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1.1 引言

在星球表面探索、地震或事故现场救灾、自然界未知事物探索等环境中工作

的移动机器人，面临着复杂、未知、多变的非结构环境，应具有良好的适应性、

灵活性。移动机器人应当能够依靠自身的功能，克服环境的不确定性，有效地完

成任务

[1]

。机器人不仅可以在粉尘、噪声、有毒、辐射等有害条件下部分替代人

去操作，还能在人所不能及的极限条件下，如深海、外层空间环境中完成人所赋

予的任务，扩大了人类改造自然的能力，尤其是近些年来自动化和计算机的发展

极大地推动了工业机器人的发展。

机器人的研究、开发、应用涉及许多学科，机器人技术是一门跨学科的综

合性技术。多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、电气液压驱动、控制

工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学等学科都和机器人技术有

密切的联系

[2]

。

1.2 国内外研究现状

地面移动机器人是脱离人的直接控制，采用遥控、自主或半自主等方式在地

面运动的物体。地面移动机器人的研究最早可追溯到五十年代初，美国 Barrett

Electronics 公司研究开发出世界第一台自动引导车俩系统。由于当时电子领域

尚处于晶体管时代，该车功能有限，仅在特定小范围运动，目的是提高运输自动

化水平。到了六、七十年代，美国仙童公司研究出集成电路，随后出现集成微处

理器，为控制电路小型化奠定了硬件基础。到了八十年代，国外掀起了智能机器

人研究热潮，其中具有广阔应用前景和军事价值的移动机器人受到西方各国的普

遍关注

[3]

。在移动机器人的发展中，出现两个机器人大国，一个是日本，另一个

是美国。时至今日，各种类型的地面移动机器人纷纷研制出来，其应用范围从民

用、工业用到军用，涉及人类运动的方方面面。

进入 90 年代，机器人技术的发展由于受到发达资本主义经济不景气的影响，

专门从事机器人研究和生产的部门数目有所减少，但由于人工智能、计算机科学、

传感器科学的长足进步，使得机器人的研究在高水平上进行。机器人发展到今天

已经是灿烂辉煌，随着信息技术、电子技术的发展，移动机器人作为人工智能的

一个分支也将吸收这些成果，功能将更完善，新的移动机器人也将涌现出来

[4]

。

未来的机器人技术，将在以下几个方面发展。

（1）高速操作臂高速操作臂可以大大提高机器人的工作效率。为此，必

须开展新的手腕机构和伺服驱动装置，以及能适应机械臂高速运动的变转动惯量

的动态控制方法等的研究。

（2）柔性操作臂目前的操作臂本身质量要比它所能抓起的质量大的多。

如臂自身质量为 30kg，仅能搬运还不到 10kg 的物体，这与人的手臂相比要小的

多，其原因主要是驱动装置的效率低、轻型材料的强度和韧性不够。因此，新型

材料的开发成为了研制高效机器人的重中之重。

（3）多自由度操作臂要实现狭小空间的操作，研制超多自由度的机械手是

完全必要的

[

。

（4）高精度、多自由度控制操作臂机器人被越来越多的用在医疗，军事等

需求高精度的场合，在保证精度的同时还要追求高自由度，要能完成各种各样的

动作，这就要求研制出更稳定的系统来保证操作臂动作的精度。

（5）微型操作臂目前的操作臂局限于材料和驱动力，自身的大小不能满足

越来越精密的工作场合。为此，微型操作臂的开发已在日程中

[5]

。

1.3 机械臂介绍

1.3.1 机器人操作臂的机构和空间描述

机器人要实现功能最重要的部件就是机械臂 (亦称操作臂)，一般是由一系

列连杆由旋转关节或移动关节相连接的开式运动链，一端装在固定的支座上(机

座);另一端自由，安装手爪、工具，实现各种操作

[6]

。

为了描述组成操作臂的各连杆之间的相对位置和姿态，在每个连杆上固接一

个坐标系，用其来描述相对运动。机器人通过机械臂完成人们交予的任务，从早

期齿轮传动只能上下移动的垂直臂到后来液压驱动多自由度自由伸缩的机械臂，

期间一共度过了 40 年的时间

[7]

。如今，机械臂已经更加拟人化，包括安装了触

觉，视觉，力觉等感受功能部件，使机械臂运动起来能够理性避让障碍,减少不

必要的损失。

1.3.2 操作臂运动学、动力学、静力和变形

把操作臂的连杆近似的当成刚体，则相邻两连杆坐标系之间的位置关系用连

杆变换矩阵来表示。操作臂运动学则讨论手臂末端执行器的位姿与关节变量之间

的关系

[8]

。操作臂运动学由两个基本问题:正向运动学和逆向运动学。

操作臂动力学研究各关节驱动力与终端操作器的位置、速度和加速度之间的

关系。操作臂的动力学方程十分复杂，不仅与操作臂的形位有关，还和连杆的质

量分布、连杆的结构、关节之间的摩擦等有关

[9]

。操作臂的动力学方程有多种形

式:关节空间、操作空间和状态空间形式。研究操作臂动力学一方面是为机器人

控制提供精确的动力学模型，计算驱动力函数、实现前馈补偿;另一方面是为了

仿真，根据加速度计算相应的关节力

[10]

。

1.3.3 操作臂的轨迹规划和运动控制

机器人的操作臂在运动之前，需要明确是否一定要沿特定的路径运动，还要

明确在运动过程中是否会与障碍物相碰

[11]

。如果对运动的路径没有特殊的要求，

则通常是每个关节按指定的平滑时间函数，同时从起点运动到终点;如果一定要

沿特定的路径，那么轨迹规划器应利用函数插值逼近预期的路径

[12]

。

轨迹控制的目的在于精确地实现所规划的运动。运动控制包括:建立操作臂

的动力学模型;根据所建模型确定控制规律或策略，以达到预期的系统响应和性

能。讨论控制规律的分解和相应的控制方案

[13]

。

1.4 目前主要存在的问题

工业机器人是计算机技术出现后发展起来的一种新型机械结构，工作效率和

机动性比传统机械高很多

[14]

。随之而来的是，机器人的结构设计在减少质量、

提高刚度方面比传统机械结构有更高的要求。在设计工作中，结构的最优化显得

更为重要。

如今的机器人手臂存在几个急需解决的问题，首先是机械手臂工作状态下的

稳定性。军用机器人特别是防暴拆弹机器人是用来拆除炸弹，需要用机械臂夹起

炸弹，运输到特定的防暴护具中进行引爆。这就要求在夹起和运输过程中的平稳，

稍许的震动也许就会是炸弹被引爆，造成不必要的损失。其次是机械手臂的适应

性

[15]

。机械手臂是机器人的核心之一，机器人只有通过机械手臂才能发挥各种

作用。在很多场合，现场条件都很复杂，这就需要机械手臂有很好的适应性，能

进入各种复杂的管道或者角落进行作业，或者对障碍物柔性避让。这就对机械手

臂的结构优化有了更大的要求

[16]

。

1.5 我国机器人的发展战略

谈及我国的机器人发展战略，许多有识之士己发表了不少高见。为了使我国

机器人学有更大的发展，首先必须进一步发展对机器人的认识，取得正确和求实

的共识。对于具体的一些思路，则涉及在发展工业机器人的同时，注意开发特种

机器人;培养与发展国内机器人市场;建立机器人产业集团，形成规模生产;开展

国际合作，打开国际市场，参与国际竞争;合理选择主攻战略方向，开发有市场

有知识产权的新技术;更加重视基础研究，加大技术储备;稳定和扩大研究队伍等。

21 世纪已经到来，在新世纪里，中国机器人学必将在世界上占有一席之地，并

可望发展成机器人大国。

1.6 设计的主要内容和要求

全旋转关节小型机器人具有典型的工业机器人的运动特征。唯有体型较小，

可以放在桌面上，适宜于教学实验和作为自动化及控制技术的研究工具。

该课题在调研的基础上完成 5 自由度步进电机驱动，传动设计和结构设计。

重点工作是电动机的选择和校核及其关键零部件的强度计算。

2 传动系统的设计

2.1 传动系统的方案设计

2.1.1 各种传动方式的比较

（1）带传动：带传动具有结果简单、传动平稳、造价低廉、不需要润滑油

及缓冲吸振等特点。

（2）链传动：链传动具有平均传动比准确、传动效率高、尺寸较紧凑、能

在恶劣的条件下工作，但其不能保持瞬间的传动比恒定，工作时有噪声、磨损后

易发生跳齿，不适合用于空间，限制要求中心距小及急速反向传动的场合。

（3）齿轮传动：齿轮传动能保证瞬间传动比的恒定，传动比范围大；速度

和传递的功率的范围大，可用于高速、中速和低速的传动；但制造的成本比较的

高，无过载的保护作用。

综合以上各特点：因为本机器人用于科研、教学实验、握重 3 kg，所以载

荷较小，工作也比较的稳定，环境较好。但要求传动准确，瞬间传动比准确恒定，

且要有较大的传动比。故本机器人尺寸较小，结构要求紧凑，并且要求传动反应

灵活、迅速、准确。所以，综合考虑选用齿轮传动且多级齿轮传动，以获得较大

的驱动力矩；由于传动比大，也可提高传动精度。

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