【《五自由度分拣机器人的运动控制策略研究》16000字】

五自由度分拣机器人的运动控制策略研究些工作环境恶劣，重复繁琐的工作。列如物品的分拣，这工作需要工人长时间待在一个地方，眼睛长时间高度集中，手上重复着同一个动作。机器人作为一种生产效率高、重复工作能力强、适用机器人被用于化工、食品、机械、冶金、食品、快递等多本文设计一款五自由度的多关节型机械手进行后臂，手腕，夹具为基本结构进行设计，包括对坐标形式、传动方式和驱动方式进行论证，确定相关方案。根据任务要求，对关键部件进行受力分析校核，保证强度刚度满足要求，计算出机器人运动所需要的转矩目录1绪论 4 4 4 5 6 72总体方案设计 8 2.2分拣机器人的技术指标 82.3机器人的构型确定 822.4机器人总体设计方案 2.5机器人的机械传动原理 2.6本章小结 3底座机构的设计 3.1底座的设计要求 3.2底座的结构设计 3.3驱动电机的选择 3.4齿轮设计与校核计算 3.4.1高速级齿轮设计与校核 3.4.2低速级齿轮设计与校核 3.5轴的设计与校核计算 3.5.1输入轴的设计与校核 3.5.2中间轴的设计与校核 3.5.3输出轴的设计与校核 3.6本章小结 4臂部的结构设计 4.1臂部的设计要求 4.2大臂的设计 4.2.1大臂结构设计 4.2.2大臂驱动电机的选择 4.2.3大臂轴的设计与校核 404.3小臂的设计 4.3.1小臂的结构设计 434.3.2小臂驱动电机的选择 434.3.3小臂轴的设计与校核 44.4本章小结 5腕部和末端执行器的结构设计 475.1腕部设计的设计要求 5.2腕部的设计 5.2.1腕部的结构设计 475.2.2驱动电机的选择 485.2.3腕部轴的设计和校核 485.3末端执行器的技术要求 5.4末端执行器的设计 5.4.1夹手的设计与计算 5.4.2执行器回转设计与计算 5.5本章小结 41绪论由于我国经济和科学技术的快速发展，居民生活水平的不断提高，工作人员对工作环境以及舒适度的要求越来越强烈，人们已经不愿意从事枯燥无味、繁琐、重复性高、劳动强度大的工作。同时随着社会的不断进步，市场需求的不断的扩大，人类对生产力水平的需求越来越高，生产力的高水平意味着单纯依靠人力劳动己经无法满足生产速度和生产质量的要求。我国在目前的实际生产中，大部分中小型企业为流水线作业，生产流水线当中，主要环节有上下料、分拣、包装、码垛、搬运等，其中分拣作业是大多数流水生产线上的一个重要环节(陈思远，朱佳妮，2022)。随着各个行业的不断发展，产品的生产对于分拣的要求在不断提高，不同的行业往往会提出不同的要求。机器人作为一种生产效率高、重复工作能力强、适用性广的自动化设备，机器人产品己经广泛地运用在工业生产以及人类生活服务等各个领域，如化工、食品、机械、冶金、食品、快递等领域。相对于人工分拣，分拣机器人往往具有高速度，在此类情况中高质量以及可以在某些特殊工作环境下进行分拣工作的特点 劳累，可以连续、稳定运行，可以在一些不适合人工工作的高温场所，或者空气中有不利于人体的物质存在的场所工作，有些机器人可以分拣比较重的物体等等。综上所述，在许多行业中，采用分拣机器人代替人工分拣已经成为当前生产环境下的发展趋势，替代人们从事重复性高、繁琐枯燥的工作，降低劳动强度、提高以美国、日本、级欧洲为代表的发达国家，在分拣机器人的引用上呈现自动化程度越来越高的特点，这在一定尺度上呈现自动化分拣已成为发达国家大中型物流中心，配送中心或者流通中心不可缺少的一部分，其主要特点有三：能5连续、大批量地分拣货物，分拣误差率极低，分拣好适应了国外企业对减少人员使用、减轻员工劳动强度、就国外进行配送业务的行业或企业来说，分拣机拣效率，在日本和欧洲也得到广泛应用(丁志鹏，何雅婷，2021):这在一定情版品也利用高端的机器人自动分拣机拣货(杨致远，何嘉诚，2021)。沿，现在的工业机器人技术可以说基本集中在估摸出在日本，它的关键性部件——减速器是遥遥领先的强的技术壁垒；德国的工业机器人原材料、本体零部件具有很大的优势(江景轩，赖俊杰，2022);由于发达国家的劳动力出现地比较早，环境的因素也促使他们很早就开始发展工业机器人，从而形成了先发的世纪50年代已经提出了“工业机器人”的概念；而日本在70年代就已经形成了工业机器人产业化的发展(谭永福，马春霞，2019)。在于前文之分解他们有深厚的技术积累，包括一些关键部件的核心技术看，日本的产能达到66%,它的保有量大概每万人300多台(冯志刚，谢海涛，2022);在上世纪70年代时，我国便从国引进自动分拣技术。通过引进国外先进的自动分拣生产线，然后不懈的学习其先进技术，在拥有了一定的自动分拣技术的理论基础和生产实践经验后，逐步具备了自主开发的能力。以上述分析为依据在中国科技人员经过多年的不懈努力、不断摸索上，现如今我国在机器人分拣方面取得了重大突破，且能够根据需求不断开发出新产品来适应当今企业的生产要求(段浩淼，阙泽霖，2024)。本模型的显6著亮点在于其灵活性与可扩展性的结合。鉴于研究背景与需求的多样性，本文在设计时强调了组件间的模块化，以便根据实际需求灵活调整或替换，同时不影响整体结构的稳固与高效。这一创新策略不仅增强了模型的实用性，也为后续研究者打造了一个开放的研发空间，鼓励他们基于现有框架进行二次开发或例如广州数控数控公司研发的四轴并联分拣机器人，结构轻巧，反应林敏，精度高，在视觉系统引导下能对物体进行快速抓取，在这样的大环境里被目前，在国内很多工厂的生产线上工件分拣仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使器人技术，设计用一台分拣机器人代替人工工作，以提高劳动生产率是非常有我国的工业发展技术随着改革开放以来得到了快速的提高，因此人工智能技术的研究与生产已成为当代发展的核心追求，在此类情况中我国的智能机器行业正面临若新的机遇和挑战(邵嘉伟，樊慧妍，2021)。大众已经明白了分拣机器人在各个领域的重要性，研究和制造机器的视觉技术不仅可以提高机器人对外界环境的感受能力还可以极大的减轻工作人员的负担，让他们从繁杂无味的工作环境中解放出来。机器人的总体方案设计，根据分拣的物料、离地面的高度，分析机械臂的长度和各个关节的运动方式，来确定机械臂的总体结构方案：底座：用于支撑整个机器人，这在一定尺度上呈现有一个自由度，可以控制整个机器人的回转运动。臂部：用于连接底座和腕部，能进行运动，调整腕部的位置，机器人的工作范围主要是由臂部限制。腕部：用于连接臂部和末端执行器，同时可以改变末端执行器的位置。7末端执行器：与腕部连接，这在一定情况下反映了用于夹取工件，直接与工件接触。驱动系统：为机器人各个部件提供动力，驱动机器人的运动，包括电机驱动、液压驱动等动力系统和机械传动，液压等传动方式。对机器人的各个部件进行设计，根据工作任务，选择合适的结构，对重要的零部件进行计算校核。本章节主要介绍了分拣机器人的现状和发展，了解了目前分拣机器人的技术水平和应用行业，对我们的各个行业生产和人们的日常生活产生的影响。根据目前的有关资料，确定分拣机器人需要设计的内容。82总体方案设计根据具体的工作要求，考虑设计的合理性，选择设计多关节型机械臂来完成工作任务，确定了工作的范围，结构的尺寸，末端执行器的最大承受负载，取件移动的速度等技术指标。具体如下(段云翔，欧阳菲，2018):(1)大臂长度加底座的高度约1500mm,小臂的长度约800mm,大臂小臂转动范围为±90°,旋动速度为6r/min。(2)腕部和末端执行器重量约为15kg,从这些表现可以估摸出工件的重量约为10kg,取件时工件对末端执行器的作用力为100N,执行器能够承受的最大负载为300N。(3)机械臂取件速度为6件/min。查阅相关资料，如果以运动的结构坐标系为分类标准，工业机器人可分为(1)直角坐标型：有三个自由度，在于前文之分解三个相互垂直的轴控制末端执行器的位置。虽然定位精度高，响应速度快，但是这种结构的机器人需要的工作空间较大，占据了过多的面积，而且操作的灵活性较差，如图2.1所示9(2)圆柱坐标型：主要有三个自由度分别是直线升降、圆周旋转和水平运动。这种结构的有点是动作过程中比较平稳，负荷变动少，。缺点是动作的区(3)球坐标型：由一个回转和两个平移的自由度组合构成，这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。在此特定时刻不难看出这一点主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间，如图2.3所示(李煜宸，周慧敏，2022)。本文在既有理论的基础上，构筑了此次的模型架构，无论是在信息流动路径还是数据分析方法上，都体现了对前人智慧的尊重与传承，并在此基础上进行了创新。在信息流程的设计上，本文借鉴了信息处理领域的经典理论，确保信息从收集、传递至分析的每一步都高效且精确。通过严格把控信息源及执行标准化处理步骤，信息的可靠性得到了切实保障，同时也更加注重信息流的透明度与可追踪特性。(4)多关节型：多关节型机器人有多个关节，有着多个自由度。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。鉴于这一情形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、针对本次系统中机械手的任务要求，以及提高系统结确定负载主要是用于确定各个结构需要的承载能力和保证能够承受得住自身和其他部件的负载，在这样的大形。测出各个部位的中心到运动关节的距离，根据负载算出转矩，选择合适的2、驱动方式机器人的各个关节采用电机驱动，电机驱动的精度高，调速方便，响应末端执行器采用液压驱动，液压驱动的动力常见的传动方式有圆柱齿轮，同步带和链传动，蜗轮根据本次设计的机器人的结构，选择采用齿轮传动的方式4、工作范围机器人最大工作范围主要由臂部大小确定，在此类情况中需要根据分拣任务的要求，确定臂部的尺寸，确保机器人在5、运动速度工业生产中对于机器人的生产速度有很高的要动产生的震动越大，这在一定尺度上呈现对机器人择合适的驱动方式和传动方式，尽可能保证机器人工作的机器人的运动速度，不同的任务对精度要求不一定相同，需要选择合适的速度机器人的本体结构组成如图2.4所示，一共5自由度，每个自由度都有一底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进应有足够的强度、刚度和承载能力。这在一定情婷，2021)。关节机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。小臂部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等(高梓铭，吕俊杰，2022)。本章节确定了机器人的整体方案，设计一款五自由度的关节型机器人来进行分拣任务。从这些表现可以估摸出初步确定了机器人的尺寸大小，承受负载，工作速度，驱动方式等。接下来在满足工作要求的前提下尽可能减少成本，对机器人各个部件进行设计。3底座机构的设计机器人的底座主要是用于带动整个上部机器人转动，行器、工件的重量，同时在底座内部设计一个二级减计算机器人上各部件的转矩，以选择合适的电机，关表格，确定齿轮的几何参数和尺寸。机体不参与机器人动作，生产工艺要求不高，可选用HT250灰铸铁制造。灰铸铁在凝固时收缩率小，具有良好的韧性。通过这种方式制作的箱体可以提高机体本身的稳定杂问题或新领域时，需要足够的时间来观察和分论。尽管本研究已取得一些初步发现，但要对所实，还需更长时间的跟踪研究和反复实验。这不仅有助于消除偶然因素的干扰，还能确保研究成果具备更高的可信度和广泛的适用性。此外，技术手段的发展状况也对结论的核实过程产生重要影响，随因箱体整体结构尺寸取决于内部各部件的配合情况，其形状比较复采用铸造方式制造，在此特定时刻不难看出这一点连接电轮轴的联轴器，通过锥齿轮与输入轴的端啮合来满足入、中间、输出三轴垂直放置，实现两级减速传动。因齿轮悬置，需要使用圆底座的结构如下图3.1所示。3.1底座示意图M摩擦≈0.1MJ细杆=ml²通过solidworks软件建模分析得底座传动部件的总质量约为50kg,半径约为45kg,大臂部分的质心和肩关节之间的最大距离大约是：通过solidworks软件建模分析得小臂部分的总质量大约为28kg,小臂部分腕部和末端执行器的质量总共约为25kg,在这样的大环境里末端执行器和输出轴工作时，通过观察能够推断其旋转角速度w=36°/s,ts将数据带入公式(3.5),(3.4)得：将数据带入公式(3.1),(3.2)得：M电机=M/iη=36.558N·m选择二级圆柱齿轮减速的传动比i=972=0.98—一齿轮传动效率73=0.98—一轴承传动效率代入式(3.5)得到：总传动比i=i×i₂=9,翻阅机械设计手册，可取：高速级传动比i=3,低速级传动比i₂=3代入式(3.6)、式(3.7)得：代入式(3.8)得：选取上海研一重工机械有限公司180系列伺服电机。额定转速为2000r/min,3.4.1高速级齿轮设计与校核(1)选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数这在一定尺度上呈现由文献27中表10-1小齿轮材料选用45Cr(调质),表面硬度为280HBS,大齿轮材料选用45钢(调质),这在一定情况下反映了表面硬度为240HBS。选择7级精度，在数据探索阶段，先前研究的启示要求本文深度学习算法等尖端工具正逐步成为科研实践的关了数据处理效率，还能发掘传统方法难以触及的深层信息与规律。因此，在后续研究中，本文应致力于探索将这些先进技术融入分析流(2)按齿面接触疲劳强度计算Z₆—一重合度系数ZE—一弹性影响系数[σH]—一接触疲劳许用应力确定上式中各参数：试选载荷系数K,=1.3,小齿轮传递的扭矩为T=34.221N·m查文献27表10-7,选齿宽系数φa=1;查文献27表10-5,得弹性影响系数查文献27图10-21d,得小齿轮接触疲劳强度极限为σHlim=600MPa;大齿轮接触疲劳强度极限为σHlim2=550MPa。n—一输入轴转速L₆——工作时间双向转动，取j=2代入式(3.10)得(魏博文，钱梦婷，2021):N₁=60njLh=8.640×108次N₂=N₁/i=2.187×108次查文献27图10-25,从这些表现可以估摸出得接触疲劳寿命系数计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1,则设计公式中代入[ø],中较小值，取525MPa计算齿宽bb/h模数齿高代入式(3.11)得：K=KKAKHaKHβ查文献27图10-8,得：查文献27表10-5,得：KHα=KFa=1.2查文献27表10-2,得：查文献27表10-4,得：KHβ=1.420K=KK,KHaKHβ=2.13在此特定时刻不难看出这一点按实际载荷系数修正d,计算模数m:KFN—一弯曲疲劳寿命系数由文献27图10-24c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限σFlim=500MPa;大齿轮以上述分析为依据由文献27图10-22取弯曲疲劳寿命系数KFN₁=0.86,试选KF,=1.3查取齿形系数，由图10-17得：大齿轮对应数值大，取大齿轮数值，将以上数值代入(3.14)得：取m=2,前面通过接触疲劳强度算得分度圆直径将模数、齿数代入式(3.15)得：将d₁,d₂代入式(3.16)得：齿轮宽度由式(3.17)得：因为在齿轮在安装过程中肯定会存在误差，鉴于这一情形因此为了保证齿b₁=57mm,b₂=50mm(3)通过齿根弯曲疲劳强度来进行计算校核[σF]=310.358MPa[σF]₂=149.635MPa(4)通过齿面接触疲劳强度来进行计算校核3.4.2低速级齿轮设计与校核(1)选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数(b)由文献27表10-1小齿轮的材料为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿轮的材料为45钢(调质),硬度为240HBS。通过观察能够推断选择7级精度，前述阶段性研究成果与计算结果与前文综述中的结示了本研究在方法论层面的有效性和稳固性。这种一致不仅验证了先前研究的论断，也为现行理论架构提供了额外的证据。凭借周密的研究规划、资料与分析手段，本文能够复现过往研究的关键成果，并在此基础上进行深度剖析。这不仅增强了对研究假设的信赖度，也彰显了所采纳研究方法的科同时，这种一致性为跨研究间的对照提供了依据(2)按齿面接触疲劳强度计算查文献27表10-7,选齿宽系数查文献27表10-5,得弹性影响系数查文献27图10-25d,从这当中不难看出查得小齿轮接触疲劳强度极限为N1=60njLh=2.187×108次N₂=N₁/i=0.720×108次查文献27图10-25,得接触疲劳寿命系数KHN1=0.95,KHN₂=1.10;计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1,则：设计公式中代入[ø],中较小值，取570MPa.得：计算小齿轮分度圆圆周速度v计算齿宽b计算齿宽与齿高之比b/h齿高h=2.25m,=5.261mm计算载荷系数在此类情况中查文献27图10-8,由v=0.255m/s,7级精度，得：查文献27表10-2,得：K=KAK,KHaKHβ=1.937由式(10-5)得：查取应力修正系数，由文献27图10-18得：诗，2021):取标准值m=5,这在一定情况下反映了前面通过接触疲劳强度算得分度圆得小齿轮的齿数取z₁=25大齿轮齿数z₂=uz₁=75齿轮宽度因为在齿轮在安装过程中肯定会存在误差，因此为了保证齿宽和节省材料，将小齿轮的齿宽略为增大(5～10)mm,(3)通过齿根弯曲疲劳强度来进行计算校核[σF]=303.571MPa[σF]₂=238.851MPa宇，黄子谦，2022)。(4)通过齿面接触疲劳强度来进行计算校核(1)求输入轴上的功率、转速、扭矩(2)初估轴直径从这些表现可以估摸出轴的材料选用45号钢，经过调质处理，查表得A₀=120,式(3.20)得：因为在轴上有键槽，所以这段轴的直径需要增加5%~7%,所以取：(3)轴的结构设计先前计算得出的齿轮直径与轴的最小直径相差不大，在于前文之分解因此将轴做成齿轮轴，轴的结构尺寸如图3.5所示(孙雨晨，刘悦婷，2021)。在挑选数据分析手段时，本文不仅沿用了经典的统计方法，如描述统计、回归技术等，还吸纳了近年来迅猛发展的数据挖掘技术和算法。例如，本文采用聚类分析来识别数据中的潜在模式，或利用决策树模型来预测未来趋势。这些先进手段为深刻剖析复杂现象提供了强大支持，并有助于揭示隐藏在海量数据背后的深层关系。此外，本文还特别强调了混合策略的应用，即将定量研究与定性分析相结合，以获得更为全面的研究视角。(4)求轴上支反力与弯矩74F₁+60FNH₂-126F₁₂=0;136F₁-60FNH₁-66F₁₂=0(3.21)将输入轴参数代入式(3.24)得：代入(3.21)、(3.22)得：在此特定时刻不难看出这一点作出输入轴垂直方向与水平方向的弯矩图图3.6输入轴的弯矩图以上述分析为依据通过弯矩图我们可知截面Ⅱ是危险截面，因此通过计算这个截面计算校核轴是否符合要求，计算结构如表3.1(魏晨彬，张奕晗，2019)。载荷支反力FFNH₁=819.2NFNH2=1667.5N总弯矩M₁(5)按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴的危险截面处的强度是否符合要求，α取1,将数值代入式(3.25)、(3.26)得：轴的材料为45钢，查文献27表11-1,[σ-1]₆=60MPa。因此σca<[σ-1],所以安全。数据收集过程中，本文实施了多种方法，比如问卷调查、实地调查及文献研究等，以多角度获取全面且详实的数据。通过对这些数据的仔细分析与处理，本文能够有力地支持研究假设，并发现其中的规律性与潜在规律。尽管本研究已取得一定成绩，但本文深知，任何研究都有其不可避免的局限性。未来的探索可在现有基础上不断推进，尤其是在样本的选择范围、研究手段的更新3.5.2中间轴的设计与校核(1)求出中间轴上的功率、扭矩、转速(2)初估轴直径轴的材料选用45号钢，在这样的大环境里经过调质处理，查表得A₀=120,因为在轴上有键槽，通过观察能够推断所以这段轴的直径需要增加5%~7%,所以取：(3)轴的结构设计先前计算得出的齿轮直径与轴的最小直径相差不大，在此类情况中因此将轴(4)求轴上支反力与弯矩-78F₁+191.5F₁₂-330FNH2=0-330FNH₁-78F₁+191.5F₂-330FN₂=0;-330FN₁+252F₁-138.5Fr₂=0代入(3.27)、(3.28)得：通过弯矩图我们可知截面Ⅱ是危险截面，因此通过计算这个截面计算校核轴是否符合要求，这在一定情况下反映了计算结果如表3.2所示。载荷水平面H垂直面VFNH=71.6N(5)按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴的危险截面处的强度是否符合要求，α取1,轴的材料为45钢，从这些表现可以估摸出查文献27表11-1,[σ-1=3.5.3输出轴的设计与校核(1)求输出轴上的功率、转速、扭矩(2)初估轴直径轴的材料选用45号钢，经过调质处理，查表得A₀=120,得：为在轴上有键槽，在于前文之分解所以这段轴的直径需要增加5%~7%,(3)轴的结构设计75.50F,+140FNH₂=0;75.50F,-140FNH₁=0(3.29)75.50F,+140FNv₂=0;341.5F,-140FN1=0代入(5.29)、(5.50)得：作出输出轴水平方向及垂直方向的弯矩图5.10:在此特定时刻不难看出这一点通过弯矩图我们可知截面Ⅱ是危险截面，因此通过计算这个截面计算校核轴是否符合要求，计算结果如表3.3。载荷水平面H垂直面VFNH₂=878.1NFw₁=846.6N弯矩M总弯矩M₁扭矩T(5)按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴的危险截面处的强度是否符合要求，α取1,轴的材料为45钢，查文献27表11-1,[-1=60MPa。因此σ<[σ-1,本章节主要是对底座的结构进行设计，底座通圆柱齿轮进行传动，锥齿轮将电机水平方向的转动转变为竖直方向，然后通过二级齿轮减速，带动机器人手臂的旋转。本文聚焦于研究中的误差通过一系列严格方法与措施，来维护数据的真实性和结果了周密的研究方案，并对可能产生误差的各类要素进行了深度分析与权衡，如环境波动、人为操作的不一致性以及测量计算的精度。采用标准化操作流程与先进技术，本文确保了数据的一致性和可验证性。为了提升数据品实施了双数据记录与交叉校验流程，有效避免了人为失误或输入错误带来的数据偏离。以上述分析为依据通过对机器人的受力分析计算，求出转矩和功4臂部的结构设计机器人的手臂分为两个部分，大臂和小臂，分别有一个自由度，可以进行俯仰运动。大臂连接底座和小臂，鉴于这一情形小臂的一端和大臂连接，另一端连接腕部和末端执行器，在整个机器人中起到承上启下的作用，底座控制臂部整体旋转，臂部自身的俯仰运动，一同控制末端执行器的位置和姿势。两个关节均采用伺服电机驱动。通过对阶段性研究成果的梳理，本文对后续研究有了新的认识。首要的是在研究路径上，本文能发现一系列可优化和革新的点。先前的研究为本文提供了宝贵的参考，让本文清楚哪些方法有效，哪些需要改进或淘汰。例如，在数据收集方面，本文应更强调样本的多元性和代表性，确保样本能准确反映目标群体的全貌。另外，针对各类研究问题，灵活应用多种数据收集技术能增强数据的全面性和可信度。机械臂在运动会产生惯性力矩，在这样的大环境里产生震动，其运动的速度越快，对机械臂造成的影响也大，主要是影响机械臂的定位精度和稳定性。然而运动速度便代表着机械臂的灵活性，因此需要兼顾多个方面的设计(丁志鹏，何雅婷，2021)。首先，机械臂的的结构要合理，运行要平稳，重复定位精度高，要保证能够完成工作任务。要有足够的强度和刚度，能够承受住各个部件的重量。在满足工作条件的前提下，通过观察能够推断减小机械臂的尺寸，采用密度小，重量较轻，刚度和强度足够的材料，例如铝合金，减小整体的质量和转动惯4.2.1大臂结构设计图4.1大臂结构图4.2.2大臂驱动电机的选择将将数据带入公式得(江景轩，赖俊杰，2022):=45×9.8×0.46+28×9.8×1.375+25×9.8×2.选取上海研一重工机械有限公司110系列伺服电机。从这当中不难看出额定转速为2000r/min,功率为1kw,自带电磁制动器；4.2.3大臂轴的设计与校核1大臂轴的设计轴的材料采用45号钢，在此类情况中材料的许用切应力将数据带入公式(4.2)得(谭永福，马春霞，2019):此轴与大臂进行连接，这在一定尺度上呈现因此轴上有键槽，在轴的后段通过M16的螺纹锁紧螺栓，防止脱落，轴的截面增大5%~7%,即dmin≥35.77～36.45mm,经校核在本次设计中取dmin=36mm。尺寸结构如图4.2所示(冯志刚，谢海涛，2022)。图4.2大臂轴的结构尺寸简图d3=45mm,此处轴与深沟球轴承6009配合滚动，这在一定情况下反映了第5段轴有螺纹，尺寸为M16,l₅=25mm2大臂轴的强度校核大臂轴的弯矩和扭矩如图4.3所示(段浩淼，阙泽霖，2024)。图4.3大臂轴的扭矩图和弯矩图在数据审核阶段，本文采用了多样的统计策略来检验数据在的异常数据。通过对数据特性的详尽分析，本文能够有离正常的数据点，同时保留了关键的样本资料。本文还通过敏感性分析来评估式中：为扭转切应力，单位为MPa;Wr为轴的抗扭截面系数，单位为d₁=12轴采用的材料是45号钢，其允许扭转切应力为[tT]=35MPa。小臂结构设计如图4.4所示。图4.4小臂结构图机的选择需要先计算出臂部在做俯仰运动时所受到的转矩M:小臂重量为28kg,小臂质心到肘关节的距离：L小臂=450mm腕部和末端执行器的总重量约为25kg,在于前文之分解末端执行器和小臂关节之间的最大距离约时：M摩擦=0.1M将各数据代入(4.4)得(张逸凡，王静怡，2023):J小臂=m小L小臂=28×0.45²=5.67kg·m²选取上海研一重工机械有限公司90系列伺服电机。在此特定时刻不难看出这一点额定转速为2000/min,功率为0.3kw,自带电磁制动器；4.3.3小臂轴的设计与校核1、输入轴的设计与计算轴的材料采用45号钢，材料的许用切应力[τ]=25~45MPa,取[τ]=35MPa根据公式：[τ]一轴材料的许用应力(MPa)以上述分析为依据因为轴上存在着两个键槽，因此轴的直径需要增加8%-小臂轴的结构尺寸如图4.5所示。d1=30mm,最小的轴径，=30mm;2、小臂轴的的强度校核小臂轴的弯矩扭矩如图4.6所示。图4.6小臂轴的扭矩图和弯矩图轴的危险截面在轴的最小轴径处，在这样的大环境里对轴的这个部位的扭矩强度进行校核。式中：为扭转切应力，单位为MPa;Wr为轴的抗扭截面系数，单位为d₁=12mm。轴采用的材料是45号钢，允许扭转切应力为[Tr]=35MPa。此段轴的抗扭截面系数为：再将数据代入扭矩校核公式，得：经过以上计算可以知道，小臂轴满足设计要求。本章节主要是对臂部的大臂和小臂的结构进行设计，先是根据工作要求设计出合理的结构完成取件任务。将设计完成的结构尺寸通过solidworks建模出来，选择合适的材料，得到臂部的质量大小，通过观察能够推断根据工作条件，受力情况，计算分析选择出合适的电机和减速器。对轴进行设计校核，确保有足够的强度和刚度能满足工作要求。为了验证与修正理论架构，本文搜集了大量且具体的数据素材。这些数据不仅涉及了广泛的研究范畴，还跨越了不同的时间点和社会环境，为理论架构的全面校验提供了坚实的依据。利用统计分析软件对量化数据进行处理，可以准确地检验原理论架构的各项假设，并发现其中的问题。未来研究将考虑引入更多变量或采用更大范围的样本，以期提高理论架构的解释效能与预测准确性。5腕部和末端执行器的结构设计腕部这一部分的设计对于整个机器人来说是非常重要的，腕部一端与小臂相连，另一端与末端执行器相连，腕部有一个自由度，能够带动末端执行器进行回转运动。在满足工作要求的前提小，腕部的结构要尽可能简单，不能过重，影响灵活性(段云翔，欧阳菲，2018)。对腕部的结构进行设计计算，从这当中不难看出同时还要进行校核，确保有足够的强度。腕部结构如图5.1所示。图5.1腕部结构图5.2.2驱动电机的选择将执行器和腕关节的重量约为25kg,长度大约为200mm,在此类情况中工件的重量大约为10kg,所以腕关节转动的转矩为：M=mgL+FL+M摩擦M摩擦=0.1M腕关节转动速度大约为N=6r/minM=68.6N·m安全系数K=1.2所以M=1.2×68.6=82.32N·m选取上海研一重工机械有限公司60系列伺服电机。额定转速为2000/min,功率为0.4kw,自带电磁制动器；5.2.3腕部轴的设计和校核1机械臂腕部轴的设计腕部回转时电机外加负载为：Mmax=83.32N.m这在一定尺度上呈现轴的材料采用45号钢，材料的许用切应力l₁=22mm,这次设计中取[z]=35MPa根据：L₁=22mm式中：d—一轴剖面的直径(mm);T—一轴传递的额定转矩(N·m);[τ]—轴材料的许用应力(MPa)。则轴的最小直径为因为轴上存在一个键槽，因此轴的直径需要增大5%-7%,即dmin≥21.36-21.77mm,取dmin=22mm。轴的结构尺寸如图4.2所示。图5.2腕部轴结构尺寸简图d₆=25mm,,l₆=12mm2、腕部轴的强度校核图5.3腕部轴的扭矩图和弯矩图轴的危险截面在轴的最小轴径处，从这些表现可以估摸出对轴的这个部位的扭矩强度进行校核。轴的扭矩校核公式为：式中：t为扭转切应力，单位为MPa;W为轴的抗扭截面系数，单位为mm³。轴的材料采用的是45号钢，其允许扭转切应力为[7T]=35MPa。此段轴的抗扭截面系数为：再将数据代入扭矩校核公式，得：经过计算校核可知，轴的强度符合要求。末端执行器直接影响着整个机器人是否能够完成任务，要确保执行器能够将工件夹起。在本设计中采用回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式，通过因此末端执行器的结构要有足够的强度和钢度，在于前文之分解在夹取过程中，执行器要承受得住夹取的力，不能够有明显的变形，重复定位精度要末端执行器在夹取工件时要有足够的力保证能够夹住工件，同时不能使工件产生明显变形，夹取工件的过程要平稳，不能有太大震度影响精度，因此采用液压驱动的方式进行控制。5.4.1夹手的设计与计算如图5.4所示，当液压油从液压缸的左边流入，推动驱动杆往右移动，带动夹爪夹紧工件；当液压油从液压缸的右边流入，推动驱动杆往左移动，带动夹爪松开工件。P查阅手册，在此特定时刻不难看出这一点得当量夹紧力计算公式为(李煜宸，周慧敏，2022):其中N′=4×98N=392N,代入公式(5.2)得：则实际加紧力为F1实际=PK1K2/η(5.3)经圆整F1=3500NL=(D/2)t₈φ取L/Rcp=3由公式(5.5),(5.6)得：取夹角2α=1209,则偏转角β=22939′5.4.2执行器回转设计与计算要求：回转±909角速度w=459/s已知：工件重10kg,长度1=650mm。设重心位于距离手指中心200mm处，即扭矩M为：2.油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩M₂带入公式(5.9)得3.摆动缸的摩擦力矩M摩F摩=300(N)(估算值)S=20mm(估算值)4.摆动缸的总摩擦力矩M5.由公式其中：b一叶片密度，这里取b=3cm;代入公式(5.1),得P=8T×byA₁-²)×10⁶=8×30.5/0.03×(0.1²-0所以=(π/4)(0.1²-0.03²)×所需液压最高压力所需液压最大流量鉴于这一情形选取CB-D型液压泵(齿轮泵)在32—此液压泵的工作压力为10Mpa,转速为1800r/min,工作流量Q在32—W=80nm/VA₁-.²b在这样的大环境里所以代入公式(5.2)得：T=0.89×0.03×(0.1²-0.03²)代入公式(5.3)得：W=(8×27×10-6)×0.85/(0.1²-0.03因此，取手部回转油缸工作压力P=1Mpa流量Q=35ml/s手部抓取缸工作压力Pi=2Mpa流量Q1=120ml/s本章节主要是对腕部结构和末端执行器结构的设计，先是根据任务要求，分析需要怎样的结构才能完成取件的任务，进行结构的设计计算。选择合适的电机和液压泵，对其进行力的分析，对关键的轴进行校核计算，确保有足够的强度。腕部有一个自由度，进行俯仰运动，末端执行器通过液压驱动手指的开本次设计的题目是分拣机器人的结构设计，在本次设计中，首先比较了各种机器人的传动方案，然后确定了总体方案，再对机析计算，选择合适的电机和合适的轴线进行校核。通过观案为：底座采用伺服电机与所设计的二级齿轮减速机进行回转运动；这次毕业设计总共花了几个月时间，设计思路相对来说还是比较清晰的，对各国的机器人进行了介绍，然后是对几个方案的思考，再参考其他成功的案例，从中吸取经验，对目前主流的机械手结构类型进行优缺点比较，最后确定采用多关节型机械手的设计。在此基础上，从这当中不难看出对自由度问题进行了探讨，在满足其功能的前提下，可以降低设计难度，五自由度机械臂便能满足我们的任务要求，因此确定总体的运动和结构方案。根据总体方案，设计了一种结构比较简单的机器人，其主要工作包括：传动方案的确定；底座、大臂、小臂、腕部的相