移动机器人机械臂的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 1 引言 1 移动机器人机械臂的研究意义及目的 1 移动机器人的发展现状及研究 2 课题的来源和研究内容 5 2 移动机器人机械臂的总体设计 7 机械臂结构的确定 7 机械臂设计的主要参数 7 3 移动机器人机械臂的手部结构设计 8 手部结构设计要求 9 传动方式的选择 9 部结构的设计 9 电机的计算与型号选择 12 材料的选择与强度校核 14 章小结 17 4 移动机器人机械臂的臂部结构设计 18 臂部结构设计要求 18 臂部结构的设计 19 臂部电机的选择 26 5 移动机器人机械臂的肩部结构设计 28 肩部的传动方式 28 肩部结构的设计 29 肩部电机的选择 31 肩部直流电机的计算 32 肩部伺服电机与臂部和手部步进电机的控制 33 6 移动机器人机械臂的结构分析 30 6 . 1 机械臂总体结构分析 37 机械臂的肩部结构分析 39 本章小结 39 结束语 42 致谢 45 参考文献 46 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 引言 移动机器人机械臂的 研究意义及目的 本文以实际项目小型地面移动机器人的 机械臂 为研究对象。设计移动机器人的机械臂的结构。所谓移动机械臂，就是将机械臂安装在是一个小型多用途移动作业机器人智能移动平台，小型多用途移动作业机器人是一个智能移动平台，其上可搭载爆炸物处理、侦察、通讯、探测系统或其他特殊作业系统。移动机械臂用来实现 一些动作如抓取，可以在机械臂的末端执行器上安装一定的工具进行作业 ，通过移动平台的移动来扩大机械臂的 工作空间，这种结构使移动机械臂拥有更 大的操作空间和高 度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于 传统的机械 臂， 则 具有 了 更广阔的应用前景 1。目前智能移动机器人正向着拟人化、仿生化、小型化、多样化方向发展，其应用也越来越广泛，几乎渗透到 各个 领域 2。 移动机器人技术的研究属于多学科相互交叉，相互渗透的，对它的研究具有很大的理论价值和广阔的应用前景。在工业机器人问世 40 多年后的今天，机器人己被人们看作为一种生产工具，同时随着科学技术的迅速发展和人们生活水平的提高，机器人的功能己不再是只能从事某项简单的操作，而是可以承担多种任务 ;机器人的工作环境也不再是固定在工厂和车间现场，而是开始走向海洋、太空和户外，有些甚至 已经进入医院、家庭和娱乐场所。具有智能特性的自主式移动机器人正在向非制造业方向扩展，这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、办公自动化和灾害救护等，如飞行机器人、海难救援机器人、化肥和农药喷撒空中机器人、护理机器人等。近年来，对移动机器人的研究受到重视，仿照生物的功能而发明的各种移动机器人越来越多，小到娱乐机器人 玩具、家用服务机器人，大到工程探险、反恐防爆、军事侦察机器人等。 相应地，这些领域对所应用的移动机器人系统也提出了更高的要求，特别是在机器人的运动速度、灵活性、自主性、作业能力等 方面的要求越来越高。因此，无论是在制造业还是在非制造业，具 有智能特性的自主式移动机器人 成为了国内外研究的热点。 历史上一切高新技术无不首先应用于军事领域，移动机器人机械臂也不例外。随着二十世纪末的几场局部战争和二十一世纪初期席卷全球的反恐战争进程，特种战争以及城市战争日益成为战争一类型的主角，这一转变直接推动了各国地面移动作战平台即军用地面移动机器人的发展。现代战争凸现了局部范围内的信息化，而战场机器买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 人凭借自身的优势特点，已经在本世纪的战争，例如伊拉克战争中成为耀眼的新星。现代战场尤其是城市内反恐怖战争中单 兵的生存能力受到了极大的挑战，微小型地面移动机器人由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，并 且可以在远程遥控甚至自主情况下完成部分原本由士兵完成的任务， 可以不论白天还是黑夜都能了解周围的楼房里及街道上的敌情。除侦察外，微小型机器人 搭载微小型武器系统还可完成诸如扫雷、排除爆炸物、控制武器射击等各项任务，而且不会有人员伤亡，极大减少了伤亡率。因此特别适用于城市和恶劣环境下的局部战争和信息、战争，具有重大意义和军事效益。二十一世纪的战场，战争 的初期极可能是一场无人系统的较量。永不疲倦、 无所畏惧的微小型无人移动机器人 是最理想的士兵。它们已在战争中显示出的作战本领，可以证明它们在未来战场上的重要地位。微小型无人移动机器人 的机械臂 特别适用于城市和恶劣环境下 (如核、生、化战场等 )的局部战争和信息战争，具有重大战略意义和 效益。 移动机器人 的 发展现状及 研究 小型地面移动机器人机械臂在未来生活中，包括消防、探测等危险作业中的应用将会越来越广。包括在军事领域中的应用将是发展的必然趋势，也是我国国防科技行业重点支持的方向之一。通过对小型移动机器人机械臂系统研制，在整体系统的各个方面积累了比较丰富 的设计经验，相信经过不断的发展和改进移动机器人机械臂将走向成熟和实用化。未来移动机器人机械臂将有以下主要特点 :更优的性能质量比 ;更强的环境适应能力 ;更高的智能性能 ;具有成熟的机械臂系统 ;军品级别的可靠性。 国外移动机器人发展现状 国外在移动机器人 机械臂 方面的研究起步较早，初期的研究主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于 80 年代对机器人的智能行为期望过高而导致室外移动机器人 机械臂 的研究未达到预期的效果，但却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人 机械臂 的途径积累了经验，同时也推动了其它国家对移动机器人 机械臂 的研究与开发。 进入 90 年代，随着技术的进步，移动机器人 机械臂 开始在更现实的基础上开拓各个应用领域，向实用化进军。例如 2002 年 制的金字塔探测机器人 “金字塔漫游者”，身长 30 厘米，宽 12 厘米，高度可在 11 至 28 厘米之间调节。机器人身带 5 件法宝 :超声波传感器、地面探测雷达系统、力度测量仪、高分辨率光纤镜头和导电传感器，具备世界上最小的地面探测雷达系统，可以穿透厚超过 90 厘米的混凝买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 土。美国在 2003 年发射的两辆火星探测车“勇气”号和“ 机遇”号分别于 2004 年 1月 3 号和 24 号在火星的不同区域安全着陆，并完成了 90 个火星日的科研工作。拿“勇气”号探测车来说，就是一个具有手臂的移动机器人。他的大脑是一台高速计算机，车体靠自身具有的六个轮 子 在火星地面运动，视觉系统采用一对全景照相机来拍摄火星表面和天空的全景 视图 ，也用于形成着陆点附近的地形图、搜索感兴趣的岩石和土壤，来完成寻找火星远古时期存在液态水的证据的工作 。 另外分别于车体前端和后端安装了两组相同的避危摄像机，由一组立体影像的黑白摄影机所构成的，所拍摄的影像除了用于障碍物侦测之外还用于探测车的 路径规划上。最先进的要数探测车上的机械手臂，手臂末端装备了各种工具，有显微镜成像仪、三种质谱仪和两种分光计，一套岩石研磨和样本采集土具以及三个磁铁阵列，所有设备主要是用来寻找火星上是否曾经有液态水的证据。西班牙罗斯罗卡公司研制的“罗德”轮式机器人。该机器人可用于清理雷场和处理炸药等危险物品。该车长 1. 4m,宽 0. 67m、高 0. 8m、重 3506 X 6)驱动、动力装置为 1 台电动机，车上供电蓄电池可使用 2h，车速 (前进或后退 )可在 0 至 6. 5km/h 之间连续变化。车上装有活动操作臂，有 6 个自由 度，固定在机器人车的旋转塔上。 机械 臂不伸长时可吊重 80直时最长为 1. 5m，此时可吊重 16作臂顶端装有夹爪，夹紧力可达 30把物体提升至 2. 75m 高。该车采用 100m(或250m)长的电缆或无线电装置进行遥控。 机械 手完成整个操作过程必须借助 1 台黑白或彩色电视显示器，显示车上 3 个摄像机获得的监视驾驶、 机械 臂控制和夹爪操作的图像。车上装有两个卤气探照灯，可在夜间或能见度很低的地区使用。 除室外移动机器人外，世界各国在遥控移动机器人、高完整性机器人、生态机器人学 (生物机器人学 )、多机器人系 统、环境与移动机器人系统的集成等方面都作了大量的研究。 国内移动机器人发展现状 国内对移动机器人 机械臂 的研究起步虽然较晚，但经过近几十年的发展也取得了很大进步，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。国内的移动机器人 机械臂 研究主要经历了算法的研究和仿真、国外机器人平台的引进和自主开发三个阶段。下面是国内的主要研究成果。“九五”期间由浙江大学、南京理工大学、国防科大、清华大学、北京理工大学联合研制了 陆地移动机器人，并成功完成了全部实验测试，正常行驶速度为 h，同时支持临 场感遥控驾驶及战场侦察等功能。清华 清华大学智能技术与系统国家重点实验室在中科院院士张钱教买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 授主持下研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994 年通过鉴定。车体采用道奇 7 座厢式车改装，装备有彩色摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统 ;由差分 罗盘和光电码盘组成的组合定位导航系统等。两套计算机系统分别进行视觉处理，完成信息、融合、路径规划、行为与决策控制等功能。 4 台 控机分别完成激光测距信 J 息、处理、定位信息、处理、通讯管理、驾驶控制等功能。 设计行驶于高速公路车速为 80h，一般道路为 2 0km/h。目前已能够在校园的非结构化环境下，进行道路跟踪和避障碍自主行驶。清华大学智能车涉及到五个方面的关键技术 ： 基于地图的全局路径规划技术，基于传感器信息的局部路径规划技术，路径规划的仿真技术，传感技术、信息融合技术和智能移动机器人的设计和实现。 型导游服务机器人是海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司推出的新一代智能导游机器人，该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息、避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成。导游机器人由蓄电池供电，可连续运 行4h，在一定环境下可自主行走，并可进行避障，并通过语启一系统可以进行人机交互。此外还有香港城市大学智能设计自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中科院沈阳自动化所研发了具有自主产权的激光导引 用于公安防暴的“灵晰一 B”型移动机器人、中国科学院自动化所自行设计制造的全方位移动机器人导航系统等。本文主要论述是移动机器人机械臂结构设计。 移动机器人的研究 热点 综合国内外对于移动机器人的研究情况，当代移动机器人的研究主要集中于以下几个方面。 (1)机械臂结构。机械臂机械结构形式的选型和 设计，是根据实际需要进行的。在机械臂机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展。 (2)运动控制技术。稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础，由于移动机器人机械臂本身是一个非完整约束系统，是一个欠驱动的零漂移的动力学系统，因此，该系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此，通过时变、不连续控制以及 混合策略，根据动力学模型和运动学模型，建立合理的反馈控制律，实现速度和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术的核心内买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 容。 (3)路径规划技术。该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部路径规划技术。由于自主式移动机器人机械臂在行驶中，必须避开它无法通过的或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域，因此局部路径规划，尤其是复杂环境下的路径规划问题，显得更为重要。 (4)实时视觉技术。该技术主要涉及到视觉信息的实时采集、预处理、特征提取和模式识别。而且，视觉信息处理的能力、处 理速度、处理的可靠性和准确性是决定智能机器人整体性能的决定性因素。 (5)定位和导航技术。该技术是现代移动机器人机械臂研制所急需的关键技术，也是下一代无人战车的技术基础。位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量，测量方法有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗盘、全球定位系统、地图模型匹配和自然路标导航等。 (6)多传感集成和数据融合技术。自主式移动机器人机械臂采用测距技术， 此，准确地处理和分析不同传感器采集到的信息，用于对所处环境作出准 确可靠的描述，并据此作出正确的决策和控制，是多传感集成和数据融合研究的任务。 (7)高性能计算技术。在移动机器人机械臂的早期研究工作中，专用硬件结构为多数研究者所采用，这是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需的计算能力。近年来，随着计算机计算能力的迅猛提高，研究者们开始采用通用处理器来构建机器人系统。目一前用于移动机器人机械臂的硬件结构多数采用一个高速通用处理器加上几个专用板卡或芯片 (用于颜色查表、模板匹配或数学形态学计算 )，或者通过实验确定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系统来缩小体积，达到 优化的性能。 (8)无线通信与因特网技术。这两项技术可以实现多机器人臂之间的通信和信息共享，以及移动机械臂与外部的联系。 本文要研究是移动机器人机械臂结构设计。 课题的来源和研究内容 本课题来源于南京市科技局的科技计划项目，具有较大的应用价值。结合当前小型移动机器人的发展，而进行移动机器人机械臂的结构设计和计算，要求结构紧凑、轻巧，以提高机器人臂杆系统的运动性能。 将移动机械臂安装在是一个小型多用途移买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 动作业机器人智能移动平台，可以用于执行 爆炸物处理、侦察、通讯、探测系统或其他特殊 任务 。 通过几个阶段系 统的分析、设计与计算等过程，提高分析与解决工程实际问题的能力。 具备较扎实的机械设计及自动化方面的专业知识，能较熟练的使用 本课题以小型地面移动机器人的机械折叠臂为研究对象，设计了移动机器人机械臂的设计。 论文以实际工程为背景，结合移动机器人机械臂研究设计过程中遇见的问题，进行分析。内容安排如下： 在了解总体尺寸、重量及运动指标的基础上，进行机构分析和比较；对选定的方案进行机构造型、分析、设计与计算；绘制该系统装配图及部分零件图；编写设计、计算说明书。 设计机械臂及夹 持机构。设计数据要求：机械臂折叠时总长 650臂杆转动范围 :150，旋动速度 s，系统自重 7器人底盘系统的总体尺寸不超出：长宽高 =800540260械臂的抓取重量为 3取对象为直径 40度 360圆柱体。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 移动机器人 机械臂的总体设计 机械臂 结构的确定 作为一款多功能移动机器人，为完成如排爆等任务，抓取危险物品移动至安全爆地点，能够灵活的移动到指定的目标位置来抓取目标物，能够方便的伸长、旋转 达到不同的姿态，自由度太少将大大限制机械手的工作空间，无法抓取目标物，有时考虑到目标物可能置于狭小空间中，还应该使机械手能够有效达到避障的目的。考虑到还有 底 盘的移动以及机械臂的重量。本文设计的机械手具有 3 个自由度。下面分别是手部、 臂 部和肩部的具体设计。机械臂的 结构 如图 示： 图 机械臂的结构 1. 手部关节 节 节 机械 臂设计 的主要参数 臂长的确定 加拿大西蒙弗雷泽大学的高峰等人根据人体手臂和 腿部的机构组成，提出了尺寸综合的三动杆原理 19，作为机械手机构运动学、动力学的评价准则。该原理的内容是 :人体手臂、腿部及动物四肢从机构原理上分析都可以看作 三自由度平面三动杆演化来，因为决定它们的运动学和动力学特征的最基本的部分是平面运动，这部分运动被称为三 动杆的主运动，它是瞬时运动轴线平行的三动杆机构运动，三自由度面的 动杆机构可以作为上述机构的简化模型，该机构的运动学、动力学的评价准则同样可以用来衡量手臂机构的运动学和动力学性质。根据三动杆基本运动理论，仿人手臂可以看作三动杆机构，即将大臂、小臂、手爪作 为三动杆。 假定机械手各部分长度为 :上臂 A、小臂 B、手爪 C， L=(A+B+ C)/3，则可得到 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 =A/ L，根据三动杆机构的性能分析，可以得出下面的结论，即当三杆长度满足下列条件， 1且 1 由此可以看出 :蜗轮蜗杆虽然符合 条件，而且差大于 1，故自锁可靠。 (d)蜗轮蜗杆式的肩部易于旋转方向的要求。 肩 部是蜗轮蜗杆传动，蜗杆固定于蜗轮箱内，蜗轮位于蜗轮箱内，通过轴套与转轴相连，与蜗杆啮合。进行旋转运动操作时，主控计算机把臂部角度与目标点的角度进行比 较，角度的差值通过电机驱动器驱动电机转动，电机转动经配套的减速器后，经过一对齿轮副的传动，带动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合，使得与蜗轮通过轴套连接的肩部转轴转动，从而使得固定于肩部转轴的臂部转动，赋予肩部在 150 度范围内转动。 (e)蜗轮副的传动一般具有工作平稳、结构紧凑的特定，但是在这里将它用作移动机械臂的肩部传动机构后，具体情况有所变化。因为蜗轮蜗杆分别安装在 箱体上，不能实现对蜗轮蜗杆的固定装置进行组合加工来保证蜗轮蜗杆的中心距有较小的偏差 ;装配时，蜗轮中心与回转中心不易重合，存在较大的偏差。从而不能保证蜗杆轴线与蜗轮的节圆在同一平面内。所以解决的办法是蜗杆两端加上调整垫片。也就是说，在传动过程中，蜗轮蜗杆的啮合情况是变化的，这就使得电机驱动 肩部 转动时出现转动不平稳、驱动力不均匀现象。又因为肩部为一级传动，而且旋转部分很重，体积较大，进行肩部旋转定位时，回转惯性也就较大，同时也没有消除回转惯性力矩的缓冲机构，这种回转惯性也就敏感地、直接地反映到电机上来。由于法兰 盘和臂部体积较大，使得肩部的体积也较大，且不够紧凑。 本章 小 结 移动机械臂的结构分析以及 以 肩部 为重点 的结构分析。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 结束语 总结 本文对移动机器人的移动机械臂结构系统进行了设计，包括一个 3 个自由度移动 机械臂， 移动机械臂的设计包括肩部，臂部及手部的结构设计。 并对 机械臂 进行了性能分析 。 移动机械臂 ，绕水平轴旋转的自由度 肩部 使用了蜗轮蜗杆副 ， 臂部使用了圆锥齿轮传动 ， 手部使用了直齿圆柱齿轮及左右螺旋的形式传动。 移动 机器人 机械臂 进行了结构设计，利用 机械 手建模运动仿真。 由于作者的水平 有限，而且对有些相关学科，如传感器技术、控制技术 等 并不是很了解，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更加深入的研究 与展望 ： (1)机械结构优化问题 在移动机器人设计过程中，包括 移动机械臂 ，采用模块化设计，不同功能结构分别进行设计，各模块之间连接采用最优方式。但是在模块各零件设计过程中，各参数计算选择主要从结构强度和刚度要求出发，很多零件为了匹配，比实际需求尺寸大很多。包括一些非关键零件设计，均是根据前人经验设计，选择尺寸。这种设计不仅增加了整个系统质量，同时增加了电机负载，造成了资源浪费。 在各模块整体结构设计过程中，结构优化也很重要。通过各零件之间最优配合，使机械运动在实现功能前提下，实现最高传动效率，将能量消耗降到最低。 臂部的关节应该放在大臂上，不应该放在小臂上，增加了小臂的重量，增大了小臂的传动力矩，以及增加了臂部传动负荷。 （ 2） 计算机的有限元的分析没有做 。通过对计算机 有限元 软件的更深层次挖掘，对零件的强度和刚度 和臂部的力学分析 ，会得到最优的结构。这个以后可以作为后续学习的方向。 (3) 移动机械臂 自主 控制系统的建立有待于进一步研究，以及它的 运动控制技术 ， 路径规划技术 ， 实时视觉技术 ， 定位和导航技术 ， 多传感集成和数据融合技术 ，高性能计算技术 ， 无线通信与因特网技术 问题也是多 个有待研究的方面。 移动机器人在未来生活中，包括消防、探测等危险作业中的应用将会越来越广。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 包括在军事领域中的应用将是发展的必然趋势，也是我国国防科技行业重点支持的 方向之一。通过对 移动机器人机械 臂 系统 设计 ，在整体系统的各各方面积累了比较丰富的设计经验，相信经过不断的发展和改进移动机器人将走向成熟和实用化。 未来移动机器人将有以下主要特点 : (1)更优的性能质量比 ; (2)更强的环境适应能力 ; (3)更高的智能性能 ; (4)具有成熟的搭载系统 ; 相信随着社会的进步，科技的发展，本系统的研究将具有很大的市场潜力和广 阔的发展前景。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 论文是在导师周建平老师的精心指导下完成的，自论文的选题到各章中若干重要基本问题的研究都倾注了导师的智慧。周老师渊博的知识、敏锐的洞察力以及富于启发性的分析使我受益匪浅，周老师严谨认真的治学作风和勤奋进取的工作精神使我受到