【正文】 .................................. 25 殼體設(shè)計 ................................................................................................................... 28 小結(jié) ............................................................................................................................ 29 總 結(jié) .................................................................................................................................... 29 參考文獻 .................................................................................................................................. 30 本科生畢業(yè)設(shè)計 7 第 1章 緒論 機器人概念 機器人 （ Robot）是自動執(zhí)行工作的機器 裝置 。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。在 工業(yè) 、 醫(yī)學(xué) 、 農(nóng)業(yè) 、 建筑業(yè) 甚至 軍事 等領(lǐng)域中均有重要用途。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身 動力 和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。 ”它能為人類帶來許多方便之處。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。機器人一詞最早出現(xiàn)于 1920 年捷克作家 Karel Capek 的劇本《羅薩姆的萬能機器人》中，在該劇中，機器人“ Robota”這個詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一本科生畢業(yè)設(shè)計 8 個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞動力。 機器人是一門綜合性很強的科學(xué)，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。 機器人是機器人技術(shù)中的一個重要研究課題，而雙足機器人是機器人研究的前奏。它適應(yīng)環(huán)境的能力更強，因此具有更加廣泛的應(yīng)用前景。仿真利用計算機可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機器人的動態(tài)特性，幫助研究人員了解機器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機構(gòu)的合理運動方案及有效的控制算法，從而解決在機器人設(shè)計、制造以及運行過程中的問題，避免了直接操作實體可能會造成的事故或者不必要的損失 。 國內(nèi)機器人的研究 我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng) 用。 1986 年 3月開始的國家 863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內(nèi)本科生畢業(yè)設(shè)計 9 容。 國內(nèi)機器人的研究也在 863計劃和自然科學(xué)基金的支持下持續(xù)開展了多年，如國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，都先后開始研制機器人樣機 [4]。要求對機器人模型進行靜力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機和減速器的選型。 主要任務(wù)： （ 1）機器人腰部機構(gòu)設(shè)計、三維造型 （ 2）機器人腰部受力計算與校核 （ 3）機器人腰關(guān)節(jié)傳動設(shè)計 （ 4）重要零件圖及裝配圖繪制 （ 5）伺服電機選型 （ 6）撰寫 1 萬字以上設(shè)計說明書一份 原始數(shù)據(jù)： 氣門電鐓成型工序電鐓機、摩擦壓力機與機機器人布置如下圖所示。電鐓機工作平面高 1500mm，摩擦壓力機工作平面高 900mm，預(yù)留機器人基座高度 500mm。機器人的工作任務(wù)是將電鐓后的工件及時送入摩擦壓力機的工作區(qū)域，即每 秒需要完成從零件抓取到最后零件釋放的一系列動作。整體方案確定各連桿長度（以轉(zhuǎn)動副的中心為端點）數(shù)據(jù)如下，連桿 1（即大臂）長650mm，連桿 2（即小臂）長 570mm，連桿 3（即手爪）長 280mm。 機器人結(jié)構(gòu)簡圖如上圖所示，關(guān)節(jié) 1 為腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) ，關(guān)節(jié) 2 為大臂俯仰關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 3 為小臂俯仰關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 4 為小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 5 為手腕俯仰關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 6 為手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，本課題的任務(wù)就是對 機器人腰部機構(gòu)及傳動 進行設(shè)計 。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。 d. 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。 采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩 個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：機器人。 額定負(fù)載 目前 ,國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中 ,其負(fù)載能力的范圍很大 ,最小的額定負(fù)載在 5N以下 ,最大可達 9000N。其中應(yīng)包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。 工作范圍 工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的 ,用工作空間來表示的。 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 機器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)，它們常和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運動。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負(fù)載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。其安裝維修方便，成本低。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場效應(yīng)管 MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù) (PWM)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟 動功率，提供很高的響應(yīng)速度。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。 常用的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。電極驅(qū)動具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機器人應(yīng)用要求等特點。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。示教方本科生畢業(yè)設(shè)計 13 式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。然后記錄（存儲）下這些操作和數(shù)據(jù)。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時速度不同。再現(xiàn)時，機器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。軌跡運動速度則按各軌跡程序段對應(yīng)的功能數(shù) 據(jù)輸入。根據(jù)任務(wù)要求 ,要實現(xiàn)機器人焊接功能 ,則機器人的工作范圍要廣 ,所以我選擇了立柱式的配置方式。 根據(jù)分析 ,可將機器人的參數(shù)列在表 21中： 表 21 機器人的主要參數(shù) 項目 技術(shù)要求 結(jié)構(gòu)型式 自由度數(shù) 6 運動范圍 1? 2? 3? 4? 5? 6? 308186。 292186。 244186。 最大速度 2m∕ s 腕部最大負(fù)荷 5 ㎏ 續(xù)表 21 項目 技術(shù)要求 驅(qū)動方式 直流電機 重復(fù)定位精度 本科生畢業(yè)設(shè)計 14 機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 22 機器人傳動原理圖 圖 22 是整個機器人本體機械傳動系統(tǒng)的簡圖。 ,有 10 個齒輪為圓錐齒輪 ,有利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。 機器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。 大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。 大臂上 裝有關(guān)節(jié) 2， 3 的驅(qū)動電機，內(nèi)部裝有對應(yīng)的傳動齒輪組。第二、三級均采用圓柱直齒輪進行減速。 小臂端部連接具有 3R 手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié) 4， 5 的驅(qū)動電機，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié) 6 的驅(qū)動電機。關(guān)節(jié) 6 采用三級齒輪傳動 ，第一級與第二級為錐齒輪，第三級為圓柱直齒本科生畢業(yè)設(shè)計 15 輪，關(guān)節(jié) 4， 5， 6 的齒輪組除關(guān)節(jié) 4 第一級齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。 。 c. 采用薄壁軸承與滑動銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。 e. 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。 PUMA 除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長臂所能達到的全球空間。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié) 4， 6 配合，一次就能轉(zhuǎn) 1112176。 h. 機器人手臂材料的選擇： 機器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應(yīng)是輕型材料。因此，在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。手臂承受載荷時，不應(yīng)有變形和斷裂。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、 合金鋼等。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。在我們的設(shè)計中為減輕機器人本體的重量選用鑄鋁材料。所設(shè)計的腰關(guān)節(jié)部分采用二級齒輪減速傳動。1l、 2l 、 3l 分別為重心到第 一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為 300mm、 700mm、 1500mm，在式（ 31）中 2111 lmJ G ?? 、 2222 lmJG ?? 、 2333 lmJG ??故 1GJ 、2GJ、 2GJ 可忽略不計。 5l —— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm 。 /s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下 ???JT （ 33） 式中： T —— 旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 mN? ?w —— 角加速度 2/srad 使機器人主軸從 ??00w 到 0 219w ??/s所需時間為 : 1ts