移动机器人机械臂的结构设计+文献综述(4)
作为一款多功能移动机器人，为完成如排爆等任务，抓取危险物品移动至安全爆地点，等够灵活的移动到指定的目标位置来抓取目标物，能够方便的伸长、旋转达到不同的姿态，自由度太少将大大限制机械手的工作空间，无法抓取目标物，有时考虑到目标物可能置于狭小空间中，还应该使机械手能够有效到达避障的目的。考虑到还有底盘的移动以及机械臂的重量 。本文设计的机械手具有3个自由度。下面分别是手部、臂部和肩部的具体设计。机械臂的结构体如图2.1所示：
图2.1机械臂的结构
1.手部关节 2.肘关节 3.肩关节 4.转台
2.2 机械臂设计的主要参数
2.2.1 臂长的确定
加拿大西蒙弗雷泽大学的高峰等人根据手臂和腿部的结构组成，提出了尺寸综合的三动杆原理 ，作为机械手结构运动学、动力学的评价准则。该原理的内容是：人体手臂、腿部及动物四肢从机构原理上分析都可以看做三自由度平面三动杆演化来，因为决定他们的运动学和动力学特征的最基本的部分是平面运动，这部分运动被称为三动杆的主运动，它是瞬时运动轴线平行的三动杆机构运动，三自由度面的动杆机构可以作为上述机构的简化模型，该机构的运动学、动力学的评价准则同样可以用来衡量手臂机构的运动学和动力学性质。根据三动杆基本运动理论，仿人手臂可以看做三动杆机构，即将大臂、小臂、手爪作为三动杆。
假定机械手各部分长度为：上臂A、小臂B、手爪C，L=(A+B+C)/3，则可得到r1=A/L，根据三动杆机构的性能分析，可以得出下面的结论：即当三动杆满足下列条件，r1:r2=1~1.2，并且r3<0.5时，三动杆的灵活性和运动幅度较高，同时，其全局条件数最大，手臂末端的操作速度、变形也处于中等范围内。当全局条件数最大时，操作过程中易于实现精度控制。
因此，结合三动杆原理，确定机械手的各部分尺寸长度为大臂380mm、小臂420mm、手爪160mm。该设计长度还考虑到了机器人的排爆用途，即机械手必须能够将爆炸物抓取移动，以直径40mm，长为360mm的圆柱体为例进行了计算，这样确定了上尺寸。
2.2.2 结构参数要求及设计的原则
(1)结构设计参数的要求
机械臂折叠时总长≤650mm，单臂杆转动范围：150°，旋转速度0.5rad/s，机械臂的抓取重量为3kg，抓取对象为直径40mm、长度360mm的圆柱体。
(2)机械系统是移动机器人机械臂性能的基础，结构设计参数直接影响到移动机械臂性能指标。合理的、优化的结构设计不仅提供可靠的机器人本体，更可以减少调试试验中的不可靠因素。但是，机械设计周期十分长，其受到的影响因素也很多，包括加工精度、热处理工艺、材料选取、装配工艺、非正常状况等等都将影响到机械系统的性能，所以机械系统的设计在本项目中显得十分重要。
在设计过程中应遵循以下结构设计指标：
（a）结构尺寸方面满足设计指标；
（b）零件结构便于加工、测量；
（c）满足刚度强度要求;
（d）总体结构易拆卸，便于平时的试验、调试和修理；
（e）给机器人暂时未能够修配的传感器、功能元件等预留安置位置，以备将来能改进与扩展；
（f）采用模块化设计，各个功能模块之间互相独立装配，互不干扰。
设计过程中主要使用的设计工具有三文设计软件SolidWorks2011以及Auto desk公司的二文设计软件AutoCAD2008。
3 移动机械臂机械手部结构设计
3.1 手部结构设计要求