節(jié)機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法使其關(guān)節(jié)模塊為高度集成的機(jī)電一體化產(chǎn)品；開發(fā)周期短，機(jī)械傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊；標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)具有良好的互換性，易于維護(hù)；可以根據(jù)自由度要求自由組合，減少開發(fā)成本；其機(jī)械臂結(jié)構(gòu)裝置結(jié)構(gòu)簡單、傳動鏈緊湊、傳遞效率高、布線方便。分離式關(guān)節(jié)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法使驅(qū)動與執(zhí)行端分離，能夠有效的將機(jī)械臂驅(qū)動電機(jī)集中在其基座上，降低了機(jī)械臂的傾覆力矩，提高了機(jī)械臂的承載性能：同時(shí)有效的降低機(jī)械臂擺動端質(zhì)量，減小機(jī)械臂轉(zhuǎn)動慣量，增加了負(fù)載／自重比；運(yùn)行時(shí)摩擦損耗低。缺點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)導(dǎo)致模塊的種類過于單一，忽略了部分關(guān)機(jī)的細(xì)節(jié)處理，無法滿足機(jī)械臂特殊功能的需求；關(guān)節(jié)模塊使得機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的質(zhì)量增加，從而增加了機(jī)械臂擺動部分的質(zhì)量，增大了其轉(zhuǎn)動慣量，也曾加了機(jī)械臂的傾覆危險(xiǎn)性。關(guān)節(jié)內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu)的摩擦損耗較大，傳動效率低，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍受限。分離式設(shè)計(jì)需要對每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行特定設(shè)計(jì)，開發(fā)周期長，由于其傳動鏈較長，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增大了其傳動空間，結(jié)構(gòu)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(hù)難度和成本；且形式單一，不能夠根據(jù)需求自由組合，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。綜合分析，本文選用的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為模塊化機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，即把機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成為高度集成的機(jī)電一體化模塊，然后通過連桿將各個(gè)關(guān)節(jié)模塊連接在一起。運(yùn)用這種模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)機(jī)械臂系統(tǒng)，開發(fā)周期短，機(jī)械傳動效率高，各個(gè)部分結(jié)構(gòu)緊湊；模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，具有良好的互換性，并且易于維護(hù)。2.6傳動機(jī)構(gòu)方案移動機(jī)械人的功率勢必要受到能源環(huán)節(jié)的制約，因此操作機(jī)的功率和輸出轉(zhuǎn)矩勢必要受到相應(yīng)的制約。然而，移動機(jī)械機(jī)械臂由于是空間開式結(jié)構(gòu)并且其執(zhí)行端需夾持3kg的負(fù)載，所以輸出轉(zhuǎn)矩必須要有一定要求。解決這個(gè)矛盾最簡單的方法是采用大傳動比的傳動機(jī)構(gòu)。所以在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)的原則一是傳動比要大，二是傳動效率要高。常用的減速機(jī)構(gòu)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、線繩傳動等。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/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(gè)1344626軸承數(shù)量套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(shí)嚙合齒數(shù)%75333010齒面接觸應(yīng)力MPA3453453453454.1211齒剪應(yīng)力MPA1721721721722.0612安全系數(shù)33253613齒面接觸狀態(tài)線線線線面14運(yùn)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(zhì)

量Kg11112792.532525蝸輪蝸桿減速器效率低，發(fā)熱大，潤滑要求高，在熱平衡計(jì)算不合格的情況下還需加裝散熱片、散熱風(fēng)扇、冷卻回路等裝置，顯然不適用于移動機(jī)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(diǎn)，是機(jī)械臂關(guān)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(jī)構(gòu)，在必要時(shí)配以其他類型減速器。2.6.1腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動方案關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)可視為由兩部分組成：輸入端和輸出端。驅(qū)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(qū)動裝置這里假設(shè)為電機(jī)。鑒于模塊化設(shè)計(jì)方法，各個(gè)關(guān)節(jié)模塊會有相通的地方。腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的特殊之處是考慮到腰部回轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)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(jī)械臂俯仰關(guān)節(jié)的傳動方案當(dāng)傳動裝置不是布置在移動平臺上而是布置在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)內(nèi)時(shí)，就要牽涉到一個(gè)怎么樣在狹小空間里合理布置傳動裝置的問題。從機(jī)械臂結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀的設(shè)計(jì)原則出發(fā)，結(jié)合圖2-9(a)的法國防務(wù)機(jī)器人外形特征，我們先對俯仰關(guān)節(jié)模塊外形做出規(guī)劃。如圖2-10(b)藍(lán)色部分是輸入端，電機(jī)在這一端將轉(zhuǎn)矩黃色的是臂桿，它連在輸出端上，把運(yùn)動傳到下一關(guān)節(jié)。傳輸出端，紅色的是輸出端，它內(nèi)部的傳動裝置與殼體相連帶動殼體做俯仰運(yùn)動。（a）法國防務(wù)機(jī)器人（局部）（b）關(guān)節(jié)外形示意圖圖2-9針對這樣的外形，我們提出如圖2-10的4個(gè)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(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)長度變長，結(jié)構(gòu)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(fèi)，這個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)更為緊湊，也更利于電器走線，從外形結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，本文優(yōu)先選用方案四。 （a）機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)方案一（b）機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)方案二（c）機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)方案三（d)機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)方案四圖2-10機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)方案2.7移動機(jī)械臂臂桿的初步設(shè)計(jì)移動機(jī)械臂臂桿起到連接各個(gè)關(guān)節(jié)，傳遞動力的作用。因?yàn)橐苿訖C(jī)械臂從事危險(xiǎn)作業(yè)，如排爆工作，所以在對臂桿的要求是：強(qiáng)度大，剛度高，質(zhì)量輕，具有足夠的硬度加工性能良好，工作可靠。高強(qiáng)度鋁合金能夠很好的滿足上述要求。高強(qiáng)度鋁合金是指在高品質(zhì)原鋁中添加微量稀土原料，提高它的強(qiáng)度延展性、耐腐蝕性等。2A06是一種高強(qiáng)度硬鋁，其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度Mpa，條件屈服強(qiáng)度Mpa,伸長率。密度為2.73g/cm3因?yàn)檩p型機(jī)械臂安裝在移動平臺上，工作環(huán)境復(fù)雜，內(nèi)部電氣裝置線暴露在外會遭到破壞。所以機(jī)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(shí)能夠?qū)⒏鞣N裝置安裝在關(guān)節(jié)和臂桿內(nèi)部，并對整個(gè)機(jī)械臂做一定的防污防塵處理，為其能在復(fù)雜環(huán)境下工作提供保證。臂桿在選擇等截面還是等強(qiáng)度的問題上，本文更傾向于后者。雖然等強(qiáng)度梁能有效減少應(yīng)力集中帶來的不利影響，但是無疑也使得工藝變得復(fù)雜，并且不利于內(nèi)部裝置的安裝。在機(jī)械臂臂桿和關(guān)節(jié)的連接問題上，有兩個(gè)方案：一是臂桿和關(guān)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(guān)節(jié)模塊的輸出部分分成兩個(gè)部分，用連接裝置相連，這樣的好處是臂桿和關(guān)節(jié)模塊可分離，從而易于模塊的維修、更換、升級。但是相應(yīng)的，連接可靠性和密封性上會有所下降。本著模塊化設(shè)計(jì)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。

驅(qū)動、減速裝置的選型3.1引言移動機(jī)器人的核心就是移動機(jī)械臂的機(jī)動能力，在構(gòu)型決定的條件下?lián)碛泻线m的驅(qū)動器和傳動裝置就是保證其強(qiáng)大動力的關(guān)鍵。同時(shí)限制整個(gè)裝置的質(zhì)量和減少能耗也是至關(guān)重要的。在本章中，將首先對整個(gè)機(jī)械臂做大體的受力分析，選擇原動機(jī)的類型；根據(jù)前文選定的傳動方案和設(shè)計(jì)指標(biāo)、受力情況做出計(jì)算、選擇原動機(jī)、減速器以及其他輔助傳動機(jī)構(gòu)；按照各個(gè)裝置的實(shí)際大小畫出模型圖，以便于下一章關(guān)節(jié)模塊的整體設(shè)計(jì)。3.2關(guān)節(jié)負(fù)載的估算在對機(jī)械臂進(jìn)行具體計(jì)算時(shí)，驅(qū)動器以及各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置的選擇是直接影響機(jī)械臂性能指標(biāo)的重要過程。在對驅(qū)動器選型時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先真確的評估機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)可能受到的最大負(fù)載，以及各個(gè)機(jī)械臂連桿會受到的最大彎矩。然后根據(jù)負(fù)載狀況，分段選擇各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置。在估算機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩前，首先需要對機(jī)械臂各個(gè)部分的質(zhì)量分布進(jìn)行合理的假設(shè)。第一：關(guān)節(jié)質(zhì)量的分布。對于質(zhì)量在機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的分布假設(shè)，根據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)離基座的距離而定，由于離基座越近的關(guān)節(jié)所需承受的轉(zhuǎn)矩越大，即所需的驅(qū)動單元質(zhì)量也就越大，導(dǎo)致關(guān)節(jié)的總質(zhì)量也越大，所以將于基座相連的腰關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)的重量相同，為1.5kg：與基座距離最近的第一個(gè)連桿關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)的重量為1kg，而靠近執(zhí)行端的腕關(guān)節(jié)重量為0.5kg。第二，連桿質(zhì)量分布。各個(gè)關(guān)節(jié)間連桿采用質(zhì)量均勻的鋁制結(jié)構(gòu)件材料制成，其質(zhì)量為0．3kg／m，故各連桿質(zhì)量由各個(gè)連桿的長度決定。第三，各部分重心分布。各個(gè)關(guān)節(jié)的重心均假設(shè)在其旋轉(zhuǎn)軸線上，各個(gè)連桿的重心均假設(shè)在其中心軸線上且在其長度方向的中點(diǎn)處，末端夾持裝置的重心因負(fù)載中心而定，并設(shè)其與負(fù)載的重心重合。在分析完機(jī)械臂的質(zhì)量分布之后，需要精確的選定機(jī)械臂所受最大轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)位置。由于機(jī)械臂的在運(yùn)動過程中，所受載荷主要為重力載荷，即已知機(jī)械臂所受載荷的方向是垂直向下的。根據(jù)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)所受轉(zhuǎn)矩等于重力乘以力臂的原理可知，當(dāng)機(jī)械臂在承受最大載荷的情況下，使機(jī)械臂完全伸展開，運(yùn)動達(dá)到(或者靜止在)水平位置時(shí)，機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)所受的轉(zhuǎn)矩為最大值。顯然，機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)所受轉(zhuǎn)矩的情況為：與機(jī)械臂基座相連的關(guān)節(jié)所受轉(zhuǎn)矩最大，其他各個(gè)關(guān)節(jié)所受轉(zhuǎn)矩與其到基座的距離成類似反比關(guān)系，所以肩關(guān)節(jié)所受轉(zhuǎn)矩T2>肘關(guān)節(jié)所受轉(zhuǎn)矩T3>腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩T4?？紤]到機(jī)械臂在加速減速階段施加在其上的慣性力，將各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)設(shè)為1.3，即各個(gè)關(guān)節(jié)所受最大力矩為水平位置時(shí)關(guān)節(jié)所受力矩的1.3倍。圖3-1移動機(jī)械臂受力簡圖圖3-1是移動機(jī)械臂的受力簡圖，圖中各力的大小為：;`;;從而可以求出各俯仰關(guān)節(jié)的工作轉(zhuǎn)矩分別為：考慮了安全系數(shù)的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為:至于腰部-回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)矩，實(shí)際來講是小于T2的，但是考慮到設(shè)計(jì)的方便和模塊化的設(shè)計(jì)理念，令Tca1=Tca2=63.57Nm。各關(guān)節(jié)所受轉(zhuǎn)矩整理為表3-1所示：表3-1移動機(jī)械臂關(guān)節(jié)計(jì)算轉(zhuǎn)矩關(guān)節(jié)類型腰關(guān)節(jié)Tca1肩關(guān)節(jié)Tca2肘關(guān)節(jié)Tca3腕關(guān)節(jié)Tca4所受轉(zhuǎn)矩66.42Nm66.42Nm3.3關(guān)節(jié)驅(qū)動器的選型3.3.1驅(qū)動方式的選擇在前文中已經(jīng)將驅(qū)動器默認(rèn)為電機(jī)。這里，我們再次羅列出各種驅(qū)動方式，比較它們的特點(diǎn)，做出有根據(jù)的選擇。目前機(jī)械臂常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動等多種方式,各種驅(qū)動方式有其自身的特點(diǎn),在工業(yè)機(jī)器人中液壓和氣壓驅(qū)動應(yīng)用很廣泛,某些機(jī)器人則同時(shí)采用多種驅(qū)動方式,這都視不同機(jī)器人的特點(diǎn)和要求所定。比較這些驅(qū)動方式的特點(diǎn),從中選出適合移動機(jī)械手的驅(qū)動方式：液壓傳動。液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)有：驅(qū)動力和驅(qū)動力矩較大；速度反應(yīng)性較好；調(diào)速范圍較大,而且可以無級調(diào)速,易于適應(yīng)不同的工作要求；=4\*GB3④傳動平穩(wěn),能吸收沖擊力,可以實(shí)現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向。但是液壓傳動的缺點(diǎn)對移動機(jī)械人而言足夠致命：一套完整的液壓設(shè)備太過復(fù)雜，質(zhì)量大、體積大，無法安裝在機(jī)械臂關(guān)節(jié)模塊中。氣壓驅(qū)動。氣壓傳動的優(yōu)點(diǎn)有：通過調(diào)節(jié)氣流,就可實(shí)現(xiàn)無級變速;由于壓縮空氣粘性小,流速大,因此氣壓驅(qū)動的機(jī)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很小,一般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(yīng),遠(yuǎn)距離輸送。氣壓傳動的缺點(diǎn)是：壓縮空氣的工作壓力較低,致使機(jī)械手結(jié)構(gòu)較大。所以并不適用輕型移動機(jī)械臂。電機(jī)驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)為：電機(jī)驅(qū)動機(jī)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(qū)動要高;電機(jī)系統(tǒng)將電動機(jī)、測速機(jī)、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(gè)電機(jī)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(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),可達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度。綜上所述，本文移動機(jī)械臂采用電機(jī)驅(qū)動。3.3.2電機(jī)類型的選擇電動機(jī)分很多類型，其中特種電機(jī)大致劃分為如下幾類：永磁電機(jī)、伺服電機(jī)、磁阻類電機(jī)、信號檢測和傳感電機(jī)以及非傳統(tǒng)電磁原理電機(jī)。應(yīng)用于運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制電機(jī)是伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。伺服電機(jī)分類見圖3-1。圖3-1伺服電動機(jī)的分類現(xiàn)將主要的具有控制能力電機(jī)的特性列于表3-2：表3-2主要的控制用電機(jī)的特性比較控制精度低頻振動機(jī)械特性過載能力運(yùn)行特性速度響應(yīng)能力步進(jìn)電機(jī)0.036~1.8有非恒轉(zhuǎn)矩不具有開環(huán)控制200~400ms交流伺服電機(jī)可達(dá)9.89'無恒轉(zhuǎn)矩3倍過載閉環(huán)控制10ms永磁無刷直流電機(jī)10'注輕微非恒功率有閉環(huán)控制較高永磁交流伺服電動機(jī)在永磁無刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上改善了轉(zhuǎn)動脈動較大，出力較小，抖動等缺點(diǎn)。直流伺服電動機(jī)較高有非恒轉(zhuǎn)矩3倍過載閉環(huán)控制較好注：用詞無刷電機(jī)的精度取決于位置傳感器。事實(shí)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(jī)械臂的電機(jī)傳感器宜選用旋轉(zhuǎn)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(jī)曾被廣泛應(yīng)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(jī)和配套齒輪箱。移動機(jī)械臂的工作場合可能會有易燃易爆物質(zhì)，為了降低由移動機(jī)械臂引起爆炸的危險(xiǎn)，宜選無刷直流電機(jī)，來避免換向電刷產(chǎn)生電火花的可能。選擇電機(jī)時(shí)，在確定選擇哪一款電機(jī)之前首先要明確驅(qū)動要求：需要多大的轉(zhuǎn)矩，在這一轉(zhuǎn)矩下的速度有多大；在負(fù)載情況下要連續(xù)工作多長時(shí)間；加速度情況；負(fù)載的慣量有多大。由于不用電機(jī)直接驅(qū)動，而是通過減速箱等機(jī)械裝置輸出其功率，因此，所有參數(shù)要折算到電機(jī)軸。第四章腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)模塊模塊設(shè)計(jì)4.1前言從本章開始按關(guān)節(jié)進(jìn)行各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)工作。包括了從電動機(jī)到減速、傳動機(jī)構(gòu)、裝配零件、直到模塊外殼的設(shè)計(jì)。繪出各個(gè)零件的二維和三維圖?；谀K化的考慮，腰關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)將選擇同樣的動力方案。4.2電動機(jī)和減速器的型號選擇電機(jī)的選擇往往是伴隨著減速器一塊進(jìn)行的。Maxon給出了電機(jī)--減速器--輔助裝置的配套方案，方便客戶選用。本文將遵從Maxon公司的方案進(jìn)行選擇。我們可以通過對轉(zhuǎn)矩的需求來選擇可能的電機(jī)型號。一方面，要考慮峰值轉(zhuǎn)矩Mmax,另一方面，還要考慮有效轉(zhuǎn)矩Mrms。連續(xù)運(yùn)行特征是通過工作點(diǎn)（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(zhuǎn)矩Mmax是靜態(tài)下理論轉(zhuǎn)矩的1.6倍。Mmax=1.6×48.9=78.24Nm；而有效轉(zhuǎn)矩Mrms=1.3×48.9=63.57Nm。最大機(jī)械功率為Pmax=Mmax×W=78.24×0.5=39.12Nm；有效機(jī)械功率Prms=Mrms×W=63.57×0.5=63.57Nm。Maxonmotor的無刷直流電機(jī)產(chǎn)品轉(zhuǎn)速在一般在5000rpm以上，而本文輸出轉(zhuǎn)速僅為4.777rpm。減速比達(dá)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(dá)不到本文要求的輸出扭矩。普通的單級諧波減速器也達(dá)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(jī)具有較大的過載能力，電機(jī)選用型號為EC-max30，功率為40w。這種電機(jī)的二維和三維示意圖分別見圖3-2（a）、（b）。MaxonEC--max30二維圖MaxonEC--max30三維圖圖3-2MaxonEC-max30電機(jī)示意圖這種減速器的電機(jī)參數(shù)為：標(biāo)稱功率：40w；額定電壓12V；空載轉(zhuǎn)速9280；最大連續(xù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩：1Nm；允許瞬間輸出轉(zhuǎn)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，這種減速器的參數(shù)為減速比100:1；平均負(fù)載轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)總的傳動比3.7*100=370。本文任務(wù)要求的輸出轉(zhuǎn)速為0.5rad/s=4.777rpm。假設(shè)輸入端的轉(zhuǎn)速為=6688rpm。那么要達(dá)到要求，還需要的減速比為6688/(4.777*370)=3.897，為方便計(jì)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(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)模塊其他傳動機(jī)構(gòu)的選擇4.3.1同步帶傳動的計(jì)算選型根據(jù)前文所述的傳動結(jié)構(gòu)，電機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊。本文選取周節(jié)制同步。先假設(shè)大帶輪和小帶輪的直徑一樣，那么我們可以得到以下三個(gè)已知條件：傳遞的功率40W；小帶輪的速度n1,大帶輪的速度n2，假設(shè)V1=V2=6688r/min；工作機(jī)、傳動運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算過程如下：設(shè)計(jì)功率Pd=KAp=1*40=40W;帶型和節(jié)距Pb查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊周節(jié)制同步帶選型圖可知，在40W、6688rpm的條件下應(yīng)選用MXL型同步帶，節(jié)距Pb=2.032。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。小帶輪直徑d1d1=PbZ1/π=2.032*18/π=11.64mm帶速v=πd1n1/60*1000=π11.64*6684/60*1000=4.07m/s<Vmax傳動比i=1大帶輪齒數(shù)Z2Z2=iZ1=18大帶輪直徑d2d2=id1=11.64mm初定中心距a012.30mm=0.7（d1+d2）<a0<2(d1+d2)=46.56mm為了使模塊結(jié)構(gòu)盡可能小，應(yīng)取小的a0。考慮到馬達(dá)EC--max30與減速器GP32C之間不發(fā)生干涉，取a0=32mm初定帶的節(jié)線長度L0p及其齒數(shù)ZbL0p≈2a0+π/2(d2+d1)+(d2-d1)2/4a0=2*32+π/2(11.64+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。實(shí)際中心距中心距可調(diào)整a≈a0+(Lp-L0p)/2=32+(101.6—100.57)/2=32.52mm12)基準(zhǔn)額定功率P0P0=(Ta—mv2)v/1000=(27-0.007*4.072)4.07/1000=109.42W13)帶寬bs==2.64mm取3mm。14)作用在軸上的力Fr=Pd/v×1000=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(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)前文所述的傳動結(jié)構(gòu)，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(yùn)動方向的傳動機(jī)構(gòu)，本文選擇直線齒錐齒輪正交傳動。錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算為了簡化設(shè)計(jì)工作，對于閉式傳動，先按接觸強(qiáng)度初步確定其尺寸，然后進(jìn)行接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的校核。對于正交傳動的直齒錐齒輪，按接觸強(qiáng)度計(jì)算有：=考慮到不發(fā)生根切的條件為zmin=2ha*/sin2ɑcosδ=2×1/sin220cos14=17.62所以小齒輪齒數(shù)取為18。那么錐齒輪的尺寸計(jì)算直線齒錐齒輪傳動的幾何計(jì)算按如下方法進(jìn)行：確定齒形角α、齒頂高系數(shù)ha*、頂隙系數(shù)c*本文齒形制選擇GB/T12369—1990，那么齒形角α=20°；齒頂高系數(shù)ha*=1；頂隙系數(shù)c*=0.2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(yīng)盡量選小值。這里初選1.齒數(shù)比u由前文所述，減速比應(yīng)選擇4，也即齒數(shù)比為4齒數(shù)z通常z1=16~30。從關(guān)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≦21。這里初選18.Z2=uZ1=4*18=725)節(jié)錐角δTanδ1=sin90/(u+cos90)=1/(4+0)=0.25.得出δ1=14°δ2=90°-14°=76°6)分度圓直徑dd1=mz1=1*18=18mm；d2=mz2=1*72=72mm.7)錐距RR=d1/(2*sinδ1)=18/(2*sin14)=37.2m8)齒寬系數(shù)1/4~1/3，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h(yuǎn)aHa1=ha2=ha=ha*m=1*1=1mm;11)齒高h(yuǎn)h=(2ha*+c*)m=(2*1+0.2)*1=2.2mm12)齒根高h(yuǎn)fhf=h-ha=2.2-1=1.2mm13)齒頂圓直徑dada1=d1+2ha1cos1=18+2*1*cos14=19.94mm;da2=d2+2ha2cosδ2=72+2*1*cos76=72.48mm14)齒根角θfTanθf=hf/R=1.2/37.2=0.032,可得θf=1.85°15)齒頂角θaΘa=θf=1.85°16)頂錐角δaδa1=δ1+θa=14+1.85=15.85;δa2=δ2+θa=76+1.85=77.85°17)根錐角δfδf1=δ1—θf=14—1.85=12.15°;δf2=δ2-θf=76-1.85=74.1518)外錐高AkAk1=d2/2-ha1sinδ1=72/2-1*sin14=35.76mm;Ak2=d1/2-ha2sinδ2=18/2-1sin76=8.03mm19)支承距HH1=A1-Ak1=20)齒距p

p=πm=π≈3.1421)當(dāng)量齒數(shù)ZvZv1=Z1/cosδ1=18/cos14=18.55mm;Zv2=Z2/cosδ2=72/cos76=297.62mm錐齒輪接觸強(qiáng)度的校核接下來彎曲強(qiáng)度校核，計(jì)算接觸應(yīng)力，對于正交傳動有:σH=ZHZEZεZβZK其中：ZH--節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得ZH=2.375ZE--彈性系數(shù)，查手冊得ZE=189.8Zε--接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)，由下式計(jì)算：而的計(jì)算過程如下：（1）分度圓直徑dv（2)中心距av（3)齒頂圓直徑dva4)端面齒形角αvt5)基圓直徑dvb6)嚙合線長度gvɑ7）端面重合度εvɑ所以，Zβ—接觸強(qiáng)度計(jì)算螺旋角系數(shù)，Zβ=Zk—接觸強(qiáng)度計(jì)算的錐齒輪系數(shù)，Zk取0.85KA—使用系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得KA=1KV—動載系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)得KV=1.05KHβ—接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分配系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，KHβ=1.5KHɑ—接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分配系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，KHɑ=1.2Ftm—齒寬中點(diǎn)的名義切向力,Ftm=2000T/d=2*0.16*1000/11.64=27.49NbeH—接觸強(qiáng)度計(jì)算的有效齒寬，beH=0.85b=0.85*9.3=7.91mm帶人數(shù)據(jù)得，σH=290.48N/mm2許用接觸應(yīng)力σHp,因?yàn)棣襀<σHp,所以接觸應(yīng)力安全。錐齒輪彎曲強(qiáng)度的校核1)計(jì)算齒根應(yīng)力σF其中：KA—工況系數(shù)，KA=1KV--動載系數(shù)，KV=1.05KFβ--彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)，KFβ=1.5KFɑ--彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)，KFɑ=1.2beF=彎曲強(qiáng)度計(jì)算的有效齒寬，beF=0.85*b=0.85*9.3=7.91Mnm，齒寬中點(diǎn)法向系數(shù)，mnm=m(R-0.5b)cosβm/R=1(37.2-0.5*9.3)/37.2=0.875YFa--齒形系數(shù)，YFa=2.95Ysa--應(yīng)力修正系數(shù)，Ysa=1.575Yε--彎曲強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)，Yβ--彎曲強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)，Yβ=1YK--彎曲強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)，YK=1代入數(shù)據(jù)得，σF=22.16N/mm計(jì)算齒根許用應(yīng)力σFP其中：σFlim--試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限，σFlim=350N/mm2YST--試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，取YST=2.0SFmin--