基于移動平臺的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

【摘 要】本文在確認(rèn)基于移動平臺的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)的前提下，闡述了基于移動平臺的機(jī)械臂構(gòu)型選擇，在此基礎(chǔ)上從機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)目確定、機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)選型以及機(jī)械臂驅(qū)動器選型等方面研究闡述了基于移動平臺的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】移動平臺；機(jī)械臂；結(jié)構(gòu)分析；機(jī)器人

本文在確認(rèn)基于移動平臺的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)的前提下，闡述了基于移動平臺的機(jī)械臂構(gòu)型選擇，在此基礎(chǔ)上研究從機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)目確定、機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)選型以及機(jī)械臂驅(qū)動器選型等方面闡述了基于移動平臺的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

一、基于移動平臺的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

（3）關(guān)節(jié)數(shù)目確定。關(guān)節(jié)數(shù)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(biāo)進(jìn)行水平拾取，如圖2所示：

機(jī)械臂還應(yīng)能夠做到取出自身所攜帶的目標(biāo)，如圖3所示：

機(jī)械臂應(yīng)能做到將目標(biāo)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(shè)計為其添加一個輔助關(guān)節(jié)，置于肘部和腕部之間（如圖1所示）。（4）關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)選型。考慮到渦輪蝸桿傳動原理的弱點(diǎn)是對載荷的限制，本文將關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計為輸入端與輸出端軸線平行，從而達(dá)到了結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，傳遞路徑最優(yōu)的目標(biāo)。本文所涉及的機(jī)械臂屬于串聯(lián)連桿類型，為了達(dá)到較大的減速比傳動指標(biāo)，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(xiàn)多級齒輪的傳動方式。（5）機(jī)械臂驅(qū)動器的設(shè)計?；谝苿悠脚_的機(jī)械臂驅(qū)動器對于機(jī)械臂的各種性能影響非常明顯，直接關(guān)系到所涉及的成品所具備的性能指標(biāo)和使用范圍。機(jī)械臂驅(qū)動器在進(jìn)行選型的階段，最應(yīng)該注重的便是合理評估在各類可能發(fā)生的使用場合中處于機(jī)械臂之上的每一個關(guān)節(jié)所承受的負(fù)載極值。本研究所涉及的機(jī)械臂對于負(fù)載的要求并不高。通過當(dāng)前本領(lǐng)域的一些研究成果可知，如果機(jī)械臂對于負(fù)載沒有太多要求，則可以將電動驅(qū)動器作為各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動器。業(yè)界的研究文獻(xiàn)表明，最常使用的電動驅(qū)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(jī)，理由是與以上的其他幾種電機(jī)相比，其故障率小、維護(hù)工作量低、噪音少，可選速率范圍大，散熱方便。電機(jī)驅(qū)動模式以及電機(jī)選型確定之后，接下來便可以確定各個關(guān)節(jié)動作的具體傳遞模式：無刷電機(jī)—齒輪減速器—各個關(guān)節(jié)。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(diào)電位器，其作用是以反饋的模式控制關(guān)節(jié)輸出角度。

二、結(jié)語

本研究從整體上闡述了基于移動平臺的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計方案，移動機(jī)械臂的設(shè)計目前仍然有很大的發(fā)展空間，一方面需要深入研究機(jī)械臂的精準(zhǔn)控制，另一方面還應(yīng)結(jié)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(jìn)行的方向。

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