【正文】 ?? pLaa 取 1a =305。 1— 22可知帶的第一級節(jié)矩代號為 L，對應(yīng)節(jié)矩 bP =. 第二級節(jié)矩代號為 XL，對應(yīng)節(jié)矩 bP =. ⑶確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 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 ，兩級傳動比都為 1，帶輪的直徑 ???? ? Zpd b ???? ? Zpd b 則帶長 L可表示為 202????????? daL ? 由表面化 ： 帶長, ?PL 代號 285，齒數(shù)為 76。 6kg. 同步帶和輪的設(shè)計 腕部俯仰關(guān)節(jié)是通過二級同步帶傳動的，第一級同步帶的軸矩為 300mm，第二級為150mm. ⑴求設(shè)計功率 dP ，由于前面已考慮到了安全系數(shù)，所以 wpp d ?? ，wpp d ?? 。 。則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩為9 0 2 ?????? iTT out ? 所以，選擇如下四相混合式步進電機： 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 15 型號： 86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩： 。 mNglmmg lM????????????331靜 由于 靜M 2T ,故慣性矩忽略不計，則腕部俯仰總轉(zhuǎn)矩 mNMT ??? 。 3m —— 腕部回轉(zhuǎn)電機的質(zhì)量。 5kg。最大步距角保持轉(zhuǎn)矩為 ，步矩角 176。 由于步進電機不具有瞬時過載能力，故取安 全系數(shù)為 2（不同），則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩 mNTT OUT ????? 1 1 4 5 1 。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機器人比非關(guān)節(jié)型機器人有大得多的相對空間 (手腕可達到的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比 )和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活 ,結(jié)合本課題的實際條件，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。故綜合考慮，腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案一。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。 方案二：如圖 2－ 3所示，電機安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一對齒輪減速后，由第 一關(guān)節(jié)輸出軸帶動整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 機器人手臂結(jié)構(gòu)方案的對比分析及選擇 參考國內(nèi)外工業(yè)機器人的典型結(jié)構(gòu) [17]～ [ 23]，初步對各個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)單獨分析。但由于三個關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。由三個轉(zhuǎn)動關(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)。這里機器人手臂使用了三個旋轉(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。綜合考慮后確定該機器人具有五個自由度，其中手臂三個自由度，手爪 部分二個自由度，由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機器人比非關(guān)節(jié)型機器人有大得多的相對空間 (手腕可達到畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 11 的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比 )和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖 2－ 1所示。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 10 方案功能設(shè)計與分析 機器人手臂自由 度的分配和構(gòu)形 手臂是執(zhí)行機構(gòu)中的主要運動部件，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動。 本文的機器人為實驗演示用途的機器人。本文設(shè)計的機器人三個關(guān)節(jié)均使用電氣驅(qū)動。 電氣驅(qū)動是 20世紀 90年代后機器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動方式 。本文設(shè)計的機器人為關(guān)節(jié)坐標型。 (d)關(guān)節(jié)坐標型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型 (SCARA 型 )機器人。 (c) 球坐標型：具 有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。 (b) 圓柱坐標型：該型機器人前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，以θ , r, z為坐標，位置函數(shù)為 P=f (θ , r, z)，其中， r是手臂徑向長度， z是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。 其次，按機器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類： (a) 直角坐標型：該型機器人前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，不會產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。本文的機器人就屬于 PTP型。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 9 首先，按機器人控制方法的不同，可分為點位控制型 (PTP)，連續(xù)軌跡控制型 (CP)： (a) 點位控制型 (Point to Point Control)：機器人受控運動方式為自一個點位目標向另一個點位目標移動，只在目標點上完成操作。由于工作空間的形狀和大小反映了機器人工作能力的大小，因而它對于機器人的應(yīng)用是十分重要的。本文設(shè)計的機器人是 5DOF機器人。在這些關(guān)節(jié)中，單獨驅(qū)動的關(guān)節(jié)稱為主動關(guān)節(jié)。相應(yīng)地，以 轉(zhuǎn)動副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。 與機器人有關(guān)的概念 以下是本文中涉及到的一些與機器人技術(shù)有關(guān)的概念。 從以上特點可見，一個好的機器人設(shè)計應(yīng)當使其機械系統(tǒng)的抓重 —— 自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。本文所用的三個關(guān)節(jié)驅(qū)動是步進電機驅(qū)動，屬于開環(huán)控制型。 (3) 連桿驅(qū)動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的變化是非常復雜的，且和執(zhí)行件反饋信號有關(guān)。這和普通的 連桿系不同，在普通連桿系中，所有的連桿運動都出自同一驅(qū)動源，各連桿間的運動是互相制約的。為實現(xiàn)要求的坐標運動，在大多數(shù)工作時間內(nèi)，連桿系末端是無法加以支撐的，因而操作機的結(jié)構(gòu)剛度差，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本人的設(shè)想，和設(shè)計工作中需要解決的任務(wù)，本文主要研究機器人總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，主要進行以下工作 : 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，本機器人手臂結(jié)構(gòu)方案確定后要運用 AutoCAD 和 Pro/Engineer 軟件把其平面裝配圖及其立體圖做出。因此，本機器人的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學及 科研有著十分重要的意義。 本文研究的意義及主要內(nèi)容 我們所設(shè)計的五自由度工業(yè)機器人，可以為進一步研究工業(yè)機器人的工作原理和工作過程奠定一定的基礎(chǔ)。用戶根據(jù)作業(yè)給出的各個路徑點后，路徑規(guī)劃的任務(wù)包含 : 解變換方程 (運動學正解 )、進行運動學反解和插值運算等；在關(guān)節(jié)空間進行規(guī)劃時，大量工作是對關(guān)節(jié)變量的插值運算。最后，對內(nèi)部描述的軌跡，實時計算機器人運動的位移、速度和加 速度，生成運動軌跡。首先對機器人的任務(wù)、運動路徑和軌跡進行描述。所謂軌跡是指機械手在運動過程中的位移、速度和加速度。 運動學方程的建立與求解是一個機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，一直受到廣泛的關(guān)注，但仍然是當今的一個研究熱點，有著一定的發(fā)展空間。工業(yè)機器人機構(gòu)位置正解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解法也開始進行探討。 工業(yè)機器人運動學方程的計算過程需要解多元非線性方程組，數(shù)學上尚無完備的方法求其解析解，機構(gòu)學研究者采用數(shù)值分析的方法，取得了一系列進展。目前對具有特殊形狀的機器人機構(gòu)如球形手腕機器人機構(gòu)，其逆解是封閉的，但并不唯一。 工業(yè)機器人運動學系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 運動學正問題的研究目前主要是利用齊次 坐標變換矩陣方法將位置和姿態(tài)統(tǒng)一描述，該法思路清晰，但運算速度較慢，隨著機器人機構(gòu)自由度的增加對運動學逆問題的討論帶來很多不便。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 6 但是由于國內(nèi)機器人的科研與開發(fā)與國外尚有較大差距，雖然計劃開發(fā)的機器人基本上采用的是在國外基木成熟的技術(shù)，但國內(nèi)各單位對這些技術(shù)的了解有相當部分還停留在文獻上或局部技術(shù)上。由于目前我國機器人的基礎(chǔ)數(shù)量太低，以工業(yè)機器人為例，到了 2020 年我國機器人擁有量只能達到世界擁有量 %～ 2%，這與我國作為 21 世紀前半葉世界主要制造國的要求差距太大，如果這種差距只能以進口機器人來彌補，其巨大損 失不是可以用貨幣損失來計算的。而我國作為一個工業(yè)大國，不能寄希望從其他國家得到真正的高技術(shù)，必須自主的發(fā)展我國的高技術(shù)，機器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支，將成為 21 世紀各國爭奪的經(jīng)濟技術(shù)制高點。我國機器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機。 我國近幾年機器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益 [9]～ [12]。這是中國 機器人事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。從 20世紀 80年代末到 20 世紀 90 年代，國家 863計劃把機器人列為自動化領(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機器人基礎(chǔ)科學、關(guān)鍵技術(shù)與機器人元部件、先進機器人系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機器人在自動化工程上的應(yīng)用。過去機器人系 統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到 5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。 (5) 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與 Canbus、 Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò) 化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標準化設(shè)備有了發(fā)展。 (4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 5 并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境 的適應(yīng)性。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。意大利 COMAU公司，日本 FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。以德國 KUKA 公司為代表的機器人公司，將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用大大提高了機器人的性能。本文主要針對五自由度工業(yè)機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了培養(yǎng)機器人開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、維護方面的人才，我國很多高校也為本科生和研究生開設(shè)了機器人學課程。許多發(fā)達國家均把機器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計劃?！蹦壳?，工業(yè)機器人技術(shù)正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、PC 化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實用化；工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面?？傏厔菔菑莫M義的機器人概念向廣義的機器人技術(shù) (RT) 概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用