毕业设计（论文）-机器人结构设计.doc

大连交通大学信息工程学院大连交通大学信息工程学院 毕 业 设 计 (论 文) 题 目 机器人结构设计 学生姓名学生姓名 专业班级专业班级 机械机械 06-206-2 班班 指导教师指导教师 职称职称 教教 授授 所在单位所在单位 大大 连连 交交 通通 大大 学学 教学部主任教学部主任 完成日期完成日期 20102010 年年 7 7 月月 2 2 日日 摘摘 要要 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统， 机器人等。而机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。自问世 以来，倍受世界各国的关注，并广泛应用于各行各业。移动机器人作为机器人学的一 个重要分支，其研究工作始于20世纪60年代。移动机器人的最成功应用是动化生产系 统中的物料搬运，用于完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件工具传送等点位作 业。 本论文研究的是根据设计内容和需求确定机器人，利用电机驱动和三轮全向轴来 实现机器人的运动；利用另一台电机驱动皮带，从而使与方块滑行轴套连在一起的手 臂实现上下运动。与具有同样功能的固定基座搬运机器人相比，具有更大的工作空间 和和负载车重比。 文中首先论述了近年来工业搬运机器入和移动机器人技术研究的发展状况，接着 在此基础上对三轮全向轴搬运机器人进行了系统分析，然后提出了各个功能模块的实 现方案。这些模块包括移动载体、操作臂、控制系统、等。最后，用机器人样机进行 了搬运模拟物料的功能实验，验证了设计方案的可行性。 本文对机器人的结构设计进行重点研究。通过结构选型分析，并对该载体进行了 运动分析，进而确定了机器人系统的控制方案。在这一控制方案中完成了所要求的任 务与要求。 关键字：关键字：三轮全向轴 机器人 搬运 结构设计 abstract in industry, automatic control system has a wide range of applications such as industrial automation, machine control, computer systems, robotics. the robot is a relatively new electronic equipment, it is beginning to change the face of modern industry. since its inception, and has never concerned about the world and is widely used in industries. mobile robot as an important branch of robotics, the research began in the 20th century 60s. the most successful application of mobile robot is moving production of material handling systems for the complete machine, between machines and automatic warehouse transfer between the workpiece tool such as point and work. of this thesis is based on the content and design of robot needs to determine, using motor- driven three-axis to achieve omnidirectional robot; use another motor drive belt, so that together with the box, slide the sleeve arm up and down movement to achieve. and has the same functions than the fixed base handling robot, with more work space and weight and the load ratio. the paper first discusses the recent industrial handling machines and mobile robotics research into the development of the situation, and then based on this three-axis handling robot to carry out the whole system analysis, and proposed implementation scheme of the various functional modules. these modules include mobile carriers, operating arm, the control system, and so on. finally, the robot has conducted a simulation of material handling function experiments demonstrate the feasibility of design. in this paper, the structural design of the robot carry out focused research. through the selection of structural analysis and dynamic analysis of the vector, and then determine the robots control program. in the control program completed the required tasks and requirements keywords: 3-omni-axis robot transportaion structural design 目目 录录 1.1. 课题分析课题分析1 1.11.1 简介简介.1 1.21.2 课题意义课题意义.2 1.2.1 机器人技术研究的发展状况.2 1.2.2 搬运机器人经历的三个进程.2 1.2.3 三代物料搬运机器人共同特点.2 1.31.3 课题的设计工作任务要求课题的设计工作任务要求.2 2.2. 机械方案设计分析机械方案设计分析.3 2.12.1 具体设计要求分析具体设计要求分析3 2.1.1 总体方案拟定设计方案.3 2.1.2 工作载荷.3 2.13 运动参数3 2.22.2 工作原理分析工作原理分析3 2.2.1 运动原理分析3 2.2.2 力传递分析（主动件到执行件） 4 3.3. 设计组成要素分析选择设计组成要素分析选择4 3.13.1 基本组成结构基本组成结构4 3.23.2 动力分析动力分析5 3.33.3 传动部件分析传动部件分析6 3.3.1 轴的强度计算 6 3.3.2 电机的选择 7 3.43.4 执行部件分析执行部件分析8 4.4. 机械零件设计计算机械零件设计计算11 4.14.1 机械零件设计计算机械零件设计计算11 4.1.1 机器人的组成及各部分关系概述11 4.1.2 机器人系统组成 .11 4.1.3 机器人结构简图和机器人的外形图 .12 4.14 机器人主要技术性能参数 13 4.24.2 机器人运动时执行件的载荷计算，动力参数计算机器人运动时执行件的载荷计算，动力参数计算 .14 结结 论论18 谢谢 辞辞.19 参考文献参考文献20 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 1 1.1. 课题分析课题分析 1.11.1 简介简介 机器人作为 20 世纪人类最伟大的发明之一，自 60 年代初问世以来，经历 40 余年 的发展已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生成长一一成熟期后，已成为 制造业中不可或缺的重要设备，世界上有约 75 万台工业机器人正战斗在各条战线上。 机器人技术虽然以工业机器人起步，但近年来随着社会的进步和科学技术的迅猛发展， 特别是在微电子技术、信息技术、计算机技术、材料技术等学科迅速发展的支持下， 机器人的种类日益繁多，性能不断地改进，工作领域也在不断地扩大现代科学技术的 迅速发展，尤其是进入 80 年代以来，机器人技术的进步以及在各个领域的广泛应用， 引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入高 新技术发展计划，机器人的研究领域和开发类型也在逐渐拓宽和增多。移动机器人作 为机器人学的一个重要分支，其研究工作始于 20 世纪 60 年代。移动机器人的最成功 应用是动化生产系统中的物料搬运，用于完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件 工具传送等点位作业。点位机器人是一种能够在倾斜或垂直壁面进行移动作业的极限 点位作业机器人，也是一种移动机器人。近年来，机器人应用从制造领域向非制造领 域扩展。由于这种扩展，机器人在诸如野外作业、深海探测以及一些人类本身所不能 进入的特殊环境的作业中，正在发挥越来越大的作用，近年来机器人研究在多方面都 已经取得了很大的进展, 研究的成果必将成为各行各业提高生产力的强有力的工具. 我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通 过“七五” 、 “八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控 制系统硬件和软件、运动学、和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发 出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台配套喷漆机器人在二十 余家企业的近 30 条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂 的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用水平和国外比还有一 定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应工程起步较晚，应用领域窄，生产线 系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台， 约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的 机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量小、零 部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切 需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化 设计，积极推进产业化进程。 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 2 1.21.2 课题意义课题意义 1.2.1 机器人技术研究的发展状况 近年来工业搬运机器入和移动机器人技术研究的发展状况，接着在此基础上对轮 式物料搬运机器人进行了系统分析，然后提出了各个功能模块的实现方案。这些模块 包括移动载体、操作臂、控制系统、无线通讯模块等。最后，用机器人样机进行了搬 运模拟物料的功能实验，验证了设计方案的可行性。本文对物料搬运机器人的移动载 体和控制系统进行了重点研究。 1.2.2 搬运机器人经历的三个进程 （1）第一代搬运机器人主要特征是示教再现型，具备各种遥控操作器。 （2）第二代搬运机器人的主要特征是带有传感系统，可以离线编程。这种传感系 统使得机器人具有视觉、触觉等功能，可以完成最精密的元件检测、装配、物料的装 卸等。 （3）第三代搬运机器人的主要特征是具各自治能力。它不仅具备感觉功能，而且 根据这些感觉，它还有一定的决策及规划能力：能根据人的命令，按所处环境自行决 策，规划出行动。目前尚处于开发之中。 1.2.3 三代物料搬运机器人共同特点： 操作臂的基座被固定在地板上。这就决定了它们只能在有限的工作空间内完成操 作任务。另外，由于采用串联机构作为操作臂，使得负载与机器人机体重量的比值很 小，而且运动误差会通过各个关节被不断累加，导致操作臂精度下降，这些情况极大 的限制了物料搬运机器人的应用。 1.31.3 课题的设计工作任务要求课题的设计工作任务要求 亚太地区大学生机器人竞赛是高水平的竞赛活动，体现大学生机械结构、自动控 制设计、制作、性能调试等综合能力。2010 年大学生机器人竞赛将于 9 月份在埃及开 罗举行，设计题目及要求由埃及确定。根据给定的设计要求，搬运石块的机器人结构。 设计要求：自重20kg，底架结构尺寸1000*1000mm，三轮结构，三个轮分别用电 机驱动，上肢可以相对底架上下、位移量可调节控制最大位移量 500mm. 1、查阅资料，写出调研报告 3000 字左右，翻译外文资料（外文字符 1 万左右、 汉字 3000 字左右）； 2、结合设计参数要求，确定机器人的工作原理方案及结构几何尺寸； 3、计算主轴载荷、确定主轴的设计结构及尺寸； 4、确定主轴的转动功率及控制方式； 5、画出装配图（a0 图纸一张）、主要零部件图（折合 a0 图纸二张）。 6、编写设计说明书（1 万字左右） 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 3 2. 机械方案设计分析机械方案设计分析 2.12.1 具体设计要求分析：工作载荷、运动参数要求具体设计要求分析：工作载荷、运动参数要求 2.1.1 总体方案拟定设计方案 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技 术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展 开的。根据设计内容和需求确定机器人，利用电机驱动和三轮全向轴来实现机器人的 运动；利用另一台电机驱动皮带，从而使与方块滑行轴套连在一起的手臂实现上下运 动 2.1.2 工作载荷 （1）车的载荷 20kg （2）升降载荷 手臂 4kg+载物 1kg=5kg （3）车身重 15kg 2.1.3 运动参数 （1）运行速度 1 米/秒 （2）手臂上下速度 0.5 米/秒 2.22.2 工作原理分析工作原理分析 2.2.1 运动原理分析 1全向轮工作原理 全向移动机器人具有全向运动能力的关键在于其全向轮系结构(全向轮系的基本构 造是大轮边缘套有侧向小轮!这样机器人在横向移动时始终保持与地面为滚动摩擦!大 大减少移动阻力(目前!全向轮结构主要有 2 种(一种为互补结构!这种结构运行稳定! 始终有一个小轮的边缘可以着地!轮子的宽度较宽!承载能力强!但会给空间布局带来一 定影响!另外着地点会内外交错!这样对机器人的旋转会造成非线性影响!使机器人在运 动方向上有所偏移(另外一种是非互补结构!大轮外缘使用较多的小轮!这种结构轮子的 宽度可以比较小!并且着地点始终在一个圆上!不会对机器人带来非线性影响!但是!由 于 2 个小轮之间有间隙!所以轮子的直径在运动中会有变化!机器人的上下振动会比较 大!并且其承载能力不如前一种结构大(其直径的变化幅度为) r n cosr* 180 1 0 (1) 公式中!n 小轮个数这 2 种轮系相比较!从控制精确性和结构紧凑角度分析!第 2 种 较好(但考虑到中型组机器人体积大!重量重的特点“对结构紧凑要求不像小型组机器人 要求那么高“而对承载能力却有一定的要求“虽然第 1 种轮系在机器人旋转时存在非线 性影响“但这一点可以通过视觉反馈进行修正。因此我们采用了互补结构的第 1 种轮系。 设计时“在强度许可的情况下“使相邻两小轮的互补重叠区尽量宽“这样机器人在运动中 更加平稳。 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 4 2升降工作原理 电机通过减速箱增大扭矩输出带动同步带转动将重物提升到高处。 3手臂工作原理 插入重物中心孔来达到目的 2.2.2 力传递分析（主动件到执行件） 1 主动件到执行件通过弹性联轴器实现。 (1).弹性联轴器通常由金属圆棒线切割而成，常用的材质有铝合金、不锈钢、 工程塑料。弹性联轴器运用平行或螺旋切槽系统来适应各种偏差和精确传递 扭矩。 (2).弹性联轴器通常具备良好的性能而且有价格上的优势，在很多步进、伺服 系统实际应用中，弹性联轴器是首选的产品。 (3).一体成型的设计使弹性联轴器实现了零间隙地传递扭矩和无须维护的优势。 弹性联轴器主要有以下两个基本的系列：螺旋槽型和平行槽型 2. 主动件到执行件通过传动带（齿形带）。 (1)齿型带亦称同步带，分为单面齿带和双面齿带两种类型。前者主要用于单 轴传动，后者为多轴或反向传动，系从 1980 年以来世界新出现的又一种高效传动带。 齿型带根据齿的形状又分为梯形和圆弧形两种，以圆弧形齿的同步带所承受的扭矩为 最大。从所用材料上，齿型带可区分为橡胶型和聚氨酯型两大类，而前者又有普通橡 胶(通常为氯丁橡胶)和特种橡胶(多为饱和丁腈橡胶)之分。它们的结构是由钢帘线 或玻璃纤维组成的强力层和以橡胶及尼龙布形成的外包橡胶层或聚氨酯胶层构成。 (2) 齿型带包括多楔带，近 20 年来在工业发达国家发展极为迅猛，正在不断 地侵蚀传统的金属齿轮、链条以及橡胶方面的平板带和三角带市场。目前，除已大量 用于汽车及传统产业之外，并进一步扩大到 oa 机器(办公设备)、机器人等各种精 密机械的传动。由于胶带内侧带有弹性体的齿牙，能实现无滑动的同步传动，而且具 有比链条轻、噪音小的特点，现今欧洲 80以上的轿车、美国 40的轿车都已装 用了这种齿型带。我国 2000 年生产汽车 200 万辆，齿型带需要 700 万条以上。最 近出现的圆齿带较之方齿带，更进一步增大了传动力和肃静性，作为新一代的环保带， 其使用范围更趋广泛。现在，已开始成为对同步传动、噪音要求极为严格的家用和工 业用缝纫机、打字机、复印机的使用对象。 3. 设计组成要素分析选择设计组成要素分析选择 3.13.1 基本组成结构：对确定的方案进行分析说明组成结构特点。基本组成结构：对确定的方案进行分析说明组成结构特点。 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 5 三轮全向底盘控制的三个阶段： 1 .判断起始位置 包括车身相对于比赛场地的位置和车身自身与初始化时的车体角度。 2 .向目标速度加速的过程 根据实际情况计算出最终理想速度，三个电机从起始速度加速到目标速度需要 一定的时间，而在这个时间内三个电机的加速度的值必须成一定的比例，不然车体会 出现一定的偏差，针对这个问题需要进行对控制器 a 的调节，和综合外部反馈进行一 定的调节，消除已经发生的和即将发生的误差。 3 .底盘达到目标速度进行正常的寻迹。 这个过程需要大量的外部反馈和对应抵消误差，以准确的达到预定位置。这个 预定位置会被作为下次运动的起始位置。 3.23.2 动力分析动力分析 不同动力的适用条件，选定的类型如何使机器人具有良好的运动性能“是进行车体 布局及运动机构设计时首先要考虑的因素。其设计原则主要体现为：减少重量!重心尽 量低“降低转动惯量“增加稳定性以及增强抗碰撞能力#。减少重量主要从材料上考虑“ 尽量使用轻型高强度材料“如铝合金等。增加稳定性主要考虑各部件的连接方式。增强 抗碰撞能力主要考虑使用防护材料以及减震等。降低转动惯量“是车体布局主要考虑的 问题“就是尽量使车体重心位于机器人中心。对于中型组机器人的设计“由于空间比较 大“对于结构紧凑性的要求没有小型组那么高“由于运动控制复杂度的原因“尽量采用对 称的布局结构。整个机器人布局分为 3 层：最上面一层为视觉摄像头支撑机构以及车 载笔记本电脑的存放空间“中间一层为电路板及控制器的存放空间“射门机构一般也位 于这一层“最下层为轮系驱动机构“为了使重心尽量低“可将电池置于最下层。考虑到体 积大的特点“整个结构采用板柱结构“各层用支撑杆以及螺丝连接。机器人布局结构如 图所示电机的性能直接影响着机器人的运动性能“并且对机械结构也会有一定的影响。 为了方便控制“可以选择高电压如 24v(低电流的直流伺服电机.选择伺服电机的时候 需要考虑功重比!外形尺寸!力矩和转速等多重因素“其中“力矩和转速是主要考虑的因 素“它们直接决定着机器人小车的加速度和速度 2 个最重要的性能指标在设计时“首先 要估算出机器人的质量“确定机器人小车的设计速度和加速度“然后根据运动学和动力 学模型“计算出负荷最大以及速度最大全向轮上所需要的扭矩和转速“作为设计电机经 减速器后的输出扭矩和转速“进而确定电机的扭矩和额定转速 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 6 图 3-1 机器人布局结构 3.33.3 传动部件分析：传动要求（传动比、传动精度等），选定类型。传动部件分析：传动要求（传动比、传动精度等），选定类型。 3.3.1 轴的强度计算 1.轴的强度计算 图 3-2 轴的结构和载荷图 由图 3-2 可知： 合或产矩： m= (3.1) 22 vn mm 公式中：水平面弯矩图 n m 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 7 m 垂直面弯矩图 v m= 22 430600 =706n/m 扭矩：t=1230n/m (3.2) 由公式：d=21.68 (3.3) 3 1 22 )( p tm 公式中：d轴的直径（mm） m轴在计算截面所受弯矩（n /m） t 轴在计算截面所受扭矩（n /m） 校正系数 轴的需要弯曲应力（mpa） p1 d =21.68=51.8 3 22 200 )1230*7 . 0(m 当零件用紧配合装于轴上时，如果截面上有键槽时，应将求得的轴径增大，查手 册可知，当有一个键槽时，且轴径小于 60mm 时，轴径增大值为 5%，所以实际轴径应为： d=d（1+5%）=54.4 圆整取 55mm 所以阶梯轴的最小直径合格。 3.3.2 电机的选择 1 电机功率：p=fv=mgv (3.4) 公式中： m车的载荷重量 kg g重力加速度 m/ 2 s v车的运行速度 米/秒 p=20*9.8*0.5=98w 2 电机转速 n=60f/p=235（所给出的已知的设计参数） (3.5) 公式中：n电机的实际转速（转/分）； 60每分钟（秒）； f电源频率（赫芝）； p电机旋转磁场的极对数。 我国规定标准电源频率为 f=50 周/秒 极对数 p=1 时，旋转磁场的转速 n=3000； 极对数 p=2 时，旋转磁场的转速 n=1500； 极对数 p=3 时，旋转磁场的转速 n=1000； 极对数 p=4 时，旋转磁场的转速 n=750； 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 8 极对数 p=5 时，旋转磁场的转速 n=600 3 传动比 r=n 电/n 传 (3.6) 公式中：n 电电机的实际转速 n 传电机的转速 r=14 235 3300 由上面计算得出电机型号：80zy24-150c，直流 24v，150w，转速 3300 r/min（仅指电机转速） ，额定转速 2400r/min（仅指电机转速） ，额定转矩 0.6n.m。 3.43.4执行部件分析：运动要求、适用条件分析，确定类型执行部件分析：运动要求、适用条件分析，确定类型 一 三轮全向的目标速度的数学模型 图 3-3 三轮机器人运动分析图 选择固定在车体的坐标系（车体坐标系）xoy,如图 3-3 所示： 根据运动合成与分解原理，车体的运动和驱动轮的运动之间的运动关系如下： （3.7） 推导： （3.8） 各参数： v ,v ,v : 三组驱动轮转动的线速度。 12 3 : 分别是三组驱动轮的转动角。 321 ,www : 机器人平移速度 v 在机器人车体坐标系下 x 和 y 轴的分量。 yxv v , ： 机器人自传的角速度。 111 222 333 13 22 13 22 0 xy xy x vrvvl vrvvl vrvl 111 222 333 sin30coscos30sin sin30coscos30sin cos0 vrvvl vrvvl vrvl 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 9 ： 分别是车体几何中心到三组车轮中心的水平距离。 32, 1 ,lll r ： 是车轮的半径。 （3.9） 改写成规范的矩阵形式： （3.10） 由这些公式可以很直观的分析出机器人做简单运动时三个驱动轮速度的大小。 任意方向的直线运动： 此时机器人自转角速度，即机器人平动。则： 0 （3.11） 注：以车体为基准的运动方向与 x 轴的夹角，v 为速度合成方向的值。 两种特殊的情况： i：沿 x 轴方向是： 理论上 vx0,vy=0。 迷惑：当车体移动速度为 a,两个轮的线速度才为其一半。这样不会旋转么？ ii：沿 y 轴方向是： 理论上 vx=0,vy0，的值由线速度决定。 123 ,q , xy pvv 1 2 3 13 22 113 22 10 l al r l qap 1 2 3 113 22 113 22 1 xy xy x vv r vv r v r 11 22 33 sin 30 sin 30 cos vrv vrv vrv 11 22 33 113 22 113 22 1 0 xy xy x vvl r vvl r vl r 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 10 （3.12） iii:其他方向： 迷惑：是否可以直接使用这个公式推断 （3.13） 原地旋转： （3.14） 即： 0 xy vv 切线运动： 在直线运动的基础上怎么加一定的原地旋转运动就可以合成切线运动。 当底盘先以 （3.15） 这样的速度直线运动，当想进行切线运动时，简单可以直接给各轮增加或减少 这些速度。其形成的切线弧度和角速度为 l 二 电子器材：控制器，电机末端码盘，陀螺仪，加速度计(不了解)，光电管， ccd。 1 .（1）控制器：控制器中含有 pid 控制可以利用，可以限制最大速度。pwm 来调 节速度，可以进行通讯改变最大速度来调速。 （2）疑惑：pid 和 pwm 的综合。 2 .电机末端码盘：供给控制器。 3 .陀螺仪：提供车体与外界坐标的夹角。 0 2 3 2 3 3 2 1 w r v w r v w y y 1 2 3 113 22 113 22 1 0 xy xy x vv r vv r v r 111 222 333 vrl vrl vrl 11 22 33 sin 30 sin 30 cos vrv vrv vrv 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 11 4 .光电管：用与数地面的白线，可以对大错误的纠正，可以减小一定量的累积误 差。 5 .ccd：清理累积误差。 将速度改成角速度： 4. 机械零件设计计算机械零件设计计算 4.14.1 机械零件设计计算机械零件设计计算 4.1.1 机器人的组成及各部分关系概述 图 4-1 机器人的组成图 4.1.2 机器人系统组成 a 执行组成。系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需 的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。 (1) 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。 (2) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工 作方位。 (3)臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。 (4)机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 b. 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传 动、液压传动、气压传动和电传动。 c. 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当 发生错误或故障时发出报警信号。 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 12 d. 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根 据需要反馈给控制系统，与拟定进行比较，以保证运动符合要求。 图 4-2 各部件关系图 4.1.3 机器人结构简图和机器人的外形图 1 机器人结构简图 图 4-3 机器人结构简图 2 机器人的外形图 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 13 图 4-4 机器人的外形图 3 方形滑块 4 升降手臂块 5 折叠手臂 6 升降电机 7 升降同步带 8 手臂同步轮 9 方砖 10 金砖 11 金砖手臂 4.14 机器人主要技术性能参数 机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下： a.抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参 数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所承受的重量。 b.抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术 参数，它是设计手部的基础。 c.坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组 成的坐标系特征。 d.运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度 的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。 e.运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最 大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机 器人的最大直线移动速度为 1000mm/s 左右，一般为 200400mm/s；回转速度最大为 180/s，一般为 50/s。定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机 器人工作质量的一项重要指标。 f.编程方式和存储容量。 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 14 表 4-1 本设计中的机器人的有关技术参数 机械手型类型金装手臂 抓取重量1kg 自由度6 个 机座1000*1000 直流电机驱动 单片机控制 腰部机构长 1.2，升降范围 1 米，直流电机驱动 单片机控制 手臂机构行程开关控制 末端执行器行程开关控制 4.24.2 机器人运动时执行件的载荷计算，动力参数计算机器人运动时执行件的载荷计算，动力参数计算 以往两轮机器人的运动轨迹可以归结为直线和圆弧“因此其轨迹规划复杂。而三轮 全向移动机器人具有 3 个驱动轮“对于机器人的 3 个参数(x，y，z)是无约束.从一点 到另一点可以直线运动“并在行进中转向以调整姿态角.其轨迹可以归结为折线下面将 分别从运动学和动力学 2 个方面分析三驱动轮的控制方法. 系统运动学分析机器人工作空间为一平面“建立如图所示 图 4-5 机器人工作空间平面 绝对坐标系和机器人的坐标系其中机器人坐标系原点与机器人中心 aa yx rr yx 重合 为与的夹角为轮子与的夹角,l 为机器人中心到轮子中心的距离.为 a x r x r y i v 轮子 i 提供沿驱动方向的速度系统运动学方程如下: 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 15 =-+cos（）+l . (4.1) 1 v)sin( . ax a y . =-cos（）+l . (4.2) 2 v)sin( . ax a y . =cos+sin+l . (4.3)3 v ax . a y . 根据机器人坐标系的建立情况及实际结构可知:将其代入并将(4.1)(4.2) 0 30 (4.3)式写成矩阵 形式“可得机器人运动学模型: = (4.4) 令 p= (4.5) 则式（4.5）可简化为： (4.6) s pv 式中 全向论线速度矢量 v p变换矩阵 机器人期望速度矢量 s 系统动力学分析 建立如图所示的坐标系 图 4-6 机器人动力学分析 为第 i 电机提供给机器人的驱动力。在坐标系下，设绕机器人中心的转 i f aa yx 动惯量为 i， 3 2 1 v v v l l l sincos )30cos()30sin( )30cos()30sin( 0 00 . . . a a y x l l l sincos )30cos()30sin( )30cos()30sin( 0 00 t vvvv 32, 1 , t a yxs . . . , 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 16 根据牛顿第二运动定律有： f=m,f=my ,m =i (4.7) a xa x a y ai 根据各驱动力方向及机器人的姿态，可写出具体的动力学方程如下： m=-+ (4.8) a x)sin( 1 f)( 1 cofcos 3 f m=-+ (4.9) a y)cos( 1 f)cos( 1 fsin 3 f i=l (4.10) 3 1i i f 第个轮子的动力学模型可描述为： = (4.11) . ii lkurfi iiw 式中： 常数 lk, 轮子绕其轴线的转动惯量 w i r 轮子半径 第 个轮子的加速度和角加速度 , . i 第 个电机的驱动电压 i u i （11）中轮子转动惯量很小，相对于所消耗的扭矩很小，在实际问题 w i w i i rfi 中化简计算，式(11)可近似写为： -= （4.12） i ku . i lrfi 系统动力学模型方程为： = - (4.13) 当系统运动性能分析地面提供的摩擦力不足以满足轮子所需的驱动力时“轮子将与 地面发生相对滑动“造成当前机器人运动状态不可控“这种现象称为*打滑“其原因主要 由于机器人加速度过大引起“因此“需要将机器人加速度控制在一定范围内避免此类现 象的发生!要做到这点“需要对系统运动性能做进一步分析!机器人车体可看作刚体“其 运动可分解为整体的平动和绕自身中心的转动! 机器人车体可看作刚体“其运动可分解 为整体的平动和绕自身中心的转动 。 假设电机能提供足够大的扭矩，地面能提供给单个轮子的最低摩擦力为,考虑 max f 驱动力方向，要避免系统“打滑”，则驱动力， ， 都必须控制在范围 2 f 3 f maxmax,f f 内。 根据（4.8）（4.9）（4.10）（其中，=0 ，=30 ）加速度矢量空间可由下面 0 0 . . . i ym xm a a r k lll sin)30cos()30cos( cos)30sin()30sin( 00 00 3 2 1 u u u r l 2 3 . . . 2 2l y x a a 大连交通大学信息工程学院 2010 届本科生毕业设计（论文） 17 线性变换关系式描述 = (4.14) 3, 21, fff maxmax, f f 定性绘出空间线性变换如图所示： 图 4-7（a）第一象限的驱动力空间 （b）上半平面加速度矢量空间 需要指出的是，若电机不能提供足够大的扭矩，假设电机输出最大扭矩为则 max m 上述变换中驱动力的范围应为 321 ,fff 系统加速度矢量空间与图相似，同时，由式（4.13）可知，实际的加速度矢量空 间还与机器人的当前状态有关，其范围要比上述空间偏小，并且当机器人运动状态改 变时，其加速度空间也会随之相应的改变。另外，对于机器人速度空间分布的分析与 加速度空间相似，这里不再赘述。 ),min(),min( max max max max f r m f r m l i my mx a a 3 32 2 1 , 1 , 1 0 , 1,