机器人手臂机构毕业设计(论文)

浙江工贸职业技术学院毕业设计（论文）课题名称：机器人手臂机构毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日浙江工贸职业技术学院汽车与机电工程系毕业设计（论文）任务书浙江工贸职业技术学院汽车与机电工程系前言本“解救人质”机器人从设计到研制出历时三个多月，在带队老师的辛勤指导下，经过我们课题组全体学生的不懈努力，终于圆满完成本项目的理论方案和模型制作等工作。

本机械设计方案书是根据浙江省大学生机械设计竞赛委员会对参赛队伍的要求而编写的。

全书共五大部分，其主要内容为：本解救人质机器人的创新与特色、本解救人质机器人设计方案的拟订、本解救人质机器人相关设计、计算与分析、设计小结、设计图纸、模型照片等。

本书为广大机器人爱好者提供了一个成功案例，本书可供从事机器人设计和制作的科技人员阅读，亦可供高等院校机械类专业的教师、学生参考。

由于时间仓促和我们水平有限，难免存在疏漏和缺陷，恳请各位专家教授批评指正。

课题组全体成员2007年4月目录第一章本解救人质机器人的创新与特色简介 (14)第二章本解救人质机器人的设计方案拟订 (16)2.1机器人行驶机构设计方案的拟订 (16)2.2机器人过桥机构设计方案的拟订 (18)2.3 机器人手臂伸缩机构设计方案的拟订 (20)2.4机器人手臂回转机构设计方案的拟定 (22)2.5机器人手爪机构设计方案的拟订 (23)2.6，机器人驱动设计方案的拟订 (24)第三章本人质解救机器人有关设计、计算与分析 (25)3.1、小车行走机构设计 (25)3.2机器人过桥机构设计 (28)*3.3 机器人手臂伸缩机构的设计计算与分析 (33)*3.4手臂抬升机构设计 (36)*3.5、手臂的旋转机构设计计算 (37)*3.6、手爪的设计计算与分析 (41)第四章设计总结 (44)附录（图纸、模型照片） (45)第一章本解救人质机器人的创新与特色简介在研制本机器人的过程中，用到了工程力学、机械原理设计、加工工艺装配等所学知识。

为了使本机器人方便改进和维护，我们采用了模块化设计方法。

主要模块有过桥机构、小车底盘（包括驱动轮、手臂回转及抬升机构等）、伸缩机构及机器人手爪等。

我们在研制过程中，在对整体和部件设计方案充分分析探讨的基础上，利用PROE等软件对各个模块部分零部件的进行设计，然后利用数控加工、特种加工（主要指线切割）以及普通加工等手段对模块零部件进行加工装配，最后在各模块完成的基础上完成对整个机器人的装配。

本项目的创新与特色在于以下几个方面1、小车过壕沟技术过壕沟时，采用齿条与同步带摆臂机构来实现。

小车开到壕沟前伸出长240mm左右的带小轮齿条，再小车往前开一段能使齿条带小轮的那端搭到壕沟对岸10mm的距离即可，然后把同步带摆臂向后翻转185度，稍微压紧地面，再启动小车就能完成过沟了。

过沟之后把齿条缩回同步带摆臂摆到原来位置即可。

其原理图如下图1-1所示图1-1 机器人过壕沟原理示意图2、伸缩手臂制造及伸缩技术伸缩臂由3节滑轨装配而成。

每个滑轨（有滑槽、滑块及滚珠等构成）本身采用套装方式，结构紧凑。

滑槽和滑块之间安放有滚珠，如图1-2所示，以用来减小摩擦力。

润滑采用酯润滑方式。

其结构简图如下：图1-2滚珠滑轨结构示意图伸缩臂伸缩采用了绳传动，绳子绕法见图1-3所示。

图1-3 伸缩臂绳传动示意图采用绳传动机构的好处在于此机构制造简单，传动稳定，控制方便，比其它机构轻了很多。

3、伸缩手臂抬升回转机构的技术创新由于机器人在工作时要求手臂伸出长度较长，并且要求能够绕支点回转及在任意位置能够自锁。

伸缩手臂是由固定在底板上的电机通过绳轮传动来带动升降回转。

由于电机本身自锁能力较差，因此为了使该机构具有一定的自锁功能，可以考虑适当增大电机主动线轮的直径来实现。

相对于蜗轮蜗杆回转自锁机构，绳轮传动机构制造容易，传动平稳可靠，并且加工也非常容易。

第二章本解救人质机器人的设计方案拟订设计方案关系到整个项目的成败。

因此我们在进行本项目机器人研发时，极为重视设计方案的探讨及确定。

我们根据比赛要求，以结构简单，加工方便，控制灵活准确为宗旨，进行总体及局部机构的设计。

我们采取的策略一般是对能够实现预定功能的几种方案先制作出实际模型，然后进行比较试验，根据试验结果（功能实现效果及制造难易程度），最后确定出最终设计方案。

在进行设计时，除了要考虑产品使用要求外，还要考虑其制造、使用及外观因素等。

在考虑机器人设计方案时，充分运用了机械原理、机械设计及工艺等相关理论知识。

为了使本机器人更方便改进和维护，我们对机器人采用了模块化设计的方法。

下面就各个模块设计方案确定过程作一简单叙述。

2.1机器人行驶机构设计方案的拟订行走机构是行走机器人的重要执行部件。

行走机构按其行走运动轨迹，可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。

固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人。

无固定轨迹式的行走方式，按其行走机构的结构特点，可分为轮式、履带式和步行式。

1、车轮式车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。

车轮式移动的优点是：能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，转向灵活，而且技术比较成熟。

而且它对路面要求较高，适于平整硬质路面。

其原理图如图2-1所示。

图2-1 车轮移动机构原理图2、履带式履带式机构实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。

它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。

履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。

它的缺点是由于没有自位轮，没有转向机构，要转弯只能靠左右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在前进方向也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确定回转半径等。

因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。

原理图如图2-2所示。

图2-2 履带式行驶机构示意图3、步行式步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好，智能程度也相对较高。

它平稳性差，结构复杂，控制困难，灵活性好，但要控制它迈步而不倾倒是有难度的。

正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。

其原理图如图2-3所示。

图2-3 步行式机构示意图在本次机器人设计比赛中，场地为室内光滑平整地面，采用履带式比较合适，因为履带与地面接触好，不易打滑，行动稳定可靠。

由于履带制造复杂，造价高，所以采用同步带代替履带。

同步带传动原理图如图2-4图2-4 同步带传动结构示意图同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿的封闭环形胶带和相应的带轮所组成。

工作时，带齿与带轮的齿槽相啮合，也是一种啮合传动。

抗拉体：钢丝优点：具有齿轮传动、链传动和带传动的各自优点。

(1)传动比恒定，传动准确。

(2)结构紧凑，平稳，噪音小。

(3)带薄而轻，抗拉体强度高，允许线速度高，带速可达40m/s，传动比可达10，传递功率可达200kW。

(4)效率高。

(5)不需大的初张力，轴负载小。

2.2机器人过桥机构设计方案的拟订根据设计要求，机器人必须通过一个宽300mm，深200mm的壕沟，（而机器人的长、宽、高均不超过300mm），有以下几种方案可以考虑：1、搭桥式采用了双节折叠平放平推对接式的桥梁结构，适应范围广，保障能力较强。

但过沟时间长，结构复杂，实现有一定的难度。

其工作原理图如图2-5。

图2-5搭桥式机构原理图2、摆臂伸缩式通过齿条伸长与同步摆臂同时伸长这样车总长就有700mm就可以过壕沟了。

齿条与同步带摆臂机构来实现。

小车开到壕沟前伸出长240mm左右的带小轮齿条，再小车往前开一段能使齿条带小轮的那端搭到壕沟对岸10mm的距离即可，然后把同步带摆臂向后翻转180度，再启动小车就能完成过沟了。

过沟之后把齿条缩回，同步带摆臂摆到原来位置即可。

其原理图如图2-6所示。

图2-6摆臂伸缩机构示意图3、飞越式这种方法可以飞越任意宽度深度的壕沟，但是实现难度很大。

一是机器人顶部需安装螺旋桨，为获得足够升力，往往其旋转直径很大，尺寸很容易超过规定300*300*300要求。

二是带动螺旋桨的电机功率很大（估算为100瓦以上），而这种低电压（12伏）的电机很难制造出来。

综合以上考虑，采用摆臂伸缩式机构结构紧凑、操作简单，过沟快，高度方向尺寸容易保证等优点。

因此本设计采用摆臂伸缩式机构。

2.3 机器人手臂伸缩机构设计方案的拟订要使机器人的手臂具有人臂一样的功能，最基本的条件就是要像人一样具有腕、肘及肩关节等类似的动作。

机器人的上肢主要是为了拿物体，或拿了工具去加工工件。

换句话说，只要机器人的手臂能在空间某位置以及与物体方向相吻合的姿态去拿到物体就达到了目的。

根据这一原则，机器人的手臂只须有相对应的6个自由度就可以了。

有时为了降低制造成本，在满足生产要求动作的情况下，反而适当地减少l－2个自由度。

从技术观点出发，把机器人手臂的6个自由度分成两部分，即臂部确保3个自由度，腕部为l－3个自由度。

这样的分法，符合了前面提到的臂部3个自由度决定它在空间的位置，腕部3个自由度决定它的姿态的要求。

机器人臂部3个自由度可以由移动自由度和转动自由度不同型式组合而成，而这种组合型式决定了机器人手臂的运动坐标型式，同时也决定了机器人手臂在空间运动范围的不同形状。