移動機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計【帶PROE三維】【9張CAD圖紙+畢業(yè)論文+任務(wù)書+外文翻譯】

移動機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計

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外文翻譯--移動機(jī)器人基于LFR激光探測器和IR的MFVFA方法.doc

大臂關(guān)節(jié).dwg

大臂工字鋼.dwg

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小臂體.dwg

手部齒輪A.dwg

移動機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計論文.doc

移動機(jī)器人機(jī)械臂裝配圖.dwg

臂部轉(zhuǎn)關(guān)節(jié).dwg

調(diào)整墊片.dwg

軸承端蓋.dwg

目   錄

1  引言…………………………………………………………………………………  1 

1.1  移動機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的………………………………………… 1 

1.2  移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究………………………………………………… 2 

1.3 本課題的來源和研究內(nèi)容…………………………………………………… 5 

2  移動機(jī)器人機(jī)械臂的總體設(shè)計…………………………………………………… 7 

2.1  機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的確定 …………………………………………………………… 7 

2.2  機(jī)械臂設(shè)計的主要參數(shù)………………………………………………………… 7 

3  移動機(jī)器人機(jī)械臂的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………… 8 

3.1  手部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求……………………………………………………………… 9 

3.2  傳動方式的選擇………………………………………………………………… 9 

3.3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計…………………………………………………………… 9 

3.4  電機(jī)的計算與型號選擇………………………………………………………… 12 

3.5  材料的選擇與強(qiáng)度校核………………………………………………………… 14 

3.6 本章小結(jié)…………………………………………………………………… 17

  4  移動機(jī)器人機(jī)械臂的臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………18 

4.1  臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求…………………………………………………………… 18 

4.2  臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計………………………………………………………………… 19

4.3  臂部電機(jī)的選擇………………………………………………………………… 26

5  移動機(jī)器人機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………… 28 

5.1  肩部的傳動方式………………………………………………………………… 28

5.2  肩部結(jié)構(gòu)的設(shè)計………………………………………………………………… 29

5.3  肩部電機(jī)的選擇………………………………………………………………… 31

5.4  肩部直流電機(jī)的計算……………………………………………………………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 ……………………………………………………………………………… 42 

致謝 ………………………………………………………………………………… 45

參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 46

1  引言

1.1  移動機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的

本文以實(shí)際項目小型地面移動機(jī)器人的機(jī)械臂為研究對象。設(shè)計移動機(jī)器人的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)。所謂移動機(jī)械臂，就是將機(jī)械臂安裝在是一個小型多用途移動作業(yè)機(jī)器人智能移動平臺，小型多用途移動作業(yè)機(jī)器人是一個智能移動平臺，其上可搭載爆炸物處理、偵察、通訊、探測系統(tǒng)或其他特殊作業(yè)系統(tǒng)。移動機(jī)械臂用來實(shí)現(xiàn)一些動作如抓取，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)，通過移動平臺的移動來擴(kuò)大機(jī)械臂的工作空間，這種結(jié)構(gòu)使移動機(jī)械臂擁有更大的操作空間和高度的運(yùn)動冗余性，并同時具有移動和操作功能，這使它優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械臂，則具有了更廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前智能移動機(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)用也越來越廣泛，幾乎滲透到各個領(lǐng)域[2]。

移動機(jī)器人技術(shù)的研究屬于多學(xué)科相互交叉，相互滲透的，對它的研究具有很大的理論價值和廣闊的應(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簡單的操作，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，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、家庭和娛樂場所。具有智能特性的自主式移動機(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，對移動機(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、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)動速度、靈活性、自主性、作業(yè)能力等方面的要求越來越高。因此，無論是在制造業(yè)還是在非制造業(yè)，具有智能特性的自主式移動機(jī)器人成為了國內(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，移動機(jī)器人機(jī)械臂也不例外。隨著二十世紀(jì)末的幾場局部戰(zhàn)爭和二十一世紀(jì)初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭進(jìn)程，特種戰(zhàn)爭以及城市戰(zhàn)爭日益成為戰(zhàn)爭一類型的主角，這一轉(zhuǎn)變直接推動了各國地面移動作戰(zhàn)平臺即軍用地面移動機(jī)器人的發(fā)展?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭凸現(xiàn)了局部范圍內(nèi)的信息化，而戰(zhàn)場機(jī)器人憑借自身的優(yōu)勢特點(diǎn)，已經(jīng)在本世紀(jì)的戰(zhàn)爭，例如伊拉克戰(zhàn)爭中成為耀眼的新星?，F(xiàn)代戰(zhàn)場尤其是城市內(nèi)反恐怖戰(zhàn)爭中單兵的生存能力受到了極大的挑戰(zhàn)，微小型地面移動機(jī)器人由于體積小、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機(jī)動性好、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任務(wù)，而且不會有人員傷亡，極大減少了傷亡率。因此特別適用于城市和惡劣環(huán)境下的局部戰(zhàn)爭和信息、戰(zhàn)爭，具有重大意義和軍事效益。二十一世紀(jì)的戰(zhàn)場，戰(zhàn)爭的初期極可能是一場無人系統(tǒng)的較量。永不疲倦、無所畏懼的微小型無人移動機(jī)器人是最理想的士兵。它們已在戰(zhàn)爭中顯示出的作戰(zhàn)本領(lǐng)，可以證明它們在未來戰(zhàn)場上的重要地位。微小型無人移動機(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)場等)的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭，具有重大戰(zhàn)略意義和效益。

1.2  移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究

小型地面移動機(jī)器人機(jī)械臂在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應(yīng)用將會越來越廣。包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢，也是我國國防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的方向之一。通過對小型移動機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)研制，在整體系統(tǒng)的各個方面積累了比較豐富的設(shè)計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進(jìn)移動機(jī)器人機(jī)械臂將走向成熟和實(shí)用化。未來移動機(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);軍品級別的可靠性。

1.2.1  國外移動機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

國外在移動機(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)驗系統(tǒng)進(jìn)行驗證。雖然由于80年代對機(jī)器人的智能行為期望過高而導(dǎo)致室外移動機(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，同時也推動了其它國家對移動機(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研制的金字塔探測機(jī)器人—“金字塔漫游者”，身長30厘米，寬12厘米，高度可在11至28厘米之間調(diào)節(jié)。機(jī)器人身帶5件法寶:超聲波傳感器、地面探測雷達(dá)系統(tǒng)、力度測量儀、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雷達(dá)系統(tǒng)，可以穿透厚超過90厘米的混凝土。美國在2003年發(fā)射的兩輛火星探測車“勇氣”號和“機(jī)遇”號分別于2004年1月3號和24號在火星的不同區(qū)域安全著陸，并完成了90個火星日的科研工作。拿“勇氣”號探測車來說，就是一個具有手臂的移動機(jī)器人。他的大腦是一臺高速計算機(jī)，車體靠自身具有的六個輪子在火星地面運(yùn)動，視覺系統(tǒng)采用一對全景照相機(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之外還用于探測車的路徑規(guī)劃上。最先進(jìn)的要數(shù)探測車上的機(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，一套巖石研磨和樣本采集土具以及三個磁鐵陣列，所有設(shè)備主要是用來尋找火星上是否曾經(jīng)有液態(tài)水的證據(jù)。西班牙羅斯?羅卡公司研制的“羅德”輪由此可以看出:蝸輪蝸桿雖然符合 > 條件，而且差大于1，故自鎖可靠。

(d)蝸輪蝸桿式的肩部易于旋轉(zhuǎn)方向的要求。

肩部是蝸輪蝸桿傳動，蝸桿固定于蝸輪箱內(nèi)，蝸輪位于蝸輪箱內(nèi)，通過軸套與轉(zhuǎn)軸相連，與蝸桿嚙合。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動操作時，主控計算機(jī)把臂部角度與目標(biāo)點(diǎn)的角度進(jìn)行比 較，角度的差值通過電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)轉(zhuǎn)動經(jīng)配套的減速器后，經(jīng)過一對齒輪副的傳動，帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿與蝸輪嚙合，使得與蝸輪通過軸套連接的肩部轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使得固定于肩部轉(zhuǎn)軸的臂部轉(zhuǎn)動，賦予肩部在150度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。

(e)蝸輪副的傳動一般具有工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊的特定，但是在這里將它用作移動機(jī)械臂的肩部傳動機(jī)構(gòu)后，具體情況有所變化。因為蝸輪蝸桿分別安裝在箱體上，不能實(shí)現(xiàn)對蝸輪蝸桿的固定裝置進(jìn)行組合加工來保證蝸輪蝸桿的中心距有較小的偏差;裝配時，蝸輪中心與回轉(zhuǎn)中心不易重合，存在較大的偏差。從而不能保證蝸桿軸線與蝸輪的節(jié)圓在同一平面內(nèi)。所以解決的辦法是蝸桿兩端加上調(diào)整墊片。也就是說，在傳動過程中，蝸輪蝸桿的嚙合情況是變化的，這就使得電機(jī)驅(qū)動肩部轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)、驅(qū)動力不均勻現(xiàn)象。又因為肩部為一級傳動，而且旋轉(zhuǎn)部分很重，體積較大，進(jìn)行肩部旋轉(zhuǎn)定位時，回轉(zhuǎn)慣性也就較大，同時也沒有消除回轉(zhuǎn)慣性力矩的緩沖機(jī)構(gòu)，這種回轉(zhuǎn)慣性也就敏感地、直接地反映到電機(jī)上來。由于法蘭盤和臂部體積較大，使得肩部的體積也較大，且不夠緊湊。

6.3  本章小結(jié)

移動機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)分析以及以肩部為重點(diǎn)的結(jié)構(gòu)分析。

結(jié)束語

總結(jié)本文對移動機(jī)器人的移動機(jī)械臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，包括一個3個自由度移動機(jī)械臂，移動機(jī)械臂的設(shè)計包括肩部，臂部及手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。并對機(jī)械臂進(jìn)行了性能分析。

移動機(jī)械臂，繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度肩部使用了蝸輪蝸桿副，  臂部使用了圓錐齒輪傳動，手部使用了直齒圓柱齒輪及左右螺旋的形式傳動。移動機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用PRO/ENG對機(jī)械手建模運(yùn)動仿真。

由于作者的水平有限，而且對有些相關(guān)學(xué)科，如傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等并不是很了解，仍有許多問題需要解決，還有許多問題值得進(jìn)一步討論和更加深入的研究與展望：

 (1)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題

在移動機(jī)器人設(shè)計過程中，包括移動機(jī)械臂，采用模塊化設(shè)計，不同功能結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。但是在模塊各零件設(shè)計過程中，各參數(shù)計算選擇主要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求出發(fā)，很多零件為了匹配，比實(shí)際需求尺寸大很多。包括一些非關(guān)鍵零件設(shè)計，均是根據(jù)前人經(jīng)驗設(shè)計，選擇尺寸。這種設(shè)計不僅增加了整個系統(tǒng)質(zhì)量，同時增加了電機(jī)負(fù)載，造成了資源浪費(fèi)。

在各模塊整體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化也很重要。通過各零件之間最優(yōu)配合，使機(jī)械運(yùn)動在實(shí)現(xiàn)功能前提下，實(shí)現(xiàn)最高傳動效率，將能量消耗降到最低。

臂部的關(guān)節(jié)應(yīng)該放在大臂上，不應(yīng)該放在小臂上，增加了小臂的重量，增大了小臂的傳動力矩，以及增加了臂部傳動負(fù)荷。

（2）計算機(jī)的有限元的分析沒有做。通過對計算機(jī)有限元軟件的更深層次挖掘，對零件的強(qiáng)度和剛度和臂部的力學(xué)分析，會得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。這個以后可以作為后續(xù)學(xué)習(xí)的方向。

 (3) 移動機(jī)械臂自主控制系統(tǒng)的建立有待于進(jìn)一步研究，以及它的運(yùn)動控制技術(shù)，路徑規(guī)劃技術(shù)，實(shí)時視覺技術(shù)，定位和導(dǎo)航技術(shù)，多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，高性能計算技術(shù)，無線通信與因特網(wǎng)技術(shù)問題也是多個有待研究的方面。

移動機(jī)器人在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應(yīng)用將會越來越廣。包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢，也是我國國防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的方向之一。通過對移動機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計，在整體系統(tǒng)的各各方面積累了比較豐富的設(shè)計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進(jìn)移動機(jī)器人將走向成熟和實(shí)用化。

未來移動機(jī)器人將有以下主要特點(diǎn):

(1)更優(yōu)的性能質(zhì)量比;

(2)更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力;

(3)更高的智能性能;

(4)具有成熟的搭載系統(tǒng);

相信隨著社會的進(jìn)步，科技的發(fā)展，本系統(tǒng)的研究將具有很大的市場潛力和廣闊的發(fā)展前景。

致  謝

論文是在老師的精心指導(dǎo)下完成的，自論文的選題到各章中若干重要基本問題的研究都傾注了導(dǎo)師的智慧。周老師淵博的知識、敏銳的洞察力以及富于啟發(fā)性的分析使我受益匪淺，周老師嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)作風(fēng)和勤奮進(jìn)取的工作精神使我受到極大的鞭策。在此，謹(jǐn)向我最尊重的周老師老師致以最誠摯的謝意!

特別感謝我的父母，他們一直無條件的支持我的學(xué)業(yè)和研究。感謝一切幫助過我的朋友，感謝網(wǎng)上提供資料的朋友……兩年來，我還得到了許多老師與諸多同學(xué)的大力支持與幫助，在此向所有曾經(jīng)關(guān)心和幫助我的人一并表示感謝!最后還要感謝百忙中抽出時間審閱我論文的老師，對他們的付出表示真誠的感謝! 

參 考 文 獻(xiàn)

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