六自由度關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書[帶圖紙].doc

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1、目錄1前言11.1題目來源及分析11.2研究目的21.3國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀22關(guān)節(jié)型機器人總體設(shè)計42.1確定基本技術(shù)參數(shù)42.1.1機械結(jié)構(gòu)類型的選擇42.1.2額定負載52.1.3工作范圍52.1.4操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計52.1.5控制系統(tǒng)的選擇62.1.6確定關(guān)節(jié)型機器人手臂的配置形式62.2關(guān)節(jié)型機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計73關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計103.1電動機的選擇103.2計算傳動裝置的總傳動比及分配各級傳動比123.3軸的設(shè)計計算123.3.1計算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率123.3.2確定三根軸的具體尺寸133.4確定齒輪的參數(shù)173.4.1選擇材料173.4.2壓力角的選擇173

2、.4.3齒數(shù)和模數(shù)的選擇173.4.4齒寬系數(shù)的確定173.4.5確定齒輪傳動的精度183.4.6齒輪的校核193.5殼體設(shè)計224關(guān)節(jié)型機器人的位姿分析234.1機器人的位姿與運動的描述234.2關(guān)節(jié)型機器人的廣義連桿變換矩陣234.3關(guān)節(jié)型機器人運動方程264.3.1關(guān)節(jié)型機器人運動分析264.3.2關(guān)節(jié)型機器人運動反解295結(jié)論34參考文獻35附錄36關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要:為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量,滿足實際工作需要,本課題設(shè)計了用于焊接的關(guān)節(jié)型機器人。根據(jù)機器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點，進行了機器人的總體設(shè)計，確定了機器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機器人各關(guān)節(jié)的總體傳動方案

3、，對機器人腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行了詳細設(shè)計，合理布置了電機和齒輪，確定了各級傳動參數(shù)，進行了齒輪、軸和軸承的設(shè)計計算和校核。利用齊次變換矩陣法建立了六自由度關(guān)節(jié)機器人的正運動學(xué)模型，求出機器人末端相對于各自參考坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)值，建立了在直角坐標(biāo)空間內(nèi)機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)變量值的對應(yīng)關(guān)系。基于幾何投影原理推導(dǎo)出相應(yīng)的逆運動學(xué)模型，求出了各個關(guān)節(jié)的角度值，建立了機器人關(guān)節(jié)空間與世界空間的映射關(guān)系。該機器人具有剛性好，位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)型機器人；位姿分析；總體設(shè)計；腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計ThewaiststructuraldesignofarticulatedrobotAbstr

4、act:Inordertoimprovetheefficiencyofproductionandweldingqualityofproductsandmeetrealworksneeds,thissubjecthasdesignedthearticulatedrobotusedforwelding.Accordingtothejobrequirementsfortherobotandstructurecharacteristic,Ihavecarriedontheoveralldesignoftherobot,confirmedtheexternaldimensionandworkspaceo

5、ftherobot,draftedtheoveralltransmissionschemeofeveryjointoftherobot.Ihavedesignedthewaiststructureoftherobotindetail,assignedtheelectricalmachineryandgearwheelrationally,confirmedatallleveltransmissionparameters,carriedonthedesignandcalculatingofgearwheels,shaftsandbearingsandcheckingthem.Thekinemat

6、icmodelofrobotsystemhasbeenbuiltupbymeansofthehomogenoustransformationofmatrixinthisthesisanddeducestherobotshomogenouscoordinatewhichisrelativetoitsreferencecoordinate.Wealsomakeupthepositionrelationshipbetweentherobotsendeffectorandthevariablefriableofeveryjoint.Theinversekinematicmodelisdeducedwh

7、ichbasedontheprojectionprincipleofgeometryandthevalueofangleisworkedout.Whatsmore,therelationshipisbuiltupbetweenthejointspaceofrobotandtheworldspace.Thisrobothasthecharacteristicsoffinerigidity,positionprecisionhigh,thatoperatesteadily.Keywords:Articulatedrobot；Appearanceanalysisinthelocation；Desig

8、noverallly；Waistarticulatedstructuraldesignoftherobot1前言1.1題目來源與分析題目關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計來源于生產(chǎn)實踐中。要求設(shè)計的機器人具有6個自由度：腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)；臂關(guān)節(jié)俯仰；肘關(guān)節(jié)俯仰；腕關(guān)節(jié)仰腕；擺腕；旋腕。其中要詳細地設(shè)計機器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機器人要實現(xiàn)腕部最大負荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm。機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)

9、容。自古以來,人們所設(shè)想的機器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機器。特別是在20世紀(jì)20年代前后,捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品,更使機器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪,也制造出一些仿人或仿生的機器人。然而在當(dāng)時的科技條件下,要使機器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機械手,他首先突破了對機器人的傳統(tǒng)觀點,提出機器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設(shè)計制作了世界上第一臺機器人實驗裝

10、置,發(fā)表了適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機器人一文,并獲得了美國專利。戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機構(gòu)與數(shù)控機床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起,預(yù)定的機械手動作一經(jīng)編程輸入后,機械等就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人也可以接受示教而完成各種簡單任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動機械手依次通過工作任務(wù)的各個位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器中，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機器人的主要技術(shù)就是“可編程”以及“示教再現(xiàn)”。1.2研究目的焊接機器人是最大的工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域,它占工業(yè)機器人總數(shù)的25%左右。由于對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人

11、已難以勝任這一工作；此外,焊接時的火花及煙霧等,對人體造成危害,因而,此課題的提出就有十分重要的意義。1.3國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢a.工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。b.機械結(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、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。c.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(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、易操作性和可維護性

12、。d.機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、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(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。e.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。f.當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機器人的人機交互控制，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)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就

13、是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。g.機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。國際機器人研究在經(jīng)過了80年代的低潮之后,呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢；我國的機器人研究在國家七五八五及863計劃的推動下也取得了很大的發(fā)展。在70年代的機器人浪潮相比,現(xiàn)在的機器人研究有兩個特點:一是對機器人智能的定位有了更加符合實際的標(biāo)準(zhǔn),也就是不要求機器人具有像人類一樣的高智商,而只是要求機器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)，目

14、前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制技術(shù)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶

15、的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、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)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果，其中最為突出的是水下遙控機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、聲覺、觸覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，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)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。5613