六自由度工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）在當(dāng)今輪轂制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文設(shè)計(jì)和研究了一個(gè)六自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于生產(chǎn)線的進(jìn)送料和裝配。首先，本文對生產(chǎn)線布局進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)的工作效率，然后,根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了機(jī)器人的整體方案和具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，選擇了合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的底

2、座、大臂、小臂和手部的結(jié)構(gòu)；并且對機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)器人為六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人，全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)處采用電機(jī)，減速機(jī)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)自由度，從而實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該機(jī)器人的控制系統(tǒng)，采用PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方式，確定了控制系統(tǒng)的總體方案，設(shè)計(jì)了PCI總線接口電路和DSP。關(guān)鍵詞：六自由度工業(yè)機(jī)器人；生產(chǎn)線；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng);哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）各位如果需要此設(shè)計(jì)的全套內(nèi)容（包括二維圖紙、中英文翻譯、完整版論文、程序、答辯PPT）可加QQ695939903,如果需要代做也請加上述QQ,代做免費(fèi)講解。哈爾濱工業(yè)大學(xué)

3、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）AbstractInthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisespaymoreattentionontheautomationdegreeoftheproductionprocessinordertoenhancetheproductionefficiency,andguaranteetheproductquality.Asanimportantpartoftheautomationproductionline,industrialrobotsaregraduallyapprovedandadoptedbyent

4、erprises.Thetechniquelevelandtheapplicationdegreeofindustrialrobotsreflectthenationalleveloftheindustrialautomationtosomeextent,currently,industrialrobotsmainlyundertakethejopsofwelding,spraying,transportingandstowingetc.,whichareusuallydonerepeatedlyandtakehighworkstrength,andmostoftheserobotsworki

5、nplaybackway.Inthispaper,IwilldesignanindustrialrobotwithsixDOFs.First,Iwilltransformlinelayoutanddesignthestructureofthebasetoimprovetheworkefficiencyofproduction,andthen,accordingtothedesignrequirements,Idesigntherobotmechanicalstructureoftheoverallplanandspecific,andchosetherightmeansoftransmissi

6、onanddrivemode,Then,Idesignthebigarm,thesmallarmandtheendmanipulatoroftherobot,andIdesignthetransmissionstructure,Thisrobotisa6-DOFjointrobot,Thesejointsareallrotaryjoints,jointsusedmotor,reducer,geartransmission,wormgearandwormdrivemechanismtorealizevariousdegreesoffreedom,soastoachievetherequiredm

7、ovement.Onthisbasis,thispaperwilldesignthecontrolsystemoftherobot,whichcontrolledbyPCandDSPmotioncontrolcard,anddeterminetheoverallschemeofthecontrolsystem,designDSPandPCIbusinterfacecircuit.Keywords:6-DOFindustrialrobot,linelayout,structuredesign,thecontrolsystem-II-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄摘要IAbstractI.

8、I.第1章緒論51.1 課題背景及研究的目的和意義51.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析61.3 本文的主要研究內(nèi)容8第2章生產(chǎn)線布局及總體方案的確定92.1 生產(chǎn)線布局方案92.1.1 機(jī)械手92.1.2 工作流程102.1.3 方案預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)102.2 總體方案的設(shè)計(jì)112.2.1 機(jī)構(gòu)的選型 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 傳動(dòng)方案的選擇122.2.4 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)132.2.5 控制方案的設(shè)計(jì)152.2.6 技術(shù)參數(shù)列表162.3 本章小結(jié)17第3章結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)183.1 引言183.2 電機(jī)力矩的計(jì)算以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇183.3 減速器的設(shè)計(jì)193.4 腰部的

9、設(shè)計(jì)20哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3.5 手臂的設(shè)計(jì)203.5.1 手臂的設(shè)計(jì)基本要求203.5.2 大臂和小臂213.5.3 連桿223.6 手腕部的設(shè)計(jì)223.7 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)223.8 本章小結(jié)23第4章傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核254.1 腰部蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)及校核254.2 腕部傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及校核254.2.1 傳動(dòng)方案254.2.2 齒輪的設(shè)計(jì)及校核 齒輪組設(shè)計(jì) 直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)254.2.3 軸的設(shè)計(jì)254.3 本章小結(jié)27第5章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)295.1 引言295.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)295.2.1 控制系統(tǒng)的類型選擇295.2.2 控制系統(tǒng)

10、的硬件電路295.3 PCI的接口設(shè)計(jì)305.4 DSP的設(shè)計(jì)315.4.1 DSP概述315.4.2 DSP硬件電路315.4.3 DSP軟件315.5 本章小結(jié)32結(jié)論33哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)34致135哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章緒論1.1 課題背景及研究的目的和意義輪轂制造業(yè)屬于勞動(dòng)密集型的行業(yè)，除了繁重的體力工作外，幾乎每個(gè)工序都存在著對人體有害的污染源和潛在的工傷事故：熱加工工序燙灼傷的危險(xiǎn)，大量易燃易爆燃料及消耗材料時(shí)時(shí)刻刻威脅著操作手的安全；鋁液除氣除渣產(chǎn)生的有毒煙塵，機(jī)加工冷卻液的有害蒸汽，以及涂裝工序液體漆、粉漆、前處理藥液等等都會嚴(yán)重影響

11、工人的健康；無處不在的轟鳴及刺耳的噪音會使你情緒壞到極點(diǎn)。1針對原有輪轂生產(chǎn)線存在的勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低，粗加工加工尺寸不穩(wěn)定等問題，通過工業(yè)機(jī)器人及新的數(shù)控加工設(shè)備，不僅有效解決了輪轂大小頭軸承孔同軸度，大小頭螺孔位置度的質(zhì)量問題，滿足用戶圖紙的要求，而且降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率將近一倍，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。網(wǎng)它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著

12、十分重要的作用。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。4生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車間環(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。工業(yè)機(jī)器人的定義為：“一種自動(dòng)定位控制、可重復(fù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)

13、計(jì)（論文）編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！辈僮鳈C(jī)定義為：“具有和人的手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置?！币粋€(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。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。輪轂生

14、產(chǎn)線改造設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用課題。通過本設(shè)計(jì)可以使學(xué)生在實(shí)際課題設(shè)計(jì)中對生產(chǎn)加工，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)械手及其控制等知識得到切實(shí)的鍛煉。1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析在西方發(fā)達(dá)國家，企業(yè)主為了避免這種強(qiáng)體力高危工種所帶來的高額人工費(fèi)用，早已采用了自動(dòng)化生產(chǎn)線代替部分人工操作進(jìn)行鋁合金輪轂的生產(chǎn)。在亞洲，日、韓企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)起步較早，形成了鮮明的地域特色。1而在中國大陸，一直沒有鋁合金輪轂生產(chǎn)廠真正考慮過這個(gè)問題，到目前還沒有一條像樣的輪轂自動(dòng)化生產(chǎn)線。中國大陸企業(yè)之所以不重視這方面的發(fā)展，首先是由于近幾十年的慣性思維使然。過去幾十年缺乏資金和技術(shù)，擁有的優(yōu)勢就是眾多的廉價(jià)勞動(dòng)力，為了促進(jìn)經(jīng)

15、濟(jì)的發(fā)展，充分利用這個(gè)優(yōu)勢，無論在社會大環(huán)境要求還是在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考量上無疑都是正確的。另外的原因是企業(yè)管理者僵化的思維。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，有的企業(yè)管理者還把思維定位在舊的發(fā)展模式上，認(rèn)為搞自動(dòng)化生產(chǎn)線硬件投入大，得不償失，而沒有綜合考慮自動(dòng)化生產(chǎn)帶來的綜合效益。機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程，并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某種操作或移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）動(dòng)控制及人工智能等多種科學(xué)的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，是當(dāng)代科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來

16、，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國是從20世紀(jì)80年代開始涉足機(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”計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。目前，我國從事機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后，我國在機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人，北京自動(dòng)化研究所1993年研制的噴涂機(jī)器人，1995年完成的高壓水切割機(jī)器人，國家開放實(shí)驗(yàn)和研究單位沈陽自動(dòng)化研究所研制的有纜深潛300m機(jī)器人，無

17、纜深潛機(jī)器人，遙控移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，2000年國防科技大學(xué)研制的兩足類人機(jī)器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華理工大學(xué)研制的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人，以及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)等。3我國目前擁有機(jī)器人4000臺左右，主要在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用，而全世界應(yīng)用機(jī)器人數(shù)量為83萬臺，其中主要集中在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家。在機(jī)器人研究方面，我國與發(fā)達(dá)國家還有一定差距。目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人的研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：A.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。B.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便

18、于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。C.機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。-7-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）D.關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；E.焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工

19、業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。其研究的現(xiàn)狀，總的來說，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。1.3 本文的主要研究內(nèi)容本文設(shè)計(jì)和研究了一個(gè)六自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于生產(chǎn)線的進(jìn)送料和裝配。首先，本文對生產(chǎn)線布局進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)的工作效率，然后,設(shè)計(jì)機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第2章生產(chǎn)

20、線布局及總體方案的確定2.1 生產(chǎn)線布局方案如圖2-1所示，采取兩車床相臨，與加工中心依次排布的布局方式;圖2-1生產(chǎn)線布局圖2.1.1 機(jī)械手1 .雙爪（手指為兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)）2 .機(jī)械手的自由度（1）機(jī)械手手部兩個(gè)自由度（回轉(zhuǎn)）（2）手腕一個(gè)自由度（兩個(gè)回轉(zhuǎn)）（3）手臂一個(gè)自由度（回轉(zhuǎn)）（4）機(jī)身兩個(gè)自由度（兩個(gè)回轉(zhuǎn)）哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2.1.2工作流程1 .工序一：由機(jī)械手將工件從傳送帶取下，夾持工件外圓，固定到車床一上、夾緊，進(jìn)行工序一；2 .此時(shí)，機(jī)械手再次從傳送帶上取下工件，存放在手上；3 .待工序一完成后車床一防護(hù)門打開，由機(jī)械手的另一只手將工件取下，將存放手上的工

21、件固定車床一，進(jìn)行工序一；4 .之后，將從車床一取下的工件調(diào)頭撐內(nèi)孔固定到車床二上，進(jìn)行工序二；5 .重復(fù)流程2、3、4;6 .將工序二取下的工件固定到加工中心，進(jìn)行工序三；7 .工序三完成，機(jī)械手將工件取出反轉(zhuǎn)，重新固定，進(jìn)行工序四；8.工序四完成后，機(jī)械手將成品件從加工中心取出，放到出料傳送帶上;9重復(fù)流程58。工作流程圖如圖2-2所示。圖2-2工序流程圖2.1.3方案預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)：方案最大的特點(diǎn)是采用了雙爪機(jī)構(gòu)（手指為兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)），在生產(chǎn)流程中，省去了等待工序一加工完才可夾持下一工件的時(shí)間和各個(gè)工序之間所需的時(shí)間間隙，雙抓舉手實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的不間歇生產(chǎn)，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。10-哈

22、爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)2.2總體方案的設(shè)計(jì)2.2.1機(jī)構(gòu)的選型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要。我們主要從以下幾個(gè)方面對其進(jìn)行研究：(1)可達(dá)空間的范圍。(2)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。(3)自由度的選取。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)15KG且長度達(dá)500MM同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(jī)械手的具體要求，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。關(guān)節(jié)型機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人和開鏈連桿式機(jī)器人。開鏈連桿式機(jī)器人是現(xiàn)在使用最多的一種，其主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手腕上也采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來確定

23、末端的姿態(tài)，具有優(yōu)點(diǎn)如下：61 .結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地小。2 .具有很高的可達(dá)性?？梢允蛊涫植窟M(jìn)入像汽車車身這樣一個(gè)封閉的空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，而直角坐標(biāo)型的機(jī)器人就不行。3 .因?yàn)闆]有移動(dòng)關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。4 .所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗少。通過對以上這些進(jìn)行研究，我們擬采用開鏈桿式關(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu)。機(jī)器人本體由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置組成。共有六個(gè)自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕側(cè)擺。5 .2.2驅(qū)動(dòng)方式的選擇機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)可分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)及電

24、動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種類型。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，且適應(yīng)范圍不同。三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表2-1o11.哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)表2-1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對照液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率很大大較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較局，輸出功率大，可尢級調(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)軌跡控制控制精度圖,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)。密封問題較小結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，體積小，結(jié)構(gòu)

25、緊湊，密封問題較小結(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，無密封問題在工業(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、裝配機(jī)器人等成本液壓元件成本較局成本低成本高基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。6 .2.3傳動(dòng)方案的選擇傳動(dòng)方式的選擇是指選擇驅(qū)動(dòng)源以及傳動(dòng)裝置與

26、關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動(dòng)方式?；镜倪B接形式和驅(qū)動(dòng)方式見圖2-3所示。(1)直接連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源或帶有機(jī)械傳動(dòng)裝置直接與關(guān)節(jié)相連。(2)遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動(dòng)后與關(guān)節(jié)相連。12哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）傳動(dòng)一土關(guān)節(jié)（C）a）直接連接傳動(dòng)，間接驅(qū)動(dòng)；b）直接連接傳動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng)c）遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)，間接驅(qū)動(dòng)；d）遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng)圖2-3各種傳動(dòng)方案（3）間接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源經(jīng)一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連。（4）直接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個(gè)速比等于1的機(jī)械傳動(dòng)這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。如果采用遠(yuǎn)距離連接，則造成傳動(dòng)鏈太長，結(jié)構(gòu)比較龐大等，所以采用直

27、接連接傳動(dòng)的方式；又因?yàn)椴捎弥苯舆B接，所以電機(jī)不能選的太大，為了提高機(jī)器人的負(fù)載能力，必須采用間接驅(qū)動(dòng)的方式，通過減速機(jī)構(gòu)增大電機(jī)的輸出力矩。綜上所述，本課題采用圖2-3中的a）方式，即直接連接傳動(dòng)，問接驅(qū)動(dòng)。2.2.4總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)選型和傳動(dòng)方式完成后，再進(jìn)行總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體情況如下：要求上部的機(jī)械臂底盤要大，重心要低，所以，腰部關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接選擇安裝在基座上，如圖2-4所示。整個(gè)結(jié)構(gòu)為空間關(guān)節(jié)型的，本體由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置組成。有4個(gè)關(guān)節(jié)，腰關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)，共有六個(gè)自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手

28、腕側(cè)擺，均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其中腰關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體除基座以外的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)；肩關(guān)節(jié)帶動(dòng)大臂、小臂、手腕、手爪進(jìn)行俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿足機(jī)器人工作空間上高度的要求；肘關(guān)節(jié)實(shí)13-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）現(xiàn)帶大臂和小臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)：大臂、小臂以及手腕均可在允許的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng);腕關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)俯仰以及擺動(dòng)，可以方便的改變手爪的位姿。圖2-4六自由度機(jī)械臂簡圖手爪是機(jī)械臂中的比較重要的部件，采用了氣動(dòng)夾持器。氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。機(jī)器人的機(jī)身、大小臂等都采用空心薄壁機(jī)構(gòu)，硬鋁材料，使得零件的剛性好，而且重量輕

29、。在連接處，采用高強(qiáng)度的螺栓連接，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處，選用了高精度的軸承，使得運(yùn)轉(zhuǎn)很靈活，磨損小。在現(xiàn)代機(jī)器人結(jié)構(gòu)中廣泛使用著各種機(jī)器人軸承，常用的有環(huán)形軸承和交叉滾子軸承。這幾種機(jī)器人專用軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，精度高、剛度大，承載能力強(qiáng)（可承受徑向力、軸向力、傾覆力矩）和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但考慮到這些軸承價(jià)格昂貴，而使用普通的球軸承或滾子軸承也能滿足結(jié)構(gòu)的需要，所以在該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中仍然全部采用球軸承。在電機(jī)的布置上，考慮盡量將電機(jī)放置在相應(yīng)的操作臂的前端，這樣可以減小扭矩，同時(shí)也可以起到重力平衡的作用，但同時(shí)盡量避免過長的傳動(dòng)鏈，以簡化結(jié)構(gòu)，減少誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。11各部件組成和功能描述如下：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

30、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)(1)底座部件：底座部件包括底座、蝸輪蝸桿，箱體，渦輪軸和步進(jìn)電機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)固定在箱體上。(2)腰部回轉(zhuǎn)部件：腰部回轉(zhuǎn)部件包括驅(qū)動(dòng)臂座，擺線針輪減速機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在腰部支架上固定著驅(qū)動(dòng)大臂俯仰和小臂俯仰的電機(jī)。(3)大臂部件：包括大臂和連桿。(4)小臂部件：包括小臂、齒輪箱、傳動(dòng)部件、傳動(dòng)軸等，在小臂前端(靠近大臂的一端)固定驅(qū)動(dòng)手腕三個(gè)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。(5)手腕部件：包括手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和機(jī)械接口等。(6)末端執(zhí)行器：氣動(dòng)夾持器(兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu))。整個(gè)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，基本滿足設(shè)計(jì)要求。2.2.5 控制方案的設(shè)計(jì)構(gòu)建機(jī)器人平臺的核心

31、是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。到目前為止，基于PC機(jī)控制系統(tǒng)一般包括單PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC十分布式控制器的控制模式，PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式，PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制模式，DSP屬于精簡指令集計(jì)算機(jī)，增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間，運(yùn)算速度極快(超過20MIPS),為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性提供了有力保障，也使復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)成為可能，特別是面向電機(jī)控制應(yīng)用的DSP,它通過把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和常用外圍設(shè)備集成為一個(gè)芯片的方法，將DSP的高速運(yùn)算特性和優(yōu)化的控制特性結(jié)合起來，成為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心芯片的最佳選擇。基于DSP控制器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)單片系統(tǒng)，因

32、為整個(gè)電機(jī)控制所需的各種功能都可以用DSP控制器來實(shí)現(xiàn)，因此可以大幅度減小系統(tǒng)體積，減少外部器件的個(gè)數(shù)，增加系統(tǒng)可靠性。因此本文選定PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方式。15-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2.2.6 技術(shù)參數(shù)列表1 .抓重:15kg2 .自由度數(shù)：6個(gè)自由度3 .坐標(biāo)型式：開鏈連桿式關(guān)節(jié)型4 .最大工作半徑：2000mm5 .手臂最大中心高：900mm6 .最大行程：手臂旋轉(zhuǎn)：-160°手臂進(jìn)-出：105：140手臂上一下：155十120手腕轉(zhuǎn)動(dòng)：270手腕彎曲：±1450手腕扭轉(zhuǎn)：-3607 .最大速度：手臂旋轉(zhuǎn)：160,/s手臂進(jìn)-出：140/s手臂上

33、-下：160/s手腕轉(zhuǎn)動(dòng)：330/s手腕彎曲：330/s手腕扭轉(zhuǎn)：500/s8 .慣性矩：手腕轉(zhuǎn)動(dòng)：0.88Kgm2手腕彎曲：0.68Kgm2手腕扭轉(zhuǎn)：0.82Kgm29 .重復(fù)定位精度：±1mm10 .最大直線運(yùn)動(dòng)速度：6900mm/s11 .手指夾持范圍：輪轂：中400mm500mm12 .定位方式：開環(huán)步進(jìn)電機(jī)定位13 .驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)14 .控制方式：PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡16-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2.3本章小結(jié)本章根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成了生產(chǎn)線布局的設(shè)計(jì)及機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)。首先考慮到輪轂生產(chǎn)線的效率問題選定了機(jī)構(gòu)的類型和驅(qū)動(dòng)方式，確定了傳動(dòng)方案，考慮機(jī)械手

34、的結(jié)構(gòu)合理性確定了機(jī)械手各個(gè)部件的設(shè)計(jì)方案以及控制方案，最后確定機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。17-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第3章結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 引言本章的工作包括電機(jī)的選型，減速器設(shè)計(jì)，腰部，手臂，手腕，末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.2 電機(jī)力矩的計(jì)算以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇目前在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。12下表3-1為幾種電機(jī)的比較：表3-1各種電機(jī)的比較電機(jī)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)相對功率應(yīng)用范圍直流電機(jī)容易購得型號多功率大太快，需減速器，較貴，控制復(fù)雜最強(qiáng)較大型的機(jī)器人舵機(jī)內(nèi)部帶減速器型號多易于安裝負(fù)載能力較低，速度可調(diào)范圍小中等小型機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)精確的速度控

35、制，型號多適合室內(nèi)機(jī)器人，功率與自重比小，功率小取習(xí)習(xí)巡線跟蹤機(jī)器人，室內(nèi)機(jī)器人電動(dòng)機(jī)可以選擇步進(jìn)電機(jī)，也可以選擇直流伺服電機(jī)。使用直流伺服電機(jī)能有精度高，額定轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點(diǎn)。所以本設(shè)計(jì)中6個(gè)關(guān)節(jié)都采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，開環(huán)控制。下面計(jì)算電機(jī)負(fù)載力矩。力矩計(jì)算的目的是選取電機(jī)，肩部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)只提供旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)力矩，肩部俯仰和肘關(guān)節(jié)提供在垂直空間運(yùn)動(dòng)力矩，而五個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度較慢，由此可見電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力18-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）矩在肩部俯仰關(guān)節(jié)上。以肩部俯仰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型為例，在設(shè)計(jì)的過程中，要計(jì)算出各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，必

36、須知道各關(guān)節(jié)的重心和質(zhì)量，在過去常采用估算的方法，誤差較大。本文采用solidworks軟件建立機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，利用該軟件的計(jì)算功能得出各個(gè)關(guān)節(jié)質(zhì)量及重心位置。具體數(shù)值為：肩部俯仰關(guān)節(jié)、肘部關(guān)節(jié)、腕部旋轉(zhuǎn)、腕部伸出關(guān)節(jié)質(zhì)量分別為8.7kg、10.3kg、20.67kg、25.59kg,重心距關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別是500mm、1000mm、1400mm、1800mm,腕部伸出部分質(zhì)量為35.72kg,重心距離關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心1900mm,電機(jī)重5kg,輪轂重15kg.本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂在圖3-1所示的位置時(shí)，大臂的俯仰電機(jī)所受負(fù)載力矩最大，所以所選電機(jī)能滿足這種情況就能符合實(shí)際的要求。圖3-1機(jī)械手極限

37、位置由于機(jī)械臂的轉(zhuǎn)速較低，所以可不考慮慣性力對轉(zhuǎn)軸的作用，摩擦阻力矩也可以忽略，所以大臂運(yùn)動(dòng)所需的力矩r必須要大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即克服整個(gè)機(jī)械臂，電機(jī)，以及抓取的重物的重力矩，表達(dá)式為：5T-Tf='、mgLGbG上（3-1）i13.3 減速器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所選的電機(jī)不能輸出上面算的力矩，為了能夠得到更大的輸出力矩，還必須要設(shè)計(jì)一個(gè)減速機(jī)構(gòu)。這里，我們采用了減速機(jī)，法蘭式擺線減速機(jī)有如下特點(diǎn)：1 .高速比和高效率，單級傳動(dòng)就能達(dá)到1:87的減速比，效率在90%以上2 .結(jié)構(gòu)緊湊體積小由于采用了行星傳動(dòng)原理，輸入軸輸出軸在同一軸心19-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）線上，使其機(jī)型獲得盡可能

38、小的尺寸。3 .設(shè)計(jì)合理，維修方便，容易分解安裝，最少零件個(gè)數(shù)以及簡單的潤滑。3.4 腰部的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)多關(guān)節(jié)機(jī)械手的設(shè)計(jì)中都是把電機(jī)固定在關(guān)節(jié)上以驅(qū)動(dòng)手臂，雖然看上去比較直觀，但對一個(gè)長且較重的多關(guān)節(jié)手臂而言，這樣一種結(jié)構(gòu)是很難獲得應(yīng)用的，并且由于運(yùn)動(dòng)慣性的加大，在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中也勢必造成控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜化。考慮將驅(qū)動(dòng)元件位置向下移動(dòng)到腰關(guān)節(jié)或者肩關(guān)節(jié)，這可以消除驅(qū)動(dòng)元件在手臂擺動(dòng)時(shí)所造成的系統(tǒng)慣量的大幅波動(dòng)，從而有效解決上述問題。將三臺驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別布置在腰關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)（對稱水平布置），這使得手臂重量問題迎刃而解。如圖3-2所示為腰部的剖視圖.腰部是通過蝸輪蝸桿來傳遞轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的腰部回轉(zhuǎn)，蝸

39、輪和蝸輪軸配合帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂座回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)腰部回轉(zhuǎn)。如圖3-2是腰部的剖視圖.圖3-2腰部剖視圖3.5 手臂的設(shè)計(jì)3.5.1 手臂的設(shè)計(jì)基本要求手臂的作用是在一定載荷和一定速度下，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手要求空間中的運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，基本要求有如下：1 .剛度高。為了防止臂部在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。2 .導(dǎo)向性好。為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形，花鍵等形式的臂桿。3 .重量輕。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減

40、小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減小整個(gè)手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。4 .運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)定位精度圖o20-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3.5.2大臂和小臂常用的臂部結(jié)構(gòu)有：1 .手部直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；機(jī)器人手臂的伸縮，橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的比較多。2 .手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。機(jī)械手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運(yùn)動(dòng)要求、操作環(huán)境、工作對象

41、的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動(dòng)范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在腰部上兩種形式，本機(jī)械手大臂采用回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手臂配置在驅(qū)動(dòng)臂座上的形式。電機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)大容旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)大臂硒。一|本設(shè)計(jì)大臂長度1100mm,如圖3-3圖3-3大手臂肩關(guān)節(jié)右側(cè)電機(jī)通過減速機(jī)，再通過連桿來控制小臂的俯仰，本設(shè)計(jì)的小臂長度1000mm,如圖3-421-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)3.5.3連桿本設(shè)計(jì)是通過連桿機(jī)構(gòu)來控制小臂的俯仰，連桿的結(jié)構(gòu)圖如圖3-5圖3-5連

42、桿結(jié)構(gòu)圖3.6手腕部的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用三自由度手腕。目前，大多數(shù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人都采用了三自由度手腕。主要有兩類1 .匯交手腕(或稱正交手腕)它是外&丫的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)。2 .偏置式手腕它是公印丫的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，但不匯交于一點(diǎn)這兩類手腕都是把3丫運(yùn)動(dòng)的減速器安裝在手腕上，可簡化小臂結(jié)構(gòu),但卻增加了手腕本身的重量和復(fù)雜程度。關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、腕轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其傳動(dòng)鏈分成二部分，一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi)，三個(gè)電機(jī)的輸出通過齒輪傳動(dòng)分別傳遞到同軸傳動(dòng)的心軸、中間套、外套筒上。另一部分傳動(dòng)鏈安排在手腕部。(1)臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)臂部外套筒與手腕殼體通過端面法蘭聯(lián)結(jié)，外套筒直接帶動(dòng)整個(gè)手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn)

43、動(dòng)。在外套筒右端還需小手臂旋轉(zhuǎn)法蘭和小手臂旋轉(zhuǎn)軸法蘭，左端通過前爪固定座與前爪法蘭相連。(2)腕擺運(yùn)動(dòng)臂部輸出的空心軸通過一組錐齒輪組，錐齒輪組安裝在前爪法蘭上，錐齒輪與前爪法蘭相重合，使前爪旋轉(zhuǎn)法蘭隨錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)而上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腕擺動(dòng)。22-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)(3)手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)如圖3-5,臂部心軸通過鍵聯(lián)結(jié)帶動(dòng)錐齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪組再與一組齒輪組合又一組錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，最后帶動(dòng)小手腕前端法蘭和腕部前端中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。末端執(zhí)行器與腕部前端中心軸配合，從而實(shí)現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。下圖3-5是手腕部的剖視圖圖3-5手腕部剖視圖3.7 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。通過法蘭盤與夾持器

44、固聯(lián)，利用腕部和小臂的旋轉(zhuǎn)，以及外部的擺動(dòng)帶動(dòng)末端夾持器在空間做任意的運(yùn)功。由于機(jī)械手要求2個(gè)夾持機(jī)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成兩邊對稱式的平行開合的氣爪，如圖3-6。圖3-6雙夾持機(jī)構(gòu)平行開合氣爪3.8 本章小結(jié)本章根據(jù)各種電機(jī)的特點(diǎn)選定了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，由于輸出的轉(zhuǎn)矩不夠有選擇了減速機(jī)來提高轉(zhuǎn)矩，之后查詢資料和手冊設(shè)計(jì)了腰部，手臂，手腕的結(jié)構(gòu)。下面是用solidworks畫的總體結(jié)構(gòu)圖和輪轂生產(chǎn)線示意圖，23-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）如圖3-7,圖3-8圖3-7圖3-824-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第四章傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核4.1 腰部蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)及校核4.2 腕部傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及

45、校核4.2.1 傳動(dòng)方案4.2.2 齒輪的設(shè)計(jì)及校核 齒輪組設(shè)計(jì) 直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)4.2.3 軸的設(shè)計(jì)圖4-3中間套結(jié)構(gòu)25-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖4-5小手腕部中心軸結(jié)構(gòu)畫出軸的受力分析簡圖如圖4-6圖4-6小手腕部中心軸的受力分析26-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1）畫轉(zhuǎn)矩圖圖3.8軸的轉(zhuǎn)矩和彎矩圖4.3 本章小結(jié)本章根據(jù)蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了腰部蝸輪蝸桿并進(jìn)行了校核，還設(shè)計(jì)了腕部的傳動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)有電機(jī)，減速機(jī)，直齒齒輪，錐齒輪及軸，前爪法蘭，前爪旋轉(zhuǎn)法蘭，對這些進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核。27-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）28-哈爾

46、濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第五章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1引言機(jī)器人控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分有計(jì)算機(jī)、控制的對象、數(shù)字和模擬輸入和輸出通道、開關(guān)量輸入和輸出通道、人機(jī)接口設(shè)備等。軟件部分包含了接口驅(qū)動(dòng)程序和測試控制程序等。本章主要研究了機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體方案，簡單介紹了系統(tǒng)的原理，5.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.2.1 控制系統(tǒng)的類型選擇機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心和樞紐，直接決定了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度和工作效率。機(jī)器人控制系統(tǒng)根據(jù)CPU提供的命令以及末端傳感器傳回的信號來控制機(jī)器人完成特定的動(dòng)作，到達(dá)特定的位置，從而完成相應(yīng)的任務(wù)。14本設(shè)計(jì)選用PC機(jī)+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式。5.2.

47、2 控制系統(tǒng)的硬件電路本章研究的機(jī)器人控制系統(tǒng)的任務(wù)主要是由PC機(jī)發(fā)送各種控制命令，經(jīng)PC程序進(jìn)行譯碼、預(yù)處理等處理后，再通過PCI總線接口芯片PCI9052與CPLD進(jìn)行通訊，將控制命令送入CPLD,然后CPLD將控制指令轉(zhuǎn)化為脈沖或電壓信號輸入到DSP中，這些信號（包括脈沖方向輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字量輸出信號和輸入信號）對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，輸出頻率可調(diào)的脈沖用來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過改變脈沖用的頻率和個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度和位置控制，多軸聯(lián)動(dòng)等功能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在空間中的運(yùn)動(dòng)。15控制系統(tǒng)硬件圖如圖5.1所示。29-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖5.1控制系統(tǒng)硬件圖5.3 PCI的接口設(shè)計(jì)P

48、CI9052提供高性能的接口連接，把各種外部電路和器件通過PCI9052與PCI總線相連，所以可以大幅度的提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，本地總線傳播速率最高可以達(dá)到132MB/S的傳輸速率13tPCI9052編程可實(shí)現(xiàn)復(fù)用/非復(fù)用的8位、16位、32位的本地總線接口。PCI9052還有內(nèi)部FIFO可以加速本地總線的操作。17PCI9052硬件電路接口圖如圖5-2所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用最大模式，雙口RAM的8根數(shù)據(jù)線和PCI9052的高8位數(shù)據(jù)線連接。PCI9052一共擁有四個(gè)主要接口:PCI總線接口、串行E2PROM接口、局部總線接口和ISA總線接口，由于在設(shè)計(jì)不需要使用ISA接口，所以在硬件電路圖中省略

49、了ISA總線接口。PCI9052中局部總線接口和ISA總線接口的引腳是可以復(fù)用的。PCI9052在整個(gè)系統(tǒng)中有著非常關(guān)鍵的作用，它把PCI總線與外圍電路所有的局部總線聯(lián)系在一起，將PCI總線命令（如讀寫某個(gè)寄存、內(nèi)存、I/O端口）傳遞到局部總線上，再有局部總線傳遞給外圍控制電路：同時(shí)，它還可以接受外圍電路傳回的反饋信號，并傳回PC機(jī)，由CPU進(jìn)行處理。30-哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖5-2PCI9052硬件電路接口圖5.4 DSP的設(shè)計(jì)5.4.1 DSP概述DSP（DigitalSignalProcessoi）是指數(shù)字信號處理器。DSP芯片是專門設(shè)計(jì)用在高速數(shù)字信號處理的微處理器。TMS320LF2807A是TI公司推出的一款面向數(shù)字控制系統(tǒng)，尤其是數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的DSP芯片,由于它除了具有數(shù)字信號處理器的一般特點(diǎn)外，片內(nèi)還增加了經(jīng)過優(yōu)化的、專門用于數(shù)字控制系統(tǒng)的外設(shè)電路，非常適合用來作為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器，所以在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器選用TMS320LF2807A作為DSP芯片。165.4.2 DSP硬件電路圖5-3為TMS320LF2807A結(jié)構(gòu)圖S44VIJANAM?saram?12K.?'LLASHSCI即坦CAN行!墳蚌滯存廿1艮I寄件笆理戕向用fl）全比比拴制方十輸入玨死圖5.3TMS320LF2807A結(jié)構(gòu)圖31-哈爾濱工業(yè)大