可移动搬运机器人机械臂结构设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究目的及意义

我国制造业经过持续快速发展，建成了门类齐全、独立完整的产业体系，但是还存在大而不强等一系列问题，所以中国制造2025对我国制造业提出了新要求，要使我国从制造大国向制造强国迈进。在这个过程中，关于机器人的研究是重要的一环，工业机器人目前已经在工业生产中普遍应用，可以降低生产成本，提高产品质量。初了在工业上的应用，在医疗、军事、家庭服务、办公指引、航天探索、深海探索等领域的应用也越来越多，尤其是在医疗、家庭服务和办公指引方面的应用意味着机械臂的轻型化和可移动化越来越重要。

本文拟设计一种搭载在可移动平台上的轻型机械臂，用以搬运轻型货物，设计目标是应用在物流运输上。网购普及使得轻型物品的运送量大大增加，但是目前无论是在商家发货还是最后将货物送到家门口，都是由人将物品搬运到车上，再由快递员运送，需要许多的劳动力。而传统的用于物流的机械无论是叉车，还是工业生产末端使用的码垛机器人，要么是针对大宗货物设计，要么不具备移动能力，工作空间有限，都不能应用于当前的网购快递行业。所以通过和组内其他成员的设计配合，设计的该机器人可以自己基于视觉搬运货物，对商家来说，有望实现将打包好的货物从仓库搬运到车上，对于末端来说，则可以将运到的货物从车上或者物流驿站运送到家门口。

当然上述只是其中的一个应用方面，随着以后通信技术、计算机技术和传感器的发展，本次设计的搭载在可移动平台上的轻型机械臂可以在很多其他领域有所应用。另外本次设计的轻型机械臂也可以通过简单的改变搭载在不同的平台，例如无人机上，完成要求的任务，所以该机械臂具有广阔的应用前景。

1.2国内外研究现状

由于轻型机械臂在不同领域的广泛应用前景，国内外许多的研究机构和企业展开了广泛的研究，成果显著。以下就国内外的研究现状进行一个简单的论述。

1.2.1国外研究现状

国外对于机械臂的研究起步较早，德国、瑞典、日本和美国等国家的研究走在世界前列。

由于起步较早，所以轻型机械臂在国外的各个领域已经得到了广泛的应用，除了在陆地上在移动平台搭载之外，在深海探索的潜艇上，还有在小型无人机上的搭载，能够完成各种任务。目前轻型机械臂有设计的复杂的，也有设计的简单的。

设计较为复杂的关节设计一般采用模块化设计，将控制装置和关节的结构件集成在一起，采用了大量的传感器，控制系统采用伺服控制，并且在机械臂的执行机构的震动和挠度上进行了很多的优化。复杂的机械臂更加灵活，这也意味着的自由度往往也比较多，通常会达到六到七个自由度，甚至更多，而且是交叉耦合的自由度。例如在John N. Lygouras, Basil G. Mertzios和Nicholas C. Voulgaris设计的一种轻型机械臂中，有六个自由度和一个转动关节的机械手，采用分布式布局，传感器、执行机构和降压齿轮组直接位于每个关节中，每个关节负责一个特定的自由度。这种布置的优点是与机构其余部分的运动连接简单，易于维护和维修。但有一个严重的缺点每一部分是严重不平衡的，必须采用另外进行平衡，在该设计中是采用转移连杆的重心的方法来进行平衡的。设计的结构简图如下所示。

图1.1 六自由度机械臂

用于完成比较简单的工作的机械臂的自由度比较少，一般自由度在四到五个，在设计上多考虑降低机构的复杂程度，但在动力装置上还是以直流伺服电机为主。例如由Carmine Dario Bellicoso, Luca Rosario Buonocore, Vincenzo Lippiello和Bruno Siciliano设计的一种搭载在垂直起降的无人直升机上的五自由度的机械臂，用来简单的拾取物品。臂重/有效载荷:250g / 200g，臂最大伸长:300mm。臂身设计考虑轻型化，采用蜂窝状的镂空设计。传动主要是皮带和带轮传动，还有齿轮传动，共有一个动力源提供动力，减轻了质量，适合在小型无人机上使用。这种机械臂的另一个特点就是可以折叠，以方便直升机的起降。值得注意的是该机械臂的材料和工艺，采用丙烯酸单体材料，由3D打印机制造，虽然减轻了质量，但是强度下降，所以不得不进行有限元分析。

图1.2 小型无人机上使用的机械臂

总之，国外的轻型机械臂种类繁多，有复杂的也有简单的，广泛搭载在各种平台上完成不同的任务。较先进的结合了现在比较先进的电子技术，使用大量的传感器，总体在向智能化和无人化的操作的方向发展，相信随着现代信息技术的发展，以后这种具有轻型机械臂的机器人会走进普通家庭的生活，在更多的领域得到应用。

1.2.2国内研究现状

国内对于机械臂的起步较早，但是大多数都是用于工业生产的工业机器手，轻型机械臂的研究开始的时间不长，但是也取得了很多的成果。

较早研究的比较简单的机械臂主要是用于示教和研究用的，比如哈尔滨工业大学的王罗罗设计的一种可折叠的轻型机械臂原理样机，具有4个自由度，整机功率不超过55W，重量不超过11kg,末端负载大于2kg。总体构型为旋转-俯仰-俯仰-俯仰的结构，杆身的长度设计和关节转角的角度使得该机械臂可以折叠。关节的设计方案中，比较了基于模块化的设计和基于分离式的设计方法之后，选择了基于模块化的关节设计方案。其中腰关节和肩关节的结构相同，肘关节和腕关节的结构相同。采用直流无刷电机作为驱动器，传动机构有谐波减速器、齿轮系和同步带，电气走线方案采用内部走线的方式。这种机械臂虽然结构简单，但是对于轻型机械臂的原理研究具有很强的指导意义，可以从中学习各种设计方法、不同的驱动元件、不同的传动元件的优劣。

经过近十几年的发展，国内针对轻型机械臂的优化方法也得到了广泛的研究，例如针对轻型机械臂的能耗降低和质量减轻的优化上，武汉理工大学的杨峰提出了一种基于碳纤维和铝合金的机械臂结构优化设计。碳纤维材料的使用以及空心圆截面的设计使得该机械臂在保持足够强度的情况下，质量得以大大减轻。在针对机械臂的灵活性的优化设计上，哈尔滨工业大学的齐彬提出的仿人运动方法的机械臂设计，结合设计指标和机械臂的应用场合制定设计准则，分析人体上肢结构及其运动机理并结合全局可操作度指标确定机械臂最优构型，根据人体工程学确定机械臂连杆尺寸及各关节运动范围，使得该机械臂的灵活性得以提高。

目前国内市场上出售的比较高端的一般是六轴的机械臂，采用伺服电机驱动或者直流电机驱动，配套有伺服控制技术，保证良好的软性和刚性，运动过程更加平稳可靠，用于一些精度要求比较高的生产场合，比如点胶、冲压、打孔、喷涂等场合。比较低端的自由度较少，且每个关机的驱动都由舵机来完成，价格相对也比较便宜。

目前轻型机械臂的基本设计方法有两种，一种是基于模块化关节的设计，一种是基于分离式关节的设计，两种方法各有特点。基于模块化关节的设计是将电机、传动机构、传感器等集成在关节内部，特点是多通过大减速比的传动方式，如谐波减速器、多级行星减速来实现关节的大力矩输出和高的负载/自重比，关节内机电一体，集驱动、减速和传感系统于一体；优点是设计周期短，效率高，互换性好，易于维护，结构紧凑，可以根据轻型臂自由度数目进行关节组合；缺点在于存在着传动回差问题，另外简单的模块化分类，会忽略一些不同关节细节处的区别。基于分离式关节的设计，多采用绳轮传动或者链传动等传动方式；通常将关节的驱动电机设计在靠近基座或远离末端手爪的位置，尽量减小系统的转动惯量，使轻型臂的重心靠近基座，从而优化关节承载性能；优点在于摩擦损耗低，传动效率高，转动惯量小，能反向驱动，可考虑各关节细节处的区别，有针对性地进行结构设计；缺点在于设计周期长，结构不紧凑，关节难以自由组合等。

总之，国内的轻型机械臂现在也已经种类繁多，被应用的领域也十分的广泛，但还是有很多可以使用的场合等待开发。

2. 研究的基本内容与方案

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1设计的基本内容

初定的机械臂的结构如下：

图2.1 机械臂的基本结构

设计内容是对机械臂的结构设计，主要包括三个关节腰关节、肩关节、肘关节和腕关节的结构设计以及各个关节传动方案设计；臂身、大臂、小臂和抓手的结构设计；电气走线方式的设计。各个关节的传动设计要用目前常用的传动元件，比如齿轮组、带传动、链传动、涡轮蜗杆传动等里面选择合适的元件，再对这些元件的尺寸进行设计。主要的结构件臂身、大臂、小臂和抓手要根据选用的传动元件进行设计，不仅要在上面流出这些传动元件的安装位置，还要考虑结构的功能是否能完成，怎样的尺寸才能使机械臂的灵活性最高。

2.2设计目标

本次设计的目标是一款可以搭载在移动平台上的轻型机械臂，主要用于轻型货物的搬运。在机器人移动到物品旁边之后，由视觉控制系统控制机械臂，使抓手运动到合适的位置，要完成物品的拾取动作。在将物品平稳的拿起之后，机械臂完成收回动作，以保证移动时整个机器人和物品的整体重心基本在底盘的中心的垂直位置，保证在行进时重心的稳定。收回机械臂之后，机器人通过移动平台将物品搬运到指定地点。到达指定地点之后，机械臂伸展，将物品平稳放下，松开抓手，完成一次搬运过程。

根据上述的工作过程分析可知，所设计的机器人要完成拾取物品，机械臂的伸展和收回，带着物品移动，释放物品这几个动作。所以拟设计的机械臂要能通过腰关节的转动、肩关节和肘关节的俯仰以及抓手的张合完成对物品的拾取、释放和在搬运过程中的夹紧。

2.3拟采用的技术方案

本次设计的机械臂工作内容要求机械臂的重心靠近基座，以减少整个机械臂的转动惯量；其次，各个关节的特点不同，无法统一设计，所以拟采用基于分离式关节的设计方法。

首先根据拟定的基本设计内容里确定的机械臂的基本结构，再参照目前市面上已经有的产品先选定各个关节的传动机构；再根据传动机构的特点和目标要求对机械臂的臂身、大臂和小臂进行结构设计，在这三个结构件的设计上，主要遵循产品的轻量化的原则，使机械臂的自重尽可能降低，使用Croe进行建模；抓手的设计参照目前广泛应用在机械臂上的抓手的基础上进行设计，抓手的设计主要考虑抓取可靠，在抓手末端可选用有缓冲作用的材料，避免对物品的损坏，抓手也需要建模。在完成建模之后，进行装配。在建模装配完成之后，进行运动学分析，拟采用Mtalab软件进行，以求解工作空间等。

在动力源的选用上，先比较舵机、步进电机和伺服电机的工作特点，再结合该机械臂预计达到的性能，包括运动时的速度、可靠性以及对位置控制的可靠性，选择一种最适合的作为动力源。

在材料的选择上，先查看目前在轻型机械臂上使用的各种材料，再查阅各种材料的物理性能，为了减轻自重，减少成本，应该选用一种强度高、密度低并且价格相对便宜的材料。

在电气走线方式上，主要考虑传感器的安装位置，尽量将线路沿着机械臂布置，使线路不受到来自外部的损伤，同时要不干涉各种机械部件的运动。

3. 研究计划与安排

3．进度安排

周次	工作内容
第一周	提交文献检索摘要
第二、三周	撰写开题报告并提交，整理论文提纲、设计概要
第四周	进行外文翻译并提交
第七周	开始绘图
第八周	继续绘图
第九到十一周	完成绘图
第十二周	提交设计说明书、绘图等材料
第十三、十四周	教师审阅并确定答辩资格
第十五周	修改设计说明书、答辩PPT
第十六周	毕业设计答辩

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王罗罗. 轻型机械臂的结构设计及控制研究[d].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[2]陶子航. 轻型机械臂结构及控制系统的设计研究[d]. 2017.