2023年本科毕业设计指导书机器人(刘志强)

机电学院毕业设计指导书课题名称专业指导教师

五自由度机器人构造设计及动态性能仿真机械制造系机械设计制造及其自动化刘志强一、毕业设计题目题目名称：五自由度机器人构造设计及动态性能仿真40多年来快速进展起来的一门综合性学科，它综合了机械学、电表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术进展最活泼的领域之一。机器人的争论、制造和应用，正受到很多国家的广泛重视，是一个国家科技水平和度，提高劳动生产率。它的环境适应力量强，能够在水下、太空、真空、辐射以及剧毒等任何危急环境中工作，使人类的生命安全和安康得到保障。随着争论的深入，人们不断觉察机器人技术的潜力，对它的应用已经逐步渗透到了人们生产和生活的各个领域中。41.2.3.4.驱动源。10一起，也可承受齿轮、带、链条等间接传动装置。意义和应用前景。建机器人主体装配图，如图1-1所示。各关节回转运动都承受步进电机与谐波齿轮减速1-1二、设计参数395mm，肩关节轴线到肘关节轴线长度为180mm，200mm227mm。三、设计要求1、功能性的要求基座是整个机械手的根底,对全部运动件起支承作用，底面固定在根底上,转筒上安2、适应性的要求机器人手爪能够到达工作空间的任意位置，动作敏捷，工作空间大，在作业空间内由度属于局部自由度，不考虑在内。3、牢靠性的要求牢靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概作必需牢靠。4、寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连便于更换。5、经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造本钱中学到的根本设计思想贯穿到设计中。6、人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，包括操作方廉价人，调整省力有效，照明适度，显示环节的设计要便利人体接近，便利工具的使用。7、安全保护和自动报警的要求按标准要求，实行适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必需死、工件不到位、突然断电等状况，要设置报警装置。四、设计步骤及工作量1、明确设计任务，收集分析资料认真阅读设计任务书，明确设计任务，查找收集有关资料，进展认真分析争论，了解机器人的构造和工作原理。2、总体方案设计选择运动方式，手臂配置形式，位置检测，驱动和掌握方式等。3、技术设计依据总体方案的构造形式，进展机器人的构造、运动形式的选择、机械系统设计、机身和臂部设计、手部机构的设计、驱动系统方案设计等。4、图纸设计计。5、Pro/E依据设计要求和技术设计的结果，应用Pro/E实体设计技术，对机械手进展实体造型设计。6、建立机器人的Pro/E装配模型，将模型导入ADAMS中，对模型进展动态性能仿真争论，分析争论仿真结果和系统设计合理性。7、编制技术文件按规定要求，编制设计计算说明书，预备毕业辩论。〔二〕1、构造设计、绘图，按学院要求，工程绘图量一般不少于折合成图幅为A0号的图纸313为培育工程素养，要加大绘图量。2〔40页以上1025000个汉字。五、参考设计方案1、底座设计方案依据机械手动作要求，结合已学学问，列出底座动作要求的各种方案，进展比照分析，主要考虑：技术可行，构造布局合理，工艺合理性，经济性好。作为参考，列出液压驱动方案、电机驱动方案、电机直接驱动方案和电机驱动外啮合齿轮方案。〔一〕1、传动原理准油缸型号确定安装方式。外筒体为旋转件，通过轴承支承在内筒体上。内筒体安装于基座地基上。2、液压系统的设计计算教材。方案构造说明：底座的构造形式承受圆筒状构造，分为内、外筒体两局部。、内筒体为固定支撑件，固定在地基上，并通过轴承支承外筒体；依据上述计算的结果，对内筒体进展构造设计。、外筒体为旋转件，通过轴承支承在内筒体上；依据上述计算的结果，对外筒体进展构造设计。、确定内外筒体的支承方式，选择轴承型号；、外筒体上安装有驱动齿圈，齿圈与外筒体刚性连接；、外筒体旋转由齿条油缸与齿圈啮合带动外筒体转动。外筒体通过法兰与大臂相连接，并拖动大臂转动；、齿条油缸固定在机座地基上，通过计算确定油缸的直径及行程、安装方式，选择标准油缸型号。〔二〕电机驱动动齿圈方案1、传动原理支承在内筒体上。内筒体安装于基座地基上。2、传动计算与电机的选择依据工作要求计算总传动比，计算公式如式〔1-1：ni 〔1-1〕总0.2560zi i 2总 电机 z1

〔1-2〕nr/min；i总为总传动比；i为电机自带减速器的传动比，Z2机等。方案构造说明：底座的构造形式承受圆筒状构造，分为内、外筒体两局部。、内筒体为固定支撑件，固定在地基上，并通过轴承支承外筒体；依据上述计算的结果，对内筒体进展构造设计。、外筒体为旋转件，通过轴承支承在内筒体上；依据上述计算的结果，对外筒体进展构造设计。、确定内外筒体的支承方式，选择轴承型号；、外筒体上安装有驱动齿圈，齿圈与外筒体刚性连接；、外筒体旋转由电机齿轮与齿圈啮合带动外筒体转动。外筒体通过法兰与大臂连接，并带动大臂转动；，无论承受何种制动方式，必需设计有定位挡块，确保定位准确。〔三〕电机直接驱动方案直接带动第一轴输出，实现腰部回转运动。〔四〕电机驱动外啮合齿轮方案图1-2腰部回转方案 图1-3腰部回转方案级减速，然后经一对齿轮传动二级减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部实现回转运动。2、机械系统设计机器人机械系统设计主要包括确定机器人驱动方式、关节驱动方式、材料选择、零部件设计几个方面。机器人驱动方式机器人驱动方式有电动、液压和气动三种。一台机器人可以只用一种驱动方式，也严格的工业机器人和各种微型机器人。关节驱动方式DD人(DirectdriverobotDDR。DDDD的驱动力矩。材料的选择选择机器人本体材料，首先要满足机器人的性能、设计和制作要求。机器人常用材料有以下几种：14～5E2铝、铝合金及其他轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量EE／ρ之比仍可与钢材相比。3料的缺点，但价格昂贵。

比，而且没有无机复合材4金属零件连接的接合部需特别设计。5

比，但存在老化、蠕变、高温热突出的阻尼大的优点。在高速机器人上应用较多。6粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方用粘弹性大阻尼材料，对原构件进展约束层阻尼处理。选择机器人材料时，要综合考虑材料的抗振性、强度、刚度、重量、弹性、外观、性和可加工性格外重要。手部机构的设计手部机构分类〔或〕两种。其中回转式为根本形式，它构造简洁、制造简洁、应用广泛。而移动式包括内撑式和外夹式，二者区分在于夹持工件的部位不同，手爪的动作方向相反。手爪的工作原理用外侧面卡住物体。置才能保持物体的位置不变。1-4所示，电机带动左端丝杠使之向左移动时，其他的杆件杠向右移动时，手指闭合。通过作图法可以确定手指运动后停留的具体位置。图中大写字母表示初始位置，小写字母表示运动后的位置。由于手爪末端的三角形手指可看作是与连杆AE焊接为一体的刚体，当连杆AE的位置确定后，三角形手指的位置也就确定了，所以图中未画出。BD杆可看作机架〔实际上是手腕局部，手爪在抓取物体前，大臂、小臂与手腕已经到达指定位置而固定不动固定不动Ff时,fFCbcbBAa,e也可以确定。aedbcfh为移动后手爪的姿势。1-4手部机构设计时的留意事项1常的抓放工作。2防止工件在移动过程中脱落。一般取N ，G是被抓物体的重量。3度，因此在设计时应当着重考虑。4力求构造紧凑、重量轻和效率高。5具有肯定的通用性和可换性。手爪的设计方案破坏。承受软抓取方式，手爪内外表安装有性能较为稳定的滑觉传感器。此种传感器具有手爪在抓取未知属性的物体时自动确定最正确握紧力给定值的功能。根本原理是在手爪握紧力缺乏时，自动检测目标和手爪的相对滑动同时输出检测信号，收到该信号后，手爪在不损害物体的前提下，渐渐增大握紧力，直到目标停顿滑动，信号消逝，握紧力不再变化。滑觉传感器可实现简洁的识别功能，对被抓目标进展外表粗糙度争论的机械手爪在抓取方向上没有单一性，选择球式全方向性传感器。爪和左右旋丝杠平移型手爪。本次毕业设计中，可承受以下三种方案：方案〔一〕楔块杠杆式回转型手爪抓紧动作：当驱动力推动楔块4前运动时，由于杠杆6的作用，使两手指产生抓紧动作，由手爪的几何关系求出其夹持力。放松动作：由弹簧7完成，当驱动力去掉后，楔块4向上移，由弹簧的弹力使杠杆产生放松动作，从而松开工件。装在杠杆上的滚子与楔块之间为滚动接触，摩擦力较小，活动敏捷，夹紧力FNFP之间的关系为；FcF PN 2bsin

〔1-3〕式中各字母的含义：α：楔块的倾斜角。由于构造缘由，手爪松开的距离不会很大，所以只适用于工件尺寸变化不大的夹紧力不是很大。但该种构造简洁，适用于轻载场合。方案〔二〕连杆杠杆式回转型手爪夹紧和松开动作：当驱动器驱动杆4移动时，由杆4、连杆2、抓和夹持器体3组成四杆机构，使手指完成夹紧和松开动作，此构造的夹紧方式产生较大的夹紧力，缺点是手抓的张开角小。PFNFP

之间的关系为；FcF P N 2btan

〔1-4〕式中各字母的含义：c：杠杆上两销轴之间的距离；b：杠杆上固定销轴至爪间的距离；1、缸1、缸体 2、活塞 3、弹簧 4、楔块 5、滚子 6、杠杆 7、弹簧 8、杆1楔块杠杆式回转型夹持器1、杠杆 2、连杆 3、夹持器体 4、杆2连杆杠杆式回转型夹持器方案〔三〕平动型夹持手爪手爪夹紧力的分析与计算如图1-5所示，当电机驱动丝杠向右移动时，手爪开头闭合。当丝杠产生的驱动力PFCP1P2P1=P2。其方向沿连杆两铰链的连线，与竖直方向成角，依据丝杠的力平衡条件F0列方程得P 2P1

sin 〔1-5〕解得 P P1 2

P

〔1-6〕FCABCP”P”与P大小1 1 1相等，方向相反，即P”P。假设工件对钳爪的反作用力为N”〔N大小一样，1 1方向如下图，N”Bb，P”BhBC杆长为c对1B点列力矩平衡方程M

B0得

P”hN”b1hN” P”b 1由图易知 hccos N”N联合上述力平衡方程可解得手爪夹紧力：N c2b

P ctg。 〔1-7〕明显，假设手爪尺寸c、b和驱动力肯定时，夹紧力N与角的余切值成正比。当角较小时，可获得较大的夹紧力。当0时，使手爪闭合到最小位置，假设夹紧力还不能夹紧工件，此时丝杠再向左移动时，手爪会向相反方向松开。为了避开这种状况的发生，不同外形和尺寸的工件需更换不同尺寸的手爪。假设工件允许有少量的尺寸变化总是大于零便满足要求。否则，需实行其它形式另行设计手爪。腕部构造的设计

1-5手爪受力分析机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。它被安装在前臂杆的末端，用于调整末端执行器在工作空间的方向，是机器人不行缺少的重要部件。它的构造和功能主要取决于组成手腕关节自由度数、类型、不同类型关节的组合方式和驱动形1-6所示，腕部要有翻转〔Rol、俯仰〔Pitc〕和偏转〔a〕、P、Y但在特别状况下，也有少于三个自由度的状况。有时承受具有两个自由度的腕部构造：翻转和俯仰或翻转和偏转。此时尽管会降低手腕的敏捷性，但构造上大大简化，可以提高机器人的总体性能。人的工作性能。设计腕部时一般要考虑以下几个方面的要求：构造紧凑、重量轻。动作敏捷、牢靠、平稳，定位精度高。强度、刚度高。设计合理的手臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。能依据工作需要更换手爪，便利装卸和修理。1-6手腕的自由度〔〕b〕〕〕腕部坐标系如图1-7所示，腕部的根本构造设计可选择三种方案。第一种方案腕部具有俯仰和偏转两个自由度，手爪在工作空间中不能进展翻转运动，所以手爪在抓取物体时的方向调整受到了限制；后两种方案腕部具有俯仰和翻转两个自由度，两种关节的排列方式相反B关节与小臂联结，R转过一样角度时会增大手爪末端的定位误差。综上所述，腕部的根本构造承受第三种方案，手腕翻转关节安装在小臂末端，驱动局部可以安装在小臂内部，从而到达了节约空间的目的，使得整个机器人的构造更加紧凑，工作性能也会有很大提高。手部设计

1-7手腕构造的三种方案手指：手指外形主要由其工作场合而打算，在不同的工作场合下，手爪可能抓取不同外形的物体或工件，从而打算了不同的手指外形。手指设计中，手爪抓取对象为一些外形比较规章的物体，以鸡蛋为例，假设手指张开最大距离与鸡蛋外围最大直径〔图中未画出1-8所示。平行连杆机构：连杆机构在机械系统设计中是一种常常用到的用来传递运动场合。六、Pro/E实体造型设计

1-8手指及抓取鸡蛋示意图如下：〔格式为.prt、轴承、驱动电机及谐波减速器等。Pro/E3D.asm)，七、机械手动态性能仿真分析将模型导入ADAMS中，对模型进展动态性能仿真争论，分析争论仿真结果和系统设计合理性。具体的仿真条件：机器人初始位姿手臂伸直，手爪末端承受载荷呈张开状态。10s，腰部、大臂分别旋转-90°，小臂旋转-45°，腕关节的两个自由度分别旋转-9045°。然后手爪闭合，历时5s，其它各连杆保持静止。腰部旋转45°，大臂旋转90°，小臂旋转-15°，历时5s。40°，90°，历10s。仿真过程完毕。八、图纸设计依据构造设计和计算的结果，进展图纸设计。制图工作量不少于学院规定。图面要号应在明细表中注明。编制设计计算说明书的根本要求：1、设计计算说明书按统一格式打印装订。2、设计计算公式和参数选择正确，并注明出处，计算过程清楚、正确，单位统一，符合国家标准规定。九、学问预备本设计涉及机、电、液各方面内容，可进展机械系统设计力量的训练、设计计算力量的训练、机械构造设计的训练、电器掌握系统设计力量的训练、液压系统设计计算和语的训练，学问涵盖面广，综合力量训练比较全面。涉及到已学学问有：机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、工程材料、机制工艺、机电传动与掌握、液压传动与掌握、Pro/E中应用到相关内容时要进展复习。十、此题目的重点和难点以及与同组其它学生所做题目的关系本设计的重点：机械构造设计，Pro/E培育和提高初步设计力量。准零部件，查阅设计手册，培育实际力量。每个学生所做题目都不完全一样，但各局部之间又有相互联系，设计中要有总体思想，留意和其他学生之间的接口联接。底座是机械手有根底，留意上部与大臂的联接方式。十一、指导方式和进度安排学生设计的困难的，或设计中有什么问题，可随