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1、工业机器人设计说明说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、危险操作与服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时同意操纵命令，以期望的速度、方向与轨迹灵活自如地移动W。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与全方位两种。而轮式移动机构的类型也很多，关于通常的轮式移动机构，都不能进行任意的定位与定向，而全方位移动机构则能够利用车轮所具有的定位与定向功能，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
2、狭窄或者拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而能够灵活自由地穿行。另外，在许多需要精确定位与高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构能够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通常轮式移动机构无法取代的特殊特性，关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进展趋势。基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机械手臂的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，机械手臂使之能够执行预定的操作。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与有用的思路。1.2 国内外有关领域的研究现状1. 2.1国外全方位移动机器
3、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，与机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不一致特色的移动机器人产品。这方面日本、美国与德国处于领先地位。八十年代初期，美国在DARPA的支持下，卡内基梅隆大学(CarnegiCMellonuniversity,CUM)斯坦福(StanfOrd)与麻省理工(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
4、制的Navlab-I与NaVIab-5系列机器人代表了室外移动机器人的进展方向。德国联邦国防大学与奔驰公司于二十世纪九十年代研制成VaMoRs-P移动机器人。其车体使用奔驰500轿车。传感器系统包含：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与角度变化传感器。SONY公司1999年推出的宠物机器狗Aibo具有喜、怒、哀、厌、惊与奇6种情感状态。它能爬行、坐立、伸展与打滚，而且摔倒后能够立即爬起来。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L60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
5、。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Ll所示，它由轮辐与固定在外周的许多小滚子构成,轮子与滚子之间的夹角为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，第三个是绕轮子与地面的接触点转动。轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运动。由三个或者三个以上的Mecanum轮能够构成全方位移动机器人。一个电机驱动，两个轮子的轴线方向相互垂直，因而称之正交轮。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使用了这种结构，如图1.4o房子图Omdrectuxil rec Cdfigum
6、ble VdlKIe1.6 加木。母个球轮上的驱动滚子由一个电机驱动，便球轮绕驱动次于所构成平面的法线转动，同时能够绕垂直的轴线自由转动。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。在国防科工委与国家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继而成,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,使用传统的“感知-建模-规划-执行”算法,其直线跟踪速度达到20kmho避障速度达到5-10kmho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
7、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一车轮组机构,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，或者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与越障运动之间转换。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与多传感器信息融合等技术，最后给出了移动机器人的系统操纵方案。、平台，该平 式乍。本课题 :的平台参考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
8、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，则轮子主动的滚动与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网，如图L9。1.7 要紧本课是台能够沿是机器人包与有用的月本文历熟悉与分析已有的机器人移动平台的工作原理与结构，与分析操作手臂常用的结构与工作原理，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。根据选定的方案对带有机械臂的全方位移动机器人进行本体设计，包含全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计与机器人操作臂的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，能够快速、有效的到达指定地点；机械臂操作范围广、运动灵活、结构简
9、单紧凑且尺寸小，能够快速、准确的完成指定工作。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与根据。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与有用的思路。带有机械臂的全方位移动机器人能够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，包含对机器整机的设计要求与对构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
10、械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的要紧目标。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：机器的经济性表达在设计、制造与使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性表达为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径与最简单合理的结构。b.对零件设计的基本要求机械零件是构成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，因此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与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
11、保证机器的各类功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命内不可能产生各类可能的失效，即要求零件在强度、刚度、震动稳固性、耐磨性与温升等方面务必满足的条件，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与制造等多方面加以考虑。设计时合理的选择材料与毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级与认真考虑零件的加工工艺性与装配工艺性等。另外要尽量使用标准化、系列化与通用化的零部件。任何一种机器都有动力机、传动装置与工作机构成。动力机是机器工作的能量来源，能够直接利用自然资源（也称之一次能源）或者二次能源转换为机械能，如内燃机、气轮机、电动机、电动马达
12、、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力与运动能力，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与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下列设计原则：(1)总体结构应容易拆卸，便于平常的实验、调试与修理。(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含纵向、横向与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：能高速稳固的移动，能量利用率高，机构的操纵简单，而且它
13、能够能够借鉴日益完善的汽车技术与经验等。它的缺点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，假如不考虑特殊环境与山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。因此在这个意义上车轮形移动机构的利用价值能够说是非常高的。图2.1是全方位轮式移动机构的不意图。轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，可调速，便于操纵。车轮的旋转与转向是独立操纵的，全方位移动机器人使用前后轮成对驱动来操纵转向，与操纵每轮旋转来实现全方位移动O2. 3.1移动，在车轮J够看出，模:且对电机轴3构，增大了;O由图能 滑现象， 内嵌式结 IMo 电机内嵌 距离。为 L来实现。直了结轴T L综合两，在车轮内部,了保持轮子f表面径向
14、定位通过电机轴外表由I在问定位。此外，此处选用深沟场轴承作为支撑.深沟球轴承要紧承载径向载荷，同时也能够承载小的轴向载荷。选用它就能够达到设计的要求,而且深沟球轴承经济性好,方便购买。而作为径向支撑,它要紧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，只能使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，然后再通过车轮自有联轴器与电机轴联接。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,两者相配合使用构
15、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，同时作为两车轮的轴向定位件。车轮最终的固定是通过外侧的螺钉来顶紧挡板实现的。具体结构如图2.4所示。(5)整个旋转部分结构设计完成,但它务必与转向机构连接起来才能实现全方位移动皿。后一小节转向机构的设计中设计有转向轴,为了使转动部分与转向部分的转向轴连接以实现全方位运动，此处设计了类似于半圆的固定件。如图2.5所示。使用是使用两个配合来固定住旋转部分,通过四个螺栓的连接来实现与转向轴的连接,从而使转向机构与转动机构连为一体,最终实现全方位移动。至此，全:2. 3. 2移动机转向部分 向机构设计的tlllO 转图2. 6转向部分示
16、意图图2. 7转向部分结构图(1)转向轴转向轴分两部分，呈T型，一端使用阶梯轴的形式，便于与基座联接；另一端与车轮部分联接，设计成圆柱形以保证足够的强度与良好的工艺性。同时两部分轴互相配合，能够伸缩以便转向时车轮轴的位移变化。转向轴要紧作用就是通过与转向电机的连接起到转向的作用，要紧受的是径向力，而受到的轴向力很小。如图2.7所示,转向轴受到向上的轴向力时，轴向力通过轴肩传到下方轴承内圈，再传到套筒，然后传到上方轴承的内圈，再通过滚珠传递到轴承外圈，而轴向力进一步的传递到端盖与箱体，从而将轴向力转移到整个车体上，由于，箱体连接在车体上。转向轴受到向下的轴向力时，首先是靠弹性挡圈传递轴向力，再通
17、过一系列传递最终将轴向力转移到车体上。因此说，转轴的工作是可靠的。(2)转向轴与基座联接：转向轴相关于基座来说只有一个自由度，形成的是转动副，转向轴在机器人移动过程中承受径向力与比较大的轴向力，适合这种要求的常用轴承有圆锥滚子轴承。轴承使用套筒隔开的两端支撑结构，这样设计能够保证转向轴在转向的过程中不发生摇摆，保证转向的精度同时能够减小对转向有关零部件的磨损。一对轴承用套筒隔开后，轴承内圈由轴肩与轴用弹性挡圈固定。两轴承外圈与基座座孔与轴承端盖连接。(3)转向电机轴与转向轴的联接两轴的连接通常选用联轴器。联轴器要紧用来联接轴与轴(或者联接轴与其它回转件)以传递运动与转矩,有的时候也用作安全装置
18、。本文中没用选用标准的联轴器，由于标准的联轴器整体尺寸过大，占用空间大,且不利于安装,不符合设计要求。同时.，由于所要连接的两轴径大小确定本文自行设计了一个联轴器。其结构如图2.8所示。O图2.8联轴器由于轴仅受到转矩的作用，而轴向力很小，因此两轴都使用平键来周向固定,以达到固定与连接两轴的目的。(4)转向驱动电机与基座的联接当转向轴与基座构成转动副以后，只需要用电机来驱动转向轴即可实现车轮的转向。将电机固定在基座上需要一个连接件，连接件设计过程中考虑了两种模型：整体式与剖分式,如图2.9与2.10所示。整体式装配时定心性好，但务必侧面开口，这样容易导致车轮转向精度不够，且不利于防尘，剖分式定
19、心性稍差一点，能够组合成封闭结构，具有可靠的刚度，防尘，拆卸方便。因此，选用剖分式结构。图2.9整体式图2.10剖分式(5)箱体的设计与固定如图2.11所示为箱体结构的示意图。它通过左右两侧对称的呈L型的矩形臂用8个螺栓固定于车体前后两侧。由于箱体是通过螺钉与机座连接的，从而能够把它与机座与转向电机视为一体。再者，箱体内部是放置轴承，并固定轴承的,因此设计了如图中所示的双臂。这种设计能够将转向机构的整体重量通过箱体的两臂传到车 而且这样设计拆便 个转向机构，并引 至此，整个WJ将大大的减小。,有利于稳固整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通常使用下列几种电机：直流电机
20、、步进电机与舵机。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操纵复杂（PWM）步进电机精确的速度操纵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:在机器人机电操纵系统中，舵机操纵效果是性能的重要影响因素。舵机能够在微机系统与航模中作为基本的输出执行机构，其简单的操纵与输出使得单片机系统非常容易
21、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能够保持的操纵系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包含飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中己经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，事实上是一种伺服马达。2）舵机的工作原理：操纵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。当然我们能够不用去熟悉它的具体工作原理，明白它
22、的操纵原理就够了。就像我们使用晶体管一样，明白能够拿它来做开关管或者放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流淌是能够完全不用去考虑的。（2）步进电机步进电机作为一种新型的自动操纵系统的执行机构，得到了越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的操纵领域。步进电机尽管有一些不足，如启动频率过高或者负载过大时易出现丢步或者堵转，停止时转速过高易出现过冲，且通常无过载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位操纵性能好，没有积存误差，易于实现操纵，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操纵。b.电机的选型与计算关于本课题来说，移动机器人的移动速度最高为0.5米
23、/秒，电机转数最高接近100转/分。假如用直流电机，由于受转速与力矩的影响，要配减速器。而假如用步进电机，操纵位置精度比较高能够达到1.8度。而且不需要减速器避免造成结构冗繁。因此选择步进电机作为驱动电机。下面对旋转步进电机型号进行选择，轮式移动机器人在移动的时候，需要克服两种阻力：摩擦力与重力。关于平面内移动的机器人来讲则只需要克服摩擦力。带有机械臂的全方位移动机器人整体重量在20Kg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：终=八=(20X9.8X0.5)0.5=49W则平均每组车轮提供的功率为25瓦。关于单个车轮而言：P=M=M-(2-1)r车轮直径为11
24、0mm,则电机需要提供的转矩为：pr?555M=-=P-=-=1375mNm(2-2)V20.5因此，选择了北京与利时公司的57BYG250E-0152型号电机。静转矩为1.5NM。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。其力矩随转速的关系如下图2.12所示。转速(Pfn)图2.12电机转矩图下面选择转向电机，机器人对转向速度要求较低，对位置精度比较严格，选用步进电机能够满足设计要求。转向电机要紧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，因此要紧计算电机静力矩。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)
25、=-209.80.5=24.5f4由于车轮是零半径回转，因此克服的摩擦力矩为：M=21XWdX=fl2(2-4)式中/单个车轮的宽度设计车轮与地面接触总宽度为60mm,即/=30加”因此克服的力矩为0.368Nmo实际上车轮不是与地面呈线接触，保证一定余量，选择电机型号为57BYG250B-SASRM-0152,静力矩为1.4Nmo下面是所选电机的外形尺寸。A-A7457BYG250 B SAFRMx57BYG25OCSAFRM66元件、卜的主57BYG250CSAFRM装 *n57BYGMaSBFRMC /机轴长：“L* P 叩 1IrT， IFHJ 口匕穴 131mm.氯色尺寸同67BYG
26、25OCSAFRMC-s/UJUrJK rr 以卜 I r a hp!：第 妁多安 路局,以达到最佳的使用效果；第三层安装车轮旋转机构。本结构的空间分层设计使得 机器人机构紧凑，易于保护，而且提高了机器人操纵系统的抗干扰能力。图2.13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体化产品。它不是机械装置与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与可对前方280mm内目标进行抓取的这一思路展开设计。设计
27、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0-0.5ms调速；设计了车轮旋转机构，可使车轮实现零半径转向。3机械手臂的设计3.1末端执行器的设计机器人的关节结构分为转动关节与移动关节两种形式。本文中使用转动关节形式，这种结构简单，操纵容易。参考人的手臂，本文机械手臂设计成两个摆动与一个回转关节。如图3.1所示。机器人的机械臂是由基座、手臂、手腕与末端执行器构成。1.摆动关节2.摆动关节3.回转关节4.末端执行器图3.1机械手臂的模型3.1.1 末端执行器设计要求末端执行器结构形式多样，但总的设计都有下列几点基本要求：（1）应具有适当的夹紧力与驱动力，
28、手指握力（夹紧力）大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏抓取物体；力量过小则夹持不住或者产生松动、脱落等现象。在确定握力时，除考虑抓取物体重量外，还应考虑传送或者操作过程中所产生的惯性力与震动，以保证夹持安全可靠。（2）手指应具有一定的开闭范围，手应具有一定的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）或者开闭范围（对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离），以便于抓取或者退出物体。（3）应保证抓取物体在手指内的夹持精度，应保证每个被抓取的物体在手指内都有准确的相对位置3. （4）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证自身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以便
29、于减轻手臂的负载。4. 1.2末端执行器的设计目a.驱动方式的选择机械中提供驱动的装置与方式很多，如电机驱动、液压驱动、气压驱动等，各类驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压与气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时使用多种驱动方式，这都视不一致机器人的特点与要求所定。比较这些驱动方式的特点，丛中选择适合移动机械手的驱动方式。电机驱动机械手能够避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压与气压驱动要高。电机系统将电动机、测速机、编码器与制动器组装在依次加工的课题里,使得整个电机系统体积小，可靠性与通用性也得到很大的提高。另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，能够达到
30、非常高的位姿准确度。而液压与气压驱动系统构成机构烦琐，保护不方便，液压源与气压源装置体积大，关于移动机器人来说也是个无法实现的问题，关于移动机器人操作机械手臂所要求的位置精度，液压与气压驱动也很难满足。综上所述，本文选择电机驱动为机械手的驱动方式。b.传动方式的选择传动装置是一种实现能量传递与兼有其它作用的装置，它的要紧作用有：能量的分配与传递；运动形式的改变；运动速度的改变。机械传动是要紧的传动装置，常用的有带传动、链传动、齿轮传动与蜗杆传动等根据机械手结构的实际情况选择齿轮传动。齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一类传动。它传动效率高，在正常的润滑条件下效率可达99%以上；传动比恒定，齿轮传
31、动具有不变的瞬时传动比，因此可应用到高速传动中；结构紧凑，同等条件下其所占空间小；工作可靠、寿命长。手指的设计将使用平移运动的方式来夹持物体，这里将使用左右螺旋轴与齿轮副一起作为传动机构来完成末端机构所要求达到的功能。使用这两种结构使整个末端执行器体积小、质量轻。c.手指的设计不一致的手指数量能够完成的动作与动作复杂程度都不一致，能够根据机械手务必完成的动作来确定机械手所需的最少手指数网。一个手指能推、滚或者滑动小物体，还能够用力操作开关等；两个手指除具有一个手指完成的功能外，它还能抓住物体并可精确的操纵物体的位置与取向；三个手指除了能完成两个手指可完成的功能外，它还有在手中反复抓握物体的功能
32、，如将物体抛入空中并在新的位置抓住物体；多个手指则具有更大的灵活性,如能够抓住与操作多个物体。关于本文的移动机器人，只需能够抓住物体，操纵物体的位置与取向，那么两个手指就能满足此工作要求，因此在结构上将使用两指结构。从而两手指相关于末端执行器在左右螺旋轴的带动下做平移运动，达到开合作用。工业机器人应用的双指机械式夹持器按其手爪的运动方式可分为回转型与平移型网。如图3.2与3.3是两种典型的机械夹持器结构。本文选择平移型夹持器的结构，它与前者相比具有结构简单、操纵容易的优点。1.支架2.杆3.圆柱销4.杠杆L电动机2.丝杠3.导轨4.钳爪杆图3. 2杠杆式回转型夹持器图3. 2左右旋丝杠原理图通
33、过以上的研究讨论从而设计末端执行器结构如图3.4所示。末端执行器机械结构使用超硬铝合金材料，在保证一定的刚度的同时又降低了整体的重量。手指伸出长度为50mm,开合范围4-44uno它的内部结构是这样的，驱动电机经齿轮1传动齿轮2,驱动左右螺旋轴3使手指6、7进行开合运动。导向轴引导并固定手指的运动轨迹。71.电机2.齿轮指7.夹持器左指3.1. 3电机的选要；,其中径r=3. 6mm,螺 纹驱动力矩。手指材料规则（与手指接触面为 JJ形状的物体冈。这种本文设计要目 距P=Imm,当量度 为铝合金，表3.7手指形状如性 平面）的物体，力 设计能够更好的1摩擦副材料静摩擦系数铝合金黄铜0.27青铜
34、0.22钢0.3胶木0.34钢纸0.32树脂0.28硬橡胶0.25石板0.26从表3.1能够看出铝合金与不一致材料的静摩擦系数趋近于0.3,因此取被抓物体与末端执行器手指之间的静摩擦系数a=O.3,则：AN = /(3-1)螺纹增力比(3-2)(3-3)z=Q-=_-J_,Mrtan(+p)式中P当量摩擦角，P-Ctrctan/;a螺纹升角，a=arctan-2r带入数据,得。=1915.7,得M=2=5.12mNmiP选用齿轮传动比忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩，根据上述计算，我们选择了北京与利时电机公司生产的28BYG250C-SAFSM-L007型步进电机，它的保持转矩为90加Vm,
35、满足设计要求。3. 2机械手臂杆件的设计本文使用铝合金材料设计成薄壁件，一方面保证机械臂的刚度，另一方面可减小机械臂的重量，减小对对基座关节电机的载荷，同时提高了机械臂的动态响应。3. 2.1腕部结构设计手腕部件设置于手部与臂部之间，它的作用要紧是在臂部运动的基础上进一步改变或者调整手部在空间的位置，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，习惯性更强。本文设计的手腕结构是回转结构，它可在空间内360旋转，继而扩大机械手的工作范围。腕部使用伺服电机驱动，通过电机伸出轴与末端执行器连接，借助轴承来达到力矩的传递。通过轴承座将力传到壳体上，使电机轴只能传递力矩而不受其它力的作用。其结构如图3.
36、5所示。电机6.冗体7.杆件A1.末端执行器：3. 2. 2臂部结构设计手臂部分是机械斗5_宛部与手部，并带动它们做6空间运动。臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。假如改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。臂部设计的基本要求：（1）承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲（而且不是一个方向的弯曲），也受扭转，应选用抗弯与抗扭刚度较高的截面形状。因此臂部做成空心的，这能够减轻自重，也提高了刚性，其内部能够布置各类机构，这样就是结构紧凑、外型整齐。（2）臂部运动速度要高，惯性要小在通常情况下，手臂的移动要求匀速运动，但在手臂的启动与终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击
37、，要求启动时间的加速度与终止前减速度不能太大，否则引起冲击与震动。（3）臂动作应灵活。（4）位置精度要高。2HF件，通过杆件A与B0知的，因此其重心可能 ）位置造成的不良影响。 成手臂。3能够调整机械臂中两关本文设计的手臂是摆动关节,杆件B是为装配舵机设计成如图3.6所示结构,如今舵机自身也参与了杆件的构成，这样既节约了材料与设计空间，又增加了机械臂的刚度。杆件C是为了支撑舵机轴而设计，它与舵机的配合形成了机械臂的摆动关节，关节处无轴承配合，而是通过舵机摇臂与舵机主体之间的相对主动来实现关节驱动的。/杆件A与杆件的组合设计具有下:（1）使关节问节的距离，使机械4（2）调节机械不在其几何中心，I
38、通过摆动关节与3.2.3机械臂电机的选型与计算人们往往关心的是机器人的末端位置与姿态，而舵机有非常好的位置可控性，带有精密的减速器，具有其他同等尺寸的电机无可比拟的输出力矩，因此我们选择舵机作为关节驱动器。机械臂的结构如图3.7所示，其中第1关节的舵机需要提供的力矩最大，因此我们对这一关节进行计算。吉等效的方式，马上末端执行器及假想的欲抓取目标单独计算，其余杆件质量集中到机械臂的中点计算：(3OO2)1O-39.8(27O+5O)1O-3=.G5N-m(56100)21039.84+7+25=O.55/V?/两部分一共为2.2Nm,从而选用汉扬科技公司生产的舵机，型号为HSR9559,其保持力
39、矩为2353mNmo满足设计要求。3.3本章小结机械手臂是机器人最终工作的执行者,本文模仿人的手臂设计了三关节机械臂，同时使用杆件可换的组合结构使机械臂杆件长度可调，可对前方280mm内目标进行抓取。肩关节与肘关节使用转动结构，而手腕则使用回转结构，末端执行器使用开合式两指结构。使用舵机操纵手臂的转动。设计的抓取最大重量为300go可实现设计范围内的工作要求。4.机械材料选择与零件的校核4.1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，不一致材料制造的零件不但机械性能不一致，而且加工工艺与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、非金属材料与各类复杂的复合材
40、料等。选择材料要紧应考虑下列三方面的问题。a.使用要求使用要求通常包含:零件的受载情况与工作状况;对零件尺寸与质量的限制；零件的重要程度等。若零件尺寸取决于强度，且尺寸与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）宜使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，应选用能够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
41、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、灰铸铁或者球铸铁等等。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与生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件使用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯要紧考虑材料的延展
42、性、热膨胀性与变形能力等，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，以提高产量与产品质量，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与表面性质的变化等，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与加工费用。（3）要充分考虑材料的利用率。比如使用无切削或者少切削
43、毛坯，能够提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应该设法提高利用率。（4）使用局部品质原则。在不一致的部位上使用不一致的材料或者使用不一致的热处理工艺，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与规格不一致。4.2零件材料选择与强度校核从材料选用原则的使用要求、加工要求与经济要求出发，选择机械本体个零部件的材料1。在机械手臂中各传动件是关键性零件，如传动轴与齿轮系，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
44、传动轴的常用材料有碳素钢与合金钢。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与更好的淬火性能。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，与处于高温或者低温条件下工作的轴，常使用合金钢。在通常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；机械手传动机构，螺纹轴使用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IOmm的那段,因此只对这一段进行校核就能够了。轴
45、的运动要紧受到扭转力，因此只对其扭转强度进行校核。轴的扭转校核公式为：式中：Tt扭转切应力，单位为MEJWt轴的抗扭截面系数，单位为nnt,轴的材料为45号钢,其同意扭转切应力为J=35M由第二章可知，转向机构选择的电机型号为57BYG250B-SASRM-0152,其静力矩为1.4Nn0即T=1400Nmmo由于此段轴中有键，其截面如图4.1所示：抗扭截面系数：(4-2)wJ/bt(d-1了-162d图中t=1mm,b=2mm,d=1Omm将数值带入公式计算得:W =188.25WWJ：1400188.25lA4MPa5MPa图4.1轴截面由此可知，设计的转轴强度满足要求，能够使用。（3）车
46、轮的校核车轮是整个机械部分的支撑，也是整个结构受力最大的部分。这里从材料经济性与强度等方面选择45号钢来制造。加工时为了增大车轮与接触面的摩擦力,车轮表面要滚花处理，这样更有利于机器人的移动。整个车轮部分承载的重量为12Kg。由于整个移动机构有四个车轮，这样每个轮子受到的重量只有3Kg。受到的重力仅为29.4N。轮子的直径为IlOnHl1,整个移动部分的强度是非常大的，完全满足设计的要求。b.齿轮系材料的选择与强度校核（1）齿轮材料的选择齿轮的要紧失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合与塑性变形。因此设计齿轮时要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合与抗塑性变形的能力，齿根则要有
47、较高的抗折断能力。为此，对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿心要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理来改善其机械性能与提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。关于强度、速度与精度要求不高的齿轮传动，能够使用软齿面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于350HBS,热处理方法为调制或者正火，常用材料有45号钢与40Cr等。加工方法通常为热处理后切齿，切制后即为成品，精度通常为8级。本文设计的齿轮副速度要求不高，因此设计选用40Cr为材料，软齿面即可满足传动要求。（2）齿轮副的强度校核轮齿在受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根出的弯曲疲劳强度最弱。关于制造精度较低的传动齿轮，由于制造误差大，实际上多由在齿顶处咬合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。本文设计的是直齿圆柱齿轮，齿数Z=30,模数加二2mm,齿
