基于移動平臺的機械臂結構分析與設計

【摘 要】本文在確認基于移動平臺的機械臂結構設計指標的前提下，闡述了基于移動平臺的機械臂構型選擇，在此基礎上從機械臂關節數目確定、機械臂關節結構選型以及機械臂驅動器選型等方面研究闡述了基于移動平臺的機械臂結構設計方案。

【關鍵詞】移動平臺；機械臂；結構分析；機器人

本文在確認基于移動平臺的機械臂結構設計指標的前提下，闡述了基于移動平臺的機械臂構型選擇，在此基礎上研究從機械臂關節數目確定、機械臂關節結構選型以及機械臂驅動器選型等方面闡述了基于移動平臺的機械臂結構設計方案。

一、基于移動平臺的機械臂結構設計

（1）設計指標的確定。移動平臺機械臂必須滿足足夠的工作和操作空間，并且控制自身的質量和載荷，從而使其滿足對于輕型結構的要求。而移動平臺的特點，同時也決定了機械臂的設計必須應該保證持續工作，能耗足夠小。結合以上的設計需求，并考慮到具體的使用場合，本設計為其擬定的設計指標為：移動平臺機械臂的自由度選擇為5；其伸展長度為3m，對于具體的負重量，要求末端能夠負荷超過0.5千克的質量，機械臂本身的質量控制在一千克之內。機械臂的功率要求低于15瓦。（2）機械臂結構選型。移動機械臂屬于機電一體化設計，由于設計指標確定了機械臂的自由度選擇為5，因此必須具備5個關節。各個關節均通過連桿機構相連接。本研究選擇了轉動關節型機械臂，分為腰部關節、肩部關節、肘部關節。以及輔助關節和腕關節。其結構選型的簡圖如下所示：

（3）關節數目確定。關節數目的選擇需要考慮到具體使用場合的需要。具體的要求包括：能夠做到對目標進行水平拾取，如圖2所示：

機械臂還應能夠做到取出自身所攜帶的目標，如圖3所示：

機械臂應能做到將目標遞給對方，如圖4所示：

由于使用場合的要求是多樣化的，因此本設計為其添加一個輔助關節，置于肘部和腕部之間（如圖1所示）。（4）關節結構選型。考慮到渦輪蝸桿傳動原理的弱點是對載荷的限制，本文將關節結構設計為輸入端與輸出端軸線平行，從而達到了結構不復雜，傳遞路徑最優的目標。本文所涉及的機械臂屬于串聯連桿類型，為了達到較大的減速比傳動指標，傳動模塊使用諧波減速器，配置以齒輪系、同步帶等輔助部件，實現多級齒輪的傳動方式。（5）機械臂驅動器的設計。基于移動平臺的機械臂驅動器對于機械臂的各種性能影響非常明顯，直接關系到所涉及的成品所具備的性能指標和使用范圍。機械臂驅動器在進行選型的階段，最應該注重的便是合理評估在各類可能發生的使用場合中處于機械臂之上的每一個關節所承受的負載極值。本研究所涉及的機械臂對于負載的要求并不高。通過當前本領域的一些研究成果可知，如果機械臂對于負載沒有太多要求，則可以將電動驅動器作為各個關節的驅動器。業界的研究文獻表明，最常使用的電動驅動器包括如下幾類：永磁直流，永磁同步流以及無刷直流。本研究選擇無刷直流電機，理由是與以上的其他幾種電機相比，其故障率小、維護工作量低、噪音少，可選速率范圍大，散熱方便。電機驅動模式以及電機選型確定之后，接下來便可以確定各個關節動作的具體傳遞模式：無刷電機—齒輪減速器—各個關節。對于齒輪傳動裝置采用三軸線雙級斜齒圓柱齒輪減速器，并于齒輪減速器輸出部分部署靈活的可調電位器，其作用是以反饋的模式控制關節輸出角度。

二、結語

本研究從整體上闡述了基于移動平臺的機械臂結構分析與設計方案，移動機械臂的設計目前仍然有很大的發展空間，一方面需要深入研究機械臂的精準控制，另一方面還應結合具體的使用場合考慮移動平臺的控制，這也是本研究下一步進行的方向。

參考文獻

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