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图2-3 迎宾机器人
2.4 运动手臂的三维设计模型
手臂的设计完全是按照人体的比例进行设计，是主要的运动部位，要有多个运动自由度。
图2-4 迎宾机器人手臂
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第3章 方案详细设计
3.1 手臂的详细设计
经简化后手臂拥有4个自由度，分别由4个舵机驱动，如表3-1机器人手臂自由度所示。分别是： 肩部向前抬手臂、肩部侧向抬手臂、肘部弯曲、腕部转动。
表3-1 机器人手臂的自由度
部位 肩部 大臂 小臂 腕部 运动机能 肩部向前抬手臂 侧向抬手臂 肘部弯曲 腕部转动 自由度 1 1 1 1 选用电机/数量 1 台 DynamixelRX64 1 台 Futaba-S9156 1 台 MG-995 1 台 各关节传动原理 如图3-1各关节传动原理图所示
图3-1 各关节传动原理图
表3-2传动路线
关节 1 2 3 4 5 各级齿轮的传动比
传动路线 关节电机1-行星齿轮箱-传动轴1-Z1/Z2-传动套筒 关节电机2-行星齿轮箱-Z3/Z4-传动轴2-Z5/Z6-传动轴4 关节电机3-行星齿轮箱-z8/Z7-轴5 关节电机4-行星齿轮箱-轴-键-传动件 关节电机5-行星齿轮箱-蜗杆-蜗轮-手抓 6
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Z1/Z2=1:2 Z3:Z4=1:2 Z5:Z6=1:1 Z8:Z7=1:1 蜗杆/蜗轮=14.5
3.1.1 基本要求的确定
四个自由度包括大臂回转、外展和小臂俯仰、旋腕。为了使机器人的手臂转动，所需要的最大转矩是当手臂呈水平状态，设各部分的尺寸如图3-2关节位置示意图所示。
图3-2 关节位置示意图
3.1.2 手臂动作的基本参数
表3-2 迎宾机器人的基本参数
动 作 范 围 基座回转 θ1 肩关节俯仰 θ2 肘关节俯仰 θ3 转腕 θ4 320o 250o 270o 360o 30o/s 60o/s 3.2 机器人驱动装置的一般要求
对机器人驱动装置的一般要求如下:
a.驱动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高；
b.反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大； c.动作平滑，不产生冲击；
d.控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； e.安全可靠； f.操作和维护方便；
g.对环境无污染，噪声要小；
h.经济上合理，尤其是要尽量减少占地面积。
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3.3 迎宾服务机器人的驱动方式
电动机驱动是利用各种类型的电动机经过机械传动驱动机器人操作机以获得各种运动。电力驱动因有不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、启动力矩大等优点而在机器人中广泛选用。
3.4 电机的选择
3.4.1 臂部直流电动机的选择
设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为:
J1?JG1?m1l1?JG2?m2l2?JG3?m3l3 (3-1)
m1,m2m3前面已经说明，分别为3kg、2kg、2kg。l1222、l2、l3分别为重心
到第一关节轴的距离，其值分别为100mm、250mm、500mm，在式中JG1??m1l12、
JG2??m2l2、JG3??m3l3故JG1、JG2、JG2可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量
22为：
J1?m1l1?m2l2?m3l3 (3-2) J1 =330.12 + 230.252 +230.52 =1.155kg.m2
222同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量:
J2?m2l4?m3l5
22=230.12 +230.252 =0.145 kg.m2
式中：l4——小臂重心距第二关节轴的水平距离 mm。
l5——
腕部重心距第二关节轴的水平距离 mm。
T?J?? (3-3)
设大臂速度为30?/s，则旋转开始时的转矩可表示如下 式中：T——旋转开始的转矩 N?m ?——角加速度 rad/s
2使机器人大臂从??0到??30/s所需时间为0.1s则 T1=J13?=1.15533.14/6=12.09Nm
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13N2m 电动机的功率可按下式估算
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