四自由度关节型机器人的设计【含5张CAD图纸+文档全套资料】
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宁毕业设计(论文)四自由度关节型机器人设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要机器人是一种典型的机电一体化产品，仿人型机器人是机器人研究领域的热点。研究仿人型机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。本文对一种四自由度关节型机器人进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机器人模型进行静力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。关键词：机械臂，结构设计，关节型机器人，结构分析31四自由度关节型机器人的设计Abstract The robot is a typical mechatronics product, humanoid robot research field. Research of humanoid robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biological and computer and other disciplines of knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines.This paper is a method used in engine valve on the robot arm size structure design, and complete the assembly drawing and parts drawing. Requirements of the robot model to static analysis, estimate the joint required torque and power of the motor and the reducer, completed the selection. Secondly, from the motor and the reducer are connected and fixed starting joint structure, design, and the mechanism of important connections of the strength check.Key Words: Mechanical arm, structure design, joint type robot, structure analysis目 录摘 要IIAbstract3目 录4第1章 绪论61.1 引言61.2 机器人的发展及技术61.2.1 机器人的发展61.2.2 机器人技术71.3 机器人研究概况71.3.1 国外研究现状71.3.2 国内研究现状81.4 本文主要研究内容91.4.1 课题来源91.4.2 主要内容10第2章 总体方案设计102.1 机器人工程概述102.2 工业机器人总体设计方案论述112.3 机器人机械传动原理122.4 机器人总体方案设计132.5 本章小结14第3章 机器人各部分的设计153.1 机器人腰座结构的设计153.2 机器人手臂的结构设计153.3机器人腕部的结构设计173.4 机器人末端执行器（手爪）的设计183.5 大小臂(关节2和关节3)电机的计算与型号选择183.6 主要零件材料的选择与强度校核193.7 臂部肘关节直齿圆锥齿轮传动的设计213.8 臂部电机的计算与选型253.9本章小结25第4章 控制部分设计27总结与展望29致 谢30参 考 文 献31 第1章 绪论1.1 引言 机器人是一种典型的机电一体化产品，仿人型机器人是机器人研究领域的热点。研究仿人型机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。机器人是仿人型机器人的一种。1959年，世界上诞生了第一台工业机器人，开创了机器人发展的新纪元。随着科学技术的发展，仿人型机器人的研究与应用迅猛发展。世界著名机器人专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是功能”。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话：“上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作”。系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大机器人的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究机器人的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机器人的研究方向；机器人可以作为一种智能机器人在人工智能中发挥重要的作用。1.2 机器人的发展及技术1.2.1 机器人的发展20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。60年代美国的ConsolidatedContr01公司研制出第一台机器人样机，并成立了Unimation公司，定型生产了Unimate机器人。20世纪70年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学哈尔滨工程大学硕十学位论文。1970年，第一次国际机器人会议在美国举行。经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前，尽管关于机器人的定义还未统一，但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。第一代机器人，主要指只能以“示教-再现”方式工作的机器人，其只能依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。目前的各类工业机器人大都属于第一代机器人。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人，其能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人按照己编好的程序做出一定推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。当前，对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行动。第三代机器人又称为智能机器人，并己成为机器人学科的研究重点，但目前还处于实验室探索阶段。机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心，并逐渐在工农业生产和国防建设等方面发挥巨大作用。可以预见到，机器人将在21世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。1.2.2 机器人技术机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就。机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。随着各学科的发展和社会需要的发展，机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势，如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和机器人技术等。1.3 机器人研究概况1.3.1 国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的运动。从本世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究，并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展机器人的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅形成了机器人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机器人样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年这一时期，在机器人领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对机器人控制理论的研究产生了3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3种控制方法对各种类型的机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机器人学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况1。在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机器人在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在机器人的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就机器人的“降阶模型”问题进行了研究。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。1.3.2 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。1.4 本文主要研究内容1.4.1 课题来源随着工业的不断发展，对零部件生产的数量和质量都提出了更高的要求。为了提高生产效率和产品质量稳定性，自动化生产已经成为发展的必然趋势。而机器人正是自动化生产中的重要工具。1、四自由度关节机器人主要参数结构型式垂直关节型自由度4手爪张合握紧/放松手腕弯曲-9090度小臂摆动0120度大臂摆动0120度腰部旋转-150150度工作空间半径300mm工作空间高度450mm最大载荷0.5kg2、机器人工作要求1）机器人必须小巧、灵活、拆卸方便，2）机器人能够完成抓取物体、搬运物体等功能3）机器人自动化程度高，控制方便灵活。1.4.2 主要内容第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 机器人电路控制系统设计第2章 总体方案设计2.1 机器人工程概述机器人工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为“系统工程学”。以机器人设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从机器人的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性：（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。因此，在进行机器人设计时，不仅要重视组成机器人系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据机器人的功能要求，将组成机器人系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的机器人产品。在比较复杂的工业机器人系统中大致包括如下:操作机，它是完成机器人工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备14。工业机器人的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业机器人能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、控制装置和工业机器人等一起形成了各种不同形式地工业机器人技术综合体地工业机器人系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用机器人系统亦是如此。2.2 工业机器人总体设计方案论述（一） 确定负载目前，国内外使用的工业机器人中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。（二） 驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计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。在机器人中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。（四）工作范围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。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度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，用m/s或（）/s表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 机器人机械传动原理本课题设计的是一种小经济型装配机器人。该机器人为多关节型，具有六个自由度。采用伺服电机驱动，因此控制简单，编程操作方便。机身采用薄壁整体铸件，这样可以使结构轻巧，使用灵活。内部铸件既作为内部齿轮安装壳体与轴的支撑座，又作为承力骨架，这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体减少质量5。2.4 机器人总体方案设计工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下3。(1) 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。(2) 圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3) 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1(c)。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4) 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-1 四种机器人坐标形式根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达5KG，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机器人的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机器人手臂运动范围大,且有较高的定位准确度,要求设计的机器人为六个自由度，其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。在本论文中，要求设计大小臂结构，所以，需要对实现大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度的机构进行详细设计。2.5 本章小结本章主要完成对机器人整体方案的一个分析和设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了机器人的总体设计方案后，就要针对机器人的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。第3章 机器人各部分的设计3.1 机器人腰座结构的设计工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量4。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：(1) 腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。(2) 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。(3) 机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。(4) 腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。(5) 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。(6) 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机器人的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动5。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机器人的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。3.2 机器人手臂的结构设计机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动6。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；(1) 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。(2) 机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。(3) 为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。(4) 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。(5) 机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的7。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。(6) 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。机器人的俯仰关节手臂（大臂）和俯仰关节手臂（大臂）。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达0.55KG，属小型重量，同时考虑到机器人的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机器人运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机器人的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机器人的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。3.3机器人腕部的结构设计机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态8。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。 (1) 机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案9。(2) 机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。(3) 机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。(4) 机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。(5) 要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。(6) 手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。3.4 机器人末端执行器（手爪）的设计机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求10。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种12。机器人夹持器电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。3.5 大小臂(关节2和关节3)电机的计算与型号选择在确定握力时，除考虑抓取物体重量0.5Kg外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证夹持安全可靠。另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可以达到非常高的位姿准确度。综上所述，本文选择电机驱动为机械手的驱动方式。本文设计要求夹持的物体重为 m=0.5Kg，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，铝合金与常用材料的磨擦系数如表3.1所示: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： (3-1)螺纹增力比 （3-2）式中 当量摩擦角，= ；螺纹升角，= 带入数据,得, 得 （3-3）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，我们选择了博美德(黄冈)机械有限公司公司生产的 SM40-001-30LFB 型伺服电机，它的保持转矩为 100，满足设计要求。3.6 主要零件材料的选择与强度校核 (1)壳体件材料的选择机械手臂的壳体可以全部选用硬铝合金分段铸造加工而成。本文选用的是ZAlSi9Mg，这是一种硬铝材料，强度大、质量轻，完全符合本文的设计要求。机械手指不是壳体机构，它是实体的。本文设计的手指材料也选用同样的铝合金。这有利于材料的购买，同样这种材料是满足设计要求的。材料ZAlSi9Mg的弯曲应力240，手指抓去的最大质量为3000g，重力为29.4N。对比两者的力学性能和受力情况，很显然此材料来制造手指远远满足设计中的要求。，不会出现手指弯曲变形的情况。 (2)本体支撑件材料的选择和校核（a）材料的选择机械臂支撑件由于与连接件之间为滑动摩擦,需要选取一种耐摩擦,同时要求强度大,质量轻,价格便宜的材料来制造。工程塑料拥有良好的综合性能,其强度、刚度、冲击韧性、抗疲劳等不较高,特别是拥有很高的耐磨性。它可以在无润滑油的情况下有效的进行工作。由于它相对密度小,因此其强度高。聚甲醛(POM)是一种比较常用的工程塑料。它是以线性结晶高聚甲醛树脂为基础的。它有着高强度、高弹性模量等优良的综合力学性能。其强度和金属近似,摩擦因数小并有自润滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一种相当便宜的材料。由于本设计中的负荷低,机构的速度不快,从而此处选择有聚甲醛这种工程塑料来制造手部的导向轴。（b）支撑件的校核支撑件是用来支撑机器人主要机械机构的，本文中共用两个支撑件，直径各为8mm,手部的两个导向轴受力几乎一样。手部要抓取的物体重量为3Kg。这样每个导向轴受到的重量有3Kg。受到的重力仅为29.4N。聚甲醛分为均聚和共聚两种，使用时应注意它们性能上的区别。共聚甲醛在短期内强度好而均聚甲醛柔软性好。共聚物比均聚物软化点高10，受载荷时热变形温度高，热稳定性好，成型温度范围广。聚甲醛成型材料的一般性质如表3.3所示：表3.3 聚甲醛成型材料的一般性质(23)项目单位试验方法ASTM一般型号CF增强型号均聚物共聚物均聚物共聚物物理机械性能比重吸水率(24h浸渍)吸水率*抗张强度相对伸长拉伸模量抗弯强度弯曲模量压缩强度(10%)剪切强度悬臂梁（缺口）冲击强度(无缺口)洛氏硬度锥度摩擦摩擦系数(对钢)摩擦系数同材料-%MPa%GPaMPaGPaMPaMPaJ/cmJ/cm-Mg/千周-D570D570D638D638D638D790D790D695D732D256D256D785D1044D1894-1.420.250.2268.6403.197.12.82124.565.70.7451.284M94-1.410.220.1660.8602.8296.12.59107.953.00.63711.17M80140.150.351.560.250.2058.8126.2173.55.03124.565.70.431-M90-1.610.29-127.538.63193.27.55117.766.70.8434.31M79400.150.35表注: 1. 吸水率*（23，50%RH平衡） 聚甲醛的抗压强度为124.5，抗弯强度为97.1，整个零件的强度和刚度是非常大的。从每个件的受力来看，材料聚甲醛的各个力学性能完全满足本文的设计要求。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而机器人速度慢，从摩擦的角度来说，聚甲醛也是理想的支撑件材料。聚甲醛与其他塑料相比，具有自润滑性及低摩擦系数、低磨耗等特点。其动摩擦系数和静摩擦系数相近，粘接较困难。有报导与钢进行摩擦试验结果如表3.4所示：表3.4 与硬铝进行摩擦实验结果动摩擦系数0.21 1(P1：0.27MPa)(v1：25cms)比因耗1.32mm3(Nm)临界Pv值122kPa. ms3.7 臂部肘关节直齿圆锥齿轮传动的设计一对直齿圆锥齿轮传动如图3.6所示：图3.6 一对直齿圆锥齿轮传动参数选择时应注意，直齿圆锥齿轮最小齿数为，齿数比不宜过大。齿宽系数不应过大，因为圆锥齿轮的齿越宽，制造、安装误差就越大，偏载也越严重，故一般取，还应使最小齿宽(1) 选定齿轮材料，热处理方式 ，齿数及精度等级 对于一般齿轮传动，可选用优质碳素钢。A齿轮：45号钢，调质HB240270（T255）；B齿轮：45号钢，正火HB180210（Z195）；两轮均为软齿面（HB350）。为避免根切及具有较好性能，考虑到直齿圆锥齿轮最小齿数,选定齿轮齿数。按一般的加工能力及 使用要求，初选齿轮精度等级为8级。(2) 初步确定主要参数由于两齿轮齿面均为软齿面（HB350），可以先按齿面接触疲劳强度进行设计，确定A齿轮的分度圆直径，即（mm） （3-1）式中：工作转矩工作情况系数 ，由表49，电动机驱动，工作平稳，取1；载荷分布不均系数，见表52，一般工业，一齿轮为悬臂支承，取1.2；齿宽系数，由表53取0.3；齿数比，；齿轮材料接触疲劳的基本许用应力，由图313(a)，碳钢，钢质，调质，取；正火，。 将以上系数和中的小值代入公式得 （3-2）大端模数 （3-3） 按照表47齿轮标准模数，选取第一系列模数值。 然后，再根据齿根弯曲疲劳强度进行验算。 （3-4） （3-5）式中： （3-6） （3-7） 动载荷系数，用平均直径处的圆周速度按降一级精度（即9级）并由图420(a)查取，其中 （3-8） （3-9） （3-10）由图420（a）查得1； （3-11） （3-12） 齿形系数，查图427得；齿宽，圆整后取；齿轮材料弯曲疲劳的基本许用应力，可查图412（c）得：，； （3-13）查图430得 查图431得 查图432得 ， （3-14）由于，故计算小轮齿根弯曲疲劳强度 表明取是合格的。 (3) 计算圆锥齿轮的有关参数工作转矩： 圆锥齿轮大端分度圆直径：圆锥齿轮的分锥角，：（） 圆锥齿轮锥距： （3-15）齿宽系数： （3-16）(4) 计算齿轮啮合处作用力：圆周力 （3-17）轴向力 （3-18）径向力 （3-19）当时，一齿轮的径向力与另一齿轮的轴向力数值相等而方向相反。即 ，。圆锥齿轮作用力方向如图3.7所示：图3.7 圆锥齿轮作用力方向电动机置于小臂壳体内。其中方形截面为机械手大臂与小臂的壳体，截面为小臂机构的壳体。机械手手臂刚性好、抗扭能力强、重量轻，所有传动机构和驱动装置都置于机械手臂内部，外形简洁。3.8 臂部电机的计算与选型对于本课题来说，关节额定转速为20r/min。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。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。下面对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。估算机器人整体重量在 20Kg(重物0.5kg加上机器人重量)左右，摩擦系数按金属之间的取为 0.5，则机器人需要的总功率为：则提供的功率为49瓦。： （3-1）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4.8所示。3.9本章小结本章介绍手部结构设计要求及传动方式的选择的比较，手指的设计方案的比较，电机的计算与型号选择。机器人机械臂各零部件所要求的强度、刚度等都不同，应该选用不同的材料来制造加工。所以本章就依据机器人在工作过程中各零部件不同受力情况，以及机械设计的要求选用了不同的材料来制造零件，并对零件进行了强度校核，使其达到工作要求。 图3.8 电机转矩图下面是所选电机的外形尺寸。第4章 控制部分设计系统方案方框图如图所示。检测轨迹驱动电机软件控制控制机器人小车8051单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。1 、微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。2 、数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。3 、程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。4 、 中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。5 、 定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。6 、 串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。7 、 P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。8 、特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。 机器人操作臂是三维开环链式机构,具有多个自由度,需要对每个关节变量设定植,因为选用的动力源为伺服电机,容易与CPU连接,故选用单片机,MCS-51系列的8051.因8051的P0.0-P0.7为分时复用的端口,可传输数据信号也可传输地址信号,需选用地址锁存器74LS373,为控制电机的正反转时间以保证关节变量的要求,用定时器8053控制电机驱动芯片的使能端,电机驱动芯片选用L293D.在大臂 小臂和手爪部件上分别安装红外感应器,当大臂、小臂和
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