【文章內(nèi)容簡介】 和控制件的選擇。并且選擇行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型和行走方案 。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 2 設(shè)計方案的選擇 行走機(jī)構(gòu)方案的選擇 全世界范圍內(nèi)的探測機(jī)器人的種類有很多，它們的行走方式也各不相同，每一臺探測機(jī)器人都有其獨特的行走方案。但是可以將全世界范圍內(nèi)的探測機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行概括總結(jié)，那么它們的行走機(jī)構(gòu)大致上可分為履帶式、步行式、車輪式三種。下面就以上三種探測機(jī)器人行走方案進(jìn)行比較。 從使用范圍上來看，以上三種類型的方案都在全世界得到廣泛的應(yīng)用， 從使用數(shù)量上比較 并沒有明顯的區(qū)別，唯一的不同 點 是 這三種行走機(jī)構(gòu)方案的使用場合不同，每一種行走機(jī)構(gòu)方案都有自己的特點，都有自己特定的使用場合。 例如，對于步行式的行走機(jī)構(gòu)方案的探測機(jī)器人， 它的行走穩(wěn)定性不好，尤其是對于探測機(jī)器人來說，探測機(jī)器人的行走路線都比較復(fù)雜，對行走道路具有十分大的未知性，而且對于探測機(jī)器人來說，步行式的行走機(jī)構(gòu)對于崎嶇道路的行走穩(wěn)定性極低，即使采用多足行走，也只是暫時提高在崎嶇道路的行走穩(wěn)定性 。 對于步行式行走機(jī)構(gòu)方案的探測機(jī)器人，它的智能控制性要求比較高，既要控制好行走路線，又要控制行走 時的穩(wěn)定性，而且我國對于在智能控制性能要求比較高的工業(yè)機(jī)器人方面的設(shè)計技術(shù)還不完全成熟，還存在很多地方的空白。所以，對于本次設(shè)計不采用步行式的行走機(jī)構(gòu)方案。 對于車輪式行走機(jī)構(gòu)方案的探測機(jī)器人來說，這一種行走機(jī)構(gòu)方案在我國應(yīng)用極為廣泛，而且研究和生產(chǎn)出許多車輪式行走機(jī)構(gòu)的成功案例，我國對于車輪式行走機(jī)構(gòu)方案的 技術(shù)水平已經(jīng)比較成熟，在車輪式的 設(shè)計中還有比較多的經(jīng)驗可以借鑒，所以在車輪式的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計方案的可實行性比步行式的行走機(jī)構(gòu)方案要高。但是車輪式的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計方案又有自己的特點，比如說車輪式的行走機(jī)構(gòu)方案的 行走穩(wěn)定性高，對于崎嶇道路的適應(yīng)性比步行式行走機(jī)構(gòu)的要高，可以使用在探測機(jī)器人中。但是對于車輪式的行走機(jī)構(gòu)來說，它的結(jié)構(gòu)沒有得到完全的統(tǒng)一 。 有的結(jié)構(gòu)是保證了行走的穩(wěn)定性和越野能力，但是與此同時加大了 其整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加大了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度；有的是在結(jié)構(gòu)上簡單，行駛速度和轉(zhuǎn)彎性能都比較良好，但是這種設(shè)計方案只能是在平整道路上行駛，降低了機(jī)器人對崎嶇道路上行駛的能力，行駛穩(wěn)定性也隨之降低。所以還沒有設(shè)計出既結(jié)構(gòu)簡單又行走能力強的行走機(jī)構(gòu)方案，對于車輪式的行走機(jī)構(gòu)方案，在探測機(jī)器人設(shè)計中不予采納。對于履帶式的行 走機(jī)構(gòu)來說 ，它的設(shè)計理念是根據(jù)坦克的行走機(jī)構(gòu)延伸出來的，由此可以看出，履帶式的行走機(jī)構(gòu)方案的行走穩(wěn)定性比前兩種都要強，在崎嶇道路上行走的適應(yīng)性強，適合越野行走?？梢詫⒔Y(jié)構(gòu)簡單但行走穩(wěn)定性差的車輪式行走機(jī)構(gòu)方案變成履帶式行走機(jī)構(gòu)方案，這樣既保證了行走的穩(wěn)定性又可以降低行走機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。 綜上可知，對于探測機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)方案的選擇，可根據(jù)各種行走機(jī)構(gòu)方案的特點，比較各方案的優(yōu)點和缺點，選擇一種比較適用于探測機(jī)器人的行走方案。對于本次設(shè)計的畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計方案，根據(jù)它們的特點和我國機(jī)器人發(fā)展的現(xiàn)狀，我選用履帶式的探 測機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)方案。 機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計方案 對于一個完整的探測機(jī)器人來說， 它的機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的不可或缺的重要機(jī)構(gòu)之一，沒有了機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)，那么機(jī)器人許多的功能都無法實現(xiàn)。與機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)相比，行走機(jī)構(gòu)的目的是使探測機(jī)器人接近工作點，而機(jī)器人手臂的目的是使工作頭部分更加靠近工作點，并在工作點處進(jìn)行加工處理。所以機(jī)器人手臂的工作就是使工作頭的自由運動，實現(xiàn)工作頭和工件工作點的位置移動。 由此可以看出，機(jī)器人手臂的運動精度要高于機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的運動精度，機(jī)器人手臂的運動是距離短、精度高的運 動。所以機(jī)器人手臂的加工設(shè)計 要 更加準(zhǔn)確，保證機(jī)器人手臂的運動誤差。根據(jù)世界范圍內(nèi)的機(jī)器人設(shè)計水平和我國機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀，我國的工業(yè)機(jī)器人手臂的設(shè)計方案大體上可以分為三種，即 蠕動式機(jī)器人手臂、沿 X、 Y、 Z坐標(biāo)軸直線移動的機(jī)器人手臂、仿人類手臂式的機(jī)器人手臂。 下面就以上三種工業(yè)機(jī)器人手臂的類型進(jìn)行分析比較。 蠕動式機(jī)器人手臂 蠕動式機(jī)器人手臂在我國還沒有得到廣泛應(yīng)有，原因是因為這是一種高端型機(jī)器人手臂，它的設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)器人手臂的運動精度高，是一種存在于高端技術(shù)行業(yè)的專業(yè)機(jī)器人。主要應(yīng)用于航空、軍 事、海洋勘測等領(lǐng)域，是一種專業(yè)性強、靈敏度高的機(jī)器人手臂。所以，對于這種機(jī)器人手臂的研究呢，需要專業(yè)知識水平高 、操作技術(shù)熟練的專業(yè)人才來研究，對于我們 這種專業(yè)知識水平不是很高的學(xué)生，不適合研究蠕動式機(jī)器人手臂，也不可能做出深刻的研究。 蠕動式機(jī)器人手臂的工作原理是 ： 根據(jù)機(jī)器人手臂的多個關(guān)節(jié) 的聯(lián)合作用 來控制 機(jī)器人工作頭在工作點圓心空間內(nèi)實現(xiàn)各種工作。所以，要想設(shè)計出蠕動式機(jī)器人手臂，必須實現(xiàn)對各個關(guān)節(jié)的聯(lián)合控制，加強各個關(guān)節(jié)的運動精度和受力分析，把握住各個支點的位置關(guān)系，從而得出想要的工作頭運動軌跡。所以，對 于蠕動式機(jī)器人手臂來說，需要良好的智能控制系統(tǒng) ，設(shè)計出運動精度高的傳動系統(tǒng)， 從而加大了設(shè)計難度和制造難度，不僅加大了工作量，而且不必要的加大了工作難度。對于本次探測機(jī)器人的機(jī)器人手臂設(shè)計，不宜采用蠕動式機(jī)器人手臂。 沿 X、 Y、 Z 坐標(biāo)軸直線運動的機(jī)器人手臂 我國在沿 X、 Y、 Z坐標(biāo)軸直線運動的機(jī)器人手臂上的應(yīng)用可以說十分廣泛，它的工作原理與數(shù)控機(jī)床的工作原理十分類似，都是在選定工作原點的情況下， 控制工作頭在沿三個坐標(biāo)軸上的移動來，實現(xiàn)工作頭在整個運動立體空間上的移動。對于沿 X、 Y、 Z 坐標(biāo)軸直線移動 的機(jī)器人手臂的設(shè)計，需要控制好工作頭在三個坐標(biāo)軸上的運動銜接，可以說工畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 作頭的運動軌跡是在三個坐標(biāo)軸上運動的疊加，這樣可以使得運動的精度更加可靠，運動的平穩(wěn)性和可靠性都得到大大地提高，實現(xiàn)了運動的合理性和有效性。 但是，沿 X、 Y、 Z坐標(biāo)軸直線運動的機(jī)器人手臂的工作也存在許多的缺點，比如說，要想實現(xiàn)工作頭在 X、 Y、 Z三個坐標(biāo)軸上直線移動，就必須將設(shè)計的空間包含所有的工作頭涉及的工作點，并且還有保留一定的剩余空間，保證工作頭在工作空間里的自由移動。這樣就加大了設(shè)計機(jī)器人手臂的設(shè)計空間， 也加大了設(shè)計時的工件材料和重 量。這樣不利于機(jī)器人的正常行走，為機(jī)器人的設(shè)計加大了難度。 仿人類手臂式的機(jī)器人手臂 仿人類手臂式的機(jī)器人手臂是在全世界中應(yīng)用最為廣泛的一種機(jī)器人手臂，在我國也得到了廣泛的應(yīng)用，我國的設(shè)計制造技術(shù)也得到了廣泛發(fā)展，使其技術(shù)得到了成熟。 仿人類手臂式的機(jī)器人手臂是一種根據(jù)人類的手臂而演化出的機(jī)器人手臂，這種機(jī)器人手臂不同于蠕動式機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計難度高，也不同于沿 X、 Y、 Z坐標(biāo)軸直線運動的機(jī)器人手臂的使用空間的過大，過多的浪費使用空間，方人類手臂式的機(jī)器人手臂有自己的特點。 仿人類手臂式的 機(jī)器人手臂的功能是使工作點實現(xiàn)伸縮、旋轉(zhuǎn)、擺動等功能，所以在仿人類機(jī)器人手臂中包括 手臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手臂擺動機(jī)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上來看，比蠕動式機(jī)器人手臂較為簡單。并且機(jī)器人結(jié)構(gòu)中有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以實現(xiàn)機(jī)器人手臂的旋轉(zhuǎn)，不像沿 X、 Y、Z 坐標(biāo)軸直線移動的機(jī)器人手臂，智能做直線運動，從而加大了運動的空間。 所以，綜合以上的三種機(jī)器人手臂的設(shè)計方案，他們各自有自己的使用范圍和特點，在不同的使用場合應(yīng)合理的選擇自己機(jī)器人手臂的設(shè)計方案。 擺臂翼板 的設(shè)計 上面我們介紹了機(jī)械手手臂的設(shè)計方案，介紹了機(jī)械手手臂的設(shè)計類型。 以下 我們主要介紹 機(jī)器人擺臂翼板 的主要設(shè)計，包括 機(jī)器人擺臂翼板 的參數(shù)設(shè)計、動力輸出設(shè)計、設(shè)計方案設(shè)計、設(shè)計時問題防御設(shè)計等。 下面對主要的幾個方面進(jìn)行重要分析。 注意事項 機(jī)器人擺臂翼板 的設(shè)計對整個機(jī)器人性能有著重要的影響，一個機(jī)器人 擺臂翼板 的好壞，直接影響 機(jī)器人傳動的效果和性能 ，所以在對機(jī)器人 擺臂翼板 的設(shè)計過程中，要保證機(jī)器人 擺臂翼板 的良好性能，從而設(shè)計出符合我們實際要求的機(jī)器人。下面對幾個具有代表性的設(shè)計要求進(jìn)行具體的闡述和分析。 良好的剛度 機(jī)器人 擺臂翼板 的剛度是否良好，將直接影響機(jī)器人的 使用性能。良好的設(shè)計剛度可以使機(jī)器人 擺臂翼板 滿足機(jī)器人的使用性能。但是也要考慮我國機(jī)械制造的水平，不能憑空想象設(shè)計的剛度，不宜過大或過小。多大的剛度可能對機(jī)器人手臂的畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 影響不大，但是在制造過程中對人力物力的消耗太大，不利于大批量的設(shè)計制造。過小的設(shè)計剛度可能不符合設(shè)計的要求，不能保證機(jī)械手的工作條件。 較輕的質(zhì)量 機(jī)器人 擺臂翼板 的工作條件復(fù)雜多樣， 可能會在十分嚴(yán)峻的條件下工作，例如在高速下工作。在這種情況下對機(jī)器人 擺臂翼板 的質(zhì)量有十分苛刻的要求，不能過大。 過大的質(zhì)量在高速運動或旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)動慣量，是機(jī)器人 擺臂翼板 不能正常的停止運動，可能會造成一定的人員傷亡。而且過大的重量還會浪費不必要的能源。 良好的導(dǎo)向性 機(jī)器人 擺臂翼板 的工作是為機(jī)械手的工作服務(wù)的，將直接為機(jī)械手的抓取工作提供各種條件。機(jī)械手的抓取工作需要良好的方向性和準(zhǔn)確的位置關(guān)系，這就需要機(jī)器人 擺臂翼板 具有良好的導(dǎo)向性。良好的導(dǎo)向性將使機(jī)械手和抓取的工件有良好的定位，不會產(chǎn)生相對位置的錯位 ，直接保證機(jī)械手的抓取要求。 良好的強度 機(jī)械手抓取物件的質(zhì)量可能會很重，對機(jī)器人 擺臂翼板 的 要求會十分高，如果強度不夠強，可能會導(dǎo)致機(jī)械手抓取不到物件。所以，要保證好機(jī)器人 擺臂翼板 的良好強度。 參數(shù)計算 機(jī)器人 擺臂翼板 的設(shè)計時，要對機(jī)器人 擺臂翼板 的受力進(jìn)行受力分析，求出相應(yīng)的尺寸計算要求。下面討論機(jī)器人 擺臂翼板 在擺動時的受力分析。 機(jī)器人 擺臂翼板 在擺動時的受力分析可根據(jù) 下面的公式進(jìn)行計算 M驅(qū) =M 摩 +M慣 式中 M驅(qū) —— 表示驅(qū)動力矩 M摩 —— 表示摩擦力矩 M慣 —— 表示慣性力矩 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 探測機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的力學(xué) 原理 探測機(jī)器人 在行走過程中可能會遇到高低不平地面的情況，這就需要探測機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)具有良好的爬行能力，在爬行過程中可能還要碰到各種可能的情況。下面對 爬行機(jī)構(gòu)的力學(xué)原理進(jìn)行受力分析。 在整個探測機(jī)器人行走在崎嶇不平道路過程中，可以將行走過程分為兩部分。一部分是在下坡階段，在這一階段時，要保證機(jī)器人的穩(wěn)定性，所以不用有加大的速度；另一部分是在上坡階段，這是也要減少機(jī)器人的速度，一保證機(jī)器人獲得加大的驅(qū)動力。在這兩個階段， 機(jī)器人的擺臂在擺臂過程中，擺臂的重心應(yīng)在大鏈輪 三分之一出的下方， 所以要保證重心的下降，以保證機(jī)器人行走的 穩(wěn)定性。要保證機(jī)器人行走時的不打滑，要使機(jī)器人的重心在小帶輪的幾何中心的下方。 在機(jī)器人行走時，機(jī)器人的整體車型的受力情況即是在前輪離開地面時。 機(jī)器人電動機(jī)的選擇 機(jī)器人電動機(jī)的選擇是根據(jù)機(jī)器人和機(jī)器人的負(fù)載之和的重量選擇的， 機(jī)器人重量的大小主要是有機(jī)器人的負(fù)載所決定的。在機(jī)器人設(shè)計中，一定要考慮機(jī)器人的轉(zhuǎn)動慣量，較大的質(zhì)量就獲得較大的轉(zhuǎn)動慣量 。機(jī)器人電動機(jī)的選擇還必須考慮機(jī)器人的傳動方式，考慮機(jī)器人傳動時機(jī)器人功率的利用率，要盡量提高機(jī)器人功率的利用率 ，這樣對機(jī)器人電動機(jī)的選擇也有幫助。 考慮到 機(jī)器人設(shè)計時機(jī)器人和機(jī)器人負(fù)載重量之和對電動機(jī)的影響，所以要選擇傳動平穩(wěn)的傳動方式。假設(shè)機(jī)器人和機(jī)器人負(fù)載的重量為 9kg，具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，可能造成機(jī)器人行走時的震動。 而帶傳動時傳動平穩(wěn)，可以減少機(jī)器人的震動。 所以首次選擇帶傳動方式。 機(jī)器人帶傳動時的傳動方案簡圖如下： 圖 傳動方案簡圖 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 根據(jù)機(jī)器人帶傳動的結(jié)構(gòu)簡圖 可以得出，在帶傳動過程中機(jī)器人主動輪和從動輪的傳動比為 n0/n1=d1/d0 式（ ） 由式（ ）得 n0=由機(jī)器人帶傳動主動輪的轉(zhuǎn)速的計算數(shù)據(jù)可以 推斷出，機(jī)器人電動機(jī)的選擇種類只有一種 12ZYJ60J 的永磁直流減速電機(jī)。 12ZYJ60J