移动机器人机械臂的设计.doc

该【移动机器人机械臂的设计 】是由【闰土】上传分享，文档一共【43】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【移动机器人机械臂的设计 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
1引言

本文以实际项目小型地面移动机器人的机械臂为研究对象。设计移动机器人的机械臂的结构。所谓移动机械臂,就是将机械臂安装在是一个小型多用途移动作业机器人智能移动平台,小型多用途移动作业机器人是一个智能移动平台,其上可搭载爆炸物处理、侦察、通讯、探测系统或其他特殊作业系统。移动机械臂用来实现一些动作如抓取,可以在机械臂的末端执行器上安装一定的工具进行作业,通过移动平台的移动来扩大机械臂的工作空间,这种结构使移动机械臂拥有更大的操作空间和高度的运动冗余性,并同时具有移动和操作功能,这使它优于传统的机械臂,则具有了更广阔的应用前景[1]。目前智能移动机器人正向着拟人化、仿生化、小型化、多样化方向发展,其应用也越来越广泛,几乎渗透到各个领域[2]。
移动机器人技术的研究属于多学科相互交叉,相互渗透的,对它的研究具有很大的理论价值和广阔的应用前景。在工业机器人问世40多年后的今天,机器人己被人们看作为一种生产工具,同时随着科学技术的迅速发展和人们生活水平的提高,机器人的功能己不再是只能从事某项简单的操作,而是可以承担多种任务;机器人的工作环境也不再是固定在工厂和车间现场,而是开始走向海洋、太空和户外,有些甚至已经进入医院、家庭和娱乐场所。具有智能特性的自主式移动机器人正在向非制造业方向扩展,这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、办公自动化和灾害救护等,如飞行机器人、海难救援机器人、化肥和农药喷撒空中机器人、护理机器人等。近年来,对移动机器人的研究受到重视,仿照生物的功能而发明的各种移动机器人越来越多,小到娱乐机器人玩具、家用服务机器人,大到工程探险、反恐防爆、军事侦察机器人等。相应地,这些领域对所应用的移动机器人系统也提出了更高的要求,特别是在机器人的运动速度、灵活性、自主性、作业能力等方面的要求越来越高。因此,无论是在制造业还是在非制造业,具有智能特性的自主式移动机器人成为了国内外研究的热点。
历史上一切高新技术无不首先应用于军事领域,移动机器人机械臂也不例外。随着二十世纪末的几场局部战争和二十一世纪初期席卷全球的反恐战争进程,特种战争以及城市战争日益成为战争一类型的主角,这一转变直接推动了各台即军用地面移动机器人的发展。现代战争凸现了局部范围内的信息化,而战场机器人凭借自身的优势特点,已经在本世纪的战争,例如伊拉克战争中成为耀眼的新星。现代战场尤其是城市内反恐怖战争中单兵的生存能力受到了极大的挑战,微小型地面移动机器人由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点,并且可以在远程遥控甚至自主情况下完成部分原本由士兵完成的任务,可以不论白天还是黑夜都能了解周围的楼房里及街道上的敌情。除侦察外,微小型机器人搭载微小型武器系统还可完成诸如扫雷、排除爆炸物、控制武器射击等各项任务,而且不会有人员伤亡,极大减少了伤亡率。因此特别适用于城市和恶劣环境下的局部战争和信息、战争,具有重大意义和军事效益。二十一世纪的战场,战争的初期极可能是一场无人系统的较量。永不疲倦、无所畏惧的微小型无人移动机器人是最理想的士兵。它们已在战争中显示出的作战本领,可以证明它们在未来战场上的重要地位。微小型无人移动机器人的机械臂特别适用于城市和恶劣环境下(如核、生、化战场等)的局部战争和信息战争,具有重大战略意义和效益。
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作

小型地面移动机器人机械臂在未来生活中,包括消防、探测等危险作业中的应用将会越来越广。包括在军事领域中的应用将是发展的必然趋势,也是我国国防科技行业重点支持的方向之一。通过对小型移动机器人机械臂系统研制,在整体系统的各个方面积累了比较丰富的设计经验,相信经过不断的发展和改进移动机器人机械臂将走向成熟和实用化。未来移动机器人机械臂将有以下主要特点:更优的性能质量比;更强的环境适应能力;更高的智能性能;具有成熟的机械臂系统;军品级别的可靠性。

国外在移动机器人机械臂方面的研究起步较早,初期的研究主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理,并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高而导致室外移动机器人机械臂的研究未达到预期的效果,但却带动了相关技术的发展,为探讨人类研制智能机器人机械臂的途径积累了经验,同时也推动了其它国家对移动机器人机械臂的研究与开发。
进入90年代,随着技术的进步,移动机器人机械臂开始在更现实的基础上开拓各个应用领域,向实用化进军。例如2002年IRobot研制的金字塔探测机器人—“金字塔漫游者”,身长30厘米,宽12厘米,高度可在11至28厘米之间调节。机器人身带5件法宝:超声波传感器、地面探测雷达系统、力度测量仪、高分辨率光纤镜头和导电传感器,具备世界上最小的地面探测雷达系统,可以穿透厚超过90厘米的混凝土。美国在2003年发射的两辆火星探测车
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
“勇气”号和“机遇”号分别于2004年1月3号和24号在火星的不同区域安全着陆,并完成了90个火星日的科研工作。拿“勇气”号探测车来说,就是一个具有手臂的移动机器人。他的大脑是一台高速计算机,车体靠自身具有的六个轮子在火星地面运动,视觉系统采用一对全景照相机来拍摄火星表面和天空的全景视图,也用于形成着陆点附近的地形图、搜索感兴趣的岩石和土壤,来完成寻找火星远古时期存在液态水的证据的工作。另外分别于车体前端和后端安装了两组相同的避危摄像机,由一组立体影像的黑白摄影机所构成的,所拍摄的影像除了用于障碍物侦测之外还用于探测车的路径规划上。最先进的要数探测车上的机械手臂,手臂末端装备了各种工具,有显微镜成像仪、三种质谱仪和两种分光计,一套岩石研磨和样本采集土具以及三个磁铁阵列,所有设备主要是用来寻找火星上是否曾经有液态水的证据。西班牙罗斯·罗卡公司研制的“罗德”轮式机器人。该机器人可用于清理雷场和处理炸药等危险物品。,、、重350kg、(6X6)驱动、动力装置为1台电动机,车上供电蓄电池可使用2h,车速(前进或后退)。车上装有活动操作臂,有6个自由度,固定在机器人车的旋转塔上。机械臂不伸长时可吊重80kg,,此时可吊重16kg。操作臂顶端装有夹爪,夹紧力可达30kg,。该车采用100m(或250m)长的电缆或无线电装置进行遥控。机械手完成整个操作过程必须借助1台黑白或彩色电视显示器,显示车上3个摄像机获得的监视驾驶、机械臂控制和夹爪操作的图像。车上装有两个卤气探照灯,可在夜间或能见度很低的地区使用。
除室外移动机器人外,世界各国在遥控移动机器人、高完整性机器人、生态机器人学(生物机器人学)、多机器人系统、环境与移动机器人系统的集成等方面都作了大量的研究。

国内对移动机器人机械臂的研究起步虽然较晚,但经过近几十年的发展也取得了很大进步,但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。国内的移动机器人机械臂研究主要经历了算法的研究和仿真台的引进和自主开发三个阶段。下面是国内的主要研究成果。“九五”期间由浙江大学、南京理工大学、国防科大、清华大学、北京理工大学联合研制了ALVLABII型陆地移动机器人,并成功完成了全部实验测试,,同时支持临场感遥控驾驶及战场侦察等功能。清华V型智能车THMR-V是清华大学智能技术与系统国家重点实验室在中科院院士张钱教授主持下研制的新一代智能移动机器人,兼有面向高速公路和一般道路的功能,于1994年通过鉴定。车体采用道奇7座厢式车改装,装备有彩色摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统;由差分GPS、磁罗盘和光电码盘组成的组合定位导航系统等。两套计算机系统分别进行视觉处理,完成信息、融合、路径规划、行为与决策控制等功能。4台IPC工控机分别完成激光测距信J息、处理、定位信息、处理、通讯管理、驾驶控制等功能。设计行驶于高速公路车速为80krn/h,一般道路为20km/h。目前已能够在校园的非结构化环境下,进行道路跟踪和避障碍自主行驶。清华大学智能车涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术,基于传感器信息的局部路径规划技术,路径规划的仿真技术,传感技术、信息融合技术和智能移动机器人的设计和实现。DY-I型导游服务机器人是海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司推出的新一代智能导游机器人,该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息、避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成。导游机器人由蓄电池供电,可连续运行4h,在一定环境下可自主行走,并可进行避障,并通过语启一系统可以进行人机交互。此外还有香港城市大学智能设计自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中科院沈阳自动化所研发了具有自主产权的激光导引AGV和用于公安防暴的
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
“灵晰一B”型移动机器人、中国科学院自动化所自行设计制造的全方位移动机器人导航系统等。本文主要论述是移动机器人机械臂结构设计。

综合国内外对于移动机器人的研究情况,当代移动机器人的研究主要集中于以下几个方面。
(1)机械臂结构。机械臂机械结构形式的选型和设计,是根据实际需要进行的。在机械臂机构方面,结合机器人在各个领域及各种场合的应用,研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。当前,对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段,而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点,正在向实用化迅速发展。
(2)运动控制技术。稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础,由于移动机器人机械臂本身是一个非完整约束系统,是一个欠驱动的零漂移的动力学系统,因此,该系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此,通过时变、不连续控制以及混合策略,根据动力学模型和运动学模型,建立合理的反馈控制律,实现速度和转向的自动控制,以及不同工作状态之间的平稳过渡,是该项技术的核心内容。
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
(3)路径规划技术。该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部路径规划技术。由于自主式移动机器人机械臂在行驶中,必须避开它无法通过的或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域,因此局部路径规划,尤其是复杂环境下的路径规划问题,显得更为重要。
(4)实时视觉技术。该技术主要涉及到视觉信息的实时采集、预处理、特征提取和模式识别。而且,视觉信息处理的能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定智能机器人整体性能的决定性因素。
(5)定位和导航技术。该技术是现代移动机器人机械臂研制所急需的关键技术,也是下一代无人战车的技术基础。位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量,测量方法有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗盘、全球定位系统、地图模型匹配和自然路标导航等。
(6)多传感集成和数据融合技术。自主式移动机器人机械臂采用测距技术,GPS定位技术和小型陀螺仪技术等多种传感技术来采集不同类型的环境信息。因此,准确地处理和分析不同传感器采集到的信息,用于对所处环境作出准确可靠的描述,并据此作出正确的决策和控制,是多传感集成和数据融合研究的任务。
(7)高性能计算技术。在移动机器人机械臂的早期研究工作中,专用硬件结构为多数研究者所采用,这是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需的计算能力。近年来,随着计算机计算能力的迅猛提高,研究者们开始采用通用处理器来构建机器人系统。目一前用于移动机器人机械臂的硬件结构多数采用一个高速通用处理器加上几个专用板卡或芯片(用于颜色查表、模板匹配或数学形态学计算),或者通过实验确定算法和硬件原型后,利用嵌入式的系统来缩小体积,达到优化的性能。
(8)无线通信与因特网技术。这两项技术可以实现多机器人臂之间的通信和信息共享,以及移动机械臂与外部的联系。
本文要研究是移动机器人机械臂结构设计。

本课题来源于南京市科技局的科技计划项目,具有较大的应用价值。结合当前小型移动机器人的发展,而进行移动机器人机械臂的结构设计和计算,要求结构紧凑、轻巧,以提高机器人臂杆系统的运动性能。将移动机械臂安装在是一个小型多用途移动作业机器人智能移动平台,可以用于执行爆炸物处理、侦察、通讯、探测系统或其他特殊任务。
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
通过几个阶段系统的分析、设计与计算等过程,提高分析与解决工程实际问题的能力。具备较扎实的机械设计及自动化方面的专业知识,能较熟练的使用CAD软件或其他工程设计与分析软件进行设计。本课题以小型地面移动机器人的机械折叠臂为研究对象,设计了移动机器人机械臂的设计。
论文以实际工程为背景,结合移动机器人机械臂研究设计过程中遇见的问题,进行分析。内容安排如下:
在了解总体尺寸、重量及运动指标的基础上,进行机构分析和比较;对选定的方案进行机构造型、分析、设计与计算;绘制该系统装配图及部分零件图;编写设计、计算说明书。
设计机械臂及夹持机构。设计数据要求:机械臂折叠时总长≤650mm,单臂杆转动范围:150°,,系统自重≤7kg。机器人底盘系统的总体尺寸不超出:长×宽×高=800mm×540mm×260mm。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。
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2移动机器人机械臂的总体设计

作为一款多功能移动机器人,为完成如排爆等任务,抓取危险物品移动至安全爆地点,能够灵活的移动到指定的目标位置来抓取目标物,能够方便的伸长、旋转达到不同的姿态,自由度太少将大大限制机械手的工作空间,无法抓取目标物,有时考虑到目标物可能置于狭小空间中,还应该使机械手能够有效达到避障的目的。考虑到还有底盘的移动以及机械臂的重量。本文设计的机械手具有3个自由度。下面分别是手部、臂部和肩部的具体设计。:




加拿大西蒙弗雷泽大学的高峰等人根据人体手臂和腿部的机构组成,提出了尺寸综合的三动杆原理[19],作为机械手机构运动学、动力学的评价准则。该原理的内容是:人体手臂、腿部及动物四肢从机构原理上分析都可以看作三自由度平面三动杆演化来,因为决定它们的运动学和动力学特征的最基本的部分是平面运动,这部分运动被称为三动杆的主运动,它是瞬时运动轴线平行的三动杆机构运动,三自由度面的动杆机构可以作为上述机构的简化模型,该机构的运动学、动力学的评价准则同样可以用来衡量手臂机构的运动学和动力学性质。根据三动杆基本运动理论,仿人手臂可以看作三动杆机构,即将大臂、小臂、手爪作为三动杆。
假定机械手各部分长度为:上臂A、小臂B、手爪C,L=(A+B+C)/3,则可得到r1=A/L,根据三动杆机构的性能分析,可以得出下面的结论,即当三杆长度满足下列条件,r1:r2=1~,并且r3<,三动杆的灵活性和运动幅度较高,同时,其全局条件数最大,手臂末端的操作速度、变形也处于中等范围内。当全局条件数最大时,操作过程中易于实现精度控制。
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
因此,结合三动杆原理,确定机械手的各部分尺寸长度为大臂380mm、小臂420m,手爪160mm。设计该长度还考虑到了机器人的排爆用途,即机械手必须能够将爆炸物抓取移动,以直径40mm,长为360mm的圆柱体为例进行了计算,这样确定了上述尺寸。

(1)结构设计参数的要求
机械臂折叠时总长≤650mm,单臂杆转动范围:150°,,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)机械系统是移动机器人机械臂性能的基础,结构设计参数直接影响到移动机械臂性能指标。合理的、优化的结构设计不仅能提供可靠的机器人本体,更可以减少调试试验中的不可靠因素。但是,机械设计周期十分长,其受到的影响因素也很多,包括加工精度、热处理工艺、材料选取、装配工艺、非正常工作状况等等都将影响到机械系统的性能,所以机械系统的设计在本项目中显得十分重要。
在设计过程中应遵循以下结构设计原则:
(a)结构尺寸方面满足设计指标;
(b)零件结构便于加工、测量;
(c)满足刚度强度要求;
(d)总体结构易拆卸,便于平时的试验、调试、和修理;
(e)给机器人暂时未能够装配的传感器、功能元件等预留安装位置,以备将来能改进与扩展;
(f)采用模块化设计,各个功能模块之间相互独立装配,互不干扰。
设计过程中主要使用的设计工具有美国PTC参数技术公司的三维设计软件Pro/。
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
3移动机械臂机械手部结构设计

机械手手部(末端执行器)结构形式多样,但总的设计都有如下几点基本要求:
(1)应具有适当的夹紧力和驱动力,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产生松动、脱落。在确定握力时,除考虑抓取物体重量外,还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证夹持安全可靠。
(2)手指应具有一定的开闭范围,手指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。
(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,以利于减轻手臂的负载。

机械传动是主要的传动装置,常用的有带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等。
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;
手指的设计将采用平移运动的方式来夹持物体,这里将采用左右螺旋轴和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。采用这两种结构使整个末端执行器体积小、质量轻。

2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作
2022年-2023年建筑工程管理行业文档齐鲁斌创作