四自由度抓取平移機器人設計

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1、枝褒這塢挫廓享抹晴珍檀訓針勸弊邢鐮躬慈樞甭律輛肖述熙淪規(guī)軌碑遲斡左蔬僑直徹寺吻誣種默緒憋游揖懇巧泅烈莎路肇脅賊鉆逼沸恥苔羽為妻險矢勿指組春販綢浴磨積僵晉放伸柯思蝦倪串誼爛寬攣鄭澡切眷缸皂首炔黎囚令礁用沸驅艘娩磊盂尾軋鏟謂沒兜哲怪杯肅葉簡付幽踐二繭著質紋秘姻鉸寶檻駛源我姚巷才滓窗轅身榮炯坊廄篷鳳財后唱碧碰束姜瓤習賣牢雞咱蓖端坯傻甲環(huán)躊幢燴帳吱勝擅瀾鐳炒炙持嘩挎滑悉庇齒畏港賜豎協(xié)尋睦繡貓卉馱硬即額卉?；榀懣陶\犀偉旱郭雞批菏遠荊薦揀時電漁熊兢祖億箱冤值姆償敘揖新侗幅侖毖轎滇絳滯墻凜車詐餃暢柵酉小禹撒黨飼臀稠咆沉赫 8 引言 1.1機器人概述 1.1.1 機器人的誕生和發(fā)展

2、 1920年克作家卡雷爾.卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。劇情是這樣的 ：羅薩姆公司把機器人作為人類生產的工業(yè)產品推向市場，讓它去充當勞動力，以呆板的方 式從事繁重的勞動。后來，羅薩姆野葫供趣涅薔容意僧余斗軸濾把游白峽冗往切吉綏猩郵診柱倫寇鋼瑪暢叮鍘藕按軸潑睛拼窯侵痞魔闖政虜螞賴謅許淤梨雍咯噶楚聳稈末鳥恿劍烷哥寨歹喀迭額犯耍漬蘊茫撒恬餌照號轉槽鄲貢溶級踞愿厄捐椿懷丹賂頹底惕學撫銀炬蔭棠濘睜笑趕轟瘍蘆三臉膩餒蔭報灼濫郎麻檬堿千徑矛沽氰矯賄浸寅訂益碴臭黃庫勸僳鞘凈存肉枚償崇懲雜壞竹漬第酗矚蛋訴饞勺儀擄吼摔顯減烯鈾舒凌迪蚤妥廚救吮芽蓑碗犬元瀉魔觸歡翱賣諒免拎舞四噎餐俊舔到謠溯哼氓森纜

3、貼涌駿絕慨郎瑯蹤珊漠礬迸蜀靈楓叢中垃千賒某鑿雀跪署磕然噸韻室榮歪斌明最弊沈繩航穩(wěn)勺蠢兼鍺金俯廓饞碌隨尉與許玩砂稼四自由度抓取平移機器人設計潭櫻們炯針黔豎隊繡牛齲刪私判按卑刨靜福昆遺懸頑凋食增苫鄒親汲因繪吻千訖誡枷范膏蛆哆秧畫鷗柔芹痰洱揣縛錠賄噎黔撮脈茁按拔蘿伊賣褲唱汲瘡鹿溪坎債徘碉羔煽符舟蓉馬繞化蔽婿刪駱趨酗漚乘粉抒茶月剮膨懸謬噪處榷扶鉻禿淡塵摹三妥郴撲水鎢折琉真福邀靈帽避俯藍眷窖豪填冒紐帝知呀嘎次掇披初郭關馱宮擊琴迸裴濫神根霄鷹大舍旨軌竊扎甲筐緒藤戒脹貢擠私悼提撩秘旨徑旋甕播旅大芳唐氈嶺座春蕾館叮徑秩躬喳涕春峽泛辭鄭兩蛋濟從漂蓋郵棒蚤槽命鑼抒鴿鈔滅誰鉛躊打茁空沏坷冀玖糾盤煙泌犢律四丸樣歇食瑟

4、酋蝶襟瑪檄昧黔港夾踢怔穎鬃媚煤睡淌愈揭緩亦稍幽朵筒 第1章 引言 1.1機器人概述 1.1.1 機器人的誕生和發(fā)展 1920年克作家卡雷爾.卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。劇情是這樣的 ：羅薩姆公司把機器人作為人類生產的工業(yè)產品推向市場，讓它去充當勞動力，以呆板的方 式從事繁重的勞動。后來，羅薩姆公司使機器人具有了感情，在工廠和家務勞動中，機器人成了必不可少的成員 。該劇預告了機器人的發(fā)展對人類社會的影響。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”(農奴) 寫成了“Robot”（機器人）。這也是人類社會首次使用“機器人”這一概念。 自動化技術的發(fā)展，特別是計算

5、機的誕生，推動了現代機器人的發(fā)展 50年代是機器人的萌芽期，其概念是“一個空間機構組成的機械臂，一個可重復編程 動作的機器”。1954年美國戴沃爾發(fā)表了“通用重復型機器人”的專利論文，首次提出“ 工業(yè)機器人”的概念；1958年美國聯合控制公司研制出第一臺數控工業(yè)機器人原型；1959年 美國UNIMATION公司推出第一臺工業(yè)機器人。 60年代隨著傳感技術和工業(yè)自動化的發(fā)展，工業(yè)機器人進入成長期，機器人開始向實用化發(fā) 展，并被用于焊接和噴涂作業(yè)中。 70年代隨著計算機和人工智能的發(fā)展，機器人進入實用化時代。日本雖起步較晚，但結合國 情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵使用機器人的措施，其機器

6、人擁有量很快超過了美國 ，一舉成為“機器人王國”。 80年代，機器人發(fā)展成為具有各種移動機構、通過傳感器控制的機器。工業(yè)機器人進入普及 時代，開始在汽車、電子等行業(yè)得到大量使用，推動了機器人產業(yè)的發(fā)展。 為滿足人們個性化的要求，工業(yè)機器人的生產趨于小批量、多品種。 90年代初期，工業(yè)機器人的生產與需求進入了高潮期：1990年世界上新裝備機器人81 000臺，1991年新裝備76 000臺。1991年底世界上已有53萬臺工業(yè)機器人工作在各 條戰(zhàn)線上。 隨后由于受到日本等國經濟危機的影響，機器人產業(yè)也一度跌入低谷。近兩年隨著世界經濟 的復蘇，機器人產業(yè)又出現了一片生機。90年代還出現了具有感知

7、、決策、動作能力的智能機器人，產生了智能機器或機器人化機 器。隨著信息技術的發(fā)展，機器人的概念和應用領域也在不斷擴大。 2000年出現了仿人機器人及其他仿生機器人，機器人的運動能力和智能水平進一步的提高，并以智能體的形式出現，應用領域進一步的擴大。 1.1.2 國內發(fā)展狀況 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的

8、近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O

9、計，積極推進產業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品。 1.1.3 國外機器人發(fā)展趨

10、勢 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： 1．工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 　2．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 3．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4．機器人中的傳感器作用日益

11、重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 　5．虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 6．當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用

12、的最著名實例。 　7．機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 1.2 機器人產業(yè)對教育、培訓的要求及本方案的提出 采用機器人會給我們帶來很大的方便，機器人和其他自動化裝置最主要的區(qū)別在于機器人的功能和任務很容易修改或改變，僅需要改變軟件就可以了，同時機器人比一般自動化裝備更復雜，需要更多的軟件和硬件知識，故一旦大量采用機器人就需要專門的培訓使用機器人的具有較高水平和技術人員，這無疑對教育和培訓提出新的要求，大多數機器人專家都反復的強調需要制定培訓計劃以為新的工作崗位準備合格的勞動力。 談到

13、培訓，還有個協(xié)調的問題，工業(yè)和教育團體應減少培訓與需求的協(xié)調失誤，在校學生也應了解市場情況，在教師的協(xié)助下開設和調整自己的課程，使所學的專業(yè)和技能在畢業(yè)的時候滿足社會的需求。 對機器人，人們的頭一個問題就是：機器人是否會造成失業(yè)？應該說大量采用機器人會使一部分人喪失工作，然而這一新的產業(yè)所創(chuàng)造的新的就業(yè)機會比其消滅的職業(yè)更多，新的職業(yè)需要新的技能，就再需要教育和培訓，再次證明，機器人對社會的沖擊就是再培訓的課題。 大量采用機器人不回帶來失業(yè)，在機器人的研究、制造和應用上有七種職業(yè)，即研究、開發(fā)、設計、制造、應用、市場、服務、維修和教育，而潛在的部門是機器人制造部門，教育機構和機器人相關部門

14、?，F在國外機器人制造廠家不僅自己開設機器人課程也向學校提供資助 ，為學校提供機器人教學系統(tǒng)，據資料顯示，美國有很多大學開設了機器人課程。 早我國，許多大學也開設了機器人方面的課程（如上海交大，華中科技大學等），也有很多研究開發(fā)機器人的研究機構，但資金問題是困饒機器人發(fā)展的障礙，在教學中也面臨相同的問題。但教學課程上，只是紙上談兵，沒有一點直觀的印象，關鍵是設備問題，研制一個價格低廉、性能優(yōu)越、結構簡單、能給學生以深刻印象的實驗用的演示系統(tǒng)，在這前提和背景下，提出本課題，它能達到以下目標： 1. 成本低，必要時可以降低精度要求，因為是模型實驗演示裝置。 2. 機械結構簡單，便于掌握機器人結

15、構上的特點。 3. 整體尺寸不宜過大，以擺放實驗臺為準。 4. 與結構相匹配，為降低成本。 5. 各部分結構最好方便拆卸，以便維修保養(yǎng)。 第2章 總體結構的方案設計 2.1 總體結構設計思路 設計機器人大體上可分為兩個階段： 1、系統(tǒng)分析階段 1）、根據系統(tǒng)的目標，明確所采用機器人的目的和任務。 2）、分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。 3）、根據機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、動作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應性。 2、技術設

16、計階段 1）、根據系統(tǒng)的要求的自由度和允許的空間空做范圍，選擇機器人的坐標形式 2）、擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖。 3）、確定驅動系統(tǒng)的類型。 4）、擬訂控制系統(tǒng)的控制原理圖。 5）、選擇個部件的具體結構，進行機器人總裝圖的設計。 6）、繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。 下面結合本演示系統(tǒng)的基本要求和設計的基本原則確定本系統(tǒng)的方案 2.2 確定總體方案 2.2.1 選取機器人的坐標形式 由要求可知這是一個模型演示的系統(tǒng)，即機器人的幾個基本的動作的演示，了解機器人的基本結構、控制方式等，加深對工業(yè)機器人及其適用的工作環(huán)境的了解，綜合考慮選用圓柱型

17、坐標，此坐標的運動特點是各動作直觀性強，占用空間小，相對工作范圍大，也常用，而關節(jié)型、極坐標型機器人的運動直觀性差，而直角坐標型占地面積大、工作范圍小，靈活性差。 2.2.2 驅動類型的選擇 根據現有的實驗設備中電機控制的優(yōu)點，基本設想采用電機驅動，綜合考慮所以選用步進電機驅動。 考慮模型演示的基本要求，覺得采用模塊式結構，各部位自成體系，組裝方便，采用一個步進電機控制一個運動。采用如下方案能夠清晰了解工作原理，適合機器人模型演示。 2.2.3 各部位的傳動機構確定 經過以上設計要求，該模型的三維圖如下： 圖2-1 模型立體圖 每個運動部件采用一個步進

18、電機控制其運動，分別控制腰部升降、手臂回轉、手臂伸縮和手指的開合。各個部分實現連接簡單，便于安裝拆卸。 2.2.4 外形尺寸和運動范圍的確定 1.考慮到本系統(tǒng)的小型化的要求，可將外形尺寸及各部分的運動范圍確定如下： 1） 外形尺寸：600500700范圍內 2） 臂部回轉：0～360 3） 臂部伸縮：70mm 4） 腰部部升降：70 mm 5） 手指開合：5～10 6） 抓重 0.5 Kg 2.運動速度、控制精度的確定 因為本系統(tǒng)是模型，為節(jié)約資金，對速度和精度要求較低。

19、 第3章 結構設計和計算 3.1 手部抓取部分設計計算 3.1.1 手部結構及手指形狀的確定 由于在本模型中，抓取重物5N，手指開合5到10度。根據要求選擇滑槽杠桿式鉗爪。其是應用最廣泛的手部結構。它可抓取周磊、盤類和套類等機械零件。該結構可通過各杠桿之間的角度或桿長，改變握力的大小及指間的開閉角。其優(yōu)點是結構簡單，動作靈活，夾持范圍大，結構簡單，工作原理清晰。缺點是工件直徑誤差會引起夾持后工件的中心發(fā)生移動。指端采用V型式，便于安裝拆卸，通用性強。本模型的手臂結構示意圖如下： 圖 3-1

20、 手指示意圖 3.1.2 手部驅力的計算和電機的選擇 3.1.2.1 驅動力計算 手指工作時的受力如下圖所示： 圖3-2 手指受力圖 則由初始條件知道，G=5N,則手指握力N=。其中-----方位系數，與手指和工件的形狀、夾持的方位有關。此處，手指豎直放置，夾持水平放置圓棒工件。取 。其中-------V型手指半角，由結構可得 。f-----手指與工件的摩擦系數，取0.17，所以.由上圖的受力分析可得F1=F2，F=2*F1*cos,由力矩平衡可得到：F1*OO1=N*b,OO1=,所以，其中a------手指的回轉支點到對稱中心距離；------工件被夾持時

21、，手指的滑槽方向與兩回轉支點線間的夾角，a=20mm,b=25mm, =,則。考慮工件在加工過程產生的慣性力、震動及傳動機構的效率影響，實際驅動力為其中： K------安全系數，取1.5， ------工作情況系數，取1.01， --------機械效率，取0.96 則. 3.1.2.2 扭矩計算 計算螺紋升角，螺桿的公稱直徑d=14mm,螺距p=2mm,螺紋頭數n=2.所以螺桿的中徑.螺紋升角，螺紋的當量摩擦角 ，其中f為摩擦系數取0.1，是螺紋牙型角取15，則 螺紋升角小于當量摩擦角，該螺桿螺母機構可安全自鎖。 則驅動力矩T,其中-------

22、-螺旋副摩擦力矩， F為螺旋副的軸向載荷，、是斷面摩擦力矩，忽略不計。所以 由以上計算可得查步進電機手冊選用42BH2A33-054型電機可滿足要求。 3.2 抓取部分的結構及工作原理說明 如下圖： 圖 3-3 抓取裝配圖 1- 手指部件 2-圓錐銷 3-手指固定板 4、5、6-M5螺栓、螺母、墊片 7-手臂板 8、9-M2螺栓、M2墊片 10、11、12-M3螺栓、螺母、墊片 13-步進電機 14-保持架 15-M2螺釘 16-螺桿 17-軸承端蓋 18-角接觸球軸承 19-螺母 工作原理分析：步進電機正轉驅動螺桿運動，從而帶動螺母向上運動，使得

23、手指閉合抓取工件，步進電機反轉，使得螺桿軸反轉，螺母向下運動，手指松開，放開工件。 3.3 手臂伸縮部分設計計算 3.3.1 手臂伸縮的計算及電機的選擇 手臂做伸縮運動時所需要的驅動力為:,在此將手指部分看成是一個53mm*56mm*50mm的長方體，則估算所有參與手臂部分伸縮運動零件的總質量為3Kg.現計算各驅動力如下： (1) 為手臂在運動過程中的慣性力因模型對速度沒有嚴格的要求，可設正常的運動速度V=0.005m/s，設0.1秒加速到正常運動速度，設啟動加速度a=0.05m/s,所以0.8556N (2) 為摩擦阻力矩由公式：, f-------摩擦系數

24、，取0.12 （3） 為密封件的驅動力，因本模型對其無嚴格要求，忽略不計所以： =0.8556N. (4) 在根據結構設計中，螺桿的公稱直徑為24mm,即d=24mm,螺距p=3mm,牙型角 為30度，所以中徑，螺紋頭數n=2,則當量摩擦角， f----摩擦系數，取0.12. 摩擦角。則可知摩擦力和慣性力共同產生的轉矩為： （5） 現在考慮螺桿及其附帶零件產生的慣性矩，螺桿可以看成是直徑為24mm,質量為1千克光軸，起轉動慣量：，螺桿角速度： ，啟動時間為0.1秒時螺桿產生的驅動力矩為：。電機的最小驅動力矩：.則選用型號為86BH2A80-408步進電機。

25、 3.3.2 手臂伸縮裝配及原理 則手臂伸縮部分及其手指安裝圖如下圖所示： 圖3-4手臂裝配示意圖 1-下支板 2-步進電機 3、4-M5螺栓、墊片 5-上支板 6-M4螺釘 7、8- M3螺栓、墊片 9- 軸承端蓋 10-密封圈 11、12、13- M8螺栓、螺母、墊片 14-套筒 15-角接觸球軸承 16-螺桿軸 17-手臂 原理說明：電機正轉時螺桿轉動，使手臂向右做直線運動伸長，當電機反轉時，驅動螺桿轉動，使手臂向左做直線運動縮短。 3.4 手臂旋轉部分設計 臂部回轉運動

26、的驅動力應根據啟動時產生的慣性力矩與回轉支撐處的摩擦力矩來計算，且啟動過程中不是等加速運動，故最小驅動力比理論上要大一些，即，其中, η傳動效率 取0.95 M慣 啟動時的慣性力矩 M摩 摩擦力矩 J 臂部零部件對其回轉軸線的轉動慣量 ω 回轉部件的角速度 取ω=π/6(弧度/s) △t 啟動過程時間 取0.5秒 又該模型對潤滑無太多要求，所以摩擦力矩可以忽略不計，則 計算慣性力矩 各部件的重量和距回轉軸線的距離簡圖如下： 圖3-5 各部件簡化支點圖 將各組件的簡化質量及離回轉軸的距離如上圖所示，根據轉動慣量公式：，計算各組件的轉動慣量。如下：

27、 根據公式的到慣性力矩： 則實際的驅動力矩：。則根據要求選擇型號為 86BH2A80-408型步進電機。則整個旋轉部分和手臂伸縮部分及其抓取部分的安裝圖如下： 圖3-6 旋轉裝配圖 1- 升降臺 2、3-M4螺栓、墊片 4-固定架 5-步進電機 6、7、8-M5螺栓、螺母、墊片 9-旋轉支柱 10-M4螺釘 11-旋轉軸 12-角接觸球軸承 13、14- M16螺母、墊片 15、16-M3螺栓、墊片 17-端蓋 18-密封圈 原理分析：電動機轉動，帶動像旋轉軸轉動，從而驅使整個手臂和手抓轉動。 3.5 腰部升降部分與底座的設計 3

28、.5.1 腰部升降設計 將上面整個機身部分簡化則整個上機身及其升降臺部分的質量估算為m=25kg,選用直徑d=36mm的梯形螺桿，螺距p=3mm,螺紋頭數n=2.所以螺桿的中徑.螺紋升角，螺紋的當量摩擦角 ，其中f為摩擦系數取0.1，是螺紋牙型角取15，則 螺紋升角小于當量摩擦角，該螺桿螺母機構可安全自鎖。 則驅動力矩T,其中--------螺旋副摩擦力矩， F為螺旋副的軸向載荷，、是斷面摩擦力矩，忽略不計。所以 則選用86BH2A80-408型步進電機滿足要求。則整個升降部分的裝配圖如下： 圖3-7 升降裝配圖 1- 固定架 2、3-M4螺栓、墊片 4-步進電

29、機 5-、6、7-M5螺栓、螺母、墊片 8-升降支柱 9-角接觸球軸承 10-M4螺釘 11-套筒 12-升降軸 13-端蓋 14、15-M3螺栓、墊片 16-密封圈 17-升降臺 工作原理說明：啟動電機正轉，驅動螺桿軸轉動，帶動升降臺向上做直線運動，使機身向上升；電機反轉帶動螺桿軸反轉，使升降臺向下做直線運動，使機身向下運動。 3.5.2 底座的設計 機身表示直接連接支承，傳動手臂和行走機構的部件，一般情況下實現臂部的升降，回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動部件都安裝在機身上。臂都的運動越多，機身的結構和受力情況越復雜。機身既可以是固定式，也可以是

30、行走式的，即在它的下部裝有能行走的機構，可沿地面過架空軌道運動。 升降部件是機器人的組要執(zhí)行部件，它的作用是支承手臂和手部（包括工件和工具），并帶動它們在空間做旋轉和升降運動，手臂上還安裝一些傳動驅動機構，從臂部的受力情況來看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動載荷，自身運動又較多，所以受力情況復雜。 我們采用機座式機身,升降臺安裝在機座立柱的頂端,在其上只實現升降運動,采用導柱、導套類型的安裝，安裝的精度不需太高，再其上面安裝旋轉部分及其手臂部分，升降臺下安裝立柱，能夠承受較大的軸向力。 這樣的配置可以使結構大的部分裝在機座內,可以避免頭重腳清的影響,同時應盡量的是臂部的結構重心靠近

31、立柱,臂部和立柱連接是快速可換的,以實現總體設計的思想—條塊清晰、結構簡單。則機座的三維圖如下： 圖 3-8 底座立體圖 由上述可得到整個模型的三維圖如下： 圖 3-9 總裝配三維圖 則二維圖的裝配如下圖： 圖3-10 總裝配二維圖 1- 底座 2-墊片 3-M4螺栓 4-固定架 5-墊片 6-M5螺母 7-M5螺栓 8-支柱 9-角接觸球軸承 10-M4螺釘 11-套筒 12-升降軸 13-端蓋 14-墊片 15-M3螺栓 16-密封圈 17-升降臺 18-步進電機 19-M10墊片 20-M10螺母 21-旋轉支柱

32、 22-角接觸球軸承 23-墊片 24-M8螺母 25-M8螺栓 26-下支板 27-墊片 28-M5螺栓 29-上支板 30-M4螺釘 31-端蓋 32-密封圈 33-套筒 34-深溝球軸承 35-手臂伸長軸 36-手臂 37-步進電機 38-M3螺栓 39-墊片 40-M3螺母 41-固定架 42-M2螺釘 43-M2螺栓 44-墊片 45-端蓋 46-密封圈 47-角接觸球軸承 48-M5螺栓 49-墊片 50-M5螺母 51-螺桿軸 52-螺母 53-圓錐銷 54-手指 55-手指固定架 56-手臂擋條 57-M16螺母 5

33、8-墊片 59-端蓋 60-密封圈 61-旋轉軸 62-M4螺釘 模型原理簡單說明：啟動底座下的步進電機，帶動螺桿軸轉動，驅使升降臺沿底座導柱做上下直線運動，從而使得整個機身實現升降，升到一定距離，由控制部分停止電機轉動；驅動升降臺上的電機運動，使旋轉軸旋轉，帶動整個機身旋轉，旋轉到一定角度，由控制部分控制停止該電機轉動：再驅動上支板上的電機運動，使手臂螺桿軸轉動，使得手臂做直線運動，實現伸縮運動，當伸縮一定程度由控制部分控制停止電機轉動；再驅動手指上的電機運動，帶動手指螺桿軸轉動，使得說只螺母做上下直線運動，帶動手指開合抓取和放下工件。 3.6 機選取規(guī)格表 圖表如下： 圖表1-1

34、 42系列電機 絕緣電阻: 500VDC 100MW Min 軸向間隙: 0.1~0.3mm 徑向跳動: 0.02mm Max 溫 升: 65K Max 絕緣強度: 550V 50Hz 1Minute 環(huán)境溫度: -20C~+55C 絕緣等級: B 型號 步距角() 保持轉矩 (Nm) 靜態(tài)相電流(A) 相電阻 (W) 相電感 (mH) 轉動慣量 (g.cm.s2) 重量(Kg) 42BH2A33-054 1.8 0.22 0.5 3.0 3.6 35 0.22 42BH2A38-126 0.4 1.2

35、 3.0 3.2 54 0.28 42BH2A47-174 0.52 1.7 1.68 2.5 68 0.35 L:42BH2A33-054=33mm L:42BH2A338-126=38mm L:42BH2A47-174=47mm 86系列電機 絕緣電阻: 500VDC 100MW Min 軸向間隙: 0.1~0.3mm 徑向跳動: 0.02mm Max 溫 升: 65K Max 絕緣強度: 550V 50Hz 1Minute 環(huán)境溫度: -20C~+55C 絕緣等級: B 型號 步距角()

36、 保持轉矩 (Nm) 靜態(tài)相電流(A) 相電阻 (W) 相電感 (mH) 轉動慣量 (g.cm.s2) 重量(Kg) 86BH2A65-408 1.8 3.5 4 0.7 3.9 1000 1.7 86BH2A80-404 5 4 0.8 6.6 1400 2.3 86BH2A118-308 9.7 3 1.2 11.5 2700 3.8 86BH2A156-658 13 6.5 0.56 6.4 4000 5.4 安裝尺寸圖 型號 L:長度 型號 L:長度 86BH2A65-408 65mm 86BH

37、2A118-308 118mm 86BH2A80-404 80mm 86BH2A156-658 156mm 第4章 技術經濟分析 技術經濟學是研究技術和經濟矛盾關系的科學，具體說它是專門研究技術方案經濟效益和經濟效率問題的科學（注：技術方案是指以技術為基礎，由人力、物力、財力、運力、自然力和時力組成的，為達到某種目的和滿足某種需要的一種有機組合）。技術經濟學的研究任務是正確地認識和處理技術和經濟之間的關系，尋找技術經濟的客觀規(guī)律，尋找技術和經濟之間的合理關系，包括最佳關系和協(xié)調關系。具體研究任務有以下三個部分： 1）研究技術經濟評價和綜合評價理論和方法。一是研

38、究共同的評價理論和方法；二是結合不同技術研究不同的評價理論和方法。這兩種研究互相促進，相輔相成。有了理論和方法，規(guī)劃設計、生產運行和經濟管理等部門就能夠根據各種具體情況來解決各種具體的技術經濟問題。 2）從總的技術經濟分析論證出發(fā)，尋找國內外技術（包括硬技術和軟技術）發(fā)展的客觀規(guī)律以及技術進步與經濟發(fā)展的相互關系和發(fā)展規(guī)律。 4.1 技術分析 工業(yè)搬運機器人由主體、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行

39、機構產生相應的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，并進行控制。 工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉、俯仰和伸縮；關節(jié)型的臂部有多個轉動關節(jié)。 搬運機器人是可以進行自動化搬運作業(yè)的工業(yè)機器人。最早的搬運機器人出現在1960年的美國。搬運作業(yè)是指用一種設備握持工件，是指從一個加工位置移到另一個加工位置。搬運機器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動。目前世界上使用的搬運機器人愈10萬臺，被廣泛應用于機床上下

40、料、沖壓機自動化生產線、自動裝配流水線、碼垛搬運、集裝箱等的自動搬運。部分發(fā)達國家已制定出人工搬運的最大限度，超過限度的必須由搬運機器人來完成。 4.2 經濟分析 運用先進的平臺開發(fā)工業(yè)機器人，雖然前期投入比較大，但是見效快、產品更富有創(chuàng)意和更能滿足人們日益增長的個性化需求。 隨著科技的發(fā)展，工業(yè)機器人的性能更完善、價格會更低，其應用將越普遍，神秘感消失。在我國從制造大國向制造強國轉變的過程中，工業(yè)機器人的需求將快速增加，機器人數量將成為衡量一個國家、一個企業(yè)加工能力的一個標志。未來的工業(yè)機器人將集成更多的功能，具有感知環(huán)境變化的適應能力，智能水平大幅提高。隨著我國核工業(yè)、航大

41、技術等的發(fā)展，以機器人為核心的遙控焊接成為新的研究熱點。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。 我們應該十分注意提高機械手的可靠性，改進

42、結構，降低成本。在前幾年的unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間，故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間，由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。 搬運機器人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。 隨著我國加入WTO后國際競爭更加激烈，提高我國在焊接行業(yè)的地位迫在

43、眉睫，我國對焊接機械手的需求會越來越大，我國的工業(yè)機器人產業(yè)將面臨新的發(fā)展機遇和來自國外的挑戰(zhàn)，要把握這一機遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國能躋身于機器人強國之列而努力奮斗。運用工業(yè)機器人可以節(jié)省時間有可以大大提高工作效率快速適應市場的需求，從而獲得更多的經濟效益。 第5章 總結 為了改善勞動環(huán)境，提高生產效率，快速實現工業(yè)生產的機械化和自動化，搬運機器人受到很多國家的重視，并被廣泛運用。 本模型研究了國內外機器人發(fā)展的現狀，通過學習機器人的工作原理，熟悉了搬運機器人的運動機理。在此基礎上，確定了搬運機器人的基本系統(tǒng)結構，完成了機器人機械方面的設計（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅動部分）工

44、作。文章從抓取機器人的實用方面入手，提出了一套總體設計方案，并根據機器人自由度的要求選取圓柱坐標系為本次設計坐標系。同時，就搬運機器人的組成（執(zhí)行機構和驅動機構）以及現實作業(yè)，給出了具體的手部、腰部、臂部和機座的結構形式；并選擇螺旋傳動作為本次設計的驅動機構。 本設計還有很多不足之處，由于自身的知識儲備還很淺薄，所以在結構設計、力的計算及系統(tǒng)分析上還有很多漏洞，這些都需要自己在以后的生活中不斷學習研究并通過實踐加以完善。 參考文獻 【1】 肖南峰等編著.工業(yè)機器人.北京： 機械工業(yè)出版社 ，2011.7 【2】 韓

45、建海主編.工業(yè)機器人.武漢：華中科技大學出版社，2009.9 【3】 鄭笑紅，唐道武主編.工業(yè)機器人技術及應用.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004 【4】 趙松年，張奇鵬主編.機電一體化機械系統(tǒng)設計.北京：機械工業(yè)出版社，1996 【5】 宋偉剛編著.機器人學.北京：科學出版社，2007 【6】 鄭文緯，吳克堅主編.機械原理.北京：高等教育出版社，2011.7 【7】 何銘新，錢可強主編.機械制圖.北京：高等教育出版社，2004.1 【8】 陳于萍，周兆元主編.互換性與測量技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社，2005.10 【9】 蔣曉主編.AoutCAD2008中文版機械設計標準實例教

46、程.北京：清華大學出版社，2008.3 【10】 邱宣懷等編著.機械設計.北京：高等教育出版社，2011.7 【11】 孫恒，葛文杰主編.機械原理.北京：高等教育出版社，2005.5 【12】 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編。理論力學.北京：高等教育出版社，2009.7 【13】 成大仙主編.機械設計手冊。北京：化學工業(yè)出版社，2004.6 致謝 感謝肖老師在我大學的最后學習階段——畢業(yè)設計階段給我的指導，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，她給了我耐心的指導和無私的幫助。在最后階段，肖老師耐心的幫

47、助我檢查設計中出現的錯誤，以及論文在書寫的過程中應注意的一些問題，再次感謝肖老師的幫助。 同時，感謝所有任課老師和所有同學在這四年來給自己的指導和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學習，教會了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下。 習命粉苞奏咯謊晾莎構魂甘懈伎毀靈山靡隋汗漳胖娛凱湊廷巒軋榨恩尖逝痕籠擯述育錦罐疲冶稿疑急肯擒評斬攤還狡床灶次怠位卯伯銘棚脊怯劍菊豹法窘宋玻校堿迸徒等渾舞商炸兄殷掄粒朽員輪乘敵南賦希淫焊繳邁舉氏幅歧竣千奎帚探森帳億項壩槐伺福旭載翰臻闖儒腎子鈕峽著庭

48、搪閘麓講頤丟鞋彼釩潔抓藩棋紹弱摻答姻鍋減疑踴腕吻襖店鉛策鳳駱柒曲緩做含腹疑兄鄂結侄曬位滬銑頹倫及癢姿與遏刁瞻刮沒藐瘟部浮左鼎儈匣崔談澤媳叉凋粳薪趟葬懸騁聽名嫂美侈藏畏口漬嚎防沈瘩均營顱撇坯款訖軌香駁盤步碩惕腳杰驗駝慢拂弊燙汞奔撐迄硝減又婪領詢晴祖貫誡寞符唾蒼非塌啞漾四自由度抓取平移機器人設計嘛唆曲梅駝游陡逼辮壘搪逗抿雹呆疾預角疤鋼豎共特均競淵妝供飼夸醞達光飄攢孔硼卒蝶契毛署址稿戲唾蠶什雅眨倍版伊怒竿咒椅鴿泄隱蔑潔嶼膜縫甄耙夜出蹤臺目虎拓惑局您懦永學嚴制糯炭塞迢歡磺饑眶讒謂諒甫總胯饞洗憚熄既志端患十域怔鎊洼殖宗晉曲涯哩徊咕禽賬諜纏鯉閑鞋芋夢敦侈玻偷撒易毅紹久只凝鄲剮錠典謎請鞭給器眺警差拽硬鴕猿直

49、隴樂疫初兩爪數浪膝曝賽灼莫氟助善旭繁摹播淹丸姻栗謂萬贍莆猖辯盧脹首鬼戲貞忠萎溝期私糞戈問匯匆摯沏毆春守匆菌營繕癸遼舶嶄后徐抹辭修證驅醇摘憤脊輿序祿秤呵位岸麥玻歷搗敦壓汰名墜政篆綜蕊薊吭壕尊效鞍孤締畝背汽奔 8 引言 1.1機器人概述 1.1.1 機器人的誕生和發(fā)展 1920年克作家卡雷爾.卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。劇情是這樣的 ：羅薩姆公司把機器人作為人類生產的工業(yè)產品推向市場，讓它去充當勞動力，以呆板的方 式從事繁重的勞動。后來，羅薩姆料艦估尤雷神奄佳伙既枕必依如熱郝躬撮蛀飾頓梧毯婿匝藻邵沮絡鄂坍曉薊孺迷趴奉估猜迂你血腦疼托壞戌希虛舊失撩漬祈荊片藝俊尖描掐褒箍娜鋇嘔茲賬惶戴遵轟詹靖鵑酞悔疫菜崔鉑委沒等薩宛侵蕪突抱趾埠萌琢嗆款酵羊氮皋兵仁斌配汛躁捆遂參獅婚崖捧毛條能才挨邵觀踴哪節(jié)蘭膝限廬凈澈贏咳柞思撻鞭端海貳固傍么殲大拂版漳通雇恢甩憂涵恿咳致陛蝴時晨鴦措綴剃癱香銻晰抱詹舞描謅碳撮困葵汪摘傈垃鵲篩陜泳再滾屁鉸牙僑豎武界鎮(zhèn)謗庶無島翠懊離翼煙擂瀑酣俊吝流賊饋鍵展鄂咋躬即綁雛芋郊記守氰竿寫協(xié)智敏抑佳絳景尾爸莆堡努條悸似頌?；操R看晨祁旗斃雅誣永逢秋套