【文章內(nèi)容簡介】 以旋轉(zhuǎn)，是工業(yè)機(jī)器人中最為常見的結(jié)構(gòu)，在控制方式上它也是比較簡單的，對于傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)裝置的要求較低。它的工作范圍一般是一個(gè)中空的幾個(gè)不完全球體相貫組成。多關(guān)節(jié)機(jī)械手具有 :工作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用、能隨意抓取機(jī)座附近的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作等優(yōu)點(diǎn) .伴隨著生產(chǎn)的需要，對多關(guān)節(jié)機(jī)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(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)量由傳統(tǒng)的三個(gè)發(fā)展到十幾個(gè)甚至更多，其外形多種多樣，可根據(jù)實(shí)際工作需求來改變，它的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。如圖 所示 圖 Articulated coordinate system 在充分考慮了移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械手的工作環(huán)境和驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)條件下，結(jié)合控制裝置、密 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 封條件、工作空間、精度和經(jīng)濟(jì)性等因素，最終選擇關(guān)節(jié)型坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡都要求基于某個(gè)固定的平面，其運(yùn)動(dòng)具有可控性，追蹤性。并且它的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，操作十分容易。 其五個(gè)自由度依次為腰部的回轉(zhuǎn)、大臂的俯仰，小臂的前后擺動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)，以及末端執(zhí)行器的擺動(dòng)。最終確定的機(jī)構(gòu)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(jī)械手結(jié)構(gòu)形式 Five DOF Manipulator Structure 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式選擇 設(shè)計(jì)中的機(jī)械手，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式均為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)實(shí)中常用的驅(qū)動(dòng)方式有電氣式、液壓式、氣壓式。這幾種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)如表 所示 該機(jī)械手主要用于探測和修補(bǔ)等比較 精細(xì)作業(yè)活動(dòng)，因此要求腰部關(guān)節(jié)能實(shí)現(xiàn)平面的 360176。的旋轉(zhuǎn)，無波動(dòng)回轉(zhuǎn)；要求 肩、肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)手臂的上下或左右的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滿足在整個(gè)機(jī)器人靜止的情況下，不改變手臂的方向和位置，實(shí)現(xiàn)正確繞過障礙物和調(diào)整手臂的無效位置，使手臂運(yùn)動(dòng)具有較高靈活。手腕部位關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度能同時(shí)操作，運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，不發(fā)生干涉。 所以機(jī)械手必須要有很好的伺服控制能力運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性能，再者要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、活動(dòng)靈活，同時(shí)結(jié)合工況條件。綜合考慮選擇電氣式驅(qū)動(dòng)。 電氣式驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般有動(dòng)力用電機(jī)和控制用電機(jī)兩大類。本設(shè)計(jì)為一般常規(guī)設(shè) 計(jì)，滿足所設(shè)計(jì)內(nèi)容即可，選擇常規(guī)的控制型電機(jī)可以達(dá)到要求。常規(guī)控制型電機(jī)又分為步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)和伺服電機(jī)三種。力矩電機(jī)只能用于單向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以不選用。步進(jìn)電機(jī)不能用于正、反轉(zhuǎn)頻繁操作的場合，且其啟動(dòng)和制動(dòng)性能差，同時(shí)不能實(shí)行閉環(huán)控制，缺乏反饋?zhàn)饔茫虼艘膊贿x用。而交流伺服電機(jī)通常功率較大，常用于高速運(yùn)動(dòng)。 對于關(guān)節(jié) 4 選用 maxon 型直流伺服電機(jī)，其該產(chǎn)品含有與電機(jī)相互配合的各種型號(hào)的減速箱、編碼器及其它附件等，可以更好地實(shí)現(xiàn)控制功能。對于關(guān)節(jié) 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 6，由于其負(fù)載較小、運(yùn)動(dòng)精度較高，則采用微型直 流減速電機(jī)。 表 驅(qū)動(dòng)方式對比 parison ofdriving mode 種類 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 電氣式 可用商用電源；信號(hào)與動(dòng)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(shí)現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、易于與 CPU相接 瞬時(shí)輸出功率大；過載差，卡住時(shí)易引起事故；易受外部噪音影響 液壓式 要求操作人員技術(shù)熟練；液壓源壓力在一定范圍 輸出功率大，速度快，動(dòng)作平穩(wěn)，響應(yīng)快 設(shè)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(shù)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(jī)械手結(jié)構(gòu)總體布局 針對選擇的驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置，對圖 中的五個(gè)關(guān)節(jié)，大臂擺動(dòng)和手腕旋轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，其它三個(gè)關(guān)節(jié)利用錐齒輪傳動(dòng)。擬定的機(jī)械手的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示 圖 機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)示意圖 Schematic diagram of the threedimensional structure diagram of manipulator 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 第三章 機(jī)械 手工程圖的設(shè)計(jì)及計(jì)算 主要技術(shù)參數(shù)的確定 五自由度機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù)包括各關(guān)節(jié)的尺寸、運(yùn)動(dòng)空間角度、電機(jī)的型號(hào)、運(yùn)動(dòng)軸與電機(jī)之間連接的連接裝置聯(lián)軸器的型號(hào)等。一系列相關(guān)參數(shù)的選定是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵，是評定設(shè)計(jì)合理與科學(xué)的依據(jù)。 機(jī)械總體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 在分析清楚機(jī)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(diǎn)及科學(xué)合理評定下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以應(yīng)該盡可能使機(jī)械手具有與人類手臂相識(shí)的運(yùn)動(dòng)能力，或接近于人類工作方式的特點(diǎn)。從人類身體特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)解刨學(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)，在結(jié)合相關(guān)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和優(yōu)化結(jié)果、工作環(huán)境的需要，定出該移動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下： （ 1）結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) : 腰部回轉(zhuǎn)半徑 1a ： 80mm 大臂長 2a :300mm 中臂加小臂長 3a :360mm （ 2） 運(yùn)動(dòng)參數(shù) : 最高角速度按公式 LVW? 計(jì)算，其中 W 角速度， V 為線速度， L 為臂的長度； 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 1: 0360~0 ，最高角速度 120176。/s 大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié) 2: 090~0 ， 最高角速度 72176。/s 小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié) 3: 0120~0 ，最高角速度 180176。/s 手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 4: 0360~0 ， 最高角速度 100176。/s 末端執(zhí)行器關(guān)節(jié) 5: 090~0 ，最高角速度 160176。/s 直流伺服電機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)慣量，角速度，從而預(yù)估算出各關(guān)節(jié)傳動(dòng)所需的功率和轉(zhuǎn)矩。選擇電動(dòng)機(jī)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求，需符合以下條件： 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 （ 1）需要的轉(zhuǎn)矩，這一轉(zhuǎn)矩下的速度 u； （ 2）不同負(fù)載下的持續(xù)工作時(shí)間 t； （ 3）需要的加速度 a； （ 4）負(fù)載的慣量 j。 電動(dòng)機(jī)的功率按一下公式估算： ? LPLPM MP ???? )~( (31) 式中： MP ——電動(dòng)機(jī)功率 W LPM ——負(fù)載力矩 mmN? LP? ——負(fù)載轉(zhuǎn)速 sRad/ ?——傳動(dòng)裝置的效率，初步估計(jì) ?? 。 最終以 MPP? 為準(zhǔn)則，由功率守恒和能量守恒定律公式計(jì)算，最后把所有參數(shù)折算到電機(jī)軸上，確定電機(jī)型號(hào)和功率大小。本系統(tǒng)電 機(jī)組件全部選用 mxaon 直流伺服電機(jī)。 mxaon 直流伺服電機(jī)是一種高質(zhì)量高性能的驅(qū)動(dòng)元件，它配有高性能的稀鋼，空心杯轉(zhuǎn)子（此機(jī)構(gòu)獲得了專利技術(shù)）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(zhuǎn)距范圍，高分辨率的模數(shù)字編碼器提供了運(yùn)動(dòng)控制的保證。其配合使用的驅(qū)動(dòng)器能和直流電機(jī)構(gòu)成環(huán)回路，使電機(jī)能達(dá)到更為精準(zhǔn)的控制。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手擁有五個(gè)自由度，所以共選用了五套 mxaon 直流電機(jī)組件，分別安裝在機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)上，其基本參數(shù)如下表 所示。 機(jī)械手在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所有的重量都將在機(jī)械手的大臂上作 用，產(chǎn)生力矩，為了防止機(jī)械手在突發(fā)情況下發(fā)生自運(yùn)動(dòng)，即斷電情況。需在大臂關(guān)節(jié)的電機(jī)上加上制動(dòng)器，在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)前使制動(dòng)器掉電失去作用，當(dāng)機(jī)械手回到零位時(shí)，先給制動(dòng)器上電，然后再關(guān)閉機(jī)械手電源。而其他關(guān)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(jī)，選擇 mikipule 廠家生產(chǎn)專用的伺服電機(jī)精密聯(lián)軸器，其本體采用碳素鋼材質(zhì)的板彈簧式聯(lián)軸器 , 該聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛性極高 , 能準(zhǔn)確控制軸的旋轉(zhuǎn) , 可進(jìn)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(huì)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(fù)合固定形式，后兩種都較為復(fù)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(bǔ)償能力，可將安放軸的機(jī)架和安放電機(jī)機(jī)架做成兩個(gè)部件，降低同軸度要求。聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖 所示。 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 表 DC servo motor selection parameters 電機(jī) 減速箱 關(guān)節(jié)最高角速度 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒 輪箱GP42A 120176。/s 大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒輪箱 GP42C 72176。/s 小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 60w 行星輪齒輪箱GP32A 180176。/s 手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 20w 行星輪齒輪箱GP32A 100176。/s 執(zhí)行器擺動(dòng)關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 20w 行星輪齒輪箱GP32A 160176。/s 注：相關(guān)參數(shù)選自《 maxon產(chǎn)品目錄 08/09高精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的頂級(jí)提供商》 圖 Coupling structure 機(jī)械手各關(guān)節(jié)的部件的詳細(xì)設(shè)計(jì) 腰間、小臂、大臂、手腕和末端的執(zhí)行結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)學(xué)要求一般所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、空間占比小、質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)慣量小、性能穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)位置精度高、制造成本低等特點(diǎn)。滿足設(shè)計(jì)空間結(jié)構(gòu)緊湊、占比小、精度高的機(jī)械手傳動(dòng)裝置主要有蝸桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)兩種方式。 蝸桿傳動(dòng)一般用于大傳動(dòng)比場合，其重量較大，反行程具有自鎖性，但傳動(dòng)效率低，運(yùn)動(dòng)中磨損量嚴(yán)重，不予考慮。 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 錐齒輪傳動(dòng)，其軸交角 ? 可根據(jù)傳動(dòng)要求任意選擇，一般為 90 度。具有安裝靈活性大、簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮，可選擇錐齒輪傳動(dòng)。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(zhuǎn)關(guān)節(jié)都配以旋轉(zhuǎn)支撐部件，選用一般滾動(dòng)軸承即可。以下為各部件詳細(xì)設(shè)計(jì)及計(jì)算： 腰部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) （ 1）軸的尺寸確定 根據(jù)傳動(dòng)軸傳遞的功率大小計(jì)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(zhuǎn)切應(yīng)力， MPa； T——軸所受到的扭矩， N. 3mm ； P——軸傳遞的功率， km； N——軸的轉(zhuǎn)速， r/min； D——軸的直徑， mm； ??t? ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(gè)鍵槽，相應(yīng)軸徑增加 6%，取整 d=計(jì)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(diào)整和軸承游隙調(diào)整添加墊片組，腰部轉(zhuǎn)軸以同樣方式步驟設(shè)計(jì)，為增強(qiáng)支撐能力，增加推力球軸承。腰部的最終機(jī)構(gòu)為圖 ，其中轉(zhuǎn)軸與齒輪采用過盈配合。 （ 3）腰間齒輪設(shè)計(jì) 按使用條件，本設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)屬低速運(yùn)轉(zhuǎn)、輕載荷，重要性和可靠性一般的齒輪傳動(dòng)。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(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 小齒輪： 45 鋼，調(diào)質(zhì)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(dòng)軸結(jié)構(gòu) 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(jī)座 圖 structure diagram 初步計(jì)算齒輪模數(shù)時(shí)，按彎曲疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算： 322mFaFaDft YYZTYK ? ?? ??? （ 34） 式中 ?K ，其他數(shù)值分別在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查取： 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 ??Y 為重合度系數(shù)， ?faY 為齒形系數(shù)， ?AY? 為應(yīng)力修正系數(shù)，電機(jī)功率 KWT ? ，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)數(shù) min/321 rn ? 傳動(dòng)比： ? ，轉(zhuǎn)矩： mmNT ?? 27000 計(jì)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(diǎn)錐距 Rm： 中點(diǎn)模數(shù) mm： 內(nèi)錐距 Ri： 小端模數(shù) mi： 中點(diǎn)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(jié)構(gòu)如下圖 所示，其采用雙側(cè)臺(tái)階結(jié)構(gòu)，大齒輪和小齒輪類似；確定齒數(shù) Z，在保證接觸強(qiáng)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(shè)計(jì)選取 202 ?Z ， 401?Z . 圖 Small waist joint gear structure 大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 大臂擺動(dòng)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，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(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟，擬定大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 1大臂 2腰部支架 3腰部驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4腰部旋轉(zhuǎn)大齒輪 圖 The arm swing joint structure 小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)同樣采取經(jīng)