毕业设计_论文_-教学型机器人执行器结构设计

1、题 目:教学型机器人的执行器结构设计学院 机电工程与自动化学院专业(层次)机械工程及自动化（本）年级班级学生姓名学号指导教师目录目 录 .I教学型机器人的执行器结构设计 .II摘要 .II绪论 .IV第一章 机器人应用概述 .11.1机器人的应用诞生.11.2国内外应用状况.21.3机器人的应用背景和意义 .2第二章 机器人设计方案 .32.1机械手运动原理.32.1.1机械手的运动方向.32.1.2运动姿态的旋转序列 .42.1.3运动位置和坐标.52.2机械手驱动分类.72.3机械手应用分类.82.4机器人的传动方式.92.5手部动作方案.10第三章 机器人结构设计 .123.1机械手基本

2、结构 .123.1.1机器人技术参数.123.2底座（回转台）的设计 .143.3手臂结构设计 .153.3.1手臂伸缩结构设计.163.3.2手臂伸缩设计校核.173.3.3手臂回转（升降）结构设计 .183.4腕部结构设计 .193.4.1腕部电机选择.203.5手部夹持爪结构设计 .213.5.1手部传动方式选择.223.6传感器限位设计 .223.6.1传感器选择.233.6.2传感器在机械手上的位置设计 .253.6.3机械手夹持爪的限位设计 .263.6.4机械手小臂伸缩的限位设计 .273.6.5机械手腕部运动的限位设计 .28第 I页 共 41 页3.6.6机械手大臂伸缩的限位

3、设计 .283.6.7底座摆动限位设计.29第四章 控制系统设计 .304.1控制系统方案 .304.1.1控制方案.304.1.2驱动方式.304.2控制系统类型 .314.2.1步进电机控制方式.314.2.2直流电机控制方式.31第五章 结论和展望 .325.1结论.325.2展望.32致谢.34参考文献.35第 II页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)教学型机器人的执行器结构设计摘要随着机器人技术的飞速发展，机器人的应用领域正在不断的扩大，是当今研究领域十分重视的课题，机器人在很多领域都得到广泛应用。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志，因而受到各先进工

4、业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用。本文的主要任务和要解决的问题，是在已有的教学型机器人基础上，设计各关节部位的位移控制，在已有的技术资料的基础上，通过分析各关节部位的运动关系，然后根据各关节的运动关系和承载能力设定机器人的极限运动范围。在确定对物体的大小和重量的确定条件下，对它们进行校核，确定所设计的限位不影响正常的动作。并用 solidwork 软件建模，以充分理解机械原理、机械设计以及 CAD 制图标准等相关的知识，并考虑其可靠性、实用性、经济性等性能。本课设在已有理论基础上，是针对以往研究的升级，根据实际使用要求，确定采用六自由度的关节型机器人结构方案;由于机器人结构复杂，构

5、件繁多，需要采用三维软件配合进行建模，装配的工作;并采用 solidwork 绘制了其装配图和零件图，并对其中某些零件的结构进行了修改，使限位的整体结构能够满足工作的要求。关键字：机器人、机械手、结构设计AbstractWith the rapid development of robot technology, the application field of robot is expanding. It is a very important topic in the field of research. The robot has been widely used in many fie

6、lds. The application of robots is an important第 II页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)symbol of the level of national industrial automation, which has been paid much attention by the advanced industrial countries.In this paper, the main tasks and problems to be solved, which are based on the existing teaching

7、 robot, design the displacement control of each joint, on the basis of the existing technical information, through the analysis of the movement relationship between the joints, and then set the limits of the robots movement. In determining the size and weight of the object under the conditions of th

8、e determination of them, to determine the design of the limit does not affect the normal operation. And SOLIDWORK software modeling, in order to fully understand the mechanical principle, mechanical design and CAD drawing standards and other related knowledge, and consider its reliability, practical

9、ity, economy and other performance.This course is based on the existing theory, which is based on the actual use requirements, determine the use of the six degree of freedom of articulated robot structure scheme; because the robot structure is complex, the structure of a wide range of components, th

10、e use of three-dimensional software to modeling, assembly, and the use of SOLIDWORK to draw the assembly and parts drawings, and some parts of the structure of the structure can be modified to meet the requirements of the work.Key words: robot, Manipulator, structure design第 III页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设

11、计(论文)绪论机器人是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造中的一个重要组成部分。机器人显著地提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。因而受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用。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。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除了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。它可以灵活运用在工业上的各个方面，如喷漆、焊接、搬运等。第二类是需要人工操作

12、的，称为机械机。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。第三类是专用机器人，主要附属于自动机床或自动线上，用 以 解 决 机 床 上 下 料 和 工 件 传 送 。 这 种 机 器 人 在 国 外 称 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，采用机械编程。因此是专用的。本课题通过对教学型关节机器人 的结构进行分析和研究，完成对其各关节部位的传感器控制限位设计，并借助 solidwork 软件完成从建模到分析的全过程。最终期望设计的

13、限位部分与腕部、小臂、手部、大臂能够协调工作，并且能够完成各种运动过程中所要求的动作。本课题的设计思路是：借助已有的教学机器人的设计思想和方法，综合考虑各关节机构在机器人运动中所起的作用和机器人的整体技术参数以及结构特点，然后选择合理的方案，确定传动线路，然后对机构进行分析，并对部分零件进行改结构设计、组装。第 IV页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)第一章机器人应用概述1.1机器人的应用诞生机器人是人类很早就梦想制造的、具有仿生性且处处听命于人的自动化机器，它可以帮助人类完成很多危险、繁重、重复的体力劳动。机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，它涉及机械、控制、电子、

14、传感器、计算机、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具有代表性的机电一体化技术之一。人类文明的发展、科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。为了适应社会的需求，各院校都比较重视机器人技术和控制技术等课程在机械设计及其自动化专业的开设，使培养的学生懂得机器人设计方面的技术。经过 40 多年的发展，现代机器人技术在工业、农业、国防、航空航天、商业、旅游、医药卫生、办公自动化及生活服务等众多领域获得了越来越普遍的应用。机器人技术不断进步与创新，所到之处使整个制造业乃至整个社会都发生了和正在发生着翻天覆地的变化。机器人是最具代表性的现代多种高新技术的综合体，它可以从某

15、个角度折射出一个国家的科学水平和综合国力。由于社会的需求，造就了一批从事设计、开发和使用机器人的高级人才。而设计和开发的基础，是对机器人机械系统、感知系统和控制系统等的理解和掌握，才能较好的使用其中的资源来进行设计。故此本文介绍了机器人设计的基本理论，讨论了机器人本体基本结构的相关内容，描述了机器人控制器和传感器等的基本原理，然后再介绍机器人轨迹规划和静力分析方面的知识，使学生既懂得怎样设计一个机器人，同时能熟练地运用此设计理论。机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，计算机技术的不断肩部和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新的水平。机器人涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、知识库系

16、统以及认识科学等诸多学科领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展、科技的进步已和机器人的研究、应用产生了不可分的关系。机器人技术是当代最具代表性的机电一体化技术之一。机器人已广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。机器人在现代工业中应用得特别广泛，而其与外界环境直接接触的部分是机械手，它可以代替人手，与外界环境中有毒以及有害的物质直接接触以减少对人的危害，它具有能不断重第 1页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。人类社会的发展已离不开机器人技术，而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可代替的作用。

17、因此，设计机械手有特别重要的意义。1.2国内外应用状况目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。20 世纪 70 年代以来，许多大学开设了机器人课程，开展了机器人学的研究工作，如美国的 MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、Univ ofCalifornia 等大学都是研究机器人学富有成果的著名学府。随着机器人学的发展

18、，相关的国际学术交流活动也日渐增多，此外还有国际工业机器人会议(ISIR)和国际工业机器人技术会议(CIRT)等。我国的机器人技术起步较晚，约于 20 世纪 70 年代末、80 年代初开始。20世纪 90 年代中期，以后的近 10 年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。1.3机器人的应用背景和意义工业机器人具有大幅度提高劳动生产效率，改善劳动条件，保证产品质量，降低成本等优点，所以工业机器人的应用越来越广泛并发挥无可替代的作用，从汽车工业逐渐向其他行业渗透，机器人的种类也从简单的操作手逐渐发展成各式各样的机器人，机器人已经深入

19、到人类生活的各个方面，机器人技术与人类科技的进步、社会文明的发展有密切的关系，事实证明人类社会的发展已经离不开机器人技术，机器人技术的进步必然会推动科学技术的发展。目前，基于机器人技术在许多领域的重要性，国内外许多国家都投入大量的人力、物力、财力大力推进机器人技术的发展和应用，进行机器人技术的研究。当前和今后机器人主要向具有智能、适应各种环境，具有多种感觉（形状、硬度、温度、湿度、质量等）的方向发展。机器人方案设计、机器人结构设计、机器人第 2页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)仿真技术、机器人的控制技术、机器人的应用场合、以及其他特殊要求是机器人设计中主要内容之一。按照机器人

20、结构形式可以分为关节型机器人和非关节型机器人，关节型也称串联机器人，多为有固定基础的工业机器人，其机械本体是由刚度很大的杆件通过转动（R）或移动关节(P)连接起来的一个开式运动链，单独驱动的主动关节数目称为机器人自由度，一般情况下个五自由度就可以满足要求。串联机器人具有结构紧凑、占用的空间小，相对工作空间大、运动灵活，还能绕过基座周围的障碍物，是机器人中使用最多一种结构，已成功用于工厂中各种生产线上从事一种或者多种工作。并联机器人相比串联机器人起步比较晚，还有许多相关的理论问题没有解决。第二章机器人设计方案2.1机械手运动原理2.1.1 机械手的运动方向图 2-1 为现有的教学机器人的外形，

21、从其图上可以看出其大致分为底座、支撑部分、大臂、腕部和夹持部分等组成。底座承担主要支撑作用，并提供机器人在 Z 轴方向的旋转运动，拥有一个自由度；支撑部分为衍架机构，是承担支撑大臂重量的重要部分；大臂的运动方向一个是通过固定在支撑部分上的电机进行旋转运动，一个是通过设计在大臂外壳内部的电机进行直线往复运动，拥有 2 个自由度；腕部一个是通过一只电机控制进行反转运动，一个是另一只电机控制进行直线往复运动，拥有 2 个自由度；夹持部分通过腕部控制的直线往复运动的丝杆进行张开和闭合的动作，拥有 1 个自由度。第 3页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)大臂腕部支撑部分夹持部分底座图 3

22、.1 机器人外形示意图2.1.2 运动姿态的旋转序列机械手的运动姿态往往由一个绕轴 x，y 和 z 的旋转序列来规定。这种转角的序列，称为欧拉（Euler）角。欧拉角用绕 z 轴旋转角，再绕新的 y 轴（y）旋转角，最后绕新的轴 z（z）旋转角来描述任何可能的姿态，见图 2-1。图 2.1机械手旋转姿态示意图第 4页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)在任何旋转序列下旋转次序是十分重要的。这一旋转序列可由基系中相反的旋转次序来解释：先绕 z 轴旋转角，再绕 y 轴旋转角，最后绕 z 轴旋转角。 欧拉变换 Euler(,)可由连乘三个旋转矩阵来求得，即： Euler( ,)=Rot

23、( z, )Rot (y, )Rot (z,)(2-1)2.1.3 运动位置和坐标一旦机械手的运动姿态由某个姿态变换规定之后，它在基系中的位置就能够由左乘个对应于矢量 p 的平移变换来确定(2-4)这一平移变换可用不同的坐标来表示。除了已经讨论过的笛卡儿坐标外，还可以用柱面坐标和球面坐标来表示这一平移。 1用柱面坐标表示运动位置首先用柱面坐标来表示机械手手臂的位置，即表示其平移变换。这对应于沿 x 轴平移 r ，再统 z 轴旋转 ，最后沿 z 轴平移 z ，如图 2-2a 所示 。第 5页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)图 2.2 坐标图图 2.2 用柱面坐标和球面坐标表示位

24、置 即有 ：s Cy1 (z ,a, r )=Tarns( 0,0,z) Rot( z, a )Trans( r,0,0)式 中 Cyl 表 示 柱 面 坐 标 组 合 变 换 。 计 算 上 式 并 化 简 得 ：（2-5）如果，用某个如式 2-5 所示的姿态变换右乘上述变换式，那么，手臂将相对于基系绕 z 轴旋转角。要是需要相对于不转动的基系来规定姿态，那么我们就应对式 2-6y 绕 z 轴旋转一个角，即有:第 6页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)（2-6）2.2机械手驱动分类作为一个系统，一般来说，机械手由三部分、六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；

25、六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机械手-环境交互系统、控制系统等。（1） 驱动系统驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动以及把它们结合起来应用的综合系统。（2） 机械系统机械系统又称操作机或执行机构系统，它由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成。机械系统通常包括臂关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度的机械系统。（3） 感知系统感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有用的信息。（4） 控制系统控制系统的任务是根据机械手的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机械手的执行机构完成规定的

26、引动和功能。（5） 机械手-环境交互系统工业机械手-环境交互系统是实现机械手与外部环境中的设备相互联系和协第 7页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)调的系统。（6） 人机交互系统人机交互系统是使操作人员参与机械手控制并与机械手进行联系的装置，一般来说，人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。2.3机械手应用分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械 手具有

27、动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大 批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和 控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于 不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制: 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一

28、般的伺服型通用机械手属于数控类 型。(二)按驱动方式分1、 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几 百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油 的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械 手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩第 8页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)大，但是 电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成

29、本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 10 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直流电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直流

30、电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。2.4机器人的传动方式首先是底座的回转，它不仅起到承受整个机器人重量的作用，还要在承受重第 9页 共 41

31、 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)量的情况下进行圆周回转运动。臂部的回转，因为臂部的回转带动的部件多、惯性大，所以转速不能太高，同时低转速时的转矩较大，考虑到用直流步进电机，要用减速机构，选用小型齿轮传动的直流伺服电机或直流步进电机进行控制。臂部伸缩采用步进电机驱动丝杠螺母传动机构产生直线运动，由螺母带动臂部和腕部机构伸缩是，采用普通丝杠传动（主要考虑到价格）腕部升降也采用丝杠传动，用步进电机驱动。腕部回转要求重量轻、机构紧凑，故采用直流电机直接驱动，但要求转速低，故采用长时间工作在低转速状态下的直流力矩伺服电机，位置检测采用电磁开关。手部回转也采用同样的电机驱动，其中各个部分实现连接简

32、单，方便拆卸。设计机械手的第一步是进行总体方案设计，即在充分调查研究的基础上，进行可行性分析论证，确定夹持机械手的使用范围、夹持方法、初选各部件的结构和总体布局等。这是整台机器技术设计的依据。因此，在拟定总体方案时，必须全面地考虑，使确定的方案既先进有经济效益高。本设计要求机械手能实现对直径为30 以内，重量 180g 以内物品的夹持，同时实现翻转，抬起运动。为了满足设计要求，首先要考虑所要设计的机械手的自由度。在三维空间描述一个物体的位置和位姿需要 6 个自由度。机械手的自由度是根据用途而设计的，可能小于也可能大于 6 个自由度。而物体在空间的位置变化使机械手必须遵循实际使用进行各关节的运动

33、变化来实现，本次设计应用的机械手为 6 自由度关节机器人。2.5手部动作方案手部最重要的部分是末端机械夹持器，首先它应具有夹持和松紧的功能。夹持器夹持工件是，应有一定的力约束和形状约束，以保证被夹持工件在移动、停留和装入过程中，不改变姿态。当需要松开工件时，应完全松开，另外它还应保证工件夹持姿态在现几何偏差在给定的公差带内。机械夹持器可分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。本次设计选用圆弧开合型，这种类型在第 10页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)传动机构带动下，手指指端的运动轨迹为圆弧，两手指绕支点做圆弧运动，同时在对工件进行加紧和定心。这类夹持器对工件被夹持部位

34、的尺寸有严格要求，否则可能会造成工件状态失常。其结构如图 2.2 所示。图 2.2手爪示意图第 11页 共 41 页上海大学继续教育学院毕业设计(论文)第三章机器人结构设计3.1 机械手基本结构机械手的机械系统是机器人的重要组成部分，也是基础组成部分，一般的机器人由基座、腰部、臂部、腕部、末端执行器等几部分组成，每一部分都可以包含有若干个零件，每个零件可以有多个自由度，把他们连接起来就构成一个具有多自由度机械系统。机器人常见的结构形式是用其坐标系描述的，分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、开链连杆式关节型机器人及移动型机器人，在何部位采用何种关节，则要求他做何种运动而决定，机器人

35、的关节保证了机器人各部位的可动性。机器人机械部分设计的合理性和可靠性直接影响整个机器人的综合性能和控制精度，所以机械部分的设计对于整个系统来说具有至关重要的作用。机器人的基座，支撑着机器人上部所有的质量，所以要求基座的接触面要足够大，具有足够的刚度和稳定性，一般机器人的基座有固定式和移动式两种，其一般情况下只做旋转的动作，有一个转动自由度，本设计采用固定式。机器人的臂部，相当于人类的胳膊，上接腰身，下连手腕，通常由大臂和小臂组成，是主要承受重量的部件，大臂的伸缩丝杆也必须采用强度较高的合金刚制造，一般带动末端执行器做平面运动，有一个转动自由度和一个平面自由度。机器人的腕部，为实现末端执行器必要的姿态，腕部有二个转动自由度，