2-3 自行走式物料搬运机器人结构设计(带CAD图）
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自行走式物料搬运机器人结构设计(带CAD图）
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系本科毕业设计（论文） 开题报告毕业设计（论文）题目：自行走式物料搬运机器人结构设计 专 业： 指导教师： 学生姓名： 学 号： 毕业时间： 一、选题依据（目的、意义、国内外研究现状、学术准备情况、研究思路及方法）（一）目的、意义 目的：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。化工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。意义：搬运机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机器人是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途4-8。（二）国内外研究现状国外研究现状：机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有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最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 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ISIR决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。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（CIM）要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EPROM中，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）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年， 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）1968-1970年为实际应用阶段。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SAM新工业机器人，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。（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，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（Sundstrand）发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“Versatran”和“Unimate”型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“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，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。国内研究现状： 国内机器人的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划，1987年，我国的“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自1986年开始研究机器人，先研制成功静态双足机器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅45cm，步速为10秒/步，后来又相继研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12个自由度，实现了步长24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV机器人，全身可有52个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型机器人37。国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足机器人KDW-1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为40cm，步速为4步每秒，1989年又研制出空间型 KDW-II，有10个自由度，高69cm，重13kg实现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。1990年在KDW-II的平台上增加两个垂直关节，发展成KDW-III，有12个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。1995年实现动态，步速0.8步每秒，步长为20cm22cm，最大斜坡角度达13度。2000年底在KDW-III的基础上研制成功我国首台仿人形机器人“先行者”，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期达每秒两步，高1.4m，重20kg，有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能813。此外，清华大学正在研制仿人形机器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32个自由度，在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台8自由度空间型机器人，实现静态功能13,14。本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机器人。目前，机器人大多以轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是机器人还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类的机器人。其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。（3） 学术准备情况通过互联网搜集资料和图书馆查阅图书资料，可以对GCD-1500钻机进行文献搜集整理如下：机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先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操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，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。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。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系统这三部分组成，如图 1-1 所示。 图1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前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，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则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(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。（四）本选题研究思路及方法本选题研究思路：在机械手设计过程中，包括机械臂，采用模块化设计，不同功能结构分别进行设计，各模块之间连接采用最优方式。但是在模块各零件设计过程中，各参数计算选择主要从结构强度和刚度要求出发，很多零件为了匹配，比实际需求尺寸大很多。包括一些非关键零件设计，均是根据前人经验设计，选择尺寸。这种设计不仅增加了整个系统质量，同时增加了电机负载，造成了资源浪费。它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。(1) 执行系统：执行系统是搬运机械手完成关节工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。(a) 末端执行器：机械手为了进行作业而配置的操作机构，直接喷漆工件。(b) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变末端执行器的工作方位。(c) 臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，将各种载荷传递到机座。(d) 机身：机械手的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。(2) 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、机电传动、气压传动和电传动。(3) 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。(4) 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需 要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 本选题研究方法：查阅资料学习阶段，我认真阅读了从各处借来的关于设计的书籍资料，重新温习了我们以前所学过的机械制图、机械设计基础等相关课程，还常去阅览室，查阅了大量的电气控制、电路基础等多方面的资料。经过这一阶段的学习，我对自行走式物料搬运机器人工作原理、相关知识方面有了大体的认识，这为接下来最主要的具体设计阶段打下坚实的基础。二、论文结构框架（一）论文提纲目录摘 要 ABSTRACT 第一章 绪论 1.1 研究的背景与意义1.2 机器人的研究现状1.3机器人的发展趋势 1.4本文的主要研究内容 第二章 机器人总体方案设计 2.1 自行走式物料搬运机器人的功能 2.2 传感器系统2.3 移动载体 2.4 自由度与机器人的运作 2.5 控制方式的选择 2.6 小结 第三章 机器人的手部设计 3.1 手部的结构设计 3.1.1 概述 3.1.2 设计时应考虑的几个问题 3.1.3 手部夹紧力的计算 3.1.4 弹簧的计算 3.15 手部主轴的校核计算 3.2 驱动方式 3.2.1 手部电机选择原则 1 一般执行电机的选择原则 3.2.2 手部电机的选择 3.2.3 电机转速与夹紧力速度几何关系的确定 第四章 手臂的设计 4.1 手臂结构设计 4.2 手部质量计算 4.3 手臂计算及电机选择 4.4 小结 5.1 腰身的设计 5.1.4 腰身以上部分的重量计算 5.1.5 腰身计算及电机选择 5.2底座的设计 5.2.1 底座机构设计 5.2.2 底座以上部分的重量计算 5.2.3 底座电机选择 5.3 齿轮的校核计算 5.3.1 选择齿轮材料、热处理方法、精度及齿数 5.3.2 验算齿面接触疲劳强度 5.3.3 校核齿根弯曲疲劳强度 5.3 小结 第六章 结论与展望 6.1 结论 参考文献 致 谢 （二）参考文献1 包志军. 搬运机械手运动特性研究D. 上海交通大学博士论文 .2000: 14-48.2 姜山，程君实，陈佳品，包志军. 基于遗传算法的机械手步态优 化J.上海交通大学学报. 1999，vo1.33(10): 12801283 .3 刘志远. 机械手动态研究D. 哈尔滨工业大学博士论文. 1991.4 刘志远，戴绍安，裴润，张栓，傅佩深. 零力矩点与机械手动态稳 定性的关系J. 哈尔滨工业大学学报. 1994，vol.26(1):3842.5 纪军红. HIT-I机械手步态规划研究D. 哈尔滨工业大学博士论 文，2000:1571.6 麻亮，纪军红，强文义，傅佩深. 基于力矩传感器的双足机械手在线模糊步态调整器设计J. 控制与决策. 2000，Vol.15(6):734736.7 竺长安. 机械手系统分析、设计及运动控制D. 国防科技大学博 士论文. 1992.8 马宏绪. 机械手动态研究D. 国防科技大学博士论文. 1995.9 马宏绪，应伟福，张彭. 机械手姿态稳定性分析J. 计算技术与 自动化. 1997，vol.16(3):1418.10 马宏绪，张彭，张良起.机械手动态的步态控制与实时时位控 制方法机械手. 2005，vo120(l):1018.11 绳涛，马宏绪，王越. 仿人机械手未知地面控制方法研究N. 华中科 技大学学报. 2004年31期:161163.12 Mae GeerT. Passive Dynamic Walking of Roboties ResearehD. 1990，9(2): 6282. 13 包志军. 搬运机械手运动特性研究D. 上海交通大学博士论文 .2000: 14-48.三、论文写作安排 1）1-4周，下达任务书，收集资料，撰写开题报告； 2）5-6周，总体设计参数的确定与计算；建立自行走式物料搬运机器人设计模型； 3）7-10周，自行走式物料搬运机器人系统介绍；装配图设计，完成外文翻译、撰写报告； 4）11-15周，完成全部零件设计 5）16-17周，撰写毕业设计论文 6）18周，整理资料，准备答辩。四、审核意见指导教师意见：1、通过 2、完善后通过 3、未通过指导教师（签字） 年 月 日系部（专业）意见：1、通过 2、完善后通过 3、未通过负责人（签字） 年 月 日齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文） 毕业设计（论文）题 目 自行走式物料搬运机器人结构设计院 （系） 专业班级学生姓名指导教师成 绩年 月 日- I -自行走式物料搬运机器人结构设计摘要本文介绍的机器人发展历史，机器人在国内外的应用，提出了具体的机器人设计要求和总体方案设计的不同程度的具体结构设计，以及计算的自由度和各个数据;在分析了目前国内外智能移动机器人技术研究现状的基础上，本文提出了一种新的设计自行走式物料搬运机器人。电机通过几个简单的驱动机构驱动，使机器人能够在一个方向的步态得以实现。在与车轮的运动相结合，机器人不仅具有一般的轮式机器人动作快，控制简单的功能，而且还具有良好的克服障碍功能。在本文中，对这种新型的移动机器人进行了分析。本论文研究内容摘要：(1) 自行走式物料搬运机器人总体结构设计。(2) 自行走式物料搬运机器人工作性能分析。(3)电动机的选择。(4)对自行走式物料搬运机器人的传动系统、执行部件及机架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)运用计算机辅助设计，对设计的零件进行CAD绘图。(7)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。关键词：移动机器人，步态，工业机器人;传动装置 ;智能小车IV齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）AbstractThis paper introduces the development history of the robot, the robot application at home and abroad, put forward the design of robot specific design requirements and the overall scheme of different degree of concrete structure design and calculation of the degree of freedom and individual data;Based on the analysis of the current research status of intelligent mobile robot at home and abroad, this paper presents a new design of self propelled material handling robot. The motor is driven by a few simple drive mechanism, so that the robot can realize the gait in one direction. In combination with the motion of the wheel, the robot not only has the function of fast and simple control, but also has a good ability to overcome obstacles. In this paper, the new type of mobile robot is analyzed.Abstract of this paper:(1) the overall structure design of self propelled material handling robot.(2) the performance analysis of self propelled material handling robot.(3) motor selection.(4) the design of the driving system, the executive component and the frame of the self-propelled material handling robot.(5) the design of parts for the design, calculation and analysis.(6) computer aided design, CAD drawing of the designed parts.(7) draw the assembly drawing and the assembly drawing of the important parts and the parts of the design parts.Key words: mobile robot, gait, industrial robot; transmission device; intelligent car目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1机器人概念11.2课题研究的背景和意义11.3国内机器人的研究21.4国外研究现状41.5机器人的发展及技术51.5.1 机器人的发展51.5.2 机器人技术51.5.3 本课题研究的任务和要求61.6 本文主要研究内容6第2章自行走式物料搬运机器人结构方案设计72.1机器人工程概述72.2 工业机器人车体机构方案论述82.3 小型智能移动机器人车体结构机械传动原理82.4 本课题的结构方案10第3章自行走式物料搬运机器人各部分设计123.1 移动机器人车轮旋转机构设计123.2 电机的选型与计算123.3 抓取机构的设计153.4机械手臂杆件的设计183.4.1腕部结构设计183.4.2臂部结构设计193.4.3 机械臂电机的选型与计算203.5 轴的设计计算213.5.1按扭转强度计算213.5.2按弯扭合成强度计算223.5.3轴的刚度计算概念223.5.4轴的设计步骤233.6各轴的计算233.7轴的设计与校核263.8 轴承的设计及校核263.8.1轴承种类的选择263.8.2深沟球轴承结构273.8.3轴承计算28第4章 整体车体结构设计304.1 小车行走结构设计304.1.1车体结构方案的比较与选择304.1.2小车驱动电机功率的确定304.2 蜗杆副的设计计算334.2.1 蜗杆的选型334.2.2 蜗杆副的材料334.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计334.2.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸364.2.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度374.3 车轮部位电机选择384.4 本章小结38总结与展望40参 考 文 献41致 谢42 齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）第1章 绪论1.1机器人概念机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。机器人（机械手）的工作，机组自动执行。它是一种先进的综合控制理论，机械，电子，计算机，材料和仿生学的产物。在工业，医学，农业，建筑业甚至军事等领域具有重要用途。机器人技术是近50年来迅速发展的代表，机械和电子控制系统，生产工具的自动化程度高。在制造业，工业用机器人技术已被广泛应用。其自动化程度高，改善工作条件，以确保产品质量，提高工作效率，起到了非常重要的作用。你可以说他是现代工业的一次技术革命。机器人是典型的机电一体化产品，仿人机器人是机器人研究的热点领域。研究人形机器人需要机械，电子，信息理论，人工智能，生物学和计算机知识，和许多其他学科的结合，但其发展也促进了这些学科的发展。机器人是一个人形机器人。1959年，世界上第一台工业机器人的诞生，一个机器人创建一个新的发展时代。随着科学技术的研究和应用类人机器人快速发展的发展。世界著名机器人专家，在日本早稻田大学教授加藤一郎说：“其中一个机器人应该有能力的最大的特点。”的方式，其中，脚是自动化程度最高，最复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生曾经说过这样一句话：“上帝创造了人，两条腿是最美妙的杰作。”系统环境要求极为丰富的动力是非常低的，无论是在地面上，还对非结构复杂的地面上，有一个很好的对环境的适应性。与应用拓展机器人功能开辟了无限广阔的前景。机器人的原因和目的，主要表现在以下几个方面：希望开发出一种机制，使他们能够在许多结构和非结构环境中工作的人，或延伸和扩展人类活动的领域，而不是;希望有更多的了解和掌握人的特点和使用这些功能的人性化服务，如：假肢。具有丰富的动力系统，这方面的研究可以扩大研究力学和机器人;机器人可以用作一个智能机器人玩人工智能中起重要作用。1.2课题研究的背景和意义由于现代科学技术的发展，无论是在工业生产或人类的生命，机器人技术，已被广泛使用。智能人形机器人是符合近年来科学家们的工作方向。人形机器人是人类的模式，它可以按照人的各种动作和与人类的外部特征。机器人管家做梦也不会想到未来。根据不同的机器人的结构时，机器人也可分为不同的类别。轮式移动机器人，履带机器人，机器人，机器人的行走，等等。值得一提的是，步行机器人，他是近年来的一项重要成果，人形机器的研究。它的动作最喜欢的动物，甚至人类可以谈。这是复杂的运动的自动化程度非常高。与传统的轮式和履带式机器人相比，其对环境的适应性更强。能够在狭小的空间，如履平地在不平的道路，上下楼梯等工作。不久的将来，这种技术将被广泛使用。在机器人研究，生产，使用计算机设计仿真机器人的是一个非常重要的过程。机器人仿真模型包括零件，零件装配，最终的运动模拟。通过模拟，设计人员可以很直观地观察每个身体运动的情况，知道有没有出现干扰;可以知道的各种组件的力，绘制各种模拟数据。这种方法大大节省开发时间和成本。 1.3国内机器人的研究工业机器人应用在很长的历史在日本。在七十年代时所应用的第一台工业机器人，再经过几十年的发展，在八十年代时，工业机器人已经得到普及。他们相应年度的工业产值也已迅速增加。达到一hundred十亿日元的1980年，到1990年上升到六百十亿日圆。在2004年已达到18500亿日元。示出的工业机器人在提高生产效率方面的重要性。在国际层面，国家已经实现了工业机器人的重要性。因此，迅速崛起为工业机器人的订单。 2003年的订单相对量到2002年增长了10。从那时起，对工业机器人的需求仍在上升。从2001年到2006年，全球订单增长达9万多台。 7的年增长率。国际工业机器人的发展方向：机器人涉及到的知识和非常多学科领域。它包括：一台计算机，电子，控制，人工智能，传感器，与所述网络，控制，机械等的通信。机器人的发展是从这些学科的发展是分不开的。这是因为相互影响，各学科的综合集成，以创建自动化和人民高度。随着科学技术的进步，机器人必须在应用更广泛的范围;技术已经越来越多地被提起，更强大。现在，它是机器人研究的小型化。机器人将更加融入人们的日常生活。总的趋势是模块化的开发，标准化，更智能。广泛应用于工业机器人，以提高产品质量和生产效率，保护人员的安全，改善工作环境，减轻劳动强度，提高生产效率，节约原材料消耗，降低生产成本，起到了非常重要的作用。工业机器人被广泛使用，以体现以人为本的原则，它的出现使人们的生活更加方便，美观。家用机器人的研制工作起步较晚，我国从上世纪80年代就开始研究并在机器人领域的应用。 1986年，该国在1987年推出了“规划纲要”的机器人研究计划，中国的“863”高科技计划机器人技术研究和开发包括在内。目前，中国从事机器人技术研究和应用开发单位主要是高校和科研院所等。我们研究的主要目的原本是机器人是跟踪国际先进的机器人技术，然后取得了一定的成绩。哈尔滨工业大学自1986年起，开始研究机器人的，静态的双足机器人HIT-I，高110厘米，体重70kg的第一个研制成功，拥有10个自由度，在地面上，以实现前进，左，右侧线以及运动，上下楼梯，迈开45厘米，10秒/步，后来的步伐研制成功的HIT-II和HIT-III，体重42千克，身高103厘米，拥有12个自由度，实现了步长24厘米，2.3每步的步伐。目前正在对HI第四机器人下开发的，该主体可具有52个自由度，这是在移动速度方面优越，以及平衡前四名机器人3-7。国防科技大学于1988年的春天，成功开发了6-DOF平面双足机器人KDW-1，它可以前进，后退，上下楼梯，最大步幅40厘米，每秒4步的步伐， 1989年开发了空间型KDW-II，拥有10个自由度，高69厘米，体重13千克实现退，上下楼梯和周围的准静态稳定性动态。 1990年增加KDW-II平台两纵缝，发展成KDW-III，有12个自由度，具有转弯功能，实现了全面的实验室环境。 1995年，实现动态的，每步的速度0.8，步长20cm22厘米，13度的最大坡度。 KDW-III对中国第一人形机器人“状元”的成功的基础上发展起来的，到2000年底，在不确定的环境下动态的，小的偏差，达到每秒两步周期，高1.4米，重20kg，有一个头，眼睛，颈部，身体，手臂，脚，并具备一定的语言功能8-13。此外，清华大学正在开发一种人形机器人THBIP-I，高1.7米，体重130千克，32个自由度，与清华大学的支持下，985计划，项目进展。南京航空航天大学开发了一个8-DOF太空机器人，静态函数13,14。本文拟从“首届全国大学生机械创新设计大赛”的机器人。目前，主要是在轮式机器人的形式来实现的功能的阶段。真正模拟人类的机器人的腿不是很多，虽然有些六足，四足机器人的出现，但机器人尚不多见。我们的主题，探索设计巧妙单独的机械设备和简单的控制系统能够实现人机器人的仿真。其子功能：交替步腿，摇摇头，摆臂，摆臂。1.4国外研究现状人类和动物的运动原理的第一个系统研究是迈布里奇，他发明的摄像机，一个独特的，那就是，一组电触发的摄像头，并于1877年成功地拍了许多照片兽和连续运行。后来，这种方法已经用于研究人体运动使用相机Demeny。从20世纪30年代到50年代，苏联伯恩斯坦还从生物动力机制，人类和动物进行深入研究的角度来看，并就运动非常形象化的描述。真正全面的研究，在系统启动开展机器人20世纪60年代。到目前为止，只有形成了一套比较完整的机器人系统的理论，并在一些国家，如日本，美国和前苏联成功研制能够静态或动态的原型机器人。在本节中，我们介绍了球队60年1985年这段时期，在实现了机器人领域最重要的进展。在20世纪60年代和70年代，机器人控制理论的研究生产三种非常重要的控制方法，即有限状态控制，模型参考控制和算法控制。这三种控制方法适用于各种类型的机器人。国家控制是通过在1961年做出的模型参考控制法恩斯沃思在1975年由美国南托莫维奇限制，而控制算法是南斯拉夫著名米哈伊尔罗马尼亚研究所机器人鲍宾专家Vukobratovic博士学习要求1969年至1972年主动。有这三种控制方法之间存在一定的内在联系。基本上是参考模型控制的有限状态控制采样，而算法是案件的控制中心1。在步态的研究，苏联Bessonov和Umnov定义“最佳步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义的自由步态。既步态不仅适应而且适应多足机器人。其中，步态是在步态的规则方面相对自由。如果地面很粗糙，所以在机器人，下一步应放在哪里的脚，它不能根据步骤考虑一个固定的顺序，但这样登山，是由一个确定应该去步步一定的优化准则，这就是所谓的步态自由。在机器人的稳定性的观点出发，Hemami等人的美国已提出的系统的倒置（倒立摆）的换能器，其可以被解释为在换能器存在的问题的向前运动的稳定性和控制的简化模型。此外，为了减少的控制的考虑，Hemami，谁也制作的机器人的“降低模式”复杂的问题进行了研究。早些时候，我们指出Vukobratovic也人形系统能量分析，但他仅限于出口的每一个关节，随着时间的推移，整个系统变化的力量，并没有过多参与优化能源消耗的问题。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，该系统的较少人功耗。1.5机器人的发展及技术1.5.1 机器人的发展1940年代，随着远程操纵和数控制造技术的出现，对机器人技术的研究开始出现。 20世纪60年代的美国ConsolidatedContr01公司开发的第一个机器人原型，并成立了Unimation公司，生产为Unimate机器人定型。自1970年以来，工业机器人产业的蓬勃发展，机器人技术，逐步发展成为一家专业的学校，哈尔滨工程大学硕士论文10。 1970年，在机器人的第一次国际会议在美国召开。经过几十年的发展，上百种不同的结构，不同的控制系统，机器人用于不同的目的已经进入了实用阶段。目前，虽然机器人的定义是尚未统一，但一般认为，经历了四代机器人，以便从低到高的发展。第一代机器人，主要是指只对“教 - 再现”的机器人的方式，这要靠人来给定的程序，重复的各种操作。目前，各种类型的工业机器人大多属于第一代机器人。第二代机器人是机器人具有传感器反馈功能，它可以得到的工作环境中，简单的操作对象的信息通过计算机处理，分析，并确保该机器人已按照推理的程序被编程，操作反馈控制，性能低级别的情报。目前，第二代机器人的研究主要集中在实际应用和普及。第四代机器人是指环保意识，并能够使自主机器人自主决定。它具有多种感知功能，可以是复杂的逻辑思维，判断决策，在工作环境中能够独立行动。第四代机器人，也称为智能机器人，并且机器人已成为学术研究的焦点，但仍处于探索实验室阶段。机器人技术已成为焦点和科学技术研究与应用的重点，并在工农业生产和国防建设中逐步发挥作用显著。可以预测，机器人将在21世纪的社会生产和生活中扮演更重要的角色。1.5.2 机器人技术机器人技术是一个迅速发展和高度集成的前沿，在广泛的领域，专注于机械工程，电气与电子工程，计算机工程，自动控制工程，生物科学和人工智能等学科的最新研究成果，代表了最新成果在机电一体化。机器人充分体现人与机器的各自的长处，它具有更大的灵活性和更广泛的应用比常规机器。机器人的出现和应用是人类生产和社会的进步，科学技术的发展和生产工具的必然演变的需要。目前，机器人和自动化装备的关注，在国内外已成为高新技术的应用，同时也以惊人的速度向海洋，航空，航天，军工，农业，服务，娱乐等的渗透领域。目前，虽然机器人的能力仍然是非常有限的，但它正在迅速增长。随着各学科和社会需求的发展，机器人也出现了许多新的方向和趋势，如网络机器人，虚拟机器人，机器人合作，微型机器人和机器人。1.5.3 本课题研究的任务和要求根据任务书要求，机器小车要求能利用高于地面200mm的独木桥（宽30mm）通过宽为600mm河道，并能拾起滚动轴承（6306），机器小车在收缩状态时，其长宽高均应300mm ；展开状态时尺寸不限。可采用线控、自动控制、智能控制。机器小车驱动可采用各种形式的原动机，但不允许使用人力直接驱动。1.6 本文主要研究内容第1章 绪论 主要介绍机器人的相关知识和本课题研究的任务和要求.第2章 总体方案设计,介绍该机器人各部分的相关知识和总体设计.第3章 机器人各部分设计的介绍第4章 机器人结构设计43齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）第2章自行走式物料搬运机器人结构方案设计2.1机器人工程概述从系统功能的观点考虑来看，将被看作是一个复杂的机器是一个系统，可根据有机地联系在一起的某些规则它由若干个子系统，是一个不可分割的整体。如果系统是一个特定的功能作为一个整体的开放，则损失。因此，在一个复杂的机器的设计中，从机器系统的概念出发，该系统应具有以下特征：总共机械系统（1）由多个子系统的整体不同整体性能的应具有的特定功能。（2）内的相关系统，有机效果子系统之间的有机联系，具有一些相互关联的特征。（3）每个系统的目的，应具有系统的一个明确的目的和功能，结构，各子系统的系统的组合取决于该系统的用途和功能。（4）对环境的适应性存在于任何系统中的一定的环境中，必须能够适应变化的外部环境。因此，当机器人的设计，机器人系统不仅要注意的各种成分的组成，部件的设计，但是应当基于的观点系统工程一点，根据机器人的功能要求，将形成的组成部分机器人系统的各种子系统，合理部分组合，设计和适合于机器人的运作需要优良性能的产品。在更复杂的工业机器人系统通常包括以下内容：操作机，它是在完成机器人本体的任务，其中包括基体，手臂，手腕，末端执行器和其他的机构。驱动系统，它包括一个传动系作为驱动的动力源，驱动单元，伺服驱动系统由各种传输部件及其部件。控制系统，该系统包括一个电子控制装置（计算机或其它可编程的编辑控制装置）具有计算，存储能力，人 - 来自各种传感器的放大，传输和输入加工机接口设备（键盘，示教盒等），信息装置，传感器，离线编程，设备I / O通信接口，内部和外部的传感器，以及其它通用或专用的外围设备14。工业机器人的特征在于，它的多功能性在功能和重新调整柔性，工业机器人，从而可以有效地应用到柔性制造系统来完成的部件或材料，组件或其它操作的转移。在柔性制造系统，其基本工艺设备（如数控机床，锻造，焊接，装配等的生产设备），辅助设备，控制设备和工业机器人在一起以形成多种不同形式的工业用机器人技术来复杂的工业机器人系统。在其他非制造业生产部门，如生产建筑，采矿，交通运输和其他参考文献的机器人系统也是如此。2.2 工业机器人车体机构方案论述负载大小的确定主要是考虑机器人各运动方向确定沿着运动的主要考虑的方向在机器人机械接口力和扭矩载荷的大小。这应包括在机器人末端的重量，重量和爬行指定速度和工件或作业对象，的加速度的条件下实施，例如所产生的惯性力。由设计参数的初步估计的设计表明，这样的设计可能属于一个小的负载。驱动模式由于伺服电机具有良好的控制性能，控制的灵活性，使的速度，位置的精确控制，存在对环境，体积小，效率高，适合于高要求的运动控制，以及小机器人等特性没有影响，所以这种设计使用一个伺服电机驱动（D）传动设计机器人齿轮尽可能要紧凑，重量轻，惯性和小尺寸的时刻，驱动链应考虑采取措施，以消除在为了提高机器人控制精度的运动和位置的间隙。经常使用的机器人机械传动机构都因为齿轮具有效率高，传动比准确，结构紧凑，可靠的齿轮，蜗轮，滚珠丝杠，同步带传动，链传动，行星齿轮，谐波传动齿轮钢等，使用寿命长等优点，学习掌握更扎实的大学，所以这个设计选择齿轮。（D）工作范围工业机器人的工作范围是根据工业用机器人的操作过程操作范围和轨迹确定的，以代表的工作空间。工作区的形状和尺寸会影响机器人坐标，尺寸和长度的变化范围的机械结构和度每个操纵臂的自由的数目和关节轴角度选择的各关节轴（V）的速度机器人操作器臂的每一次移动之后最大行程被确定，根据该周期的定时，以确定每个操作的时间，可以进一步确定每个动作的速度，用米/秒或（）/ s的分配给考虑各种因素，诸如循环时间的每个动作序列之间的总长度的每个动作的时间进行顺序地或同时等。每名候选人做时间的作用，通过比较，除了要考虑工艺要求的工作时间分配议案，分配计划表中，我们还必须考虑惯性和旅行的大小，驱动和控制，定位和精度要求。2.3 小型智能移动机器人车体结构机械传动原理四个轮子着地。因为总有四个轮子接触地面时，甚至行走速度较慢，可以保证整个身体的稳定性。此外，所有的四个车轮，在当机器人是在地面上的同时，可以通过一个伺服马达驱动并驱动每个轮上的每个车轮来实现机器人向前，向后和转向。使用驱动马达和车轮一体结构，即电动车轮结构。在车轮的部分和结配备转向连杆机构用于实现转向。中央控制单元被设置在车体上，以实现电动机操作的控制。因此，第一部分的结构的一个驱动，减速，驱动和监视在一个位置，从而降低了传输链路和体重，提高了系统的效率和可靠性的六个轮子。请考虑使用自主导航控制模式和远程控制相结合的模式。该车有一个传感器和视觉系统，导航系统，控制系统，机器人技术本身具有一定的自主导航能力，自动防撞可以实现的。在同一时间的视觉系统的可视内容可以通过一个无线系统，远程控制功能被发送到远程设备。机器人自带的电池和其他能源设备，可以自动的能源供应一定期限，以保证机器人的情况下，外部电源损耗自动返回出发。对应于人体的肌肉的机器人驱动元件的作用。为了完成预定的操作时，机器人必须具有前进驱动和转向驱动单元，这是一个关键的结构设计。在所有的驱动元件中，电机是最常用的机器人驱动器。目前，很多仿生机器人也很有用液压元件，气动元件和一些特殊材料，使驱动器。在本文中，使用电机作为全新的智能移动机器人的驱动元件。用于电机，以便精确控制，使机器人的精确移动。目前，该电动机驱动装置被主要设置在以下两个方面：“（1）重点驱动器。即，驱动马达布置在车体上由驱动装置，所述功率输出到每个车轮，车轮的运动。 EV是一个典型的集中式驱动器。智能移动机器人，集中驱动的方式是不恰当的，主要是由于其难以捉摸的自由转向精确定位人体。（2）集中控制 - 驱动器的分布。这是每个驱动轮设置电机，驱动器或方向盘运动。马达被安装在车体上，由中央控制装置，以控制其旋转速度。这种结构简单，易于实现，有利于发挥牵头机构的运动性能。目前国家空间探测车都采用这种驱动器。2.4 本课题的结构方案 图2.1 总体结构图该方案采用集中控制 - 分布式驱动。轮毂和前驱动电机一体成型的结构，即电动轮。轮和支架的连接，安装转向电机，驱动车轮转动。机器人的速度和攀登障碍物能力的轮子的直径有显著影响。使用相同的马达，车轮直径增大时，速度会增加，而机器人是两者之间的线性关系。此外，在根据车辆的理论分析，车轮直径增加能显著提高机器人障碍物的能力。然而，一个较大直径的轮，而轮表面遭受电动机转矩下降。根据地面车辆力学，刚性车轮宽度宽，较小的车轮的土壤塌陷的量，土壤板结的更多的阻力。然而，更宽的后轮，机器人转向阻力也变大。另外，增加的车轮宽度比的增加更有效地减少到压实的阻力车轮的直径。因此，你必须设置的实际情况，轮子直径和宽度，而不是盲目加大轮直径和宽度。一般由执行行机构、驱动机构和控制系统组成，如图2.2所示。图2.2 机械手组成框图执行机构由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。详见第3章驱动机构采用电机驱动，电机的选取详见第3章。控制系统，有点动控制和连续控制两种方式，主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）第3章自行走式物料搬运机器人各部分设计3.1 移动机器人车轮旋转机构设计在车轮旋转机构设计过程中，主要考虑了以下模型，如2.1图所示。由图可以看出，模型 a 结构简单，但是车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象，且对电机轴形成一个弯矩，容易对电机轴造成破坏。模型 b 采用电机内嵌式结构，增大了车轮与地面接触面积，减小了打滑现象，但电机固定比较困难。 采用了一个深沟球轴承作为径向支承，一方面避免了车轮对电机产生弯矩；另一方面保证了车轮的刚度。轴承外圈与车轮内表面配合，由于内圈并不能与电机直接配合，设计了一个电机壳结构，作电机和轴承的连接。 图3.1 旋转部分机构图3.2 电机的选型与计算a.电机性能的比较在机器人的驱动器一般采用以下几种电机：直流电机、步进电机和舵机。几种电机有关参数进行如表3.1 所示。表3.1 几种电机比较电机类型优 点缺 点直流电机容易购买型号多功率大接口简单转速太快，需减速器电流较大较难与车轮装配价格较贵控制复杂（PWM）步进电机精确的速度控制型号多样适合室内机器人的速度接口简单价格便宜功率与自重比小电流通常较大外形体积大较难与车轮装配，负载能力低功率小步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到了越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制性能好，没有积累误差，易于实现控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度实现电机的同步控制。电机的选型与计算对于本课题来说，移动机器人的移动速度最高为 0.5 米/秒，电机转数最高接近 100 转/分。如果用直流电机，由于受转速和力矩的影响，要配减速器。而如果用步进电机，控制位置精度比较高可以达到 1.8 度。而且不需要减速器避免造成结构冗繁。因此选择步进电机作为驱动电机。下面对旋转步进电机型号进行选择，轮式移动机器人在移动的时候，需要克服两种阻力：摩擦力和重力。对于平面内移动的机器人来讲则只需要克服摩擦力。带有机械臂的全方位移动机器人整体重量在 20Kg左右，地面摩擦系数按金属与混凝土之间的取为 0.5，则机器人需要的总功率为：则平均每组车轮提供的功率为25 瓦。对于单个车轮而言： （3-1）车轮直径为 110mm，则电机需要提供的转矩为： （3-2）因此，选择了北京和利时公司的 57BYG250E-0152 型号电机。静转矩为 1.5 NM 。该电机在相近产品中具有在转速变高一定范围内能够保持平稳的力矩。其力矩随转速的关系如下图3.2所示。 图3.2 电机转矩图下面选择转向电机，机器人对转向速度要求较低，对位置精度比较严格，选用步进电机可以满足设计要求。转向电机主要是使车轮实现零半径回转，克服地面摩擦力，要求的转速不高，因此主要计算电机静力矩。在这里我们假设每个车轮与地面的接触按照理想状态即相切线接触，那么平均每个车轮的摩擦力为： （3-3）由于车轮是零半径回转，所以克服的摩擦力矩为： （3-4）式中单个车轮的宽度设计车轮与地面接触总宽度为60mm，即所以克服的力矩为 0.368 。实际上车轮不是与地面呈线接触，保证一定余量，选择电机型号为 57BYG250B-SASRM-0152，静力矩为 1.4 。下面是所选电机的外形尺寸见图3.3。图3.3 电机外形尺寸图3.3 抓取机构的设计a.驱动方式的选择机械驱动装置，并提供了许多方法，如电机驱动，液压驱动，气动驱动，各种驱动模式都有其自身的特点，在液压和气动工业机器人驱动的应用是非常广泛的，有些是在同一时间使用各种机器人驱动的，这取决于由所述机器人设置的特性和要求而有所不同。比较这些驱动模式中，驱动模式，用于选择一对移动机器人。电动机驱动机器人，以避免压力能量转换成中间部分，其效率比液压和气动驱动更高。汽车电机系统，转速表，编码器和制动器总成又将在主题处理，使得整个电气系统体积小，可靠性和多功能性也得到了很大的提高。此外，该马达是根据脉冲数来计算与脉冲等效距离运行马达，输入到计算机中的数据，就可以实现非常高的精度的位置和方向。液压和气动驱动系统机构笨重，不便维护，大液压源和所述源设备的体积，对于移动机器人的问题也不能为移动机器人手臂动作的位置精度要求的机械，液压和气动驱动也难以满足。综上所述，本文选择以驱动马达行驶模式的机器人。b.传动方式的选择传输方式是实现这两个能量转移等功效，其主要功能是指：分布和能量转移;运动变化的形式;变化速度。机械传动的主要传动装置，常用的有皮带传动，链传动，齿轮和蜗轮传动等。根据机器人结构的实际情况选择齿轮。机械传动齿轮是最广泛使用的类驱动器。其传动效率高，根据正常的润滑效率高达99以上;比常数，具有恒定的瞬时传动比，它可以应用到高速传输;紧凑，因为占用的空间小相同的条件下;可靠，使用寿命长。手指设计会通过把持在这里的对象的平移运动的方式将被一起使用与螺杆轴和齿轮对作为传输机制来完成的机制，所要求的功能的前端。使用这两种结构的整个端体积小，重量轻。c.手指的设计操作和不同的操作的数目的复杂度可以实现为不同的手指，手可至少根据期望的索引机器人操作必须完成的操作来确定。手指可以推动，滚动或滑动的小物件也可以强制操作开关等;两个手指除了完整的一个手指的功能，它可以抓住对象，并可以精确地控制物体的位置和方向;三个手指除了完成两个手指来完成的功能，它也被重复在手中把持的物体的功能，如对象到空气和把握在新的位置的物体;多个指的是具有更大的灵活性，因为可以抓住和操纵多个对象。对于本文的移动机器人，只是能够把握的对象，控制对象的位置和方向，然后两个手指就能满足这一工作的要求，所以结构将是两指结构。从而两个手指相对于所述致动器驱动做关于螺旋轴平移运动的末端，以打开与合作。由于该课题要求能拾起假设的一种物料为滚动轴承（6306），查一下该轴承的参数要求，常用滚动轴承参数深沟球轴承 （摘自GB/T276-93）图3.4深沟球轴承其中d=17,D=47,B=14经过研究和讨论，设计图中所示的3.4最终结构。最终的机械结构采用超硬合金材料，保证一定的刚性，同时减轻整体重量。手指延长为50mm，开启和关闭范围4-44mm长度。其内部结构是这样的，通过一个齿轮传动齿轮2的驱动马达，驱动螺杆轴3，以使左，右，打开和手指6,7的接近运动。引导轴引导和手指的固定轨迹。 1.电机 2.齿轮 3.左右螺旋轴 4.导向轴 5.齿轮 6.夹持器右指 7.夹持器左指图3.5 末端执行器结构图手指形状如图3.5所示，前段平行处可以夹持形状规则（与手指接触面为平面）的物体，后段为菱形形状，可以夹持圆形和不规则形状的物体。这种设计可以更好的使机器人完成工作。电机的选型与计算本文设计要求夹持的物体重为 m=300g，设螺纹为 M8，其中径 r=3.6mm，螺距 P=1mm，当量摩擦系数 f=0.1，Q为轴向载荷，M为螺纹驱动力矩。手指材料为铝合金，表3.1列出了铝合金与常用材料的磨擦系数。 表3.1 主要工程材料摩擦系数 摩擦副材料 静摩擦系数 铝合金 黄 铜 0.27 青 铜 0.22 钢 0.3 胶 木 0.34 钢 纸 0.32 树 脂 0.28 硬橡胶 0.25 石 板 0.26从表3.1可以看出铝合金与不同材料的静摩擦系数趋近于0.3，所以取被抓物体和末端执行器手指之间的静摩擦系数，则：（3-5） 螺纹增力比 （3-6）式中 当量摩擦角，= ；螺纹升角，= 带入数据,得, 得 （3-7）选用齿轮传动比 n=1:1，忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩，根据上述计算，我们选择了北京和利时电机公司生产的 28BYG250C-SAFSM-L007 型步进电机，它的保持转矩为 90，满足设计要求。3.4机械手臂杆件的设计 本文采用铝合金材料设计成薄壁件，一方面保证机械臂的刚度，另一方面可减小机械臂的重量，减小对对基座关节电机的载荷，并且提高了机械臂的动态响应。3.4.1腕部结构设计手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。本文设计的手腕结构是回转结构，它可在空间内旋转，进而扩大机械手的工作范围。腕部采用伺服电机驱动，通过电机伸出轴和末端执行器连接，借助轴承来达到力矩的传递。通过轴承座将力传到壳体上，使电机轴只能传递力矩而不受其它力的作用。其结构如图3.6所示。1.末端执行器 2.手腕连接件 3.轴承 4.轴承座 5.电机6.壳体 7.杆件A图3.6 腕部结构图3.4.2臂部结构设计臂部分是机器人的主要部分。它的作用是支撑手腕和手，带领他们做的运动空间。该运动的目的是在臂的向空间的运动范围内的任何点的手柄部分。如果改变手（方位角）的姿势，自由的程度，以通过手腕来实现。臂设计基本要求：（1）载荷能力，刚度，重量轻即通过弯曲臂通常是（但在一个方向上没有弯曲），但也由反向，应在高弯曲和横截面形状的抗扭刚度被使用。所以臂做成中空的，它可以减轻重量，而且也提高了刚度，它可以设置在各机构的内部，从而使结构紧凑，外观整洁。（2）臂速度越高，惯性较小在正常情况下，统一运动的要求，该移动臂，而是在瞬间起动和臂的端部，所述移动是变化的，以减少冲击，加速度和终止要求之前减速的开始时间是不是太大，否则冲击和振动。（3）手臂动作应灵活。（4）手臂的位置精度高。这样的设计是在摇臂关节，杆B被设计成在图3.7用于转向齿轮组件中所示的结构，转向自身也参与在这种情况下，包括该杆的，这样，不仅节省了材料和设计的空间，增加了机器人手臂僵硬。 C是支撑杆转向轴设计，它与形成了转向机器人手臂摆动关节，无轴承关节，但相对活跃随动转向臂与车身共同驱动器之间实现。 1杆件B 2. 舵机 3.杆件C 图3.7 杆件B与舵机配合图杆件A和杆件B通过螺栓连接即可形成一个完整的杆件，通过杆件A和B的组合设计具有以下几个优点：（1）使关节间距可调。通过调节A和B的长度，就可以调整机械臂中两关节的距离，使机械臂的长度可调。（2）调节机械臂的重心位置：舵机的内部结构是未知的，因此其重心可能不在其几何中心，而调整两者之间的距离可以平衡掉重心位置造成的不良影响。通过摆动关节和回转关节的组合就可以形成完整的机械手臂。3.4.3 机械臂电机的选型与计算人们往往关心的是机器人的末端位置和姿态，而舵机有非常好的位置可控性，带有精密的减速器，具有其他同等尺寸的电机无可比拟的输出力矩，因此我们选择舵机作为关节驱动器。机械臂的结构如图3.8所示，其中第1关节的舵机需要提供的力矩最大，因此我们对这一关节进行计算。图3.8 机械手臂结构图机械臂各杆件处于水平时候对第一关节产生最大的力矩，计算方法是等效的方式，即将末端执行器及假想的欲抓取目标单独计算，其余杆件质量集中到机械臂的中点计算： 两部分一共为2.2 ，从而选用汉扬科技公司生产的舵机，型号为HSR9559，其保持力矩为2353 。满足设计要求。3.5 轴的设计计算3.5.1按扭转强度计算这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度。如果还受不大的弯矩时，则采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。并且应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。在进行轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为：强度条件： Mpa 设计公式： （mm）轴上有键槽： 放大：35%一个键槽；710%二个键槽。并且取标准植式中：许用扭转剪应力（N/mm2），C为由轴的材料和承载情况确定的常数。3.5.2按弯扭合成强度计算通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸、轴上零件的位置以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。对于钢制的轴，按第四强度理论，强度条件为：设计公式：（mm）式中、：e为当量应力，Mpa。 d为轴的直径，mm; 为当量弯矩；M为危险截面的合成弯矩； MH为水平面上的弯矩；MV为垂直面上的弯矩；W为轴危险截面抗弯截面系数；为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数弯矩引起的弯曲应力为对称循环的变应力，而扭矩所产生的扭转剪应力往往为非对称循环变应力与扭矩变化情况有关 扭矩对称循环变化 = 扭矩脉动循环变化 不变的扭矩，分别为对称循环、脉动循环及静应力状态下的许用弯曲应力。对于重要的轴，还要考虑影响疲劳强度的一些因素而作精确验算。内容参看有关书籍。3.5.3轴的刚度计算概念轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。轴的弯曲刚度是以挠度y或偏转角以及扭转角来度量，其校核公式为：yy; ; 。式中：y、 、 分别为轴的许用挠度、许用转角和许用扭转角。3.5.4轴的设计步骤设计轴的一般步骤为：（1）选择轴的材料 根据轴的工作要求，加工工艺性、经济性，选择合适的材料和热处理工艺。（2）初步确定轴的直径 按扭转强度计算公式，计算出轴的最细部分的直径。（3）轴的结构设计 要求：轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置；轴上零件装拆、调整方便；轴应具有良好的制造工艺性等。尽量避免应力集中；根据轴上零件的结构特点，首先要预定出主要零件的装配方向、顺序和相互关系，它是轴进行结构设计的基础，拟定装配方案，应先考虑几个方案，进行分析比较后再选优。原则：1）轴的结构越简单越合理；2）装配越简单越合理。3.6各轴的计算（1）查得C=118（低速轴弯矩较大），由公式 其中p=11kw，n=1200r/min取高速轴的直径d=45mm。（2）求作用在齿轮上的力齿轮分度圆直径为 齿轮所受的转矩为 齿轮作用力 圆周力 径向力 轴向力 （3）画轴的计算简图并计算支反力(图 3.9a)图3.9a 轴的计算简图水平支反力 垂直支反力 （4）画弯矩图a水平面内弯矩图(图3.9b)图3.9b 水平面内弯矩图截面c b垂直面内弯矩图MC（图3.9c）图3.9c 垂直面内弯矩图截面c C合成弯矩（图3.9d）图3.9d 合成弯矩图d 画扭矩图（3.9e图）图3.9e 扭矩图 又根据 查得 则 e 绘当量弯矩图（图3.9f）图3.9f 当量弯矩图3.7轴的设计与校核初定最小直径，选用材料45钢，调质处理。取A0=112（不同）则Rmin=A0=16.56mm最小轴径处有键槽Rmin = 1.07dmin = 17.72mm最小直径为安装联轴器外半径，取KA=1.7，同上所述已选用TL4弹性套柱联轴器，轴孔半径R=20mm。 取高速轴的最小轴径为R=20mm。由于轴承同时受径向和轴向载荷，故选用6300滚子轴承按国标T297-94 D*d*T=17.25 轴承处轴径d =36mm高速轴简图如下：取L1=38+46=84mm,取挡圈直径D=43mm,取d2=d4=54mm,d3=67mm,d1=d5=67mm。联轴器用键：圆头普通平键。B*h=6*6,长L=91 mm齿轮用键：同上。B*h=6*6, 长L=10mm,倒角为2*45度3.8 轴承的设计及校核3.8.1轴承种类的选择查机械设计课程设计手册第二版 吴宗泽 罗圣国 主编 高等教育出版社出版P62 滚动轴承由于采用两端固定，采用深沟球轴承。型号为6303和6300。3.8.2深沟球轴承结构深沟球轴承一般都是一对戒指，一组笼子里，一组钢球。其结构简单，使用方便，是生产轴承的最常见和最广泛的一类。该种轴承主要用于承受径向载荷，同时也能承受任一方向的轴向载荷一定的数量。当在一定范围内，加大轴承的径向游隙时，具有角接触轴承的性质，例如轴承，也承受较大的轴向载荷。安装在轴或外壳的轴向位移后的轴深沟球轴承可以限制在轴承内的径向游隙范围内。同时，当外壳孔和轴（内或外右侧）时的相对倾斜，（不超过8至-16根据间隙确定）仍然可以正常工作，但是，两者的倾斜的情况下，它们是结合降低轴承的使用寿命。深沟球轴承和其他类型的轴承相同的尺寸相比，最小的摩擦损耗，较高的速度的限制。应于高速推力球轴承不被使用，这些轴承是下纯轴向载荷可用。应改善其制造精度，以及使用胶木，青铜，铝和其它材料的硬固体笼，速度可以提高。表3.2 深沟球轴承选取表型号内径d外径D宽度B倒角r额定负荷kN钢球极限转速rpm重 量kgmminchmminchmminchmminch动态静态数量大小油脂油6355.196919.78406.23620.3.0122.340.88592.38134000400000.008630010.3937351.378011.43310.6.0248.203.5076.35015000210000.053630112.4724371.456712.47241.0.0399.704.2067.93814000200000.060630215.5906421.653513.51181.0.03911.405.4577.93813000180000.082630317.6693471.850414.55121.0.03913.506.5578.73112000170000.115630420.7874522.047215.59061.1.04315.907.9079.52511000150000.144630525.9843622.440917.66931.1.04321.2010.90711.50010000130000.21936306301.1811722.834619.74801.10.4326.7015.00812.0008000100000.34986307351.3780803.149621.82681.5.05933.5019.10813.494680080000.45426308401.5748903.543323.90551.5.05940.5024.00815.081580072000.63946309451.77171003.937025.98431.5.05953.0032.00817.462500062000.83636310501.96851104.3307271.06302.0.07962.0038.50819.050440055001.0822深沟球轴承结构简单，使用方便，是生产批量最大，应用最广泛的一类轴承，主要用于承受径向载荷。当轴承的径向间隙增大，以角接触球轴承的性能，而不会增加的轴向载荷。这种轴承的摩擦，震动，噪声低，极限转速高。不耐冲击，不适宜承受重载荷。深沟球轴承一般采用钢板冲压浪形保持架，也可以使用塑料，黄铜实体保持架。密封轴承可以根据不同的环境中添加适当的轴承润滑脂。可大批量的生产外径小于260mm的普通级深沟球轴承。应用于各类汽车的变速箱、发动机、水泵等部位，并适合其它各种机械上采用。根据用户的要求，可制造高级精度（P6、P5、P4级），各种游隙组别，特殊振动，噪声要求（Z1、Z2或V1、V2）的深沟球轴承。 A.深沟球轴承60000型； B.外围有止动槽的深沟球轴承60000-N型； C.一面带防尘盖的深沟球轴承60000-Z型， 两面带防尘盖的60000-2Z型； D.一面带防尘圈（接触式）的深沟球轴承60000-RS型，两面接触密封60000-2RS型； E.一面带密封圈（非接触式）的深沟球轴承60000-RZ型，两面非接触式的深沟球轴承60000-2RS型； F.双列深沟球轴承40000型； G.有装球缺口的深沟球轴承200、300型或200V、300V型。3.8.3轴承计算（1）计算径向载荷和轴向载荷 （3-8） （3-9） （3-10） （3-11） 径向载荷 Fr = 268.54(N) 轴向载荷 Fa = 140.55(N) 额定静载荷Co =35600(N) 径向载荷系数 X = 0.4（2）计算当量动载荷 （3-12） （3-13） （3-14） （3-15） 所以 故符合要求（3）寿命校核 额定动载荷 C = 47500(N) 当量动载荷 P = 402(N) 轴承转速 n = 2900(r/min) 工作温度 T =20() （温度系数 ft = 1） 要求寿命 Lh = 4500(h) 计算寿命 Lh = =16122(h) （3-16）所以 轴承寿命合格齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）第4章 整体车体结构设计4.1 小车行走结构设计这里主要是做了四方面的工作：对小车行走机构的结构方案的比较与选择；对电机功率的估计并选择出小车的驱动电机；对根据结构设计的齿轮、齿条传动的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度校核。4.1.1车体结构方案的比较与选择根据一些移动机器人本体设计的研究文献及直动关节的知识可获得两个车体结构方案。这两个方案的示意图如图所示：方案1：其中传动顺序为：电机齿轮箱车轮轴上齿轮（通过车轮轴）驱动轮。这也是在移动机器人本体结构设计上较为常用的一种车体结构方案，布置比较对称合理。方案2：其中传动顺序为：电机圆柱齿轮固定齿条（通过反推动）车体结构。这里的设计有借鉴将旋转运动转化为直线运动里有齿轮、齿条这么一种传动方式，结构比较简单，设计比较容易。方案间的比较：表4.1 两车体机构方案的比较方案比较方案1方案2设计方面较复杂较简单结构方面稍复杂稍简单布置方面对称点有点偏移效率方面较低较高精度方面高稍差用材方面一般有长齿条根据实际的工作条件：希望设计能够比较简单，结构比较简单，焊接小车的移动效率高一点，精度要求并不是很高，。故可从表1可选择出方案2作为该小车的设计结构方案。4.1.2小车驱动电机功率的确定(1) 电机功率的估计根据机器人的重量、小车运行速度、轮胎直径来确定驱动电机的功率。假定小车在轨道上行走，不考虑小车行驶中的空气阻力，分析小车的受力情况，以便估计小车所需的驱动力矩。此时，应把轮胎看成一个弹性体来考虑。前面也提到了，在这里，由于电机的驱动是通过齿轮、齿条的啮合来驱动，故该小车的四轮都为从动轮。这里先分析车轮的受力情况：图4.1 车轮受力简图假设在运动过程中，轮子做纯滚动。设小车运动时的加速度为，相应的车轮角加速度为。根据可推得： 其中v为小车速度，w为车轮角速度，r为车轮的半径。图4.1画出了该小车的车轮在运动过程中的受力简图，图中P车轮上的载荷，m 车轮的质量，N地面对车轮的法向反作用力，U为车轮的切向反作用力，X车轮轴的车轮的推力。根据平衡条件有 （4-1） （4-2）为车轮滚动阻力矩，其值为；J为车轮的转动惯量。根据式（4-1）、（4-2）有 （4-3）由此可知，推动车轮前进要克服两种阻力，即车轮的滚动阻力和车轮的加速阻力。而后者又由平移质量产生的加速阻力和由旋转质量产生的加速阻力所组成。齿轮、齿条传动作为该小车的驱动机构，故驱动力矩设为， 进而可将理解为小车的实际驱动力，为齿轮的半径。故以小车车体做分析对象，在水平方向上，应用牛顿第二定律可得： （4-4）其中为机器人总质量。将式（4-4）中的X带入上式得； （4-5）由上式可得出结论为：小车的驱动力用来克服车轮的滚动阻力和机器人的平移质量的加速阻力和车轮的旋转阻力。可根据式（4-5）粗估出驱动力矩：其中：车轮半径 ，（查理论力学 P120 表5.2 滚动摩阻系数。），； 估为40kg ,车轮质量估计为0.8kg ,J估计为，N；由于这里的焊接速度为，故可一定程度上估出。将上述数据带入式（4-5）得： 进而根据要求的运行速度为v ,初步确定电机的功率P： （4-6）其中：K为估计系数，考虑到该焊接机器人其上的关节的运动，可取为5。解之得：P =645w(2) 电机的选择前面已初步估计出了驱动力矩，电机的功率。在实际的操作中，机器人的驱动，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。考虑到步进电机通过改变脉冲频率来调速。能够快速启动、制动，有较强的阻碍偏离稳定的抗力。又由于这里的位置精度要求并不高，而步进电机在机器人无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。这里选定步进电机为驱动电机，考虑到在实际的选择中应考虑到一定的裕度。这里选用的是杭州日升生产的永磁感应子式步进电机：型号：130BYG2501；步距角：0.9/1.8度；电压：120-310v相数：2 ；电流：6 A;静转矩：270；空载运行频率：；转动惯量：；4.2 蜗杆副的设计计算4.2.1 蜗杆的选型根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线（ZI）蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓是渐开线，所以相当于少一个齿数。4.2.2 蜗杆副的材料由于蜗杆传动效率不高，速度也只是中等 ,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋要求淬火硬度为45-55HRC且心部调制蜗轮用铸锡青铜ZcusnlOP1,金属模铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。4.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据工作要求和条件 : 功率小,起动转矩低,运转平稳等,无需调速、长期反复工作，异步电动机取转速为1400r/min。由要求 :自锁力Q=1000 kgf500 kgf,此处取 Q=1000kgf 。螺旋副传动的牙型为梯形螺纹,可通过较小的扭矩获得较大的轴向力,并要求自锁。梯形螺纹的牙型角=,则牙型半角 P=,且有f=0.080.10。由于本刀架锁紧系统中的摩擦是由封闭系统弹性变形力所引起的,压力通常超过 3,其摩擦系数比一般23倍,取螺杆中径d=85mm.a.求当量摩擦角 : ，为保证电机驱动力矩消失后刀盘仍处于锁紧状态,丝杠螺母传动必须满足自锁条件:,所以 max=11.7-1=10.7，由实验表明=46 有满意效果,故取 =5 。b.螺杆的转速 n1=28r/min（设计任务书给出） 可得出传动比： （4-7）计算电机容量 ： （4-8） 其中 ,Pd 为电机所需功率 :Pw 为工作机所需工作功率；是由电动机至工作机主动端的总效率： （4-9） （4-10） 其中 分别为轴承、蜗轮蜗杆、联轴器、滑动丝杠的传动效率。取=0.98, =0.45( 自锁时传动效率 ), , （设计任务书给出）W （4-11） c. 计算螺杆上的扭矩 : （4-12）d. ，选取150BF002电机，其技术参数如下：表4.2 150BF002电机技术参数电压 输出功率转速输入功率质量380V120w1400r/min150w3.0kg额定电流起动转矩/:额定转矩最大转矩/额定转矩起动电流0.47(A)2.22.46e. 各轴的运动动力参数 各轴转速I 轴 ( 蜗杆轴 )=1400(r/min)II 轴 ( 丝杠螺母、刀盘 )=1400/28=50(r/min) 各轴输入功率I 轴 （4-13）II 轴 w （4-14）输出功率I 轴 （4-15）II 轴 （4-16）根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计 , 再校核齿根弯 曲强度应有 : (4-17） a.用在蜗轮上的转矩：按，取效率则 (4-18) b.确定载荷系数K：因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数 由表 11-5( 机械设计第七版 ) 中选取使用系数 =1.15 由于转速不高,冲击不大,取动载荷系数 则 （4-19）c.确定弹性影响系数：由选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合, 故 (4-20）d.确定接触系数:先假设蜗杆分度圆直径为和中心距 a 的比值从图 11-18( 机械设计第七版 ) 中可查得 =2.75e.确定许用接触应力：根据蜗杆材料为铸锡磷青铜
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