毕业论文-五自由度模块化机器人手臂仿真设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 1 章 绪论 1.1 技术概述 工业机器人由操作机（机械本体） 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置 构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的 机电一体化自动化生产设备。 特别适合于多品种、 变批量的柔性生产。 它对稳定、 提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重 要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动， 而是综合了人的特长和机器特 长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力， 又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它 也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也 是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 早在 20 世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手。1913 年 美国福特汽车工业公司安装了第一条汽车零件加工自动线，为了解决自动线、自 动机的上下料与工件的传送，采用了专用机械手代替人工上下料及传送工件。可 见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。 “工业机器人”这种自动化装置出现的比较晚。 但是自从世界上第一台工业机 器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到 地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之 多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。 本课题所指的工业机器人，或称机器人操作臂、机器人臂、机械手等。从外 形来看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接 而成的开式链。这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸，上臂和下臂，工业机器 人的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。操作臂的前端装有末端执行器或 相应的工具， 也常称为手或手爪。 手爪是由两个或多个手指所组成， 手指可以“开” 与“合”，实现抓去动作和细微操作。手臂的动作幅度一般较大，通常实现宏观操 作。 工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和 执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 人有 36 个运动自由度，其中腕部通常有 13 个运动自由度；驱动系统包括 动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人 示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号， 并进行 控制。 由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生 产，70 年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造 系统的组成部分。 在工业生产中能代替人做某些单调、 频繁和重复的长时间作业， 或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、 塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完 成对人体有害物料的搬运或工艺操作。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不 知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已经受到许 多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如： （1） 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较 为普编。 （2） 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它用来装配印制电路板， 在机械行业中它可以用来组装零件。 （3） 可在劳动条件差，单调重复易疲劳的工作环境工作，以代替人的 劳动。 （4） 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品级有还、及有害 物的搬运等。 （5） 宇宙及海洋的开发。 （6） 军事工程及生物医学方面的研究和试验。 1.2 工业机器人研究现状及意义 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络 等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述 学科发展密切相关。 机器人在制造业的应用范围越来越广阔， 其标准化、 模块化、 网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方 向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念 向广义的机器人技术(RT) 概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业 务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技 术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机 器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制 技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融 合技术的实用化； 工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能 化等方面。 现代科学技术的迅速发展，尤其是进入 20 世纪 80 年代以来，机器人技术的 进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国 家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高 等院校为大学本科生及研究生开设了介绍机器人技术的有关课程。 为了培养机器 人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设 了机器人学课程。 本课题为教师自拟课题。本文主要针对五自由度工业机器人进行结构设计。 1.3 工业机器人国内外研究现状 1.3.1 国外机器人研究现状 国外目前机器人研究的重点主要有以下几个方面： (1) 机器人操作机，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法 的运用，机器人操作机己实现了优化设计。以德国 KUKA 公司为代表的机器人 公司，将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围， 加之轻质铝合金材料的应用大大提高了机器人的性能。 (2) 并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工， 这是机器人技术向数控技术的拓展， 为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了 基础。意大利 COMAU 公司，日本 FANUC 等公司已开发出了此类产品。 (3) 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的 6 轴机器 人发展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴机器人， 并且实现了软件伺服和全数字控 制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程 为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 (4) 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到 成功应用， 并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装 配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC 和瑞典 ABB、德国 KUKA, REIS 等公司皆推出了此类产品。 (5) 网络通信功能：日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公司的最新机器人控 制器已实现了与 Canbus、Profibus 总线及一些网络的联接，使机器人由过去的 独立应用向网络 化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备有了发展。 (6) 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器 人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时，而现 在已达到 5 万小时，几乎可以满足任何场合的需求。 1.3.2 国内机器人研究现状 随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术 开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。 从 20 世纪 80 年代末到 20 世纪 90 年 代，国家 863 计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器 人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器 人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷 漆、装配、搬运等机器人为主。这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一 步。一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批 以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随 着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大， 并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。 我国机器人自动化生产线装备的市场刚 刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就 给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。但是，无论从工业机器人的数 量上还是技术上，我们都是比较落后的。而我国作为一个工业大国，不能寄希望 从其他国家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机器人作为高技 术领域的一个重要分支，将成为 21 世纪各国争夺的经济技术制高点。如何在 21 世纪加速我国机器人的发展， 使我国早日进入机器人大国行列， 已成为当务之急。 由于目前我国机器人的基础数量太低，以工业机器人为例，到了 2010 年我国机 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 器人拥有量只能达到世界拥有量 1.38%2%，这与我国作为 21 世纪前半叶世界 主要制造国的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机器人来弥补，其巨大损 失不是可以用货币损失来计算的。可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益 考虑，我们有必要自主地对机器人进行研究和开发。 但是由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距， 虽然计划开发的机 器人基本上采用的是在国外基木成熟的技术， 但国内各单位对这些技术的了解有 相当部分还停留在文献上或局部技术上。所以我们应该从基本做起，有必要研制 少数型号的机器人和开展一批基础技术研究作为机器人课题的主要研究与开发 内容。 1.4 “十五”目标及主要研究内容 1.4.1 目标 中国工业机器人现在的总装机量约为 1200 台，其中国产机器人占有量约为 1/3，即 400 多台。与世界机器人总装机台数 75 万台相比，中国总装机量仅占万 分之十六。对中国这样一个 12 亿人口的大国来说，差距是很明显的。装机数量 少，说明了我国的工业化程度与工业发达国家的差距大。因为工业机器人的诞生 和应用发展是以工业生产高度自动化和柔性化为大背景的。除数量外，差距还表 现在已有的机器人的利用率不高，以进口的弧焊机器人为例，据调查，完全正常 运转，充分发挥效益效益的只占 1/3；另外 1/3 处于负荷不满或不能安全正常运 转状态，原因是生产管理及使用维护存在不合理现象或问题；还有 1/3 不能正常 使用，这是由于机器人质量问题或缺乏备件，以及请不起外方维修人员造成的。 机器人应用效果不理想，直接影响了用户使用更多机器人的信心。 我国有组织有计划地发展机器人事业， 应该说是从“七五”期间的科研攻关及 实施“863 计划”开始的，经过十几年来的研制、生产、应用，从纵向看，有了长 足的进步。目前在一些机种方面，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬 运机器人、装配机器人、特种机器人(水下、爬壁、管道、遥控等机器人)，基本 掌握了机器人操作机的设计制造技术，解决了控制，驱动系统的设计和配置、软 件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其 周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、 机器人焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破；于此同时造就了一支具有一定 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 水平的技术队伍。无疑，从技术方面来说，我国的机器人技术在世界机器人界已 有一席之地， 奠定了独立自主发展中国机器人事业的基础； 从社会经济角度来看， 我国机器人技术的发展，为中、外机器人产品打开中国市场准备了物质和人员条 件。 根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发 展的具体情况，“十五”期间机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及 其相关技术的开发及应用； 开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的 开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。重点解决 我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术， 大力推进 其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。 1.4.2 主要研究内容 (1)示教再现型工业机器人产业化技术研究 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块 化、系列化设计。 柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划 研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷涂工艺研究。 焊接机器人（把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼 作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业）产品的标准化、通用化、模块化、系列 化设计。 弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用，CCD 成象系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。 焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。 电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。 批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。 (2)智能机器人开发研究 遥控加局部自主系统构成和控制策略研究 包括建模遥控机器人模型， 人行为模型， 人控制动态建模， 图形仿真建模， 虚拟工具和虚拟传感器建模； 以人为主体的人机共享规划与控制； 局部自治控制； 多传感融合技术；双向力反应控制；知识库的建立，学习与推理方法；人机交互 的高级控制技术；虚拟现实（VR）控制与真实世界控制的相互关系；监控系统 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 的结构。 智能移动机器人的导航和定位技术研究 包括导航和定位系统的系统结构； 在结构环境或非结构环境中导航和定位方 法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根据传感器数据建立环境模 型的方法；模糊逻辑的推理方法用于移动机器人导航的研究。 面向遥控机器人的虚拟现实系统 包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人（载体和机械手）几何动 态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感 器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的虚拟工具；基于虚拟 现实的遥控操作的理论与方法；基于 VR 模型操作和真实世界操作的可切换、相 容性和可交换性；VR 监控系统。 人机交互环境建模系统 包括 CAD 建模中的人机交互技术； 求知模型工件的反示过程中的交互技术； 机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理中的交互技术； 机器人标定、运动学建模、动力学建模中的交互技术。 基于计算机屏幕的多机器人遥控技术 包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示；遥控机器人模型的控制；人机 接口；网络通讯。 (3)机器人化机械研究开发 并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）开发研究 包括 VMT 与 RMC 智能化结构实现技术； VMT 与 RMC 关键传动实现技术； VMT 与 RMC 加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术；VMT 与 RMC 监控检 测技术开发；VMT 与 MRC 智能化开式 CMC 控制系统开发；系统软件和应用软 件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态变量智能化传感技术；机 电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化开式 CNC 控制硬软件系统；并 联机构运动学及动力学理论；RMC 智能控制理论；VMT 与 RMC 典型应用工程 开发。 机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设 备 包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术； 采用智能传感 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 器的现场总线技术；机器人运动规划在等量堆取料、自主操作中的应用；基于广 域网的远程实时通讯；具有监测和管理功能的故障诊断系统。 (4)以机器人为基础的重组装配系统 开放式模块化装配机器人 包括通用要素的提取；专用件标准化；装配机器人模块 CAD 设计；通用主 流计算机构造的控制器；人机界面方式；网络功能。 面向机器人装配的设计技术 包括数字化装配与 CAD 集成技术；产品机器人化装配规划生成技术；产品 可装配性模糊评价。 机器人柔性装配系统设计技术 其中单元技术：供料系统智能化设计、末端执行器快速执行、物流传输及其 控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软件、管理系统。 可重构机器人柔性装配系统设计技术 开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究； 系统基于自 治体（Agent）的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划。 装配力觉、视觉技术 包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉识别与定位技术。 智能装配策略及其控制 包括装配状态实时检测和监控；装配顺序和路径智能规划及控制技术。 (5)多传感器信息融合与配置技术 机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控 制系统中的应用 包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术； 采用智能传感器的现场总线 技术；面向工艺要求的新型传感器研制。 机电一体化智能传感器 包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器 研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系 统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1.5 主要设计内容 设计一种五自由度可重构模块化机器人手臂。 它包括大臂、 小臂和控制系统， 大臂为一个底座依次连接第一关节和第二关节构成，第一关节做回转运动，第二 关节做摆动运动，小臂为依次连接的第三关节、第四关节和第五关节构成，该三 个关节均做回转运动；五个关节均为模块化关节，通过四个连接架依次顺序连接 成一个开链的空间机构，具有五个自由度。本机器人手臂在控制系统的作用下完 成各种特定的动作。运用 AutoCAD 软件绘制装配图、部件图、零件图。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 2 章 五自由度机器人的总体设计 该设计的目的是为了设计一台五自由度的机器人， 本章主要对该机器人的机 械结构部分进行设计和分析。 2.1 总体设计的思路 设计机器人大体上可分为两个阶段： (1) 系统分析阶段 根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务； 分析机器人所在系统的工作环境； 根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由 度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、容许的运动范围、以及对温 度、震动等环境的适应性。 (2) 技术设计阶段 根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围， 选择机器人 的坐标形式； 拟订机器人的运动路线和空间作业图； 确定驱动系统的类型； 选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计； 绘制机器人的零件图，并确定尺寸。 2.2 自由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有 的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各 运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。 机器人的手部要像人手一样完成各 种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自 由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个（不包括 手部） 。本次设计的机器人为5自由度。 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、 关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下: (1) 直角坐标机器人结构 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 2-1(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人 有可能达到很高的位置精度（m 级） 。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相 对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角 坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。 直角坐标机器人主要用于装配 作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构错误！未错误！未 找到引用源。找到引用源。 。 (2) 圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的， 如 图 2-1（b） 。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作 空间是一个圆柱状的空间。 (3) 球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的， 如图 2-1（c） 。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作 业。其工作空间是一个类球形的空间错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 。 (4) 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1（d） 。关节型 机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比 较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业， 都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的机械手采用立式关节型。 a)直角坐标型 b)圆柱坐标型 c)球坐标型 d)关节型 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 2-1 四种机器人坐标形式 2.3 手臂结构方案设计 手臂的总体设计是工业机器人设计的首要问题， 主要有包括总体方案设计和 基本技术参数设计。 2.3.1 机器人手臂自由度的分配和构形 手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使 它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三 个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。 本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简 单， 容易控制。 综合考虑后确定该机器人具有五个自由度， 其中大臂两个自由度， 包括回转运动和摆动运动。小臂部分三个自由度，均为回转运动。由于在同样的 体积条件下， 关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间和绝对工作空 间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关 节型机器人的结构。 旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密 封防尘。这里机器人手臂使用了四个旋转关节，综合各种手臂构形，最后确定其 结构形式如下。 该机器人手臂有四个转动关节，通常腰关节的转轴是铅垂的，手臂在水平面 内可绕腰关节轴转动，肩关节和肘关节的转轴平行，且都平行于水平面，故手臂 可在垂直面内转动。由三个转动关节构成的关节组联接在小臂杆的端部，模拟人 的手腕，决定末端件的姿态。在运动学结构上，这类机器人最像人的手臂，因而 结构最紧凑，柔性最好，可达空间最大，它甚至可以绕过障碍物到达目标点，因 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 而是机器人中最有前途的一种。但由于三个关节都是转动的，故臂端的分辨率完 全取决于它在工作空间中的位置。另外，位置精度也较差。 2.3.2 机器人手臂结构方案的对比分析及选择 参考国内外工业机器人的典型结构，初步对各个回转关节的结构单独分析。 (1) 腰部回转关节 图 2-3 腰部回转示意图 1 图 2-4 腰部回转示意图 2 方案一：如图 2-3 所示，电机安装在底座下面，其输出轴经减速器减速后， 直接带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。 方案二：如图 2-4 所示，电机安装在底座上面，其输出轴先经谐波减速器减 速，再经一对齿轮减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。 两种方案在传动实现上， 都是可行的。 均采用了减速比大、 体积小、 重量轻、 精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的谐波减速器。虽 然方案二在安装和维修方面优于方案一，但是方案一的传动结构简单一点，而且 少了一对普通直齿轮，其整体结构并不复杂，电机经谐波减速器减速后，速度己 经较低，噪音问题不突出。故综合考虑，腰部回转关节选择方案一。 (2) 大臂和小臂回转关节 大臂和小臂回转都是通过减速器减速后直接带动来实现的，且结构简单，通 用性强，成本低，安装方便。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节 型机器人有大得多的相对空间和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的 动作和轨迹更灵活。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 3 章 机器人的结构设计 3.1 腰部回转关节的设计 步进电机的选择： 腕部旋转由步进电机直接驱动，设手爪及物体的最大当量回转半径 R=50mm，手爪及物体的总重量 m=2.5kg,则其转动惯量 222 1 /22.5 0.05 /20.003125JmRkg m 设机器人手部角速度 W1从 0 加速到 420/s 所需要的时间 t=0.4s， 则其角加速 度 2 11 180420 /180 0.47 /1.2/trad s 负载启动惯性矩（不计静磨擦力矩） 111 0.003125 7 /1.20.057TJN m。 由于步进电机不具有瞬时过载能力，故取安全系数为 2（不同） ，则步进电 机输出的启动转矩 1 22 0.0570.1145 OUT TTN m 。由于 out T必须小于步进电 机的最大静转矩，所以选择如下二相步进电机： 型号：42HSM02。最大步距角保持转矩为 2.4，步矩角 1.8 ，质量为 0.23kg。 腰部回转关节的输出轴是由步进电机通过 EPL 减速器来驱动的， 首先把电机 固定在电机连接筒上，电机连接筒在通过内六角柱头螺钉固定在腰筒上，减速器 的一端要和电机连接，一端固定在减速器连接筒上，减速器连接筒再通过内六角 柱头螺钉固定在电机连接筒上，这样连接就实现了腰部电机的输出，由于腰部输 出轴要驱动整个装置转动，所以腰部输出轴上还得通过一个旋转筒连接支撑肋 板，这样腰部的装配设计就完成了,其三维装配图及二维平面图分别如下: 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.2 腕部俯仰关节的设计 3.2.1 步进电机的选择 腕部俯仰是由步进电机通过同步带机构驱动的， 设手爪回转装置及物体的重 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 心到回转中心的距离mml75 1 ，腕部当量回转半径mmR30，腕部回转电机到 回转中心的距离mml57 3 ，则腕部俯仰时其转动惯量 22222 21 123 3 2 111111 2.5 0.0751 0.030.2 0.057 1221212212 0.00140.000450.00095 0.00091 Jmlm Rm l kg m 式中， 1 m手爪回转装置及物体总质量约为 2.5kg； 2 m腕部总质量约为 1kg； 3 m腕部回转电机的质量。 设机器人腕部俯仰角速度从0加到s/300所需时间 t=0.2s，则腕部 俯仰角加速度 2 2 /180300 /180 0.25 /0.6/trad s， 腕部俯仰启动惯性矩 222 0.00091 5 /0.60.24TJN m 负载静转矩（静磨擦力矩忽略不计） 。 133 3 9.8 0.0750.2 9.8 0.057 1.83750.111 1.73 Mmglm gl N m 静 由于 静 M 2 T， 故惯性矩忽略不计， 则大臂俯仰总转矩mNMT73. 1 静 。 同步带的传动效率0.95， 同步带的传动比为 1.5。 则步进电机输出的启动 转矩为： 22 2 /2 1.73/0.951.52 1.73/0.9025 1.53.78 out TTi 所以，选择如下四相混合式步进电机： 型号：86HS38；最大静转矩：3.8N m，步矩角：1.8 ；质量：2.6kg 3.2.2 同步带和轮的设计 腕部俯仰关节是同步带传动的，轴距为 150mm。 求设计功率 d P，由于前面已考虑到了安全系数，所以 11 18.1 d ppw。 选择带的节矩 b P 从文献 8 ，图 36.1-22 可知带的节矩代号为 XL，对应节矩5.08 b Pmm。 确定带轮直径和带节线长 p L 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 由表面 36.1-73 知，带轮最小许用齿数12Z ，考虑到制造和安装等因素， 取 Z1=20， 2 30Z ，带轮的直径 11 1 5.08 20 32.34 3.14 b p Z d 22 2 5.08 30 48.51 3.14 b p Z d 则带长 L 可表示为 202 22 1503.14 48.51300 194494Lad 由表面化 36.1-70 选取标准节线长及其齿数： 497.84 P L ，带长代号 225，齿数为 98。 实际轴间矩 0 497.84494 1504.8151.92 2 aa 取152a 。 啮合齿数 6 2 m z Zent，则啮合齿数1 z k。 带宽 s b 计算同上，查表得9.5, s bmm型号为 037。 结论 同步带类型：节矩代号为 XL；宽度型号 s b为 037。 497.84 P L ，带长代号 225，齿数为 98。 带轮齿数 11 20,32.26Zd.， 22 30,48.51Zd 轴间矩152a 。 腕部俯仰关节是由两台步进电机分别通过 EPL 减速器驱动小同步带轮， 小同 步带轮带动大带轮驱动轴，步进电机正反转即可带动轴两端的摆动杆上下摆动。 首先连接座固定在腰部回转单元顶部的减速器上，可转动。两步进电机通过内六 角柱头螺钉固定在小臂电机座上，电机输出轴与减速器相连，减速器输出轴安装 有小带轮，大带轮通过平键带动轴一同转动，轴承座通过六角螺栓固定在连接座 上，轴的两端通过六角螺母安装两摆动杆，这样连接就实现了腕部俯仰动作的实 现，这样腰部的装配设计就完成了,其三维装配图如下： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 大同步带轮 CAD 图如下： 3.3 小臂关节的设计 当小臂与末端执行器均处于水平状态时， 各部分对回转中心产生的静转矩最 大，其代数和为 (2 0.350.5 0.275 1 0.2 1 0.1) 9.8(0.70.13750.20.1) 9.8 11.1475 M N m 静 选择减速器如下： 型号为：EPL040007。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 则步进电机输出的启动转矩为 2 11.1475 2 /3.35 0.95 7 out TTi 。 所以，选择如下四相混合式步进电机； 型号：86HS38；最大静转矩：mN 8 . 3；步矩角；1.8 ；质量：2.6kg。 3.4 大臂回转关节步进及减速器的选择 当大臂与小臂，末端执行器均处于水平状态时，各部分对回转中心产生的静 转矩最大，其代数和 2 0.650.5 0.575 1 0.5 1 0.4 1 0.3 1.5 0.0152.8 0.0759.8 1.30.28750.50.40.30.02250.219.8 3.02 9.8 29.596 M N m 静 （） （） 选择减速器如下：EPL064007 则步进电机输出的启动转矩为 22 29.596 8.45 0.95 7 out T TN m i 所以，选择如下四相步进电机： 型号：86HS85；额定转矩：mN 5 . 8；步矩角：8 . 1 。质量：3.8kg。 大臂回转单元是由步进电机分别通过 EPL 减速器驱动下一回转单元， 步进电 机通过内六角螺栓固定在电机座上， 电机座内部安装有减速器， 与步进电机相连， 步进电机带动减速器即可实现大臂回转功能的实现。 这样连接就实现了大臂回转 动作的实现,其三维装配图如下： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 4 章 总体装配图的设计 4.1 三维总装配图 将前面说述的各单元组装后即得到五自由度机械手。总装图如下 4.2 三维主要零件图 其它各部分的设计如上，以下为三维总体装配的主要零件图： 连接座： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 回转电机座： 同步带轮 1 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 同步带轮 2 轴承座 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摆动杆 回转电机座： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763