0222-輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0222-輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),輪式,移動(dòng),挪動(dòng),機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 緒 論 1.1 引言 移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。在軍事、危險(xiǎn)操作和服務(wù)業(yè)等許多場合得到應(yīng)用，需要機(jī)器人以無線方式實(shí)時(shí)接受控制命令，以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動(dòng)。 移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為輪式、履帶式、腿足式等，其中輪式機(jī)器人由于具有機(jī)構(gòu)簡單、活動(dòng)靈活等特點(diǎn)尤為受到青睞。按照移動(dòng)特性又可將移動(dòng)機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型也很多，對(duì)于一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，都不能進(jìn)行任意的定位和定向，而全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)則可以利用車輪所具有的定位和定向功能，實(shí)現(xiàn)可在二維平面上從當(dāng)前位置向任意方向運(yùn)動(dòng)而不需要車體改變姿態(tài)，在某些場合有明顯的優(yōu)越性；如在較狹窄或擁擠的場所工作時(shí)，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時(shí)候，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)自己的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。由于全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一般輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無法取代的獨(dú)特特性，對(duì)于研究移動(dòng)機(jī)器人的自由行走具有重要意義，成為機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢。 基于以上所述，本文從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)一種帶有機(jī)械手臂的全方位運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活，機(jī)械手臂使之能夠執(zhí)行預(yù)定的操作。本文是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。 1.2 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 國外很多研究機(jī)構(gòu)開展了全方位移動(dòng)機(jī)器人的研制工作，在車輪設(shè)計(jì)制造，機(jī)器人上輪子的配置方案，以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面，進(jìn)行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品。這方面日本、美國和德國處于領(lǐng)先地位。八十年代初期，美國在DARPA的支持下，卡內(nèi)基· 梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校開展了自主移動(dòng)車輛的研究，NASA下屬的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也開展了這方面的研究。CMU機(jī)器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機(jī)器人代表了室外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展方向。德國聯(lián)邦國防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀(jì)九十年代研制成VaMoRs-P移動(dòng)機(jī)器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括：4個(gè)小型彩色CCD攝像機(jī)，構(gòu)成兩 組主動(dòng)式雙目視覺系統(tǒng)；3個(gè)慣性線性加速度計(jì)和角度變化傳感器。SONY公司1999年推出的寵物機(jī)器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾，而且摔倒后可以立即爬起來。本田公司1997年研制的Honda P3類人機(jī)器人代表雙足步行機(jī)器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米，工作時(shí)間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/小時(shí)。 國外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進(jìn)行介紹。 麥克納姆輪，如圖 1.1 所示，它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構(gòu)成， 輪子和滾子之間的夾角為 Y，通常夾角 Y 為 45°，每個(gè)輪子具有三個(gè)自由度，第一個(gè)是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，第二個(gè)是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，第三個(gè)是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。輪子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余兩個(gè)自由度自由運(yùn)動(dòng)。由三個(gè)或三個(gè)以上的 Mecanum 輪可以構(gòu)成全方位移動(dòng)機(jī)器人。 圖1.2 麥克納姆輪應(yīng)用 正交輪，由兩個(gè)形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架，固定在一個(gè)共同的殼體上構(gòu)成，如圖 1.3 所示.每個(gè)球形輪子架有2個(gè)自由度，即繞輪子架的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)輪子架的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向相同，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)輪子的軸線方向相互垂直，因而稱為正交輪。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所所研制的全方位移動(dòng)機(jī)器人采用了這種結(jié)構(gòu)，如圖1.4。 圖1.3 正交輪 圖1.4 正交輪的應(yīng)用 球輪由一個(gè)滾動(dòng)球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動(dòng)滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅(qū)動(dòng)滾子固定在一個(gè)可以繞球體中心轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上，如圖 1.6 所示。每個(gè)球輪上的驅(qū)動(dòng)滾子由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使球輪繞驅(qū)動(dòng)滾子所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖1.5 球 輪 圖1.6 球輪的應(yīng)用 偏心萬向輪，如圖 1.7 所示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運(yùn)動(dòng)方式，輪子在滾動(dòng)和換向過程中同地面的接觸點(diǎn)不變，因而在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)使機(jī)器人振動(dòng)，同時(shí)明顯減少了機(jī)器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。 圖1.7偏心萬向輪 圖1.8 偏心萬向輪的應(yīng)用 1.2.2 國內(nèi)全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 我國在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究工作起步較晚，上世紀(jì)八十年代末，國家863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域自動(dòng)機(jī)器人主題確立立項(xiàng)，開始了這方面的研究。在國防科工委和國家863計(jì)劃的資助下，由國防科大、清華大學(xué)等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動(dòng)機(jī)器人7B.8,并于1995年 12月通過驗(yàn)收。7B.8的車體是由躍進(jìn)客車改進(jìn)而成,車上有二維彩色攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)、超聲傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式機(jī)構(gòu)為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h。避障速度達(dá)到5-10km/h。 上海大學(xué)研制了一種全方位越障爬壁機(jī)器人,針對(duì)清洗壁面作業(yè)對(duì)機(jī)器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)—車輪組機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人可在保持姿態(tài)不變的前提下,沿壁面任意方向直線移動(dòng),或在原地任意角度旋轉(zhuǎn),同時(shí)能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行中的障礙,不需要復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)平面上運(yùn)動(dòng)和越障運(yùn)動(dòng)之間轉(zhuǎn)換。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動(dòng)式作業(yè)型智能服務(wù)機(jī)器人，并對(duì)課題當(dāng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如新型全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)、七自由 度機(jī)器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術(shù)，最后給出了移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)控制方案。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆國榮，張海兵研究一種新型全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于：這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直，則輪子主動(dòng)的滾動(dòng)和從動(dòng)的橫向滑移之間將是真正相互獨(dú)立的；輪子正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪緣上的小滾子也將是純滾動(dòng)，如圖1.9。 圖1.9 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真圖 1.3 主要研究內(nèi)容 本課題從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)一種全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活。本課題是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。 本文研究內(nèi)容主要有： 了解和分析已有的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的工作原理和結(jié)構(gòu)，以及分析操作手臂常用的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出可行性方案，并選擇最佳方案來設(shè)計(jì)。根據(jù)選定的方案對(duì)帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行本體設(shè)計(jì)，包括全方位車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)器人操作臂的設(shè)計(jì)。要求全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向、移動(dòng)靈活，可以快速、有效的到達(dá)指定地點(diǎn)；機(jī)械臂操作范圍廣、運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡單緊湊且尺寸小，可以快速、準(zhǔn)確的完成指定工作。設(shè)計(jì)完成后要分析全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。 2 全向移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 引言 機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路，全方位移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在平面內(nèi)任意方向的移動(dòng)，能夠有效的到達(dá)預(yù)定位置。根據(jù)這一總體思想，進(jìn)行本機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計(jì)。 2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，包括對(duì)機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對(duì)組成零件的設(shè)計(jì)要求兩個(gè)方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。 a.對(duì)機(jī)器整機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求 對(duì)機(jī)器使用功能方面的要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。另外操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)所要求的。 對(duì)機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的要求：機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過程中，在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實(shí)現(xiàn)使用要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu)。 b.對(duì)零件設(shè)計(jì)的基本要求 機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，對(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)要求最終都是通過零件的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計(jì)機(jī)器的要求中引申出來的，即也應(yīng)從保證滿足機(jī)器的使用功能要求和經(jīng)濟(jì)性要求兩方面考慮。 要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康墓ぷ?，從而保證機(jī)器的各種功能的正常實(shí)現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件在強(qiáng)度、剛度、震動(dòng)穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿足的條件，這些條件就是判定零件工作能力的準(zhǔn)則。 要盡量降低零件的生產(chǎn)成本，這要求從零件的設(shè)計(jì)和制造等多方面加以考慮。設(shè)計(jì)時(shí)合理的選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計(jì)簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級(jí)以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。 任何一種機(jī)器都有動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)組成。動(dòng)力機(jī)是機(jī)器工作的能量來源，可以直接利用自然資源（也稱為一次能源）或二次能源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，如內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)馬達(dá)、水輪機(jī)等。工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)能力，如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動(dòng)裝置則是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。 2.3 全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制 在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人本體時(shí)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則： （1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和修理。 （2）應(yīng)給機(jī)器人暫時(shí)未安裝的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將 來功能改進(jìn)與擴(kuò)展。 對(duì)比緒論中各轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選用全方位輪式機(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)。全方位輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)包括縱向和360度旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。車輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征與其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比車輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)有下列一些優(yōu)點(diǎn)：能高速穩(wěn)定的移動(dòng)，能量利用率高，機(jī)構(gòu)的控制簡單，而且它可以能夠借鑒日益完善的汽車技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)等。它的缺點(diǎn)是移動(dòng)只限于平面。目前，需要機(jī)器人工作的場所，如果不考慮特殊環(huán)境和山地等自然環(huán)境，幾乎都是人工建造的平地。所以在這個(gè)意義上 車輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的利用價(jià)值可以說是非常高的。圖 2.1 是全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)期設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，便于控制。車輪的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向是獨(dú)立控制的，全方位移動(dòng)機(jī)器人采用前后輪成對(duì)驅(qū)動(dòng)來控制轉(zhuǎn)向，以及控制每輪旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。 圖2.1 全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 2.3.1 移動(dòng)機(jī)器人車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，主要考慮了以下模型，如2.2圖所示。由圖可以看出，模型 a 結(jié)構(gòu)簡單，但是車輪與地面接觸面積小，可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，且對(duì)電機(jī)軸形成一個(gè)彎矩，容易對(duì)電機(jī)軸造成破壞。模型 b 采用電機(jī)內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，增大了車輪與地面接觸面積，減小了打滑現(xiàn)象，但電機(jī)固定比較困難。 綜合兩種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖2.3，圖2.4中所示結(jié)構(gòu)，將電機(jī)內(nèi)嵌在車輪內(nèi)部，既增大車輪與地面的接觸面積，又縮短了整個(gè)結(jié)構(gòu)的軸向距離。為了保持輪子受力平衡使整個(gè)機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，將輪子設(shè)計(jì)為兩個(gè)一組來實(shí)現(xiàn)。 圖2.2 旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖 采用了一個(gè)深溝球軸承作為徑向支承，一方面避免了車輪對(duì)電機(jī)產(chǎn)生彎矩；另一方面保證了車輪的剛度。軸承外圈與車輪內(nèi)表面配合，由于內(nèi)圈并不能與電機(jī)直接配合，設(shè)計(jì)了一個(gè)電機(jī)殼結(jié)構(gòu)，作電機(jī)和軸承的連接。 圖2.3 旋轉(zhuǎn)部分示意圖 圖2.4 旋轉(zhuǎn)部分機(jī)構(gòu)圖 車輪旋轉(zhuǎn)部分的具體結(jié)構(gòu)分為五個(gè)部分： （1）兩個(gè)軸承由彈性擋圈和電機(jī)殼軸肩軸向定位；通過電機(jī)殼外表面徑向定位通過電機(jī)軸外表面徑向定位。此外,此處選用深溝球軸承作為支撐.深溝球軸承主要承載徑向載荷,同時(shí)也可以承載小的軸向載荷。選用它就可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求,而且深溝球軸承經(jīng)濟(jì)性好,方便購買。而作為徑向支撐,它主要避免了車輪對(duì)電機(jī)產(chǎn)生彎矩。 （2）電機(jī)預(yù)裝在電機(jī)殼上，依靠電機(jī)殼凸緣軸向定位；但徑向定位不能利用電機(jī)定位止口定位，只能采用車輪調(diào)整電機(jī)軸的同心完成徑向定位。 （3）車輪依靠軸承的外圈定位，然后再通過車輪自有聯(lián)軸器與電機(jī)軸聯(lián)接。這個(gè)過程也是調(diào)整電機(jī)軸同心，然后從車輪側(cè)面的預(yù)留安裝孔將電機(jī)緊固在電機(jī)殼上。 （4）整個(gè)車輪分為兩部分組合而成。一個(gè)是帶有軸徑的車輪,另一個(gè)是不帶軸徑的輪子,兩者相配合使用組成一組完整的車輪。而車輪軸徑與車體支撐件以滾動(dòng)摩擦的形式配合使用,并且作為兩車輪的軸向定位件。車輪最終的固定是通過外側(cè)的螺釘來頂緊擋板實(shí)現(xiàn)的。具體結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。 （5）整個(gè)旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成,但它必須與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接起來才能實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。后一小節(jié)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)向軸,為了使轉(zhuǎn)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)向部分的轉(zhuǎn)向軸連接以實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng),此處設(shè)計(jì)了類似于半圓的固定件。如圖2.5所示。使用是采用兩個(gè)配合來固定住旋轉(zhuǎn)部分,通過四個(gè)螺栓的連接來實(shí)現(xiàn)和轉(zhuǎn)向軸的連接,從而使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連為一體,最終實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。 圖2.5 固定件結(jié)構(gòu) 至此，全方位移動(dòng)機(jī)器人的車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢。 2.3.2 移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向部分主要由轉(zhuǎn)向軸、軸承、基座、轉(zhuǎn)向電機(jī)以及轉(zhuǎn)向連接件組成轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本路線是從上而下。如圖2.6，圖2.7所示。 圖2.6 轉(zhuǎn)向部分示意圖 圖2.7 轉(zhuǎn)向部分結(jié)構(gòu)圖 （1）轉(zhuǎn)向軸 轉(zhuǎn)向軸分兩部分，呈T型，一端采用階梯軸的形式，便于與基座聯(lián)接；另一端與車輪部分聯(lián)接，設(shè)計(jì)成圓柱形以保證足夠的強(qiáng)度和良好的工藝性。同時(shí)兩部分軸互相配合，可以伸縮以便轉(zhuǎn)向時(shí)車輪軸的位移變化。轉(zhuǎn)向軸主要作用就是通過與轉(zhuǎn)向電機(jī)的連接起到轉(zhuǎn)向的作用，主要受的是徑向力，而受到的軸向力很小。如圖2.7所示，轉(zhuǎn)向軸受到向上的軸向力時(shí)，軸向力通過軸肩傳到下方軸承內(nèi)圈，再傳到套筒，然后傳到上方軸承的內(nèi)圈，再通過滾珠傳遞到軸承外圈，而軸向力進(jìn)一步的傳遞到端蓋和箱體，從而將軸向力轉(zhuǎn)移到整個(gè)車體上，因?yàn)?，箱體連接在車體上。轉(zhuǎn)向軸受到向下的軸向力時(shí)，首先是靠彈性擋圈傳遞軸向力，再通過一系列傳遞最終將軸向力轉(zhuǎn)移到車體上。所以說，轉(zhuǎn)軸的工作是可靠的。 （2）轉(zhuǎn)向軸與基座聯(lián)接： 轉(zhuǎn)向軸相對(duì)于基座來說只有一個(gè)自由度，形成的是轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)向軸在機(jī)器人移動(dòng)過程中承受徑向力和比較大的軸向力，適合這種要求的常用軸承有圓錐滾子軸承。軸承采用套筒隔開的兩端支撐結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)可以保證轉(zhuǎn)向軸在轉(zhuǎn)向的過程中不發(fā)生搖擺，保證轉(zhuǎn)向的精度并且可以減小對(duì)轉(zhuǎn)向相關(guān)零部件的磨損。一對(duì)軸承用套筒隔開后，軸承內(nèi)圈由軸肩和軸用彈性擋圈固定。兩軸承外圈與基座座孔和軸承端蓋連接。 （3）轉(zhuǎn)向電機(jī)軸和轉(zhuǎn)向軸的聯(lián)接 兩軸的連接一般選用聯(lián)軸器。聯(lián)軸器主要用來聯(lián)接軸與軸(或聯(lián)接軸與其它回轉(zhuǎn)件)以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩,有時(shí)也用作安全裝置。本文中沒用選用標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器,因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器整體尺寸過大,占用空間大,且不利于安裝,不符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí),由于所要連接的兩軸徑大小確定本文自行設(shè)計(jì)了一個(gè)聯(lián)軸器。其結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。 圖2.8 聯(lián)軸器 由于軸僅受到轉(zhuǎn)矩的作用,而軸向力很小，所以兩軸都采用平鍵來周向固定,以達(dá)到固定和連接兩軸的目的。 （4）轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)與基座的聯(lián)接 當(dāng)轉(zhuǎn)向軸與基座構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副以后，只需要用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸即可實(shí)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向。將電機(jī)固定在基座上需要一個(gè)連接件，連接件設(shè)計(jì)過程中考慮了兩種模型：整體式和剖分式,如圖2.9和2.10所示。整體式裝配時(shí)定心性好，但必須側(cè)面開口，這樣容易導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)向精度不夠，且不利于防塵，剖分式定心性稍差一點(diǎn)，可以組合成封閉結(jié)構(gòu)，具有可靠的剛度，防塵，拆卸方便。因此，選用剖分式結(jié)構(gòu)。 圖2.9 整體式 圖2.10剖分式 （5）箱體的設(shè)計(jì)與固定 如圖2.11所示為箱體結(jié)構(gòu)的示意圖。它通過左右兩側(cè)對(duì)稱的呈L型的矩形臂用8個(gè)螺栓固定于車體前后兩側(cè)。由于箱體是通過螺釘和機(jī)座連接的，從而可以把它和機(jī)座以及轉(zhuǎn)向電機(jī)視為一體。再者，箱體內(nèi)部是放置軸承，并固定軸承的，所以設(shè)計(jì)了如圖中所示的雙臂。這種設(shè)計(jì)可以將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體重量通過箱 圖2.11 箱體示意圖 體的兩臂傳到車體上，進(jìn)而施于整個(gè)重量施輪子。那么轉(zhuǎn)軸的受力將大大的減小。而且這樣設(shè)計(jì)拆卸方便，利于維修。采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)固定于空間內(nèi)，有利于穩(wěn)定整個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并提高整個(gè)全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能。 至此，整個(gè)全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械本體設(shè)計(jì)完畢。 2.3.3 電機(jī)的選型與計(jì)算 a.電機(jī)性能的比較 在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器一般采用以下幾種電機(jī)：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。幾種電機(jī)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行如表 2.1 所示。 表2.1 幾種電機(jī)比較 電機(jī)類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 直流電機(jī) 容易購買 型號(hào)多 功率大 接口簡單 轉(zhuǎn)速太快，需減速器 電流較大 較難與車輪裝配 價(jià)格較貴 控制復(fù)雜（PWM） 步進(jìn)電機(jī) 精確的速度控制 型號(hào)多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡單 價(jià)格便宜 功率與自重比小 電流通常較大 外形體積大 較難與車輪裝配，負(fù)載能力低 功率小 舵 機(jī) 內(nèi)部帶有齒輪減速器 型號(hào)多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡單 功率中等 價(jià)格便宜 負(fù)載能力低 速度調(diào)節(jié)的范圍小 （1） 舵機(jī) 1）什么是舵機(jī)： 在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機(jī)模型，潛艇模型；遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱，其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。 2）舵機(jī)的工作原理： 控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然我們可以不用去了解它的具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。就像我們使用晶體管一樣，知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了，至于管內(nèi)的電子具體怎么流動(dòng)是可以完全不用去考慮的。 （2）步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)作為一種新型的自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)雖然有一些不足，如啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大時(shí)易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖，且一般無過載能力，往往需要選取有較大轉(zhuǎn)距的電機(jī)來克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)位控制性能好，沒有積累誤差，易于實(shí)現(xiàn)控制，能夠在負(fù)載力矩適當(dāng)?shù)那闆r下，以較小的成本與復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步控制。 b.電機(jī)的選型與計(jì)算 對(duì)于本課題來說，移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)速度最高為 0.5 米/秒，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)最高接近 100 轉(zhuǎn)/分。如果用直流電機(jī)，由于受轉(zhuǎn)速和力矩的影響，要配減速器。而如果用步進(jìn)電機(jī)，控制位置精度比較高可以達(dá)到 1.8 度。而且不需要減速器避免造成結(jié)構(gòu)冗繁。因此選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 下面對(duì)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)進(jìn)行選擇，輪式移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)的時(shí)候，需要克服兩種阻力：摩擦力和重力。對(duì)于平面內(nèi)移動(dòng)的機(jī)器人來講則只需要克服摩擦力。帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)器人整體重量在 20Kg左右，地面摩擦系數(shù)按金屬與混凝土之間的取為 0.5，則機(jī)器人需要的總功率為： 則平均每組車輪提供的功率為25 瓦。 對(duì)于單個(gè)車輪而言： （2-1） 車輪直徑為 110mm，則電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為： （2-2） 因此，選擇了北京和利時(shí)公司的 57BYG250E-0152 型號(hào)電機(jī)。靜轉(zhuǎn)矩為 1.5 NM 。該電機(jī)在相近產(chǎn)品中具有在轉(zhuǎn)速變高一定范圍內(nèi)能夠保持平穩(wěn)的力矩。其力矩隨轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下圖2.12所示。 圖2.12 電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖 下面選擇轉(zhuǎn)向電機(jī)，機(jī)器人對(duì)轉(zhuǎn)向速度要求較低，對(duì)位置精度比較嚴(yán)格，選用步進(jìn)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)向電機(jī)主要是使車輪實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，克服地面摩擦力，要求的轉(zhuǎn)速不高，因此主要計(jì)算電機(jī)靜力矩。 在這里我們假設(shè)每個(gè)車輪與地面的接觸按照理想狀態(tài)即相切線接觸，那么平均每個(gè)車輪的摩擦力為： （2-3） 由于車輪是零半徑回轉(zhuǎn)，所以克服的摩擦力矩為： （2-4） 式中——單個(gè)車輪的寬度 設(shè)計(jì)車輪與地面接觸總寬度為60mm，即所以克服的力矩為 0.368 。實(shí)際上車輪不是與地面呈線接觸，保證一定余量，選擇電機(jī)型號(hào)為 57BYG250B-SASRM-0152，靜力矩為 1.4 。 下面是所選電機(jī)的外形尺寸。 2.4移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人車體是應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則： （1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的試驗(yàn)、調(diào)試、和修理。 （2）在設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)能夠給機(jī)器人暫時(shí)沒有安裝的傳感器、功能元件、電池等元件預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進(jìn)和擴(kuò)展。 車體是實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械手臂連接的部分，也是安裝其他元件的主體。它同樣是保證機(jī)器人具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力的關(guān)鍵。 本文設(shè)計(jì)的車體采用的是合金鋁框架式結(jié)構(gòu)，如圖2.13所示共分三層：第一層安裝攝像頭，控制按鈕等；第二層是車體內(nèi)腔，空間較大可以安裝電池、集線器、裝配電路板等，同時(shí)可以在以后的具體設(shè)計(jì)中改變內(nèi)部格局，以達(dá)到最佳的使用效果；第三層安裝車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)的空間分層設(shè)計(jì)使得 機(jī)器人機(jī)構(gòu)緊湊，易于維護(hù)，而且提高了機(jī)器人控制系統(tǒng)的抗干擾能力。 圖2.13 車體結(jié)構(gòu)示意圖 2.5本章小結(jié) 機(jī)器人是一種高度集成的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它不是機(jī)械裝置和電子裝置的簡單組合，而是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的有機(jī)融合。本文雖只設(shè)計(jì)機(jī)械本體部分，但設(shè)計(jì)過程要完全考慮各部分的因素。而移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)能否完成指定任務(wù)的基礎(chǔ)。 本文在設(shè)計(jì)過程中圍繞平面內(nèi)任意角度移動(dòng)以及可對(duì)前方 280mm 內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行抓取的這一思路展開設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了可避免對(duì)電機(jī)軸形成彎矩的車輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可使車輪實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。 3 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 3.1末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)兩種形式。本文中采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)形式，這種結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。參考人的手臂，本文機(jī)械手臂設(shè)計(jì)成兩個(gè)擺動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。如圖3.1所示。機(jī)器人的機(jī)械臂是由基座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器組成。 1.擺動(dòng)關(guān)節(jié) 2.擺動(dòng)關(guān)節(jié) 3.回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 4.末端執(zhí)行器 圖3.1 機(jī)械手臂的模型 3.1.1末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)要求 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計(jì)都有以下幾點(diǎn)基本要求： （1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，手指握力（夾緊力）大小要適宜，力量過大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞抓取物體；力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落等現(xiàn)象。在確定握力時(shí)，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)，以保證夾持安全可靠。 （2）手指應(yīng)具有一定的開閉范圍，手應(yīng)具有一定的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度）或開閉范圍（對(duì)平移型手指從張開到閉合的直線移動(dòng)距離），以便于抓取或退出物體。 （3）應(yīng)保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應(yīng)保證每個(gè)被抓取的物體在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對(duì)位置 （4）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以便于減輕手臂的負(fù)載。 3.1.2末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) a.驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)械中提供驅(qū)動(dòng)的裝置和方式很多，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等，各種驅(qū)動(dòng)方式有其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用很廣泛，有些機(jī)器人則同時(shí)采用多種驅(qū)動(dòng)方式，這都視不同機(jī)器人的特點(diǎn)和要求所定。比較這些驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)，叢中選擇適合移動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手可以避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，效率比液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)要高。電機(jī)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)、測速機(jī)、編碼器以及制動(dòng)器組裝在依次加工的課題里，使得整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大的提高。另外，電動(dòng)機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，可以達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度。而液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成機(jī)構(gòu)煩瑣，維護(hù)不方便，液壓源和氣壓源裝置體積大，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來說也是個(gè)無法實(shí)現(xiàn)的問題，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人操作機(jī)械手臂所要求的位置精度，液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)也很難滿足。 綜上所述，本文選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。 b.傳動(dòng)方式的選擇 傳動(dòng)裝置是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置，它的主要作用有：能量的分配與傳遞；運(yùn)動(dòng)形式的改變；運(yùn)動(dòng)速度的改變。機(jī)械傳動(dòng)是主要的傳動(dòng)裝置，常用的有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)等 根據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況選擇齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的一類傳動(dòng)。它傳動(dòng)效率高，在正常的潤滑條件下效率可達(dá)99%以上；傳動(dòng)比恒定，齒輪傳動(dòng)具有不變的瞬時(shí)傳動(dòng)比，所以可應(yīng)用到高速傳動(dòng)中；結(jié)構(gòu)緊湊，同等條件下其所占空間??；工作可靠、壽命長。 手指的設(shè)計(jì)將采用平移運(yùn)動(dòng)的方式來夾持物體，這里將采用左右螺旋軸和齒輪副一起作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成末端機(jī)構(gòu)所要求達(dá)到的功能。采用這兩種結(jié)構(gòu)使整個(gè)末端執(zhí)行器體積小、質(zhì)量輕。 c.手指的設(shè)計(jì) 不同的手指數(shù)量可以完成的動(dòng)作以及動(dòng)作復(fù)雜程度都不同，可以根據(jù)機(jī)械手 必須完成的動(dòng)作來確定機(jī)械手所需的最少手指數(shù)。一個(gè)手指能推、滾或滑動(dòng)小物體，還可以用力操作開關(guān)等；兩個(gè)手指除具有一個(gè)手指完成的功能外，它還能抓住物體并可精確的控制物體的位置和取向；三個(gè)手指除了能完成兩個(gè)手指可完成的功能外，它還有在手中反復(fù)抓握物體的功能，如將物體拋入空中并在新的位置抓住物體；多個(gè)手指則具有更大的靈活性，如可以抓住和操作多個(gè)物體。對(duì)于本文的移動(dòng)機(jī)器人，只需能夠抓住物體，控制物體的位置和取向，那么兩個(gè)手指就能滿足此工作要求，所以在結(jié)構(gòu)上將采用兩指結(jié)構(gòu)。從而兩手指相對(duì)于末端執(zhí)行器在左右螺旋軸的帶動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到開合作用。 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的雙指機(jī)械式夾持器按其手爪的運(yùn)動(dòng)方式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。如圖 3.2和3.3 是兩種典型的機(jī)械夾持器結(jié)構(gòu)。本文選擇平移型夾持器的結(jié)構(gòu)，它與前者相比具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易的優(yōu)點(diǎn)。 1.支架 2.桿 3.圓柱銷 4.杠桿 1.電動(dòng)機(jī) 2.絲杠 3.導(dǎo)軌 4.鉗爪桿 圖3.2杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 圖3.2左右旋絲杠原理圖 經(jīng)過以上的研究討論從而設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。末端執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)采用超硬鋁合金材料，在保證一定的剛度的同時(shí)又降低了整體的重量。手指伸出長度為 50mm，開合范圍 4-44mm。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)齒輪1傳動(dòng)齒輪2，驅(qū)動(dòng)左右螺旋軸3使手指6、7進(jìn)行開合運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向軸引導(dǎo)并固定手指的運(yùn)動(dòng)軌跡。 1.電機(jī) 2.齒輪 3.左右螺旋軸 4.導(dǎo)向軸 5.齒輪 6.夾持器右指 7.夾持器左 圖3.4 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖 手指形狀如圖2.12所示，前段平行處可以夾持形狀規(guī)則（與手指接觸面為平面） 的物體，后段為菱形形狀，可以夾持圓形和不規(guī)則形狀的物體。這種設(shè)計(jì)可 以更好的使機(jī)器人完成工作。 3.1.3電機(jī)的選型與計(jì)算 本文設(shè)計(jì)要求夾持的物體重為 m=300g，設(shè)螺紋為 M8，其中徑 r=3.6mm，螺距 P=1mm，當(dāng)量摩擦系數(shù) f=0.1，Q為軸向載荷，M為螺紋驅(qū)動(dòng)力矩。手指材料為鋁合金，表3.1列出了鋁合金與常用材料的磨擦系數(shù)， 表3.1 主要工程材料摩擦系數(shù) 摩擦副材料 靜摩擦系數(shù) 鋁合金 黃 銅 0.27 青 銅 0.22 鋼 0.3 膠 木 0.34 鋼 紙 0.32 樹 脂 0.28 硬橡膠 0.25 石 板 0.26 從表3.1可以看出鋁合金與不同材料的靜摩擦系數(shù)趨近于0.3，所以取被抓物體和末端執(zhí)行器手指之間的靜摩擦系數(shù)，則： （3-1） 螺紋增力比 （3-2） 式中 ——當(dāng)量摩擦角，= ； ——螺紋升角，= 帶入數(shù)據(jù),得, 得 （3-3） 選用齒輪傳動(dòng)比 n=1:1，忽略齒輪傳動(dòng)摩擦及軸承滾動(dòng)摩擦力矩，根據(jù)上述 計(jì)算，我們選擇了北京和利時(shí)電機(jī)公司生產(chǎn)的 28BYG250C-SAFSM-L007 型步進(jìn)電機(jī)，它的保持轉(zhuǎn)矩為 90，滿足設(shè)計(jì)要求。 3.2機(jī)械手臂桿件的設(shè)計(jì) 本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小對(duì)對(duì)基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 3.2.1腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。 本文設(shè)計(jì)的手腕結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，它可在空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而擴(kuò)大機(jī)械手的工作范圍。腕部采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過電機(jī)伸出軸和末端執(zhí)行器連接，借助軸承來達(dá)到力矩的傳遞。通過軸承座將力傳到殼體上，使電機(jī)軸只能傳遞力矩而不受其它力的作用。其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。 1.末端執(zhí)行器 2.手腕連接件 3.軸承 4.軸承座 5.電機(jī)6.殼體 7.桿件A 圖3.5 腕部結(jié)構(gòu)圖 3.2.2臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂部分是機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的是把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求： （1）承載能力大、剛度好、自重輕 臂部通常即受彎曲（而且不是一個(gè)方向的彎曲），也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以臂部做成空心的，這可以減輕自重，也提高了剛性，其內(nèi)部可以布置各種機(jī)構(gòu)，這樣就是結(jié)構(gòu)緊湊、外型整齊。 （2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 在一般情況下，手臂的移動(dòng)要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和震動(dòng)。 （3）臂動(dòng)作應(yīng)靈活。 （4）位置精度要高。 本文設(shè)計(jì)的手臂是擺動(dòng)關(guān)節(jié)，桿件B是為裝配舵機(jī)設(shè)計(jì)成如圖3.6所示結(jié)構(gòu)，此時(shí)舵機(jī)自身也參與了桿件的組成，這樣既節(jié)約了材料和設(shè)計(jì)空間，又增加了機(jī)械臂的剛度。桿件C是為了支撐舵機(jī)軸而設(shè)計(jì)，它與舵機(jī)的配合形成了機(jī)械臂的擺動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)處無軸承配合，而是通過舵機(jī)搖臂和舵機(jī)主體之間的相對(duì)主動(dòng)來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的。 1．桿件B 2. 舵機(jī) 3.桿件C 圖3.6 桿件B與舵機(jī)配合圖 桿件A和桿件B通過螺栓連接即可形成一個(gè)完整的桿件，通過桿件A和B的組合設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）使關(guān)節(jié)間距可調(diào)。通過調(diào)節(jié)A和B的長度，就可以調(diào)整機(jī)械臂中兩關(guān)節(jié)的距離，使機(jī)械臂的長度可調(diào)。 （2）調(diào)節(jié)機(jī)械臂的重心位置：舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是未知的，因此其重心可能不在其幾何中心，而調(diào)整兩者之間的距離可以平衡掉重心位置造成的不良影響。 通過擺動(dòng)關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的組合就可以形成完整的機(jī)械手臂。 3.2.3 機(jī)械臂電機(jī)的選型與計(jì)算 人們往往關(guān)心的是機(jī)器人的末端位置和姿態(tài)，而舵機(jī)有非常好的位置可控性，帶有精密的減速器，具有其他同等尺寸的電機(jī)無可比擬的輸出力矩，因此我們選擇舵機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，其中第1關(guān)節(jié)的舵機(jī)需要提供的力矩最大，因此我們對(duì)這一關(guān)節(jié)進(jìn)行計(jì)算。 圖3.7 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械臂各桿件處于水平時(shí)候?qū)Φ谝魂P(guān)節(jié)產(chǎn)生最大的力矩，計(jì)算方法是等效 的方式，即將末端執(zhí)行器及假想的欲抓取目標(biāo)單獨(dú)計(jì)算，其余桿件質(zhì)量集中到機(jī)械臂的中點(diǎn)計(jì)算： 兩部分一共為2.2 ，從而選用漢揚(yáng)科技公司生產(chǎn)的舵機(jī)，型號(hào)為HSR9559，其保持力矩為2353 。滿足設(shè)計(jì)要求。 3.3 本章小結(jié) 機(jī)械手臂是機(jī)器人最終工作的執(zhí)行者,本文模仿人的手臂設(shè)計(jì)了三關(guān)節(jié)機(jī)械臂，同時(shí)采用桿件可換的組合結(jié)構(gòu)使機(jī)械臂桿件長度可調(diào)，可對(duì)前方 280mm 內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行抓取。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)采用轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，而手腕則采用回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，末端執(zhí)行器采用開合式兩指結(jié)構(gòu)。采用舵機(jī)控制手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的抓取最大重量為300g。可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的工作要求。 4. 機(jī)械材料選擇和零件的校核 4.1機(jī)械材料選用原則 機(jī)械零件材料的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題，不同材料制造的零件不但機(jī)械性能不同，而且加工工藝和結(jié)構(gòu)形狀也有很大差別。機(jī)械零件常用的材料由黑色金屬、有色金屬、非金屬材料和各種復(fù)雜的復(fù)合材料等。 選擇材料主要應(yīng)考慮以下三方面的問題。 a.使用要求 使用要求一般包括：零件的受載情況和工作狀況；對(duì)零件尺寸和質(zhì)量的限制；零件的重要程度等。 若零件尺寸取決于強(qiáng)度，且尺寸和重量又受到某些限制，應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料。靜應(yīng)力下工作的零件，應(yīng)分布均勻的（拉伸、壓縮、剪切），應(yīng)選用組織均勻，屈服極限較高的材料；應(yīng)力分布不均勻的（灣區(qū)、扭轉(zhuǎn)）宜采用熱處理后在應(yīng)力較大部位具有較高強(qiáng)度的材料。在變應(yīng)力工作的零件，應(yīng)選用疲勞強(qiáng)度較高的材料。零件尺寸取決于接觸強(qiáng)度的，應(yīng)選用可以金星表面強(qiáng)化處理的材料，如：調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、氮化鋼。 零件尺寸取決于剛度的，則應(yīng)選用彈性模量較大的材料。碳素鋼與合金鋼的彈性模量相差很小，故選用優(yōu)質(zhì)合金鋼對(duì)提高零件的剛度沒有意義。截面積相同，改變零件的形狀與結(jié)構(gòu)可使剛度有較大提高。 滑動(dòng)摩擦下工作的零件應(yīng)選用摩擦性能好的材料；在高溫下工作的零件應(yīng)選用耐熱材料；在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐腐蝕材料等。 b.工藝要求 材料的工藝要求有三個(gè)方面內(nèi)容 （1）毛坯制造 大型零件且批量生產(chǎn)時(shí)應(yīng)用鑄造毛坯。形狀復(fù)雜的零件只有用毛坯才易制造，但鑄造應(yīng)選用鑄造性能好的材料，如鑄鋼、灰鑄鐵或球鑄鐵等等。大型零件只少量生產(chǎn)，可用焊接件毛坯，但焊接件要考慮材料的可焊性和生產(chǎn)裂紋的傾向等，選用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用鍛造毛坯，大規(guī)模生產(chǎn)的鍛件可用模鍛，少量生產(chǎn)時(shí)可用自由鍛。鍛造毛坯主要考慮材料的延展性、熱膨脹性和變形能力等，應(yīng)選用鍛造性能好的材料。 （2）機(jī)械加工 大批批量生產(chǎn)的零件可用自動(dòng)機(jī)床加工，以提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)考慮零件材料的易切削性能、切削后能達(dá)到的表面粗糙度和表面性質(zhì)的變化等，應(yīng)選用切削性能好的材料，如易削斷、加工表面光潔、刀具磨損小的材料。 C.經(jīng)濟(jì)性要求 （1）經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)為材料的相對(duì)價(jià)格。當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不應(yīng)該選用價(jià)格高的材料。這對(duì)大批量制造的零件尤為重要。 4.2零件材料選擇與強(qiáng)度校核 從材料選用原則的使用要求、加工要求和經(jīng)濟(jì)要求出發(fā)，選擇機(jī)械本體個(gè)零部件的材料。 在機(jī)械手臂中各傳動(dòng)件是關(guān)鍵性零件，如傳動(dòng)軸和齒輪系，它們的強(qiáng)度、剛度等機(jī)械性能直接影響機(jī)械手的工作質(zhì)量。 a.軸類零件材料的選擇與校核 （1）軸材料的選擇 傳動(dòng)軸的常用材料有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，還可通過熱處理改變其綜合性能，價(jià)格也比合金鋼低廉，因此應(yīng)用較為廣泛，常用45號(hào)鋼。合金鋼則具有更高的機(jī)械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動(dòng)力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。在一般工作溫度下碳素鋼與合金鋼的彈性模量基本相同。因此，用合金鋼代替碳素鋼并不能提高周的剛度。鑒于此，全方位移動(dòng)結(jié)構(gòu)中的車輪，轉(zhuǎn)軸；機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，螺紋軸采用45號(hào)鋼，就完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求 的需要。 （2）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向軸強(qiáng)度校核 由于此軸最小軸徑是直徑為10mm的那段,所以只對(duì)這一段進(jìn)行校核就可以了。軸的運(yùn)動(dòng)主要受到扭轉(zhuǎn)力,所以只對(duì)其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。 軸的扭轉(zhuǎn)校核公式為: （4-1） 式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 軸的材料為45號(hào)鋼,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 由第二章可知，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)選擇的電機(jī)型號(hào)為 57BYG250B-SASRM-0152，其靜力矩為 1.4 。即 T=1400 。 由于此段軸中有鍵，其截面如圖4.1所示： 抗扭截面系數(shù)： （4-2） 圖中 圖4.1 軸截面 將數(shù)值帶入公式計(jì)算得： 則： 由此可知，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度滿足要求，可以使用。 （3）車輪的校核 車輪是整個(gè)機(jī)械部分的支撐，也是整個(gè)結(jié)構(gòu)受力最大的部分。這里從材料經(jīng)濟(jì)性和強(qiáng)度等方面選擇45號(hào)鋼來制造。加工時(shí)為了增大車輪與接觸面的摩擦力，車輪表面要滾花處理，這樣更有利于機(jī)器人的移動(dòng)。 整個(gè)車輪部分承載的重量為12Kg。由于整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)有四個(gè)車輪，這樣每個(gè)輪子受到的重量只有3Kg。受到的重力僅為29.4N。輪子的直徑為110mm，整個(gè)移動(dòng)部分的強(qiáng)度是非常大的，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。 b.齒輪系材料的選擇與強(qiáng)度校核 （1）齒輪材料的選擇 齒輪的主要失效形式有輪齒折斷、齒面疲勞點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形。因此設(shè)計(jì)齒輪時(shí)要使齒面具有較高的抗點(diǎn)蝕、抗磨損、抗膠合和抗塑性變形的能力，齒根則要有較高的抗折斷能力。為此，對(duì)齒輪材料性能的基本要求為齒面要硬，齒心要韌。鋼材韌性好，耐沖擊，容易通過熱處理來改善其機(jī)械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。 對(duì)于強(qiáng)度、速度和精度要求不高的齒輪傳動(dòng)，可以采用軟齒面齒輪。軟齒面齒輪的齒面硬度低于350HBS，熱處理方法為調(diào)制或正火，常用材料有45號(hào)鋼和40Cr等。加工方法一般為熱處理后切齒，切制后即為成品，精度一般為8級(jí)。本文設(shè)計(jì)的齒輪副速度要求不高，所以設(shè)計(jì)選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動(dòng)要求。 （2）齒輪副的強(qiáng)度校核 輪齒在受載荷時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根出的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。對(duì)于制造精度較低的傳動(dòng)齒輪，由于制造誤差大，實(shí)際上多由在齒頂處咬合的輪齒分擔(dān)較多的載荷，為便于計(jì)算，通常按全部載荷作用于齒頂來計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。 本文設(shè)計(jì)的是直齒圓柱齒輪，齒數(shù)Z=30，模數(shù)=2mm，齒寬b=4mm,節(jié)圓直徑，齒形角度，齒輪副的傳動(dòng)比u=1:1。電機(jī)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩T=90。那么齒輪所受的圓周力 （4-3） 對(duì)于齒輪的校核將從兩方面來計(jì)算： 1) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為； （4-4） 式中： 為區(qū)域系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪=2.5； K為載荷系數(shù)，此處取K=1.8； 為彈性影響系數(shù)，查得=188； 為接觸疲勞許用應(yīng)力 （4-5） 其中： 為接觸疲勞壽命系數(shù)，取=0.95； 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限，查得=550； S為安全系數(shù)，取S=1。 從而求得： =522.5 將所有已知量帶入4-4式，求得： =199.5=522.5 從齒面接觸疲勞強(qiáng)度上來說，齒輪是合格的。 2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核） 28282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828282828 本文設(shè)計(jì)中的齒輪為一懸臂梁。其齒根應(yīng)力圖如4.2所示。 圖4.2 齒根應(yīng)力圖 齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件式為 式中：為齒根危險(xiǎn)截面處的理論彎曲應(yīng)力； 為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力校正系數(shù)，取=1.625； 為載荷作用于齒頂時(shí)的齒形系數(shù)，取=2.52； 為彎曲疲勞許用應(yīng)力 （4-7） 其中： 為彎曲疲勞壽命系數(shù)，查得=0.88； 為彎曲疲勞強(qiáng)度極限，取=380； 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。 從而求得： =238.86 將所有已知量帶入4-6式，求得： =5.53=238.86 由以上計(jì)算可知，設(shè)計(jì)的齒輪副是合格的。 c.殼體件材料的選擇 殼體類零件它們的性能要求很低,所以盡量選擇質(zhì)量輕,價(jià)格低廉且符合設(shè)計(jì)要求的材料。如車體以及機(jī)械手臂的殼體可以全部選用硬鋁合金分段鑄造加工而成。本文選用的是ZAlSi9Mg，這是一種硬鋁材料，強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，完全符合本文的設(shè)計(jì)要求。 機(jī)械手指不是殼體機(jī)構(gòu)，它是實(shí)體的。本文設(shè)計(jì)的手指材料也選用同樣的鋁合金。這有利于材料的購買，同樣這種材料是滿足設(shè)計(jì)要求的。 本文設(shè)計(jì)的手指是有角度的，既可以抓去規(guī)則形狀的物體，也可以抓去不規(guī)則物體。抓取規(guī)則物體時(shí)，手指和物體的接觸大都是面接觸，而抓取不規(guī)則物體時(shí)大都是線接觸。對(duì)手指的校核就以線接觸為準(zhǔn)。 材料ZAlSi9Mg的彎曲應(yīng)力240，手指抓去的最大質(zhì)量為300g，重力為2.94N。對(duì)比兩者的力學(xué)性能和受力情況，很顯然此材料來制造手指遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)中的要求。，不會(huì)出現(xiàn)手指彎曲變形的情況。 d.車體支撐件材料的選擇和校核 （1）材料的選擇 車體支撐件由于與車輪軸之間為滾動(dòng)摩擦,需要選取一種耐摩擦,同時(shí)要求強(qiáng)度大,質(zhì)量輕,價(jià)格便宜的材料來制造。 工程塑料擁有良好的綜合性能,其強(qiáng)度、剛度、沖擊韌性、抗疲勞等不較高,特別是擁有很高的耐磨性。它可以在無潤滑油的情況下有效的進(jìn)行工作。由于它相對(duì)密度小,因此其強(qiáng)度高。 聚甲醛(POM)是一種比較常用的工程塑料。它是以線性結(jié)晶高聚甲醛樹脂為基礎(chǔ)的。它有著高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其強(qiáng)度和金屬近似,摩擦因數(shù)小并有自潤滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一種相當(dāng)便宜的材料。 由于本設(shè)計(jì)中的負(fù)荷低,移動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度不快,從而此處選擇有聚甲醛這種工程塑料來制造車體支撐件。 （2）支撐件的校核 支撐件是用來支撐機(jī)器人主要機(jī)械機(jī)構(gòu)的，本文中共用四個(gè)支撐件，都和車輪配套使用，受力幾乎一樣為29.4N。 聚甲醛的抗壓強(qiáng)度為125，抗彎強(qiáng)度為980，整個(gè)零件的強(qiáng)度和剛度是非常大的。從每個(gè)件的受力來看，材料聚甲醛的各個(gè)力學(xué)性能完全滿足本文的設(shè)計(jì)要求。 支撐件和車輪軸是滾動(dòng)摩擦配合，屬于間隙配合。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而機(jī)器人移動(dòng)速度慢，從摩擦的角度來說，聚甲醛也是理想的支撐件材料。 4.3本章小結(jié) 全方位移動(dòng)機(jī)器人各零部件所要求的強(qiáng)度、剛度等都不同，應(yīng)該選用不同的材料來制造加工。所以本章就依據(jù)機(jī)器人在工作過程中各零部件不同受力情況，以及機(jī)械設(shè)計(jì)的要求選用了不同的材料來制造零件，并對(duì)零件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，使其達(dá)到工作要求。 參考文獻(xiàn) [1].孫恒等主編。機(jī)械原理（第六版）。高等教育出版社，2011 [2].馬香峰主編。工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)。冶金工業(yè)出版社，1996 [3].宗光華 張慧慧譯。機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制?？茖W(xué)出版社，2004 [4].李志尊。UG NX 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