【文章內(nèi)容簡介】 要缺點是 :齒面摩擦力大 ， 發(fā)熱量高 ，傳動效率低 。 蝸桿傳動通常用于中、小功率非長時間連續(xù)工作的應(yīng)用場合 。 本文所選用的電機(jī)都采用了 電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力 ， 但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動各個連桿的運(yùn)動 。 為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動 ， 并且不降低控制精度 ， 采用了齒形帶傳動 。 齒形帶傳動是同步帶的一種 ， 用來傳遞平行軸間的運(yùn)動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動 ， 在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動 。 齒形帶傳動原理如圖 所示 。 齒輪帶的傳動比計算公式為 2112 zznni ?? () 齒輪帶的平均速度 av 為 2211 ntzntzv a ?????? () 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 圖 諧波齒輪輪傳動：諧波傳動包括三個基本構(gòu)件：柔輪、剛輪和波發(fā)生器 。 如下圖所示 。 三個構(gòu)件中可以任意固定一個 ， 其余兩個一個固定 ， 一個從動 ， 可以實現(xiàn)減速或增速（固定傳動比） ， 也可以換成兩個輸入、一個輸出 ， 組成差動傳動 。 諧波傳動主要用于軍工、精密儀器生產(chǎn)、醫(yī)療器械、起重機(jī)、機(jī)器人等 。 諧波減速器 見簡圖 、。 圖 諧波傳動原理圖 圖 諧波傳動減速器機(jī)構(gòu)簡圖 波發(fā)生器 H是一個桿狀部件 ， 其兩端裝有滾動軸承構(gòu)成滾輪 ， 與柔輪 1的內(nèi)壁相互壓緊 。 柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪 ， 其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的總長 。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 13 波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件 。 當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后 ， 迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形 ， 其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合 ， 而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開 。 周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的 過渡狀態(tài) 。 當(dāng)波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動時 ， 柔輪的變形不斷改變 ， 使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變 ， 由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入 ?? ， 周而復(fù)始地進(jìn)行 ， 從而實現(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器 H相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn) 。 諧波齒輪傳動的特點如下： 1)承載能力高 諧波傳動中 ， 齒與齒的嚙合是面接觸 ， 加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多 ， 因而單位面積載荷小 ， 承載能力較其他傳動形式高 。 2)傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比 ， 可達(dá) i=70～ 500。 3)體積小、重量輕 。 4)傳動效率高、壽命長 。 5)傳動平穩(wěn)、無沖擊 ， 無噪音 ， 運(yùn)動精度高 。 6)由于柔輪承受較大的交變載荷 ， 因而對柔輪材料的抗疲勞強(qiáng)度、加工和熱處理要求較高 ， 工藝復(fù)雜 。 表 列出了各種傳動形式的傳動效率： 表 主要傳動形式的效率 傳動方式 傳動效率 帶傳動 ~ 鏈傳動 ~ 圓柱齒輪傳動 ~ 圓錐齒輪傳動 ~ 蝸桿傳動 ~ 諧波齒輪傳動 ~ 絲杠傳動 ~ 本次設(shè)計主要采用了齒輪傳動和帶傳動 。 減速 器 機(jī)構(gòu)主要為齒輪減速機(jī)構(gòu)和諧波減速器機(jī)構(gòu) 。 制動器 制動器及其作用： 制動器是將機(jī)械運(yùn)動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?， 從而使運(yùn)動 的機(jī)械速度降低或者停止的裝置 ， 它大致可分為機(jī)械制動器和電氣制動器 兩類 。 在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中 ， 學(xué)要使用制動器的情況如下： 1)特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 。 2)停電時 ， 防止運(yùn)動部分下滑而破壞其他裝置 。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 14 機(jī)械制動器： 機(jī)械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種 。 其中最典型的是電磁制動器 。 在機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機(jī) ， 伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件 。 從原理上講 ， 這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器 ， 只有勵磁電流通過線圈時制動器打開 ， 這時制動器不起制動作用 ， 而當(dāng)電源斷開線圈中無勵磁電流時 ， 在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式 。 因此這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器 。 又因為這種制動器常用于安全制動場合 ， 所以也稱為安全制動器 。 電氣制動器 : 電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置 ， 反之 ， 他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能 。 換言之 ， 伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置 ， 可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 ， 同時也能通過其反過程來達(dá)到制動的目的 。 但對于直流電機(jī)、同步電機(jī)和 感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī) ， 必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿与娐?。 本文中 ， 該機(jī)器人實驗平臺未安裝機(jī)械制動器 ， 因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候 ， 會因為重力因素而下落 。 另外 ， 由于各方面限制 ， 不 方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動器 ， 所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和肘 關(guān)節(jié)的電氣制動 。 采用電氣制動器 ， 其優(yōu)點在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又具有制動功能 ，這是非常理想的情況 ， 而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動器會使質(zhì)量有所增加 ， 故應(yīng)盡量避免 。 缺點在于：這種方法不如機(jī)械制動器工作可靠 ， 斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔?。 本章小 結(jié) 本章擬定了機(jī)械手設(shè)計的總體方案 ， 確定了機(jī)械手結(jié)構(gòu)及傳動方案 ,選擇 了制動器 。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 15 第 3章 機(jī)械手零部件選擇及計算 機(jī)械手結(jié)構(gòu) 作為一種果實采摘機(jī)器人 ， 為完成采摘任務(wù) ， 操作機(jī)械手必須有足夠的自由度 ，能夠靈活的移動到指定的目標(biāo)位置來抓取目標(biāo)物 ， 為此自由度數(shù)至少在 5 以上 ， 該機(jī)器人的機(jī)械手部分具有 6個自由度 。 下面分別是手部、腕部和臂部 結(jié)構(gòu) 的具體設(shè)計 。 腰部結(jié)構(gòu) 工業(yè)機(jī)器人腰座 ， 就是圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座 。 它是機(jī)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 。 機(jī)器人的運(yùn)動部分全部安 裝在腰座上 ， 它承受了機(jī)器人的全部重量 。 在設(shè)計機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時 ， 要注意以下設(shè)計原則： 1)腰座要有足夠大的安裝基面 ， 以保證機(jī)器人在工作時的整體安裝的穩(wěn)定性 。 2)腰座要承受機(jī)器人的全部重量和載荷 ， 因此 ， 機(jī)器人的基座和腰部軸和軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度 ， 以保證其承載能力 。 3)機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) ， 它對機(jī)器人末端的運(yùn)動精度影響最大 ， 因此 ， 在設(shè)計時特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度和剛度的保證 。 4)為了保證機(jī)器人的外部電纜不隨機(jī)器人的運(yùn)動而擺動 ， 所以 ， 機(jī)器人的外部電纜（機(jī)器人與控制器的聯(lián)接電纜 ） ， 都是安裝在不運(yùn)動的機(jī)器人基座上 ， 并通過機(jī)器人腰部傳到機(jī)器人的各運(yùn)動關(guān)節(jié) 。 因此 ， 機(jī)器人的基座與腰部結(jié)構(gòu)要便于電纜的通過 ，并要解決固定端與運(yùn)動端的聯(lián)接問題 。 5)腰部的回轉(zhuǎn)要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置 ， 它包括驅(qū)動器及減速器 。 驅(qū)動器一般帶有速度與位置傳感器 ， 以及制動閘 。 6)腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整 。 腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面 ，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度 。 要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu) ， 用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙 。 7)為了減輕機(jī)器人運(yùn)動部分的慣量 ， 提高機(jī)器人的控制精度 ， 一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動部分的殼體是比重較小 的鋁合金材料制成 ， 而不運(yùn)動的基座是鑄鐵或鑄鋼材料制成 。 本機(jī)械手采用的環(huán)形軸承的支承結(jié)構(gòu) 。 臂部結(jié)構(gòu) 手臂部件是機(jī)械手的主要部件 。 它的作用是支承腕部和手部 ， 并帶動它們做空間運(yùn)動 。 臂部運(yùn)動的目的 :把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)的任意一點 。 如果改變手部的姿態(tài)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 16 (方位 )， 則用腕部的自由度加以實現(xiàn) 。 因此 ， 一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求 ， 即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降 (或俯仰 )運(yùn)動 。 設(shè)計基本要求 : 1)臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 。 臂部通常即受彎曲 (而且不僅是一個方向的彎曲 )， 也受扭轉(zhuǎn) ， 應(yīng)選用抗彎 和抗扭剛度較高的截面形狀 。 很明顯 ， 在截面積和單位重量基本相同的情況下 ， 鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多 。 所以 ， 機(jī)械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿 ， 用工字鋼或槽鋼作為支承鋼 ， 這樣既提高了手臂的剛度 ， 又大大減輕了手臂的自重 ， 而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置、傳動裝置以及管道 ， 這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊 。 2)臂部運(yùn)動速度要高 ， 慣性要小 。 在一般情況下 ， 手臂的移動和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動 ， 但在手臂的啟動和終止瞬間 ， 運(yùn)動是變化的 ， 為了減少沖擊 ， 要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大 ， 否則引起沖擊和振動 。 為 減少轉(zhuǎn)動慣量 ， 應(yīng)采取以下措施 : (1)減少手臂運(yùn)動件的重量 ， 采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料 。 (2)減少手臂運(yùn)動件的輪廓尺寸 。 (3)減少回轉(zhuǎn)半徑 。 (4)驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 。 3)手臂動作應(yīng)靈活 。 為減少手臂運(yùn)動件之間的摩擦阻力 ， 盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦 。 4)位置精度要高 。 一般來說 ， 直角和圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手位置精度高 ； 關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制 ， 故精度差 ； 在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測機(jī)構(gòu) ， 能較好的控制位置精度 。 腕部結(jié)構(gòu) 手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間 ， 它的作用主要是在臂部運(yùn) 動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的位置 ， 以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍 ， 并使機(jī)械手變得更靈巧 ， 適應(yīng)性更強(qiáng) 。 手腕的運(yùn)動形式可以有 :繞 X軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動 ； 繞 Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動 ； 繞 Z軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動 ； 有的甚至是沿 Y 軸或 Z 軸的橫向移動 。 一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求 。 本文設(shè)計的機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu) ， 具有一個擺動的自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度 ， 擺動范圍為 0～ 90 度 ， 旋轉(zhuǎn)范圍為 0～ 360 度 。 傳動方式選擇圓錐齒輪傳動 ， 電機(jī)置于機(jī)械臂內(nèi)與腕部傳動軸垂直 。 利用電機(jī)帶動連軸器 ， 連軸器再帶動小臂前半段殼體旋 轉(zhuǎn) 。 兩自由度手腕足以滿足各種工作情況的需要 。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 17 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu) 機(jī)械手手部 (末端執(zhí)行器 )結(jié)構(gòu)形式多樣 ， 但總的設(shè)計都有如下幾點基本要求 : 1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力 ， 手指握力 (夾緊力 )大小要適宜 ， 力量過大則動力消耗多結(jié)構(gòu)龐大 ， 不經(jīng)濟(jì) ， 甚至?xí)p壞抓取物體 ； 力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落 。 在確定握力時 ， 除考慮抓取物體重量外 ， 還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動 ， 以保證夾持安全可靠 。 2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍 ， 手應(yīng)具有一定的開閉角度 (手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度 )或開閉 范圍 (對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離 )， 以便于抓取或退出物體 。 3)應(yīng)保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度 ， 應(yīng)保證每個被抓取的物體 ， 在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對位置 。 4)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高 ， 在保證自身剛度、強(qiáng)度的前提下 ， 盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 ， 以利于減輕手臂的負(fù)載 。 在這里還必須討論一下機(jī)械手手指數(shù)量的問題 ， 不同的手指數(shù)量可以完成的動作、動作復(fù)雜程度都不同 ， 可以根據(jù)機(jī)械手必須完成的動作確定機(jī)械手所需的最少手指數(shù) 。一個手指能推、滾或滑動小物體 ， 還可用力操縱開關(guān)等 ； 兩個手指除具有一個手指的功能 外 ， 還能抓住物體并可精確的控制物體的位置和取向 ； 三個手指除能完成兩個手指完成的功能外 ， 它還有在手中反復(fù)抓握物體的功能 ， 如將物體拋入空中并在新的方向抓住物體 ； 多個手指則具有更大的靈活性 ， 如能抓住和操縱多個物體 。 對于本文的果實采摘機(jī)器人 ， 需要能夠剪切下物體即可 ， 控制物體的位置和取向 ， 選擇兩個手指就可以滿足此工作要求 ， 所以在結(jié)構(gòu)上將采用兩指 。 機(jī)械手手部 (末端執(zhí)行器 )的傳動機(jī)構(gòu) 是向手指傳遞運(yùn)動和動力 ， 以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機(jī)構(gòu) 。 機(jī)械手材料 本文設(shè)計的機(jī)械手臂殼體采用鋁 合金材料 加工而成機(jī)械手手臂 剛性好、抗扭能力強(qiáng)、重量輕 ， 所有傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置都置于機(jī)械手臂內(nèi)部 ， 外形簡潔 ； 機(jī)械手表面還裝有緩沖墊 ， 當(dāng)驅(qū)動裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時 ， 可以起到緩沖作用 ， 避免手臂沖擊造成損壞 。 大臂外殼粘貼的橡膠墊 ， 起緩沖墊作用 。 小臂與大臂的關(guān)節(jié)使用圓錐齒輪傳動 ， 電動機(jī)置于大臂殼體內(nèi) 。 腰關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的設(shè)計 腰關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的選擇 腰關(guān)節(jié)的傳動是由電機(jī)通過齒形帶 ， 再通過 同步帶帶 動腰部及整個機(jī)器人本體轉(zhuǎn)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)