畢業(yè)設計（論文）-自主移動式搬運機器人的設計

.緒論1.1本課題研究的背景和意義我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術的本質是感知、決策、行動和交互技術的結合。隨著人們對機器人技術智能化本質認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。結合這些領域的應用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務和特殊環(huán)境的適應性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“MechanicalHand”，它是為主機服務的，由主機驅動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中關節(jié)型機器人以其結構緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結構形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人。要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構——執(zhí)行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構、驅動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1.1所示。圖1.1機器人的一般組成對于現(xiàn)代智能機器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機器人的。要實現(xiàn)機器人所期望實現(xiàn)的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯(lián)、相互影響和相互制約。機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構和驅動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅動－傳動系統(tǒng)主要包括驅動機構和傳動系統(tǒng)。驅動機構提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅動力轉換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構部分。隨著科學技術的發(fā)展,機器人在社會各領域的作用越來越大。對機器人的研究已成為熱門課題。移動式搬運機器人是一種被廣泛研究的機器人,而且國內外都有許多關于它的重要的比賽，它是在給定的區(qū)域內沿著軌跡完成對各個目標點的訪問。其主要指標是速度和順利完成訪問的分點的能力。移動式搬運機器人涉及到傳感器技術,單片機控制、信號處理、電機驅動、人工智能、驅動電源的設計等諸多領域。移動式機器人的最成功應用是自動化生產系統(tǒng)的物料搬運，用以完成機床之間、機床與自動倉庫之間的工件傳運，以及機床與工具車間的工具傳運。移動式機器人的運動靈活性能，大大增加了生產系統(tǒng)的柔性和自動化程度。在自動化車間中廣泛采用的移動機器人中，機器人的行走機構均為輪式。我們把無軌運行的移動式機器人稱為自動導引車（AutomaticGuidedVehicle,AGV）；把有軌運行的稱為有軌運輸車（RGV）或堆垛機（StackerCrane）。1.2移動式搬運機器人的國內外概況機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中的重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。移動式搬運機器人是則是在發(fā)展的一定階段才發(fā)展起來了，目前主要有移動式搬運機器人（Transferrobot）、無人搬運車（Unmannedtransfervehicle）、無人臺車（Unmannedcarriage）、自主小車（Autonomousguidedvehicle）等都屬于無人搬運車系統(tǒng)（簡稱AGVS）。無人搬運車系統(tǒng)，是當今柔性制造系統(tǒng)(FMS)和自動化倉儲系統(tǒng)中物流運輸?shù)挠行侄巍o人搬運系統(tǒng)（AGVS）是以自動導引小車（AGV）為中心,與連續(xù)輸送設備和自動倉庫相組合,由計算機控制以實現(xiàn)工廠內部搬運無人化的系統(tǒng),它是制造、裝配和工廠自動化系統(tǒng)中不可缺少的系統(tǒng)。1.2.1國外概況隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機器人系統(tǒng)。美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經歷了以下幾個階段：（1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產的工業(yè)機器人定型為1900型。（2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。（3）1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967、1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產化機器人，技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。移動式搬運機器人是以自動導引小車為依托發(fā)展起來的，所以其發(fā)展歷史與自導導引小車(AGV)的發(fā)展和機械手的發(fā)展控制相聯(lián)系的。而世界上第一臺AGV是由美國Barrett電子公司于20世紀50年代開發(fā)成功的。到了60年代和70年代初，除Barrett公司以外，Webb和Clark公司在AGV市場中也占有相當?shù)姆蓊~。在這個時期，歐洲的AGV技術發(fā)展較快，這是由于歐洲公司已經對托盤的尺寸與結構進行了標準化，統(tǒng)一尺寸的托盤搬運促進了AGV的發(fā)展。70年代中期，歐洲約裝備了520個AGV系統(tǒng)，共有4800臺小車，1985年發(fā)展到10000臺左右，為美、歐、日之首。其應用領域分布為:汽車工業(yè)(57%)，柔性制造系統(tǒng)FMS(8%)和柔性裝配系統(tǒng)FAS(44%)。歐洲的AGV技術于80年代初通過在美國的歐洲公司以許可證與合資經營的方式轉移到美國。芝加哥的分發(fā)中心從歐洲引進直接由計算機控制的AGVS，1981年John公司將AGV連接到AS/RS以提供在制造過程中物料自動輸送和跟蹤。1984年，通用汽車公司成為AGV的最大用戶，1986年已達1407臺(包括牽引式小車叉車小車和單元裝載小車)，1987年又新增加1662臺。美國各公司在歐洲技術的基礎上將AGV發(fā)展到更為先進的水平。他們采用更先進的計算機控制系統(tǒng)(可聯(lián)網于FMS或CIMS)，運輸量更大，過載時間更短，具有在線充電功能，以便24小時運行，小車和控制器可靠性更高。此時美國的AGV生產廠商從23家(1983年)驟增至74家(1985年)。日本的第一家AGV工廠于1966年由一家運輸設備供應廠與美國的Webb公司合資開設。到1988年，日本AGV制造廠已達20多家，如大福、Fanuc公司、Murata(村田)公司等。到1986年，日本累計安裝了2312個AGVS，擁有5032臺AGV。1.2.2國內概況我國AGV發(fā)展歷史較短。北京起重運輸機械研究所、中國郵政科學研究規(guī)劃院、中國科學院沈陽自動化研究所、大連組合機床研究所、清華大學、國防科技大學和華東工學院都在進行不同類型的AGV的研制并小批量投入生產。1975年北京起重運輸機械研究所完成我國第一臺電磁導引定點通信的AGV。1989年北京郵政科學研究規(guī)劃院完成我國第一臺雙向無信電通信的AGV。該院已能進行AGV的批量生產，已生產的和正在制造的AGV達23臺(截至于1996年)沈陽自動化所在AGV技術方面已取得了多項研究開發(fā)成果和專利，解決了AGV車體設計、控制、導航和高度管理等一系列關鍵技術問題，形成了裝配型AGV和搬運型AGV兩大系列產品，成為國內唯一能夠提供自主品牌AGV產品的單位。其產品性能國內領先，達到國際先進水平，并于1996年度將搬運型AGV系統(tǒng)技術出口韓國三星公司，實現(xiàn)了高技術出口。沈陽自動化所為沈陽金杯汽車廠生產了六臺AGV，用于裝配線上，可以說是汽車工業(yè)中用得較成功的AGV。AGV自動導向車系統(tǒng)，是伴隨著柔性裝配系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)以及自動化立體倉庫產業(yè)發(fā)展起來的，是物流系統(tǒng)中革命性的換代產品。作為一種高效物流輸送設備和工廠自動化的理想手段，隨著經濟的發(fā)展，在我國AGV的應用領域必將越來越大。對應于自動導引小車機械手的發(fā)展更早。1.3機器人發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產效率。就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢：a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人；b)開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合；c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。1.4本設計的主要研究內容本課題設計了一種小型的自主移動式搬運機器人，具體包括機器人的自主移動和搬運兩個方面的設計內容，對自主移動式搬運機器人的結構進行了詳細設計。主要內容包括以下幾個方面：自主移動式搬運機器人方案設計與論證，主要指移動導引小車的布局方式，如三輪、四輪、六輪等小車的車輪布局。另外還包括機械手的關節(jié)設計和末端執(zhí)行器的設計方案；自主移動式搬運機器人AGV小車的機械結構設計和機械手機械結構設計；自主移動式搬運機器人的機械結構設計的分析計算；自主移動式搬運機器人的三維模型建立。1.5本章小結介紹本課題自主移動式搬運機器人研究的背景，主要包括研究的目的和意義，移動式搬運機器人的發(fā)展歷史和國內外現(xiàn)狀，以及機器人的發(fā)展趨勢，在此基礎上提出本文研究的主要內容。具體可以分為四個個方面：自主移動式搬運機器人方案設計與論證，自主移動式搬運機器人AGV小車的機械結構設計和機械手機械結構設計，自主移動式搬運機器人機械結構設計的分析計算，自主移動式搬運機器人的三維模型建立。2.搬運機器人方案設計自主移動式搬運機器人，顧名思義可以實現(xiàn)兩種動作：一是移動；二是搬運。機器人要實現(xiàn)自主移動必須有自動導引小車，若要實現(xiàn)移動范圍內的搬運必須具有機載機械手，同時必須配以合適的控制系統(tǒng)才能完成預定的功能，其主要由兩個子系統(tǒng)組成：一是自動導引小車，即AGV（AutoGuidedVehicle）；二是機械手系統(tǒng)。2.1自動導引小車系統(tǒng)方案小車主要是搭載機械手的，并實現(xiàn)其移動的。主要的問題在于小車的車體方案、結構布局和驅動、控制方案。車體通常有輪式和履帶式。通常情況下履帶式結構較復雜，又本課題著眼于簡單、便宜、實用的原則，小車的車體選用輪式簡單易行。因此，將從下面兩個方面介紹小車的系統(tǒng)方案：車體方案布局，驅動。2.1.1移動式搬運機器人的行走模塊由于選擇導引小車的車體為輪式結構，則常用的輪式機構有三種:三輪、四輪和六輪等形式。移動機器人的運動靈活性取決于其驅動和轉向方式。常用的轉向方式有操舵轉向、差速轉向和復合轉向。a.三輪形式三輪式移動機器人常見驅動和轉向方式如圖2.1所示。圖2.1a采用差速轉向，前面同軸的兩輪差速驅動，是小車的前進后退和轉向，后面的第三個輪為萬向輪，僅起到支撐和調整車體平衡的作用，這種方式在三輪中驅動力大轉向也較平穩(wěn)，但靈活性較差。圖2.1b和c圖2.1三輪式布局方式b.四輪形式圖2.2四輪式布局四輪式移動機器人常見形式如圖2.2所示。在承載能力方面，四輪式移動機器人較三輪式移動機器人有所提高，但機構復雜，需要對隨動輪或自由輪采用緩沖懸掛系統(tǒng)方可保證四輪同時接地。小車最終布局方案：由于我所設計的機器人主要實現(xiàn)功能，是沿著軌跡由初始地到目的地去取物。比較三輪形式與四輪形式各自的特點，考慮本設計實際的靈活性和承載能力的要求，涉及到小車車輪布局方案的選擇、小車車輪的驅動方式、小車導引方式的選擇、小車避障傳感器的選擇等四個方面。本設計結合實際情況最終選擇四輪形式布局，如下圖2.3所示。2.1.2制動器制動器及其作用：制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運動的機械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩類。圖2.3四輪形式布局在機器人機構中，需要使用制動器的情況如下：①特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施②停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。機械制動器：機械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。在機器人的驅動系統(tǒng)中常使用伺服電動機，伺服電機本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開，這時制動器不起制動作用，而當電源斷開線圈中無勵磁電流時，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。又因為這種制動器常用于安全制動場合，所以也稱為安全制動器。電氣制動器：電動機是將電能轉換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉機械能轉換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉換裝置，可將電能轉換為機械能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當?shù)闹苿与娐贰１疚闹校摍C器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的底盤模塊會因為慣性因素而不能有效制動。另外，由于各方面限制，不方便在原有機構上添加機械制動器，所以只能通過軟件來實現(xiàn)底盤模塊的電氣制動。采用電氣制動器，其優(yōu)點在于：在不增加驅動系統(tǒng)質量的同時又具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機器人上安裝機械制動器會使質量有所增加，故應盡量避免。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候將失去制動作用。2.1.3小車傳感器系統(tǒng)方案設計機器人控制需要采用傳感器檢測機器人的運動位置、速度和加速度。在移動機器人行進途中，它必須具有識別障礙和提前躲避的能力。所以傳感器系統(tǒng)是整個移動式搬運機器人系統(tǒng)的“眼睛”。此處所要選擇的自動導引小車的傳感器主要有兩種：一是內部傳感器，即小車完成沿軌跡運動所必須的傳感器；二是外部傳感器，也就是為了讓機器人小車在沿軌跡運動過程中不碰上其他物體所需要的接近傳感器。對于內部尋線傳感器，通常情況有：磁導引方式的電磁式傳感器，有光敏感的光源式傳感器，紅外線傳感器，還有接觸式的開關式傳感器等。而對于外部的傳感器主要用于避障作用，常用的傳感器：有超聲波傳感器，紅外線傳感器等。對于如此多的傳感器類型，及每一種傳感器都有自己的特點，我將如何選取最合適的呢？機器人傳感器的選擇依據：機器人裝備什么樣的傳感器，對這些傳感器有哪些使用要求，這是在設計機器人感覺系統(tǒng)時遇到的首要問題。選擇機器人傳感器應當完全取決于機器人的工作需要和應用特點，對機器人感覺系統(tǒng)的要求是選擇機器人傳感器的基本依據。機器人對傳感器的一般要求是:精度高，重復性好；穩(wěn)定性好、可靠性高；抗干擾能力強；質量輕、體積小、安裝方便可靠；價格便宜。本機器人小車上傳感器的選擇就是綜合了以上的考慮，其主要應用兩種型號傳感器。一是紅外線傳感，用它進行尋跡探測。它不僅精度較高，價格也較便宜。易于控制，且為非接觸式傳感器，無機械磨損等情況；二是超聲波傳感器，用它進行避障探測，當然避障探測也可以實用紅外線傳感器來代替，之所以使用它主要由于超聲波傳感器不僅能夠探測障礙物的存在，還可以測出小車與障礙物間的距離。且也為非接觸是探測。因此對機器人位置的控制主要由車底下四個紅外傳感器來實時檢測機器人小車是否沿軌跡運動。兩主動輪上直流減速電機是驅動源，這里采用單片機通過驅動芯片L293D對兩主動輪進行單獨的控制。由于移動機器人工作環(huán)境的特殊性，要機器人小車在行進途中必須具有實時探測到障礙物并進行躲避的能力。2.2機械手的方案設計機械手的方案重點是自由度數(shù)的選擇和驅動方式的選擇。自由度太少，機械手的運動靈活性受到很大的限制，運動范圍也較少不能很好實現(xiàn)搬運的目的。自由度太多如8個以上，則會出現(xiàn)冗余運動（由于多個自由度機器人中對關節(jié)過多產生的靈活性高，對同一目的運動可以有多種運動方案的實現(xiàn)）的特點，這種特點能使機械手有非常大的運動靈活性。考慮本課題設計要求及本機器人實際工作條件，此機械手分為提升模塊、輸送模塊、末端執(zhí)行器。2.2.1機械手的機械方案設計機械手的機械方案設計應基于機械設計要求的使用性能、經濟性能，安全性能的等方面準則。為此我選用常用的鋁合金做機械手的主要材料，車體選用角鋼用螺栓緊固。機械手的手部（末端執(zhí)行器）結構，傳動機構采用滾珠絲杠副與圓柱直齒輪副，整個末端執(zhí)行器體積小、質量輕。兩手指相對于末端執(zhí)行器在絲杠的帶動下左平移運動，達到開合作用。機械手的驅動方式是機械手設計重點，合理的驅動方式不僅實用性好，靈活性高，經濟性也高，還方便設計。2.2.2機械手方案由于要實現(xiàn)搬運物體的目的，并且要求機械手將抓取物體放置在一定的高度，此機械手設計如下。1）提升模塊目前國內的提升機構使用鏈條提升、鋼絲繩卷筒提升以及鋼絲繩曳引輪提升三種。起升機構的工作原理：電機減速器的低速軸帶動卷筒、曳引輪、鏈輪等傳動裝置。當電動機正反兩個方向的運動傳遞給傳動裝置時，通過傳動裝置不同方向的旋轉將鋼絲繩卷入或放出，或傳動鏈條上下運動，從而實現(xiàn)升降運動，這樣，將電動機輸入的旋轉運動轉化為垂直上下的直線運動。常閉式制動器在通電時松閘，使機構運轉；在失電情況下制動，停止升降，并在指定位置上保持靜止狀態(tài)。當載物滑輪組升到最高極限位置時，上升極限位置限制器被觸碰面觸碰時，使其停止上升。起升機構的種類：a）鏈條提升機構鏈條提升機構主要由提升電機(包括減速器)、傳動鏈輪、傳動鏈條、雙聯(lián)鏈輪、提升鏈條和改向鏈輪組成。提升鏈條選用雙排滾子鏈，安全系數(shù)大于5，它與載貨臺和上下橫梁上的改向鏈輪組成一個封閉結構。當提升電機通過傳動鏈條驅動雙聯(lián)鏈輪旋轉時，使提升鏈條運動，從而帶動載貨臺升降。提升電機通過PLC變頻控制，避免在開始升降和停止時提升鏈條所受拉力過大。為了保證載貨臺平穩(wěn)上下運行，在它的每個側面裝有沿立柱的4個導向輪和2個頂輪。相比鋼絲繩而言，采用鏈條提升方式的車庫在升降過程中穩(wěn)定性好很多，這主要與鏈條與鋼絲繩的結構不同有關。但是這種提升方式只適用于高度比較低的機器人，因為鏈條的單價成本要比鋼絲繩單價成本高出好多，另外，鏈條在提升過程中會發(fā)出較大的聲響，噪音大。所以一般機器人較高時很少采用。b）曳引式提升機構曳引式提升機構是當今電梯業(yè)廣泛采用的提升方式，主要由曳引力裝置、曳引輪、鋼絲繩、導向輪和反繩輪等構件組成。曳引鋼絲繩一端連接載貨臺，另一端連接配重裝置，載貨臺、配重裝置和荷載的重力使鋼絲繩壓緊在曳引輪繩槽內產生足夠的摩擦力驅動重物沿導軌做上下運動。曳引式提升機構的優(yōu)點是傳動機構體積小巧，傳動電機相比卷筒式要小許多，而且提升高度不受限制，但是機器人與電梯不同的是要水平行走，所以配重裝置勢必會晃動產生噪音，維修和安裝比較麻煩。c）卷筒式提升機構卷筒式提升機構是驅動載貨臺上下運動的常用機構，一般由卷筒、減速電機、鋼絲繩及滑輪組組成，其工作原理是：減速電機驅動卷筒旋轉纏繞鋼絲繩，再通過鋼絲繩和滑輪組提升重物。滾筒提升機構其原理圖如下圖2.4所示。綜合上述三種提升機構各自的不同特點及結合本機器人的實際應用情況，現(xiàn)暫選擇卷筒式提升機構應用于本機器人。圖2.4滾筒式提升機構2）輸送夾持模塊輸送夾持模塊主要目的是保證機器人的手抓能夠外伸到足夠的空間。輸出夾持模塊包括水平導向輸送機構和夾持模塊，這兩個模塊的機構結合的比較緊密，為了便于后期的維修，就將這兩個機構做成一體。3）夾持機構由于夾持機構是極其重要而又基本的結構，因而，我在設計之前對常見的一些夾持機構進行了詳細的分析剖析，具體的過程詳見下面的闡述。夾持機構方案選擇：夾持機構按動作分類，可分為鉗夾形、握形、抓形等三種狀態(tài)。如果只限于夾持物品的動作，就鉗形夾持來說，運動自由度有一個就夠了。握形是彎曲手指，把物體包容在內的夾持動作，運動自由度為一個也行，但也需要由與物體形狀相吻合的指關節(jié)的柔軟性。爪形，是把比手的尺寸小得多的物體立體的包容起來的夾持動作，手指要做三維運動自由度也多，換句話說，由于手指是柔性的皮膚狀的、且是覆蓋著的有傳感器的，必須有高度的控制。其中鉗形夾持與握形夾持的傳動機構如圖2.5所示。（a）連桿機構（b）繩傳動圖（c）凸輪機構（d）平行曲柄機構圖2.5指開閉的各種傳動機構在這里必須討論機械手的手指數(shù)量的問題，不同的手指數(shù)量可以完成的動作、動作復雜程度都不同。對于本文的移動搬運機器人，只需要能夠抓住物體，控制物體的位置和去向，兩個手指就能滿足此工作要求，所以結構上采用兩指。傳動機構采用滾珠絲杠與圓柱直齒輪副，整個末端執(zhí)行其體積小、質量輕。兩手指相對于末端執(zhí)行器在絲杠的帶動下作平移運動，達到開和作用。在此之前，末端執(zhí)行器還有另一個方案，那就是采用X型桿的夾緊方式并有伺服電機通過鋼絲線牽拉來實現(xiàn)手指的開合的目的。這種結構主要優(yōu)點是伺服電機放在小車的車體上可以減輕機械手的整體質量，增加其靈活性。但是由于其傳動系統(tǒng)通過鋼絲線的牽拉，其控制精度較低，不利于準確的位移和角度控制。相比較，采用伺服電機通過齒輪副和滾珠絲杠副其對手指的控制精度高準確，并實現(xiàn)孔類零件的張開式抓取物件。2.3本章小結本章介紹了移動式搬運機器人的小車的輪式布局和機械結構設計方案、機械手提升機構的方案設計、末端執(zhí)行器的方案設計、還有小車傳感器系統(tǒng)方案設計以及制動器的選擇。為以后的具體結構設計、三維模型的建立和分析計算奠定了基礎。本章也是整個機器人設計的基礎部分，為以后的結構設計指明了具體的設計方向。3.搬運機器人本體結構設計3.1自動導引小車機械結構設計移動小車是機器人的主要機械承載體，起到了移動和支撐機械手的重要作用。因此對于其機械結構的設計，不僅考慮到其運動的靈活性，而且還要考慮承載機械結構的能力。所以考慮到機械手的自重和本設計的實際情況，我對小車的機械結構采用常用L型鋁合金通過螺栓螺釘固定而成，部分結構也可以采用焊接固定的方式。包括底盤和電機構成的驅動系統(tǒng)，各支撐板和角鋼成通過螺栓連接的機械小車的框架，傳感器電路板和控制系統(tǒng)電路板機械板固定裝置等。3.2自動導引小車移動行走模塊設計小車底盤采用四輪形式布局，驅動方式有兩種，分為四輪驅動和兩輪驅動如下圖3.1和圖3.2所示，其中兩輪驅動方式又分為如圖所示的四種方案。圖3.1四輪驅動 圖3.2兩輪驅動a）四輪驅動優(yōu)點：具有很好的走直線功能能夠提供更大的驅動力。缺點：由于制造安裝等原因，四個輪子很難同時著地，易出現(xiàn)打滑等問題，彎性能不好，如圖3.1所示。b）兩輪驅動圖3.2a和d為差速轉向，均為2-TR型機器人。圖3.2b和c為復合轉向。采用3.2b圖所示機構的機器人為2-TR型;而3.2c復合轉向和差速轉向對于本設計而言，復合轉向設計更復雜，設計難度更大，本設計最后選擇差速轉向方案，即圖3.2中方案a與方案d，其中方案d有可分為以下三種方案。1）驅動輪在中間優(yōu)點：轉彎半徑為零特點：適用于重心靠中的機器人2）驅動輪在前端優(yōu)點：轉動中心靠前，前端的抓取積木的機構調整的幅度更小，更容易對準缺點：電機啟動時由于慣性整車會后仰，驅動輪上的正壓力減小，地面提供的摩擦力也減小，所以啟動時打滑明顯，啟動加速度減小，從而拖延時間。由于電機等安裝配件較重，使整車的重心前移，若要抓取積木，機器人更容易向前傾倒。特點：適合重心靠前的機器人3）驅動輪在后端優(yōu)點：能夠很好解決啟動時加速度不夠的問題缺點：整車轉動中心靠后，前段抓取積木機構的轉動半徑加長，所以機器人左右微調的幅度擴大，不利于調整對準，在沖撞中有后倒的可能性特點：適合中心靠后的機器人c）機器人重心位置的設定在驅動輪前置或者后置的方案中，重心距離驅動輪軸線不應該超過驅動輪和從動輪距離的1/3，否則提供的驅動力不足。重心位置設定不合理的后果是：啟動慢，變向慢，甚至驅動輪打滑，保證機器人滿負載時啟動和急停時都不會倒是最基本的要求。綜合以上不同方案的特點，考慮涉及到小車車輪布局方案的選擇、小車車輪的驅動方式、小車導引方式的選擇、小車避障傳感器的選擇等四個方面。本設計結合本課題的實際情況最終選擇同軸兩主動輪差速驅動加兩萬向輪的四輪結構，見圖3.3；其小車導引選擇用紅外線傳感器跟蹤一定寬度的黑線來實現(xiàn)；小車行進中的避障傳感器選擇超聲波傳感器。其小車導引選擇用紅外線傳感器跟蹤來實現(xiàn)沿一定軌跡的行進；小車行進中的避障傳感器選擇超聲波傳感器。采用普通的輪式驅動，安裝時主要嚴格保證兩驅動輪的同軸度，嚴格限制驅動輪的回程差，保證底盤的剛度和平行度。圖3.3小車布局圖3.3提升模塊設計豎直提升模塊的主要目的是將夾抓機構提升到一定的高度。其主要結構是根據所要限制的自由度來決定的，僅保留豎直滑動的自由度。本機器人的提升模塊采用與滾筒式提升機構相類似的原理，但由于滾筒不適合在此機器人上安裝，現(xiàn)改用繞線輪替代滾筒，驅動電機帶動繞線輪，繞線輪上繞有鋼絲繩，通過改變鋼絲繩的長度來實現(xiàn)夾持輸送機構的上下移動。提升模塊包括提升滑道和驅動模塊兩部分，其中提升滑道得到較大的改進，用一種比較簡單的機構代替，所用的全是加工件，故滑到的平行度和剛度都保持的比較好。驅動模塊主要是在對驅動電機的性能要求，要求電機的提升速度適中，不能造成加持機構長時間的抖動，最后選擇的電機型號如下表3.1。表3.1機械手驅動電機參數(shù)電機型號空載電流額定電壓最大功率時電流最大功率時轉速最大轉矩功率ZGA60FM101i0.705A12V4.26A23.3rpm54.7kgcm13.11W3.4輸送夾持模塊輸送夾持模塊主要目的是保證機器人的手抓能夠外伸到足夠的空間。其主要的傳動機構是有同步帶輪驅動的類似于齒輪齒條機構。輸出夾持模塊包括水平導向輸送機構和夾持模塊，這兩個模塊的機構結合的比較緊密，為了便于后期的維修，就將這兩個機構做成一體，同時為了保證輸送機構的流暢，將同步帶側放，同時減輕兩輸出軸的徑向力，從而也就減輕料對輸出電機的要求。夾抓采用的是單舵機驅動的夾抓，其主要目的在于減小機器人的整體尺寸，同時調整利用調整占空比控制舵機不同的轉角，從而實現(xiàn)用夾持物體的功能。在這里我所采用的夾持模塊也是采用單舵機驅動的雙四桿機構，示意圖如圖3.4所示，其主要目的是減小夾持的重量，同時也就減小整個機身的重量。圖3.4單舵機夾抓示意圖夾持模塊的分析 設計思想： 我們知道平面機構的自由度的計算公式： （3.1）其中:為自由度； 為活動構件數(shù)，四桿機構的中=3； 為平面低副的數(shù)目；四桿機構中，該值為4；為平面高副的數(shù)目；四桿機構中，該值為0；我們知道機構有確定運動的條件為機構的原動件數(shù)等于自由度數(shù)，則當四桿機構的原動件為1時，該機構就有確定的運動，我的設計思想就是讓兩個四桿機構共用一個驅動桿，通過兩個四桿機構的耦合實現(xiàn)夾持功能。3.6本章小結本章講述了機器人的具體機械結構設計，從機器人的底盤模塊結構設計開始，由不同方案驅動的選擇到最后方案的確定，接著完成了提升模塊、輸送加持模塊的機械結構設計，最后完成了自主移動式搬運機器人的整機三維模型建立。由開始的方案選擇到最后的方案確定，并完成最終的三維模型的建立，這樣一個過程體現(xiàn)了結構設計與實際條件相結合的方案選優(yōu)的處理方法。4.分析計算4.1底盤驅動設計4.1.1設計要求假如機器人最大重量：M=機身13KG+物品2KG=需要達到的最大加速度為a=0.5g需要達到的最大運行速度v=0.5m/s4.1.2受力分析機器人在行走時的阻力主要包括摩擦阻力、風阻力、慣性阻力和斜坡阻力等。由于比賽場地在室內，場地鋪設20㎜厚的膠合板，并涂滿乳膠漆，所以風阻力和斜坡阻力就不用考慮。機器人移動過程中存在著加減速的運動，因此慣性阻力是要考慮在內的。1）輪子的摩擦阻力輪子的摩擦阻力由車輪軸承摩擦阻力和輪子與地面之間的滾動摩擦阻力兩部分組成。2）輪子軸承中的摩擦在重量分配時，假設機器人總重量不得超過15㎏。為提高安全系數(shù)，在計算機器人輪子摩擦時，機器人的總重量設為是20㎏。因為這些運算的結果會影響到后面的驅動功率計算及電機的選擇。如圖4.1所示，輪子運行時軸承摩擦阻礙前進的情況。軸承摩擦圓半徑為μd/2，故運動阻力為： （4.1）式中，P車輪輪壓；D車輪直徑；d車輪軸樞直徑；μ車輪軸承摩擦系數(shù)；μ＝0.015（滾柱與滾珠軸承）；μ＝0.02（圓錐滾子軸承）；μ＝0.025(滾針軸承)；μ＝0.08～0.10（滑動軸承）本臺機器人的驅動輪共2個，輪子直徑100㎜，每個驅動輪的裝配體有2個滾珠軸承，軸樞直徑15㎜。由式(4.1)得手動機器人驅動輪產生的軸承摩擦力為：（4.2）圖4.1車輪的軸承摩擦由式(4.1)得手動機器人驅動輪產生的軸承摩擦力為：（4.2）本臺機器人有兩個萬向輪，但在任一時刻只有一個著地，以其中小的輪子計算，輪子直徑18㎜，為滑動軸承，軸樞直徑4㎜。同理，由式(3.1)得：（4.3）3）輪子與路面間的滾動摩擦輪子與路面間的滾動摩擦大小，隨輪胎的結構和路面的堅實平坦程度的不同，會有很大的差別。一般來說，輪胎的滾動摩擦的能量損失由輪胎變形能量損失、地面變形能量損失和輪胎與地面接觸處的摩擦能量損失三部分組成。輪胎變形能量損失指輪胎滾動時，如果是充氣輪胎，就是橡膠、簾布等材料內部的分子摩擦損失，以及輪胎各組件間（內胎與外胎、襯帶、輪輞之間）的機械摩擦損失。對于實心輪子，主要是輪子受擠壓的變形分子摩擦力。本次設計的輪子，輪胎是用有彈性的硅膠纏繞在鋁合金制造的輪子的外面，在受壓時與地面接觸部分就發(fā)生較明顯的變形。從另一個方面看，這樣也起到防滑的作用。地面變形能量損失指輪胎在地面滾動時，將地面材料壓縮而在支承面上形成的輪轍所消耗的能量。這主要在松軟的土壤上，輪轍的形成消耗就會比輪胎變形消耗的能量要大得多。在堅實平坦的路面上，提高充氣壓力能減低摩擦阻力，而路面變形很小的，可以忽略不計。工程上輪胎的滾動阻力可以按下式計算：(4.4)式中f是與許多因數(shù)有關，變化范圍很大，經查閱有關資料PVC地板和各種工程塑料的滾動摩擦系數(shù)是0.02～0.025或(4.5)式中f是滾動摩擦系數(shù)（mm），D是車輪直徑。此式中f與輪子直徑及路面情況關系比較大，一般是在反復實驗中測得。經測量100㎜左右的硅膠輪胎在地板的滾動摩擦系數(shù)為0.8～2㎜。由式（4.4）得萬向輪的滾動摩擦力： (4.6)b.驅動輪的滾動摩擦是由于車輪運行時，地面和車輪接觸面發(fā)生變形而引起阻礙車輪滾動的阻力，如圖3.2所示。車輪前進時，由于車輪與地面之間的擠壓應力合力偏向運動前方，偏移量（即滾動摩擦力臂）的值為f。摩擦阻力為： (4.7)圖4.2驅動輪的滾動摩擦由于本設計中驅動輪和輔助輪的材料不同，所以兩者按照公式（3.1）計算的摩擦阻力不同。在實際中，驅動輪的輪胎受有驅動力矩的作用，變形較大，因而滾動阻力較大，一般比同材料的從動輪約增加10%～15%。實際上，在行走中，摩擦阻力是會不斷變化的。4）慣性阻力慣性阻力與質量和運動加速度有關：(4.8)式中，a加速度(m/s2)；g重力加速度(m/s2)；G輪式移動機構的總重量(N)。設計時，為了使機器人在速度上有一定的優(yōu)勢并能在速度調節(jié)上比較靈活，而且本次比賽，得份的效率至關重要，所以，設計機器人移動的最高速度可以達到3m/s，并要求達到這個速度的啟動時間tq≤2s，即加速度a=(v-v0)/tq＝1.5m/s2。根據（4.8)式得：(4.9)這就是機器人的慣性阻力。4.1.3驅動功率的計算1）總推進力輪式移動機構在平地上勻速行駛時，驅動功率僅需克服摩擦阻力Wm和風阻力Wf。當加速行駛時還要克服慣性力Wg。若需爬坡還須計入斜坡阻力Wp，因此輪式移動機構總的推進力為：(4.10)因機器人在室內的平坦的地板上工作，因此風阻力和爬坡阻力可以忽略不計，所以，驅動機構總的推進力為W=Wm+Wg。傳動裝置效率約為η＝0.7～0.9。根據式(3.10)的總推進力為：（4.11）2）電機驅動功率估算輪式移動機構每組驅動所需要的電機功率按式(4.12)估算：（4.12）式中，v移動速度(m/s)；W總推進力，按式(4.10)計算；η從電機到車輪:傳動鏈的總效率；m驅動電機的總數(shù)。對于本臺機器人，驅動輪的數(shù)目是2個，因此m＝2。η取0.8，v=3m/s。得每組驅動所需電機功率為： （4.13）此功率為驅動機構所需的最大功率，因為在勻速行走時，慣性阻力為零，所需的功率小很多。在電機選擇時，選擇的功率需大于此值。3）電機扭矩估算電機扭矩M是電機功率和轉速的函數(shù)：（4.14）式中，n電機轉速(r/min)。電機轉速n與機器人移動速度v的關系為： （4.15）式中，i電機到車輪傳動鏈的減速比；D車輪直徑(m)。設計v=3m/s，驅動輪直徑為D=100㎜，齒輪減速比i=78/15=5.2。即可算得電機轉速為： （4.16）因為減速比小，計算的電機轉速小。通常，電機在不帶減速箱的情況下，轉速在3000r/min以上。所以，采用n=3000r/min的電機進行設計，雖然有所浪費，但是比起增加減速比，通過電機調速達到要求更加方便。根據公式(4.14)計算電機轉矩： （4.17）4.1.4小車的驅動方案機器人常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅動方式的特點見表4.1：機器人驅動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅動系統(tǒng)的要求有：1）驅動系統(tǒng)的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高；2）反應速度要快，即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉切換；3）驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；4）安全可靠；5）操作和維護方便；表4.1三種驅動方式的特點對照內容驅動方式液壓驅動氣動驅動電機驅動輸出功率

很大，壓力范圍為50～140Pa大，壓力范圍為48～60Pa

較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜響應速度

很高較高

很高結構性能及體積結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小伺服電動機易于標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質，在一定條件下有火災危險防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無在工業(yè)機器人中應用范圍適用于重載、低速驅動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人適用于中小負載驅動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復雜6）對環(huán)境無污染，噪聲要??；7）經濟上合理，尤其要盡量減少占地面積?；谏鲜鲵寗酉到y(tǒng)的特點和機器人驅動系統(tǒng)的設計要求，小車是整個機器人的移動主體，它的驅動方式直接影響到機器人移動的靈活性。根據實際情況，選用常用的電機驅動方式。這種方式簡單，易于實現(xiàn)。驅動電機的方案選擇:方案（一）選擇步進電機：選用步進電動機對前面兩個左右輪控制，通過速度差動轉向。本方案采用型號為20BY-N永磁步進電動機。外接六根線。可以接成單極性兩相步進電機，亦可接成單極性四相步進電機?？梢酝ㄟ^加載脈沖個數(shù)實現(xiàn)對旋轉角度的精確控制，同時可以通過對步進電動機兩相繞組不同的通電順序實現(xiàn)正反轉。當電機繞組通電時序為A-B或(A-B)時為兩相接法，步距角為36。通電時序為A-A--B-B-B--A（或-B-B-B--A-A-A）時為四相接法，步距角為18。圖4.3混合式步進電機內部繞組圖但是，實際表明由于步進的驅動力矩太小，以至于無法驅動整個移動式搬運機器人的運動，所以此方案被否定。方案（二）選擇直流減速電機：驅動電機采用直流減速電機，這是因為直流電機具有優(yōu)良的速度控制性能，具體來說，它具有以下優(yōu)點：(1)運行速度平穩(wěn)，具有快速響應能力。(2)其結構簡單，控制也較容易。只需一個電機驅動芯片L293D。(3)電機具有較大的轉矩，以克服傳動裝置的摩擦轉矩和負載轉矩。(4)電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊。(5)由于其內在齒輪減速箱，故無需在另外做減速箱，而且輸出轉速符合要求。根據所需的驅動力矩和其它結構要求，驅動電機選用北京艾利士電子科技中心生產的ZGA60FM101i型直流減速電機。通過驅動芯片L293D進行驅動。表4.2為選定的各個關節(jié)電機型號及其相關參數(shù)。表4.2電機參數(shù)電機型號ZGA60FM101i空載電流額定電壓最大功率時電流最大功率時轉速最大轉矩功率0.705A12V4.26A23.3rpm54.7kgcm13.11W4.2傳動方式由于一般的電機驅動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構來增加力矩，提高帶負載能力。對機器人的傳動機構的一般要求有：（1）結構緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕；（2）傳動剛度大，即由驅動器的輸出軸到連桿關節(jié)的轉軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動；（3）回差要小，即由正轉到反轉時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度；（4）壽命長、價格低。本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設計，結構緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅動各個連桿的運動。為減小機構運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或將回轉運動轉換成直線運動，在本文中主要用于腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)的傳動。齒形帶傳動原理如圖4.4所示。圖4.4齒形帶傳動齒輪帶的傳動比計算公式為 (4.18)齒輪帶的平均速度為（4.19）4.3機械手的機械方案設計機械手的機械方案設計應基于機械設計要求的使用性能、經濟性能，安全性能的等方面準則。為此我選用常用的鋁合金做機械手的主要材料，并選用其他金屬（如45鋼，做機械手的受剪軸材料），車體選用角鋼用螺栓緊固。機械手的手部（末端執(zhí)行器）結構，傳動機構采用滾珠絲杠副與圓柱直齒輪副，整個末端執(zhí)行器體積小、質量輕。兩手指相對于末端執(zhí)行器在絲杠的帶動下左平移運動，達到開合作用。機械手的驅動方式是機械手設計重點，合理的驅動方式不僅實用性好，靈活性高，經濟性也高，還方便設計。目前機械手常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動等多種方式，各種驅動方式有其自身的特點，在工業(yè)機器人中液壓和氣壓應用很廣泛，有些機器人則同時采用多種驅動方式，這都是不同機器人的特點和要求所定。比較這些驅動方式的特點，從中選出合適的移動機械手的驅動方式。1）液壓驅動液壓驅動的特點有：a、驅動力大和驅動力矩較大，臂力可達100公斤；b、調速范圍較大，而且可以無級調速，易于適應不同的工作要求；c、傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向；d、液壓系統(tǒng)的泄露對機構的工作穩(wěn)定性一定的影響；e、有野中如果混入氣體，將降低傳動機構的剛性，影響定位精度（產生爬行），同時油液的溫度和粘度變化影響傳動性能。液壓驅動機械手多用于要求臂力較大而運動速度較低的工作場合。2）氣動驅動啟動驅動的特點有：a、由于壓縮空氣粘性小，流速大；b、壓縮空氣可以從大氣中吸收，故動力源獲得方便價格低廉、價格低廉，而且廢氣處理方便；c、由于壓縮空氣粘度小，因此在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到油液在油路中損失的千分之一；故壓縮空氣可以集中供應，遠距離輸送；d、壓縮空氣的壓縮性較大，因此是機械手的運動平穩(wěn)性較差，定位精度較低，而且壓縮空氣排到大氣中時噪聲較大，另外還需考慮潤滑和防銹等；因此氣壓驅動的接攜手，常用于臂力小于30公斤、運動速度較快以及高溫、低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場合。3)電機驅動從文件可知，電機驅動機械手可避免電能的中間環(huán)節(jié)，效率比液壓和氣壓驅動要高：電機系統(tǒng)將電動機、測速機、編碼器、減速器及制動器組裝在一次加工的機殼中，使得整個電機系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大提高：另外，電動機根據運行距離及電機的脈沖當量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據輸入計算機，可達到非常高的位姿準確度，這些都是電機驅動的優(yōu)點。相對的，液壓與氣動驅動系統(tǒng)組成機構繁瑣，維護不方便，液壓源和氣壓源裝置體積大，對于移動機器人來說也是一個無法實現(xiàn)的問題，對于移動機器人操作機械手所要求的位置精度，液壓和氣壓也很難滿足。綜上所述，由于機械手的整體結構較小質量較輕，所以驅動裝置，我采用直