【正文】 /s。 由式（ 37）有： 2022 2 0 . 5 4 8 8 1 0 . 4 7 .3 0 . 1T J J N mt? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ??? 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： 02 22 2 10. 47 20. 94 .T T N m? ? ? ? （ 38) 選擇 減速機(jī)： 型號(hào)： APEXAE235 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩 ： 減速比 ： i2=100 諧波減速器的的傳遞效率為： %90?? ，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： 022 2 0 .9 4 0 .2 3 3 .1 0 0 0 .9out TT N mi ?? ? ??? (39) 選擇小型直流伺服電機(jī) ： 型號(hào) ： MAXONEC118896 額定轉(zhuǎn)矩 ： 額定電壓 ： 24V 額定電流 ： 額定轉(zhuǎn)速 ： 1000rpm 最高轉(zhuǎn)速 ： 1200rpm 額 定功率 ： 40w 電機(jī)尺寸 ： L=93mm D=46mm 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 設(shè)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度為 3 60 / s? ?? ， 則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下 ： TJ??? （ 310） 式中 ： T —— 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩 ， 。 J —— 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ， 。 ?—— 角加速度， rad/s。 20 1 3 1 3 53 .4 5 1 5 0 .1 6 2 3 .8 3 4J J J J M L K g m? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 34） 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 設(shè)大臂速度為 1 60 / s? ?? ，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： 成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） （多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)） 17 TJ??? （ 35） 式中： T —— 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩， 。 J2=M2L42 (33) =2 = 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。如圖 31所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為 JG JG2，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 [14]： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （ 31） 其中： M1， M2，分別為 ， 2Kg； L1， L2，分別為 128mm， 170mm 。 本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 負(fù)載 1kg；大臂回轉(zhuǎn)： 0~ ?90 ， s/60? ； 小臂回轉(zhuǎn) ： 0~ ??60 ， s/60? ； 腰部旋轉(zhuǎn)： 0~ ??360 ， 600/s；手爪夾持半徑 45mm～ 95mm。 (2).小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為 224mm，質(zhì)量為 M2(2kg 左右 )，重心在距第二關(guān)節(jié)軸 80mm處 ， L2=99+80=170mm。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制動(dòng)器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿?dòng)作用。另外，由于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動(dòng)器，所以只能通過軟件來實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng)。但對于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。 電氣制動(dòng)器 電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。因此這種制動(dòng)器被稱為無勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。 機(jī)械制動(dòng)器： 機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。 齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為 2112 zznni ?? 齒輪帶的平均速度 av 為 2211 ntzntzva ?????? 成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） （多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)） 14 圖 25齒形帶傳動(dòng) 制動(dòng)器 制動(dòng)器及其作用： 制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛瑥亩惯\(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或 者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)起兩類。 齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)。 本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機(jī) 直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。 成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） （多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)） 12 大臂 大臂長度 230mm，具體尺寸如圖 22 所示 : 圖 22 大臂外形 小臂 小臂長度 240mm，具體尺寸如圖 23 所示： 圖 23 小臂外形 成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） （多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)） 13 圖 24 夾鉗式手部的組成圖 傳動(dòng)方式 由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來增加力矩，提高帶負(fù)載能力。 基座上面是接線盒子，所有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)都從中出入。 基座及連桿 基座 基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支撐。 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)物料搬運(yùn)機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報(bào)廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要偏向于對原有機(jī)構(gòu)的改造和機(jī)械手的設(shè)計(jì)。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢： 成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） （多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)） 11 a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合； c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測。目前我國已開始有計(jì)劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。經(jīng)過大約 10 年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980 年開始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。通過引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。 其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從 1967， 1968 年開始以美國的“ Versatran”和“ Unimate”型機(jī)器人為藍(lán)本開始進(jìn)行研制的。又如，萬能自動(dòng)公司制成了由 25 臺(tái)機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動(dòng)線。 1970 年 4 月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國 工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。 （ 3） 1970 年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。 （ 2） 19681970 年為實(shí)際應(yīng)用階段。 19631966 年， 萬能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） （多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)） 10 多采用 封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專用機(jī)器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM 中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。計(jì)算機(jī)集成制造（ CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能 力，不能應(yīng)付外界的變化。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。國際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議 ISIR 決定每年召開一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。 第二代機(jī)器人正在加緊研制。自 1969 年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國開始研制的。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。 位 形 檢 測控 制 系 統(tǒng) （ 二 ）驅(qū) 動(dòng)傳 動(dòng)裝 置執(zhí) 行機(jī) 構(gòu)工 作 對 象智 能 系 統(tǒng)控 制 系 統(tǒng) （ 一 ） 圖 12 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系 機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 11 所示。 要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu) —— 執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） （多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)） 8 驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對象。 簡而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu) 勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。 “工業(yè)機(jī)器人”（ Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，控制，伺服，制動(dòng) 成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） （多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)） 7 1 概況及現(xiàn)狀分析 機(jī)器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運(yùn)送物料。 傳動(dòng)方式 .............................................................. 13 3 驅(qū)動(dòng)源的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算 ..................................................... 15 主要技術(shù)參數(shù)的 確定 .........................................