PUMA型多关节机器人设计【18张图/13900字】【优秀机械毕业设计论文】

文档包括:
说明书一份,39页,13900字左右.
开题报告一份.
任务书一份.
答辩记录一份.

图纸共18张,如下所示
A0-大臂装配图.dwg
A0-腰部装配图.dwg
A0-总结构图.dwg
A4-齿轮1.dwg
A4-齿轮2.dwg
A4-齿轮3.dwg
A4-齿轮轴1.dwg
A4-齿轮轴2.dwg
A4-齿轮轴3.dwg
A4-齿轮轴4.dwg
A4-齿轮轴5.dwg
A4-齿轮轴6.dwg
A4-电机联接板.dwg
A4-电机联接板.dwg
A4-制动联接板.dwg
A4-轴承端盖1.dwg
A4-轴承端盖2.dwg
A4-主轴.dwg

南京航空航天大学金城学院

毕业设计

题 目 PUMA型多关节机器人设计

二〇一一年六月

南京航空航天大学金城学院
本科毕业设计（论文）诚信承诺书
本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目： PUMA型多关节机器人设计 ）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名: 年 月 日
（学号）：

PUMA型多关节机器人设计

摘要
机器人既有人对环境的快速反应和分析判断能力，又有可长时间持续工作、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。
本设计在参考了大量文献资料的基础上，设计了一种小型的PUMA型多关节三自由度机器人。首先针对设计要求，选择了最优方案进行了机器人的本体结构设计。然后根据机器人的腰关节、肩关节、肘关节的运动方式，设计了机器人的机械系统；根据机器人的腕部负载，进行了重要关节的传动系统设计和直流电动机的选择。选用了适当的尺寸进行传动系统中各齿轮校核。
关键词：机器人，三自由度，传动系统，校核

PUMA-type multi-joint robot

Abstract
Robot as a man on the environment of rapid response and analytical skills, but also a long time continuous working, high precision anti-poor environment. In a sense it is the product of the evolution of the machine, it is the industrial and non-industrial sector, an important production and service equipment, advanced manufacturing technology is indispensable automation equipment.
The design of a large number of documents in the reference, based on the design of a small, three degrees of freedom PUMA-type multi-joint robot. First, for the design requirement, choose the optimal program design of the robot's body structure. Then the robot's waist joint, shoulder, elbow movement pattern, the design of the robot's mechanical systems; robot wrist according to the load, carried a significant joint transmission design and selection of DC motors. Select the appropriate size for transmission in each gear check.
Keywords: robot, the three degrees of freedom, drive, check

目录

摘要 i
Abstract ii
第一章 引言 1 
1.1 机器人的发展概况 1 
1.2 中国研制机器人的情况 2 
1.3 机器人产业 3 
1.3.1 工业机器人市场前景 4 
1.3.2 发展机器人产业的意义 4 
2.1机器人的组成及各部分关系概述 5 
2.2 机器人的设计分析 6 
2.2.1 设计要求 6 
2.2.2 总体方案拟定 6 
2.2.3 机器人主要技术性能参数 6 
3.1 机器人机械传动原理 9 
3.2 机械结构设计的特点 10
3.3 机械结构的计算 12 
3.3.1 大臂的设计与电动机的选择 12
3.3.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 13
3.3.3 计算传动装置的运动和动力参数 13 
3.3.4 传动零件的设计与计算 14 
2、选取齿轮齿数 21 
4.1 机器人运动学研究的主要问题 25 
4.1.1 运动学的正解、反解 25 
4.1.2 机器人的工作空间 25 
4.1.3 机器人解的存在性 26
4.1.4 机器人多重解 26 
4.2 平面三构件关节型机器人操作器 27
4.2.1 正向运动学 27
4.2.2 反向运动学 28 
5.1 本论文所取得的结果 30 
5．2技术展望 30
参考文献 32 
致谢 33

毕业设计（论文）课题任务书
1．内容及要求：
根据具体的设计参数设计一台PUMA型偏置式多关节式机器人，主要内容涉及：(1)进行多关节机器人的总体结构设计，确定机器人的传动关系图；(2)完成机器人的腰、肩、肘关节机械部件及关键零件的设计与校核计算工作；（3）进行机器人的运动学分析；

2．主要技术指标：
主要设计技术参数有(1)自由度：3；(2)运动范围：腰关节 =300o，肩关节 =310o，肘关节 =290o，；(3)最大速度：1.5m/s；(4)腕部最大负荷：1-2kg；(5)驱动方式：直流伺服电机。

3．进度安排：(包括起迄日期、主要工作内容等)
[1] 2011.2.21-2011.3.6 查阅资料，完成开题报告
[2] 2011.3.7-2011.4.3 完成机器人总体设计与参数计算
[3] 2011.4.4-2011.5.1 完成机器人结构详细设计
[4] 2011.5.2-2011.5.8 完成关键零件校核
[5] 2011.5.9-2011.5.22 完成运动学分析
[6] 2011.5.23-2011.6.5 完成英文翻译、撰写论文，准备答辩

4． 参考文献：
[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].第四版.北京:机械工业出版社,2007.
[2]唐立山.UG计算机辅助设计[M].北京:国防工业出版社,2010.
[3]蔡自兴. 机器人学基础[M].北京:机械工业出版社, 2009.
[4]熊有伦. 机器人技术基础[M].武汉:华中理工大学出版社, 1996. 
[5]孟庆鑫, 王晓东. 机器人技术基础[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2006.

指导教师签字：
年 月 日
上级审查意见：
毕业设计（论文）开题报告

题 目 PUMA型多关节机器人设计

1. 结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述：
第一台工业机器人诞生于1956年，是英格尔博格(J.Engelbrger)将控制技术与机械臂相结合的产物。当时，主要是为了克服串联机构累积的系统误差，以便达到较高的空间定位精度，提出了示教再现的编程方式，从而使重复定位精度差不多比绝对定位精度提高了一个数量级。至今绝大部分使用中的工业机器人仍采用这种编程方式。第一台工业机器人的商用产品诞生于1962年，当时，其作业仅限于上、下料。尔后的发展比预想中的要慢。20世纪60年代，美、英等国很多学者，把机器人作为人智能的载体，来研究如何使机器人具有环境识别、问题求解以及规划能力，祈望使机器人具有类似人的高度自治功能，结果是始终停留在实验室阶段。1968年，日本川崎重工引进美国Unimation公司的Unimate机器人制造技术，开始了日本机器人的时代，经过近十年的努力，开发了点焊、弧焊及各种上、下料作业的简易经济型机器人。成功地把机器人应用到汽车工业、铸塑工业、机械制造业……，从而大大地提高了制成品的一致性及质量，形成了一定规模的机器人产业。20世纪70年代，出现了更多的机器人商品，并在工业发达国家的工业生产中逐步推广应用。1979年公司Unimation推出了PUMA系列工业机器人，它的关节由电动机驱动，可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进的机器人。到1980年，全世界有2万余台机器人在工业中应用。
20世纪80年代工业机器人产业得到了巨大的发展，但是所开发的四大类型机器人（点焊、弧焊、喷涂、上下料）主要用于汽车工业。工业化国家的机器人产值，以年均20％~40％的增长率上升。1984年全世界机器人使用总台数为8万台，到1985年底，己达14万台，到1990年已有30万台左右，其中高性能的机器人所占比例不断增加，特别是各种装配机器人的产量增加较快，和机器人配套使用的机器视觉技术和装备也得到迅速发展。1985年前后，FANUC和GWF公司又先后推出了交流伺服驱动的工业机器人产品。随着以提高质量为目的的装配机器人及柔性装配线的开发成功，1989年机器人产业首先在日本，之后在各主要工业国呈发展趋势。进人20世纪90年代后，装配机器人及柔性装配技术将进入大发展时期。
机器人大都工作于结构性环境中，即工作任务、完成工作的步骤、工件存放的位置、工作对象等都是事先已知的，而且定位精度也是完全确定的，所以机器人完全可以按事先示教编好的程序重复不断地工作。当自动化进一步向建筑、采掘、运输等行业扩展时，其环境则是非结构化的，不能事先确定，或至少不能完全确定，总任务虽可事先确定，但如何去完成，要根据当时的实际情况来确定与制订。因此，研究具有感知、思维，能在非结构环境中自主式工作的机器人就成了机器人学研究的长远目标。实践证明，要达到这一目标，还需经过长时期的努力，等待—此重要技术有所突破，特别是机器视觉、环境建模、问题求解、规划等智能问题上。因此，20世纪80年代末，各国把发展的目标调整到更现实的基础上来，即把以多传感器为基础的计算机辅助遥控加上局部自治作为发展非结构环境机器人的主要方向，而把智能自治式机器人作为一个更长远的科学问题去探索。
我国研究机器人的起步时间，其实并不比国外晚很多，大概在20世纪70年代前，当时，北京自动化研究所和沈阳自动化研究所相继开展了机器人技术的研究工作，但是由于种种原因，机器人技术研究及应用推广在我国十分缓慢。直到90年代初，也就研制了150台左右，而且大部分是作为演示用的，不能在生产实践中发挥作。这些机器人也是以示教型第一代机器人为主，这与当时世界25万台的机器人总量相比，差距很大。造成这种现象的原因很多，其中与我国在机器人领域的研究队伍较小，机器人技术教学工作薄弱不无关系。从90年代开始，情况已经有所好转。早期的“863”计划已经把机器人技术作为重要的攻关内容，国家科委和国家自然科学基金委员会也都相继资助了一批有关机器人的研究项目。在高等学校中，也陆续开展了机器人的教学课程和机器人技术的研究工作。到目前为止，我国在机器人的技术研究方面已经相继取得了一些重要成果，在某些技术领域已经接近国际前沿水平。
截止到1997年，我国自行研制的机器人大约有了350台，其中半数以上是用以演示或科研，真正在产业部门应用的大约只有100台。加上进口的机器人，我国目前的机器人数量大约为1100台。
值得一提的是，最近几年，我国在汽车、电子行业相继引进了不少生产线，其中就有不少配套的机器人装置。另外，国内的一些大专院校和科研单位也购买了一些国外的机器人，这些“洋机器人”的引入，也为我国在相关领域的研究工作提供了许多借鉴。另外一个值得注意的方向是传统机械的机器人化。日前，数控机床、工程机械、采掘机械等已开始向这一方向发展，进一步的发展将会带来这些机械本身的革命。 
综上所述，机器人的发展已不局限于机器人本身，而将作为新一代整个机器的发展方向。
参考文献
[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].第四版.北京:机械工业出版社,2007.
[2]唐立山.UG计算机辅助设计[M].北京:国防工业出版社,2010.
[3]蔡自兴. 机器人学基础[M].北京:机械工业出版社, 2009.
[4]熊有伦. 机器人技术基础[M].武汉:华中理工大学出版社, 1996. 
[5]孟庆鑫, 王晓东. 机器人技术基础[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2006.

2. 毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法：
要解决的问题:
(1)进行多关节机器人的总体结构设计，确定机器人的传动关系图；
(2)完成机器人的腰、肩、肘关节机械部件及关键零件的设计与校核计算工作；
（3）进行机器人的运动学分析；
拟采用的方法:
（1）确定负载，腕部最大负荷：1-2kg；采用直流伺服电机驱动方式；机器人传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机器人的运动和位置控制精度；工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的；机器人操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，最大速度：1.5m/s。
（2）由于系统的整体性能主要取决于机座及大臂部分的驱动及传动能力，因此必须对其进行详细的设计计算；计算传动装置的总传动比和分配各级传动比；计算传动装置的运动和动力参数；锥齿轮强度设计，选择齿轮精度等级、齿数、齿宽系数，确定相关系数，按齿面接触强度设计，校核齿根弯曲疲劳强度，确定锥齿轮传动主要几何参数；直齿圆柱齿轮强度设计。
（3）机构的一阶、二阶影响系数矩阵，并根据一阶、二阶影响系数矩阵及其全域性能指标定义给出该机构的全域性能指标。由于机构参数的设置是否合理直接决定机构的性能好坏，本文通过改变机构部分构件的尺寸，研究其在不同尺寸下的运动全域指标，探讨机构的性能差异，从而在一组尺寸各不相同的机构中，选择运动性能较为优良的机构。