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本科毕业设计（论文）中期检查表题目名称五自由度机器人的机构设计学生姓名 专业班级 学号 1、 进度情况（查阅中外文文献资料、综合运用知识、研究方案设计、研究方法和手段运用等）说明1. 在网上以及校图书馆查阅资料并确定题目；2. 提交开题报告；3. 编写完论文并开始画图；4. 完成外文翻译 2、 阶段性成果1. 编写论文时查阅资料，了解多自由度机器人的工作原理；2. 对整体有一个设计方案后对各个零件进行具体设计；3. 完成手爪部分抓取的计算。3、 存在的主要问题及解决方法1. 编写论文时里面的公式输入，图片插入等不熟练，公式号无法对齐，通过询问指导老师得到解决；2. 机械手的减速器选用出现问题，查阅资料得到解决；3. 出现绘图时粗糙度标注位置、尺寸标注字体过大等问题，通过查看相关书籍和问同学得到解决四、指导教师对学生在毕业设计（论文）中的纪律及毕业设计（论文）任务的完成进展等方面的评语指导教师签名： 年 月 日 本科毕业设计（论文）题 目 五自由度机器人机构设计 学院名称 机械与动力工程学院专业名称 机械设计制造及自动化 年级班级 学生姓名 指导教师 1摘要摘 要本次毕业设计设计了一个五自由度串联机器人。大致流程如下：首先计算出执行端所需要的驱动力矩，再由此选出该关节所需的伺服电动机和减速器，设计出机壳和关节的连接结构，绘制3D图，做出三维动画，通过软件的测量求出设计好的部分重心，求出下一个关节所需的驱动力矩，选出所需的减速器和伺服电动机，以此类推最终完成总体设计，并且绘制了串联五自由度机器人的工程图。关键词：五自由度 串联机器人 总体设计 伺服电动机 ABSTRACTABSTRACTThis paper designed a five DOF serial manipulator. First of all, through the calculated execution end driving torque, and this is the basis to select reducer and servo motor which the joint required, then design the shell and joint connection structure by 3D software . through the measurement , design part of the center of gravity for a shutdown required driving torque, select the desired speed reducer and servo motor, and so on. And finalcomplete the overall design,and made a five DOF serial manipulator engineering drawing.Key words: 5-dof serial manipulator overall design Servo motor 1目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录I1绪论11.1概述11.1.1机器人定义11.1.2机器人的应用简况11.1.3发展趋势21.2研究内容21.3本章小结32搬运机械手结构设计42.1机械手的组成42.1.1执行机构42.1.2驱动机构42.2机械手的分类52.3机械结构设计与分析52.4传动、驱动方式的分析与选择62.5本章小结73机器人手部的设计83.1手部设计要求83.2 驱动力的计算83.3两支点回转式钳爪的定位误差的分析113.4 手抓夹持范围计算123.5本章小结134总体设计144.1总体设计参数144.2设计原理144.3传动设计144.4关节处设计154.5手臂设计164.6整体设计164.7本章小结175静力矩估算与电机、减速器的选择185.1电机、减速器的选择185.1.1手腕转动185.1.2手臂俯仰205.1.3小臂俯仰215.1.4大臂俯仰235.1.5大臂转动255.2手臂的校核计算275.3轴的校核285.4本章小结326 结论33参考文献34致 谢35I1绪论1绪论1.1概述1.1.1机器人定义现今机器人已经充斥着我们的日常生活，不管是小孩子的玩具还是工厂里的机械手都可以算是机器人。下面列举几个我们常见的相关名词：机器人、工业机器人、机械手等，这些名词术语虽然代表着不同的事物类别，但在概念上没有明确的区分，可以得知这些词汇之间有相似之处但也略有不同。参阅相关资料，全世界范围对于这些名词术语至今还没有做出统一的明确定义，只有国际标准化组织以及各国工业协会提出的相关定义。国际标准化组织的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机”1-3。美国机器人工业协会将机器人定义为一种具有编程能力的用于移动各种组件或者专用生产的多功能机械手。尽管这一定义较实用，但并不全面。至于我国机器人的定义，蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”工业机器人与机械手的主要区别是前者具有独立的控制系统，可通过编程方法实现动作程序的变化；而后者则只能完成简单的搬运、抓取及上、下料工作，一般作为自动机或自动线上的附属装置，其程序固定不变4.5。这些都是可以查到的比较权威的机器人定义，虽然各有不同但大同小异，通过这些不同的定义我们可以概括得到全世界范围对于机器人定义的共通性：机器人是一种集多学科为一体的机械自动化装置。1.1.2机器人的应用简况现今工业中，大部分先进工厂都在使用机械手机器人，这样首先可以加强安全管理，其次可以缩减人工成本，机器人已然成为了先进工厂的首选。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法10-12。1.1.3发展趋势目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要8.9。国内机械手的发展现状主要还是偏向于对应用范围的扩大。因为传统机械工业对于人的工作环境安全程度很难保证，总会存在危险，每年都有许多机械方面从业一线工人因为各种原因发生或轻或重的事故，其中比较危险的便是铸锻于热处理方面，所以现在对这两个方面的机械手发展要更为重要，以便确保安全便捷的生产，大大减少从业者的危险系数，提升工人的生产条件。以上这些所针对的都是专用机械手，通用机械手在我国的发展方向中也给予了重要的地位，因为通用机械手比之专用机械手更方便更具有普遍性，如果能将通用机械手发展到很高的水平，我国的机械工业将会提升一个很大的档次。现今我国的高精尖人才也在对示教式机械手和组合式机械手进行研究，这些机械手会在将来的工业生产中大放异彩。我们常见的机械手都是由各种运动构件组成，正是这些构件完成了机械手的伸缩、摆动、升降等运动。再由这些运动构件组合，最终完成需要实现的工作轨迹，这就是一种对于通用机构的运用，不同的运动轨迹选用多种不同的典型构件，极大的方便了机械手的设计，并且将选用的典型构件规范化，也省去了设计专用模具的工作，极大的提升了工作效率，节约了工作成本。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态6.7。1.2研究内容确定一个指导原则，是在设计之前必须要做的事情。对于此次五自由度串联机器手的设计我打算将设计原则规定如下：设计目标就是设计出一种五自由度串联的机械手，其中如果设计出的机械手如果不满足给定的工作环境与工艺流程要求，则视为失败，所以要注意考虑相关的生产要求。本文的主要研究内容为：第一章从机器人的背景、国内外现状的机器人、关于机器人的主要发展趋势等方面给大家做一个简要的介绍；第二章为五自由度机械手结构设计的搬运，得出机械手的总体设计参数，对机械手的传动方式，总体结构进行设计；第三章对五自由度机械手的详细设计，重点是机械手的手爪部分的设计,并对此机械手的部分零件进行了示意与分析；第四章五自由度机械手的详细设计重点介绍了此机械手的传动设计和总体设计；第五章五自由度机械手的详细设计重点介绍了机械手的轴的校核以及电机选择； 1.3本章小结 本章首先通过各处文献对机械手的定义做了讨论，对机械手在国内外的现状与发展前景做了一个大致的介绍，明确了机械手在未来一段时间内的发展与研究方向。然后确定了本次设计的目标、指导原则。最后对本次毕业设计的主要研究内容进行了段落的划分，简介了后各章的主要研究目标以及所需达成的任务。52搬运机械手结构设计2搬运机械手结构设计2.1机械手的组成我们通常能见到的机械手都可以根据作用来拆分成执行机构、驱动机构和控制系统这三大部分。2.1.1执行机构机械手的执行机构主要是指机械手的手臂与手指部分。机械手，顾名思义，机械的手臂，根据人类的手臂仿形而设计。所以机械手的手臂并不是铁条一块，手臂中含内孔，并在内孔中有类似人类骨头一样的传动轴，就是通过这些传动轴把动作传递到手腕来完成转动伸缩等动作，再由手腕控制手指的开闭夹紧等动作。手指部分和人类手指一样，通过固定关节、无关节和自由关节三种组合，完成所需要的一切动作，但又不像人类手指一样固定模式，可以根据需求选择合适的手指数量、关节数等参数。手指又可由数量分为二指、三指、四指等，其中数二指的应用最为广泛。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘13-15。我们如何使手指准确的抓住工件并且完成所需的运动轨迹，只靠手指自然是做不到如此复杂的动作，这便是装有传动轴的手臂发挥作用的时候了。为了机械手在完成既定的运动轨道的时候偏差不会过大，就要求机械手的手臂具有一定的定位精度，以确保不会产生过大的误差。如果追本逐源，躯干就扮演着机架的作用，在机械手中给安装手臂、动力源和各种执行机构提供位置与合理的布局。2.1.2驱动机构目前我们接触到的驱动机构大致分为四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、电气驱动用得最多。液压驱动机械手我们经常在许多大型机械臂上见到，其驱动方法大多由液动机（各种各样的油缸、油马达）、伺服阀、油箱、油泵等组成主体的驱动系统。这种驱动方式因其具有较大的抓举能力，并且具有耐震动、耐冲击等特点，被大量运用于重型机械上。气压驱动式顾名思义是以气压为动力来完成驱动，通常由气阀、气缸、气罐和空压机组成驱动系统。但由于气压方面行业水平达不到精确控制的水平，所以较少被用于抓举。电气驱动是靠电机作为驱动力来驱动，是目前机械手使用得最多的也是技术最成熟的一种驱动方式。但众所周知电机的转速一般较高，所以在选用电气驱动时要配合适配的减速器以达到驱动要求。现在技术突破有新型的变频电机出现，可以不依靠减速器而输出较低的转速，所以将来可能会使电气驱动更加便捷，减轻结构负担。机械驱动式是传统机械的传动方式，局限性很大，只能应用于动作固定的场合，大部分是借助凸轮连杆机构来满足既定的运动轨迹。传统机械传动方式特点就是动作确定可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其他还有许多驱动方式，但比较小众，例如混合驱动等，本次设计不予考虑则选择不一一介绍。2.2机械手的分类机械手按用途分类可分为两类：1）专用机械手专用机械手是专门为一定设备服务设计的。优点简单实用，目前在生产中运用的比较广泛。缺陷是它一般只能完成一到两种特定的作业，比如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要来编写控制程序以获得更多的工作程序，使之适应多种作业的需要。2）通用机械手通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的，它能对不同的物件完成多种动作，具有相当的通用性16-18。2.3机械结构设计与分析臂部、手爪、腕部、机座和行走机构的设计是隶属于机械结构设计。本机械手的机械结构设计主要涉及如下四部分内容：1、 臂部根据人类的手臂仿形而设计。所以机械手的手臂并不是铁条一块，手臂中含内孔，并在内孔中有类似人类骨头一样的传动轴，由动力关节与连接杆件等构成，用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。 2、手爪，又称末端执行器。仿形于人类的手，但不局限于手指数、自由度数，作用却雷同，用于抓取或夹紧工件，其安装于机械手手臂的前端。3、腕部，同样仿形于人类手腕但自由度更高，在机械手中主要用来连接手臂和末端执行器的部件。在手臂实现了手爪的三个位置坐标的基础上，需要腕部来辅助实现手爪在作业空间的姿态坐标。4、机座，机器人必不可少的支撑部分，从较广范围来区分可以分为移动式和固定式两种。机座的作用也不只是局限于直接支承和驱动手臂的构件，同样也部分会实现臂部回转，以获得更多的自由度。2.4传动、驱动方式的分析与选择选择驱动源和传动装置、关节部件的连接形式和驱动方式便组成了传动方式的选择。驱动源如上文介绍的大致分为气压驱动、液压驱动、直流电机驱动和步进电机驱动四种基本类型。交流电机驱动是新近发展起来的一种驱动方法19-21。经过对比这四种的优劣势并充分考虑到系统的整体平衡性，本机械手拟采用远距离连接传动、间接驱动。驱动源拟采用步进电机和液压缸，传动装置拟采用齿轮传动。各关节所采用的传动方式分别为：(1)机座回转的腰关节：由步进电机进行传动，将垂直回转转换为水平回转。(2)大臂俯仰的肩关节：由关节装置直接驱动。(3)小臂俯仰的肘关节：同大臂俯仰传动方式。(4)手腕摆动的腕关节：同样是由电机驱动，再由齿轮传动并减速，把电机的旋转运动转换成机器人手腕的旋转运动。另外，由直流电机直接连接液压缸驱动由手爪回转完成，手爪开合是用液压驱动气缸实现。经综合分析，构型和自由度分配图如图2-1所示。图2-1 构型和自由度分配2搬运机械手结构设计2.5本章小结本章首先对机械手的组成、分类等基础知识进行了介绍。然后又对机械手的各部分结构的名称与作用进行了介绍。最后再通过各种传动驱动方式的分析后，本次设计拟定选用远距离连接传动、间接驱动；驱动源拟选用步进电机和液压缸，传动装置拟选用齿轮传动。13机器人手部的设计3机器人手部的设计3.1手部设计要求(1)应具有足够的握力我们通常对手指的握力进行确定时，无外乎会先考虑需要达到由工件重量产生的所需的加持力，其次也要考虑到在传送或操作过程中是否会产生惯性力和振动，这些产生的惯性力和振动的大小是否会导致所加持的工件产生松动或脱落，最后也要根据加持工件的具体状况做进一步的要求，比如不能夹紧力过大导致较软材料票表面破坏等。(2)手指间应有一定的开闭角手指的闭合与张开存在两个极限位置，这两个极限位置所夹角度被称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。如果夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。(3)应保证工件的准确定位手指夹持工件为了完成所需的工作轨迹，并一定程度的保证精度。为保证手指与被夹持工件之间相对位置的精度，需要根据被抓取工件的形状，选取适配的手指形状。比如当我们需要夹持圆柱形工件时，我们通常会采用带“V”形面的手指，优势在于其可以自动定心，并能够提高加持的稳度与安全性。(4)应具有足够的强度和刚度手指在工作中会受到两方面的力，一方面来自被夹持工件的反作用力，另一方面来自机械手运动过程中产生的惯性力和振动的影响，为了所完成运动轨迹的精度，就必须要使手指具有足够的强度和刚度，以至于不会产生弯曲变形或者强度破坏，具体校核哪个方面要根据实际来确定。然后在此基础上，尽可能的注意减轻自重，简化结构。3.2 驱动力的计算如图3-1所示为滑槽式手部结构。拉杆3端部固定着圆柱销2，当拉杆3向上拉的时候，圆柱销就会在两个手指1的滑槽中移动，带动手指1绕O1与O2两支点回转运动，夹紧工件。拉杆3向下推时，使手指1松开工件。1. 手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图3-1 滑槽杠杆式手部受力分析定义由拉杆3作用于销轴2，销轴2产生的拉力为P，P方向向上且通过销轴中心O点。定义机械手两手指1的滑槽对销轴的力为P1、P2，与销轴对滑槽的作用力方向大小相同方向相反，其方向分别垂直于滑槽中心线OO1和OO2并都指向O点，由上图可知有P1和P2的延长线交O1O2于A及B。因为O1OB和O2OA均为RT三角形，由相似定理可得AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 (3-1) (3-2) (3-3)销轴对手指的作用力为P1。如果想机械手稳定的夹持工件，我们需要施加力在手指上，我们把这时所需的力称为握力（即夹紧力），在这里我们假设握力与之反作用力作用于过手指与工件接触面的对称平面内，并由反作用力定义可知握力与其反作用力的大小相等，方向相反，用N表示。由手指的力矩平衡条件，即m01(F)=0得 (3-4)因为 (3-5) 所以 (3-6) 式中 a 手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 工件被夹紧时OO1 （OO2）方向和两回转支点连线间夹角。由上式可得，当驱动力P为定值时，角与握力N成正比。但不能通过大量提升角来提升握力，角一旦过大则会增大拉杆（即活塞）的行程，同时会引起手指滑槽尺寸长度增大，最终导致整体结构加大，使装置结构不再简单，并增加成本。因此，一般取=300-400。这里取角=30度。当取30度是机械手的手部结构会变得比较简单，特点是动作灵活等。由于此次设计的机械手用于夹持棒状（圆柱形）物体，所以我们通过查询工业机械手设计基础可得知V型手爪握力的计算公式N=0.5G。综合之前驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。除了考虑到目标要求之外，工件在传送过程中会产生的惯性力、振动等情况，这些情况都会对传力机构效率会产生的影响，综合之下，得出结论实际的驱动力P实际应该按以下公式计算，即： (3-7)式中 手部的机械效率，一般取0.85-0.95； K1安全系数，一般取 1.2-2； K2工作情况系数，在本次设计中主要是考虑惯性力对其抓取的影响，可得K2的估计公式如下，。其中a为被抓取工件运动时最大加速度，g为重力加速度。本次五自由度机械手所抓取的工件主要运动轨迹是水平和垂直平移。我们给定它的移动速度v是500毫米/秒时，移动加速度a是1000毫米/秒，工件重量G为98 N，V型钳口的夹角是120，=30时，拉紧油缸的驱动力P和Pc计算如下：由上文钳爪夹持工件的相对方位，综合查阅的资料可得水平放置的钳爪夹持工件的当量夹紧力计算公式如下 (3-8)把已知条件代入得当量夹紧力为由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 (3-9)得 (3-10) 取 , , 则 3.3两支点回转式钳爪的定位误差的分析如图3-2所示，E（钳口与钳爪的连接点）为铰链链接，其几何关系如图所示，我们将钳爪对称中心O到工件的中心O的距离设为，则 (3-11)当工件直径变化时，x的变化量随之产生变化，我们记其变化量为定位误差，设工件半径R在由Rmax（最大半径）变化到Rmin（最小半径）时，其最大定位误差计算如下： (3-12) 其中l=68.5mm 。b=5mm 。a=30mm 。2=120 。Rmin=15mm 。Rmax=30mm代入公式计算得最大定位误差=68.34-68.07=0.270.8故符合要求。图3-2 带浮动钳口的钳爪3.4 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角是60，活塞杆运动长度为34mm，手指长为100mm。当手爪处于未张开状态时，如图3-3(a)所示，根据本次五自由度机械手的机构设计，它的最小夹持半径R1是25mm，当张开角为60，如图3-3(b)所示。最大夹持半径R2计算如下：所以机械手的夹持半径从。(a) (b) 图3-3 钳口持半径3.5本章小结本章主要是对机械手的手部进行设计，在本章开始时明确了需要机械手手部需要达成的要求。首先计算了手部的驱动力，之后校核了两支点回转式钳爪的定位误差，最后确定了手爪的夹持半径。174总体设计4总体设计4.1总体设计参数根据此次设计的机器人具体应用场合和实际应用要求，主要的设计参数要求如下：(1)抓取的重物：5kg；(2)机械手的自由度数：5个；(3)运动参数： 底座旋转： 角速度：3.14rad/s； 支撑杆俯仰：线速度：0.3m/s； 上杆旋转： 角速度：3.14rad/s；(4)运动行程： 底座旋转： 360 ； 支撑杆俯仰：60120； 上杆旋转： 3600 上杆俯仰： 0 -904.2设计原理本设计结构上总体采用的是关节型设计，关节型的好处是传动原理简单明了、结构紧凑、所占空间体积较小、相对的工作空间较大、还能绕过基座周围的一些小型障碍物等特点。本次机器人的手腕和腰部都采用了关节型设计，这对某些需要精细操作、精确定位同时操作又要简单快捷的工作是十分有好处的。4.3传动设计因为底座需要驱动这整个机械手，转动惯量和质量都比较大，伺服电机的额定转矩一般很小，达不到所需，所以采用大功率的直流电机驱动，经减速箱进行减速，再驱动机器人腰部以上的结构，结构图如图4-1和图4-2所示。 图4-1 底座内部的结构图 图4-2底座传动内部的结构图 直流电机自重较大所以通常都安装在底座的箱体旁边，箱体中是为了适配电机输出转化成所需转速的减速器结构，用于减速与提供更大的扭矩。电机与箱体固定，电机输出的扭矩传导至减速器上，形成反作用力，并且由于底座固定在地面上，从而推动箱体及其以上部分转动。4.4关节处设计腕部，同样仿形于人类手腕但自由度更高，在机械手中主要用来连接手臂和末端执行器的部件。在手臂实现了手爪的三个位置坐标的基础上，需要腕部来辅助实现手爪在作业空间的姿态坐标。腰部结构用来连接底座与大臂。五自由度机械手腕部结构如图4-3所示。五自由度机械手腰部结构如图4-4所示。图 4-3 腕部结构 图 4-4腰部结构4.5手臂设计臂部的设计要求：结构和尺寸应满足作业任务的工作空间要求；手臂一般受弯矩和拉力较多，所以合理的选择手臂截面形状和高强度轻质材料是至关重要的。在设计手臂时要尽量减小手臂自重与和之相匹配的关节回转轴的转动惯量与力矩，以达到减少驱动装置的负荷的目的。减少运转的动载荷与冲击，提升运动的响应速度。机械间隙在运动中也会对精度产生不可避免的影响，所以也要注意减小机械间隙，达到尽可能提升运动精度和刚度，提高定位精度的目标。大臂结构如图4-5所示，小臂结构如图4-6所示。 图4-5 大臂结构 图4-6 小臂结构4.6整体设计该机械手的设计如下：腰转电机M1通过谐波减速器直接驱动腰部转动，为了减小惯量，大臂电动机M2和大臂M3电机分别布置在大臂关节两侧，并分别通过谐波减速器直接驱动各臂摆动。小臂，手腕是通过回转电动机M4、M5连接谐波减速器来实现回转运动，手腕的摆动是靠电动机连接双输出轴齿轮实现。结构图如图4-7所示。图 4-7 整体结构4.7本章小结本章是五自由度机械手的总体设计。首先将需要明确，简介设计原理。然后分步对传动、关节、手臂和整体进行了设计。并且在设计时对各部分的细微要求的应对方法进行了拟定，比如本次设计中基本都选用谐波减速器来完成传动。5 静力矩估算与电动机、减速器的选择5静力矩估算与电机、减速器的选择在电机、减速器的选型中，首先要确定负载的工况。然后在工况已经确定的情况下对负载进行计算，反推出所需电机的输出功率所在大致范围，再选取所需的适配电机减速器型号，进而可以根据安装需求确定电机、减速器的安装结构。5.1电机、减速器的选择5.1.1手腕转动手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算： M驱=M惯+M偏+M摩 (5-1)式中： M驱驱动手腕转动的驱动力矩（Nm）；M惯惯性力矩（Nm）；M偏转动所涉及的所有零部件的重量对转动轴线产生的偏重力矩（Nm）。若手腕启动过程按等加速度运动，则所产生的惯性力矩： M惯=（J5+J51）（Nm） (5-2)式中 ：J6工件对五自由度机械手腕部所转动轴线的转动惯量。J61五自由度机械手腕部转动所涉及到的部件对于转动轴线的转动惯量；手腕转动时的角速度；t启动过程中所用的时间。盘状回转惯量计算： J=mr2(kgm2) (5-3)圆柱回转惯量计算： J= (kgm2) (5-4)杆绕端点回转惯量计算： J=mL2 (kgm2) (5-5)参与手腕转动部件的质量m1=10kg,长100mm。我们假设为理想状态，腕部转动涉及到的部件质量在一个半径为50mm的圆盘上等效且均匀地分布，那么此时转动惯量为： J51=m1r2=0.0125 kgm2工件是质量m为5kg的普通碳钢棒料，质量分布情况为长200mm，直径66mm，那么转动惯量(仅考虑没有偏心距的情况M摩、M偏忽略不计）： J5= = =0.0167 kgm2所以： M驱= M惯=（J5+J51）=（0.0125+0.0167）=0.918Nm减速比 所以选用型号CS-8-50-U-G-A1-I的谐波减速器。其参数如表5-1所示。表 5-1 谐波减速器参数表规格单位CS-8-50-U-G-A1-I减速比150额定输出力矩Nm1.4起停允许最大转矩Nm2.6瞬时允许输入最大转矩Nm5.3最大输入转速rmp7000额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑油脂防滑等级IP65安装方向任意方向噪音值db63质量Kg0.56减速器的输入转矩： Ti=To/i=1.4/(90%50)=0.0311Nm式中： PW减速器的输入功率w T工作机转矩(Nm) n转速（r/min）电机输出功率为：电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD5AZG1，相关参数如表5-2所示。表 5-2 伺服电机参数表规格单位MSMD5AZG1电源电压V100额定转速rmp2000额定转矩Nm0.16额定电流A1.1额定功率kW0.05允许最高转速rmp5000质量Kg0.325.1.2手臂俯仰手腕俯仰时所需的驱动力矩可按下式计算:M驱=M惯+M偏+M摩 M惯=（J4+J41+J42）（Ncm） (5-6)式中： J5工件对五自由度机械手腕部俯仰轴线转动惯量;J51腕部结构对俯仰轴线的转动惯量;J52五自由度机械手腕部涉及的转动部件对俯仰轴线的转动惯量。腕部结构由壳体、减速机、电机构成，质量分别为2.289kg、0.56kg、0.32kg，所以该部分结构总质量m2为3.169kg，总长度为165mm. 因为手腕平水行时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。设手部、手腕、工件绕着自己的重心轴的转动惯量分别是JG2、JG1、JG。由平行轴定理可得绕手腕关节轴处的转动惯量的计算如下： J= J4+J41+J42= JG +mL2+JG1+ m1L12+JG2+m2L22 (5-7) 由于JGmL2、JG1m1L12、JG2m2L22，故可忽略不计，转动惯量为：J=m2L22+ m1L12+ mL2 =3.1690.07272+50.24562+100.39562=1.883kgm2惯性力矩 M惯=（J4+J41+J4）=1.883=7.9（Nm）减速机选用型号PAW055A-L2-100-2P-S1-B1-Y的减速器,其参数表如表5-3所示。表 5-3 谐波减速器参数表规格单位PAW055A-L2-100-2P减速比1100额定输出力矩Nm10瞬时允许输入最大转矩Nm30传递效率185%额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑油质量Kg2.1安装方向任意方向噪音值db68减速器的输入转矩： Ti=To/(i)=10/85=0.1176Nm减速器的输入功率为： 电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD5AZG1，相关参数如下5-4所示。表 5-4 伺服电机参数表规格单位MSMD5AZG1电源电压V100额定转速rmp2000额定转矩Nm0.16额定电流A1.1额定功率kW0.05允许最高转速rmp5000质量Kg0.315.1.3小臂俯仰机械手小臂俯仰运动的力矩的计算为: M惯=（J3+J31+J32+J33）（Nm） (5-8)式中： J3 工件绕关节3处转动轴转动惯量J31手部结构绕关节3处转动轴转动惯量J3腕部结构绕关节3处转动轴转动惯量J33小臂绕关节3处转动轴转动惯量小臂俯仰运动的角速度处于水平位子时，小臂最大转动惯量为： J=J3+J31+J32+J33=JG +mL2+JG1+ m1L12+JG2+m2L22+JG3+m3L32 (5-9)式中: JG工件绕自身重心转动惯量JG1手部绕自身重心转动惯量JG2手腕绕自身重心转动惯量JG3小臂绕自身重心转动惯量L 工件重心与关节3处转动中心距离L1手部重心与关节3处转动中心距离L2手腕重心与关节3处转动中心距离L3小臂重心与关节3处转动中心距离由于JGmL2、JG1m1L12、JG2m2L22、JG3m3L32，故可忽略不计，转动惯量为：J= mL2+ m1L12 +m2L22+m3L32 （5-10） =8.5690.1832+3.1690.4482+50.5802+100.732=0.287+0.636+1.682+5.329=7.934kgm2M惯=（J3+J31+J32+J33） （5-11）=7.934=27.69Nm选用谐波减速器型号CS-11-100-U-G-A1，其参数表5-5所示。表 5-5谐波减速器参数表规格单位CS-11-100-U-G-A1减速比1160额定输出力矩Nm32瞬时允许输入最大转矩Nm118传递效率190%额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑脂质量Kg0.98安装方向任意方向噪音值db65减速器的输入转矩： Ti=To/i=32/（90%160）=0.222Nm （5-12）减速器的输入功率为： （5-13）电机输出功率为： （5-14）电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD012G1U，相关参数如表5-6。表 5-6 伺服电机参数表规格单位MSMD012G1U电源电压V100V额定转速rmp2000额定转矩Nm0.32质量Kg8.1额定功率w100允许最高转速rmp3000按扭转强度法初算轴的直径： (5-15)式中: P轴传递功率kw n轴的转速r/min C由小臂内孔内的传动轴的材料和受载情况所确定的系数（轴的材料为45钢，通常取C=106117） 轴段截面上有一个键槽，d增大5%,实取17mm。5.1.4大臂俯仰机械手大臂俯仰运动的力矩的计算为: M惯=（J2+J21+J22+J23+J24）（Nm） (5-16) 式中： J2工件绕关节2处转动轴转动惯量；J21手部结构绕关节2处转动轴转动惯量；J22腕部结构绕关节2处转动轴转动惯量；J23小臂绕关节2处转动轴转动惯量；J24大臂绕关节2处转动轴转动惯量；大臂俯仰运动的角速度。处于水平位子时，大臂最大转动惯量为：J2+J21+J22+J23+J2=JG+mL2+JG1+m1L12+JG2+m2L22+JG3+m3L32+JG4+m4L42 （5-17）式中： JG4大臂绕自身重心转动惯量；L 工件重心与关节2处转动中心距离；L1手部重心与关节2处转动中心距离；L2手腕重心与关节2处转动中心距离；L3小臂重心与关节2处转动中心距离；L4大臂重心与关节2处转动中心距离。由于JGmL2、JG1m1L12、JG2m2L22、JG3m3L32，JG4m4L42故可忽略不计，转动惯量为： J=mL2+ m1L12 +m2L22+m3L32+ m4L42 （5-18）=22.714kgm2大臂俯仰惯性力矩为： M惯=J=22.714=23.804Nm （5-19）选用谐波减速器型号LCS-20-160-C-I，其参数如表5-7所示。表 5-7谐波减速器参数表规格单位LCS-20-160-C-I减速比1160额定输出力矩Nm32瞬时允许输入最大转矩Nm87传递效率190%额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑脂质量Kg0.98安装方向任意方向噪音值db65容许输入最大转速rmp6000减速器的输入转矩： Ti=To/i=32/(90%160)=0.222Nm （5-20）减速器的输入功率为： （5-21）电机输出功率为： （5-22） 电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD012G1U，相关参数如表5-8所示。表 5-8伺服电机参数表规格单位MSMD012G1U电源电压V100V额定转速rmp2000额定转矩Nm0.32额定电流A25.9额定功率w100允许最高转速rmp3000质量Kg8.1按扭转强度法初算轴的直径： （5-23）轴段截面上有一个键槽，d增大5%,实取17mm。5.1.5大臂转动机械手大臂转动的力矩的计算为: M惯=（J1+J11+J12+J13+J14）（Nm） (5-24) 式中: J1工件绕关节1处转动轴转动惯量J11手部结构绕关节1处转动轴转动惯量J12腕部结构绕关节1转动轴转动惯量J13小臂绕关节1处转动轴转动惯量J14大臂绕关节1处转动轴转动惯量 腰部旋转运动的角速度机械手大臂转动总的转动惯量为： J=J1+J11+J12+J13+J14= J1+J11+J12+J13+JG4+m4e42 （5-25）式中: JG4大臂件绕自身重心转动惯量e4大臂重心到转动轴线偏心距J1= =0.0167 kgm2 （5-26） J11=m1r2=0.0125 kgm2 （5-27） J12= =0.0092 kgm2 （5-28） J13= =0.1129 kgm2 （5-29） JG4=2.185kgm2 （5-30）大臂偏转惯量为： m4e42= 81.0440.3132=7.94 kgm2大臂驱动力矩为： M驱=J=53.848Nm选用谐波减速器型号LCS-25-160-C-I，其参数表表5-9所示。表5-9谐波减速器参数表规格单位LCS-25-160-C-I减速比1160额定输出力矩Nm64瞬时允许输入最大转矩Nm251传递效率190%额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑脂质量Kg1.47安装方向任意方向噪音值db69容许输入最大转速rmp4000减速器的输入转矩： Ti=To/i=64/(90%160)=0.444Nm （5-31）减速器的输入功率为： （5-32）电机输出功率为： （5-33）电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD012G1U，相关参数如表5-10所示。表 5-10伺服电机参数表规格单位MSMD012G1U电源电压V100V额定转速rmp2000额定转矩Nm0.32额定电流A25.9额定功率w100允许最高转速rmp3000质量Kg8.15.2手臂的校核计算一、手臂强度校核将手臂的截面设计为方形中空形式，这样抗弯系数较大，使截面面积较小，从而减轻机械手臂的重量，使其达到经济、轻巧的目的。手臂理论重，手臂长为450mm。较核： （5-34）取51N。其受力如图5-1图所示。图5-1 手臂受力图图中，表示手部与工件总重； 表示手臂重量；表示机身关节处零件推力。 （5-35）取整130N （5-36） （5-37）（5-38） （5-39）其中h为臂部高度，b为臂部腰宽，Q为所受的力。（5-40）所以臂部结构满足要求。5.3轴的校核我们在此次设计中将两实心轴的材料全选用45号钢，通过查表可得知此轴所用材料的许用扭剪应力= 30MPa。由许用应力确定系数为C=120。A. 第一根轴设计及校核a.此轴传递扭矩T = 34.9N /m ；= 2680r /min ；P = 980W 8.9mm （5-41） 本次机械手设计中臂是齿轮轴，因为齿轮轴各段可以直径不同所以可以将轴的轴径加工的大一点，以满足齿轮啮合时强度的要求。齿轮分度圆的直径D为40mm，由于齿轮两端均需要装轴承，所以在齿轮两端需要加工一段轴肩用以定位轴承。齿轮轴上装型号为滚动轴承7003C，内径为17mm。b.轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。在进行轴的强度校核计算时，首先要明确轴主要承受的力或者力矩的来源，选择更容易破坏的一方进行适当方法的校核。对于用来传递转矩的轴，多会发生剪切破坏，所以应该按照扭转强度条件进行计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应该则会因为长期受到弯矩疲劳破坏，所以选取按照弯曲强度条件进行计算，若两者都具备的则应该根据具体情况决定对轴进行精确校核等。求作用在齿轮上的力 d=mtz=240=80mm （5-42）Fr=Fttan=246.75tan20089.8N （5-43）计算轴的支承反力在水平面上（5-44） （5-45） FR2H=Fr-FR1H= 65.9N （5-46） 在垂直面上 （5-47） 在水平面上，设定剖面为a,则a -a 剖面左侧 （5-48） a -a 剖面右侧 （5-49）在垂直面上（5-50） 合成弯矩，a-a 剖面左侧 （5-51）a -a 剖面右侧 （5-52） 转矩已求解完成 （5-53） 判断危险截面由于在本次五自由度机械手设计中如图a-a 截面左右所合成的弯矩中左侧和右侧等大反向，我们设作用其上的扭矩为T，故只需判断一侧，如左侧满足强度校核就行了。轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力（5-54）a -a 截面右侧 （5-55） （5-56） c.轴的疲劳强度安全系数校核经查表得抗拉强度。弯曲疲劳强度。剪切疲劳极限。等效系数=0.2 。=0.1。a -a 截面左侧 （5-57） 查得，；查得绝对尺寸系数= 0.95，0.92；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力（5-58） 应力幅 平均应力 切应力 （5-59） （5-60）安全系数（5-61） （5-62） （5-63） 经查，许用安全系数S应取1.31.5之间，显然S S，故a -a 剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。B.中间轴设计此轴传递扭矩T = 384.2， 转速 n = 237.5r/min ， 传递功率为P = 9.55598kw ，则（5-64）=16.08mm 安装轴承部分轴径最小，是由于整个轴上零件较复杂。且在两轴承之间因需要设计了齿轮，以及配套的轴套和轴承，所以d 可以取的略大一些。本次设计取d = 17mm，轴承部分的= 17mm，轴承应选为滚动轴承，轴承型号查表确定为滚动轴承7003C，其余根据具体结构确定。5.4本章小结本章主要是估算静力矩并以得到的数据对电机、减速器进行选择。首先根据运动来分别计算手腕转动、手臂俯仰、小臂俯仰、大臂俯仰和大臂转动所需的静力矩，再以此为基准选择对应的电机和减速器。然后是对手臂强度进行校核。最后对所需各轴的强度分别进行校核。376 结论6 结论本次的设计是在对大学四年的知识进行了不断的重温和复习的基础上，参考本次设计相关的部分书籍才得以完成的本次毕业设计，对五自由度机器人的结构及原理进行了一个比较完整的阐述。本次设计所得的装置都通过上述论文以及图纸呈现出来，在我看来这次的设计中还存在不足，如有些机构的设计并没校核，没有考虑机器人是否会倾覆，但由于这次的重点是在设计出机构，做出三维装配图和简要的可以说明自由度分配的动画。本次机器人的动力来源是依靠伺服电机、入力轴与谐波减速器的配合。谐波减速器的主要原理是依靠钢轮、柔轮与谐波减速器组成，依靠柔轮与钢轮齿数的不同来达到减速的目的，优点就是结构紧凑，传动比较大，十分适配机器人。这次的毕业设计相较于之前做过的课程设计相比较的话，所涉及到的深度比之前的如减速器，拉刀的设计都更加深入。可以让我们了解到设计的整体的过程，从查阅相关资料开始都是之前所没有接触到的。这次设计我主要学到了关于制图、文档等多种方面的知识，对于以后的工作过程中所能遇到的问题都是一种帮助与启迪。致谢参考文献1郭洪红工业机械人技术M西安：西安电子科技大学出版社，2006,12,21-242陈锡伍，袁亮，吴金强.串联机械臂的设计与仿真J.机床与液压，2015，43（9）：24-27.3胡正义.桁架片搬运机械手优化设计及计算机仿真D. 武汉：武汉理工大学,2006,23-25.4王三秀,俞立,徐建明,邢科新,王正初.机械臂自适应鲁棒轨迹跟踪控制J.控制工程, 2015,3,22(02):241-245.5 国家 863 计划智能机器人专家组机器人博览M北京：中国科学技术出版社，2001,16 董克，刘明锐仿造人类智能M上海：上海交通大学出版社，2004,87 孙迪生，王炎机器人控制技术M北京：机械工业出版社，1997:56-598 余达太，马香峰工业机器人应用工程M北京：冶金工业出版社，1999:89-919 蔡自兴，郭璠. 中国工业机器人发展的若干问题J. 机器人技术与应用, 2013,3:35-38.10 朱世强，王宣银.机器人技术及其应用J.浙江大学出版社,2007,1(5):68-72.11 王田苗，陶 永. 我国工业机器人技术现状与产业化发展战略J. 机械