【《某六轴关节机器人的初步方案设计分析》6100字】

PAGE63某六轴关节机器人的初步方案设计分析目录TOC\o"1-3"\h\u7260某六轴关节机器人的初步方案设计分析 1244641.1课题设计任务 111012.2课题主要涉及工程复杂问题及解决方案 2117081.1.1工程复杂问题1：驱动方式的选择 26231.1.2工程复杂问题2：传动方式的选择 324351.1.3工程复杂问题3：减速器的选择 3154031.1.4工程复杂问题4：机器人材料的选择 315941.1.5工程复杂问题5：机器人机械结构的选择 453511.3总体方案确定 6106321.4非技术要素分析 9215331.4.1工程与社会 9234601.4.2环境与可持续发展 10115631.4.3职业规范 11180341.4.4项目管理 11159911.4.5个人和团队 111.1课题设计任务本设计题目为面向3C行业的六轴关节机器人设计，用于代替目前3C行业中的人工作业，可以实现多种功能，比如移动，装配，码垛，焊接，检测等。本课题要求的主要内容如下：机械结构设计：根据机器人任务要求和工作环境设计机器人关节结构，并选择电机等驱动装置。根据自由度要求和工作要求选择合适的驱动方式（电，液，气）。重点在于面向3C行业的机器人其体型要小，重量要轻，因此设计相应的机械结构十分重要。设计完机械结构需用三维设计软件完成,并完成零件的校核以及主要动作仿真。控制系统设计：包括绘制控制系统原理图；绘制控制系统主要程序流程图；编制主要动作控制程序；电子元件选型等工作。对于关键材料，零件结构的校核，末端传感器的选型与安装。成本，环保，安全，道德问题权衡。对于机器人系统要想应用于实际生产工作需要控制成本，考虑环境污染比如噪声等。安全问题已经相应防护预警装置。同时要考虑机器人在当代社会的道德伦理问题。课题主要涉及工程复杂问题及解决方案本课题主要涉及以下复杂工程问题：需要深刻理解工程原理认真分析才能给得到解决的问题。需要对工业机器人的工作原理、技术参数以及生产加工对象的特性等进行深入分析和研究后，才能给出机器人的各个关节分布及设计方案。涉及多方面的工程，技术问题。（1）机器人材料的选型（尤其是整体结构的强度及轻量化问题等）；（2）高精度关节模块的设计（包括结构、传动和驱动的选型等）；（3）末端有无检测问题（涉及到传感器的选型、安装等）问题相关各方利益不完全一致的问题。成本控制与方案中各种元器件的选用、安全防护功能的等级等问题。1.1.1工程复杂问题1：驱动方式的选择六轴关节机器人的驱动方式有气压驱动，液压驱动以及电机驱动。液压驱动：液压驱动功率大，结构紧凑，响应快。但是其容易产生液体的泄露进而污染环境，适合在环境洁净度要求较高的3C行业中使用。气压驱动:气压驱动是由压缩的空气提供动力，其结构简单，成本较低。但是其速度难以精确控制，也就是精度较低。对于本课题中的3C行业要求的高精度机器人并不适用。电机驱动：电机驱动其能源简单，速度快，精度高，但是其往往需要与减速装置相连，因此其结构较复杂，成本较高，但是综合考量本次设计最终选用电机驱动。对于电机驱动又有伺服电机和步进电机供选择，下面进行比较，确定方案。与交直流伺服电机相比，步进电机的缺点是转矩小，功率小,且高速运动会有噪声和振动[21]。而直流伺服电机体积小，质量轻，调速性能好，反应速度快，启动力矩大等特点，但其结构复杂。对于交流伺服电机其通过编码器可以精确实现对于旋转角度的控制因此其精度高，比较适合于3C行业的要求。对于目前的工业机器人领域，交流伺服电机是目前工业机器人使用最为广泛的电机，同时综合考虑关节机器人的实际面向对象，最终选择交流伺服电机。1.1.2工程复杂问题2：传动方式的选择结合上面的讨论可知，动力通过电动机输出后需要经过减速器减速后才能驱动各关节，因此我们需要确定这中间的传动形式。首先最常见的为齿轮传动，其传动比准确，稳定，而且承载能力大，效率较高，寿命也较长。而且可以改变运动方向。但是其精度要求高，成本问题需要考虑。再考虑如同步带传动，同步带传动其精度高，结构紧凑，而且具有良好的柔性可以吸收冲击，吸收振动。综合考虑机器人运动形式和工作空间，电机布置等因素，我最终确定机器人前四轴采用齿轮或电机直接连接减速器传动，五六轴考虑到结构紧凑，保障传动精度采用齿轮传动（包括锥齿轮用于改变传动方向以便合理布置电机位置）或者和同步带传动相结合。1.1.3工程复杂问题3：减速器的选择对于工业机器人来说其传动需要减速，因此对于减速器的选择也是十分重要的下面对目前常见的工业机器人使用减速器进行了比较选择。谐波齿轮减速器是一种主要通过柔性轴承，柔性齿轮等元件组成的一种减速器。其具有承载能力强，体积小，重量轻，传动平稳，传动比大等优点，但其结构复杂，对轴承要求较高。RV减速器具有结构紧凑，扭转刚度大，高精度，小间隙回差，传动效率高等优点。考虑到本机器人面向3C行业，体积小，载荷轻，而谐波减速器相对质量小[22]，因此本机器人选用谐波减速器和RV减速器，其中谐波减速器用于R,B,T这三轴，RV减速器用于S,L,U这三轴。1.1.4工程复杂问题4：机器人材料的选择为了提高机器人工作的精确度，减轻机械自身的重量，因此机器人的重量一定要着重考虑，尤其是本项目为面向3C行业的关节机器人其体积小，精度高，因此其机械结构材料需要重点考虑。现有产品大多数采用钢材制作而成，而如果使机器人本体轻量化将提高运动的速度和精确性，同时减少运动惯量，保障工作安全。传统上一般采用各种合金钢，其确有较高的强度同时成本也较低。但随着对于机器人工作性能要求的不断上升，现在有了很多更好的选择。比如碳纤维材料，工程塑料，铝合金等[23]。最终选用铝合金，高强度的铝合金广泛应用于飞机，航空行业。对于本项目来说主要目的为减轻重量，因为铝合金的密度一般只有钢材三分之一左右，且强度更优。1.1.5工程复杂问题5：机器人机械结构的选择目前工业机器人虽然品牌众多，外形尺寸差别很大。但本质上都是一个个关节把机器人各部分连接组装起来的[24]。对于本设计题目六轴关节机器人，首先确定其整体结构。综合查阅资料最终确定为垂直串联方式，也就是说机器人的关节和连杆依次串联。也就是说机器人整体是由电机减速器关节这样的机构相组合叠加形成的。下面具体设计机器人关节分布的设计。方案一:连杆驱动结构这种方案一般面向于重载的搬运码垛机器人。其需要的转矩很大，依靠直接传动不能保证其刚性和稳定性，因此其大臂和小臂的摆动一般会采用连杆驱动，这样可以放大力矩，提高稳定性。降低重心。但是正如本段第一句话所说其一般面向于重载工作环境。而本设计为面向3C行业的机器人设计，其主要特点便是轻量化因此不选用此方案。常见的机器人如下图1.1所示。图1.1连杆驱动结构工业机器人Fig.1.1Connect-roddrivenindustrialrobot方案二:手腕后部驱动结构手腕后驱机器人也就说其四五六轴的驱动电机均位于小臂的后端，如下图1.2所示可以看到其电机均位小臂后端，这种结构最大的优点肯定是节省空间，电机的放置位置比较宽阔，而不是挤于手腕部分，同时这样对于散热性能大大改善，电机在外壳之外，最后也能让重心后移，使得运动更加稳定，但是这种方案也有其缺点[25]。电机全部后置意味着其运动传递距离较远。需要有长轴以及复杂的传动方案，这对于精度要求不高的机器人工作场合比较适宜，但是对于本题目面向3C行业的六轴关节机器人来说则不是很适宜，因为本题目对于精度要求较高，故此方案不适用。图1.2手腕后驱结构工业机器人Fig.1.2Industrialrobotwithwristreardrivestructure方案三:手腕前部驱动结构前驱结构顾名思义其为手腕部分的后三轴的驱动三个电机均放置于手腕空间内，这种方案结构简单，传动链较短。各关节之间联系不大，因此可靠性，精度较高。同时最为直观地一点就是电机减速器均安置在外壳之内，外形整体比较规整，同时可以避免受到损害，比如误碰，尘土等。当然这种方案的缺点就是这样会使得手腕部的结构较为复杂同时重心会比较高[26]，因此这种方案比较适用于轻量机器人，这种方案正好适合本设计题目也就是面向3C行业的六轴关节机器人。因此最终本方案选用了前驱结构。典型产品如下图1.3所示。图1.3手腕前驱结构工业机器人Fig.1.3Industrialrobotwithwristforedrivestructure1.3总体方案确定首先对于机器人整体结构说明。机器人整体为六轴机器人，由外壳，传动机构，驱动机构等组成。机器人各部分由各个关节连接，各个关节由伺服电机通过减速器以及相应传动装置驱动旋转。同时对于后三轴采用前驱结构，下面具体分析各轴的传动方案，首先总体关节分布如下图1.4所示。1.4关节总体分布图Fig.1.4Jointgeneraldistribution根据之前对于各种方案的选择最终确定了总体的传动方案。1.手腕末端的回转运动传动原理图手腕末端的回转运动（第六轴）传动原理图如下图1.5所示。图1.5手腕末端回转运动传动图Fig.1.5Rotarymotiondiagramofthewristend动力的具体传递路线为首先由位于小臂末端的电机输出动力，经过同步带，然后再通过锥齿轮来改变传动的方向，使其成为末端的转动，这后通过谐波减速器，最后通过法兰连接末端执行器完成运动控制。1.手腕俯仰的运动传动原理图手腕俯仰运动（第五轴）传动原理图如下图1.6所示。图1.6手腕俯仰运动传动图Fig.1.6Pitchingmotiontransmissiondiagramofwrist对于六轴和五轴来说由于机器人的手臂部分结构紧凑，机器人体型较小，因此电机无法与运动部件在同一轴线上，因此对于五轴来说采用了同步带传动，使得空间布置更加紧凑，保证了传动精度，然后运动传递到减速器再到最后的关节轴本体。3.手腕回转的运动传动原理图手腕回转运动（第四轴）传动原理图如下图1.7所示。图1.图1.7手腕回转运动传动图Fig.1.7Thewristrotarymotiontransmissiondiagram对于第四轴也就是手腕的回转运动考虑到机器人电机与本体的碰撞干涉，以及重心位置问题，因此首先通过一对齿轮传动，以方便电机的放置，然后在通过减速器最后关节轴本体，从而带动手腕的回转。4.其他轴（大臂俯仰，小臂俯仰，腰部回转）运动传动原理图对于其他各轴其空间较大，因此我们直接用电机到减速器再到关节轴的传动路线。总结起来的传动方案如下图1.8所示。图1.8其他轴运动传动图Fig.1.8Othershaftsmotiondrawing六轴关节机器人总体工作流程图如下图1.9所示。图1.9六轴关节机器人工作流程图Fig.1.9Workingflowchartofsixaxisjointrobot本机器人是有外部传感检测系统的，可以实时检测当前状态和位置，通过传感器接受信号，不断反馈给控制系统，并根据情况做出反应。机器人整体系统组成框图如下图1.10所示。图1.10六轴关节机器人整体系统组成框图Fig.1.10Blockdiagramofsixaxisjointrobotsystem1.4非技术要素分析1.4.1工程与社会本课题的目的为面向实际3C产业应用。因此首先考虑的是技术可行性，进而从工程原理角度分析了此六轴关节机器人的实施可行性。但是仅仅考虑技术可行性是远远不够的，还要考虑其市场相容性。考虑了社会目前舆论对于工业机器人的认知程度，可接受程度。实际工厂对于机器人的需求。对于工作环境的污染性考虑，是否会对工人健康以及生命安全产生威胁。考虑机器人是否符合行业标准或者相关法律规定。在文化方面是否会有所顾忌和特色。是否满足中国人所习惯的操作方式以及显示效果等。综合考虑各方因素，调整机器人相关设计从而符合各方要求。这警示我们机械设计者不但要精于机械相关技术，更要全面考虑外部制约因素，作为机械设计者要勇于承担社会责任，有责任有义务为国家为人民设计制造优质的机电产品，这意味着我们在设计产品时必须以人为本，从设计，生产，销售，售后等多流程考虑，而作为基本上是第一环节的我们机械学生更是要严格把关，保质保量，负责认真。而对于工业机器人这个系统来说，总体上可以分为上中下三游市场。上游市场主要是减速器，电机，伺服器等有很高技术含量且目前大部分被国外厂家所垄断。而在这方面我国几乎没有竞争力。2021年4月11日《光明日报》头版头条报道北京工业大学张跃明教授在机器人RV减速器领域的研究取得了重大成果，这对我国工业机器人领域的研究有了重大鼓舞作用。而工业机器人中下游市场则是对于机器人机械结构的组装以及面向具体对象的系统集成。通过调研我深深体会到了我国要想真正在工业机器人领域有足够的话语权那么必须从底层零部件出发，攻克技术难题，掌握核心技术，这样才能在日益错综复杂的国际贸易竞争中占有一席之地。作为机电专业学生我通过设计此机器人系统，不但需要掌握设计技术，我认为更重要的是梳理了我国在工业机器人上的发展现状，作为大学生我们应当树立社会责任感，正视差距，砥砺前行。1.4.2环境与可持续发展保护环境在当代社会具有十分重大的意义，从小处说有利于可持续发展，从大处着眼这对于我们国家人民的未来都是有着重大意义，对于全球来说保护环境可持续发展意味着人类社会的延续。对于可持续发展战略是具有十分深远的意义，这要求我们不但要追求经济效益，同时更要保障环境效益，树立环保责任意识。对于机械行业来说更有着重大意义，传统机械行业速来与污染挂钩，生产模式粗犷，缺乏环保意识，因此必须要转型，发展经济的同时不能忽略环境与可持续发展协调统一。而对于机械工程行业，机电产品污染问题也是比较严重，有噪声污染，气体液体污染，放射性污染等，而且传统机械产品效率较低，能量损耗很高[27]。不利于保护环境和可持续发展，对于六轴关节机器人我没有采用液压传动同时考虑的本项目的可持续性，设计的六轴关节机器人通过更换末端执行器可以实现不同的功能，进而柔性化生产，提高了持续性，符合可持续发展理念。对于设计的关节机器人产品，其本身对于环境和人类也是有着安全隐患。作为机械产品对于工人可能存在砸伤隐患，其为电机驱动因此可能发生电线老化引发火灾，因此在使用设计过程中对于安全和防护措施的考虑十分重要，同时机器人淘汰后如何处置也是设计者企业工厂必须要考虑到的。1.4.3职业规范我们作为机电工程师要有正确的价值观，拥护国家政策，遵纪守法，诚实守信，在学习和工作中都要自觉遵守。同时要培养社会责任意识。我们作为机电工程师在设计机电产品时要树立社会责任感。我们设计的产品要保障公众的安全与健康，这在本课题