移动机器人机械臂的结构设计

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1、移动机器人机械臂的构造设计 第1章 绪论 1.1 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妆备。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,是一种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、完毕目的任务、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,并浮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

2、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长，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之一。因此根据功能特性可以把机器人大体分为三大类2：(1)只能移动的移动机器人。（)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年代以来,机械臂开始广泛的应用到加工装配、焊接、涂装等行业，机械臂不仅减轻了人们的工作强度,并且极大的提高了加工生产效率。但这些机械臂绝大部分是固定于固定基座上的,这种用于反复性工作的机械臂相对位置精度规定较高，而绝对位置精

3、度规定一般。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拟定性因素，这就规定机器人需要同步具有移动和操作的能力。搭载在移动底盘上的机械臂系统正好可以满足这种需求，此类机械臂由于具有移动能力，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。最初的移动机械臂重要应用于太空摸索方向，目前它的应用己遍及多种领域，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2世纪机器人发展的重点方向。本课题来源于南京市科技局的科技筹划项目。通过进行机器人机械臂的构造设计和

4、计算等,使得移动机械臂具有构造紧凑、轻巧，高运动性能等特点。1理论的渊源及演进过程移动机器人的研究始于20世纪60年代末期。斯坦福研究院(SI)的ils ise 和Chales Rosn 等人,在196年至972年中研发出了取名Saky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: (1）第一代机器人,即按事先示教的位置和姿态进行反复的动作的机械。它也可以简称为示教/再现方式的机器人或是/P 方式(TchingPlabk)的机 器人。目前国际上实用的机器人

5、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反复的动作而对周边环境无感觉的功 能,其应用范畴受到一定的限制,重要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。 （2)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状况修改自身的动作，从而完毕较为复杂的作业。例如,机械装配、打磨、工件检查等工作。 （3)第三代机器人,此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。从而可以适应由于环境的变化而自主进行的工作。第三代机器人目前还处在研究阶段,距离实际应用尚有一段距离。在普及第一代工业机器人的基本上，第二代工业机器

6、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998 年安装台数的10%,销售额的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。针对这种状况，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(obileRbot）技术的研究 。如美国Hu人工智能中心在1987 年开始的移动机器人越野实验。国内科研院所也在同一时期开展了移动机器人的研究，如清华大学自1988年开始设计的一系列移动机器人TMR（Tsighua MobileRb)。将机械臂应用于移动平台的案例也越来越多，如在军事行动和反恐行动中使用的侦查排爆机器人，灾害救援

7、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,水下机器人8，地外行星样品采集机器人等。 在移动机器人技术迅速发展的今天,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有关技术也是机械臂研究领域的必然发展趋势。1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规定，机械臂的发展也有其大显身手的余地， 多领域的发展使得机械臂必须具有：轻型化、低能耗、模块化、高稳定性等特点。

8、本节将以机械臂在非工业生产领域中的应用来阐明其目前国内外研究现状。1.31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”(TLON)系列军用机器人10-1 ，见图1-1。通过装载不同的模块，TALO机器人被用来执行一系列危险任务,例如侦查危险环境,拆除路边的简易爆炸装置,甚至被用于执行袭击性任务。其中最重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拟定，为末端执行器提供精确的坐标位置。在这种设计方案中的机械臂关节数量较

9、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，由于其构造限制只能对车体正前方的目的进行操作,严重制约了其使用范畴。为扩大机械臂的使用范畴，年，Ferie 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。新设计的机械臂最重要的特点是增长了一种肩部旋转自由度，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重要性能参数如表1所示。除此之外,应用较多的移动机械臂尚有美国iobot 公司研制的acBotMEOD 和PckotM50 移动机器人，这两款机械臂具有八个独立的自由度(涉及其末端夹持器)，其操作更灵活并具有更强的负载能力1

10、2。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，具有七个自由度,属于冗余自由度机械臂,正是由于她有一种多的自由度,使得它在遇到障碍物时可以灵活避开，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。PA0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，可以实现机械臂的精拟定位3。 表1-“魔爪”机械臂的性能参数项目参数自由度4个自重（空载时）9.kg完全伸展时负载能力8.0kg一般状态下负载能力1.3g完全伸展时臂杆长度.32肩部旋转范畴30度肩部俯仰范畴270度肘部俯仰范畴10度手腕旋转

11、范畴340度与否模块化关节是 图1-1 魔爪军用机器人 1.3.2 国内有关研究的综述国内对移动机械臂的研究起步稍晚，但也有某些成熟的技术产品。例如沈阳自动化研究所研制的灵蜥系列移动机器人，其本体重要由移动小车、机械臂和控制中心构成,其中有代表性的型号是“灵蜥-A”、“灵蜥-B”、“灵蜥-”和“灵蜥HW”四款反恐防爆机器人。其中“灵蜥-H”警用反恐防暴机器人采用的是三履带式构造,见图1-2。灵蜥-H机器人在灵蜥一B的基本上，改善了机械臂系统，使其具有6个自由度,且增大了机械臂构造尺寸，扩宽的工作空间,使其最大工作半径超过2米,最大负载达到5N 14。同步还为该机器人安装了摄像机监视器，夜间照明

12、系统以及环境监测传感器，使其更加有效完毕反恐作业。上海交通大学也曾推出过一款名为uper-D的反恐防暴机器人,见图1-3，其采用的是轮式构造,在其上安装有一条用于操作的轻型机械臂。 虽然国内移动机器人领域目前已有了较大的发展，但与国际先进水平相比仍有较长的路要走,例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，而国内机械臂设计中还缺少这种指引思想。图12 灵蜥-H 警用反恐机器人 图 1 Suer- 反恐防暴机器人系统 第二章 机械臂构造初步拟定.引言移动机械臂在具有老式轻型机械臂质量轻、高负载自重比和模块化关节设计等特点的基本上,针对其使用规定还需

13、具有迅速更换故障件,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,分析拟定了机械臂合理构型，简介了机械臂关节设计，传动系统等设计方案。在考虑实用与美观的同步完毕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规定,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: ()机械臂折叠时总长50m，单臂杆转动范畴:0，旋动速度0.5rd/s,系统自重kg。（2） 机器人底盘系统的总体尺寸不超过:长宽高=8mm540260mm。 （3)机械臂的抓取重量为3,抓取对象为直径m、长度360mm的圆柱体。2.

14、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(jon),由于构造和便于驱动的因素,常用转动关节和移动关节，并分别用R和表达。独立驱动者成为主关节，反之成为从关节。在操作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范畴,因此手臂运动一般称为操作机的主运动。机械臂一般按手臂的坐标形式进行分类,有如下四种类型:（1） 直角坐标型(cateian coodite ob)直角坐标型具有三个移动关节(P),可使手部产生三个互相独立的位移(x,y，z)，如图2-1所示。其长处是定位精度高、轨迹求解容易、控制简朴等,而缺陷是所占空间尺寸

15、较大,工作范畴小,操作灵活性差,运动速度较低。（2） 圆柱坐标型(cyinricl ordintrobot)圆柱坐标型具有两个移动关节和一种转动关节(PP)，手部坐标为（，,), 如图2-所示。其长处是所占空间尺寸较小,工作范畴较大，构造简朴，手部可获得较高的速度。缺陷是手部外伸离中心轴较越远,其切向线位移辨别精度越低。（3） 球坐标型(pola ordinate oot)球坐标型具有两个转动关节和一种移动关节(RR) ,手部坐标为 （,)。此种操作机的长处是构造紧凑,所占空间小。但目前应用较少。（4） 关节型(ariculated robo)关节型机器人(aticate rbo）是机器人中使

16、用最多的一种结形式构,这种机器人是模拟人的上臂而构成的。为了保证机器人手部有6 个空间自由度，其积极关节数目一般为6,或不少于6。但根据实际使用规定，也有不不小于自由度的。一般状况下，所有关节皆为转动型关节。关节型机器人的特点是构造紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间最大,还能绕过基座周边的某些障碍物。世界某些出名机器人都采用这种构造形式4。多关节机械臂的长处是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取接近机座的工件,并能绕过机体和工作机械之间障碍物进行工作。 图 -1 直角坐标型 图2-2 圆柱坐标型 图23 关节型根据机械臂设计规定,本文规定的移动机器人具有体积小,可折叠，单兵能背负的特性，

17、合用于排爆等特殊场合,对动作半径和灵活度具有较高规定。结合设计指标分析，参照国内外多种危险作业机器人机灵机械臂的构造形式后，本文决定采用关节型机器人。构型为旋转俯仰俯仰 俯仰,如图23所示。在机械臂工作过程中，其最重要的功能就是实现机械臂末端操作器的多种工作位姿。机械臂末端操作器的空间位姿可由三个沿坐标轴的平移的参数和三个绕坐标轴旋转的参数来表达，通过对这6个参数的拟定来实现机械臂末端操作器的位姿拟定,这规定机械臂至少具有 个自由度来实现末端操作器的位姿任意性。但在某些工作场合中，实际操作并不需要实现机械臂末端操作器位姿的任意性,只需要实现工作需要的有限位姿种类即可（如本文中只需夹持圆柱体，显

18、然不需要6自由度）,这时候可以运用少自由度机器人实现与 自由度机器人相似的工作成果,并且少自由度机器人在设计、加工、装配和控制上均有着自身的优势。少自由度并联机器人是指自由度数少于6的并联机器人17,这里借用少自由度并联机器人的定义,将这种自由度数少于6 的串联机器人（也就是机械臂)称为少自由度串连机器人。对于空间开式构造有自由度数目等于关节数目，故有,其中。在本文中,约束条件i=5, 故=1，,因此自由度为4。2. 移动机器人机械臂杆件基本参数的拟定由任务规定可以看出，由于机械臂采用旋转-俯仰-俯仰-俯仰的布局方式，机械臂工作时可视为先拟定肩关节的旋转角度，再拟定各俯仰关节角度,最后拟定腕部

19、关节旋转角度的位置拟定流程,锁定其肩部关节旋转运动，其灵活工作空间可视为由上臂和前臂手腕长度拟定的圆环状工作空间,再加上肩部的旋转,在不考虑障碍的条件下,机械臂的灵活工作空间就是一种球壳状的空间。如图2所示。由机械臂构型可知工作空间重要受其上臂、前臂和腕部轴向尺寸的影响，在这里设上臂长为L1、前臂长为2 和腕部长为H，由于机械臂需要保证可折叠的设计方案,故而有L，因此机械臂的灵活工作空间外径为2=L1+L2-H。当HL1-时,灵活工作空间内径为H-（LL2)，两者可结合记为C=1L2-H|。综合来说机械臂的灵活工作空间为C4C 内空间。在这种条件下腕部轴向尺寸越小，灵活工作空间越大,并且当仅当

20、H=1-L2的时候机械臂的灵活工作空间内径为0,因此机械臂设计时，在满足几何构造规定的前提下，应尽量使机械臂腕部轴向尺寸尽量满足H=L-2 。 图 2-4 机械臂空间示意图根据任务规定,机械臂折叠时总长5mm。这就规定了最长的单个臂杆的长度。先假设L1=60m。由H=1L2 可得总长度L1L+H=L1200mm.不同长度的连杆，对于不同轻型机械臂的工作空间有很大个影响。机器人的工作空间定义为:不同关节运动所达到的末端执行器的所有位置的集合，该集合称为可达工作空间。机器人工作空间的大小代表了机器人的活动范畴，它是衡量机器人工作能力的一种重要运动学指标。在遗传算法工具箱谋求机器人的优化设计、控制及

21、应用过程中,工作空间都是一种需要考虑的重要问题。对于链式机械臂的运动学以及轨迹规划分析,目前使用较为广泛的是采用的D-坐标变换措施对单臂的各连杆进行坐标系标定,建立机械臂的数学模型,并在该数学模型的基本上使用基于Malab平台的机器人工具箱Robtcs Toolbox求解可操作度的最大值。然而考虑到本设计的侧重点是对机械臂的构造、关节、传动布置等进行设计,并结合本科阶段学识状况，这里对进行这样的简化解决:通过与同一构型的成熟机械臂长度进行类比，根据它们的线性比例关系拟定本文机械臂所需的长度。通过查找文献，找到一种通过Mt的遗传算法迭代100次后得到的同构性机械臂长度方案。如图2-和-6所示,分

22、别为完全展开状态和折叠状态的几何模型。这里,m、mm、H20m. 总长m。而本文所需的机械臂总长故可得下列比例式： 可以解得=551mm,45mm,=15mm。 图- 完全展开状态的几何模型 图2-6 折叠状态的几何模型.5 设计措施选定基于移动平台的机械臂构造设计措施重要有基于模块化关节的机械臂设计措施15和基于分离式关节的机械臂设计措施。我们先将这两种措施做对比6:表21 机械臂构造设计措施的比较模块化关节的机械臂设计措施分离式关节的机械臂设计措施长处模块化关节机械臂设计措施使其关节模块为高度集成的机电一体化产品;开发周期短,机械传动效率高，构造紧凑;原则化设计具有良好的互换性,易于维护；

23、可以根据自由度规定自由组合,减少开发成本;其机械臂构造装置构造简朴、传动链紧凑、传递效率高、布线以便。分离式关节的机械臂设计措施使驱动与执行端分离,可以有效的将机械臂驱动电机集中在其基座上,减少了机械臂的倾覆力矩，提高了机械臂的承载性能：同步有效的减少机械臂摆动端质量,减小机械臂转动惯量，增长了负载自重比；运营时摩擦损耗低。缺陷模块化设计导致模块的种类过于单一,忽视了部分关机的细节解决,无法满足机械臂特殊功能的需求；关节模块使得机械臂各个关节的质量增长，从而增长了机械臂摆动部分的质量,增大了其转动惯量,也曾加了机械臂的倾覆危险性。关节内部传动机构的摩擦损耗较大，传动效率低,关节转角范畴受限。分

24、离式设计需要对每个关节进行特定设计，开发周期长，由于其传动链较长,导致其构造复杂，增大了其传动空间，构造不够紧凑；传动方式存在着疲劳破坏的问题、缩短了使用寿命、增长了维护难度和成本;且形式单一,不可以根据需求自由组合，应用领域受到限制。 综合分析，本文选用的机械臂构造设计方案为模块化机械臂构造，即把机械臂的各个关节设计成为高度集成的机电一体化模块，然后通过连杆将各个关节模块连接在一起。运用这种模块化关节设计机械臂系统,开发周期短,机械传动效率高，各个部分构造紧凑;模块采用原则化设计措施，具有良好的互换性,并且易于维护。2.6传动机构方案移动机械人的功率势必要受到能源环节的制约，因此操作机的功率

25、和输出转矩势必要受到相应的制约。然而，移动机械机械臂由于是空间开式构造并且其执行端需夹持3kg的负载,因此输出转矩必须要有一定规定。解决这个矛盾最简朴的措施是采用大传动比的传动机构。因此在进行方案设计时的原则一是传动比要大,二是传动效率要高。常用的减速机构有谐波减速器,行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠、齿轮系、同步带、线绳传动等。当输入转速1转/分钟,传动比和输出力矩相似的状况下,部分减速器的性能比较见表-。表2- 减速器性能比较减 速 器 类型 参数单 位行星齿轮人字齿轮蜗杆加螺旋齿轮圆柱齿轮谐波齿轮1传动级数2212输出力矩Nm3393903903903传 动 比 9.496008.10

26、04效率%559385齿轮数量个4426轴承数量套16687节圆线速度M/.27.67.62620948齿滑动速度M/S12.12.72.72.70.129同步啮合齿数%7533300齿面接触应力MPA3453453521齿剪应力MPA27171722.0612安全系数 33253613齿面接触状态线线线线面4运动平稳性 中好好中好15力的平衡好好不好好好16外形尺寸高C315.60.658.18.517外形尺寸长CM85.843.2911618外形尺寸宽CM335.454.66.51体积100CM301464455.520质量g11112792325蜗轮蜗杆减速器效率低,发热大,润滑规定高，

27、在热平衡计算不合格的状况下还需加装散热片、散热电扇、冷却回路等装置,显然不合用于移动机器人。圆柱齿轮传动效率高但是尺寸大。谐波齿轮减速器具有效率高,传动比大,传动平稳,尺寸小的长处,是机械臂关节模块的抱负选择。因此本文选用谐波齿轮减速器作为重要减速机构,在必要时配以其她类型减速器。2.6腰部旋转关节的传动方案关节构造可视为由两部分构成：输入端和输出端。驱动装置所在的部分为输入端,减速器所在的部分为输出端,输入端和输出端的轴线可以平行也可以垂直。驱动装置这里假设为电机。鉴于模块化设计措施,各个关节模块会有相通的地方。腰部旋转关节的特殊之处是考虑到腰部回转传动机构可以布置在移动平台上，因此可有较大

28、的布置空间。2.6.2机械臂俯仰关节的传动方案当传动装置不是布置在移动平台上而是布置在机械臂的关节内时,就要牵涉到一种怎么样在狭小空间里合理布置传动装置的问题。从机械臂构造紧凑、外形美观的设计原则出发，结合图2-9（a）的法国防务机器人外形特性，我们先对俯仰关节模块外形做出规划。如图210（b)蓝色部分是输入端,电机在这一端将转矩黄色的是臂杆，它连在输出端上,把运动传到下一关节。传播出端，红色的是输出端,它内部的传动装置与壳体相连带动壳体做俯仰运动。 （a)法国防务机器人（局部） (b)关节外形示意图 图2-9 针对这样的外形，我们提出如图2-10的4个方案,并对其一一探讨:方案一输入端输出端

29、所有传动装置同轴，这种方案构造简朴,动力传递途径比较短,但是在长度方向上尺寸大，这样会使关节长度变长，构造不紧凑。方案二不仅在长度上减少有限,并且输入输出成直角偏置,从图中可以看出,两直角边之间的空间运用不到,这会导致空间挥霍,这个方案可以直接排除。方案三是输入和输出平行但不重叠,而是偏置一种距离；方案四是输入和输出成垂直偏置。方案四同方案三相比较，构造更为紧凑，也更利于电器走线,从外形构造的角度出发,本文优先选用方案四。(a）机械臂关节构造方案一 （b)机械臂关节构造方案二 （c）机械臂关节构造方案三 (d）机械臂关节构造方案四 图210 机械臂关节构造方案7 移动机械臂臂杆的初步设计移动机

30、械臂臂杆起到连接各个关节，传递动力的作用。由于移动机械臂从事危险作业,如排爆工作,因此在对臂杆的规定是：强度大,刚度高，质量轻，具有足够的硬度加工性能良好,工作可靠。高强度铝合金可以较好的满足上述规定。高强度铝合金是指在高品质原铝中添加微量稀土原料，提高它的强度延展性、耐腐蚀性等。2A06是一种高强度硬铝,其力学性能为抗拉强度pa,条件屈服强度pa,伸长率。密度为2.3g/c3由于轻型机械臂安装在移动平台上,工作环境复杂，内部电气装置线暴露在外会遭到破坏。因此机械臂杆采用空心圆柱的造型，这样在最大限度的提高抗弯截面系数的同步可以将多种装置安装在关节和臂杆内部，并对整个机械臂做一定的防污防尘解决

31、,为其能在复杂环境下工作提供保证。臂杆在选择等截面还是等强度的问题上，本文更倾向于后者。虽然等强度梁能有效减少应力集中带来的不利影响，但是无疑也使得工艺变得复杂，并且不利于内部装置的安装。在机械臂臂杆和关节的连接问题上,有两个方案:一是臂杆和关节模块的输出部分一体成型,即图29（b）的红色和黄色部分做成一体。这样的好处是连接可靠，密封性好。二是将臂杆和关节模块的输出部分提成两个部分,用连接装置相连，这样的好处是臂杆和关节模块可分离，从而易于模块的维修、更换、升级。但是相应的,连接可靠性和密封性上会有所下降。本着模块化设计的思想，本文选择了了方案二，在本文后半部分会对连接部分用NSY做校核分析。

32、第三章 驱动、减速装置的选型3.引言移动机器人的核心就是移动机械臂的机动能力,在构型决定的条件下拥有合适的驱动器和传动装置就是保证其强大动力的核心。同步限制整个装置的质量和减少能耗也是至关重要的。在本章中，将一方面对整个机械臂做大体的受力分析，选择原动机的类型；根据前文选定的传动方案和设计指标、受力状况做出计算、选择原动机、减速器以及其她辅助传动机构；按照各个装置的实际大小画出模型图,以便于下一章关节模块的整体设计。32 关节负载的估算在对机械臂进行具体计算时，驱动器以及各个关节驱动装置的选择是直接影响机械臂性能指标的重要过程。在对驱动器选型时,应当一方面真确的评估机械臂各个关节也许受到的最大

33、负载，以及各个机械臂连杆会受到的最大弯矩。然后根据负载状况,分段选择各个关节的驱动装置。在估算机械臂关节转矩前,一方面需要对机械臂各个部分的质量分布进行合理的假设。第一:关节质量的分布。对于质量在机械臂各个关节的分布假设,根据各个关节离基座的距离而定，由于离基座越近的关节所需承受的转矩越大,即所需的驱动单元质量也就越大，导致关节的总质量也越大,因此将于基座相连的腰关节与肩关节的重量相似,为15k:与基座距离近来的第一种连杆关节肘关节的重量为1kg，而接近执行端的腕关节重量为0.5g。第二,连杆质量分布。各个关节间连杆采用质量均匀的铝制构造件材料制成,其质量为0.3/m,故各连杆质量由各个连杆的

34、长度决定。第三,各部分重心分布。各个关节的重心均假设在其旋转轴线上,各个连杆的重心均假设在其中心轴线上且在其长度方向的中点处,末端夹持装置的重心因负载中心而定，并设其与负载的重心重叠。在分析完机械臂的质量分布之后，需要精确的选定机械臂所受最大转矩的状态位置。由于机械臂的在运动过程中，所受载荷重要为重力载荷，即已知机械臂所受载荷的方向是垂直向下的。根据机械臂转动关节所受转矩等于重力乘以力臂的原理可知,当机械臂在承受最大载荷的状况下，使机械臂完全伸展开,运动达到(或者静止在）水平位置时,机械臂各个关节所受的转矩为最大值。显然，机械臂各个关节所受转矩的状况为：与机械臂基座相连的关节所受转矩最大,其她

35、各个关节所受转矩与其到基座的距离成类似反比关系，因此肩关节所受转矩2肘关节所受转矩T3腕关节转矩T4。考虑到机械臂在加速减速阶段施加在其上的惯性力，将各关节的转矩安全系数设为3,即各个关节所受最大力矩为水平位置时关节所受力矩的1.倍。 图-1 移动机械臂受力简图图3-1是移动机械臂的受力简图,图中各力的大小为:；;从而可以求出各俯仰关节的工作转矩分别为: 考虑了安全系数的计算转矩为:至于腰部回转关节模块的转矩,实际来讲是不不小于T2的，但是考虑到设计的以便和模块化的设计理念,令ca=Ta2=63.57Nm。各关节所受转矩整顿为表31所示:表- 移动机械臂关节计算转矩关节类型腰关节Tca1肩关节

36、ca2肘关节Tca3腕关节Tc4所受转矩6.42Nm.42Nm.3 关节驱动器的选型.3.1 驱动方式的选择在前文中已经将驱动器默觉得电机。这里，我们再次罗列出多种驱动方式，比较它们的特点，做出有根据的选择。目前机械臂常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等多种方式,多种驱动方式有其自身的特点,在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，某些机器人则同步采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和规定所定。比较这些驱动方式的特点,从中选出适合移动机械手的驱动方式：（1） 液压传动。液压传动的长处有:驱动力和驱动力矩较大;速度反映性较好;调速范畴较大，并且可以无级调速,易于适应不同的工作规定;传

37、动平稳,能吸取冲击力,可以实现较频繁而平稳的换向。但是液压传动的缺陷对移动机械人而言足够致命：一套完整的液压设备太过复杂,质量大、体积大,无法安装在机械臂关节模块中。（2） 气压驱动。气压传动的长处有：通过调节气流,就可实现无级变速;由于压缩空气粘性小，流速大,因此气压驱动的机械手动作速度快;由于压缩空气粘度小,因此在管路中的压力损失也很小,一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一，故压缩空气可以集中供应,远距离输送。气压传动的缺陷是：压缩空气的工作压力较低,致使机械手构造较大。因此并不合用轻型移动机械臂。（3） 电机驱动。电机驱动的长处为：电机驱动机械手可避免电能变为压力能的中间环节,效

38、率比液压和气压驱动要高;电机系统将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次加工的壳体中,使得整个电机系统体积小,可靠性和通用性也得到很大提高;此外,电动机根据运营距离及电机的脉冲当量算出脉冲数,将数据输入计算机，可达到非常高的位姿精确度。综上所述,本文移动机械臂采用电机驱动。.3. 电机类型的选择电动机分诸多类型，其中特种电机大体划分为如下几类：永磁电机、伺服电机、磁阻类电机、信号检测和传感电机以及非老式电磁原理电机。应用于运动控制系统的控制电机是伺服电机和步进电机。伺服电机分类见图31。图3- 伺服电动机的分类现将重要的具有控制能力电机的特性列于表3-2:表3- 重要的控制用电机的特

39、性比较控制精度低频振动机械特性过载能力运营特性速度响应能力步进电机0361.8有非恒转矩不具有开环控制0000ms交流伺服电机可达9.89无恒转矩3倍过载闭环控制10ms永磁无刷直流电机10注轻微非恒功率有闭环控制较高永磁交流伺服电动机在永磁无刷直流电机的基本上改善了转动脉动较大，出力较小，抖动等缺陷。直流伺服电动机较高有非恒转矩倍过载闭环控制较好注:用词无刷电机的精度取决于位置传感器。事实上,光电编码器的精度可优于1，但是这种传感器不适宜在有灰尘、潮气、振动和冲击的环境下工作。移动机械臂的电机传感器宜选用旋转变压器。这种传感器耐热、耐冲击、抗干扰、成本低、工作可靠不易损坏，精度一般为10。瑞

40、士maxon moor电机曾被广泛应用于“勇气号”火星探测器，具有卓越的性能。本文将重要选用maxn moor的直流电机和配套齿轮箱。移动机械臂的工作场合也许会有易燃易爆物质,为了减少由移动机械臂引起爆炸的危险,宜选无刷直流电机,来避免换向电刷产生电火花的也许。选择电机时，在拟定选择哪一款电机之前一方面要明确驱动规定：需要多大的转矩，在这一转矩下的速度有多大；在负载状况下要持续工作多长时间;加速度状况;负载的惯量有多大。由于不用电机直接驱动,而是通过减速箱等机械装置输出其功率,因此,所有参数要折算到电机轴。第四章 腰关节、肩关节模块模块设计.1前言从本章开始按关节进行各个模块的具体设计工作。涉

41、及了从电动机到减速、传动机构、装配零件、直到模块外壳的设计。绘出各个零件的二维和三维图。基于模块化的考虑，腰关节和肩关节将选择同样的动力方案。.2 电动机和减速器的型号选择电机的选择往往是随着着减速器一块进行的。axn给出了电机-减速器-辅助装置的配套方案，以便客户选用。本文将遵从Maxon公司的方案进行选择。我们可以通过对转矩的需求来选择也许的电机型号。一方面，要考虑峰值转矩Mmax，另一方面,还要考虑有效转矩Mms。持续运营特性是通过工作点(Mb，nb）来表述的。本文用安全系数法来考虑摩擦和惯性力等对工作力矩的影响。一般来讲，峰值转矩ma是静态下理论转矩的1.6倍。Ma=1.48.9=78

42、2;而有效转矩Mrms=1.348.9=63.7m。最大机械功率为PmxMmaxW840.5=3912Nm；有效机械功率Prms=rmW=63.5=63.7 m。Maxonotor的无刷直流电机产品转速在一般在000rpm以上，而本文输出转速仅为4.777rpm。减速比达1046。如果用行星减速箱，这至少需要五级行星齿轮减速箱，这种减速箱的效率只有%并且也达不到本文规定的输出扭矩。一般的单级谐波减速器也达不到这样的减速比。因此本文选用了两种不同的减速装置:行星减速箱串联谐波减速器。考虑到Mxon无刷电机具有较大的过载能力,电机选用型号为EC-ax30,功率为40。这种电机的二维和三维示意图分别

43、见图3-（)、（b)。(a) Maxo E-max0二维图(b) Maxon EC-mx 3三维图图- Maxn E-max 30电机示意图这种减速器的电机参数为：标称功率：0;额定电压1V；空载转速928;最大持续转矩9.mNm;最大效率9%;重量16N。 xon组合体系给出的配套减速箱为GP C。其二维图和三维图见图-3。这种型号的减速箱有多种减速比可供选择,我们选择3：1。减速箱数据为:减速比：7;减速级数：级;输出的最大持续转矩：1N;容许瞬间输出转矩:1.25Nm;最大效率8;重量118g。（）xon P 2 C二维图 (b)Max P32 C三维图 图33 Mon GP 32 C减

44、速器示意图与行星减速器串联使用的谐波减速器，本文选择了日本rmonicDrive公司的SD-2-1-2G谐波减速器。见图-4，这种减速器的参数为减速比100:1；平均负载转矩的最大容许值:75Nm;瞬间容许最大扭矩152m。显然，输出扭矩是满足工作规定的。这样一套减速机构总的传动比3.7100370。本文任务规定的输出转速为0.ra/=4.77pm。假设输入端的转速为=6688rp。那么要达到规定，还需要的减速比为6688/（.77*370)3.897，为以便计算，取整为4。（a）CSD-2500-A-GR二维图（b）CD-5100-2AGR三维图图-4 CSD100-A-R示意图4.3 腰关

45、节、肩关节模块其她传动机构的选择.同步带传动的计算选型根据前文所述的传动构造，电机和行星减速器之间是通过同步带连接的,同步带的选用可以查阅机械设计手册。本文选用周节制同步。先假设大带轮和小带轮的直径同样,那么我们可以得到如下三个已知条件：传递的功率40W;小带轮的速度n1,大带轮的速度2，假设126688r/mn；工作机、传动运转稳定。同步带的设计计算过程如下:1） 设计功率 =KAp=1*040W;2） 带型和节距Pb 查机械设计手册周节制同步带选型图可知，在0W、6688rpm的条件下 应选用MXL型同步带，节距Pb=.02。3） 小带轮齿数Z1 查表得Zmin=8为了尽量减小同步带传动的

46、尺寸，取Z=Zmin18。4） 小带轮直径d d1=PbZ1/=203218/1164mm5） 带速 vd1n/60*1000=1.*64/0100=.07m/smax6） 传动比 i=17） 大带轮齿数Z2 Z2=i1=188） 大带轮直径d2 d2=id1=1.64mm9） 初定中心距a0 12.3m0.7(dd）a02(d1+2)=46.5mm为了使模块构造尽量小,应取小的0。考虑到马达C-ax0与减速 器GP 32C之间不发生干涉,取a0=32mm10） 初定带的节线长度L0p及其齿数b L0p2a0+/2(d2+d)+(d2d)/a0=2*32/2(1641.4）=10.5mm查周节

47、制带的节线长度表可知L=0.mm，长度代号为40.0，齿数为 50。11） 实际中心距 中心距可调节aa0+（Lp-L0)/22+(101.610.57)2325m 1）基准额定功率P0 P0=(Tmv2）v/100=（27-0.0074.02)7/100=0.42W )带宽bs =2.6mm取3mm。 14)作用在轴上的力 Frd000=404.7=9.N终上所述,选用的同步带型号为ML；节距为232mm；小带轮大带轮大相等,直径均为1.6m,齿数均为18;中心距为3252mm;带的节线长度为16m，齿数为5;带宽m。见图35。（a)同步带传动二维图(b)同步带传动三维图35 同步带传动示意

48、图4.2 锥齿轮传动的设计计算根据前文所述的传动构造,输入端轴线和输出端轴线是垂直的,行星减速器的输出和谐波减速器的输入偏置了90。因此在行星减速器的输出和谐波减速器的输入之间要有可以变化运动方向的传动机构,本文选择直线齿锥齿轮正交传动。4.1 锥齿轮的强度计算为了简化设计工作,对于闭式传动，先按接触强度初步拟定其尺寸,然后进行接触强度和弯曲强度的校核。对于正交传动的直齿锥齿轮，按接触强度计算有:=考虑到不发生根切的条件为zn=2ha*/in2cos=1/si20o14=176因此小齿轮齿数取为18。那么4.2.2锥齿轮的尺寸计算直线齿锥齿轮传动的几何计算按如下措施进行:1） 拟定齿形角、齿顶

49、高系数ha*、顶隙系数c* 本文齿形制选择B/T 1369990,那么齿形角20;齿顶高系数 ha*=1;顶隙系数c=22） 大端端面模数m 从减小尺寸的角度出发,模数选择应尽量选小值。这里初选1.3） 齿数比 由前文所述,减速比应选择4，也即齿数比为44） 齿数z 一般z1160。从关节模块尺寸角度出发，锥齿轮大齿的直径要不不小于谐 波减速器的直径。谐波减速器的直径是85m。因此大齿轮的直径不不小于 8m，小齿轮的直径不不小于85/4=125mm。又由于模数m1，因此小齿轮 齿数z121。这里初选1.2=u1=4*18=72 5） 节锥角 Tan1=in/（uco90)=1(4+0)=.25

50、.得出1=14 2=90-14 =7 6) 分度圆直径d d=mz1=1*18=1mm;2=z2=1*72=7m. 7)锥距R =d1/（2in1)=18/(2*in4)=37.2m 8)齿宽系数 /1/3，从减小尺寸的角度出发,取025 9)齿宽b b=0.25*37.2=9.m 0) 齿顶高ha Ha=ha2ha=ha*=1*1=m; 11） 齿高h =（2h+)=（2*1+0.)*1=.2mm 12)齿根高hf hf=hha.2-1=1.2mm 3)齿顶圆直径 da1=d1a1os1=18+2*os14=194m； da2=d2ha2cos27+2*1*os76=2.8 1)齿根角f T

51、nf=f/R=1.2372=0.02,可得f=185 1）齿顶角a af=1.5 16）顶锥角a a1=1+=1.85=15.85;a=2+=761.=85 17)根锥角f f1=1f1415=12.15;f=2=6-1.85=7.15 8)外锥高k k1=d2/2-ha1in=2/2-1sin14=35.76mm; Ak2=d1/2ha2si=8/-1sin76.03mm 19)支承距H H1=A-Ak1= 20)齿距 p=14 1)当量齿数v Zv1Z1/cos1/14=1855mm;Zv=Z2/cos2=72co6=297m4.3.3 锥齿轮接触强度的校核接下来弯曲强度校核,计算接触应力

52、,对于正交传动有:HZZEZZK其中:ZH-节点区域系数,查机械设计手册得H2.5ZE-弹性系数，查手册得E=189-接触强度计算的重叠度系数,由下式计算: 而的计算过程如下： （1）分度圆直径d (2） 中心距v （3)齿顶圆直径dv )端面齿形角vt 5)基圆直径db )啮合线长度gv ）端面重叠度v 因此，Z接触强度计算螺旋角系数,=k接触强度计算的锥齿轮系数,k取085A使用系数,查机械设计手册得K1KV动载系数，查机械设计得KV.05KH接触强度计算的齿向载荷分派系数，查机械设计手册,H=.KH接触强度计算的齿间载荷分派系数,查机械设计手册,KH=.2tm齿宽中点的名义切向力,Ftm

53、T/d2*16100/1.642.49be接触强度计算的有效齿宽，b=0.85*9.37.9m带人数据得,H=29.4N/mm2许用接触应力Hp,由于HH,因此接触应力安全。4.4 锥齿轮弯曲强度的校核1)计算齿根应力F其中：KA工况系数，K= K-动载系数,KV.5 KF-弯曲强度计算的齿向载荷分布系数,F=1.5 KF-弯曲强度计算的齿间载荷分布系数，KF=.2 beF=弯曲强度计算的有效齿宽，beF=.85b=85*9.37.91 n,齿宽中点法向系数， mnmm（R-0.5）com/R=1（37.2-0.*9.3)/.2=0.875 YFa-齿形系数，Fa=.9 Ysa-应力修正系数，

54、Ysa=1.75 Y-弯曲强度计算的重叠度系数, Y-弯曲强度计算的螺旋角系数,Y= YK-弯曲强度计算的螺旋角系数,Y=代入数据得,F=22.6N/mm2) 计算齿根许用应力FP其中：im-实验齿轮的弯曲疲劳极限,Fim=350N/m2 YST-实验齿轮的应力修正系数,取ST=2 Fin弯曲强度的最小安全系数,Smin=2 Yrelt-相对齿根圆角敏感系数，Yrt1.1 YRrelT-相对齿根表面状况系数,YrlT=1.120 YX-弯曲强度计算的尺寸系数，=1.0代入数据得,FP=432N由于F，因此,弯曲强度校核成果安全。4.3.5 锥齿轮构造设计本文中锥齿轮传动是轻载传动。从装拆以便和减轻重量的角度出发,大齿轮和小齿轮都选择悬臂的构造。综合以上所述，画出锥齿轮的二维和三维图。(a) 锥齿轮传动二维图(b)锥齿轮传动三维图 图3-6锥齿轮传动4.4肩关节模块其她零、部件的设计与安装4.布局综述一般来讲,现代机电一体化设备流行电气中心走线。但是本文考虑到谐波减速器的内孔尺寸较小，布置中心走线的难度较大,因此改用其她走线方式，整个关节模块的中心任然布置中心轴。谐波减速器的传动方式是柔轮固定，波发生器输入，刚轮输出。在输出端刚轮直接与关节模块的输出部分用螺栓连接传