机器人 毕业设计

1 引言

近年来全球家用机器人发展迅猛，联合国日前公布的一份调查显示，到2007年末，家用机器人数量将会上涨6倍，而且随着机器人的普及，其价格将会大幅下降。

从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。

服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员。到目前为止尚没有一个严格的定义，不同国家对服务机器人的认识也有一定差异。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护、保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。

在国内，智能轮椅上已经取得突破性进展，上海交通大学和上海电气集团联合研制出智能轮椅样机。它的人机接口包括操纵杆、鼠标和键盘和触摸屏等，传感器系统包括视觉、声纳传感器环、红外传感器环和碰撞传感器，能够实现避障、避碰、防跌、沿墙走、主人跟随、过门、路标导航等多种自主功能。

在国内，智能轮椅上已经取得突破性进展，上海交通大学和上海电气集团联合研制出智能轮椅样机。它的人机接口包括操纵杆、鼠标和键盘和触摸屏等，传感器系统包括视觉、声纳传感器环、红外传感器环和碰撞传感器，能够实现避障、避碰、防跌、沿墙走、主人跟随、过门、路标导航等多种自主功能。

医学上把辅助人体、支撑体重、保持平衡和行走的工具通称为助行器[1]。普通的助行器包括拐杖、助步架，是行走困难的老人和残疾人、以及感知困难的视弱和盲人等广泛使用的行走辅助设备。这些普通助行器的功能非常简单，舒适性和安全性有限，如果是下肢完全失控或者上肢力量欠缺的瘫痪患者，则难以倚靠这些简单设备实现站立和行走，更无法帮助老年人和残疾人实现高质量的、独立生活的愿望。近年来，机器人技术，包括运动控制、传感和导航，与上述传统行走辅助设备相结合而成的助行机器人，成为国内外研究热点。助行机器人技术早在国外尤其是美国、日本、韩国等已取得了相当多的研究成果。我国虽然起步比较晚，但自从863计划将先进制造技术领域重点项目“助老/助残机器人概念样

机研究与开发”作为智能机器人的关键技术开展研究以来，也已经取得了初步的成果。下面分别就助行机器人中的机构设计、辅助导航技术等研究现状做一简单综述。

机器人主要是用来支撑用户身体，辅助用户行走，并且保证行走安全性和平稳性。设计的主要目的是：满足采用人体工学的机构优化设计，材料轻型化，并且实现机构的便携性。助行机器人的底盘是整个机器人机构设计的基本机构，是安装助行机器人电机以及其他各个部件的整体支撑，它接受电机的动力，主要实现在不同路面下正常行走。底盘行走机构主要包括前轮驱动机构、后轮驱动机构以及四轮驱动机构。

2 总体方案的论述

２.１方案的选择

根据本课题的特征，可选择三种方案。

方案一、设计一个灵巧机械手，另外在市场上购买一个自动控制的轮椅。把机械手固定在轮椅上。这种方案的优点是：该机器人能够拿持各种复杂的物体，并具有很强的灵活性。缺点是：机械手的灵巧性越高，越难设计。设计完成之后，它的可用性难于预料。对于大学来说，该方案的缺点是非常突出的。

方案二、设计一个行走机构，即、智能轮椅。在市场上买一个智能机械手，它它装在行走机构上，组成一个家用保安机器人。该方案的缺点是，他的设计过于简单，难于达到应有的工作量。

方案三、设计一个简单的智能机械手，再设计一个行走机构，把两个机械手固定在行走机构上。该方案的特点是：设计较难，适合做毕业设计。

经过分析选择方案三。

２.2机械手的描述

方案三的机械手部分有4个自由度，所以又四个关节。肩关节有2个关节构成。一个是纵关节，它固定在机器人的肩部，紧接着接上第二个关节，它是一个横关节。接下来，在横关节的输出端接上机械手的大臂管件。在大臂管件的另一端接上一个横关节，作为肘关节，肘关节是一个横关节。然后，在肘关节的输出端接上一个小臂管件，在小臂管件的另一端接上一个横关节，它作为一个腕关节。在它的输出端街上一个假手。

机械手的4个关节归结起来，就是要设计一个横关节和一个纵关节。

该机械手能抓握的最大重量为2千克。也就是说，机械手不管在什么位置，它都能提起2千克的重量。肩关节的中心到肘关节中心的距离为600毫米，肘关节的中心到腕关节的中心距离为600毫米。

该机械手能实现与人的手类似的功能，它的活动范围广，能为儿童玩耍下小球，递送玩具等功能。也可为老人递送出水等功能。

２.3行走机构的描述

行走机构大多数零件和重要部件都是采用市场上已有的。

行走机构采用三轮式，它具有良好的稳定性。前轮是一个万向轮，它能在市场上买到。后两轮分别独立驱动，它能实现最大限度的转弯。他们选用可配电子无级调速电机驱动。

２.4机器人其它部位的描述

在机器人的头部预设4个摄像头，用于观察环境。在机器人的胸部装上触摸屏，传感器，电源等设备。装这些设备的目的是：使该机器人能识别障碍物，

２.5机器人的结构草图

结构草图如图一，

图（一）

3 机器人机械手的设计计算

3.１ 机械手的参数确定

3．1.1 结构参数

肩关节中心到肘关节中心（大臂）的长度为600毫米，肘关节中心到腕关节中心（小臂）的长度为600毫米。大致估算每个关节的重量不会超过1千克，所以设各关节的重量=1M 1千克。并确定机械手能拿持的最大重量为2M =2千克。 3．1.2 运动参数

为了便于通用化，设定所有关节的谐波减速比为100.该机器人的行走最大速度设为1.5s m .

3．1.3关节的运动参数 3.1.3.1纵关节步进电机的选择

该步进电机主要承受两部分的转矩，一部分是克服机械手自身重量产生的转矩1T ,另一部分是机械手拿持最大重量物体产生放入转矩2T 。并设安全系数K=1.8，则有

)(21T T K T += 1T =2111gl M gl M ÷

=M N *=??÷??96.01013.0101

2T =22gl M =12M N * 所以

T =37.8M N * g 重力加速度

1l 肘关节中心到肩关节中心的距离 1l =0.3m 2l 腕关节中心到肘关节中心的距离 2l =0.6m

所以步进电机要克服的最大转矩T =37.8M N *。 查机械设计手册

选取型号白拉格三相混合式步进电动机，型号为VRDM364，它的基本信息如表一： 没转/步数 额定转矩 保持转矩 重量 配套驱动器 400

0.45M N *

0.51M N *

0.45kg

D921

表一

3.1.3.2谐波齿轮传动机构的介绍

为了缩小关节的尺寸，选取谐波齿轮传动机构对关节进行减速。 因为谐波齿轮传动机构与一般齿轮传动先比，有以下有点：

（1） 传动比大且范围宽。

（2） 结构简单，体积小，质量轻。

（3） 同时参与啮合的齿轮对数多，承载能力大，且阻尼较大。

（4） 传动精度高，在相同制造精度次下，谐波齿轮传动比一般齿轮转动精

度至少高一级。

（5） 齿侧间隙便调整，易于获得零侧隙传动。 （6） 传动效率高。

谐波减速器在机器人中经常用到，它由钢轮、波发生器和柔轮三个基本构件组成。如图二所示。

在谐波齿轮传动中，柔轮是关键的元件。柔轮结构及其联轴方式的设计合理与否，将直接影响到整个传动机构的承载能力、结构强度和传动性能，尤其是传动的稳定性。由于柔轮轮体在工作时处于交变应力状态下，故容易导致齿根疲劳裂纹的扩展而引起疲劳破坏。而柔轮的疲劳断裂是谐波齿轮传动最常见、最主要的失效形式。

3.1.3.2 纵关节谐波齿轮传动机构的设计计算

电动机的最大轴向宽度为 L=57.2?1.414-()10414.152-??=80.9mm 为了缩小关节的径向尺寸。所以，选择钢轮的分度圆的直径大致范围75-85mm .

设钢轮节圆直径为c D ，柔轮节圆直径为t D ，谐波齿轮传动的减速比i 由下式计算。

柔轮为输出轴时 i =

t

t

c t t c D D D D D D -=

-πππ 或 i =t

t c Z Z Z -=t Z Z

? --------------------()1

其中 c Z ---- 钢轮齿数； t Z ---- 柔轮齿数。 取所有关节的减速比为 i =100 取所有关节的齿数差为 Z ?=1

有()1式知，柔轮齿数 t Z =100，钢轮齿数c Z =101

要使谐波齿轮的分度圆直径的大小适合，查模数的推荐表得， 取模数m =0.8，则钢轮、柔轮的分度圆直径d =mz =0.8?101=80.8mm

3.1.3.4横关节的步进电机及其谐波齿轮参数

纵关节是受转矩最大的关节，横关节选取上面型号大小的步进电机一定能满足扭矩的要求。所以，其它三个关节选取此种电机一定满足要求。

横关节谐波齿轮传动机构的设计计算参数选择与纵关节一样。

3.2 纵关节的结构草图

纵关节的草图如下图，

它的结构：步进电机固定在输入端盖的内侧，且输入端盖的内侧应制出凸台.波发生器通过平键固定在电机轴上。输出端盖连接在柔轮上，钢轮与柔轮之间放入一个内径为65mm.宽度为10mm的深沟球轴承。纵关节的具体尺寸如下图：

3.3 横关节的结构草图

横关节的结构草图如下：

它的结构：步进电机固定在输入端盖上，输入轴与钢轮连接，波发生器固定在电机的输出轴上。输出端盖连接在柔轮上。输出轴通过轴承支撑在电动机的固定端。

具体尺寸如下图：

3.4 纵关节的校核

3．4.1步进电动机

在此先叙述纵关节外部的受力或力矩的情况。在图示情况下，纵关节受到的外部力矩最大，在手上最大的物体重量为2g K .这部分对纵关节产生转矩

1T =2g K ()30030080?++

=1.36N M ?

腕关节的质量为1kg ，腕关节对纵关节产生的转矩,

2T =1kg ()300300?+

=0.6N M ?

肘关节的质量为1kg ，肘关节对纵关节产生的转矩

3T =1kg 300?

=0.3N M ? 总转矩T=1T +2T +3T =2.26N M ?

此转矩是纵关节输出端应达到的最小转矩，即经过谐波齿轮减速装置之后的转矩。那么，电机应承受的转矩T 为

2.26

i

=0.0226N M ? 在上面已经选择的电机的输出转矩0.45M N *，大于电机承受的转矩，所以，该

种电机能满足要求。 3．4.1步进电动机

3.5 制动及原理

在大多数情况下，减小电机的功率并不能使它的速度降为原来的一半。所以通过反接电源的方法来实现制动，实际上会引起绕组电流过大并遭致破坏。所以这种方法不值得提倡。

假设电机在最高转速时被反接制动，那么绕组两端的电压实际上为电机启动电压的两倍，即绕组将要承受双倍的启动电流。随着时间的推移，以及这种大电流冲击次数的累加，电机和电源将被完全损坏。

和反接制动不一样，反馈制动是利用反向电压来实现有效并且安全制动的。当电机全速运转时其绕组两端的实际电压为多少？假设电池供给电压为12V，而电机全速运转时其反向电压的理想值也为12V，结果电机绕组两端实际电压为0V。这时如果将输入电压移开，只留下反向电压E，于是绕组形成回路并产生反向电流，电机将会停下来。电机绕组的电阻越小，流过电机绕组的反向电流越大，

制动效果也越明显。

一些电机控制器可以将制动产生的反向电流返回到电池，用于给电池充电。这种制动方法叫做反馈制动。还有一种简明的制动方法，是用电阻连接绕组的两端将其短路，在这种情况下，反向电流转换为热量白白的散发出去，而不是返回到电池循环使用，所以在节能方面不如反馈制动，虽然人们有时将它当作反馈制动提起。

在很多控制电机的集成芯片上，都带有动态制动或是反馈制动的功能，在实际的应用中，使用具有这种功能的控制器，至少要要有动态制动的功能。

虽然机械制动效率较低，但经常可以发现还是有很多齿轮减速机采用这种方法。通常这些电机的内部含有内置的电动机机械刹车，例如轮椅电机就是此。通常，必须在通过电流之后刹车才被释放，否则电机将永远无法运转。刹车电流一旦被切断，它将立即使电机停止下来。当然，这时候最好也同时切断向电机的动力供电。

有一点遗憾的是机械制动的工作电压一般与电机本身的供电电压不同。例如，电机供电电压为12V，而制动的工作电压为24V 。即使所需的电压相同，我们还是选用前面提到的动态制动或是反馈制动，因为这样效率会高些，也简单一些。因此，如果真拥有一个带刹车的电机，倒可以考虑将刹车拆除。

所以各关节均采用反馈制动，包括行走机构的驱动轮。

4 机器人行走机构的设计计算

4.1 参数的确定

4.1.1结构参数和运动参数

此家用保安机器人的质量预计为30-40kg 。设计计算中取定机器人的质量

40m kg =。两后轮的直径200D mm =。，前轮选用标准的万向轮，在市场上可以

买到。行走机构模块的长度450mm ，宽度为450mm 。该机器人的行走最大速度为1.5/m s . 4.1.2动力参数

减速电机的选择

设减速电机输出轴应具有的最高转速为n /min r

n =

1.560

147/min 2r r

π?= 设路面的平均摩擦系数为f =0.1.机器人的最大加速度max a =12/m s 。由于路面的摩擦系数会发生变化及各种原因的影响，设可靠系数K=1.2，

则有

阻力F =1.2()ma mgf ?+=48N 设减速电机最少应输出的最大转矩为max T 则有 max T =F D

22

?

÷=2.4N M ? 查机械设计手册：

选取TYV2齿轮减速机。

该减速电机的输出转速为150/min r ，减速比为9.5，允许的负载为15W ，最大输出转矩为9.6 n m ?。 TYV 系列高精度微型特种减速电机采用高新技术，可配电子无级调速。

它的草图及尺寸如下图：

4.2 行走机构的草图

4.3行走机构的校核

4.3.1常规Mecanum轮的结构特征及运动特性：

常规Mecanum轮的结构如图,其基本结构特征是:(1)从轮毂轴向观察,与

轮毂铰接的若干能自由滚动的辊子的外表面必须包络形成一个半径等于轮半径的完整圆柱面,这个圆柱面就是轮子工作表面。(2)同一轮子上所有辊子轴线必须与轮毂轴线有相同的辊子偏置角α,且满足0 < |α| <90°。

Mecanum轮运动原理如图2。规定图2中各参数如下:

———轮子、棍子的作用半径。

———过点垂直于的一对正交单位矢量, 方向同轮毂轴线。

———过点垂直于一对正交单位矢量, 方向同辊子轴线。

———i轮毂及棍子的角速度,方向分别按矢量 , 右手定则确定。

———分别是过 , 点的速度矢量。

———点对点的相对速度矢量。

α———与所夹锐角,辊子偏置角。

设某瞬时第i轮与地面接触作用点表示为 , 根据

Mecanum轮的结构特点,必存在一条直线通过点分别与辊子轴及轮轴相交,其交点分别为 , ,本文称直线为轮i与地面的作用法线。根据Mecanum

轮结构特点,用矢量分析法,根据图2有:

由(1) (2) (3)式得:

(4)在(4)式两边同乘辊子轴线单位矢量

因:

图2 Mecanum轮运动原理

Fig. 2 Motion p rincip le of theMecanum wheel(5)式即Mecanum轮转速与轮毂轴上点之间的速度变换关系。3 三轮全向运动速度关系在平面上,三个轮子布局结构不是一条直线,就是三角形。直线布局结构没有实用价值,只有三角形

布局结构才有一定的承载能力。而三角形布局下各个驱动轮的轮轴方向不确定时,会构成多种系统结构形式,形成具有不同运动特点的系统。为求得能实现多向运动系统布局结构特点,现假定3轮系统中的3轮之间的关系是任意的三角形,如图3所示。分别代表3个轮轴中心, 分别表示3个轮的运动速度矢量。设C点是系统做定点旋转的旋转中心。取x轴通过点, z轴垂直于轮轴形成的公共平面。

图3 3轮系统运动原理

Fig. 3 Motion p rincip le of the three wheeled system

令:

根据图3,可得3轮三角形系统实现多位运动的运动学关系:

(1)仅沿x轴运动时的运动学关系

(2)仅沿y轴运动时的运动学关系

(3)仅绕C点旋转时的运动学关系

式中表示点的坐标。

对于一个实用的Mecanum轮运动系统,为了使制造经济合理,一般使系统中所有Mecanum轮的结构相同,即所有轮的几何尺寸及结构参数尽量相同。本系统中所有3个轮的结构完全相同,几何参数,运动参数也相同。

4.3.2负载与行走稳定性对结构的要求

三轮运动系统作为机器人或其它行走系统的移动部分和基础部件,要求不仅有一定的负载能力,而且必须满足静态和动态下的运动稳定性。三轮支撑行走系统的三个轮构成三角形的支撑几何结构,只要整个系统的重心在三角形内部,则系统就能满足静态稳定性要求。但对一种实用的运动系统而言,满足静态稳定性条件还不够,同时必须满足动态稳定性要求。综合而言,系统静态稳定裕量越大,越容易保证动态稳定性要求。由三角形几何学知,等边三角形的重心到三个边的距离相等且具有最大的静态稳定裕量。因此对三轮运动系统采用等边三角形布局结构。且全方位运动系统客观上要求系统在各个方向的静态稳定裕量相等,等边三角形正好满足此要求。

因此从系统负载性能及运动稳定性方面考虑,本文提出的三轮Mecanum全方