【文章內(nèi)容簡介】 齒輪的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)手腕的擺動；關(guān)節(jié) 5 電機也安裝在小臂后面，其后緊跟傳動軸用于實現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié) 6電機安裝在手腕里，用螺旋傳動來實現(xiàn)手爪的夾緊與放松運動，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時給杠桿施加一個向上的力來實現(xiàn)放松工件運動，相反，電機反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)夾緊工件運動。 圖 21小臂腕部傳動原理圖 工作空間的確定 工作空間是機器人學(xué)中一個重要的研究領(lǐng)域。但在實際應(yīng) 用中，可以簡化這一問題，把工作空間看作是機器人操作機正常運行時，手腕參考點（如定位機構(gòu)的軸線正交，取交點為參考點）在空間的活動范圍，或者說該點可達(dá)位置在空間所占有的體積。根據(jù)關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間，工作空間是指機器人正常工作運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)。 圖 22 機器人的工作空間位置圖 手腕結(jié)構(gòu)的確定 ??3 手腕是操作機的小臂（上臂）和末端執(zhí)行器（手爪）之間的聯(lián)接部件。其功用是利用自身的活動度確定被末端 執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構(gòu)。對一般商用機器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨立驅(qū)動的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài)（即方向），可用兩個方位角確定，如圖 23 所示。 圖23 末桿姿態(tài)示意圖 １ 大臂 ２ 小臂 ３ 末桿 在圖 23 中末桿 Ln 的圖示姿態(tài)可以看作是由處于 oX 方向的原始位置先繞 oZ 在ooo YOX 平面內(nèi)轉(zhuǎn) ? 角，然后再向上轉(zhuǎn) ? 角得到的?？梢娛怯??? 兩角決定了末桿的方向（姿態(tài)）。從理論上講，如果 00 3600 ??? ， 00 3600 ?? ? 則末桿在空間取任意方向。如果末桿 的自轉(zhuǎn)角 ? （即 n? ）也滿足 00 3600 ??? ，就說該操作機具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了定量的說明操作機抓取和擺放物體的靈活程度，定義組合靈度（ dex)為： 000 %%%3 6 0 3 6 0 3 6 0d e x X X X X X X? ? ?? ? ? ? ? ? (21) 上式取加的形式但一般不進(jìn)行加法運算，因為分開更能表示機構(gòu)的特點。 腕結(jié)構(gòu)最重要的評價指標(biāo)就是 dex值。若為三個百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來 ? 、 ? 的最大值取 0360 ，而 ? 值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好 ? 無上限。 腕結(jié)構(gòu)是操作機中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求是：重量輕， dex 的組合值必須滿足工作要求 并留有一定的裕量（約 5%10%），傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機的靜力平衡。 驅(qū)動裝置的選擇 機器人驅(qū)動方案的分析和選擇 ??4 通常的機器人驅(qū)動方式有以下三種： a. 電動驅(qū)動 電動驅(qū)動器是目前使用最廣泛的驅(qū)動器 。 它的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動比較困難 。 電動驅(qū)動器又分為直流（ DC）、交流（ AC）伺服電機驅(qū)動 。 后者多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng) 。 直流伺服電機有很多 優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易形成火花 。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅(qū)動器 。 b. 液壓驅(qū)動器 液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄露，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。 c. 氣動驅(qū)動器 氣動驅(qū)動器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動器相比，同體積條件下功率較?。ㄒ驂毫Φ停?，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制系統(tǒng) 。 通過比較以上三種 驅(qū)動方式，因此本課題的機器人將采用電動驅(qū)動器中的直流伺服電動機與步進(jìn)電動機。 因為 直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。而交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機相比價格要貴一些。 手腕電機的選擇 ??5 a. 擺腕電機的選擇 手腕的最大負(fù)荷重量 1 5m kg? 初估腕部的重量 kgm 32 ? ， 最大運動速度 V=2m/s，則 功率 8 1 0 2 1 6 0 。P F V m g V W? ? ? ? ? ? 取安全系數(shù)為 ， 39。 160 192 。P P W? ? ? ? 考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率 200 。pW額 ＝ 又因為標(biāo)準(zhǔn)周期 T=，即 m in/1 0 rn ??? ； 則所需電機的輸入轉(zhuǎn)速為 m in/1 0 0 0101 0 01 0 0 rin ????? ； 所以選取寬調(diào)速永磁直流伺服電動機其技術(shù)參數(shù)見表 21。 表 21 SZYX82寬調(diào)速永磁直流伺服電機技術(shù)參數(shù) 規(guī)格型號 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定電壓 SZYX82 48V 最高電流 最高轉(zhuǎn)速 允許轉(zhuǎn)速差 ? 10% 轉(zhuǎn)動慣量 1500r/min 150 該電機具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，加速度大，力矩波動小，線性度好，過載能力強等特點。 b. 轉(zhuǎn)腕及腕部內(nèi)電機的選擇 根據(jù)設(shè)計要求轉(zhuǎn)腕部分的電機后緊跟輸出 軸和聯(lián)軸器，直接帶動手腕旋轉(zhuǎn)，故在此應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速較低的型號電機，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實現(xiàn)運動，因此要求腕部內(nèi)電機較小，故選 SH 直流伺服電動機型，其安裝尺寸為 42mm，電機重量僅為 ，可容許速度范圍為 0 — 250r/min，詳細(xì)參數(shù)見表 22。 表 單轉(zhuǎn)軸 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動慣量 額定電流 電壓 線圈電阻 PK243A1SG 1.2N.M 35x107?kgm 2.4A 12V 5? 基本步距角 減速比 容許轉(zhuǎn)矩 容許速度范圍 電機重量 0.25 1: 0.8N.M 0250r/min 0.35kg 電樞電阻： Rs= (Un/InPn/In) 310 ， 求得： Pn=。 取 P=15W, T=9550P/n。 求得 n= ??? = r/min 。 傳動比的確定及分配 a. 傳動比的確定 由電動機的轉(zhuǎn)速可知所 需的總傳動比為 i=10。 b. 傳動比的分配 傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。因此 擺腕傳動比分配為：擺腕總的傳動比 i總 ＝ 10，該傳動為兩級傳動，第一級傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比 1i ＝ 2，第二級傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 2 5i ? 。 3 齒輪的設(shè)計 齒輪強度的設(shè)計與校核 ??6 第一級圓柱齒輪傳動設(shè)計 齒輪材料采用 45 號鋼，鍛造毛坯，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為 210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為 180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等級為 7級。取 40202,20 21 ???? zz 則 。 a. 設(shè)計準(zhǔn)則 先按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 齒面接觸疲勞強度條件的設(shè)計表達(dá)式 3 1][ 121 uuKTZddHEt ??????????? ?? (31) 式中， tK 載荷系數(shù) ,取 ?tK ； d? 齒寬系數(shù)，取 ?d? ， 2?u ； EZ 材料系數(shù)，取 aE MPZ ? 。 小齒輪傳遞扭矩 mmNnPT ??????? 1 2 4 01 5 0 0/ 661 (32) 大小齒輪的接觸疲勞強度極根應(yīng)力為： M PaH 5801lim ?? ； M PaH 5602lim ?? 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： MP aF 2301lim ?? ； M PaF 2102lim ?? 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下列公式計算可得 hjlnN 11 60? （ 33） 168300150060 ????? ?? 則 9912 ????? uNN 接觸疲勞壽命系數(shù) ?NHK , ?NHK ； 彎曲 疲勞壽命系數(shù) 121 ?? NN YY ； 接觸疲勞安全系數(shù) 1min?HS ， 彎曲疲勞安全系數(shù) ?FS 。 許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： ? ?? ?? ?? ?1 l im11m in2 l im22m in1 l im 111m in2 l im 222m in5801 .1 6 3 815601 .0 2 5 9 212 3 0 21 3 0 71 .52 1 0 21 2 8 01 .5HHNHHHNHF S TFNFF S TFNFZ M P aSZ M P aSYY M P a M P aSYY M P a M P aS????????? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ??? ? ? ? 將有關(guān)值代入（ 31）得： ? ?213122312 . 3 21 1 8 9 . 8 1 . 3 1 2 4 0 2 12 . 3 25 9 1 . 6 0 . 8 242tEtHdKTZ udummmm??? ??? ?????????? ? ?????? 計算圓周速度 : smndv t /1 0 0 060 1 5 0 0421 0 0 060 111 ?? ????? ?? 計算載荷系數(shù) :動載荷系數(shù) Kv=；使用系數(shù) 1?AK ；動載荷分布不均勻系數(shù)??K ；齒間載荷分配系數(shù) 1?Ka ，則 ?????? KaK v KKK AH ? 。 修正 mmKKdd tHt 3311 ???? ； mmmmzdm ??? ； 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) mmm 2? 。 c. 計算基本尺寸 ? ?mmdbmmzzmammmzdmmmzdd 602 8040280402402021212211?????????????????? 取 1 32b mm? mmb 222 ? d. 校核齒根彎曲疲勞強度 齒形系數(shù) ?FSY ， ?FSY ， 取 ??Y ， 校核兩齒輪的彎曲強度 ??? YYmzKT FSdF 1321 11 2? （ 34） M P 1 5 9 32 ???? ??? =[ 1F? ] ? ?21212 FFSFSFF M P aM P aYY ??? ?????? 所以齒輪完全達(dá)到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，將小齒輪做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見表 31。 表 31圓柱齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓 直徑 d mmmzd 4020211 ???? mmmzd 8040222 ???? 齒頂高 ah mmmhah a 221 ???? ? 齒根高 fh mmmChh af )()( ?????? ?? 齒全高 h mmhhh fa ????? 齒頂圓直徑 1ad mmhdd aa 44211 ??? mmhdd aa 84222 ??? 齒根圓直徑 1fd mmhdd ff 35211 ??? mmhdd ff 75222 ??? 基圓直徑 1bd mmdd b s11 ?? ? mmdd b s22 ?? ? 齒距 p mmmp ???? ? 齒厚 s mmms ?? ? 齒槽寬 e mmme ?? ? 中心距 a mmdda 602/)( 21 ??? 頂隙 c mmmcc ???? ? 第二級圓錐齒輪傳動設(shè)計 齒輪材料采用 45 號鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為 210HBS；大