自行走式物料搬运机器人结构设计【全套CAD图纸+答辩毕业论文】

买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 本科生毕业设计 题 目： 自行走式物料搬运机器人结构设计 学生姓名： 曾巍 学 号： 200915010113 专业班级： 机自 09101 班 指导教师： 杨莹 完成时间： 2013 年 5 月 17 日 目录 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 目录 摘 要 . I . V 第一章 绪论 . 1 究的背景与意义 1 . 1 器人的研究现状 4 . 2 器人的发展趋势 . 4 文的主要研究内容 . 5 第二章 机器人总体方案设计 . 7 行走式物料搬运机器人的功能 . 7 感器系统 13 . 7 动载体 . 7 由度与机器人的运作 . 8 制方式的选择 . 9 结 . 10 第三章 机器人的手部设计 . 11 部的结构设计 . 11 述 . 11 计时应考虑的几个问题 . 11 部夹紧力的计算 . 12 簧的计算 . 13 部 主轴的校核计算 . 14 动方式 . 17 部电机选择原则 . 19 1 一般执行电机的选择原则 . 19 部电机的选择 . 21 机转速与夹紧力速度几何关系的确定 . 22 第四章 手臂的设计 . 23 目录 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 臂结构设计 . 23 部质量计算 . 23 臂计算及电机选择 . 24 小结 . 25 身的设计 . 26 身以上部分的重量计算 . 26 身计算及电机选择 . 26 座的设计 . 27 座机构设计 . 27 座以上部分的重量计算 . 28 座电机选择 . 28 轮的校核计算 . 28 择齿轮材料、热处理方法、精度及齿数 . 28 算齿面接触疲劳强度 . 29 核齿根弯曲疲劳强度 . 31 小结 . 32 第六章 结论与展望 . 33 论 . 33 参考文献 . 34 致 谢 . 355 摘要 I 摘 要 在 现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。 机器人技术是利用计算机的记忆功能、编程功能来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务的高新技术，是当今各国竞相发展的高技术内容之一。 目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文设计的是一个拥有四 个自由度的机器人，用于给冲压设备运送物料。该机器人由手部、手臂、腰身和底座等组成，具备上下料，翻转和转位等多种功能，并且结构简单，操作方便。驱动方式为电机驱动，采用步进电机。 关键词： 机器人；工作方式；结构设计；步进电机 摘要 2 摘要 3 摘要 4 n of is of of to a of is of of of of to of of in is to Its to an Its s to by a to 自行走式物料搬运机器人结构设计 1 第一章 绪论 究的背景与意义 1 机器人是一种新型的自动化操作装置。它可以根据作业的不同要求，按照预先确定的程序搬运物体，装卸零件以及操持喷枪，焊把等工具去完成一定的作业。因此，它可在繁重、高温，多粉尘的劳动环境较差的场所工作。 在 化学工业等连续性生产过程中的自动化已基本得到解决。可是在机械工业中，加工、装配等生产并不是连续的。专用机床是解决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地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除了切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，需要进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些加工作业的机械化与自动化奠定了良好的基础。 工业机器人是近代在自动控制领域中出现的一项新技术，并且已经成为了现代机械制造生产系统中的一个非常重要的组成部分。 机器人的迅速发展是基 于它的积极作用正慢慢的被人们所认识：第一、它能部分代 人工操作；第二、它能按照生产工艺的技术要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的输送和装卸；第三、它能操作必要的机具进行焊接和装配作业。从而能大大的改善工人的劳动条件，显著提 高劳动生产率，加快实现工业生产的机械化和自动化。因而机器人受到各个先进的工业国家的重视，他们投入大量的人力和物力加以研究与应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性及污染的场合，应用的更广泛。在我国，近几年也有较快的发展，并取得了一定的效果，受到机械工业部门的重视。 机器人一般分为三类。第一类是通用机器人，它不需要人工操作，也就是本文所研究的对象。它是一种完全独立的、不附属于某一个主机的装置，可以根据任务需要来编制程序，以完成各项规定的操作。它除了具备普通机械所具有的物理性能之外，还具备通用机械、记忆 智能，是一种三元机械。第二类称为操作机（ 它需要人工的操作，操作机起源于原子、军事工业，一开始都是是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号来操作机器人，可以进行探测月球等工作。工业中采用的锻造类操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，它主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床的上下料和工件的传送。这种机器人在国外通常被称为“ 行走式物料搬运机器人结构设计 2 它是为主机进行服务的，由主机驱动。除少数外，它的工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机器人按照其结构的不同 又可以分为多种类型，其中关节型机器人以其结构非常紧凑，所占用的空间体积小，但其相对的工作空间却是最大的，甚至能绕过基座四周的一些障碍物等特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。 简单的说，机器人就是用机器手代替人手，把物料从某一个地方移动到指定的位置，或按照工作要求可以操纵工件进行加工。 器人的研究现状 4 机器人最早是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出了第一台机器人。它的结构是：在机体上安装一个回转长臂，端部装有使用电磁 铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展速度最快、应用范围最广的国家。自从 1969 年从美国引进二种典型机器人后，日本就一直大力从事机器人方面的研究。 目前的工业机器人大部分还属于第一代，主要是依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，还不具备识别能力；改进的方面主要是降低加工与维护成本和提高加工工件的精度。 第二代机器人目前正在加紧研制。它拥有微型电子计算机控制系统，有视觉和触觉能力，甚至听跟想的能力。还要研究安装各种传感器，能把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有初步感觉的机能。 第三代机器 人则能独立地完成各种加工过程中的任务。它能与电子计算机跟电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 和柔性制造单元 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议 定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 现在，在加工工业中，生产过程的机械化、自动化已成为了 突出主题。化学工业等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连自行走式物料搬运机器人结构设计 3 续的。专用机床是实现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地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作 的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的工作环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程 环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ 求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 ，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情 况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。 美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段： (1)1963为试验定型阶段。 1963，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。 1967 年，该公司生产的工业机器人定型为 1900 型。 (2)1968为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人； 1969 年该公司又自行研制出工业机器人，并用 21 组成电焊小汽车车 身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用工业机器人传递工件。 自行走式物料搬运机器人结构设计 4 (3)1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。 1970，工业机器人处于技术发展阶段。 1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约 200 台工业机器人，工作时间共达 60 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（ 明了用小型计算机控制 50 台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由 25 台机器人组成的汽车车轮 生产自动线。麻省理工学院研制了具有 “手眼 ”系统的高识别能力微型机器人。 其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从 1967， 1968 年开始以美国的 “ “机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说， 1967 年，日本丰田织机公司 引进美国的 “川崎重工公司引进 “并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约 10 年的实用化时期以后，从 1980 年开始进入广泛的普及时代。 我国虽然开 始研制工业机器人仅比日本晚 5，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。 发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： (1)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标 准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； (2)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； (3)研制各 种 传感器跟检测元件，如触觉、视觉、听觉、味觉和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。 自行走式物料搬运机器人结构设计 5 本文研究了国内外 物料 机械 人 发展的现状，通过学习 物料 机械 人 的工作原理，熟悉了 物料 搬运机械 人 的运动机理。在此基础上，确定了 物料 搬运机械 人 的基本系统结构，对 物料 搬运机械 人 的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分） 和 该机器人的系统控制 。 要机器人可以像人一样拿取东西，最基本的条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和转移机构 执行机构；能像肌肉那样使手臂动作的驱动传动系统；能像大脑指挥手那样进行动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由 执行机构、驱动传动系统和控制统这三部分组成，如图 示。 图 器人的一般组成 2 现代智能机器人与过去相比，还具有一定的智能系统，主要是增加了感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前机器人技术的研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，还有机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是相互独立的，或者说并不只是简简单单的叠加在一起，就能构成一个机器人的。要实现我们所期望机器人能实现的功能，机器人的各部分之间必需存 在着相互关联、相互影响和机器人 控制系统 驱动 执行机构 关节协调及其他信息交换计算机 单关节伺服控制器 电、液或气驱动装置 基座部（固定或移动） 腕部 臂部 手部 腰部 自行走式物料搬运机器人结构设 计 6 相互制约。它们之间的相互关系如图 示。 图 器人各组成部分之间的关系 3 机器人的机械系统主要由执行机构跟驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成各种工作任务的实体，它通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，能按照控制系统的要求完成各种工作任务。驱动传动系统包括了驱动机构和传动系统。驱动机构负责提供机器人各关节所需要的动力，传动系统可将驱动力转换为满足机器人各关节的力矩跟运动所要求的驱动力或力 矩。有一些文献把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机 (相当于本文中的执行机构部分。 控制系统（一） 控制系统（二） 驱动传动装置 执行机 构 工作对象 智能系统 位形检测 自行走式物料搬运机器人结构设 计 7 第二章 机器人 总体方案设计 行走式 物料搬运机器人的功能 物料搬运机器人应具备以下功能 : (1)移动 :通过机器人的移动实现物料的远距离搬运； (2)导航跟定位 ;能够自主的按照预先设置的路线运行，并获得位置资料； (3)运输 :能搬运物料从 A 位置到 B 位置； (4)规划路径 :在离线的状态下，操作者要为机器人在结构化的环境中寻找无碰撞路径； (5)避障 (扩展功 能 ):机器人应该具有一定的感受、适应外界环境变化的能力，尤其是要能检测出明显的障碍物，自动调用避障策略； (6)无线通讯 :有数据传输功能，有效距离 1000 米。 感器系统 13 传感器系统属于机器人控制系统，是整个机器人的感觉器官，负责探测工作环境以及检测机器人自身的运动。传感器系统有能检测机器人运动的传感器和实现机器人可扩展功能所需的传感器。下面主要介绍能实现各种基本作业的传感器： (1)行进距离检测 :编码器，采用积分增量思想，具有较好的短期精度； (2)偏转角度检测 :陀螺，测量旋转角速度，无需 外部参考，适于短时间的精确定位； (3)起点、终点摆放台检测 :微动开关，反馈是否接触摆放台侧壁信息； ： (4)物料抓取检测 :微动开关，检测物料是否被有效抓起； (5)(可扩展功能 )突出的障碍物检测 :采用超声波传感器行进路径上有无障碍物； (6)(可扩展功能 )运行环境白色引导线检测 :采用颜色传感器识别白线信息，利用白线导航。 动载体 移动载体能执行轮式物料搬运机器人的移动功能。常见的移动载体有轮式、履带式和足式行走机构，此外还有各种轮、履跟腿的混合式结构。 (1)轮式 轮式移动载体一直是平坦地面上运 动的最有效的工具。它具有能高速稳定移动、能自行走式物料搬运机器人结构设 计 8 量利用效率高、机构和控制简单等优点，缺点是移动场所限制在平面上，且一般情况下需要一定的转弯半径，因而造成灵活性下降。轮式移动载体依据车轮的数量可分为 1轮、 2 轮、 3 轮、 4 轮及多轮机构。单轮和双轮主要是进行直立稳定移动控制问题的基础研究，而不着眼于移动机器人的实用化问题。从高速移动时加强稳定性的观点出发，多数采用的是四轮机构。五轮以上的机构有较大的稳定性，适合子台阶、阶梯或三维弯曲路面等非平地状态的移动。全方位车轮机构是目前常用的轮式机构，具备全方位移动功能，操作灵活 ，特 ,按照所用轮子的类型和驱动方式，轮式移动载体可分为五大类，即(3,0), (2, 0), (2, 1), (1, 1)和 (1, 2)，其中前面的数字表示移动度 (of 后面的数字表示转向度 (of 轮式机器人在地面上滚动时，会受到非完整约束，这是由轮子的运动本质决定的，即轮子在地面上做无滑动的纯滚动。尽管非完整系统类别与轮式平台的类型有关，但所有轮式平台都是非完整的。 5 (2)履带式 为了改善车轮对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带 式移动机构被广泛采用。履带式移动机构有以下特点 :支承面积大，接地比压小，适于松软和泥泞地面作业。机动性好，爬坡、越沟等性能好。履带不易打滑，牵引附着能力好。履带运动方式在不平地面上的机动性很差，转弯不便，转向时能耗较大。 (3)足式 足式行走机器人即所谓的步行机器人。步行机器人不仅能在平地上而且能在凹凸不平的地面上行走、跨越障碍、上下台阶，具有独特的优越性能。但是，要控制它的步行和不倾倒有很大的难度，目前实现上述功能的机器人很少。四足机器人普遍存在控制复杂和步行速度低、步幅小等缺点，实用化的成果则更少。 显 然，本课题所研究的机器人主要在平面的环境中运行，选用轮式移动载体最为合理，即采用两轮独立驱动的方式，通过控制两个驱动轮的速度，使车体跟踪不同的轨迹曲线。这种结构方式的优点是转向灵活，当两轮速度值相同，方向不同时，车体可以原地回转 。 由度与机器人的运作 物料搬运机器人的整体机构如图 示，现在让我们分析一下它的运动过程：它有四个自由度，底座的旋转以及底座上部上下伸缩，手臂的前后伸缩和手部的夹紧与放自行走式物料搬运机器人结构设 计 9 松。最底部的轮子是用来使机器人能够在有效的工作范围内进行移动，以便能够得到 更大的工作空间，更有利于 物料的搬运。它的移动主要是前后移动，使机器人能将物料搬运到更远的位置。 A 表示的是底座，主要是控制机器人上半部的旋转，包括机械手，手臂，它是通过底座里的电机一旋转，带到 1 齿轮轴套，它与 2 主轴齿轮啮合，进而使主轴旋转，在底座上方 C 里，通过齿轮传动 3 带动 C 腰部旋转， C 与 B 手臂已经连接固定，使其带动 C，手臂 D，手部 E 同步旋转。 C 中通过电机二联接一个小齿轮 4，与其内部的长轴啮合，当电机二运行时，通过 4 使长轴进行上下运动。手臂 D 中有电机三，当电机三运转时，使其内部的轴旋转，然后通过丝杠传动原理，让轴进行左右伸缩，轴与手 部连接，所以就使手部到达的左右伸缩的目的。手部里有电机四，它也是通过丝杠原理让手部进行夹紧与放松的动作。 图 料搬运机器人结构图 制方式的选择 本次设计物料搬运机器人主要是进行工业生产中物料的搬运，是将工业生产的物料搬运实现自动化。考虑到本次设计的物料搬运机器人搬运的物料是在 8下，而且物料不是很复杂，精度不是很高，所以设计的物料搬运机器人采用四个自由度，分别是手臂随着腰部的旋转和上下伸缩进行运动，手臂的左右伸缩和手部的夹紧与放松。此四个自由度可以保证在工业生产中能够将物料搬运到空 间的各个位置上。物料搬运机器人的四个自由度可以将夹取的物料搬运到四周的位置上，但为了让它的工作范围扩大，能够减少机器人的投入量，所以我们将它固定在带有轮子的机身上，从而实现其目的。物料搬运机器人的工作过程如下：当物料要求从物架上搬运时，机器人通过手臂的伸缩和腰部的旋转调整好位置，手部夹住物料。然后传感器发出信号，通过机器人的底座旋转，自行走式物料搬运机器人结构设 计 10 腰部伸缩，手臂伸缩将物料搬运到指定的位置，手部松开，将物料放在指定的位置，再回到下一个物料的位置，这就完成了一个周期。 结 本章主要在分析物料搬运机械人的性能 要求和工作特点的基础上，对机器人的机械结构、驱动系统和传动方式以及控制系统等问题进行了整体的分析和方案的设计，确定了采用轮式移动载体。 自行走式物料搬运机器人结构设计 11 第三章 机器人的手部设计 部的结构设计 述 工业机器人的手又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类： (1)夹钳式取 料手 (2)吸附式取料手 (3)专用操作器及转换器 (4)仿生多指灵巧手 本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。 手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图 示 图 械手手指形状 计时应考虑的几个问题 1 应具有足够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送 或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 2 手指间应有一定的开闭角 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若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 自行走式物料搬运机器人结构设计 12 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带 V形面的手指，以便自动定心。 4 应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动 的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 5 应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。 部夹紧力的计算 拟定物料搬运机器人手部最大抓取重量为 8夹角为 31 度。根据工