裝配機械手運動仿真設(shè)計[答辯畢業(yè)論文 資料 ]

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需要 CAD 圖紙，咨詢 Q：414951605 或 1304139763優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載寧XX 大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )裝配機械手設(shè)計及運動仿真所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指 導(dǎo) 老 師年 月 日需要 CAD 圖紙，咨詢 Q：414951605 或 1304139763優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載摘 要近代裝配機械手是由目標(biāo)機械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的 Mechatronics 設(shè)備。裝配機械手對于提高和確保產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)的效率，改善工人的工作條件和快速更新產(chǎn)品起著非常重要的作用。裝配機械手技術(shù)結(jié)合了多們學(xué)科的知識。包含機構(gòu)學(xué)、計算機、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等。它是當(dāng)代十分活躍，應(yīng)用非常廣泛的領(lǐng)域。機械手具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強，能長時間工作和工作精度高。可以說機械手是工業(yè)進步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當(dāng)今工業(yè)的至關(guān)重要的作用。如今，機械手工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。隨著機械手技術(shù)的快速發(fā)展，裝配機械手的應(yīng)用范圍正在不斷擴大，提出了新要求，為提高機械手教學(xué)教育的水平，我們研制出一套以實驗教學(xué)為目的的機械手演示系統(tǒng)。本文闡述了機械手的發(fā)展歷史，國內(nèi)外的應(yīng)用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機械手設(shè)計要求和進行了總體方案設(shè)計和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算；關(guān)鍵詞：機械手；工業(yè)；傳動；強度需要 CAD 圖紙，咨詢 Q：414951605 或 1304139763優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載AbstractFrom the industrial robot manipulator (Mechanical), controller, servo drive system and sensing device, a humanoid operation, automatic control, can repeat programming, three-dimensional space can be completed in the various operations of the electromechanical integration automatic production agency. It to stabilize, improve the product quality, improve production efficiency, plays a very important role in improving the rapid working conditions and product. Industrial robot technology is a high-tech integrated computer, control theory, mechanism, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics multidisciplinary and form, is the contemporary research is very active, more and more widely applied in the field.The robot is on the environment of rapid response and the analysis judgment ability, and the machine can work continuously for long time, high precision, resistance to harsh environment capacity, in the sense that it is the product of the evolution of the machine, it is an important production and industrial and non-industrial sector, service equipment, automation equipment is indispensable the field of advanced manufacturing technology. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry.With the rapid development of robot technology, the application field of industrial robot is constantly expanding, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system.This assay describes the development process of the robot, the application status at home and abroad, robot based on the specific design requirements, the overall design of the degree of freedom, the concrete structure design and calculation;Key Words: robot; industrial; transmission; strength IV目 錄摘 要 .......................................................................................................................................IIAbstract....................................................................................................................................III目 錄 .....................................................................................................................................IV第一章 緒論 .............................................................................................................................11.1 機械手概念 .................................................................................................................11.2 課題研究的背景和意義 .............................................................................................11.3 機器人的發(fā)展及技術(shù) .................................................................................................21.3.1 機器人的發(fā)展 .................................................................................................21.3.2 機器人技術(shù) .....................................................................................................31.4 機器人研究概況 .........................................................................................................31.4.1 國外研究現(xiàn)狀 .................................................................................................31.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .................................................................................................41.5 裝配機械手的應(yīng)用 .....................................................................................................51.6 本課題研究內(nèi)容 .........................................................................................................6第二章 總體方案設(shè)計 .............................................................................................................62.1 機器人工程概述 .......................................................................................................62.2 工業(yè)機器人總體設(shè)計方案論述 .................................................................................72.3 機器人機械傳動原理 ...............................................................................................82.4 機器人總體方案設(shè)計 .................................................................................................92.5 本章小結(jié) ...................................................................................................................10第 3 章 裝配機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...................................................................................123.1 裝配機械手的總體設(shè)計 ...........................................................................................123.1.1 裝配機械手的參數(shù) .......................................................................................123.1.2 裝配機械手外形尺寸與工作空間 ...............................................................123.1.3 裝配機械手的總體傳動方案 .......................................................................123.2 機器人腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 ...........................................................................................133.3 機器人手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...........................................................................................14 V3.4 機器人腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................................................................153.5 機器人末端執(zhí)行器（手爪）的設(shè)計 .......................................................................163.6 大小臂(關(guān)節(jié) 2 和關(guān)節(jié) 3)電機的計算與型號選擇 ..................................................163.7 主要零件材料的選擇與強度校核 ...........................................................................173.8 臂部電機的計算與選型 ...........................................................................................203.9 機械手重要零部件設(shè)計計算 ....................................................................................203.9.1 電機的設(shè)計計算 ............................................................................................203.9.2 同步型齒型帶的設(shè)計參數(shù) ............................................................................223.9.3 滾珠絲杠副的設(shè)計參數(shù) ................................................................................233.10 大臂和小臂機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 .....................................................................................243.11 腕部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..................................................................................................253.12 腰部機構(gòu)設(shè)計（含齒輪計算校核） .....................................................................253.13 小結(jié) ..........................................................................................................................29第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計 .............................................................................................304.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) ................................................................................................304.2 控制系統(tǒng)的性能要求 ...............................................................................................314.3 傳感器的選擇 .........................................................................................................314.3.1 位置檢測裝置 ...............................................................................................314.3.2 滑覺傳感器 ...................................................................................................324.4 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 ........................................................................324.4.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 ....................................................................324.4.2 PLC 種類及型號選擇 ...................................................................................374.4.3 I/O 點數(shù)分配 ..............................................................................................374.4.4 PLC 外部接線圖 ..........................................................................................384.4.5 機械手控制原理 .........................................................................................394.5 PLC 程序設(shè)計 .........................................................................................................41參考文獻 .................................................................................................................................45致 謝 .......................................................................................................................................46 1第一章 緒論1.1 機械手概念機械手是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，仿人型機械手是機械手研究領(lǐng)域的熱點。研究仿人型機械手需要結(jié)合機械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計算機等諸多學(xué)科知識，同時其自身的發(fā)展也促進了這些學(xué)科的發(fā)展。機械手是仿人型機械手的一種。1959 年，世界上誕生了第一臺工業(yè)機械手，開創(chuàng)了機械手發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿人型機械手的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機械手專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機械手應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是功能”。其中雙足是方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛迪生也曾說過這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，對的環(huán)境要求很低，既能在平地上，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上，對環(huán)境有很好的適應(yīng)性。功能的具備為擴大機械手的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景。研究機械手的原因和目的，主要有以下幾個方面：希望研制出機構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，以代替人進行作業(yè)或延伸和擴大人類的活動領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。系統(tǒng)具有豐富的動力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機械手的機械手（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。 機械手是近 50 年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動化程度高的生產(chǎn)工具。在生產(chǎn)制造業(yè)中，裝配機械手技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。它自動化程度高，對改善勞動條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升工作效率，起到非常重要的作用?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。1.2 課題研究的背景和意義由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，無論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是人類日常生活，機械手技術(shù)都得到廣泛的應(yīng)用。研究智能類人機械手是近年科學(xué)家一致致力于的方向。類人機械手是以人類模型的，它能仿照人類各種動作和具有人類的外部特征。未來機械手管家將不是夢。 2按機械手結(jié)構(gòu)的不同，機械手又可以分很多種。輪式移動機械手、履帶機械手、機器手、步行機械手等等。值得一提的是步行機械手，他是近年來類人機器研究的重要成果。它的移動方式跟大多數(shù)動物一樣甚至可以跟人類一下。這是一種很復(fù)雜的自動化程度很高的運動。相對于傳統(tǒng)的輪式和履帶機械手，他對環(huán)境的適應(yīng)性更強。能在很小的空間作業(yè)，在不平的道路上如履平地，上下樓梯等等。將來不久，這項技術(shù)會得到非常廣泛應(yīng)用。 在機械手研究、制作中，運用電腦對設(shè)計出來的機械手進行仿真是一項非常重要的過程。機械手仿真包含零件建模，零件裝配，最后進行運動仿真。通過仿真，設(shè)計員可以很直觀的觀察到各個機構(gòu)的運動狀況，知道有沒有出現(xiàn)干涉；可以清楚知道各個部件的受力情況，得出各種模擬數(shù)據(jù)。這種方法大大節(jié)約了研制時間和成本。 1.3 機器人的發(fā)展及技術(shù)1.3.1 機器人的發(fā)展20 世紀(jì) 40 年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60 年代美國的 ConsolidatedContr01 公司研制出第一臺機器人樣機，并成立了 Unimation 公司，定型生產(chǎn)了 Unimate 機器人。20 世紀(jì) 70 年代以來，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文。1970 年，第一次國際機器人會議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機器人已進入了實用化階段。目前，盡管關(guān)于機器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進行各種操作。目前的各類工業(yè)機器人大都屬于第一代機器人。第二代機器人是具有一定傳感器反饋功能的機器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當(dāng)前，對第二代機器人的研究著重于實際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨立行動。第三代機器人又稱為智能機器人，并己成為機器人學(xué)科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段。機器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用。可以預(yù)見到， 3機器人將在 21 世紀(jì)人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。1.3.2 機器人技術(shù)機器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機械工程、電氣與電子工程、計算機工程、自動控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機電一體化的最新成就。機器人充分體現(xiàn)了人和機器的各自特長，它比傳統(tǒng)機器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。目前，機器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域滲透。目前，雖然機器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展，機器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡(luò)機器人技術(shù)、虛擬機器人技術(shù)、協(xié)作機器人技術(shù)、微型機器人技術(shù)和機器人技術(shù)等。1.4 機器人研究概況1.4.1 國外研究現(xiàn)狀最早系統(tǒng)地研究人類和動物運動原理的是 Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨特攝像機，即一組電動式觸發(fā)照相機，并在 1877 年成功地拍攝了許多四足動物和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機的方法又被 Demeny 用來研究人類的運動。從本世紀(jì) 30 年代到 50 年代，蘇聯(lián)的 Bernstein 從生物動力學(xué)的角度也對人類和動物的機理進行深入的研究，并就運動作了非常形象化的描述。真正全面、系統(tǒng)地開展機器人的研究是始于本世紀(jì) 60 年代．迄今，不僅形成了機器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國家，如日本、美國和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動態(tài)的機器人樣機。這一部分，我們主要介紹隊 60 年代到 1985 年這一時期，在機器人領(lǐng)域所取得的最重要進展。在 60 年代和 70 年代，對機器人控制理論的研究產(chǎn)生了 3 種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這 3 種控制方法對各種類型的機器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的 Tomovic 在 1961 年提出來的 ，模型參考控制是由美國的 Farnsworth 在 1975 年提出來的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機器人學(xué)專家 Vukobratovic 博士在 1969 年至 1972 年問提出來的。這 3 4種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的 Bessonov 和 Umnov 定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev 和Jaro-shevskij 定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于而且也適應(yīng)于多足機器人。其中，自由步態(tài)是相對于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機器人在時，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應(yīng)該象登山運動員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準(zhǔn)則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。在機器人的穩(wěn)定性研究方面，美國的 Hemami 等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進運動解釋為使振子直立的問題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami 等人還曾就機器人的“降階模型”問題進行了研究。前面我們曾指出 Vukobratovic 也對類人型系統(tǒng)進行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個系統(tǒng)的功率隨時間的變化關(guān)系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個問題．但在他的研究中，Vukobratovic 得出了一個有用的結(jié)論，即姿態(tài)越平滑，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)機器人的研制工作起步較晚，我國是從 20 世紀(jì) 80 年代開始機器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986 年，我國開展了“七五”機器人攻關(guān)計劃，1987 年，我國的“863”高技術(shù)計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國進行機器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。哈爾濱工業(yè)大學(xué)自 1986 年開始研究機器人，先研制成功靜態(tài)雙足機器人 HIT-I，高 110cm，重 70kg，有 10 個自由度，實現(xiàn)平地上的前進、左右側(cè)行以及上下樓梯的運動，步幅 45cm，步速為 10 秒/步，后來又相繼研制成功了 HIT-II 和 HIT-III，重 42kg，高 103cm，有 12 個自由度，實現(xiàn)了步長 24cm，步速 2.3 步每秒的。目前正在研制的 HI 下IV 機器人，全身可有 52 個自由度，其在運動速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型機器人[3～7]。國防科技大學(xué)在 1988 年春成功地研制了一臺平面型 6 自由度的雙足機器人 KDW-1， 5它能前進、后退和上下樓梯，最大步幅為 40cm，步速為 4 步每秒，1989 年又研制出空間型 KDW-II，有 10 個自由度，高 69cm，重 13kg 實現(xiàn)進退、上下臺階的靜態(tài)穩(wěn)定以及左右的準(zhǔn)動態(tài)。1990 年在 KDW-II 的平臺上增加兩個垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成 KDW-III，有 12個自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實現(xiàn)了實驗室環(huán)境的全方位。1995 年實現(xiàn)動態(tài)，步速 0.8步每秒，步長為 20cm～22cm，最大斜坡角度達 13 度。2000 年底在 KDW-III 的基礎(chǔ)上研制成功我國首臺仿人形機器人“先行者”，動態(tài)，可在小偏差、不確定的環(huán)境，周期達每秒兩步，高 1.4m，重 20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語言功能[8～13]。此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機器人 THBIP-I，高 1.7m，重 130kg，32 個自由度，在清華大學(xué) 985 計劃的支持下，項目也在不斷取得進展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺 8 自由度空間型機器人，實現(xiàn)靜態(tài)功能[13,14]。本課題源于“第一屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”中機器人。目前，機器人大多以輪子的形式實現(xiàn)功能階段。真正模仿人類用腿走路的機器人還不多，雖有一些六足、四足機器人涌現(xiàn)，但是機器人還是鳳毛麟角。我們這個課題，探索設(shè)計僅靠巧妙的機械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)模擬人類的機器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。1.5 裝配機械手的應(yīng)用機械手產(chǎn)業(yè)是在計算機、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，機械手產(chǎn)業(yè)市場前景發(fā)展很好。從二十世紀(jì)起，世界機械手產(chǎn)業(yè)一直穩(wěn)步增長。到了二十世紀(jì)九十年代，機械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長，年增長率平均在百分之十上下。2004 年創(chuàng)記錄達到百分之二十。在亞洲機械手需求量更多，年增長率高達百分之四十三。經(jīng)歷 40多年的發(fā)展，裝配機械手應(yīng)用到很多領(lǐng)域中去了。機械手在制造業(yè)中應(yīng)用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機械加工、裝配、檢測和倉庫堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，機械手替代了人工作業(yè)，并使得生產(chǎn)效益大大提高。 6圖 1 一 1 裝配機械手1.6 本課題研究內(nèi)容本課題是為某零件的裝配設(shè)計裝配機械手（裝配零件可根據(jù)生產(chǎn)實際自定）。工業(yè)機械手是按預(yù)定要求，模仿人體上肢功能，完成抓取工件，移送定位等工作，實現(xiàn)自動化操作的設(shè)備。是減輕工人勞動強度，提高工作效率，實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。本課題應(yīng)用 CAD 技術(shù)對機械手進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計,并進行運動仿真。它可以實現(xiàn)某零件的自動裝配，裝配機械手的自由度, 動作程序和速度按生產(chǎn)實際要求設(shè)定。第二章 總體方案設(shè)計2.1 機器人工程概述機器人工程是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、機械設(shè)計、氣動液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中的知識有效地組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術(shù)稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以機器人設(shè)計為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個系統(tǒng)來研究、開發(fā)和運用，從機器人的整體出發(fā)來研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系 7的一種綜合性的設(shè)計方法。從系統(tǒng)功能的觀點來看，將一部復(fù)雜的機器看成是一個系統(tǒng)，它由若干個子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機地聯(lián)系在一起，是一個不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個整體的特定功能。因此，在設(shè)計一部較復(fù)雜的機器時，從機器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性：（1） 整體性 由若干個不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個總的機械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個整體的特定功能。（2） 相關(guān)性 系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機聯(lián)系、有機作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。（3） 目的性 每個系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。（4） 環(huán)境適應(yīng)性 任何一個系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。因此，在進行機器人設(shè)計時，不僅要重視組成機器人系統(tǒng)的各個部件、零件的設(shè)計，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點，根據(jù)機器人的功能要求，將組成機器人系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計出性能優(yōu)良適于工作需要的機器人產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機器人系統(tǒng)中大致包括如下:操作機，它是完成機器人工作任務(wù)的主體，包括機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機構(gòu)等。驅(qū)動系統(tǒng)，它包括作為動力源的驅(qū)動器，驅(qū)動單元，伺服驅(qū)動系統(tǒng)由各種傳動零、部件組成的傳動系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運算、存儲功能的電子控制裝置（計算機或其他可編程編輯控制裝置），人——機接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［14］。工業(yè)機器人的特點在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)機器人能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)機器人等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機器人技術(shù)綜合體地工業(yè)機器人系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機器人系統(tǒng)亦是如此。 82.2 工業(yè)機器人總體設(shè)計方案論述（一）確定負(fù)載目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中，負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在 5N 以下，最大可達 9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計給的設(shè)計參數(shù)可初估本次設(shè)計屬于小負(fù)載。（二）驅(qū)動方式由于伺服電機具有控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運動控制要求嚴(yán)格的中、小型機器人等特點，故本次設(shè)計采用了伺服電機驅(qū)動（三）傳動系統(tǒng)設(shè)計機器人傳動裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量和體積小，在傳動鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機器人的運動和位置控制精度。在機器人中常采用的機械傳動機構(gòu)有齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動和鋼帶傳動等，由于齒輪傳動具有效率高，傳動比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實，故本次設(shè)計選用齒輪傳動。（四）工作范圍工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中操作范圍和運動軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇（五） 運動速度機器人操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作的運動速度，用 m/s 或（°）/s 表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應(yīng)試做各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動和控制方式、定位方式和精度等要求。 92.3 機器人機械傳動原理本課題設(shè)計的是一種小經(jīng)濟型裝配機器人。該機器人為多關(guān)節(jié)型，具有六個自由度。采用伺服電機驅(qū)動，因此控制簡單，編程操作方便。機身采用薄壁整體鑄件，這樣可以使結(jié)構(gòu)輕巧，使用靈活。內(nèi)部鑄件既作為內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支撐座，又作為承力骨架，這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體減少質(zhì)量［5］ 。2.4 機器人總體方案設(shè)計工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下[3]。(1) 直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖 2-1(a)由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機器人有可能達到很高的位置精度（μm 級）。但是，這種直角坐標(biāo)機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類 10型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。(2) 圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 2-1(b)。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。(3) 球坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 2-1(c)。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。(4) 關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖 2-1(d)。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。(a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型圖 2-1 四種機器人坐標(biāo)形式根據(jù)任務(wù)書要求和具體實際我們選擇的是(d) 關(guān)節(jié)型。具體到本設(shè)計，因為設(shè)計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達 5KG，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機器人的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機器人手臂運動范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度,要求設(shè)計的機器人為六個自由度，其中腰部有一個旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度， 11小臂的旋轉(zhuǎn)自由度，手腕的俯仰、旋轉(zhuǎn)自由度。在本論文中，要求設(shè)計大小臂結(jié)構(gòu)，所以，需要對實現(xiàn)大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度的機構(gòu)進行詳細設(shè)計。2.5 本章小結(jié)本章主要完成對機器人整體方案的一個分析和設(shè)計,通過多種方案的選擇來確定最終要確定的方案. 確定了機器人的總體設(shè)計方案后，就要針對機器人的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進行詳細設(shè)計。 12第 3 章 裝配機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 裝配機械手的總體設(shè)計3.1.1 裝配機械手的參數(shù)工作半徑：800mm；負(fù)載：5kg；關(guān)節(jié)活動范圍：軸 1 旋轉(zhuǎn)+125°－ -125°，速度 250°/s軸 2 旋轉(zhuǎn)+145°－ -145°，速度 250°/s軸 3 手臂 200mm，速度 1500mm/s軸 4 手腕+360°－ -360°，速度 320°/s3.1.2 裝配機械手外形尺寸與工作空間機構(gòu)圖：圖 2 一 1 裝配機械手的結(jié)構(gòu)圖3.1.3 裝配機械手的總體傳動方案VR 減速器：是由兩級減速和中心圓盤支撐為主的速器， 該減速器具有同軸線的傳動、傳動精度高、減速比大、剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊等等優(yōu)點，適于重載、高速和高精度場合。 13諧波減速器也有承載能力大，傳動平穩(wěn)，傳動效率高，傳動精度高，結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕、傳動比大等優(yōu)點。諧波減速器與 VR 減速器相比較，它的制造成本要低得多，因此在本設(shè)計中選用諧波減速機。裝配機械手大小臂都采用諧波減速機加推力 向心交叉短圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)，因要承受軸向壓力和傾覆力矩。推力向心交叉短圓柱滾子軸承剛度高，能承受軸向壓力與徑向扭矩，剛好符合諧波減速機配合 SCAAR 機械手大小臂高的抗傾覆力矩及高剛性的設(shè)計要求。主軸垂直直線運動:步進電機 1 一—同步齒形帶一—絲杠螺母一—主軸主軸旋轉(zhuǎn):步進電機 2 一—同步齒形帶——花鍵——主軸大臂回轉(zhuǎn):步進電機 3——減速器一—大臂小臂回轉(zhuǎn):步進電機 4——小臂3.2 機器人腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機器人，球坐標(biāo)機器人及關(guān)節(jié)型機器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量 [4]。在設(shè)計機器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計原則：(1) 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。(2) 腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。(3) 機器人的腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設(shè)計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。(4) 腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。(5) 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。(6) 為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬 14達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機器人的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動 [5]。一般電機都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于 100），同時為了減小機器人的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。3.3 機器人手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動 [6]。在進行機器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則；(1) 應(yīng)盡可能使機器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機器人的控制。(2) 機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。(3) 為了提高機器人的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。(4) 機器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。(5) 機器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機負(fù)載和提高機器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的 [7]。在設(shè)計機器人的手臂時，應(yīng)盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時 15還要設(shè)計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。(6) 機器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。機器人的俯仰關(guān)節(jié)手臂（大臂）和俯仰關(guān)節(jié)手臂（大臂）。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)。考慮到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達 0.55KG，屬小型重量，同時考慮到機器人的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。不用再設(shè)計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關(guān)鍵是機器人運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。同時，因為控制和具體工作的要求，機器人的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機構(gòu)，小臂