【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。以θ ,φ ,y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為 P =f (θ ,φ ,y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 (d)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型 (SCARA 型 )機(jī)器人。前三個(gè)關(guān)節(jié)都是 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人為關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。 第三，按驅(qū)動(dòng)方式分類可分為： (a) 氣壓驅(qū)動(dòng)； (b) 液壓驅(qū)動(dòng)； (c) 電氣驅(qū)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)是 20世紀(jì) 90年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用方便、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)均使用電氣驅(qū)動(dòng)。 第四，按用途分類可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。 本文的機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)演示用途的機(jī)器人。 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 9 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 手臂的總體設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要問題，主要有包括總體方案設(shè)計(jì)和基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。 方案功能設(shè)計(jì)與分析 機(jī)器人手臂自由度的分配和構(gòu)形 手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形 如圖 2－ 1所示。 圖 21 幾種多自由度機(jī)器人手臂構(gòu)形 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 10 本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有五個(gè)自由度，其中手臂三個(gè)自由度，手爪部分二個(gè)自由度，由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間 (手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比 )和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)平移關(guān)節(jié)來講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。這里機(jī)器人手臂使用了三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，通常腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸是鉛垂的，手臂在水平面內(nèi)可繞腰關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的關(guān)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(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類機(jī)器人最像人的手臂，因而結(jié) 構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達(dá)空間最大，它甚至可以繞過障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，因而是機(jī)器人中最有前途的一種。但由于三個(gè)關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比分析及選擇 參考國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu) [17]～ [ 23]，初步對(duì)各個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析。 (1) 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 圖 22 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 1 圖 23 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 2 方案一： 如圖 2－ 2所示，電機(jī)安裝在底座下面，其輸出軸經(jīng)諧波減速器減速后，直接帶動(dòng)第一關(guān)節(jié)輸出軸，使整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 11 方案二：如圖 2－ 3所示，電機(jī)安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一對(duì)齒輪減速后，由第一關(guān)節(jié)輸出軸帶動(dòng)整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 兩種方案在傳動(dòng)實(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，而且少了一對(duì)普通直齒輪，其整體結(jié)構(gòu)并 不復(fù)雜，電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后，速度己經(jīng)較低，噪音問題不突出。故綜合考慮，腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案一。 (2) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 第一關(guān)節(jié)輸出軸大臂小臂手腕大臂回轉(zhuǎn)電機(jī)及EPL減速器小臂回轉(zhuǎn)電機(jī)和EPL減速器手腕回轉(zhuǎn)電機(jī)手爪回轉(zhuǎn)電機(jī)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(zhuǎn)示意圖 大臂和小臂回轉(zhuǎn)都是通過 EPL減速器減速后直接帶動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間 (手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比 )和絕對(duì)工作 空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活 ,結(jié)合本課題的實(shí)際條件，因此 ,大臂、小臂手腕和手爪回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案是合理的。 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 12 3 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 整體受力圖 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的選擇： 腕部旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑 R=50mm，手爪及物體的總重量 m=,則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2221 0 0 3 1 2 ????? 設(shè)機(jī)器人手部角速度 W1從 0加速到 420/s所需要的時(shí)間 t=,則其角加速度211 /????? ???? 負(fù)載啟動(dòng)慣性矩（不計(jì)靜磨擦力矩） mNJT ????? ?? 。 由于步進(jìn)電機(jī)不具有瞬時(shí)過載能力，故取安全系數(shù)為 2（不同），則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 mNTT O U T ????? 1 1 4 5 1 。由于 outT 必須小于步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，所以選擇如下二相步進(jìn)電機(jī)： 型號(hào) :42HSM02。最大步距角保持轉(zhuǎn)矩為 ，步矩角 176。，質(zhì)量為 . 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 13 腕部俯仰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的選擇 腕部俯仰是由步進(jìn)電機(jī)通過同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的，手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離 mml 751 ? ，腕部當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑 mmR 30? ，腕部回轉(zhuǎn)電機(jī)到回轉(zhuǎn)中心的距離mml 573 ? ，則腕部俯仰時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量約為 2。 5kg。 2m —— 腕部總質(zhì)量約為 。 3m —— 腕部回轉(zhuǎn)電機(jī)的質(zhì)量。 設(shè)機(jī)器人腕部俯仰角速度從 0?? 加到 s/300??? 所需時(shí)間 t=,則腕部俯仰角加速度 22 /????? ???? ， 腕部俯仰啟動(dòng)慣性矩 mNJT ????? ?? 負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩（靜磨擦力矩忽略不計(jì)）。 mNglmm g lM????????????331靜 由于 靜M 2T ,故慣性矩忽略不計(jì)，則腕部俯仰總轉(zhuǎn)矩 mNMT ??? 。 同步帶的傳動(dòng)效率 .?? 同步帶的傳動(dòng)比為 1。則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為9 0 2 ?????? iTT out ? 所以，選擇如下四相混合式步進(jìn)電機(jī)： 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 14 型號(hào)： 86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩： 。 mN? 步矩角： 176。 。質(zhì)量： 2。 6kg. 同步 帶和輪的設(shè)計(jì) 腕部俯仰關(guān)節(jié)是通過二級(jí)同步帶傳動(dòng)的，第一級(jí)同步帶的軸矩為 300mm，第二級(jí)為150mm. ⑴求設(shè)計(jì)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(xiàn) [8]，圖 36。 1— 22可知帶的第一級(jí)節(jié)矩代號(hào)為 L，對(duì)應(yīng)節(jié)矩 bP =. 第二級(jí)節(jié)矩代號(hào)為 XL，對(duì) 應(yīng)節(jié)矩 bP =. ⑶確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng) 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(jí)傳動(dòng)比都為 1，帶輪的直徑 ???? ? Zpd b ???? ? Zpd b 則帶長(zhǎng) L可表示為 202????????? daL ? 由表面化 ： 帶長(zhǎng), ?PL 代號(hào) 285，齒數(shù)為 76。 ?PL ，帶長(zhǎng)代號(hào)為 210，齒數(shù)為 56。 ⑷實(shí)際軸間矩 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 15 221011?????? pLaa 取 1a =305。 2022?????? aa 取 2a