緒論1.1引言全方位移動機器人已經(jīng)作為了機器人探究領(lǐng)域的一個重要的分支之一。在軍事、高危作業(yè)和服務(wù)行業(yè)等很多場合得以應(yīng)用,全方位機器人需要用無線方式進行實時接受控制命令,以希望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動。全方位移動機器人按移動的方式可分為滾輪式、履帶式、腿足式等,按照移動特性又可將移動機器人分為非全方位和全方位兩種。其中全方位滾輪式機器人由于具有機構(gòu)簡單、活動靈活等特點備受青睞。而滾輪式移動機構(gòu)的類型也很多,對于一般的滾輪式移動機構(gòu),都不能進行任意的定位和定向,而全方位移動機構(gòu)則可以利用車輪所具有的定向和定位功能,實現(xiàn)可在二維平面上從當前位置向任何方向運動而不需要車體改變形態(tài),在某些場合有顯著的優(yōu)越性;如在較狹窄或擁擠的場所工作時,全方位移動機構(gòu)因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外,在很多需要精確定位和較高精度軌跡跟蹤的時候,全方位移動機構(gòu)可以對自己的位置進行細微的調(diào)整。由于全方位輪移動機構(gòu)具有一般輪式移動機構(gòu)無法取代的獨特性,對于研究全方位移動機器人的自由行走具有重要意義,并成為機器人移動機構(gòu)的發(fā)展趨勢?；谏鲜?，本文設(shè)計有機械手臂可在任何方向移動，具有靈活移動的全方向移動機器人平臺，機器人臂可以執(zhí)行預(yù)定的操作。這篇文章是全方位機器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，它可以提供對機器人的后續(xù)研究價值平臺的參考和有益的思路。1.2國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀1.2.1國外全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀國外許多探究機構(gòu)開展了全方位移動的機器人的探索與制造工作,在車輪設(shè)計制造,全方位機器人上的滾輪的配置方案,以及全方位機器人的運動學(xué)分析設(shè)計等方面,進行了廣泛的探索與制造,形成了許多具有不同特色的全方位移動機器人產(chǎn)品。這方面日本、美國和德國處于領(lǐng)先地位。八十年代初期,美國在DARPA的支持下,卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CarnegieMellonuniversity,CUM)、斯坦福(Stanford)和麻省理工(MassachusettsInstituteofTechnology,MIT)等院校開展了自主移動車輛的探究,NASA下屬的JetPropulsionLaboratery(JPL)也開展了這方面的研究。CMU機器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機器人代表了室外移動機器人的發(fā)展方向。德國聯(lián)邦國防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀九十年代研制成VaMoRs-P移動機器人。其車體采用奔馳S500轎車外觀。傳感器系統(tǒng)包括:4個小型彩色CCD攝像機,構(gòu)成兩組主動式雙目視覺系統(tǒng);3個慣性線性加速度計和角度變化傳感器。SONY公司1999年推出的寵物機器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾,而且摔倒后可以立即爬起來。本田公司1997年研制的HondaP3類人機器人代表雙足步行的機器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米,工作時間為25分鐘,最大步行速度為2.0公里/小時。國外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進行介紹。Mecanum車輪，如圖1.1所示，由輻條和固定在外部周上的許多小滾輪組成。圖1.1麥克納姆輪結(jié)構(gòu)圖Fig.1.1structurediagramofMcNhamwheel車輪與滾柱之間的角度為Y.一般的角度Y為45°。每個車輪有三個自由度。第一個是繞車輪的軸線旋轉(zhuǎn)，并且所述第二繞輥的軸線轉(zhuǎn)動。第三是圍繞車輪和地面之間的接觸點轉(zhuǎn)動。該輪由電動機驅(qū)動，其余兩個自由度自由移動。全方位移動機器人可以從三個或更多麥克納姆輪構(gòu)成。圖1.2麥克納姆輪應(yīng)用Figure1.2MacnhamWheelApplication正交輪由兩個相同形狀的球形輪（球形帽移除的球）組成，它們固定在一個共同的外殼上，如圖1.3所示。每個球形輪架具有2個自由度，即，圍繞輪架的馬達驅(qū)動圍繞輪軸的旋轉(zhuǎn)和自由旋轉(zhuǎn)。兩個輪架具有相同的旋轉(zhuǎn)軸并由馬達驅(qū)動。兩個輪子的軸線彼此垂直，因此稱為正交輪。圖1.3正交輪Figure1.3orthogonalwheel中國科學(xué)院沈陽自動化研究所開發(fā)的全向移動機器人采用這種結(jié)構(gòu)，如圖1.4所示。圖1.4正交輪的應(yīng)用Fig.1.4Applicationoforthogonalwheels球輪由滾動球，一組支撐輥和一組驅(qū)動輥組成，如圖1.5所示。圖1.5球輪Figure1.5BallWheel支撐輥被固定在車輛的底盤上的，與驅(qū)動輥被固定在可圍繞中心旋轉(zhuǎn)的支架球體的，如示于圖1.6在每個球車輪的驅(qū)動輥由繞正常球到驅(qū)動輥的平面，并且可以自由地繞垂直軸的馬達驅(qū)動。圖1.6球輪的應(yīng)用Fig.1.6ApplicationofBallWheel偏心萬向輪，如圖1.7，使用在車輪上不連續(xù)輥切換的移動模式。軋制和扭轉(zhuǎn)過程中與地面車輪的接觸點是不變的，所以機器人將不會在移動期間進行。振動，而顯著減少機器人滑移的發(fā)生。圖1.7萬向偏心輪及萬向偏心輪應(yīng)用Fig.1.7ApplicationofdirectionaleccentricWheelandUniversaleccentricWheel1.2.2國內(nèi)全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀我國在移動的機器人方面的探究工作起步相對于國外較晚,上世紀八十年代末,國家863計劃自動化領(lǐng)域之一自動機器人主題確立立項,開始了這方面的研究。在國防科工委和國家863計劃的資助下,由國防科大、清華大學(xué)等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動的機器人7B.8,并于1995年12月通過驗收。7B.8的車體是由躍進客車改進而成,車上有二維彩色攝像機、三維激光雷達、超聲傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式機構(gòu)為主,采用傳統(tǒng)的"感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行"算法,其直線跟蹤速度達到20km/h。避障速度達到5-10km/h。上海大學(xué)已研制出一種全方位的障礙物遮擋爬壁機器人。用于機器人清潔壁工作的特殊要求，輪型全方向移動機構(gòu)輪組機制已被開發(fā)，其確保機器人可以保持其姿態(tài)。在變化的前提下，它可以線性在任何方向上沿所述壁表面移動，或在原位任意角度旋轉(zhuǎn)，并且可克服存在于機器人的動作的障礙。不需要復(fù)雜的輔助機構(gòu)來實現(xiàn)平面運動與障礙物運動之間的過渡。哈爾濱工業(yè)大學(xué)嚴國榮，張海兵研究了一種新型的全向輪式移動機構(gòu)。這種全方位移動機構(gòu)的輪子和麥克納姆輪子之間的區(qū)別在于，這個全方向的輪子使得小的滾子軸和輪子當軸是垂直的時，輪子的主動滾動和從動輪的橫向滑動將是真正的相互獨立;當車輪正常旋轉(zhuǎn)時，輪輞上的小滾輪也將完全滾動，如圖1.8所示。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李瑞峰,孫笛生,劉廣利等人研制的移動式作業(yè)型智能服務(wù)機器人,并對課題當中的一些關(guān)鍵技術(shù),如新型全方位移動機構(gòu)、七自由度的機器人臂和多傳感器信息融合，并最終移動機器人的系統(tǒng)控制方案的技術(shù)。圖1.8全方位移動機構(gòu)圖Fig.1.8omni-directionalmobilemechanismdiagram1.3主要研究內(nèi)容本課題從普遍應(yīng)用出發(fā),設(shè)計一種全向運動機器人平臺,該平臺能夠在任何方向移動，運動靈活。這個主題是全方位機器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，它可以提供對機器人的后續(xù)研究價值平臺的參考和有益的思路。1.4本文研究內(nèi)容主要方向了解和分析現(xiàn)有機器人移動平臺的工作原理和結(jié)構(gòu)，分析操作臂的共同結(jié)構(gòu)和工作原理，比較它們的優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)上，提出可行的方案并選擇最佳的設(shè)計方案。具有機器人手臂的全方位移動機器人的機身設(shè)計根據(jù)所選擇的方案進行，包括全方位輪轉(zhuǎn)動機構(gòu)的設(shè)計，車輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計和機器人操作臂的設(shè)計。它要求全方位移動機構(gòu)靈活靈活，能夠快速有效地到達指定地點。該機械手操作范圍寬，動作靈活，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，可快速準確地完成指定工作。設(shè)計完成后，應(yīng)分析全向移動機制的性能，為后續(xù)研究提供可靠的參考和依據(jù)。2全方位移動機器人移動機構(gòu)設(shè)計2.1引言機器人機械本體的設(shè)計是機器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，它可以提供對機器人的后續(xù)研究價值平臺的參考和有用的方法的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。全方位移動機器人能夠?qū)崿F(xiàn)在平面上的任意方向上的移動，并且可以有效地到達預(yù)定位置。根據(jù)該總體思路，所述機器人移動機構(gòu)的主體設(shè)計中進行。2.2機械設(shè)計的基本要求全方位機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求包括兩個方面：本機的設(shè)計要求和組件的設(shè)計要求。兩者是相互關(guān)聯(lián)，相互影響。（1）對機器整機設(shè)計的基本要求機器的使用功能方面的要求:實現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機械設(shè)計最基本的要求,有著好的使用性能指標是設(shè)計的主要目標。另外操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等也是機械設(shè)計時所需要求的。對機器的經(jīng)濟性的要求:機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中,在設(shè)計機器時要全面綜合的進行考慮。設(shè)計的經(jīng)濟性體現(xiàn)為合理的功能的定位、實現(xiàn)使用要求最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu)。（2）對零件設(shè)計的基本要求機械部件的基本單位組成的機器。本機的設(shè)計要求最終由零件的設(shè)計來實現(xiàn)。因此，在設(shè)計零件從設(shè)計的機器，就是機器必須保證的要求導(dǎo)出時必須滿足的要須要求在預(yù)定的作業(yè)期限內(nèi)正常可靠的作業(yè),從而保證機器的各種功能正常實現(xiàn)。這就是所需要求零件在預(yù)定的壽命內(nèi)不會產(chǎn)生各種原因?qū)е碌氖?即要求零件在強度、剛度、震動穩(wěn)定性、耐磨性和溫度升降等方面必須滿足的條件,這些條件就是判定零件工作能力的準則。為了盡量減少零部件的生產(chǎn)成本，這需要考慮到很多方面，如設(shè)計和零件制造。合理選擇的材料和空白形式，簡單合理部分結(jié)構(gòu)，部分處理的耐受性水平的合理說明書中，并仔細考慮的部分的加工過程和裝配過程。此外，我們應(yīng)盡量選用標準化，系列化和通用部件。任何機器都有動力裝置，傳動裝置和工作機。動力裝置是機器工作的能量來源。它可以直接轉(zhuǎn)換成自然資源（也稱為一次能源）或次能量轉(zhuǎn)化為機械能，如內(nèi)燃機，燃氣渦輪機，電動馬達，電動馬達和液壓渦輪機。工作機是機器的執(zhí)行機構(gòu)，它是用來實現(xiàn)本機的動力和運動。例如，機器人的末端執(zhí)行器的作業(yè)機械。變速器是實現(xiàn)能量傳遞和具有其它功能的裝置。2.3全方位輪式移動機構(gòu)的研制以下設(shè)計原則應(yīng)設(shè)計一個移動機器人的身體時必須遵守：（1）總的結(jié)構(gòu)應(yīng)很容易地拆卸，便于實驗，調(diào)試和維修。（2）傳感器，功能部件等，它們目前不被機器人安裝的安裝位置時，應(yīng)保留以供將來功能改善和擴展。對比緒論中各轉(zhuǎn)向機構(gòu)的優(yōu)缺點,本文選用全方位輪式機構(gòu)來設(shè)計。全向輪式機器人的運動包括縱向和360度的旋轉(zhuǎn)運動。輪狀的移動機構(gòu)的特性與其他移動機構(gòu)進行比較。車輪形移動機構(gòu)具有以下優(yōu)點：高速，穩(wěn)定的運行，高能量的利用率，該機制的簡單的控制，它可以從日益成熟的汽車技術(shù)和經(jīng)驗。。它的缺點是運動僅限于平面。目前，在需要機器人的工作，如果不考慮特殊環(huán)境和自然環(huán)境如山的地方，幾乎都是人工建造單位。因此，在這個意義上，車輪形移動機構(gòu)的利用價值可以說是極高的。如圖2.1所示。圖2.1全方位輪式移動機構(gòu)示意圖Fig.2.1schematicdiagramofomni-directionalwheeledmobilemechanism輪式移動機構(gòu)預(yù)計需要易于控制零半徑旋轉(zhuǎn)。車輪的轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)向是獨立控制的。全向移動機器人使用前輪和后輪在對以控制轉(zhuǎn)向和控制每個旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)全向運動來驅(qū)動。2.3.1移動機器人車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計在車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計，下面的模型主要考慮，如圖2.2。它可以從該模型中的具有簡單的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，但在車輪和地面之間的接觸面積小，這可能導(dǎo)致打滑，并且形成在馬達軸，其易于引起的彎曲力矩損壞到馬達軸。模型B采用馬達，這增加了車輪與地面之間的接觸區(qū)域的內(nèi)置結(jié)構(gòu)，并降低了滑移現(xiàn)象，但電機難以固定。模型A模型B圖2.2旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖Figure2.2rotatingpartialstructurediagram圖2.3旋轉(zhuǎn)部分示意圖Figure2.3schematicdiagramoftherotatingpart相結(jié)合的優(yōu)勢和兩個模型的缺點，在圖2.3中示出的設(shè)計中，在圖2.4中示出的結(jié)構(gòu)中，嵌入輪，這不僅增加了車輪與地面之間的接觸區(qū)域內(nèi)的馬達，而且縮短了軸向整個結(jié)構(gòu)的距離。為了保持車輪的平衡，整個機制能平滑移動，車輪被設(shè)計在兩個組。深溝球軸承作為徑向支承，以避免電動機上的車輪的彎曲力矩;另一方面，車輪的剛性得以保證。所述軸承的外圈與輪的內(nèi)表面配合。由于內(nèi)環(huán)不能直接與電機配合，電動機殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計作為電動機和軸承的連接。圖2.4旋轉(zhuǎn)部分機構(gòu)圖Figure2.4rotatingpartofthemechanismdiagram車輪旋轉(zhuǎn)部分的具體結(jié)構(gòu)分為五個部分:(1)兩個軸承由彈性墊圈和電機殼軸肩軸向定位;通過電機殼外表面徑向定位通過電機軸外表面徑向定位。此外,此處選用深溝球軸承作為支撐.深溝球軸承主要承載徑向載荷,同時也可以承載小的軸向載荷。選用它就可以達到設(shè)計的要求,而且深溝球軸承經(jīng)濟性好,方便購買。而作為徑向支撐,它主要避免了車輪對電機產(chǎn)生彎矩。（2）所述的電動機是預(yù)先安裝在該馬達殼體并依賴于馬達殼體凸緣的軸向定位;然而，徑向定位不能由電動機定位止擋部定位，并且所述馬達軸的徑向定位只能由輪調(diào)整電動機軸來實現(xiàn)。（3）輪通過軸承的外圈定位，然后通過輪自身的耦合裝置耦合到馬達軸。這個過程也以調(diào)整馬達軸同心，然后擰緊電動機從車輪側(cè)的保留安裝孔的馬達殼體。(4)整個車輪分為兩部分組合而成。一個是與軸的直徑的車輪，另一種是不帶軸的直徑的輪。兩個一起使用，形成了一套完整的車輪。輪軸直徑組合使用與滾動摩擦的形式身體支撐，并作為兩個輪子的軸向定位部件。輪的最終固定通過擰緊與外螺釘擋板來實現(xiàn)。具體結(jié)構(gòu)示于圖2.4。（5）整個旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)被設(shè)計，但它必須與轉(zhuǎn)向機構(gòu)連接到全向?qū)崿F(xiàn)運動。在后者的部分轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計中，轉(zhuǎn)向軸被設(shè)計。為了連接所述旋轉(zhuǎn)部分和轉(zhuǎn)向部分為全向運動的轉(zhuǎn)向軸，一個半圓形固定構(gòu)件在此構(gòu)造。如圖2.5。使用是使用兩個交配以固定旋轉(zhuǎn)部分，并與轉(zhuǎn)向軸的連接是通過四個螺栓連接來實現(xiàn)，從而使轉(zhuǎn)向機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)被集成為一體，最后全向運動是實現(xiàn)。圖2.5固定件結(jié)構(gòu)Fig.2.5fixedpartstructure在這一點上，全方位移動機器人的車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)被設(shè)計。2.3.2全方位移動機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)向部分主要是由轉(zhuǎn)向軸、軸承、基座、轉(zhuǎn)向電機以及轉(zhuǎn)向連接件所組成轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計的基本路線是從上而下。如圖2.6,圖2.7所示。圖2.6轉(zhuǎn)向部分示意圖Figure2.6Schematicdiagramofsteeringsection.圖2.7轉(zhuǎn)向部分結(jié)構(gòu)圖Fig.2.7steeringpartialstructurediagram(1)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向軸被分成兩個部分，分別是T形的。一端以階梯式軸的形式，以促進與基座連接。的另一端被耦合到車輪部件和設(shè)計成圓柱形，以保證足夠的強度和良好的加工性。與此同時，軸的兩個部分相互配合，并可以擴展和收縮，從而轉(zhuǎn)向時改變輪軸的位移。轉(zhuǎn)向軸主要作用就是通過與轉(zhuǎn)向電機的連接起到轉(zhuǎn)向的作用,主要受的是徑向力,而受到的軸向力很小。如圖2.7中，當轉(zhuǎn)向軸接收向上的軸向力所示，軸向力通過肩部到下軸承內(nèi)環(huán)發(fā)送，則到套筒，然后在上軸承的內(nèi)圈，然后到通過球軸承。外環(huán)，和軸向力被進一步傳遞到端蓋和外殼，從而所述軸向力傳遞到整個車體因為殼體被連接到車體。轉(zhuǎn)向軸受到向下的軸向力時,首先是靠彈性擋圈傳遞軸向力,再通過一系列傳遞最終將軸向力轉(zhuǎn)移到車體上。所以說,轉(zhuǎn)軸的工作是可靠的。(2)轉(zhuǎn)向軸與基座聯(lián)接:轉(zhuǎn)向軸相對于基座僅具有一個自由度，形成旋轉(zhuǎn)對。在機器人的運動過程中，轉(zhuǎn)向軸受到徑向力和相對大的軸向力。適用于此要求的普通軸承是圓錐滾子軸承。。軸承采用套筒分離的兩端支撐結(jié)構(gòu)，旨在確保轉(zhuǎn)向軸在轉(zhuǎn)向過程中不會搖擺，確保轉(zhuǎn)向精度并減少轉(zhuǎn)向相關(guān)部件的磨損。在這對軸承被套筒分開后，軸承的內(nèi)圈通過肩部和軸用擋圈固定。兩個軸承的外圈連接到底座孔和軸承端蓋。(3)轉(zhuǎn)向電機軸和轉(zhuǎn)向軸的聯(lián)接兩個軸的耦合通常由耦合選中。聯(lián)軸器主要用于聯(lián)接軸和軸（或耦合軸等旋轉(zhuǎn)部件），以傳遞運動和扭矩，并且有時作為安全裝置。標準聯(lián)軸器不能在這篇文章中使用，因為標準耦合的總體規(guī)模過大。占用空間過大,且不便于安裝,并不符合設(shè)計要求。同時,由于所要連接的兩軸徑大小確定本文自行設(shè)計了一個聯(lián)軸器。其結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。由于軸僅經(jīng)過轉(zhuǎn)矩和軸向力小，這兩個軸由平鍵固定在圓周方向上，以實現(xiàn)固定和連接所述兩個軸的目的。圖2.8聯(lián)軸器Figure2.8Coupling(4)轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機與基座的安裝將換向軸與基座連接，使其構(gòu)成轉(zhuǎn)動副以后，將轉(zhuǎn)向軸和基座形成旋轉(zhuǎn)對時，它僅需要使用一個馬達來驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸來實現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向。一種連接器，需要將電動機固定到所述底座。兩個模型中的連接器的設(shè)計中考慮：整體式和分裂式，如圖2.9和2.10。在整體組件，該中心是好的，但它必須在一邊，這是很容易造成車輪的轉(zhuǎn)向精確度被打開是不夠的，這是不利于防塵。分割定心是略差，并且可以組合成具有可靠的剛性和防塵的封閉結(jié)構(gòu)。易拆卸。因此，分割結(jié)構(gòu)被選擇圖2.9整體式Figure2.9integral圖2.10分裂式Figure2.10Split(5)箱體的設(shè)計與固定如圖2.11所示為箱體結(jié)構(gòu)的示意圖。它通過左右兩側(cè)對稱的呈L型的矩形臂用8個螺栓固定于車體前后兩側(cè)。由于箱體是通過螺釘和機座連接的,從而可以把它和機座以及轉(zhuǎn)向電機視為一體。再者,箱體內(nèi)部是放置軸承,并固定軸承的,所以設(shè)計了如圖中所示的雙臂。這種設(shè)計可以將轉(zhuǎn)向機構(gòu)的整體重量通過箱體的兩臂傳到車體上,進而施于整個重量施輪子。那么轉(zhuǎn)軸的受力將大大的減小。而且這樣設(shè)計拆卸方便,利于維修。采用對稱結(jié)構(gòu)固定于空間內(nèi),有利于穩(wěn)定整個轉(zhuǎn)向機構(gòu),并提高整個全方位移動機構(gòu)的性能。圖2.11箱體示意圖Fig.2.11schematicdiagramofthebox至此,整個全方位移動機構(gòu)機械本體設(shè)計完畢。2.3.3電機的選型與計算（一）電機性能的比較直流馬達，步進馬達，和轉(zhuǎn)向齒輪：以下電機在機器人驅(qū)動器常用。幾個馬達相關(guān)的參數(shù)示于表2.1。表2.1幾種電機比較Table2.1comparisonofseveralmotors電機類型優(yōu)點缺點直流電機容易購買型號多功率大接口簡單轉(zhuǎn)速太快，需減速器電流較大較難與車輪裝配價格較貴控制復(fù)雜（PWM）步進電機精確的速度控制型號多樣適合室內(nèi)機器人的速度接口簡單價格便宜功率與自重比小電流通常較大外形體積大較難與車輪裝配，負載能力低功率小舵機內(nèi)部帶有齒輪減速器型號多樣適合室內(nèi)機器人的速度接口簡單功率中等價格便宜負載能力低速度調(diào)節(jié)的范圍小1、舵機(1)舵機概念:在機器人機電控制系統(tǒng)，伺服控制的效果是性能的重要因素。轉(zhuǎn)向機構(gòu)可被用作在微機系統(tǒng)和HM一個基本輸出致動器。其簡單的控制和輸出使MCU系統(tǒng)易于使用的接口。轉(zhuǎn)向齒輪是一個位置（角度）伺服用于需要恒定的角度的變化，并且能夠保持控制系統(tǒng)驅(qū)動。目前在高端遙控玩具，如飛機模型，包括飛機模型，潛艇模型;遙控機器人已被更常用。轉(zhuǎn)向齒輪是一個共同的名字，實際上是一個伺服電機。(2)舵機的工作原理:控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片,獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路,產(chǎn)生周期為20ms,寬度為1.5ms的基準信號,將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較,獲得電壓差輸出。最后,電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時,通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn),使得電壓差為0,電機停止轉(zhuǎn)動。當然我們可以不用去了解它的具體工作原理,知道它的控制原理就夠了。就像我們使用晶體管一樣,知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了,至于管內(nèi)的電子具體怎么流動是可以完全不用去考慮的2、步進電機作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的致動器，步進電機已使用越來越廣泛，并且已進入一些高，精確和尖控制字段。雖然有一些缺點在步進電機中，如當起始頻率過高或負載過大，則容易失去步驟或方框。當速度過高時，過沖是易于發(fā)生的，一般不存在過載能力，并且它通常需要選擇較大的轉(zhuǎn)矩。電機克服的轉(zhuǎn)動慣量。然而，步進電機具有良好的點控制性能，無積累誤差，容易實現(xiàn)控制，并能實現(xiàn)電機的同步控制與適當?shù)呢撦d轉(zhuǎn)矩的條件下，成本和復(fù)雜性更低。（二）電機的選型與計算對于本課題來說,移動機器人的移動速度最高為0.5米/秒,電機轉(zhuǎn)數(shù)最高接近100轉(zhuǎn)/分。如果用直流電機,由于受轉(zhuǎn)速和力矩的影響,要配減速器。而如果用步進電機,控制位置精度比較高可以達到1.8度。而且不需要減速器避免造成結(jié)構(gòu)冗繁。因此選擇步進電機作為驅(qū)動電機。以下是旋轉(zhuǎn)步進電機模型的選擇。當輪式移動機器人移動時，它需要克服2種電阻：摩擦和重力。對于機器人平面移動，只有摩擦力需要克服。與機械手臂的全方位移動機器人的總重量為約20公斤和接地摩擦系數(shù)是金屬和混凝土之間0.5。由機器人所需的總功率為：則平均每組車輪提供的功率為25瓦。對于單個車輪而言:(2-1)車輪直徑為110mm，則電機需要提供的轉(zhuǎn)矩為：（2-2）因此，選擇了北京和利時公司的57BYG250E-0152型號電機。靜轉(zhuǎn)矩為1.5NM。該電機在相近產(chǎn)品中具有在轉(zhuǎn)速變高一定范圍內(nèi)能夠保持平穩(wěn)的力矩。其力矩隨轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下圖2.12所示。因此，選擇了北京和利時公司的57BYG250E-0152型號電機。靜轉(zhuǎn)矩為1.5NM。該電機在相近產(chǎn)品中具有在轉(zhuǎn)速變高一定范圍內(nèi)能夠保持平穩(wěn)的力矩。其力矩隨轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下圖2.12所示。圖2.12電機轉(zhuǎn)矩圖下面選擇轉(zhuǎn)向電機，機器人對轉(zhuǎn)向速度要求較低，對位置精度比較嚴格，選用步進電機可以滿足設(shè)計要求。轉(zhuǎn)向電機主要是使車輪實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，克服地面摩擦力，要求的轉(zhuǎn)速不高，因此主要計算電機靜力矩。在這里我們假設(shè)每個車輪與地面的接觸按照理想狀態(tài)即相切線接觸，那么平均每個車輪的摩擦力為：（2-3）由于車輪是零半徑回轉(zhuǎn)，所以克服的摩擦力矩為：（2-4）式中——單個車輪的寬度設(shè)計車輪與地面接觸總寬度為60mm，即所以克服的力矩為。實際上車輪不是與地面呈線接觸，保證一定余量，選擇電機型號為57BYG250B-SASRM-0152，靜力矩為。下面是所選電機的外形尺寸。2.4移動機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計移動機器人車體是應(yīng)遵循以下幾個原則：（1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理。（2）在設(shè)計的移動平臺應(yīng)能夠給機器人暫時沒有安裝的傳感器、功能元件、電池等元件預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進和擴展。車體是實現(xiàn)全方位移動機構(gòu)和機械手臂連接的部分，也是安裝其他元件的主體。它同樣是保證機器人具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力的關(guān)鍵。本文設(shè)計的車體采用的是合金鋁框架式結(jié)構(gòu)，如圖2.13所示共分三層：第一層安裝攝像頭，控制按鈕等；第二層是車體內(nèi)腔，空間較大可以安裝電池、集線器、裝配電路板等，同時可以在以后的具體設(shè)計中改變內(nèi)部格局，以達到最佳的使用效果；第三層安裝車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。本結(jié)構(gòu)的空間分層設(shè)計使得全方位機器人機構(gòu)緊湊，易于維護，而且提高了機器人控制系統(tǒng)的抗干擾能力。圖2.13車體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.13schematicdiagramofcarbodystructure2.5本章小結(jié)機器人是一種高度集成的機電一體化產(chǎn)品。它不是機械裝置和電子裝置的簡單組合，而是機械、電子、計算機等技術(shù)的有機融合。本文雖只設(shè)計機械本體部分，但設(shè)計過程要完全考慮各部分的因素。而移動機器人的移動機構(gòu)，它是移動機器人系統(tǒng)能否完成指定任務(wù)的基礎(chǔ)。本文在設(shè)計過程中圍繞平面內(nèi)任意角度移動以及可對前方280mm內(nèi)目標進行抓取的這一思路展開設(shè)計。設(shè)計了可避免對電機軸形成彎矩的車輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，可使車輪實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。

3機械手臂的設(shè)計3.1末端執(zhí)行器的設(shè)計機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分為兩種形式：一旋轉(zhuǎn)接頭和移動接頭。在本文中，旋轉(zhuǎn)接頭的形式被采用，這是在結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。參照人的手臂，本文的機器人臂被設(shè)計為兩個擺動和一個旋轉(zhuǎn)接頭。如圖3.1。機器人的機器人臂包括一個底座，臂，腕和末端執(zhí)行器。擺動關(guān)節(jié)2.擺動關(guān)節(jié)3.回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4.末端執(zhí)行器1.Swingjoint2.Swingjoint3.Rotatingjoint4.Terminalactuator圖3.1機械手臂的模型Figure3.1Modelofmanipulator3.1.1末端執(zhí)行器設(shè)計要求末端執(zhí)行器是在各種形式提供，但整體設(shè)計有以下基本要求：(1)應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力,手指握力(夾緊力)大小要適宜,力量過大則動力消耗多,結(jié)構(gòu)龐大,不經(jīng)濟,甚至?xí)p壞抓取物體;力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落等現(xiàn)象。在確定握力時,除考慮抓取物體重量外,還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和震動,以保證夾持安全可靠。(2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍,手應(yīng)具有一定的開閉角度(手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度)或開閉范圍(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離),以便于抓取或退出物體。(3)在手指抓握物體的夾緊精度應(yīng)當確保，并且每個把持對象物應(yīng)在手指的精確相對位置。(4)它需要結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。在保證其自身的剛性和強度的前提下，它是作為如緊湊，重量可能的，并且光，以便減少在所述臂上的負載。3.1.2末端執(zhí)行器的設(shè)計（1）驅(qū)動方式的選擇機械中提供驅(qū)動的裝置和方式很多,如電機驅(qū)動，液壓驅(qū)動，氣動驅(qū)動器等，各種驅(qū)動模式具有各自的特點，液壓和氣壓驅(qū)動應(yīng)用被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人，并且機器人一些使用多個驅(qū)動模式的同時，根據(jù)不同的特性不同的機器人。和要求設(shè)置。比較這些驅(qū)動方法的特點，適合于移動機器人的驅(qū)動方法的選擇被選擇。電機驅(qū)動機械手可避免電能成為壓力能量的中間部分，且效率比液壓和氣動驅(qū)動器更高。電機系統(tǒng)組裝電動機，轉(zhuǎn)速計，編碼器和在順序加工的主體的制動，從而使整個電機系統(tǒng)的尺寸小，且可靠性和通用性也大大提高。另外，電動機基于所述行駛距離與所述等效脈沖電機的脈沖的數(shù)量，并且將數(shù)據(jù)輸入到計算機中，以實現(xiàn)非常高的姿態(tài)的精度。液壓和氣動驅(qū)動系統(tǒng)是麻煩和不便維護。所述液壓源和所述氣動源裝置是笨重的，這也是對移動機器人不可實現(xiàn)的問題。對于全方位移動機器人所需的位置精度，液壓和氣壓來操作機器人臂。該驅(qū)動器也難以滿足。綜上所述,本文選擇電機驅(qū)動為機械手的驅(qū)動方式。（2）傳動方式的選擇發(fā)送裝置是實現(xiàn)能量傳輸，并且具有其它功能的設(shè)備。它的主要功能是：能量分布和傳輸;運動形式變化;移動速度變化。機械傳動是主要的傳輸裝置中，通常使用的皮帶傳動，鏈條傳動，齒輪傳動，蝸桿驅(qū)動器等根據(jù)機械手結(jié)構(gòu)的實際情況選擇齒輪傳動。齒輪傳動是機械傳動中應(yīng)用最廣泛的一類傳動。它傳動效率高,在正常的潤滑條件下效率可達99%以上;傳動比恒定,齒輪傳動具有不變的瞬時傳動比,所以可應(yīng)用到高速傳動中;結(jié)構(gòu)緊湊,同等條件下其所占空間小;工作可靠、壽命長。手指的設(shè)計將使用平移運動舉行的對象。在此，左，右螺桿軸和所述齒輪對將被一起用作傳動機構(gòu)來完成由端部機構(gòu)所需的功能。這兩種配置使整個末端執(zhí)行器體積小重量輕。（3）手指的設(shè)計不同手指的數(shù)量可以被完成，而動作的復(fù)雜性是不同的，根據(jù)機器人至少完成幾個動作來確定機械手所需的最少的手指數(shù)。一個手指應(yīng)能推、滾或滑動小物體,還可以用力操作開關(guān)等;兩個手指除具有一個手指完成的功能以外,它還應(yīng)能抓住物體并可精確的控制物體的位置低點還應(yīng)能抓住物體并可精確的控制物體的取向;三個手指除了能完成兩個手指可完成的功能外,它還有在手中反復(fù)抓握物體的功能,如將物體拋入空中并在新的位置抓住物體;多個手指則具有更大的靈活性,如可以抓住和操作多個物體。對于本文的移動機器人,只需能夠抓住物體,控制物體的位置和取向,那么兩個手指就能滿足此工作要求,所以在結(jié)構(gòu)上將采用兩指結(jié)構(gòu)。從而兩手指相對于末端執(zhí)行器在左右螺旋軸的帶動下做平移運動,達到開合作用。用于工業(yè)機器人應(yīng)用的兩個手指機械爪可分為旋轉(zhuǎn)型，并根據(jù)爪的運動的轉(zhuǎn)換類型圖3.2和圖3.3是兩個典型的機械夾紗器配置。在本文中，平移型夾持器的結(jié)構(gòu)被選擇時，與前者相比，其具有結(jié)構(gòu)簡單，易于控制的優(yōu)點。1.支架2.桿3.圓柱銷4.杠桿1.Bracket2.Bar3.Cylindricalpin4.lever圖3.2杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器圖Figure3.2drawingofleverreturntransitiongripper1.電動機2.絲杠3.導(dǎo)軌4.鉗爪桿1.Motor2.Screw3.Guideway4.Clawrod圖3.2左右旋絲杠原理圖Fig.3.2schematicdiagramofleftandrightscrew上述研究和討論后，端部執(zhí)行器結(jié)構(gòu)被設(shè)計為如圖3.4所示。端部執(zhí)行器的機械結(jié)構(gòu)是由超硬鋁合金，這保證一定的剛性，同時降低整體重量的。手指延伸長度為50mm，并且打開和關(guān)閉范圍是4-44mm。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的，所述驅(qū)動馬達經(jīng)由齒輪1驅(qū)動齒輪2，并驅(qū)動左和右螺桿軸3，以使指狀件6,7打開和關(guān)閉。導(dǎo)軸導(dǎo)軌和固定手指的移動。1.電機2.齒輪3.左和右螺桿軸4.指南軸5的齒輪6持有人右手手指7.架左1.Motor2.Gear3.Leftandrightscrewshaft4.Gear5.theleftsideoftheframe6.holderrighthandfinger7.Framelef圖3.4末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Figure3.4structurediagramoftheendactuator手指形狀如圖3.2所示，前段平行處可以夾持形狀規(guī)則（與手指接觸面為平面）的物體，后段為菱形形狀，可以夾持圓形和不規(guī)則形狀的物體。這種設(shè)計可以更好的使機器人完成工作。3.1.3電機的選型與計算本文的設(shè)計需要夾緊材料的重量為m=300克，并且線程是M8，其中，所述直徑為r=3.6毫米，間距為P=1mm時，等效摩擦系數(shù)為f=0.1，Q是軸向載荷，而M是所述螺紋驅(qū)動扭矩。手指的材料是鋁合金，和表3.1列出鋁合金和常見的材料的摩擦系數(shù)。表3.1主要工程材料摩擦系數(shù)Table3.1frictioncoefficientofmainengineeringmaterials摩擦副材料靜摩擦系數(shù)鋁合金黃銅0.27青銅0.22鋼0.3膠木0.34鋼紙0.32樹脂0.28硬橡膠0.25石板0.26從表3.1可以看出鋁合金與不同材料的靜摩擦系數(shù)趨近于0.3，所以取被抓物體和末端執(zhí)行器手指之間的靜摩擦系數(shù)，則：（3-1）螺紋增力比（3-2）式中——當量摩擦角；——螺紋升角；帶入數(shù)據(jù),得,得（3-3）選用齒輪傳動比n=1:1，忽略齒輪傳動摩擦及軸承滾動摩擦力矩，根據(jù)上述計算，我們選擇了北京和利時電機公司生產(chǎn)的28BYG250C-SAFSM-L007型步進電機，它的保持轉(zhuǎn)矩為，滿足設(shè)計要求。3.2機械手臂桿件的設(shè)計在本文中，所述鋁合金材料被設(shè)計成一個薄壁部分，其確保在一方面機械臂的剛性，減少了在另一方面機械臂的重量，減少了對基座關(guān)節(jié)馬達的負荷，提高了機械手的動態(tài)響應(yīng)。3.2.1腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計手腕構(gòu)件設(shè)置在手和臂之間，并且其功能主要是進一步改變或基于所述臂的運動調(diào)節(jié)的空間中的手的位置，從而擴大所述機器人的運動范圍和使機器人更靈巧。更強的適應(yīng)性。本文設(shè)計的手腕結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),它可以在空間中旋轉(zhuǎn)，擴大了機器人的工作范圍內(nèi)。手腕由伺服馬達，其由所述電動機延伸軸和端部執(zhí)行器連接的驅(qū)動，并且轉(zhuǎn)矩由軸承來發(fā)送。該力通過軸承殼體傳遞到殼體，使得馬達軸只能而不受其它力傳遞轉(zhuǎn)矩。其結(jié)構(gòu)示于圖3.5所示。1.末端執(zhí)行器2.手腕連接件3.軸承4.軸承座5.電機6.殼體7.桿件A1.Endactuator2.Wristconnector3.Bearing4.Bearingseat5.Motor6.Shell7.MemberA圖3.5腕部結(jié)構(gòu)圖Fig.3.5wriststructurediagram3.2.2臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計手臂部分是機械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部,并帶動它們做空間運動。臂部運動的目的是把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位),則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。臂部設(shè)計的基本要求:(1)承載能力大、剛度好、自重輕。臂通常彎曲（和在一個方向上沒有彎曲），并且還進行扭轉(zhuǎn)，并具有高的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的橫截面形狀應(yīng)選擇。因此，臂是由中空的，從而可以減少自重和提高剛性，以及各種機制可被配置在內(nèi)側(cè)，從而使結(jié)構(gòu)緊湊，外觀整潔。(2)臂部運動速度要高,慣性要小。在一般情況下,手臂的移動要求勻速運動,但在手臂的啟動和終止瞬間,運動是變化的,為了減少沖擊,要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大,否則引起沖擊和震動。臂動作應(yīng)靈活。為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。位置精度要高。機械手的剛度、偏重力矩、慣性力、及緩沖力會直接影響臂部的位置精度，應(yīng)加裝定位裝置和行程檢測機構(gòu)。本文設(shè)計的手臂是旋轉(zhuǎn)接頭。如圖3.6桿B被設(shè)計用于轉(zhuǎn)向齒輪的組裝。此時，轉(zhuǎn)向齒輪本身參與桿，從而節(jié)省了材料和設(shè)計的空間，并增加了臂的剛度的組合物。桿C被設(shè)計為支持在轉(zhuǎn)向齒輪軸。與轉(zhuǎn)向齒輪的合作形成了機械手臂的擺動關(guān)節(jié)。沒有軸承配合在接合，但實現(xiàn)搖臂和轉(zhuǎn)向齒輪體之間的相對主動。聯(lián)合驅(qū)動。1.桿件B2.舵機3.桿件C1.MemberB2.Steeringgear3.MemberC圖3.6桿件B與舵機配合圖 Fig.3.6fitdiagramofmemberBwithsteeringgear桿件A和桿件B通過螺栓連接即可形成一個完整的桿件,通過桿件A和B的組合設(shè)計具有以下幾個優(yōu)點:(1)使關(guān)節(jié)間距可調(diào)。通過調(diào)整A和B的長度，在所述臂的兩個接頭之間的距離可以調(diào)整，以調(diào)整所述臂的長度。（2）調(diào)整臂的重心：轉(zhuǎn)向齒輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是未知的，所以其重心可能不會在其幾何中心，并調(diào)節(jié)兩者之間的距離可以平衡由不利影響重心的位置。通過擺動關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的組合就可以形成完整的機械手臂。3.2.3機械臂電機的選型與計算人們往往關(guān)心機器人的最終位置和姿態(tài)，與轉(zhuǎn)向機構(gòu)具有很好的位置控制性，具有精密減速機，并且具有相同尺寸的其他電機無與倫比的輸出扭矩，所以我們選擇舵機作為舵機。聯(lián)合驅(qū)動。臂的結(jié)構(gòu)示于圖3.7，其中的聯(lián)合＃1的需要的轉(zhuǎn)向齒輪提供的最大轉(zhuǎn)矩，因此，我們計算此接頭。圖3.7機械手臂結(jié)構(gòu)圖Figure3.7Mechanicalarmstructurediagram機械臂各桿件處于水平時候?qū)Φ谝魂P(guān)節(jié)產(chǎn)生最大的力矩，計算方法是等效的方式，即將末端執(zhí)行器及假想的欲抓取目標單獨計算，其余桿件質(zhì)量集中到機械臂的中點計算：兩部分一共為，從而選用漢揚科技公司生產(chǎn)的舵機，型號為HSR9559，其保持力矩為。滿足設(shè)計要求。3.3本章小結(jié)機械臂是機器人的最終工作的執(zhí)行者。本文模仿人的手臂和設(shè)計三個關(guān)節(jié)機械臂。與此同時，桿部件的組合可用于調(diào)整機械臂構(gòu)件的長度，并且目標可以在280毫米在前面被抓住。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，而腕采用旋轉(zhuǎn)體，和端部執(zhí)行器采用分裂-和-兩指結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向齒輪被用來控制所述臂的轉(zhuǎn)動。所設(shè)計的抓斗重量300克。在設(shè)計范圍內(nèi)的工作要求可以實現(xiàn)。4機械材料選擇和零件的校核4.1機械材料選用原則機械零件材料的選擇是在機械設(shè)計中的一個重要問題。由不同材料制成的部件不僅具有不同的機械性能，而且具有不同的處理技術(shù)和結(jié)構(gòu)形狀。對于機械零件常用的材料是鐵類金屬，非鐵金屬，非金屬材料和各種復(fù)雜的復(fù)合材料。選擇材料主要應(yīng)考慮以下三方面的問題。1、使用要求使用的要求，一般包括：加載條件和部件的工作狀態(tài);上的大小和該部分的質(zhì)量的限制;一部分的重要性。若零件尺寸取決于強度,尺寸和重量受到一定限制，應(yīng)使用強度更高的材料。在靜態(tài)應(yīng)力下工作的零件應(yīng)均勻分布（拉伸，壓縮，剪切）。應(yīng)使用具有均勻微觀結(jié)構(gòu)和高屈服極限的材料。熱處理后應(yīng)對不均勻的應(yīng)力分布（灣區(qū)，扭轉(zhuǎn)）進行處理。一種在較高應(yīng)力下具有較高強度的材料。對于在可變應(yīng)力下工作的零件，應(yīng)使用具有較高疲勞強度的材料。零件的尺寸取決于接觸強度。金星表面可以加強的材料，如淬火和回火鋼，滲碳鋼和滲氮鋼。如果零件大小取決于剛度，應(yīng)當使用具有大的彈性模量的材料。碳鋼和合金鋼的彈性模量之間的差異是非常小的，所以高質(zhì)量的合金鋼的選擇沒有任何意義，以提高該部分的剛性。的橫截面面積是相同的，并且改變所述部分的形狀和結(jié)構(gòu)可大大提高剛性。在滑動摩擦下工作的零件應(yīng)選用摩擦性能好的材料;在高溫下工作的零件應(yīng)選用耐熱材料;在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐腐蝕材料等。2、工藝要求材料的工藝要求有三個方面內(nèi)容（1）大部件從坯料制造，并且鑄造毛坯在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用。具有復(fù)雜形狀的零件易于制造只用空白，但鑄件應(yīng)當由具有良好的鑄造性能，如鑄鋼，灰鑄鐵或球材料鑄鐵。大部件僅在小批量生產(chǎn)，并且可以使用拼焊板。然而，焊接性應(yīng)考慮的材料的可焊性和待產(chǎn)生裂紋的傾向。對于小型和中型部件，鍛造坯可以被使用，并且大型鍛件可以鍛造和少量偽造。鍛造坯主要考慮延展性，熱膨脹和可變形的材料制成，并且具有良好的鍛造性能的材料應(yīng)選擇。（2）加工大量的批量生產(chǎn)的部件可以通過自動機床進行加工以提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。切割性能的選擇要考慮能在切割后可以實現(xiàn)零件和材料，表面粗糙度和表面性質(zhì)的自由切削性能。良好的材料，例如材料是易于切割，具有平滑的表面，并且具有低的工具磨損。3、經(jīng)濟性要求（1）經(jīng)濟性首先表現(xiàn)為材料的價格。當能用價格低廉的材料能使?jié)M足使用要求時，就不應(yīng)該選用價格昂貴的材料。這對中大批量生產(chǎn)的零件及其重要。(2)當零件的質(zhì)量不大而加工量很大，加工費用在零件總成本中要占很大的比例，這時，選擇材料時所考慮的因素將不是相對價格而是其加工性能和加工費用。(3)要充分考慮材料的利用率。例如采用無切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時也應(yīng)該設(shè)法提高利用率。(4)采用局部品質(zhì)原則。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理工藝，使各局部的要求分別得到滿足。(5)盡量用性能相近的廉價材料代替價格相對昂貴的稀有材料。另外選擇材料時應(yīng)盡量考慮當?shù)禺敃r的材料供應(yīng)情況，應(yīng)盡能的減小同部機器上使用的零件材料品種和規(guī)格不同。4.2零件材料選擇與強度校核從材料的選擇原則，處理要求和經(jīng)濟要求的要求出發(fā)，選擇機械的身體部位的材料。在機械手臂中各個傳動件是關(guān)鍵性零件,如傳動軸和齒輪系,它們的強度、剛度等機械性能直接影響機械手的工作質(zhì)量。1、軸類零件材料的選擇與校核(1)軸材料的選擇傳動軸的常用材料有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼對應(yīng)力集中的敏感性較低,還可通過熱處理改變其綜合性能,價格也比合金鋼低廉,因此應(yīng)用較為廣泛,常用45號鋼。合金鋼則具有更高的機械性能和更好的淬火性能。因此,在傳遞大動力,并要求減小尺寸與質(zhì)量,提高軸頸的耐磨性,以及處于高溫或低溫條件下工作的軸,常采用合金鋼。在一般工作溫度下碳素鋼與合金鋼的彈性模量基本相同。因此,用合金鋼代替碳素鋼并不能提高周的剛度。鑒于此,全方位移動結(jié)構(gòu)中的車輪,轉(zhuǎn)軸;機械手傳動機構(gòu),螺紋軸采用45號鋼,就完全能夠滿足設(shè)計要求的需要。(2)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向軸強度校核由于該軸的最小軸直徑是直徑為10毫米的部分，僅需要檢查此部分。軸的運動主要是受到扭轉(zhuǎn)力，所以只有抗扭強度進行檢查。軸的扭轉(zhuǎn)校核公式為:（4-1）式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為軸的材料為45號鋼,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為由第二章可知，轉(zhuǎn)向機構(gòu)選擇的電機型號為57BYG250B-SASRM-0152，其靜力矩為。即。由于此段軸中有鍵，其截面如圖4.1所示：抗扭截面系數(shù)：（4-2）圖4.1軸截面圖中將數(shù)值帶入公式計算得：則：從此可知，所設(shè)計的轉(zhuǎn)軸強度滿足使用要求，可以使用。(3)車輪的校核車輪是整個機械部件的支撐和整個結(jié)構(gòu)的最強調(diào)的部分。在這里，45鋼是由物質(zhì)經(jīng)濟和強度方面的選擇。為了增加在車輪和加工過程中的接觸面之間的摩擦，所述輪的表面應(yīng)該被滾花，這是更有利于機器人的運動。整個車輪部進行12千克的重量。由于整個活動機構(gòu)具有四個輪子，每個輪子僅接收3千克的權(quán)重。接收到的引力只有。車輪的直徑為110毫米，并且整個可動部的強度是非常大的，這完全符合設(shè)計要求。2、齒輪系材料的選擇與強度校核(1)齒輪材料的選擇齒輪的主要失效形式有輪齒折斷、齒面疲勞點蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形。因此設(shè)計齒輪時要使齒面具有較高的抗點蝕、抗磨損、抗膠合和抗塑性變形的能力,齒根則要有較高的抗折斷能力。為此,對齒輪材料性能的基本要求為齒面要硬,齒心要韌。鋼材韌性好,耐沖擊,容易通過熱處理來改善其機械性能和提高硬度,是制造齒輪最常用的材料。對于強度、速度和精度要求不高的齒輪傳動,可以采用軟齒面齒輪。軟齒面齒輪的齒面硬度低于350HBS,熱處理方法為調(diào)制或正火,常用材料有45號鋼和40Cr等。加工方法一般為熱處理后切齒,切制后即為成品,精度一般為8級。本文設(shè)計的齒輪副速度要求不高,所以設(shè)計選用40Cr為材料,軟齒面即可滿足傳動要求。(2)齒輪副的強度校核當齒是負載下，根部受到最大彎曲力矩，所以根的彎曲疲勞強度是最弱的。對于具有較低的