移動機器人機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計說明

移動機器人機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計說明移動機器人機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計第1章緒論課題背景及選題意義機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備。最前沿的機器人研發(fā)和制造技術(shù)集機械工程、電子工程、材料科學(xué)、計算機工程、傳感器及控制工程、生物工程等多學(xué)科技術(shù)為一體，代表了機電一體化的最高成就，是一個國家高科技實力和發(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，機器人的機構(gòu)是實現(xiàn)智能化的硬件平臺。為了與環(huán)境更好地進行交互、靈活地操縱物體、完成目標(biāo)任務(wù)、跟上智能化的步伐、讓機械臂具有極高的靈活性與可靠性機，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器人，這種機器人具有可克服奇異性高容錯性等特點[1]。就目前實際在工業(yè)制造、國防安全、警務(wù)防爆等各領(lǐng)域的實用性而言，采用更為普遍的是具有固定機座的工業(yè)機器人和帶機械臂的移動機器人。隨著機器人的不斷發(fā)展，機器人的種類也在不斷增加，但是無論何種形狀的機器人，都至少具有移動和操作能力這兩個最基本的功能[2]:(1)只能移動的移動機器人。(2)僅具有操作能力的機械臂。(3)具有移動和操作能力的移動機械臂系統(tǒng)。自上世紀(jì)60加工裝配、焊接、涂裝等行業(yè)，機械臂不但減輕了人們的工作強度，并且極大的提升了加工生產(chǎn)效率。但這些機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。隨著機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，使得機器人所面對的環(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，這就要求機器人需要同時具有移動和操作的能力。搭載在移動底盤上的機械臂系統(tǒng)恰好能夠滿足這種需求，這類機械臂因為具有移動能力，故又被稱為移動機械臂。它既具有移動平臺的運動性能又具有機械臂的執(zhí)行功能。最初的移動機械臂主要應(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)機器人發(fā)展的重點方向。本課題來源于市科技局的科技計劃項目。通過進行機器人機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算等，使得移動機械臂具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，高運動性能等特點。理論的淵源及演進過程移動機器人的研究始于20世紀(jì)60(SRI)NilsNilssenCharlesRosen19661972出了取名Shakey的自主移動機器人[3]，目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。自此以來，機械臂開始廣泛應(yīng)用于加工裝配行業(yè)。從工業(yè)機器人的發(fā)展歷程，可以看出機器人的發(fā)展?fàn)顩r：第一代機器人，即按事先示教的位置和姿態(tài)進行重復(fù)的動的機械。它也可以簡稱為示教／再現(xiàn)方式的機器人或是 T/P方式的機器人。目前國際上實用的機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)進行重復(fù)的動作而對周圍環(huán)境無感覺的功能，其應(yīng)用圍受到一定的限制，主要用于材料的搬運、噴漆、點焊等工作。第二代機器人，即具有如視覺、觸覺等外部感覺功能的機器人。這種機器人由于具有外部的感覺功能，因此可以根據(jù)外界的情況工件檢查等工作。第三代機器人，這類機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)因為環(huán)境的變化而自主進行的工在普及第一代工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機器人已經(jīng)推廣，成為主流安裝機型，第三代智能機器人也占有一定比重（占日本1998年安裝臺數(shù)的36%）。隨著機械臂的發(fā)展，安裝于固定基座的機械臂的工作空間極其有限，不能滿足實際任務(wù)需要。針對這種情況，自上世紀(jì)80年代末期開始，許多機構(gòu)分別開展了移動機器人（MobileRobot）技術(shù)的研究[5]。如美國Hughes人工智能中心在1987年開始的移動機器人越野實驗。國科研院所也在同一時期開展了移動機器人的研究[6]，如清華大學(xué)自1988年開始設(shè)計的一系列移動機器人THMR（TsinghuaMobileRobot）。將機械臂應(yīng)用于移動平臺的災(zāi)害救援時使用的搜索機器人，農(nóng)業(yè)中使用的采摘機器人，為行動不便的人設(shè)計的智能輪椅[7]，水下機器人[8]，地外行星樣品采集機器人等。在移動機器人技術(shù)快速發(fā)展的今天，為移動平臺安裝機械臂或者說為機械臂提供移動基座是當(dāng)今移動機器人發(fā)展的重要方向，而研究這種兩者結(jié)合的移動機械臂相關(guān)技術(shù)也是機械臂研究領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢。移動機械臂研究的綜述在焊接、噴涂和搬運等工業(yè)自動化生產(chǎn)線上，工業(yè)機械臂已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位[9]，然而，機械臂的應(yīng)用領(lǐng)域遠不只是在工業(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，機械輕型化、低能耗、模塊化、高穩(wěn)定性等特點。本節(jié)將以機械臂在非工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用來說明其當(dāng)前國外研究現(xiàn)狀。國外有關(guān)研究的綜述在移動機器人的應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中，較為成功的案例有美軍上個世紀(jì)末期投入使用的“魔爪”（系列軍用機器人[10-11]，見圖機器人被用來執(zhí)行一系列危險任務(wù)，比如偵查危險環(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)用模塊就是移動機械臂，在最初的設(shè)計方案中機械臂具有3個自由度，分別是肩部俯仰、肘部俯仰和腕部旋轉(zhuǎn)。行動中由機器人小車本體和肩部、肘部俯仰關(guān)節(jié)實現(xiàn)機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)計方案中的機械臂關(guān)節(jié)數(shù)量較少，機械臂的整體重量較輕。但是這種采用平面二連桿機構(gòu)的輕型機械臂，由于其結(jié)構(gòu)限制只能對車體正前方的目標(biāo)進行操作，嚴重制約了其使用圍。為擴大機械臂的使用圍，2005年，F(xiàn)oster-Miller公司委托美國東北大學(xué)，對用于TALON的機械臂進行了重新設(shè)計。新設(shè)計的機械臂最主要的特點是增加了一個肩部旋轉(zhuǎn)自由度，使機械臂的工作空間擴展到車體兩側(cè)，提高了TALON的適應(yīng)能力。重新設(shè)計后的機械臂的主要性能參數(shù)如表1–1所示。除此之外，應(yīng)用較多的移動機械臂還有美國iRobot公司研制的PackBotTMEOD和PackBotTM510移動機器人，這兩款機械臂具有八個獨立的自由度（包括其末端夾持器），其操作更靈活并具有更強的負載能力 [12]。對于輕型機械臂的研究，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。該機械臂由輕質(zhì)鋁合金材料制成，具有七自由度，屬于冗余自由度機械臂，正是由于他有一個多的自由度，使得它在遇到障礙物時能夠靈活避開，這種冗余自由度設(shè)計使該機械臂具有更加靈活的工作空間PA10的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)采用伺服電機與諧波齒輪的傳動方案，各個關(guān)節(jié)都安裝有高精度的轉(zhuǎn)角傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)機械臂的精確定[13]。表1-1“魔爪”機械臂的性能參數(shù)圖1-1魔爪軍用機器人1.3.2國有關(guān)研究的綜述國對移動機械臂的研究起步稍晚，但也有一些成熟的技術(shù)產(chǎn)品。比如自動化研究所研制的靈蜥系列移動機器人，其本體主要由移動小車、機械臂和控制中心構(gòu)成，其中有代表性的型號是“靈蜥 -A”“靈-B”、“靈蜥-H”和“靈蜥-HW”四款反恐防爆機器人。其-H”警用反恐防暴機器人采用的是三履帶式結(jié)構(gòu)，見圖靈蜥-H機器人在靈蜥一B的基礎(chǔ)上，改進了機械臂系統(tǒng)，使其具有6個自由度，且增大了機械臂結(jié)構(gòu)尺寸，擴寬的工作空間，使其最大工作半徑超項目參數(shù)自由度4個自重（空載時）9.1kg完全伸展時負載能力8.0kg一般狀態(tài)下負載能力11.3kg完全伸展時臂桿長度1.32m肩部旋轉(zhuǎn)圍360度肩部俯仰圍270度肘部俯仰圍180度手腕旋轉(zhuǎn)圍340度是否模塊化關(guān)節(jié)是過2米，最大負載達到50N[14]。同時還為該機器人安裝了攝像機監(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)。交通大學(xué)也曾推出過一款名為Super-D的反恐防暴機器人，見圖1-3械臂。雖然國移動機器人領(lǐng)域現(xiàn)在已經(jīng)有了較大的發(fā)展，但與國際先進水平相比仍有較長的路要走，比如國外的移動機械臂多采用模塊化關(guān)節(jié)的設(shè)計思想，這在關(guān)節(jié)更換，故障排除等方面有著巨大的優(yōu)勢，而國機械臂設(shè)計中還缺少這種指導(dǎo)思想。圖1–2靈蜥-H警用反恐機器人圖1–3Super-D反恐防暴機器人系統(tǒng)第二章機械臂結(jié)構(gòu)初步擬定2.1引言移動機械臂在具有傳統(tǒng)輕型機械臂質(zhì)量輕、高負載自重比和模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計等特點的基礎(chǔ)上，針對其使用要求還需具有快速更換故障件，較強的防塵防水能力。本章針對課題提出的移動機械臂的設(shè)計指標(biāo)，分析確定了機械臂合理構(gòu)型，介紹了機械臂關(guān)節(jié)設(shè)計，傳動系統(tǒng)等設(shè)計方案。在考慮實用與美觀的同時完成了機械臂臂桿的設(shè)計。2.2.移動機器人機械臂技術(shù)指標(biāo)本文根據(jù)任務(wù)要求，以小型地面移動機器人的機械折疊臂為研究對象，設(shè)計機械臂及夾持機構(gòu)，并滿足總體尺寸、重量及運動特性等指標(biāo)。具體指標(biāo)如下：（1）機械臂折疊時總長≤650mm，動圍:150°，0.5rad/s，系統(tǒng)自重≤7kg。（2）機器人底盤系統(tǒng)的總體尺寸不超出：長×寬×高=800mm×540mm×260mm。（3）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。2.3移動機器人機械臂的構(gòu)型選擇機械臂（操作機）構(gòu)一般為空間連桿機構(gòu)。其運動副又稱為關(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機中主關(guān)節(jié)的數(shù)目等于操作機的自由度。由于手臂機構(gòu)基本上決定了操作機的工作空間圍，所以手臂運動通常稱為操作機的主運動。機械臂通常按手臂的坐標(biāo)形式進行分類，有以下四種類型：（1）直角坐標(biāo)型(cartesiancoordinaterobot)直角坐標(biāo)型具有三個移動關(guān)節(jié)（PPP)，可使手部產(chǎn)生三個相互獨)，如圖2-1所示。其優(yōu)點是定位精度高、軌跡求解容易、控制簡單等，而缺點是所占空間尺寸較大，工作圍小，操作靈活性差，運動速度較低。圓柱坐標(biāo)型（cylindricalcoordin