目录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景与意义[1] 1
1.2 机器人的研究现状[4] 2
1.3机器人的发展趋势 4
1.4本文的主要研究内容 5
第二章 机器人总体方案设计 7
2.1 小型仓储机器人的功能 7
2.2 传感器系统[13] 7
2.3 移动载体 7
2.4 自由度与机器人的运作 8
2.5 控制方式的选择 9
2.6 小结 10
第三章 机器人的手部设计 11
3.1 手部的结构设计 11
3.1.1 概述 11
3.1.2 设计时应考虑的几个问题 11
3.1.3 手部夹紧力的计算 12
3.1.4 弹簧的计算 13
3.15 手部主轴的校核计算 14
3.2 驱动方式 17
3.2.1 手部电机选择原则 19
3.2.2 手部电机的选择 21
3.2.3 电机转速与夹紧力速度几何关系的确定 22
第四章 手臂的设计 23
4.1 手臂结构设计 23
4.2 手部质量计算 23
4.3 手臂计算及电机选择 24
4.4 小结 25
第五章 腰身及底座的设计 26
5.1 腰身的设计 26
5.1.1 腰身以上部分的重量计算 26
5.1.2 腰身计算及电机选择 26
5.2底座的设计 27
5.2.1 底座机构设计 27
5.2.2 底座以上部分的重量计算 28
5.2.3 底座电机选择 28
5.3 齿轮的校核计算 28
5.3.1 选择齿轮材料、热处理方法、精度及齿数 28
5.3.2 验算齿面接触疲劳强度 29
5.3.3 校核齿根弯曲疲劳强度 31
5.3 小结 32
第六章 结论与展望 33
6.1 结论 33
参考文献 34
致 谢 35
第二章 机器人总体方案设计
2.1 小型仓储运机器人的功能
仓储机器人应具备以下功能:
(1)移动:通过机器人的移动实现物料的远距离搬运；
(2)导航跟定位;能够自主的按照预先设置的路线运行，并获得位置资料；
(3)运输:能搬运物料从A位置到B位置；
(4)规划路径:在离线的状态下，操作者要为机器人在结构化的环境中寻找无碰撞路径；
(5)避障(扩展功能):机器人应该具有一定的感受、适应外界环境变化的能力，尤其是要能检测出明显的障碍物，自动调用避障策略；
(6)无线通讯:有数据传输功能，有效距离1000米。
2.2 传感器系统[13]
传感器系统属于机器人控制系统，是整个机器人的感觉器官，负责探测工作环境以及检测机器人自身的运动。传感器系统有能检测机器人运动的传感器和实现机器人可扩展功能所需的传感器。下面主要介绍能实现各种基本作业的传感器：
(1)行进距离检测:编码器，采用积分增量思想，具有较好的短期精度；
(2)偏转角度检测:陀螺，测量旋转角速度，无需外部参考，适于短时间的精确定位；
(3)起点、终点摆放台检测:微动开关，反馈是否接触摆放台侧壁信息；：
(4)物料抓取检测:微动开关，检测物料是否被有效抓起；
(5)(可扩展功能)突出的障碍物检测:采用超声波传感器行进路径上有无障碍物；
(6)(可扩展功能)运行环境白色引导线检测:采用颜色传感器识别白线信息，利用白线导航。
2.3 移动载体
移动载体能执行小型仓储机器人的移动功能。常见的移动载体有轮式、履带式和足式行走机构，此外还有各种轮、履跟腿的混合式结构。
(1)轮式
轮式移动载体一直是平坦地面上运动的最有效的工具。它具有能高速稳定移动、能量利用效率高、机构和控制简单等优点，缺点是移动场所限制在平面上，且一般情况下需要一定的转弯半径，因而造成灵活性下降。轮式移动载体依据车轮的数量可分为 1轮、2轮、3轮、4轮及多轮机构。单轮和双轮主要是进行直立稳定移动控制问题的基础研究，而不着眼于移动机器人的实用化问题。从高速移动时加强稳定性的观点出发，多数采用的是四轮机构。五轮以上的机构有较大的稳定性，适合子台阶、阶梯或三维弯曲路面等非平地状态的移动。全方位车轮机构是目前常用的轮式机构，具备全方位移动功能，操作灵活，特,按照所用轮子的类型和驱动方式，轮式移动载体可分为五大类，即(3,0), (2, 0), (2, 1), (1, 1)和(1, 2)，其中前面的数字表示移动度(degree of mobility)，后面的数字表示转向度(degree of steering)。轮式机器人在地面上滚动时，会受到非完整约束，这是由轮子的运动本质决定的，即轮子在地面上做无滑动的纯滚动。尽管非完整系统类别与轮式平台的类型有关，但所有轮式平台都是非完整的。[5]
(2)履带式
为了改善车轮对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带式移动机构被广泛采用。履带式移动机构有以下特点:支承面积大，接地比压小，适于松软和泥泞地面作业。机动性好，爬坡、越沟等性能好。履带不易打滑，牵引附着能力好。履带运动方式在不平地面上的机动性很差，转弯不便，转向时能耗较大。
(3)足式
足式行走机器人即所谓的步行机器人。步行机器人不仅能在平地上而且能在凹凸不平的地面上行走、跨越障碍、上下台阶，具有独特的优越性能。但是，要控制它的步行和不倾倒有很大的难度，目前实现上述功能的机器人很少。四足机器人普遍存在控制复杂和步行速度低、步幅小等缺点，实用化的成果则更少。
显然，本课题所研究的机器人主要在平面的环境中运行，选用轮式移动载体最为合理，即采用两轮独立驱动的方式，通过控制两个驱动轮的速度，使车体跟踪不同的轨迹曲线。这种结构方式的优点是转向灵活，当两轮速度值相同，方向不同时，车体可以原地回转。