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

1、移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(guó)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(lái)看，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)智能化的硬件平臺(tái)。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(guó)防安

2、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(dòng)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(wú)論何種形狀的機(jī)器人，都至少具有移動(dòng)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(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。(2)僅具有操作能力的機(jī)械臂。(3)具有移動(dòng)和操作能力的移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)。自上世紀(jì)60 年代以來(lái)，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(duì)位置精度要求較高，而絕對(duì)位

3、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(duì)的環(huán)境越來(lái)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(dòng)和操作的能力。搭載在移動(dòng)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?dòng)能力，故又被稱為移動(dòng)機(jī)械臂。它既具有移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能又具有機(jī)械臂的執(zhí)行功能。最初的移動(dòng)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?dòng)平臺(tái)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(lái)源于南京市科技局的科技計(jì)劃項(xiàng)目。通過(guò)進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)

4、構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算等，使得移動(dòng)機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，高運(yùn)動(dòng)性能等特點(diǎn)。1.2 理論的淵源及演進(jìn)過(guò)程移動(dòng)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Nils Nilssen 和Charles Rosen 等人，在1966年至1972年中研發(fā)出了取名Shakey的自主移動(dòng)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(lái)，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(dòng)作的機(jī)械。它也可以簡(jiǎn)稱為示教再現(xiàn)方式的機(jī)器人或是T/P 方式(Teaching/P

5、layback)的機(jī) 器人。目前國(guó)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(dòng)作而對(duì)周圍環(huán)境無(wú)感覺(jué)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(jué)、觸覺(jué)等外部感覺(jué)功能的機(jī)器人。這種機(jī)器人由于具有外部的感覺(jué)功能，因此可以根據(jù)外界的情況修改自身的動(dòng)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(jué)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

6、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(tái)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(duì)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(dòng)機(jī)器人（MobileRobot）技術(shù)的研究5 。如美國(guó)Hughes人工智能中心在1987 年開始的移動(dòng)機(jī)器人越野實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)科研院所也在同一時(shí)期開展了移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人THMR（Tsinghua MobileRobot）。將機(jī)械臂應(yīng)用于移

7、動(dòng)平臺(tái)的案例也越來(lái)越多，如在軍事行動(dòng)和反恐行動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的今天，為移動(dòng)平臺(tái)安裝機(jī)械臂或者說(shuō)為機(jī)械臂提供移動(dòng)基座是當(dāng)今移動(dòng)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(dòng)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(shì)。1.3 移動(dòng)機(jī)械臂研究的綜述在焊接、噴涂和搬運(yùn)等工業(yè)自動(dòng)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(duì)于宇宙空間、反恐戰(zhàn)場(chǎng)、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

8、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(lái)說(shuō)明其當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。1.3.1 國(guó)外有關(guān)研究的綜述在移動(dòng)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(jiàn)圖1-1 。通過(guò)裝載不同的模塊，TALON 機(jī)器人被用來(lái)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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)中由機(jī)器人小車本體和肩部、肘部

9、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(duì)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(guó)東北大學(xué)，對(duì)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11所示。除此之外，應(yīng)用較多的移動(dòng)機(jī)械臂還有美國(guó)iRobot 公司研制的PackB

10、otTMEOD 和PackBotTM510 移動(dòng)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(duì)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(dòng)關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)與諧波齒輪的傳動(dòng)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)）

11、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(zhǎng)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(guó)內(nèi)有關(guān)研究的綜述國(guó)內(nèi)對(duì)移動(dòng)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(yáng)自動(dòng)化研究所研制的靈蜥系列移動(dòng)機(jī)器人，其本體主要由移動(dòng)小車、機(jī)械臂和控制中心構(gòu)成，其中有代表性的型號(hào)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(jiàn)圖1-2。靈蜥-H機(jī)器人在靈蜥一B的基礎(chǔ)上，改進(jìn)

12、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(guò)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(cè)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(guò)一款名為Super-D的反恐防暴機(jī)器人，見(jiàn)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(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域現(xiàn)在已經(jīng)有了較大的發(fā)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有較長(zhǎng)的路要走，比如國(guó)外的移動(dòng)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(shì)，而國(guó)內(nèi)機(jī)械臂設(shè)計(jì)中還缺少這種指導(dǎo)思想。圖 12 靈蜥-H 警用反恐機(jī)器

13、人 圖 13 Super-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(dòng)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(duì)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(duì)課題提出的移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人的機(jī)械折疊臂為研究對(duì)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(dòng)特性等指標(biāo)。具體指標(biāo)如下： （1）機(jī)械臂折疊時(shí)總長(zhǎng)650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)范

14、圍:150°，旋動(dòng)速度0.5rad/s，系統(tǒng)自重7kg。（2） 機(jī)器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長(zhǎng)×寬×高=800mm×540mm×260mm。 （3）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。2.3 移動(dòng)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(dòng)副又稱為關(guān)節(jié)（joint),由于結(jié)構(gòu)和便于驅(qū)動(dòng)的原因，常用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)，并分別用R和P表示。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)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(dòng)通常稱為操

15、作機(jī)的主運(yùn)動(dòng)。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：（1） 直角坐標(biāo)型(cartesian coordinate robot)直角坐標(biāo)型具有三個(gè)移動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)速度較低。（2） 圓柱坐標(biāo)型（cylindrical coordinate robot)圓柱坐標(biāo)型具有兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(PPR)，手部坐標(biāo)為(z,r,), 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(jiǎn)單，手部可獲得較高的速度。缺點(diǎn)

16、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。（3） 球坐標(biāo)型(polar coordinate robot)球坐標(biāo)型具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)(RRP) ,手部坐標(biāo)為 (r,)。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。（4） 關(guān)節(jié)型（articulated robot）關(guān)節(jié)型機(jī)器人（articulated robot）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(dòng)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(dòng)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

17、空間體積小，相對(duì)的工作空間最大，還能繞過(guò)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(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過(guò)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(dòng)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(chǎng)合，對(duì)動(dòng)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(guó)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(guò)程中，其最主要的功能就是實(shí)現(xiàn)

18、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(lái)表示，通過(guò)對(duì)這6 個(gè)參數(shù)的確定來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)末端操作器的位姿任意性。但在一些工作場(chǎng)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(shì)。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

19、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(duì)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(dòng)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(dòng)，其靈活工作空間可視為由上臂和前臂手腕長(zhǎng)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24所示。由機(jī)械臂構(gòu)

20、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(zhǎng)為L(zhǎng)1、前臂長(zhǎng)為L(zhǎng)2 和腕部長(zhǎng)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L1L2，所以機(jī)械臂的靈活工作空間外徑為C2=L1+L2-H。當(dāng)HL1-L2 時(shí)，靈活工作空間內(nèi)徑為L(zhǎng)1-L2+H；當(dāng)HL1-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(lái)說(shuō)機(jī)械臂的靈活工作空間為C4C2 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

21、=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(zhǎng)650mm。這就規(guī)定了最長(zhǎng)的單個(gè)臂桿的長(zhǎng)度。先假設(shè)L1=600mm。由H=L1-L2 可得總長(zhǎng)度L1+L2+H=2L1=1200mm.不同長(zhǎng)度的連桿，對(duì)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(dòng)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(dòng)范圍，它是衡量機(jī)器人工作能力的一個(gè)重要運(yùn)動(dòng)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(guò)程中，工作空間都是一個(gè)需要考慮的重要問(wèn)題。對(duì)于鏈?zhǔn)綑C(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)以及軌跡規(guī)劃分析，目前使用較為廣泛

22、的是采用的D-H坐標(biāo)變換方法對(duì)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(tái)的機(jī)器人工具箱Robotics Toolbox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(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)、傳動(dòng)布置等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合本科階段學(xué)識(shí)情況，這里對(duì)進(jìn)行這樣的簡(jiǎn)化處理：通過(guò)與同一構(gòu)型的成熟機(jī)械臂長(zhǎng)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(zhǎng)度。通過(guò)查找文獻(xiàn)，找到一個(gè)通過(guò)Matlab的遺傳算法迭代1000次后得到的同構(gòu)性機(jī)械臂長(zhǎng)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(zhǎng)mm

23、。而本文所需的機(jī)械臂總長(zhǎng)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(dòng)平臺(tái)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(duì)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(dòng)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

24、置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)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(dòng)與執(zhí)行端分離，能夠有效的將機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)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(dòng)端質(zhì)量，減小機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)于單一，忽略了部分關(guān)機(jī)的細(xì)節(jié)處理，無(wú)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(dòng)部分的質(zhì)量，增大了其轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦損耗較大，傳動(dòng)效率低，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍受限。分離式設(shè)計(jì)需要對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行特定設(shè)計(jì)，開發(fā)周期長(zhǎng)，由于其傳

25、動(dòng)鏈較長(zhǎng)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增大了其傳動(dòng)空間，結(jié)構(gòu)不夠緊湊；傳動(dòng)方式存在著疲勞破壞的問(wèn)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(guò)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)方案移動(dòng)機(jī)械人的功率勢(shì)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(shì)必要受到相應(yīng)的制約。然而，移動(dòng)機(jī)械機(jī)械臂由

26、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(jiǎn)單的方法是采用大傳動(dòng)比的傳動(dòng)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(dòng)比要大，二是傳動(dòng)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(dòng)等。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘，傳動(dòng)比和輸出力矩相同的情況下，部分減速器的性能比較見(jiàn)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

27、齒輪諧波齒輪1傳動(dòng)級(jí)數(shù)322312輸出力矩Nm3903903903903903傳 動(dòng) 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(dòng)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(dòng)平穩(wěn)性中好好中好15力的平衡好好不好好好16外形

28、尺寸高CM33.135.640.658.818.517外形尺寸長(zhǎng)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(rùn)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(dòng)機(jī)器人。圓柱齒輪傳動(dòng)效率高但是尺寸大。諧波齒輪減速器具有效率高，傳動(dòng)比大，傳動(dòng)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

29、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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)機(jī)構(gòu)可以布置在移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)方案當(dāng)傳動(dòng)裝置不是布置在移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)裝置的問(wèn)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

30、圖2-9(a)的法國(guó)防務(wù)機(jī)器人外形特征，我們先對(duì)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(dòng)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(dòng)裝置與殼體相連帶動(dòng)殼體做俯仰運(yùn)動(dòng)。 （a）法國(guó)防務(wù)機(jī)器人（局部） （b）關(guān)節(jié)外形示意圖 圖2-9 針對(duì)這樣的外形，我們提出如圖2-10的4個(gè)方案，并對(duì)其一一探討：方案一輸入端輸出端所有傳動(dòng)裝置同軸，這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力傳遞路徑比較短，但是在長(zhǎng)度方向上尺寸大，這樣會(huì)使關(guān)節(jié)長(zhǎng)度變長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)不緊湊。方案二不僅在長(zhǎng)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

31、不到，這會(huì)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(dòng)機(jī)械臂臂桿的初步設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)械臂臂桿起到連接各個(gè)關(guān)節(jié)，傳遞動(dòng)力的作用。因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)械臂從事危險(xiǎn)作業(yè)，如排爆工作，所以在對(duì)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

32、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(zhǎng)率。密度為2.73g/cm3因?yàn)檩p型機(jī)械臂安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，工作環(huán)境復(fù)雜，內(nèi)部電氣裝置線暴露在外會(huì)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(duì)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(wèn)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(lái)的不利影響，但是無(wú)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

33、機(jī)械臂臂桿和關(guān)節(jié)的連接問(wèn)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(jí)。但是相應(yīng)的，連接可靠性和密封性上會(huì)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(huì)對(duì)連接部分用ANSYS做校核分析。第3章 驅(qū)動(dòng)、減速裝置的選型3.1 引言移動(dòng)機(jī)器人的核心就是移動(dòng)機(jī)械臂的機(jī)動(dòng)能力，在構(gòu)型決定的條件下?lián)碛泻线m的驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)裝置就是保證其強(qiáng)大動(dòng)力的關(guān)鍵。同時(shí)限制整個(gè)裝置的質(zhì)量和減少能耗

34、也是至關(guān)重要的。在本章中，將首先對(duì)整個(gè)機(jī)械臂做大體的受力分析，選擇原動(dòng)機(jī)的類型；根據(jù)前文選定的傳動(dòng)方案和設(shè)計(jì)指標(biāo)、受力情況做出計(jì)算、選擇原動(dòng)機(jī)、減速器以及其他輔助傳動(dòng)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(duì)機(jī)械臂進(jìn)行具體計(jì)算時(shí)，驅(qū)動(dòng)器以及各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的選擇是直接影響機(jī)械臂性能指標(biāo)的重要過(guò)程。在對(duì)驅(qū)動(dòng)器選型時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先真確的評(píng)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(huì)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(dòng)裝置。在估算機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩前，首先需要對(duì)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

35、。對(duì)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(dòng)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03kgm，故各連桿質(zhì)量由各個(gè)連桿的長(zhǎng)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(zhǎng)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

36、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(dòng)過(guò)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(dòng)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(dòng)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。考慮到機(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

37、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(dòng)機(jī)械臂受力簡(jiǎn)圖圖3-1是移動(dòng)機(jī)械臂的受力簡(jiǎn)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(lái)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(dòng)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(dòng)器的選型3.3.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇在前文中已經(jīng)將驅(qū)動(dòng)器

38、默認(rèn)為電機(jī)。這里，我們?cè)俅瘟_列出各種驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種方式,各種驅(qū)動(dòng)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(dòng)應(yīng)用很廣泛,某些機(jī)器人則同時(shí)采用多種驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式的特點(diǎn),從中選出適合移動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式：（1） 液壓傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)有：驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩較大；速度反應(yīng)性較好；調(diào)速范圍較大,而且可以無(wú)級(jí)調(diào)速,易于適應(yīng)不同的工作要求；傳動(dòng)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(dòng)的缺點(diǎn)對(duì)移動(dòng)機(jī)械人而言足夠致命：一套完整的液壓設(shè)備太過(guò)復(fù)雜，質(zhì)量大

39、、體積大，無(wú)法安裝在機(jī)械臂關(guān)節(jié)模塊中。（2） 氣壓驅(qū)動(dòng)。氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)有：通過(guò)調(diào)節(jié)氣流,就可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速;由于壓縮空氣粘性小,流速大,因此氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)械臂。（3） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)要高;電機(jī)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)、測(cè)速機(jī)、編碼器、減速器及制動(dòng)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

40、通用性也得到很大提高;另外,電動(dòng)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(dòng)機(jī)械臂采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。3.3.2 電機(jī)類型的選擇電動(dòng)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(hào)檢測(cè)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(dòng)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(jiàn)圖3-1。圖3-1 伺服電動(dòng)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(dòng)機(jī)械特性過(guò)載能力運(yùn)行特性速度響應(yīng)能力步進(jìn)電機(jī)0.0361.8有非恒轉(zhuǎn)矩不具有開環(huán)控制200400

41、ms交流伺服電機(jī)可達(dá)9.89'無(wú)恒轉(zhuǎn)矩3倍過(guò)載閉環(huán)控制10ms永磁無(wú)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(dòng)機(jī)在永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上改善了轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)較大，出力較小，抖動(dòng)等缺點(diǎn)。直流伺服電動(dòng)機(jī)較高有非恒轉(zhuǎn)矩3倍過(guò)載閉環(huán)控制較好注：用詞無(wú)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(dòng)和沖擊的環(huán)境下工作。移動(dòng)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maxon motor電機(jī)曾被廣泛應(yīng)用于“勇氣號(hào)”火星探測(cè)器，具有卓越的性能。本文將主要

42、選用maxon motor的直流電機(jī)和配套齒輪箱。移動(dòng)機(jī)械臂的工作場(chǎng)合可能會(huì)有易燃易爆物質(zhì)，為了降低由移動(dòng)機(jī)械臂引起爆炸的危險(xiǎn)，宜選無(wú)刷直流電機(jī)，來(lái)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)，而是通過(guò)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(dòng)機(jī)到減速、傳動(dòng)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

43、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(dòng)力方案。4.2 電動(dòng)機(jī)和減速器的型號(hào)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(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩的需求來(lái)選擇可能的電機(jī)型號(hào)。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(guò)工作點(diǎn)（Mb,nb）來(lái)表述的。本文用安全系數(shù)法來(lái)考慮摩擦和慣性力等對(duì)工作力矩的影響。一般來(lái)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=1.3×4

44、8.9=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=63.57N m。Maxon motor的無(wú)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(jí)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(jí)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。考慮到Maxon無(wú)刷電機(jī)具有較大的過(guò)載能力，電機(jī)選用

45、型號(hào)為EC-max30，功率為40w。這種電機(jī)的二維和三維示意圖分別見(jiàn)圖3-2（a）、（b）。(a) Maxon EC-max 30二維圖(b) Maxon EC-max 30三維圖圖3-2 Maxon EC-max 30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GP 32 C。其二維圖和三維圖見(jiàn)圖3-3。這種型號(hào)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(jí)數(shù)：2級(jí)；輸出的最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩：1Nm；允許瞬間輸出轉(zhuǎn)矩：1

46、.25Nm;最大效率80%；重量118g。（a）Maxon GP 32 C 二維圖 （b）Maxon GP 32 C 三維圖 圖3-3 Maxon GP 32 C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(jiàn)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(dòng)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

47、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3-4 CSD-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(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇4.3.1 同步帶傳動(dòng)的計(jì)算選型根據(jù)前文所述的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，電機(jī)和行星減速器之間是通過(guò)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(cè)。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(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。同

48、步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程如下：1） 設(shè)計(jì)功率 Pd=KAp=1*40=40W;2） 帶型和節(jié)距Pb 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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。3） 小帶輪齒數(shù)Z1 查表得Zmin=18為了盡可能減小同步帶傳動(dòng)的尺寸，取Z=Zmin=18。4） 小帶輪直徑d1 d1=PbZ1/=2.032*18/=11.64mm5） 帶速 v=d1n1/60*1000=11.64*6684/60*1000=4.07m/s<Vmax6） 傳動(dòng)比 i=17） 大帶輪齒數(shù)Z2 Z2=iZ1=188） 大帶輪直徑d2 d2=id1=11.64mm

49、9） 初定中心距a0 12.30mm=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?？紤]到馬達(dá)EC-max30與減速 器GP 32 C之間不發(fā)生干涉，取a0=32mm10） 初定帶的節(jié)線長(zhǎng)度L0p及其齒數(shù)Zb L0p2a0+/2(d2+d1)+(d2-d1)2/4a0=2*32+/2(11.64+11.64)=100.57mm查周節(jié)制帶的節(jié)線長(zhǎng)度表可知Lp=101.6mm，長(zhǎng)度代號(hào)為40.0，齒數(shù)為 50。11） 實(shí)際中心距 中心距可調(diào)整aa0+(Lp-L0p)/2=32+(101.6100.57)/2=32.52mm 12) 基

50、準(zhǔn)額定功率P0 P0=(Tamv2)v/1000=(27-0.007*4.072)4.07/1000=109.42W 13)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(hào)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(zhǎng)度為101.6mm,齒數(shù)為50；帶寬3mm。見(jiàn)圖3-5。（a）同步帶傳動(dòng)二維圖（b）同步帶傳動(dòng)三維圖3-5 同步帶傳動(dòng)示意圖4.3.2 錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)前文所述的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，輸入端軸線和輸出端軸線是垂直

51、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(dòng)方向的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，本文選擇直線齒錐齒輪正交傳動(dòng)。4.3.2.1 錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，對(duì)于閉式傳動(dòng)，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(duì)于正交傳動(dòng)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*/sin2cos=2×1/sin220cos14=17.62所以小齒輪齒數(shù)取為18。那么4.3.2.2 錐齒輪的尺寸計(jì)算直線齒錐齒輪傳動(dòng)的幾何計(jì)算按如下方法進(jìn)行：1） 確定齒形角、齒頂高系數(shù)ha*、頂隙系數(shù)c

52、* 本文齒形制選擇GB/T 123691990，那么齒形角=20°；齒頂高系數(shù) ha*=1；頂隙系數(shù)c*=0.22） 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1.3） 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44） 齒數(shù)z 通常z1=1630。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)z121。這里初選18.Z2=uZ1=4*18=72 5) 節(jié)錐角 Tan1=sin90/(u+cos90)=1/(4+0)=0.25.得出1=14° 2=90°-14° =76° 6) 分度圓直徑d d1=mz1=1*18=18mm；d2=mz2=1*72=72mm. 7)錐距R R=d1/(2*sin1)=18/(2*sin14)=37.2m 8)齒寬系數(shù) 1/41/3，從減小尺寸的角度出發(fā)，取0.25 9）齒寬b b=0.25*37.2=9.3mm 10) 齒頂高h(yuǎn)a Ha1=ha2=ha=ha*m=1*1=1mm; 11) 齒高h(yuǎn) h=(2ha*+c*)m=(2*1+0.2)*1=2.2mm 12)齒根高h(yuǎn)f hf=h-ha=2.2-1