桌面机械臂的机械结构设计

桌面机械臂的机械结构设计

第一章绪论1.1桌面级机械臂研究现状1.1.1桌面级机械臂国外研究现状机械臂是能模仿人手和臂的一些动作功能，按固定程序抓取、搬运物体和操作工具的自动操作装置。它可以代替人的繁重劳动，实现工业生产的自动化和机械化，能在有害环境下操作以保护人身安全。从国外的发展情况来看，工业机械臂的相关设计、控制技术已经十分成熟，很多技术标准已成为行业标准，并得到业界的一致认可。桌面级机械臂这个概念是最近几年才真正提出来，是一个比较新的分类和领域，但桌面级机械臂是从20世纪五六十年代慢慢开始发展而来。如图1.1所示，这张照片显示的是世界上第一款工业机械臂，它由美国科学家GeorgeDevol研发出来，其名字为Unimate，此图拍摄于20世纪60年代，该机械臂首次被通用汽车公司使用于生产线上，去完成分拣零件这样一个十分简单的工作。图1.1世界上第一款工业机械臂Unimate正如大家可以看到的，Unimate机械臂跟我们现在常见的串联性机械臂相比，其驱动控制还是有一定的区别的。这款机械臂最早出来时完全是由液压系统驱动的，图片中有两个比较大的类似于气缸的零部件，它们负责机械臂各个关节、各个方向的运动。这款机械臂体型庞大，比一个成年人还要大几圈，质量约为几百上千斤。如图1.2所示是世界上第一款六轴工业机械臂，它由一家著名的机器人公司KUKA研发出来，名字叫FAMULUS。虽然这款机械臂现在看来非常简陋、简单，但在当时是一个很大的突破，它首次采用了六自由度的机械结构设计。当这款机械臂出现的时候，真正颠覆了之前整个机械臂的概念，是工业机械臂的雏形。图1.2世界上第一款六轴工业机械臂FAMULUS前两款机械臂都是与工业相关，当PUMA这款机械臂推出的时候，就开始把机械臂的应用领域拓展开来。PUMA是第一款被学术界广泛认可采用的机械臂，甚至于许多早期的机器人教材都是基于此款机械臂去编辑的，因为它第一次把机械臂做到了非常轻便的状态。如图1.3所示，PUMA整个手臂大约有十几公斤重，整体负载2~3kg,臂展约为400~500mm，算是桌面机械臂的始祖，对于科研院校来说，这不是一个很大型的机械设备，能够较为轻易地去完成搬运等操作，而且它也不会产生过大的空间占用，十分方便学生和老师开展机械臂的各种研究。PUMA机械臂在20世纪70年代推出，随着学术界越来越多老师和学生对机械臂开展研究，80年代伊始，工业机械臂进入迅猛发展的阶段。图1.3第一款被学术界广泛采用的机械臂PUMA从国外的发展情况来看，工业机械臂的控制技术、相关设计已经非常成熟，许多技术标准已成为行业标准，并且得到业界的一致认可。因而先后产生了众多著名的、具有影响力的工业机械臂设计生产公司，包括日本的Fanuc(发那科)、YASKAWA（安川），瑞士的ABBRobotics，德国的KukaRoboter（库卡）等，这些公司产业已成为所在地区的支柱性产业。1.1.2桌面级机械臂国内研究现状我国机械臂的研究与开发起步比较晚，相比欧美国家要晚了30年左右，于上世纪70年代起步，我国第一台机械臂于1972年在上海研发成功，随后全国各省开始研发和应用机械臂。从第七个五年计划开始，政府极大地加强了对工业机器人的重视程度，并为此项目投入了大量的资金，在众多研究人员和学者的参与下，研发并制造了一系列的工业机器人，包括：北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等[[]郭柏林.中国机械臂行业发展研究报告[]郭柏林.中国机械臂行业发展研究报告[J]中经视野,2017：15-16如今，部分科研机构、军工企业已经掌握了机械臂的设计优化制造、驱动控制系统的硬件设计、机械臂的编程与软件系统设计、轨迹规划和运动学等技术，某些关键技术接近世界先进水平，如广州数控GSK系列工业机械臂、中国科学院沈阳自动化研究所投资组建的工业机器人。目前在消费级、轻量工业级领域，来自深圳的越疆科技，便是主打桌面级机械臂的科技公司。目前，该公司主要面向轻量工业级和消费级市场用户，致力于推动桌面级机械臂的智能化升级，并且深入探究桌面级机械臂的广泛应用。越疆科技的核心成员来自山大、哈工大、中科院等国内一等的机器人人才培养基地，该团队早期扎根于工业机器人行业，已经拥有了机器人产业链的核心技术。鉴于工业机器人领域成本高昂、关键零部件价格垄断，行业竞争较大，公司选择以桌面级机械臂为切入点，一方面能够填补国内目前机械臂市场的空白，另一方面保留工业机器人性能的基础上，把工业机器人放置在桌面上实现，以降低消费者的成本和使用门槛。越疆科技目前旗下的主要品牌是Dobot，现在已经推出3代产品。其中：第一代Dobot，面向专业的极客用户，精度高，操作智能化，可支持PC、手机APP、手势、语音、体感、脑电、视觉七种控制方式；第二代DobotMagiccian，面向教育领域，负载可达500g,重复定位精度可达0.2mm，可完成写字画画、激光雕刻、3D打印等功能，通过多样化的扩展接口，可支持用户通过编程平台DobotBlockly进行二次开发；第三代DobotM1，面向创业者和轻量工业级市场，将简单操作的桌面级机械臂广泛应用到餐饮、办公、医疗等新兴领域，开启智能轻工业时代。1.2桌面机械臂的发展趋势1.高性能化对于桌面机械臂的发展趋势，首先肯定是高性能化。高性能化一定要得益于高新电子技术的发展，以及机械零部件的发展。在接下来的时代发展中，会有更多的公司推出越来越高性能的机械臂关节，这些关节会具有很好的性能和十分具有吸引力的的售价，并且会把机械臂整体的成本降低，性能做的更好。2.智能化第二个趋势是智能化。智能化主要是机械臂能够自主识别，例如Kinect、Intel的RealSence，包括其他科技公司都在研究基于视觉的自主识别方案。诸如此类的识别方案若是能与机器人配合，便能大幅提升机械臂的智能程度，因为机械臂拥有自己的眼睛，能自己认知世界。当机器人具有自主识别功能后，便可以让机械臂增添自主规划的功能，这样能使机械臂拥有自主避障的能力，甚至能帮人完成心中所想的事情，而不需要语音、遥控的方式去操纵。3.云端大数据目前大数据、数据挖掘领域正在蓬勃发展，如果机械臂能够与云端大数据结合，形成信息共享、应用共享的模式，机械臂的应用领域就好变得更多样化。目前分布比较广泛的领域是工业、艺术、服务以及教育。1.3课题的主要研究内容1.3.1研究内容1、利用Solidworks软件进行桌面机械臂的三维建模。2、设计桌面机械臂的传动机构。3、机械臂的结构优化分析和安装调试。4、完成图纸设计、材料选取、模型搭建等各个部分的设计。5、制作出桌面机械臂样机，实现拿取物品的功能1.3.2研究思路1.桌面机械臂机械设计概述桌面机械臂作为日用的机械臂产品，在设计时，考虑到系统稳定性和相应速度等因素，各个机械臂的转动惯量要尽可能的小，电机减速机构体积小、传动效率高、传动转矩大。另外就是第一轴和第二轴的设计是机械系统中比较重要的设计[[]刘宇红[]刘宇红,张明路,孟宪春等.移动机械手的稳定性及补偿方法现状与发展趋势[J].机电产品开发与创新,2008(02):5-7.2.桌面机械臂主要技术参数的确定由于桌面机械臂主要是为了满足日常生活的需要，因此在开始详细的设计之前，技术参数需要做一个大概的确定，接着根据大概的技术参数进行机械的设计，在设计大概完成的时候，需要根据设计调整技术参数。桌面机械臂的设计，有一些国外的厂家的成熟的产品的技术参数可以作为参考，也有一些国内的试验数据进行参考[[]KlasNilsson.IntegratedArchitectureforIndustrialRobotProgrammingandControl.RoboticsandAutonomousSystems,1999(29):205-226]。机械臂的主要技术参数有：有效复载、工作范围、自重、自由度、重复定位精度[[]KlasNilsson.IntegratedArchitectureforIndustrialRobotProgrammingandControl.RoboticsandAutonomousSystems,1999(29):205-226[]龚肖新,殷铭.FMS中六自由度机械手的设计与控制[J].机电产品开发与创新,2008(02):30-31.3.使用SolidWorks的simulation模块进行有限元仿真仿真技术是20世纪80年代发展起来的技术，它随着计算机科学技术的发展而蓬勃发展。目前国内仿真技术研究主要集中在：系统建模理论与方法、建模技术、仿真优化、仿真可信度研究、仿真软件开发和应用等领域[[]StefanoBattilotti,GiovanniUlivi.AnArchitectureforHighPerformanceControlUsingDigitalSignalProcessorClips.IEEEControlSystemsMagazine,1990,10(6):20-23]。我们采用国外成熟的机械设计软件[]StefanoBattilotti,GiovanniUlivi.AnArchitectureforHighPerformanceControlUsingDigitalSignalProcessorClips.IEEEControlSystemsMagazine,1990,10(6):20-23

第二章桌面机械臂空间描述与变换2.1机构运动副分析桌面机械臂由转动副组成，其结构简图如表2.1所示。表2.1桌面机械臂运动副桌面机械臂的垂直面上是一平面机构，其机构运动简图如图2.1所示。A点是桌面机械臂的底座的旋转副，B点是第二转动副，C点是臂身末端转动副，D点是夹持爪转动副。1号杆是转动副A到转动副B的连接杆，2号杆是转动副B到转动副C的连接杆，3号杆是转动副C到转动副D的连接杆，4号杆代表夹持爪。图2.1桌面机械臂机构运动简图2.2桌面机械臂自由度分析桌面机械臂是空间结构，具有三种不同平面上的自由度，图2.1研究了桌面机械臂在垂直面上的机构简图，垂直面上的自由度可根据其求出。另外在其他平面内，在底座水平面内，机械臂可360度水平旋转，此为一个自由度；夹持爪可绕水平直线左右旋转完成倒水工作，此又为一个自由度。因此在垂直面之外的其他平面，共有2个自由度。接着求如图2.1所示的垂直面上的自由度。由于在平面机构中，各构件只做平面运动，所以每个自由构件具有三个自由度，而每个平面低副（转动副和移动副）各提供两个约束，每个平面高副只提供一个约束。设平面机构中共有n个活动构件，在各构件尚未连接时，它们共有3n个自由度，而当各构件用运动副连接之后，设共有Pl个低副和Ph个高副，则它们将提供（2Pl+Ph）个约束[[]孙恒，陈作模.[]孙恒，陈作模.机械原理.[M]北京：高等教育出版社，2013:16-17 F=3n-（2Pl+Ph如图2.1所示，桌面机械臂在垂直面上共有4个自由构件，4个转动副均为低副，没有高副，可知垂直面上自由度为：F=3×4-（2×4+0）=4所以桌面机械臂总的自由度为4+2=6。2.3机械臂的位姿描述机器人操作是指通过某种机构使工具和零件在空间中运动，这就需要描述工具、零件和机构的位置和姿态。我们使用一个体系，即存在有一个世界坐标系，由世界坐标系定义位姿，或者参照世界坐标系定义位姿，这个坐标系是经典的笛卡尔坐标系。2.3.1位置描述建立坐标系之后，我们可以用一个3×1的位置矢量定位世界坐标系上的任意一个点。因为在世界坐标系中经常要定义很多坐标系，所以在位置矢量上必须要附加一个信息，表示在哪一个坐标系上被定义的，我们采用一个前置上标表示位置矢量参考的坐标系。比如，AP表示向量P的参考坐标系为A。图2.2相对于坐标系{A}的矢量如图2.2所示，坐标系{A}用两两相互正交的三个单位矢量表示，点AP用一个矢量表示，点AP在坐标系A中的坐标可表示为： AP=[PxPyP2.3.2姿态描述当空间上的点的位置确定后，我们还要对物体的姿态进行表述，如图2.3所示为物体位姿的确定。为了描述目标对象的姿势，我们将在目标对象上建立一个固定不动的坐标系，并作出该坐标系相对于参考系的表达式。图2.3物体位姿的确定我们用XB,YB和ZB表示坐标系{B}在坐标轴方向上的单位矢量，当一点在坐标系{B}上的坐标用坐标系{A}来表示时，点坐标就用AXB，AYB和AZB来表示，把AXB，AYB和AZB排列组成一个3×3的矩阵，这个矩阵就叫旋转矩阵，用符号BAR表示，称为{ BAR=[AXBAYBAZB]=X2.4坐标系变换坐标系的变换在数学上也叫映射，在机器人学中经常要表达从一个坐标系到另一个坐标系的变换，这时我们就要用到映射这个方法。坐标系的映射分为三种，平移映射、旋转映射、一般映射（平移与旋转复合）。现分别介绍其变换方法。2.4.1平移映射如图2.4所示，矢量BP表示P点在坐标系{B}中的位置，当图中两个坐标系的姿态一样时，用坐标系{A}表示P点。此时只需将坐标系{B}作平移变换，{B}相对于{A}的位置用矢量APBORG符号来表达，由此可得到矢量AP。由于图中两个坐标系的姿态完全一致，所以点P在坐标系{A}中的表达AP AP=BP+APBORG （2.4图2.4平移映射2.4.2旋转映射如图2.5所示为坐标系的旋转映射。旋转映射要用到旋转矩阵BAR。AP由X、Y、Z三轴上的分量组成，每个分量是AP在参考系坐标轴方向上的投影，因此A APx=AXB∙ APy=AYB∙BP （2 APz=AZB∙B由式（2.3）知旋转矩阵BAR的行为AXB、AYB、AZ AP=BARBP （2式（2.6）即为坐标系旋转映射方程。通过这个方程，就能把P点相对于坐标系{B}的矢量表达BP，映射成P点相对于坐标系{A}的矢量表达AP。图2.5旋转映射当坐标系的旋转处于特殊情况时，比如绕X轴、Y轴或者Z轴旋转，我们可以得到特殊的旋转矩阵公式。当坐标系绕X轴旋转角，根据式（2.3），可得： （2.7）类似地，可以得到围绕Y轴，Z轴旋转角的旋转矩阵公式是： （2.8） （2.9）2.4.3一般映射如图2.6所示，当坐标系{B}的位置相对于坐标系{A}处于一般的情况，即坐标系{B}与坐标系{A}的原点不相重合，有一个平移映射，并且两个坐标系的姿态不一致，有一个旋转映射，两个映射复合在一起便构成了一般映射。图2.6一般映射对于这样一般映射的求解方法是：第一，建立一个与坐标系{B}原点重合并且与坐标系{A}姿态一致的中间坐标系，把BP用中间坐标系表示出来，表示成BARBP；第二，利用矢量直接相加法，把中间坐标系的原点平移到坐标系{A AP=BARBP+APBORG （2由式（2.10）引出一个新的形式： AP=BATBP （2.我们把一般坐标系的映射使用一个矩阵形式的算子来表达，同时把式（2.11）写出式（2.10）的数学公式，采用4×4的矩阵表示： （2.12）式（2.12）叫作齐次变换矩阵。根据矩阵乘法，上式显然可以写成： AP=BARBP+A 1=1 （2.13）当向量相对于坐标系“向前”移动时，可以将其视为向前移动的向量或向后移动的坐标系，并且两者的数学表达式一样[[]贠超.机器人学导论.[M]北京：机械工业出版社，2006:22-[]贠超.机器人学导论.[M]北京：机械工业出版社，2006:22-232.5桌面机械臂坐标变换计算以桌面机械臂底座上表面的旋转中心作为原点，底座上表面为X-Y平面，X轴正方向是与机械臂身水平且远离机械爪的方向，Z轴正方向垂直底座向上，建立坐标系{A}。现假设机械臂前方有一物体在点P1，坐标为[300020]，单位mm，机械臂抓到P1点物体后，沿着XA方向平移50个单位，绕Z轴逆时针旋转45度角到达P2点，求AP2。根据式（2.11）和（2.12），得到旋转和平移的算子T为： （2.14）已知 （2.15）可得 （2.16）所以桌面机械臂移动到P2的坐标为[262.1212.120]。第三章桌面机械臂运动学求解3.1D-H法连杆描述D-H法是Denavit-Hartenberg提出的使用连杆参数描述机械运动关系的方法[[]张铁，谢存禧.机器人学.[]张铁，谢存禧.机器人学.[M]广州：华南理工大学出版社，2001:74-75机器人的两个轴的空间位置如图3.1所示，两个轴之间至少有一个公垂线，当且仅当两轴不平行时，只有一条公垂线。图3.1中，轴i-1和轴i的公垂线长度为ai-1，即为连杆长度。描述两个轴相对位置的另一个参数是连杆转角。作一个与两轴公垂线垂直的平面，把两个轴均投影到这个平面中，根据右手法则，从轴i-1转向轴i，两投影轴线之间的夹角即为连杆转角，即图3.1中的αi-1。图3.1连杆长度与连杆转角如图3.2所示，ai表示连杆i两端的轴的公垂线长度，公垂线ai-1与轴i的交点到公垂线ai与轴i的交点的距离长度即为连杆偏距di。公垂线ai-1的延长线与公垂线ai之间绕轴i旋转形成的夹角即为关节叫θi。图3.2连杆偏距d与关节角θ根据齐次变换矩阵及D-H连杆参数，有相邻杆件之间的位姿矩阵[[]李团结[]李团结.机器人技术.[M]北京：电子工业出版社，2009:64-65 i-1iT= （3.1）式中，=cos，=sin，其余的参数以此类推。3.2建立连杆坐标系桌面机械臂是关节式机器人，它具有6个自由度，都为转动关节，是6R型机械臂，处于同一个垂直平面内的各杆Z轴朝向一致，Z轴朝向一致的连杆没有连杆偏距。各个部件均绕其所在坐标系的Z轴旋转。如图3.3所示为桌面机械臂的连杆坐标系。如表3.1所示为桌面机械臂的连杆参数。图3.3桌面机械臂连杆坐标系表3.1桌面机械臂连杆参数iαi-1ai-1diθi10°00Θ12-90°00Θ230a2d3Θ340a3d4Θ450a4d5Θ56-90°a50Θ63.3桌面机械臂运动学求解根据式（3.1）和表（3.1）的连杆参数，可得到各相邻杆件的位姿矩阵，即======接着求出6个相邻杆件的位姿矩阵之积： == （3.2）将简写为，简写为，以此类推，则上式中12个元素分别为：============上式化简使用了二角和公式，即：====式（3.2）即为桌面机械臂的的运动学方程，它给出了计算机械臂坐标系{6}（即夹持爪坐标系）相对于坐标系{0}（即底座坐标系）的方法。第四章桌面机械臂的机身结构设计4.1机械臂运动学构型的选择机器人行业经过了数十年的研究和发展，产生了各种各样的结构类型。在进行桌面机械臂的机械结构设计之前，需要对机械臂的各种结构类型加以了解，深化对各种结构类型的优缺点的理解，从而根据我们的设计要求选择合适的运动学构型，达到事半功倍的效果。接下来我们开始介绍各种机械臂的结构类型。（1）笛卡尔操作臂笛卡尔操作臂的构型是最为简单的，它的运动形式就像笛卡尔坐标系上一点的运动，因此得名笛卡尔操作臂。如图4.1所示是笛卡尔操作臂的构型简图，它的所有关节都是移动副，两两相互垂直，各个关节依次对应笛卡尔坐标系的X轴、Y轴和Z轴。笛卡尔操作臂的结构刚度较大，所以大型的机械臂经常采用笛卡尔操作臂构型，比如有大型龙门起重机。另外，这种操作臂的三个关节的运动可以用数学方法使其运动分离来处理问题，使该结构设计具有简单的优点。该机械臂明显的缺点是，全部固定装置和线路都必须封装在机械臂之中，它的工作内容十分依赖于其机械机构。侧视图俯视图图4.1笛卡尔操作臂（2）柱面坐标操作臂柱面坐标操作臂前三个关节具有两个移动副和一个旋转副，如图4.2所示，两个移动副分别使杆件水平移动和竖直移动，旋转副使机身在水平面内旋转。这样柱面坐标操作臂的运动轨迹就成为一个圆柱面，柱面坐标操作臂由此得名。侧视图俯视图图4.2柱面坐标操作臂（3）球面坐标操作臂球面坐标操作臂与坦克的炮塔类似，机械臂可以里外伸缩移动、在垂直面上摆动和以底座为旋转中心在水平面上转动[[]蔡自兴.机器人学.[M][]蔡自兴.机器人学.[M]北京：清华大学出版社，2000:12-13侧视图俯视图图4.3球面坐标操作臂（4）关节式操作臂如图4.4所示为关节式操作臂的构型。关节式操作臂又称为铰接式、拟人或肘型操作臂。关节式操作臂由底座和两个用转动副互相连接的手臂组成。两个手臂构成在垂直面上的运动，底座在水平面内旋转运动。底座与第一个臂的连接处称为肩关节，第一个臂与第二个臂的连接处称为肘关节。这种机械臂的运动轨迹也是一个球面，因此它又称为关节式球面机械臂。关节式机械臂在其工作空间内的干涉几乎很小，能够很顺畅地到达系统指定的空间点，并且关节式机械臂的空间占用比笛卡尔机械臂小很多，适用于小型场合。侧视图俯视图图4.4关节式操作臂（5）确定机械臂构型桌面机械臂是针对日常生活开发的，例如为老人或残障人士移动目标水杯、从桌面上拿起钢笔等。因此其工作空间确定为在桌面上的小型空间，对空间的占用不能很大，也不能有较大的干涉，成本需要控制。考虑到以上设计要求和根据上述几种机械臂构型的优缺点比较，我们选择关节式操作臂作为桌面机械臂的结构形式。4.2.确定技术参数在参考桌面机械臂相关文献和UARM、DOBOT等较为成熟的桌面机械臂的基础上，根据我们这款机械臂的应用场合，现确定机械臂的各种产品参数：（1）水平工作范围：180-300mm（2）自重：<3kg（3）重复定位精度：<1cm（4）底座旋转角度范围：±360°（5）材质：铝合金、PMMA、未来8000树脂（6）电源：110-240VAC，50-60Hz（7）负载：<200g4.3传动方案选择机械臂的传动方案很多，首先是最基础的齿轮系列的传动方案，包括齿轮传动、行星齿轮传动、齿轮齿条传动，与齿轮系传动类似的方案还有同步带轮传动，另外还有利用一个构建的可控制的弹性变形来实现机械运动传递的谐波传动。借鉴UARM和越疆科技的DOBOT桌面机械臂，我们采用同步带轮传动作为传动方案。同步带轮传动的优点有以下几点：（1）传动比较准确，工作的时候没有滑动现象，而且具有稳定的传动比；（2）传动时平稳，具有缓冲和减振的能力，噪声还很低；（3）传动的效率较高，高的能够达到0.98，节能效果非常的明显；（4）安装调整方便快捷，省时高效,无需额外钻孔拉键槽；（5）具有高精度的传动力扭，不用担心它会松动或传动精度及间隙问题；（6）专业生产即购即装。经过比较筛选，我们选择GT2同步带轮，小轮10齿，大轮40齿，传动比为1：4，所需带宽为6mm。根据所选型号同步带轮的节径和安装的中心距计算得出所需的同步带长为256mm。如图4.5所示为同步带轮的实物图。图4.5同步带轮4.4桌面机械臂的机械结构根据本科的学习经历，本文将采用SolidWorks对桌面机械臂的机身结构进行三维模型的建立。4.4.1SolidWorks简介SolidWorks公司是达索系统的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。SolidWorks软件有非常多的功能，各种分析模块也很强大，并且这款软件比较容易学习，是三维CAD产品中比较主流的一款软件。SolidWorks的操作风格类似Windows，比如拖拽、剪切、复制、粘贴等，这使得设计过程中操作快捷，避免不必要的重复工作。它的功能涉及到零件设计、装配设计与工程图，工程图能够保存为CAD文件，从而能在CAD软件中编辑。此外SolidWorks中带有功能丰富的插件，比如Toolbox工具箱有很多机械标准件库，Simulation插件进行静力学分析等等。装配设计中，SolidWorks可以动态查看装配体的运动情况，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。当需要出工程图时，可以直接从三维模型中自动生成，尺寸标注也一应俱全，若要进一步修改的话可转换成CAD文件进行编辑。4.4.2底座结构如图4.6和图4.7所示，底座三维结构由底座承重板和底座安装板两大部分组成，其装配好的底座结构图如图4.8所示。底座承重板上安装有一个同步带轮，这个同步带轮将通过同步带与底座安装板上安装的电机连接，从而带动底座安装板在水平面上360度旋转。图4.6底座承重板底座安装板上有很多的安装孔，在这块板上将要安装电机、双目摄像头安装板、承接杆件的基座板、控制板安装板、角度反馈传感器。图4.7底座安装板图4.8底座结构图4.4.3传动结构根据上文选择的传动方案，我们采用了同步带轮传动。传动结构图如图4.9所示。在底座安装板上安装有三个立板，两侧的立板1和立板2提供安装孔来安装驱动电机，两侧的立板1和立板2和中间的立板3协同固定两根传动轴，两个大的同步带轮利用螺丝分别紧固在两根传动轴上。传动轴加工了键槽，用来连接机械臂机身的杆件。同步带轮小轮则分别通过螺丝紧固在电机1和电机2上，大小轮通过同步带连接，同步带未在图中画出。底座安装板上还有一个直接固定的电机3，则是与上文提到的底座承重板上的同步带轮配合传动，带动底座在水平面上旋转。图4.9传动结构三维图传动结构中的部分零部件模型如图4.10、图4.11、图4.12所示。图4.10立板1和立板2三维图图4.11立板3三维图图4.12传动轴三维图4.4.4机械臂连杆机械臂的臂身采用的是关节式结构，各连杆通过转动副连接，用螺栓和螺母紧固，机械臂连杆三维模型如图4.13所示。连杆的材料是亚克力板（一种特殊处理的有机玻璃），这种材料抗冲击力强，自重轻，平均洛氏硬度值89度左右，寿命较长。各连杆的装配图如图4.13所示。图中短杆尺寸长度为120mm，中间杆尺寸长度为200mm，长杆尺寸长度为320mm，其厚度均为5mm，各螺栓孔直径均为8mm。图4.9中的电机1和电机2协同转动带动连杆组合件在垂直平面内前后上下运动。图4.13机械臂连杆三维模型连杆结构中的部分连杆模型如图4.14、图4.15、图4.16所示。图4.14三角连架三维图图4.15短杆三维图图4.16长杆三维图4.4.5桌面机械臂整体结构装配体如图4.17所示是用SolidWorks设计建模和装配完毕的桌面机械臂的机身结构三维图。样机由底座、传动机构、肩关节连杆、肘关节连杆、腕关节连杆等组成。底座的材料采用耐冲击强度好、耐磨的ABS树脂，加工方式为3D打印；各连杆材料采用亚克力板，传动轴的材料则是45号钢。图4.17桌面机械臂机身结构三维图（1）添加配合按自底向上的顺序把各部件分别设计完毕后导入到同一个装配文件中，添加重合、同心、平行、齿轮配合等配合，使各部件的相对位置关系确定下来。（2）干涉检查完成装配之后的桌面机械臂机身模型，如果只依靠肉眼来观察，是很难发现个零部件之间有没有干涉现象，所以我们要通过SolidWorks软件中评估模块的干涉检查功能，一键计算各零部件是否存在干涉现象，非常的高效快捷。如果计算之后存在干涉现象，我们就可以及时进行修改或者重新设计，以保证桌面机械臂能够顺畅的完成运动。干涉计算结果如图4.18所示，由计算结果可知本设计无干涉现象。图4.18干涉检查结果最终安装调试后的桌面机械臂样机模型如图4.19所示。图4.19桌面机械臂样机模型4.5驱动电机选型4.5.1桌面机械臂对驱动电机的要求桌面机械臂的运动最终是要靠驱动电机提供力矩，机械臂的最高运动速度、定位精度、工作可靠性等指标主要取决于驱动电机的性能。桌面机械臂对驱动电机的要求如下：（1）精度足够。驱动电机的精度主要包括位移精度和定位精度。位移精度指夹持爪运动的实际位移量跟踪控制系统发出的指令位置的精确程度。定位精度指输出量复现输入量的精确程度。（2）响应速度要快。响应速度指驱动电机对控制系统指令的跟踪速度，是驱动电机动态特性的重要指标。（3）工作稳定性要好。工作稳定性指驱动电机在突变指令信号或者外界干扰下，能快速达到新的平衡状态的能力。驱动电机的工作稳定性越好，机械臂的运动质量就越高。（4）调速范围足够宽。4.5.2确定驱动电机目前，市场上的桌面机械臂通常采用步进电机作为驱动电机。步进电机受驱动器的控制，把指令脉冲信号转换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，通过减速器带动臂身移动。理论上来说，步进电机的步距误差不会累积，但是在负载较大和速度较高的情况下容易失步，失步时能耗也大。步进电机的速度不高，在脉冲当量为1μm/脉冲时，最高移动速度为2m/min。步进电机负载转矩与减速机构即同步带轮的输出端的转矩具有如下关系： 式中，——步进电机输出端力矩——减速机构输出端力矩——减速机构减速比——减速机构效率桌面机械臂的力矩简图如图4.20所示：图4.20减速机构同步带轮的输出力矩为： （）减速机构同步带轮的减速比为4:1，其传递效率为0.9，根据式（），计算得步进电机的负载力矩为： 根据计算得出的步进电机输出力矩，选用42BYGH40-1704A型号的步进电机，扭矩0.45N.m，额定电流1.7A，额定功率4.25W，步距角1.8°/步。如图4.21所示为42BYGH40-1704A步进电机的实物图。图4.2142BYGH40-1704A步进电机第五章关键零件的有限元分析现在在工程中对结构经常要进行数值分析，有限元法是最常用的一种结构数值分析方法[[]房亚东，陈桦.现代设计方法与应用.[]房亚东，陈桦.现代设计方法与应用.[M]北京：机械工业出版社，2013:163-1645.1SolidWorks软件的simulation模块简介Simulation模块是SolidWorks中进行有限元分析的一个插件，它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。SolidWorks Simulation 凭借着快速解算器的强有力支持，使得我们能够使用个人计算机快速解决大型问题。Simulation进行有限元分析的步骤如下：（1）创建算例。对模型的每次分析都是一个算例，一个模型可以包括多个算例。（2）应用材料。对要分析的模型赋予材料属性，材料一旦确定，其物理性质就确定了。（3）添加约束。模拟真实的模型装夹方式，对模型添加夹具。（4）施加载荷。对模型的各种受力情况进行添加。（5）划分网格。把模型划分为有限个细小的单元。（6）运行分析。求解计算模型中的应力、应变和位移。5.2零件的有限元分析5.2.1传动轴的有限元分析（1）模型信息模型名称:传动轴实体文档名称和参考视为容积属性分割线6实体质量:0.0252184kg体积:3.23313e-006m^3密度:7800kg/m^3重量:0.24714N（2）材质属性模型参考属性名称:铸造碳钢模型类型:线性弹性同向性默认失败准则:最大vonMises力屈服强度:2.48168e+008N/m^2张力强度:4.82549e+008N/m^2弹性模量:2e+011N/m^2泊松