移動機器人機械臂的設計【9張CAD高清圖紙、文檔所見所得】

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計（論 文）任 務 書1本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的： 本課題以小型地面移動機器人的機械臂為研究對象，要求學生綜合運用所學基礎理論知識,根據(jù)被抓取工件的結構尺寸、重量及工況，進行結構選型、機構設計。本課題的研究從功能需求分析入手，根據(jù)設計要求，構思機構運動形式、結構尺寸和傳動布局，并進行機構、零部件設計計算等環(huán)節(jié)的實踐，來培養(yǎng)學生的設計、計算、制圖及計算機應用能力，以提高同學分析與解決工程實際問題的能力。2本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：內(nèi)容：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。 要求：（1）根據(jù)教師提供的部分材料和所布置任務，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）設計機械臂及夾持機構。設計要求：機械臂折疊時總長650mm，單臂桿轉動范圍:150，旋動速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重7kg。機器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長寬高=800mm540mm260mm。機械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。（4）對系統(tǒng)進行機構分析、設計與計算。（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）編寫設計、計算說明書。 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書3對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求包括畢業(yè)設計論文、圖表、實物樣品等：（1）繪制機器人機械臂系統(tǒng)的三維造型圖、裝配圖及部分零件圖。（2）根據(jù)系統(tǒng)的設計計算和分析結果編寫設計、計算說明書。（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：1 張毅等. 移動機器人技術及其應用M. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.2 李新春等.移動機械手結構設計J. 機器人，2004（11）：103106.3 李振波等.微型全方位移動機器人的研制J. 機器人，2000（9）：354358.4 常文森,賀漢根,李晨.軍用移動機器人技術發(fā)展綜述J. 計算技術與自動化，1998（2）：26.5 江浩,樊炳輝等.新型移動機器人的結構設計J. 應用科技，2000（8）：35.6 馬香峰等.工業(yè)機器人的操作機設計M.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.7 蔣新松. 機器人學導論M. 沈陽：遼寧科學技術出版社，1994.8 蘇學成.樊炳輝等，一種新型的機器人移動結構J.機械工程學報，2003（4）：120123.9 R西格沃特,I諾巴克什,自主移動機器人導論M李人厚,譯.西安：西安交通大學出版社，2006.10 王野，王田苗等.危險作業(yè)機器人關鍵技術綜述J.機器人技術與應用,2005(6):2331. 11 文福安,梁崇高,廖啟征. 并聯(lián)機器人機構位置正解J.中國機械工程,1999.12 黃亞樓,盧桂章. 微機機器人和精密操作的研究發(fā)展M. 機器人,1992(4).13 王昆,何小柏,汪信遠. 機械設計課程設計M. 高等教育出版社,2005.14 朱磊磊,陳軍.輪式移動機器人研究綜述J.機床與液壓,2009,37(8):242247.15 鄭超,趙言正,付莊.一種小型履帶機器人的結構設計和實現(xiàn)J.機電一體化,2007,4:7072.16 陳學東等.四足機器人爬行步態(tài)的正運動學分析J.機械工程學報.2003,39(2):812.畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書5本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：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。對課題方案進行構思、分析比較并理出思路，撰寫開題報告。初步設計。根據(jù)設計指標的要求對移動機器人機械臂系統(tǒng)進行方案設計與三維造型。詳細設計。根據(jù)設計指標的要求，對選定的系統(tǒng)方案進行機構分析、作詳細的結構設計與計算。繪制移動機器人機械臂系統(tǒng)裝配圖，拆畫部分零件圖繪制改進后的小臂部件裝配圖與零件圖。撰寫設計、計算說明書。修改論文，準備答辯。論文答辯所在專業(yè)審查意見：負責人： 年 月 日學院（系）意見：院（系）領導： 年 月 日 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 頁 共 頁目 錄1 引言 1 1.1 移動機器人機械臂的研究意義及目的 1 1.2 移動機器人的發(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 移動機器人機械臂的總體設計 7 2.1 機械臂結構的確定 7 2.2 機械臂設計的主要參數(shù) 7 3 移動機器人機械臂的手部結構設計 8 3.1 手部結構設計要求 9 3.2 傳動方式的選擇 9 3.3 手部結構的設計 9 3.4 電機的計算與型號選擇 12 3.5 材料的選擇與強度校核 14 3.6 本章小結 17 4 移動機器人機械臂的臂部結構設計18 4.1 臂部結構設計要求 18 4.2 臂部結構的設計 194.3 臂部電機的選擇 265 移動機器人機械臂的肩部結構設計 28 5.1 肩部的傳動方式 285.2 肩部結構的設計 295.3 肩部電機的選擇 315.4 肩部直流電機的計算325.5 肩部伺服電機與臂部和手部步進電機的控制 336 移動機器人機械臂的結構分析 306.1 機械臂總體結構分析376.2 機械臂的肩部結構分析 396.2 本章小結 39結束語 42 致謝 45參考文獻 46 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 47 頁 共 47 頁1 引言1.1 移動機器人機械臂的研究意義及目的本文以實際項目小型地面移動機器人的機械臂為研究對象。設計移動機器人的機械臂的結構。所謂移動機械臂，就是將機械臂安裝在是一個小型多用途移動作業(yè)機器人智能移動平臺，小型多用途移動作業(yè)機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)。移動機械臂用來實現(xiàn)一些動作如抓取，可以在機械臂的末端執(zhí)行器上安裝一定的工具進行作業(yè)，通過移動平臺的移動來擴大機械臂的工作空間，這種結構使移動機械臂擁有更大的操作空間和高度的運動冗余性，并同時具有移動和操作功能，這使它優(yōu)于傳統(tǒng)的機械臂，則具有了更廣闊的應用前景1。目前智能移動機器人正向著擬人化、仿生化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應用也越來越廣泛，幾乎滲透到各個領域2。移動機器人技術的研究屬于多學科相互交叉，相互滲透的，對它的研究具有很大的理論價值和廣闊的應用前景。在工業(yè)機器人問世40多年后的今天，機器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時隨著科學技術的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，機器人的功能己不再是只能從事某項簡單的操作，而是可以承擔多種任務;機器人的工作環(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)進入醫(yī)院、家庭和娛樂場所。具有智能特性的自主式移動機器人正在向非制造業(yè)方向擴展，這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護理、服務、農(nóng)林、辦公自動化和災害救護等，如飛行機器人、海難救援機器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機器人、護理機器人等。近年來，對移動機器人的研究受到重視，仿照生物的功能而發(fā)明的各種移動機器人越來越多，小到娛樂機器人玩具、家用服務機器人，大到工程探險、反恐防爆、軍事偵察機器人等。相應地，這些領域對所應用的移動機器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機器人的運動速度、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器人成為了國內(nèi)外研究的熱點。歷史上一切高新技術無不首先應用于軍事領域，移動機器人機械臂也不例外。隨著二十世紀末的幾場局部戰(zhàn)爭和二十一世紀初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭進程，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)場機器人憑借自身的優(yōu)勢特點，已經(jīng)在本世紀的戰(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)，微小型地面移動機器人由于體積小、隱蔽性好、快速反應、機動性好、生存能力強、成本低等特點，并且可以在遠程遙控甚至自主情況下完成部分原本由士兵完成的任務，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，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，可以證明它們在未來戰(zhàn)場上的重要地位。微小型無人移動機器人的機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 移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究小型地面移動機器人機械臂在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應用將會越來越廣。包括在軍事領域中的應用將是發(fā)展的必然趨勢，也是我國國防科技行業(yè)重點支持的方向之一。通過對小型移動機器人機械臂系統(tǒng)研制，在整體系統(tǒng)的各個方面積累了比較豐富的設計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進移動機器人機械臂將走向成熟和實用化。未來移動機器人機械臂將有以下主要特點:更優(yōu)的性能質量比;更強的環(huán)境適應能力;更高的智能性能;具有成熟的機械臂系統(tǒng);軍品級別的可靠性。1.2.1 國外移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀國外在移動機器人機械臂方面的研究起步較早，初期的研究主要從學術角度研究室外機器人的體系結構和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高而導致室外移動機器人機械臂的研究未達到預期的效果，但卻帶動了相關技術的發(fā)展，為探討人類研制智能機器人機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器人機械臂的研究與開發(fā)。進入90年代，隨著技術的進步，移動機器人機械臂開始在更現(xiàn)實的基礎上開拓各個應用領域，向實用化進軍。例如2002年IRobot研制的金字塔探測機器人“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)。機器人身帶5件法寶:超聲波傳感器、地面探測雷達系統(tǒng)、力度測量儀、高分辨率光纖鏡頭和導電傳感器，具備世界上最小的地面探測雷達系統(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器人。他的大腦是一臺高速計算機，車體靠自身具有的六個輪子在火星地面運動，視覺系統(tǒng)采用一對全景照相機來拍攝火星表面和天空的全景視圖，也用于形成著陸點附近的地形圖、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，由一組立體影像的黑白攝影機所構成的，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。最先進的要數(shù)探測車上的機械手臂，手臂末端裝備了各種工具，有顯微鏡成像儀、三種質譜儀和兩種分光計，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”輪式機器人。該機器人可用于清理雷場和處理炸藥等危險物品。該車長1. 4m,寬0. 67m、高0. 8m、重350kg、(6 X 6)驅動、動力裝置為1臺電動機，車上供電蓄電池可使用2h，車速(前進或后退)可在0 至6. 5km/h之間連續(xù)變化。車上裝有活動操作臂，有6個自由度，固定在機器人車的旋轉塔上。機械臂不伸長時可吊重80kg，伸直時最長為1. 5m，此時可吊重16kg。操作臂頂端裝有夾爪，夾緊力可達30kg，能把物體提升至2. 75m高。該車采用100m(或250m)長的電纜或無線電裝置進行遙控。機械手完成整個操作過程必須借助1臺黑白或彩色電視顯示器，顯示車上3個攝像機獲得的監(jiān)視駕駛、機械臂控制和夾爪操作的圖像。車上裝有兩個鹵氣探照燈，可在夜間或能見度很低的地區(qū)使用。除室外移動機器人外，世界各國在遙控移動機器人、高完整性機器人、生態(tài)機器人學(生物機器人學)、多機器人系統(tǒng)、環(huán)境與移動機器人系統(tǒng)的集成等方面都作了大量的研究。1.2.2 國內(nèi)移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)對移動機器人機械臂的研究起步雖然較晚，但經(jīng)過近幾十年的發(fā)展也取得了很大進步，但大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段。國內(nèi)的移動機器人機械臂研究主要經(jīng)歷了算法的研究和仿真、國外機器人平臺的引進和自主開發(fā)三個階段。下面是國內(nèi)的主要研究成果?！熬盼濉逼陂g由浙江大學、南京理工大學、國防科大、清華大學、北京理工大學聯(lián)合研制了ALVLABII型陸地移動機器人，并成功完成了全部實驗測試，正常行駛速度為30.6km/h，同時支持臨場感遙控駕駛及戰(zhàn)場偵察等功能。清華V型智能車THMR-V是清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室在中科院院士張錢教授主持下研制的新一代智能移動機器人，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，裝備有彩色攝像機和激光測距儀組成的道路與障礙物檢測系統(tǒng);由差分GPS、磁羅盤和光電碼盤組成的組合定位導航系統(tǒng)等。兩套計算機系統(tǒng)分別進行視覺處理，完成信息、融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。4臺IPC工控機分別完成激光測距信J息、處理、定位信息、處理、通訊管理、駕駛控制等功能。設計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構化環(huán)境下，進行道路跟蹤和避障礙自主行駛。清華大學智能車涉及到五個方面的關鍵技術：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術，路徑規(guī)劃的仿真技術，傳感技術、信息融合技術和智能移動機器人的設計和實現(xiàn)。DY- I型導游服務機器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學機器人技術公司推出的新一代智能導游機器人，該機器人由伺服驅動系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語言識別及語言合成系統(tǒng)組成。導游機器人由蓄電池供電，可連續(xù)運行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進行避障，并通過語啟一系統(tǒng)可以進行人機交互。此外還有香港城市大學智能設計自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人、中科院沈陽自動化所研發(fā)了具有自主產(chǎn)權的激光導引AGV和用于公安防暴的“靈晰一B”型移動機器人、中國科學院自動化所自行設計制造的全方位移動機器人導航系統(tǒng)等。本文主要論述是移動機器人機械臂結構設計。1.2.3 移動機器人的研究熱點綜合國內(nèi)外對于移動機器人的研究情況，當代移動機器人的研究主要集中于以下幾個方面。(1)機械臂結構。機械臂機械結構形式的選型和設計，是根據(jù)實際需要進行的。在機械臂機構方面，結合機器人在各個領域及各種場合的應用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當前，對足式步行機器人、履帶式和特種機器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機器人由于其控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向實用化迅速發(fā)展。(2)運動控制技術。穩(wěn)健的運動控制技術是移動機器人整體性能的基礎，由于移動機器人機械臂本身是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅動的零漂移的動力學系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動力學模型和運動學模型，建立合理的反饋控制律，實現(xiàn)速度和轉向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術的核心內(nèi)容。(3)路徑規(guī)劃技術。該技術主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術。由于自主式移動機器人機械臂在行駛中，必須避開它無法通過的或對其安全行駛構成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，顯得更為重要。(4)實時視覺技術。該技術主要涉及到視覺信息的實時采集、預處理、特征提取和模式識別。而且，視覺信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準確性是決定智能機器人整體性能的決定性因素。(5)定位和導航技術。該技術是現(xiàn)代移動機器人機械臂研制所急需的關鍵技術，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術基礎。位置的測量可以分為相對位置測量和絕對位置測量，測量方法有里程計、慣性導航、主動燈塔、磁羅盤、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標導航等。(6)多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術。自主式移動機器人機械臂采用測距技術，GPS定位技術和小型陀螺儀技術等多種傳感技術來采集不同類型的環(huán)境信息。因此，準確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對所處環(huán)境作出準確可靠的描述，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。(7)高性能計算技術。在移動機器人機械臂的早期研究工作中，專用硬件結構為多數(shù)研究者所采用，這是因為當時市場上的通用硬件不能滿足諸如實時圖像處理所需的計算能力。近年來，隨著計算機計算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構建機器人系統(tǒng)。目一前用于移動機器人機械臂的硬件結構多數(shù)采用一個高速通用處理器加上幾個專用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數(shù)學形態(tài)學計算)，或者通過實驗確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來縮小體積，達到優(yōu)化的性能。(8)無線通信與因特網(wǎng)技術。這兩項技術可以實現(xiàn)多機器人臂之間的通信和信息共享，以及移動機械臂與外部的聯(lián)系。本文要研究是移動機器人機械臂結構設計。1.3 本課題的來源和研究內(nèi)容本課題來源于南京市科技局的科技計劃項目，具有較大的應用價值。結合當前小型移動機器人的發(fā)展，而進行移動機器人機械臂的結構設計和計算，要求結構緊湊、輕巧，以提高機器人臂桿系統(tǒng)的運動性能。將移動機械臂安裝在是一個小型多用途移動作業(yè)機器人智能移動平臺，可以用于執(zhí)行爆炸物處理、偵察、通訊、探測系統(tǒng)或其他特殊任務。通過幾個階段系統(tǒng)的分析、設計與計算等過程，提高分析與解決工程實際問題的能力。具備較扎實的機械設計及自動化方面的專業(yè)知識，能較熟練的使用CAD軟件或其他工程設計與分析軟件進行設計。本課題以小型地面移動機器人的機械折疊臂為研究對象，設計了移動機器人機械臂的設計。論文以實際工程為背景，結合移動機器人機械臂研究設計過程中遇見的問題，進行分析。內(nèi)容安排如下：在了解總體尺寸、重量及運動指標的基礎上，進行機構分析和比較；對選定的方案進行機構造型、分析、設計與計算；繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖；編寫設計、計算說明書。設計機械臂及夾持機構。設計數(shù)據(jù)要求：機械臂折疊時總長650mm，單臂桿轉動范圍:150，旋動速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重7kg。機器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長寬高=800mm540mm260mm。機械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。2 移動機器人機械臂的總體設計2.1 機械臂結構的確定作為一款多功能移動機器人，為完成如排爆等任務，抓取危險物品移動至安全爆地點，能夠靈活的移動到指定的目標位置來抓取目標物，能夠方便的伸長、旋轉達到不同的姿態(tài)，自由度太少將大大限制機械手的工作空間，無法抓取目標物，有時考慮到目標物可能置于狹小空間中，還應該使機械手能夠有效達到避障的目的。考慮到還有底盤的移動以及機械臂的重量。本文設計的機械手具有3個自由度。下面分別是手部、臂部和肩部的具體設計。機械臂的結構如圖2.1所示：圖2.1 機械臂的結構1. 手部關節(jié) 2.肘關節(jié) 3.肩關節(jié) 4.轉臺2.2 機械臂設計的主要參數(shù)2.2.1 臂長的確定 加拿大西蒙弗雷澤大學的高峰等人根據(jù)人體手臂和腿部的機構組成，提出了尺寸綜合的三動桿原理19，作為機械手機構運動學、動力學的評價準則。該原理的內(nèi)容是:人體手臂、腿部及動物四肢從機構原理上分析都可以看作三自由度平面三動桿演化來，因為決定它們的運動學和動力學特征的最基本的部分是平面運動，這部分運動被稱為三動桿的主運動，它是瞬時運動軸線平行的三動桿機構運動，三自由度面的動桿機構可以作為上述機構的簡化模型，該機構的運動學、動力學的評價準則同樣可以用來衡量手臂機構的運動學和動力學性質。根據(jù)三動桿基本運動理論，仿人手臂可以看作三動桿機構，即將大臂、小臂、手爪作為三動桿。 假定機械手各部分長度為:上臂A、小臂B、手爪C，L=(A+B+ C)/3，則可得到r1 =A/ L，根據(jù)三動桿機構的性能分析，可以得出下面的結論，即當三桿長度滿足下列條件，r1 : r2 = 11.2，并且r30.5時，三動桿的靈活性和運動幅度較高，同時，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)。當全局條件數(shù)最大時，操作過程中易于實現(xiàn)精度控制。因此，結合三動桿原理，確定機械手的各部分尺寸長度為大臂380mm、小臂420m,手爪160mm。設計該長度還考慮到了機器人的排爆用途，即機械手必須能夠將爆炸物抓取移動，以直徑40mm，長為360mm的圓柱體為例進行了計算，這樣確定了上述尺寸。2.2.2 結構參數(shù)要求及設計的原則（1）結構設計參數(shù)的要求機械臂折疊時總長650mm，單臂桿轉動范圍:150，旋動速度0.5rad/s， 機械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。(2)機械系統(tǒng)是移動機器人機械臂性能的基礎，結構設計參數(shù)直接影響到移動機械臂性能指標。合理的、優(yōu)化的結構設計不僅能提供可靠的機器人本體，更可以減少調(diào)試試驗中的不可靠因素。但是，機械設計周期十分長，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械系統(tǒng)的性能，所以機械系統(tǒng)的設計在本項目中顯得十分重要。 在設計過程中應遵循以下結構設計原則：(a) 結構尺寸方面滿足設計指標;(b) 零件結構便于加工、測量;(c) 滿足剛度強度要求;(d) 總體結構易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理;(e) 給機器人暫時未能夠裝配的傳感器、功能元件等預留安裝位置，以備將來能改進與擴展;(f ) 采用模塊化設計，各個功能模塊之間相互獨立裝配，互不干擾。設計過程中主要使用的設計工具有美國PTC參數(shù)技術公司的三維設計軟件Pro/engineer野火版3.0以及Autodesk公司的二維設計軟件AutoCAD2007。3 移動機械臂機械手部結構設計3.1 手部結構設計要求機械手手部(末端執(zhí)行器)結構形式多樣，但總的設計都有如下幾點基本要求:（1)應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結構龐大，不經(jīng)濟，甚至會損壞抓取物體;力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證夾持安全可靠。（2)手指應具有一定的開閉范圍，手指應具有一定的開閉角度(手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度)或開閉范圍(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離)，以便于抓取或退出物體。（3)應保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應保證每個被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準確的相對位置。 (4)要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。3.2 傳動方式的選擇機械傳動是主要的傳動裝置，常用的有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動等。根據(jù)機械手結構的實際情況選擇齒輪傳動。齒輪傳動是機械傳動中應用最廣泛的一類傳動。它傳動效率高，在正常的潤滑條件下效率可達99%以上；手指的設計將采用平移運動的方式來夾持物體，這里將采用左右螺旋軸和齒輪副一起作為傳動機構來完成末端機構所要求達到的功能。采用這兩種結構使整個末端執(zhí)行器體積小、質量輕。3.3 手部結構的設計工業(yè)機器人應用的雙指機械式夾持器按其手爪的運動方式可分為回轉型和平移型。如圖 3. 1和3. 2 是兩種典型的機械夾持器結構。本文選擇平移型夾持器的結構，它與前者相比具有結構簡單、控制容易的優(yōu)點。圖3.1 回轉型 圖3.2 平移型在手爪的設計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構，該方案見圖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 6一直線電機圖3.3 直線電機帶動齒輪齒條的手爪方案 該結構驅動電機為直線電機，直線電機軸帶動齒條沿軸線方向直線運動，兩個扇形齒輪則在齒條的帶動下實現(xiàn)轉動，從而帶動連桿和與連桿鉸接的夾鉗實現(xiàn)開合動作，該機構從實現(xiàn)上最為簡單?？紤]到與后面要使用電機的配套，如果選擇直線電機，則必須選擇單獨的一套驅動器，勢必增加成本。方案二: 圓柱直齒輪和螺旋軸而方案一為了實現(xiàn)較大的手爪開合尺寸，齒條部分必需做的較長，而在整個手爪開合的行程中，手爪完全張開時，齒條有一部分要伸出手爪殼體。綜合以上因素，實際設計中，對機械手進行了如下的結構設計。傳動機構采用圓柱直齒輪和螺旋軸，整個末端執(zhí)行器體積小、質量輕。兩手指相對于末端執(zhí)行器在左右螺旋的帶動下做平移運動，達到開合作用。手部結構如圖3.4所示。圖3.4 手部結構圖1一步進電機 2一齒輪A 3一導向軸 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)過以上的研究討論從而設計手部結構。手部結構采用超硬鋁合金材料，在保證一定的剛度的同時又降低了整體的重量。前段可以夾持形狀規(guī)則(與手指接觸面為平面)的物體，后段為菱形形狀，可以夾持圓形和不規(guī)則形狀的物體手指伸出長度為 125mm，開合范圍 4-70mm。它的內(nèi)部結構是這樣的，驅動電機1經(jīng)齒輪2傳動齒輪5，驅動左右螺旋軸4使兩手指6、7進行開合運動。兩手指相對于末端執(zhí)行器在左右螺旋的帶動下做平移運動，達到開合作用。兩根導向軸3固定兩手指并引導兩手指的運動軌跡。這種設計可以更好的使機器人完成工作。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電機的計算與型號選擇34.1 電機的計算在確定握力時，除考慮抓取物體重量3Kg外，還應考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和震動，以保證夾持安全可靠。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，可以達到非常高的位姿準確度。綜上所述，本文選擇電機驅動為機械手的驅動方式。本文設計要求夾持的物體重為 m=3000g，設螺紋為 M8，其中徑 r=3.6mm，螺距 P=1mm，當量摩擦系數(shù) f=0.1，Q為軸向載荷，M為螺紋驅動力矩。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 當量摩擦角，= ；螺紋升角，= 帶入數(shù)據(jù),得, 得 （3-3）選用齒輪傳動比 n=1:1，忽略齒輪傳動摩擦及軸承滾動摩擦力矩，根據(jù)上述計算，我們選擇了北京和利時電機公司生產(chǎn)的 28BYG250C-SASSMQ-0071 型步進電機，它的保持轉矩為 90，滿足設計要求。3.4.2 電機的技術參數(shù)及尺寸步進電機的如圖3.6所示：圖3.6 步進電機步進電機的技術參數(shù)如表3. 2所示：表3.2 步進電機的技術參數(shù)步進電機的尺寸如圖3.7所示：圖3.7 步進電機的尺寸步進電機的安裝如圖3.8所示：圖3.8 步進電機的安裝3.5 材料的選擇與強度校核3.5.1 齒輪系材料的選擇對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械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。對于強度、速度和精度要求不高的齒輪傳動，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。本文設計的齒輪副速度要求不高，所以設計選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動要求。3.5.2 齒輪副的強度校核 輪齒在受載荷時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強度最弱。對于制造精度較低的傳動齒輪，由于制造誤差大，實際上多由在齒頂處咬合的輪齒分擔較多的載荷，為便于計算，通常按全部載荷作用于齒頂來計算齒根的彎曲強度。本文設計的是直齒圓柱齒輪，齒數(shù)Z=30，模數(shù)=1 mm，齒寬b=4mm,節(jié)圓直徑，齒形角度，齒輪副的傳動比u=1:1。電機傳動的轉矩T=90。那么齒輪所受的圓周力 （3-4）對于齒輪的校核將從兩方面來計算：1) 齒面接觸疲勞強度的校核齒面接觸疲勞強度的校核公式為； （3-5）式中： 為區(qū)域系數(shù)，標準直齒輪=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 從齒面接觸疲勞強度上來說，齒輪是合格的。(2）齒根彎曲疲勞強度的校核） 本文設計中的齒輪為一懸臂梁。 齒根危險截面的彎曲強度條件式為 （3-7）式中：為齒根危險截面處的理論彎曲應力； 為載荷作用于齒頂時的應力校正系數(shù)，取=1.625； 為載荷作用于齒頂時的齒形系數(shù)，取=2.52； 為彎曲疲勞許用應力 （3-8）其中： 為彎曲疲勞壽命系數(shù)，查得=0.88； 為彎曲疲勞強度極限，取=380； 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。 從而求得： =238.86將所有已知量帶入(7)式，求得： =5.53=238.86以上計算可知，設計的齒輪副是合格的。 (3)殼體件材料的選擇機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，強度大、質量輕，完全符合本文的設計要求。機械手指不是殼體機構，它是實體的。本文設計的手指材料也選用同樣的鋁合金。這有利于材料的購買，同樣這種材料是滿足設計要求的。材料ZAlSi9Mg的彎曲應力240，手指抓去的最大質量為3000g，重力為29.4N。對比兩者的力學性能和受力情況，很顯然此材料來制造手指遠遠滿足設計中的要求。，不會出現(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）材料的選擇機械臂支撐件由于與連接件之間為滑動摩擦,需要選取一種耐摩擦,同時要求強度大,質量輕,價格便宜的材料來制造。工程塑料擁有良好的綜合性能,其強度、剛度、沖擊韌性、抗疲勞等不較高,特別是擁有很高的耐磨性。它可以在無潤滑油的情況下有效的進行工作。由于它相對密度小,因此其強度高。聚甲醛(POM)是一種比較常用的工程塑料。它是以線性結晶高聚甲醛樹脂為基礎的。它有著高強度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學性能。其強度和金屬近似,摩擦因數(shù)小并有自潤滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一種相當便宜的材料。由于本設計中的負荷低,移動機構的速度不快,從而此處選擇有聚甲醛這種工程塑料來制造手部的導向軸。（b）支撐件的校核支撐件是用來支撐機器人主要機械機構的，本文中共用兩個支撐件，直徑各為8mm,手部的兩個導向軸受力幾乎一樣。手部要抓取的物體重量為3Kg。這樣每個導向軸受到的重量有3Kg。受到的重力僅為29.4N。聚甲醛分為均聚和共聚兩種，使用時應注意它們性能上的區(qū)別。共聚甲醛在短期內(nèi)強度好而均聚甲醛柔軟性好。共聚物比均聚物軟化點高10，受載荷時熱變形溫度高，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如表3.3所示：表3.3 聚甲醛成型材料的一般性質(23)項目單位試驗方法ASTM一般型號CF增強型號均聚物共聚物均聚物共聚物物理機械性能比重吸水率(24h浸漬)吸水率*抗張強度相對伸長拉伸模量抗彎強度彎曲模量壓縮強度(10%)剪切強度懸臂梁（缺口）沖擊強度(無缺口)洛氏硬度錐度摩擦摩擦系數(shù)(對鋼)摩擦系數(shù)同材料-%MPa%GPaMPaGPaMPaMPaJ/cmJ/cm-Mg/千周-D570D570D638D638D638D790D790D695D732D256D256D785D1044D1894-1.420.250.2268.6403.197.12.82124.565.70.7451.284M94-1.410.220.1660.8602.8296.12.59107.953.00.63711.17M80140.150.351.560.250.2058.8126.2173.55.03124.565.70.431-M90-1.610.29-127.538.63193.27.55117.766.70.8434.31M79400.150.35表注: 1. 吸水率*（23，50%RH平衡） 聚甲醛的抗壓強度為124.5，抗彎強度為97.1，整個零件的強度和剛度是非常大的。從每個件的受力來看，材料聚甲醛的各個力學性能完全滿足本文的設計要求。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而機器人移動速度慢，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，具有自潤滑性及低摩擦系數(shù)、低磨耗等特點。其動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)相近，粘接較困難。有報導與鋼進行摩擦試驗結果如表3.4所示：表3.4 與硬鋁進行摩擦實驗結果動摩擦系數(shù)0.21 1(P1：0.27MPa)(v1：25cms)比因耗1.32mm3(Nm)臨界Pv值122kPa. ms3.6本章小結本章介紹手部結構設計要求及傳動方式的選擇的比較，手指的設計方案的比較，電機的計算與型號選擇。移動機器人機械臂各零部件所要求的強度、剛度等都不同，應該選用不同的材料來制造加工。所以本章就依據(jù)機器人在工作過程中各零部件不同受力情況，以及機械設計的要求選用了不同的材料來制造零件，并對零件進行了強度校核，使其達到工作要求。4 臂部結構4.1 臂部結構設計的基本要求手臂部件是機械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動它們做空間運動。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)抓取物體，則移動臂部自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部設計基本要求: （1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉，應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，機械手常采用無縫鋼管作為導向桿，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)部還可以布置驅動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結構緊湊、外形整齊。（2)臂部運動速度要高，慣性要小在一般情況下，手臂的移動要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時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。 為減少轉動慣量，應采取以下措施: (a) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料; (b) 減少手臂運動件的輪廓尺寸 (c) 減少回轉半徑 (d) 驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置(3)手臂動作應靈活。為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。(4)位置精度要高。一般來說，直角和圓柱坐標系機械手位置精度高;關節(jié)式機械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設定位裝置和檢測機構，能較好的控制位置精度。本文采用鋁合金材料設計成薄壁件，一方面保證機械臂的剛度，另一方面可減小機械臂的重量，減小基座關節(jié)電機的載荷，并且提高了機械臂的動態(tài)響應。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設計。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：鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 200200 200200500500 500500 58 1012 1520 35 410 1015 46 812 1220 35 68 33.5 46 35 68 表4.1砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm）以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結構設計的特點，在特種鑄造方法中，應根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點進行相應的鑄件結構設計。本文機械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。4.2 臂部結構設計4.2.1 臂部結構大臂部工字鋼結構如圖4.1所示圖4.1 大臂部工字鋼結構圖小臂部工字鋼結構圖如圖4.2所示：圖4.2 小臂部工字鋼結構圖肘關節(jié)的三維爆炸圖如圖4.3所示：圖4.3 肘關節(jié)三維爆炸圖肘關節(jié)的三維零件圖如圖4.4所示：圖4.4 肘關節(jié)三維零件圖肘關節(jié)剖視圖如圖4.5所示：圖4.5 肘關節(jié)剖視圖1一圓錐齒輪A 2一圓錐齒輪B 3一軸套 4一滾動軸承 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 12一電機圓錐齒輪的嚙合面和齒隙是相互影響的，在檢查調(diào)整時不能單一地檢查調(diào)整嚙合面或齒隙，而應綜合檢查調(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)圓處進行測量。如果齒隙不正確，要根據(jù)嚙合面的實際情況，在嚙合面允許變化的范圍內(nèi)進行調(diào)整。調(diào)整齒隙后，要檢查齒背不平齊差，即配對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 臂部肘關節(jié)直齒圓錐齒輪傳動的設計一對直齒圓錐齒輪傳動如圖4.6所示：圖4.6 一對直齒圓錐齒輪傳動參數(shù)選擇時應注意，直齒圓錐齒輪最小齒數(shù)為，齒數(shù)比不宜過大。齒寬系數(shù)不應過大，因為圓錐齒輪的齒越寬，制造、安裝誤差就越大，偏載也越嚴重，故一般取，還應使最小齒寬(1) 選定齒輪材料，熱處理方式 ，齒數(shù)及精度等級 對于一般齒輪傳動，可選用優(yōu)質碳素鋼。A齒輪：45號鋼，調(diào)質HB240270（T255）；B齒輪：45號鋼，正火HB180210（Z195）；兩輪均為軟齒面（HB350）。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),選定齒輪齒數(shù)。按一般的加工能力及 使用要求，初選齒輪精度等級為8級。(2) 初步確定主要參數(shù)由于兩齒輪齒面均為軟齒面（HB350），可以先按齒面接觸疲勞強度進行設計，確定A齒輪的分度圓直徑，即（mm） （4-1）式中：工作轉矩工作情況系數(shù) ，由表49，電動機驅動，工作平穩(wěn)，取1；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1.2；齒寬系數(shù)，由表53取0.3；齒數(shù)比，；齒輪材料接觸疲勞的基本許用應力，由圖413(a)，碳鋼，鋼質，調(diào)質，?。徽?，。 將以上系數(shù)和中的小值代入公式得 （4-2）大端模數(shù) （4-3） 按照表47齒輪標準模數(shù)，選取第一系列模數(shù)值。 然后，再根據(jù)齒根彎曲疲勞強度進行驗算。 （4-4） （4-5）式中： （4-6） （4-7） 動載荷系數(shù)，用平均直徑處的圓周速度按降一級精度（即9級）并由圖420(a)查取，其中 （4-8） （4-9） （4-10）由圖420（a）查得1； （4-11） （4-12） 齒形系數(shù)，查圖427得；齒寬，圓整后取；齒輪材料彎曲疲勞的基本許用應力，可查圖412（c）得：，； （4-13）查圖430得 查圖431得 查圖432得 ， （4-14）由于，故計算小輪齒根彎曲疲勞強度 表明取是合格的。(3) 計算圓錐齒輪的有關參數(shù)工作轉矩： 圓錐齒輪大端分度圓直徑：圓錐齒輪的分錐角，：（） 圓錐齒輪錐距： （4-15）齒寬系數(shù)： （4-16）(4) 計算齒輪嚙合處作用力：圓周力 （4-17）軸向力 （4-18）徑向力 （4-19）當時，一齒輪的徑向力與另一齒輪的軸向力數(shù)值相等而方向相反。即 ，。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機置于小臂殼體內(nèi)。其中方形截面為機械手大臂與小臂的殼體，截面為小臂機構的殼體。機械手手臂剛性好、抗扭能力強、重量輕，所有傳動機構和驅動裝置都置于機械手臂內(nèi)部，外形簡潔。機械手表面還裝有緩沖墊，當驅動裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時，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 大臂的緩沖墊機械臂的2種三維姿態(tài)如圖4.9所示：圖4.9 機械臂三維姿態(tài)機械臂的三維爆炸圖如圖4.10所示：圖4.10 機械臂的三維爆炸圖4.3 臂部電機的選擇電機選型的計算同手部的計算同，則選擇了北京和利時電機公司56BYG250C-SASSBL-0241型號電機。步進電機技術參數(shù)如表4.1所示：表4.1 步進電機技術數(shù)據(jù)電機型號相數(shù)步距角相電阻相電感保持轉矩額定轉矩轉動慣量質量驅動電壓56BYG250C-SASSBL-024120.9/1.81.24.01.040.042600.648 步進電機的矩頻特性曲線如圖4.6所示：圖4.6 步進電機的矩頻特性曲線步進電機的尺寸如圖4.7所示：圖4.7 步進電機的尺寸步進電機的安裝如圖4.8所示：圖4.8 步進電機的安裝5 移動機器人機械臂的肩部結構設計5.1 肩部的傳動方式移動機械臂肩部為繞水平軸旋轉的自由度，搭載物體本身具有繞平軸旋轉的的自由度的機器手。移動機械臂是繞水平軸做一定角度的轉動。移動機械臂的肩部?？梢赃x用螺旋機構或者蝸桿這兩種傳動方式。螺旋機構高低機結構簡單，本身可以自鎖是其優(yōu)點，但是轉速比不是常數(shù)，對于主要抓取物體的肩關節(jié)，不能滿足繞水平方向軸士180。的旋轉，實現(xiàn)機械動力操作比較困難。螺旋機構的主要缺點還有:制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。制造工藝比較復雜，特別是長螺桿更難保證熱處理及磨削工藝質量，剛性和抗振性能較差。摩擦阻力大，傳動效率低(一般為30%60%)，磨損快。對于抓取物體的肩關節(jié)來說，該機構響應慢，不易于控制。蝸桿傳動的特點：蝸桿傳動用于交錯軸傳遞運動及動力。通常交錯角為90度。它的主要優(yōu)點:傳動比大，工作較穩(wěn)定。噪聲低，結構緊湊，可以自鎖。主要缺點：效率低，需要貴重的減摩性有色金屬。選擇蝸桿傳動，主要是考慮到其具有自鎖能的優(yōu)點。因為機械臂要抓取物體，則要求移動機械臂的肩部具有自鎖能力。由于采用具有自鎖功能的蝸輪副傳動還有下述優(yōu)點:(1)由于突然的斷電抓取物體的重量以及本身的重量會在系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的負載干擾力矩，傳動系統(tǒng)處于逆?zhèn)鳡顟B(tài)，如果反傳不能自鎖，執(zhí)行元件軸就會在重量干擾力矩的作用下反轉，撞擊機械臂本體。如不采用自鎖的蝸輪副，就要增加停止旋轉時的自鎖機構，使得結構復雜。(2)傳動比大，結構緊湊，體積小。所以，即使正傳動效率降低，執(zhí)行元件功率提高，移動機械臂的肩關節(jié)隨動系統(tǒng)還是采用具有自鎖功能的蝸輪副為宜。經(jīng)過對上述螺旋機構特點與蝸桿傳動特點進行比較，多功能移動機器人選用了蝸桿傳動作為肩關節(jié)繞水平方向軸士180。移動機械臂肩關節(jié)采用了蝸輪蝸桿傳動機構，實現(xiàn)了旋轉自由度。如圖5.1所示： 圖5.1 移動機械臂肩關節(jié)的三維圖5.2 肩部結構的設計肩部的設計包括傳動結構的構件選擇以及尺寸計算。肩部的結構尺寸完全取決于搭載對象的尺寸及質量，以及搭載對象對肩部的作用力。前面介紹了肩部的傳動結構為蝸輪蝸桿傳動，具體圖紙設計如圖5.1和圖5.2所示：圖5.2 表示移動機械臂肩部主視圖1一齒輪A 2一電機座 3一齒輪B 4一螺釘 5一蝸輪軸 6一滾動軸承7一軸承端蓋 8一螺釘 9一銷10一電機EC45+減速器圖5.2 表示移動機械臂的肩部的左視圖11一蝸輪 15一螺釘 19一止動墊圈12一螺釘 16一連接法蘭 20一滾動軸承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順序:首先減速箱將減速后的電機的旋轉運動，通過一對齒輪傳動傳遞給蝸桿軸，蝸桿與蝸輪嚙合，帶動蝸輪轉動，蝸輪與一根水平軸通過軸套相連接，最終實現(xiàn)了搭載系統(tǒng)繞水平軸旋轉的自由度。圖5.2采用空心軸的設計。通過采用空心軸的方法，電機的電源接線與運動控制信號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，只要通過適當增大外徑，即可增加軸的強度，并適當降低軸質量。蝸桿傳動在這個系統(tǒng)中起著關鍵性的作用，下面主要針對這一對蝸輪蝸桿副進行參數(shù)計算。常用普通圓柱蝸桿傳動的種類有阿基米德圓柱蝸桿(ZA型)，漸開線圓柱蝸桿(ZI型)。漸開線圓柱蝸桿(ZI型):端面齒廓為漸開線。這種蝸桿可以磨削，加工精度容易保證，傳動效率高。一般用于蝸桿頭數(shù)較多(C3頭以上)，轉速較高和要求較精密的傳動，如滾齒機、.磨齒機上的精密蝸桿副等。阿基米德圓柱蝸桿(ZA型):車制。這種蝸桿加工方便，應用廣泛，但導程角大時加大困難，齒面磨損較快。因此，一般用于頭數(shù)較少，載荷較小、低速或不太重要的傳動。通過對二者的特征進行比較，可見多功能移動機器人應該選擇阿基米德圓柱蝸桿，即ZA型蝸桿。蝸桿副的設計，主要確定以下參數(shù):(1)中心距a=43(2)蝸桿頭數(shù)z=1;(3)蝸桿模數(shù)m=2，分度圓直徑d1=28;(4)傳動比i=32;(5)蝸輪變位系數(shù)x, = 0 .普通圓柱蝸桿傳動變位的主要目的是配湊中心距。此外還可以提高傳動的承載能力和效率，消除蝸桿的根切。5.3 肩部電機的選擇 移動機械臂的肩關節(jié)選用驅動電機為瑞士MAXON公司的直流無刷電機136211-EC40-250W 。電機選主要參數(shù)如表5.1所示。表5.