并聯(lián)六自由度微動機器人機構(gòu)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、摘要為了提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，滿 足特定的工作要求，本 題設(shè)計 用于焊接的關(guān)節(jié)型機器人的手腕和末端執(zhí)行器。根據(jù)機器人的工作 要求進行了機器人的總體設(shè)計。確定機器人的外形時，擬定了手腕 的傳動路徑，選用直流電動機，合理布置了電機、軸和齒輪，設(shè)計 了齒輪和軸的結(jié)構(gòu)，并進行了強度校核計算。傳動中采用了軟軸、 波紋管聯(lián)軸器和行星齒輪機構(gòu)，實現(xiàn)了擺腕、轉(zhuǎn)腕和提腕的六個自 由度的要求。設(shè)計中大多采用了標準件和常用件，降低了設(shè)計和制 造成本。關(guān)鍵詞：自由度；焊接；手腕AbstractIn order to improve the production efficiency and welding qual

2、ity, to meet the specific requirements of the work, the design of this thesis is used for the wrist of welding articulated robot and the end of the actuator. According to the requirements of the robots work, we makeoverall design of the robot. When determining the shape of the robot, drawing up the

3、transmission path of the wrist, selecting of DC motor, arranging the motor, the shaft and the gear reasonable, and checking the strength. The transmission apply to flexible shafting, bellows coupling and planetary gear mechanism, achieving to put the wrist, turn the wrist and raise the wrist to ment

4、ion the requirements of the six degrees of freedom. The designs mainly use standard parts and common pa rts, reducing the costs of design and manufacturing.矚 慫潤 厲釤 瘞睞櫪 廡 賴。Keywords : degree of freedom; welding; wrist目錄摘 要 I 聞 創(chuàng) 溝 燴 鐺 險 愛 氌 譴 凈 。Abstract I 殘騖樓 諍 錈瀨 濟 溆塹籟 。第 1 章 前言 11.1 機 器 人 的 概 念 0釅

5、 錒極 額 閉鎮(zhèn) 檜 豬訣 錐。1.1.1 操作 機 0彈 貿(mào)攝 爾 霽斃 攬 磚鹵 廡。1.1.2 驅(qū)動 單元 21.1.3 控制 裝置 21.1.4 人工 智能 系統(tǒng) 21.2 題目 來 源 1謀 蕎摶 篋 飆鐸 懟 類蔣 薔。1.3 技術(shù) 要 求 1廈 礴懇 蹣 駢時 盡 繼價 騷。1.4 本設(shè)計要解決 的主 要問題及 設(shè)計總體 思路2 煢 楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈 淚。第 2 章 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況 42.1 研究現(xiàn)狀 42.1.1 工業(yè) 機器 人 42.1.2 先進 機器 人 52.2 發(fā)展趨勢 7第 3 章 總體 方案 設(shè)計 93.1 機械結(jié)構(gòu)類型 的確 定 93.1.1 圓柱 坐標

6、 型 93.1.2 直角 坐標 型 93.1.3 球坐 標型 93.1.4 關(guān)節(jié) 型 93.1.5 平面 關(guān)節(jié) 型 93.2工作空間的確 定 103.3 手腕結(jié)構(gòu)的確 定 113.4 基本參數(shù)的確 定 11第 4 章手腕 的結(jié) 構(gòu)設(shè) 計與計算 124.1 機器人驅(qū)動方 案的 分析和選 擇 124.2 手腕電機的選 擇 134.2.1 提腕 電機 的選擇 13II4.2.2 擺 腕 和轉(zhuǎn) 腕 電 機的 選 擇 134.3 傳 動 比 的 確定 134.3.1 提 腕 總傳 動 比 的確 定 134.3.2 轉(zhuǎn) 腕 和擺 腕 傳 動比 的 確 定 144.4 傳 動 比 的 分配 144.5 齒

7、輪 的 設(shè) 計 154.5.1 提 腕 部分 齒 輪 設(shè)計 154.5.2 轉(zhuǎn) 腕 部分 齒 輪 設(shè)計 224.5.3 擺 腕 部分 齒 輪 設(shè)計 244.6 軸 的 設(shè) 計 和校 核 4.6.1 輸 出 軸的 設(shè) 計4.6.2 傳 動 軸的 設(shè) 計4.6.3 軸 的 強度 校 核25鵝 婭盡 損 鵪 慘 歷 蘢 鴛 賴. 26籟 叢 媽 羥 為 贍 僨 蟶 練 淨. 26預(yù) 頌 圣 鉉 儐 歲 齦 訝 驊 糴. 29滲 釤 嗆 儼 勻 諤 鱉 調(diào) 硯 錦4.7 夾 持 器 的 設(shè)計 334.8 殼 體 的 設(shè) 計 33結(jié) 論 35致 謝 36參考文獻37鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡IIICONTEN

8、TSAbstract 錯 誤 ！ 未定 義 書 簽 。擁 締鳳 襪 備訊 顎 輪爛 薔。chapter 1 錯 誤 ！ 未定 義 書 簽 。贓 熱俁 閫 歲匱 閶 鄴鎵 騷。1.1 the concept of the robot 錯 誤 ！未 定 義 書簽 。 壇摶 鄉(xiāng)囂懺 蔞 鍥鈴 氈 淚。1.1.1 CaoZuoJi 錯誤！未定 義 書簽 。蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。1.1.2 Drive unit 21.1.3 Control device 21.1.4 System of artificial intelligence . 2買 鯛鴯 譖 曇膚 遙 閆擷 凄1. 2 Topic sour

9、ce 錯 誤 ！ 未定 義 書 簽 。綾 鏑鯛 駕 櫬鶘 蹤 韋轔 糴。1.3 Technical requirements 錯誤！未 定義 書簽 。驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂 錦1.4 This design to solve the main problems of the overall thinking and design 錯 誤 ！ 未定 義 書 簽 。貓 蠆驢 繪 燈鮒 誅 髏貺 廡。Chapter 2 research situation and development 4 鍬 籟饗 逕 瑣筆 襖 鷗婭 薔2.1 research status 42.1.1 industrial ro

10、bots構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。3.1.1Cylindrical coordinates type . 9凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。3.1.3Spherical coordinates type 9恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。3.1.5Plane joint type 9鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。3.2the determination of work space . 10碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。3.3the determination of wrist structure .11 閿 擻輳 嬪 諫遷 擇 楨秘 騖 。3.4The determination of the basic parameters11

11、氬 嚕 躑 竄 貿(mào) 懇 彈 瀘 頷9 識 饒鎂 錕of the wrist structure design and calculation12 釷鵒 資贏 車澩。2.1.2 Advanced robot輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。2.2 Development trend 9堯 側(cè)閆 繭 絳闕 絢 勵蜆 贅。Chapter 3 overall scheme design3.1 The determination of the mechanical structure types 縊灩筧嚌儼淒4.1robot analysis and choose driving scheme12慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫長

12、IVChapter 4 贖孫滅獅贅4.2 The choice of wrist motor 134.2.1 Mention the choice of wrist motor13 4.2.2A wrist and turn wrist motor choice13諺辭調(diào)擔鈧諂動禪瀉類。嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機4.3 Determine the transmission ratio of the錯 誤 ！ 未 定 義 書 簽 。4.3.1Mention the transmissionratio of the wrist alwayssure13紂 憂蔣 氳 頑薟 驅(qū) 藥憫 騖

13、鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。4.3.2 Turn wrist and a wrist to determine the transmissionratio 錯 誤 ！ 未定 義 書 簽 。穎 芻莖 蛺 餑億 頓 裊賠 瀧。4.4 The transmission ratio of the distribution錯 誤 ！未 定 義 書 簽 。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.5 Gear design 錯誤！未定 義 書簽 。銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。4.5.1 Mention wrist part gear design錯誤！未 定義 書簽 。擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類。4.5.2 Turn wrist part

14、 gear design 22賠 荊紳 諮 侖驟 遼 輩襪 錈 。4.5.3 A wrist part gear design 錯誤！未定義書簽。塤礙籟饈決 穩(wěn)賽釙冊庫。4.6 Axis of the design and check錯 誤 ！ 未 定 義 書 簽 。 裊 樣 祕 廬 廂 顫諺鍘羋藺。4.6.1 The design of the output shaft錯誤！未定義書簽。倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁。4.6.2 The design of the 錯 誤 ！ 未 定 義 書 簽 。 綻 萬 璉 轆 娛 閬 蟶 鬮 綰 瀧。4.6.3 Axis of intensity 錯 誤！未 定

15、義書簽。驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺 賻。4.7 Grippers design 334.8 Shell design conclusion thanks And take an examination of the offer 縞馭篩涼。 33 35 36錯誤！未定義書簽?，嶀暈R曖惲錕VI第 1 章 前言1.1 機器 人的 概念機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現(xiàn)較多擬 人動作和功能的機器，而工業(yè)機器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機器 人。美 國機器 人工 業(yè)協(xié) 會提出的 工業(yè) 機器 人定義為 ：“機器 人 是一種 可重 復(fù)編程和 多功 能的 ，用 來搬運材 料、零件、工 具的 操作 機”。英

16、國和日本機器人協(xié)會也采用了類似的定義。我國的國家標準 GB/T12643-90 將工 業(yè)機 器人 定義 為：“ 機器 人是 一種 能自 動 定位 控 制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、 零件 或操 持工 具， 用以 完成 各 種作 業(yè)”。而 將操 作 機 定 義為 ：“具 有 和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機 械裝 置”。鎦詩 涇艷損樓紲鯗餳類。機器人系統(tǒng)一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人 進行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。1.1.1 操 作 機操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作 功能。通常由下列部分組成：（ 1）末

17、端 執(zhí)行 器又 稱手 部 是機器人 直 接執(zhí) 行工 作的 裝置 ，并 可 設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸 以完成作業(yè)的機構(gòu)。櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。（ 2）手 腕 是 支承 和調(diào) 整末 端執(zhí)行器 姿態(tài) 的 部件，主 要 用 來確 定 和改 變末端執(zhí) 行器 的方 位和 擴大 手臂 的動 作范 圍，一 般 有 23 個 回 轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕 而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)。（ 3）手 臂 它 由機 器人 的動 力關(guān)節(jié)和 連接 桿 件等 構(gòu)成 ，是 用于 支 承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時包括

18、肘關(guān)節(jié)和肩 關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴大了末 端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。峴揚斕滾澗輻灄興渙藺。（ 4 ）機 座 有 時 稱 為 立 柱 ，是 工 業(yè) 機 器 人 機 構(gòu) 中 相 對 固 定 并 承 受相應(yīng) 的力的基 礎(chǔ)部 件?？?分固定式 和移 動式 兩類。 詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。1.1.2 驅(qū) 動單 元它是由驅(qū)動器、檢測單元等組成的部件，是用來為操作機各部 件提供動力和運動的裝置。1.1.3 控 制裝 置它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置， 它指揮機器人按規(guī)定的要求動作。1.1.4 人 工智 能系 統(tǒng)它由兩部分組成，一部分是感覺系統(tǒng)，另一部

19、分為決策規(guī)劃 智能系統(tǒng)。1. 2 題目來源本題設(shè)計的是關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計和 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其零件設(shè)計。此課題來源于生產(chǎn)實際。對于目前 手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術(shù)熟練程度要 求高，因此采用機器人技術(shù)，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動化，提 高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率、實 現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、改 善勞動條件。則 鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。1.3 技術(shù) 要求根據(jù)設(shè)計要達到以下要求；1）工作 可靠 ，結(jié)構(gòu)簡 單；2）裝卸 方便 ，便 于維 修、調(diào)整 ；3）盡量使用通用件，以便降低制造成本1.4 本設(shè) 計要 解決的 主要 問題 及設(shè)計 總體 思路本設(shè)計要解決的問題有以下三個：

20、（1）手 腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力 求手腕部件的結(jié) 構(gòu)緊湊，減少重量和體積；（ 2）提高 手腕 動作的精 確性；（ 3）六個 自由 度的實現(xiàn) 。針對上述問題有了以下設(shè)計思路：（1）腕 部機構(gòu)的驅(qū)動裝置采用分離傳動，將 3 個驅(qū)動器安置在小 臂的后端。（2）提 高傳動的剛度，盡 量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的 反轉(zhuǎn)誤差，對于分離傳動采用傳動軸。（ 3）驅(qū) 動 電機 1 經(jīng)傳動 軸驅(qū) 動一 對圓 柱齒輪和 一對圓錐 齒 輪帶 動 手腕 在小臂殼 體上 作偏 擺運 動。電機 2 經(jīng)傳 動軸驅(qū)動一 對圓 柱齒 輪 和一 對圓錐齒 輪傳 動， 實現(xiàn) 手腕的上 下擺 動。 電機 3 經(jīng) 傳

21、動 軸和 兩 對圓 錐齒輪帶 動軸 回轉(zhuǎn) ，實 現(xiàn)手 腕上 機械接口 的回 轉(zhuǎn)運 動。 脹鏝彈奧 秘孫戶孿釔賻。第 2 章 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況2.1 研究 現(xiàn)狀從機器人誕生到二十世紀 80 年代初，機 器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長 期緩慢的發(fā)展過程。到 90 年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng) 絡(luò)技 術(shù)等的快 速發(fā) 展，機 器人技術(shù)也 得到了 飛 速發(fā)展1。除 了工業(yè) 機 器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有 了長足的進展。下面將按工業(yè)機器人和先進機器人兩條技術(shù)發(fā)展路 線分 述機器人 的最 新進 展情 況2。鰓躋峽禱紉誦幫廢 掃減。2.1.1 工 業(yè)機 器人工業(yè)機器人技術(shù)

22、是以機械、電機、電子計算機和自動控制等學(xué) 科領(lǐng)域的技術(shù)為基礎(chǔ)融合而成的一種系統(tǒng)技術(shù) 3。（1）機 器人操作 機：通過有限 元分 析、 模態(tài) 分析及 仿真 設(shè)計等 現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國 KUKA 公司 為代 表的 機器人公 司，已將 機器人并聯(lián)平 行四 邊 形結(jié) 構(gòu) 改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的 應(yīng)用 ，大大提高 了機 器人 的性能。此外 采用 先進 的 RV 減 速器 及交 流 伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。（2）并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精 度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將

23、來實現(xiàn)機 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 開發(fā) 出了 此類產(chǎn)品 。（3）控 制系統(tǒng)：控 制系統(tǒng)的性能進一步提高，已 由過去控制標 準的 6 軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21 軸甚至 27 軸，并且實現(xiàn)了 軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面 也已問世 。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程 已實現(xiàn)實用化。（4）傳 感系統(tǒng)：激 光 傳感器、視覺 傳感 器和 力傳感器 在 機器人 系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上 物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)

24、性 能和 對環(huán)境的 適應(yīng) 性。 日本 KAWASAKI 、 YASKAWA 、 FANUC 和 瑞 典 ABB 、 德國 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 KUKA 公司 的最 新 機器 人控制器 已實 現(xiàn)了 與 Canbus 、 Profibus 總線及 一些網(wǎng)絡(luò) 的聯(lián) 接， 使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器 人由過去的專用設(shè)備向標準化設(shè)備發(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，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可 靠性 MTBF 一般為幾 千小

25、 時， 而現(xiàn)在已 達到 5 萬小時， 幾乎可以 滿 足任 何場合的 需求 4。稟虛 嬪賑維嚌妝擴踴糶。2.1.2 先 進機 器人近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域 向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、 農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這 些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定 性，因 而對機器人的要求更高，需 要機器人具有行走功能，對 外 感 知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展 方向 5。（1） 水下 機器 人：美國的 AUSS 、俄羅斯的 MT-88 、法國 的 EPAVLARD 等

26、水下機器人 已用 于海洋石 油開 采， 海底勘查 、 救撈作 業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護、以及大壩檢查等方面，形 成了 有纜水下 機器 人（ remote operated vehicle ） 和無 纜水 下 機器 人 （ autonomous under water vehicle ） 兩 大 類 。（2）空 間機器人：空 間機器人一直是先進機器人的重要研究領(lǐng) 域 。目 前 美 、俄 、加 拿 大 等 國 已 研 制 出 各 種 空 間 機 器 人 。如 美 國 NASA 的空間機器人 Sojanor 等。Sljanor 是一輛自主移動車，重量為 11.5kg ， 尺寸 63048m

27、m ，有 6 個車輪，它 在火星上的成功應(yīng)用，引 起了全球 的廣 泛關(guān) 注。（3）核 工業(yè)用機 器人：國 外的 研究 主要 集中在 機構(gòu) 靈巧 ，動 作 準確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺 服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國 ORML 基于 機器 人的 放射性儲 罐清理系 統(tǒng)、反應(yīng) 堆用 雙臂 操 作器，加拿 來大研制 成功 的輻 射監(jiān) 測與故障 診斷 系統(tǒng) ，德國 的 C7 靈巧手 等（4）地 下機器人：地 下機器人主要包括采掘機器人和地下管道 檢修機器人兩大類。主要研究內(nèi)容為：機械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感 器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。

28、目前日、美、德等發(fā) 達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機 器人，各種采機器人及自動化系統(tǒng)正在研制中。（5）醫(yī)用機器人： 醫(yī)用機器人的主要研究內(nèi)容包括： 醫(yī)療外 科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場 感外 科手術(shù)等 。美 國已 開展 臨場感外 科（ telepresence surgery ）的 研 究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國 家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（ telematics ）計劃、袖珍機器人 （ biomed ） 計 劃 以 及 用 于 外 科 手 術(shù) 的 機 電 手 術(shù) 工 具 等 項 目 的 研 究 ， 并

29、已取得一些卓有成效的結(jié)果。（6）建筑機 器人：日 本已 研制 出 20 多 種建筑機器 人。如高 層 建筑抹灰機器人、預(yù)制件安裝機器人、室內(nèi)裝修機器人、地面拋光 機器人、擦 玻璃機器人等，并 已實際應(yīng)用。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、 麻省理工學(xué)院等都在進行管道挖掘和埋設(shè)機器人、內(nèi)墻安裝機器人 等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術(shù)和系統(tǒng)自動化施工方法 等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。（7）軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二 代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作 戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場上具有看、嗅和觸摸能力，能夠自動 跟蹤地形和選擇道路，并且具

30、有自動搜索、識別和消滅敵方目標的 功能 。如美國 的 Navplab 自主 導(dǎo)航車、SSV 半自主地面 戰(zhàn)車，法 國 的自 主式快速 運動 偵 察車（ DARDS ），德 國 MV4 爆炸物 處理機器 人 等 。目 前 美 國 ORNL 正 在 研 制 和 開 發(fā) Abrams 坦 克 、愛 國 者 導(dǎo) 彈 裝 電 池用機器人等各種用途的軍用機器人?？梢灶A(yù)見，在 21 世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活 的各個領(lǐng)域，成 為人類良好的助手和親密的伙伴6。 陽簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋 錟。2.2 發(fā)展 趨勢目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的 研究 ，并朝著智 能化 和多 樣化 方

31、 向發(fā) 展。主 要研 究內(nèi)容集 中在以下 8 個方面7：（1）工 業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探 索新的高強度 輕質(zhì) 材料，進 一步 提高 負載 .自 重比，同 時機構(gòu)向 著模塊化 、 可重 構(gòu) 方向發(fā)展。（2）機器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人 機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制 器的 標準化和 網(wǎng)絡(luò)化，以及 基于 PC 機 網(wǎng)絡(luò) 式控 制器 已成 為 研究 熱 點。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的 實用化將成為研究重點。（3）多 傳感系統(tǒng) ：為 進一步提 高機 器人 的智能和適 應(yīng)性，多種 傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。

32、其研究熱點在于有效可行的多 傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下 的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。（ 4 ）機 器 人 的 結(jié) 構(gòu) 靈 巧 ， 控 制 系 統(tǒng) 愈 來 愈 小 ，二 者 正 朝 著 一 體 化方向發(fā)展。（5）機 器人遙控 及監(jiān)控技術(shù)，機器 人半 自主和自主 技術(shù)，多機 器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙 控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。（6）虛 擬機器人 技術(shù)：基 于多 傳感 器、 多媒 體和虛 擬現(xiàn) 實以及 臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。（7）多 智能體 （ multi-agen

33、t ）調(diào)控 制技 術(shù)： 這是 目前 機 器人 研 究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通 信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方 面進行研究。（ 8） 微 型 和 微 小 機 器 人 技 術(shù) （ micro/miniature robotics ） : 這 是 機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域 幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革 命， 并且對社會 進步和人 類活 動的 各 個方 面產(chǎn) 生不可估量的 影響 ， 微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方 法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方

34、面。我國對此進行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹對六自由度微動 機構(gòu)進行了位 移分析并 為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依 據(jù)。還有 劉辛 軍、高峰和汪勁松研究了微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法，建立了并聯(lián) 六自由度微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的空間模 型，并分析了該微動機器人的機構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指 標的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指 標在空間模型設(shè)計參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計者根據(jù)性 能指標來設(shè)計該微動機器人的機構(gòu)尺寸，是探討微動機器人機構(gòu)設(shè) 計的 有效分析 工具 9。溈氣 嘮戇萇鑿鑿櫧諤應(yīng)。第 3 章 總體方案設(shè)計3.1 機械 結(jié)構(gòu) 類型的 確定為實現(xiàn)總

35、 體機構(gòu)在 空間的位置提供的 6 個自由度， 可以 有不 同 的運動組合，根 據(jù)本課題可以將其設(shè)計成以下五種方案10：鋇嵐縣緱虜 榮產(chǎn)濤團藺。3.1.1 圓 柱坐 標型 這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成 的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相 同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。懨俠劑鈍觸樂 鷴燼觶騮。3.1.2 直 角坐 標型 直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移 動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可 在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算， 定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間

36、體積大、靈活性較差。謾飽 兗爭詣繚鮐癩別瀘。3.1.3 球 坐標 型 又稱極坐標型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個 回轉(zhuǎn)，一 個俯仰和一個伸縮運動組成，其 工作空間圖形為一個球形， 它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有 結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。咼鉉們歟謙鴣餃競蕩賺。3.1.4 關(guān) 節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似， 其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這 種機器人一般由立柱和大小臂組成， 立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作 回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空 間范圍大，動作靈活，

37、通用性強、能 抓取靠進機座的物體。 瑩諧齷 8蘄賞組靄縐嚴減。3.1.5 平 面關(guān) 節(jié)型采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、 左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形， 它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回 轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有 柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用 于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。 對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的 動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實 現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜

38、合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機 器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作 精度 高11。納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。3.2 工作 空間 的確定根據(jù)關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間。工作空間是指機器人 正常工作運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人 的主要技術(shù)參數(shù)。此機器人的工作空間為 1500mm ，如圖 3-1 所示。 風(fēng)攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。圖 3-1 機 器 人 的 機 座 坐 標 系3.3 手腕 結(jié)構(gòu) 的確定手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人操作機的最 末端，其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個 坐標位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在

39、作業(yè)空間的三個 姿態(tài) 坐標，即 實現(xiàn) 六個 自由 度如圖 3-2 所 示。 滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。10圖 3-2 傳 動 原 理 圖 考慮到結(jié)構(gòu)，電機將成三角形布置。3.4 基本 參數(shù) 的確定空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)的確定，那么手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動、和手 腕旋 轉(zhuǎn)三個姿 態(tài)的 自由 度也 得到了實 現(xiàn)主 要技 術(shù)參 數(shù)如 表 3-1 所 示。 鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。表 3-1機器人的主要規(guī)格參數(shù)動作范圍手腕回轉(zhuǎn)手腕擺動手腕旋轉(zhuǎn)1209036030/s30/s30/s額定載荷4kg最大速度2m/s第 4 章 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算4.1 機器 人驅(qū) 動方案 的分 析和 選擇通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種1

40、2:（1）步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性 能好，而 且成本低廉；通 常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。 但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載 和沖 擊震動過 大時 會造 成“ 失步”現(xiàn) 象。 攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。（2）直 流伺服電 機：直流伺服 電機 具有 良好的調(diào)速 特性，較大 的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。 其安裝維修方便，成本低。趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。（3）交流伺服電機：交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用 維修 方便，與 步 進電 機相比價 格 要貴一些 。隨著 可關(guān)斷晶 閘管 GTO ， 大功 率晶閘管 GT

41、R 和場效 應(yīng)管 MOSFET 等 電力電子 器 件、脈 沖調(diào) 寬 技術(shù)（PWM ）和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性11 能方面可以與直流電機媲美。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三環(huán)(位置、 速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。 三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提 供很高的響應(yīng)速度。 夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。(4) 液 壓伺服馬 達：液 壓 伺服 馬達具有 較大 的功 率/體積 比，運 動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載 而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考 慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，

42、其費用較高，其液壓系統(tǒng) 經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提 下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。本次設(shè)計的機器人將采用直流伺服電動機。因 為它具有體積小、 轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重 量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。4.2 手腕 電機 的選擇4.2.1 提 腕電 機的 選擇手腕的最大負荷重量 m1 4kg，初估腕部的重量 m2 4kg，最大 運動 速度 v=2m/s功 率 p = fv = mgv =8102=160W 取安全系 數(shù)為 1.2， p=1.2 160=192W考慮到傳 動損 失和 摩擦，

43、最終的 電機 功率 p額200W 。 選擇 Z 型 并勵 直流電動 機， 技術(shù) 參數(shù) 如表 4-1 所示 。4.2.2 擺 腕和 轉(zhuǎn)腕 電機 的選擇 根據(jù)設(shè)計要求取相同型號的電機，選擇 Z 型并勵直流電動機型 號 為 200/20-400 。表 4-1 Z 型 并 勵 直 流 電 動 機 技 術(shù) 參 數(shù)型 額定電壓 額定轉(zhuǎn)矩 額定 轉(zhuǎn)速 參考功率 重量號( V )(N/m) (r/m) (W) (kg)12Z200/20 200-4001 2000 400 5.54.3傳動 比的 確定4.3.1 提 腕總 傳動 比的 確定V2先根據(jù)下 式求 角速 度： =V 2 20 r/s R 0.1再求

44、實際轉(zhuǎn)速 ： n 60 60 20 191.1r/min 22角速 度 r/s；V 運動 速度，m/s；R 機械 接口到轉(zhuǎn) 動軸 的距離， m； n轉(zhuǎn)速 ， r/min 。最后求得總傳動比：ni 總1 n2000191.110.4取整 i總1=104.3.2 轉(zhuǎn) 腕和 擺腕 傳動 比的確定用同樣的方法，可求得：轉(zhuǎn)腕 總傳動比 i總2 20：擺腕 總傳動比 i總3 10：4.4 傳動 比的 分配傳 動 比 分 配 時 要 充 分 考 慮 到 各 級 傳 動 的 合 理 性 ，以 及 齒 輪 的 結(jié) 構(gòu)13 尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理13。1. 提腕 傳動比分 配 提腕總的傳動比 i總1 =10 ，該

45、傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱 齒輪傳動，傳動比 i11=2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 i125。 緦徑銚膾齲轎級鏜撟廟。2. 轉(zhuǎn)腕 傳動比分 配轉(zhuǎn)腕總的傳動比 i總220，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓 錐齒輪傳動，傳動比i215，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 i22 4。 騅憑 鈳銘僥 張 礫陣 軫藹 。3. 擺腕 傳動比分 配擺腕總的傳動比 i總310，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓 柱齒輪傳動，傳動比i312，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 i32 5。 癘騏鏨農(nóng)剎 貯獄顥幗騮。4.5 齒輪 的設(shè) 計按照上述傳動比配對各齒輪進行設(shè)計。4.5.1 提 腕部 分齒 輪設(shè)

46、 計1. 第 一 極 圓 柱 齒 輪 傳 動2. 齒輪設(shè)計齒輪采用 45 號鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度 170190HBS ，齒輪精度等級為 7 極。取 z1 20，則z2 2 20 40。鏃鋝 過潤啟婭澗駱讕瀘。(1)設(shè) 計準 則 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 (2)按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 齒面接觸疲勞強度條件的設(shè)計表達式： 其中：d1tZHZEZ H 2KT1 u 1dud 0.8； u 2 ； Z 0.90ZE 189.8 MPa（ 4-1 ）； ZH 1.8 。6 P 6 0.2T1 9.55 1069.55 106 9550N mm1 n 200選擇材料的

47、接觸疲勞極根應(yīng)力為：H1lim580 MPaH2lim 560 MPa選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：F1lim 230MPa F2lim 210MPa 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下列公式計算可得：N1 60 n1 at4-2）60 2000 300 8 164.23 109N 2 N14.23 10992.16 109u2接觸 疲勞壽命 系數(shù) ZN1 1.1, ZN2 1.02彎曲疲勞壽命系數(shù) YN1 YN2 1接觸 疲勞安全 系數(shù) SHmin 1，彎曲 疲勞安全 系數(shù) SFmin 1.5，又 YST 2.0 ，試 選 K t 1.3 。求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：15H1H1SHminH1lim

48、ZN1580 1.1 638MPa1H2 Hlim ZN2SHmin580 1.02 591.6MPa1F1limYSTSFminYN1230 2 1MPa 306.67MPa1.5F2F2limYSTSFminYN2210 2 1MPa 280MPa1.5將有 關(guān)值代入 （4-1） 得：d1tZHZEZ2 2K tT1 u 1H2du591.60.81.8 189.8 0.9 2 2 1.3 9550 2 1241.3mm則：d1tn1v1 60 100041.3 2000 4.32m /s60 1000z1v110020 4.32 m/s 0.86m/s100動載荷系數(shù) Kv 1.0；使用

49、系數(shù) KA 1；動載荷分布不均勻系數(shù)K 1.02；齒間載荷分配系數(shù) K1，則：KH K AKvK Ka 1.01 1.0 1.02 1.0 1.03修 正 d1m d138.120mm 1.9mm取標準模數(shù) m 2mm16（ 3 ） 計 算 公 稱 尺 寸d1 mz1 2 20 40mmd2 mz2 2 40 80mm z1 z2 40 80a m 60mm22b d d1 0.8 40 32mm取b1 32mm ； b2 22mm（ 4 ） 校 核 齒 根 彎 曲 疲 勞 強 度復(fù)合齒形系數(shù) YFS1 4.1， YFS2 3.8 取 Y 0.7 校核兩齒輪的彎曲強度：F24-3）F12KT1

50、 YFS1YF1 2 3 YFS1Y dz12m3 2 1.03 95502 1.03 295530 4.1 0.7M P0.8 202 23110.02MPa F1F2 F1 YFS2 110.02 3.8 MPa 101.97MPaF2 F1 YFS14.1所以齒輪完全達到要求。表 4-2 齒 輪 的 幾 何 尺 寸名稱符號公式分度圓直徑dd1 mz1 2 20 40mm d2 mz2 2 40 80mm齒頂高haha ha m 1 2 2mm17齒根高hfhf (ha c )m(1 0.25) 2 2.5mm齒全高h h ha hf 2 2.5 4.5mm齒頂圓直徑da1da1 d1 2

51、ha 44mm齒根圓直徑df1基圓直徑db1齒 距p齒 厚s齒 槽寬e中 心距a頂 隙cda2 d2 2ha 84mm d f1 d1 2hf 35mm df 2 d2 2hf 75mm db1 d1 cos 37.56mm db2 d2 cos 75.17mm p m 3.14 2 6.28mm s m/2 3.14mm e m/2 3.14mm a (d1 d2)/2 60mm c c m 0.25 2 0.5mm由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，小齒輪將做成齒輪軸。2. 第二 極圓錐齒 輪傳動齒 輪 采 用 45 號 鋼 ， 調(diào) 質(zhì) 處 理 后 齒 面 硬 度 180190HBS ，

52、 齒 輪 精 度等級為 7 極。取 z1 20，則z2 5 20 100。（ 1 ） 設(shè) 計 準 則按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核 15。（ 2 ） 按 齒 面 接 觸 疲 勞 強 度 設(shè) 計 齒面接觸疲勞強度的設(shè)計表達式18d1tZHZHE4KT120.85 R (1 0.5 R )2u4-4)其中，d 0.8， u 5； ZE 189.8 MPa ， ZH 1.8 ，6 P 6 0.2T1 9.55 1069.55 106 9550N mm1 n 200選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：H1lim 580 MPaH2lim 560 MPa選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：F1li

53、m 230MPa F2lim 210MPa 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下式計算可得N1 60n1at60 2000 300 8 164-5)則：N2N14.23 1094.23 109590.846 109接觸 疲勞壽命 系數(shù) ZN1 1.1, ZN2 1.02 彎曲疲勞壽命系數(shù) YN1 YN2 1 接觸疲勞安全系數(shù) SHmin 1，彎曲疲勞安全系數(shù) SFmin 1.5,又YST 2.0， 試 選 K t 1.3 。求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：19H1limSHminZN1580 1.1 638MPa1H2 Hlim ZN2SHmin580 1.02 591.6MPa1F1F1limYST YN1

54、SFmin230 2 1MPa 306.67MPa1.5F2FS2limYST YN2SFmin210 21.51MPa 280MPa將有 關(guān)值代入 （4-4） 得：4KT10.85 R(1 0.5 R )2u21.8 189.8 2 591.64 1.3 955020.85 0.3(1 0.5 0.3)2 2mm則：v1d1tn143.3 2000 4.53m / s1 60 1000 60 100043.3mmz1v1100動載 荷系 數(shù) Kv 1.0；使 用 系 數(shù) KA 120 4.53m/s 0.96m/s100齒向載荷分布不均勻系數(shù)K 1.02；齒間 載荷 分配 系數(shù)取 Ka 1，則：KH K AKvK Ka 1.01 1.0 1.02 1.0 1.033修 正 d1 d1t43.31.31.0339.1mm表 4-3 齒