【正文】 ，專用硬件結(jié)構(gòu)為多數(shù)研究者所采用，這是因為當(dāng)時市場上的通用硬件不能滿足諸如實時圖像處理所需的計算能力。目一前用于移動機器人機械臂的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個高速通用處理器加上幾個專用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)計算)，或者通過實驗確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來縮小體積，達到優(yōu)化的性能。這兩項技術(shù)可以實現(xiàn)多機器人臂之間的通信和信息共享，以及移動機械臂與外部的聯(lián)系。 本課題的來源和研究內(nèi)容本課題來源于南京市科技局的科技計劃項目，具有較大的應(yīng)用價值。將移動機械臂安裝在是一個小型多用途移動作業(yè)機器人智能移動平臺，可以用于執(zhí)行爆炸物處理、偵察、通訊、探測系統(tǒng)或其他特殊任務(wù)。具備較扎實的機械設(shè)計及自動化方面的專業(yè)知識，能較熟練的使用CAD軟件或其他工程設(shè)計與分析軟件進行設(shè)計。論文以實際工程為背景，結(jié)合移動機器人機械臂研究設(shè)計過程中遇見的問題，進行分析。設(shè)計機械臂及夾持機構(gòu)。系統(tǒng)自重≤7kg。機械臂的抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體?？紤]到還有底盤的移動以及機械臂的重量。下面分別是手部、臂部和肩部的具體設(shè)計。該原理的內(nèi)容是:人體手臂、腿部及動物四肢從機構(gòu)原理上分析都可以看作三自由度平面三動桿演化來，因為決定它們的運動學(xué)和動力學(xué)特征的最基本的部分是平面運動，這部分運動被稱為三動桿的主運動，它是瞬時運動軸線平行的三動桿機構(gòu)運動，三自由度面的動桿機構(gòu)可以作為上述機構(gòu)的簡化模型，該機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)的評價準(zhǔn)則同樣可以用來衡量手臂機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)。 假定機械手各部分長度為:上臂A、小臂B、手爪C，L=(A+B+ C)/3，則可得到r1 =A/ L，根據(jù)三動桿機構(gòu)的性能分析，可以得出下面的結(jié)論，即當(dāng)三桿長度滿足下列條件，r1 : r2 = 1~，并且r3，三動桿的靈活性和運動幅度較高，同時，其全局條件數(shù)最大，手臂末端的操作速度、變形也處于中等范圍內(nèi)。因此，結(jié)合三動桿原理，確定機械手的各部分尺寸長度為大臂380mm、小臂420m,手爪160mm。 結(jié)構(gòu)參數(shù)要求及設(shè)計的原則（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的要求機械臂折疊時總長≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動范圍:150176。(2)機械系統(tǒng)是移動機器人機械臂性能的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)直接影響到移動機械臂性能指標(biāo)。但是，機械設(shè)計周期十分長，其受到的影響因素也很多，包括加工精度、熱處理工藝、材料選取、裝配工藝、非正常工作狀況等等都將影響到機械系統(tǒng)的性能，所以機械系統(tǒng)的設(shè)計在本項目中顯得十分重要。(b) 零件結(jié)構(gòu)便于加工、測量。(d) 總體結(jié)構(gòu)易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理。(f ) 采用模塊化設(shè)計，各個功能模塊之間相互獨立裝配，互不干擾。3 移動機械臂機械手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求機械手手部(末端執(zhí)行器)結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計都有如下幾點基本要求:（1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟，甚至?xí)p壞抓取物體。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證夾持安全可靠。（3)應(yīng)保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應(yīng)保證每個被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對位置。 傳動方式的選擇機械傳動是主要的傳動裝置，常用的有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動等。齒輪傳動是機械傳動中應(yīng)用最廣泛的一類傳動。采用這兩種結(jié)構(gòu)使整個末端執(zhí)行器體積小、質(zhì)量輕。鋼材韌性好，耐沖擊，容易通過熱處理來改善其機械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。軟齒面齒輪的齒面硬度低于350HBS，熱處理方法為調(diào)制或正火，常用材料有45號鋼和40Cr等。本文設(shè)計的齒輪副速度要求不高，所以設(shè)計選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動要求。對于制造精度較低的傳動齒輪，由于制造誤差大，實際上多由在齒頂處咬合的輪齒分擔(dān)較多的載荷，為便于計算，通常按全部載荷作用于齒頂來計算齒根的彎曲強度。電機傳動的轉(zhuǎn)矩T=90。 從而求得： =將所有已知量帶入(36)式，求得： == 從齒面接觸疲勞強度上來說，齒輪是合格的。 齒根危險截面的彎曲強度條件式為 （37）式中：為齒根危險截面處的理論彎曲應(yīng)力； 為載荷作用于齒頂時的應(yīng)力校正系數(shù)，取=； 為載荷作用于齒頂時的齒形系數(shù)，取=； 為彎曲疲勞許用應(yīng)力 （38）其中： 為彎曲疲勞壽命系數(shù)，查得=； 為彎曲疲勞強度極限，取=380； 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=。 (3)殼體件材料的選擇機械手臂的殼體可以全部選用硬鋁合金分段鑄造加工而成。機械手指不是殼體機構(gòu)，它是實體的。這有利于材料的購買，同樣這種材料是滿足設(shè)計要求的。對比兩者的力學(xué)性能和受力情況，很顯然此材料來制造手指遠遠滿足設(shè)計中的要求。 (4)本體支撐件材料的選擇和校核（a）材料的選擇機械臂支撐件由于與連接件之間為滑動摩擦,需要選取一種耐摩擦,同時要求強度大,質(zhì)量輕,價格便宜的材料來制造。它可以在無潤滑油的情況下有效的進行工作。聚甲醛(POM)是一種比較常用的工程塑料。它有著高強度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。聚甲醛材料是一種相當(dāng)便宜的材料。（b）支撐件的校核支撐件是用來支撐機器人主要機械機構(gòu)的，本文中共用兩個支撐件，直徑各為8mm,手部的兩個導(dǎo)向軸受力幾乎一樣。這樣每個導(dǎo)向軸受到的重量有3Kg。共聚甲醛在短期內(nèi)強度好而均聚甲醛柔軟性好。： 聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)(23℃)從每個件的受力來看，材料聚甲醛的各個力學(xué)性能完全滿足本文的設(shè)計要求。聚甲醛與其他塑料相比，具有自潤滑性及低摩擦系數(shù)、低磨耗等特點。： 與硬鋁進行摩擦實驗結(jié)果動摩擦系數(shù) 1(P1：)(v1：25cm／s)比因耗／(N．m)臨界Pv值122kPa. m／s移動機器人機械臂各零部件所要求的強度、剛度等都不同，應(yīng)該選用不同的材料來制造加工。4 臂部結(jié)構(gòu) 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求手臂部件是機械手的主要部件。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。因此，一般來說臂部設(shè)計基本要求: （1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以，機械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼（）或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。 為減少轉(zhuǎn)動慣量，應(yīng)采取以下措施: (a) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料。為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)系機械手位置精度高。在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測機構(gòu)，能較好的控制位置精度。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計。本文機械臂殼體采用鑄造鋁合金。 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 臂部結(jié)構(gòu) 大臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖： 小臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖： 肘關(guān)節(jié)三維爆炸圖： 肘關(guān)節(jié)三維零件圖： 肘關(guān)節(jié)剖視圖1一圓錐齒輪A 2一圓錐齒輪B 3一軸套 4一滾動軸承 5一緊定螺釘6一螺釘 7一大臂 8一螺釘 9一軸承端蓋 10一軸11一小臂 12一電機圓錐齒輪的嚙合面和齒隙是相互影響的，在檢查調(diào)整時不能單一地檢查調(diào)整嚙合面或齒隙，而應(yīng)綜合檢查調(diào)整，一般是先檢查調(diào)整嚙合面，然后檢查調(diào)整齒隙。將百分表的量頭觸在牙齒大端的節(jié)圓處進行測量。調(diào)整齒隙后，要檢查齒背不平齊差，即配對圓錐齒輪的錐頂要重合。 臂部肘關(guān)節(jié)直齒圓錐齒輪傳動的設(shè)計： 一對直齒圓錐齒輪傳動參數(shù)選擇時應(yīng)注意，直齒圓錐齒輪最小齒數(shù)為，齒數(shù)比不宜過大。A齒輪：45號鋼，調(diào)質(zhì)HB240～270（T255）；B齒輪：45號鋼，正火HB180～210（Z195）；兩輪均為軟齒面（HB350）。按一般的加工能力及 使用要求，初選齒輪精度等級為8級。 將以上系數(shù)和中的小值代入公式得 （42）大端模數(shù) （43） 按照表4－7齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，選取第一系列模數(shù)值。 （44） （45）式中： （46） （47） －動載荷系數(shù)，用平均直徑處的圓周速度按降一級精度（即9級）并由圖4－20(a)查取，其中 （48） （49） （410）由圖4－20（a）查得＝1； （411） （412） －齒形系數(shù)，查圖4－27得；－齒寬，圓整后?。唬X輪材料彎曲疲勞的基本許用應(yīng)力，可查圖4－12（c）得：，； （413）查圖4－30得 查圖4－31得 查圖4－32得 ， （414）由于，故計算小輪齒根彎曲疲勞強度 表明取是合格的。即 。其中方形截面為機械手大臂與小臂的殼體，截面為小臂機構(gòu)的殼體。機械手表面還裝有緩沖墊，當(dāng)驅(qū)動裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時，可以起到緩沖作用，避免手臂沖擊造成損壞。： 步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)電機型號相數(shù)步距角相電阻相電感保持轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量質(zhì)量驅(qū)動電壓56BYG250CSASSBL0241226048 ： 步進電機的矩頻特性曲線： 步進電機的尺寸： 步進電機的安裝5 移動機器人機械臂的肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計 肩部的傳動方式移動機械臂肩部為繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度，搭載物體本身具有繞平軸旋轉(zhuǎn)的的自由度的機器手。移動機械臂的肩部。螺旋機構(gòu)高低機結(jié)構(gòu)簡單，本身可以自鎖是其優(yōu)點，但是轉(zhuǎn)速比不是常數(shù)，對于主要抓取物體的肩關(guān)節(jié)，不能滿足繞水平方向軸士180。螺旋機構(gòu)的主要缺點還有:制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。摩擦阻力大，傳動效率低(一般為30%~60%)，磨損快。蝸桿傳動的特點：蝸桿傳動用于交錯軸傳遞運動及動力。它的主要優(yōu)點:傳動比大，工作較穩(wěn)定。主要缺點：效率低，