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寧XX大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 裝配機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)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 摘 要 近代裝配機(jī)械手是由目標(biāo)機(jī)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(jī)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(jī)械手技術(shù)結(jié)合了多們學(xué)科的知識。包含機(jī)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)、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(jī)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(qiáng)，能長時(shí)間工作和工作精度高。可以說機(jī)械手是工業(yè)進(jìn)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(jī)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(jī)械手技術(shù)的快速發(fā)展，裝配機(jī)械手的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，提出了新要求，為提高機(jī)械手教學(xué)教育的水平，我們研制出一套以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目的的機(jī)械手演示系統(tǒng)。 本文闡述了機(jī)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(jī)械手設(shè)計(jì)要求和進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算； 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；工業(yè)；傳動；強(qiáng)度 III Abstract From 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 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第一章 緒論 1 1.1 機(jī)械手概念 1 1.2 課題研究的背景和意義 1 1.3 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 2 1.3.1 機(jī)器人的發(fā)展 2 1.3.2 機(jī)器人技術(shù) 3 1.4 機(jī)器人研究概況 3 1.4.1 國外研究現(xiàn)狀 3 1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4 1.5 裝配機(jī)械手的應(yīng)用 5 1.6 本課題研究內(nèi)容 6 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 6 2.1 機(jī)器人工程概述 6 2.2 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案論述 7 2.3 機(jī)器人機(jī)械傳動原理 8 2.4 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 9 2.5 本章小結(jié) 10 第3章 裝配機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 3.1 裝配機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 12 3.1.1 裝配機(jī)械手的參數(shù) 12 3.1.2 裝配機(jī)械手外形尺寸與工作空間 12 3.1.3 裝配機(jī)械手的總體傳動方案 12 3.2 機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13 3.3 機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 3.4機(jī)器人腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3.5 機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）的設(shè)計(jì) 16 3.6 大小臂(關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3)電機(jī)的計(jì)算與型號選擇 16 3.7 主要零件材料的選擇與強(qiáng)度校核 17 3.8 臂部電機(jī)的計(jì)算與選型 20 3.9機(jī)械手重要零部件設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.9.1電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.9.2同步型齒型帶的設(shè)計(jì)參數(shù) 22 3.9.3滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)參數(shù) 23 3.10 大臂和小臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 3.11腕部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 3.12 腰部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（含齒輪計(jì)算校核） 25 3.13小結(jié) 29 第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) 30 4.1控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 30 4.2 控制系統(tǒng)的性能要求 31 4.3 傳感器的選擇 31 4.3.1 位置檢測裝置 31 4.3.2 滑覺傳感器 32 4.4 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理 32 4.4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 32 4.4.2 PLC種類及型號選擇 37 4.4.3 I/O點(diǎn)數(shù)分配 37 4.4.4 PLC外部接線圖 38 4.4.5 機(jī)械手控制原理 39 4.5 PLC程序設(shè)計(jì) 41 參考文獻(xiàn) 45 致 謝 46 46 第一章 緒論 1.1 機(jī)械手概念 機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，仿人型機(jī)械手是機(jī)械手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究仿人型機(jī)械手需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。機(jī)械手是仿人型機(jī)械手的一種。 1959年，世界上誕生了第一臺工業(yè)機(jī)械手，開創(chuàng)了機(jī)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(jī)械手的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)械手專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)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(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景。 研究機(jī)械手的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出機(jī)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(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)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(jī)械手的 機(jī)械手（Robot）是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它是高級整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、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(jī)械手是近50年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機(jī)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(jī)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(jī)械手技術(shù)都得到廣泛的應(yīng)用。研究智能類人機(jī)械手是近年科學(xué)家一致致力于的方向。類人機(jī)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(jī)械手管家將不是夢。 按機(jī)械手結(jié)構(gòu)的不同，機(jī)械手又可以分很多種。輪式移動機(jī)械手、履帶機(jī)械手、機(jī)器手、步行機(jī)械手等等。值得一提的是步行機(jī)械手，他是近年來類人機(jī)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(yùn)動。相對于傳統(tǒng)的輪式和履帶機(jī)械手，他對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。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(xiàng)技術(shù)會得到非常廣泛應(yīng)用。 在機(jī)械手研究、制作中，運(yùn)用電腦對設(shè)計(jì)出來的機(jī)械手進(jìn)行仿真是一項(xiàng)非常重要的過程。機(jī)械手仿真包含零件建模，零件裝配，最后進(jìn)行運(yùn)動仿真。通過仿真，設(shè)計(jì)員可以很直觀的觀察到各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀況，知道有沒有出現(xiàn)干涉；可以清楚知道各個(gè)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(shí)間和成本。 1.3 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 1.3.1 機(jī)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(jī)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(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)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(jī)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(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當(dāng)前，對第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)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(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)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?？梢灶A(yù)見到，機(jī)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(jī)器人技術(shù) 機(jī)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(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)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(jī)電一體化的最新成就。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)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(shí)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(gè)領(lǐng)域滲透。目前，雖然機(jī)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(jī)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(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等。 1.4 機(jī)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(yùn)動原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動式觸發(fā)照相機(jī)，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(jī)的方法又被Demeny用來研究人類的運(yùn)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(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就運(yùn)動作了非常形象化的描述。 真正全面、系統(tǒng)地開展機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了機(jī)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(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。 在60年代和70年代，對機(jī)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(jī)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(jī)器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3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(shí)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(jī)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(jī)器人在時(shí)，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(yùn)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(jī)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(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進(jìn)運(yùn)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(jī)器人的“降階模型”問題進(jìn)行了研究。 前面我們曾指出Vukobratovic也對類人型系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)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(jī)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(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機(jī)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(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)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(jī)器人，先研制成功靜態(tài)雙足機(jī)器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)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(gè)自由度，實(shí)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(jī)器人，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型機(jī)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(jī)器人KDW-1，它能前進(jìn)、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(gè)自由度，高69cm，重13kg實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-III，有12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位。1995年實(shí)現(xiàn)動態(tài)，步速0.8步每秒，步長為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)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(jī)器人“先行者”，動態(tài)，可在小偏差、不確定的環(huán)境，周期達(dá)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(jī)器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32個(gè)自由度，在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺8自由度空間型機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)功能[13,14]。 本課題源于“第一屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是機(jī)器人還是鳳毛麟角。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。 1.5 裝配機(jī)械手的應(yīng)用 機(jī)械手產(chǎn)業(yè)是在計(jì)算機(jī)、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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)到百分之二十。在亞洲機(jī)械手需求量更多，年增長率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)歷40多年的發(fā)展，裝配機(jī)械手應(yīng)用到很多領(lǐng)域中去了。機(jī)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(jī)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(jī)械手替代了人工作業(yè)，并使得生產(chǎn)效益大大提高。 圖1一1裝配機(jī)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(jì)裝配機(jī)械手（裝配零件可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際自定）。工業(yè)機(jī)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(shí)現(xiàn)自動化操作的設(shè)備。是減輕工人勞動強(qiáng)度，提高工作效率，實(shí)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(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并進(jìn)行運(yùn)動仿真。它可以實(shí)現(xiàn)某零件的自動裝配，裝配機(jī)械手的自由度, 動作程序和速度按生產(chǎn)實(shí)際要求設(shè)定。 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)器人工程概述 機(jī)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(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣動液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個(gè)系統(tǒng)來研究、開發(fā)和運(yùn)用，從機(jī)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(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系的一種綜合性的設(shè)計(jì)方法。 從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來看，將一部復(fù)雜的機(jī)器看成是一個(gè)系統(tǒng)，它由若干個(gè)子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機(jī)地聯(lián)系在一起，是一個(gè)不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個(gè)整體的特定功能。因此，在設(shè)計(jì)一部較復(fù)雜的機(jī)器時(shí)，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性： （1） 整體性 由若干個(gè)不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)總的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個(gè)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(jī)聯(lián)系、有機(jī)作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。 （3） 目的性 每個(gè)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(gè)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(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成機(jī)器人系統(tǒng)的各個(gè)部件、零件的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，根據(jù)機(jī)器人的功能要求，將組成機(jī)器人系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良適于工作需要的機(jī)器人產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中大致包括如下:操作機(jī)，它是完成機(jī)器人工作任務(wù)的主體，包括機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機(jī)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)。控制系統(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、存儲功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置），人——機(jī)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(jī)器人的特點(diǎn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)器人等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合體地工業(yè)機(jī)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(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機(jī)器人系統(tǒng)亦是如此。 2.2 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案論述 （一） 確定負(fù)載 目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)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(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)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(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載。 （二） 驅(qū)動方式 由于伺服電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)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(yùn)動控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)器人等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動 （三）傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動和位置控制精度。在機(jī)器人中常采用的機(jī)械傳動機(jī)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(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動。 （四）工作范圍 工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中操作范圍和運(yùn)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(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機(jī)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(yùn)動速度 機(jī)器人操作機(jī)手臂的各個(gè)動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動作的運(yùn)動速度，用m/s或（°）/s表示，各動作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長短，各動作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動作時(shí)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。 2.3 機(jī)器人機(jī)械傳動原理 本課題設(shè)計(jì)的是一種小經(jīng)濟(jì)型裝配機(jī)器人。該機(jī)器人為多關(guān)節(jié)型，具有六個(gè)自由度。采用伺服電機(jī)驅(qū)動，因此控制簡單，編程操作方便。機(jī)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(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)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(diǎn)，分別介紹如下[3]。 (1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運(yùn)動易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個(gè)直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 (3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個(gè)直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種機(jī)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(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。 (4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)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(jī)器人坐標(biāo)形式 根據(jù)任務(wù)書要求和具體實(shí)際我們選擇的是(d) 關(guān)節(jié)型。 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)5KG，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(jī)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(jī)器人手臂運(yùn)動范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度,要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人為六個(gè)自由度，其中腰部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，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(jì)大小臂結(jié)構(gòu)，所以，需要對實(shí)現(xiàn)大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.5 本章小結(jié) 本章主要完成對機(jī)器人整體方案的一個(gè)分析和設(shè)計(jì),通過多種方案的選擇來確定最終要確定的方案. 確定了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案后，就要針對機(jī)器人的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 第3章 裝配機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 裝配機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 3.1.1 裝配機(jī)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°/s 3.1.2 裝配機(jī)械手外形尺寸與工作空間 機(jī)構(gòu)圖： 圖2一1 裝配機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖 3.1.3 裝配機(jī)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(diǎn)，適于重載、高速和高精度場合。 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(diǎn)。 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(jì)中選用諧波減速機(jī)。裝配機(jī)械手大小臂都采用諧波減速機(jī)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(jī)配合SCAAR機(jī)械手大小臂高的抗傾覆力矩及高剛性的設(shè)計(jì)要求。 主軸垂直直線運(yùn)動:步進(jìn)電機(jī)1一—同步齒形帶一—絲杠螺母一—主軸 主軸旋轉(zhuǎn):步進(jìn)電機(jī)2一—同步齒形帶——花鍵——主軸 大臂回轉(zhuǎn):步進(jìn)電機(jī)3——減速器一—大臂 小臂回轉(zhuǎn):步進(jìn)電機(jī)4——小臂 3.2 機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量[4]。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則： (1) 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。 (2) 腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。 (3) 機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)器人末端的運(yùn)動精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)器人運(yùn)動部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)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(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因?yàn)殡妱臃绞娇刂频木饶軌蚝芨?，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件。考慮到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)器人的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動[5]。一般電機(jī)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(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)辇X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(shí)為了減小機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)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(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動[6]。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； (1) 應(yīng)盡可能使機(jī)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(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)器人的控制。 (2) 機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)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(jī)器人手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)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(jī)器人的運(yùn)動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)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(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)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(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)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(jià)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(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。 (4) 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)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(jī)構(gòu)。 (5) 機(jī)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(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度是非常有利的[7]。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 (6) 機(jī)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(jī)械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 機(jī)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(yùn)動的實(shí)現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)?？紤]到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)0.55KG，屬小型重量，同時(shí)考慮到機(jī)器人的動態(tài)性能及運(yùn)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(jì)另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。 因?yàn)橐簤合到y(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(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)器人運(yùn)動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。 同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)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(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)器人的運(yùn)動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。 3.4機(jī)器人腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的手臂運(yùn)動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動），給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動姿態(tài)[8]。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動軌跡與運(yùn)動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 (1) 機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機(jī)器人手腕的自由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案[9]。 (2) 機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。 (3) 機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 (4) 機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動的傳遞。 (5) 要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。 (6) 手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。 3.5 機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）的設(shè)計(jì) 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求[10]。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測量用等。 搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種[12]。機(jī)器人夾持器 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 3.6 大小臂(關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3)電機(jī)的計(jì)算與型號選擇 在確定握力時(shí)，除考慮抓取物體重量5Kg外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和震動，以保證夾持安全可靠。另外，電動機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，可以達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度。綜上所述，本文選擇電機(jī)驅(qū)動為機(jī)械手的驅(qū)動方式。 本文設(shè)計(jì)要求夾持的物體重為 m=5Kg，設(shè)螺紋為 M8，其中徑 r=3.6mm，螺距 P=1mm，當(dāng)量摩擦系數(shù) f=0.1，Q為軸向載荷，M為螺紋驅(qū)動力矩。手指材料為鋁合金，鋁合金與常用材料的磨擦系數(shù)如表3.1所示: 表3.1 主要工程材料摩擦系數(shù) 摩擦副材料 靜摩擦系數(shù) 鋁合金 黃 銅 0.27 青 銅 0.22 鋼 0.3 膠 木 0.34 鋼 紙 0.32 樹 脂 0.28 硬橡膠 0.25 石 板 0.26 從表3.1可以看出鋁合金與不同材料的靜摩擦系數(shù)趨近于0.3，所以取被抓物體和末端執(zhí)行器手指之間的靜摩擦系數(shù)，則： (3-1) 螺紋增力比 （3-2） 式中 ——當(dāng)量摩擦角，= ； ——螺紋升角，= 帶入數(shù)據(jù),得, 得 （3-3） 選用齒輪傳動比 n=1:1，忽略齒輪傳動摩擦及軸承滾動摩擦力矩，根據(jù)上述計(jì)算，我們選擇了博美德(黃岡)機(jī)械有限公司公司生產(chǎn)的 SM40-001-30LFB 型伺服電機(jī)，它的保持轉(zhuǎn)矩為 100，滿足設(shè)計(jì)要求。 3.7 主要零件材料的選擇與強(qiáng)度校核 (1)殼體件材料的選擇 機(jī)械手臂的殼體可以全部選用硬鋁合金分段鑄造加工而成。本文選用的是ZAlSi9Mg，這是一種硬鋁材料，強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，完全符合本文的設(shè)計(jì)要求。 機(jī)械手指不是殼體機(jī)構(gòu)，它是實(shí)體的。本文設(shè)計(jì)的手指材料也選用同樣的鋁合金。這有利于材料的購買，同樣這種材料是滿足設(shè)計(jì)要求的。材料ZAlSi9Mg的彎曲應(yīng)力240，手指抓去的最大質(zhì)量為3000g，重力為29.4N。對比兩者的力學(xué)性能和受力情況，很顯然此材料來制造手指遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)中的要求。，不會出現(xiàn)手指彎曲變形的情況。 (2)本體支撐件材料的選擇和校核 （a）材料的選擇 機(jī)械臂支撐件由于與連接件之間為滑動摩擦,需要選取一種耐摩擦,同時(shí)要求強(qiáng)度大,質(zhì)量輕,價(jià)格便宜的材料來制造。 工程塑料擁有良好的綜合性能,其強(qiáng)度、剛度、沖擊韌性、抗疲勞等不較高,特別是擁有很高的耐磨性。它可以在無潤滑油的情況下有效的進(jìn)行工作。由于它相對密度小,因此其強(qiáng)度高。 聚甲醛(POM)是一種比較常用的工程塑料。它是以線性結(jié)晶高聚甲醛樹脂為基礎(chǔ)的。它有著高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其強(qiáng)度和金屬近似,摩擦因數(shù)小并有自潤滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一種相當(dāng)便宜的材料。 由于本設(shè)計(jì)中的負(fù)荷低,機(jī)構(gòu)的速度不快,從而此處選擇有聚甲醛這種工程塑料來制造手部的導(dǎo)向軸。 （b）支撐件的校核 支撐件是用來支撐機(jī)器人主要機(jī)械機(jī)構(gòu)的，本文中共用兩個(gè)支撐件，直徑各為8mm,手部的兩個(gè)導(dǎo)向軸受力幾乎一樣。手部要抓取的物體重量為3Kg。這樣每個(gè)導(dǎo)向軸受到的重量有3Kg。受到的重力僅為29.4N。聚甲醛分為均聚和共聚兩種，使用時(shí)應(yīng)注意它們性能上的區(qū)別。共聚甲醛在短期內(nèi)強(qiáng)度好而均聚甲醛柔軟性好。共聚物比均聚物軟化點(diǎn)高10℃，受載荷時(shí)熱變形溫度高，熱穩(wěn)定性好，成型溫度范圍廣。聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)如表3.3所示： 表3.3 聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)(23℃) ? 項(xiàng)目 單位 試驗(yàn)方法ASTM 一般型號 CF增強(qiáng)型號 均聚物 共聚物 均聚物 共聚物 物理機(jī)械性能 比重 吸水率(24h浸漬) 吸水率* 抗張強(qiáng)度 相對伸長 拉伸模量 抗彎強(qiáng)度 彎曲模量 壓縮強(qiáng)度(10%) 剪切強(qiáng)度 懸臂梁（缺口） 沖擊強(qiáng)度(無缺口) 洛氏硬度 錐度摩擦 摩擦系數(shù)(對鋼) 摩擦系數(shù)[同材料] - % % MPa % GPa MPa GPa MPa MPa J/cm J/cm - Mg/千周 - - - D570 D570 D638 D638 D638 D790 D790 D695 D732 D256 D256 D785 D1044 D1894 - 1.42 0.25 0.22 68.6 40 3.1 97.1 2.82 124.5 65.7 0.745 1.284 M94 - - - 1.41 0.22 0.16 60.8 60 2.82 96.1 2.59 107.9 53.0 0.637 11.17 M80 14 0.15 0.35 1.56 0.25 0.20 58.8 12 6.21 73.5 5.03 124.5 65.7 0.431 - M90 - - - 1.61 0.29 - 127.5 3 8.63 193.2 7.55 117.7 66.7 0.843 4.31 M79 40 0.15 0.35 表注: 1. 吸水率*（23℃，50%RH平衡） 聚甲醛的抗壓強(qiáng)度為124.5，抗彎強(qiáng)度為97.1，整個(gè)零件的強(qiáng)度和剛度是非常大的。從每個(gè)件的受力來看，材料聚甲醛的各個(gè)力學(xué)性能完全滿足本文的設(shè)計(jì)要求。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而機(jī)器人速度慢，從摩擦的角度來說，聚甲醛也是理想的支撐件材料。聚甲醛與其他塑料相比，具有自潤滑性及低摩擦系數(shù)、低磨耗等特點(diǎn)。其動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)相近，粘接較困難。有報(bào)導(dǎo)與鋼進(jìn)行摩擦試驗(yàn)結(jié)果如表3.4所示： 表3.4 與硬鋁進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果 動摩擦系數(shù) 0.21 1 (P1：0.27MPa) (v1：25cm／s) 比因耗 1.32mm3／(N．m) 臨界Pv值 122kPa. m／s ? 3.8 臂部電機(jī)的計(jì)算與選型 對于本課題來說，關(guān)節(jié)額定轉(zhuǎn)速為20r/min。 如果用直流電機(jī)，由于受轉(zhuǎn)速和力矩的影響，要配減速器。 而如果用步進(jìn)電機(jī)，控制位置精度比較高可以達(dá)到 1.8 度。而且不需要減速器避免造成結(jié)構(gòu)冗繁。因此選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)雖然有一些不足，如啟動頻率過高或負(fù)載過大時(shí)易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖，且一般無過載能力，往往需要選取有較大轉(zhuǎn)距的電機(jī)來克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)位控制性能好，沒有積累誤差，易于實(shí)現(xiàn)控制，能夠在負(fù)載力矩適當(dāng)?shù)那闆r下，以較小的成本與復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步控制。 下面對步進(jìn)電機(jī)型號進(jìn)行選擇，輪式移動機(jī)器人在移動的時(shí)候，需要克服兩種阻力：摩擦力和重力。估算機(jī)器人整體重量在 20Kg(重物0.5kg加上機(jī)器人重量)左右，摩擦系數(shù)按金屬之間的取為 0.5，則機(jī)器人需要的總功率為： 則提供的功率為49瓦。： （3-1） 則電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為： （3-2） 因此，選擇了北京和利時(shí)公司的 57BYG250E-0152 型號電機(jī)。靜轉(zhuǎn)矩為 1.5 NM 。該電機(jī)在相近產(chǎn)品中具有在轉(zhuǎn)速變高一定范圍內(nèi)能夠保持平穩(wěn)的力矩。其力矩隨轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下圖4.8所示。 3.9機(jī)械手重要零部件設(shè)計(jì)計(jì)算 3.9.1電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 軸(機(jī)座旋轉(zhuǎn)軸)的等效轉(zhuǎn)動慣量為 式中:先設(shè)機(jī)座的，內(nèi)徑為100毫米；外徑為150毫米；帶輪直徑60毫米，寬40毫米. 設(shè)諧波減速器轉(zhuǎn)動慣量為： 電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量86BYG250B一0402電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量1540 因此自由度弓傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機(jī)軸1上的等效慣量為 電機(jī)軸扭矩為： T= 因?yàn)樗x材料的摩擦系數(shù)f=0.002 取響應(yīng)時(shí)間△T=o.045，則 T=1.0 N.m 所選兩相混合式步進(jìn)電機(jī)YCT132-4A電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1230時(shí)扭矩為1.09N.m滿足要求。其它電機(jī)的選擇方法以此類推。 型 號? Model 標(biāo)稱功率 Momical Power Kw 額定轉(zhuǎn)矩? Rated torque Nm 調(diào)速范圍? Adjustable apeed range r/min 轉(zhuǎn)速變化率? Speed variation ratio % 噪音? Noise [dB（A）] （≤) 重量? WeightKg YCT90-4A 0.37 2.3 1200~120 ≤ 2.5 73 33 YCT112-4A 0.55 3.6 1230~125 75 55 YCT112-4B 0.75 4.9 1230~125 75 60 YCT132-4A 1.1 7.1 1230~125 75 85 3.9.2同步型齒型帶的設(shè)計(jì)參數(shù) 初選帶輪直徑為40毫米。 （1）設(shè)計(jì)功率 同步齒型帶傳遞的功率隨著速度的增減、載荷性質(zhì)和帶輪的張緊而變化著。 設(shè)K3為考慮張緊輪的修正系數(shù)，為考慮增速的修正系數(shù) 為考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)。 設(shè)計(jì)功率為: (2) 帶型和帶輪節(jié)徑以及齒數(shù)的選擇 由“同步帶選型圖”選擇帶型為L型，則選擇帶輪20L050，外徑39.88毫米，節(jié)徑40.64毫米，齒數(shù)為20，節(jié)距P=9.525毫米。驗(yàn)算帶速： (3)同步帶的節(jié)線長度Lp，齒數(shù)Zb及傳動中心距 初選中心距 取 圓整為370mm，則選擇長度代號為143的同步帶型，齒數(shù)為38，計(jì)算實(shí)際中心距C =89.7702 (4)確定實(shí)際嚙合齒數(shù)Zm (5)確定實(shí)際同步帶寬度 選取帶輪寬度為14+2毫米，同步帶的寬度為12.7mm、 3.9.3滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)參數(shù) (1)工作載荷的最