服务机器人手臂关节结构设计说明书
摘要
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机械手是一门涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个方面的学科，它代表了机电一体化的最高成就。现今，机械手已经运用到各个领域，特别是在装配作业方面。在装配机械手中，平面关节型装配机械手（即SCARA型）是应用最广泛的一种装配机械手。
本课题提出设计一种服务机械手，用于电子元器件等的装配，在分析国内外SCARA产品基础上，经过不同方案的比较，在确定了最优方案后通过认真的计算，仔细的校核，使设计结构简单、运行可靠、经济合理，能满足教学实验等需要，对于更好地熟悉和掌握相关课程具有重要的意义。
本文设计的是一种小型服务装配机械手，主要对这种机械手进行结构方面的设计。本文设计的SCARA机器人具有以下特点：通用性好、体积小、重量轻、外形美观、成本低，对其本体的可行方案进行了充分的研究后，设计成具有多个自由度的结构，由机身、大臂、小臂及手腕组成，谐波减速器、齿轮、丝杠螺母等组成了机械手简单可靠的传动方案。该电机的多个关节均采用步进电机驱动，具有控制简单、成本低的特点。
关键词：工业机械手自由度机器人
Abstract
Robot is a kind of science related to many other ones such as computer science, mechanism, electronics, automation control and artificial intelligence. Now, robots are used in many fields, especially in the aspect of assembly task. It represents the up-most level of mechatronics. Among assembly, plane articulated assemblyrobot (SCARA manipulator) is used most widely.
This topic puts forward designing a kind of assemble robot, used for an assemble electronics component, after analy domestic and international SCARA, the surface of sphere SCARA etc. Through compare with different project. After making sure superior project, though the careful calculation and check.Make design with simple structure,credibility circulate, reasonable cost, can satisfy the teaching experiment etc..
The presented SCARA manipulator in this paper is a pint-sized assembly robot, where the structure of SCARA manipulator is designed. The presented SCARA manipulator in this paper has following characters: good universality, small volume, light weight, beautiful appearance and low cost, so the structure of robot is fully considered which has four freedoms and is consisted of comprises base, big arm, small arm and wrist. The simple reliable transmission scheme of SCARA manipulator is composed of harmonic deceleration and gear wheel and feed screw. The four joints are all driven by stepping motors, which has the characters of simple control and low cost.
Keyword: Industrial robots Freedom Robot
目录
摘要...............................................................I Abstract............................................................II 第1章绪论 (1)
第2章总体方案设计 (3)
2.1 工业服务机器手的传动系统设计 (3)
2.1.1机械手驱动系统的比较与选择 (3)
2.1.2 传动机构的对比与分析 (5)
2.2 机械手总体设计方案的比较确定 (6)
第3章步进电机的选择及其校核计算 (11)
3.1 主要技术参数确定 (11)
3.2 各自由度步进电机的选择 (11)
3.2.1第一自由度步进电机的选择 (12)
3.2.2第二自由度步进电机的选择 (13)
3.2.3第三自由度步进电机的选择 (13)
3.2.4第四自由度步进电机的选择 (14)
3.2.5第五自由度步进电机的选择 (14)
3.3 第一自由度轴传动系统的计算与校核 (14)
3.3.1第一自由度轴的等效转动惯量的计算 (14)
3.3.2 步进电机1的校核 (15)
3.4 第二自由度轴传动系统计算与校核 (15)
3.4.1第二自由度等效转动惯量的计算 (15)
3.4.2 步进电机2的校核 (16)
3.5 第三自由度轴传动系统的计算与校核 (16)
3.5.1第三自由度等效转动惯量的计算 (16)
3.5.2 步进电机3的校核 (17)
第4章系统整体的设计与校核 (18)
4.1 同步齿形带传动设计 (18)
4.1.1求出设计功率d P (18)
4.1.2选择带的节距 (18)
4.1.3确定带轮直径和带节线长 (18)
4.1.4选择带长Lp (19)
4.1.5近似计算中心距 (19)
4.1.6进行标准带宽的选择 (20)
4.2 各输出轴的设计 (21)
4.2.1机身输出轴设计 (21)
4.2.2 大臂输出轴设计 (21)
4.2.3 大臂与小臂连接轴设计 (21)
4.2.4 带轮轴设计 (21)
4.2.5升降轴设计 (22)
4.3 滚珠丝杠副校核 (23)
4.3.1最大工作载荷计算 (23)
4.3.2最大动负载C的计算与校核 (23)
4.3.3传动效率计算 (23)
4.3.4刚度计算 (24)
4.3.5丝杠稳定性验算 (24)
4.4机械手机身的设计 (25)
4.5其他部分结构设计 (25)
第5章控制系统设计 (27)
5.1 机器人控制的特点 (27)
5.2 机器人控制的分类 (28)
5.2.1点位控制(PTP)机器人： (28)
5.2.2连续轨迹控制(CP)机器人： (28)
结论 (29)
参考文献 (30)
致谢 (31)
第1章绪论
机器人一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本《罗萨姆的万能机器人》中，捷克的Robota意为―苦力‖、―劳役‖，是一种人造劳动者，英语Robot 由此衍生而来。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术，其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人工业已成为世界各国备受关注的产业。
本文所述机械手主要指服务机械手，即具有操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的自动化生产设备[2]。
20世纪50年代，在自动机和自动线上出现了可以代替人力传递和装卸工件的机械手，随后在某些危险作业领域出现了由操作人员直接控制或遥控的操作机。工业机器手是在自动操作机基础上发展起来的一种能模仿人手臂的某些动作和控制功能，并按照可变的预定程序、轨迹和其他要求，操纵工具实现多种操作的自动化机械系统。
1987年ISO（国际标准化组织）采纳了美国机器人协会（RIA）的建议，给机器人下了定义，即―机器人是一种可反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改编的和可编程的动作的专门系统。我国国家标准GB/T12643-97将工业机器人定义为― 工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机[5]。‖工业机械手大体按坐标形式即操作机手臂在运动时所取的参考坐标系的形式可分为：
(1)直角坐标式通过沿x-y-z三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端执行器（手部）空间位置的改变，即沿x轴的纵向移动，沿y轴的横向移动和沿z轴的升降。这种机械手的位置精度高，控制无耦合，比较简单，避障性好，但占空比大（即机器人机构所占空间与动作空间之比），灵活性较差。
(2)圆柱坐标式通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变。这种机械手的位置精度仅次于直角坐标式，控制简单，避障性好，但结构庞大，两个移动轴的设计较复杂，难与其他机械手协调工作。
(3)球坐标式又称极坐标式。机械手手臂运动由1个直线运动和2个转动所组成，即沿x轴方向的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。机械手体积小，结构紧凑，其位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，能与其他机械手协调工作。
(4)关节坐标式又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面（水平）关
节坐标，机械手由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱绕z 轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，但位置精度较低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。
机械手的驱动装置用来驱动操作机工作，按动力源的不同可分为电动、液动和气动三种，其执行机构电动机、液压缸和气缸可以与操作机直接相连，也可通过齿轮、谐波和链条装置与操作机相连。控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制系统。
本课题提出设计一种平面关节型机械手的模型，这种机械手的结构紧凑，传动原理简单而实用，成本低，重量轻，惯性小，精度高且在运行中具有较高的稳定性和可靠性。本论文在平面关节型机械手研制以及相关领域研究成果基础上，对机械手本体的机械结构进行了设计，在确定了总体设计方案之后对整个机构的传动系统加以计算与校核。培养了自己独立设计、计算、分析问题和解决问题的能力，使理论教学与设计实践紧密结合起来；并且在不断摸索改进以及指导老师的悉心指导下，使设计的图纸能接近实际模型制作的要求，满足相关课程实验教学的需要。
第2章总体方案设计
本设计课题要求机械手完成水平面内搬运运动，这包括XY平面运动，以及Z向上下运动。为了完成装配作业，还要求手腕具有一定柔顺性。这样一来如果全部运动都设计成由机械手本体来完成，那么必然增加机械手本体复杂性，并会影响机械手位置精度。另一方面，这种机械手通用性差，成本也高[3]。
鉴于上述原因，同时考虑机械手应具有良好的通用性，以保证这个课题完成后，所提供机械手技术，具有较好的产业化、商品化前景。所以，在设计中，本人把机械手设计成平面关节式机械手，具有四个自由度：两个完成水平面内回转运动，一个完成Z轴上下运动，另一个完成绕Z轴旋转运动。
图2-1 机械手结构示意图
2.1工业服务机器手的传动系统设计
2.1.1机械手驱动系统的比较与选择
工业服务机械手的驱动可分为液压，气动和电动三种基本类型。
1．液压驱动
液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可达7Mpa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统。
液压驱动有以下特点：
（1）输出功率很大，压力范围为50-140N/cm2
（2）控制性能：利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。
（3）结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量较大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。
（4）液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度。系统易发热，出现故障后较难找出原因。
（5）适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手。
2．气压驱动
气压传动机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩，所以工作速度稳定性差，气压一般为0.7Mpa，因而抓取力小，只有几十牛到百牛力。
气压驱动具有以下特点：
（1）输出功率大，压力范围为48-60N/cm2，最高可达100N/cm2
（2）控制性能：气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制。
（3）结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题小。
（4）适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具。
3．电力驱动
这种驱动是目前在工业机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电动机（SM）驱动，后来发展了直流伺服电动机（DC），现在交流伺服电动机（AC）驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过谐波减速器装置来减速，结构简单紧凑。
电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。
电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。
各种电机驱动的特点：
（1）普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机械手。
（2）直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态响应特性和稳定性好，可适应频繁启动、反向、制动等工作状况。直流伺服电动机按励磁方式不同，有永磁式和电磁式之分；按转速高低及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量（小惯量直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁芯细长，故转动惯量小，其功率较大；空心杯转子直流伺服电动机，转动惯量很小，灵敏度更高，功率较小；印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性能好，动态响应快，快速性能好，低速无爬行）和低速、大惯量（大惯量直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，
其中永磁式用得较多，它的低速性能好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直接连接，承受过载、重载能力强）之分。
（3）交流伺服电动机：交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优点，且结构简单，制造、维护简单，具有调速范围宽、稳速精度高，动态响应特性更好等技术特点，可达到更大的功率和更高的转速。随着计算机控制技术、电子技术的发展，交流伺服电动机已之泛取代直流伺服电动机。
（4）步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种。步进电动机结构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反应灵敏、能提供较大的低速转矩、无漂移、无积累定位误差等优良性能，其控制线路简单，不需反馈编码器和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频率，故控制简便。步进电动机系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。纯硬件的步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋转。若采用微机技术，用软件与硬件相结合，则控制器不仅可在硬件上简化线路，降低成本，而且又提高可靠性。
综上所述，本机械手功率不高，转速不高，又考虑到机械手的特点和步进电机的诸多优点，故驱动方案应首选步进电机。
2.1.2 传动机构的对比与分析
工业机械手的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，要求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。工业机械手传动装置除齿轮传动，蜗杆传动，链传动和行星齿轮传动外，还常用滚珠丝杠、谐波齿轮、钢带、同步齿形带和绳轮传动，以下就是工业机械手常用的传动方式及其特点[13]。
（1）滚珠丝杠：传动效率高，达0.9-0.98，有利于主机的小型化和减轻劳动强度；摩擦力矩小，接触钢度高，使温升及热变形减小，有利于改善主机的动态特性和提高工作精度；工作寿命长，传动无间隙，无爬行传动精度高，具有很好的高速性能；抗冲击振动性能差，承受径向载荷能力差。
（2）同步带：靠齿啮合传动，传动比准确，传动效率高，初张紧力最小，瞬间速度均匀，单位质量传递的功率最大；与链和齿轮传动相比，噪声小，不需润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大；耐冲击振动较好，维修简便、经济。广泛应用于各种机械传动。
（3）齿轮传动：传动比大、范围宽；元件少，体积小，重量轻；同时啮合的齿数多，承载能力高；且误差能互相补偿，故运动精度高。可采用调整波发生器达到无侧隙啮合；运转平稳、噪音低，传动效率也比较高，且传动比大时，效率并不显著下降，但主要零件—柔轮的制造工艺比较复杂。
（4）蜗杆传动：传动比大，工作平稳，噪声较小，结构紧凑，在一定条件下有自锁性，效率低。
综上所述，由于腕部需进行Z向运动，且受径向力很小，故选用滚珠丝杠传动；臂部需稳定，高效的传动，又考虑到结构需简单易拆卸，以及经济因素，所以选用同步带传动。
日本开发的平面关节式装配机器手是目前使用最广泛的机械手，它专门用于垂直安装作业，如在印刷电路中插入元器件的机械手，所以有四个关节：三个水平转动关节一个垂直滑动关节就足够了。机械手能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向进行插入作业。它的平面转动关节可以―放松‖使插入元件时可以顺着孔的位置作微小调整，具有柔顺性，因而称为在选择方向具有柔顺性的安装机械手，机械手在水平方向具有顺应性，垂直方向上具有很大刚性，适合于装配作业使用。如图1-1所示，两个水平回转臂类似人的手臂，若在手部加水平方向的力，θ2轴就会作微小旋转，顺从地移位，这种移位对弹性变形力有吸收作用，从而可方便地进行轴与孔的装配作业。
2.2机械手总体设计方案的比较确定
方案一：
图2-2 设计方案一
如图2-2所示：大臂摆动轴由两级齿形带减速后驱动，小臂摆动轴同样用两级齿形带减速后驱动。垂直升降轴经一级齿形带减速后再由齿轮驱动齿条作垂直运动。手部回转轴直接由步进电动机驱动。其结构设计特点如下：
(1)采用步进电动机驱动虽然其动力特性不如直流伺服电动机，但由于该机器人负载较小，速度不高，同时又采用了合适的加减速方案，因而使其能满足操
作要求，并使系统成本大为降低。
(2)第一和第二个自由度均采用两级齿形带传动，这是常用的减速方法，结构紧凑，传动比恒定，传动效率较高，功率大，工作可靠，但需占用一定的空间。
(3)升降轴为齿条传动，基本具备齿轮传动的特点，为减少驱动功率的消耗，设置了拉力弹簧平衡系统。
(4)根据装配作业的，点位控制即可满足操作要求。
方案二：
大臂
波减速器
杠
图2-3 设计方案二
结构特点如下
(1)采用步进电动机驱动虽然其动力特性不如直流伺服电动机，但由于该机器人负载较小，速度不高，同时又采用了合适的加减速方案，因而使其能满足操作要求，并使系统成本大为降低。
（2）各自由度独立采用电动机联接谐波减速器，设计结构简单，且具有小体积，大转矩，高减速比的优点。
（3）大小臂结构简单；第三关节采用丝杠螺母传动从而把旋转运动转变为直线运动，并且具有自锁功能。
方案三：
大臂
丝杠
图2-4 设计方案三
DD驱动结构特点如下：
电动机直接驱动各自由度的轴，消除了减速装置。同传统的电动机伺服驱动相比，DD驱动减少了减速机构，从而减少了系统传动过程中减速机构所产生的间隙和松动，极大地提高了机械手的精度，同时也减少了由于减速机构的摩擦及传送转矩脉动所造成的机械手控制精度降低。而DD驱动由于具有上述优点，所以机械刚性好，可以高速高精度动作，且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性高等特点。
作为DD驱动技术的关键环节是DD电动机及其驱动器。它应具有以下特性：
（1）出转矩大：为传统驱动方式中伺服电动机输出转矩的50～100倍。
（2）转矩脉动小：DD电动机的转矩脉动可抑制在输出转矩的5％～10％以内。
（3）效率：与采用合理阻抗匹配的电动机（传统驱动方式下）相比，DD 电动机是在功率转换较差的使用条件下工作的。因此，负载越大，越倾向于选用较大的电动机。
DD驱动的优点是摩擦力矩小，机械刚度高，消除间隙，转子惯性小。存在
的问题是：由于由电动机直接驱动，因此使得电动机必须有低转速高扭矩的要求，这样的电机在市场上的售价相对比较高。
方案四：
大臂
丝杠螺母
图2-5 设计方案四
如图2-6所示：机器人关节均选用步进电机驱动。大臂转动采用谐波减速器作为减速机构；小臂转动采用二级同步齿形带减速；腕部升降采用丝杠螺母传动；手腕转动用步进电机直接驱动。
这个设计方案的特点是：第一个关节传动采用的谐波减速器具有小体积，大转矩，高减速比的优点。第二个关节采用了同步齿形带的传动结构，可以获得较大的输出转矩。第三关节采用丝杠螺母传动从而把旋转运动转变为直线运动，并且具有自锁功能。
比较四种方案，方案一结构过于复杂而且空间布局不够合理，零部件过多，整个装置有很多齿轮，这就增加了成本，而且加工困难。同时第三自由度采用了齿轮及齿轮齿条传动，所以需要平衡装置，不能自锁。方案二增加了第二自由度处的转动惯量，使系统平衡性变差。另外，大臂小臂的结构过于单薄，易产生变形。方案三存在的问题是由电动机直接驱动，因此使得电动机必须有低转速高扭矩的要求，这样的电机在市场上的售价相对比较高，方案不够经济实惠；方案四结构比较简单，第一自由度采用谐波减速器体积小，重量轻，定位安装方便，从而节省了空间，而且减速比大，承载能力大，效率高，噪声小。同时第二自由度采用的同步齿形带充分利用了大臂的空间，也使结构更为紧凑。驱动系统方面，驱动装置全部选用步进电动机，符合设计的要求。传动系统方面，升降轴丝杠有
自锁功能省去了同类机械手设计中常用的平衡装置，由于手腕的升降电机放在小
臂的顶端，直接与丝杠联接，简化了结构，提高了精度。此外方案四的标准件多，
零部件少且容易加工，也降低了成本。综合考虑，由于方案四传动链简单，传动
精度高，故选择此种方案为最终方案。观察初步设计方案（图1-5），考虑到小臂
悬置于第二自由度轴上，这样就增加了大臂末端的负重，使得弯矩过大，容易造
成整体机构的变形，为了使方案更加完善，本人对设计图又做了修改如图1-6，
在第二自由度轴上下两端用两块合金板将小臂与大臂连接在一起，从而完成了整
体结构的设计。
大臂
丝杠螺母
图2-6 总体方案
第3章 步进电机的选择及其校核计算
步进电机可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机具有自锁能力和保持转矩的能力，这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机械手。
3.1 主要技术参数确定
图3-1 机械手手臂的重量分布
如图3-1所示，设各部分的尺寸和重量如下：
1.大臂的第一和第二关节轴之间的距离为348mm ，质量为M 1(4kg 左右)，重心在距离第一关节轴143mm 处，L 1=143mm 。
2.小臂的第二和第三关节轴之间的距离为194mm ，质量为M 2(1kg 左右)，重心在距第二关节轴97mm 处，L 2=348+97=445mm 。
3.腕部升降装置及最大物重合计为M 3(30kg 左右)，重心在距第二关节轴194mm 处，L 3=348+194=542mm 。L 4=97mm(小臂重心距第二关节轴的水平距离)。L 5=194mm(腕部重心距第二关节轴的水平距离)。
该机械手的基本技术参数如下： 大臂回转：?±90，s /30? 小臂回转：?±60，s /15? 手腕升降：120mm ，30mm/s 手腕回转：?±180，s /60?
大臂小臂连接处回转：?±90，s /30? 负载重量：294N
3.2 各自由度步进电机的选择
本机械手前两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步
进电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为J G1、J G2、J G3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：
J 1=J G1+M 1L 12+J G2+M 2L 22+J G3+M 3L 32 （3.1） 其中：M 1，M 2，M 3分别为4Kg ，1Kg ，4Kg ；L 1，L 2，L 3分别为143mm ，445mm ，542mm 。J G1〈〈M 1L 12、J G2〈〈M 2L 22、J G3〈〈M 3L 32，故可忽略不计，以绕第一关节轴的转动惯量为：
J 1= M 1L 12+M 2L 22+M 3L 32 (3.2) =4×0.1432+1×0.4452+4×0.5422 =1.46kg.m 2
同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：
M 2=1Kg ，L 4=97mm ；M 3=4Kg ，L 5=194mm 。
J 2=M 2L 42+M 3L 52 (3.3) =1×0.0972+4×0.1942 =0.16kg.m 2
3.2.1 第一自由度步进电机的选择
设大臂速度为/301?=ω，则旋转开始时的转矩可表示如下：?
?=ωJ T 式中：T - 旋转开始时转矩 N.m J – 转动惯量 kg.m 2
?
ω- 角加速度rad/s 2
使机械手大臂从00=ω到s /301?=ω所需的时间为：s t 1.0=?则：
m N t
J J T .64.71
.06
/46.10
1111=?
=?-?
=?=?
πωωω (3.4)
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m ，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为：
m N T T .20152201=?== (3.5)选择谐波减速器：
⑴型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器） 额定输出转矩：20N.m 减速比：i 1=120
设谐波减速器的的传递效率为：%90=η，步进电机应输出力矩为：
m
N i T T out .185.09
.012020011=?=
?=
η
(3.6)
选择BF 反应式步进电机 型号：55BF003
静转矩：0.686N.m 步距角：1.5°
3.2.2 第二自由度步进电机的选择
原理同上，设小臂转速s /152?=ω，角速度从0加到2ω所需加速时间
s t 2.0=?，则同步带应输出转矩为：
m N J T .21.02
.012
/16.0222=?
=?=?
πω (3.7)
设安全系数为2，同步带减速比i=10，同步带传动效率为：%85=η（单级传动）。则电机所需输出力矩为： m N i T T out .058.085
.01021.0222
2
22=??=
?=
η
(3.8)
选择反应式步进电机 型号：45BF005Ⅱ 静转矩：0.196N.m
步距角：?5.1
3.2.3 第三自由度步进电机的选择
丝杠螺母传动，实现腕部的升降，设丝杠轴向承载总和为：Q=35N 丝杠基本参数选择： 螺距：P=2mm 公称直径：d=10mm 摩擦系数：f=0.1
螺旋升角为:
λ=arctgp/πd 2=3.834° (3.9) 当量摩擦角为:
ρ=tg -1f’=5.911° (3.10) 螺纹阻力矩为：
m N Qtg d T .031.0)(2
'
21=+=
ρλ (3.11)
螺纹所受摩擦力矩：
m N D Q f T m .047.02
2=?
?≈ (3.12)
式中:f-摩擦系数,取0.1
Dm-支撑面平均直径,取螺母内外径的一半,既(10+40)/2=25mm 丝杠所受力矩为阻力矩与摩擦力矩之和，即：
T=T 1+T 2=0.078N.m (3.13) 安全系数取2，则电机所需输出的最小转矩为：
m
N T T out .156.0078.0223=?== (3.14)
选择反应式步进电机 型号：70BF003 静转矩：0.784N.m 步距角：?5.1
3.2.4 第四自由度步进电机的选择
腕部旋转直接用步进电机驱动，设手爪及物体的最大当量半径为R=50mm ，则转动惯量为：
2
321mR
J =
(3.15)
式中：m - 手爪及物体总重量，设为30kg ，代入数据：J 3=0.0375kg.m 2
设转速为：s /603?=ω，加速时间s t 1.0=?，得电机输出转矩为：
m
N J T out .04.01
.03
/0375.0334=?
=?=πω (3.16)
选择电机型号：45BF005Ⅱ 静转矩：0.196N.m 步距角：1.5°
3.2.5 第五自由度步进电机的选择
腕部旋转直接用步进电机驱动，设手爪及物体的最大当量半径为R=80mm ，则转动惯量为：
2
321mR
J =
(3.15)
式中：m - 手爪及物体总重量，设为20kg ，代入数据：J 3=0.064kg.m 2
设转速为：s /303?=ω，加速时间s t 1.0=?，得电机输出转矩为：
m
N J T out .0334.01
.06
/064.0334=?
=?=πω (3.16)
选择电机型号：45BF005Ⅱ 静转矩：0.196N.m 步距角：1.5°
3.3 第一自由度轴传动系统的计算与校核
3.3.1 第一自由度轴的等效转动惯量的计算 z 方向的转动惯量为2.14600cm kg J Z =∑
由估算知谐波减速器转动惯量2.4cm kg J X ≈。从资料查得55BF003步进电机转子惯量为J D1=0.617kg.cm 2。因此，自由度θ1传动系统上所有惯量折算到电机轴1上的等效转动惯量:
2
211/2/2/i J i J J J J Z X X D ∑∑+++= (3.17)
说明：(1)电机轴的转子惯量和谐波减速器惯量之半（输入部分）的和；(2)谐波减速器惯量之半（输出部分）折算到电机轴时除以i 2；(3)Z 方向上的转动惯量∑Z J 折算到电机轴时除以i 2。根据初选的i=120，则∑1J =3.63kg.cm 2。
3.3.2 步进电机1的校核 根据公式，电机空载启动力矩为:
0M M
M
M
kf
ka
kq
++= (3.18)
因为本设计中第一自由度没有采用滚珠丝杠副传动，所以丝杠预紧附加摩擦力矩等于零，即M 0=0。设摩擦力矩可忽略不计，则仅剩加速力矩项ka M ，即
)(10
6022
max cm N t
n J J M
M
ka
kq
??==≈-∑
∑πε (3.19)
min)/(360
max max r v n p b
δθ=
(3.20)
式中：传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量∑1J =3.63kg.cm 2；运动部件最大快进速度min /1800/30max ?=?=s v ；运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间t=0.1s 。所以电机最大转速为： m i n /6005120360
360
max max max r v i v n p b
=?=?
==
δθ
则:
m N cm N J M
ka
.228.0.796.221===∑ε
所以:
m N M
M
ka
kq
.228.0=≈ (3.21)
电机名义启动力矩max
j mq M M λ=，三相六拍运行866.0=λ，通过查表得电
机最大静转矩m N M j .686.0max
=，所以m N M mq
.594.0866.0686.0=?=
M kq 3.4 第二自由度轴传动系统计算与校核 3.4.1 第二自由度等效转动惯量的计算 z 轴的转动惯量为: ∑Z J =m2L42 +m3L52 =0.168kg.m 2 =1680kg.cm 2 (3.22) 从资料查得45BF005Ⅱ步进电机转子惯量为J D2=0.137kg.cm 2。根据初选的i=10，则自由度θ2传动系统上所有惯量折算到电机轴2上的等效转动惯量为： 2 222.937 .16/cm kg i J J J Z D =+=∑∑ (3.23) 根据公式：电机空载启动力矩为 M M M M kf ka kq ++= (3.24) 因为第二自由度没有采用滚珠丝杠副传动，所以丝杠预紧附加摩擦力矩等于零，即M 0=0。设摩擦力矩可忽略不计，则仅剩加速力矩项ka M ，即 )(10 6022 max cm N t n J J M M ka kq ??==≈-∑ ∑πε min) /(360 max max r v n p b δθ= 式中：传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量∑2J =16.8kg.cm 2；运动部件最大快进速度min /900/15max ?=?=s v ；运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间t=0.2s 。所以电机最大转速为： m i n /255.210360 360 max max max r v i v n p b =?=? ==δθ (3.25) 则: m N cm N J M ka .0219.0.198.22===∑ε (3.26) 所以: m N M M ka kq .0219.0=≈ (3.27) 电机名义启动力矩max j mq M M λ=，三相六拍运行866.0=λ，通过查表得电 机最大静转矩m N M j .196.0max =，所以 m N M mq .170.0866.0196.0=?= (3.28) M kq 3.5 第三自由度轴传动系统的计算与校核 3.5.1 第三自由度等效转动惯量的计算 电机3转子转动惯量J D3=0.5194kg.cm 2 丝杠转动惯量： 2 3 43 4 .019.010 3.24178.010 78.0cm kg L D J S =???=?=-- (3.29) 移动质量折算到丝杠轴的等效转动惯量为： 2 22 0.00204.0222)2( cm kg M L J G =?==）（ π π (3.30) 已知移动件质量为=30kg ，传动系统各运动部件惯量折算到电机3轴上的总等效转动惯量为： 2 33.54.0cm kg J J J J G S D =++=∑（已知传动比i=1） (3.31) 1绪论 1.1工业机器人概述 工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说它也是机器进化过程的产物，它是工业以及非工业领域的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。工业机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全 生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，由它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，工业机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。工业机械手的结构形式开始比较简单专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。 1.2工业机器人的组成和分类 1.2.1工业机器人的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。各系统相互之间的关系如方框图1.1所示。 图1.1机器人组成系统 0 生产许可证：粤食药监械生产许号 产品标准号：YZB/粤0824－2010 肢体智能反馈训练系统A2 （商品名称：上肢康复机器人） 说明书 广州一康医疗设备实业有限公司 广州一康医疗设备实业有限公司版权所有，保留所有权利。 本文中的信息将取代所有以前出版资料中的信息。 该文档版本： 目录 1. 适用范围 (1) 2. 治疗指导 (1) 3. 安全须知 (2) 4. 符号说明 (2) 5. 简介 (3) 6. 功能特点 (3) 7. 规格标准 (4) 配置清单表 (6) 8. 设备操作说明 (6) 9. 软件操作说明 (9) 系统主界面 (9) 选择患者 (10) 训练设置 (11) 进入训练 (12) 训练信息 (13) 评估系统 (14) 评估报告 (15) 10. 清洁及维护 (17) 11. 保修条款 (17) 1. 适用范围 适应上肢偏瘫及功能障碍的患者 针对脑血管疾病、严重脑外损伤或其它的神经系统疾病造成上肢功能障碍及手术后恢复上肢功能的患者，如脑卒中、帕金森、脑血栓等。 级以上肌力等级的偏瘫患者。由于是主动训练系统，所以要求患者的上肢至少要有微弱运动能力。 肢体智能反馈训练系统A2是用于治疗的训练仪器，而非以诊断为目的的医疗设备。 2. 治疗指导 根据患者的不同，治疗的目的可以是保持活动（预防治疗），或者手术、受伤后的康复。 我们建议肢体智能反馈训练系统作为医生或治疗师开出的训练方案的一个部分。 为了提高训练的积极性和追求更好的训练效果，我们建议利用强化的反馈训练进行具体任务的功能训练治疗。 3. 安全须知 ●肢体智能反馈训练系统只可以连接在与标牌上的规格相符的电源上。将设备连接在合 适的电源插座中。（电源插座必须要有接大地） ●主机的信号输出部分与计算机连接时，必须用配套的USB线相连。 ●电源线的放置应该不影响行人，不会触及可移动的结构，并且不会被其他设备所损坏。 不得使用损坏的电源线，只可以使用设备原装的电源线。 ●为了防止触电，肢体智能反馈训练系统不可以在潮湿或高温等恶劣环境中使用： 仪器工作温度应在5℃～40℃，环境相对湿度应小于80%。 ●在首次使用时，应由医生或供应商展示如何操作此设备。 ●在设备运转过程中，不要靠近或试图卸下活动着的部分。 ●若患者在训练过程中或训练之后出现任何异常症状，要立即与医生联络。 ●只有当电源线插头从电源插座中完全拔出来以后，训练器才完全断电。 ●在打开外设备外壳之前，一定要将插头从插座中拔出。外壳打开时设备不可使用。 ●维修只可以由授权的专业人士进行。若设备有任何损坏、任何噪声或气味异常，立即 停止训练，把电源切断，联系服务工程师。 ●清洁设备时不可以使用有腐蚀性的液体。 ●系统部件中未规定的组件不得接入系统。 ●操作者和患者的不允许触电脑USB线的输出接口 4. 符号说明 在此手册以及训练器上的符号，是为了起你的注意，以避免潜在的危险。 在使用设备以前应该完全理解这些符号的含义，以便更安全有效地使用设备。 康复机器人 Handy1康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统，现在有100多名严重残疾的人经常在使用它。在许多发达国家都有人采用了这种机器人。 目前正在生产的机器人能完成3种功能，是由3种可以拆卸的滑动托盘来分别实现的，它们是吃饭/喝水托盘，洗脸/刮脸/刷牙托盘以及化妆托盘，它们可以根据用户的不同要求提供。由于不同的用户要求不同，他们可能会要求增加或者去掉某种托盘，以适应他们身体残疾的情况，因而灵活地生产可更换的托盘是很重要的。 部件多了就很复杂了，为此给这种机器人研制了一种新的控制器，它是以PC104技术为基础的。为了将来便于改进，设计了一种新颖的输入/输出板，它可以插入PC104控制器。它具有以下能力：话音识别，语音合成，传感器的输入，手柄控制以及步进电机的输入等。 可更换的组件式托盘装在Handy1的滑车上，通过一个16脚的插座，从内部连接到机器人的底座中。目前该系统可以识别十五种不同的托盘。通过机器人关节中电位计的反馈，启动后它可以自动进行比较。它还装有简单的查错程序。 Handy1具有通话的能力，它可以在操作过程中为护理人员及用户提供有用的信息，所提供的信息可以是简单的操作指令及有益的指示，并可以用任何一种欧洲语言讲出来。这种装置可以大大提高Handy1的方便用户的能力，而且有助于突破语言的障碍。 以进食为例，Handy1的工作过程是这样的：在Handy1的托盘部分装有一个光扫描系统，它使用户能够从餐盘的任何部分选择食物。简而言之，一旦系统通电，餐盘中的事物就被分配到若干格中，共有7束光线在餐盘的后面从左向右扫描。用户只用等到光线扫到他想吃的食物的那一格的后面时，就可以按下单一的开关，启动Handy1。机器人前进到餐盘中所选中的部分，盛出一满勺食物送到用户的嘴里。用户可以按照自己希望的速度盛取食物，这一过程可以重复进行，只到盘子空了为止。机器人上的计算机始终跟踪盘子中被选中食物的地方，并自动控制扫描系统越过空了的地方。利用托盘上的第8束光线，用户在吃饭时可以够得到任何地方的饮料。 Handy1的简单性以及多功能性提高了它对所有残疾人群体以及护理人员的吸引力。该系统为有特殊需求的人们提供了较大的自主性，使他们增加了溶入到“正常”环境中的机会。 Rehabilitation and Assistive Robots for Healthcare of Disabled and Elderly Persons Dr. Low Kin Huat Professor School of Mechanical and Aerospace Engineering Nanyang Technological University (NTU) Singapore 639798 Research Interests: Rehabilitation Robots, Assistive Robots, Underwater Robots, Unmanned Aerial Vehicles September 2014 Background Spinal cord injury (SCI) and stroke are the leading cause of permanent disability around the world. In United States, there are approximately 795,000 new stroke cases [1], and an estimated 12,000 new spinal cord injury cases [2] occurring each year. While in China, the number of stroke patients is high up to 70 million [3]. Loss of walking ability is a debilitating outcome in post-stroke and spinal cord injury, with more than 50% of the post-stroke patients demonstrating persistent walking deficits, and more than 90% of the SCI patients lose their sensory and motor control of the lower limbs. In addition, the risk of stroke increases exponentially with aging which is an important social problem in China. As reported [4], by the year of 2040, the number of people with the age of above 60 will reach 400 million which is 26% of the whole population. On the other hand, the modern rehabilitation method or recovery model is recently inspired by the principle of neuroplasticity. Neuroplasticity allows the neurons in the brain to compensate for injury and disease and to adjust their activities in response to new situations or to changes in their environment [5-7]. Therefore, it is possible that with appropriate rehabilitation methods and processes, neuronal circuits of stroke patients that have been affected by brain lesion can potentially be retrained, resulting in improving motor control. However, for the conventional therapist assisted gait rehabilitation approach, the labor costs are high as up to three therapists can be required to assist each patient. Thus the popularity of this approach has dwindled due to initial high cost outlay for the equipment, following by high labor not to mention staff training in the use of the system. Rehabilitation robot is gaining its popularity in gait rehabilitation since it can help tackle these issues and enable the patients to regain their independence. For patients with severe conditions, even after rehabilitation, these patients are still unable to walk well, or walk safely. As a result, ambulation is the major concern for them and affects their independence of daily life. Using wheelchairs can aid mobility and some patients are likely to opt for the use of wheelchair rather than using their ambulation skills after rehabilitation [8]. However, using the wheelchair will cause some constraints for the patients [9]. For example, 0 生产许可证：粤食药监械生产许20030845号 产品标准号：YZB/粤0824－2010 肢体智能反馈训练系统A2 （商品名称：上肢康复机器人） 说明书 广州一康医疗设备实业有限公司 广州一康医疗设备实业有限公司版权所有，保留所有权利。 本文中的信息将取代所有以前出版资料中的信息。 该文档版本：V1.09 https://www.wendangku.net/doc/424966201.html, 目录 1. 适用范围 (1) 2. 治疗指导 (1) 3. 安全须知 (1) 4. 符号说明 (2) 5. 简介 (2) 6. 功能特点 (3) 7. 规格标准 (4) 8. 设备操作说明 (6) 9. 软件操作说明 (8) 9.1 系统主界面 (8) 9.2 选择患者 (9) 9.3 训练设置 (11) 9.4 进入训练 (12) 9.5 训练信息 (13) 9.6 评估系统 (14) 9.7 评估报告 (14) 10. 清洁及维护 (16) 11. 保修条款 (16) 1. 适用范围 适应上肢偏瘫及功能障碍的患者 针对脑血管疾病、严重脑外损伤或其它的神经系统疾病造成上肢功能障碍及手术后恢复上肢功能的患者，如脑卒中、帕金森、脑血栓等。 级以上肌力等级的偏瘫患者。由于是主动训练系统，所以要求患者的上肢至少要有微弱运动能力。 肢体智能反馈训练系统A2是用于治疗的训练仪器，而非以诊断为目的的医疗设备。 2. 治疗指导 根据患者的不同，治疗的目的可以是保持活动（预防治疗），或者手术、受伤后的康复。 我们建议肢体智能反馈训练系统作为医生或治疗师开出的训练方案的一个部分。 为了提高训练的积极性和追求更好的训练效果，我们建议利用强化的反馈训练进行具体任务的功能训练治疗。 3. 安全须知 ●肢体智能反馈训练系统只可以连接在与标牌上的规格相符的电源上。将设备连接在合 适的电源插座中。（电源插座必须要有接大地） ●主机的信号输出部分与计算机连接时，必须用配套的USB线相连。 ●电源线的放置应该不影响行人，不会触及可移动的结构，并且不会被其他设备所损坏。 不得使用损坏的电源线，只可以使用设备原装的电源线。 ●为了防止触电，肢体智能反馈训练系统不可以在潮湿或高温等恶劣环境中使用： 仪器工作温度应在5℃～40℃，环境相对湿度应小于80%。 ●在首次使用时，应由医生或供应商展示如何操作此设备。 ●在设备运转过程中，不要靠近或试图卸下活动着的部分。 ●若患者在训练过程中或训练之后出现任何异常症状，要立即与医生联络。 ●只有当电源线插头从电源插座中完全拔出来以后，训练器才完全断电。 ●在打开外设备外壳之前，一定要将插头从插座中拔出。外壳打开时设备不可使用。 ●维修只可以由授权的专业人士进行。若设备有任何损坏、任何噪声或气味异常，立即 停止训练，把电源切断，联系服务工程师。 摘要 康复机器人是康复设备的一种类型，康复机器人技术早已广受世界各国科研工作者和医疗机构的普遍重视，其中以欧美和日本的成果最为显著。在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但是康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化康复机器人的需求，有待进一步的研究和发展。 本文从使用的角度对人体上肢的运动原理进行了分析，设计出了一种坐式上肢康复训练机器人，用于心脑血管疾病致瘫或者意外事故所造成上肢损伤的患者作上肢及其相关关节的康复训练。本设计的康复机器人机身是由放置于平台上的机座，两根可伸缩的立柱和上横梁及其手柄组成，并在其各个组成部分上分别装上上肢屈伸机构、前后摆机构、分合机构和手腕旋转机构；各运动机构由单独的电机和减速器驱动，而传动机构的主件分别是传动轴、丝杠螺母副、同步齿形带传动副。 康复机器人的立柱主要采用薄壁套筒，这样既减轻了重量，也使得丝杠螺母副能构得到套筒的固定和定位。整个设计主要要注意的主要问题是减重和减噪，避免整体结构过于庞大笨重。 关键词：康复；上肢；结构设计；减重；噪音 ABSTRACT Rehabilitation robot is a type of rehabilitation facilities. Rehabilitation robotics have long been well received by the world scientists and the general importance of medical institutions, in which Europe and the United States and Japan, the results are the most significant. Medical Engineering in our country has been received widespread attention though, and rehabilitation robotics still in its infancy, some simple rehabilitation equipment is far from meeting intelligence, ergonomics of the rehabilitation robot needs to be further research and development. This perspective on the human body from the use of upper limb movement principle is analyzed，the seated upper extremity rehabilitation robot is designed , for the paralysis caused by cardiovascular diseases or accidents. The design of the rehabilitation robot body is placed on the platform base, two scalable columns and beams of the handle on the composition and its components are installed on the upper limb flexion which include separate and close agency, before and after agency, lifting agency and the wrist rotation agency; the every movement is driven by the separate drive motor and reducer, and the main parts are the shaft, screw nut pairs, timing belt, deputy. Rehabilitation robot column mainly adopts the thin wall sleeve, so as to reduce weight, also makes the lead screw nut pair can be fixed and the positioning sleeve. The design of the main attention to the major problem is the weight loss and noise reduction, avoid the whole structure is too bulky. Key words：rehabilitation；upper limb；structural design；Weight loss; noise 家庭服务机器人系统设计与研究 秦志强，喻品 （深圳中科鸥鹏智能科技有限公司， 深圳， 518067） 摘要 本文着眼于家庭服务机器人的路径规划，在铺满RFID地板的智能家居环境 中，机器人依靠RFID读卡器和电子罗盘，能够准确判断自身位置并在目标位置的 指引下调整前进方向。而依靠红外测距传感器，机器人可以探测周围障碍并在一 定范围内寻找合适路径。机器人实际工作结果表明，在我们的策略下，机器人能 够在智能家居环境中准确地完成各种任务，并体现出较强的自主决策能力。 关键词 服务机器人；路径规划；智能家居；自主决策 The Design and Research on Domestic Service Robot Zhiqiang Qin, Pin Yu (ShenZhen CAS Intelligent Technology Co., Ltd, ShenZhen, 518067) Abstract This article emphasis on path planning of domestic service robot. In a smart home environment that the floor is covered with RFID plate, a robot can determine its own position and adjust its direction with the help of RFID reader and electronic compass. And relying on infrared sensor, it can also detect the barrier within a certain range. As the result of the actual work of the robot shows that it can finish kinds of work in a smart home environment with our strategies, and it shows strong ability of making independent decisions. key words service robot; path planning; smart home environment; making independent decisions 引言 随着人工智能和传感器技术的发展，机器人技术取得了长足的进步。智能服务机器人已经开始影响人们的生活，同时人们也对机器人提出了更高的要求。服务机器人目前尚无严格统一的定义，国际机器人联合会（International Federation of Robotics， IFR）给出的初步定义是：服务机器人是一种半自动或全自动机器人，它能服务于人类或某些设备，但不包括制造业务。IFR的调研结果显示，服务机器人产业的市场在不断扩大，各种专用服务机器人的销售数量都在逐年提升。保守估计2012到2015年间，世界范围内具有专业用途的服务机器人的安装数量将会多达9.38万，而个人使用的机器人的交易数量将会接近1560万[1]。随着全球老龄化的来临，社会和家庭负担都在加重，家庭服务机器人将会扮演越来越重要的角色。当前，大部分的家庭服务机器人都不具备行走功能或只具有简单的避障能力，因此，机器人路径规划成为当前研究的重要课题。 1相关研究 机器人是人们为完成某种特定或一般性任务而设计的机器，所以为人类工作是机器人的使命。自从机器人的概念诞生开始，人们对服务机器人的研究就没有停歇过，并且服务机器人一直在朝着智能化方向发展。肖雄军和蔡自兴系统地归纳了服务机器人的发展现状和发展趋势，并提出了一些发展思路和要点[2]。Fei Lu等构建了一个面向家庭服务机器人的智能空间系统，提出了这一系统的一些关键技术，并详细介绍了家庭服务机器人能够提供的智能而灵活的服务[3]。徐海黎等构建了基于ZigBee技术的无线传感器网络系统，研究了基于RSSI 的无线传感器网络定位方法，家庭服务机器人作为无线定位系统中的盲节点，收集邻近参考节点的坐标和RSSI值，通过CC2431定位引擎计算出自身的坐标，从而实现了移动机器人 家用服务机器人的结构设计与开发 【摘要】介绍多功能家居服务机器人的组成、主要性能参数和机器人的运动分析，进行了结构设计和控制系统的设计。可通过程序或手柄遥控两种方法来控制机器人的所有运动，实现对室内物品的夹取和整理，并运送到指定位置，以更好的方便人们生活。 【关键词】服务型机器人；六自由度；程序控制 机器人学的进步与应用是二十世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化，尤其在当今的工业制造中，机器人学已取得了伟大的成就。进入二十一世纪，人们越来越感受到机器人已经深入到人们生产、生活和社会各个领域。当前社会家庭服务也迫切需要，一方面社会老龄化越来越严重，使很多老人需要被照顾，使社会保障和服务的需求也变的更大，老龄化的家庭结构会使很多的的年轻家庭压力增大，而且工作的压力和生活节奏的加快，也使得年轻人没有更多的时间陪伴自己的孩子，随之使家庭服务机器人市场变的更大。另一方面，服务型机器人将会广泛地代替人力从事各种工作，使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来。 1.家用服务机器人的主要功能 该家用服务机器人机械手爪有夹紧和松开物件的功能，由五个电机驱动五个自由度的运动，由一个电机控制手爪的夹紧和松开以及两个电机驱动四轮小车后轮。这样既可实现整体的旋转、水平、垂直运动及手爪的倾斜、旋转、夹紧、松开运动，也可实现机器人在地面上的空间全方位运动。该机器人可通过手柄遥控控制，也可通过程序自动控制。从手柄遥控或程序发出控制信号到各个相应的接收器，再从接收器传给各个电机，驱动小车以及机器人的运动方向或行程，从而机械手可以夹取或放置物件。多功能家居整理机器人大多是代替人上肢的部分功能，按给定的操作、轨迹和要求进行工作。具体功能模块如图1。 2.家用服务机器人的总体结构 总体结构主要由执行系统、驱动系统、控制系统及检测系统组成。执行系统是多功能家用机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身和行走机构等.驱动系统为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统是通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。检测系统的作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。另外本机还有配重系统，由于自重、承重较大，工作时运动惯性亦较大，为使小臂接近静平衡，将伺服电动机组件、齿形带轮等大质量零部件布置在与腕部相对的另一端。底部小车的主体结构包括底盘、车身、转向机构等，对于小车而言，转向机构与驱动系统的设计是很重要的，只有严格按照阿克曼原理设计出合理的 毕业设计（论文）中文题目：清扫机器人结构设计 学习中心（函授站）：江阴 专业：机械设计及自动化 姓名：夏成 学号：CS051410248 指导教师：孙菊 南京航空航天大学 2016年5月 目录 中文摘要......................................................... I ABSTRACT ........................................................ II 第一章绪论 (1) 第一节研究的目的和意义 (1) 第二节设计的重点和难点 (1) 第三节家庭清扫机器人的关键技术 (1) 第四节论文主要完成工作 (2) 第二章总体结构设计 (3) 第一节整体结构布局 (3) 第二节驱动部分 (4) 第三节吸尘部分 (6) 第四节电源部分 (6) 第五节路径规划算法 (6) 第六节仿真结果 (8) 第三章硬件控制部分设计 (9) 第一节 AT89系列单片机简介 (9) 第二节外围电路 (9) 结论 (11) 致谢 (12) 参考文献 (13) 题目：清扫机器人结构设计 中文摘要 摘要:清扫机器人属于服务机器人的一种，世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛使用服务机器人。如果清扫机器人的性价比足够高，那么清扫机器人的市场将会被看好。 本文介绍了清洁机器人在国内外发展现状和应用情况，侧重研究了清洁机器人的避障控制系统。结合实验室实际条件，设计了机器人样机。其主要工作内容包括:小车机械本体设计、控制理论的介绍、AT89C51单片机控制系统硬件电路及检测电路设计、控制系统软件设计和机器人避障性能测试试验。 通过实验表明所设计的机器人样机能够实现自主避碰的功能,达到设计要求。 关键词:清洁机器人避障 AT89C51单片机 服务机器人轻量化手臂的优化设计 李桂琴王燕徐新虎金国军李明何斌 上海大学上海市机械工程与机器人重点实验室上海200072 摘要：针对服务机器人手臂轻量化要求，设计一种新型的5自由度服务机器人手臂，并用CAD／CAE软件完成从建模到分析的全过程。结合实际使用要求，设计采用了5自由度的关节型机器人结构方案；根据选用的电机和减速器进行UG参数化建模；并在此基础上，运用HyperWorks分析了该机器人手臂关节连接件的强度和刚度，并得到了拓扑优化方案。在方案设计阶段对设计进行分析和验证，得到很好效果，并做出实验样机。 关键词：轻量化，有限元分析，拓扑优化，HyperWorks 1 引言 机器人是机械、传感器、计算机、通信和自动控制等多项技术集成的机电一体化产品。目前，世界各国在机器人研究方面有一个共同的趋势：那就是把机器人产业由工业机器人向服务机器人推进，力争使机器人更多地融入家庭和人们的生活。 在服务型机器人领域，轻量化设计扮演了一个非常重要的角色。这些机器人系统通常工作在人类的生活环境中，比如厨房和病房等。与传统的工业机器人被限定在一个工作空间里相比，它需要与人协同来完成工作，因此轻量化设计在多个方面便体现出其优势。例如，轻型的手臂发生碰撞时比质量大的手臂会造成较小的危害。另外，轻量化的另一结果就是能够提高能量效率，减少机器人执行任务时能量的消耗。对于依靠自身有限能源来维持日常工作的服务机器人而言，能量效率的问题对其显得尤为重要。 一般而言，设计这类轻量化手臂需要用机电一体化的思想，并使其具有质量轻、载重比大、体积小、控制灵活、通用性好的特点。轻量化结构手臂样机需要具有自身动作功能，并具有与机器人本体集成后完成相应功能的能力。 目前一般机器人手臂采用常规的与工业机器人相似的结构形式，但从机器人的功能要求及其扩展需求来看，如何对其结构进行优化，实现轻量化是一个重要的研究课题，这里主要进行手臂结构的轻量化技术研究，采用5个手臂自由度，手部抓重2KG。 2 自由度轻量化手臂研究 设计的机械手臂采用模块化的轻型旋转关节，使服务机器人手臂动作灵活、运动惯性小，能安全、平稳、高效地执行服务动作。总体布局与示意如图1所示： 2 总体方案设计 总的来说，按照设计功能，本作品主要分两大部分组成：机械部分和控制部分。其中机械部分包括运动机构、清扫和吸尘系统，控制部分包括感知系统和控制系统。如何合理的选用各个系统的组成，如何有机的结合各个系统以保证功能的实现，是我们面对的主要问题。 2.1 机械部分的设计 2.1.1 运动机构 运动机构是家用服务机器人的主体，决定了机器人的工作空间，一般采用轮式机构，但为了使机器人在运动过程中更加平稳这里采用四轮机构，便于实现制定的运动。由于本作品主要清扫大面积房屋同样也适用于教室，故行走速度适中，总体高度不宜过高。 其运动方案如图2—1所示： 图2-1 传动设计方案 其减速方案如图2—2所示： 如图2-2 减速装置设计方案 2.1.1.1 直流电动机的选用 本设计采用双直流电动机提供机器人前进与专项的动力。经过分析，我们决定采用HC01-120型直流电动机。该电机性能稳定，可在电压为1.5V—6V的较大变化范围内可靠工作，便于设计调节控制。并且其价格低廉、容易购买、通用性好。 HC01-120型直流电动机如图2-3所示： 电机转子 电机定子 图2-3 HC01-120型直流电动机 HC01-120型直流电动机参数如表2-1所示： 表2-1 HC01-120型直流电动机参数 2.1.1.2 减速装置类型的选用 由于直流电动机转速较高（n=11500r/min），而本作品中希望得到的运动速度较低，因此需要选用传动比较大的减速装置。 减速装置主要结构可选择方案有：链轮多级减速。带轮多级减速、涡轮蜗杆单级减速、齿轮轮系多级减速。 由于链轮多级减速、带轮多级减速多用于较远距离专递动力，并且传动比不恒定、传递中会产生冲击振动，因此不符合本设计要求。如果采用涡轮蜗杆单机减速，虽然其结构相对简单，传动比最高可达1000左右，但是要实现较大的传动比，则会造成涡轮蜗杆的直径较大，从而使减速装置整体尺寸较大，因此涡轮蜗杆单级减速也不符合设计要求。选用齿轮轮系多级减速，由于所需传递扭矩较小，齿轮可以采用工程塑料注塑成型来制造即可满足要求。同时不仅可以实现精确的传动比，又能有效减小减速器的体积。所以选择齿轮轮系多级减速装置更为合适。 齿轮轮系多级减速传动原理如图2-2所示。 经过在网上参数的查询和电子产品市场中的查找，最终选用HC01-120型直流电机减速装置。其总体参数如表2-2所示： 表2-2 HC01-120型直流电机减速装置总体参数 2.1.1.3 车轮的选取与布置 轮式移动机器人一般有三轮、四轮和六轮，移动机器人若采用三轮结构则比较简单，能够满足一般的需求，应用也比较广泛；四轮的稳定性好承载能力较大，但结构复杂；六轮与四轮类似，只是有更大的承载能力和稳定性。在本作品中，需要有一定的承载能力活动范围大，要求能够平稳、稳定的工作，所以采用四轮 开题报告范文-《上肢康复训练机器人设计》的论文 开题报告范文-《上肢康复训练机器人设计》的论文 【编者按】：精品学习网论文频道为您提供各类开题报告范文参考，以及开题报告写作指导和格式排版要求，解决您在开题报告写作中的难题。 关键词：上肢康复训练机器人青岛大学硕士开题报告范文青岛论文开题报告 一、选题的目的和意义 据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。 目前世界上手功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。 目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高大多数手功能康复设备没有拇指的参与感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。 课题的研究思想符合实际国情和康复机器人对系统柔顺性、安全性、轻巧性的高要求。它将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复， 扫地机器人结构详细 自动清扫机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向。从理论和技术上讲，自动清扫机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性，从市场前景角度讲，自动清扫机器人将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和大众家庭。因此开发自动清扫机器人既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。 家用智能清扫机，包括计算机、传感器、电机与动力传动机构、电源、吸尘器、电源开关、操作电位计等，在清扫机的顶部共设有三个超声波距离传感器；清扫机底部前方边沿安装有5个接近开关，接近开关与超声波距离传感器一起，构成清扫机测距系统；清扫机装有两台直流电机；在清扫机的底部安装有吸尘器机构。自动清扫机器人的功能是自动完成房间空旷地面尤其是家居空旷地面的清扫除尘任务，打扫前，要把房间里的物体紧靠四周墙壁，腾出空旷地面。清扫机完成的主要功能：能自动走遍所以可进入的房间，可以自动清扫吸尘，可在遥控和手控状态下清扫吸尘。 本文所介绍的自动清扫机器人的总体布局方案如图1所示，前后两轮为万向轮，左右两轮为驱动轮。驱动轮设计采用两轮独立且各由两台步进电动机驱动的转向方式，通过控制左右两轮的速度差来实现转向。考虑到机器人实际应用的实用性，本驱动系统设计成一个独立的可方便替换的模块，当机器人驱动系统发生故障时，只需简单步骤就可以对驱动部分进行替换。同时为了机器人能够灵活的运动，从动轮选用万向轮。 下图为自动清扫机的三维立体图： 自动清扫机器人车箱体采用框架式结构。从下至上分隔成三个空间：第一层装配各运动部件的驱动电机、传动机构；第二层为垃圾存储空间；第三层装配机器人控制系统、接线板、 第一章 前言 1.1 题目要求 近年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐 成为现代机器人研究领域的热点。 其中， 服务机器人开辟了机器人应用的新领域。 服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯 燥乏味的体力劳动，如清沽、家务、照顾病人等；三是人口的老龄和社会福利制 度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。 服务机器人区别于工 业机器人的一个主要特征就是服务机器人是一种适用于具体的方式、 环境及任务 过程的机器人系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机 器人大多数是移动机器人。 自动进行房间地而清洁的自主吸尘式家庭服务机器人， 集机械学、 电子技术、 传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。 自主吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于 20 世纪 80 年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展， 带动了家庭服务机器人行业的发展， 也促进了移动机器人技术、 图像和语音识别、 传感器等相关技术的发展本次设计的题目《家庭清沾机器人》就是在这种背景下 提出的，其具体设计要求如下： 设计家庭清洁机器人的工作内容和要求： 运行机构形式：轮式 最高行进速度：0.5m／s 转弯半径:0 高度:<100mm 宽度:<400mm 清洁方式：吸尘、扫刷 一次充电连续工作时间： 0.5小时 营示方式： LED闪光 具有自动路径规划避障功能 具确自动充电装置 1.2 国内外相关产品研究 地面清洁机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者其研究始于 20 世 纪 80 年代到目前为止已经产生了一些概念样机和产品吸尘机器人的发展带动了 毕业设计（论文）题目：清扫机器人结构设计 院 (系)： 专业： 姓名： 学号： 指导教师： 二〇年月日 摘要 清扫机器人属于服务机器人的一种，世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛使用服务机器人。如果清扫机器人的性价比足够高，那么清扫机器人的市场将会被看好。 本文介绍了清洁机器人在国内外发展现状和应用情况，侧重研究了清洁机器人的避障控制系统。结合实验室实际条件，设计了机器人样机。其主要工作内容包括:小车机械本体设计、控制理论的介绍、AT89C51单片机控制系统硬件电路及检测电路设计、控制系统软件设计和机器人避障性能测试试验。 通过实验表明所设计的机器人样机能够实现自主避碰的功能，达到设计要求。关键词:清洁机器人避障 AT89C51单片机 Abstract Cleaning robot is one part of the serving robot..Serving robot is beingresearched and developed in the countries all over the world,and which is beingused widely in the west developed countries.If the rate of quality and price of thecleaning robot is highly enough ,the market of the cleaning robot would beprospered. The paper studies the applications and developments of cleaning robot athome and abroad, and researches the control system of the cleaning robot avoidinga obstacle mainly.The model is designed under the actual condition of the lab. The main work of the paper is as follows. The mechanical design of cleaning robot,thetheory of the control system, the design of control system of hardware circuit andsoftware based on AT89C51 SCM, the design of inspective circuit and theexperiment of performance of the cleaning robot avoiding a obstacle. The result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoiding a obstacle, so it fills the demand of the task. KEY WORD:cleaning robot avoid a obstacle AT89C51 SCM.工业机器人结构设计
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