工业机器人设计说明说

1绪论PAGEPAGE221绪论1.1引言移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。在军事、危险操作和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动。移动机器人按照移动方式可分为轮式、履带式、腿足式等，其中轮式机器人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。而轮式移动机构的类型也很多，对于一般的轮式移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整。由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器人移动机构的发展趋势。基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活。本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。1.2国内外相关领域的研究现状1.2.1国外全方位移动机器人的研究现状国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。这方面日本、美国和德国处于领先地位。八十年代初期，美国在DARPA的支持下，卡内基·梅隆大学（CarnegieMellonuniversity,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（MassachusettsInstituteofTechnology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA下属的JetPropulsionLaboratery(JPL)也开展了这方面的研究。CMU机器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。德国联邦国防大学和奔驰公司于二十世纪九十年代研制成VaMoRs-P移动机器人。其车体采用奔驰500轿车。传感器系统包括：4个小型彩色CCD摄像机，构成两组主动式双目视觉系统；3个惯性线性加速度计和角度变化传感器。SONY公司1999年推出的宠物机器狗Aibo具有喜、怒、哀、厌、惊和奇6种情感状态。它能爬行、坐立、伸展和打滚，而且摔倒后可以立即爬起来。本田公司1997年研制的HondaP3类人机器人代表双足步行机器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、宽0.6米，工作时间为25分钟，最大步行速度为2.0公里/小时。国外研究的一些典型的全方位轮有麦克纳姆轮、正交轮、球轮、偏心方向轮等。下面就这些轮进行介绍。麦克纳姆轮，如图1.1所示，它由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成，轮子和滚子之间的夹角为Y，通常夹角Y为45°，每个轮子具有三个自由度，第一个是绕轮子轴心转动，第二个是绕滚子轴心转动，第三个是绕轮子和地面的接触点转动。轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运动。由三个或三个以上的Mecanum轮可以构成全方位移动机器人。图1.1麦克纳姆轮198411lgf图1.2麦克纳姆轮应用正交轮，由两个形状相同的球形轮子(削去球冠的球)架，固定在一个共同的壳体上构成，如图1.3所示.每个球形轮子架有2个自由度，即绕轮子架的电机驱动转动和绕轮子轴心的自由转动。两个轮子架的转动轴方向相同，由一个电机驱动，两个轮子的轴线方向相互垂直，因而称为正交轮。中国科学院沈阳自动化研究所所研制的全方位移动机器人采用了这种结构，如图1.4。图1.3正交轮图1.4正交轮的应用球轮由一个滚动球体、一组支撑滚子和一组驱动滚子组成，其中支撑滚子固定在车底盘上，驱动滚子固定在一个可以绕球体中心转动的支架上，如图1.6所示。每个球轮上的驱动滚子由一个电机驱动，使球轮绕驱动滚子所构成平面的法线转动，同时可以绕垂直的轴线自由转动。图1.5球轮图1.6球轮的应用偏心万向轮，如图1.7所示，它采用轮盘上不连续滚子切换的运动方式，轮子在滚动和换向过程中同地面的接触点不变，因而在运动过程中不会使机器人振动，同时明显减少了机器人打滑现象的发生。图1.7偏心万向轮图1.8偏心万向轮的应用1.2.2国内全方位移动机器人的研究现状我国在移动机器人方面的研究工作起步较晚，上世纪八十年代末，国家863计划自动化领域自动机器人主题确立立项，开始了这方面的研究。在国防科工委和国家863计划的资助下，由国防科大、清华大学等多所高校联合研制军用户外移动机器人7B.8,并于1995年12月通过验收。7B.8的车体是由跃进客车改进而成,车上有二维彩色摄像机、三维激光雷达、超声传感器。其体系结构以水平式机构为主,采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法,其直线跟踪速度达到20km/h。避障速度达到5-10km/h。上海大学研制了一种全方位越障爬壁机器人,针对清洗壁面作业对机器人提出的特殊要求，研制了可越障轮式全方位移动机构—车轮组机构,该机构保证机器人可在保持姿态不变的前提下,沿壁面任意方向直线移动,或在原地任意角度旋转,同时能跨越存在于机器人运行中的障碍,不需要复杂的辅助机构来实现平面上运动和越障运动之间转换。哈尔滨工业大学的李瑞峰，孙笛生，刘广利等人研制的移动式作业型智能服务机器人，并对课题当中的一些关键技术，如新型全方位移动机构、七自由度机器人作业手臂和多传感器信息融合等技术，最后给出了移动机器人的系统控制方案。哈尔滨工业大学的闫国荣，张海兵研究一种新型全方位轮式移动机构，这种全方位移动机构当中的轮子与麦克纳姆轮的区别在于：这种全方位轮使小滚子轴线与轮子轴线垂直，则轮子主动的滚动和从动的横向滑移之间将是真正相互独立的；轮子正常转动时，轮缘上的小滚子也将是纯滚动，如图1.9。图1.9全方位移动机构仿真图1.3主要研究内容本课题从普遍应用出发，设计一种全向运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活。本课题是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。本文研究内容主要有：了解和分析已有的机器人移动平台的工作原理和结构，对比它们的优劣点。在这些基础上提出可行性方案，并选择最佳方案来设计。根据选定的方案对全方位移动机器人进行本体设计，包括全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，可以快速、有效的到达指定地点。设计完成后要分析全方位移动机构的性能，为后续的研究提供可靠的参考和依据。2全向移动机器人移动机构设计2.1引言机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。全方位移动机器人可以实现在平面内任意角度的移动，能够以一定姿态到达预定位置。根据这一总体思想，进行本机器人移动机构的本体设计。2.2机械设计的基本要求机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。a.对机器整机设计的基本要求对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。b.对零件设计的基本要求机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、震动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足的条件，这些条件就是判定零件工作能力的准则。要尽量降低零件的生产成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时合理的选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，如内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。2.3全方位轮式移动机构的研制在设计移动机器人本体时应遵循以下设计原则：（1）总体结构应容易拆卸，便于平时的实验、调试和修理。（2）应给机器人暂时未安装的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将来功能改进与扩展。对比绪论中各转向机构的优缺点，本文选用全方位轮式机构来设计。全方位轮式机器人的运动包括纵向、横向和自转三个自由度的运动。车轮形移动机构的特征与其他移动机构相比车轮形移动机构有下列一些优点：能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的缺点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。所以在这个意义上车轮形移动机构的利用价值可以说是非常高的。图2.1是全方位轮式移动机构的示意图。轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，可调速，便于控制。车轮的旋转和转向是独立控制的，全方位移动机器人采用两驱动轮、两从动轮结构，驱动轮、从动轮对角线布置。转向机构控制两驱动轮同步转向。图2.1全方位轮式移动机构示意图2.3.1移动机器人车轮旋转机构设计在车轮旋转机构设计过程中，主要考虑了以下模型，如2.2图所示。由图可以看出，模型a结构简单，但是车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象，且对电机轴形成一个弯矩，容易对电机轴造成破坏。模型b采用电机内嵌式结构，增大了车轮与地面接触面积，减小了打滑现象，但电机固定比较困难。综合两种模型的优缺点，设计如图2.3，图2.4中所示结构，将电机内嵌在车轮内部，既增大车轮与地面的接触面积，又缩短了整个结构的轴向距离。为了保持轮子受力平衡使整个机构可以平稳运动，将轮子设计为两个一组来实现。图2.2旋转部分结构图采用了深沟球轴承作为径向支承，一方面避免了车轮对电机产生弯矩；另一方面保证了车轮的刚度。轴承外圈与车轮内表面配合，由于内圈并不能与电机直接配合，设计了一个电机壳结构，作电机和轴承的连接。图2.3旋转部分示意图 图2.4旋转部分机构图车轮旋转部分的具体结构分为五个部分：（1）两个轴承由弹性挡圈和电机壳轴肩轴向定位；通过电机壳外表面径向定位通过电机轴外表面径向定位。此外,此处选用深沟球轴承作为支撑.深沟球轴承主要承载径向载荷,同时也可以承载小的轴向载荷。选用它就可以达到设计的要求,而且深沟球轴承经济性好,方便购买。而作为径向支撑,它主要避免了车轮对电机产生弯矩。（2）电机预装在电机壳上，依靠电机壳凸缘轴向定位；但径向定位不能利用电机定位止口定位，只能采用车轮调整电机轴的同心完成径向定位。（3）车轮依靠轴承的外圈定位，然后再通过车轮与电机轴联接。这个过程也是调整电机轴同心，然后从车轮侧面的预留安装孔将电机紧固在电机壳上。（4）整个车轮分为两部分组合而成。一个是带有轴径的车轮,另一个是不带轴径的轮子,两者相配合使用组成一组完整的车轮。而车轮轴径与车体支撑件以滚动摩擦的形式配合使用,并且作为两车轮的轴向定位件。两部分车轮最终的固定是通过外侧的内六角螺钉连接实现的。具体结构如图2.4所示。（5）整个旋转部分结构设计完成,但它必须与转向机构连接起来才能实现全方位移动。后一小节转向机构的设计中设计有转向轴与此部分连接，最终实现全方位移动。至此，全方位移动机器人的车轮旋转机构设计完毕。2.3.2移动机器人转向机构设计转向部分主要由转向轴、轴承、压盘、齿轮、转向电机以及转向电机固定架组成。转向机构设计的基本路线是从上而下。如图2.5，图2.6所示。图2.5转向部分示意图图2.6转向部分结构图（1）转向轴转向轴分两部分，一部分为轴与齿轮键槽连接并通过轴承和压盖与平台车体用卡簧连接。另一部分为轴承套与轴焊接，内部装圆柱滚子轴承，轴承与驱动轮装配。与车轮两端用挡环隔开。（2）齿轮与转向电机连接的齿轮选用m=5,z=16直齿齿轮，与转向轴连接的齿轮选用m=5,z=48直齿齿轮。具体的齿轮计算和转向电机的选型将在后一小结阐述。（3）转向电机固定架如图2.7为转向电机固定架，通过固定转向电机底部与平台车体永螺栓连接，在转向电机工作中可以防止电机的自传和径向运行的平稳。这种设计可以将转向机构的整体重量通过箱体的两臂传到车体上，进而施于整个重量施轮子。那么转轴的受力将大大的减小。而且这样设计拆卸方便，利于维修。采用对称结构固定于空间内，有利于稳定整个转向机构，并提高整个全方位移动机构的性能。图2.7转向电机固定架结构图至此，整个全方位移动机构机械本体设计完毕。2.3.3电机的选型与计算a.电机性能的比较在机器人的驱动器一般采用以下几种电机：直流电机、步进电机和舵机。几种电机有关参数进行如表2.1所示。表2.1几种电机比较电机类型优点缺点直流电机容易购买型号多功率大接口简单转速太快，需减速器电流较大较难与车轮装配价格较贵控制复杂（PWM）步进电机精确的速度控制型号多样适合室内机器人的速度接口简单价格便宜功率与自重比小电流通常较大外形体积大较难与车轮装配，负载能力低功率小舵机内部带有齿轮减速器型号多样适合室内机器人的速度接口简单功率中等价格便宜负载能力低速度调节的范围小（1）舵机1）什么是舵机：在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。2）舵机的工作原理：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就像我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。（2）步进电机步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到了越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制性能好，没有积累误差，易于实现控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度实现电机的同步控制。（3）直流电机最大的优点就是直流电机可以实现“平滑而经济的调速”；直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速。直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展b.电机的选型与计算综上所述对于本课题来说选用直流电机。移动机器人的移动速度最高为u=0.5米/秒，车轮直径d=120mm。电机转数最高80转/分左右。如果用直流电机，由于受转速的影响，所以要配减速器。下面对旋转直流电机型号进行选择，轮式移动机器人在移动的时候，需要克服两种阻力：摩擦力和重力。对于平面内移动的机器人来讲则只需要克服摩擦力。全方位移动机器人整体重量加载重量在40Kg左右，地面摩擦系数按金属与混凝土之间的取为0.5，则机器人需要的总功率为：则平均每组车轮提供的功率为50瓦。对于单个车轮而言：（2-1）车轮直径为120mm，则电机需要提供的转矩为：（2-2）因此，选择了北京博创公司的36SYK62.23.70+P36HA(1:76)型号电机和减速器。静转矩为9.2NM。该电机在相近产品中具有在转速变高一定范围内能够保持平稳的力矩。下面选择转向电机，机器人对转向速度要求较低，对位置精度比较严格。转向电机主要是使车轮实现零半径回转，克服地面摩擦力，要求的转速不高，因此主要计算电机静力矩。在这里我们假设每个车轮与地面的接触按照理想状态即相切线接触，那么平均每个车轮的摩擦力为：（2-3）由于车轮是零半径回转，所以克服的摩擦力矩为：（2-4）式中——单个车轮的宽度设计车轮与地面接触总宽度为88mm，即所以克服的力矩为4.454。实际上车轮不是与地面呈线接触，保证一定余量，并便于总体考虑选择和驱动同型号电机36SYK62.23.70，静力矩为9.2。综合驱动轮轴距，驱动轮转向时电机是否超出车体，转向速度等因素。选用m=5,z=16直齿齿轮作为主动齿轮，选用m=5,z=48直齿齿轮作为从动齿轮。速度比为1:3。转向电机的额定转速大约6200rpm,所以减速器选择P36HA(1:96)。车轮转向的时候转向速度大约为20rpm。完全满足操控稳定性的要求下面是所选电机的外形尺寸和减速器的外形尺寸。2.3.4设计移动机器人车体是应遵循以下几个原则：（1）总体结构应容易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理。（2）在设计的移动平台应能够给机器人暂时没有安装的传感器、功能元件、电池等元件预留安装位置，以备将来功能改进和扩展。车体是实现全方位移动机构连接的部分，也是安装其他元件的主体。它同样是保证机器人具有良好的环境适应能力的关键。本结构的空间设计使得机器人机构紧凑，易于维护，而且提高了机器人控制系统的抗干扰能力。车体结构示意图2.5本章小结机器人是一种高度集成的机电一体化产品。它不是机械装置和电子装置的简单组合，而是机械、电子、计算机等技术的有机融合。本文虽只设计机械本体部分，但设计过程要完全考虑各部分的因素。而移动机器人的移动机构，它是移动机器人系统能否完成指定任务的基础。本文在设计过程中围绕平面内任意角度移动这一思路展开设计。设计了可避免对电机轴形成弯矩的车轮旋转结构，通过优化车轮的直径与电机的匹配，使其车轮能够在0-0.5m/s调速；设计了车轮旋转机构，可使车轮实现零半径转向。3.机械材料选择和零件的校核3.1机械材料选用原则机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用的材料由黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复杂的复合材料等。选择材料主要应考虑以下三方面的问题。a.使用要求使用要求一般包括：零件的受载情况和工作状况；对零件尺寸和质量的限制；零件的重要程度等。若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制，应选用强度较高的材料。静应力下工作的零件，应分布均匀的（拉伸、压缩、剪切），应选用组织均匀，屈服极限较高的材料；应力分布不均匀的（湾区、扭转）宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料，如：调质钢、渗碳钢、氮化钢。零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同，改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。b.工艺要求材料的工艺要求有三个方面内容（1）毛坯制造大型零件且批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。（2）机械加工大批批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品质量，应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等，应选用切削性能好的材料，如易削断、加工表面光洁、刀具磨损小的材料。C.经济性要求（1）经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选用价格高的材料。这对大批量制造的零件尤为重要。（2）当零件的质量不大而加工量很大，加工费用在零件总成本中要占很大的比例，这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能和加工费用。（3）要充分考虑材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应该设法提高利用率。（4）采用局部品质原则。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺，使各局部的要求分别得到满足。（5）尽量用性能相近的廉价材料代替价格相对昂贵的稀有材料。另外选择材料时应尽量考虑当地当时的材料供应情况，应尽能的减小同一部机器上使用的零件材料品种和规格不同。3.2零件材料选择与强度校核从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械本体个零部件的材料。在机械手臂中各传动件是关键性零件，如传动轴和齿轮系，它们的强度、刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。a.轴类零件材料的选择与校核（1）轴材料的选择传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低，还可通过热处理改变其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用45号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高周的刚度。鉴于此，全方位移动结构中的车轮，转轴，螺纹轴采用45号钢，就完全能够满足设计要求的需要。（2）转向机构的转向轴强度校核由于此轴最小轴径是直径为10m