六自由度工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)論文

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1、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 在當(dāng)今輪轂制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。 本文設(shè)計(jì)和研究了一個(gè)六自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于生產(chǎn)線的進(jìn)送料和裝配。首先，本文對(duì)生產(chǎn)線布局進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)的工作效率，然后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了

2、機(jī)器人的整體方案和具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，選擇了合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的底座、大臂、小臂和手部的結(jié)構(gòu)；并且對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)器人為六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人，全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)處采用電機(jī)，減速機(jī)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)自由度，從而實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該機(jī)器人的控制系統(tǒng)，采用PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方式，確定了控制系統(tǒng)的總體方案，設(shè)計(jì)了PCI 總線接口電路和DSP。 關(guān)鍵詞: 六自由度工業(yè)機(jī)器人；生產(chǎn)線；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)； 各位如果需要此設(shè)計(jì)的全套內(nèi)容（包

3、括二維圖紙、中英文翻譯、完整版論文、程序、答辯PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也請(qǐng)加上述QQ,代做免費(fèi)講解。 II - - Abstract In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality.

4、 As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainl

5、y undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper ,I will design an industrial robot with six DOFs.First, I will transform line layout and design the

6、structure of the baseto improve the work efficiency of production ,and then, according to the design requirements ,I design the robot mechanical structure of the overall plan and specific ,and chose the right means of transmission and drive mode,Then ,I design the big arm, the small arm and the end

7、manipulator of the robot,and I design the transmission structure, This robot is a 6-DOF joint robot,These joints are all rotary joints, joints used motor, reducer, gear transmission, worm gear and worm drive mechanism to realize various degrees of freedom, so as to achieve the required movement.On t

8、his basis, this paper will design the control system of the robot, which controlled by PC and DSP motion control card, and determine the overall scheme of the control system, design DSP and PCI bus interface circuit . Keywords: 6-DOF industrial robot, line layout , structure design, the contr

9、ol system -II- 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 課題背景及研究的目的和意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 2 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 4 第2章 生產(chǎn)線布局及總體方案的確定 5 2.1 生產(chǎn)線布局方案 5 2.1.1 機(jī)械手 5 2.1.2 工作流程 6 2.1.3 方案預(yù)期達(dá)到的目標(biāo) 6 2.2 總體方案的設(shè)計(jì) 7 2.2.1 機(jī)構(gòu)的選型 7 2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 7 2.2.3 傳動(dòng)方案的選擇

10、 8 2.2.4 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 9 2.2.5 控制方案的設(shè)計(jì) 11 2.2.6 技術(shù)參數(shù)列表 12 2.3 本章小結(jié) 13 第3章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 3.1 引言 14 3.2 電機(jī)力矩的計(jì)算以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 14 3.3 減速器的設(shè)計(jì) 16 3.4 腰部的設(shè)計(jì) 17 3.5 手臂的設(shè)計(jì) 18 3.5.1手臂的設(shè)計(jì)基本要求 18 3.5.2大臂和小臂 18 3.5.3連桿 19 3.6 手腕部的設(shè)計(jì) 19 3.7 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 20 3.8 本章小結(jié) 21

11、 第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核 22 4.1 腰部蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)及校核 22 4.2 腕部傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及校核 23 4.2.1傳動(dòng)方案 23 4.2.2齒輪的設(shè)計(jì)及校核 23 4.2.2.1齒輪組設(shè)計(jì) 23 4.2.2.2 直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì) 25 4.2.3 軸的設(shè)計(jì) 27 4.3 本章小結(jié) 31 第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 5.1 引言 32 5.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 32 5.2.1 控制系統(tǒng)的類(lèi)型選擇 32 5.2.2 控制系統(tǒng)的硬件電路 32 5.3 PCI的接口設(shè)計(jì) 3

12、3 5.4 DSP的設(shè)計(jì) 34 5.4.1 DSP概述 34 5.4.2 DSP硬件電路 34 5.4.3 DSP軟件 35 5.5本章小結(jié) 36 結(jié) 論 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒 論 1.1 課題背景及研究的目的和意義 輪轂制造業(yè)屬于勞動(dòng)密集型的行業(yè)，除了繁重的體力工作外，幾乎每個(gè)工序都存在著對(duì)人體有害的污染源和潛在的工傷事故:熱加工工序燙灼傷的危險(xiǎn)，大量易燃易爆燃料及消耗材料時(shí)時(shí)刻刻威脅著操作手的安全;鋁液除氣除渣產(chǎn)生的有毒

13、煙塵，機(jī)加工冷卻液的有害蒸汽，以及涂裝工序液體漆、粉漆、前處理藥液等等都會(huì)嚴(yán)重影響工人的健康;無(wú)處不在的轟鳴及刺耳的噪音會(huì)使你情緒壞到極點(diǎn)。[1] 針對(duì)原有輪轂生產(chǎn)線存在的勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低，粗加工加工尺寸不穩(wěn)定等問(wèn)題，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人及新的數(shù)控加工設(shè)備，不僅有效解決了輪轂大小頭軸承孔同軸度，大小頭螺孔位置度的質(zhì)量問(wèn)題，滿足用戶圖紙的要求，而且降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率將近一倍，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。[2] 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多

14、品種、變批量的柔性生產(chǎn)。[3]它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。[4]生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用。 在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車(chē)間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來(lái)完成材料或

15、零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的定義為：“一種自動(dòng)定位控制、可重復(fù) 編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！辈僮鳈C(jī)定義為：“具有和人的手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置?！币粋€(gè)典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它

16、是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。 輪轂生產(chǎn)線改造設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用課題。通過(guò)本設(shè)計(jì)可以使學(xué)生在實(shí)際課題設(shè)計(jì)中對(duì)生產(chǎn)加工，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)械手及其控制等知識(shí)得到切實(shí)的鍛煉。 1.2 國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，企業(yè)主為了避免這種強(qiáng)體力高危工種所帶來(lái)的高額人工費(fèi)用，早已采用了自動(dòng)化生產(chǎn)線代替部分人工操作進(jìn)行鋁合金輪轂的生產(chǎn)。在亞洲，日、韓企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)起步較早，形成了鮮明的地域特色。[1]而在中國(guó)大陸，一直沒(méi)有鋁合金輪轂生產(chǎn)廠真正考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題，到目前還沒(méi)有一條像樣的輪轂自動(dòng)化生產(chǎn)線。 中國(guó)大陸企業(yè)之所以不重視這

17、方面的發(fā)展，首先是由于近幾十年的慣性思維使然。過(guò)去幾十年缺乏資金和技術(shù)，擁有的優(yōu)勢(shì)就是眾多的廉價(jià)勞動(dòng)力，為了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，充分利用這個(gè)優(yōu)勢(shì)，無(wú)論在社會(huì)大環(huán)境要求還是在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考量上無(wú)疑都是正確的。另外的原因是企業(yè)管理者僵化的思維。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，有的企業(yè)管理者還把思維定位在舊的發(fā) 展模式上，認(rèn)為搞自動(dòng)化生產(chǎn)線硬件投入大，得不償失，而沒(méi)有綜合考慮自動(dòng)化生產(chǎn)帶來(lái)的綜合效益。 機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程，并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某種操作或移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自 動(dòng)控制及人工智能等多種科學(xué)的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型

18、代 表，是當(dāng)代科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來(lái)越多的國(guó)家的重視。近十幾年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。 我國(guó)是從 20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開(kāi)展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃。1987 年，我國(guó)的“863”計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。目前，我國(guó)從事機(jī)器人的應(yīng)用開(kāi)發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后，我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人，北京自動(dòng)化研究所1993 年研制的噴

19、涂機(jī)器人，1995 年完成的高壓水切割機(jī)器人，國(guó)家開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和研究單位沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的有纜深潛300m 機(jī)器人，無(wú)纜深潛機(jī)器人，遙控移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，2000 年國(guó)防科技大學(xué)研制的兩足類(lèi)人機(jī)器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華理工大學(xué)研制的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人，以及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)等。[3] 我國(guó)目前擁有機(jī)器人 4000 臺(tái)左右，主要在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用，而全世界應(yīng)用機(jī)器人數(shù)量為83 萬(wàn)臺(tái)，其中主要集中在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。在機(jī)器人研究方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。 目前，在國(guó)內(nèi)外各種機(jī)器人的研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下： A．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

20、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)。 B．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)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。 C．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)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 D．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門(mén)式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、 模塊化、系

21、列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開(kāi)發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)； E．焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。 其研究的現(xiàn)狀，總的來(lái)說(shuō)，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對(duì)具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文設(shè)計(jì)和研究了一個(gè)六自由度的工

22、業(yè)機(jī)器人，用于生產(chǎn)線的進(jìn)送料和裝配。首先，本文對(duì)生產(chǎn)線布局進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)的工作效率，然后，設(shè)計(jì)機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 第2章 生產(chǎn)線布局及總體方案的確定 2.1 生產(chǎn)線布局方案 如圖2-1所示，采取兩車(chē)床相臨，與加工中心依次排布的布局方式； 圖2-1 生產(chǎn)線布局圖 2.1.1 機(jī)械手 1. 雙爪（手指為兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)） 2. 機(jī)械手的自由度 （1）機(jī)械手手部?jī)蓚€(gè)自由度（回轉(zhuǎn)） （2）手腕一個(gè)自由度（兩個(gè)回轉(zhuǎn)） （3）手臂一個(gè)自由度（回轉(zhuǎn)） （4）機(jī)

23、身兩個(gè)自由度（兩個(gè)回轉(zhuǎn)） 2.1.2 工作流程 1.工序一：由機(jī)械手將工件從傳送帶取下，夾持工件外圓，固定到車(chē)床一上、夾緊，進(jìn)行工序一； 2.此時(shí)，機(jī)械手再次從傳送帶上取下工件，存放在手上； 3.待工序一完成后車(chē)床一防護(hù)門(mén)打開(kāi)，由機(jī)械手的另一只手將工件取下，將存放手上的工件固定車(chē)床一，進(jìn)行工序一； 4.之后，將從車(chē)床一取下的工件調(diào)頭撐內(nèi)孔固定到車(chē)床二上，進(jìn)行工序二； 5.重復(fù)流程2、3、4； 6.將工序二取下的工件固定到加工中心，進(jìn)行工序三； 7.工序三完成，機(jī)械手將工件取出反轉(zhuǎn)，重新固定，進(jìn)行工序四； 8.工序四完成后，機(jī)械手將成

24、品件從加工中心取出，放到出料傳送帶上； 9重復(fù)流程5~8。 工作流程圖如圖2-2所示。 圖2-2工序流程圖 2.1.3 方案預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)： 方案最大的特點(diǎn)是采用了雙爪機(jī)構(gòu)（手指為兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)），在生產(chǎn)流程中，省去了等待工序一加工完才可夾持下一工件的時(shí)間和各個(gè)工序之間所需的時(shí)間間隙，雙抓舉手實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的不間歇生產(chǎn)，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。 2.2 總體方案的設(shè)計(jì) 2.2.1 機(jī)構(gòu)的選型 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要。我們主要從以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行研究： (1）可達(dá)空間的范圍。 (2) 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

25、(3) 自由度的選取。 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)15KG，且長(zhǎng)度達(dá)500MM，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、 球坐標(biāo)型機(jī)器人和開(kāi)鏈連桿式機(jī)器人。開(kāi)鏈連桿式機(jī)器人是現(xiàn)在使用最多的一 種，其主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手腕上也采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)確定末端的姿態(tài)，具有優(yōu)點(diǎn)如下：[6] 1. 結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地小。 2. 具有很高的可達(dá)性。可以使其手部進(jìn)入像汽車(chē)車(chē)身這樣一個(gè)封閉

26、的空間內(nèi) 進(jìn)行作業(yè)，而直角坐標(biāo)型的機(jī)器人就不行。 3. 因?yàn)闆](méi)有移動(dòng)關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是 大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。 4. 所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗少。 通過(guò)對(duì)以上這些進(jìn)行研究，我們擬采用開(kāi)鏈桿式關(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu)。 機(jī)器人本體由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置組成。共有六個(gè)自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕側(cè)擺。 2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)可分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種類(lèi)型。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，且適應(yīng)范圍不同。三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)

27、見(jiàn)表2-1。 表2-1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照 液壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 輸出功率 很大 大 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。密封問(wèn)題較小 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小 結(jié)構(gòu)性能好，

28、噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題 在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文選用電

29、機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 2.2.3 傳動(dòng)方案的選擇 傳動(dòng)方式的選擇是指選擇驅(qū)動(dòng)源以及傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動(dòng)方式。 基本的連接形式和驅(qū)動(dòng)方式見(jiàn)圖2-3所示。 （1）直接連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源或帶有機(jī)械傳動(dòng)裝置直接與關(guān)節(jié)相連。 （2）遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源通過(guò)遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動(dòng)后與關(guān)節(jié)相連。 a）直接連接傳動(dòng)，間接驅(qū)動(dòng)； b）直接連接傳動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng) c）遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)，間接驅(qū)動(dòng)；d）遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng) 圖2-3 各種傳動(dòng)方案 （3）間接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源經(jīng)一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連。

30、 （4）直接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源不經(jīng)過(guò)中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過(guò)一個(gè)速比等于1的機(jī)械傳動(dòng)這樣 的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。 如果采用遠(yuǎn)距離連接，則造成傳動(dòng)鏈太長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)比較龐大等，所以采用直接連接傳動(dòng)的方式；又因?yàn)椴捎弥苯舆B接，所以電機(jī)不能選的太大，為了提高機(jī)器人的負(fù)載能力，必須采用間接驅(qū)動(dòng)的方式，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)增大電機(jī)的輸出力矩。 綜上所述，本課題采用圖2-3中的a)方式， 即直接連接傳動(dòng)，間接驅(qū)動(dòng)。 2.2.4 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 機(jī)構(gòu)選型和傳動(dòng)方式完成后，再進(jìn)行總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體情況如下： 要求上部的機(jī)械臂底盤(pán)要大，重心要低，所以，腰部關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接選擇安裝在基座上，如圖2-

31、4所示。 整個(gè)結(jié)構(gòu)為空間關(guān)節(jié)型的，本體由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置組成。有4個(gè)關(guān)節(jié)，腰關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)，共有六個(gè)自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕側(cè)擺，均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其中腰關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體除基座以外的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)；肩關(guān)節(jié)帶動(dòng)大臂、小臂、手腕、手爪進(jìn)行俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿足機(jī)器人工作空間上高度的要求；肘關(guān)節(jié)實(shí) 現(xiàn)帶大臂和小臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)：大臂、小臂以及手腕均可在允許的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)；腕關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)俯仰以及擺動(dòng)，可以方便的改變手爪的位姿。 圖2-4 六自由度機(jī)械臂簡(jiǎn)圖

32、 手爪是機(jī)械臂中的比較重要的部件，采用了氣動(dòng)夾持器。氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。 機(jī)器人的機(jī)身、大小臂等都采用空心薄壁機(jī)構(gòu)，硬鋁材料，使得零件的剛性 好，而且重量輕。在連接處，采用高強(qiáng)度的螺栓連接，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處，選用了高精度的軸承，使得運(yùn)轉(zhuǎn)很靈活，磨損小。 在現(xiàn)代機(jī)器人結(jié)構(gòu)中廣泛使用著各種機(jī)器人軸承，常用的有環(huán)形軸承和交叉滾子軸承。這幾種機(jī)器人專(zhuān)用軸承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，精度高、剛度大，承載能力強(qiáng)（可承受徑向力、軸向力、傾覆力矩）和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但考慮到這些軸承價(jià)格昂貴，而使用普通的球

33、軸承或滾子軸承也能滿足結(jié)構(gòu)的需要，所以在該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中仍然全部采用球軸承。在電機(jī)的布置上，考慮盡量將電機(jī)放置在相應(yīng)的操作臂的前端，這樣可以減小扭矩，同時(shí)也可以起到重力平衡的作用，但同時(shí)盡量避免過(guò)長(zhǎng)的傳動(dòng)鏈，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。[11] 各部件組成和功能描述如下： （1）底座部件：底座部件包括底座、蝸輪蝸桿，箱體，渦輪軸和步進(jìn)電機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)固定在箱體上。 （2）腰部回轉(zhuǎn)部件：腰部回轉(zhuǎn)部件包括驅(qū)動(dòng)臂座，擺線針輪減速機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在腰部支架上固定著驅(qū)動(dòng)大臂俯仰和小臂俯仰的電機(jī)。 （3）大臂部件:包括大臂和連桿。 （4）小臂部件:

34、包括小臂、齒輪箱、傳動(dòng)部件、傳動(dòng)軸等,在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驅(qū)動(dòng)手腕三個(gè)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。 （5）手腕部件：包括手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和機(jī)械接口等。 （6）末端執(zhí)行器：氣動(dòng)夾持器（兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)）。 整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，基本滿足設(shè)計(jì)要求。 2.2.5 控制方案的設(shè)計(jì) 構(gòu)建機(jī)器人平臺(tái)的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。到目前為止，基于PC機(jī)控制系統(tǒng)一般包括單PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式，PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制模式， DSP屬于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序存儲(chǔ)空間和

35、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，運(yùn)算速度極快(超過(guò)20MIPS)，為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性提供了有力保障，也使復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)成為可能，特別是面向電機(jī)控制應(yīng)用的DSP，它通過(guò)把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和常用外圍設(shè)備集成為一個(gè)芯片的方法，將DSP的高速運(yùn)算特性和優(yōu)化的控制特性結(jié)合起來(lái)，成為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心芯片的最佳選擇?；贒SP控制器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)單片系統(tǒng)，因?yàn)檎麄€(gè)電機(jī)控制所需的各種功能都可以用DSP控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可以大幅度減小系統(tǒng)體積，減少外部器件的個(gè)數(shù)，增加系統(tǒng)可靠性。 因此本文選定PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方式。 2.2.6 技術(shù)參數(shù)列表 1. 抓重: 2. 自由度數(shù):6

36、個(gè)自由度 3. 坐標(biāo)型式:開(kāi)鏈連桿式關(guān)節(jié)型 4. 最大工作半徑: 5. 手臂最大中心高： 6. 最大行程: 手臂旋轉(zhuǎn)： 手臂進(jìn)-出： 手臂上-下： 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)： 手腕彎曲： 手腕扭轉(zhuǎn)： 7. 最大速度： 手臂旋轉(zhuǎn)： 手臂進(jìn)-出： 手臂上-下： 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)： 手腕彎曲： 手腕扭轉(zhuǎn)： 8. 慣性矩： 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)： 手腕彎曲： 手腕扭轉(zhuǎn)： 9. 重復(fù)定位精度: 10. 最大直線運(yùn)動(dòng)速度： 11. 手指夾持范圍:輪轂: 12. 定位方式: 開(kāi)環(huán)步

37、進(jìn)電機(jī)定位 13. 驅(qū)動(dòng)方式: 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 14. 控制方式: PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡 2.3 本章小結(jié) 本章根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成了生產(chǎn)線布局的設(shè)計(jì)及機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)。首先考慮到輪轂生產(chǎn)線的效率問(wèn)題選定了機(jī)構(gòu)的類(lèi)型和驅(qū)動(dòng)方式，確定了傳動(dòng)方案，考慮機(jī)械手的結(jié)構(gòu)合理性確定了機(jī)械手各個(gè)部件的設(shè)計(jì)方案以及控制方案，最后確定機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。 第3章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1 引言 本章的工作包括電機(jī)的選型，減速器設(shè)計(jì)，腰部，手臂，手腕，末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 3.2 電機(jī)力矩的計(jì)算以及驅(qū)動(dòng)電

38、機(jī)的選擇 目前在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。[12]下表3-1為幾種電機(jī)的比較： 表3-1 各種電機(jī)的比較 電機(jī)類(lèi)型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 相對(duì)功率 應(yīng)用范圍 直流電機(jī) 容易購(gòu)得 型號(hào)多 功率大 太快，需減速器，較貴，控制復(fù)雜 最強(qiáng) 較大型的機(jī)器人 舵機(jī) 內(nèi)部帶減速器 型號(hào)多 易于安裝 負(fù)載能力較低，速度可調(diào)范圍小 中等 小型機(jī)器人 步進(jìn)電機(jī) 精確的速度控制，型號(hào)多 適合室內(nèi)機(jī)器人， 功率與自重比小，功率小 最弱 巡線跟蹤機(jī)器人，室內(nèi)機(jī)器人

39、電動(dòng)機(jī)可以選擇步進(jìn)電機(jī)，也可以選擇直流伺服電機(jī)。使用直流伺服電機(jī)能有精度高，額定轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。 所以本設(shè)計(jì)中6 個(gè)關(guān)節(jié)都采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，開(kāi)環(huán)控制。 下面計(jì)算電機(jī)負(fù)載力矩。力矩計(jì)算的目的是選取電機(jī)，肩部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)只提供旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)力矩，肩部俯仰和肘關(guān)節(jié)提供在垂直空間運(yùn)動(dòng)力矩，而五個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度較慢，由此可見(jiàn)電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力 矩在肩部俯仰關(guān)節(jié)上。以肩部俯仰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型為例，在設(shè)計(jì)的過(guò) 程中，要計(jì)算出各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，必須知道各關(guān)節(jié)的重心和質(zhì)量，在過(guò)去常采用估算的方法，誤差較大。本文采用solidworks軟件建立機(jī)

40、構(gòu)的三維實(shí)體模型，利用該軟件的計(jì)算功能得出各個(gè)關(guān)節(jié)質(zhì)量及重心位置。具體數(shù)值為：肩部俯仰關(guān)節(jié)、肘部關(guān)節(jié)、腕部旋轉(zhuǎn)、腕部伸出關(guān)節(jié)質(zhì)量分別為8.7kg、10.3kg、20.67kg、25.59kg，重心距關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別是500mm、1000mm、1400mm、1800mm,腕部伸出部分質(zhì)量為35.72kg,重心距離關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心1900mm，電機(jī)重5kg，輪轂重15kg. 本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂在圖3-1所示的位置時(shí)，大臂的俯仰電機(jī)所受負(fù)載力矩最大，所以所選電機(jī)能滿足這種情況就能符合實(shí)際的要求。 圖3-1機(jī)械手極限位置 由于機(jī)械臂的轉(zhuǎn)速較低，所以可不考慮慣性力對(duì)轉(zhuǎn)軸的作用，摩擦阻力矩也可以忽略，所

41、以大臂運(yùn)動(dòng)所需的力矩r必須要大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即克服整個(gè)機(jī)械臂，電機(jī)，以及抓取的重物的重力矩，表達(dá)式為： (3-1) 3.3 減速器的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)所選的電機(jī)不能輸出上面算的力矩，為了能夠得到更大的輸出力矩，還必須要設(shè)計(jì)一個(gè)減速機(jī)構(gòu)。這里，我們采用了減速機(jī)， 法蘭式擺線減速機(jī)有如下特點(diǎn)： 1.高速比和高效率,單級(jí)傳動(dòng)就能達(dá)到1：87的減速比，效率在90％以上。 2.結(jié)構(gòu)緊湊體積小由于采用了行星傳動(dòng)原理，輸入軸輸出軸在同一軸心線上，使其機(jī)型獲得盡可能小的尺寸。 3.設(shè)計(jì)合理，維修方便，容易分解安裝，最少零件個(gè)數(shù)以及簡(jiǎn)

42、單的潤(rùn)滑。 3.4 腰部的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)多關(guān)節(jié)機(jī)械手的設(shè)計(jì)中都是把電機(jī)固定在關(guān)節(jié)上以驅(qū)動(dòng)手臂，雖然看上去比較直觀，但對(duì)一個(gè)長(zhǎng)且較重的多關(guān)節(jié)手臂而言，這樣一種結(jié)構(gòu)是很難獲得應(yīng)用的，并且由于運(yùn)動(dòng)慣性的加大，在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中也勢(shì)必造成控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜化?？紤]將驅(qū)動(dòng)元件位置向下移動(dòng)到腰關(guān)節(jié)或者肩關(guān)節(jié)，這可以消除驅(qū)動(dòng)元件在手臂擺動(dòng)時(shí)所造成的系統(tǒng)慣量的大幅波動(dòng)，從而有效解決上述問(wèn)題。將三臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別布置在腰關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)（對(duì)稱(chēng)水平布置），這使得手臂重量問(wèn)題迎刃而解。如圖3-2所示為腰部的剖視圖. 腰部是通過(guò)蝸輪蝸桿來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的腰部回轉(zhuǎn)，蝸輪和蝸輪軸配合帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂座回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)腰部回轉(zhuǎn)。如圖3

43、-2是腰部的剖視圖. 圖3-2腰部剖視圖 3.5 手臂的設(shè)計(jì) 3.5.1手臂的設(shè)計(jì)基本要求 手臂的作用是在一定載荷和一定速度下，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手要求空間中的運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，基本要求有如下： 1.剛度高。為了防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。 2.導(dǎo)向性好。為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形，花鍵等形式的臂桿。 3.重量輕。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減

44、小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減小整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 4.運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)定位精度高。 3.5.2大臂和小臂 常用的臂部結(jié)構(gòu)有： 1.手部直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；機(jī)器人手臂的伸縮，橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的比較多。 2.手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。 機(jī)械手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運(yùn)動(dòng)要求、操作環(huán)境、工作對(duì)象

45、的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動(dòng)范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在腰部上兩種形式， 本機(jī)械手大臂采用回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手臂配置在驅(qū)動(dòng)臂座上的形式。電機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)大臂旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)大臂俯仰。 本設(shè)計(jì)大臂長(zhǎng)度1100mm，如圖3-3 圖3-3大手臂 肩關(guān)節(jié)右側(cè)電機(jī)通過(guò)減速機(jī)，再通過(guò)連桿來(lái)控制小臂的俯仰，本設(shè)計(jì)的小臂長(zhǎng)度1000mm，如圖3-4 圖3-4小手臂 3.5.3 連桿 本設(shè)計(jì)是通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)來(lái)控制小

46、臂的俯仰，連桿的結(jié)構(gòu)圖如圖3-5 圖3-5連桿結(jié)構(gòu)圖 3.6 手腕部的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用三自由度手腕。 目前，大多數(shù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人都采用了三自由度手腕。主要有兩類(lèi): 1. 匯交手腕(或稱(chēng)正交手腕)它是α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)。 2. 偏置式手腕它是α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，但不匯交于一點(diǎn)。 這兩類(lèi)手腕都是把β、γ運(yùn)動(dòng)的減速器安裝在手腕上，可簡(jiǎn)化小臂結(jié)構(gòu)，但卻增加了手腕本身的重量和復(fù)雜程度。 關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、腕轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其傳動(dòng)鏈分成二部分，一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi)，三個(gè)電機(jī)的輸出通過(guò)齒輪傳動(dòng)分別傳遞到同軸傳動(dòng)的心

47、軸、中間套、外套筒上。另一部分傳動(dòng)鏈安排在手腕部。 （1）臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 臂部外套筒與手腕殼體通過(guò)端面法蘭聯(lián)結(jié)，外套筒直接帶動(dòng)整個(gè)手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在外套筒右端還需小手臂旋轉(zhuǎn)法蘭和小手臂旋轉(zhuǎn)軸法蘭，左端通過(guò)前爪固定座與前爪法蘭相連。 （2）腕擺運(yùn)動(dòng) 臂部輸出的空心軸通過(guò)一組錐齒輪組，錐齒輪組安裝在前爪法蘭上，錐齒輪與前爪法蘭相重合，使前爪旋轉(zhuǎn)法蘭隨錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)而上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腕擺動(dòng)。 （3）手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 如圖3-5,臂部心軸通過(guò)鍵聯(lián)結(jié)帶動(dòng)錐齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪組再與一組齒輪組合又一組錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，最后帶動(dòng)小手腕前端法蘭和腕部前端中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。末端執(zhí)行器與腕部前端中心軸配合，從而實(shí)

48、現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。下圖3-5是手腕部的剖視圖 圖3-5手腕部剖視圖 3.7 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。 通過(guò)法蘭盤(pán)與夾持器固聯(lián)，利用腕部和小臂的旋轉(zhuǎn)，以及外部的擺動(dòng)帶動(dòng)末端夾持器在空間做任意的運(yùn)功。由于機(jī)械手要求2個(gè)夾持機(jī)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成兩邊對(duì)稱(chēng)式的平行開(kāi)合的氣爪，如圖3-6。 圖3-6 雙夾持機(jī)構(gòu)平行開(kāi)合氣爪 3.8 本章小結(jié) 本章根據(jù)各種電機(jī)的特點(diǎn)選定了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，由于輸出的轉(zhuǎn)

49、矩不夠有選擇了減速機(jī)來(lái)提高轉(zhuǎn)矩，之后查詢資料和手冊(cè)設(shè)計(jì)了腰部，手臂，手腕的結(jié)構(gòu)。下面是用solidworks畫(huà)的總體結(jié)構(gòu)圖和輪轂生產(chǎn)線示意圖，如圖3-7，圖3-8 圖3-7 圖3-8 第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核 4.1 腰部蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)及校核 4.2 腕部傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及校核 4.2.1傳動(dòng)方案 4.2.2 齒輪的設(shè)計(jì)及校核 4.2.2.1齒輪組設(shè)計(jì) 4.2.2.2直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì) 4.2.3 軸的設(shè)計(jì) 圖4-2 外套筒結(jié)構(gòu)示意圖 圖4-3中間套

50、結(jié)構(gòu) 圖4-4手腕部傳動(dòng)中心軸結(jié)構(gòu) 圖4-5小手腕部中心軸結(jié)構(gòu) 畫(huà)出軸的受力分析簡(jiǎn)圖如圖4-6 圖4-6小手腕部中心軸的受力分析 圖4-7水平面彎矩圖 1) 畫(huà)轉(zhuǎn)矩圖 圖3.8軸的轉(zhuǎn)矩和彎矩圖 4.3本章小結(jié) 本章根據(jù)蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了腰部蝸輪蝸桿并進(jìn)行了校核，還設(shè)計(jì)了腕部的傳動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)有電機(jī)，減速機(jī)，直齒齒輪，錐齒輪及軸，前爪法蘭，前爪旋轉(zhuǎn)法蘭，對(duì)這些進(jìn)行了設(shè)計(jì)和

51、校核。 第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1引言 機(jī)器人控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分有計(jì)算機(jī)、控制的對(duì)象、數(shù)字和模擬輸入和輸出通道、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出通道、人機(jī)接口設(shè)備等。軟件部分包含了接口驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)試控制程序等。 本章主要研究了機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體方案，簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)的原理， 5.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5.2.1控制系統(tǒng)的類(lèi)型選擇 機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心和樞紐，直接決定了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度和工作效率。機(jī)器人控制系統(tǒng)根據(jù)

52、 CPU 提供的命令以及末端傳感器傳回的信號(hào)來(lái)控制機(jī)器人完成特定的動(dòng)作，到達(dá)特定的位置，從而完成相應(yīng)的任務(wù)。[14] 本設(shè)計(jì)選用PC機(jī)+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式。 5.2.2控制系統(tǒng)的硬件電路 本章研究的機(jī)器人控制系統(tǒng)的任務(wù)主要是由 PC 機(jī)發(fā)送各種控制命令,經(jīng) PC 程序進(jìn)行譯碼、預(yù)處理等處理后,再通過(guò) PCI 總線接口芯片 PCI9052 與 CPLD 進(jìn)行通訊，將控制命令送入 CPLD，然后 CPLD 將控制指令轉(zhuǎn)化為脈沖或電壓信號(hào)輸入到 DSP 中，這些信號(hào)（包括脈沖方向輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字量輸出信號(hào)和輸入信號(hào)）對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，輸出頻率可調(diào)的脈沖串來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

53、，通過(guò)改變脈沖串的頻率和個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度和位置控制，多軸聯(lián)動(dòng)等功能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在空間中的運(yùn)動(dòng)。[15] 控制系統(tǒng)硬件圖如圖 5.1 所示。 電機(jī) 電機(jī) DSP DSP PCI 9052 P C 機(jī) 電機(jī) CPLD DSP 電機(jī) DSP 電機(jī) 電機(jī) DSP DSP 圖5.1控制系統(tǒng)硬件圖 5.3 PCI的接口設(shè)計(jì) PCI9052 提供高性能的接口連接，把各種外部電路和器件通過(guò) PCI9052 與 PCI總線相連

54、，所以可以大幅度的提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，本地總線傳播速率最高可以達(dá)到 132MB/S 的傳輸速率。對(duì) PCI9052 編程可實(shí)現(xiàn)復(fù)用/非復(fù)用的 8 位、16 位、32位的本地總線接口。PCI9052 還有內(nèi)部 FIFO 可以加速本地總線的操作。[17 ]PCI9052 硬件電路接口圖如圖 5-2 所示。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用最大模式，雙口 RAM 的 8 根數(shù)據(jù)線和PCI9052 的高 8 位數(shù)據(jù)線連接。 PCI9052 一共擁有四個(gè)主要接口：PCI 總線接口、串行 E2PROM 接口、局部總線接口和 ISA 總線接口，由于在設(shè)計(jì)不需要使用 ISA 接口，所以在硬件電路圖中省略了

55、 ISA 總線接口。PCI9052 中局部總線接口和 ISA 總線接口的引腳是可以復(fù)用的。PCI9052 在整個(gè)系統(tǒng)中有著非常關(guān)鍵的作用，它把 PCI 總線與外圍電路所有的局部總線聯(lián)系在一起，將 PCI 總線命令（如讀寫(xiě)某個(gè)寄存、內(nèi)存、I/O 端口）傳遞到局部總線上，再有局部總線傳遞給外圍控制電路：同時(shí)，它還可以接受外圍電路傳回的反饋信號(hào)，并傳回 PC 機(jī)，由 CPU 進(jìn)行處理。 圖5-2 PCI9052 硬件電路接口圖 5.4 DSP的設(shè)計(jì) 5.4.1 DSP概述 DSP(Digital Signal Processor)是指數(shù)字信號(hào)處理器。DSP

56、 芯片是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用在高速數(shù)字信號(hào)處理的微處理器。TMS320LF2807A 是 TI 公司推出的一款面向數(shù)字控制系統(tǒng)，尤其是數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的 DSP 芯片，由于它除了具有數(shù)字信號(hào)處理器的一般特點(diǎn)外，片內(nèi)還增加了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的、專(zhuān)門(mén)用于數(shù)字控制系統(tǒng)的外設(shè)電路，非常適合用來(lái)作為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器，所以在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器選用 TMS320LF2807A 作為 DSP 芯片。[16] 5.4.2 DSP硬件電路 圖5-3為T(mén)MS320LF2807A 結(jié)構(gòu)圖 圖5.3TMS320LF2807A 結(jié)構(gòu)圖 5.4.3 DSP軟件 圖5-4

57、為DSP中斷程序流程圖 圖5-4中斷程序流程圖 5.5本章小結(jié) 本章主要確定了控制系統(tǒng)的方案，采用了PC機(jī)+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式。簡(jiǎn)單介紹了控制系統(tǒng)的原理，包括硬件電路，PCI的接口設(shè)計(jì)，DSP的設(shè)計(jì)等。DSP在系統(tǒng)中完成了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成為方向和脈沖信號(hào)的功能，然后通過(guò)輸出這些方向和脈沖信號(hào)來(lái)控制相關(guān)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)對(duì)輪轂生產(chǎn)線進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了一個(gè)六自由度工業(yè)機(jī)器人，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，搜集資料、向?qū)熣?qǐng)教、與同學(xué)討論，為完成設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 所完成的任務(wù)有： （1

58、） 在查詢了國(guó)內(nèi)外的輪轂生產(chǎn)線的布局的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)線布局進(jìn)行改造，采用兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，提高了效率30%，節(jié)約了時(shí)間，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。 （2） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成了六自由度工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先，確定了總體的設(shè)計(jì)方案，選擇了合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的腰部、大臂、小臂和腕部的具體結(jié)構(gòu)，并且對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)器人為六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人，全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)處采用電機(jī)，減速機(jī)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增實(shí)現(xiàn)各個(gè)自由度，從而實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)。并在此基礎(chǔ)上，確定了機(jī)器人的控制方案，并簡(jiǎn)單介紹了它的控制原理。 （3） 用SolidWorks繪制出機(jī)

59、器人的三維模型和生產(chǎn)線的示意模型，并且制作了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)易動(dòng)畫(huà)。 由于本人水平有限和時(shí)間的限制，現(xiàn)階段對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步完善，控制系統(tǒng)的研究還處于理論階段，沒(méi)能做更深入的研究。對(duì)今后的研究工作的展望與設(shè)想如下： （1）進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將電機(jī)放在機(jī)器人里面，不用外置，采用內(nèi)置，盡量讓設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加緊湊，剛性也隨之提高。 （2）研究控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)DSP進(jìn)行深入設(shè)計(jì)。 （3） 可以做運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，運(yùn)用Matlab軟件和Adams軟件對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，包括手動(dòng)仿真和軌跡的仿真。 （4） 可以用Ansys軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

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