【正文】 ? ?1000110000110011dcssc 21T = ? ? ? ? ? ?2,22,21,2 dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?2,2?zRot =??????????????1000002201001022csasc 32T = ? ? ? ? ? ?333323 , dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?33,?zRot =???????????? ?1000010000332033csasc 43T = ? ? ? ? ? ?444434 , dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?44,?zRot =???????????? ?1000004451000044csdsc 54T = ? ? ? ? ? ?444434 , dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?44,?zRot 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 =???????????????1000005501000055cssc 65T = ? ? ? ? ? ?444434 , dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?44,?zRot =??????????????1000006601000066cssc (31) 式中， 1s 、 2s ? 6s 、 1c ， 2c ? 6c 分別表示為 1sin? 、 2sin? ? 6sin? ， 1cos? 、2cos? ? 6cos? 。 633161 TTT? =??????????????1000111111111111zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaon (33) 其中， xn1 =(c2c3s2s3)*(c4c5c6s4s6)(c2s3+s2c3)*s5c6 yn1 =(s4c5c6+c4s6) zn1 =(s2c3+c2s3)*(c4c5c6s4s6)+(s2s3+c2c3)*(s4c5c6+c4s6) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 xo1 =(c2c3s2s3)*(c4c5s6s4c6)+(c2s3+s2c3)*s5s6 yo1 =s4c5s6c4c6 zo1 =(s2c3+c2s3)*(c4c5s6s4c6)+(s2s3+c2c3)*(s5s6) xa1 =(c2c3s2s3)*c4s5+(c2s3+s2c3)*(c5) ya1 =s4s5 za1 =(s2c3c2s3)*c4s5+(s2s3+c2c3)*(c5) xp1 =(c2c3s2s3)*a3+(c2s3+s2c3)*d4+a1 zp1 =0 zp1 =(s2c3+c2s3)*a3+(s2s3+c2c3)*(d4) 于是，可求得教學(xué)機器人的總變換矩陣為 611060 TTT? =????????????1000zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaon (34) 其中， xn =c1*(c1c2s2s3)*(c4c5c6s4s6)+s5c6c1*(c2s3s2c3)+s1*(s4c5c6+c4s6) yn =s1(c2c3s2s3)*(c4c5c6s4s6)s1*(c2s3+s2c3)*s5c6c1*(s4c5c6+c4s6) zn =(s2c3+c2s3)*(c4c5c6s4s6)+(s2s3+c2c3)*(s4c5c6+c4s6) xo =c1(c2c3s2s3)*(c4c5s6s4c6)+c1*(c2s3s2c3)*(s5s6)+s1*(s4c5s6+c4c6) yo =s1*(c2c3s2s3)*(c4c5s6s4c6)s1(c2s3+s2c3)*(s5s6)+(c1)*(s4c5s6+c4c6) zo =(s2c3+c2s3)*(c4c5s6s4c6)+(s2s3+c2c3)*(s5s6) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 xa =c1*(c2c3s2s3)*c4s5+c1(c2s3+s2c3)*(c5)+s1s4s5 ya =s1(c2c3s2s3)*c4s5+c1*(c2s3s2c3)*(c5)c1s4s5 za =(s2c3+c2s3)*c4s5+(s2s3+c2c3)*(c5) xp =c1(c2s3+s2c3)*(d4)+c1*(c2a2+a1) yp =s1*(c2s3+s2c3)(d4)+s1(c2a2+a1) zp =(s2s3+c2c3)*(d4)+s2a2+d1 上式即為本教學(xué)機器人的總變換矩陣 60T ，即位姿運動方程描述了末端連桿坐標系 ??6 相對于基座標系 ??0 的位姿。由于工作空間的形狀和大小反映了機器人工作能力的大小，因為他對于機器人的應(yīng)用時十分重要的。因此，本模型選用 SimMechanics 工具箱作為 其建模和仿真工具 [21]。 (a) 運行 仿真程序可得教學(xué)機器人的 結(jié)構(gòu)模型 如圖 所示，其中圖 (a)為手爪的運行結(jié)果，圖 (b)為手臂的運行結(jié)果。下面介紹本教學(xué)機器人的關(guān)節(jié)位置控制。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 XY視圖 YZ視圖 圖 末端 位置仿真曲線 從圖 ，能實現(xiàn)預(yù)期的工作目標。 最后建立了機械手和機械爪的機構(gòu)仿真模型，并模擬了機器人工作的末端軌跡。由機器人動力學(xué)知識可知。 關(guān)節(jié)極限力矩由重力負載 (包括設(shè)計的任務(wù)負載重量 )和加速度負載組成。 根據(jù)上述公式按照從末端關(guān)節(jié)到基座關(guān)節(jié)的順序進行力矩計算。按式 (42)計算得： 5T = (3)第 4關(guān)節(jié) 如圖 4． 1，第 4關(guān)節(jié)受：負載周向扭轉(zhuǎn)力和加速度附加扭矩 (4__5臂板、第5關(guān)節(jié)、第 6關(guān)節(jié)偏心力忽略 )。 3T = (5)第 2關(guān)節(jié) 第 2關(guān)節(jié)受力最大位置如圖 4． 2所示?，F(xiàn)將各參數(shù)歸納如 表 所示。 比較表 ，各參數(shù)均符合要求。當(dāng)電機軸轉(zhuǎn)動時，柔輪相對剛輪以一定的傳動比傳 遞電機軸的轉(zhuǎn)速。電機軸與波發(fā)生器相聯(lián)，輸入剛輪、電機殼體和固定箱體固連，輸出剛輪與臂板相聯(lián)。采用的是哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 33 瑞士的 AMAX電機，減速器，編碼器，置于大臂臂板尾端以 利于平衡，而傳動方式則是在電機和減速器軸端連接聯(lián)軸器，通過傳動軸傳遞力矩，利用錐齒輪傳動進行傳動。而第六關(guān)節(jié)固連在第哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 36 五關(guān)節(jié)箱體上，采用的的電機等尺寸必須較小，且由于此關(guān)節(jié)控制簡單 ，精度 要求也不高，因此可不使用編碼器來控制運動，而可通過控制脈沖電流進行控制。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 37 1手掌殼體 2連桿 1 3連桿 2 4手指 5指墊 6螺釘 7彈簧 8銷釘 9法蘭盤 圖 手爪裝配圖 關(guān)鍵零件的校核 為了保證軸的正常工作，要對軸的工作能力進行計算，即對軸的強度、 剛度和振動穩(wěn)定性等方面進行計算。計算步驟如下所示。 (5)許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值用插入法，由機械設(shè)計查得 [ b1?? ]=60MPa， 則折合系數(shù)為 ][ ][ 01 ??? ? bb??? (6)畫當(dāng)量彎矩圖 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 mNT ???? ? 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩圖見圖 (h)。 如果一個截面上的多種產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)分別求出其有效應(yīng)力集中系數(shù)，從中取出最大值，由機械設(shè)計手冊查得 ??? ， ??? 。 根據(jù)末端手臂的自重及負載情況，先簡化其模型如下圖所示。 經(jīng)過簡化分析，可得 橫向力 NF ??? 傾覆力矩 (順時針方向 ) mmNFM ???? 5 3 1 22 0 00 。 。 另外本教學(xué)機器人使用了較多的螺紋聯(lián)接，對于重要的 聯(lián)接，應(yīng)根據(jù)聯(lián)接的工作載荷，分析各螺栓組聯(lián)接的手里狀況，找出受力最大的螺栓進行強度校核。 mmNTMM e ?????? )( 2222 ? (7)校核軸徑 軸徑 mmmmMdb ][ 3313??????? (8)判斷危險截面 初步分析可知，顯然在截面 A處承受力矩、彎矩較大，有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下面對其進行校核。 如圖 。 本教學(xué)機器人運動速度較慢而且平穩(wěn)，無大的沖擊，但是從 結(jié)構(gòu)可以看出關(guān)節(jié) 5的輸出軸較為細長而且承受較大的彎矩，因此有必要進行強度校核。手爪的驅(qū)動裝置采用 protescap的直流電機和減速器由于結(jié)構(gòu)簡單，運行時，電機軸 僅作整 轉(zhuǎn)運動即可完成抓物動作， 運動精度也要求不高， 因此不需要編碼器來 進行位置、速度的 控制 。 第三關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。從而最終使得固定的肩部支架與大臂臂板之間產(chǎn)生相對運動，實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)基座固定時，轉(zhuǎn)動箱體旋轉(zhuǎn)形成所要的運動。圖 。電機的額定扭矩乘以減速比再乘以效率后應(yīng)該大于哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 32 關(guān)節(jié)極限力矩，并有一定余量。 2T = (6)第 1關(guān)節(jié) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 31 第 1關(guān)節(jié)受力主要是加速度附加扭矩以及摩擦力。顯然在此位置是，關(guān)節(jié) 3所受到的轉(zhuǎn)矩為最大。 (1)第 6關(guān)節(jié) 如圖 4． 1，第 6關(guān)節(jié)受：負載扭矩、自重偏心扭矩 (此處為理想狀態(tài) O)和加速度附加扭矩。 ???????? ???? 7777 ji ljlijji lijliji jijijji ij JglmJglmT ?? (42) im ， lim —— 如表 ； ijl —— 極限位置時，第 i關(guān)節(jié)質(zhì)心所在的鉛垂線距第 j關(guān)節(jié)軸線的距離； ijJ —— 極限位置時，第 i關(guān)節(jié)質(zhì)量對第，關(guān)節(jié)軸線的轉(zhuǎn)動慣量， 2ijiij rmJ ? ， 其中， ijr 第 i關(guān)節(jié)質(zhì)心到第 j關(guān)節(jié)軸線的距離； lijJ —— 極限位置時，第 i號臂板對第 j關(guān)節(jié)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 (當(dāng) 4,2?i 時，lijJ 為 0) ， 2lijlilij rmJ ? ，其中 lijr 為第 i號臂板到第 j關(guān)節(jié)軸線的距離 ； j? —— 極限位置時，第 j關(guān)節(jié)的角加速度。本機器人主要箱體材料采用鋁合金，密度為 3/ mg 為估算各關(guān)節(jié)所需力矩，先假定各哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 關(guān)節(jié)的重量集中在關(guān)節(jié)理論中心點，各連桿重量集中在連桿中間，且按設(shè)計的零件圖紙估計各關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)連桿重量如表 。針對本教學(xué)機 器人的各項要求，本章主要完成機器人的機構(gòu)設(shè)計。機器人的運動學(xué)分析方法有很多，本機器人的運動學(xué)正解主要采用DH法建立連桿坐標系進行分析求解 。 設(shè)置 手臂的初始位置為各關(guān)節(jié)臂桿處于豎直狀態(tài)，手臂的動作為腰部關(guān)節(jié)做 30 度的旋轉(zhuǎn)然后大臂小臂分別向下轉(zhuǎn)動90度和 30度的范圍，使手爪處于目標物件處，最后腰部再旋轉(zhuǎn) 60度使手爪能將目標物體置于指定位置。 (b) 圖 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 (a) (b) 圖 仿真模型運行 仿真結(jié)果的運行和分析 在建立仿真模型之后，為了更清楚的表達教學(xué)機器人的功能實現(xiàn)，可進行編程模擬機器人的抓取動作。 SimMechanics 仿真模型見圖 。視圖如下。計算結(jié)果為 60T =???????????? ??100010010010421100ddaa 這與教學(xué)機器人的初始位姿情況完全一致，經(jīng)過手算和 MATLAB驗證，