【正文】 感謝同學(xué)們給予我許多無私的幫助，謹(jǐn)祝他們在各方面進步順利! 特別感謝我的父母，他們一直無條件的支持我的學(xué)業(yè)和研究。周老師淵博的知識、敏銳的洞察力以及富于啟發(fā)性的分析使我受益匪淺，周老師嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)作風(fēng)和勤奮進取的工作精神使我受到極大的鞭策。相信隨著社會的進步，科技的發(fā)展，本系統(tǒng)的研究將具有很大的市場潛力和廣闊的發(fā)展前景。(3)更高的智能性能。未來移動機器人將有以下主要特點:(1)更優(yōu)的性能質(zhì)量比。包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢，也是我國國防科技行業(yè)重點支持的方向之一。 (3) 移動機械臂自主控制系統(tǒng)的建立有待于進一步研究，以及它的運動控制技術(shù)，路徑規(guī)劃技術(shù)，實時視覺技術(shù)，定位和導(dǎo)航技術(shù)，多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，高性能計算技術(shù)，無線通信與因特網(wǎng)技術(shù)問題也是多個有待研究的方面。通過對計算機有限元軟件的更深層次挖掘，對零件的強度和剛度和臂部的力學(xué)分析，會得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。臂部的關(guān)節(jié)應(yīng)該放在大臂上，不應(yīng)該放在小臂上，增加了小臂的重量，增大了小臂的傳動力矩，以及增加了臂部傳動負(fù)荷。在各模塊整體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化也很重要。包括一些非關(guān)鍵零件設(shè)計，均是根據(jù)前人經(jīng)驗設(shè)計，選擇尺寸。由于作者的水平有限，而且對有些相關(guān)學(xué)科，如傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等并不是很了解，仍有許多問題需要解決，還有許多問題值得進一步討論和更加深入的研究與展望： (1)機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題在移動機器人設(shè)計過程中，包括移動機械臂，采用模塊化設(shè)計，不同功能結(jié)構(gòu)分別進行設(shè)計，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。移動機械臂，繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度肩部使用了蝸輪蝸桿副， 臂部使用了圓錐齒輪傳動，手部使用了直齒圓柱齒輪及左右螺旋的形式傳動。結(jié)束語總結(jié)本文對移動機器人的移動機械臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行了設(shè)計，包括一個3個自由度移動機械臂，移動機械臂的設(shè)計包括肩部，臂部及手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于法蘭盤和臂部體積較大，使得肩部的體積也較大，且不夠緊湊。也就是說，在傳動過程中，蝸輪蝸桿的嚙合情況是變化的，這就使得電機驅(qū)動肩部轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)、驅(qū)動力不均勻現(xiàn)象。從而不能保證蝸桿軸線與蝸輪的節(jié)圓在同一平面內(nèi)。因為蝸輪蝸桿分別安裝在箱體上，不能實現(xiàn)對蝸輪蝸桿的固定裝置進行組合加工來保證蝸輪蝸桿的中心距有較小的偏差。進行旋轉(zhuǎn)運動操作時，主控計算機把臂部角度與目標(biāo)點的角度進行比 較，角度的差值通過電機驅(qū)動器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)動經(jīng)配套的減速器后，經(jīng)過一對齒輪副的傳動，帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿與蝸輪嚙合，使得與蝸輪通過軸套連接的肩部轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使得固定于肩部轉(zhuǎn)軸的臂部轉(zhuǎn)動，賦予肩部在150度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。(d)蝸輪蝸桿式的肩部易于旋轉(zhuǎn)方向的要求。由機械零件可知 (67) (68)式中—蝸桿頭數(shù) =1q—蝸桿特性系數(shù) (69)一蝸桿分度圓直徑 =28mm (c)移動機械臂肩部的自鎖是靠能夠自鎖的蝸輪蝸桿副來保證的?！珀P(guān)節(jié)電機轉(zhuǎn)動角速度 (65)n—電機每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，n=10200r/m—回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動角速度，即為移動速度 （66）將（64）（65）代入（66）式得到移動肩部的速度 =上述為肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度的理論計算值，實際測量值雖然會因傳動機構(gòu)的加工裝配質(zhì)量等的影響而大一些，但仍是符合移動技術(shù)要求的。（b）為了使傳動輕便、平穩(wěn)、靈活，在機械臂的肩部的傳動機構(gòu)中，采用了滾動軸承并能通過注油嘴注油潤滑。由于磨損較嚴(yán)重，從而增大蝸輪蝸桿的嚙合間隙，使肩部空回量變大，這同樣會影響移動精度和移動時的變位。因此傳動過程中的磨損是較嚴(yán)重的。肩部的空回量，主要取決于蝸輪蝸桿嚙合間隙、磨損情況、蝸桿是否有軸向串動及傳動連接件的間隙等。(2)分析根據(jù)對移動機械臂的要求，來分析機械臂肩部結(jié)構(gòu)性能。移動機械臂的肩部還承受并傳遞臂部時回轉(zhuǎn)部分所產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩。 作用原理肩部結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿式的。上述要求，既是移動機械臂設(shè)計的基礎(chǔ)，又是衡量移動機械臂性能好壞的依據(jù)。這在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用上應(yīng)予考慮。為了防止微小的外力作用到移動機械臂驅(qū)動電機軸上而破壞移動，移動機械臂的肩部驅(qū)動力不應(yīng)過小。另一種是在移動機械臂附加自鎖機構(gòu)。解決移動機械臂自鎖的方法通常有以下二種: 一種是移動機械臂的傳動機構(gòu)中，采用自鎖的運動副。移動機械臂的自鎖性是指關(guān)節(jié)只能正傳動，不能逆?zhèn)鲃印?c)保證準(zhǔn)確定位不易被破壞引起定位被破壞的可能有以下原因:不平衡力矩的變化、移動中振動等。因此，減小驅(qū)動力同提高移動速度是相矛盾的。同樣，若要提高移動速度，就必須減小傳動比。所以電機驅(qū)動力P與移動速度是成正比的。由(62)式可知：i與成反比，i愈大，則。移動機械臂的操作輕便、平穩(wěn)主要取決于在一定移動旋轉(zhuǎn)速度下所需驅(qū)動力的大小。為了提高移動精度，減小移動時的方向變位，有利于提高移動準(zhǔn)確度和密集度，對移動機械臂的空回量提出了一定的要求。這里的空回量是由于移動的各運動副的嚙合間隙和各傳動連接件之間的空隙所產(chǎn)生的，這些空隙是由于零件的制造誤差和裝配誤差以及零件的磨損或分解組合調(diào)整得不夠好所造成的。(3)對機械臂的要求（a）保證旋轉(zhuǎn)精度移動機械臂的移動精度主要取決于移動系統(tǒng)的質(zhì)量，傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的精度。工作空間是衡量移動機械臂動性的一個指標(biāo)，它的大小反映了移動機械臂工作范圍:工作空間大，一說明在不改變運動體的位置時，機械臂移動的范圍就大。移動速度是衡量機械臂動性的一個指標(biāo)，它的大小反映了抓取轉(zhuǎn)移的快慢。本文中的移動機械臂，通過肩部和臂部進行方向移動。主控計算機完成各個部件模塊的數(shù)據(jù)處理和計算任務(wù)，顯示器是監(jiān)控人員和機器人的交互界面。以上3個模塊都通過PCI總線擴展槽和主控計算機進行通訊。綜上敘述，移動機械臂的硬件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用了模塊的設(shè)計思想，： 移動機械臂的硬件體系結(jié)構(gòu)模塊1:基于運動控制卡的平臺驅(qū)動模塊；模塊2:基于運動控制卡的機械臂模塊；模塊3:包含圖像采集卡的視覺模塊；模塊4:基于單片機的超聲和接觸傳感器處理模塊；模塊1實現(xiàn)移動平臺的轉(zhuǎn)動。為了確定初始位姿，為各關(guān)機安裝了限位開關(guān)，這樣就能夠保證每次運行都具有相同的初始位姿。對機械臂的步進電機而言，運動控制卡可為其提供步進脈沖信號PULSE和方向電平信號DIR，步進脈沖信號用于控制步進電機的位置和速度，控制脈沖的個數(shù)及頻率就可以很方便地達到步進電機的調(diào)速和定位目的。對移動平臺的伺服電機而言，移動控制卡可為其提供一定范圍的電壓控制信號，這個控制信號將被驅(qū)動器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號用于驅(qū)動電機。運動控制卡可直接安裝在PCI插槽中，具有通訊速度快、編碼速度快、命令豐富、和抗干擾能力強等優(yōu)點。絕大多數(shù)的運動控制器是利用DSP (Digital Signal Processor)及FPGA(Field Programmable Gate Arrays)來實現(xiàn)多個伺服電機的協(xié)調(diào)控制，即利用DSP提供的軟硬件資源以及FPGA的高集成度，使被控電機具有希望的運動軌跡及靜態(tài)、動態(tài)性能。 驅(qū)動器的選擇機械手的驅(qū)動電機均采用北京和利時電機技術(shù)有限公司的混合式步進電機，其中手爪驅(qū)動電機型號為28BYG250CSASSMQ0071，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動電機型號為56BYG250CSASSBL0241，共選擇了2種型號的電機，步進電機驅(qū)動器選擇了SH20403。(5) 低速運行平穩(wěn)，已接近交流伺服系統(tǒng)水平。(3) 開環(huán)控制，降低系統(tǒng)成本。機械手在滿足抓取功能的前提下，在相對來說步進電機是一個較好的選擇，步進電機對于手臂設(shè)計有如下的優(yōu)點：(1) 同等體積下鎖定力矩大。雖然步進電機曾經(jīng)有高頻容易丟步，低頻易共振等問題，但隨著混合式步進電機以及基于交流逆變和PWM恒流控制驅(qū)動器的出現(xiàn)，這些問題已經(jīng)得到改善。而且步進電機控制比較容易。電機的余量可以為不同的搭載對象提供一個余量。EC45的額定轉(zhuǎn)速為10200rpm。 肩關(guān)節(jié)控制電機參數(shù)表指標(biāo)數(shù)值功率250w正常電壓36v空載轉(zhuǎn)速10900rpm額定轉(zhuǎn)速10200 rpm堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩5470 mNm質(zhì)量1150g最大效率85%額定轉(zhuǎn)矩283 mNm堵轉(zhuǎn)電流175A減速箱參數(shù):減速箱選用的MAXON公司自帶的減速箱GP42C，： 肩部控制電機減速箱參數(shù)表指標(biāo)數(shù)值減速比 43：1最大效率72%質(zhì)量460g： 肩關(guān)節(jié)驅(qū)動電機特性曲線圖 肩部直流電機的計算直流電機的選擇在前面的機構(gòu)設(shè)計中，已經(jīng)為肩部選擇好了電機及減速器，電機為MAXON直流無刷電機EC45250W，與之配套的減速器為MAXON減速器GP42C，減速比為43: 1,電機和減速器的參數(shù)在一前文中已經(jīng)列出。此外還可以提高傳動的承載能力和效率，消除蝸桿的根切。(4)傳動比i=32。蝸桿副的設(shè)計，主要確定以下參數(shù):(1)中心距a=43(2)蝸桿頭數(shù)z=1。因此，一般用于頭數(shù)較少，載荷較小、低速或不太重要的傳動。阿基米德圓柱蝸桿(ZA型):車制。這種蝸桿可以磨削，加工精度容易保證，傳動效率高。常用普通圓柱蝸桿傳動的種類有阿基米德圓柱蝸桿(ZA型)，漸開線圓柱蝸桿(ZI型)。其次，圖中中心軸主要受扭矩作用，只要通過適當(dāng)增大外徑，即可增加軸的強度，并適當(dāng)降低軸質(zhì)量。前面介紹了肩部的傳動結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿傳動，： 表示移動機械臂肩部主視圖1一齒輪A 2一電機座 3一齒輪B 4一螺釘 5一蝸輪軸 6一滾動軸承7一軸承端蓋 8一螺釘 9一銷10一電機EC45+減速器 表示移動機械臂的肩部的左視圖11一蝸輪 15一螺釘 19一止動墊圈12一螺釘 16一連接法蘭 20一滾動軸承13一蝸輪軸套 17一蝸輪軸 21一軸承端蓋14一套筒 18一圓螺母 22一螺釘23一調(diào)整墊片:首先減速箱將減速后的電機的旋轉(zhuǎn)運動，通過一對齒輪傳動傳遞給蝸桿軸，蝸桿與蝸輪嚙合，帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪與一根水平軸通過軸套相連接，最終實現(xiàn)了搭載系統(tǒng)繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度。： 移動機械臂肩關(guān)節(jié)的三維圖 肩部結(jié)構(gòu)的設(shè)計肩部的設(shè)計包括傳動結(jié)構(gòu)的構(gòu)件選擇以及尺寸計算。經(jīng)過對上述螺旋機構(gòu)特點與蝸桿傳動特點進行比較，多功能移動機器人選用了蝸桿傳動作為肩關(guān)節(jié)—繞水平方向軸士180。(2)傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。由于采用具有自鎖功能的蝸輪