【文章內(nèi)容簡介】 鄰關(guān)節(jié)的相對位置參數(shù)、關(guān)節(jié)運動極限參數(shù)，即進行機構(gòu)的尺寸綜合。尺寸綜合與仿人機器人手臂工作空間的要求密切相關(guān)。結(jié)合人體上身的尺寸特征，并按照機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的具體要求，確定手臂尺寸為：大臂長 130mm,小臂長 130mm，手長 90mm，頭高 110mm。 結(jié)構(gòu)的設(shè)計仿人機器人中的軀體部分有著連接手臂、頭以及腿部的作用，并且必須留有安裝空間，形狀也類似于人，在我設(shè)計的仿人機器人中，肩部電機盒采用了長方形盒子，左右各一個，在每個電機盒的兩側(cè)面都打了 4 個螺釘孔，用 2 塊板分別蓋在電機盒的側(cè)面，再用螺釘擰緊，就這樣仿人機器人的軀體形成了。同樣，手臂部分也是用長方形盒子及連接板連接起來，形成整個手臂。 仿人機器人自由度的確定本次設(shè)計的仿人機器人上身為 5 個自由度包括頭部的俯仰擺動，肩部的轉(zhuǎn)動與擺動，肘部的擺動，腕部的擺動。表 21 仿人機器人的基本參數(shù) 電機的選 擇通 常機器人 的驅(qū)頭俯仰 1?60186。 30186。/s肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 2360186。 30186。/s肩關(guān)節(jié)擺動 3?180186。 60186。/s肘擺動 4180186。 30186。/s動作范圍腕擺動 5?90186。 30186。/s鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20227動方式有以下三種：電動機驅(qū)動是利用各種類型的電動機經(jīng)過機械傳動驅(qū)動機器人操作機以獲得各種運動。電力驅(qū)動因有不需能量轉(zhuǎn)換、控制靈活、使用方便、噪聲較低、啟動力矩大等優(yōu)點而在機器人中廣泛選用。液壓是一種比較成熟的技術(shù)。驅(qū)動力或驅(qū)動力矩大，即功率重量比大，也可把工作液壓缸直接做成操作關(guān)節(jié)的一部分，實現(xiàn)直接驅(qū)動。結(jié)構(gòu)較簡單、緊湊。液壓驅(qū)動方式中所使用的壓力在 ～14MPa 之間，最高可達(dá) 20～30MPa；但機器人中多采用 ～7MPa，而且需配備壓力源和復(fù)雜的管路系統(tǒng)。容易發(fā)生泄露，影響工作的穩(wěn)定性和運動精度，污染環(huán)境。需定期更改液體介質(zhì)。所以制造成本、維護費用較高。液體介質(zhì)中易混入氣泡，造成驅(qū)動系統(tǒng)剛性降低，使速度響應(yīng)性和運動精度變壞。使用的空氣壓力通常為 ～，最高可達(dá) 10MPa。驅(qū)動系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，造價低。氣源供應(yīng)方便，不會造成泄露污染。壓縮空氣在管路中的流速可達(dá) 180m/s，因而動作速度快。但由于氣體的可壓縮性，難以實現(xiàn)較高的位置精度和伺服控制。運動的穩(wěn)定性差，工作時有噪聲。電動機驅(qū)動系統(tǒng)有交、直流伺服電動機，步進電機和直接驅(qū)動電機四種。步進電機可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。仿人機器人的上肢，包括肩部、肘部、腕部及頭部，它們都是輔助仿人機器人實現(xiàn)運動功能，再根據(jù)負(fù)載的要求不同，所以選擇小功率的步進電機。3 機器人驅(qū)動裝置的設(shè)計對仿人機器人驅(qū)動裝置的一般要求如下：仿人型機器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計8a. 驅(qū)動裝置的重量盡可能要輕，單位重量的輸出功率(即功率/重量比)要符合要求，效率也要高；b. 反應(yīng)速度要快，即要求力/重量比和力矩/慣量比要大；c. 控制盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；d. 經(jīng)濟上合理，尤其是要盡量減少所占空間；e. 安全可靠；為了使仿人機器人的手臂轉(zhuǎn)動，所需要的最大轉(zhuǎn)距是當(dāng)手臂呈水平狀態(tài)，手臂各部分的尺寸和重量如圖 31 所示圖 31 仿人機器人手臂重量分配設(shè)大小臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為 、 、 ，根據(jù)平行軸1GJ2GJ定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: （332211 lmlJlmJGG???1）式中： ， ， ——分別是各重心處的重量，值分別為1m23；， ， ——分別是各重心到第一關(guān)節(jié)的距離，其值分別為ll，290mm。在式（31）中， 、 、 ，故 、 、211lmJG?2lJG?233lmJG?1GJ2可忽略不計。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為2GJ （32lll??2）將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（32）得 =1J 222 ???? = 83? = 35.同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量 （325342lmlJ?3）鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20229式中： ——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離，其值為 ；4l m——腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離，其值為 145 。5l將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（33）得 =.??? = 6134. = 6 肩部步進電機的選擇設(shè)大臂速度為 /s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下?30 （3TJ???4）式中： ——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩， ；TmN? ——角加速度， 。?2/srad機器人大臂的轉(zhuǎn)速從 到 /s所需時間為 ，則0????? Nmt?????????因所選電機轉(zhuǎn)距必須大于 ，所以選擇標(biāo)準(zhǔn)P型，即PK244PA型步進電機。1T表31 PK244PA型步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)型號保持轉(zhuǎn)距（Nm）轉(zhuǎn)動慣量（kg m 2）額定電流（A）電壓（V）基本步距角電機重量（kg）PK244PA 0．39 57?10 7? ? 肘部步進電機的選擇機器人小臂的轉(zhuǎn)速從 到 /s所需時間為 ，則0????? 022 Nmt?????????因所選電機轉(zhuǎn)距必須大于 ，所以選擇標(biāo)準(zhǔn)P型，即PK233PA型步進電機。2T表32 PK233PA型步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)仿人型機器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計10型號保持轉(zhuǎn)距（Nm）轉(zhuǎn)動慣量（kg m 2）額定電流（A）電壓（V）基本步距角電機重量（kg）PK233PA 24?10 7? ? 腕部及頭部電機選擇根據(jù)設(shè)計要求，取相同型號的電機，選標(biāo)準(zhǔn)P型，PK233PA型步進電機。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 202211 齒輪的設(shè)計 肩部齒輪的設(shè)計與校核 ??3由于機器人傳動功率小，重量輕，所以大、小齒輪材料都采用PVC，鑄造毛坯。齒輪精度用7級，取小齒輪齒數(shù)為 ，傳動比 ，則大齒輪齒數(shù) 。251?Z2i?250Z?對閉式軟齒面齒輪傳動，主要失效形式是齒面點蝕，故按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 （4??132FaSdYKTmz????1）式中：齒寬系數(shù) ， 。??.5小齒輪傳遞的扭矩 為1T 1390Nm??電查圖可得大、小齒輪的彎曲疲勞強度極限 、 ，彎li180FaMP??lim270FaP??曲疲勞壽命系數(shù) 、 。??FN應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （???2） 8721/.4/?取定彎曲疲勞安全系數(shù) ，應(yīng)力修正系數(shù) ，?仿人型機器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計12 （4??11lim1/?????3） 12li2/查表可得齒形系數(shù) 、 和應(yīng)力修正系數(shù) 、? ??計算大、小齒輪的 與 ，并加以比較，取其中大值代??11/FaSF???22/aSFY?公式計算 ????2..329FaS? 按小齒輪進行齒根彎曲疲勞強度設(shè)計，則 ?????????計算圓周速度 v （????4）查表得使用系數(shù) ；根據(jù) 、7級精度，查圖得 ；??圖得 。?? （??5）校核并確定模數(shù) （433/./.504ttmKm???6）鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 202213取模數(shù) 。1m?計算齒輪傳動的幾何尺寸，見表41。表41 肩關(guān)節(jié)齒輪的幾何尺寸名稱 符號 公式分度圓直徑 d mz2511??mzd5012??齒頂高 ahah?齒根高 f ????10..fc?全齒高 h mhfa25..??齒頂圓直徑 ad da271 hd