移动机器人的双臂结构设计与运动仿真.pdf

* 天津理工大学大学生创新训练项目（编号：201610060114） 收稿日期：20170603 摘要：以实验室移动机器人为研究对象，首先设计了机械爪、机械臂和摆臂的结构，论述其工作原理并根据设计要求进行了材 料选取和电机选型，其次用SolidWorks软件对其进行结构设计和三维建模，然后对其导入到ADAMS软件中进行运动学仿真， 确定和优化最终设计方案，摆臂采用履带式传动，双机械臂采用单臂五自由度的设计方案。 关键词：移动机器人；摆臂；双机械臂；结构设计；运动仿真 中图分类号：TP242文献标识码：B文章编号：10099492 ( 2017 ) 11007106 Structure Design and Motion Simulation of Dual Arms on Mobile Robot TAO Yong-kui，LI Jun，LONG Chuan-meng，XING Rui-ze （School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China） Abstract:In this paper，the mobile robot is regarded as the research object，firstly designing the structure of mechanical claw，swing arms and dual mechanical arms，then expounding its working principle and the selection of materials and motor according to the design requirements，secondly using SolidWorks software for three-dimensional modeling and structure design，finally the model is imported into the ADAMS software for kinematics simulation to determine and optimize the design，swing arms adopt the crawler driver，dual mechanical arms are based on five degrees of freedom for one. Key words:mobile robot；swing arms；dual mechanical arms；structure design；motion simulation 移动机器人的双臂结构设计与运动仿真* 陶永奎，李骏 ，龙传猛，邢瑞泽 （天津理工大学 机械工程学院， 天津300384） DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2017. 11. 020 0引言 在我国科技水平持续进步的今天，人民日常 生活、工作地同样可能出现各种各样的安全事 故，比如天津的危险品爆炸，板块交界处地区易 发生无法预料的地震灾难，均会给社会与人类带 来巨大的损失。这时救援机器人发挥重大作用， 但对于许多任务而言单臂操作是不够的1。 因此，为了适应救援任务的复杂性、智能 性，不断提高系统柔顺性的要求而扩展为双手协 调控制2；同时研究摆臂履带机器人的越障机理与 越障能力，有利于对机器人的越障运动进行操作 与控制，可保证其运行稳定性和最佳越障能力3； 这样才能更好地使总体机器人系统稳定工作，即 双摆臂实现越障，双机械臂协同完成救援任务。 最先在移动机器人上采用摆臂的方式越障的是美 国的iRobot公司研发出的Packbot系列机器人。日 本千叶工业大学所研发的“木槿”采用一前一后 各一对相互独立的履带摆臂结构。本文从加工成 本、减少机械臂的冗余度、实现双臂协调稳定， 对面向救援任务的移动机器人机械臂、摆臂的结 构设计与仿真展开研究。 1双臂移动机器人工作原理 1.1方案的选择与确定 本文基于实验室已有的移动车体，在车体上 分别设计双机械臂和摆臂结构，对于双机械臂由 最初的单臂3自由度改为除了手爪张合单臂5自由 度，提升了双臂协同时的精确性；摆臂部分通过 对比轮式摆臂结构、板式摆臂结构和四轮菱形摆 臂结构的优缺点，最终确定综合轮式和板式的优 点采用履带式传动的摆臂结构实现越障功能。 1.2双机械臂工作原理 双机械臂在某种程度上可以看作两个单臂协 同工作的情况。双机械臂之间存在着依赖关系， 它们彼此分享使用传感数据，最重要的是双机械 工业自动化机电工程技术2017年第46卷第11期 71 万方数据 臂的控制器之间的通信，使得一个臂对于另一个 臂的反应能够做出相应的动作轨迹规划和决策， 也就是双机械臂之间具有协调关系，这在某种程 度上类似人体双臂协调动作。其中一个机械臂结 构简图如图1所示。 1.3手爪工作原理 机器人手部又称手爪、末端执行器，是机器 人为了进行作业，在手腕上配置的操作机构。机 器人手部通常是由有手指、传动机构和驱动装置 组成。机械手的设计普遍要求达到重量轻、体积 小而且承载能力大、传动平稳、反应灵活、稳定 性好、安全性更高等需求。机械手中常用的减速 机构有行星齿轮减速机构、蜗轮蜗杆减速机构、 精密齿轮（多级）减速机构。对于这种用于火场 或地震等灾害救援的机器人，其设计任务主要是 排除危险物品和清理废墟中杂物或障碍物，为避 免机械手夹持物品造成太大程度上的冲击，而且 可以控制机械手的张合角度，本设计采用蜗杆带 动双蜗轮的减速机构。两蜗轮轴与蜗杆轴是相互 交叉垂直的；啮合时，蜗杆传动带动两个蜗轮传 动，具有传动比比较大，工作平稳无噪声，自锁 功能等优点。其结构图如图2所示。 2臂的结构设计计算 2.1摆臂的设计计算 （1）对实验室移动机器人底盘进行测量，测 得 实 验 室 移 动 机 器 人 底 盘 的 各 数 据 如 下 ： L1=640 mm，L2=370 mm，R=150 mm， r=70 mm， B（车体宽度）=677 mm，G=600 N。 （2）机器人最大越障高度的分析 x=Lcos=(h-R)cot+R/sin （1） h=Lsin-R/cos+R（2） h d =Lcos-Rsin/cos2=0（3） 由式（3）可求出，再代入（2）可算出机 器人跨越障碍的最大高度hmax=300 mm。 2.2双机械臂结构的设计计算 经过方案筛选与优化，对机械双臂的参数进 行多次调整，可得机械臂参数设计要求如表1。 （1）手爪：机器人手部是机器人为了进行作 业，在手腕上配置的操作机。目前已确定机械手 采用蜗轮蜗杆传动，既可以实现较大力矩的传 递，也可以达到电机断电自锁的功能，不会因为 电机的停转使抓取物脱落。机械手爪的重要参数 要求如表2。 （2）夹持器夹紧装置设计 夹持器夹在工件上的夹紧力是设计机械臂 图1机械臂简图 1. 手抓2. 蜗轮轴3. 键4. 蜗轮5. 蜗杆6. 角接触球轴 承7001C7. 手指座8. 箱体盖9. 六角螺母C级M10 图2机械手抓结构简图 表1机械臂设计参数表 名称 机械手抓取工件直径 两手抓间的最大距离 1 s内的夹紧速度 单臂夹负载重量 双臂夹负载重量 驱动方式 自由度 设计性能参数 6080 mm 150 mm 1020 mm/s 2.5 kg 5 kg 电机驱动 各臂5自由度 名称 蜗杆 蜗轮 模数 1 1 齿数 1 40 直径 18 40 材料 #45钢 铝青铜 表2机械手参数要求 工业自动化机电工程技术2017年第46卷第11期 72 万方数据 手部的主要依据，所以必须对其大小、方向和作 用点进行分析和计算。手指对工件的夹紧力可按 公式计算： FN=K1K2K3G （4） 式中： K1安全系数，由机械手的工艺及设计要求 确定，通常取1.22，本设计取1.6； K2工件情况系数，主要受惯性力的影响； K3方位系数，可根据手指与工件位置和工 件形状不同进行选定。 把上述有关数据代入上式的公式中可以求得 夹持器的夹紧力为80 N。 蜗轮基本参数：模数m为1，齿数z2为40， 分度圆直径d2为40 mm； 蜗杆的基本参数：模数m=1，头数z1为1， 分度圆直径d1为18 mm，直径系数q=18，蜗杆 的螺纹长为18 mm。驱动力为： P= 2bFN R = 2110 20 80=880 N（5） 实际驱动力： P实P/= 880 0.9 =977.78 （6） 取为：980 N。 蜗杆的导程角满足： tan=z1/q=Ft1/Fa1 （7） 蜗杆的圆周力： Ft1=Fa1tan=4901/18=27.22 N （8） 电机功率：P4 W 根据计算所得的参数，选择电机的型号与减 速器的减速比。 （3）其他部件 机械臂杆选用内径为40 mm，外径为 45 mm的铝管。传动关节模块于支撑大小臂回 转模块，其在调整末端执行机构所处位置时有着 不可或缺的作用。底座模块是双机械臂的基础， 为了使机械臂工作时运动平稳，需要它能够承受 较大的倾覆力矩。而且底座与关节、手爪模块与 关节采用螺钉连接，关节与臂杆之间采用设计的 锁扣进行连接，保证机械臂拆装方便、快捷、可 靠。整体三维结构图如图3所示。 3材料选取与电机选型 3.1材料选取 该双臂的结构设计目的是能够在灾难环境中 能够适应救援任务的复杂性、智能性。本设计救 援对象主要面向易燃有毒小物体及救援过程中小 障碍物的清理。因此，对其负载能力和抗变形能 力要求不是特别高。电机轴套对电机主轴有保护 作用选用45#钢材调质生产，调质的目的是得到 综合机械性能。其余组件选用材料为 6061 铝合 金，具有中等强度、良好的抗腐蚀性，而且在 保证刚度满足要求的条件下，保证一定的经济 性和质量最小化。齿轮材料选择小齿轮材料 40Cr（调质） ，硬度为240HBS，接触疲劳极限极 限700 MPa，弯曲疲劳极限600 MPa，大齿轮材料 为45 # 钢（调质） ，硬度为250HBS，接触疲劳极 限600 MPa，弯曲疲劳极限450 MPa，两者硬度材 料相差为40HBS。 3.2电机选型 （1）摆臂电动机的选择 设摆臂摆动速度为n2=10 r/min，i12=2；则 可确定电机转速：n1=20 r/min。 锥齿轮的模数：m=2，z1=15，z2=30，进 而可以求得：d1=mz1=30 mm，d2=mz2=60 mm。 电 机 扭 矩 （锥 齿 轮 所 受 到 的 圆 周 力）： T=Gr1=60015=9 Nm。 选 取 电 机 扭 矩 T实=12 Nm ， 功 率 P=Tn/9549103=25 W 由以上计算结果得：选择步进电机，电机型 号为：110BYG260C-0602。 （2）机械臂关键部件电机选择 根据设计要求，由材料力学知识对机械臂重 要关节处进行受力分析，进而可得电机所需功率 和驱动力矩，最后即可选出最佳电机型号。图3移动机器人双臂的整体三维结构装配图 工业自动化陶永奎等：移动机器人的双臂结构设计与运动仿真 73 万方数据 机械臂线密度计算公式：q=mg/l 力矩积分公式：M=qxdx 重要关节处转动惯量：J=J1+md2 传动效率：=12 电机需功率：P=M s 其中q为线密度；M为力矩；J为转动惯 量；为传动效率；P为功率；为关节重要角 速度。 经过设计计算即可得到肩部俯仰电机功率 为：92.67 W，转矩为47.66 N m，可选电机型号 为 130BYG350FH-0602；底座旋转电机功率为： 20.73 W， 转 矩 为 7.18 Nm， 选 电 机 型 号 为 86BYG250CN-0501；中间小臂与大臂间关键处传 动效率为0.27，转矩为17.54 N m，选电机型号为 110BYG260D-0502。 4运动学建模与分析 4.1 基于D-H法的运动学模型 Denavit-Harte