1.2  国内研究现状

1.3  国外研究现状

2  机械臂结构方案及相关参数设计

本课题为省部级项目结合实际改编的项目，项目设计的机器人为家用机器人，所以需求的运动负载较小。由于家庭环境空间多狭小，所以要求结构简单，为保证安全性和适用性，需要较高的定位精度。关于机械臂的驱动方式有三种：气压、液压、电机。但是考虑家用清洁和便利，我们选择的驱动方式为电机驱动，选用直流伺服电机。目前，我们在机器人设计中，应用使用的转动驱动形式有直流伺服、交流伺服、直流步进。我们采用直流伺服电机配减速器直接驱动控制选装，该方式具有精度高，无转角限制等优势，配合谐波和RV减速器，可以提供较大的力矩，技术相对成熟。而且，伺服电机可以进行闭环或者半闭环控制，控制精度较高，而且也便于速度和位置控制。

结合上述对驱动方式的分析，我们采用电机加减速器配合联轴器的关节传动结构，使建结构紧凑简单，非常适合家用机器人要求。另外，对于机械臂的第5、6关节，我们利用同步带来采取后置电机方式，减少机械臂末端重量，减少整个机械臂的力矩。

本节内容主要叙述了该课题的设计要求，机械臂的自由度分配设计，以及关节连杆的参数设定。也完成了各个关节转速以及力矩的计算，电机选型和减速比设定与减速器的选型，还有通过力矩进行减速比的校核。同时，确定了每个关节的机械传动结构方案。

2.1  设计要求

通过查阅资料及其他方式，独立完成残障服务机器人的机械臂设计及其控制系统方案，设计内容要求：1、完成残障服务机器人机械臂的机械传动方案拟定； 2、完成残障机器人机械臂机构设计； 3、完成残障机器人机械臂的总装配图和各个零部件设计的设计图纸； 4、撰写毕业设计说明书； 5、完成机械臂控制系统方案的设计；6、折合的图纸工作量应该不少于3张零号图。

本课题设计的设计数据要求：机器人的手部大约不超过负载5Kg; 本体重量£50kg 2、机械臂各轴的运动范围参考人体肩部、肘部、腕部的运动范围；各轴最大线速度：0.5米/秒，可调。

2.2  机械臂结构示意图

图2：自由度图

2.3  机械臂连杆参数设定

表1：

关节名称 连杆长度 活动范围（水平向前为0°） 初始角度

1 0 0~-90° 0°

2 700 -90~90° -60°

3 400 0~120° 0°

4 50 -90~90° 0°

5 300 -90~90° 150°

6 50 -90~90° 0°

2.4  机械臂各关节运动机构及其计算参数设定

在对残障服务机器人进行结构设计之前，我们需要根据设计的总体方案，设定机械臂的连杆参数和末端转动速度以及机械臂重量的估算，并根据查阅相关资料判断各个关节的机械效率，然后通过计算转动惯量、重量距等得到各个关节末端的所需力矩大小，以此来初定电机的型号，然后通过电机转速和末端转速来确定减速比，再利用减速比和末端力矩反推出所需要的电机力矩的大小，判断电机是否符合需求。

根据之前的方案设计要求和估算的力矩结果及功率参数进行电机选型，电机的选型主要有以下的步骤：

（1）估算重力、外负载力和摩擦力，并计算负载功率和相关力矩参数；

（2）根据负载功率初步选择电机；

（3）匹配减速器（包括效率修正）。

根据各关节传动系统选择，按照减速器和锥齿轮副等完成各个关节效率估计计算。其中，设定RV减速器效率为0.7，谐波减速器效率为0.9，锥齿轮副效率为0.9.