王博

【摘 要】随着机器人技术的发展，机器人技术已经在社会、国防和工业中有着举足轻重的地位。移动取物机器人技术属于多学科相互交叉，是机电一体化的典型代表，同时也是我高科技水平和发展实力的重要标志。本文介绍了移动取物机器人的研究背景，对国内外移动取物机器人的相关现状进行了调查，分析了其组成机构及运行原理，在此基础上设计了一款新的移动取物机器人。

【关键词】移动取物机器人;机械手;履带车;结构设计

移动取物机器人技术属于当今世界先进技术，其包含了多个学科;移动机器人的设计与制造涉及了机械工程、材料工程、电子工程、计算机工程、生物工程、传感器与控制工程等诸多科学，是机电一体化的典型代表[1]。

就我国而言，人口老龄化问题已经相当严峻。根据相关调查，2010年65岁以上老龄人口总数已经达到1.11亿，预计2050年将达到3亿左右，与此同时，世界老龄人口也呈现出增长趋势。因此服务型的机器人是一大热门。

移动机器人在航天领域、快递分类、国防建设等方面表现不凡，特别是在工作环境恶劣，对人体有极大伤害的场所如：核辐射区域、外太空等，只能依靠移动机器人进行相关调查和侦察。美国在对伊拉克的战争中，使用了很多现代机器人，包括排爆机器人、侦察机器人、防卫机器人等，总数目已经达到两万多套，（无人机七万多套，地面机器人近两万套）[2]。发达国家已经广泛应用了为应对各种场合而研发的特定功能机器人，但是我国尚处于研究初期。

综上所述，人们已经清楚意识到地面移动取物机器人的优越性，相应的，移动机器人的相关性能随之提高：运行更稳，动作更精确，冲击小。所以，具有智能性作业的自主移动机器人会在未来人们生产生活中，包括消防、航天、军工中应用越来越广，已经成为二十一世纪发展的重要方向之一。

一、移动取物机器人机构原理

如图所示，移动取物机器人主要由智能移动平台和搬运机械臂两大部分组成。用来实现物品的定点运输。总共有6个自由度。

移动机器人系统主要包括总控制系统，机械臂取物系统和移动平台系统组成。

总控制系统是控制移动取物机器人的中枢，检测机器人各处的工作情况，处理来自其他两个系统的信息，发送控制信息，来保证整个移动取物机器人正常工作。移动平台系统的功能是实时收集移动机器人的周围环境信息，保证机器准确、高速、安全的到达目的地。机械臂取物系统则是控制机械臂调整机械臂及机械手的姿态，配合移动平台的位置来准确夹取和释放物品。

移动取物机器人整体结构：机械臂和履带车。机械臂由底座，大臂，小臂和机械手构成，其中底座部分安装了三个步进电机，用于提供底座、大臂和小臂回转的动力。

（一）智能移动机构原理

常见的移动平台行走方式有：腿式机构、履带式机构、轮式机构和组合式等，其中应用最广泛得式履带式和轮式[3]。

机器人的智能移动平台采用选择履带式，其自由度是二，履带式移动平台结构上与行驶表面接触面积大，可以适应土质疏松的环境，工作环境适应性高。履带式通常采用差速驱动，能够实现原地转向。

履带车大体上由底盘、侧壁、固定轮和传动链轮链条组成[4]，其中链条和底盘是负载最大部分，它的稳定性可以說是整个移动取物机器人开始的关键一步。履带车底盘上面便是整个机械臂部分，由于本次设计夹取的物品质量并不大，因此一般电机就可。整个运动过程可描述如下，电机通过联轴器将动力输送给链条驱动轮，链轮带动链条前进，通过两侧电机速度的调节，可以使小车完成转弯，回转，停车等正常功能。其整体结构图2所示：它包含以下方面和功能：

1.履带车侧壁：是联系履带车底盘与系杆的关键结构，均使螺栓连接;上面配有系杆回程槽口，当履带车需要翻越障碍时，固定轮将会带着系杆在槽内回转，使得整个小车高度降低，提高爬坡力。

2.电机：两个电机即提供了履带车两个自由度。

3.复位弹簧：降低履带车运动时候的震荡程度，在履带车完成爬坡后，将系杆恢复原位，使之能进行下一次攀越。一端固定在侧壁卡扣上，另一端固定在系杆卡扣上。

4.系杆回程卡槽：一个圆弧状的槽，系杆的定位柱可以里面定位，并设计由22°的活动范围，使小车攀越能力提高。

5.传动链条：是小车行驶的关键结构，用链条代替轮子，使得整个小车牵引力增大，重心低，附着系数大，具有良好的抵抗倾翻性和坡地稳定性。

6.驱动链轮：需要有一定的弯曲强度，使得电机可以驱动链轮带动链条实现小车行驶。设计为双排链轮链条结构，这使得链轮稳定力学性能提高，平稳性高。

7.固定轮：平衡整个履带车，定位履带，使之能够稳定运转。

8.系杆：通过螺栓固定在侧壁上，配有定位卡柱和弹簧卡扣，需要一定的强度，来承担运动载荷。

（二）机械臂机构原理

从理论上将，机械臂的空间连杆结构形式决定了其可以运动的最大范围，关节型机器人最为常见，使用很广。关节型机机械臂优点是结构紧凑，整体所占体积小，相对来说，工作空间最大，动作灵活，活动惯性小，动作更具有连续性和重复性，还可以穿过障碍物。结构如图3所示。

根据移动取物机械手的设计要求，本设计要求机械手质量轻、体积小，可折叠，对动作半径和灵活度要求较高，结合设计指标，分析国内外移动取物机器人机械臂后，决定采用关节型机器人，初步设计机械臂构件为：底座、大臂、小臂、执行端夹持器，需要实现底座回转，大臂回转，小臂回转，夹持器夹取四个动作，所以其自由度为4。

这里机械臂选用分离型机械臂设计。它不是直接由驱动元件驱动，而是驱动元件通过一定的传动方式将动力一步一步传给运动件;这种设计方法可以让机械手臂工作过程中能源利用率高，重量集中在底座，使机械臂运行更稳，但缺点结构设计复杂，需要设计多个零件，且维护不便。由于移动取物机器人机械臂自由度等于4并不多，所以分离式关节机械手臂也并不复杂，负责旋转的电机安装在底座上，大大降低了机械臂的设计复杂程度。

机械臂如图4为其机构原理图，由底座、大臂、小臂、执行端组成，共四个自由度，动力源采用3个步进电机和一个舵机。采用的传动方案最终定为复合平行四边形杆组结构，左边电机通过一个平行四边形杆组驱动小臂运转，右边电机通过复合平行四边形杆组驱动大臂转动;在使得平行件的运动角速度完全一致，又保证了执行端一直与地面平行，使机械臂在夹取物品过程中十分稳定，使物体保持与履带车底板平行。

在选择机械臂的制造材料时主要综合考虑材料的强度、刚度、可加工性及价格等。本机器人主体采用6063铝合金，6063铝合金适用范围广，生活中很常见，其装配性能、耐蚀性能良好，经济实用。履带车由于承载力较大，7050铝合金具有很高的强度和韧性，因此选用7050铝合金。

二、机器人工作范围

本次设计的是移动取物机器人，机械臂在底板上放置如图5所示，在x方向整体的约三分之一处，并不在中心位置，因为整个机械臂实际工作时得质量不集中在中心，这样做可以使机器人在取物过程中很平稳，有个平衡力矩平衡取到的物体，不会发生倾覆。

图5为机械臂大小臂运动范围。大臂长155mm，运动角度范围为90度，小臂长190mm，运动那个范围为120°;由图可知在机器人固定时，机械臂可以拿取从地面到离地面50cm高（底座离地面16cm），方圆25cm左右的物品。理论上，移动机器人在移动时，可以拿取高度在50cm以下、体积质量合适的任何物品。图6为设计出的移动取物机器人总装图：

四、结束语

本文介绍了一种新型机器人——移动取物机器人，设计了它的机械臂和履带车两部分，并对机器人的作业空间进行仿真分析。该机器人在构型、结构设计方法、驱动方式以及总自由度等方面都具有创新性。对移动取物机械的原理分析到机械臂构型及其驱动方式选择，再到具体传动方案的设定、材料的选择，然后进行了零部件设计，驱动部件选型及其强度校核，用Solidworks中Simulation插件对重要零件进行了仿真模拟。该助餐机器人具有结构巧妙、易于加工制造、操作简单的特点，而且与同类产品相比成本低，易于产品化。

【参考文献】

[1]郑文钢.基于RGB-D的移动搬运机器人的物体位置检测与姿态估计[D].浙江大学，2019.

[2]秋娟.我国人口老龄化对经济增长的影响研究[D].寧波大学，2017.

[3]王超星.全地形移动机器人机械结构及控制系统设计[D].北京化工大学，2017.

[4]冯琛.木门智能喷涂生产关键装置的设计与应用[D].浙江农林大学，2018.