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平面的法线转动，同时可以绕垂直的轴线自由转动[5]。

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 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：
(209.80.5)0.549
P f v W =⋅=⨯⨯⨯=总 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 M r
ω=⋅=⋅ （2-1） 车轮直径为 110mm ，则电机需要提供的转矩为：
2555137520.5
P r M P mN m v ω===⨯=⋅ （2-2） 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：
1209.80.524.54
f N =⨯⨯⨯= （2-3） 由于车轮是零半径回转，所以克服的摩擦力矩为：
02/22l f M x dx f l l
=⋅=⋅⎰ （2-4） 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30l mm =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。