移动机器人机械臂的结构设计说明

移动机器人机械臂的结构设计说明移动机器人机械臂的结构设计第1章绪论课题背景及选题意义机器人是最典型的机电一体化数字化装备。最前沿的机器人研发和制造技术集机械工程、电子工程、材料科学、计算机工程、传感器及控制工程、生物工程等多学科技术为一体，代表了机电一体化的最高成就，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志。从科学技术开发的角度来看，机器人的机构是实现智能化的硬件平台。为了与环境更好地进行交互、灵活地操纵物体、完成目标任务、跟上智能化的步伐、让机械臂具有极高的灵活性与可靠性机，械臂研究致力于模仿人类的手臂，并出现了冗余度拟人双臂机器人，这种机器人具有可克服奇异性高容错性等特点[1]。就目前实际在工业制造、国防安全、警务防爆等各领域的实用性而言，采用更为普遍的是具有固定机座的工业机器人和带机械臂的移动机器人。随着机器人的不断发展，机器人的种类也在不断增加，但是无论何种形状的机器人，都至少具有移动和操作能力这两个最基本的功能[2]:(1)只能移动的移动机器人。(2)仅具有操作能力的机械臂。(3)具有移动和操作能力的移动机械臂系统。自上世纪60加工装配、焊接、涂装等行业，机械臂不但减轻了人们的工作强度，并且极大的提升了加工生产效率。但这些机械臂绝大部分是固定于固定基座上的，这种用于重复性工作的机械臂相对位置精度要求较高，而绝对位置精度要求一般。随着机器人应用领域的不断扩展，使得机器人所面对的环境越来越多样化，所执行的任务也具有多种不确定性因素，这就要求机器人需要同时具有移动和操作的能力。搭载在移动底盘上的机械臂系统恰好能够满足这种需求，这类机械臂因为具有移动能力，故又被称为移动机械臂。它既具有移动平台的运动性能又具有机械臂的执行功能。最初的移动机械臂主要应用于太空探索方向，现在它的应用己遍及多个领域，并在工业、医疗、军事、家庭服务等方面具有广泛的应用前景。基于移动平台的机械臂系统具有灵活度高、适应性广、功耗低等特性，已成为二十一世纪机器人发展的重点方向。本课题来源于市科技局的科技计划项目。通过进行机器人机械臂的结构设计和计算等，使得移动机械臂具有结构紧凑、轻巧，高运动性能等特点。理论的渊源及演进过程移动机器人的研究始于20世纪60(SRI)NilsNilssenCharlesRosen19661972出了取名Shakey的自主移动机器人[3]，目的是研究应用人工智能技术在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。自此以来，机械臂开始广泛应用于加工装配行业。从工业机器人的发展历程，可以看出机器人的发展状况：第一代机器人，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动的机械。它也可以简称为示教／再现方式的机器人或是 T/P方式的机器人。目前国际上实用的机器人大多仍是这种工作方式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能，其应用围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。第二代机器人，即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机器人。这种机器人由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况工件检查等工作。第三代机器人，这类机器人除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重（占日本1998年安装台数的36%）。随着机械臂的发展，安装于固定基座的机械臂的工作空间极其有限，不能满足实际任务需要。针对这种情况，自上世纪80年代末期开始，许多机构分别开展了移动机器人（MobileRobot）技术的研究[5]。如美国Hughes人工智能中心在1987年开始的移动机器人越野实验。国科研院所也在同一时期开展了移动机器人的研究[6]，如清华大学自1988年开始设计的一系列移动机器人THMR（TsinghuaMobileRobot）。将机械臂应用于移动平台的灾害救援时使用的搜索机器人，农业中使用的采摘机器人，为行动不便的人设计的智能轮椅[7]，水下机器人[8]，地外行星样品采集机器人等。在移动机器人技术快速发展的今天，为移动平台安装机械臂或者说为机械臂提供移动基座是当今移动机器人发展的重要方向，而研究这种两者结合的移动机械臂相关技术也是机械臂研究领域的必然发展趋势。移动机械臂研究的综述在焊接、喷涂和搬运等工业自动化生产线上，工业机械臂已经占据主导地位[9]，然而，机械臂的应用领域远不只是在工业领域，对于宇宙空间、反恐战场、家庭生活以及众多特殊领域的工作要求，机械轻型化、低能耗、模块化、高稳定性等特点。本节将以机械臂在非工业生产领域中的应用来说明其当前国外研究现状。国外有关研究的综述在移动机器人的应用于军事领域中，较为成功的案例有美军上个世纪末期投入使用的“魔爪”（系列军用机器人[10-11]，见图机器人被用来执行一系列危险任务，比如侦查危险环境，拆除路边的简易爆炸装置，甚至被用于执行攻击性任务。其中最主要的应用模块就是移动机械臂，在最初的设计方案中机械臂具有3个自由度，分别是肩部俯仰、肘部俯仰和腕部旋转。行动中由机器人小车本体和肩部、肘部俯仰关节实现机械臂的空间位置确定，为末端执行器提供准确的坐标位置。在这种设计方案中的机械臂关节数量较少，机械臂的整体重量较轻。但是这种采用平面二连杆机构的轻型机械臂，由于其结构限制只能对车体正前方的目标进行操作，严重制约了其使用围。为扩大机械臂的使用围，2005年，Foster-Miller公司委托美国东北大学，对用于TALON的机械臂进行了重新设计。新设计的机械臂最主要的特点是增加了一个肩部旋转自由度，使机械臂的工作空间扩展到车体两侧，提高了TALON的适应能力。重新设计后的机械臂的主要性能参数如表1–1所示。除此之外，应用较多的移动机械臂还有美国iRobot公司研制的PackBotTMEOD和PackBotTM510移动机器人，这两款机械臂具有八个独立的自由度（包括其末端夹持器），其操作更灵活并具有更强的负载能力 [12]。对于轻型机械臂的研究，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。该机械臂由轻质铝合金材料制成，具有七自由度，属于冗余自由度机械臂，正是由于他有一个多的自由度，使得它在遇到障碍物时能够灵活避开，这种冗余自由度设计使该机械臂具有更加灵活的工作空间PA10的转动关节采用伺服电机与谐波齿轮的传动方案，各个关节都安装有高精度的转角传感器，能够实现机械臂的精确定[13]。表1-1“魔爪”机械臂的性能参数图1-1魔爪军用机器人1.3.2国有关研究的综述国对移动机械臂的研究起步稍晚，但也有一些成熟的技术产品。比如自动化研究所研制的灵蜥系列移动机器人，其本体主要由移动小车、机械臂和控制中心构成，其中有代表性的型号是“灵蜥 -A”“灵-B”、“灵蜥-H”和“灵蜥-HW”四款反恐防爆机器人。其-H”警用反恐防暴机器人采用的是三履带式结构，见图灵蜥-H机器人在灵蜥一B的基础上，改进了机械臂系统，使其具有6个自由度，且增大了机械臂结构尺寸，扩宽的工作空间，使其最大工作半径超项目参数自由度4个自重（空载时）9.1kg完全伸展时负载能力8.0kg一般状态下负载能力11.3kg完全伸展时臂杆长度1.32m肩部旋转围360度肩部俯仰围270度肘部俯仰围180度手腕旋转围340度是否模块化关节是过2米，最大负载达到50N[14]。同时还为该机器人安装了摄像机监视器，夜间照明系统以及环境监测传感器，使其更加有效完成反恐作业。交通大学也曾推出过一款名为Super-D的反恐防暴机器人，见图1-3械臂。虽然国移动机器人领域现在已经有了较大的发展，但与国际先进水平相比仍有较长的路要走，比如国外的移动机械臂多采用模块化关节的设计思想，这在关节更换，故障排除等方面有着巨大的优势，而国机械臂设计中还缺少这种指导思想。图1–2灵蜥-H警用反恐机器人图1–3Super-D反恐防暴机器人系统第二章机械臂结构初步拟定2.1引言移动机械臂在具有传统轻型机械臂质量轻、高负载自重比和模块化关节设计等特点的基础上，针对其使用要求还需具有快速更换故障件，较强的防尘防水能力。本章针对课题提出的移动机械臂的设计指标，分析确定了机械臂合理构型，介绍了机械臂关节设计，传动系统等设计方案。在考虑实用与美观的同时完成了机械臂臂杆的设计。2.2.移动机器人机械臂技术指标本文根据任务要求，以小型地面移动机器人的机械折叠臂为研究对象，设计机械臂及夹持机构，并满足总体尺寸、重量及运动特性等指标。具体指标如下：（1）机械臂折叠时总长≤650mm，动围:150°，0.5rad/s，系统自重≤7kg。（2）机器人底盘系统的总体尺寸不超出：长×宽×高=800mm×540mm×260mm。（3）机械臂的抓取重量为3kg，抓取对象为直径40mm、长度360mm的圆柱体。2.3移动机器人机械臂的构型选择机械臂（操作机）构一般为空间连杆机构。其运动副又称为关节（joint),由于结构和便于驱动的原因，常用转动关节和移动关节，并分别用R和P机中主关节的数目等于操作机的自由度。由于手臂机构基本上决定了操作机的工作空间围，所以手臂运动通常称为操作机的主运动。机械臂通常按手臂的坐标形式进行分类，有以下四种类型：（1）直角坐标型(cartesiancoordinaterobot)直角坐标型具有三个移动关节（PPP)，可使手部产生三个相互独)，如图2-1所示。其优点是定位精度高、轨迹求解容易、控制简单等，而缺点是所占空间尺寸较大，工作围小，操作灵活性差，运动速度较低。圆柱坐标型（cylindricalcoordin