【正文】 (314) Ⅲ軸 T3=9550 mNnPⅢⅢ ??? (315) 確定三根軸的具體尺寸 兩實(shí)心軸的材料均選用 45號鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力 ??? = 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為 C=120. A. 第一根軸設(shè)計(jì)及校核 mNT ?? min/1750 rn ?? WP 768?? mmnPCd 33 ??? （ 316） 因?yàn)檩S是齒輪軸 ,所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn) ,以滿足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。 設(shè)主軸速度為 219176。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2332222111 lmlmlmJ ??? （ 32） = 222 ????? = mkg? 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 : 2532422 lmlmJ ?? = 22 ??? 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 = mkg? 式中： 4l —— 小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm 。 圖 31 機(jī)器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖 電動(dòng)機(jī)的選擇 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為 JG JG JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 : 2333222221111 lmJlmJlmJJ GGG ?????? （ 31） 1m 、2m、3m分別為 10kg、 5kg、 12kg。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 第 3章 機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過總體分析后 ,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。其中，非金屬材料有尼龍 聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。 機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。 g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。 f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。如電機(jī)與臂的外壁僅有 間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無間。 d. 有些 小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了質(zhì)量。 所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： ，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。關(guān)節(jié) 4， 5 均采用兩級齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié) 4采用兩級圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié) 5 采用第一級圓柱直齒輪，第二級錐齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向 90176。關(guān)節(jié) 2 傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié) 3 傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。關(guān)節(jié) 2， 3 都采用了三級齒輪減速，其中第一級采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向 90176。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。 基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié) 1 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié) 1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu) ,則必然以空間交叉方式變向 ,就不利于簡化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有 30 個(gè) 齒輪， 為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90176。 534186。 578186。 314186。其特點(diǎn)是占地面積小 ,工作范圍大 ,機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。 確定機(jī)器人手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。 利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手 臂到所需的位置。 控制系統(tǒng)選擇 對于焊接機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。 本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。所 以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。 ： 液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率 /體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三環(huán) (位置、速度、電流 )全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。 ：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。 ：直流伺 服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種 : ：可直接實(shí)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(jìn)行控制。工作空間的形狀和尺寸 則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是 5kg。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈 活，工藝操作精度高。 對以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所 組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長方體。 第 2章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 確定基本技術(shù)參數(shù) 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇 為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的 6 個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以 將其設(shè)計(jì)成以下五種方案： 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。初定各關(guān)節(jié)額定轉(zhuǎn)速為 20r/min，手爪末端額定負(fù)載為 5kg。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 相關(guān)設(shè)備現(xiàn)場布置示意圖及機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖 根據(jù)以上工作要求，綜合考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)和通用性，確定采用六自由度結(jié)構(gòu)。電鐓機(jī)每29 秒完成一個(gè)毛坯的電鐓工作，摩擦壓力機(jī) 6 秒可完成壓力成型工序。以機(jī)機(jī)器人為中心，半徑為 875mm 的圓周上，布置三臺(tái)電鐓機(jī)和一臺(tái)摩擦壓力機(jī)。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。 本課題研究內(nèi)容 本課題的主要任務(wù)是對機(jī)器人的腰 部及傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。仿真也為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并在這臺(tái)機(jī)器上模擬能都實(shí)現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設(shè)計(jì)效果，及時(shí)找出缺點(diǎn)和不足進(jìn)行改進(jìn)，避免了大量的物力、人力的浪費(fèi) [1， 2]。 在機(jī)器人的研制中，機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，對于環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，它相對輪式、履帶式機(jī)器人具有無可比擬的優(yōu)越性，它可以進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在一 般家庭的家政服務(wù)都可以應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形 成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類生活領(lǐng)域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動(dòng)作的機(jī)器人一直是人類的夢想之一。 課題研究的背景和意義 機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的 必然。 機(jī)器人是近 30 年發(fā)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義： “一種可 編程 和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。 本田公司 ASIMO 機(jī)器人 現(xiàn)在， 國 際 上對 機(jī)器 人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。 它是高級整合 控制論 、機(jī)械電子、 計(jì)算機(jī) 、材料和 仿生學(xué) 的產(chǎn)物。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以 人工智能 技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。 transmission。 Today, the robot industry has bee the industry closely watched around the world. Key Words