五自由度教学机器人结 完整版

1、成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)PAGE PAGE 35毕业设计（论文文）题目: 五自由度教教学机器人结结 滚珠丝杠副支承承方式及其对对加工精度的的影响专业: 班级: 学号: 姓名: 指导老师: 成都电子机械高高等专科学校校二七年六月月论 文 摘 要要随着机器人技术术的飞速发展展，工业机器器人的应用领领域正在不断断的扩大，对对教育培训部部门提出了新新的要求，为为提高机器人人教学的水平平，我们研制制了一套以实实验教学为目目的的机器人人教学演示系系统。本文阐述了机器器人的发展历历程，国内外外的应用现状状，及其巨大大的优越性，提提出具体的机机器人设计要要求，并根据据机器人各部部分的设计原原则

2、，进行了了本教学演示示系统的总体体方案设计以以及包括机器器人的手部、腕腕部、小臂、大大臂、腰部在在内的每个自自由度的结构构设计。此教教学机器人可可以在微机的的控制下，驱驱动各步进电电机工作，从从而带动各个个关节运动，完完成教学以及及实验的任务务。关键词： 教学学机器人 结构设计 五自由度度AbstracctWith thhe devvelopmment oof robbot teechnollogy, the ccontinnual eexpanssion oof appplicattion oof inddustriial roobots preseents nnewreqquire-men

3、tss befoore edducatiion annd traainingg agenncies.We haave deevelopped a robott demoonstraation systeem forr expeerimennts inn traiining to immprovee the teachhing eeffectt of “Robott Teacching”. Firstlly, thhis paaper ddiscussses tthe deeveloppment coursse ,thhe stuudy booth inn demeestic and iin e

4、xtternall, thee signnificaant addvantaages oof robbot annd theen givves thhe suppportiing soource of thhe stuudy annd thee techhnicall requuiremeents. Seconndly, and aaccordding tto thee prinnciplee of ddesignning eeach jjoint,this paperr disccussess the overaall deesign and ccalcullationn eachh deg

5、rree off freeedom oof thiis teaachingg demoonstraation systeem,inccludinng thee handd,wrisst,lowwer arrm,larrge arrm andd waistt joinnt of the rrobot.The rrobot of thhis deesign underr the contrrol off the tiny machiine caan driive the repeaating motorr workk,thenn makee the movemment oof eacch joii

6、nt,annd finnish tthe miissionn of tteachiing annd expperimeent. Keywordds： Teeachinng Robbot SStructture DDesignn Fivve Deggree oof Freeedom目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc168116072 论 文 摘 要要 PAGEREF _Toc168116072 h I HYPERLINK l _Toc168116073 Abstracct PAGEREF _Toc168116073 h II HYPERLINK l _Toc16

7、8116075 第1章 绪 论 PAGEREF _Toc168116075 h 1 HYPERLINK l _Toc168116076 1.1 机器人人概述 PAGEREF _Toc168116076 h 1 HYPERLINK l _Toc168116077 1.1.1机器器人的诞生和和发展 PAGEREF _Toc168116077 h 1 HYPERLINK l _Toc168116078 1.1.2国内内发展状况 PAGEREF _Toc168116078 h 2 HYPERLINK l _Toc168116079 1.2机器人产产业对教育、培培训的要求及及本课题的提提出 PAGERE

8、F _Toc168116079 h 2 HYPERLINK l _Toc168116080 第2章总体设设计方案 PAGEREF _Toc168116080 h 4 HYPERLINK l _Toc168116081 2.1总体设计计的思路 PAGEREF _Toc168116081 h 4 HYPERLINK l _Toc168116082 2.2总体方案案的确定 PAGEREF _Toc168116082 h 4 HYPERLINK l _Toc168116083 2.3坐标形式式的选择 PAGEREF _Toc168116083 h 4 HYPERLINK l _Toc168116084

9、 第3章结构设设计及计算 PAGEREF _Toc168116084 h 6 HYPERLINK l _Toc168116085 3.1手部夹持持器的结构设设计 PAGEREF _Toc168116085 h 6 HYPERLINK l _Toc168116086 3.1.1概述述 PAGEREF _Toc168116086 h 6 HYPERLINK l _Toc168116087 3.1.2手部部的结构和手手指形状的确确定 PAGEREF _Toc168116087 h 7 HYPERLINK l _Toc168116088 3.1.3手部部驱动力的计计算和电机的的选择 PAGEREF _

10、Toc168116088 h 7 HYPERLINK l _Toc168116089 结论 PAGEREF _Toc168116089 h 9 HYPERLINK l _Toc168116090 致谢 PAGEREF _Toc168116090 h 10 HYPERLINK l _Toc168116091 参考文献 PAGEREF _Toc168116091 h 111 HYPERLINK l _Toc168116092 附 录 1 PAGEREF _Toc168116092 h 112 HYPERLINK l _Toc168116093 附 录 2 PAGEREF _Toc168116093

11、 h 113第章 绪 论1.1 机器人人概述1.1.1机器器人的诞生和和发展1920年克作作家卡雷尔.卡佩克发表表了科幻剧本本罗萨姆的的万能机器人人。剧情是这样样的：罗萨姆姆公司把机器器人作为人类类生产的工业业产品推向市市场，让它去去充当劳动力力，以呆板的的方式从事繁繁重的劳动。后后来，罗萨姆姆公司使机器器人具有了感感情，在工厂厂和家务劳动动中，机器人人成了必不可可少的成员 。该剧预告告了机器人的的发展对人类类社会的影响响。在剧本中中，卡佩克把把捷克语“RRobotaa”(农奴) 写成了“RRobot”（机机器人）。这这也是人类社社会首次使用用“机器人”这这一概念。自动化技术的发发展，特别是是

12、计算机的诞诞生，推动了了现代机器人人的发展。50年代是机器器人的萌芽期期，其概念是是“一个空间机机构组成的机机械臂，一个个可重复编程程动作的机器器”。19544年美国戴沃沃尔发表了“通用重复型型机器人”的专利论文文，首次提出出“工业机器人人”的概念；11958年美美国联合控制制公司研制出出第一台数控控工业机器人人原型；19959年美国国UNIMAATION公公司推出第一一台工业机器器人。60年代随着传传感技术和工工业自动化的的发展，工业业机器人进入入成长期，机机器人开始向向实用化发展展，并被用于于焊接和喷涂涂作业中。70年代随着计计算机和人工工智能的发展展，机器人进进入实用化时时代。日本虽虽起

13、步较晚，但但结合国情，面面向中小企业业，采取了一一系列鼓励使使用机器人的的措施，其机机器人拥有量量很快超过了了美国，一举举成为“机器器人王国”。80年代，机器器人发展成为为具有各种移移动机构、通通过传感器控控制的机器。工工业机器人进进入普及时代代，开始在汽汽车、电子等等行业得到大大量使用，推推动了机器人人产业的发展展。为满足人人们个性化的的要求，工业业机器人的生生产趋于小批批量、多品种种。90年代初期，工工业机器人的的生产与需求求进入了高潮潮期：19990年世界上上新装备机器器人810000台，19991年新装装备760000台。19991年底世世界上已有553万台工业业机器人工作作在各条战线

14、线上。随后由由于受到日本本等国经济危危机的影响，机机器人产业也也一度跌入低低谷。近两年年随着世界经经济的复苏，机机器人产业又又出现了一片片生机。900年代还出现现了具有感知知、决策、动动作能力的智智能机器人，产产生了智能机机器或机器人人化机器。随随着信息技术术的发展，机机器人的概念念和应用领域域也在不断扩扩大。2000年出现现了仿人机器器人及其他仿仿生机器人，机机器人的运动动能力和智能能水平进一步步的提高，并并以智能体的的形式出现，应应用领域进一一步的扩大。1.1.2国内内发展状况我国的工业机器器人从80年年代“七五”科技攻关开开始起步，在在国家的支持持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目目

15、前已基本掌掌握了机器人人操作机的设设计制造技术术、控制系统统硬件和软件件设计技术、运运动学和轨迹迹规划技术，生生产了部分机机器人关键元元器件，开发发出喷漆、弧弧焊、点焊、装装配、搬运等等机器人；其其中有1300多台喷漆机机器人在二十十余家企业的的近30条自自动喷漆生产产线（站）上上获得规模应应用，弧焊机机器人已应用用在汽车制造造厂的焊装线线上。但总的的来看，我国国的工业机器器人技术及其其工程应用的的水平和国外外比还有一定定的距离，如如：可靠性低低于国外产品品；机器人应应用工程起步步较晚，应用用领域窄，生生产线系统技技术与国外比比有差距；在在应用规模上上，我国已安安装的国产工工业机器人约约200

16、台，约约占全球已安安装台数的万万分之四。以以上原因主要要是没有形成成机器人产业业，当前我国国的机器人生生产都是应用用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉

17、等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。1.2机器人产产业对教育、培培训的要求及及本课题的提提出采用机器人会给给我们带来很很大的方便，机机器人和其他他自动化装置置最主要的区区别在于机器器人的功能和和任务很容易易修改或改变变，仅需要改改变软件就可可以了，同时时机器人比一一般自动化装装备更复杂，需需要更多的软软件和硬件知知识，故一旦旦大量采用机机器人就需要要专门

18、的培训训使用机器人人的具有较高高水平和技术术人员，这无无疑对教育和和培训提出新新的要求，大大多数机器人人专家都反复复的强调需要要制定培训计计划以为新的的工作岗位准准备合格的劳劳动力。谈到培训，还有有个协调的问问题，工业和和教育团体应应减少培训与与需求的协调调失误，在校校学生也应了了解市场情况况，在教师的的协助下开设设和调整自己己的课程，使使所学的专业业和技能在毕毕业的时候满满足社会的需需求。对机器人，人们们的第一个问问题就是：机机器人是否会会造成失业？应该说大量量采用机器人人会使一部分分人丧失工作作，然而这一一新的产业所所创造的新的的就业机会比比其消灭的职职业更多，新新的职业需要要新的技能，就

19、就再需要教育育和培训，再再次证明，机机器人对社会会的冲击就是是再培训的课课题。大量采用机器人人不会带来失失业，在机器器人的研究、制制造和应用上上有七种职业业，即研究、开开发、设计、制制造、应用、市市场、服务、维维修和教育，而而潜在的部门门是机器人制制造部门，教教育机构和机机器人相关部部门。现在国国外机器人制制造厂家不仅仅自己开设机机器人课程也也向学校提供供资助 ，为为学校提供机机器人教学系系统，据资料料显示，美国国有很多大学学开设了机器器人课程。在我国，许多大大学也开设了了机器人方面面的课程（如如上海交大，华华中科技大学学等），也有有很多研究开开发机器人的的研究机构，但但资金问题是是困饶机器人

20、人发展的障碍碍，在教学中中也面临相同同的问题。但但教学课程上上，只是纸上上谈兵，没有有一点直观的的印象，关键键是设备问题题，研制一个个价格低廉、性性能优越、结结构简单、能能给学生以深深刻印象的实实验用的教学学演示系统，在在这前提和背背景下，提出出本课题，它它能达到以下下目标：成本低，必要时时可以降低精精度要求，因因为是实验演演示装置；机械结构简单，便便于学生掌握握机器人结构构上的特点；整体尺寸不宜过过大，以便于于操作；各部分结构最好好方便拆卸，以以便维修保养养。第2章总体设设计方案在确定机器人总总体设计方案案前，我们还还要拟定本设设计的基本步步骤及其要遵遵循的一些基基本原则，从从而使设计方方案

21、更合理。2.1总体设计计的思路设计机器人大体体上可分为两两个阶段：1、系统分析阶阶段 = 1 * GB3 根据系统的的目标，明确确所采用机器器人的目的和和任务。 = 2 * GB3 分析机器人人所在系统的的工作环境。 = 3 * GB3 根据机器人人的工作要求求，确定机器器人的基本功功能和方案。如如机器人的自自由度、信息息的存储量、计计算机功能、动动作精度的要要求、所能抓抓取的重量、容容许的运动范范围、以及对对温度、震动动等环境的适适应性。2、技术设计阶阶段 = 1 * GB3 根据系统的的要求确定机机器人的自由由度和允许的的空间工作范范围，选择机机器人的坐标标形式； = 2 * GB3 拟订

22、机器人人的运动路线线和空间作业业图； = 3 * GB3 确定驱动系系统的类型； = 4 * GB3 选择各部件件的具体结构构，进行机器器人总装图的的设计； = 5 * GB3 绘制机器人人的零件图，并并确定尺寸。下面结合本演示示系统的基本本要求和设计计的基本原则则确定本系统统的方案。2.2总体方案案的确定提到总体方案的的确定，让我我们重复一下下本课题的要要求：1、它是一个教教学用的演示示系统。2、我们希望它它不太大，可可以安置在实实验台上，即即小型化、轻轻型化。3、为节约开支支，要求成本本低。4、在满足前几几点的要求下下，尽可能的的要造型美观观。2.3坐标形式式的选择工业机器人的结结构形式主

23、要要有直角坐标标结构，圆柱柱坐标结构，球球坐标结构，关关节型结构四四种。各结构构形式及其相相应的特点，分分别介绍如下下。1直角坐标机机器人结构 直角坐标机器人人的空间运动动是用三个相相互垂直的直直线运动来实实现的，如图图2-1(aa)所示。由由于直线运动动易于实现全全闭环的位置置控制，所以以，直角坐标标机器人有可可能达到很高高的位置精度度（m级）。但但是，这种直直角坐标机器器人的运动空空间相对机器器人的结构尺尺寸来讲，是是比较小的。因因此，为了实实现一定的运运动空间，直直角坐标机器器人的结构尺尺寸要比其他他类型的机器器人的结构尺尺寸大得多。直角坐标机器人人的工作空间间为一空间长长方体。直角角坐

24、标机器人人主要用于装装配作业及搬搬运作业，直直角坐标机器器人有悬臂式式，龙门式，天天车式三种结结构。2圆柱坐标机机器人结构圆柱坐标机器人人的空间运动动是用一个回回转运动及两两个直线运动动来实现的，如如图2-1.b。这种机机器人构造比比较简单，精精度还可以，常常用于搬运作作业。其工作作空间是一个个圆柱状的空空间。3球坐标机器器人结构球坐标机器人的的空间运动是是由两个回转转运动和一个个直线运动来来实现的，如如图2-1.c。这种机机器人结构简简单、成本较较低，但精度度不很高。主主要应用于搬搬运作业。其其工作空间是是一个类球形形的空间。4关节型机器器人结构关节型机器人的的空间运动是是由三个回转转运动实

25、现的的，如图2-1.d。关关节型机器人人动作灵活，结结构紧凑，占占地面积小。相相对机器人本本体尺寸，其其工作空间比比较大。此种种机器人在工工业中应用十十分广泛，如如焊接、喷漆漆、搬运、装装配等作业，都都广泛采用这这种类型的机机器人。关节型机器人结结构，有水平平关节型和垂垂直关节型两两种。(a)直角坐标型（b）圆柱坐标型（c）球坐标型（d）关节型(a)直角坐标型（b）圆柱坐标型（c）球坐标型（d）关节型图2-1 四种种机器人坐标标形式由要求可知本设设计是一个用用于教学的演演示系统，即即机器人的几几个基本的动动作的演示，为为了满足设计计的要求，我我们综合考虑虑以上几种坐坐标形式的不不同特点，最最终

26、选用关节节型坐标。第章结构设设计及计算 上一章我们已经经确定了机器器人的总体设设计方案，那那么本章将详详细设计机器器人系统的具具体每个自由由度的结构，完完成装配图和和全部零部件件图的设计工工作，也将完完成一些标准准器件（如电电机、轴承）的的选型工作。我我们将按结构构分块，分步步进行设计，阅阅读本章请参参考设计的图图纸。3.1手部夹持持器的结构设设计3.1.1概述述机器人的手部是是机器人最重重要的部件之之一，从其功功能和形态上上看，分为工工业机器人的的手部和类人人机器人的手手部。目前前前者应用较多多，也较成熟熟，后者正在在发展中。工业机器人的手手部夹持器（亦亦称抓取机构构）是用来握握持工件或工工

27、具的部件，由由于被握持工工件的形状，尺尺寸，重量，材材料及表面状状态的不同，其其手部结构也也是多种多样样的，大部分分的手部结构构都是根据特特定的工件要要求而专门设设计的，按握握持原理的不不同，常用的的手部夹持器器分为如下两两类： 1夹持式，包包括内撑式和和外夹式，常常用的还有勾勾托式和弹簧簧式等。2吸附式，包包括气吸式和和磁吸式等。在设计机器人末末端执行器时时，应注意以以下问题；1机器人末端端执行器是根根据机器人作作业要求来设设计的。一个个新的末端执执行器的出现现，就可以增增加一种机器器人新的应用用场所。因此此，根据作业业的需要和人人们的想象力力而创造的新新的机器人末末端执行器，将将不断的扩大

28、大机器人的应应用领域。2机器人末端端执行器的重重量、被抓取取物体的重量量及操作力的的总和机器人人容许的负荷荷力。因此，要要求机器人末末端执行器体体积小、重量量轻、结构紧紧凑。3机器人末端端执行器的万万能性与专用用性是矛盾的的。万能末端端执行器在结结构上很复杂杂，甚至很难难实现，例如如，仿人的万万能机器人灵灵巧手，至今今尚未实用化化。目前，能能用于生产的的还是那些结结构简单、万万能性不强的的机器人末端端执行器。从从工业实际应应用出发，应应着重开发各各种专用的、高高效率的机器器人末端执行行器，加之以以末端执行器器的快速更换换装置，以实实现机器人多多种作业功能能，而不主张张用一个万能能的末端执行行器

29、去完成多多种作业。因因为这种万能能的执行器的的结构复杂且且造价昂贵。4通用性和万万能性是两个个概念，万能能性是指一机机多能，而通通用性是指有有限的末端执执行器，可适适用于不同的的机器人，这这就要求末端端执行器要有有标准的机械械接口（如法法兰），使末末端执行器实实现标准化和和积木化。5机器人末端端执行器要便便于安装和维维修，易于实实现计算机控控制。用计算算机控制最方方便的是电气气式执行机构构。因此，工工业机器人执执行机构的主主流是电气式式，其次是液液压式和气压压式（在驱动动接口中需要要增加电-液液或电-气变变换环节）。3.1.2手部部的结构和手手指形状的确确定在本系统中，抓抓重为2N,手指开合5

30、10，我们决定定选择滑槽杠杠杆支点回转转手部。这种种结构可通过过各杆之间的的角度或杆长长，改变握力力的大小及指指间的开闭角角。其优点是是结构简单，动动作灵活，夹夹持范围大，这这种手部的结结构比较简单单，工作原理理清晰易懂，也也是机器人较较常用的结构构，这些都合合乎教学演示示的要求，缺缺点是工件直直径误差会引引起夹持后工工件的中心发发生移动。指指端采用V块型式，也也是机器人手手指形状中较较常用的形式式，同时手部部用法兰与手手腕联接，使使手部能与腕腕部方便地装装拆，从而提提高通用性。如图3-1所示示是本系统的的手部结构示示意图，具体体结构和零部部件尺寸参见见设计图纸。图 3 SEQ 图 * ARA

31、BIC s 1 1手部部结构简图3.1.3手部部驱动力的计计算和电机的的选择1握力计算由初始设计可知知，G=2（N）握力 N=GG其中方位系系数，它与手手指和工件的的形状，以及及手指夹持工工件的方位有有关。此处，按按手指是水平平放置，夹持持垂直的工件件，V型指端夹圆圆形棒料的情情况考虑。取=2.9941其中f手指指与工件的摩摩擦系数，取取f=0.117。所以N =G=22.945=14.77(N) (3-1)结论当今世界已有很很多机器人，其其中有90%以上都应用用于制造业，无无论在制造技技术方面，还还是在推广使使用方面机器器人都和工业业自动化密切切相关近年来我国机器器人研究工作作进入一个崭崭新

32、的新时期期，然而机器器人并没有真真正的普及，其其主要的原因因在于：一、经费不不足；二、缺缺少专门的机机器人研究的的高水平的技技术人员。这这无疑对教育育培训提出高高的要求，正正是针对这一一要求，本设设计本着为学学生提供一个个可行的实验验系统为目的的，研制一套套便于学习者者学习的机器器人教学演示示系统。本文文所做的主要要工作有：1总体方案的的确定。经综合考虑，确确定采用关节节型坐标形式式，具有腰部部回转、大小小臂部回转、腕腕部伸缩、腕腕部回转五个个自由度的运运动，使整体体的结构小型型化，在驱动动系统上，采采用一个电机机控制一个自自由度的运动动。2机械结构设设计研制。机械结构比较复复杂，从整体体布局

33、来看，实实现了模块化化，大量采用用标准化、模模块化的通用用元配件，从从而使成本大大为降低，具具有显著的技技术经济性。各各自由度自成成体系，又能能协调的组织织在一起，其其各个部分连连接处线条分分明、直观性性好，其各个个部分可以分分别拆卸，快快速更换，方方便维修。综上，通过近三三个月的毕业业设计，经过过资料的收集集、方案的选选择比较和论论证，到分析析计算，再到到工程图纸的的绘制以及毕毕业设计论文文的撰写等各各个环节，我我对大学四本本科阶段的知知识有了一个个整体的深层层次的理解，同同时对工程的的理解更加深深刻和准确。因因此，通过毕毕业设计实现现了预期目标标。致谢我由衷的感谢我我的指导老师师陈对我的学

34、学习、工作、以以及课题的研研究和论文撰撰写过程中面面临的问题所所给的细心指指导和无私帮帮助，也感谢谢教研室全体老师、支支持我的其他他老师和同学学对我的热心心帮助。谨向审评本文的的各位专家、老老师致意！ 20077年月日日参考文献献1 刘德满满 尹朝万.机器人智能能控制技术.东北大学出出版社,200012 E.HH.尤列维奇奇.机器人和和机械手控制制系统.新时时代出版社,20013 宗伟刚刚.机器人机机械系统原理理理论方法和和算法.机械械工业出版社社,200334 Shiimon YY.Handdbook of Inndustrrial RRobotiicsM.John Wileyy and S

35、ons,20005 张福学学.机器人学学-智能机器器人传感技术术.电子工业业出版社,220006 刘宝廷廷 程树康.步步进电机的驱驱动与控制.哈尔滨工业业大学出版社社,19911附 录 1Mechaniical ddesignn The briief inntroduuctionn of mmechannical desiggn Design proceess Machinee is tthe coombinaation of orrganizzationn and otherr elemments , chaanges, trannsmitss or uuses eenergyy and f

36、orcee for benefficiall use or spport eexamplle hass engiine, tturbinne, veehiclee, hoiist, pprintiing maachinee, wassher aand ciinecammera .It iss not the ffinishhed prroductt of ggenuinne macchine that a lott of pprinciiples that applyy to mmachinne dessign aand foorce llaws aalso aapply to , is frrom thhe filles cuupboarrd andd coveer of wheell hub to apppearaance aand nuuclearr presssure vesseel. Thhis teerminoology ofmeechaniical ddesignn iss moree moree geneeralizzed thhan mmachinne dessign, it ,incluuding machiine deesign. For some instrrumentts, if