【文章內容簡介】 以旋轉，是工業(yè)機器人中最為常見的結構，在控制方式上它也是比較簡單的，對于傳動裝置和驅動裝置的要求較低。它的工作范圍一般是一個中空的幾個不完全球體相貫組成。多關節(jié)機械手具有 :工作靈活、運動慣性小、通用、能隨意抓取機座附近的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作等優(yōu)點 .伴隨著生產的需要，對多關節(jié)機械手的靈活性，定位精度和作業(yè)空間范圍等提出 越來越高的要求。發(fā)展至今，多關節(jié)機器人的關節(jié)數(shù)量由傳統(tǒng)的三個發(fā)展到十幾個甚至更多，其外形多種多樣，可根據(jù)實際工作需求來改變，它的優(yōu)點顯而易見。如圖 所示 圖 Articulated coordinate system 在充分考慮了移動機器人機械手的工作環(huán)境和驅動特點條件下，結合控制裝置、密 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 6 封條件、工作空間、精度和經濟性等因素，最終選擇關節(jié)型坐標結構的機器人。這種機械手的運動軌跡都要求基于某個固定的平面，其運動具有可控性，追蹤性。并且它的機械結構簡單，操作十分容易。 其五個自由度依次為腰部的回轉、大臂的俯仰，小臂的前后擺動，手腕轉動，以及末端執(zhí)行器的擺動。最終確定的機構形勢如圖 所示。 1底座， 2腰部， 3大臂， 4小臂， 5手腕， 6末端執(zhí)行器安裝架 圖 五自由度機械手結構形式 Five DOF Manipulator Structure 機械手驅動方式選擇 設計中的機械手，每個關節(jié)的運動形式均為旋轉運動結構，現(xiàn)實中常用的驅動方式有電氣式、液壓式、氣壓式。這幾種驅動方式的特點如表 所示 該機械手主要用于探測和修補等比較 精細作業(yè)活動，因此要求腰部關節(jié)能實現(xiàn)平面的 360176。的旋轉，無波動回轉；要求 肩、肘關節(jié)的轉動可以實現(xiàn)整個手臂的上下或左右的直線運動，同時滿足在整個機器人靜止的情況下，不改變手臂的方向和位置，實現(xiàn)正確繞過障礙物和調整手臂的無效位置，使手臂運動具有較高靈活。手腕部位關節(jié)的三個自由度能同時操作，運動相互獨立，不發(fā)生干涉。 所以機械手必須要有很好的伺服控制能力運動的平穩(wěn)性能，再者要求機械手結構緊湊、活動靈活，同時結合工況條件。綜合考慮選擇電氣式驅動。 電氣式驅動電機一般有動力用電機和控制用電機兩大類。本設計為一般常規(guī)設 計，滿足所設計內容即可，選擇常規(guī)的控制型電機可以達到要求。常規(guī)控制型電機又分為步進電機、力矩電機和伺服電機三種。力矩電機只能用于單向連續(xù)運轉，所以不選用。步進電機不能用于正、反轉頻繁操作的場合，且其啟動和制動性能差，同時不能實行閉環(huán)控制，缺乏反饋作用，因此也不選用。而交流伺服電機通常功率較大，常用于高速運動。 對于關節(jié) 4 選用 maxon 型直流伺服電機，其該產品含有與電機相互配合的各種型號的減速箱、編碼器及其它附件等，可以更好地實現(xiàn)控制功能。對于關節(jié) 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 7 6，由于其負載較小、運動精度較高，則采用微型直 流減速電機。 表 驅動方式對比 parison ofdriving mode 種類 特點 優(yōu)點 缺點 電氣式 可用商用電源；信號與動力傳送方向相同；有交流和直流之分 操作簡單；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服；響應快、易于與 CPU相接 瞬時輸出功率大；過載差，卡住時易引起事故；易受外部噪音影響 液壓式 要求操作人員技術熟練；液壓源壓力在一定范圍 輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)，響應快 設備占用空間大；液壓源要求高，且易泄露且有污染 氣壓式 要求操作人員技術熟練；氣壓源壓力在一定范圍 氣壓源方便、成本低；無泄露污染，操作簡單，速度快 功率小，體積大；工作噪音大，難于伺服控制 機械手結構總體布局 針對選擇的驅動裝置和傳動裝置，對圖 中的五個關節(jié)，大臂擺動和手腕旋轉采用直流電機直接驅動，其它三個關節(jié)利用錐齒輪傳動。擬定的機械手的三維結構示意圖如圖 所示 圖 機械手三維結構示意圖 Schematic diagram of the threedimensional structure diagram of manipulator 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 8 第三章 機械 手工程圖的設計及計算 主要技術參數(shù)的確定 五自由度機械手主要技術參數(shù)包括各關節(jié)的尺寸、運動空間角度、電機的型號、運動軸與電機之間連接的連接裝置聯(lián)軸器的型號等。一系列相關參數(shù)的選定是設計成功的關鍵，是評定設計合理與科學的依據(jù)。 機械總體結構參數(shù)確定 在分析清楚機器人的工作環(huán)境和工作方式后，根 據(jù)工作的需要，工作特點及科學合理評定下進行設計的，所以應該盡可能使機械手具有與人類手臂相識的運動能力，或接近于人類工作方式的特點。從人類身體特點出發(fā)，根據(jù)解刨學可知，人手臂中小臂和大臂長度分別是人身高 的 倍和 倍。類比人體結構參數(shù)，在結合相關機器人的運動參數(shù)和優(yōu)化結果、工作環(huán)境的需要，定出該移動機械手的結構參數(shù)與運動參數(shù)如下： （ 1）結構尺寸參數(shù) : 腰部回轉半徑 1a ： 80mm 大臂長 2a :300mm 中臂加小臂長 3a :360mm （ 2） 運動參數(shù) : 最高角速度按公式 LVW? 計算，其中 W 角速度， V 為線速度， L 為臂的長度； 腰部回轉關節(jié) 1: 0360~0 ，最高角速度 120176。/s 大臂擺動關節(jié) 2: 090~0 ， 最高角速度 72176。/s 小臂擺動關節(jié) 3: 0120~0 ，最高角速度 180176。/s 手腕旋轉關節(jié) 4: 0360~0 ， 最高角速度 100176。/s 末端執(zhí)行器關節(jié) 5: 090~0 ，最高角速度 160176。/s 直流伺服電機的選擇 根據(jù)創(chuàng)建的三維模型下的各部件物理參數(shù)，根據(jù)部件的轉動慣量，角速度，從而預估算出各關節(jié)傳動所需的功率和轉矩。選擇電動機，根據(jù)驅動要求，需符合以下條件： 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 9 （ 1）需要的轉矩，這一轉矩下的速度 u； （ 2）不同負載下的持續(xù)工作時間 t； （ 3）需要的加速度 a； （ 4）負載的慣量 j。 電動機的功率按一下公式估算： ? LPLPM MP ???? )~( (31) 式中： MP ——電動機功率 W LPM ——負載力矩 mmN? LP? ——負載轉速 sRad/ ?——傳動裝置的效率，初步估計 ?? 。 最終以 MPP? 為準則，由功率守恒和能量守恒定律公式計算，最后把所有參數(shù)折算到電機軸上，確定電機型號和功率大小。本系統(tǒng)電 機組件全部選用 mxaon 直流伺服電機。 mxaon 直流伺服電機是一種高質量高性能的驅動元件，它配有高性能的稀鋼，空心杯轉子（此機構獲得了專利技術）和高精密的齒輪箱。憑借與精密的齒輪箱可以獲得更寬的速度范圍和轉距范圍，高分辨率的模數(shù)字編碼器提供了運動控制的保證。其配合使用的驅動器能和直流電機構成環(huán)回路，使電機能達到更為精準的控制。本課題設計的機械手擁有五個自由度，所以共選用了五套 mxaon 直流電機組件，分別安裝在機械手各個關節(jié)上，其基本參數(shù)如下表 所示。 機械手在靜止狀態(tài)時，所有的重量都將在機械手的大臂上作 用，產生力矩，為了防止機械手在突發(fā)情況下發(fā)生自運動，即斷電情況。需在大臂關節(jié)的電機上加上制動器，在機械手運動前使制動器掉電失去作用，當機械手回到零位時，先給制動器上電，然后再關閉機械手電源。而其他關節(jié)在掉電后都能處于平衡位置，故不予考慮。 根據(jù)選取的電機，選擇 mikipule 廠家生產專用的伺服電機精密聯(lián)軸器，其本體采用碳素鋼材質的板彈簧式聯(lián)軸器 , 該聯(lián)軸器扭轉剛性極高 , 能準確控制軸的旋轉 , 可進行高精密控制。 常規(guī)聯(lián)軸器的固定方式有四種。其中第一種為定位螺絲固定，該方式可能會損傷軸心而且拆卸困難；第二種為 通過夾緊螺絲來固定；第三種為鍵槽型；第四種為定位螺絲與鍵槽的復合固定形式，后兩種都較為復雜。綜合考慮，選擇夾緊螺絲的固定方式，該方式滿足普通軸、 D 型軸端的軸、鍵槽軸（加輪轂套）聯(lián)接方式，并且有很好的誤差補償能力，可將安放軸的機架和安放電機機架做成兩個部件，降低同軸度要求。聯(lián)軸器結構如圖 所示。 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 10 表 DC servo motor selection parameters 電機 減速箱 關節(jié)最高角速度 腰部回轉關節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒 輪箱GP42A 120176。/s 大臂擺動關節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒輪箱 GP42C 72176。/s 小臂擺動關節(jié) RE 25 φ25mm 60w 行星輪齒輪箱GP32A 180176。/s 手腕回轉關節(jié) RE 25 φ25mm 20w 行星輪齒輪箱GP32A 100176。/s 執(zhí)行器擺動關節(jié) RE 25 φ25mm 20w 行星輪齒輪箱GP32A 160176。/s 注：相關參數(shù)選自《 maxon產品目錄 08/09高精密驅動系統(tǒng)的頂級提供商》 圖 Coupling structure 機械手各關節(jié)的部件的詳細設計 腰間、小臂、大臂、手腕和末端的執(zhí)行結構的驅動裝置都自帶減速裝置，從而不必考慮增加減速裝置?，F(xiàn)代設計學要求一般所設計的傳動結構滿足結構緊湊、空間占比小、質量輕、運動慣量小、性能穩(wěn)定、運動位置精度高、制造成本低等特點。滿足設計空間結構緊湊、占比小、精度高的機械手傳動裝置主要有蝸桿傳動和齒輪傳動兩種方式。 蝸桿傳動一般用于大傳動比場合，其重量較大，反行程具有自鎖性，但傳動效率低，運動中磨損量嚴重，不予考慮。 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 11 錐齒輪傳動，其軸交角 ? 可根據(jù)傳動要求任意選擇，一般為 90 度。具有安裝靈活性大、簡單、傳動平穩(wěn)、承載力強等優(yōu)點。綜合考慮，可選擇錐齒輪傳動。腰間立軸需要能承受較大的軸向力和徑向力，選擇圓錐滾子軸承可滿足使用條件，其余各旋轉關節(jié)都配以旋轉支撐部件，選用一般滾動軸承即可。以下為各部件詳細設計及計算： 腰部關節(jié)設計 （ 1）軸的尺寸確定 根據(jù)傳動軸傳遞的功率大小計算最小軸徑，公式如下： ? ?td np ?? ???3tt 9 5 5 0 0 0 0WT （ 32） 式中： t? ——扭轉切應力， MPa； T——軸所受到的扭矩， N. 3mm ； P——軸傳遞的功率， km； N——軸的轉速， r/min； D——軸的直徑， mm； ??t? ——許用扭轉切應力， ： 由式（ 31）得軸的直徑 ?d ? ? ? ? 30333 t 50 00 50 00 0 npAnPn P t ???? ?? (33) 其中，材料系數(shù) ? ?3t0 9550 000??A ， p= n=32r/min 帶入數(shù)據(jù)求得 d=,該軸上有一個鍵槽，相應軸徑增加 6%，取整 d=計軸如下圖 所示。 （ 2）軸上零件的定位 根據(jù)各種工藝要求，其他部位選擇圓錐滾子軸承，考慮到軸系位置調整和軸承游隙調整添加墊片組，腰部轉軸以同樣方式步驟設計，為增強支撐能力，增加推力球軸承。腰部的最終機構為圖 ，其中轉軸與齒輪采用過盈配合。 （ 3）腰間齒輪設計 按使用條件，本設計中的運動結構屬低速運轉、輕載荷，重要性和可靠性一般的齒輪傳動。選用一般軟齒面齒輪可滿足要求，需小齒輪的硬度比大齒輪大 HBS50~30 。 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 12 小齒輪： 45 鋼，調質處理，硬度為 HBS255~230 ，選取 HBS230 ； 大齒輪： 45 鋼，正火處理，硬度為 1 HBS217~190 ，選取 HBS200 。 圖 腰部傳動軸結構 圖 The structure diagram of transmission shaft 1腰部支撐架 2大齒輪 3底座 4軸承座 5電機座 圖 structure diagram 初步計算齒輪模數(shù)時，按彎曲疲勞強度公式進行計算： 322mFaFaDft YYZTYK ? ?? ??? （ 34） 式中 ?K ，其他數(shù)值分別在機械設計手冊中查取： 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 13 ??Y 為重合度系數(shù)， ?faY 為齒形系數(shù)， ?AY? 為應力修正系數(shù)，電機功率 KWT ? ，主動輪轉數(shù) min/321 rn ? 傳動比： ? ，轉矩： mmNT ?? 27000 計算得出模數(shù) m≧ ，取整數(shù) 7，按照初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸如下 : 齒數(shù)比 u： 取整 大端分度圓直徑 D：小輪： mm 大輪： 分錐 角：小輪： 大輪： 外錐距 Re： 齒寬系數(shù)值 e： 中點錐距 Rm： 中點模數(shù) mm： 內錐距 Ri： 小端模數(shù) mi： 中點分度圓直徑 dm：小輪： 大輪： 小端分度圓直徑 di：小輪： 大輪： 頂隙 c： 齒頂高 ha：小輪： 大輪： 齒根高 hf：小輪： 大輪： 小齒輪結構如下圖 所示，其采用雙側臺階結構，大齒輪和小齒輪類似；確定齒數(shù) Z，在保證接觸強度的前提下，提高平穩(wěn)性，減小沖擊振蕩，小齒輪齒數(shù)一般取 20~17 ，此課題設計選取 202 ?Z ， 401?Z . 圖 Small waist joint gear structure 大臂擺動關節(jié)設計 大臂擺動采用電機直接驅動，大臂與軸軸向采用軸肩、雙圓螺母固定，周向采用普 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 14 通平鍵連接，選用圓錐滾子軸承。按照公式（ 33），初算最小軸徑 mm16d ?小 ，考慮減速箱輸出軸軸直徑 mm12d? ，初步定最小軸徑 20d ?大 mm。 按照上述軸的結構設計步驟，擬定大臂擺動關節(jié)詳細結構如圖 所示。 1大臂 2腰部支架 3腰部驅動電機 4腰部旋轉大齒輪 圖 The arm swing joint structure 小臂擺動關節(jié)設計 小臂擺動關節(jié)同樣采取經