【文章內容簡介】 個移動關節(jié)。以θ ,φ ,y 為坐標，位置函數(shù)為 P =f (θ ,φ ,y)，該型機器人的優(yōu)點是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 (d)關節(jié)坐標型：有垂直關節(jié)型和水平關節(jié)型 (SCARA 型 )機器人。前三個關節(jié)都是 回轉關節(jié)，特點是動作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點是剛度和精度較差。本文設計的機器人為關節(jié)坐標型。 第三，按驅動方式分類可分為： (a) 氣壓驅動； (b) 液壓驅動； (c) 電氣驅動。 電氣驅動是 20世紀 90年代后機器人系統(tǒng)應用最多的驅動方式。它有結構簡單、易于控制、使用方便、運動精度高、驅動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點。本文設計的機器人三個關節(jié)均使用電氣驅動。 第四，按用途分類可分為搬運機器人、噴涂機器人、焊接機器人、裝配機器人、切削加工機器人和特種用途機器人等。 本文的機器人為實驗演示用途的機器人。 長 春 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 （論 文） 9 機器人手臂結構方案設計 手臂的總體設計是工業(yè)機器人設計的首要問題，主要有包括總體方案設計和基本技術參數(shù)設計。 方案功能設計與分析 機器人手臂自由度的分配和構形 手臂是執(zhí)行機構中的主要運動部件，它用來支承腕關節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運動。為了使手部能達到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機器人手臂自由度少于三個。手臂的結構形式有多種，常用的構形 如圖 2－ 1所示。 圖 21 幾種多自由度機器人手臂構形 長 春 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 （論 文） 10 本課題要求機器人手臂能達到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要結構簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機器人具有五個自由度，其中手臂三個自由度，手爪部分二個自由度，由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有大得多的相對空間 (手腕可達到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，結構緊湊，同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關節(jié)型機器人的結構。 旋轉關節(jié)相對平移關節(jié)來講，操作空間大，結構緊湊，重量輕，關節(jié)易于密封防塵。這里機器人手臂使用了三個旋轉關節(jié)，綜合各種手臂構形，最后確定其結構形式 為圖 2－ 1中的第一種形式，此手臂決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。 關節(jié)型機器人手臂有三個轉動關節(jié)，通常腰關節(jié)的轉軸是鉛垂的，手臂在水平面內可繞腰關節(jié)軸轉動，肩關節(jié)和肘關節(jié)的轉軸平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面內轉動。由三個轉動關節(jié)構成的關節(jié)組聯(lián)接在小臂桿的端部，模擬人的手腕，決定末端件的姿態(tài)。在運動學結構上，這類機器人最像人的手臂，因而結 構最緊湊，柔性最好，可達空間最大，它甚至可以繞過障礙物到達目標點，因而是機器人中最有前途的一種。但由于三個關節(jié)都是轉動的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。另外，位置精度也較差。 機器人手臂結構方案的對比分析及選擇 參考國內外工業(yè)機器人的典型結構 [17]～ [ 23]，初步對各個回轉關節(jié)的結構單獨分析。 (1) 腰部回轉關節(jié) 圖 22 腰部回轉示意圖 1 圖 23 腰部回轉示意圖 2 方案一： 如圖 2－ 2所示，電機安裝在底座下面，其輸出軸經諧波減速器減速后，直接帶動第一關節(jié)輸出軸，使整個腰部在基座上回轉。 長 春 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 （論 文） 11 方案二：如圖 2－ 3所示，電機安裝在底座上面，其輸出軸先經諧波減速器減速，再經一對齒輪減速后，由第一關節(jié)輸出軸帶動整個腰部在基座上回轉。 兩種方案在傳動實現(xiàn)上，都是可行的。均采用了減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安裝方便的諧波減速器。雖然方案二在安裝和維修方面優(yōu)于方案一，但是方案一的傳動結構簡單一點，而且少了一對普通直齒輪，其整體結構并 不復雜，電機經諧波減速器減速后，速度己經較低，噪音問題不突出。故綜合考慮，腰部回轉關節(jié)選擇方案一。 (2) 大臂和小臂回轉關節(jié) 第一關節(jié)輸出軸大臂小臂手腕大臂回轉電機及EPL減速器小臂回轉電機和EPL減速器手腕回轉電機手爪回轉電機及諧波減速器手爪主視圖 左視圖 圖 24 大臂﹑小臂﹑手腕和手爪回轉示意圖 大臂和小臂回轉都是通過 EPL減速器減速后直接帶動來實現(xiàn)的，且結構簡單，通用性強，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有大得多的相對空間 (手腕可達到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，結構緊湊，同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活 ,結合本課題的實際條件，因此 ,大臂、小臂手腕和手爪回轉關節(jié)選擇方案是合理的。 長 春 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 （論 文） 12 3 機器人的結構設計 整體受力圖 結構設計計算 腕部回轉關節(jié)的設計 步進電機的選擇： 腕部旋轉由步進電機直接驅動，設手爪及物體的最大當量回轉半徑 R=50mm，手爪及物體的總重量 m=,則其轉動慣量 2221 0 0 3 1 2 ????? 設機器人手部角速度 W1從 0加速到 420/s所需要的時間 t=,則其角加速度211 /????? ???? 負載啟動慣性矩（不計靜磨擦力矩） mNJT ????? ?? 。 由于步進電機不具有瞬時過載能力，故取安全系數(shù)為 2（不同），則步進電機輸出的啟動轉矩 mNTT O U T ????? 1 1 4 5 1 。由于 outT 必須小于步進電機的最大靜轉矩，所以選擇如下二相步進電機： 型號 :42HSM02。最大步距角保持轉矩為 ，步矩角 176。，質量為 . 長 春 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 （論 文） 13 腕部俯仰關節(jié)的設計 步進電機的選擇 腕部俯仰是由步進電機通過同步帶機構驅動的，手爪回轉裝置及物體的重心到回轉中心的距離 mml 751 ? ，腕部當量回轉半徑 mmR 30? ，腕部回轉電機到回轉中心的距離mml 573 ? ，則腕部俯仰時其轉動慣量2222332221120 0 0 9 0 0 0 9 0 0 4 0 1 0 5 7 mkglmRmlmJ?????????????????式中， 1m —— 手爪回轉裝置及物體總質量約為 2。 5kg。 2m —— 腕部總質量約為 。 3m —— 腕部回轉電機的質量。 設機器人腕部俯仰角速度從 0?? 加到 s/300??? 所需時間 t=,則腕部俯仰角加速度 22 /????? ???? ， 腕部俯仰啟動慣性矩 mNJT ????? ?? 負載靜轉矩（靜磨擦力矩忽略不計）。 mNglmm g lM????????????331靜 由于 靜M 2T ,故慣性矩忽略不計，則腕部俯仰總轉矩 mNMT ??? 。 同步帶的傳動效率 .?? 同步帶的傳動比為 1。則步進電機輸出的啟動轉矩為9 0 2 ?????? iTT out ? 所以，選擇如下四相混合式步進電機： 長 春 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 （論 文） 14 型號： 86HS38；最大靜轉矩： 。 mN? 步矩角： 176。 。質量： 2。 6kg. 同步 帶和輪的設計 腕部俯仰關節(jié)是通過二級同步帶傳動的，第一級同步帶的軸矩為 300mm，第二級為150mm. ⑴求設計功率 dP ，由于前面已考慮到了安全系數(shù)，所以 wppd ?? ，wppd ?? 。 ⑵選擇帶的節(jié)矩 bP 從文獻 [8]，圖 36。 1— 22可知帶的第一級節(jié)矩代號為 L，對應節(jié)矩 bP =. 第二級節(jié)矩代號為 XL，對 應節(jié)矩 bP =. ⑶確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 pL 由表面 36， 173知，帶輪最小許用齒數(shù) ,12?Z 考慮到制造和安裝等因素，取 Z1=12，202 ?Z ，兩級傳動比都為 1，帶輪的直徑 ???? ? Zpd b ???? ? Zpd b 則帶長 L可表示為 202????????? daL ? 由表面化 ： 帶長, ?PL 代號 285，齒數(shù)為 76。 ?PL ，帶長代號為 210，齒數(shù)為 56。 ⑷實際軸間矩 長 春 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 （論 文） 15 221011?????? pLaa 取 1a =305。 2022?????? aa 取 2a