工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì).doc

1緒論11緒論1.1引言移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。在軍事、危險(xiǎn)操作和服務(wù)業(yè)等許多場(chǎng)合得到應(yīng)用，需要機(jī)器人以無(wú)線方式實(shí)時(shí)接受控制命令，以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動(dòng)1。移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為輪式、履帶式、腿足式等，其中輪式機(jī)器人由于具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、活動(dòng)靈活等特點(diǎn)尤為受到青睞。按照移動(dòng)特性又可將移動(dòng)機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的類(lèi)型也很多，對(duì)于一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，都不能進(jìn)行任意的定位和定向，而全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)則可以利用車(chē)輪所具有的定位和定向功能，實(shí)現(xiàn)可在二維平面上從當(dāng)前位置向任意方向運(yùn)動(dòng)而不需要車(chē)體改變姿態(tài)，在某些場(chǎng)合有明顯的優(yōu)越性；如在較狹窄或擁擠的場(chǎng)所工作時(shí)，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時(shí)候，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)自己的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整2。由于全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一般輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法取代的獨(dú)特特性，對(duì)于研究移動(dòng)機(jī)器人的自由行走具有重要意義，成為機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)?；谝陨纤?，本文從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)一種帶有機(jī)械手臂的全方位運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活，機(jī)械手臂使之能夠執(zhí)行預(yù)定的操作。本文是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。1.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀國(guó)外很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了全方位移動(dòng)機(jī)器人的研制工作，在車(chē)輪設(shè)計(jì)制造，機(jī)器人上輪子的配置方案，以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面，進(jìn)行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品。這方面日本、美國(guó)和德國(guó)處于領(lǐng)先地位。八十年代初期，美國(guó)在DARPA的支持下，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CarnegieMellonuniversity,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（MassachusettsInstituteofTechnology,MIT）等院校開(kāi)展了自主移動(dòng)車(chē)輛的研究，NASA下屬的JetPropulsionLaboratery(JPL)也開(kāi)展了這方面的研究。CMU機(jī)器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機(jī)器人代表了室外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展方向。德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀(jì)九十年代研制成VaMoRs-P移動(dòng)機(jī)器人。其車(chē)體采用奔馳500轎車(chē)。傳感器系統(tǒng)包括：4個(gè)小型彩色CCD攝像機(jī)，構(gòu)成兩1緒論2組主動(dòng)式雙目視覺(jué)系統(tǒng)；3個(gè)慣性線性加速度計(jì)和角度變化傳感器。SONY公司青島大學(xué)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文31999年推出的寵物機(jī)器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾，而且摔倒后可以立即爬起來(lái)。本田公司1997年研制的HondaP3類(lèi)人機(jī)器人代表雙足步行機(jī)器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米，工作時(shí)間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/小時(shí)。國(guó)外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進(jìn)行介紹。麥克納姆輪3，如圖1.1所示，它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構(gòu)成，輪子和滾子之間的夾角為Y，通常夾角Y為45，每個(gè)輪子具有三個(gè)自由度，第一個(gè)是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，第二個(gè)是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，第三個(gè)是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。輪子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余兩個(gè)自由度自由運(yùn)動(dòng)。由三個(gè)或三個(gè)以上的Mecanum輪可以構(gòu)成全方位移動(dòng)機(jī)器人。圖1.1麥克納姆輪198411lgf圖1.2麥克納姆輪應(yīng)用正交輪4，由兩個(gè)形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架，固定在一個(gè)共同的殼體上構(gòu)成，如圖1.3所示.每個(gè)球形輪子架有2個(gè)自由度，即繞輪子架的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)輪子架的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向相同，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)輪子的軸線方向相互垂直，因而稱(chēng)為正交輪。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所所研制的全方位移動(dòng)機(jī)器人采用了這種結(jié)構(gòu)，如圖1.4。青島大學(xué)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4圖1.3正交輪圖1.4正交輪的應(yīng)用球輪由一個(gè)滾動(dòng)球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動(dòng)滾子組成，其中支撐滾子固定在車(chē)底盤(pán)上，驅(qū)動(dòng)滾子固定在一個(gè)可以繞球體中心轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上，如圖1.6所示。每個(gè)球輪上的驅(qū)動(dòng)滾子由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使球輪繞驅(qū)動(dòng)滾子所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)5。圖1.5球輪圖1.6球輪的應(yīng)用偏心萬(wàn)向輪4，如圖1.7所示，它采用輪盤(pán)上不連續(xù)滾子切換的運(yùn)動(dòng)方式，輪子在滾動(dòng)和換向過(guò)程中同地面的接觸點(diǎn)不變，因而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)使機(jī)器人振動(dòng)，同時(shí)明顯減少了機(jī)器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。圖1.7偏心萬(wàn)向輪圖1.8偏心萬(wàn)向輪的應(yīng)用1.2.2國(guó)內(nèi)全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀我國(guó)在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究工作起步較晚，上世紀(jì)八十年代末，國(guó)家863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域自動(dòng)機(jī)器人主題確立立項(xiàng)，開(kāi)始了這方面的研究。在國(guó)防科工委和國(guó)家863計(jì)劃的資助下，由國(guó)防科大、清華大學(xué)等多所高校聯(lián)合研制軍用戶(hù)外移動(dòng)機(jī)器人7B.8,并于1995年12月通過(guò)驗(yàn)收。7B.8的車(chē)體是由躍進(jìn)客車(chē)改進(jìn)而成,車(chē)上有二維彩色攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)、超聲傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式機(jī)構(gòu)為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h。避障速度達(dá)到5-10km/h。上海大學(xué)研制了一種全方位越障爬壁機(jī)器人,針對(duì)清洗壁面作業(yè)對(duì)機(jī)器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)車(chē)輪組機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人可在保持姿態(tài)不變的前提下,沿壁面任意方向直線移動(dòng),或在原地任意角度旋轉(zhuǎn),同時(shí)能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行中的障礙,不需要復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu)青島大學(xué)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文5來(lái)實(shí)現(xiàn)平面上運(yùn)動(dòng)和越障運(yùn)動(dòng)之間轉(zhuǎn)換。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動(dòng)式作業(yè)型智能服務(wù)機(jī)器人，并對(duì)課題當(dāng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如新型全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)、七自由度機(jī)器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術(shù)，最后給出了移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)控制方案。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆國(guó)榮，張海兵研究一種新型全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于：這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直，則輪子主動(dòng)的滾動(dòng)和從動(dòng)的橫向滑移之間將是真正相互獨(dú)立的；輪子正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪緣上的小滾子也將是純滾動(dòng)8，如圖1.9。圖1.9全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真圖1.3主要研究?jī)?nèi)容本課題從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)一種帶有操作臂的全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活，機(jī)械手臂使之能夠執(zhí)行預(yù)定的操作。本課題是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。本文研究?jī)?nèi)容主要有：了解和分析已有的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的工作原理和結(jié)構(gòu)，以及分析操作手臂常用的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出可行性方案，并選擇最佳方案來(lái)設(shè)計(jì)。根據(jù)選定的方案對(duì)帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行本體設(shè)計(jì)，包括全方位車(chē)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、車(chē)輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)器人操作臂的設(shè)計(jì)。要求全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向、移動(dòng)靈活，可以快速、有效的到達(dá)指定地點(diǎn)；機(jī)械臂操作范圍廣、運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊且尺寸小，可以快速、準(zhǔn)確的完成指定工作。設(shè)計(jì)完成后要分析全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。2全向移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)62全向移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1引言機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在平面內(nèi)任意角度的移動(dòng)，能夠以一定姿態(tài)到達(dá)預(yù)定位置。根據(jù)這一總體思想，進(jìn)行本機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計(jì)。2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，包括對(duì)機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對(duì)組成零件的設(shè)計(jì)要求兩個(gè)方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。a.對(duì)機(jī)器整機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求對(duì)機(jī)器使用功能方面的要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。另外操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)所要求的。對(duì)機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的要求：機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過(guò)程中，在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實(shí)現(xiàn)使用要求的最簡(jiǎn)單的技術(shù)途徑和最簡(jiǎn)單合理的結(jié)構(gòu)。b.對(duì)零件設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，對(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)要求最終都是通過(guò)零件的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足的要求是從設(shè)計(jì)機(jī)器的要求中引申出來(lái)的，即也應(yīng)從保證滿(mǎn)足機(jī)器的使用功能要求和經(jīng)濟(jì)性要求兩方面考慮。要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康墓ぷ鳎瑥亩ＷC機(jī)器的各種功能的正常實(shí)現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件在強(qiáng)度、剛度、震動(dòng)穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿(mǎn)足的條件，這些條件就是判定零件工作能力的準(zhǔn)則。要盡量降低零件的生產(chǎn)成本，這要求從零件的設(shè)計(jì)和制造等多方面加以考慮。設(shè)計(jì)時(shí)合理的選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級(jí)以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。任何一種機(jī)器都有動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)組成。動(dòng)力機(jī)是機(jī)器工作的能量來(lái)源，可以直接利用自然資源（也稱(chēng)為一次能源）或二次能源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，如內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)馬達(dá)、水輪機(jī)等。工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)能力，如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動(dòng)裝置則是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。青島大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文72.3全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人本體時(shí)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：（1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和修理。（2）應(yīng)給機(jī)器人暫時(shí)未安裝的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來(lái)功能改進(jìn)與擴(kuò)展。對(duì)比緒論中各轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選用全方位輪式機(jī)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)。全方位輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)包括縱向、橫向和自轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)7。車(chē)輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征與其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比車(chē)輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)有下列一些優(yōu)點(diǎn)：能高速穩(wěn)定的移動(dòng)，能量利用率高，機(jī)構(gòu)的控制簡(jiǎn)單，而且它可以能夠借鑒日益完善的汽車(chē)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)等。它的缺點(diǎn)是移動(dòng)只限于平面。目前，需要機(jī)器人工作的場(chǎng)所，如果不考慮特殊環(huán)境和山地等自然環(huán)境，幾乎都是人工建造的平地。所以在這個(gè)意義上車(chē)輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的利用價(jià)值可以說(shuō)是非常高的。圖2.1是全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)期設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，可調(diào)速，便于控制。車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向是獨(dú)立控制的，全方位移動(dòng)機(jī)器人采用前后輪成對(duì)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制轉(zhuǎn)向，以及控制每輪旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)8。圖2.1全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖2.3.1移動(dòng)機(jī)器人車(chē)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在車(chē)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)