【正文】 (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。 1編碼器 2電機(jī) 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(jī) 6 11減速器 12關(guān)節(jié) 5傳動(dòng)軸 13小臂箱 體 箱體 14減速器 15電機(jī) 5 16編碼器 圖 手腕部分裝配圖 手爪的設(shè)計(jì) 本教學(xué)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jì)方案，主要是利用 曲柄滑塊和 連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為張合力，同時(shí)以一個(gè)彈簧 來 張緊 ， 輔助手爪的嚙合運(yùn)動(dòng) 。 表 各關(guān)節(jié)極限力矩和功率計(jì)算結(jié)果 關(guān)節(jié)序號 1 2 3 4 5 6 極限力矩 (Nm) 計(jì)算功率 (W) 各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一關(guān)節(jié) 第一關(guān)節(jié)選用的是 XBl型諧波減速器。計(jì)算結(jié)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 果如下。 本章小結(jié) 本章主要完成的是教學(xué)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析， 主要是 機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。 確定好機(jī)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(jī)器人手臂的工作空間圖 [19， 20]。 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。 關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本教學(xué)機(jī)器人以 直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)器，其關(guān)節(jié)伺服控制的實(shí)現(xiàn)方法有 三種 ： (1)通用控制器組成伺服系統(tǒng)； (2)電機(jī)專用控制芯片組成的伺服系統(tǒng)； (3)多軸運(yùn)動(dòng)控制器。本機(jī)器人采用模擬式方法。因此這里邊涉及到一個(gè)傳動(dòng)精度與傳動(dòng)效率的問題。 綜合考慮到以上多種因素包括本機(jī)器人的性能需求，各種電機(jī)運(yùn)動(dòng)精度，控制精度和它們的特點(diǎn)，最后擬定機(jī)器人采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。操作機(jī)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(jī)械系統(tǒng)誤差 影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度的因素還有很多，本教學(xué)機(jī)器人擬定位置誤差為，定位精度和重復(fù)精度是機(jī)器人的兩個(gè)精度指標(biāo)．定位精度是指機(jī)器人末端件的實(shí)際位置與理想位置之間的差距。 在確定了機(jī)器人的自由度數(shù)之后，必須合理的布置各關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)這些自由度。教學(xué)機(jī)器人由于融合了造型技術(shù)、機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)軟件、硬件等眾多先進(jìn)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(jìn)技術(shù)的實(shí)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。 總體而言，目前國外教學(xué)機(jī)器人更多采用的是工業(yè) /教學(xué)機(jī)器人的方式，從而使教學(xué)機(jī)器人具備現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人類型多、精度高、可控性好等優(yōu)點(diǎn)。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)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(gè)重要內(nèi)容。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由 機(jī)械臂和 手 爪兩部分組成， 手爪與機(jī)械臂通過法蘭盤 聯(lián)接 ，可以安裝不同的手爪以實(shí)現(xiàn)不同的工作任務(wù)。一些公司也瞄準(zhǔn)這一市場，進(jìn)行了有針對性的研發(fā)。如德國機(jī)器人公司 (robotworker)生產(chǎn)的直角坐標(biāo)機(jī)工業(yè) /教學(xué)機(jī)器人，日本安川公司生產(chǎn)的 MOTOMAN－ UPJ 工業(yè) /教學(xué)機(jī)器人等等。 此外，還有 廣州市天河雙龍電子有限公司開發(fā)的 雙龍仿真教學(xué)機(jī)器 人SLBASIC 。關(guān)節(jié)型機(jī)器人也符合人類和動(dòng)物都具有關(guān)節(jié)型軀體特點(diǎn)的自然選擇規(guī)律。 圖 三自由度手腕結(jié)構(gòu)形式 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 有效負(fù)載和速度 有效負(fù)載是指機(jī)器人在工作時(shí)臂端可能搬運(yùn)的物體質(zhì)量或所能承受的力，他表示了機(jī)器人的負(fù)載能力。其中，電動(dòng)機(jī)尤其是伺服電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)由大臂中安裝的點(diǎn)集合傳動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)控制。可見機(jī)器人的位置或速度控制通常是在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行的，這樣從工程的觀點(diǎn)看，機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元是機(jī)器人單關(guān)節(jié)位置、速度控制，因此用于檢測關(guān)節(jié)位置或速度的傳感器也成為關(guān)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)組件的基本單元。同時(shí)，要兼顧到各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和臂板之間運(yùn)動(dòng)空間的相互重迭、相互干擾等 [1416]。 為了研究操作臂連桿 之間的唯一關(guān)系，可在每個(gè)連桿上固接一個(gè)坐標(biāo)系，然后描 述這些坐標(biāo)系之間的關(guān)系。 各連桿變換矩陣相乘，得教學(xué)機(jī)器人的總變換矩陣為 60T = )( 110 ?T )( 221 ?T )( 332 ?T )( 443 ?T )( 554 ?T )6(65 ?T (32) 式 (32)表明，總變換矩陣顯然是關(guān)節(jié)變量 2,1?? ， … 6? 的函數(shù)。 (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(yùn)行 仿真結(jié)果的運(yùn)行和分析 在建立仿真模型之后，為了更清楚的表達(dá)教學(xué)機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)，可進(jìn)行編程模擬機(jī)器人的抓取動(dòng)作。本機(jī)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(diǎn)，各連桿重量集中在連桿中間，且按設(shè)計(jì)的零件圖紙估計(jì)各關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)連桿重量如表 。 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。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(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 如圖 。 經(jīng)過簡化分析，可得 橫向力 NF ??? 傾覆力矩 (順時(shí)針方向 ) mmNFM ???? 5 3 1 22 0 00 。計(jì)算步驟如下所示。電機(jī)軸與波發(fā)生器相聯(lián)，輸入剛輪、電機(jī)殼體和固定箱體固連，輸出剛輪與臂板相聯(lián)。 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。由機(jī)器人動(dòng)力學(xué)知識可知。 (a) 運(yùn)行 仿真程序可得教學(xué)機(jī)器人的 結(jié)構(gòu)模型 如圖 所示，其中圖 (a)為手爪的運(yùn)行結(jié)果，圖 (b)為手臂的運(yùn)行結(jié)果。 10T = ? ? ? ? ? ?1,11,10,1 dzT ra n saxT ra n sxR o t ? ? ?1,1?zRot =???????????? ?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? 。本章首先根據(jù)任務(wù)要求擬定機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)，然后確定其基本的結(jié)構(gòu)形式以及手腕配置形式，對其驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)系統(tǒng)以及傳感檢測系統(tǒng)進(jìn)行比較選擇，最后，介紹控制系統(tǒng)總體框架 ，本教學(xué)機(jī)器人整體控制系統(tǒng)方案采用 PC為上位機(jī)， AT89C51為下位機(jī)的主從式控制結(jié)構(gòu)，選用 AT89c51和 LM629N控制芯片，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)控制 。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 本教學(xué)機(jī)器人的控制方案 六自由度的教學(xué)機(jī)器人機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的控制對象，從體 系上講，其是一個(gè)多自由度的串聯(lián)臂機(jī) 器人。在這些控制方式中，機(jī)器人系統(tǒng)所應(yīng)具有的基本傳感單元是位 置和速度傳感器。這使得機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比較緊湊。功率偏大時(shí)，體積較大，并且其空間分辨率較低，只適于傳動(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。 (a)BRR型手腕 (b)RBR型手腕 (c)RRB型手腕 (d)RRR型手腕 在上圖所示六種形式的結(jié)構(gòu)簡圖中， (b)形式的結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單而運(yùn)動(dòng)控制方便，應(yīng)用也較多。結(jié)合 本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機(jī)器人。如首鋼莫托曼機(jī)器人有限公 司開發(fā)的機(jī)器人 RTLab，具有開放性、控制系統(tǒng)并具有高可靠性，很適用于教學(xué)科研領(lǐng)域 。 作為一種教學(xué)機(jī)器人， HERO－ I 從實(shí)用角度而言存在著一些明顯的弱點(diǎn)，主要表現(xiàn)為步進(jìn)電機(jī)力矩太小以及移動(dòng)時(shí)的定位精度太差 (其前輪光柵刻度太粗，一個(gè)脈沖當(dāng)量約 )。教學(xué)機(jī)器的目的是為了給學(xué)生做示范，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)輔助性工具。 設(shè)計(jì) 了教學(xué)機(jī)器人控制方案，對機(jī)器人 進(jìn)行 了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析， 建立了機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)學(xué) 方程 。1 課題來源及研究意義 ....................................................................... 1 國 內(nèi)外教學(xué)機(jī)器人發(fā)展概況 ........................................................... 1 國外 教學(xué)機(jī)器人 的發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................. 2 國內(nèi) 教學(xué)機(jī)器人 的發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................. 3 本文的主要研究內(nèi)容 ....................................................................... 5 第 2 章 教學(xué) 機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 美國 Heath kit 公司在上世紀(jì)八十年代開發(fā)了 ET－ 18 HERO－ I教學(xué)機(jī)器人，該教學(xué)機(jī)器人是一種小型移動(dòng)機(jī)器人，其手臂有五個(gè)自由度。 國內(nèi) 教學(xué)機(jī)器人概況 近年來，國內(nèi)許多高校都自行開發(fā)了不同型號的教學(xué)機(jī)器人，并已投入使用。 本文的主要研究內(nèi)容 本課題“教學(xué)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真 ”的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)示教再現(xiàn)的 教學(xué)機(jī)器人，要求能完成較復(fù)雜的教學(xué)任務(wù)，同時(shí)要求對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真。同時(shí)，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解有著非常密切的關(guān)系。引起定位誤差的因素并不一定對重復(fù)精 度有影響。 教學(xué)機(jī)器人的本體是指其機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，也就是機(jī)器人的支撐基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)的精度對于機(jī)器人的綜合精度的影響很大。如下圖所示。 末端用 LM629N的