移動(dòng)取物機(jī)器人

王博

【摘 要】隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在社會(huì)、國(guó)防和工業(yè)中有著舉足輕重的地位。移動(dòng)取物機(jī)器人技術(shù)屬于多學(xué)科相互交叉，是機(jī)電一體化的典型代表，同時(shí)也是我高科技水平和發(fā)展實(shí)力的重要標(biāo)志。本文介紹了移動(dòng)取物機(jī)器人的研究背景，對(duì)國(guó)內(nèi)外移動(dòng)取物機(jī)器人的相關(guān)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，分析了其組成機(jī)構(gòu)及運(yùn)行原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款新的移動(dòng)取物機(jī)器人。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)取物機(jī)器人;機(jī)械手;履帶車;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)取物機(jī)器人技術(shù)屬于當(dāng)今世界先進(jìn)技術(shù)，其包含了多個(gè)學(xué)科;移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造涉及了機(jī)械工程、材料工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、生物工程、傳感器與控制工程等諸多科學(xué)，是機(jī)電一體化的典型代表[1]。

就我國(guó)而言，人口老齡化問題已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)峻。根據(jù)相關(guān)調(diào)查，2010年65歲以上老齡人口總數(shù)已經(jīng)達(dá)到1.11億，預(yù)計(jì)2050年將達(dá)到3億左右，與此同時(shí)，世界老齡人口也呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此服務(wù)型的機(jī)器人是一大熱門。

移動(dòng)機(jī)器人在航天領(lǐng)域、快遞分類、國(guó)防建設(shè)等方面表現(xiàn)不凡，特別是在工作環(huán)境惡劣，對(duì)人體有極大傷害的場(chǎng)所如：核輻射區(qū)域、外太空等，只能依靠移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)調(diào)查和偵察。美國(guó)在對(duì)伊拉克的戰(zhàn)爭(zhēng)中，使用了很多現(xiàn)代機(jī)器人，包括排爆機(jī)器人、偵察機(jī)器人、防衛(wèi)機(jī)器人等，總數(shù)目已經(jīng)達(dá)到兩萬多套，（無人機(jī)七萬多套，地面機(jī)器人近兩萬套）[2]。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng)用了為應(yīng)對(duì)各種場(chǎng)合而研發(fā)的特定功能機(jī)器人，但是我國(guó)尚處于研究初期。

綜上所述，人們已經(jīng)清楚意識(shí)到地面移動(dòng)取物機(jī)器人的優(yōu)越性，相應(yīng)的，移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)性能隨之提高：運(yùn)行更穩(wěn)，動(dòng)作更精確，沖擊小。所以，具有智能性作業(yè)的自主移動(dòng)機(jī)器人會(huì)在未來人們生產(chǎn)生活中，包括消防、航天、軍工中應(yīng)用越來越廣，已經(jīng)成為二十一世紀(jì)發(fā)展的重要方向之一。

一、移動(dòng)取物機(jī)器人機(jī)構(gòu)原理

如圖所示，移動(dòng)取物機(jī)器人主要由智能移動(dòng)平臺(tái)和搬運(yùn)機(jī)械臂兩大部分組成。用來實(shí)現(xiàn)物品的定點(diǎn)運(yùn)輸。總共有6個(gè)自由度。

移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)主要包括總控制系統(tǒng)，機(jī)械臂取物系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)組成。

總控制系統(tǒng)是控制移動(dòng)取物機(jī)器人的中樞，檢測(cè)機(jī)器人各處的工作情況，處理來自其他兩個(gè)系統(tǒng)的信息，發(fā)送控制信息，來保證整個(gè)移動(dòng)取物機(jī)器人正常工作。移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的功能是實(shí)時(shí)收集移動(dòng)機(jī)器人的周圍環(huán)境信息，保證機(jī)器準(zhǔn)確、高速、安全的到達(dá)目的地。機(jī)械臂取物系統(tǒng)則是控制機(jī)械臂調(diào)整機(jī)械臂及機(jī)械手的姿態(tài)，配合移動(dòng)平臺(tái)的位置來準(zhǔn)確夾取和釋放物品。

移動(dòng)取物機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)：機(jī)械臂和履帶車。機(jī)械臂由底座，大臂，小臂和機(jī)械手構(gòu)成，其中底座部分安裝了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，用于提供底座、大臂和小臂回轉(zhuǎn)的動(dòng)力。

（一）智能移動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

常見的移動(dòng)平臺(tái)行走方式有：腿式機(jī)構(gòu)、履帶式機(jī)構(gòu)、輪式機(jī)構(gòu)和組合式等，其中應(yīng)用最廣泛得式履帶式和輪式[3]。

機(jī)器人的智能移動(dòng)平臺(tái)采用選擇履帶式，其自由度是二，履帶式移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)上與行駛表面接觸面積大，可以適應(yīng)土質(zhì)疏松的環(huán)境，工作環(huán)境適應(yīng)性高。履帶式通常采用差速驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

履帶車大體上由底盤、側(cè)壁、固定輪和傳動(dòng)鏈輪鏈條組成[4]，其中鏈條和底盤是負(fù)載最大部分，它的穩(wěn)定性可以說是整個(gè)移動(dòng)取物機(jī)器人開始的關(guān)鍵一步。履帶車底盤上面便是整個(gè)機(jī)械臂部分，由于本次設(shè)計(jì)夾取的物品質(zhì)量并不大，因此一般電機(jī)就可。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程可描述如下，電機(jī)通過聯(lián)軸器將動(dòng)力輸送給鏈條驅(qū)動(dòng)輪，鏈輪帶動(dòng)鏈條前進(jìn)，通過兩側(cè)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，可以使小車完成轉(zhuǎn)彎，回轉(zhuǎn)，停車等正常功能。其整體結(jié)構(gòu)圖2所示：它包含以下方面和功能：

1.履帶車側(cè)壁：是聯(lián)系履帶車底盤與系桿的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，均使螺栓連接;上面配有系桿回程槽口，當(dāng)履帶車需要翻越障礙時(shí)，固定輪將會(huì)帶著系桿在槽內(nèi)回轉(zhuǎn)，使得整個(gè)小車高度降低，提高爬坡力。

2.電機(jī)：兩個(gè)電機(jī)即提供了履帶車兩個(gè)自由度。

3.復(fù)位彈簧：降低履帶車運(yùn)動(dòng)時(shí)候的震蕩程度，在履帶車完成爬坡后，將系桿恢復(fù)原位，使之能進(jìn)行下一次攀越。一端固定在側(cè)壁卡扣上，另一端固定在系桿卡扣上。

4.系桿回程卡槽：一個(gè)圓弧狀的槽，系桿的定位柱可以里面定位，并設(shè)計(jì)由22°的活動(dòng)范圍，使小車攀越能力提高。

5.傳動(dòng)鏈條：是小車行駛的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，用鏈條代替輪子，使得整個(gè)小車牽引力增大，重心低，附著系數(shù)大，具有良好的抵抗傾翻性和坡地穩(wěn)定性。

6.驅(qū)動(dòng)鏈輪：需要有一定的彎曲強(qiáng)度，使得電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)鏈條實(shí)現(xiàn)小車行駛。設(shè)計(jì)為雙排鏈輪鏈條結(jié)構(gòu)，這使得鏈輪穩(wěn)定力學(xué)性能提高，平穩(wěn)性高。

7.固定輪：平衡整個(gè)履帶車，定位履帶，使之能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

8.系桿：通過螺栓固定在側(cè)壁上，配有定位卡柱和彈簧卡扣，需要一定的強(qiáng)度，來承擔(dān)運(yùn)動(dòng)載荷。

（二）機(jī)械臂機(jī)構(gòu)原理

從理論上將，機(jī)械臂的空間連桿結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其可以運(yùn)動(dòng)的最大范圍，關(guān)節(jié)型機(jī)器人最為常見，使用很廣。關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械臂優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，整體所占體積小，相對(duì)來說，工作空間最大，動(dòng)作靈活，活動(dòng)慣性小，動(dòng)作更具有連續(xù)性和重復(fù)性，還可以穿過障礙物。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)移動(dòng)取物機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)要求機(jī)械手質(zhì)量輕、體積小，可折疊，對(duì)動(dòng)作半徑和靈活度要求較高，結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)，分析國(guó)內(nèi)外移動(dòng)取物機(jī)器人機(jī)械臂后，決定采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人，初步設(shè)計(jì)機(jī)械臂構(gòu)件為：底座、大臂、小臂、執(zhí)行端夾持器，需要實(shí)現(xiàn)底座回轉(zhuǎn)，大臂回轉(zhuǎn)，小臂回轉(zhuǎn)，夾持器夾取四個(gè)動(dòng)作，所以其自由度為4。

這里機(jī)械臂選用分離型機(jī)械臂設(shè)計(jì)。它不是直接由驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)，而是驅(qū)動(dòng)元件通過一定的傳動(dòng)方式將動(dòng)力一步一步傳給運(yùn)動(dòng)件;這種設(shè)計(jì)方法可以讓機(jī)械手臂工作過程中能源利用率高，重量集中在底座，使機(jī)械臂運(yùn)行更穩(wěn)，但缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)多個(gè)零件，且維護(hù)不便。由于移動(dòng)取物機(jī)器人機(jī)械臂自由度等于4并不多，所以分離式關(guān)節(jié)機(jī)械手臂也并不復(fù)雜，負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在底座上，大大降低了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。

機(jī)械臂如圖4為其機(jī)構(gòu)原理圖，由底座、大臂、小臂、執(zhí)行端組成，共四個(gè)自由度，動(dòng)力源采用3個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)舵機(jī)。采用的傳動(dòng)方案最終定為復(fù)合平行四邊形桿組結(jié)構(gòu)，左邊電機(jī)通過一個(gè)平行四邊形桿組驅(qū)動(dòng)小臂運(yùn)轉(zhuǎn)，右邊電機(jī)通過復(fù)合平行四邊形桿組驅(qū)動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng);在使得平行件的運(yùn)動(dòng)角速度完全一致，又保證了執(zhí)行端一直與地面平行，使機(jī)械臂在夾取物品過程中十分穩(wěn)定，使物體保持與履帶車底板平行。

在選擇機(jī)械臂的制造材料時(shí)主要綜合考慮材料的強(qiáng)度、剛度、可加工性及價(jià)格等。本機(jī)器人主體采用6063鋁合金，6063鋁合金適用范圍廣，生活中很常見，其裝配性能、耐蝕性能良好，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。履帶車由于承載力較大，7050鋁合金具有很高的強(qiáng)度和韌性，因此選用7050鋁合金。

二、機(jī)器人工作范圍

本次設(shè)計(jì)的是移動(dòng)取物機(jī)器人，機(jī)械臂在底板上放置如圖5所示，在x方向整體的約三分之一處，并不在中心位置，因?yàn)檎麄€(gè)機(jī)械臂實(shí)際工作時(shí)得質(zhì)量不集中在中心，這樣做可以使機(jī)器人在取物過程中很平穩(wěn)，有個(gè)平衡力矩平衡取到的物體，不會(huì)發(fā)生傾覆。

圖5為機(jī)械臂大小臂運(yùn)動(dòng)范圍。大臂長(zhǎng)155mm，運(yùn)動(dòng)角度范圍為90度，小臂長(zhǎng)190mm，運(yùn)動(dòng)那個(gè)范圍為120°;由圖可知在機(jī)器人固定時(shí)，機(jī)械臂可以拿取從地面到離地面50cm高（底座離地面16cm），方圓25cm左右的物品。理論上，移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)，可以拿取高度在50cm以下、體積質(zhì)量合適的任何物品。圖6為設(shè)計(jì)出的移動(dòng)取物機(jī)器人總裝圖：

四、結(jié)束語

本文介紹了一種新型機(jī)器人——移動(dòng)取物機(jī)器人，設(shè)計(jì)了它的機(jī)械臂和履帶車兩部分，并對(duì)機(jī)器人的作業(yè)空間進(jìn)行仿真分析。該機(jī)器人在構(gòu)型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、驅(qū)動(dòng)方式以及總自由度等方面都具有創(chuàng)新性。對(duì)移動(dòng)取物機(jī)械的原理分析到機(jī)械臂構(gòu)型及其驅(qū)動(dòng)方式選擇，再到具體傳動(dòng)方案的設(shè)定、材料的選擇，然后進(jìn)行了零部件設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)部件選型及其強(qiáng)度校核，用Solidworks中Simulation插件對(duì)重要零件進(jìn)行了仿真模擬。該助餐機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)巧妙、易于加工制造、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且與同類產(chǎn)品相比成本低，易于產(chǎn)品化。

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