工业机器人设计说明说

1 绪 论

1.1 引言

移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。在军事、危险操作和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动[1]。

移动机器人按照移动方式可分为轮式、履带式、腿足式等，其中轮式机器人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。而轮式移动机构的类型也很多，对于一般的轮式移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整[2]。由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器人移动机构的发展趋势。

基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。

1.2 国内外相关领域的研究现状

1.2.1 国外全方位移动机器人的研究现状

国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。这方面日本、美国和德国处于领先地位。八十年代初期，美国在DARPA 的支持下，卡内基· 梅隆大学（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford ）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA 下属的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也开展了这方面的研究。CMU 机器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。德国联邦国防大学和奔驰公司于二十世纪九十年代研制成VaMoRs-P 移动机器人。其车体采用奔驰500轿车。传感器系统包括：4个小型彩色CCD 摄像机，构成两

组主动式双目视觉系统；3个惯性线性加速度计和角度变化传感器。SONY 公司

1999年推出的宠物机器狗Aibo 具有喜、怒、哀、厌、惊和奇6种情感状态。它能爬行、坐立、伸展和打滚，而且摔倒后可以立即爬起来。本田公司1997年研制的Honda P3类人机器人代表双足步行机器人的最高水平。它重130公斤、高

1.60米、宽0.6米，工作时间为25分钟，最大步行速度为2.0公里/小时。

国外研究的一些典型的全方位轮有麦克纳姆轮、正交轮、球轮、偏心方向轮等。下面就这些轮进行介绍。

麦克纳姆轮[3]，如图 1.1 所示，它由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成， 轮子和滚子之间的夹角为 Y，通常夹角 Y 为 45°，每个轮子具有三个自由度，第一个是绕轮子轴心转动，第二个是绕滚子轴心转动，第三个是绕轮子和地面的接触点转动。轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运动。由三个或三个以上的 Mecanum 轮可以构成全方位移动机器人。

图

1.1 麦克纳姆轮

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图1.2 麦克纳姆轮应用

正交轮[4]，由两个形状相同的球形轮子(削去球冠的球) 架，固定在一个共同的壳体上构成，如图 1.3 所示. 每个球形轮子架有2个自由度，即绕轮子架的电机驱动转动和绕轮子轴心的自由转动。两个轮子架的转动轴方向相同，由一个电机驱动，两个轮子的轴线方向相互垂直，因而称为正交轮。中国科学院沈阳自动化研究所所研制的全方位移动机器人采用了这种结构，如图1.4。

图1.3 正交轮 图1.4 正交轮的应用

球轮由一个滚动球体、一组支撑滚子和一组驱动滚子组成，其中支撑滚子固定在车底盘上，驱动滚子固定在一个可以绕球体中心转动的支架上，如图

1.6 所示。每个球轮上的驱动滚子由一个电机驱动，使球轮绕驱动滚子所构成

[5]平面的法线转动，同时可以绕垂直的轴线自由转动。

图1.5 球 轮 图1.6 球轮的应用

偏心万向轮[4]，如图 1.7 所示，它采用轮盘上不连续滚子切换的运动方式，轮子在滚动和换向过程中同地面的接触点不变，因而在运动过程中不会使机器人振动，同时明显减少了机器人打滑现象的发生。

图1.7偏心万向轮 图1.8 偏心万向轮的应用

1.2.2 国内全方位移动机器人的研究现状

我国在移动机器人方面的研究工作起步较晚，

上世纪八十年代末，国家863计划自动化领域自动机器人主题确立立项，开始了这方面的研究。在国防科工委和国家863计划的资助下，由国防科大、清华大学等多所高校联合研制军用户外移动机器人7B.8, 并于1995年 12月通过验收。7B.8的车体是由跃进客车改进而成, 车上有二维彩色摄像机、三维激光雷达、超声传感器。其体系结构以水平式机构为主, 采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法, 其直线跟踪速度达到20km/h。避障速度达到5-10km/h。

上海大学研制了一种全方位越障爬壁机器人, 针对清洗壁面作业对机器人提出的特殊要求，研制了可越障轮式全方位移动机构—车轮组机构, 该机构保证机器人可在保持姿态不变的前提下, 沿壁面任意方向直线移动, 或在原地任意角度旋转, 同时能跨越存在于机器人运行中的障碍, 不需要复杂的辅助机构

来实现平面上运动和越障运动之间转换。

哈尔滨工业大学的李瑞峰，孙笛生，刘广利等人研制的移动式作业型智能服务机器人，并对课题当中的一些关键技术，如新型全方位移动机构、七自由度机器人作业手臂和多传感器信息融合等技术，最后给出了移动机器人的系统控制方案。

哈尔滨工业大学的闫国荣，张海兵研究一种新型全方位轮式移动机构，这种全方位移动机构当中的轮子与麦克纳姆轮的区别在于：这种全方位轮使小滚

子轴线与轮子轴线垂直，则轮子主动的滚动和从动的横向滑移之间将是真正相互独立的；轮子正常转动时，轮缘上的小滚子也将是纯滚动[8]，如图1.9。

图1.9 全方位移动机构仿真图

1.3 主要研究内容

本课题从普遍应用出发，设计一种带有操作臂的全向运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。本课题是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。

本文研究内容主要有：

了解和分析已有的机器人移动平台的工作原理和结构，以及分析操作手臂常用的结构和工作原理，对比它们的优劣点。在这些基础上提出可行性方案，并选择最佳方案来设计。根据选定的方案对带有机械臂的全方位移动机器人进行本体设计，包括全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计和机器人操作臂的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，可以快速、有效的到达指定地点；机械臂操作范围广、运动灵活、结构简单紧凑且尺寸小，可以快速、准确的完成指定工作。设计完成后要分析全方位移动机构的性能，为后续的研究提供可靠的参考和依据。

2 全向移动机器人移动机构设计

2.1 引言

机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。带有机械臂的全方位移动机器人可以实现在平面内任意角度的移动，能够以一定姿态到达预定位置。根据这一总体思想，进行本机器人移动机构的本体设计。

2.2机械设计的基本要求

机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。

a. 对机器整机设计的基本要求

对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。

对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。

b. 对零件设计的基本要求

机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。

要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、震动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足的条件，这些条件就是判定零件工作能力的准则。

要尽量降低零件的生产成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时合理的选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。

任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，如内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。

2.3 全方位轮式移动机构的研制

在设计移动机器人本体时应遵循以下设计原则：

（1）总体结构应容易拆卸，便于平时的实验、调试和修理。

（2）应给机器人暂时未安装的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将来功能改进与扩展。

对比绪论中各转向机构的优缺点，本文选用全方位轮式机构来设计。全方位轮式机器人的运动包括纵向、横向和自转三个自由度的运动[7]。车轮形移动机构的特征与其他移动机构相比车轮形移动机构有下列一些优点：能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的缺点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。所以在这个意义上 车轮形移动机构的利用价值可以说是非常高的。图 2.1 是全方位轮式移动机构的示意图。

轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，可调速，便于控制。车轮的旋转和转向是独立控制的，

全方位移动机器人采用前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每轮旋转来实现全方位移动[8]。

图2.1 全方位轮式移动机构示意图

2.3.1 移动机器人车轮旋转机构设计

在车轮旋转机构设计过程中，主要考虑了以下模型，如2.2图所示。由图可以看出，模型 a 结构简单，但是车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象，且对电机轴形成一个弯矩，容易对电机轴造成破坏。模型 b 采用电机内嵌式结构，增大了车轮与地面接触面积，减小了打滑现象，但电机固定比较困难。

综合两种模型的优缺点，设计如图2.3，图2.4中所示结构[9]，将电机内嵌在车轮内部，既增大车轮与地面的接触面积，又缩短了整个结构的轴向距离。为了保持轮子受力平衡使整个机构可以平稳运动，将轮子设计为两个一组来实现。

图2.2 旋转部分结构图

采用了一个深沟球轴承作为径向支承，一方面避免了车轮对电机产生弯矩；另一方面保证了车轮的刚度。轴承外圈与车轮内表面配合，由于内圈并不能与电机直接配合，设计了一个电机壳结构，作电机和轴承的连接。

图2.3 旋转部分示意图

图2.4 旋转部分机构图

车轮旋转部分的具体结构分为五个部分：

（1）两个轴承由弹性挡圈和电机壳轴肩轴向定位；通过电机壳外表面径向定位通过电机轴外表面径向定位。此外, 此处选用深沟球轴承作为支撑. 深沟球轴承主要承载径向载荷, 同时也可以承载小的轴向载荷。选用它就可以达到设计的要求, 而且深沟球轴承经济性好, 方便购买。而作为径向支撑, 它主要避免了车轮对电机产生弯矩。

（2）电机预装在电机壳上，依靠电机壳凸缘轴向定位；但径向定位不能利用电机定位止口定位，只能采用车轮调整电机轴的同心完成径向定位。

（3）车轮依靠轴承的外圈定位，然后再通过车轮自有联轴器与电机轴联接。这个过程也是调整电机轴同心，然后从车轮侧面的预留安装孔将电机紧固在电机壳上。

（4）整个车轮分为两部分组合而成。一个是带有轴径的车轮, 另一个是不带轴径的轮子, 两者相配合使用组成一组完整的车轮。而车轮轴径与车体支撑件以滚动摩擦的形式配合使用, 并且作为两车轮的轴向定位件。车轮最终的固定是通过外侧的螺钉来顶紧挡板实现的。具体结构如图2.4所示。

（5）整个旋转部分结构设计完成, 但它必须与转向机构连接起来才能实现全方位移动[10]。后一小节转向机构的设计中设计有转向轴, 为了使转动部分和转向部分的转向轴连接以实现全方位运动, 此处设计了类似于半圆的固定件。如图

2.5所示。使用是采用两个配合来固定住旋转部分, 通过四个螺栓的连接来实现和转向轴的连接, 从而使转向机构和转动机构连为一体, 最终实现全方位移动。

图2.5 固定件结构

至此，全方位移动机器人的车轮旋转机构设计完毕。

2.3.2 移动机器人转向机构设计

转向部分主要由转向轴、轴承、基座、转向电机以及转向连接件组成[11]。

转向机构设计的基本路线是从上而下。如图2.6，图2.7所示。

图2.6 转向部分示意图 图2.7 转向部分结构图

（1）转向轴

转向轴分两部分，呈T 型，一端采用阶梯轴的形式，便于与基座联接；另一端与车轮部分联接，设计成圆柱形以保证足够的强度和良好的工艺性。同时两部分轴互相配合，可以伸缩以便转向时车轮轴的位移变化。转向轴主要作用就是通过与转向电机的连接起到转向的作用，主要受的是径向力，而受到的轴向力很小。如图2.7所示，转向轴受到向上的轴向力时，轴向力通过轴肩传到下方轴承内圈，再传到套筒，然后传到上方轴承的内圈，再通过滚珠传递到轴承外圈，而轴向力进一步的传递到端盖和箱体，从而将轴向力转移到整个车体上，因为，箱体连接在车体上。转向轴受到向下的轴向力时，首先是靠弹性挡圈传递轴向力，再通过一系列传递最终将轴向力转移到车体上。所以说，转轴的工作是可靠的。

（2）转向轴与基座联接：

转向轴相对于基座来说只有一个自由度，形成的是转动副，转向轴在机器人移动过程中承受径向力和比较大的轴向力，适合这种要求的常用轴承有圆锥滚子轴承。轴承采用套筒隔开的两端支撑结构，这样设计可以保证转向轴在转向的过程中不发生摇摆，保证转向的精度并且可以减小对转向相关零部件的磨损。一对轴承用套筒隔开后，轴承内圈由轴肩和轴用弹性挡圈固定。两轴承外圈与基座座孔和轴承端盖连接。

（3）转向电机轴和转向轴的联接

两轴的连接一般选用联轴器。联轴器主要用来联接轴与轴(或联接轴与其它回转件) 以传递运动和转矩, 有时也用作安全装置。本文中没用选用标准的联轴器, 因为标准的联轴器整体尺寸过大, 占用空间大, 且不利于安装, 不符合设计要求。同时, 由于所要连接的两轴径大小确定本文自行设计了一个联轴器。其结构如图

2.8所示。

图2.8 联轴器

由于轴仅受到转矩的作用, 而轴向力很小，所以两轴都采用平键来周向固定, 以达到固定和连接两轴的目的。

（4）转向驱动电机与基座的联接

当转向轴与基座构成转动副以后，只需要用电机来驱动转向轴即可实现车轮的转向。将电机固定在基座上需要一个连接件，连接件设计过程中考虑了两种模型：整体式和剖分式, 如图2.9和2.10

所示。

整体式装配时定心性好，

但必须侧

面开口，这样容易导致车轮转向精度不够，且不利于防尘，剖分式定心性稍差一点，可以组合成封闭结构，具有可靠的刚度，防尘，拆卸方便。因此，选用剖分式结构。

图2.9 整体式 图2.10剖分式

（5）箱体的设计与固定

如图2.11所示为箱体结构的示意图。它通过左右两侧对称的呈L 型的矩形臂用8个螺栓固定于车体前后两侧。由于箱体是通过螺钉和机座连接的，从而可以把它和机座以及转向电机视为一体。再者，箱体内部是放置轴承，并固定轴承的，所以设计了如图中所示的双臂。这种设计可以将转向机构的整体重量通过箱

图2.11 箱体示意图

体的两臂传到车体上，进而施于整个重量施轮子。那么转轴的受力将大大的减小。而且这样设计拆卸方便，利于维修。采用对称结构固定于空间内，有利于稳定整个转向机构，并提高整个全方位移动机构的性能。

至此，整个全方位移动机构机械本体设计完毕。

2.3.3 电机的选型与计算

a. 电机性能的比较

在机器人的驱动器一般采用以下几种电机：直流电机、步进电机和舵机。几种电机有关参数进行如表 2.1 所示。

表2.1 几种电机比较

（1） 舵机

1）什么是舵机：

在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。

2）舵机的工作原理：

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms ，宽度为1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就像我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。

（2）步进电机

步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到了越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制性能好，没有积累误差，易于实现控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度实现电机的同步控制。

b. 电机的选型与计算

对于本课题来说，移动机器人的移动速度最高为 0.5 米/秒，电机转数最高接近 100 转/分。如果用直流电机，由于受转速和力矩的影响，要配减速器。而如果用步进电机，控制位置精度比较高可以达到 1.8 度。而且不需要减速器避免造成结构冗繁。因此选择步进电机作为驱动电机。

下面对旋转步进电机型号进行选择，轮式移动机器人在移动的时候，需要克服两种阻力：摩擦力和重力[17]。对于平面内移动的机器人来讲则只需要克服摩擦力。带有机械臂的全方位移动机器人整体重量在 20Kg左右，地面摩擦系数按金属与混凝土之间的取为 0.5，则机器人需要的总功率为：

P W 总=f ⋅v =(20⨯9.8⨯0.5) ⨯0.5=49

则平均每组车轮提供的功率为25 瓦。 对于单个车轮而言： v P =M ⋅ω=M ⋅ （2-1） r

车轮直径为 110mm，则电机需要提供的转矩为：

P r 2555M ==P =⨯=1375mN ⋅m （2-2） ωv 20.5

因此，选择了北京和利时公司的 57BYG250E-0152 型号电机。静转矩为 1.5 NM 。该电机在相近产品中具有在转速变高一定范围内能够保持平稳的力矩。其力矩随转速的关系如下图2.12所示。

图2.12 电机转矩图

下面选择转向电机，机器人对转向速度要求较低，对位置精度比较严格，选用步进电机可以满足设计要求。转向电机主要是使车轮实现零半径回转，克服地面摩擦力，要求的转速不高，因此主要计算电机静力矩。

在这里我们假设每个车轮与地面的接触按照理想状态即相切线接触，那么平均每个车轮的摩擦力为：

1f =⨯20⨯9.8⨯0.5=24.5N （2-3） 4

由于车轮是零半径回转，所以克服的摩擦力矩为：

M =2⎰x

⋅0l f dx =f ⋅l /2 （2-4）2l

式中l ——单个车轮的宽度

设计车轮与地面接触总宽度为60mm ，即l =30mm 所以克服的力矩为 0.368 N ⋅m 。实际上车轮不是与地面呈线接触，保证一定余量，选择电机型号为 57BYG250B-SASRM-0152，静力矩为 1.4 N ⋅m 。

下面是所选电机的外形尺寸。

2.4移动机器人车体结构设计

设计移动机器人车体是应遵循以下几个原则：

（1）总体结构应容易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理。

（2）在设计的移动平台应能够给机器人暂时没有安装的传感器、功能元件、电池等元件预留安装位置，以备将来功能改进和扩展。

车体是实现全方位移动机构和机械手臂连接的部分，也是安装其他元件的主体。它同样是保证机器人具有良好的环境适应能力的关键。

本文设计的车体采用的是合金铝框架式结构，如图2.13所示共分三层：第一层安装机械手臂以及摄像头，控制按钮等；第二层是车体内腔，空间较大可以安装电池、集线器、装配电路板等，同时可以在以后的具体设计中改变内部格局，以达到最佳的使用效果；第三层安装车轮旋转机构。本结构的空间分层设计使得 机器人机构紧凑，易于维护，而且提高了机器人控制系统的抗干扰能力。

图2.13 车体结构示意图

2.5本章小结

机器人是一种高度集成的机电一体化产品。它不是机械装置和电子装置的简单组合，而是机械、电子、计算机等技术的有机融合。本文虽只设计机械本体部分，但设计过程要完全考虑各部分的因素。而移动机器人的移动机构，它是移动机器人系统能否完成指定任务的基础。

本文在设计过程中围绕平面内任意角度移动以及可对前方 280mm 内目标进行抓取的这一思路展开设计。设计了可避免对电机轴形成弯矩的车轮旋转结构，通过优化车轮的直径与电机的匹配，使其车轮能够在 0-0.5m/s 调速；设计了车轮旋转机构，可使车轮实现零半径转向。

3 机械手臂的设计

3.1末端执行器的设计

机器人的关节结构分为转动关节和移动关节两种形式。本文中采用转动关节形式，这种结构简单，控制容易。参考人的手臂，本文机械手臂设计成两个摆动和一个回转关节。如图3.1所示。机器人的机械臂是由基座、手臂、手腕和末端执行器组成。

1. 摆动关节 2.摆动关节 3.回转关节 4.末端执行器

图3.1 机械手臂的模型

3.1.1末端执行器设计要求

末端执行器结构形式多样，但总的设计都有以下几点基本要求：

（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、脱落等现象。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震动，以保证夹持安全可靠。

（2）手指应具有一定的开闭范围，手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，以便于减轻手臂的负载。

3.1.2末端执行器的设计[12]

a. 驱动方式的选择

机械中提供驱动的装置和方式很多，如电机驱动、液压驱动、气压驱动等，各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，丛中选择适合移动机械手的驱动方式。

电机驱动机械手可以避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动要高。电机系统将电动机、测速机、编码器以及制动器组装在依次加工的课题里，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大的提高。另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可以达到非常高的位姿准确度。而液压和气压驱动系统组成机构烦琐，维护不方便，液压源和气压源装置体积大，对于移动机器人来说也是个无法实现的问题，对于移动机器人操作机械手臂所要求的位置精度，液压和气压驱动也很难满足。

综上所述，本文选择电机驱动为机械手的驱动方式。

b. 传动方式的选择

传动装置是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置，它的主要作用有：能量的分配与传递；运动形式的改变；运动速度的改变。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；传动比恒定，齿轮传动具有不变的瞬时传动比，所以可应用到高速传动中；结构紧凑，同等条件下其所占空间小；工作可靠、寿命长。

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。

c. 手指的设计

不同的手指数量可以完成的动作以及动作复杂程度都不同，可以根据机械手必须完成的动作来确定机械手所需的最少手指数[13]。一个手指能推、滚或滑动小物体，还可以用力操作开关等；两个手指除具有一个手指完成的功能外，它还能抓住物体并可精确的控制物体的位置和取向；三个手指除了能完成两个手指可完成的功能外，它还有在手中反复抓握物体的功能，如将物体抛入空中并在新的位置抓住物体；多个手指则具有更大的灵活性，如可以抓住和操作多个物体。对于本文的移动机器人，只需能够抓住物体，控制物体的位置和取向，那么两个手指就能满足此工作要求，所以在结构上将采用两指结构。从而两手指相对于末端执行器在左右螺旋轴的带动下做平移运动，达到开合作用。

工业机器人应用的双指机械式夹持器按其手爪的运动方式可分为回转型和平移型[14]。如图 3.2和3.3 是两种典型的机械夹持器结构。本文选择平移型夹持器的结构，它与前者相比具有结构简单、控制容易的优点。

1. 支架 2.杆 3.圆柱销 4.杠杆 1.电动机 2.丝杠 3.导轨 4.钳爪杆

图3.2杠杆式回转型夹持器 图3.2左右旋丝杠原理图

经过以上的研究讨论从而设计末端执行器结构如图3.4所示。末端执行器机械结构采用超硬铝合金材料，在保证一定的刚度的同时又降低了整体的重量。手指伸出长度为 50mm，开合范围 4-44mm。它的内部结构是这样的，驱动电机经齿轮1传动齿轮2，驱动左右螺旋轴3使手指6、7进行开合运动。导向轴引导并固定手指的运动轨迹。

1. 电机 2.齿轮 3.

左右螺旋轴 4.导向轴 5.齿轮 6.夹持器右指 7.夹持器左指

图3.4 末端执行器结构图

手指形状如图2.12所示，前段平行处可以夹持形状规则（与手指接触面为平面）的物体，后段为菱形形状，可以夹持圆形和不规则形状的物体[15]。这种设计可以更好的使机器人完成工作。

3.1.3电机的选型与计算

本文设计要求夹持的物体重为 m=300g，设螺纹为 M8，其中径 r=3.6mm，螺距 P=1mm，当量摩擦系数 f=0.1，Q 为轴向载荷，M 为螺纹驱动力矩。手指材料

为铝合金，表3.1列出了铝合金与常用材料的磨擦系数，

表3.1 主要工程材料摩擦系数

从表3.1可以看出铝合金与不同材料的静摩擦系数趋近于0.3，所以取被抓物体和末端执行器手指之间的静摩擦系数μ=0.3，则：

（3-1）G 0.3⨯9.8Q =μ=0.3=9.8N

螺纹增力比

i p =Q 1 （3-2） =' M r ⋅tan α+ρ式中 ρ' ——当量摩擦角，ρ' = αrc tan f ；

α——螺纹升角，α= αrc tan 1 2πr

带入数据, 得i p =1915.7, 得

M =Q =5.12mN ⋅m （3-3）i p

选用齿轮传动比 n=1:1，忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩，根据上述计算，我们选择了北京和利时电机公司生产的 28BYG250C-SAFSM-L007 型步进电机，它的保持转矩为 90mN ⋅m ，满足设计要求。

3.2机械手臂杆件的设计

本文采用铝合金材料设计成薄壁件，一方面保证机械臂的刚度，另一方面可减小机械臂的重量，减小对对基座关节电机的载荷，并且提高了机械臂的动态响应。

3.2.1腕部结构设计

手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一

步改变或调整手部在空间的位置，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。

本文设计的手腕结构是回转结构，它可在空间内360 旋转，进而扩大机械手的工作范围。腕部采用伺服电机驱动，通过电机伸出轴和末端执行器连接，借助轴承来达到力矩的传递。通过轴承座将力传到壳体上，使电机轴只能传递力矩而不受其它力的作用。其结构如图3.5所示。

1. 末端执行器 2.手腕连接件 3.轴承 4.轴承座 5.电机6. 壳体 7.杆件A

图3.5 腕部结构图

3.2.2臂部结构设计

手臂部分是机械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。

臂部设计的基本要求：

（1）承载能力大、刚度好、自重轻

臂部通常即受弯曲（而且不是一个方向的弯曲），也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。所以臂部做成空心的，这可以减轻自重，也提高了刚性，其内部可以布置各种机构，这样就是结构紧凑、外型整齐。

（2）臂部运动速度要高，惯性要小

在一般情况下，手臂的移动要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和震动。

（3）臂动作应灵活。

（4）位置精度要高。

本文设计的手臂是摆动关节，杆件B 是为装配舵机设计成如图3.6所示结构，此时舵机自身也参与了杆件的组成，这样既节约了材料和设计空间，又增加了机械臂的刚度。杆件C 是为了支撑舵机轴而设计，它与舵机的配合形成了机械臂的摆动关节，关节处无轴承配合，而是通过舵机摇臂和舵机主体之间的相对主动来

实现关节驱动的。

1．杆件B 2. 舵机 3.杆件C

图3.6 杆件B 与舵机配合图

杆件A 和杆件B 通过螺栓连接即可形成一个完整的杆件，通过杆件A 和B 的组合设计具有以下几个优点：

（1）使关节间距可调。通过调节

A

和B 的长度，就可以调整机械臂中两关节的距离，使机械臂的长度可调。

（2）调节机械臂的重心位置：舵机的内部结构是未知的，因此其重心可能不在其几何中心，而调整两者之间的距离可以平衡掉重心位置造成的不良影响。 通过摆动关节和回转关节的组合就可以形成完整的机械手臂。

3.2.3 机械臂电机的选型与计算

人们往往关心的是机器人的末端位置和姿态，而舵机有非常好的位置可控性，带有精密的减速器，具有其他同等尺寸的电机无可比拟的输出力矩，因此我们选择舵机作为关节驱动器。机械臂的结构如图3.7所示，其中第1关节的舵机需要提供的力矩最大，因此我们对这一关节进行计算。

图3.7 机械手臂结构图

机械臂各杆件处于水平时候对第一关节产生最大的力矩，计算方法是等效 的方式，即将末端执行器及假想的欲抓取目标单独计算，其余杆件质量集中到机械臂的中点计算：

(300+200)⨯10-3⨯9.8⨯(270+50)⨯10-3=1.65N ⋅m

40+70+250=0.55N ⋅m 2

两部分一共为2.2 N ⋅m ，从而选用汉扬科技公司生产的舵机，型号为HSR9559， (56+100)⨯2⨯10-3⨯9.8⨯其保持力矩为2353 mN ⋅m 。满足设计要求。

3.3 本章小结

机械手臂是机器人最终工作的执行者, 本文模仿人的手臂设计了三关节机械臂，同时采用杆件可换的组合结构使机械臂杆件长度可调，可对前方 280mm 内目标进行抓取。肩关节和肘关节采用转动结构，而手腕则采用回转结构，末端执行器采用开合式两指结构。采用舵机控制手臂的转动。设计的抓取最大重量为300g 。可实现设计范围内的工作要求。

4. 机械材料选择和零件的校核

4.1机械材料选用原则

机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用的材料由黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复杂的复合材料等。

选择材料主要应考虑以下三方面的问题。

a. 使用要求

使用要求一般包括：零件的受载情况和工作状况；对零件尺寸和质量的限制；零件的重要程度等。

若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制，应选用强度较高的材料。静应力下工作的零件，应分布均匀的（拉伸、压缩、剪切），应选用组织均匀，屈服极限较高的材料；应力分布不均匀的（湾区、扭转）宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料，如：调质钢、渗碳钢、氮化钢。

零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同，改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。

滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。

b. 工艺要求

材料的工艺要求有三个方面内容

（1）毛坯制造 大型零件且批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。

（2）机械加工 大批批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品质量，应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等，应选用切削性能好的材料，如易削断、加工表面光洁、刀具磨损小的材料。

C. 经济性要求

（1）经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选用价格高的材料。这对大批量制造的零件尤为重要。

（2）当零件的质量不大而加工量很大，加工费用在零件总成本中要占很大的比例，这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能和加工费用。

（3）要充分考虑材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应该设法提高利用率。

（4）采用局部品质原则。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺，使各局部的要求分别得到满足。

（5）尽量用性能相近的廉价材料代替价格相对昂贵的稀有材料。

另外选择材料时应尽量考虑当地当时的材料供应情况，应尽能的减小同一部机器上使用的零件材料品种和规格不同。

4.2零件材料选择与强度校核

从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械本体个零部件的材料[17]。

在机械手臂中各传动件是关键性零件，如传动轴和齿轮系，它们的强度、刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。

a. 轴类零件材料的选择与校核

（1）轴材料的选择

传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低，还可通过热处理改变其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用45号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高周的刚度。鉴于此，全方位移动结构中的车轮，转轴；机械手传动机构，螺纹轴采用45号钢，就完全能够满足设计要求 的需要。

（2）转向机构的转向轴强度校核

由于此轴最小轴径是直径为10mm 的那段, 所以只对这一段进行校核就可以了。轴的运动主要受到扭转力, 所以只对其扭转强度进行校核[4]。

轴的扭转校核公式为:

T ≤[τT ] τT =（4-1） W T

式中：τT ——扭转切应力，单位为MP a

W T ——轴的抗扭截面系数，单位为 mm 3

轴的材料为45号钢, 其允许扭转切应力为 [τT ]=35MP a

由第二章可知，转向机构选择的电机型号为 57BYG250B-SASRM-0152，其静力矩为 1.4 N ⋅m 。即 T=1400 N ⋅mm 。

由于此段轴中有键，其截面如图4.1所示：

抗扭截面系数：

bt (d -t ) W T = （4-2） -162d πd 32

图中t=1mm, b=2mm, d=10mm

图4.1 轴截面

将数值带入公式计算得： W T =188.25mm 3

则： τT =T 1400=≈7.44MP a ≤[τT ]=35MP a W T 188.25

由此可知，设计的转轴强度满足要求，可以使用。

（3）车轮的校核

车轮是整个机械部分的支撑，也是整个结构受力最大的部分。这里从材料经济性和强度等方面选择45号钢来制造。加工时为了增大车轮与接触面的摩擦力，车轮表面要滚花处理，这样更有利于机器人的移动。

整个车轮部分承载的重量为12Kg 。由于整个移动机构有四个车轮，这样每个轮子受到的重量只有3Kg 。受到的重力仅为29.4N 。轮子的直径为110mm ，整个移动部分的强度是非常大的，完全满足设计的要求。

b. 齿轮系材料的选择与强度校核

（1）齿轮材料的选择

齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形[4]。因此设计齿轮时要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力，齿根则要有较高的抗折断能力。为此，对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿心要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。

对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可以采用软齿面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于350HBS ，热处理方法为调制或正火，常用材料有45号钢和40Cr 等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度一般为8级。本文设计的齿轮副速度要求不高，所以设计选用40Cr 为材料，软齿面即可满足传动要求。

（2）齿轮副的强度校核

轮齿在受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根出的弯曲疲劳强度最弱。对于制造精度较低的传动齿轮，由于制造误差大，实际上多由在齿顶处咬合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度[4]。

本文设计的是直齿圆柱齿轮，齿数Z=30，模数m =2mm，齿宽b=4mm,节圆直

径d =30mm ，齿形角度α=20︒，齿轮副的传动比u=1:1。电机传动的转矩T=90N ⋅mm 。那么齿轮所受的圆周力

F t =2T

2⨯90==6N （4-3） d 3

对于齿轮的校核将从两方面来计算：

1) 齿面接触疲劳强度的校核

齿面接触疲劳强度的校核公式为；

σH =Z H ⋅Z E ≤[σH ]

式中： Z H 为区域系数，标准直齿轮Z H =2.5；

K为载荷系数，此处取K=1.8；

Z E 为弹性影响系数，查得Z E =188MP a ；

[σH ]为接触疲劳许用应力

[σHN σH lim

H ]=K

S

其中： K HN 为接触疲劳寿命系数，取K HN =0.95；

σH lim 齿轮接触疲劳强度极限，查得σH lim =550MP a ；

S为安全系数，取S=1。

从而求得： [σH ]=522.5MP a

将所有已知量带入4-4式，求得：

σH =199.5MP a ≤[σH ]=522.5MP a

从齿面接触疲劳强度上来说，齿轮是合格的。

2）齿根弯曲疲劳强度的校核

本文设计中的齿轮为一悬臂梁。其齿根应力图如4.2所示。

σF

σc

图4.2 齿根应力图

齿根危险截面的弯曲强度条件式[4]为

σF =σF 0=KFY t Fa Y Sa

bm ≤[σF ]

（4-4） （4-5） （4-6）

式中：σF 0为齿根危险截面处的理论弯曲应力； Y Sa 为载荷作用于齿顶时的应力校正系数，取Y Sa =1.625；

Y Fa 为载荷作用于齿顶时的齿形系数，取Y Fa =2.52；

[σF ]为弯曲疲劳许用应力

K FN σFE [σF ]=S （4-7）

其中： K FN 为弯曲疲劳寿命系数，查得K FN =0.88；

σFE 为弯曲疲劳强度极限，取σFE =380MP a ；

取弯曲疲劳安全系数S=1.4。

从而求得： [σF ]=238.86MP a

将所有已知量带入4-6式，求得：

σF =5.53MP a ≤[σF ]=238.86MP a

由以上计算可知，设计的齿轮副是合格的。

C. 壳体件材料的选择

壳体类零件它们的性能要求很低, 所以尽量选择质量轻, 价格低廉且符合设计要求的材料。如车体以及机械手臂的壳体可以全部选用硬铝合金分段铸造加工而成。本文选用的是ZAlSi9Mg ，这是一种硬铝材料，强度大、质量轻，完全符合本文的设计要求。

机械手指不是壳体机构，它是实体的。本文设计的手指材料也选用同样的铝合金。这有利于材料的购买，同样这种材料是满足设计要求的。

本文设计的手指是有角度的，既可以抓去规则形状的物体，也可以抓去不规则物体。抓取规则物体时，手指和物体的接触大都是面接触，而抓取不规则物体时大都是线接触。对手指的校核就以线接触为准。

材料ZAlSi9Mg 的弯曲应力240MP a ，手指抓去的最大质量为300g ，重力为

2.94N 。对比两者的力学性能和受力情况，很显然此材料来制造手指远远满足设计中的要求。，不会出现手指弯曲变形的情况。

d.车体支撑件材料的选择和校核

（1）材料的选择

车体支撑件由于与车轮轴之间为滚动摩擦, 需要选取一种耐摩擦, 同时要求强度大, 质量轻, 价格便宜的材料来制造。

工程塑料拥有良好的综合性能, 其强度、刚度、冲击韧性、抗疲劳等不较高, 特别是拥有很高的耐磨性。它可以在无润滑油的情况下有效的进行工作。由于它相对密度小, 因此其强度高。

聚甲醛(POM)是一种比较常用的工程塑料。它是以线性结晶高聚甲醛树脂为基础的。它有着高强度、高弹性模量等优良的综合力学性能。其强度和金属近似, 摩擦因数小并有自润滑性, 因而耐磨性好。聚甲醛材料是一种相当便宜的材料。

由于本设计中的负荷低, 移动机构的速度不快, 从而此处选择有聚甲醛这种工程塑料来制造车体支撑件。

（2）支撑件的校核

支撑件是用来支撑机器人主要机械机构的，本文中共用四个支撑件，都和车轮配套使用，受力几乎一样为29.4N 。

聚甲醛的抗压强度为125MP a ，抗弯强度为980MP a ，整个零件的强度和刚

度是非常大的。从每个件的受力来看，材料聚甲醛的各个力学性能完全满足本文的设计要求。

支撑件和车轮轴是滚动摩擦配合，属于间隙配合。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而机器人移动速度慢，从摩擦的角度来说，聚甲醛也是理想的支撑件材料。

4.3本章小结

全方位移动机器人各零部件所要求的强度、刚度等都不同，应该选用不同的材料来制造加工。所以本章就依据机器人在工作过程中各零部件不同受力情况，以及机械设计的要求选用了不同的材料来制造零件，并对零件进行了强度校核，使其达到工作要求。

结 论

本文在了解和分析已有的机器人移动平台的工作原理和结构，以及分析操作手臂常用的结构和工作原理，对比它们的优劣点。在这些基础上提出了全方位移动结构的可行性方案，并选择最佳方案来设计。

全方位移动机器人的本体设计是实现机器人控制和理论研究的基础，在设计过程中围绕平面内任意角度移动以及可对前方280mm 内目标进行抓取的这一思路展开设计。纵观本文，带有机械臂的全方位移动机器人可分为三个大部分即旋转机构设计、转向机构设计、三自由度机械臂的设计。总结如下：

1．本文采用车轮机构来实现全方位移动。从而设计了可避免对电机轴形成弯矩的车轮旋转结构，通过优化车轮的直径与电机的匹配，使其车轮能够在 0-0.5m/s 调速；

2．设计了车轮转向机构，可使车轮实现零半径转向；

3．模仿人的手臂设计了三关节机械臂，同时采用杆件可换的组合结构使机械臂杆件长度可调，可对前方 280mm 内目标进行抓取。

全方位移动机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。

青岛大学本科生毕业论文（设计）

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