工业机器人的发展现状及趋势毕业论文.doc

工业机器人的发展现状及趋势毕业论文目录摘要IAbstractII引言11文献综述21.1 工业机器人的发展现状及趋势21.2搬运机器人专题31.3机器人结构设计41.4机器人动力学及运动学51.5机器人强度设计62方案设计82.1几种常见的机器人结构形式及各自的特点82.1.1直角坐标型机器人82.1.2圆柱坐标型机器人92.1.3球坐标型机器人102.1.4关节坐标型机器人102.2结构设计方案的选择112.3本体结构材料的选择132.4机器人主要技术参数的设计与分配142.4.1搬运机器人的工作参数制定原则142.4.2搬运机器人工作参数的预定152.5电机及减速器的选型152.5.1机器人用减速器的选择152.5.2机器人驱动方式的选择172.5.3各关节电机及减速器的选型183主要零部件强度校核223.1手部主要零件强度校核计算223.1.1真空吸盘的承载能力验算223.1.2手部连接螺栓的强度校核计算223.2腕部主要零件强度校核计算243.2.1末端输出轴的强度校核计算243.2.2末端输出轴与减速器柔轮的连接螺栓强度校核计算253.2.3零件腕部的强度校核计算253.3机器人机械臂的强度校核计算273.3.1小臂零件2的强度校核计算273.3.2小臂零件1的强度校核计算273.3.3大臂的强度校核计算283.4腰部相关零件的强度校核计算293.4.1转盘连接件的强度校核计算293.4.2转盘连接件连接螺钉强度校核计算303.5机器人机械臂的刚度校核304设计成果展示34结论40参 考 文 献42附 录491. 英文文献原文492.英文文献翻译54致谢60 引言伴随着我国经济发展的脚步的不断加快，人们的生活过得越来越好了，都开始追求一种安全、舒适的生活跟工作环境，劳动力成本也在不断地提高。因此，发展高科技产业，提升制造业的生产自动化水平，已经到了不能说不的时候的，这是制造业产业结构调整以及未来的经济发展模式必然要走的一段路程，同时这也是实现劳动密集型向着技术密集型转型的必然之路。我国正处于工业化高速发展的过程中，生产方式肯定是要经历以下几个发展阶段，机械化自动化智能化信息化的变革，工业产品也将经历由数量到质量，从质量再到柔性、低成本的发展阶段。就目前来看，为了增强自己的竞争力，提高自己的经济效益，制造业普遍需要对自己的生产技术，生产方法以及生产设备进行升级和改造。从这个角度来说，如何凭借自己较高的质量，同时又以较低的成本以及快速的反应手段在市场中求得生存和发展，已是我国许多企业（尤其是制造业）必须要面临的大问题所在。不是说没有压力就没有动力吗，天底下任何事物的都是从发现问题开始，然后寻找解决问题的方法，最后解决问题，再接着发现新的问题，如此周而复始的进行下去，也就推动着事物一步一步向前发展。正是由于有这些问题的存在，也为我国工业机器人的应用和发展，提供了巨大的市场；这也将会促使我国工业机器人的应用市场在我未来的发展中渐渐趋于成熟；更为为我国工业机器人的产业化提供了千载难逢的机遇，必将为我国在改变经济的发展模式、调整产业结构以及促进传统产业优化升级等方面发挥不容忽视，极其重要的作用。作为制造业大国，预计在今后的很多年内，我国对工业机器人需求量会达到前所未有的高度，啤酒作为消费品行业中一种需求相对较大的饮用品，在国民经济中占有一定的比例；而啤酒箱的搬运、码垛作为啤酒生产线中不可缺少的一个环节，如果能用机器人来完成这一项工作，必将对啤酒生产厂家的经济效益的提高有积极的作用，本课题就是针对罐装啤酒生产线上实现啤酒箱在不同工位之间的转移而设计了一种五自由度的关节式搬运机器人，由于能力有限文中可能会有很多不足之处，希望大家批评指正。1文献综述1.1 工业机器人的发展现状及趋势工业机器人技术，是一种以很多学科作为基础的，综合性比较强的高新技术，可以说它是先进制造业的支撑技术和典型代表，因为这个原因，工业机器人的发展水平，也作为了衡量一个国家工业自动水平的重要标志。随着机器人向更多不同行业的发展和延伸，以及机器人智能化水平的不断提高，机器人的应用领域也在不断地扩大，除此以外，机器人在国防、医疗卫生、服务等领域机器人的应用也越来越多，机器人为提高人类的生活水平发挥着重要的作用1。当今社会，随着人们生活水平的提高，人们的追求也在发生着变化，现在都在追求一种安全、舒适的工作以及生活环境，劳动力成本越来越高。为此发展高科技产业，由机械代替人力工作，需要人们花很大的精力和时间来研发工业机器人，工业机器人的广泛应用会在很大程度上提高制造业生产的自动化水平，这也是由劳动密集型产业结构向技术密集型结构转变的必然之路，这种产业结构的转型也会为经济发展模式的调整起到的强有力的推动作用。然而我国作为制造业大国，制造产业结构转型和调整经济发展模式就显得尤为重要了，预计在今后的很多年内，我国对工业机器人需求量会达到前所未有的高度。近十年来，在“十五”、“十一五”和“863计划”等科技计划的大力支持下，我国开始了有组织、有计划地发展工业机器人产业，到目前，我国工业机器人现在已进入了产业化的初期阶段，取得多项令人鼓舞的成果2，但是我们在看到成果的同时也要保持清醒的头脑，善于发现我国在机器人行业中存在的一些问题，实现工业机器人产业的规模化这一目标，需要大家不断学习，不断探索，不断创新，俗话说群众的智慧是无穷的，相信在大家的努力下我国的工业机器人会取得很大的突破与进展，下面提出几点我国在发展工业机器人方面存在的一些问题。1.国内机器人产业化存在诸多制约因素由于目前我国的工业机器人的关键元部件主要依赖进口，关键的核心技术还停留在仿制的层面，这便造成了国产工业机器人成本居高不下的问题；还有部分的研究机构（或者企业）为了争取到国家的项目资助，盲目地追求高指标、高性能，使得工业机器人成本严重偏高，有些甚至高于国外的同类产品，造成机器人产品无法得到推广应用；在工业机器人的诸多关键核心技术方面仍然停留在仿制的层面，创新能力不够强，这就严重制约了机器人市场的拓展，停滞不前，严重阻碍了机器人产业化进程。2.国内机器人产业化发展有待秩序化 看到我国对工业机器人的需求量在不断的加大，很多企业便看准了工业机器人这块市场，于是大量企业都蜂拥而上，然而这中间企业的实力悬殊很大，良莠不齐，肯定会造成国内工业机器人市场中众多生产企业之间的恶性竞争；另外从事工业机器人的研究和生产的高校院所和企业在我国有不下数百家，然而现行的体制造成这些研究高校院所与企业相互之间都过于孤闭，不能形成合力，造成同一技术重复研究问题，浪费了大量的研发经费和研发时间不说，同时也造成了人才这一部分资源的重复利用；现在国内的大多数企业都热衷于大而全，都在进行机器人整机的生产制造，一些原本具有较好的机器人关键部件研发基础和能力的企业，专门制造关键零部件的生产厂家越来越少，这样便难以形成工业机器人有序、细化的产业链。3.国内机器人产业化发展策略思考建立真正的生产、学习、研发、应用联盟，形成强大的研究、开发、生产、应用队伍；从现在开始要认识到我国机器人行业存在的诸多问题，走出追求高指标的误区，将着眼点放在高性价比方面；结合中国实际国情，不断探索机器人应用的新领域和新模式3。这些年以来，世界上陆续推出了一系列的机器人产品，从这一路出现的机器人产品来观察，不难发现，现在的工业机器人技术正在朝着向智能化、模块化和系统化的趋势发展。其发展趋势主要包括以下内容：1.结构的模块化和可重构化；2.控制技术的开放化、PC化和网络化；3.伺服驱动技术的数字化和分散化；4.多传感器融合技术的实用化；5.工作环境设计的优化和作业的柔性化；6.系统的网络化和智能化等方面4。1.2搬运机器人专题通过文献检索了解到，曾有四川理工学院机械工程系硕士生张明，对白酒制造厂里面，白酒包装生产线上的自动码垛机器人进行了研制，他从该机器人的工作要求的角度出发，采用方法建立了该机器人的运动学方程，利用三次多项式来规划机器人的运动轨迹曲线，保证机器人的运动的平稳性；除此他还用、分别对机器人运动学正问题和逆问题进行求解，还对机器人进行了工作空间域的分析。利用相关的力学知识，简单地地对码垛机器人的动能方程和势能方程进行了分析，并利用的功能分析了机器人的质量、质心和惯量等参数，建立了各关节的动力学方程。除此，还建立了关键零部件的有限元模型，使用分析工具软件为对各部件进行了静力分析，获得了各部件的变形情况，据此对机器人局部刚度进行了校核，为机器人结构的进一步优化，提供了一定的理论依据5。来自北京工商大学机械自动化学院的硕士生金魏，还有辛洪兵副教授，联合发表了一篇文章介绍过一种搬运机器人的工艺要求，这种搬运机器人用于汽车前轴精辊成形自动辊锻机组，对配置的辊锻进行搬运，他们对德国公司和北京机电研究所的产品的特点，进行了比较，并且根据新的设计要求，提出了新的设计方案，内容包括：总体结构设计以及各自由度、夹爪和补偿机构的实现，以及提高定位和运动精度的相关措施6。KlausVollrath，Eric Hemmingson和J. Norberto Pires联合发表了一篇文章，介绍了一种物料搬运机器人，这种机器人借助于图像识别技术和复杂的编程技术，应用于在带有微型机电一体化原件的小型盘、套、罩形等零部件的自动化封装运送7，公司开发的一种新的码垛机器人，这种码垛机器人允许用户创建自己的离线码垛程序，而且不要求用户掌握任何专业的编程知识8 以及像马桶这类非平面陶瓷制品的选型机器人和码垛机器人也有相关文献进行了介绍9。1.3机器人结构设计在了解了机械手设计要求的前提下，根据教学培训系统总体设计方案，经过设计分析后，利用软件Pro /E的相关功能，逐步进行机械手零件结构三维参数建模，并且完成总体装配。经过装配的虚拟样机，再进行干涉检查、运动仿真等初步分析后，达到预期的结构设计要求，只需将各设计零件经加工后装配，便可得到实物并运用于系统中10。在机构设计中，采用了平面关节型机械手臂，能够实现对工件的夹紧、提升和转动等一系列操作；在控制系统的设计中，采用可编程控制器()对机构进行控制，完成了软件的编程任务，并且对控制系统的硬件也进行了原理性分析11。研究了一种四自由度搬运机器人，利用实现了对该机器人零部件，以及其装配实体的三维模型制作，并运用的二次开发工具，建立了机器人零件库，并且在建立机构运动分析方案后，模拟了该机器人的运动仿真和动态特性，还对关键零件进行了有限元分析12。充分应用相关机械原理，根据实际应用要求，设计了一种新颖、实用的专业机械手，夹紧可靠，能实现机械自锁，结构刚性好，可以完成特定工位的车轮搬运作业，工作平稳。对于类似的生产线搬运作业，该连杆式机械手也可以广泛使用，这可以可极大地降低劳动强度，安全可靠，还能提高工作效率，这种设计方法以及相关的设计原理可以为类似设计提供了一个很好的范例13。根据实际的大米搬运工况，设计了机械手的机械部分、驱动传动部分以及控制部分，并对机械手在抓取、搬运系统中的应用作了研究，。用 软件在机械结构设计的基础上，对机械手的腰部回转运动，大臂竖的直方向移动，小臂的水平方向伸缩，腕部俯仰运动以及手部的开合运动分别作了仿真分析。论文通过对机械手的机械系统、驱动传动系统和控制部分的设计，理论上实现了机械手对物体的抓取设计14。检测周期长，检测人员的疲劳作业，安全系数低等等一系列问题的存在，远远不能满足现代武器试验的要求。为此，设计出一台能够用于弹药搬运的机械手迫在眉睫，也是很有必要的。文章综合了工作环境，还有炮弹的各项参数后，确定将该机械手设计为六自由度的多关节型通用机械手。由于其手部设计可按工作需要随时更改，因此该机械手既可用于炮弹搬运，也适用于其他工业场所15。这篇文章详细设计了以一种四自由度搬运机器人，并用这种机器人为研究对象，基于实现了该机器人零部件，及其装配实体的三维参数化模型构建，并运用的二次开发工具建立了机器人零件库；在建立结构运动分析方案后，模拟了该机器人的运动仿真和动态特性，并对机械手的各部分结构和关健零件进行了有限元分析。对驱动腰部做回转运动的电机做了选型，计算了手臂液压缸的相关参数16。1.4机器人动力学及运动学这篇文章简要阐明了大赛模块搬运机器人，驱动系统部分的设计，该设计不仅包括驱动系统机械部分（车载机构和行走机构）的设计，而且还包括了驱动系统电控部分的设计17。这篇文章主要针对码垛机器人，根据那些关于空间运动学以及动力学方面的特点，提出了一种基于平行四边形机构运动原理的设计方法，构建4自由度关节型码垛机器人18。这篇文章鉴于动力学模型，对系统仿真、控制系统设计的重要性，对 5自由度袋装物料搬运机器人进行动力学分析，分析方法主要是基于第二类拉格朗日方程建立动力学模型19。采用编程工具求解动力学微分方程的解20，基于虚拟样机平台，进行动力学仿真，由此获得机器人各个关节位移、加速度、驱动力以及力矩特性的曲线图21。这篇文章运用方法建立机器人运动学方程，分析正、逆运动学问题的解法。并且详细介绍了在中建立机器人几何模型的过程，而且还对其在一个搬运周期内的运动过程，进行了运动学的仿真，求出了各关节逆运动学解，并分析了各运动关节的位移特性曲线22。随着高性能IC制造装备的需求，提出了一种新颖的洁净搬运机器人，这种洁净搬运机器人由以下三个主要部分组成：1.升降旋转部件；2.径向直线伸缩部件；3.末端执行机构。在文章里介绍了这种洁净搬运机器人在主要的机械结构和技术方面的特点，对其主要部件的运动机理进行了着重分析。针对洁净搬运机器人手臂的转动惯量对系统动态性能的影响，在这里计算转动惯量和转矩的公式是利用 函数得到的，除此还利用对运动结果进行了仿真与分析，为进行研究动态性能，提供了重要的理论基础23。1.5机器人强度设计机械手（工业机器人）作为自动化设备的一个典型代表，在搬运、装卸、焊接等工作中，它可以代替人力从事这些作业，尤其是在恶劣的作业环境中，人力无法进行的许多工作场合，机器人照样可以从事作业活动，因此，机械手的强度要求显得尤为重要，并且机械手的强度校核在机械手开发当中，占据着一个相当重要环节，本文就是从这个角度出发，研究搬运机械手结构的校核和优化。结构校核的主要内容，是要判别出结构的强度和变形量，机械手的运动精度，以及工作空间等是否合理，是否符合设计要求，而优化工作则是要以结构校核作为前提的基础上进行的。鉴于搬运机械手存在结构较为复杂，且零部件较多的这些事实，在这篇文章里应用计算多体动力学软件，自动建立机械手的动力学数学模型（搬运机械手功能虚拟样机），避免了手工建模不可避免的繁琐和容易出现的错漏24。2方案设计2.1几种常见的机器人结构形式及各自的特点机器人的基本结构形式，按照机器人连接构件组成的运动副不同类型，可以分为以下四种形式的机器人：1.直角坐标式机器人，2.圆柱坐标式机器人，3.球坐标式机器人，4.关节式机器人25。下面分别对这四种不同结构形式的机器人的特点进行分别介绍。2.1.1直角坐标型机器人 一听这种机器人的名字就能大概猜到它是靠着机架在相互垂直的三个坐标轴线方向上的移动，来实现末端执行机构在空间的位置的变化，也正是由于这种传动方式造就了这类机器人的传动精度高，运动平稳等优点，这类机器人常用在生产设备方面的上下料，以及高精度的装配和检测作业等场合。图2.1 直角坐标机械人简图 直角坐标形式机器人具有如下优点：（1） 结构简单；（2） 编程容易，在X,Y,Z三个方向的运动没有耦合，便于控制系统的设计；（3） 由于直线运动，速度快，定位精度高，避障性能良好。 同时由于该类型机器人必须采用导轨，也有如下缺点和问题： （1）动作范围小，灵活性较差； （2）导轨结构要求复杂，维护起来比较困难，导轨暴露面过大，不如转动关节密封性好； （3）结构尺寸较大，占地面积较大； （4）移动部分惯量较大，增加了对驱动性能的要求。2.1.2圆柱坐标型机器人圆柱坐标机器人，这类机器人主要是靠着回转台相对于基座回转，带动连接在它上面的其他所有的的机械臂跟着回转，另外加上机械臂在竖直方向的升降和前后方向的伸缩两个移动来实现末端执行机构在空间位置的改变。图2.2 圆柱坐标机器人简图这种类型的机器人具有以下优点：（1） 控制精度高，控制较简单，结构紧凑；（2） 在腰部的转动同时可以把手臂缩回去，从而减小了转动惯量，改善了力学负载。 这种机器人的主要缺点是：由于机身结构的原因，手臂不能打到底部，减小了机器人的工作范围。2.1.3球坐标型机器人 球坐标机器人跟圆柱坐标机器人相比，没有了竖直方向上的升降运动，代替它的是机械臂的上下摆动，而其腰部的回转和小臂的伸缩其实跟圆柱坐标机器人没啥两样。图2.3 球坐标机器人简图 这种机器人的主要特点是：占地面积小，结构紧凑，位置精度还行，但是躲避障碍物的性能较差，而且还存在平衡问题。2.1.4关节坐标型机器人 这种机器人模仿人的上肢的三个关节有着三个都是回转副的关节，分别命名为肩关节，肘关节和腕关节。通常这种类型的机器人，一般都是由腰部和大小臂组成，腰部与大臂间形成的是肩关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，像人的手臂一样既可以水平方向上左右摆动，也可以在竖直方向上做俯仰摆动；大臂和小臂间形成的是肘关节，可使小臂做仰俯摆动；小臂与末端执行机构之间常常形成腕关节，有些机器人的腕关节在所有众多关节中是最灵活的一个，一个腕关节便占据好几个自由度；由于这么多的关节，使得关节坐标机器人在众多其他类型的工业机器人中间是最为灵活的一种。图2.4 关节坐标机器人简图 这类机器人具有如下优点：（1） 结构紧凑，占地面积最小；（2） 灵活性大，手部到达位置好，具有较好的避障性能；（3） 没有移动关节，关节密封性能好，摩擦小，惯量小；（4） 关节驱动力小，能耗较低。 同时这类机器人具有下面的缺点：（1）运动过程中存在平衡问题，控制存在耦合；（2)当机器人的所有的臂都展开时，机器人结构刚度较差26。2.2结构设计方案的选择本次啤酒箱（24装易拉罐啤酒包装箱）搬运机器人设计要求如下：1. 工作速度0.52m/s，工作半径1.5m，工作重量20kg； 2. 设备装置有足够的机械强度和刚度，运动平稳；3. 结构简单，维修方便。基于对上述机器人不同结构方案优缺点的了解和本次对啤酒箱搬运机器人的设计要求的认知，本次设计选用关节坐标型机器人。要实现机器人对啤酒箱从一个工位到另一个工位的搬运，至少需要水平转动、升降、收缩三个方向的运动；要实现对啤酒箱的精确抓取，要求末端执行机构能够有个水平旋转的功能，还要保证啤酒箱在搬运过程中不倾斜，需要腕部始终保持竖直向下，再加上手爪需要有个开合运动，因此得到啤酒箱搬运机器人如下的结构简图：图2.5 啤酒箱搬运机器人结构简图图中，1-基座，2-腰部，3-大臂，4-小臂，5-末端执行机构，6-肩关节，7-肘关节，8-腕关节。夹持对象决定了工业机器人的夹持部分结构及传动方式的千变万化，但是万变不离其宗，夹持部分按照其夹持原理的不同，主要还是以下三种方式最为常见：1.机械类，这类机器人手爪按照夹持力类型的不同又分为有指手爪和无指手爪两类，驱动源可以有气动、液动、电动和电磁四种来产生夹动力，其中，有指手爪是考吊钩承重，无指手爪是靠着摩擦力来承载；2.磁力类，磁力类手爪主要是磁力吸盘，同样这类机器人手爪按照产生夹持力的原理的不同又分为电磁式吸盘和永磁式吸盘两种，前者用的是电磁铁，后者用的是永久磁铁；3.真空类，这类机器人手爪按照形成真空的不同原理又分为真空吸盘、气流负压吸盘、挤气负压吸盘三种。本机器人搬运对象为罐装啤酒箱，负载不是很大，机械类结构较复杂，而电磁类在这里不适用，夹持部分选用真空吸盘。2.3本体结构材料的选择关节式工业机器人在选择材料的时候对于那些越靠近尾部的活动构件，尽量选择密度较小的材料，以为它的重量和动载荷对前面的构件来说是负载，而且产生的负载力及负载力矩在是占着相当大的比重；由于机器人机械臂刚度的大小影响到机器人的位置精度的高低，因此对机械臂的刚度有较高的要求，也就是说对机械臂材料的弹性模量有一定的要求。正确选用机器人结构件的材料，要在考虑到降低机器人的成本价格的问题的同时，更重要的是，还要考虑到材料能否满足机器人对其静力学及动力学特性要求。随着材料工业的发展，给机器人的发展提供了宽广的空间的因素还在于新材料的出现。材料选择的基本要求：(1) 高强度。一般来说强度高的材料，在满足机器人对材料的强度要求外，还可以相应的减小机器人构件的截面尺寸，不仅起到了节约材料的作用，还相应的减轻了重量这对于改善机器人的力学条件有很大的积极作用。(2) 大的弹性模量。材料的弹性模量越大，变形量越小，刚度也就越大。要想获得提高机器人臂的刚度，除了选择不同的材料，还得寻找如改变外形尺寸等其他提高构件刚度的途径。(3) 密度小。机器人的机械臂构件中产生的变形，很大一部分在很大程度上都是由于自身的惯性力所引起的，而惯性力的大小又与构件的质量密切相关，因此材料的密度要尽可能的小。这也就是说，为了提高构件的刚度选择弹性模量大而密度也大的材料是不合理的。(4) 大阻尼。为了希望采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来起到吸收能量、缓冲减震的作用，在选择机器人的材料时，不仅要求强度高、刚度大、密度小，而且还要希望材料的阻尼尽可能的大。(5) 材料的经济性。说白了就是钱的问题，老师经常跟我们说，最贵的东西不一定是最好的，如何以最少的价钱买到最实用的东西才是我们要追求的目标。在这里也是一样的道理，有些新材料作为机器人臂的材料是很理想，但就是由于它们价格昂贵，成本较高，所以很少用，所有的东西都力求最高的性价比。机器人常用材料简介：(1) 碳素结构钢和合金结构钢。这类材料具有较好的强度，特别是合金结构钢，其强度增大了倍，弹性模量大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。(2) 铝合金及其他轻合金材料。这些材料都是轻型材料的典型代表，弹性模量并不大，但是材料密度小，因此，之比仍然可与钢材相媲美。(3) 纤维增强合金。这类合金材料具有非常高的比，也没有无机复合材料的那些缺点，唯一的缺点便是价格昂贵。(4) 粘弹性大阻尼材料。目前用来增加结构件材料的阻尼有很多方法，而这其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理25。 综合考虑经济性与机器人结构对材料的要求，选用铸钢作为机器人基座的材料。机器人的手臂除了要完成各种运动，还需要承受载荷冲击，而且前面的机械臂对于后面的机械比来说是负载，因此，它应是轻型材料；而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，因此，选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。综合比较上述材料的各项参数性能以及优缺点，最后优先选择强度大而密度小的铝合金作为手臂的材料。2.4机器人主要技术参数的设计与分配虽然工业机器人的结构、用途以及用户的要求不尽相同，机器人各生产厂家提供的技术参数项目也不完全一样，但是工业机器人的主要技术参数一般都包括：自由度、定位精度和重复定位精度、工作范围、速度、承载能力等。2.4.1搬运机器人的工作参数制定原则（1） 自由度 机器人所具有的自由度是指，其所具有的独立坐标轴的运动的数目（不包括手爪的运动数目）。总之，不管机器人的自由度有多少个，其在运动形式上只有两种，要么是直线运动（P表示）。（2） 定位精度和重复定位精度 机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差距叫定位精度，机器人重复定位其手部与同一目标位置的能力称为重复定位精度。（3） 工作范围 由于机器人的工作场地的形状和尺寸是因地而异，多种多样的，因此为了真实地反映机器人的特征和参数，机器人的工作范围是指在不安装时的工作区域。（4） 速度 速度参数指的是机器人在能够保持自身运动的平稳性，以及位置精度的前提下，所能达到的最大速度称为机器人的额定速度。（5） 承载能力 承载能力指的是机器人在其工作范围内，无论在哪个位置都能够承受的最大质量。2.4.2搬运机器人工作参数的预定 本次搬运机器人设计采用多关节结构，结构紧凑，初步设定相关要求和技术参数如下：自由度数：5个；位置精度：2mm；重复位置精度：0.5mm；腰关节水平旋转角度范围：-180180；大臂俯仰角度范围：40110；小臂俯仰角度范围：-800；腕关节俯仰角度范围：-9090;手爪水平转动范围：-360360；2.5电机及减速器的选型2.5.1机器人用减速器的选择 现在在机器人传动中最常采用的减速器有以下三种，1.蜗轮蜗杆减速器；2.行星齿轮减速器；3.谐波齿轮减速器。反向自锁功能，是蜗轮蜗杆减速器最显著，最为突出的一个特点，它可以允许有较大的传动比，这种减速器一般体积较大，输入轴和输出轴不在同一条轴线上，也不在同一平面内，、传动效率和传动精度都不会很高；相比于蜗轮蜗杆减速器，行星齿轮减速器是属于同轴传动，而且传动比也可以比较大，额定输出扭矩可以很大，传动精度高，适用于高速，高精度和重载的场合；由于本次设计采用了谐波减速器，在这里重点介绍一下谐波减速器。 谐波减速器的应用很广，尤其是在一些重工业领域：航空航天、仿生机械、常用军械、矿山冶金、交通运输、起重机械、石油化工机械等，尤其显示出采用谐波齿轮传动优越性的是，高动态性能的伺服系统。它传递的功率从几十瓦到几十千瓦，但大功率的谐波齿轮传动多用于短期工作场。（a) (b)图2.6 a为谐波减速器实物图；b为谐波减速器组成原理图作为减速器使用，谐波减速器通常都是采用波发生器接输入，刚轮固定，柔轮接输出的形式使用。在这里简要说明一下谐波减速的减速原理，如图2.6（b）所示：波发生器的截面是个椭圆，紧贴着波发生器是一个具有弹性变形能力的薄壁轴承，轴承外壁再跟减速器柔轮配合在一起，柔轮也是能够进行弹性变形的，柔轮与钢轮都有开有一定的齿数。波发生器转动时，其长轴顶着薄壁轴承，薄壁轴承继而顶着柔轮使其变成椭圆形，两个长轴处于钢轮完全啮合，而在短轴位置与钢轮脱开，柔轮与钢轮是的齿数是不相等的，这就使得柔轮转完一圈后，两者的相对运动只有几个齿数，波发生器的连续转动，是的进入啮合的区域不断地发生变化，如此周而复始的转动下去，就带动柔轮相对于钢轮缓慢转动。通常是波发生器接输入，柔轮接输出，钢轮固定。在这里值得说明的是，谐波减速不仅可以用于减速，还可用于增速的场合。谐波减速器具有以下优点：(1) 传动速比大。(2)承载能力高。(3)传动精度高。(4)传动效率高、运动平稳。(5)结构简单、零件数少、安装方便。(6)体积小、重量轻。2.5.2机器人驱动方式的选择就目前来看，机器人常用的驱动方式主要有气压驱动、液压驱动和电机驱动几种，这几种驱动方式各有各的特点，因此他们的主要应用场合也有所不同。气压驱动：由于气压驱动以空气作为介质，成本低，不存在污染环境的问题，而且气动元件结构简单，制造容易，除此，气压驱动对工作环境适应性好，但是由于空气的压缩性大，造成气压驱动定位精度差。液压驱动：液压的输出力可以在很大范围内调节，因此推动负载能力较强，液压驱动定位精度也较高，但是由于液压驱动以油作为介质，对各种液压元件的机构要求比较高，还容易造成泄漏，造成污染，除此，油对温度的变化比较敏感，噪声大。电机驱动：电机驱动的机器人相对来说，其工作效率还是比较高的，而且运动速度、位移的准确度要超过气压驱动和液压驱动，除此，电机驱动还有污染少、噪声小的优点。综合考虑上述几种驱动方式的优缺点，根据实际应用的需要，在这里本机器人的驱动方式采用电机驱动。现在机器人驱动电机主要有以下几种： 交流伺服电机：交流伺服电机没有了电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养的要求也比较低，定子绕组散热也是比较方便的，惯量小，易于提高系统的快速性，适应于高速大力矩的工作场合。直流伺服电机：直流伺服电机的调速性能良好，有较大的启动力矩，相对功率大，响应快，但是结构相对来说特别复杂，成本也是比较高的。步进电机：步进电机可以直接进行数字控制，控制结构简单的同时控制性能良好，而且成本较低，一般不需要反馈就可以对速度、位移进行控制，不存在误差累积问题，除此，步进电机还具有自锁以及保持转矩的功能，适用于传动效率不大的小型机器人。还是根据实际应用要求，本机器人选用交流伺服电机驱动。2.5.3各关节电机及减速器的选型 当机器人伸展到极限位置的时候，对驱动电机的转动惯量最大，因此以这个位置作为参考计算电机驱动力矩。 驱动末端执行器水平旋转的电机选型计算： 这里只有负载转矩，没有负载力矩，将整个末端执行器及负载等效为质量为的质量块，根据负载（啤酒箱）的规格，将回转半径定为285mm，根据转矩平衡方程： ， （2.1）式中，为减速器输出扭矩（），为负载转动惯量（ ），为角加速度（）， 代入数据计算得到减速器需要的输出扭矩值为：，因此选机型为32，速比为80，输出扭矩为5，输入转速为3000，输出转速为37.5，输入功率为0.028的XSF单级谐波减速器，电机的输出转矩可以降低到，因此选额定输出容量100，额定转矩0.32，额定转速3000的型号为的三菱电机。 驱动小臂的电机的选型计算： 电机转矩平衡方程：； （2.2）式中：伺服电动机所产生的转矩，； 负载转矩，； 电动机转子的转动惯量，； 负载的总转动惯量，； 角加速度，。在这里不考虑电动机转子的转动惯量以及摩擦阻力矩， ，式中：小臂相对于关节的转动惯量，； 手腕及末端执行器相对于关节的转动惯量，； 小臂质量，； 手腕及末端执行器的质量，； 小臂的长度，;负载扭矩，由此得，由于减速器的使用，减速器输出扭矩要在之上，机器人工作速度范围为，转化成角速度，因此选机型为100，速比为168，输出扭矩为240，输入转速为3000，输出转速为17.9，输入功率为0.641的XSF单级谐波减速器，电机的输出转矩可以降低到，因此选额定输出容量1000，额定转矩3.18，额定转速3000的型号的三菱电机。 同理求得大臂驱动电机选型的相关数据：， ，（为工作半径），转矩较大，角速度较小，定为双电机驱动，因此选机型为120，速比为200，输出扭矩为450，输入转速3000，输出转速15，输入功率1.009的XSF单级谐波减速器，电机的输出转矩可以降低到，仍然采用型号仍为三菱电机。 腰部驱动电机的选型参数：，为了减小腰部回转时的转动惯量，在做回转运动之前，先将所有的臂收回，根据这一条件，求得负载需要的转矩为： ，选机型为50，速比为80，输出扭矩为25，输入转速3000，输出转速37.5，输入功率0.141的XSF单级谐波减速器，电机的输出转矩可以降低到，因此选额定输出容量200，额定转矩0.64，额定转速3000的型号的三菱电机。为了直观反映上述选型结果列表如下：表2.1 机器人各部位驱动电机及减速器选型结果驱动对象 手部 小臂 大臂 腰部三菱电机型号减速器型号XSF-32XSF-100XSF-120XSF-50表2.2 驱动电机相关参数 电机的型号额定转矩()额定转速（)额定输出容量()重量()0.3230001000.890.6430002002.232.3 XSF单级谐波减速器相关参数机型速比输出扭矩（）输入转速（r/min）输出转速（r/min）输入功率（）32805300037.50.028508025300037.50.141100168240300017.90.6411202004503000151.009电机和减速器型号都确定了，机器人结构方案的设计也就结束了，接下来将详细介绍机器人的一些主要零部件的强度、刚度的校核。3主要零部件强度校核本章强度刚度校核所用到的计算公式以及相关的系数取值均摘自文献283.1手部主要零件强度校核计算3.1.1真空吸盘的承载能力验算在本次设计中，啤酒箱规格为400130270mm，装啤酒24罐，总重不到10kg，负载按10kg计算。查找资料知道在安宇自动化有限公司有一种型号为PFYS-60-10的吸盘可以用来吸抓纸箱，其实物照片如图3.1所示：图3.1 吸盘实物照片这种吸盘的直径为60mm，理论承载为9kg，在手部用四个这样的吸盘，足以实现对啤酒箱的抓取及相关的搬运工作。3.1.2手部连接螺栓的强度校核计算各连接螺栓的标准、受载、安全系数及屈服强度等相关数据如下表3.1所示：表3.1 手部各连接螺栓应力值及安全系数 螺栓代号 名称数量安全系数屈服强度/MPa实际所受应力/MPa许用应力/MPaGB/T 818-2000螺钉M2x8 81.4400 6.25 286GB/T 29.2-1988螺栓M4x6 41.25(2.5)4004.9（3.12）320（160）GB/T 5782-2000螺栓M5x30 11.25(2.5)4003.92（7.99）320（160）注：表中螺钉只受拉应力，螺栓受挤压和剪切两个应力，加括号的为剪切应力。由于上述连接件强度计算过程类似，在这里就不一一写出来了，下面只以螺栓M5x30为例展开计算：负载质量为10kg，手部质量( 吸盘质量不算在内）按2kg计算，4个吸盘的质量按4kg计算，总计16kg，该螺栓靠螺栓杆侧面受挤压和螺栓杆受剪切来承受整个手部及负载的竖直方向上的力，其强度条件如下：1. 挤压强度条件 （3.1）式中，为螺栓直径（mm）；为螺杆与孔壁之间的最小挤压高度（mm），为螺栓的许用挤压应力（MPa），代入数据计算得：，满足强度要求。2.剪切强度条件 （3.2）式中，为螺栓受剪切工作面数；为许用切应力（），代入数据计算得：，满足强度条件。3.2腕部主要零件强度校核计算3.2.1末端输出轴的强度校核计算整个手部以及负载是连到末端输出轴上的，因此手部及负载的提升力以及水平旋运动的驱动力矩都要通过末端输出轴传递，由于在轴的径向开了一个直径为5mm的孔，因为以此处作为危险截面，进行强度分析计算。此输出轴在竖直方向上受整个手部及负载的重力，受拉应力，而在水平旋转扭矩的驱动作用下受切应力，将减速器能输出的最大扭矩引入计算，根据弯扭合成强度条件计算轴的应力，相关的计算公式如下： （3.3） （3.4） （3.5） （3.6）式中，为轴的计算应力（），为轴的拉应力（），为切应力（），为轴的许用应力（），轴的截面面积（），为轴的抗扭截面系数，为轴的直径（），为轴上所开孔的直径（），代入数据计算得到，满足强度要求。3.2.2末端输出轴与减速器柔轮的连接螺栓强度校核计算在此处共用了6个标准为GB/T 70.1-2000，尺寸参数为M4x25，性能等级为5.8的内六角螺钉，这些减速器的输出扭矩就是靠这6个螺钉来传递，因此以减速器的最大输出扭矩为计算准则来校核该螺钉的强度。整个输出扭矩是有6个螺钉靠着承受挤压与剪切两个力来传递扭矩的，单个螺钉强度条件见公式3.1和3.2，代入数据计算如下：，挤压强度满足要求；，剪切强度满足要求。3.2.3零件腕部的强度校核计算该零件的受力情况如下图3.2所示：PGPPPGL=50mmL （a) (b)图3.2 a为零件结构简图；b为受力计算简化图图中P代表轴承反力，G代表加在腕部上的所有零部件总的重力（所有的重量加起来不超过20kg），在这里按20kg计算，L为腕部重心到轴承支点的距离，根据上面受力的计算简图，做出该零件整个长度方向上的弯矩图如下图3.3所示：图3.3 零件腕部的弯矩图综合考虑腕部台阶轴的受力与腕部台阶轴的尺寸两个因素，取两个台阶根部作为危险截面分别进行校核计算。在这里台阶轴只受弯矩作用，没有扭矩，因此只用弯曲应力最为强度校核标准就行，根据轴的弯曲应力计算公式： （3.7）式中，为轴所受的弯矩（），为轴的抗弯截面系数（），代入数据分别得到两个截面的弯曲应力为：，腕部的材料为铸造铝合金，而这种铸造铝合金的抗拉强度为195245，铸件的许用安全系数取值在1.62.5之间，许用应力，显然，上面两个危险截面处弯曲应力，要远远小于它的许用应力，因此该零件的强度满足要求。3.3机器人机械臂的强度校核计算3.3.1小臂零件2的强度校核计算此零件一端挂着腕部、手部及负载，另一端与小臂零件1连接，而在与小臂零件1连接的一端开了直径为的孔，故而将开孔的截面作为危险截面小臂在搬运啤酒箱的作业过程中会做俯仰转动，当整个小臂保持水平的时候，对端部产生的弯矩最大，因此在这一工况下进行强度校核计算。此零件除了腕部、手部及负载总的重量对危险截面产生的弯矩外，还收到自重对危险截面产生弯矩作用，其弯曲应力的详细计算过程如下：，此零件材料也为铸造铝合金，根据前面的计算可知弯曲应力还是远小于许用弯曲应力，因此强度满足条件。3.3.2小臂零件1的强度校核计算小臂零件1一端与减速器十字交叉轴承内圈连接，一端与小臂零件2连接，在于小臂零件2连接处的强度根据小臂零件2的计算可知满足条件，在这里关键在于与减速器轴承的内圈连接处，在这里不受弯矩作用，只有扭转作用力，为了保险起见，按减速器最大输出扭矩进行计算，其计算过程如下：，对于这种铸造铝合金，其抗扭转切应力的值一般在0.60.8的抗拉强度，也就是在120180MPa之间，对于铸件安全系数一般取1.62.5，代入数值计算可得到其许用扭转切应力的值之间，可见该零件强度满足要求。减速器的输出扭矩是通过轴承内圈与小臂零件1的连接螺钉进行传递的，因此有必要在这里对该连接螺钉的强度进行校核计算。在这里用了8个标准为GB/T 70.1-2000，尺寸参数为M8x25，性能等级为5.8的内六角螺钉，扭矩是通过螺钉承受挤压和剪切两个力传递，螺钉所受的挤压应力与剪切应力分别计算如下：，根据前面的螺钉强度校核计算结果可知，在这里螺钉的强度满足要求。3.3.3大臂的强度校核计算 大臂相对于小臂受力较复杂，除了受到扭转作用力，还有弯曲应力和剪切应力作用，在这里先按着减速器的最大输出扭矩求出扭转切应力的值为：，弯曲主要是由于大臂以及连接在大臂上的所有构件的重力产生的，在这里将作用在两个支撑点处的所有的质量加起来有75kg，保险起见按80kg计算，大臂两个支撑点之间的跨度为190mm，最大弯矩，由此得到弯曲应力和剪切应的值分别为：，直径为50mm的台阶轴由于同时受到扭转应力和弯曲应力两个应力，查机械设计手册按照弯扭组合应力计算公式： （3.8）在这里由于切应力会随着机器人机械臂的转动而变化，因此取值0.6，代入数据计算出此时的弯扭复合计算应力为：大臂的材料与小臂的材料同为一种铸造铝合金，有前面的计算可知其许用应力的值可知强度满足要求。减速器的输出扭矩是通过轴承内圈与大臂之间的连接螺钉进行传递的，因此有必要在这里对该连接螺钉的强度进行校核计算。在这里用了8个标准为GB/T 70.1-2000，尺寸参数为M8x25，性能等级为5.8的内六角螺钉，扭矩是通过螺钉承受挤压和剪切两个力传递，螺钉所受的挤压应力和剪切应力分别计算