物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 課題概述[1] 機(jī)器人是一種新型的自動(dòng)化操作裝置。它可以根據(jù)作業(yè)的不同要求，按照預(yù)先確定的程序搬運(yùn)物體，裝卸零件以及操持噴槍?zhuān)赴训裙ぞ呷ネ瓿梢欢ǖ淖鳂I(yè)。因此，它可在繁重、高溫，多粉塵的勞動(dòng)環(huán)境較差的場(chǎng)所工作。 在化學(xué)工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已基本得到解決。可是在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)并不是連續(xù)的。專(zhuān)用機(jī)床是解決大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除了切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這

2、些加工作業(yè)的機(jī)械化與自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)。 工業(yè)機(jī)器人是近代在自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并且已經(jīng)成為了現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的組成部分。 機(jī)器人的迅速發(fā)展是基于它的積極作用正慢慢的被人們所認(rèn)識(shí)：第一、它能部分代替人工操作；第二、它能按照生產(chǎn)工藝的技術(shù)要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的輸送和裝卸；第三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配作業(yè)。從而能大大的改善工人的勞動(dòng)條件，顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化。因而機(jī)器人受到各個(gè)先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家的重視，他們投入大量的人力和物力加以研究與應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性及污染的場(chǎng)合，應(yīng)

3、用的更廣泛。在我國(guó)，近幾年也有較快的發(fā)展，并取得了一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)部門(mén)的重視。 機(jī)器人一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是通用機(jī)器人，它不需要人工操作，也就是本文所研究的對(duì)象。它是一種完全獨(dú)立的、不附屬于某一個(gè)主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)需要來(lái)編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它除了具備普通機(jī)械所具有的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能，是一種三元機(jī)械。第二類(lèi)稱(chēng)為操作機(jī)（Manipulator），它需要人工的操作，操作機(jī)起源于原子、軍事工業(yè)，一開(kāi)始都是是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)來(lái)操作機(jī)器人，可以進(jìn)行探測(cè)月球等工作。工業(yè)中采用的鍛造類(lèi)操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類(lèi)是專(zhuān)業(yè)機(jī)器人，

4、它主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上，用以解決機(jī)床的上下料和工件的傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱(chēng)為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)進(jìn)行服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，它的工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。 機(jī)器人按照其結(jié)構(gòu)的不同又可以分為多種類(lèi)型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)非常緊湊，所占用的空間體積小，但其相對(duì)的工作空間卻是最大的，甚至能繞過(guò)基座四周的一些障礙物等特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。 簡(jiǎn)單的說(shuō)，機(jī)器人就是用機(jī)器手代替人手，把物料從某一個(gè)地方移動(dòng)到指定的位置，或按照工作要求可以操縱工件進(jìn)行加工。 要機(jī)器

5、人可以像人一樣拿取東西，最基本的條件是要有一套類(lèi)似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；能像肌肉那樣使手臂動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；能像大腦指揮手那樣進(jìn)行動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1.1 所示。 機(jī)器人 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其他信息交換計(jì)算機(jī) 單關(guān)節(jié)伺服控制器 電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置 基座部（固定或移動(dòng)） 腕部 臂部 手部 腰部 圖1.1 機(jī)器人的一般組成[2] 現(xiàn)代智能機(jī)器人與過(guò)去相比，還具有一定的智能系統(tǒng)，主要是

6、增加了感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，還有機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是相互獨(dú)立的，或者說(shuō)并不只是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的疊加在一起，就能構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)我們所期望機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必需存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1.2 所示。 控制系統(tǒng)（一） 控制系統(tǒng)（二） 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 工作對(duì)象 智能系統(tǒng) 位形檢測(cè) 圖1.2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系[3] 機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴(lài)以完成各

7、種工作任務(wù)的實(shí)體，它通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，能按照控制系統(tǒng)的要求完成各種工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)包括了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)可將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足機(jī)器人各關(guān)節(jié)的力矩跟運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有一些文獻(xiàn)把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。 1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀[4] 機(jī)器人最早是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出了第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)是：在機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有使用電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)

8、是示教型的。 日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展速度最快、應(yīng)用范圍最廣的國(guó)家。自從1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)器人后，日本就一直大力從事機(jī)器人方面的研究。 目前的工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要是依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，還不具備識(shí)別能力；改進(jìn)的方面主要是降低加工與維護(hù)成本和提高加工工件的精度。 第二代機(jī)器人目前正在加緊研制。它擁有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，有視覺(jué)和觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)跟想的能力。還要研究安裝各種傳感器，能把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有初步感覺(jué)的機(jī)能。 第三代機(jī)器人則能獨(dú)立地完成各種加工過(guò)程中的任務(wù)。它能與電子計(jì)算機(jī)跟電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS

9、(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開(kāi)一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問(wèn)題。 現(xiàn)在，在加工工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為了突出主題。化學(xué)工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專(zhuān)用機(jī)床是實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效

10、地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的工作環(huán)境。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不

11、能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車(chē)間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用控制器，一般采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線(xiàn)編程工具，采用

12、專(zhuān)用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專(zhuān)用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本辦法是研究和使用具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。 美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： (1)1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年，萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶(hù)做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。 (2)1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車(chē)公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1

13、969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車(chē)車(chē)身的焊接自動(dòng)線(xiàn)；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車(chē)公司32條沖壓自動(dòng)線(xiàn)上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。 (3)1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開(kāi)了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車(chē)車(chē)輪生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)。麻省

14、理工學(xué)院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。 其他國(guó)家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開(kāi)始以美國(guó)的“Versatran”和“Unimate”型機(jī)器人為藍(lán)本開(kāi)始進(jìn)行研制的。就日本來(lái)說(shuō)，1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國(guó)的“Versatran”,川崎重工公司引進(jìn)“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國(guó)并超過(guò)其他國(guó)家。經(jīng)過(guò)大約10年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980年開(kāi)始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。 我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)

15、劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。 1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： (1)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； (2)開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類(lèi)型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手

16、指；開(kāi)發(fā)各類(lèi)行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合； (3)研制各種傳感器跟檢測(cè)元件，如觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周?chē)耐饨绛h(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 33 物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 物料搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì) 2.1 物料搬運(yùn)機(jī)器人的功能 物料搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)具備以下功能: (1)移動(dòng):通過(guò)機(jī)器人的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)； (2)導(dǎo)航跟定位;能夠自主的按照預(yù)先設(shè)置的路線(xiàn)運(yùn)行，并獲得位置資料； (3)運(yùn)輸:能搬運(yùn)物料從A位置到B位置； (4)規(guī)劃路

17、徑:在離線(xiàn)的狀態(tài)下，操作者要為機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中尋找無(wú)碰撞路徑； (5)避障(擴(kuò)展功能):機(jī)器人應(yīng)該具有一定的感受、適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力，尤其是要能檢測(cè)出明顯的障礙物，自動(dòng)調(diào)用避障策略； (6)無(wú)線(xiàn)通訊:有數(shù)據(jù)傳輸功能，有效距離1000米。 2.2 傳感器系統(tǒng)[13] 傳感器系統(tǒng)屬于機(jī)器人控制系統(tǒng)，是整個(gè)機(jī)器人的感覺(jué)器官，負(fù)責(zé)探測(cè)工作環(huán)境以及檢測(cè)機(jī)器人自身的運(yùn)動(dòng)。傳感器系統(tǒng)有能檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的傳感器和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可擴(kuò)展功能所需的傳感器。下面主要介紹能實(shí)現(xiàn)各種基本作業(yè)的傳感器： (1)行進(jìn)距離檢測(cè):編碼器，采用積分增量思想，具有較好的短期精度； (2)偏轉(zhuǎn)角度檢測(cè):陀螺，測(cè)量旋轉(zhuǎn)

18、角速度，無(wú)需外部參考，適于短時(shí)間的精確定位； (3)起點(diǎn)、終點(diǎn)擺放臺(tái)檢測(cè):微動(dòng)開(kāi)關(guān)，反饋是否接觸擺放臺(tái)側(cè)壁信息； (4)物料抓取檢測(cè):微動(dòng)開(kāi)關(guān)，檢測(cè)物料是否被有效抓起； (5)(可擴(kuò)展功能)突出的障礙物檢測(cè):采用超聲波傳感器行進(jìn)路徑上有無(wú)障礙物； (6)(可擴(kuò)展功能)運(yùn)行環(huán)境白色引導(dǎo)線(xiàn)檢測(cè):采用顏色傳感器識(shí)別白線(xiàn)信息，利用白線(xiàn)導(dǎo)航。 2.3 移動(dòng)載體 移動(dòng)載體能執(zhí)行輪式物料搬運(yùn)機(jī)器人的移動(dòng)功能。常見(jiàn)的移動(dòng)載體有輪式、履帶式和足式行走機(jī)構(gòu)，此外還有各種輪、履跟腿的混合式結(jié)構(gòu)。 (1)輪式 輪式移動(dòng)載體一直是平坦地面上運(yùn)動(dòng)的最有效的工具。它具有能高速穩(wěn)定移動(dòng)、能量利用效率高、機(jī)構(gòu)和

19、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是移動(dòng)場(chǎng)所限制在平面上，且一般情況下需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，因而造成靈活性下降。輪式移動(dòng)載體依據(jù)車(chē)輪的數(shù)量可分為 1輪、2輪、3輪、4輪及多輪機(jī)構(gòu)。單輪和雙輪主要是進(jìn)行直立穩(wěn)定移動(dòng)控制問(wèn)題的基礎(chǔ)研究，而不著眼于移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用化問(wèn)題。從高速移動(dòng)時(shí)加強(qiáng)穩(wěn)定性的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，多數(shù)采用的是四輪機(jī)構(gòu)。五輪以上的機(jī)構(gòu)有較大的穩(wěn)定性，適合子臺(tái)階、階梯或三維彎曲路面等非平地狀態(tài)的移動(dòng)。全方位車(chē)輪機(jī)構(gòu)是目前常用的輪式機(jī)構(gòu)，具備全方位移動(dòng)功能，操作靈活，特別適合干窄小空間中的移動(dòng)作業(yè)。[5] 按照所用輪子的類(lèi)型和驅(qū)動(dòng)方式，輪式移動(dòng)載體可分為五大類(lèi)，即(3,0), (2, 0), (2, 1), (

20、1, 1)和(1, 2)，其中前面的數(shù)字表示移動(dòng)度(degree of mobility)，后面的數(shù)字表示轉(zhuǎn)向度(degree of steering)。輪式機(jī)器人在地面上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)受到非完整約束，這是由輪子的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)決定的，即輪子在地面上做無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)。盡管非完整系統(tǒng)類(lèi)別與輪式平臺(tái)的類(lèi)型有關(guān)，但所有輪式平臺(tái)都是非完整的。[5] (2)履帶式 為了改善車(chē)輪對(duì)松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能力，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)被廣泛采用。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下特點(diǎn):支承面積大，接地比壓小，適于松軟和泥濘地面作業(yè)。機(jī)動(dòng)性好，爬坡、越溝等性能好。履帶不易打滑，牽引附著能力好。履帶運(yùn)動(dòng)方式在不平地面上的機(jī)動(dòng)性很差，轉(zhuǎn)彎

21、不便，轉(zhuǎn)向時(shí)能耗較大。 (3)足式 足式行走機(jī)器人即所謂的步行機(jī)器人。步行機(jī)器人不僅能在平地上而且能在凹凸不平的地面上行走、跨越障礙、上下臺(tái)階，具有獨(dú)特的優(yōu)越性能。但是，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實(shí)現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。四足機(jī)器人普遍存在控制復(fù)雜和步行速度低、步幅小等缺點(diǎn)，實(shí)用化的成果則更少。 顯然，本課題所研究的機(jī)器人主要在平面的環(huán)境中運(yùn)行，選用輪式移動(dòng)載體最為合理，即采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式，通過(guò)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，使車(chē)體跟蹤不同的軌跡曲線(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)向靈活，當(dāng)兩輪速度值相同，方向不同時(shí)，車(chē)體可以原地回轉(zhuǎn)。 2.4 自由度與機(jī)器人的運(yùn)作 物料搬運(yùn)機(jī)器人

22、的整體機(jī)構(gòu)如下圖2.1所示，現(xiàn)在讓我們分析一下它的運(yùn)動(dòng)過(guò)程：它有四個(gè)自由度，底座的旋轉(zhuǎn)以及底座上部上下伸縮，手臂的前后伸縮和手部的夾緊與放松。最底部的輪子是用來(lái)使機(jī)器人能夠在有效的工作范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，以便能夠得到更大的工作空間，更有利于物料的搬運(yùn)。它的移動(dòng)主要是前后移動(dòng)，使機(jī)器人能將物料搬運(yùn)到更遠(yuǎn)的位置。A表示的是底座，主要是控制機(jī)器人上半部的旋轉(zhuǎn)，包括機(jī)械手，手臂，它是通過(guò)底座里的電機(jī)一旋轉(zhuǎn)，帶到1齒輪軸套，它與2主軸齒輪嚙合，進(jìn)而使主軸旋轉(zhuǎn)，在底座上方C里，通過(guò)齒輪傳動(dòng)3帶動(dòng)C腰部旋轉(zhuǎn)，C與B手臂已經(jīng)連接固定，使其帶動(dòng)C，手臂D，手部E同步旋轉(zhuǎn)。C中通過(guò)電機(jī)二聯(lián)接一個(gè)小齒輪4，與其內(nèi)部的長(zhǎng)

23、軸嚙合，當(dāng)電機(jī)二運(yùn)行時(shí)，通過(guò)4使長(zhǎng)軸進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。手臂D中有電機(jī)三，當(dāng)電機(jī)三運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使其內(nèi)部的軸旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)絲杠傳動(dòng)原理，讓軸進(jìn)行左右伸縮，軸與手部連接，所以就使手部到達(dá)的左右伸縮的目的。手部里有電機(jī)四，它也是通過(guò)絲杠原理讓手部進(jìn)行夾緊與放松的動(dòng)作。 移動(dòng)載體 D E 1 電機(jī)一 電機(jī)二 電機(jī)三 電機(jī)四 A B C 2 3 4 圖2.1 物料搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.5 控制方式的選擇 本次設(shè)計(jì)物料搬運(yùn)機(jī)器人主要是進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)中物料的搬運(yùn)，是將工業(yè)生產(chǎn)的物料搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?？紤]到本次設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)

24、的物料是在8KG以下，而且物料不是很復(fù)雜，精度不是很高，所以設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)器人采用四個(gè)自由度，分別是手臂隨著腰部的旋轉(zhuǎn)和上下伸縮進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，手臂的左右伸縮和手部的夾緊與放松。此四個(gè)自由度可以保證在工業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)⑽锪习徇\(yùn)到空間的各個(gè)位置上。物料搬運(yùn)機(jī)器人的四個(gè)自由度可以將夾取的物料搬運(yùn)到四周的位置上，但為了讓它的工作范圍擴(kuò)大，能夠減少機(jī)器人的投入量，所以我們將它固定在帶有輪子的機(jī)身上，從而實(shí)現(xiàn)其目的。物料搬運(yùn)機(jī)器人的工作過(guò)程如下：當(dāng)物料要求從物架上搬運(yùn)時(shí)，機(jī)器人通過(guò)手臂的伸縮和腰部的旋轉(zhuǎn)調(diào)整好位置，手部夾住物料。然后傳感器發(fā)出信號(hào)，通過(guò)機(jī)器人的底座旋轉(zhuǎn)，腰部伸縮，手臂伸縮將物料搬運(yùn)到指定的位置

25、，手部松開(kāi)，將物料放在指定的位置，再回到下一個(gè)物料的位置，這就完成了一個(gè)周期。 根據(jù)物料搬運(yùn)機(jī)器人的工作過(guò)程的自動(dòng)化性質(zhì)，必須選取一個(gè)控制器來(lái)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中我們可以采用PLC和單片機(jī)控制，由于我只參與物料搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制部分就不多介紹了。 物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 手部的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 手部的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的手又稱(chēng)為末端執(zhí)行器，它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專(zhuān)用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操

26、作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類(lèi)： (1)夾鉗式取料手 (2)吸附式取料手 (3)專(zhuān)用操作器及轉(zhuǎn)換器 (4)仿生多指靈巧手 本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開(kāi)和夾緊工件，是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖3.1所示 圖3.1 機(jī)械手手指形狀 3.2 驅(qū)動(dòng)方式[5] 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類(lèi)型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表3-1[6]： 表3-1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照[6] 內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 液壓

27、驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 輸出功率 很大，壓力范圍為50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達(dá)Pa 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)

28、題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小 伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn) 防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差 對(duì)環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染 排氣時(shí)有噪聲 無(wú) 在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器

29、人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： (1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； (2)反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻

30、繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換； (3)驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。? (4)安全可靠； (5)操作和維護(hù)方便； (6)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要?。? (7)經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 3.3 手部夾緊力的計(jì)算 擬定物料搬運(yùn)機(jī)器人手部最大抓取重量為8kg，其夾角為31度。根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，最終采用如下的圖示結(jié)構(gòu)(圖3.2)： 圖3.2 手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 手部機(jī)架采用鑄鋼鑄造，其摩擦系數(shù)，重力加速度取。夾緊時(shí)由力學(xué)關(guān)系可以得到公式：，從而得到夾緊力

31、 (3.1) 由公式，知所需的驅(qū)動(dòng)力 (3.2) 夾緊機(jī)構(gòu)采用絲杠傳動(dòng)原理傳送夾緊力，擬定絲杠的大徑，螺距設(shè)為，牙型角為的梯形普通螺紋。 3.4 彈簧的計(jì)算 彈簧外形如下圖所示(圖3.3) 現(xiàn)在通過(guò)計(jì)算來(lái)確定彈簧的旋繞比、最大工作負(fù)荷、工作極限負(fù)荷、最小工作負(fù)荷、彈簧要求剛度、總?cè)?shù)、有效圈數(shù)、單圈剛度等一系列有彈簧有關(guān)的數(shù)據(jù)來(lái)確定彈簧是否合格。 圖3.3 手部彈簧 選用材料碳素彈簧鋼絲 彈簧材料的許用應(yīng)力及必須按照負(fù)荷性質(zhì)來(lái)確定

32、。 彈簧按負(fù)荷性質(zhì)分為三類(lèi)： Ⅰ類(lèi)：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在此以上的彈簧; Ⅱ類(lèi)：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在次或沖擊負(fù)荷的彈簧; Ⅲ類(lèi)：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在次以下的彈簧。 旋繞比C ；或查表11-1-6[7] (3.3) ，，，由表11-1-6查得 最大工作負(fù)荷，單位N， (3.4) 工作極限負(fù)荷， (3.5) 最小工作負(fù)荷

33、 (3.6) 彈簧要求剛度 (3.7) 單圈剛度 (3.8) 有效圈數(shù)， (3.9) 總?cè)? (3.10) 3.5 手部電機(jī)選擇原則 3.5.1 一般執(zhí)行電機(jī)的選擇原則 (1)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常從選擇執(zhí)行電機(jī)開(kāi)始的，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件．應(yīng)能方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)地、平滑地、可逆調(diào)速

34、，對(duì)控制信號(hào)反應(yīng)快捷，才能保證整個(gè)系統(tǒng)帶動(dòng)被控對(duì)象按所需要的規(guī)律及控制精度運(yùn)動(dòng)。 (2)考慮電機(jī)的種類(lèi)及控制方式。 可用作伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件的電機(jī)種類(lèi)很多，從大的類(lèi)別看：有直流伺服電動(dòng)機(jī)(他激的或水磁的)、直流無(wú)刷電機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)、滑差電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、交流伺服電機(jī)、各種步進(jìn)電機(jī)……等等。由于它們調(diào)速方法不同、所需電源種類(lèi)不同、驅(qū)動(dòng)它們運(yùn)轉(zhuǎn)的功率放大裝置更是多種多樣，因而它們的機(jī)械特性、調(diào)速特性、過(guò)載能力、驅(qū)動(dòng)功率的大小、以及構(gòu)成系統(tǒng)的總成本，都各不相同，需要認(rèn)真地具體分析比較來(lái)確定。 直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均采用位置閉環(huán)控制，一船用于要求高精

35、度、高速度的數(shù)控系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的數(shù)控系統(tǒng)。 永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)用于一般的直流伺服系統(tǒng)。無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)用于需要速動(dòng)作、功率較大的伺服系統(tǒng)?？招谋姌兄绷魉欧妱?dòng)機(jī)用于需要快速動(dòng)作的伺服系統(tǒng)。印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)用于低速運(yùn)行和起動(dòng)、反轉(zhuǎn)頻繁的系統(tǒng)。 同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)常用于位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)、機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)及其它機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)控制．包括點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。常見(jiàn)的功率范圍是數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，個(gè)別的達(dá)到數(shù)十千瓦。而異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)主要用于需要以恒功率擴(kuò)展調(diào)速范圍的大功率調(diào)速系統(tǒng)中，如在數(shù)控機(jī)床中用

36、作主軸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)．常見(jiàn)的功率范圍是數(shù)干瓦以上。 (3)通過(guò)定量的核算確定電機(jī)的具體型號(hào)與規(guī)格。 選擇執(zhí)行電機(jī)不能只停留在確定電機(jī)的類(lèi)別及其控制方式上，還必須確定具體型號(hào)與規(guī)格，需要作定量的核算。為此，要根據(jù)被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)形式(旋轉(zhuǎn)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng))，運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，運(yùn)動(dòng)負(fù)載的性質(zhì)和具體數(shù)量，運(yùn)行工作體制(是長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行或短時(shí)運(yùn)行或間歇式運(yùn)行)，結(jié)合系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求，作定量的分析。 (4)考慮被控對(duì)象工作的特點(diǎn)和環(huán)境條件。 執(zhí)行電機(jī)是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分．同時(shí)又靠它驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，因此它是伺服系統(tǒng)與被控對(duì)象相聯(lián)系的一個(gè)關(guān)鍵部件。執(zhí)行電機(jī)必須適應(yīng)被控對(duì)象工作的特點(diǎn)與環(huán)境條件，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)

37、尺寸、安裝固定方式，必須與被控對(duì)象緊密配合，以求得總體的合理配置，便于安裝調(diào)整，便于使用維護(hù)。這些都關(guān)系到執(zhí)行電機(jī)的選擇。在伺服系統(tǒng)應(yīng)用的許多場(chǎng)合，要想改換別種類(lèi)型的執(zhí)行電機(jī)，常會(huì)遇到機(jī)械結(jié)構(gòu)、體積重量、使用環(huán)境條件、電源配備等條件的限制 (5)其它考慮因素。 當(dāng)兩種電氣伺服系統(tǒng)都能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求時(shí)．則產(chǎn)品的價(jià)格是關(guān)鍵因素。其它一些條件．如貨源方便程度、維修與服務(wù)、技術(shù)成熟度、未來(lái)發(fā)展等都可能成為選擇何種電氣伺服系統(tǒng)的考慮因素。 3.5.2 電機(jī)的選用 夾持部分所用電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，下面是步進(jìn)電機(jī)的介紹： 步進(jìn)電機(jī)的工作原理簡(jiǎn)述：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步

38、進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)：步進(jìn)電機(jī)可以大概分為一下幾種：永磁式步進(jìn)電機(jī)：一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出；混合式步進(jìn)電機(jī)：是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)的電機(jī)，它又分為兩相和五相。這是目前應(yīng)用最廣泛的一種步進(jìn)電機(jī)。 永磁式步進(jìn)電機(jī)工作原理簡(jiǎn)述：永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)永久磁鐵電動(dòng)子, 卷繞并且磁性地

39、導(dǎo)電性定子。 通電導(dǎo)線(xiàn)形成一個(gè)磁場(chǎng)， 定子磁場(chǎng)分布的改變， 定子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)負(fù)載。上圖說(shuō)明典型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作用原理：一個(gè)兩相繞阻。兩相繞阻中的A向通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向顯示如圖, 因?yàn)檗D(zhuǎn)子受定子磁極吸引由向A向繞阻轉(zhuǎn)動(dòng)。然后對(duì)B向繞阻通電，使轉(zhuǎn)子由A向繞阻向B向繞阻轉(zhuǎn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)子隨磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。磁場(chǎng)轉(zhuǎn)到A向繞阻，轉(zhuǎn)子由B向繞阻向A向繞阻轉(zhuǎn)動(dòng)。重覆以上這個(gè)過(guò)程。每使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90度，即步進(jìn)電機(jī)向前進(jìn)一步（一個(gè)步距角）。 步進(jìn)電機(jī)與其他類(lèi)型電動(dòng)機(jī)的區(qū)別與聯(lián)系： 步進(jìn)電機(jī)與伺服電動(dòng)機(jī)同樣屬于執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，同樣是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械信號(hào)。其控制方式也基本相似，同

40、樣是用脈沖串和方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。但在性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在較大差異： 控制精度不同： 步進(jìn)電機(jī)的控制精度由步距角決定，電機(jī)P（步進(jìn)電機(jī)相數(shù)）值受物理?xiàng)l件限制，而交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制精度則是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器保證，由脈沖當(dāng)量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度。 輸出力矩不同： 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩會(huì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，而交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出。 過(guò)載能力不同： 步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常

41、工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。 運(yùn)行性能不同： 步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 速度響應(yīng)性能不同： 步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM有的僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

42、 步進(jìn)電機(jī)與同步、異步電機(jī)的性能比較： 步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)屬于執(zhí)行電機(jī)，而同、異步電機(jī)均屬交流動(dòng)力電機(jī)，是靠50周交流電網(wǎng)供電而轉(zhuǎn)動(dòng)。異步電機(jī)是定子送入交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子受感應(yīng)而產(chǎn)生磁場(chǎng)。這樣兩磁場(chǎng)作用，使得轉(zhuǎn)子跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。其中轉(zhuǎn)子比定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)慢，有個(gè)轉(zhuǎn)差，不同步所以稱(chēng)為異步機(jī)。而同步電機(jī)定子同異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子是人為加入直流電形成不變磁場(chǎng)，這樣轉(zhuǎn)子就跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起轉(zhuǎn)而同步，始稱(chēng)同步電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的選用原則： 步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱(chēng)為“步距角”）一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是沒(méi)有積累誤差（精度為 100%

43、），所以廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說(shuō)：控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。 為了讓更多的用戶(hù)了解步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，選擇到最適合自己使用要求的步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，特將有關(guān)選型原則

44、介紹如下： (1)首先確定步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩。最簡(jiǎn)單的方法是在負(fù)載軸上加一杠桿，用彈簧秤拉動(dòng)杠桿，拉力乘以力臂長(zhǎng)度既是負(fù)載力矩。或者根據(jù)負(fù)載特性從理論上計(jì)算出來(lái)。由于步進(jìn)電機(jī)是控制類(lèi)電機(jī)，所以目前常用步進(jìn)電機(jī)的最大力矩不超過(guò) 70Nm ，力矩越大，成本越高，如果您所選擇的電機(jī)力矩較大或超過(guò)此范圍，可以考慮加配減速裝置。 (2)確定步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速指標(biāo)在步進(jìn)電機(jī)的選取時(shí)至關(guān)重要，步進(jìn)電機(jī)的特性是隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多參數(shù)有關(guān)，如 : 驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓、電機(jī)的相電流、電機(jī)的相電感、電機(jī)大小等等，一般的規(guī)律是：驅(qū)動(dòng)電壓越高，力矩下降越慢；電機(jī)的相電

45、流越大，力矩下降越慢。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在 1500 轉(zhuǎn) / 分或 1000 轉(zhuǎn) / 分，當(dāng)然這樣說(shuō)很不規(guī)范，可以參考〈矩 - 頻特性〉。 (3)根據(jù)負(fù)載最大力矩和最高轉(zhuǎn)速這兩個(gè)重要指標(biāo)，再參考〈矩 - 頻特性〉，就可以選擇出適合自己的步進(jìn)電機(jī)。如果您認(rèn)為自己選出的電機(jī)太大，可以考慮加配減速裝置，這樣可以節(jié)約成本，也可以使您的設(shè)計(jì)更靈活。要選擇好合適的減速比，要綜合考慮力矩和速度的關(guān)系，選擇出最佳方案。 (4)最后還要考慮留有一定的（如 30% ）力矩余量和轉(zhuǎn)速余量。 (5)盡量選擇混合式步進(jìn)電機(jī)，它的性能高于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 (6)盡量選取細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，且使驅(qū)動(dòng)器

46、工作在細(xì)分狀態(tài)。 (7)選取時(shí)且勿走入只看電機(jī)力矩這一個(gè)指標(biāo)的誤區(qū)，也就是說(shuō)并非電機(jī)的扭矩越大越好，要和速度指標(biāo)一起考慮。 (8)在轉(zhuǎn)速要求較高的情況下可以選擇驅(qū)動(dòng)電壓高一點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器。 (9)在選購(gòu)時(shí)是采用兩相的還是三相的，這并沒(méi)有什么具體的要求，只要步距角能滿(mǎn)足使用要求就行。 3.6 手部電機(jī)選擇 夾緊機(jī)構(gòu)采用螺旋傳動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)力矩： [7] (3.11) 式中為螺紋摩擦力矩，且 (3.12) 為螺旋傳動(dòng)的軸向載荷， －當(dāng)量摩擦角， －螺紋中徑（mm），－

47、螺旋線(xiàn)升角（） ， ， 螺紋傳動(dòng)軸向支撐面磨擦力矩： 因?yàn)橹蚊媸黔h(huán)形面支撐 所以 (3.13) 為軸向支撐面間的摩擦系數(shù) 由資料查出，深溝球軸承=0.0015～0.0022 取=0.0015 為螺旋傳動(dòng)徑向軸承摩擦力矩，因?yàn)闊o(wú)徑向支撐，所以此相為 選用55BF003步進(jìn)電機(jī)，相數(shù)為3，額定電壓27V，靜態(tài)電流3A，步距角1.5/3，空載啟動(dòng)頻率PPS為1800，空載運(yùn)行頻率16000，外形尺寸：總長(zhǎng)70mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。 3.7 電

48、機(jī)轉(zhuǎn)速與夾緊力速度幾何關(guān)系的確定 因?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)中，物料的大小雖然形狀差異比較大，但整體的抓取范圍相差并不是很大，所以現(xiàn)在將手部爪子的最大張開(kāi)寬度定為120mm，最小張開(kāi)寬度設(shè)為70mm。絲杠螺距為p=2.5mm，爪子夾角為 如果手爪夾緊時(shí)夾緊方向位移設(shè)為x，絲杠傳動(dòng)的水平位移為y，那么有。 那么，若電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，絲杠向前傳動(dòng)一個(gè)螺距的話(huà)，即，那么 例如：夾緊一個(gè)邊長(zhǎng)為100mm的立方體物料，則 所以電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為圈 絲杠傳動(dòng)最大水平位移確定： 設(shè)最大水平位移為A，則 物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 手臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.1 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖4.1物料搬運(yùn)機(jī)器人

49、手臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 通過(guò)圖示我們可以知道，當(dāng)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)手臂主軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠傳動(dòng)原理將手臂主軸上的傳動(dòng)軸帶動(dòng)，使其向前運(yùn)行，前端有手部聯(lián)接，所以就帶動(dòng)了手部前移，實(shí)現(xiàn)手部的伸，當(dāng)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，則向后移，實(shí)現(xiàn)手部的縮。 4.2 手部質(zhì)量計(jì)算 我們要計(jì)算出手臂的轉(zhuǎn)矩，但在計(jì)算它之前我們要求出它受力多少，所以我們要計(jì)算出手部的質(zhì)量，然后加上物料的質(zhì)量，來(lái)得出手臂的受力。 我們同樣選擇鑄鋼作為手部機(jī)殼的材料來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 手部?jī)?nèi)部各個(gè)零件的質(zhì)量粗略計(jì)算： 深溝球軸承1000801：0.007KG 深溝球軸承1000903：0.020KG 爪子的質(zhì)量： 圖4.2物料搬運(yùn)機(jī)

50、器人爪子簡(jiǎn)圖 爪子采用鑄鋼 密度為 (4.1) 手部外殼質(zhì)量： 手部主軸的質(zhì)量： 電機(jī)質(zhì)量： 其余質(zhì)量估計(jì)值為 所以手部總質(zhì)量： 加上物料最大搬運(yùn)質(zhì)量8kg 總的質(zhì)量最后確定為27.1kg 由于上述計(jì)算一少部分是概括計(jì)算，所以可能會(huì)造成計(jì)算質(zhì)量與實(shí)際質(zhì)量的少許偏差，但為了在計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足我們預(yù)訂的目標(biāo)，所以我們?cè)诟爬ㄓ?jì)算的基礎(chǔ)上外加了上部分質(zhì)量來(lái)滿(mǎn)足我們忽略計(jì)算的部分，這樣就可以完成與實(shí)際質(zhì)量的誤差量減小，符合設(shè)計(jì)的要求。 4.3 手臂計(jì)算及電機(jī)選擇

51、手臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的和手部同樣的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)力矩： [8] (4.2) 式中為螺紋摩擦力矩，且 (4.3) 為螺旋傳動(dòng)的軸向載荷， －當(dāng)量摩擦角， －螺紋中徑（mm），－螺旋線(xiàn)升角（） ， ， (4.4) 螺紋傳動(dòng)軸向支撐面磨擦力矩： 因?yàn)橹蚊媸黔h(huán)形面支撐 所以 (4.5) 為軸向支撐面間的摩擦系數(shù) 由資料查出，深溝球軸承=0.0015～0.0022 取=0.

52、0015 為螺旋傳動(dòng)徑向軸承摩擦力矩，因?yàn)闊o(wú)徑向支撐，所以此相為 選用75BF003步進(jìn)電機(jī)，相數(shù)為3，額定電壓30V，靜態(tài)電流4A，步距角1.5/3，空載啟動(dòng)頻率PPS為1250，空載運(yùn)行頻率1800，外形尺寸：總長(zhǎng)75mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。 物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 腰身的設(shè)計(jì)與計(jì)算 5.1 腰身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰身的結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖5.1物料搬運(yùn)機(jī)器人腰身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖我們可以了解其是怎樣運(yùn)行的，腰身的運(yùn)行過(guò)程如下，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)候，聯(lián)接在電機(jī)軸上的小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)豎直軸上的齒條嚙合，帶動(dòng)軸向上運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)了整個(gè)上部機(jī)器人的移動(dòng)，當(dāng)電

53、機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候，則向下運(yùn)動(dòng)。 5.2 腰身以上部分的重量計(jì)算 通過(guò)資料我們可以知道要想知道轉(zhuǎn)矩我們必須知道一些數(shù)據(jù)，主要先估算出腰身上部的質(zhì)量，下面我們通過(guò)各個(gè)零件來(lái)估算其質(zhì)量。 深溝球軸承 1000903：0.020kg 深溝球軸承 1000905：0.050kg 手臂外殼質(zhì)量： [9] 其他質(zhì)量通過(guò)查詢(xún)和估算合計(jì)為 所以總的質(zhì)量 5.3 腰身計(jì)算及電機(jī)選擇 通過(guò)上面的計(jì)算，我們已經(jīng)知道了所需要的部件質(zhì)量，現(xiàn)在把他們的質(zhì)量之和求出，然后計(jì)算。 然后按照公式方法計(jì)算 計(jì)算方法 電機(jī) L(cm) R1(cm) R2(cm) m,W m---質(zhì)量（kg

54、） W---重量（N） ρ---滾輪材料比重（kg/cm3） 鋼鐵ρ=7.8610-3（kg/cm3） 鋁合金ρ=2.6910-3（kg/cm3） （轉(zhuǎn)換：1kgf=9.8N） 圖5.2 計(jì)算方法簡(jiǎn)圖 負(fù)載慣量： (5.1) 負(fù)載力矩： (5.2) ，， 選擇電機(jī) 選用MT57STH56-3008A步進(jìn)電機(jī)，外形尺寸：總長(zhǎng)56mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。 物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 底座的設(shè)

55、計(jì)與計(jì)算 6.1 底座機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示： 圖6.1 物料搬運(yùn)機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 通過(guò)圖示我們可以了解其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪的嚙合，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 6.2 底座以上部分的重量計(jì)算 腰身部分質(zhì)量的計(jì)算 MT57STH56-3008A步進(jìn)電機(jī)： 深溝球軸承 1000903： 腰身外殼質(zhì)量： 其余部分質(zhì)量之和為： 所以腰身總重量為： 通過(guò)以上我們可以計(jì)算出底座以上總重量為： 6.3 底座電機(jī)選擇 通過(guò)計(jì)算我們得到需要電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為 選用90BF004步進(jìn)電機(jī)，相數(shù)為5，額定電

56、壓60V，靜態(tài)電流7A，步距角0.75/1.5，空載啟動(dòng)頻率PPS為4000，空載運(yùn)行頻率16000，外形尺寸：總長(zhǎng)118mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。 物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 零件的校核 7.1 手部主軸的校核計(jì)算 手部主軸示意圖： 圖7.1手部主軸簡(jiǎn)圖 此軸的材料選用＃45鋼 軸的強(qiáng)度校核 此軸所受的最大扭矩為 [10] (7.1) (7.2)

57、 (7.3) 水平面內(nèi): 垂直面內(nèi): 支反力: 水平面內(nèi) 彎矩: 垂直面內(nèi)彎矩: 計(jì)算彎矩: (7.4) 查機(jī)械設(shè)計(jì)教材對(duì)于脈動(dòng)變化的轉(zhuǎn)矩α=0.6 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表17-2,查得45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理后,抗拉強(qiáng)度極限,彎曲疲勞強(qiáng)度極限,剪切疲勞極限,許用彎曲應(yīng)力 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算: [5]

58、 (7.5) 軸的危險(xiǎn)截面在彎矩最大處和周徑最小處或彎矩較大和軸徑較小有鍵槽處,綜合分析此高速軸的危險(xiǎn)截面在計(jì)算彎矩最大處。 因?yàn)?所以手部主軸安全。 圖7.2 主軸受力分析與彎矩圖 7.2 齒輪的校核計(jì)算[5] 7.2.1 選擇齒輪材料、熱處理方法、精度及齒數(shù) 由資料查詢(xún)，電機(jī)齒輪選用鋼，調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為，底座齒輪材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為。 選擇齒輪精度等級(jí)為8級(jí)。 選擇傳動(dòng)比為 實(shí)際傳動(dòng)比

59、 (7.6) 傳動(dòng)誤差 (7.7) 在允許誤差范圍內(nèi) 電機(jī)齒輪和底座齒輪參數(shù)如下表7-2所示[9]： 表7-2 齒輪參數(shù)表 名稱(chēng) 符號(hào) 電機(jī)齒輪 底座齒輪 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 模數(shù) 中心距 齒隙 7.2.2 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度 驗(yàn)算公式為： (

60、7.8) 電機(jī)齒輪的分度圓直徑： 電機(jī)齒輪的齒寬： 取 計(jì)算圓周速度： (7.9) (1)計(jì)算 ①由表11.2[9]查得， ②由圖11.3[9]查得， ③可由表11.3[9]查得，但大小齒輪硬度不同，可取平均值，即 (7.10) 由表11-3[9]可以查得，， ④由圖11.6[9]可以查得 所以 ⑤確定，由公式，可以求得 (7.11) 由公式，可以求得

61、 (7.12) (2)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 ①按接觸面硬度平?jīng)Q硬度值（表11-4[9]查得）電機(jī)齒輪的接觸疲勞極限 ，同理，查得底座齒輪的接觸疲勞極限 ②計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (7.13) (7.14) ③ 由圖11.9[9]查得接觸疲勞壽命系數(shù)為 ， ④計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取安全系數(shù)，按式[9]可得

62、 (7.15) ，故取 (3)驗(yàn)算： [9] (7.16) 安全 7.2.3 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 校核公式 [11] (7.17) (1)確定公式中的各數(shù)值 ①由圖11.14[9]可查得，， ②由圖11.15[9]可查得，， ③計(jì)算 (2)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 ①由圖11.18[9]可查得，， ②由圖11.20d[9]可查得，

63、， ③計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取安全系數(shù) (7.18) (3)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 安全 安全 物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 結(jié)論與展望 8.1 結(jié)論 科學(xué)技術(shù)在不斷地的進(jìn)步，人們對(duì)物質(zhì)生活的要求也越來(lái)越高，現(xiàn)代企業(yè)必須提高生產(chǎn)率以在相同的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，如果依舊如過(guò)去那樣全部采用人工生產(chǎn)必然會(huì)加大工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而工人們也希望從危險(xiǎn)、繁重和其它一些對(duì)身體有害的生產(chǎn)勞動(dòng)中解脫出來(lái)，因而在科技快速發(fā)展的今天，機(jī)械化、自動(dòng)化在生產(chǎn)生活中所起到的作用也越來(lái)越大而機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用也

64、是順應(yīng)潮流。 在企業(yè)生產(chǎn)加工時(shí)可以利用工業(yè)機(jī)器人來(lái)做一些單調(diào)乏味的簡(jiǎn)單的重復(fù)性勞動(dòng)，比如，將物料從一個(gè)固定的位置搬運(yùn)到另一個(gè)固定的位置。這樣不僅能解放生產(chǎn)力，也能提高勞動(dòng)效率和工作質(zhì)量。有些危險(xiǎn)的場(chǎng)合，比如水下、存放危險(xiǎn)物品的地方，人們可以利用機(jī)器人來(lái)代替人進(jìn)行作業(yè)，這樣可以減少了工人的傷亡事故。例如，在水下鋪設(shè)電纜，排除可疑的危險(xiǎn)物品或清理化學(xué)毒劑等。 因?yàn)槭褂霉I(yè)機(jī)器人可以節(jié)約生產(chǎn)的成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。這樣可以增強(qiáng)企業(yè)的全球競(jìng)爭(zhēng)力；現(xiàn)在企業(yè)都在慢慢把危險(xiǎn)的和需要大量重復(fù)勞動(dòng)的工作從人工向機(jī)器人轉(zhuǎn)移。 在本文中所設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)器人具有四個(gè)機(jī)械自由度，可以完成對(duì)一些小而輕的物

65、料的抓取和搬運(yùn)工作，本文所介紹的主要是對(duì)該物料機(jī)器人進(jìn)行的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)。 8.2 不足之處與未來(lái)展望 因?yàn)闂l件有限，本設(shè)計(jì)在完成后無(wú)法進(jìn)行實(shí)際的組裝檢驗(yàn)。 未來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的提高，機(jī)器人技術(shù)也會(huì)隨著高速發(fā)展，企業(yè)的機(jī)械化，自動(dòng)化程度也將大幅提高，機(jī)器人必定會(huì)成為主要?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)力。 近幾十年來(lái)，機(jī)器人的開(kāi)發(fā)不僅越來(lái)越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊，現(xiàn)在，機(jī)器人已被廣泛用于太空開(kāi)發(fā)，深海探測(cè)等高危工作，軍事上機(jī)器人的應(yīng)用更是廣泛。 毋庸置疑，未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展方向?qū)⒊韵氯齻€(gè)方面： (1)與生活緊密結(jié)合，將來(lái)人們的生活服務(wù)將全由機(jī)器人來(lái)完成； (2)生物與機(jī)械的緊密結(jié)

66、合，將來(lái)機(jī)械部件將廣泛用于手術(shù)用來(lái)代替人體損壞部份； (3)機(jī)器人將越來(lái)越人性化，以后一些簡(jiǎn)單的工作將完全交由機(jī)器人處理。 物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究與設(shè)計(jì)過(guò)程都是在朱啟兵導(dǎo)師的悉心關(guān)懷和直接指導(dǎo)下完成的。朱老師淵博的理論知識(shí)，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和求實(shí)的科學(xué)態(tài)度使我受益匪淺。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高了自己的動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力，為我日后機(jī)械設(shè)計(jì)這一領(lǐng)域的研究作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我收獲頗多，這與朱老師的悉心指導(dǎo)是分不開(kāi)的。朱老師課程很忙，但是還是經(jīng)常抽時(shí)間來(lái)視察學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度，就畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題給予耐心指導(dǎo)，敦敦教誨，身體力行，實(shí)在令學(xué)生欽佩感動(dòng)不已！值此學(xué)業(yè)完成之際，謹(jǐn)向辛勤指導(dǎo)我的導(dǎo)師朱啟兵副教授致以最誠(chéng)摯的感謝。 另外還要感謝幫助過(guò)我的很多同學(xué)們，他們?cè)趯W(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！ 參考文獻(xiàn) [1] 陸祥生，楊秀蓮.機(jī)械手一理論及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1985：6-20. [2] 謝存禧,張鐵.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005：