移动机器人机械臂的结构设计论文.docx

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移动机器人机械臂的结构设计论文

移动机器人机械臂的结构设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

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3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

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2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

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。

（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。

本课题来源于南京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。

1.2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（SRI）的NilsNilssen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年中研发出了取名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：

（1）第一代机器人，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。

它也可以简称为示教／再现方式的机器人或是T/P方式（Teaching/Playback）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，其应用范围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、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情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。

例如，机械装配、打磨、工件检查等工作。

（3）第三代机器人，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作。

第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。

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。

国内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。

1.3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。

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内外研究现状。

1.3.1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”（TALON）系列军用机器人[10-11]，见图1-1。

通过装载不同的模块，TALON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，严重制约了其使用范围。

为扩大机械臂的使用范围，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，具有七个自由度，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位[13]。

表1-1“魔爪”机械臂的性能参数

项目

参数

自由度

4个

自重（空载时）

9.1kg

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

肩部旋转范围

360度

肩部俯仰范围

270度

肘部俯仰范围

180度

手腕旋转范围

340度

是否模块化关节

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，但也有一些成熟的技术产品。

比如沈阳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”、“灵蜥-B”、“灵蜥-H”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结构，见图1-2。

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。

上海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，其采用的是轮式结构，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，而国内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，单臂杆转动范围:

150°，旋动速度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表示。

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立的位移（x,y,z），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，工作范围小，操作灵活性差，运动速度较低。

（2）圆柱坐标型（cylindricalcoordinaterobot）

圆柱坐标型具有两个移动关节和一个转动关节（PPR），手部坐标为（z,r,θ）,如图2-2所示。

其优点是所占空间尺寸较小，工作范围较大，结构简单，手部可获得较高的速度。

缺点是手部外伸离中心轴较越远，其切向线位移分辨精度越低。

（3）球坐标型（polarcoordinaterobot）

球坐标型具有两个转动关节和一个移动关节（RRP）,手部坐标为（r,α,β）。

此种操作机的优点是结构紧凑，所占空间小。

但目前应用较少。

（4）关节型（articulatedrobot）

关节型机器人（articulatedrobot）是机器人中使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，其主动关节数目一般为6，或不少于6。

但根据实际使用要求，也有小于6自由度的。

一般情况下，全部关节皆为转动型关节。

关节型机器人的特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍物。

世界一些著名机器人都采用这种结构形式[4]。

多关节机械臂的优点是：

动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间障碍物进行工作。

图2-1直角坐标型图2-2圆柱坐标型

图2-3关节型

根据机械臂设计要求，本文要求的移动机器人具有体积小，可折叠，单兵能背负的特征，适用于排爆等特殊场合，对动作半径和灵活度具有较高要求。

结合设计指标分析,参考国内外各种危险作业机器人灵巧机械臂的结构形式后，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2-3所示。

在机械臂工作过程中，其最主要的功能就是实现机械臂末端操作器的各种工作位姿。

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示，通过对这6个参数的确定来实现机械臂末端操作器的位姿确定，这要求机械臂至少具有6个自由度来实现末端操作器的位姿任意性。

但在一些工作场合中，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，显然不需要6自由度），这时候可以利用少自由度机器人实现与6自由度机器人相同的工作结果，并且少自由度机器人在设计、加工、装配和控制上都有着自身的优势。

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。

对于空间开式结构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,

所以自由度为4。

2.4移动机器人机械臂杆件基本参数的确定

由任务要求可以看出，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确定肩关节的旋转角度，再确定各俯仰关节角度，最后确定腕部关节旋转角度的位置确定流程，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确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个球壳状的空间。

如图2–4所示。

由机械臂构型可知工作空间主要受其上臂、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L2和腕部长为H，因为机械臂需要保证可折叠的设计方案，故而有L1＞L2，所以机械臂的灵活工作空间外径为C2=L1+L2-H。

当H＜L1-L2时，灵活工作空间内径为L1-L2+H；当H＞L1-L2时，灵活工作空间内径为H-（L1-L2），两者可结合记为C4=|L1-L2-H|。

综合来说机械臂的灵活工作空间为C4~C2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H=L1-L2的时候机械臂的灵活工作空间内径为0，所以机械臂设计时，在满足几何结构要求的前提下，应尽量使机械臂腕部轴向尺寸尽可能满足H=L1-L2。

图2-4机械臂空间示意图

根据任务要求，机械臂折叠时总长≤650mm。

这就规定了最长的单个臂杆的长度。

先假设L1=600mm。

由H=L1-L2可得总长度L1+L2+H=2L1=1200mm.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围，它是衡量机器人工作能力的一个重要运动学指标。

在遗传算法工具箱寻求机器人的优化设计、控制及应用过程中，工作空间都是一个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-H坐标变换方法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础上使用基于Matlab平台的机器人工具箱—RoboticsToolbox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结构、关节、传动布置等进行设计，并结合本科阶段学识情况，这里对进行这样的简化处理：

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确定本文机械臂所需的长度。

通过查找文献，找到一个通过Matlab的遗传算法迭代1000次后得到的同构性机械臂长度方案。

如图2-5和2-6所示，分别为完全展开状态和折叠状态的几何模型。

这里，

mm、

mm、H=200mm.总长

mm。

而本文所需的机械臂总长

故可得下列比例式：

可以解得

=551mm,

=495mm,

=154mm。

图2-5完全展开状态的几何模型图2-6折叠状态的几何模型

2.5设计方法选定

基于移动平台的机械臂结构设计方法主要有基于模块化关节的机械臂设计方法[15]和基于分离式关节的机械臂设计方法。

我们先将这两种方法做对比[16]：

表2-1机械臂结构设计方法的比较

模块化关节的机械臂设计方法

分离式关节的机械臂设计方法

优点

模块化关节机械臂设计方法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，结构紧凑；标准化设计