五自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 五自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 緒論 工業(yè)機(jī)器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來(lái)完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在 對(duì)工業(yè)機(jī)器人所下的定義是“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，以執(zhí)行種種任務(wù)” 。 隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)里，人類在許多方面都取得了重大的進(jìn)展。機(jī)器人

2、技術(shù)作為人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀(jì)60年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了短短的40年，已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生、成長(zhǎng)、成熟期后，已成為制造業(yè)中必不可少的核心裝備，而且工業(yè)機(jī)器人不僅在工廠里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以驚人的速度向航空航天、軍事、服務(wù)、娛樂(lè)等人類生活的各個(gè)領(lǐng)域滲透。據(jù)聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)委員會(huì)和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)去年關(guān)于世界機(jī)器人的報(bào) 告，僅2003年新投入使用的機(jī)器人接近10萬(wàn)個(gè)，使世界目前使用的機(jī)器人總數(shù)超過(guò)75萬(wàn)。世界使用機(jī)器人最多的國(guó)家是日本，約38 .9萬(wàn)；其次為德國(guó)(9.1萬(wàn))、美國(guó) (9萬(wàn))、意大利(3.9萬(wàn))、韓國(guó)(3.8萬(wàn))、法國(guó)(2.1萬(wàn))、西班牙(1.3

3、萬(wàn))和英國(guó)(1.2 萬(wàn))，并且報(bào)告估計(jì)2004年，全世界使用的機(jī)器人總數(shù)將超過(guò)100萬(wàn)。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的歷史已經(jīng)有20多年，從“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始，正式列入國(guó)家計(jì)劃，在國(guó)家的組織和支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，不僅在機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，而且在工業(yè)機(jī)器人整機(jī)方面，己經(jīng)陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配和搬運(yùn)等不同用途、典型的工業(yè)機(jī)器人整機(jī)技術(shù)，并成功的應(yīng)用于生產(chǎn)，掌握了相關(guān)的應(yīng)用工程知識(shí)。但總的看來(lái)，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人 技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外的相比還有一定的距離。我國(guó)目前大約有 4000臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，其中僅有1/5是國(guó)產(chǎn)的，其余的則是從40多個(gè)國(guó)

4、外廠商進(jìn)口的機(jī)器人。總之，各種各樣機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類走向文明和發(fā)展的一個(gè)巨大進(jìn)步和標(biāo)志，在未來(lái)社會(huì)中，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用和發(fā)展是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，機(jī)器人技術(shù)將一定能夠?yàn)槿祟悗?lái)更多的方便，為人類的文明和發(fā)展帶來(lái)更大的機(jī)會(huì)。 1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程及其應(yīng)用 20世紀(jì)50年代是工業(yè)機(jī)器人的萌芽時(shí)期，1954年美國(guó)戴沃爾發(fā)表了“通用重復(fù) 型機(jī)器人”的專利論文，第一次提出了“工業(yè)機(jī)器人”的概念。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型。1959 年美國(guó) UNIMATION 公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。美國(guó)是機(jī)器人的故鄉(xiāng)。

5、 20世紀(jì)60年代隨著傳感技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入發(fā)展期，機(jī)器人開(kāi)始向適用化發(fā)展，并被用于電焊和噴涂作業(yè)。20世紀(jì)70年代隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入適用化時(shí)代。日本雖起步較晚，但結(jié)合國(guó)情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵(lì)使用機(jī)器人的措施。其機(jī)器人擁有量很快超過(guò)了美國(guó)，一舉成為“機(jī)器人王國(guó)”。 20世紀(jì)80年代工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及時(shí)代，汽車、電子等行業(yè)開(kāi)始大量使用工業(yè)機(jī)器人，推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用滿足了人們特性化的要求，產(chǎn)品的批量越來(lái)越大，品種越來(lái)越多，而且產(chǎn)品的一致性也大大提高，為商家占有了更多的市場(chǎng)份額，獲得了更多的市場(chǎng)利潤(rùn)。 20世紀(jì)

6、90年代初期，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求達(dá)到了一個(gè)高峰期。1990年世界上新裝備工業(yè)機(jī)器人80943臺(tái)，1991年裝備了76443臺(tái)，到1991年底世界上己有53萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人工作在各條戰(zhàn)線上[1]～[5]。 目前工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、金屬加工以及金屬制品業(yè)等。在日、美、西歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中，工業(yè)機(jī)器人得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，機(jī)器人功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，其應(yīng)用范圍已不限于制造業(yè)，還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運(yùn) 輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和太空的開(kāi)發(fā)事業(yè)中。 在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。我國(guó)

7、科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是:“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。一個(gè)典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。一般多自由度串聯(lián)機(jī)器人具有4～6個(gè)自由度，其中2～3個(gè)自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3個(gè)自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有三個(gè)自由度，也就是機(jī)器人的整個(gè)手臂部分，來(lái)決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。 1.2 工業(yè)機(jī)器人研究的現(xiàn)狀與意義 機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、

8、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)器人應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個(gè)人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。總趨勢(shì)是從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)(RT) 概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)在動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)?！蹦壳埃I(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和

9、智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開(kāi)放化、PC 化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國(guó)專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國(guó)家均把機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。世界各國(guó)普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開(kāi)設(shè)了介紹機(jī)器人技術(shù)的有關(guān)課程。為了培養(yǎng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)方面的人才，我國(guó)很多高校也為本科生和研究生開(kāi)設(shè)了機(jī)器人學(xué)課程。

10、 本課題為教師自擬課題。本文主要針對(duì)五自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 1.3 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究現(xiàn)狀 1.3.1 國(guó)外機(jī)器人研究現(xiàn)狀 國(guó)外目前機(jī)器人研究的重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面[7]～[8]: (1) 機(jī)器人操作機(jī)，通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)己實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó) KUKA 公司為代表的機(jī)器人公司，將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用大大提高了機(jī)器人的性能。 (2) 并聯(lián)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展

11、，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開(kāi)發(fā)出了此類產(chǎn)品。 (3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過(guò)去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸機(jī)器人，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問(wèn)世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。 (4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺(jué)傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本 KAW

12、ASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德國(guó)KUKA, REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 (5) 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本 YASKAWA 和德國(guó) KUKA 公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過(guò)去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò) 化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過(guò)去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備有了發(fā)展。 (6) 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過(guò)去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，幾乎可以滿足任何場(chǎng)合的需求。 1.3.2 國(guó)內(nèi)機(jī)器

13、人研究現(xiàn)狀 隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在機(jī)器人科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進(jìn)步。從20世紀(jì)80年代末到20世紀(jì)90年代，國(guó)家863計(jì)劃把機(jī)器人列為自動(dòng)化領(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開(kāi)展了機(jī)器人基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)器人元部件、先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機(jī)器人在自動(dòng)化工程上的應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人選型方面，確定以開(kāi)發(fā)點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人為主。這是中國(guó)機(jī)器人事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。一批從事機(jī)器人研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的人才和隊(duì)伍在實(shí)踐中成長(zhǎng)、壯大，一批以機(jī)器人為主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。 我國(guó)近幾年機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線

14、已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來(lái)顯著效益[9]～[12]。隨著我國(guó)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，機(jī)器人自動(dòng)化線的市場(chǎng)也會(huì)越來(lái)越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式。我國(guó)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線裝備的市場(chǎng)剛剛起步，而國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時(shí)期，這就給機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線研究開(kāi)發(fā)者帶來(lái)巨大商機(jī)。但是，無(wú)論從工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都是比較落后的。而我國(guó)作為一個(gè)工業(yè)大國(guó)，不能寄希望從其他國(guó)家得到真正的高技術(shù)，必須自主的發(fā)展我國(guó)的高技術(shù)，機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，將成為21世紀(jì)各國(guó)爭(zhēng)奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)制高點(diǎn)。如何在 21世紀(jì)加速我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展，使我國(guó)早日進(jìn)入機(jī)器人大國(guó)行

15、列，已成為當(dāng)務(wù)之急。由于目前我國(guó)機(jī)器人的基礎(chǔ)數(shù)量太低，以工業(yè)機(jī)器人為例，到了2010年我國(guó)機(jī)器人擁有量只能達(dá)到世界擁有量1.38%～2%，這與我國(guó)作為21世紀(jì)前半葉世界主要制造國(guó)的要求差距太大，如果這種差距只能以進(jìn)口機(jī)器人來(lái)彌補(bǔ)，其巨大損失不是可以用貨幣損失來(lái)計(jì)算的?？梢?jiàn)，無(wú)論從資金方面考慮，還是從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮，我們有必要自主地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。 但是由于國(guó)內(nèi)機(jī)器人的科研與開(kāi)發(fā)與國(guó)外尚有較大差距，雖然計(jì)劃開(kāi)發(fā)的機(jī)器人基本上采用的是在國(guó)外基木成熟的技術(shù)，但國(guó)內(nèi)各單位對(duì)這些技術(shù)的了解有相當(dāng)部分還停留在文獻(xiàn)上或局部技術(shù)上。所以我們應(yīng)該從基本做起，有必要研制少數(shù)型號(hào)的機(jī)器人和開(kāi)展一

16、批基礎(chǔ)技術(shù)研究作為機(jī)器人課題的主要研究與開(kāi)發(fā)內(nèi)容。 1.3.3 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題的研究目前主要是利用齊次坐標(biāo)變換矩陣方法將位置和姿態(tài)統(tǒng)一描述，該法思路清晰，但運(yùn)算速度較慢，隨著機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度的增加對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的討論帶來(lái)很多不便。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題比正問(wèn)題復(fù)雜的多，主要表現(xiàn)在逆解的存在性和唯一性，存在性決定機(jī)器人的操作空間，逆解一般來(lái)說(shuō)非唯一。目前對(duì)具有特殊形狀的機(jī)器人機(jī)構(gòu)如球形手腕機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其逆解是封閉的，但并不唯一。對(duì)一般的機(jī)器人機(jī)構(gòu)逆解必須使用數(shù)值計(jì)算方法，因而數(shù)值解的計(jì)算速度和精度受到人們的關(guān)注，同時(shí)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中常見(jiàn)的奇異狀態(tài)(不可解狀

17、態(tài))在數(shù)值解中如何避免也是討論三維問(wèn)題之一[13] 。 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的計(jì)算過(guò)程需要解多元非線性方程組，數(shù)學(xué)上尚無(wú)完備的方法求其解析解，機(jī)構(gòu)學(xué)研究者采用數(shù)值分析的方法，取得了一系列進(jìn)展。但是多數(shù)或者算法不穩(wěn)定，或者過(guò)分依賴初值，且計(jì)算量大，求解速度慢。工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)位置正解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解法也開(kāi)始進(jìn)行探討。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于非線性映射的強(qiáng)大的逼近能力，采用 BP 網(wǎng)絡(luò)，利用位置逆解結(jié)果作為訓(xùn)練樣本，通過(guò)大量樣本的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從關(guān)節(jié)變量空間到工作變量空間的非線性映射，從而取得并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，避免了求位置正解時(shí)公式推導(dǎo)和編程計(jì)算等的繁雜性[14]。 運(yùn)動(dòng)學(xué)

18、方程的建立與求解是一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，一直受到廣泛的關(guān)注，但仍然是當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)，有著一定的發(fā)展空間。 1.3.4 工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃研究的現(xiàn)狀與意義 機(jī)器人軌跡規(guī)劃屬于機(jī)器人底層規(guī)劃，是在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。所謂軌跡是指機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，計(jì)算出預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡。首先對(duì)機(jī)器人的任務(wù)、運(yùn)動(dòng)路徑和軌跡進(jìn)行描述。例如，用戶給出手部的目標(biāo)位姿，規(guī)劃所要完成的任務(wù)是:確定到該目標(biāo)的路徑點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度等軌跡參數(shù)，并在計(jì)算機(jī)的內(nèi)部描述所要

19、求的軌跡，即選擇習(xí)慣給定及合理的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后，對(duì)內(nèi)部描述的軌跡，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加 速度，生成運(yùn)動(dòng)軌跡。 軌跡規(guī)劃既可在關(guān)節(jié)空間也可在直角空間進(jìn)行，但是所規(guī)劃的軌跡函數(shù)都必須連 續(xù)和平滑，使得操作臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。用戶根據(jù)作業(yè)給出的各個(gè)路徑點(diǎn)后，路徑規(guī)劃的任務(wù)包含: 解變換方程(運(yùn)動(dòng)學(xué)正解)、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解和插值運(yùn)算等；在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，大量工作是對(duì)關(guān)節(jié)變量的插值運(yùn)算。因此，對(duì)于插值算法的研究是機(jī)器人 軌跡規(guī)劃的一個(gè)重要方面[15]。 1.4 本文研究的意義及主要內(nèi)容 我們所設(shè)計(jì)的五自由度工業(yè)機(jī)器人，可以為進(jìn)一步研究工業(yè)機(jī)器人的工作原

20、理和工作過(guò)程奠定一定的基礎(chǔ)。將其作為《機(jī)器人學(xué)》 、《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》及《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程及機(jī)械電子工程專業(yè)等機(jī)電結(jié)合的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅可以使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關(guān)課程的專業(yè)知識(shí)，而且可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，樹(shù)立系統(tǒng)的工程概念，培養(yǎng)其獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)研究的能力。因此，本機(jī)器人的研制成功，對(duì)機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)及科研有著十分重要的意義。 學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)知識(shí)，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人、主要是工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本人的設(shè)想，和設(shè)計(jì)工作中需要解決的任務(wù)，本文主要研究機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行以下工作:

21、 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案確定后要運(yùn)用AutoCAD和Pro/Engineer軟件把其平面裝配圖及其立體圖做出。 2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)器人的工作要求 主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下 自由度數(shù)目：5個(gè) 機(jī)械機(jī)構(gòu)形式：立式關(guān)節(jié)型 作業(yè)半徑：650mm 負(fù)荷能力：2kg 重復(fù)定位精度：+/-0.5mm 驅(qū)動(dòng)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī) 最大重量: 40kg 2.2 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 2.2.1 機(jī)器人獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) (1) 關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)可以簡(jiǎn)化成各連桿首尾相接、末端開(kāi)放的一個(gè)開(kāi)式連桿系。為實(shí)現(xiàn)要求的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，在大多數(shù)工作

22、時(shí)間內(nèi)，連桿系末端是無(wú)法加以支撐的，因而操作機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度差，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。 (2) 在組成操作機(jī)的開(kāi)式連桿系中，每根連桿都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，因而屬于主動(dòng)連桿系。這和普通的連桿系不同，在普通連桿系中，所有的連桿運(yùn)動(dòng)都出自同一驅(qū)動(dòng)源，各連桿間的運(yùn)動(dòng)是互相制約的。由于操作機(jī)連桿的運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有依從關(guān)系，故而操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)更為靈活。 (3) 連桿驅(qū)動(dòng)扭矩的瞬態(tài)過(guò)程在時(shí)域中的變化是非常復(fù)雜的，且和執(zhí)行件反饋信號(hào)有關(guān)。連桿的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，因而對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度都有較高的要求。本文所用的三個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，屬

23、于開(kāi)環(huán)控制型。 (4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動(dòng)態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動(dòng)或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。 從以上特點(diǎn)可見(jiàn)，一個(gè)好的機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使其機(jī)械系統(tǒng)的抓重——自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機(jī)，它的性能是機(jī)器人設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)[16]。 2.2.2 與機(jī)器人有關(guān)的概念 以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。 (1) 自由度(Degrees Of Freedom , DOF)：工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)

24、動(dòng)副通常有移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為移動(dòng)關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)稱為主動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人是5-DOF機(jī)器人。 (2) 工作空間(Work Space)：工作空間是指機(jī)器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達(dá)空間的位置集合。由于工作空間的形狀和大小反映了機(jī)器人工作能力的大小，因而它對(duì)于機(jī)器人的應(yīng)用是十分重要的。 (3) 機(jī)器人的分類,機(jī)器人分類方法有多種。 首先，按機(jī)器人控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)：

25、(a) 點(diǎn)位控制型(Point to Point Control)：機(jī)器人受控運(yùn)動(dòng)方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移動(dòng)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)的軌跡控制。本文的機(jī)器人就屬于PTP型。 (b) 連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control)：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時(shí)做受控運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動(dòng)機(jī)的角位移和角速度信號(hào)，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時(shí)的軌跡控制。 其次，按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類： (a) 直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)方向垂直

26、，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒(méi)有耦合，不會(huì)產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。 (b) 圓柱坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，以θ, r, z為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P=f (θ, r, z)，其中，r是手臂徑向長(zhǎng)度，z是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 (c) 球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。以θ,φ,y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P =f (θ,φ,y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 (d)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)

27、型(SCARA 型)機(jī)器人。前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人為關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。 第三，按驅(qū)動(dòng)方式分類可分為：(a) 氣壓驅(qū)動(dòng)；(b) 液壓驅(qū)動(dòng)；(c) 電氣驅(qū)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)是20世紀(jì)90年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用方便、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)均使用電氣驅(qū)動(dòng)。 第四，按用途分類可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。 本文的機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)演示用途的機(jī)器人。

28、 2.3 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 手臂的總體設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題，主要有包括總體方案設(shè)計(jì)和基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。 2.3.1 方案功能設(shè)計(jì)與分析 2.3.1.1 機(jī)器人手臂自由度的分配和構(gòu)形 手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖2－1所示。 圖 2-1 幾種多自由度機(jī)器人手臂構(gòu)

29、形 本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有五個(gè)自由度，其中手臂三個(gè)自由度，手爪部分二個(gè)自由度，由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)平移關(guān)節(jié)來(lái)講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。這里機(jī)器人手臂使用了三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)形式 為圖2－1中的第一種形式，此手

30、臂決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，通常腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸是鉛垂的，手臂在水平面內(nèi)可繞腰關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的關(guān)節(jié)組聯(lián)接在小臂桿的端部，模擬人的手腕，決定末端件的姿態(tài)。在運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類機(jī)器人最像人的手臂，因而結(jié)構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達(dá)空間最大，它甚至可以繞過(guò)障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，因而是機(jī)器人中最有前途的一種。但由于三個(gè)關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。另外，位置精度也較差。 2.3.1.2 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比分析及選擇

31、 參考國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)[17]～[ 23]，初步對(duì)各個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析。 (1) 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 圖 2-2 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 1 圖 2-3 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 2 方案一：如圖2－2所示，電機(jī)安裝在底座下面，其輸出軸經(jīng)諧波減速器減速后，直接帶動(dòng)第一關(guān)節(jié)輸出軸，使整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 方案二：如圖2－3所示，電機(jī)安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一對(duì)齒輪減速后，由第一關(guān)節(jié)輸出軸帶動(dòng)整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 兩種方案在傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)上，都是可行的。均采用了減速比大、體積小、重量輕、精

32、度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安裝方便的諧波減速器。雖然方案二在安裝和維修方面優(yōu)于方案一，但是方案一的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，而且少了一對(duì)普通直齒輪，其整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后，速度己經(jīng)較低，噪音問(wèn)題不突出。故綜合考慮，腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案一。 (2) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 圖2--4 大臂﹑小臂﹑手腕和手爪回轉(zhuǎn)示意圖 大臂和小臂回轉(zhuǎn)都是通過(guò)EPL減速器減速后直接帶動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人

33、本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活,結(jié)合本課題的實(shí)際條件，因此,大臂、小臂手腕和手爪回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案是合理的。 3 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 整體受力圖 3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的選擇： 腕部旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R=50mm，手爪及物體的總重量m=2.5kg,則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 設(shè)機(jī)器人手部角速度W1從0加速到420/s所需要的時(shí)間t=0.4s,則其角加速度 負(fù)載啟動(dòng)慣性矩（不計(jì)靜磨擦力矩）。 由于步進(jìn)電機(jī)不具有瞬時(shí)過(guò)載能力，故取安全系數(shù)為2（不同

34、），則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于必須小于步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，所以選擇如下二相步進(jìn)電機(jī)： 型號(hào):42HSM02。最大步距角保持轉(zhuǎn)矩為2.4，步矩角1.8，質(zhì)量為0.23kg. 3.2.2 腕部俯仰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 3.2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 腕部俯仰是由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的，手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離，腕部當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑，腕部回轉(zhuǎn)電機(jī)到回轉(zhuǎn)中心的距離，則腕部俯仰時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量式中，——手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量約為2。5kg; ——腕部總質(zhì)量約為0.1kg; ——腕部回轉(zhuǎn)電機(jī)的質(zhì)量。 設(shè)機(jī)器人腕部俯仰角速度從加到所需時(shí)間t=0.2s,則腕部俯仰角加速度，

35、 腕部俯仰啟動(dòng)慣性矩 負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩（靜磨擦力矩忽略不計(jì)）。 由于>>,故慣性矩忽略不計(jì)，則腕部俯仰總轉(zhuǎn)矩。 同步帶的傳動(dòng)效率同步帶的傳動(dòng)比為1。則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 所以，選擇如下四相混合式步進(jìn)電機(jī)： 型號(hào)：86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩：步矩角：1.8;質(zhì)量：2。6kg. 3.2.2.2 同步帶和輪的設(shè)計(jì) 腕部俯仰關(guān)節(jié)是通過(guò)二級(jí)同步帶傳動(dòng)的，第一級(jí)同步帶的軸矩為300mm，第二級(jí)為150mm. ⑴求設(shè)計(jì)功率，由于前面已考慮到了安全系數(shù)，所以，。 ⑵選擇帶的節(jié)矩 從文獻(xiàn)[8]，圖36。1—22可知帶的第一級(jí)節(jié)矩代號(hào)為L(zhǎng)，對(duì)應(yīng)節(jié)矩=9.525mm. 第二級(jí)節(jié)矩代號(hào)

36、為XL，對(duì)應(yīng)節(jié)矩=5.08mm. ⑶確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng) 由表面36，1-73知，帶輪最小許用齒數(shù)考慮到制造和安裝等因素，取Z1=12，，兩級(jí)傳動(dòng)比都為1，帶輪的直徑 則帶長(zhǎng)L可表示為 由表面化36.1-70選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)及其齒數(shù)： 代號(hào)285，齒數(shù)為76。 ，帶長(zhǎng)代號(hào)為210，齒數(shù)為56。 ⑷實(shí)際軸間矩 取=305。 取=155。 ⑸嚙合齒數(shù)，則嚙合齒數(shù)。 ⑹帶寬 計(jì)算同上，查表得，050。型號(hào)為037。 ⑺結(jié)論 第一級(jí)同步帶類型:節(jié)矩代號(hào)為L(zhǎng);寬度型號(hào)為050. 代號(hào)285，齒數(shù)為76。 帶輪齒數(shù). 軸間矩. 第二

37、級(jí)同步帶類型:節(jié)矩代號(hào)為XL;寬度型號(hào)為050. 代號(hào)160，齒數(shù)為80。 帶輪齒數(shù). 軸間矩. 3.2.3 小臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 3.2.3.1 小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)和減速器的選擇 當(dāng)小臂與末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時(shí)，各部分對(duì)回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其代數(shù)和為 選擇減速器如下： 型號(hào)為：EPL——040——007。 則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為。 所以，選擇如下四相混合式步進(jìn)電機(jī)； 型號(hào)：86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩：；步矩角；1.8;質(zhì)量：2.6kg. 3.2.3.2 小臂的同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 小臂的減速器輸出功率為，設(shè)小臂的角速度為250/s,則

38、 則，所以 初設(shè)軸矩為 ⑴求設(shè)計(jì)功率，由于前面已考慮到了安全系數(shù)，所以=P=97。4。 ⑵選擇帶的節(jié)矩 從文獻(xiàn)[8]，圖36。1—22可知帶的節(jié)矩代號(hào)為XL，對(duì)應(yīng)節(jié)矩=5.08mm. ⑶由文獻(xiàn)[8]圖36，1-22可知：XL型帶，當(dāng)主動(dòng)帶輪速度時(shí)，帶輪最小許用齒數(shù)Z=10，考慮到制造和安裝等因素，取，，所以大小帶輪的節(jié)圓直徑 則帶長(zhǎng)可以表示為 根據(jù)表36。1-66選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)及其齒數(shù)Z，得帶長(zhǎng)代號(hào)180， ⑷實(shí)際軸間矩 取a=165mm 嚙合齒數(shù)，則嚙合系數(shù)為。 帶寬 ，由8表功6。1-74可得XL型同步帶的基準(zhǔn)寬度為。 為基本額定功

39、率查得=7.1w. 所以， 則取，型號(hào)為037 ⑸結(jié)論 同步帶類型為XL，型號(hào)為037。帶輪Z1=20，Z2=30，d1=32.26,d2=48.535 帶寬bs=9.5,節(jié)線上齒數(shù)：Zb=90,帶長(zhǎng)壽457.2.軸間矩取整a=165mm. 3.2.4 大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)步進(jìn)及減速器的選擇 當(dāng)大臂與小臂，末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時(shí)，各部分對(duì)回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其代數(shù)和 選擇減速器如下：EPL——064——007 則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 所以，選擇如下四相步進(jìn)電機(jī)： 型號(hào)：86HS85；額定轉(zhuǎn)矩：；步矩角：。質(zhì)量：3.8kg. 3.2.5 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)

40、及減速器的選擇 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)腰部回轉(zhuǎn)體與大臂，小臂，末端執(zhí)行器處于水平狀態(tài)時(shí)，各部分對(duì)回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，其代數(shù)和為 初步規(guī)定機(jī)器人腰部回轉(zhuǎn)角速度從加速到所需要的時(shí)間為，則腰部回轉(zhuǎn)角加速度 則腰部回轉(zhuǎn)啟動(dòng)慣性矩 選擇減速器為EPL——64——016，其傳動(dòng)效率為85%。 則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： 所以，選擇如下四相步進(jìn)電機(jī)： 型號(hào)：86HS85；額定轉(zhuǎn)矩：；步矩角：1.8;質(zhì)量3.8kg。 3.2.6 氣爪的選擇 計(jì)算夾持力：n個(gè)手指的總夾持力產(chǎn)生的摩擦力必須大于夾持工件的重力mg ，考慮到搬運(yùn)工件的加速度及沖擊力等，必須設(shè)定一

41、個(gè)安全系數(shù)，故因滿足 既 式中—摩擦系數(shù)，橡膠與鑄鐵的摩擦系數(shù)為，—安全系數(shù)，取=3。 所以，。 所以，選擇平行型氣爪6310系列產(chǎn)品，型號(hào)為夾持力為45N，因?yàn)?5N>F,所以是合格的。 4 總體裝配圖的設(shè)計(jì) 4.1 三維總裝配圖 4.2 腰部裝配圖設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)前面的設(shè)計(jì)計(jì)算,主要傳動(dòng)部件已經(jīng)選擇完畢,下一部該做的就是怎樣把這些主要零部件連接起來(lái),首先設(shè)計(jì)腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié), 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸出軸是由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)EPL減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)的,首先把電機(jī)固定在電機(jī)連接筒上,電機(jī)連接筒在通過(guò)內(nèi)六角柱頭螺釘固定在腰筒上,減速器的一端要和電機(jī)連接,一端固定在減速器連接筒上,減速

42、器連接筒再通過(guò)內(nèi)六角柱頭螺釘固定在電機(jī)連接筒上,這樣連接就實(shí)現(xiàn)了腰部電機(jī)的輸出,由于腰部輸出軸要驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng),所以腰部輸出軸上還得通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)筒連接支撐肋板,這樣腰部的裝配設(shè)計(jì)就完成了,其三維裝配圖如下: 其平面裝配圖如下: 4.3 三維主要零件圖 其它各部分的設(shè)計(jì)如上,以下為三維總體裝配的主要零件圖： 連大臂軸 連接減速器板 第二關(guān)節(jié)軸 第二關(guān)節(jié)連電機(jī)筒 第三關(guān)節(jié)連接大臂筒 第三關(guān)節(jié)連接電機(jī)筒 第三關(guān)節(jié)一軸 第四關(guān)節(jié)連接電機(jī)筒

43、 第四關(guān)節(jié)支撐大臂軸 第四關(guān)節(jié)軸 小臂一軸 小臂 第五關(guān)節(jié)連接筒 大臂 小臂二軸 6 總結(jié) 經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的艱苦努力，最終完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。在這兩個(gè)多月的設(shè)計(jì)過(guò)程中,在高金則老師的指導(dǎo)，同學(xué)的幫助和自己的努力下，自己學(xué)到了很多的專業(yè)知識(shí)，在做畢業(yè)設(shè)計(jì)之前自己對(duì)Pro/ENGINE的操作不是很熟練，而現(xiàn)在能熟練操作Pro/ENGINE的基本指令了，也極大的提高了自己獨(dú)查各種機(jī)械手冊(cè)的能力，從開(kāi)始設(shè)計(jì)到最最終完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，訓(xùn)練了自己

44、的設(shè)計(jì)能力，對(duì)自己的思維能力也是有極大的提高。雖然取得了一些成績(jī)，但在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題也是很多的，但是在高金剛老師的細(xì)心的指導(dǎo)下以及和同學(xué)們相互的探討學(xué)習(xí)中,很多的問(wèn)題都已經(jīng)解決了，由于有的問(wèn)題需要很多的時(shí)間去解決，這些問(wèn)題將是我以后的學(xué)習(xí)目標(biāo)，總之，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)歷將在我以后的工作和學(xué)習(xí)中將起到很重要的作用，它使我對(duì)機(jī)器人的工作原理及機(jī)械機(jī)構(gòu)有了更加清晰的深入的了解,對(duì)大學(xué)所學(xué)的知識(shí)有了更加綜合的復(fù)習(xí)和應(yīng)用,提高了研究設(shè)計(jì)能力。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)根據(jù)五自由度工業(yè)機(jī)器人的用途，從機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方案對(duì)比分析入手，初步確定了該機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)方案，依據(jù)所確定的方案，分別在AutoCAD

45、和Pro/ENGINEE里繪制出該機(jī)器人的總體模型圖。并詳細(xì)論述了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)裝置的選擇過(guò)程。 參考文獻(xiàn) [1] 劉進(jìn)長(zhǎng),辛健成.機(jī)器人世界[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,2000 [2] 諸靜.機(jī)器人與控制技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1991 [3] 吳廣玉,姜復(fù)興.機(jī)器人工程導(dǎo)論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1988 [4] McDonald.Robot Technology: Theory, Design and Application[M].Prentic-Hill,1985 [5」 周遠(yuǎn)

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52、機(jī)械工業(yè)出版社，2007.2 [30] 譚慶昌，趙洪志. 機(jī)械設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，2004 [31] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本.機(jī)械傳動(dòng). 北京；化學(xué)工業(yè)出版社，2004.1 致 謝 本畢業(yè)設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)教師高金剛老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始到畢業(yè)完成，高老師淵博的學(xué)識(shí)、活躍的學(xué)術(shù)思想、對(duì)待研究的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和無(wú)私的奉獻(xiàn)精神都是學(xué)生的楷模，高老師平易近人的處世方式也為學(xué)生樹(shù)立了榜樣，學(xué)生所取得的每一點(diǎn)成績(jī)和每一次進(jìn)步，無(wú)不凝聚著高老師大量的心血。在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之際，謹(jǐn)向尊敬的高老師致以崇高的敬意和由衷的感謝

53、。 其次，感謝機(jī)械工程學(xué)院各位老師和同學(xué)提供的各方面幫助。 也感謝我的家人。他們的支持和理解是我完成學(xué)業(yè)的前提和動(dòng)力。沒(méi)有他們的支持我不可能順利完成我的學(xué)業(yè)。 再次，向所有給予我關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)和親友致以深深的謝意和美好的祝福。 附錄一：步進(jìn)電機(jī) 附錄二：艾斯勒EPL-H系列 艾斯勒 EPL-H系列減速機(jī) EPL-H系列減速機(jī)，相關(guān)尺寸取決于所安裝的電機(jī) 產(chǎn)品介紹： 【相關(guān)資料下載】 產(chǎn)品型號(hào)說(shuō)明： 外形尺寸： 參數(shù)指標(biāo)： 相關(guān)尺寸取決于所安裝的電機(jī) 產(chǎn)品介紹： 【相關(guān)資料下載】 產(chǎn)品型號(hào)說(shuō)明： 外形尺寸： 參數(shù)指標(biāo)： 39