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移动机器人作为机器人学发展中的一个重要分支，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。机械臂是机器人的重要组成部分，他是机器人的执行机构，组合式机械臂是由若干一维机械臂以不同夹角组合而成，可实现机械臂的直线伸缩，或在X-Y平面移动，或在X-Y-Z空间定位等功能，以满足不同场合下的需要。
本文针对移动机器人组合式机械臂进行设计，首先进行总体的设计方案，拟定螺旋传动副为一维机械臂传动方案，对方案进行特点分析，然后针对关键传动件设计，选择电动机，对重要零件进行强度校核，对轴和轴承的寿命进行计算校核，最后对重要零部件进行结构设计，包括材料的选择、尺寸的确定、结构工艺性的满足、以及与其他零件的配合的要求等。
Mobile robot is an important branch of robotics development, is a comprehensive system including environment detecting, a variety of dynamic decision and planning, action control and execution in one. Manipulator is an important part of the robot, he is the executive body of the robot, the combined mechanical arm is composed of several one-dimensional manipulator with different angle combination, linear expansion can realize mechanical arm, or move on the X-Y plane, or function in X-Y-Z space positioning, to meet different occasions.
In this paper, the mobile robot combined mechanical arm design, firstly, the overall design scheme, make the spiral transmission pair transmission scheme of one-dimensional mechanical arm, characteristics analysis of the scheme, then the motor selection for key transmission parts, design, strength check of important parts, the life of the shaft and bearings are calculated, finally the structural design of the main parts, including material selection, determine the size, structure, and meet the demand for cooperating with other parts etc..
Key Words: One-dimensional mechanical arm, mechanical arm, mobile robot, X-Y plane
摘 要
ABSTRACT
目 录
第1章 绪论
1.1常见电池型号及尺寸
1.2机构
1.3包装机的作用
1.4中国包装机械的发展
1.5本课题研究目的和要求
第2章 整体方案设计
2.1设计参数与技术要求
2.2 电池包装机的传动原理
第3章 传动设计与计算
3.1电动推杆设计计算
3.1.1 伺服电机的选择
3.1.2 滑动螺旋副的计算
3.1.3 联轴器的选用
3.2胶辊设计
3.2.1微型电机选择
3.2.2微型皮带轮传动设计
第4章 主要零部件结构设计
4.1机架设计
4.1.1机架设计准则
4.1.2 机座主体设计
4.2 包装袋托架设计
4.3 集料槽设计
4.4轴承选择与校核
4.4.1 轴承校核的概念及方法
4.4.2电动推杆处轴承校核
第5章 安装检验及使用维修
5.1检验规则
5.2 包装机安装
5.3 设备调整
5.4使用操作
5.5维修保养和故障排除
总结
参考文献
致 谢
1.1 机器人的发展史
机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。
1954 年 , 德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。
1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。 它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特”，意思是“万能自动”。 他们因此被称为机器人之父。
1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。
近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型 , 第二代则具备了感觉能力 , 第三代机器人是智能机器人 , 它不仅具有感觉能力 , 而且还具有独立判断和行动的能力。
英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作 。
20世纪70年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。 第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。 智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。
到了90 年代, 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展, 机器人技术也得到了迅猛发展。目前工业机器人已广泛地用于汽车工业、机械加工工业、电子工业及塑料制品工业等领域中。在工业生产中, 弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。随着科学与技术的发展, 工业机器人的应用领域也随之不断扩大。现在工业机器人的应用已开始扩大到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域中。除了工业机器人水平不断提高之外, 各种用于非制造业的先进机器人系统也有了很大的进展。
1.2 我国机器人发展状况
我国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在20多家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊接线上。
目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位200多家，拥有量为3500台左右，其中国产占20％，其余都是从日本、美国、瑞典等40多个国家引进的。2000年已生产各种类型工业机器人和系统300台套，机器人销售额6.74亿元，机器人产业对国民经济的年收益额为47亿元。
据专家对国内542家用户以及汽车、电子电器、工程机械３个行业的部分用户进行统计分析，就全国而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人，其他机器人用量很少。就行业而言，汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多，冲压、搬运、装配次之；电子电器行业集中在装配，如大连华录一家就用了近300台，其次是搬运和喷涂；工程机械行业集中用于弧焊，喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人目前主要用于石化、轻纺和烟草行业。
1.3移动机器人概述
移动机器人的研究始于60年代末期，斯坦福研究院(SR)I的NiISSen和CharleSRosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行结构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新高潮。特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。
移动机器人的系统结构：
目前研究的移动机器人都是带有智能的机器人:机器人本身能认识工作环境、工作对象及其状态，它根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立的决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。
这些具有智能的机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动;有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验;有的具有自主控制和决策能力。不仅能够应用各种反馈传感器，而且还能够应用人工智能中的各种学习、推理和决策技术。
移动机器人一般由硬件系统和软件系统两部分构成。据研制目的不同，移动机器人硬件系统的构成也不尽相同，比较完整的典型结构如图1.1所示。移动机器人的软件系统，就相当于机器人的“大脑”，智能机器人之所以能够代替人做大量的工作，就是因为它具有和人类的大脑思维能力相仿的智能控制系统。而这个智能控制系统其实就是机器人的软件系统，是人工智能主要技术对于机器人的综合运用。
这种特殊结构的机器人在工业装配、无人恶劣环境中工作(如灭火、外星球探测和各类危险的科学研究)以及室内服务工作(如运送、导游和巡逻)等方面具有一定研究价值。
1.4本课题研究目的和要求
通过对移动机器人组合式机械臂进行设计，进一步巩固与深化学生对理论课程及实践性教学环节中所学知识的理解，培养学生综合运用所学基础知识、基本理论和基本技能来分析和解决相关专业问题，以及收集、整理、分析、利用资料的能力，使学生受到工程师工作能力的综合训练，提高学生的独立工作能力与综合素质。
动力源及传动机构要考虑效率、成本、维护难易、失效、传动精度要求以及与整个机构的位置关系。
使用液动或气动作为平移和上升的动力源，传动机构主要为液压缸或气缸、活塞、回转液压缸。这就要求一套液压系统，包括液压泵、液压阀、液压缸或气缸、密封元件、导轨等。液压或气压驱动系统具有以下特点：
1、液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力(或力矩)惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机机器人；缺点是：结构复杂，维护难度大、对环境有影响、硬件成本高。
2、气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、价格低等特点小负载的系统中；但由于空气的可压缩性定位不准等难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。
3、无论是液压还是气动，都会致使机械臂的总体重量增加，结构庞大，同时也会增加它的转动惯量，对于移动机器人上的机械臂，采用液压或气压传动，并不理想。
使用步进电动机作为动力源，传动机构使用丝杠滑块传动。该方案具有以下特点：
1、适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人；由于步进电机的广泛采用，这类驱动系统在机械手机器人领域里被大量选用；
2、丝杠传动时，有利于主机的小型化及减轻劳动强度；摩擦力矩小，接续刚度高使温升及热变形减小，有利于改善机械臂的动态特性，提高工作精度，具有很好的高速性能。
经过方案一和方案二的分析，决定采用方案二。这主要考虑到硬件的制作成本、维护成本、尽可能地降低总体方案的重量、尽可能的使结构简单，工艺性更良好，安装调试更方便。
根据上述论述，现拟定方案图。一维机械臂的传动如下图2-1所示，它的X-Y-Z组合效果如图2所示。
图2-1
图2-2
一维机械臂由步进电机带动丝杠转动，滑块即可在丝杠带动下沿导轨移动，在X/Y/Z三个方向分别布置一个一维机械臂，即构成了三维机械臂，可实现联接在手臂联接座上的手爪在空间定位。
步进电机在数字化控制下能实现精准定位，因此，本传动方案更便于控制，相对于液压传动，气压传动，本传动方案结构简单，行程更大，因此，本传动方案是一种较理想的传动方案。
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