移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第1頁共45頁1引言1.1移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究意義及目的本文以實(shí)際項(xiàng)目小型地面移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂為研究對(duì)象。設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)。所謂移動(dòng)機(jī)械臂，就是將機(jī)械臂安裝在是一個(gè)小型多用途移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人智能移動(dòng)平臺(tái)，小型多用途移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人是一個(gè)智能移動(dòng)平臺(tái)，其上可搭載爆炸物處理、偵察、通訊、探測(cè)系統(tǒng)或其他特殊作業(yè)系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)械臂用來實(shí)現(xiàn)一些動(dòng)作如抓取，可以在機(jī)械臂的末端執(zhí)行器上安裝一定的工具進(jìn)行作業(yè)，通過移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)來擴(kuò)大機(jī)械臂的工作空間，這種結(jié)構(gòu)使移動(dòng)機(jī)械臂擁有更大的操作空間和高度的運(yùn)動(dòng)冗余性，并同時(shí)具有移動(dòng)和操作功能，這使它優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械臂，則具有了更廣闊的應(yīng)用前景1。目前智能移動(dòng)機(jī)器人正向著擬人化、仿生化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛，幾乎滲透到各個(gè)領(lǐng)域2。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究屬于多學(xué)科相互交叉，相互滲透的，對(duì)它的研究具有很大的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。在工業(yè)機(jī)器人問世40多年后的今天，機(jī)器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，機(jī)器人的功能己不再是只能從事某項(xiàng)簡單的操作，而是可以承擔(dān)多種任務(wù)；機(jī)器人的工作環(huán)境也不再是固定在工廠和車間現(xiàn)場，而是開始走向海洋、太空和戶外，有些甚至已經(jīng)進(jìn)入醫(yī)院、家庭和娛樂場所。具有智能特性的自主式移動(dòng)機(jī)器人正在向非制造業(yè)方向擴(kuò)展，這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護(hù)理、服務(wù)、農(nóng)林、辦公自動(dòng)化和災(zāi)害救護(hù)等，如飛行機(jī)器人、海難救援機(jī)器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人等。近年來，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究受到重視，仿照生物的功能而發(fā)明的各種移動(dòng)機(jī)器人越來越多，小到娛樂機(jī)器人玩具、家用服務(wù)機(jī)器人，大到工程探險(xiǎn)、反恐防爆、軍事偵察機(jī)器人等。相應(yīng)地，這些領(lǐng)域?qū)λ鶓?yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、靈活性、自主性、作業(yè)能力等方面的要求越來越高。因此，無論是在制造業(yè)還是在非制造業(yè)，具有智能特性的自主式移動(dòng)機(jī)器人成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。歷史上一切高新技術(shù)無不首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂也不例外。隨著二十世紀(jì)末的幾場局部戰(zhàn)爭和二十一世紀(jì)初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭進(jìn)程，特種戰(zhàn)爭以及城市戰(zhàn)爭日益成為戰(zhàn)爭一類型的主角，這一轉(zhuǎn)變直接推動(dòng)了各國地面移動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)即軍用地面移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭凸現(xiàn)了局部范圍內(nèi)的信息化，而戰(zhàn)場機(jī)器本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第2頁共45頁人憑借自身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，已經(jīng)在本世紀(jì)的戰(zhàn)爭，例如伊拉克戰(zhàn)爭中成為耀眼的新星。現(xiàn)代戰(zhàn)場尤其是城市內(nèi)反恐怖戰(zhàn)爭中單兵的生存能力受到了極大的挑戰(zhàn)，微小型地面移動(dòng)機(jī)器人由于體積小、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機(jī)動(dòng)性好、生存能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，并且可以在遠(yuǎn)程遙控甚至自主情況下完成部分原本由士兵完成的任務(wù)，可以不論白天還是黑夜都能了解周圍的樓房里及街道上的敵情。除偵察外，微小型機(jī)器人搭載微小型武器系統(tǒng)還可完成諸如掃雷、排除爆炸物、控制武器射擊等各項(xiàng)任務(wù)，而且不會(huì)有人員傷亡，極大減少了傷亡率。因此特別適用于城市和惡劣環(huán)境下的局部戰(zhàn)爭和信息、戰(zhàn)爭，具有重大意義和軍事效益。二十一世紀(jì)的戰(zhàn)場，戰(zhàn)爭的初期極可能是一場無人系統(tǒng)的較量。永不疲倦、無所畏懼的微小型無人移動(dòng)機(jī)器人是最理想的士兵。它們已在戰(zhàn)爭中顯示出的作戰(zhàn)本領(lǐng)，可以證明它們?cè)谖磥響?zhàn)場上的重要地位。微小型無人移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂特別適用于城市和惡劣環(huán)境下(如核、生、化戰(zhàn)場等)的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭，具有重大戰(zhàn)略意義和效益。1.2移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究小型地面移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂在未來生活中，包括消防、探測(cè)等危險(xiǎn)作業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣。包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是我國國防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的方向之一。通過對(duì)小型移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)研制，在整體系統(tǒng)的各個(gè)方面積累了比較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進(jìn)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂將走向成熟和實(shí)用化。未來移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂將有以下主要特點(diǎn):更優(yōu)的性能質(zhì)量比；更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；更高的智能性能；具有成熟的機(jī)械臂系統(tǒng)；軍品級(jí)別的可靠性。1.2.1國外移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀國外在移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂方面的研究起步較早，初期的研究主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。雖然由于80年代對(duì)機(jī)器人的智能行為期望過高而導(dǎo)致室外移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究未達(dá)到預(yù)期的效果，但卻帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機(jī)器人機(jī)械臂的途徑積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也推動(dòng)了其它國家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究與開發(fā)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上開拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。例如2002年IRobot研制的金字塔探測(cè)機(jī)器人“金字塔漫游者”，身長30厘米，寬12厘米，高度可在11至28厘米之間調(diào)節(jié)。機(jī)器人身帶5件法寶:超聲波傳感器、地面探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)、力度測(cè)量儀、高分辨率光纖鏡頭和導(dǎo)電傳感器，具備世界上最小的地面探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)，可以穿透厚超過90厘米的混凝本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第3頁共45頁土。美國在2003年發(fā)射的兩輛火星探測(cè)車“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)分別于2004年1月3號(hào)和24號(hào)在火星的不同區(qū)域安全著陸，并完成了90個(gè)火星日的科研工作。拿“勇氣”號(hào)探測(cè)車來說，就是一個(gè)具有手臂的移動(dòng)機(jī)器人。他的大腦是一臺(tái)高速計(jì)算機(jī)，車體靠自身具有的六個(gè)輪子在火星地面運(yùn)動(dòng)，視覺系統(tǒng)采用一對(duì)全景照相機(jī)來拍攝火星表面和天空的全景視圖，也用于形成著陸點(diǎn)附近的地形圖、搜索感興趣的巖石和土壤，來完成尋找火星遠(yuǎn)古時(shí)期存在液態(tài)水的證據(jù)的工作。另外分別于車體前端和后端安裝了兩組相同的避危攝像機(jī)，由一組立體影像的黑白攝影機(jī)所構(gòu)成的，所拍攝的影像除了用于障礙物偵測(cè)之外還用于探測(cè)車的路徑規(guī)劃上。最先進(jìn)的要數(shù)探測(cè)車上的機(jī)械手臂，手臂末端裝備了各種工具，有顯微鏡成像儀、三種質(zhì)譜儀和兩種分光計(jì)，一套巖石研磨和樣本采集土具以及三個(gè)磁鐵陣列，所有設(shè)備主要是用來尋找火星上是否曾經(jīng)有液態(tài)水的證據(jù)。西班牙羅斯羅卡公司研制的“羅德”輪式機(jī)器人。該機(jī)器人可用于清理雷場和處理炸藥等危險(xiǎn)物品。該車長1.4m,寬0.67m、高0.8m、重350kg、(6X6)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力裝置為1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，車上供電蓄電池可使用2h，車速(前進(jìn)或后退)可在0至6.5km/h之間連續(xù)變化。車上裝有活動(dòng)操作臂，有6個(gè)自由度，固定在機(jī)器人車的旋轉(zhuǎn)塔上。機(jī)械臂不伸長時(shí)可吊重80kg，伸直時(shí)最長為1.5m，此時(shí)可吊重16kg。操作臂頂端裝有夾爪，夾緊力可達(dá)30kg，能把物體提升至2.75m高。該車采用100m(或250m)長的電纜或無線電裝置進(jìn)行遙控。機(jī)械手完成整個(gè)操作過程必須借助1臺(tái)黑白或彩色電視顯示器，顯示車上3個(gè)攝像機(jī)獲得的監(jiān)視駕駛、機(jī)械臂控制和夾爪操作的圖像。車上裝有兩個(gè)鹵氣探照燈，可在夜間或能見度很低的地區(qū)使用。除室外移動(dòng)機(jī)器人外，世界各國在遙控移動(dòng)機(jī)器人、高完整性機(jī)器人、生態(tài)機(jī)器人學(xué)(生物機(jī)器人學(xué))、多機(jī)器人系統(tǒng)、環(huán)境與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的集成等方面都作了大量的研究。1.2.2國內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂的研究起步雖然較晚，但經(jīng)過近幾十年的發(fā)展也取得了很大進(jìn)步，但大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段。國內(nèi)的移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂研究主要經(jīng)歷了算法的研究和仿真、國外機(jī)器人平臺(tái)的引進(jìn)和自主開發(fā)三個(gè)階段。下面是國內(nèi)的主要研究成果。“九五”期間由浙江大學(xué)、南京理工大學(xué)、國防科大、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)聯(lián)合研制了ALVLABII型陸地移動(dòng)機(jī)器人，并成功完成了全部實(shí)驗(yàn)測(cè)試，正常行駛速度為30.6km/h，同時(shí)支持臨場感遙控駕駛及戰(zhàn)場偵察等功能。清華V型智能車THMR-V是清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中科院院士張錢教本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第4頁共45頁授主持下研制的新一代智能移動(dòng)機(jī)器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994年通過鑒定。車體采用道奇7座廂式車改裝，裝備有彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀組成的道路與障礙物檢測(cè)系統(tǒng)；由差分GPS、磁羅盤和光電碼盤組成的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)等。兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行視覺處理，完成信息、融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。4臺(tái)IPC工控機(jī)分別完成激光測(cè)距信J息、處理、定位信息、處理、通訊管理、駕駛控制等功能。設(shè)計(jì)行駛于高速公路車速為80krn/h，一般道路為20km/h。目前已能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，進(jìn)行道路跟蹤和避障礙自主行駛。清華大學(xué)智能車涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)，路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)，傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)和智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。DY-I型導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)公司推出的新一代智能導(dǎo)游機(jī)器人，該機(jī)器人由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語言識(shí)別及語言合成系統(tǒng)組成。導(dǎo)游機(jī)器人由蓄電池供電，可連續(xù)運(yùn)行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進(jìn)行避障，并通過語啟一系統(tǒng)可以進(jìn)行人機(jī)交互。此外還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人、中科院沈陽自動(dòng)化所研發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的激光導(dǎo)引AGV和用于公安防暴的“靈晰一B”型移動(dòng)機(jī)器人、中國科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)制造的全方位移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)等。本文主要論述是移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1.2.3移動(dòng)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)綜合國內(nèi)外對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究情況，當(dāng)代移動(dòng)機(jī)器人的研究主要集中于以下幾個(gè)方面。(1)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)械臂機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當(dāng)前，對(duì)足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡單、