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机械电子工程课程设计 六自由度串联教学机器人 机械部分设计说明书目录前言2机器人简介2机器人机械系统原理3机器人参数4机器人电机的选择4机器人减速器5机器人机械系统的带传动7机器人的各个关节的机械结构7机器人的运动学分析14机器人运动学求解17步进电机的特点17伺服电机的特点18机械手应用的传感器18总结19参考文献19前言：近年来机器人的发展十分迅速。机器人在汽车工业、航空制造、机械加工、电子装配、和现代物流等规模化生产中发挥着越来越重要的作用，是实现工业自动化的核心。但我国的机器人研究与应用领域相对于发达国家还有一定的差距。所以对机器人的学习和研究又十分重要的意义。机器人简介：机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电设备。机器人按技术层次分为：固定程序控制机器人、示教再现机器人和智能机器人等。学校的6自由度串联机器人，其轴线相互平行或垂直，能够在空间内进行定位，采用伺服电机和步进电机混合驱动，主要传动部件采用可视化设计，控制简单，编程方便。机器人采用串联式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节或移动关节串联连接如下图所示。各关节轴线都是相互垂直或平行。连杆的一端装在固定的支座上，另一端处于自由状态，可安装各种工具实现机器人作业。关节的作用是使相互连接的两个连杆产生相互运动。关节的传动采用模块化结构，由锥齿轮、同步齿型带和谐波减速器等多种传动结构配合实现。机器人各个关节采用伺服电机和步进电机混合驱动，并通过电脑软件环境下的软件编程和运动控制实现对机器人的控制，使机器人能够在工作空间内任意位精确定位。机器人机械系统原理：机器人机械系统由原动部件、传动部件、执行部件。关节1传动链由步进电机、减速器构成；关节2传动链由伺服电机、减速器构成：关节3传动链由步进电机、同步带、减速器构成；关节4传动链由步进电机、减速器构成；关节5传动链由步进电机、同步带、减速器构成；关节6传动链由步进电机。减速器构成。机器人末端有一个气动夹持装置。机器人参数机器人电机的选择：步进电机的选取：步进电机是一种能将数字输入 脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。选择步进电机时首先保证电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。步进电机选取的计算过程：对零部件进行受力分析计算出角加速度，角速度，静态力矩，转动惯量，动态加速转矩；计算出总转矩；根据步进电机选样手册选取步进电机的型号根据步进电机的型号选取谐波减速器校核；根据选取的零部件计算安全系数。机器人的关节2选用的伺服电机，因为伺服电机的可控性所以选取伺服电机，当有信号输入时伺服电机开始转动，当没有信号输入时伺服电机停止转动，能实现迅速启动、停转。伺服电动机输出的力矩较大，较平稳，关节2所受的力矩较大故选取伺服电机。伺服电机选取的计算过程对零部件进行受力分析计算出角加速度，角速度，静态力矩，动态加速转矩；计算总力矩；根据伺服电机选型手册选取伺服电机；根据伺服电机型号选取减速器型号；校核。机器人减速器：机器人有6套谐波减速器。每套根据选取电机的型号选取谐波减速器的型号。谐波减速器的的构成：谐波发生器是由凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆变形运动（弹性范围内）；刚轮是刚性的内齿轮；柔轮是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。谐波减速器的工作过程如下图所示谐波齿轮传动的特点：传动比大、单级传动比为70320；侧隙小。由于其啮合原理不同于一般齿轮传动，侧隙很小，甚至可以实现无侧隙传动；精度高。同时啮合齿数达到总齿数的20%左右，相180度的两个对称方向上同时啮合，因此误差被平均化，从而达到高运动精度；零件数小、安装方便。仅有三个基本部件，且输入轴与输出轴为同轴线，因此结构简单，安装方便；体积小、重量轻。与一般减速器比较，输出力矩相同时，通常体积可以减小三分之二，重量可减小二分之一；承载能力教大。因同时啮合齿数较多，柔轮又采用了高疲劳强度的特殊钢材，从而获得了较高的承载能力；效率高。在齿的啮合部分滑移量极小，摩擦损失小。在高速运动下还能维持高效率；运转平稳。周向速度低，又实现了力的平衡，故噪声低、振动小；可向密闭空间传递运动。利用其柔性特点，可向密闭空间传递运动。这一点是其他任何机械传动无法实现的。机器人机械系统的带传动：机器人的两个带传动采用的是同步齿型带传动是带齿与轮齿的啮合传递运动和动力，同步齿型带传动有以下特点；传动比准确，同步带传动是啮合传动，工作时无滑动；传动效率高，达98%，节能效果明显；不需依靠摩擦传动，预紧张力小，带轮直径小，所占空间小，重量轻，结构紧奏；传动平稳，动态特性良好，能吸振，噪音小；允许线速度较高；使用广泛，传递功率由几瓦至数千瓦，速比可达10左右；使用保养方便，耐油耐磨性较好；安装要求较高带和带轮的制造工艺复杂。机器人的各个关节的机械结构关节1是机器人的基座支撑着整个机器人的重量，根据机器人参数表可知关节1的极限角度为300度。关节1的机械结构如下图所示关节1的极限角度由限位器限制，限位器的位置如图所示机器人关节1限位器结构机器人关节1机械结构关节2的机械结构如下图关因为关节2处的力矩较大能够达到315n*M，而且控制着整个机身的运动，而且对机身的位置控制较为精确，故该关节使用的为伺服电机。由参数表可知道关节2的动作角度为90度，该关机的限位器见下图关节3的机械结构关节3的限位器位置关节4的机械结构及限位器结构如图关节5的机械结构关节5的限位器位置关节6的机械机构手腕机械机构机器人的运动学分析：机器人的运动学就是研究机器人手臂末端执行器位置和姿态与关节变量空间之间的关系，也就是要把机器人的空间位移解析地表示为时间的函数。机器人的机械臂可以看作一个开式的运动链，它是由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成的。开链的一端固定咋基座上，另一端是自由的，安装着末端执行器，用以操作物体完成各种作业。关节由驱动器驱动，关节的相对运动导致连杆的运动，使手爪到达所需的位资。在轨迹规划时，人们最感兴趣的是操作臂末端执行器相对于固定参考系的空间描述。为了研究操作臂各连杆之间的位移关系，可以在每个连杆上固接一个坐标系，然后描述这些坐标系之间的关系。机器人的运动分析需要分析1）连杆参数；2）连杆坐标系的建立3）连杆坐标系间的变换过程-相邻关节坐标系的齐次变换4）机器人的运动方程连杆的描述，连杆参数：连杆的功能在于保持其两端的关节轴线具有固定的几何关系，连杆的特征也是由这两条轴线规定的。连杆坐标的建立：首先确定机器人的零位。Z轴的确定：z轴沿着关节的转轴方向由右手定则判定，右手握z轴，四指的转向为轴的转向，大拇指方向为z轴的方向。若转轴转动方向X轴的确定：xi轴分别垂直zi和zi-1轴方向由i-1指向iY轴的确定：知x轴和y轴用右手坐标系原则建立连杆参数的定义：ai-1=从zi-1到zi沿xi-1测量的距离；i-1=从zi-1到zi绕xi-1旋转的角度；di=从xi-1到xi沿zi测量的距离；i=从xi-1到xi绕zi旋转的角度；ai-1代表连杆i-1的长度因此大于等于0；而其他值可正可复；连杆变换通式如下：将各个连杆变换矩阵相乘得到的矩阵为机器人的运动方程。桌面教学机器人的连杆坐标参数iii-1ai-1di10-90601602-900530030-901004090050050-90006000270机器人的外形尺寸机器人的极限位置机器人末端气动夹持装置气泵的规格机器人运动学求解机器人的运动学求解分为正解和反解，正解为知道初始位置求解末端执行器的位置，反解为知道末端执行器的位置，求解初始位置，反解不唯一。机器人机械臂运动学反解的数目决定于关节数目、连杆参数和关节变量的活动范围，一般而言，非零连杆参数越多，运动学反解的数目越多。对于6个旋转关节的机器人，反解的数目可达16个。运动学反解的方法可以分为两类：封闭解法和数值解法。在进行反解时，总是力求得到封闭解。封闭解法计算速度快，效率高，便于实时控制。数值解法不具备这些特点，实际上，非线性方程组的数值解法是一个有待研究的领域。步进电机的特点：步进电机相对于普通电机来说，它可以实现开环控制，即通过驱动器型号输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。但步进电机不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳。伺服电机的特点：相对伺服电机来说，伺服电机内部通常安装旋转编码器实现了反馈控制，伺服电机可以达到的转矩要高于步进电机，但价格过高，所以在转矩满足的情况下使用步进电机。机械手应用的传感器：伺服电机增量式编码器 关节限位光电开关增量式编码器：将信号进行编制、转换为可用以通讯、传输和储存信号形式的设备。编码器可以分为增量型和绝对值型。增量型：就是每转过单位的角度就发出一个脉冲信号，通常分为A相、B相、Z相输出，A相、B相为相互延迟四分之一周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过A相、B相的上升和下降可以进行2或4倍频；Z相为单圈脉冲，即每圈发出一脉冲。绝对值型：就是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。 光电开关：光电开关是光电传感器的一种，它把发射端和接收端之间的光的强弱转变为电流变化已达到探测的目的。传感器从发光部发出信号光在受光部接受光量从而得到输出信号，来检测物体的有无。光带能传感器的分类：反射型、对射型、光线式。总结：学校给出的机器人是六自由度桌面型串联教学机器人，通过对机器人进行各个结构尺寸的测量了解了机器人的机械结构，通过制作机器人各个零部件的3D模型熟练的使用了solidworks等三维制图软件，通过查阅各种资料培养了查阅资料的能力，通过小组合作制作培养了团队合作能力。在对机器人的装配过程中大致的了解了机器人的机械结构、装配过程、及工作过程。在设计和画图的过程中遇到了很多问题，通过小组讨