五自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 I 摘要 隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的擴(kuò)大，對(duì)教育培訓(xùn)部門提出了新的要求，為提高機(jī)器人教學(xué)的水平，我們研制了一套以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目的的機(jī)器人演示系統(tǒng)。 本文闡述了機(jī)器人的發(fā)展歷程，國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，及其巨大的優(yōu)越性，提出具體的機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了本演示系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)和各自由度具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算；對(duì)演示系統(tǒng)的控制部分的研制，其中包括：進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制；光電碼盤為反饋元件的，以 功放電路為驅(qū)動(dòng)器的直流電機(jī)閉環(huán)控制；以 89片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)演示系統(tǒng)的鍵盤管理和 示，并以單 時(shí)控制形式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)位控制方式。 最后設(shè)計(jì)制定出利用本演示系統(tǒng)所開(kāi)設(shè)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書(shū)。 關(guān)鍵字： 教學(xué)機(jī)器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閉環(huán)控制、演示實(shí)驗(yàn) 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 of of of a in to in in of of on of on of of of C an as WM as CD is on a 89It is in to by a PU At it to on 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 錄 摘要 . 1 . 2 第 1 章 緒論 . 1 器人概述 . 1 器人的誕生與發(fā)展 . 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r . 2 外機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) . 3 器人產(chǎn)業(yè)對(duì)教育、培訓(xùn)的要求及本課題的提出 . 3 第 2 章 總體設(shè)計(jì) 方案 . 5 體設(shè)計(jì)的思路 . 5 體方案的確定 . 5 標(biāo)形式的選擇 . 6 動(dòng)系統(tǒng)的類型選擇 . 6 部位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 . 6 形尺寸和運(yùn)動(dòng)范圍的確定 . 7 制系統(tǒng)的確定 . 7 第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 . 9 部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 9 述 . 9 部的結(jié)構(gòu)和手指形狀的確定 . 9 部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算和電機(jī)的選擇 . 10 部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 13 述 . 13 部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 14 部及機(jī)身（底座）的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 18 述 . 18 構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 . 19 第 4 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 25 制系統(tǒng)方案的確定 . 25 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 控制方案的確定 . 25 動(dòng)方式的確定 . 25 制系統(tǒng)類型的確定 . 25 進(jìn)電機(jī)控制方式的確定 . 26 流電機(jī)控制方式的確定 . 26 盤及顯示方式的確定 . 26 示系統(tǒng)的組成 . 26 動(dòng)電路的研制 . 29 流源型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研制 . 29 極型 流力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的研制 . 31 電碼盤的選擇和辯向電路的研制， . 33 流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。 . 36 單片機(jī)為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制 . 36 第 5 章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 . 46 第 6 章 教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) . 47 驗(yàn)一 教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu) . 47 驗(yàn)二：教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn) . 48 結(jié)論 . 50 專題部分 :旋轉(zhuǎn)電機(jī)的分類及其總結(jié) . 51 致謝 . 61 參考文獻(xiàn) . 62 附錄 1 . 63 附錄 2 . 70 附錄 3 . 75 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 1 第 1章 緒論 器人概述 器人的誕生和發(fā)展 1920 年克作家卡雷爾 薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人。劇情是這樣的 ：羅薩姆公司把機(jī)器人作為人類生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，讓它去充當(dāng)勞動(dòng)力，以呆板的方 式從事繁重的勞動(dòng)。后來(lái)，羅薩姆公司使機(jī)器人具有了感情，在工廠和家務(wù)勞動(dòng)中，機(jī)器人成了必不可少的成員 。該劇預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)的影響。在劇本中，卡佩克把捷克語(yǔ)農(nóng)奴 ) 寫成了 機(jī)器人）。這也是人類社會(huì) 首次使用 機(jī)器人 這一概念。 自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)的誕生，推動(dòng)了現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展 50 年代是機(jī)器人的萌芽期，其概念是 一個(gè)空間機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械臂，一個(gè)可重復(fù)編程 動(dòng)作的機(jī)器 。 1954 年美國(guó)戴沃爾發(fā)表了 通用重復(fù)型機(jī)器人 的專利論文，首次提出 工業(yè)機(jī)器人 的概念； 1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型； 1959 年 美國(guó) 司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 60 年代隨著傳感技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入成長(zhǎng)期，機(jī)器人開(kāi)始向?qū)嵱没l(fā) 展，并被用于焊接和噴涂作業(yè)中。 70 年代隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。日本雖起步較晚，但結(jié)合國(guó) 情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵(lì)使用機(jī)器人的措施，其機(jī)器人擁有量很快超過(guò)了美國(guó) ，一舉成為 機(jī)器人王國(guó) 。 80 年代，機(jī)器人發(fā)展成為具有各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)、通過(guò)傳感器控制的機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及 時(shí)代，開(kāi)始在汽車、電子等行業(yè)得到大量使用，推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 為滿足人們個(gè)性化的要求，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)趨于小批量、多品種。 90 年代初期，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求進(jìn)入了高潮期： 1990 年世界上新裝備機(jī)器人 81 000 臺(tái)， 1991 年新 裝備 76 000 臺(tái)。 1991 年底世界上已有 53萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人工作在各 條戰(zhàn)線上。 隨后由于受到日本等國(guó)經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 2 響，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也一度跌入低谷。近兩年隨著世界經(jīng)濟(jì) 的復(fù)蘇，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)又出現(xiàn)了一片生機(jī)。 90 年代還出現(xiàn)了具有感知、決策、動(dòng)作能力的智能機(jī)器人，產(chǎn)生了智能機(jī)器或機(jī)器人化機(jī) 器。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的概念和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。 2000 年出現(xiàn)了仿人機(jī)器人及其他仿生機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和智能水平進(jìn)一步的提高，并以智能體的形式出現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步的擴(kuò)大。 內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 80 年 代 七五 科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò) 七五 、 八五 科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系 統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， 一客戶，一次重新設(shè)計(jì) ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在 863計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000 米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的 基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品 。 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 3 外機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： 1工業(yè)機(jī)器人性能不斷 提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 10 3 萬(wàn)美元降至 97 年的 6 5萬(wàn)美元。 2機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4機(jī)器人中的傳感器作 用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 6當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使 智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的 索杰納 機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 7機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從 94 年美國(guó)開(kāi)發(fā)出 虛擬軸機(jī)床 以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 器人產(chǎn)業(yè)對(duì)教育、培訓(xùn)的要求及本課題的提出 采用機(jī)器人會(huì)給我們帶來(lái)很大的方便，機(jī)器人和其他自動(dòng)化裝置最主要的區(qū)別在于機(jī)器人的功能和任務(wù)很容易修改或改變，僅需要改變軟件就可以了，同時(shí)機(jī)器人比一般自動(dòng)化裝備更復(fù)雜，需要更多的軟件和硬件知識(shí)，故一旦大量采用機(jī)器人就需要專門的培 訓(xùn)使用機(jī)器人的具有較高水平和技術(shù)人買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 4 員，這無(wú)疑對(duì)教育和培訓(xùn)提出新的要求，大多數(shù)機(jī)器人專家都反復(fù)的強(qiáng)調(diào)需要制定培訓(xùn)計(jì)劃以為新的工作崗位準(zhǔn)備合格的勞動(dòng)力。 談到培訓(xùn)，還有個(gè)協(xié)調(diào)的問(wèn)題，工業(yè)和教育團(tuán)體應(yīng)減少培訓(xùn)與需求的協(xié)調(diào)失誤，在校學(xué)生也應(yīng)了解市場(chǎng)情況，在教師的協(xié)助下開(kāi)設(shè)和調(diào)整自己的課程，使所學(xué)的專業(yè)和技能在畢業(yè)的時(shí)候滿足社會(huì)的需求。 對(duì)機(jī)器人，人們的頭一個(gè)問(wèn)題就是：機(jī)器人是否會(huì)造成失業(yè)？應(yīng)該說(shuō)大量采用機(jī)器人會(huì)使一部分人喪失工作，然而這一新的產(chǎn)業(yè)所創(chuàng)造的新的就業(yè)機(jī)會(huì)比其消滅的職業(yè)更多，新的職業(yè)需要新的技能，就再需要 教育和培訓(xùn)，再次證明，機(jī)器人對(duì)社會(huì)的沖擊就是再培訓(xùn)的課題。 大量采用機(jī)器人不回帶來(lái)失業(yè)，在機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用上有七種職業(yè)，即研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用、市場(chǎng)、服務(wù)、維修和教育，而潛在的部門是機(jī)器人制造部門，教育機(jī)構(gòu)和機(jī)器人相關(guān)部門?，F(xiàn)在國(guó)外機(jī)器人制造廠家不僅自己開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程也向?qū)W校提供資助 ，為學(xué)校提供機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)，據(jù)資料顯示，美國(guó)有很多大學(xué)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人課程。 早我國(guó)，許多大學(xué)也開(kāi)設(shè)了機(jī)器人方面的課程（如上海交大，華中科技大學(xué)等），也有很多研究開(kāi)發(fā)機(jī)器人的研究機(jī)構(gòu)，但資金問(wèn)題是困饒機(jī)器人發(fā)展的障 礙，在教學(xué)中也面臨相同的問(wèn)題。但教學(xué)課程上，只是紙上談兵，沒(méi)有一點(diǎn)直觀的印象，關(guān)鍵是設(shè)備問(wèn)題，研制一個(gè)價(jià)格低廉、性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能給學(xué)生以深刻印象的實(shí)驗(yàn)用的教學(xué)演示系統(tǒng)，在這前提和背景下，提出本課題， 它 能達(dá)到以下目標(biāo)： 1. 成本低，必要時(shí)可以降低精度要求，因?yàn)槭菍?shí)驗(yàn)演示裝置。 2. 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于學(xué)生掌握機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)。 3. 整體尺寸不宜過(guò)大，以擺放實(shí)驗(yàn)臺(tái)為準(zhǔn)。 4. 與結(jié)構(gòu)相匹配，為降低成本，采用開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制相結(jié)合 5. 各部分結(jié)構(gòu)最好方便拆卸，以便維修保養(yǎng)。 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 5 第 2章 總體設(shè)計(jì)方案 在確定機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案前 ，必須對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)基本步驟及其基本原則，使設(shè)計(jì)的方案更合理 體設(shè)計(jì)的思路 設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段： 一、系統(tǒng)分析階段 1、 根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。 2、 分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。 3、 根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。 二、 技術(shù) 設(shè)計(jì)階段 1、根據(jù)系統(tǒng)的要求的自由度和允許的空間空做范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式 2、 擬訂機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖。 3、 確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型。 4、擬訂控制系統(tǒng)的控制原理圖。 5、選擇個(gè)部件的具體集體夠，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)。 6、繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。 下面結(jié)合本演示系統(tǒng)的基本要求和設(shè)計(jì)的基本原則確定本系統(tǒng)的方案。 體方案的確定 提到總體方案的確定，讓我們重復(fù)下本課題的要求： 1、它是一個(gè)教學(xué)用的演示系統(tǒng)。 2、我們希望它不太大，可以安置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)沙鍋內(nèi)給學(xué)生講解，即小型化、輕型化。 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 6 3、 經(jīng)費(fèi)有限，要求成本低。 4、在滿足前幾點(diǎn)的要求下，盡可能的要造型美觀。 標(biāo) 形式 的選擇 有要求可知這是一個(gè)演示的系統(tǒng)，即機(jī)器人的幾個(gè)基本的動(dòng)作的演示，了解機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)、控制方式等，加深對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其適用的工作環(huán)境的了解，綜合考慮選用 圓柱型坐標(biāo)，此坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是各動(dòng)作直觀性強(qiáng)，占用空間小，相對(duì)工作范圍大，也常用，而關(guān)節(jié)型、極坐標(biāo)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)直觀性差，而直角坐標(biāo)型占地面積大、工作范圍小，靈活性差。 動(dòng)系統(tǒng)的類型 選擇 因?yàn)楝F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中電機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)，基本設(shè)想采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 整體結(jié)構(gòu)布局的確定 在確定整體結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到課題的基本要求，覺(jué)得 采用模塊式結(jié)構(gòu)，各部位自成體系，組裝方便，根據(jù)思想有圖的個(gè)構(gòu)想，臂部回轉(zhuǎn)電機(jī) 1 通過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) 2 回轉(zhuǎn)，從 而帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)，又臂部電機(jī)帶動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng) 4 縮運(yùn)動(dòng)， 5 固定載上實(shí)現(xiàn)腕部的升降， 7 為控制腕不粉回轉(zhuǎn)的位置傳感器， 8 實(shí)現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)，如圖所示： 綜合考慮此設(shè)計(jì)，可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)具有線條簡(jiǎn)潔明快，能使初學(xué)者較快的得其要領(lǐng)，理解工作原理，很適合于機(jī)器人教學(xué)的需要。 部位 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 我們從底座開(kāi)始，分別的一一 考慮。 首先是臂部的回轉(zhuǎn)，因?yàn)楸鄄康幕剞D(zhuǎn)帶動(dòng)的部件多、慣性大，所以轉(zhuǎn)速不能太高，考慮到用步進(jìn) 電機(jī)，要用減速機(jī)構(gòu)，如選用齒輪傳動(dòng)，體積較大，不適合教學(xué)的要求，綜合考慮采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)比較合理，首先能實(shí)現(xiàn)較大買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 7 的傳動(dòng)比；其次體積小，便于安裝，其也有傳動(dòng)效率底的缺點(diǎn)，工作過(guò)程中有相當(dāng)一部分的能量要轉(zhuǎn)化成熱，在工業(yè)生產(chǎn)中要裝有散熱的裝置，由于本系統(tǒng)是為教學(xué)演示的，不需要長(zhǎng)時(shí)間的工作，所以溫升不大，不必安裝散熱裝置。 臂部伸縮采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，由螺母帶動(dòng)臂部和腕部機(jī)構(gòu)伸縮是，采用普通絲杠傳動(dòng)（主要考慮到價(jià)格） 腕部升降也采用絲杠傳動(dòng)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 腕部回轉(zhuǎn)要求重量輕、機(jī)構(gòu)緊湊 ，故采用直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，但要求轉(zhuǎn)速低，故采用長(zhǎng)時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的直流力矩伺服電機(jī)，位置檢測(cè)采用光電碼盤。手部回轉(zhuǎn)也采用同樣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中各個(gè)部分實(shí)現(xiàn)連接簡(jiǎn)單，方便拆卸。 形尺寸和運(yùn)動(dòng)范圍的確定 考慮到本系統(tǒng)的小型化的要求，可將外形尺寸及各部分的運(yùn)動(dòng)范圍確定如下： 1、 外形尺寸： 600 600 700 范圍內(nèi) 2、 臂部回轉(zhuǎn)： 0 360 3、 臂部伸縮： 80、 腕部升降： 70 、 腕部回轉(zhuǎn)： 0 180 6、 手爪回轉(zhuǎn)： 90 7、 手指開(kāi)合： 5 10 8、 抓重 g 運(yùn)動(dòng)速度、控制精度的確定 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是教學(xué)演 示用的，為節(jié)約資金，對(duì)速度和精度要求較低。 制系統(tǒng)的確定 本系統(tǒng)采用 89片機(jī)控制，臂部伸縮、回轉(zhuǎn)、腕部升降、手爪開(kāi)合采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制；腕部回轉(zhuǎn)和手爪回轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)閉環(huán)控制，買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 8 其中步進(jìn)電機(jī)采用單電壓恒流源驅(qū)動(dòng)，由單片機(jī)直接發(fā)出控制脈沖信號(hào)。腕部的閉環(huán)控制采用直流力矩電機(jī)加裝光電碼盤實(shí)現(xiàn)，顯示部分采用 晶顯示模塊。 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 9 第 3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 本章將詳細(xì)設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)的具體零部件，完成裝配圖和全部零部件圖的設(shè)計(jì)工作，也將完成一些標(biāo)準(zhǔn)器件（如電機(jī)）的選型工作。我們將按結(jié)構(gòu)分塊，分步進(jìn)行設(shè)計(jì)，閱讀本 章是請(qǐng)參考總裝圖及零部件。 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 述 機(jī)器人的手部是最重要的部件。從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。 工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)握持工作或工具的部件，由于被握持工件的形狀，尺寸，重量，材料及表面狀態(tài)的不同，其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計(jì)的，按起我持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類： 括內(nèi)撐式和外夾式， 常用的還有勾托式和彈簧式等。 括氣吸式和磁吸式等 部的結(jié)構(gòu)和手指形狀的確定 在本系統(tǒng)中，抓重為 5N,手指開(kāi)合 們決定選擇滑槽杠桿支點(diǎn)回轉(zhuǎn)手部。這種結(jié)構(gòu)可通過(guò)各桿之間的角度或桿長(zhǎng)，該變握力的大小及指間的開(kāi)閉角。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，夾持范圍大，這種手部的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，工作原理清晰易懂，也是機(jī)器人較常用的結(jié)構(gòu)，這些都合乎教學(xué)演示的要求，缺點(diǎn)是工件直徑誤差會(huì)引起夾持后工件的中心發(fā)生移動(dòng)。指端采用V 塊型式，也是機(jī)器人手指形狀中較常用的形式，爭(zhēng)取到手部能從腕部方便地裝拆，以提高通用性。 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 10 下圖是本系統(tǒng)的手部結(jié)構(gòu)示意圖，具體結(jié)構(gòu)和零部件尺寸見(jiàn)圖紙 圖 3部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算和電機(jī)的選擇 我們先做手指工作時(shí)的簡(jiǎn)圖，然后做力的分析 由初始設(shè)計(jì)可知， G=5N 則 N=3K G 3K方位系數(shù)，他與手指和工件的形狀，以及手指夾持 攻擊的方位有關(guān)。此處，按手指是水平放置，夾持垂直的工件， V 型指端夾圓形棒料的情況考慮。 取3K=f 中 型手指半角 ，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知 70 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 11 f為其與工件的摩擦系數(shù) ，取 以 N =G=5=) 圖 3槽杠桿式手部受力分析 圖是滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)及受力分析間圖。絲桿通過(guò)銷軸的向上的拉力（驅(qū)動(dòng)力）是 P，作用與手指上的力，其方向垂直于滑槽的中心線 滑槽對(duì)銷軸的反作用力為 其延長(zhǎng)線交 A 、 B 點(diǎn)，由于1O 2O 直角，故 。根據(jù)軸銷的力平衡條件得： 2； P=2 由手指的力矩平衡條件得： 1P h=N b 因?yàn)?1P = ， h=Q 號(hào)交流401339828或 11970985 12 所以， P= 2b N a 式中， a 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心距離 工件被夾持時(shí)，手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)線間的夾角 ， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)取 a =25 ， b =35 = 5 = 所以，銷軸或螺母所受力（驅(qū)動(dòng)力的反作用力） P = 2b N a =N） 考慮工件在加工過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、 震動(dòng)及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力為 ： P 21 其中： 安全系數(shù)，一般取 工作情況系數(shù)，且 +a/g A:機(jī)構(gòu)的加速度。 機(jī)械效率 P 21 = =) 我們先來(lái)計(jì)算一下螺旋升角。校核一下此絲桿，螺母機(jī)構(gòu)是否滿足自鎖條件。 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，絲桿的公稱直徑 d=12距 t=2紋頭數(shù) n=1 所以，絲桿中徑 d2=1紋升角 = =1 = 螺紋的當(dāng)量摩擦角 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 13 v= 5 其中： f,是摩擦副間的摩擦系數(shù)取 是螺紋牙形半角取 15 v 所以，此絲桿螺母機(jī)構(gòu)可安全自 鎖 下面來(lái)計(jì)算驅(qū)動(dòng)力距 1+3 其中 旋副摩擦力矩 () + v) (F 螺旋副軸向載荷 ,N 旋副中徑 ， M v 當(dāng)量摩擦角 螺旋升角 3)是端面摩擦力矩，此處不計(jì) 故 1= F () + v) =(11/2) +) =至此，根據(jù)上述計(jì)算，我們得出了絲桿上應(yīng)具有的扭 距， 據(jù)此，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品樣本手冊(cè)，選用 45電機(jī)可以滿足要求 . 部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 述 腕部是臂部和手部的連接部件，其作用是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間上的位置和方向，從而增強(qiáng)手部的靈活性，擴(kuò)大手部的工作范圍。腕部應(yīng)具有獨(dú)立的自由度，為使手臂能出于空間的任意方向，腕部應(yīng)具有回轉(zhuǎn)，上下俯仰和左右擺動(dòng)三個(gè)自由度，多數(shù) 情況下，工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手的腕部應(yīng)具有一個(gè)或兩個(gè)自由度，即回轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)上下俯仰（左右擺動(dòng)） 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 14 部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本 系統(tǒng)的腕部結(jié)構(gòu)向其他機(jī)器人一樣，也是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的一部分，將臂部的升降改在腕部實(shí)現(xiàn)，是為了整體結(jié)構(gòu)小型化，同時(shí)增加腕部的靈活性。具體結(jié)構(gòu)參照總裝圖 . 一、 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算 1、腕部轉(zhuǎn) 動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)，均是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕啟動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐處的摩擦力距，動(dòng)件與缸壁、端蓋等處的摩擦阻力距，以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合時(shí)所產(chǎn)生的偏重力距。 而對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件很多，如果每一件都去校核的話，即太煩瑣，也沒(méi)有 必要。所以我們將整個(gè)回轉(zhuǎn)部件分為 4 個(gè)部分。 1）轉(zhuǎn)軸，包括與之相連的螺母、墊母、軸承內(nèi)圈等。 2）手部電機(jī)，包括電機(jī)罩等。 3）手部換向變速箱，可將它視為 65*65*70一個(gè)重 4）手指工件，可將它看成是一個(gè) 70*60*50 的長(zhǎng)方體，重 心位置距回轉(zhuǎn)軸線為 65 毫米，由此，手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩 g+f 其中： 慣性力矩。 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的偏重力矩。 手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐處的摩擦力矩。 手腕密封裝置處的摩擦阻力矩。 下面我們分別計(jì)算上述四個(gè)力矩。 （ 1）手腕啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩， 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 = /6/s 啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間為 t = 機(jī)罩及電機(jī)可看作一個(gè)半徑是 50 斤的圓柱體。 則 (0.)2 變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (a2+買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 15 =1/2 (0.=103 部機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1/2M4(a2+ =1/2 (2)+103 此可知， 2+4) / t =( /6/M) （ 2） 摩擦力距， 估算兩軸承部位所受的壓力。 圖 3根據(jù)力的平衡， 所以， =考慮其他因素影響，附加一定系數(shù)， 可令， 2=35（ N） 又由軸承部位尺寸， 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 16 以， Mm=f/2 (2=() 35 (M) （ 3）偏重力矩， 據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知，其余部分重心在回轉(zhuǎn)軸線上，因此不產(chǎn)生偏重力矩，只有手爪部分產(chǎn)生偏重力矩， 所以， 4 e=m) (4)密封處的摩擦阻力距 本系統(tǒng)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)密封沒(méi)有嚴(yán)格要求，這部分阻力距可以咯去不計(jì)。 綜上所述，考慮一定的安全系數(shù)。有 (m+=(m) 據(jù)此數(shù)據(jù)，可選用 60 二、 腕部升降的設(shè)計(jì)計(jì)算 首先，校核螺旋副的自鎖性。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，公稱尺寸 d=18梯形螺紋牙型角 =30 ,螺距 t=4中徑 d2=4=16螺旋副為鋼 青銅，取摩擦系數(shù) f=以，當(dāng)量摩擦角 v= 2/f= 摩擦角 = = 1 = v ，滿足自鎖條件。 下面來(lái)計(jì)算腕部升降所需的驅(qū)動(dòng)力 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 17 手腕腕部結(jié)構(gòu)圖 3部結(jié)構(gòu)受力分析 上圖 給出了整個(gè)腕部的受力情況。隨著腕部的移動(dòng) ,由腕部結(jié)構(gòu)的重量指和工件的重量 、 而形成摩擦力 電機(jī)提供的力矩應(yīng)能克服 2腕部所有結(jié)構(gòu)的重量 由力矩平衡得： 30=44+(65+44) 估算 5N 所以 ,2=30 10 944 0 10 =) 2=f=) 所以加在螺母上的全部軸向力 P=5+2*) 考慮啟動(dòng)時(shí)的慣性力、震動(dòng)和機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力 P 其中 安全系數(shù)，取 2 工作情況系數(shù)，取 +a/g a: 機(jī)構(gòu)的加速度 機(jī)械效率 取 =以驅(qū)動(dòng)力矩為 (d/2) + v)/1000 買文檔就送您 Q 號(hào)交流401339828或 11970985 18 =8 1000 = 根據(jù)這一數(shù)據(jù)，查閱資料，選用 55步進(jìn)電機(jī)可滿足要求。 部及機(jī)身（底座）的設(shè)計(jì)計(jì)算 概述 機(jī)身表示直接連接支承，傳動(dòng)手臂和行走機(jī)構(gòu)的部件，一般情況下 實(shí)現(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)部件都安裝在機(jī)身上。臂都的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況越復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定式，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機(jī)構(gòu)，可沿地面過(guò)架空軌道運(yùn)動(dòng)。 手臂部件（簡(jiǎn)稱臂部和手臂）是機(jī)器人的組要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部（關(guān)節(jié)）和手部（包括工件和工具），并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)，臂部還安裝一些傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從臂部的受力情況來(lái)看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動(dòng)載荷，自身運(yùn)動(dòng) 又較多，所以受力情況復(fù)雜。 我們采用機(jī)座式機(jī)身 ,臂部安裝在機(jī)座立柱的頂端 ,在臂 部只實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng) ,而臂部的回轉(zhuǎn)由機(jī)座上安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)立柱帶動(dòng)臂部回轉(zhuǎn) ,由于臂部質(zhì)量大 ,而且手及腕部君安在臂部 ,驅(qū)動(dòng)臂部回轉(zhuǎn)的