基于UG四自由度机器人的结构设计【三维UG】【8张PDF图纸+CAD制图+文档】
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本科学生毕业设计基于UG四自由度机器人的结构设计系部名称： 汽车工程系 专业班级： 车辆工程B05-18班 学生姓名： 王 江 指导教师： 王慧文 职 称： 教 授 黑 龙 江 工 程 学 院二九年六月The Graduation Thesis for Bachelors DegreeConstruction Design and Simulation For Four Freedom Robot Base on UG Candidate：Wang JiangSpecialty： Vehicle EngineeringClass： B05-18Supervisor：Prof. Wang HuiwenHeilongjiang Institute of Technology2009-06HarbinSY-025-BY-3毕业设计（论文）开题报告学生姓名王 江系部汽车工程系专业、班级车辆工程B05-18班指导教师姓名王慧文职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称基于UG四自由度机器人的结构设计一课题研究的现状、目的、主要内容和意义 1机器人课题的目的、主要内容和意义 1）目的 结合现有的机器人布局方案给出合理的四自由度机器人结构方案，进行运动分析和强度分析，绘制结构装配图和零件图，并建立相应的UG模型。在设计原始数据的基础上，根据机构运动学和强度理论进行相应的数据计算。2）主要内容1、查阅国内外技术相关文献，进行总结分析，确立设计方案，并分析各设计方案的优缺点。2、机器人总体设计。3、机器人各零部件的设计和UG实体造型。4、实现了参数化的设计，并且利用表达式来完成相应零件的局部或整体的尺寸约束，建立零件库。5、局部和整体（各个关节）的运动仿真设计。6、完成设计说明书的撰写。根据学校现有图书馆、实验室、计算机资源，相关的设计参考资料计算机相关软件（UG、CAD、PROE等）和设计简图。 3）机器人课题的意义四自由度机器人是一种适合于高校教学的机器人，可以让学生了解国内外机器人的研究、设计和应用状况，掌握机器人的未来发展趋势。熟悉机器人的结构、工作原理、保养和维护方法等。帮助学生从系统整体角度去认识个组成部分，全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术。也可以成为用来搬运细小零件的机器人。本设计具有一定的理论、设计水平和应用价值。2机器人的历史及研究现状1）机器人的发展历史“机器人“是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人去进行各种工作。尽管直到三十多年前，“机器人“才作为专有名词加以引用，然而机器人的概念在人类的想象中却以存在三千多年了。早在我国西周时代（公元前1066公元前771年），就流传有关巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人的故事。我国东汉时期（25220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。作为第一批自动化动物之一的能够飞翔的木鸟是在公元前400年至350年间制成的。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈若斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。在公元前2世纪出现的书籍中，描写过一个具有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和列队表演。人类历史进入近代史之后，出现了第一次工业革命和科学革命。随着各种自动机器、动力机械的问世，制造机器人开始由梦想转入现实，许多机械式控制的机器人，主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品应用而生。公元17681774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人，设计制造出三个像真人一样大小的机器人写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。同时，还有德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙格雷姆”，日本物理学家西川半藏设计的各种自动机械图形，法国杰夸特设计的机械式可编程织造机等。1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，是以蒸汽为动力的。这些机器人工艺珍品，标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上前进了一大步。进入20世纪后，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中，人们含有几分不安的期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。1920年，捷克剧作家卡雷尔查培克（Karel Capek）在他的幻想情节剧路萨姆的万能机器人中，第一次提出了“机器人”这个词。在剧中，他把机器人描述成与人相似但能不知疲倦地工作的机器，最终机器人背叛它们的创造者而消灭了人类。各国对机器人的译法，几乎都从斯洛伐克语“robota”音译为“罗伯特”，只有中国译为“机器人”。1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说我是机器人中，提出了有名的“机器人三守则”：（1） 机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人类将受害而袖手旁观；（2） 机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类；（3） 机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类令它做出牺牲。 这三条守则，给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户，提供了十分有意义的指导方针。因此，机器人的发展时间段大致可分为一下几个时间段：1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说罗萨姆的机器人万能公司中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。1948年 诺伯特维纳出版控制论，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。1954年 美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。1956年 在达特茅斯会议上，马文明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。1965年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。1998年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年 美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。iRobot公司北京区授权代理商：北京微网智宏科技有限公司。2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。 多连杆机构和数控机床的发展和应用为机器人技术打下 重要基础。1954年，美国人乔治德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利。1962年，美国万能自动化（Unimation）公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司（GM）投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从次，机器人开始成为人类生活中的现实。此后，人类继续以自己的智慧和劳动，谱写机器人历史的新篇章。同时，随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影摩登时代中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病逐渐产生，于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。“机器人上岗，人将下岗。”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。比如汽车的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是成了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话：“日本机器人的数量居世界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。2）机器人的定义机器人的定义处在不断的发展变化之中。美国机器人协会（RIA）认为，机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能机械手（Manipulator）日本机器人协会（JIRA）认为工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器（End Effector）能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织（ISO）给出的定义是，机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可变程序造作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行多种任务。关于我国机器人的定义。随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。蒋新松院士曾建议吧机器人定义为“一种几人功能的机械电子装置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我们参考各国的定义，结合我国情况，对机器人做出统一的定义：我们认为机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能，可以代替人完成特定任务的一种自动化机电装置。机器人技术的迅速发展，为机器人学的建立奠定了基础。机器人学是综合运用数学、力学、机械、电子、计算机、自动控制、人工智能等多学科知识，对机器人 的体系结构、机构、控制、智能、传感、编程语言以及机器人应用等进行研究的一门综合性新兴交叉科学。3）.机器人的发展现状第一台工业机器人问世后头十年，从20世纪60年代初期到70年代初期，机器人技术的发展较为缓慢。进入20世纪70年代之后，人工智能学界开始对机器人产生浓厚兴趣。他们发现机器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机，提供了一个很好的实验平台和应用场所。进入80年代后，机器人生产继续保持70年代后期的发展势头。到20世纪80年代后期，传统机器人的应用趋于饱和，因而国际机器人学研究和机器人产业出现不景气现象。到90年代出机器人茶叶出现复苏和继续发展迹象。进入21世纪以来，机器人的发展出现了空前的发展迹象，主要研究领域就是运用于军事和太空领域。许多相应的更为先进的更加智能的专用机器人应用而生。机器人的技术趋势感觉功能、控制智能画、移动功能的智能化、系统应用与集成化、安全可靠性、微型化、多传感器信息融合与配置技术。（1） 国外工业机器人的现状及发展趋势: 国外工业机器人的现状：机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。 国外工业机器人的发展趋势: 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小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。（2） 国内工业机器人的现状与发展趋势目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。随着经济全球化和我国加入WTO，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。我国政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。目前工业机器人的生产规模仍然不大，多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。我国整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。同时转变现有的机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。其次，在国家的科技发展规划中，应继续对工业机器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。第三，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的开发，使之与国民经济的发展密切相结合。经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。 我国的机器人研究开发工作始于20世纪70年代初，到现在已经历了30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。有关专家研究认为，我国工业机器人的市场主要在汽车、摩托车、电器、工程机械、石油化工等行业，企业对技术进步的需求更加强烈，其中主要的机器人用户仍在汽车制造行业、工程机械行业及电机、电子行业。我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。二四自由度机器人课题设计的参数结构形式：串联关节式负载能力：2Kg重复定位精度：0。1mm运动范围：:300:120：120360每轴最大运动速度：腰转 45/S 、大臂 45/S、 小臂 30/S 、腕摆 60/S最大展开半径：530mm高度：957mm本体重量：操作方式：示教再现/编程供电电源：单相220V、50Hz三课题设计要解决的主要问题1）串联式机械主座及机械手臂结构的确立（如右图）；2）主要运动机构的确立计算；3）活动关节出伺服电机的选用；4）活动关节处四自由度的确定及计算；5）运用UG软件对以上计算数据进行建模仿真分析；6）编写说明书，运用CAD、UG软件进行工程图的绘制。四技术路线（研究方法） 1.在现有的资料和实验室器材的基础上进行结构尺寸的分析、设计、布置，如有必要进行调研，参考相近似的同类设计资料。2.在对各个主要部件、关节的尺寸参数进行设计后，利用UG软件进行仿真建模和完成装配图。五进度安排1调研，查阅相关文献，写文献综述及开题报告；第12周（3月2日3月13日）2对课题机器人零件进行设计计算；第38周（3月15日4月24日）3期中考核； 第9周（4月26日5月1日）小四号宋体，加粗4对课题机器人计算数据进行UG仿真建模和绘制装配图及部分零件图；第1013周（5月3日5月29日）5对零件图进行修改；第14周（6月1日6月5日）6审核，编写说明书；第15周（6月8日6月12日）7修改, 第16周（6月15日6月19日）8毕业设计答辩准备及答辩；第17周（6月22日6月 26日）六参考文献1孙树栋 工业机器人技术基础 2006年12月 西北工业出版社2蔡自兴 机器人学 2003年12月 清华大学出版社3Jorge Angeles（加拿大）著 宋伟刚 译 机器人机械系统原理理论、方法和算法 2004年8月 机械工业出版社4孙莹. 机器人时代即将开启 J 2006年29期5林绳宗. 全球机器人应用概况 J 2005年 6期6姚志良.我国工业机器人发展的几点思考 J 机器人技术与应用 287 马晓丽、尹小琴、马履中、张庆功、张雪莲. 新型4自由度并联机构的动力学建模与分析J 自然科学版 第28卷第5期 2007年9月8王仲民，蔡霞，崔世钢一种四自由度机器人的运动学建模，动化计算机J2005年13卷4期 9汪木兰，徐开芸，饶华球，张思弟虚实结合的多关节机器人开放式仿真系统研究J，系统仿真学报，2007年第19卷第21期 10满翠华，范迅，李成荣，张华5自由度机器人手臂研究J，制造业自动化，2006年第28卷第10期11冯威，陈工26自由度仿人机器人的设计与控制J机械工程与自动化2008年 第02期 12 刘含玮、王洪光、李树军、何立波. 一种自由度并联柔索驱动机器人的精度研究 J 200年9月 第30卷第五期13 潘芳伟、卢菊洪、贺利乐. 新型六自由度并联机器人精度分析 J 2008年8月第36卷第8期14 李琦、刘红军. 基于刚柔结合的四自由度并联机构构型设计 J 2008年 7期15 Anthony Kushigian.CNC dressers improve productivity,flexibility.tooling&production,1997(6):46-50.16 Jain A KFundamental of Digital Image ProcessingM England：Prentice Hall，1996六、备注指导教师意见：签字： 年 月 日7黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要本设计以四自由度机器人为研究对象，在对大量资料分析研究的基础上，提出了四自由度机器人的驱动和机构运动方案。进行了四自由度机器人总体和零部件的CAD设计。最后利用UG软件对四自由度机器人的零件和部件进行了三维实体建模，并组装成虚拟的三维装配实体。通过三维实体模型分析，该四自由度机器人完全满足设计要求，可以实现多自由度运动，强度足够，可以作为机器人设计和运动分析的参考。关键词：机器人；UG；四自由度；模型；设计ABSTRACTThis text with four freedom research object with artificial machine, at to a great deal of data analyze the foundation of research up, put forward four freedom robot to drive to exercise with organization project. This text takes four freedom robot as research object. In the foundation of analyzing a great deal of data, put forward the method of control, and designed whole and part hardware with CAD. Finally, has carried on the 3D modeling with UG software to four freedom robot, and hypothesized assembled whole. Through analyzes to 3D model, this kind of robot completely satisfies the request of design and intensity, can realizes the multi-degrees of freedom movement and can take the reference of robots design and movement analysis.Key word：Robot；UG；Four freedom degree；Model；DesignII黑龙江工程学院本科生毕业设计目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1机器人的研究背景11.1.1 制造业的发展使机器人“被迫”由科幻走入现实11.1.2信息技术的发展为机器人的进一步发展提供了“高速轨道”11.1.3高危领域对机器人技术飞跃提出客观要求11.2 机器人的定义11.2.1 世界机器人的定义11.2.2 我国机器人的定义21.3 机器人的分类31.3.1按照机器人从低级到高级的发展程度分类 31.3.2按照机器人所完成的主要功能分类 31.3.3 按照机器人的开发内容和目的分类41.3.4 按照应用领域对机器人进行分类41.4 机器人的发展概况41.4.1 机器人在国外的发展概况51.4.2 我国机器人的发展概况61.5 机器人的发展趋势81.6 设计的主要内容8第2章 机器人结构方案分102.1 机器人系统102.1.1 机器人系统的基本组成102.1.2 机器人结构简图102.2 机器人的执行机构112.2.1 腰部结构112.2.2 臂部结构122.2.3 手腕结构122.2.4 手部结构132.3机器人的驱动机构132.4 控制系统132.5 本章小结14第三章 四自由度机器人整体及部件设计153.1 四自由度机器人性能要求153.2 电机的选择153.2.1 负载功率的估算153.2.2 步进电机额定功率的计算163.3 同步带传动设计183.3.1 已知条件183.3.2 设计计算183.4 轴的确定及校核213.4.1 腰部轴的确定校核213.4.2 手腕轴的确定校核223.4.3 大臂联接件的确定校核233.5 轴承的选用及计算243.5.1 手腕处轴承243.5.2 大臂联接处轴承253.5.3 其它部位轴承的选择253.6 四自由度机器人长度尺寸263.6.1 腰部总成高度尺寸263.6.2 大小臂长度尺寸263.7 本章小结26第四章 四自由度机器人UG建模274.1四自由度机器人零件建模274.1.1四自由度机器人底座实体建模274.1.2四自由度机器人大臂零件实体建模304.1.3四自由度机器人腰部壳体实体建模354.1.4四自由度机器人小臂零件建模384.1.5死自由度机器人其他零件实体模型414.2 本章小结44第五章 四自由度机器人实体模型装配455.1 四自由度机器人腰部总成装配455.2 四自由度机器人其他总成525.3 爆炸图525.4 四自由度机器人UG建模总装配模型535.5 本章小结53结论54参考文献55致谢57附录58黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章 绪 论1.1 机器人研究背景1.1.1 制造业的发展使机器人“被迫”由科幻走入现实以自动化规模生产为标志，世界范围内的制造业革命于20世纪50年代拉开帷幕。当时生产自动化的概念几乎是“用机器人代替人”的同义语。机器人就是为适应当时制造规模化生产的需要而诞生的，其最早应用于汽车业，在解决单调、繁重、重复的体力劳动和提高产品质量上，发挥了巨大的作用。1.1.2 信息技术的发展为机器人的进一步发展提供了“高速轨道”机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，机器人技术的开发速度越来越快，智能度越来越高。1.1.3 高危领域对机器人技术飞跃提出客观要求由于军事、空间技术、核废料处理以及水下探险等，人类难以介入的高危领域发展的迫切需要，引起了各国政府对机器人研究的重视，同时也激发了各国科学家们的研究热情1。1.2 机器人的定义1.2.1 世界机器人的定义“机器人“是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人去进行各种工作。尽管直到三十多年前，“机器人”才作为专有名词加以引用，然而机器人的概念在人类的想象中却以存在三千多年了。早在我国西周时代（公元前1066公元前771年），就流传有关巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人的故事。我国东汉时期（25220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。作为第一批自动化动物之一的能够飞翔的木鸟是在公元前400年至350年间制成的。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈若斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。在公元前2世纪出现的书籍中，描写过一个具有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和列队表演。人类历史进入近代史之后，出现了第一次工业革命和科学革命。随着各种自动机器、动力机械的问世，制造机器人开始由梦想转入现实，许多机械式控制的机器人，主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品应用而生。进入20世纪后，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中，人们含有几分不安的期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。1920年，捷克剧作家卡雷尔查培克（Karel Capek）在他的幻想情节剧路萨姆的万能机器人中，第一次提出了“robot”这个词。在剧中，他把机器人描述成与人相似但能不知疲倦地工作的机器，最终机器人背叛它们的创造者而消灭了人类。各国对机器人的译法，几乎都从斯洛伐克语“robota”音译为“罗伯特”，只有中国译为“机器人”。1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说我是机器人中，提出了有名的“机器人三守则”：（1）机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人类将受害而袖手旁观；（2）机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类；（3）机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类令它做出牺牲。这三条守则，给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户，提供了十分有意义的指导方针。而现实世界里，机器人在国际学术界至今也没有做出统一的、公认的、文字严格的定义。不同的专家往往给以各有侧重的说法，不同的国家也往往沿用各自习惯的解释。机器人的定义处在不断的发展变化之中。美国机器人协会（RIA）认为，机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能机械手（Manipulator）日本机器人协会（JIRA）认为工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器（End Effector）能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织（ISO）给出的定义是，机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可变程序造作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行多种任务。1.2.2 我国机器人的定义关于我国机器人的定义。随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。蒋新松院士曾建议吧机器人定义为“一种几人功能的机械电子装置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我们参考各国的定义，结合我国情况，对机器人做出统一的定义：我们认为机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能，可以代替人完成特定任务的一种自动化机电装置2。由此可见对于“机器人”的定义是仁者见仁，智者见智，但被国际普遍接受的是由美国“机器人工业协会”（RIA）的一批科学家于1979年提出的定义：机器人是一种可改编程序的多功能操作机构、用以按照预先编制的能完成多种作业的动作程序运送材料、零件、工具或专用设备。1.3 机器人的分类随着计算机技术和智能技术的发展，极大的促进了机器人研究水平的提高。科学家们为了满足不同用途和不同环境下作业的需要，把机器人设计成不同的结构和外形，以便让他们在特殊条件下出色的完成任务。但对于庞大的机器人家族，目前尚未有统一的分类方法，常从以下几个方面进行分类：1.3.1 按照机器人从低级到高级的发展程度分类（1）第一代机器人（20世纪60年代） 主要指能以“示教再现”方式工作的机器人，其特征是机器人能够按照事先教给它们的程序进行重复工作。示教内容为机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。（2）第二代机器人（20世纪70年代） 具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人做出一定的推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智商。（3）第三代机器人（20世纪80年代中期以后） 智能机器人，这种机器人带有多种传感器，能够将传感器得到的信息进行融合，能够有效适应环境变化，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能3。1.3.2 按照机器人所完成的主要功能分类（1）操作机器人 这是目前工业应用最广泛的机器人，绝大多数工业机器人属于这一类。其特点是模仿人手和手臂的动作，完成搬运、焊接、喷漆、打磨、抛光、检测、装配等工艺操作。（2）移动机器 人在工业生产中轮式机器人、履带式机器人及步行机器人常用来完成运输及上、下料等任务。比如管道机器人、水下机器人、采掘机器人等等。这种机器人多半都装有操作手和摄像系统，以完成操作并对现场进行远距离监视4。（3）信息机器人 这是指以计算机系统为基础的智能行为模拟装置。广义地说，这类机器人包括专家系统、翻译机、作曲机、图像识别系统、指纹识别机译及信息决策系统等。(4)人机机器人 这类机器人和人之间存在双向闭环联系，包括联肢机械手，装在人腿上的助行机械足，生物电控或声控假肢等4。1.3.3 按照机器人的开发内容和目的分类按照机器人的开发内容和目的分为工业机器人、操纵型机器人、智能型机器人和特种机器人，习惯将后三种机器人统称为先进机器人。（1）工业机器人：机器人的本体主要是一只机械手臂，它直接操作的对象是末端执行器，它随操作对象的形状和材料不同而制成各种各样。（2）操纵型机器人：这类机器人是由一类由人操纵进行工作的机器人，由操纵人员在工作中不停地向机器人发送操纵指令，在智能和适应能力方面辅助机器人完成复杂的作业，机器人把操作对象和作业环境的状态直接地或间接地反馈给操纵人员，操纵人员据此控制机器人行为。（3）智能机器人：这类机器人是指本身能认识工作环境、工作对象及其状态，能根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立地决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。这种机器人也就是第三代机器人，它的控制方法是一种“认知适应”的方式。（4）特种机器人：这类机器人是专门为完成某一项或几项任务而制造的，大多数不具有通用性。这种机器人的开发和制造，可着眼于基础研究的立场和面向实用化立场4。1.3.4 按照应用领域对机器人进行分类按照应用领域可分为民用机器人和军用机器人。民用机器人又分为工业机器人、服务机器人、娱乐机器人、类人机器人和农业机器人。1990年10月，国际机器人工业人士在丹麦首都哥本哈根召开了一次工业机器人标准大会，并在这次大会上通过了一个文件，把工业机器人分为四类：（1）顺序型。这类机器人拥有规定的程序动作控制系统；（2）验轨迹作业型。这类机器人执行某种移动作业，如焊接、喷漆等；（3）远距离作业。比如在月球上自动工作的机器人；（4）智能型。这类机器人具有感知、适应以及思维和人机通讯机能5。1.4 机器人的发展概况在科技发展史上，科研技术和产业应用是相辅相成的。在发展机器人产业上，国际上存在着两条不同的技术路线：一条是日本所走的“需求牵引，技术驱动”的路线，他们把美国发明的机器人和本国工业发展的需要相结合，开发出一系列特定用途的机器人，如弧焊、点焊、喷漆、装配、建筑等机器人，从而形成了强大的机器人产业。而财力雄厚的产业又提供大量的研究经费供科研机构进行新的或后续的研究工作，由此推动了本国机器人技术的发展。另一条路线是把机器人作为研究人工智能的载体，即单纯从技术上模仿人的某些智能来研究智能机器人，如美国、英国等许多大学及研究所的做法6。1.4.1 机器人在国外的发展概况1、机器人的诞生之地美国美国是工业革命的诞生地，1959年美国人英格伯格和德沃尔制造出了世界第一台工业机器人。此后，精明的他们又创办了世界上第一家机器人制造工厂，并生产出一批名叫“尤里梅特”的工业机器人，也因此他们获得了“世界工业机器人之父”的殊荣。经过四十多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，但综观其发展史，并不平坦。二十世纪六、七十年代，因担心机器人会使失业率增加，而不予投资，也不组织研制，机器人的发展基本停滞。七十年代后期虽有所重视，但把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使美国在工业机器人方面丧失领袖地位。但美国的机器人技术在国际一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。其机器人性能可靠，功能全面，精确度高；机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广。视觉、触觉等人工智能技术已在行天、汽车工业中广泛应用，高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等迅速发展，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面7。2、机器人的冠军之地日本第二次世界大战后，日本经济高速发展，而劳动力紧张。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎“尤尼曼特”机器人。到八十年代中期，已一跃成为“机器人王国”，其产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事本完二的说法：“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进入普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够已价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场，这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增强了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追8。1.4.2 我国机器人的发展概况1、我国机器人的发展目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。随着经济全球化和我国加入WTO，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。我国机器人的研究与应用水平与日美相比存在较大差距，主要是没有形成机器人产业。我国政府非常重视机器人技术的发展，从1986年“七五”科技攻关及实施到1987年863计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，其中有130多台套喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用。形成了沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨工业大学的博实机器人公司、北京机械自动化研究所机器人开发中心等九个机器人产业化基地，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。我国整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。这主要有以下几个方面：首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。同时转变现有的机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。其次，在国家的科技发展规划中，应继续对工业机器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。第三，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的开发，使之与国民经济的发展密切相结合。经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业9。21世纪是人类走向海洋，向海洋要资源的世纪，我们的系列水下机器人将在海洋资源勘探、海洋石油开采、沉船打捞等诸多领域发挥其不可替代的作用。台湾问题、临海问题一直是非常敏感的问题，要想解决好这些问题，必须有先进的水上、水下装备，发展先进的水下机器人可以有效地提高我国的领海保卫能力，增强我国的国防实力。我国机器人的研究与开发起步晚，始于20世纪70年代初，到现在已经历了30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。2、我国机器人的发展特点（1）水下机器人技术走在世界前列。例如，自主研制成功1000米水下无缆机器人以后，又和俄罗斯合作成功研制了6000米水下无缆自治机器人且实现了工程化10。更值得一提是，95年和97年在夏威夷东南太平洋5800米水深处成功地进行了两次大洋探测试验，取得了海底锰结核分布资料，表明我国已成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一。（2）机器人化机器推动我国工程机械的更新换代。相继完成了无人驾驶的振动式压路机、具有自动化推平功能的推土机、可编程挖掘机、自动凿岩机，促进了我国工程机械产品升级换代。（3）特种机器人的发展蓬蓬勃勃。继防核化侦察车、遥控移动机器人及爬壁机器人以后，又开发出防暴机器人、自动引导车、各种罐体爬壁清扫机器人、玻璃擦扫机器人等。90年代初，研制成功多自由度微操作机器人，并在生物与医学工程取得成功应用。在微小空间探测的小机器人研究也有了突破。（4）工业机器人系列产品和应用工程成为机器人产业的龙头。研制出具有国际90年代水平的实用性转配机器人、弧焊机器人、电焊机器人及自动引导引车等一系列产品，并实现了小批量生产及其应用工程4。3、我国机器人研究成果1980年研制成功中国第一台工业机器人样机；1985年中国第一台水下机器人首航成功；1986年中国第一台水下机器人深海试验成功；1988年中国第一台水下机器人投入使用；1990年水下机器人首次出口美国；1992年国产AGV第一次应用于柔性生产线；1993年中国唯一的机器人技术国家工程研究中心成立；1994年中国第一台五自由度高压水切割机器人投入使用；1994年中国第一台1000米水下机器人海试成功；1995年中国第一台6000米水下机器人海试成功；1995年中国首台四自由度电焊机器人开发成功，第一条电焊机器人生产线投入使用；1995年自主开发的机器人技术AGV技术出口韩国；1997年具有自主版权的高性能机器人控制器小批量生产；1997年自主开发的国内第一条机器人冲压自动化线用于一汽大众生产线；1998年国内首台激光加工机器人开发成功；1998年国内首台浇注机器人用于生产；2000年中国首台类人型机器人研制成功11；2001年我国第一次用机器人完成脑外科手术；2003年我国第一台管道无损探测机器人研制成功；2004年我国首台自走式两栖机器人研制成功；2006年我国首台烹饪机器人在深圳诞生。1.5 机器人的发展趋势随着计算机技术的迅速发展及人工智能、传感技术和仿生材料技术水平的逐步提高，目前研究热点主要落在了智能化、拟人化两方面。（1）工业机器人性能追求高速度、高精度、高可靠性的三高境界；（2）机械结构趋向模块化、可重构化；（3）工业机器人控制系统利用PC机的开放型控制器；（4）机器人中的多传感器系统的广泛应用，便于进一步提高机器人的智能和适应性 24；（5）从仿真、预演发展到过程控制全程运用虚拟现实技术；（6）微型和微小机器人技术。纳米机器人是最具诱惑的项目；（7）遥控机器人系统致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室走入实用化阶段；（8）机器人化机械开始崛起。机器人化机械研究开发包括并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）的开发研究，以及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的研究开发1。1.6 设计的主要内容基于UG四自由度机器人的结构设计，是结合机械设计与计算机软件设计的综合性设计。现今社会，机器人以成为各国竞相发展的行业。机器人的设计主要是通过给定的条件运用机械设计原理，计算其负载功率，选定动力驱动方式，确定出四自由度机器人的结构形式，确定各个部件的尺寸及对相应的部件进行强度计算。在上述基础上，运用计算机CAD技术绘制零件二维图形，机器人总装图形。在运用计算机UG三维软件技术对四自由度机器人的所有零件进行三维的实体建模，并运用UG装配功能将四自由度机器进行三维的模拟组装，最终完成机器人的模型设计。第2章 机器人结构方案分析2.1 机器人系统2.1.1 机器人系统的基本组成一个机器人系统，一般由下列四个互相作用的部分组成：执行机构、控制器、环境、任务，如图2.1所示1位置、速度反馈控制算法工作任务模型控制器（计算机）执行机构关节式机械系统驱动装置驱动装置外感应信息交互作用计算机语言任 务外传感应器环 境图2.1 机器人系统的基本组成2.1.2 机器人结构简图机器人系统的基本组成图可简化为如图2.2所示2。 外传感信息环境执行机构控制器任务外传感信息图2.2 机器人结构简图机械手是具有传动执行装置的机械，它由臂、关节和末端执行装置（工具等）构成，组合为一个互相连接和互相依赖的运动机构。机械手用于执行指定的作业任务。不同的机械手具有不同的结构类型。其结构原理图如图2.3。图2.3 机械手结构简图2.2 机器人的执行机构机器人是由执行机构、驱动机构和控制部分所组成，各部关系如下框图2.4。工作控制系统控制系统执行机构位置检测装置图2.4 机器人组成关系图执行机构（机械部分）包括手部、腕部、手臂和行走机构等运动部件组成1。2.2.1 腰部结构腰部是直接支撑和传动手臂的部件，一般实行臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都要安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以设地面或架空轨道运动，本设计采用与底座相连的固定式。机身是直接连接、支撑和传动手臂及行走机构的部件，它是由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等组成。常用的机身结构有：（1）升降回转型； （2）俯仰型； （3）直移型； （4）类人机器人机身结构。本设计采用升降回转型。2.2.2 臂部结构手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。机器人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自传等运动有关的构件，如传动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等，此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的构件配线等。根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：（1）伸缩臂部结构； （2）转动伸缩型臂部结构； （3）屈伸缩型臂部结构； （4）其他专用的机械传动臂部结构。本设计采用屈伸缩型臂部结构3。手臂有独立的自由度，可采用：（1） 直角坐标（前后、上下、左右都如直线运动）；（2） 圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转运动）；（3） 球坐标（前后伸缩，上下摆动和左右旋转运动）；（4） 关节式（手背能任意伸屈）。直角坐标系占空间大，工作范围小，所以一般不用；圆柱坐标系占空间较小，工作范围较大，但惯性也较大，且不能抓取底面物体，不予使用；球坐标系和关节式占空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物件，关节式还可以绕障碍物选择途径，灵活性较高，广泛使用。本设计因手臂部只有两个自由度，避免了多关节结构复杂的缺陷，使关节的优势得以充分发挥，因此将手臂的结构做成关节式，并分为小臂、大臂，小臂用来联接手腕和大臂，大臂用来联接小臂和底座上的腰部旋转件，各拥有一个自由度。2.2.3 手腕结构手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。手腕部一般需要三个自由度；（1）臂转，绕小臂轴线方向的旋转；（2）手转，使手部绕自身的轴线方向旋转；（3）腕摆，使手部相对手臂进行摆动。本设计四自由度机器人腕部采用上下摆动的自由度形式，用步进电机直接驱动。由于本设计机器人主要用于搬用中小零件或教学用机器人，所以承受载荷不很大，结构要求不高，所以这个结构可以使用。为了便于手臂上的位置结构安排，直接驱动浪费空间，重量分布也不太均匀，所以决定采用同步带轮传递动力。2.2.4 手部结构手部是机器人直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部结构是多种多样的。它具有模仿人手动作的功能并安装与机器人手臂的前端，结构较为复杂，其自由度一般不少于六个，所以本设计不对抓取部分手腕 作详细设计。2.3机器人的驱动机构机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、电动式和机械式四种。夜动式输出力大（压力高，常用液压为2.56.3MPa），臂力可达100公斤以上，且可用电液伺服机构，体积较小，可获得较大的推力或转矩；工作平稳，可得到较高的位置精度；传动中力、速度和方向比较容易实现自动控制，效率高、寿命长。不足处，泄露难克服，易引起燃烧爆炸等危险；液压元件精度要求高，造价高。气动式具有空气粘度小，易达到高速（1m/s）；可利用空气压缩机减少了动力设备，气动元件工作压力低，造价也低，结构简单。采用点位控制或机械块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在30公斤一下。电动式可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。私服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交直流、私服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精确要求不高的场合。机械式结构复杂，灵敏度低，故不做详细介绍。综上，本次设计的“四自由度机器人”主要使用于一般的教学、培训或汽车中小零件的搬运等，故采用电动式，将其简单高效的特点得以充分发挥4。2.4 控制系统机器人控制器具有多种结构形式，包括：非伺服控制、伺服控制位置和速度反馈控制、力（力矩）控制、基于传感器的控制、非线性控制、滑模控制、最优控制、自定位控制、递阶控制记忆各种智能控制等。本设计要求只对结构进行设计建模，控制系统不做要求。2.5 本章小结本章对四自由度机器人的常用结构方案进行分析。对机器人的结构组成（腰部、臂部、腕部）进行了详细的阐述，并最终确定适合本设计的结构方案，驱动方式等。最后简单介绍了驱动机构与控制机构。第三章 四自由度机器人整体及部件设计3.1 四自由度机器人性能要求表3.1 四自由度机器人性能要求结构形式串联关节式负载能力2Kg重复定位精度0.1mm运动范围300120120360每轴最大运动速度腰转45/S大臂45/S小臂30/S腕摆60/S最大展开半径530mm高度957mm本体重量操作方式示教再现/编程供电电源单相220V、50Hz3.2 电机的选择在要求输出力矩和负载较小的情况下，电机的选用一般有:电动伺服电机和步进电机两种。根据表3.1及电机的选用条件13结合本设计的性能要求及结构特点，本设计决定选用步进电机来驱动。步进电机是一种吧电脉冲信号变换成直线位移的执行元件，本设计机器人是用来搬运中小零件的，所以选步进电机符合要求。在根据参考文献14，混合式步进电机是一种兼有反应式和永磁式两种步进电机有点的新型电动机。五相及三相混合式步进电动机因其分辨率小，精度高、低频无振荡、高频力矩大而广泛用于各类机床、切割机、轻工、包装、医疗器械、机器人及电脑绣花机等自动控制设备中。因此，选用混合式步进电动机，系列代号BYG。3.2.1 负载功率的估算电动机负载功率是根据具体生产机械的负载及效率计算的，它可以从机械手册中查出。（1）底座处电机负载功率已知，腰转 450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min负载功率 15 PL=GuV624.5c kw (3.1)式中：PL腰部负载功率，kw；G传动件重量，N（根据任务书及电机的初选确定）；u传动摩擦系数；V移动速度，m/s； c 传动机构效率。G=mg(其中已知m85kg；g=9.8N/kg)=859.8 N=833 Nu查参考资料11得u=0.2；c查参考资料15得c=0.9；V已知角度450/s，初步确定机器人的底座腰部直径为150mm，则 V=450360015010-3 m/s =0.059 m/s；所以将以上各值带入式 3.1得PL=GuV624.5c kw = 8330.20.059 624.50.9 kw =0.01749 kw=17.49 w3.2.2 步进电机额定功率的计算 预选电机的额定负载功率基本原则是:连续工作方式下，要求PePL,本设计是从发热温升负度考虑的，不必校核电动机的温升，只需校核过载能力15。根据参考资料16，步进电机的转速 ne=60fZRN r/min (3.2)式中：f脉冲频率，Hz或P/s，本设计电压220V，频率f=50Hz； N转子转过一个齿距的运行拍数，本设计选用BYG型步进电机，三相三拍时，N=m（相数）；三相六拍时N=2m；ZR 转子齿数，本设计选用BYG型步进电机，ZR=8；根据参考资料13步进电机的额定功率 Pe=Tee1000 kw (3.3) 式中：Pe电机额定功率；Te电动机转矩 Nm； e电动机角速度 rad/s，e= ne；1、底座电机选择根据参考资料17，初选机器人底座处的步进电机为 57BYG4501型。则根据提供的参数可知:Te=0.6Nm；N=2m=22=4；将N=4带入公式 3.2得 ne =6050/84 r/min =93.75 r/min将ne =93.75 r/min带入公式 3.3得 Pe=0.693.75/1000 kw =0.05625 kw=56.25 w因Pe=56.25 wPL=17.89 w，所以所选电机 57BYG4501型能够胜任本设计要求。2、手腕处电机选择手腕处负载，根据设计要求 PL=Fv10-3 kw15 (3.4)式中： PL手腕处负载功率； F额定提升的重量 N； v 额定提升速度 m/s； 手腕处传动效率；F根据设计要求得 F=29.8 N=19.6 N；v 根据设计要求v=600/s=6003600/160 rad/min=10 rad/min，或者v=600/s=6003600d m/s=60036003.1438.8110-3 m/s=0.02 m/s，（其中d=38.81mm 这将在后边具体算出）； 根据参考文献18得=0.98；将F、v、的值带入公式 3.4得 PL=（19.60.02）/0.98 kw=4.010-3 kw (若用公式3.1计算PL得 PL=1.2810-4 kw，这里我选用公式 3.4算得的值)。所以，手腕处负载较小，经计算选用35BYG4501型步进电机。其转速和功率如下计算: e= ne = 60fZRN = 6050824 r/min=46.88 r/min Pe= Tee1000 = 0.0546.88/10000.0546.881000 kw =2.34410-3 kw3、大臂与腰部旋转体处电机选择根据设计要求，此处所承受的最大负载大致为G=mg=（1285+2）9.8N=436.1N。运动速度为450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min，大臂伸展半径为303mm，所以大臂速度可变换为V =7.5r/min = 7.5230360 m/s=0.24m/s。根据公式3.1可得大臂处负载功率为PL=GuV624.5c kw=44624.50.9 kw=0.037kw=37w 根据参考资料17选择步进电机57BYG4501，根据公式3.3得Pe=Tee1000 kw=0.646.881000 = 0.05625 kw=56.25 w56.25 w37w，根据参考资料17大臂与旋转体处电机选择57BYG4501型步进电机。4、小臂与大臂联接处电机选择根据设计要求，此处所承受的最大载荷为G=mg=（1485+2）9.8=227.85N。运动速度为300/S=3003600/160 r/min =5 r/min，小臂伸展半径为411.5mm，所以小臂速度可变换为V =5r/min = 52411.560 m/s=0.22m/s。根据公式3.1可得小臂处负载功率为 PL=GuV624.5c kw=227.850.20.22624.50.9 kw=0.0178kw=17.8w根据参考资料17选择步进电机42BYG4503，根据公式3.3得Pe=Tee1000 kw=0.4846.881000 = 0.0225 kw=22.5 w22.5 w17.8w，根据参考资料17小臂与大臂联接处电机选择42BYG4503型步进电机。3.3 同步带传动设计3.3.1 已知条件：（1）传动功率 PL=4.010-4 kw；（2）大小带轮转速 n1=n2=600/s=10 r/min （n1 为手腕处主动轮，n2为从动轮）；（3）传动用途、载荷性质、原动机种类以及工作制度13。3.3.2 设计计算（1）设计功率 Pd Pd=KAP (3.5)式中：Pd设计功率；KA 工况系数，查参考资料13得 KA =1.5；P传动功率，P= PL=4.010-4 kw；将以上数据带入公式 3.5得 Pd=1.54.010-4 kw =6.010-4 kw（2）带型节距 Pb根据Pd和n1、n2查参考资料13初选取XL型同步带。根据设计要求可知，n1= n2=10 r/min。前所选手腕处步进电机35BYG4501转速e= ne =46.88 r/min，根据本设计整体结构和BYG型电机的选择，经计算比较分析n1= n2=10 r/min与e= ne =46.88 r/min相差不是太大，可以使用 35BYG4501型电机。为使传动平稳，提高带的柔性以及增加啮合齿数，节距Pb尽可能选取较小值。对模数制的m也尽可能选取较小值，特别是在高速时。故选取周节制XL型，Pb=5.080 mm，m=2。(3) 小带轮齿数 (3.6)Zmin由参考资料13查得 Zmin=10，带速V和安装尺寸允许时，Z1尽可能选用较大值，故初选 Z1=24。(4) 小带轮节圆直径 (3.7)将mm，代入公式（3.3）中，得 mm由Z1 =24及XL型号带查参考资料13得节圆直径 mm，外径mm。(5) 带速 (3.8)将mm，r/min代入公式（3.8）中，得 m/s根据模数型号与所选同步带型号，由参考资料13查得 m/s故符合要求。(6) 传动比 = n1n2 10根据本设计要求及结构，大小带轮转速相同，所以取 =110，符合要求。（7）大带轮齿数 Z2 Z2=i Z1=124（8）大带轮节圆直径 d2 d2 =PbZ2/ =id1=138.81=38.81 mm（9）初定中心距 a采用中心距可调式 (3.9)将mm，将其带入公式（3.9）中，得 mm 故取 a=70 mm。（10）初定带的节线长度及其齿数 (3.10)将mm，mm代入公式（3.10）中，得 mm根据参考资料13，查表得：mm，Zb =55。（11）实际中心距 a (3.11)将mm，mm，mm代入公式（3.11）中，得 mm将a取整 a=79 mm。（12）基准额定功率 P0 (3.12)式中：带宽为bs0的许用工作拉力，N； m带宽为bs0的单位长度的质量 kg/m；根据参考资料13查得 Ta=50.17，v=0.02 m/s，m=0.22 kg/m带入公式（3.12）得 kw（13）带宽 bs (3.13)式中：bs0选定型号的基准宽度 mm； kz小带轮啮合齿系数；根据参考资料13查得bs0 =9.5 mm；kz数=1.00；将kw，Pd=6.010-4 kw，mm，代入公式（3.13）中，得 mm则根据参考资料13取bs=9.5 mm。故选取同步带 GB/T 116161989 110XL037。（13）作用在轴线上的力 Fr N (3.14)将Pd=6.010-4 kw，m/s代入公式（3.10）中，得 N本设计四自由度机器人的机身材料查阅参考资料19取 Q235。3.4 轴的确定及校核 查阅参考资料13，本设计四自由度机器人腰部轴与手腕处轴均选用 45号刚。3.4.1 腰部轴的确定校核根据本设计要求及所确定的结构特点，腰部轴的尺寸及形状最终确定如图 3.1 图3.1 底座轴结构尺寸本设计腰部轴主要承受转矩，承受的弯矩很小，所以按扭转强度计算。 = TWT =9.55106P/0.2d3n MPa (3.15)式中： 轴的扭切应力 MPa；P传递的功率 kw，P=17.4910-3 kw；T转矩 Nm；WT抗扭截面系数 mm3；d轴的直径 mm，d=30 mm；n轴的转速 r/min，n=93.75 r/min；许用扭切应力 MPa，45号刚 =3040 MPa；将数以上据带入式（3.15）得 =9.5510617.4910-3/0.230393.75 =0.329 MPae=0.26根据参考资料20得 X=0.56；Y=1.71；将以上数据带入公式（3.17）得 P=（0.56100+1.71100）N =227 N（3）轴承的基本额定寿命 LhLh = 10660n （ftCfpP） h (3.18)式中：Lh轴的基本额定寿命 小时；基本额定动载荷 N，C=Cr=4.58103 103N；当量动载荷 N，P=P=227 N；轴承转速r/min；ft温度系数，ft =118；fp载荷系数，fp =1.518； 寿命指数18，球轴承 =3；将以上数据带入公式（3.18）得 h符合要求。3.5.2 大臂联接处轴承大臂联接处根据工作条件选择深沟球轴承，根据参考资料13及图3.3结构选择轴承6207，查参考资料20得该轴承的基本额定动载荷 Cr=25.5 kN，径向额定静载荷 C0r=15.2kN。（1）轴承当量动载荷 PFr径向载荷 N，Fr = mg=（1285+2）9.8N=436.1N， Fa轴向载荷 N，此处轴向载荷较小，故Fa根据参考资料20可为Fa=400 N； X=0.56；Y=1.71因此， FaC0r = 100 N15200 N =0.026根据 FaC0r = 0.026查阅参考资料20得e 值为0.22；又 FaFr = 400 N436.1 N =0.91e=0.22所以根据参考资料20得 X=0.56；Y=1.99；将上边各值带入公式3.17得P=（0.56436.1+1.99400）N =1040.216 N（2）轴承的基本额定寿命 Lh根据公式3.18Lh = 10660n （ftCfpP） h得 Lh=106607.5（125.51031.51040.216）3=9.7106h符合要求。3.5.3 其它部位轴承的选择同手腕处轴承的选用方法，腰部轴处根据工作条件及图3.1结构尺寸选用30206型滚动轴承。大臂两端处轴承选用6207型滚动轴承20。注：本设计其它零件的结构尺寸具体见CAD图纸和UG三维模型，这里不在赘述。3.6 四自由度机器人长度尺寸3.6.1 腰部总成高度尺寸根据前边的选择，腰部电机57BYG4501，直径为66.6mm，根据参考资料5，箱座壁厚8mm，所以取机器人腰部壁厚为15mm，所以机器人腰部总直径d=66.6+215=96.6mm，取整d=97mm。底座直径比腰部直径要大些，以便安装螺栓固定腰部与底座，故取底座直径d= 150mm。底座轴承端盖厚度根据参考资料5得， e=1.2d3 (3.19)式中:e腰部轴承端盖厚度 mm； d3轴承盖联接螺栓直径，查5得d3= 6mm；所以e=1.26=7.2mm。底座高取15+15=30mm，根据参考资料17电机总高为L+L1=45+21=66mm；腰部轴总长为102mm；腰部旋转体连接件厚度取为15mm；旋转体螺栓连接面参照参考资料5，厚度bmin=1.5=1.58=12mm，故取为12mm；旋转体圆形顶部的直径和腰部的直径相同取为97mm；取旋转体圆形顶部中心到螺栓连接面得距离为80mm；所以本设计机器人的腰部高为 h=30+66+102+15+12+80-(2+13+5)=285mm上式中减去部分为装配间隙值。3.6.2 大小臂长度尺寸根据腰部直径的确定，大臂的宽度和腰部直径相等，所以大臂宽度取为97mm；大臂厚度为15mm，大臂两端圆中心距离取为300mm；小臂手部尺寸，根据前计算的同步带中心距经计算确定手部长度为170mm，宽度为97mm，壁厚取为15mm。 具体尺寸图形见CAD图及UG模型。标准零件尺寸不做详细介绍。3.7 本章小结本章根据死自由度机器人的性能指标要求，确定腰部、大臂两端出电机为57BYG4501型，腕部为35BYG4501型步进电机。对腕部传动装置同步带、同步轮及手腕轴进行了计算，并以此为依据初步确定了机器人总体的结构尺寸，为之后的UG仿真建模垫定的基础。第四章 四自由度机器人UG建模4.1四自由度机器人零件建模4.1.1四自由度机器人底座实体建模（1）启动UG，新建一个名为dizuo的部件文件，单位选择mm（毫米）。（2）选择【新建】/【模型】命令，进入建模模块。（3）选择图层1为工作图层，选择【插入】/【草图】命令，或单击成型特征工具栏上的图标按钮，系统弹出智能动态创建草图工具窗口如图4-1，单击确定进入草图创建模式，在草图窗口创建如图4.2所示草图。 图4.1草图工具窗口 图4.2底座草图1（4）建立约束，将所绘制的圆和X、Y轴相交，单击退出草图编辑状态。（5）选择图层10为工作图层，选择【插入】/【设计特征】/【拉伸】命令，或单击工具条上的拉伸按钮，系统弹出拉伸动态智能对话条，选取图4.2中绘制的草图，设置参数如图4.3，单击确定按钮，得到如图4.4所示实体模型。（6）同（3）绘制如图4.5所示的草图，建立相应的约束，单击退出草绘编辑。（7）同（5）点击拉伸按钮选择图4.5中绘制草图，输入【拉伸值】15mm，得拉伸实体模型如图4.6。 图4.3拉伸动态对话框 图4.4拉伸后的实体模型 图4.5底座草图2 图4.6底座爪拉伸模型（8）同（3）选择上底面我草会面绘制如图4.7所示的草图，建立相应的约束，单击退出草绘编辑。（9）选择图层10为工作图层，单击拉伸按钮选择图4.7中绘制草图，输入【拉伸值】5，在布尔项里选择【求差】，选择体选择第（5）步所得的实体，如图4.8，得拉伸实体模型如图4.9。 图4.7底座草图3 图4.8拉伸参数设定 图4.9底座槽拉伸实体模型（10）以X-Y为草绘平面绘制如图4.10所示的草图，将26.8和10的圆约束为同心圆，及其他相关的约束，单击按钮退出草图编辑。 图4.10底座草图4 图4.11透气孔拉伸实体模型（11）单击拉伸按钮，选中图4.10中绘制的草图，输入【拉伸值】15，布尔选项中选择【求差】，选择体选择（5）中所得实体，得拉伸后的实体如如4.11。（12）以X-Y面为草绘平面绘制如图4.12所示草图，建立相应的约束，单击按钮退出草图编辑。 图4.12底座草图5 图4.13底座最终实体模型 （13）单击拉伸按钮，选择图4.12绘制的草图，输入【拉伸值】15，布尔项选择【求差】，选择体选择(5)中所得实体，得底座实体模型并对相应的边倒圆角半径为1的圆角。最后将草绘图层1设定为不可见，图层10可见得如图4.13所示。保存文件dizuo。4.1.2四自由度机器人大臂零件实体建模（1）新建名为dabi的模型，单位选择mm（毫米）。（2）图层1作为工作层，单击以系统默认平面为绘制面绘制如图4.14所示的草图，并建立相应的约束，完成草图绘制，点击退出草图编辑器。 图4.14大臂草图1 图4.15大臂草图1拉伸实体模型（3）将图层10做为工作层，单击按钮，在拉伸对话框中输入【拉伸距离】15如图4.15，选择曲线为4.14所绘制的草图，单击确定得实体模型如图4.15所示。 图4.16大臂拉伸参数对话框图4.17大臂草图2（4）图层1作为工作层，绘制如图4.17所示的草图，建立相应的约束，退出草图编辑器。（5）图层10作为工作层，单击拉伸，输入【拉伸值】为2，选择直径为38.1的圆，布尔选项选择【求差】，选择体选择图4.16中实体，点击确定得大臂联接凹槽实体模型如图4.18。（6）同（5），绘制如图4.19所示草图，建立相应约束，单击按钮退出草图编辑。 图4.18 大臂联接凹槽 图4.19大臂草图3 （7）图层10作为工作层，单击拉伸按钮，选择图4.19草图中直径为8的圆，输入【拉伸距离】为5mm，布尔项选择【求差】，确定，选择体选择4.16中实体，点击确定按钮生成实体孔，同样方式选择直径为4的圆，输入拉伸距离为15，确定生成螺钉孔如图4.20所示实体。 图4.20大臂联接螺钉孔实体模型 图4.21实例对话框（8）在特征工具栏单击实例特征按钮，或 【插入】/【关联复制】/【实例特征】，弹出实例对话框如图4.21所示，选择圆形阵列，再选择图4.20所示实体特征，如图4.22所示，点击确定，在新弹出对话框中数量输入6，【角度】输入360如图4.23，确定弹出对话框，得阵列实体如图4.24所示，选择【点和方向】确定。在弹出的矢量对话框中，类型选择【两点】，出发点和终止点如图4.25所示，点击确定，弹出点对话框如图4.26，左边选择相对坐标，点击确定按钮，弹出对话框图4.27，选择【是】，得大臂紧固螺钉孔实体模型如图4.28所示。 图4.22选择阵列实体 图4.23参数的输入 图4.24阵列方式选择 图4.25矢量对话框及参数选择 图4.26点对话框 图4.27确认选择对话框 图4.28大臂紧固螺钉孔 图4.29大臂草图4（9）图层2作为工作层，以图4-28所示图形的背面为草绘平面，绘制如图4.29所示的草图，建立相应的约束，单击按钮退出草图编辑。 （10）图层12作为工作图层，单击拉伸按钮，选择图4.29中的直径为97的圆，输入【拉伸高度】5.5，确定退出；再以同样的方式拉伸挡臂，拉伸距离为10；直径为35的圆，【拉伸距离】为3.5，【布尔】选择【求差】，【目标】选择图4.28中的实体零件，确定，最后生成如图4.30的实体图形。 图4.30 拉伸实体结果 图4.31大臂草图5 （11）图层3作为工作层，在图4.30所示的圆柱顶面绘制如图4.31所示草图，并建立相应约束，单击按钮退出。（12）图层13作为工作层，单击【求和】按钮，弹出如图4.32所示求和对话框，【目标】选图4.30所得圆柱体，【刀具】选图4.16中实体，将两者合并为一个整体。（13）单击拉伸按钮，选择图4.31中直径为30的圆，【拉伸距离】输入50.5，【布尔】选择【求差】，【选择体】选择图4.32所得整体，确定得图4-33图形。（14）单击拉伸按钮，选择图4.31中直径为72的圆，【拉伸距离】输入38.5，【布尔】选择【求差】，【目标】选择图4.32所得整体，确定得图4.34图形。 图4-32求和 图4-33求和后实体 图4.34 求差结果 图4.35边倒圆对话框（15）单击特征工具栏中的边倒圆按钮，弹出边倒圆对话框如图4.35所示，输入半径3，选择相应的变，确定得实体如图4-36所示。 图4.36选择倒圆边 图4.37显示设计 （16）将图层1、2、3设定为不可见，其他为可见；单击【编辑】/【对象显示】，弹出【类选择】对话框，【对象】选择全部特征如图4.37所示，点击确定按钮，弹出如图4.38所示对话框，【颜色】选择淡蓝色，确定，最后的大臂零件实体模型如图4.39所示。最后保存dabi文件。 图4.38颜色对话框 图4.39大臂最终零件模型4.1.3四自由度机器人腰部壳体实体建模（1）新建【名称】为yaobuketi的模型，单位选择mm（毫米）。图层1为工作层，单击按钮，以系统默认平面为草绘平面绘制如图4-51所示的草图，建立相应的约束，单击按钮退出草图编辑。（2）图层11作为工作层，单击按钮，选择图4.40中直径为150的圆，【限制】/【距离】输入值10，确定得实体模型如图4.41所示。 图4.40腰部壳体草图1 图4.41拉伸后实体 （3）单击拉伸按钮，选择图4.40中直径为97和直径为82的圆，输入【距离】值为5，选择反向，确定，生成如图4.41所示的实体模型。 图4.42拉伸后实体 图4.43拉伸后实体 （4）单击拉伸按钮，选择图4.40中直径为97的圆，输入【距离】值为145，【布尔】选择【求和】，【选择体】选择图4.41中所得实体，确定，生成如图4.42所示的实体模型。 （5）单击拉伸，选择图4.40中直径为82的圆，输入【距离】值为45，【布尔】选择【求差】，【选择体】选择图4.43中实体，确定生成如图4.44所示的实体模型。 图4.44 孔特征 图4.45腰部壳体草图2 （6）图层2作为工作层，单击草绘按钮，选择图4.43内部圆面为草绘平面，绘制如图4.45所示草图，建立相应约束，单击按钮退出草图编辑。 （7）图层12作为工作层，单击拉伸，分别以图4.45中的两圆为曲线拉伸【距离】值分别为2mm、12mm，确定得如图4.46所示实体。 图4.46生成孔特征 图4.47孔特征对话框（8）在特征工具栏中单击孔特征按钮，弹出对话框如图4.47所示，输入【直径】值为3，【深度】值为24，【顶锥角】值为120。放置面如图4.48所示。 图4.48放置面 图4.49位对话框点击确定按钮，弹出新对话框如图4.49所示，单击【点到点】按钮，选择如图4.50所示交点，生成实体孔特征。 图4.50生成孔特征 图4.51螺纹对话框 （9）单击特征工具栏里的【螺纹】按钮，弹出对话框，选择图4.50中的圆柱面，输入相应值如图4.51所示。点击确定生成如图4.52所示螺纹孔特征。 图4.52螺纹特征 图4.53 特征对话框 （10）单击特征工具栏中的阵列按钮，弹出对话框如图4.53所示，选择【原型矩阵】，弹出新对话框，选择图4.50和图4.52中的特征，确定得图4.54对话框，【数量】为4，【角度】为90，确定，弹出对话框4.55，选择【基准轴】。确定，生成如图4.56所示螺纹孔特征。 图4.54 实例对话框 图4.55 实例对话框 图4.56阵列螺纹孔特征 图4.57腰部壳体草图3（11）图层3做为工作层，单击草图按钮，以所建实体顶面为草绘平面，绘制如图4.57所示草图，建立相应约束，单击按钮退出草图编辑。 （12）单击拉伸按钮，选择图4.57中直径为150和97的圆，【限制】/【距离】值为135，【布尔】选择【求差】，【选择体】图4.43中实体，确定的实体模型如图4.58。 图4.58 拉伸后实体 图4.59腰部壳体最终模型（13）同样做法，最后得腰部壳体实体模型，将图层1、2、3、4、5设定为不可见，最终模型如图4.59所示。 4.1.4四自由度机器人小臂零件建模（1）新建名为xiaobi的模型文件，单位选择mm（毫米），进入建模模块。（2）图层1作为工作层，单击以系统默认平面为绘制面绘制如图4.60所示的草图，并建立相应的约束，点击按钮退出草图编辑器。 图4.60小臂草图1 图4.61小臂草图拉伸实体1（3）图层11作为工作层，单击按钮，选择图4.60中直径为97的圆及距离为30的两直线所构成的闭合曲线，【限制】/选择【对称值】输入值7.5，确定得实体模型如图4.61所示。（4）同样拉伸方法，拉伸【对称值】值为48.5，小臂草图1拉伸后的实体模型如图4.62所示。 图4.62 小臂草图拉伸实体2 图4.63小臂草图2（5）图层2作为工作层，草绘如图4.63所示草图，建立相应的约束，点击按钮退出草图编辑器。图层12为工作层，拉伸，【求差】值为4，后得实体模型。 （6）图层3作为工作层，绘制如图4.64所示的草图，建立相应的约束，点击按钮退出草图编辑器。 图4.64小臂草图3 图4.65小臂紧固螺钉孔实体模型 （7）图层13作为工作层，拉伸小臂草图3，拉伸，【求差】后并阵列得实体模型，如图4.65所示。 （8）图层4作为工作层，绘制如图4.66所示的草图，建立相应的约束，点击按钮退出草图编辑器。图层14作为工作层拉伸后得实体如图5.67。 图4.66小臂草图4 图4.67小臂草图4拉伸结果 （9）图层5作为工作层，绘制如图4.68所示草退，建立相应约束，点击按钮退出草图编辑器。 图4.68小臂草图5 图4.69小臂轴孔及螺纹孔实体特征 （10）图层15作为工作层，分别对图4.68中直径为26和6的圆做拉伸，【距离】值分别为97、15，【布尔】为【求差】；再对直径为4的四个圆进行M5的螺纹孔德建模，确定后的实体模型如图4.69所示。 （11）图层6作为工作层，以图4.69所示的小臂头部内侧面为草绘面绘制如图4.70所示的草图，建立相应的约束，点击按钮退出草图编辑器。 图4.70小臂草图6 图4.71草图6拉伸实体（12）图层16作为工作层，对图4.70直径为50和22的圆进行拉伸操作，拉伸【距离】分别为7、9，【布尔】选择【求差】，【选择体】选择图4.69中实体。确定得实体如图4.71所示。（13）单击特征工具栏中的求和按钮，选择小笔头部和尾部，将两部分合为一体。 （14）单击特征工具栏中的边倒圆按钮，弹出对话框输入【半径】值15，如图4.72，选择如图4.73所示的边，确定得倒圆实体模型。 图4.72 边倒圆对话框 图4.73倒圆边选择 （15）将图层1、2、3、4、5、6都设定为不可见。选择【编辑】/【显示对象】弹出【类选择】对话框如图4.74，选择【全选】，确定弹出新对话框如图4.75所示，选择颜色，以便装配式区别于其他零件。确定的小臂最终实体模型如图4.76。 图4.74 类选择对话框 图4.75实体模型颜色选择图4.76小臂最终实体模型 4.1.5死自由度机器人其他零件实体模型做法与第四章.5节相同，这里就不在做详细的说明，本节将本设计“死自由度机器人”的其他零件的最终实体模型作以介绍。 图4.77步进电机57BYG4501 图4.78步进电机35BYG4501 图4.79腰部轴 图4.80手腕轴 图4.81大臂联接件 图4.82腰部旋转体连接件 图4.83手腕 图4.84手部防尘罩 图4.85腰部旋转体 图4.86主动同步轮 图4.87从动同步轮 图4.88手腕轴轴承端盖1 图4.89手腕轴轴承端盖2 图4.90手腕轴M10螺母 图4.91 M10螺母垫片 图4.92同步带 图4.93腰部轴轴承端盖 图4.94大臂联接轴承端盖 图4.95全螺纹六角螺栓 图4.96六角螺母 4.97十字槽盘头螺钉 图4.98十字槽沉头螺钉 图4.99深沟球轴承 图4.100圆锥滚子轴承4.2 本章小结本章根据前几章的计算分析及对“四自由度机器人”各零件结构尺寸的确定，对本设计四自由度机器人所有的零件，运用UG软件进行了具体的实体建模。为后边的装配工作做好了准备。第五章 四自由度机器人实体模型装配5.1 四自由度机器人腰部总成装配1、装配电机 本章组装所用实体模型均为第四章所建“四自由度机器人”零件实体模型。（1）启动UG，单击新建按钮或【文件】/【新建】，新建文件yaobuzuzhuang.prt，单位选择“毫米”，如图5.1所示。 图5.1新建零件对话框 （2）单击【确定】进入装配模块。单击按钮、或【装配】/【组件】/【添加组件】，弹出对话框如图5.2所示，在打开栏中选择之前所建的57BYG4501, 图5.2添加组件对话框 图5.3选择零件【定位】项选择【绝对原点】单击应用，结，果如图5.3所示。 2、装配电机轴普通A键（1）在【打开】选项中选择2x2x15Ajian，【定位】选择【配对】，单击应用，弹出“配对条件对话框”如图5.4所示。（2）选择配对按钮，单击键的上表面，并单击点击键槽的下表面，如图5.5所示。（3）同理，单击，选择如图5.6、5.7和5.8所示的三组配对面。最后单击确定按钮，生成如图5.9所示的组装图形。 图5.4配对条件对话框 图5.5 A键配对面1 图5.6 A键配对面2 图5.7 A键配对面3 图5.8 A键配对面4 图5.9A键组装结果 图5.10yaobuzhou零件的选择3、装配腰部轴 （1）单击按钮，在对话框【打开】项选择之前所建的yaobuzhou零件，如图5.10所示，单击应用进入配对条件对话框。 （2）单击按钮，配对图5.115.14所示的四组表面，单击确定按钮得图5.15所示的组装结果。 图5.11 对齐面1 图5.12 对齐面2 图5.13 对齐面3 图5.14对齐面4 图5.15电机与腰部轴组装结果 图5.16 选择零件3、组装腰部壳体 （1）单击按钮，选择yaobuketi零件，如图5.16所示，单击应用，弹出“配对条件”对话框。单击按钮，配对如图5.17所示的表面。单击对齐按钮，对齐如图5.18所示的孔面。 图5.17面配对 图5.18孔对齐面 （2）单击对齐按钮，对齐如图5.19所示的四个螺纹孔。单击确定按钮，组装结果如图5.20所示。 图5.19螺纹孔对齐 图5.20腰部壳体组装结果 4、装配腰部点击紧固螺钉（1）单击按钮，选择4xM4x26零件，单击应用，弹出“配对条件”对话框。（2）单击按钮，配对如图5.21所示的表面。 图5.21螺钉表面配对 图5.22螺钉表面对齐 （3）单击对齐按钮，对齐如图5-22所示的螺纹孔。单击确定按钮，组装结果如图5.23所示。 图5.23螺钉组装 图5.24螺钉组装结果 （4）方法同3-(1)(3)步，将其他三个螺钉也组装到电机上，结果如图5.24所示。 5、组装底座（1）单击按钮，选择dizuo零件，单击应用，弹出“配对条件”对话框。（2）单击按钮，配对如图5.25所示的表面。（3）单击对齐按钮，对齐如图5.26、5.27所示。结果如图5.28所示。 图5.25底座表面配对 图5.26 对齐面选择 图5.27孔对齐 图5.28底座组装结果 6、组装腰部轴轴承 （1）单击隐藏按钮，弹出类选择对话框，将腰部壳体零件选中，如图5.29所示，点击确定，结果如图5.30所示。 图5.29选择要隐藏的零件 图5.30隐藏结果（2）单击按钮，选择2x30206zhoucheng零件，单击应用，弹出“配对条件”对话框。 （3）单击按钮，配对如图5.31所示的表面。 图5.31配对表面 图5.32对齐表面 （4）单击对齐按钮，对齐如图5.32所示。确定结果如图5.33所示 图5.33组装结果 图5.34腰部轴承组装最终结果同样方法，组装第二个轴承，最终结果如图5-34所示。 （5）点击显示按钮将6-（1）中隐藏的壳体零件显示出来，结果如图5.35。 图5.35显示结果 图5.36腰部轴轴承端盖组装结果 7、组装腰部轴轴承端盖 （1）单击按钮，选择yaobuzhouzhouchengduangai零件，单击应用，弹出“配对条件”对话框。 （2）单击按钮，配对相应的表面；单击对齐按钮，对齐相应表面，最终结果如图5.36所示。 8、底座六角螺栓组装 （1）方法同第4步，最终结果如图5.37所示。 图5.37底座六角螺栓组装 图5.38创建组件阵列对话框 （2）单击按钮，弹出对话框如图5.38所示。【选择对象】选择如图5.39所示的螺栓、垫片和螺母，确定弹出图5.40所示对话框，选择【从实例特征】，单击确定得结果如图5.41所示。腰部总成最终结果如图5.42所示。 图5.39选择体 图5.40阵列对话框 图5.41螺栓螺母阵列结果 图5.42腰部总成5.2 四自由度机器人其他总成 图5.43腰部旋转体总成 图5.44大臂总成 图5.45小臂总成5.3 爆炸图 图5.46腰部总成爆炸图5.4 四自由度机器人UG建模总装配模型 图5.47四自由度机器人UG建模总装配模型5.5 本章小结机器人是多自由度、多关系的空间结构，其运动学问题十分复杂，因此本章将四自由度机器人作为建模对象，运用计算机图形技术、CAD技术和机器人理论在计算机中生成几何图形、模拟装配。机器人建模在机器人设计与研制、开发与应用中发挥着越来越重要的作用。结 论随着科技的不断发展，在各个领域机器人的运用以占有很大的比例，尤其在现代的工厂中，机器人的使用更是广泛。机器人在代替人们繁重的劳动的同时更是加快了现代化的发展速度，因此，机器人的研究对我们社会的发展有这重要的意义。本设计以四自由度机器人为研究对象，在对大量资料分析研究的基础上设计了四自由度机器人。具体做了以下工作：1、查阅了大量国内外机器人技术的相关文献，通过分析确立了四自由度机器人结构设计方案，并分析了该方案的优缺点；2、根据机械设计理论设计了四自由度机器人的驱动装置、轴承和同步带等典型的零部件；3、设计了四自由度机器人总体和零部件结构图；4、利用UG软件对四自由度机器人的零件和部件进行了三维实体建模，并组装成虚拟的三维装配实体。通过三维实体模型分析，该四自由度机器人完全满足设计要求，可以实现多自由度运动，强度足够，可以作为机器人设计和运动分析的参考。参考文献1 孙树栋. 工业机器人技术基础M. 北京: 西北工业出版社, 2006.122 蔡自兴. 机器人学M. 北京:清华大学出版社，2003.123 孟庆春、齐勇、张淑军. 智能机器人及其发展J. 中国海洋大学报，2004.34 谢存禧、张铁文主编. 机器人技术机器应用M. 北京:机械工业出版社，2005.75 殷玉枫. 机械设计课程设计M. 北京:机械工业出版社，2006.6 6 李育文、王红卫、节芳. 机器人发展概况及展望J. 河南科技，2002.17 王田苗. 工业机器人的发展思考J. 机器人技术与应用，2004.58 陈爱珍. 日本工业机器人的发展历史及现状J. 机械工程师 2008年第7期9 姚志良. 我国工业机器人发展的几点思考J. 机器人技术与应用28，200810 顾震宇. 全球工业机器人产业现状与趋势J. 机电一体化，2006.711 蒋平. 工程力学基础M. 北京:高等教育出版社，2003.212 陈博. 机器人技术的发展趋势与最新发展J. 西安教育学院报，2004.813 成大先. 机械设计手册 第四版M. 北京:化学工业出版社，2002.114 机械设计手册编委会. 机械设计手册 新版5M.北京: 机械工业出版社，2004.815 牛维扬. 电机应用及技术基础M. 北京:高等教育出版社，2003.416 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会编. 电机工程手册 第4卷电机M. 北京:机械工业出版社，198217 南京华兴电机制造有限公司、南京西曼得自动化设备有限公司. 混合式步进电机系列（BYG系列）提供网络参数.18 杨可桢、程光蕴、李仲生. 机械设计基础 第五版M. 北京:高等教育出版社，2006.519 王三民. 机械原理与设计课程设计M. 北京:机械工业出版社，200420 成大先. 机械设计手册 单行本 滚动轴承M. 北京:机械工业出版社，2007.321 赵松年、张奇鹏. 机电一体化机械系统设计M. 北京:机械工业出版社，199622 赵承荻. 电机及应用M. 北京:高等教育出版社，2003.1123 机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册下M. 北京:机械工业出版社24 成大先. 机械设计图册M. 北京:化学工业出版社，2000.325 谢涛、徐建峰、张永学、强文义. 仿真机器人的研究历史、现状及展望J. 机器人第24卷第4期，2002年7月26 朱力. 目前各国机器人发展情况J. 中国青年科技,2003.327 张云杰. UG NX4.0中文版基础教程M. 北京:清华大学出版社，2007.628 左昉、夏德伟、孟清华. Unigraphics NX4.0 中文版机械设计专家指导教程M. 北京:机械工业出版社，2006.329 殷国富、成尔京. UG NX2 产品设计实例精解M. 北京:机械工业出版社，2005.130 Anthony Kushigian.CNC dressers improve productivity lexibility. ooling&production, 97(6): 6-50.31 Jain A KFundamental of Digital Image ProcessingM England：Prentice Hall，1996.致 谢在设计工作即将完成之际，特别感谢我的指导老师王慧文教授。在整个毕业设计期间，在王老师的细心指导下，我对毕业设计的认识从一团糟到有了初步的认识到明确了任务目标，再到基本工作的组织和完成以及对工作任务的检查和整理。导师以渊博的专业知识、严谨的治学态度、求实的工作作风、积极进取的创业精神以及对学术问题巨细入微的风范给我留下了深刻的印象，并将成为我终生受益的精神财富。感谢我的学校。大学四年，我学到了很多新的知识，同时我也改变了很多进步了很多。感谢所有授过我课的老师，无论是基础课老师还是专业课老师。对基础课的学习为我在以后的学习打下了良好的基础。感谢各位答辩老师，由于我所学知识的有限，毕业设计中必然存在许多错误和不合理处，感谢各位老师给与的细心教导和指正。另外，我要感谢各位同学给予我的热情关心和帮助，特别是感谢同组和寝室的同学给予的鼓励和帮助。我还要感谢我的父母对于我在生活和学习上的无微不至的关怀，是他们对我的爱给了我无尽的动力去克服种种困难和艰辛。附 录Modern Industrial RobotsModern industrial robots are true marvels of engineering. A robot the size of a person can easily carry a load over one hundred pounds and move it very quickly with a repeatability of +/-0.006 inches. Furthermore these robots can do that 24 hours a day for years on end with no failures whatsoever. Though they are reprogrammable, in many applications (particularly those in the auto industry) they are programmed once and then repeat that exact same task for years. A six-axis robot like the yellow one below costs about $60,000. What I find interesting is that deploying the robot costs another $200,000. Thus, the cost of the robot itself is just a fraction of the cost of the total system. The tools the robot uses combined with the cost of programming the robot form the major percentage of the cost. Thats why robots in the auto industry are rarely reprogrammed. If they are going to go to the expense of deploying a robot for another task, then they may as well use a new robot. This is pretty much the typical machine people think of when they think of industrial robots. Fanuc makes this particular robot. Fanuc is the largest maker of these type of robots in the world and they are almost always yellow. This robot has six independent joints, also called six degrees of freedom. The reason for this is that arbitrarily placing a solid body in space requires six parameters; three to specify the location (x, y, z for example) and three to specify the orientation (roll, yaw, pitch for example).If you look closely you will see two cylindrical pistons on the side of the robot. These cylinders contain anti-gravity springs that are a big part of the reason robots like these can carry such heavy loads. These springs counter-balance against gravity similar to the way the springs on the garage door make it much easier for a person to lift.You will see robots like these welding, painting and handling materials. The robot shown at right is made by an American company, Adept Technology. Adept is Americas largest robot company and the worlds leading producer of SCARA robots. This is actually the most common industrial robot. SCARA stands for Selective Compliance Articulated (though some folks use Assembly here) Robot Arm. The robot has three joints in the horizontal plane that give it x-y positioning and orientation parallel to the plane. There is one linear joint that supplies the z positioning. This is the typical pick and place robot. When combined with a vision system it can move product from conveyor belt to package at a very high rate of speed (think Lucy and the candies but way faster).The robots joint structure allows it to be compliant (or soft) to forces in the horizontal plane. This is important for peg in hole type applications where the robot will actually flex to make up for inaccuracies and allow very tight part fits. The machine at left can be called a Cartesian robot, though calling this machine a robot is really
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