【正文】 n install other hand, in order to plete the different task. Designed the machine39。設(shè)計了機器人 裝配圖和零件圖，并對驅(qū)動電機、編碼器和減速器等進行了計算選型 ，設(shè)計校核了關(guān)鍵零部件 。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 摘 要 教學(xué)機器人作為 一 種先進技術(shù)的實物載體，在教學(xué)中的位置越來越重要。機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由 機械臂和 手 爪兩部分組成， 手爪與機械臂通過法蘭盤 聯(lián)接 ，可以安裝不同的手爪以實現(xiàn)不同的工作任務(wù)。 關(guān)鍵詞 ： 教學(xué) 機器人 ；運動 學(xué)分析 ； 機械爪 ； 仿真哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 ABSTRACT EDU Robot as an advanced technology， in the teaching position in an increasingly important. it blends technique， machinery and electronic form， sensors and puter software， hardware etc many advanced technology and related technical courses for individual teaching is a better teaching platform. In this article for the associated documents and information on the basis of established six DOF joint type of robot to the general programme, including the robot39。 49 致 謝 目前，隨著機器人相關(guān)課程教學(xué)改革的逐步深入，一些機器人相關(guān)的課程開設(shè)，國內(nèi)一些高校加大了這方面的投入，或購買工業(yè)機器人加以改造，或進行了專門的研制。例如 ： 廣州市天河雙龍電子有限公司研發(fā)的雙龍 2D仿真教學(xué)機器人、北京神州昕科技有限公司開發(fā)的搬運機器人、以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實精密測控有限責(zé)任公司研制的幾種不同自由度數(shù)的教學(xué)機器人產(chǎn)品等。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 一個重要內(nèi)容?？梢钥刂破邆€步進電機和一個伺服電機，同時還具有聲納測距傳感器，聲強、光強傳感器，運動檢測傳感器，以及語音功能。而在目前，國外很多著名的機器人生產(chǎn)公司更多采用的是教學(xué) /工業(yè)兩用機器人的方式，以達(dá)到實用和教學(xué)培訓(xùn)兩用的目的。同時，結(jié)合該公司 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 圖 Hero機器人 圖 Motoman UPJ 的示教盒，該機器人也可用于教學(xué)和培訓(xùn)。 總體而言，目前國外教學(xué)機器人更多采用的是工業(yè) /教學(xué)機器人的方式，從而使教學(xué)機器人具備現(xiàn)代工業(yè)機器人類型多、精度高、可控性好等優(yōu)點。除此以外，許多科研單位、企業(yè)與高校合哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 作，聯(lián)合開發(fā)教學(xué)機器人 。 該機器人的控制器使用 PC機為平臺，其全開放的控制軟硬件系統(tǒng)，可以方便地用于機器人控制技術(shù)研究、開發(fā)工作，使用者能夠在此平臺上開發(fā)研究自己的控制算法，也可進行仿真動作確認(rèn)算法的正確性，還可進行實機驗證；對機器人應(yīng)用技術(shù)的研究者，該機器人提供了很好的軟件控制接口，可以實現(xiàn)各種實時的插補級別的運動控制與補償，實現(xiàn)靈活的動作規(guī)劃與控制 [3]。 雙龍仿真教學(xué)機器人軟件平臺，根據(jù)實驗項目編程內(nèi)容要求，可以選擇不同工作場地。教學(xué)機器人由于融合了造型技術(shù)、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件等眾多先進技術(shù)，可為各相關(guān)技術(shù)課程教學(xué)提供很好的教學(xué)平臺，作為這種先進技術(shù)的實物載體，在教學(xué)中的位置也越來越重要，值得加大研發(fā)力度。針對此任務(wù)，本設(shè)計 完成 的主要 工作包括 ： 1． 設(shè)計教學(xué)機器人 的 總 體 方案， 包括機械結(jié)構(gòu)方案和控制系統(tǒng)方案； 2．建立教學(xué)機器人的正、逆運動學(xué)方程，分析了機器人的工作空間，應(yīng)用 MATLAB進行了運動學(xué)分析和規(guī)劃 ； 3．設(shè)計教學(xué)機器 人的機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機器人的裝配圖和零件圖，對關(guān)鍵零件進行了設(shè)計校核，選擇了電機 。關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機器人在相同的體積條件下比非關(guān)節(jié)型的機器人具有大得多的相對空間 (即手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比 )和絕對工作空間 (即手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積 )。機器人的自由度數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配。 在確定了機器人的自由度數(shù)之后，必須合理的布置各關(guān)節(jié)來實現(xiàn)這些自由度。前三個關(guān)節(jié)采用典型的關(guān)節(jié)式機器人結(jié)構(gòu)，前面以作分析，在此不作贅述。本機器人系 統(tǒng)擬定采用圖中 (b)所示的 RBR結(jié)構(gòu)。 不同的速度和應(yīng)用場合，機器人的負(fù)載是不同的，本教學(xué)機器人所要完成的任務(wù)是示教演示，因此所要求的運動速度較慢，以便表達(dá)清楚，而且所承受的負(fù)荷也很小，因此可擬定其負(fù)載為 ，其中包括 手爪的質(zhì)量。操作機臂端的位置誤差為 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 位置誤差 =1/2系統(tǒng)分辨率 +機械系統(tǒng)誤差 影響機器人運動精度的因素還有很多，本教學(xué)機器人擬定位置誤差為，定位精度和重復(fù)精度是機器人的兩個精度指標(biāo)．定位精度是指機器人末端件的實際位置與理想位置之間的差距。 本教學(xué)機器人系統(tǒng)擬定其定位精度為 。 因此，通常采用的驅(qū)動器主要有 ： 電動機 (包括伺服電機、步進電機、直接驅(qū)動電機 )，液壓驅(qū)動器，氣壓驅(qū)動器，形狀記憶金屬驅(qū)動器，磁性伸縮驅(qū)動器。 本教學(xué)機器人主要是用于教學(xué)和科研的，它將作為一個機電一體化的產(chǎn)品展示給學(xué)生，對比以上各種驅(qū)動方式的特點和各種驅(qū)動方式的特點和本機器人所需求的性能特點，因此可以排除用氣動驅(qū)動和液壓驅(qū)動的可能，即采用電動機驅(qū)動的方式。 綜合考慮到以上多種因素包括本機器人的性能需求，各種電機運動精度，控制精度和它們的特點，最后擬定機器人采用直流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)。 基座是鋁制鑄件。在大臂末端連接的是小臂，連接它們的是肘關(guān)節(jié)。 總體結(jié)構(gòu)方案圖如下所示： 圖 總體結(jié)構(gòu)示意圖 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 傳 動系統(tǒng)及傳感檢測系統(tǒng)方案的選擇 前面已經(jīng)選擇好電機類型并擬定了教學(xué)機器人的運動速度和加速度，由于直流電機的轉(zhuǎn)速很快，而要求的轉(zhuǎn)速很低，因此每個驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動的電機必須聯(lián)接上減速器。因此這里邊涉及到一個傳動精度與傳動效率的問題。 至于傳動系統(tǒng)的效率，不同的傳動系統(tǒng)的效率是有著很大差異的，在某些場合，效率對選擇傳動系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，例如水下無纜機器人及其它電池供電的場合，對效率的要求是非常高的。無論是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)式還是混合式，控制機器人時通常需要將機器人的末端操作器在笛卡爾坐標(biāo)空間中的位姿或軌跡，再通過控制各個關(guān)節(jié)聯(lián)動實現(xiàn)末端操作器的操作。而旋轉(zhuǎn)式光電編碼器又分為多種類型，根據(jù)檢測角度位置的方式分為：絕對型編碼器和增量型編碼器兩種。本機器人采用模擬式方法。機器人控制系統(tǒng)分為無線通訊、關(guān)節(jié)運動控制和外圍電路三部分 [13]。要 實現(xiàn)有效的控制，就需要使各個關(guān)節(jié)之間相互協(xié)調(diào)，共同完成某一確定工作。但由于 PC 機一般只有兩個接口，哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 因此 在上、下位機之間使用 MoXA CI134接口卡， 再使用 RS85串口進行連接 ，每個單片機控制兩個關(guān)節(jié)運動 。 關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)設(shè)計 本教學(xué)機器人以 直流電機為驅(qū)動器，其關(guān)節(jié)伺服控制的實現(xiàn)方法有 三種 ： (1)通用控制器組成伺服系統(tǒng)； (2)電機專用控制芯片組成的伺服系統(tǒng)； (3)多軸運動控制器。由于目前直流電機通常采用 H橋電路作為功率放大電路，采用 PWM方式調(diào)速，因此采用LM629N組成關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)如圖 。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 第 3章 教學(xué)機器人的運動分析 關(guān)節(jié)型機器人實質(zhì)上是依靠各關(guān)節(jié)坐標(biāo)值的改變來運行的。為了便于描述這些連桿的相互關(guān)系 ， 在每一連桿關(guān)節(jié)上設(shè)立一個坐標(biāo)系 ， 利用齊次變換就可以方便地描述這些坐標(biāo)系間的相對位置和姿態(tài) 。 本文對此也不做詳細(xì)介紹，由參考資料 [4][7]可得出以下結(jié)論。 連桿坐標(biāo)系和連桿參數(shù) 按照 DH方法，建立如圖 ，并得出各關(guān)節(jié)的參數(shù)值如下表所示。以下類似。 為校核總變換矩陣 60T 的正確性，可計算 ?????? 065421 ????? ，??903? 時手臂變換矩陣 60T 的值。 確定好機器人的各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸，即可編寫程序，利用 matlab軟件生成機器人手臂的工作空間圖 [19， 20]。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 仿真模型的建立 本教學(xué)機器人分為機械手臂部分和末端執(zhí)行機構(gòu)兩部分， 使用SimMechanics 建立教學(xué)機器人的機械臂及機械爪的仿真模型， 并設(shè)置各個模塊的參數(shù)、機械環(huán)境、仿真參數(shù) [23]。由 MATLAB 機構(gòu)仿真程序運行的結(jié)果來看兩大部分均能合理的運動。 本文僅要求模擬教學(xué)機器人完成抓物動作時末端的軌跡，因此可對控制進行簡化， 可以 在每個關(guān)節(jié)處輸入一個相應(yīng) reapeting的控制模型， 并對此信號進行參數(shù)設(shè)置 ，即可達(dá)到要求。 本章小結(jié) 本章主要完成的是教學(xué)機器人的運動學(xué)分析， 主要是 機器人手臂的運動學(xué)正解。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 28 第 4章 教學(xué)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人的各部分機械結(jié)構(gòu)是支持其完成各項任務(wù)的關(guān)鍵，這包括對它的合理設(shè)計，材料選用，電機選擇零件的加工工藝，裝配精度以及負(fù)載要求等各種因素，都直接影響機器人的性能。完整的機器人動力學(xué)方程具有如下形式： )()(),()( qGqFqqqCqqMQ ???? ????? (41)式中： q —— 關(guān)節(jié)位置向量 q? —— 關(guān)節(jié)速度向量 q? —— 關(guān)節(jié)加速度 向量 M —— 操作慣性張量 C —— 與哥氏加速度和向心加速度有關(guān)的量 F —— 與粘性摩擦和庫侖摩擦有關(guān)的量，它還與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置有關(guān) G —— 慣性負(fù)載 Q—— 關(guān)節(jié)廣義力向量 由第 3章所確定的連桿參數(shù)構(gòu)建的機器人模型如圖 4． 1所示。機器人的計算公式如下。計算結(jié)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 果如下。 4T = (4)第 3關(guān)節(jié) 如圖 4． 2所示。第 2關(guān)節(jié)受：負(fù)載、第 6關(guān)節(jié)、第 5關(guān)節(jié)、 45臂板、第 4關(guān)節(jié)、第 3關(guān)節(jié)、 23關(guān)節(jié)臂板重力產(chǎn)生的扭矩和加速度附加扭矩。 電機和減速器的選擇應(yīng)該綜合考慮，所選電機的功率應(yīng)該大于計算功率，并留有一定的余量，所選減速器的額定輸出扭矩應(yīng)該大于計算的關(guān)節(jié)極限力矩，并留有一定的余量。 表 各關(guān)節(jié)極限力矩和功率計算結(jié)果 關(guān)節(jié)序號 1 2 3 4 5 6 極限力矩 (Nm) 計算功率 (W) 各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 第一關(guān)節(jié) 第一關(guān)節(jié)選用的是 XBl型諧波減速器?；娃D(zhuǎn)動箱體產(chǎn)生相對運動。當(dāng)電機軸轉(zhuǎn)動時，輸出剛輪相對輸入剛輪以一定的傳動比傳遞電機軸的轉(zhuǎn)速。小臂臂板與肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸固連在一起，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，運動通過傳動軸和錐齒輪傳遞，使大臂與小臂之間產(chǎn)生上下旋轉(zhuǎn)運動。 1編碼器 2電機 4 3減速器 4關(guān)節(jié) 4軸 5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)殼體 6小齒輪 7大直齒輪 8支撐板 9轉(zhuǎn)軸 10電機 6 11減速器 12關(guān)節(jié) 5傳動軸 13小臂箱 體 箱體 14減速器 15電機 5 16編碼器 圖 手腕部分裝配圖 手爪的設(shè)計 本教學(xué)機器人設(shè)計的手腕部分末端接一法蘭盤，可接各種末端執(zhí)行器 (手爪 )，以執(zhí)行各種任務(wù)，這里也做出一種設(shè)計方案，主要是利用 曲柄滑塊和 連桿機構(gòu)傳動使電機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為張合力，同時以一個彈簧 來 張緊 ， 輔助手爪的嚙合運動 。對于一般及其的軸，應(yīng)進行強度校核，以防止因軸的強度不夠而斷裂；對于剛度要求高的軸和受力大的細(xì)長軸等，還需進行剛度校核，以防止軸工作過程中產(chǎn)生過大的變形；對于高速運轉(zhuǎn)的軸還要進行振動穩(wěn)定性計算，以防止軸發(fā)生共振 [2526]。 (1)先將階梯軸簡化為簡支梁。當(dāng)量彎矩在 8? 軸段中間截面處。 (11)安全系數(shù) 彎曲安全系數(shù) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 43 3751 ?????? ?mkS ????????? 扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) 3 6 . 1 23 . 5 90 . 2 53 . 5 90 . 9 20 . 8 31 . 3 1255τψβεkτSmτττ1τ ???????? ? 復(fù)合安全系數(shù) 2222 ????????? SSS SSS ca???? 根據(jù)校核，截面 A足夠安全。 ，螺栓數(shù) z=4， 對稱