【正文】 耿老師一直致力于給我們營造了一個獨(dú)立、自由、開放以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)氛圍，從很大程度上激發(fā)了我獨(dú)立創(chuàng)新熱情和潛力，使我在機(jī)器人研究領(lǐng)域進(jìn)行了諸多有實際意義的工作，在整個課題研究過程中，耿老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，敏捷的思維，淵博的知識均使我受益終身。本次畢業(yè)設(shè)計的球坐標(biāo)機(jī)械臂應(yīng)該具有外形美觀、體積小、重量輕、成本低、傳動原理簡單等特點(diǎn)，為此機(jī)器人設(shè)計成具有三個自由度的結(jié)構(gòu)，機(jī)身、大臂和小臂組成。如下面機(jī)身底座底板的圖形結(jié)構(gòu)。 結(jié)果整理如下: 兩極同步帶類型均為為L型同步齒型帶Pb=,帶寬bs= 一級同步齒型帶齒數(shù): Zp1=80,帶長：Lp1=402mm，代號160 二級同步齒型帶齒數(shù): Zp2=125,帶長：Lp1=402mm，代號160 各帶輪齒數(shù)：Z1=13,Z2=60,Z3=17,Z4=40 各帶輪節(jié)徑：d1=，d2=，d3=，d4= 傳動中心距：L1=100mm，L2=115mm 圖13 工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)器臂大臂結(jié)構(gòu)圖 絲杠螺母設(shè)計設(shè)絲杠所受軸向載荷總和為200N，由于載荷較小，強(qiáng)度不成問題，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，從標(biāo)準(zhǔn)系列中選取以下參數(shù): 螺 距 :p=2mm，梯形螺紋 導(dǎo)程 : s=2mm 頭 數(shù) : Z=1螺母高度與螺紋中徑之比: =H/d2= 螺紋牙工作高度:h=1mm 絲杠耐磨性計算絲杠材料采用鋼，螺母材料選用青銅，根據(jù)［21］表38取許用比壓[P]一11N/mm2對于單頭標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋: d2≧ = （46） 式中:P一軸向載荷N, 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列，取絲杠公稱直徑d=10mm 絲杠穩(wěn)定性計算柔度：= l/i式中: 一長度系數(shù)，這里取2l一絲杠最大工作長度取200mmi一危險截面慣性半徑,i=d1/4= 帶入數(shù)據(jù)得：=2x200/= 絲杠臨界壓縮載荷:Pc=π2EI/(l)2 式中:E一彈性模量， I慣性矩，I=πd14/64= 代入數(shù)據(jù)得：Pc= 取絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)nW = 4 則:Pc/nw=》200N 故絲杠穩(wěn)定。對此機(jī)械臂，這些特點(diǎn)決定了它的驅(qū)動方式。另一方面，在交流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子式永久磁體，繞組在定子上。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR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(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。900，300/s； 小臂移動距離：300mm； 負(fù)載重量：20Kg； 驅(qū)動方式：直流或伺服電機(jī)。這樣，結(jié)構(gòu)大大簡化，成本也隨之降低。其主要應(yīng)用領(lǐng)域為電子電氣業(yè)、家用電器業(yè)、精密機(jī)械業(yè)。隨著敏捷制造時代的到來，模塊化設(shè)計會越來越顯示出其獨(dú)到的優(yōu)越性。我國的高等院校，如長沙國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及7自由度機(jī)器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)做出了可喜的成績，正在逐步縮短在機(jī)器人技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平的差距。在隨后的生產(chǎn)應(yīng)用中，為了適應(yīng)各種不同用途需要，相繼出現(xiàn)了直角坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)、極坐標(biāo)等許多種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機(jī)器人，可在水下600米處作業(yè)，裝有電視攝像機(jī)，可收集海底標(biāo)本，切割石油管道和纜索等。這種忠實的仆人具有“一次示教，終身難忘”的特點(diǎn)，動作準(zhǔn)確、可靠、分毫不差。 (2)第二代機(jī)器人是70年代開始出現(xiàn)的，其技術(shù)特點(diǎn)是采用計算機(jī)直接控制，是通過具有視覺、觸覺的攝像機(jī)和傳感器，能“感覺”外界信息并通過計算機(jī)進(jìn)行計算和分析 自動 地控制操作機(jī)進(jìn)行運(yùn)動和操作，因此，其控制方式較第一代機(jī)器人要復(fù)雜得多，目前這類機(jī)器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、排險救災(zāi)等場合應(yīng)用，并將進(jìn)入普及階段。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛。這種機(jī)器人(機(jī)械手)多為氣動或液動，用行程開關(guān)、機(jī)械擋塊來控制其工作位置。(3)手臂它由操作機(jī)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?？ㄅ蹇嗽趧”局兴茉斓囊粋€具有人的外表、特征和功能，愿意為人服務(wù)的機(jī)器奴仆“ Robot一詞衍生出來的。盡管在那個歷史時期，外國尚未出現(xiàn)“機(jī)器人”或者其他類似的名稱和類似的物體。司馬懿大奇，便派兵襲擊蜀軍運(yùn)糧隊，截獲了數(shù)匹木牛流馬，但不知蜀軍后勤兵丁在逃離之前對木牛流馬做了什么手腳，使這些被捕獲的“木牛流馬”“堅貞不屈”，拒不執(zhí)行魏軍的指揮，各自站在原地一動不動，任魏軍士兵使出百般手段和氣力，也不愿向前移動。通常機(jī)械臂由多自由度機(jī)械連桿和末端夾持器（也稱機(jī)械手）組成。我國機(jī)器人技術(shù)的研究工作起步較晚，雖已取得較大發(fā)展，但較之發(fā)達(dá)國家的水平仍有較大距離，應(yīng)積極探索適合我國國情的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用思路，開發(fā)低成本、高性價比的實用型工業(yè)機(jī)器人?？催^《三國演義》的人，大概都不會忘記，諸葛亮在和司馬懿斗智時，曾遇到蜀軍被魏軍圍困，陷于糧草接濟(jì)不上的危難境地。盡管古代的中外人士拘泥于古老的科學(xué)文化，和現(xiàn)在大科學(xué)時代的科學(xué)文化相差甚遠(yuǎn)，但是作為理想的追求、智慧的展現(xiàn)和社會的需求，他們腦海中的機(jī)器人的影像仍然留有深刻的痕跡。 現(xiàn)代機(jī)器人來到人世間還有一個重要原因，就是時代的變化對它所產(chǎn)生的迫切需求。隨著人們對機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識的加深，機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。 機(jī)器人的構(gòu)成及分類 機(jī)器人的構(gòu)成一個機(jī)器人系統(tǒng)，一般由操作機(jī)、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。這就是閉環(huán)控制。 、坐標(biāo)系特點(diǎn)分類 按機(jī)械結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)系特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型，圓柱坐標(biāo)型，球坐標(biāo)型，多關(guān)節(jié)型等。 4. 按機(jī)器人運(yùn)動控制方式分類(1)點(diǎn)位控制(PTP)機(jī)器人就是由點(diǎn)到點(diǎn)的控制方式，這種控制方式只能在目標(biāo)點(diǎn)處準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預(yù)定的操作要求?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復(fù)雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人可以勝任此任務(wù)，故廣泛用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和容器的焊接。搬運(yùn)物料的作業(yè)包括為機(jī)床上下料，為自動生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運(yùn)工件，搬運(yùn)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運(yùn)機(jī)器人，典型的搬運(yùn)機(jī)器人是T3和Funac機(jī)器人。因此，用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以滿足人們的需求，當(dāng)前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢，而機(jī)器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)各。它經(jīng)歷了第一代工業(yè)機(jī)器人的研究、實用化、普及，第二代感知功能機(jī)器人的研究、實用化，以及第三代智能機(jī)器人的研究等各個階段。（4） 低價格。為了滿足靈活性強(qiáng)、工作空間大、重量輕及結(jié)構(gòu)緊湊等工作要求，將其設(shè)計為具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)的機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂。但總體來說，國內(nèi)機(jī)器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。方案一具有以下特點(diǎn):，適合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載能力大、噪音小、效率高、定位安裝方便，由于使用標(biāo)準(zhǔn)件，價格也不高。通常的機(jī)械臂驅(qū)動方式有以下四種:：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。在所有電動機(jī)的設(shè)計及運(yùn)行中的一個重要問題是散熱，和其他設(shè)備發(fā)熱一樣，電動機(jī)所產(chǎn)生的熱量最終使其尺寸和功率的決定性因素。 位置速度控制精度高用直接驅(qū)動的系統(tǒng)往往其運(yùn)行特性要求具有很高的位置、速度控制精度。如圖9所示，設(shè)兩臂繞重心軸的轉(zhuǎn)動慣量為JG1根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: J1=JG1+ml12 （31） 其中，m=20kg l1為重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值為600mm 在式31中，JG1《m1l12可忽略不計 所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: J1 = ml12 （32） =20 = 2 第一自由度無刷直流伺服電機(jī)的選擇設(shè)大臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為w0=300/s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下(靜摩擦力矩忽略不計):T=Jw （33）式中:J一轉(zhuǎn)動慣量 2W0一角加速度 rad/s2使機(jī)器人大臂從w0=0到w1=300/s所需的時間為: △t= :T1=J1xW1=J1x(ww0)/t=（）=. 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為:T01= = =選擇行星齒輪減速器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖12 行星齒輪箱 型號:GP 62 技術(shù)參數(shù)表1 行星齒輪箱的數(shù)據(jù)參數(shù)行星齒輪箱直齒輸出軸輸出軸輸出端軸承輸出端軸承徑向間隙（離法蘭7mm處）徑向間隙（離法蘭7mm處）向間隙軸向間隙最大允許軸向載荷最大允許軸向載荷最大允許安裝力最大允許安裝力輸入輸出旋轉(zhuǎn)方向輸入輸出旋轉(zhuǎn)方向推薦允許輸入速度推薦允許輸入速度推薦運(yùn)行溫度范圍推薦運(yùn)行溫度范圍最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩:減 速 比 : i1 =100:1重 量 : 設(shè)行星齒輪減速器的傳遞效率: =70%,步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為: Tow1=TO1/(i1. )=60/()= (34)選擇直流無刷伺服電機(jī)：EC 45表2 第一自由度無刷伺服電機(jī)參數(shù)額定電壓36V空載轉(zhuǎn)速6300rpm空載電流397mA額定轉(zhuǎn)速5590rpm額定轉(zhuǎn)矩318mNm額定電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩3160mNm堵轉(zhuǎn)電流最大效率85%相間電阻相間電感轉(zhuǎn)矩常數(shù)速度/轉(zhuǎn)矩常數(shù)機(jī)械時間常數(shù)轉(zhuǎn)子慣量209gcm2機(jī)殼環(huán)境熱阻繞組機(jī)殼熱阻繞組熱時間常數(shù)電機(jī)熱時間常數(shù)1570s環(huán)境溫度范圍20—+100度繞組最高允許溫度+125度最高允許轉(zhuǎn)速12000rpm軸向間隙徑向間隙預(yù)載最大軸向載荷20N最大允許安裝力170N最大徑向載荷180N電機(jī)磁極對數(shù)1相數(shù)3電機(jī)質(zhì)量1150g速度常數(shù)176rpm/v 第二自由度無刷伺服電機(jī)的選擇第二自由度是小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即俯仰運(yùn)動，此時電機(jī)主要承受的主要是小臂軸回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，則小臂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為: T2=GL=200=設(shè)安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動效率為: =85% (單級傳動)。 大臂輸出軸設(shè)計圖15 大臂輸出軸 由式33知，此軸的設(shè)計功率為Pd=0 .382W，轉(zhuǎn)速w=150/s,n=15x60/360=： d≧C=最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=10mm，軸承部分軸徑選用 10，其余按結(jié)構(gòu)確定。側(cè)面用塑料，厚度3mm左右。時光飛逝，轉(zhuǎn)眼間我已是一個即將畢業(yè)的大學(xué)生，大學(xué)四年所學(xué)的知識在畢業(yè)設(shè)計中得到了充分的應(yīng)用和發(fā)展。我還要感謝父母這些年來對我無怨無悔的支持和幫助，是他們供養(yǎng)我完成了整個大學(xué)課程的學(xué)習(xí)，愿他們身體健康，生活幸福。此次設(shè)計經(jīng)過將近三個月的努力，但還沒有盡善盡美，還要根據(jù)社會的需求不斷改進(jìn)完善。大臂采用鑄造成型再經(jīng)過一些加工，如圖19所示。軸承部分45mm，軸承選為單列向心推力球軸承，軸承型號為66000，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。因為將小臂伸縮軸伸開至最大并與機(jī)座呈90度時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。與普通的低俗電動機(jī)不同的是適應(yīng)直接驅(qū)動的低速電動機(jī)系統(tǒng)必須具備以下幾點(diǎn)要求： 力矩慣量比大滿足這一要求是為了減少驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量對整個系統(tǒng)慣量的影響，提高系統(tǒng)的快速性。而除了步進(jìn)電機(jī)，其他類型的電動機(jī)都可以作為伺服電機(jī)使用。7. 對環(huán)境無污染，噪聲要小。圖9 傳動圖 如圖所示:大臂轉(zhuǎn)動采用行星齒輪減速器，小臂轉(zhuǎn)動采用二級同步帶減速，伸縮軸采用絲杠螺母傳動。隨著國內(nèi)教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，研究水平在某些方面己達(dá)到國際先進(jìn)水平。該機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂的突出特點(diǎn)是具備較強(qiáng)機(jī)動性、靈活性，機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)，具有較好的通用性，重復(fù)定位精度高，動作速度快，能夠成功的應(yīng)用于包裝、上下料以及工業(yè)生產(chǎn)等廣泛領(lǐng)域，設(shè)計將主要圍繞球坐標(biāo)型機(jī)械臂各部件結(jié)構(gòu)，將采用模塊化思想，進(jìn)行機(jī)械臂包括機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，此課題為自擬實際開發(fā)的科研課題。（3） 高質(zhì)量。智能機(jī)器人的研究是一個艱巨而又廣泛的問題，