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摘 要
四自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人可以應(yīng)用在工業(yè)裝配、醫(yī)療等方面，因此對該類機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅對工業(yè)應(yīng)用有利而且還會(huì)對教學(xué)方面起到了推動(dòng)作用。
教學(xué)機(jī)器人很類似于人的手臂的運(yùn)動(dòng)，它包含肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)。它是一種工業(yè)機(jī)器人，具有四個(gè)自由度。其中，三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，另外一個(gè)是移動(dòng)自由度。他能實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，具有柔順性，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，廣泛用于裝配作業(yè)中。
本文用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了教學(xué)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在分析設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上提出了教學(xué)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案；用三維造型軟件完成四自由度教學(xué)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了機(jī)器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖，包括關(guān)節(jié)模塊、電機(jī)模塊、連桿模塊。電機(jī)模塊使用了直流電機(jī)、減速齒輪組、電位器三位一體的舵機(jī)。關(guān)節(jié)模塊是指將驅(qū)動(dòng)零件都裝入大臂和小臂，同時(shí)還分析了教學(xué)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解問題，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)教學(xué)機(jī)器人基本上實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，符合發(fā)展趨勢。三個(gè)模塊相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于教學(xué)式平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)，其一二關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)同樣適用于其他關(guān)節(jié)式機(jī)器人前端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。采用特殊軸承和特殊的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)解決了機(jī)器人的抗傾覆問題，這種特殊結(jié)構(gòu)有益于提高系統(tǒng)機(jī)械性能。
關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；教學(xué)機(jī)器人；模塊化設(shè)計(jì)方法；關(guān)節(jié)式
Abstract
Joint type robot Four freedom degree can application at industry assemble, medical treatment etc., so rightness should type robot of design not only to industry application beneficial and still had push function to the teaching.
Teaching robot work in a similar way as human’arms.The teaching robot, incorporating a shoulder joint, an elbow joint, and a wrist joint, is capable of operating vertically and horizontally. The teaching robot is a kind of 4 DOFs industrial robot, 3 rotary DOFs and 1 linear DOF. It, featuring compliance, good vertical rigidity, and horizontal flexibility, is widely used in assembly.
method a design to play chess robot. At analysis design request of foundation top put forward robot total design project; Use 3D shape software completion four freedom degree the machine structure of the robot design, completion the robot be whole assemble diagram and main engineering diagram of zero parts to draw. The mold piece in which include a joint mold piece, electrical engineering mold piece and connect a pole mo This text use a mold piece the machine structure which turned a design ld a piece. Electrical engineering mold piece of is an usage direct current electrical engineering, decelerate the Christian Trinity of the wheel gear set, electric potential machine of rudder machine. The joint mold piece is that will drive spare parts to all pack into the big arm and the small arm. This text analysis the kinetics of teaching robot just solution with negative solution, design of control system of robot. Design teaching robot basically realization the mold piece turn design and match development trend. Three mold piece is mutually independence, the structure be simple, zero parts be little, accuracy high , credibility high , not only be applicable to the teaching type flat surface joint a type assemble robot design, it joint of one end two mold piece structure same be applicable to other joint type robot head to turn to move a joint design. The adoption special bearings with specially spread to move structure to work out the problem of capsizal of robot, this kind of special structure was good for exaltation system machine function.
Keywords computer aided design; educational robot; modular-design methodology; joint model
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- II -
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.3 教學(xué)機(jī)器人簡介 .........................................................................2
1.4 本設(shè)計(jì)主要工作的內(nèi)容.....................................................................3
1.4.1 本設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容、技術(shù)方案及其意義...........................3
1.4.2 擬解決的關(guān)鍵問題......................................................................3
1.4.3 需要完成的工作.........................................................................4
第2章 關(guān)節(jié)式教學(xué)機(jī)器人的方案設(shè)計(jì) 5
2.1 機(jī)器人的分類與特點(diǎn) 5
2.1.1 機(jī)器人的分類 5
2.1.2 機(jī)器人的特點(diǎn) 7
2.2 教學(xué)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì).....................................................................8
2.2.1 教學(xué)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)..............................................................8
2.2.2 教學(xué)機(jī)器人的外形尺寸與工作空間...........................................9
2.2.3 教學(xué)機(jī)器人的總體傳動(dòng)放案......................................................9
第3章 教學(xué)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11
3.1 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.1.1 同步齒形帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.1.2 螺旋傳動(dòng)副的設(shè)計(jì)計(jì)算............................................................13
3.2 機(jī)器人關(guān)鍵零部件的校核計(jì)算.......................................................14
3.2.1 螺栓的強(qiáng)度校核計(jì)算................................................................14
3.2.2 機(jī)械手臂的校核計(jì)算................................................................14
3.3 大臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).......................................................................16
3.4 小臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).......................................................................17
3.5 腕部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)...........................................................................17
3.6 本章小結(jié)..........................................................................................18
第4章 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).............................................................................19
4.1 手爪的結(jié)構(gòu)形式的選擇....................................................................19
4.1.1 手爪的分類與特點(diǎn).....................................................................19
4.1.2 手爪結(jié)構(gòu)形式的選擇.................................................................19
4.2 手爪的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)................................................................................20
4.3 手爪的校核計(jì)算................................................................................21
第5章 教學(xué)機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真..............................................23
5.1 教學(xué)機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)....................................................................23
5.1.1 UG三維建模環(huán)境概述................................................................23
5.1.2 教學(xué)機(jī)器人的主要零件的建模過程..........................................26
5.1.3 教學(xué)機(jī)器人組件的裝配過程......................................................27
5.2 教學(xué)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真....................................................................27
5.2.1 UG運(yùn)動(dòng)分析模塊.......................................................................27
5.2.2 教學(xué)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真的建立過程..............................................27
5.3 本章小結(jié)...........................................................................................30
結(jié)論 31
致謝 32
參考文獻(xiàn) 33
附錄 35
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- IV -
第1章 緒論
1.1 引言
機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用水平是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。
工業(yè)機(jī)器人既具有操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置，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)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。
目前機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域主要還是集中在汽車工業(yè)，它占現(xiàn)有機(jī)器人總數(shù)的28.9。其次是電器制造業(yè)，約占16.4，而化工業(yè)則占11.7。此外，工業(yè)
機(jī)器人在食品、制藥、器械、航空航天及金屬加工等方面也有較多應(yīng)用。隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域開始從制造業(yè)擴(kuò)展到非制造業(yè)，同時(shí)在原制造業(yè)中也在不斷的深入滲透，向大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領(lǐng)域深化、擴(kuò)展。而新開辟的應(yīng)用領(lǐng)域有木材家具、農(nóng)林牧漁、建筑、橋梁、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公家用、教育科研及一些極限領(lǐng)域等非制造業(yè)。
一般來說，機(jī)器人系統(tǒng)可按功能分為下面四個(gè)部分：
(1) 機(jī)械本體和執(zhí)行機(jī)構(gòu):包括機(jī)身、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)、框架、機(jī)械連接等內(nèi)在的支持結(jié)構(gòu)。
(2) 動(dòng)力部分:包括電源、電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)電路。
(3) 檢測傳感裝置:包括傳感器及其相應(yīng)的信號檢測電路。
(4) 控制及信息處理裝置:由硬件、軟件構(gòu)成的機(jī)器人控制系統(tǒng)。
1.2 國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢：
(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. 3萬美元降至2005年的5萬美元。
(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);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。
(3) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)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、力覺等傳感器，而遙控機(jī)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(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)境中的感覺來操縱機(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)械開始興起。從1994年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置己成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。
1.3 教學(xué)機(jī)器人簡介
四自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人應(yīng)用很廣泛，本設(shè)計(jì)主要是對教學(xué)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。教學(xué)機(jī)器人(如圖1-1所示)很類似人的手臂的運(yùn)動(dòng)，它包含肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)水平和垂直運(yùn)動(dòng)，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向，是一種固定式的工業(yè)機(jī)器人。它具有四個(gè)自由度，其中，三個(gè)是旋轉(zhuǎn)自由度，一個(gè)是移動(dòng)自由度。3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行。這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如下棋機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)l0m/s，比一般的關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它能實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，具有柔順性。
圖1-1教學(xué)機(jī)器人
四自由度關(guān)節(jié)式下棋機(jī)器人最適用于平面定位，廣泛應(yīng)用于教學(xué)和娛樂方面。
1.4 本設(shè)計(jì)主要工作的內(nèi)容
1.4.1 本設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容、技術(shù)方案及其意義
本設(shè)計(jì)是要設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)水平關(guān)節(jié)式機(jī)器人。作為工業(yè)機(jī)器人己有很多成熟的產(chǎn)品，但大多驅(qū)動(dòng)裝置采用伺服電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用RV減速機(jī)，由這些部件構(gòu)成的整機(jī)價(jià)格昂貴，不適宜于作為教學(xué)用途[6]。而教學(xué)機(jī)器人相對而言對運(yùn)動(dòng)精度的要求要比工業(yè)場合用的機(jī)器人所要求的精度低，對運(yùn)動(dòng)速度和穩(wěn)定性的要求也不高，它只需具備機(jī)器人的基本元素，達(dá)到一定的精度即可。實(shí)際上由舵機(jī)構(gòu)成的內(nèi)部閉環(huán)系統(tǒng)精度已經(jīng)很高，能滿足教學(xué)用途，而且成本比伺服電機(jī)構(gòu)成的閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)低很多。諧波傳動(dòng)也是精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)并且很成熟的一項(xiàng)傳動(dòng)技術(shù)。因此自主開發(fā)低成本的教學(xué)機(jī)器人很有意義。對本機(jī)器人的研制，擬采用舵機(jī)作為動(dòng)力裝置， 同時(shí)采用同步齒形帶和螺桿等零部件來構(gòu)成機(jī)器人的機(jī)械本體。
選出最優(yōu)傳動(dòng)方案一一關(guān)鍵零部件選型一一零部件工程圖和總裝圖一一機(jī)械系統(tǒng)三維建模一一運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及位姿誤差建模控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一一控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.4.2 擬解決的關(guān)鍵問題
(1) 抗傾覆力矩問題的解決。下棋機(jī)器人的大臂和小臂重量大，懸伸量也大，造成很大的傾覆力矩，影響機(jī)器人的性能，通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來加以解決。
(2) 舵機(jī)的轉(zhuǎn)角控制問題的解決。 如果舵機(jī)和輸出軸的相對旋轉(zhuǎn)角度沒有達(dá)到一定值時(shí)，那么就不會(huì)引起大、小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以通過合理的控制來加以解決。
1.4.3 需要完成的工作
目前已完成的工作主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
(1) 主要零部件圖和裝配圖;
(2) UG NX3.0環(huán)境下的機(jī)械系統(tǒng)三維建模:
(3) 主要標(biāo)準(zhǔn)件的選取和主要零部件的強(qiáng)度校核計(jì)算。
(4) 教學(xué)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
(5) 教學(xué)機(jī)器人的控制系統(tǒng)
(6) 教學(xué)機(jī)器人動(dòng)畫仿真
第2章 關(guān)節(jié)式教學(xué)機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)器人的分類與特點(diǎn)
2.1.1 機(jī)器人的分類
應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機(jī)器人可按照不同的功能、目的、用途、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)、驅(qū)動(dòng)方式等分成很多類型。在這里著重介紹下列兩種分類方式。
1.按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式分類
按結(jié)構(gòu)形式機(jī)器人可分為關(guān)節(jié)型機(jī)器人和非關(guān)節(jié)型機(jī)器人兩大類，其中關(guān)節(jié)型2機(jī)器人的機(jī)械本體部分一般為由若干關(guān)節(jié)與連桿串聯(lián)組成的開式鏈結(jié)構(gòu)。
2.按坐標(biāo)形式分類
通常關(guān)節(jié)機(jī)器人依據(jù)坐標(biāo)形式的不同可分為直角坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)型以及關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。
(1) 直角坐標(biāo)型機(jī)器人
這一類機(jī)器人其手部空間位置的改變通過沿三個(gè)互相垂直的軸線的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，即沿著X軸的縱向移動(dòng)，沿著Y軸的橫向移動(dòng)及沿著Z軸的升降(圖2-1)。該形式機(jī)器人的位置精度高，控制無耦合、簡單、避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)；移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且占地面積較大。
圖2-1 直角坐標(biāo)型機(jī)器人
(2) 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人
這種機(jī)器人通過兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變，VERSATRAN機(jī)器人是該型機(jī)器人的典型代表(圖2-2)。VERSATRAN機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的位置精度僅次于直角坐標(biāo)型，控制簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)也較龐大，難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)復(fù)雜。
圖2-2 VERSATRAN機(jī)器人
(3) 球坐標(biāo)型機(jī)器人
這類機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)所組成，如圖2-3所示，即沿手臂方向X的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。UNIMATE機(jī)器人是其典型代表。這類機(jī)器人占地面積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長有關(guān)。
圖2-3 球坐標(biāo)型機(jī)器人
(4) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人主要由立柱、前臂和后臂組成(圖2-4)，PUMA機(jī)器人是其代表。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但位置精度較低，有平衡問題，控制存在耦合，故比較復(fù)雜，這種機(jī)器人目前應(yīng)用的最多。
圖2-4 圖關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人
2.1.2 機(jī)器人的特點(diǎn)
1.通用性
機(jī)器人的通用性(versatility)取決于其幾何特性和機(jī)械能力。通用性指的是某種執(zhí)行不同的功能和完成多樣的簡單任務(wù)的實(shí)際能力。通用性也意味著，機(jī)器人具有可變的幾何結(jié)構(gòu)，即根據(jù)生產(chǎn)工作需要進(jìn)行變更的幾何結(jié)構(gòu)；在機(jī)械結(jié)構(gòu)上允許機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)或不同的方式完成同一工作?，F(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)器人都具有不同程度的通用性，包括機(jī)械手的機(jī)動(dòng)性和控制系統(tǒng)的靈活性。
2.適應(yīng)性
機(jī)器人的適應(yīng)性(adaptivity)是指其對環(huán)境的自適應(yīng)能力，即所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠自我執(zhí)行未經(jīng)完全指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預(yù)計(jì)到的環(huán)境變化。這一能力要求機(jī)器人認(rèn)識(shí)其環(huán)境，即具有人工知覺。在這方面，機(jī)器人使用它的下述能力：
(1) 運(yùn)用傳感器感測環(huán)境的能力；
(2) 分析任務(wù)空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；
(3) 自動(dòng)指令模式能力；
對于工業(yè)機(jī)器人來說，適應(yīng)性指的是它所編好的程序模式和運(yùn)動(dòng)速度能夠適應(yīng)工件尺寸和位置，以及工作場地的變化。這里，主要考慮兩種適應(yīng)性：
(1) 點(diǎn)適應(yīng)性，它涉及機(jī)器人如何找到點(diǎn)的位置。
(2) 曲線適應(yīng)性，它涉及機(jī)器人如何利用由傳感器得到的信息沿著曲線工作。曲線適應(yīng)性包括速度適應(yīng)性和形狀適應(yīng)性兩種。
2.2 教學(xué)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
近年來，工業(yè)機(jī)器人有一個(gè)發(fā)展趨勢:機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化和可重構(gòu)化。例如關(guān)節(jié)模塊中采用舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)是由直流電機(jī)、減速機(jī)、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(jī)器人整機(jī);國外己有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。本章介紹模塊化的設(shè)計(jì)方法在教學(xué)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
2.2.1 教學(xué)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)
表2-1教學(xué)的機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)
結(jié)構(gòu)形式
平面關(guān)節(jié)式
負(fù)載能力
10g
重定位精度
±0.2mm
每軸最大運(yùn)動(dòng)范圍
關(guān)節(jié)1
90°
關(guān)節(jié)2
90°
關(guān)節(jié)3
25mm
關(guān)節(jié)4
360°
每軸最大運(yùn)動(dòng)速度
關(guān)節(jié)1
60°/s
關(guān)節(jié)2
120°/s
關(guān)節(jié)3
25mm/s
關(guān)節(jié)4
200°
最大展開半徑
250mm
高度
197mm
本體重量
≤25kg
幾何尺寸
關(guān)節(jié)1(長度)
200
關(guān)節(jié)2(長度
200
關(guān)節(jié)3(行程)
25
操作方式
示教再現(xiàn)/編程
供電電源
單相220V、50Hz
2.2.2 教學(xué)機(jī)器人的外形尺寸與工作空間
依據(jù)設(shè)計(jì)要求，下棋機(jī)器人的外形尺寸如圖2-5所示。
圖2-5 機(jī)器人的外形尺寸圖
2.2.3 教學(xué)機(jī)器人的總體傳動(dòng)放案
圖2-6 教學(xué)機(jī)器人傳動(dòng)示意圖
大臂回轉(zhuǎn)：舵機(jī)1→大臂
小臂回轉(zhuǎn)：舵機(jī)2→小臂
主軸垂直直線運(yùn)動(dòng)：舵機(jī)3→同步齒形帶→螺母→主軸
主軸旋轉(zhuǎn)：舵機(jī)4→同步齒形帶→平鍵→主軸。
目前，教學(xué)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)中主要是使用舵機(jī)。舵機(jī)具有以下特點(diǎn)：體積緊湊，便于安裝；輸出力矩大，穩(wěn)定性好；控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口；定位準(zhǔn)確，可以通過調(diào)整控制信號來提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度；工作可靠，不易受外界干擾。所以，現(xiàn)在不僅僅應(yīng)用在航模運(yùn)動(dòng)中，已經(jīng)擴(kuò)展到各種機(jī)電產(chǎn)品中來，在機(jī)器人控制中應(yīng)用也很廣泛。其工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵盤的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)其所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。教學(xué)機(jī)器人大、小臂均要承受軸向壓力和傾覆力矩，但轉(zhuǎn)速比較高，所以大臂和小臂均采用兩個(gè)深溝球軸承而深溝球軸承剛度高，能承受軸向壓力與徑向扭矩，與舵機(jī)配合恰好符合教學(xué)機(jī)器人大、小臂高剛度及高的抗傾覆力矩的要求。這樣有利于縮短傳動(dòng)鏈，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
由于主軸處于機(jī)器人小臂末端，相對線速度大，對重量與慣量特別敏感，所以傳動(dòng)方式要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)Z軸方向直線運(yùn)動(dòng)和繞Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。經(jīng)過比較，選擇同步齒型帶加三角形螺桿來實(shí)現(xiàn)Z軸上下運(yùn)動(dòng)，而用同步齒形帶加上帶鍵的滑動(dòng)軸套來實(shí)現(xiàn)Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。相關(guān)傳動(dòng)鏈如圖2-6所示
本章小結(jié)
在分析設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上提出教學(xué)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案；用三維造型軟件完成四自由度關(guān)節(jié)式教學(xué)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成機(jī)器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖繪制。
第3章 教學(xué)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1.1 同步齒形帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
(1) 確定同步齒形帶的設(shè)計(jì)功率。
同步齒形帶的設(shè)計(jì)功率隨載荷性質(zhì)、速度增減而變化。 為載荷修正系數(shù)。
設(shè)計(jì)功率 =×=1.0×0.23=0.23w
(2) 選定帶型和節(jié)距
根據(jù)=0.23w和=83r/min，由圖確定為XL型帶，節(jié)距=5.080mm。
(3) 小齒輪齒數(shù)Z1，節(jié)徑，外徑
根據(jù)帶型和小齒輪轉(zhuǎn)速n，由表查得小齒輪的最小齒數(shù)min=10，節(jié)徑==16.17mm外徑
=-2δ(16.17-1.37)mm=14.8mm
(4) 大帶輪齒數(shù)Z2，節(jié)徑，外徑。
齒數(shù)Z2=Iz1=2×10=20
節(jié)徑 ===64.71mm
由表查得其外徑da2=d2-2=(64.71-1.37)mm=63.34mm (5)驗(yàn)算帶速，同步帶傳動(dòng)的速度為
==m/s=0.07m/s
查表知XL型帶帶速限制為vmax=50m/s。所以帶輪滿足要求。
(6) 初定軸間距 ,帶長及其齒數(shù)。
軸間距=60mm
帶長 =2+(+)+
=2×60+(16.17+64.71)+=256.80mm
經(jīng)查得應(yīng)選用帶長代號為100的XL型同步帶，其節(jié)線長 =254.00mm
節(jié)線長上的齒數(shù)=50
(7) 實(shí)際軸間距a,小帶輪嚙合齒數(shù) 。
軸間距≈+=60+=62.8mm
小帶輪嚙合齒數(shù)
嚙合齒數(shù)=［-(Z2-Z1)］
=［-(20-10)］
=5
(8)基本額定功率 ，所需帶寬 ，由表查得 a=50.17N, =0.022kg/m
=
==0.37w
帶寬 =×
由表查得H型帶=9.5mm,Zm=5,z=0.6
=9.5×=9.8mm
由表查得，應(yīng)選帶寬代號為0.37的XL型帶，其=10mm。
(9) 作用在軸上的力，許用工作拉力
根據(jù)帶型號為HL選擇許用工作拉力 /N
=50/N
作用在軸上的力
===3258N
3.1.2 螺旋傳動(dòng)副的設(shè)計(jì)計(jì)算
教學(xué)機(jī)器人腕部關(guān)節(jié)的移動(dòng)自由度是由滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手爪的上下移動(dòng)。
(1) 選擇材料和許用應(yīng)力
螺桿材料選45鋼，調(diào)質(zhì)處理，s =360N/mm2,經(jīng)查表可得
［］==120~72 N/mm2，可?。郏?80 N/mm2
螺母材料選ZCuAlFe3。查表可得
［b］=40~60 N/mm2,取40 N/mm2；［］=30~40 N/mm2，取35 N/mm2，螺旋傳動(dòng)屬于低速傳動(dòng)，由表查得
［］=18~25 N/mm2，取19 N/mm2
(2) 按耐磨性計(jì)算螺紋中徑
由表中公式，，=1.5，=0.8=0.8=8.4mm
可選=10mm，=9，=8, =2，螺母高度==1.5×8=12mm.
則螺紋圈數(shù)==12/4=3圈。
(3) 自鎖性驗(yàn)算
由于是單頭螺紋，導(dǎo)程==2mm，故螺紋升角為
===4°15′
由表鋼對青銅=0.08~0.10，取0.09，可得
`= = =5°19′23.4″
〈 `，故自鎖可靠。
(4) 螺桿強(qiáng)度驗(yàn)算
由表查得螺紋摩擦力矩
=(+`)=×3000×(4°15′+5°19`23.4``)=2138N·mm，
帶入得
ca===11.06 N/mm2<［］
3.2 機(jī)器人關(guān)鍵零部件的校核計(jì)算
3.2.1 螺栓的強(qiáng)度校核計(jì)算
1．與6kg舵機(jī)相連的螺栓桿軸的計(jì)算
首先，將螺栓桿等效為圓桿來計(jì)算最大剪切力max，經(jīng)計(jì)算容許剪切力w=5N/mm2，=6.5kg/cm，=45mm,=20KN/mm2。
最大剪切力max=====1.2≤5N/mm2
扭轉(zhuǎn)角====1.8°
由此可見，當(dāng)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于等于1.8°時(shí)，所引起的扭矩會(huì)使螺栓桿軸自身扭轉(zhuǎn)相應(yīng)的度數(shù)。因此，只有當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大于1.8°時(shí)，才可以帶動(dòng)大、小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。
2．與9g舵機(jī)相連的螺栓桿軸的計(jì)算
首先，將螺栓桿等效為圓桿來計(jì)算最大剪切力 max[11]，經(jīng)計(jì)算容許剪切力w=4N/mm2，=1.6kg/cm，=10mm,=15KN/mm2
最大剪切力max=====0.5≤5N/mm2
扭轉(zhuǎn)角====0.4°
由此可見，當(dāng)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于等于0.4°時(shí)，所引起的扭矩會(huì)使螺栓桿軸自身扭轉(zhuǎn)相應(yīng)的度數(shù)。因此，只有當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大于0.4°時(shí)，才可以帶動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.2.2 機(jī)械手臂的校核計(jì)算
由于此機(jī)器人為四自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人，主體結(jié)構(gòu)為機(jī)座、大臂和小臂組成。因此可以將大臂和小臂等效為載荷在小臂端均勻分布的懸臂梁，即將機(jī)械手轉(zhuǎn)化為懸臂梁自由端的撓度和轉(zhuǎn)角的計(jì)算。
圖3-1 機(jī)械手臂受力簡圖
是大臂的長度為250mm； 是小臂的長度為260mm。經(jīng)查表此臂的彈性模量為 =120KN/mm2，載荷 為20KN/m。
在=處：順y方向的撓度v
==(3+)= (3×510+250)=4.02mm
圖3-2 機(jī)械手臂的撓度和轉(zhuǎn)角圖
機(jī)械手臂右端的撓度b
=(34-43+4)
=(3×5104-4×2503×510+2504
=2mm
機(jī)械手臂右端的轉(zhuǎn)角b
b===0.03°
綜上所述，機(jī)械手臂右端處撓度為 b為2mm；轉(zhuǎn)角 b為0.03°，那么手臂傳遞給手爪一個(gè)向左0.03°的轉(zhuǎn)角。這種誤差不可避免。故在設(shè)計(jì)和裝配時(shí)將手爪向左傾向0.03°的角，進(jìn)而補(bǔ)償這種誤差。
3.3 大臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖3-3大臂裝配結(jié)構(gòu)圖所示，機(jī)器人大臂7的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)9直接安裝在機(jī)器人大臂內(nèi)部。舵機(jī)7的輸出軸插入底座1內(nèi)，底座1通過螺栓12固定在機(jī)座1上。同時(shí)深溝球軸承的內(nèi)圈與連接板10配合在一起，連接板10通過螺栓6連結(jié)在大臂上，深溝球軸承的外圈與機(jī)座1配合在一起。當(dāng)舵機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到螺栓14的固定限制不能轉(zhuǎn)動(dòng)，從而舵機(jī)和大臂反向旋轉(zhuǎn)。這樣機(jī)器人大臂就可以繞機(jī)座中心軸相對固定機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向與舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)向相反。
圖3-3 大臂裝配結(jié)構(gòu)圖
3.4 小臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-4 小臂裝配結(jié)構(gòu)圖
采用模塊化方法，大臂與小臂裝配結(jié)構(gòu)類似。如圖3-4小臂裝配結(jié)構(gòu)圖所示，機(jī)器人小臂2的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)9直接安裝在機(jī)器人小臂內(nèi)部，這樣雖然增加了小臂慣量，但有利于簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件制造工藝。舵機(jī)9的輸出軸插入底座12內(nèi)，底座12通過螺栓1固定在大臂2上。同時(shí)深溝球軸承的內(nèi)圈與連接板10配合在一起，連接板10通過螺栓6連結(jié)在小臂上，深溝球軸承的外圈與大臂2配合在一起。當(dāng)舵機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到螺栓13的固定限制不能轉(zhuǎn)動(dòng)，從而舵機(jī)和小臂反向旋轉(zhuǎn)。這樣機(jī)器人大臂就可以繞機(jī)座中心軸相對固定機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向與舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)向相反。
3.5 腕部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
腕部裝配結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。為了便于加工及保證精度，讓螺桿的一端從機(jī)蓋的一個(gè)工藝孔伸出，依靠機(jī)蓋的底平面與小臂的上表面來保證螺桿與主軸的平行度。由于同步齒型帶要能調(diào)整中心距和帶的張緊力，因此舵機(jī)6安裝在機(jī)蓋上并用兩個(gè)螺栓將其固定在機(jī)蓋上，螺栓在兩個(gè)輪的中心線上可以進(jìn)行微調(diào)。這樣在裝配時(shí)可對兩帶輪中心距及帶張緊力進(jìn)行調(diào)整。對舵機(jī)5的連接也采用這種方法。
腕部關(guān)節(jié)的上下移動(dòng)的自由度是滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的?；瑒?dòng)螺旋的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本低廉。當(dāng)螺旋升角小于摩擦角時(shí)，能自鎖且傳動(dòng)平穩(wěn)。螺桿與螺母相配合，螺母固定轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)螺桿帶動(dòng)手爪上下移動(dòng)。螺桿內(nèi)部有一帶有鍵槽的細(xì)長圓軸穿過。它的一端帶有螺紋，通過螺紋與手抓連接板相連。
在主軸上開有三角鍵槽，而與主軸相連的帶輪內(nèi)有鍵來實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶輪與主軸有一配合面相當(dāng)于一個(gè)長套筒，保證主軸垂直與旋轉(zhuǎn)精度。而鍵槽則設(shè)計(jì)成一段套筒，兩個(gè)套筒通過定位銷與螺釘進(jìn)行連接。
圖3-5 腕部裝配結(jié)構(gòu)圖
3.6 本章小結(jié)
教學(xué)機(jī)器人大臂和小臂結(jié)構(gòu)相同，基本上實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，符合發(fā)展趨勢;三個(gè)模塊相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人設(shè)計(jì)，其一二關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)同樣適用于其他關(guān)節(jié)式機(jī)器人前端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。
三四關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用結(jié)構(gòu)空間，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)，主軸直線運(yùn)動(dòng)距離為25mm，而整個(gè)模塊在主軸方向高度約為172mm左右。同時(shí)，三四關(guān)節(jié)的電機(jī)軸與主軸不在同一直線上，也有利于結(jié)構(gòu)布局，所以該模塊也可應(yīng)用在一些對精度和結(jié)構(gòu)尺寸都有要求的組合運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。
第4章 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手爪用于抓取物體，并進(jìn)行細(xì)微操作。手爪亦稱抓取機(jī)構(gòu)，通常是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)抓取對象和工作條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。除了有足夠的夾持力外，還要保持適當(dāng)?shù)木?，手指?yīng)能順從被抓對象的形狀。手爪自身的大小、形狀、結(jié)構(gòu)和自由度是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。
4.1 手爪的結(jié)構(gòu)形式的選擇
4.1.1 手爪的分類與特點(diǎn)
現(xiàn)在普遍使用的手爪和夾持機(jī)構(gòu)大都十分簡單，如吸盤式手爪(真空吸盤和電磁吸盤等)承托型的叉子和懸掛式手爪、釣鉤等。下面著重介紹夾持式手爪、多關(guān)節(jié)手爪和順應(yīng)手爪。
(1) 夾持式手爪
它既可以用手指的內(nèi)側(cè)面夾持物體的外部，也可將手深入到物體的孔內(nèi)后，張開手指，用其外側(cè)卡住物體。這種手爪大多是二手指或三手指的，按手指的運(yùn)動(dòng)形式分為三種：a. 回轉(zhuǎn)型：當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。b. 平動(dòng)型：手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，作平動(dòng)。c. 平移性：當(dāng)手爪夾緊和松開工作時(shí)，手指作平移運(yùn)動(dòng)，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。
(2) 多關(guān)節(jié)多指手爪
這類手抓一般由三個(gè)或四個(gè)手指構(gòu)成，每個(gè)手指相當(dāng)于一個(gè)操作臂，有三個(gè)或四個(gè)關(guān)節(jié)，與人的手十分相似，也稱擬人手，用于抓取復(fù)雜形狀的物體，實(shí)現(xiàn)細(xì)微操作。
(3) 順應(yīng)手爪
所謂順應(yīng)是指手爪具有所要求的柔性，其動(dòng)作能適應(yīng)工作環(huán)境，而不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。
4.1.2 手爪結(jié)構(gòu)形式的選擇
手爪設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，手爪設(shè)計(jì)的好壞直接影響到能否穩(wěn)抓起物體。選擇手抓的形式時(shí)，要考慮各方面的因素，如工作能力、結(jié)構(gòu)形式、控制性能、工作形式、作業(yè)環(huán)境、技術(shù)水平等加以綜合分析和比較，確定最佳方案。經(jīng)過上述的分析和比較，確定手爪結(jié)構(gòu)形式，中間選擇錐形的回轉(zhuǎn)型手爪結(jié)構(gòu)形式，在錐子上面開三個(gè)鍵槽，以便固定三個(gè)手爪，這樣三個(gè)手爪不會(huì)在空間位置旋轉(zhuǎn)。圖4-1為手爪的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖4-1 手爪的結(jié)構(gòu)簡圖
4.2 手爪的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
手爪亦稱抓取機(jī)構(gòu)，通常是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)抓取對象和工作條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。教學(xué)機(jī)器人的手爪整體的設(shè)計(jì)比較簡單實(shí)用。手爪是由電控鎖來驅(qū)動(dòng)的。電控鎖結(jié)構(gòu)簡單、外型輕便、容易控制、裝拆方便。為了結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)了一個(gè)手爪連接板。手爪連接板通過螺母與上下移動(dòng)的螺桿的下端相連接。手爪、電控鎖以及錐形滑軌通過螺栓安裝在手爪連接板上。
手爪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理：當(dāng)電控鎖通電時(shí)，電控鎖底部的圓柱形鎖頭就會(huì)縮回去，那么錐形滑軌馬上恢復(fù)原位，手爪處于張開狀態(tài)；當(dāng)電控鎖斷電時(shí)，底部的圓柱形鎖頭就會(huì)自動(dòng)彈出，錐形滑軌就會(huì)在鎖頭的作用下向下移動(dòng)，手爪就處于卡緊狀態(tài)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)手爪的抓取動(dòng)作。如圖4-2所示 手爪機(jī)構(gòu)的裝配圖
圖4-2 手爪機(jī)構(gòu)的裝配圖
4.3 手爪的校核計(jì)算
如圖4—3所示 假設(shè)1=20mm, 2=28mm, 電控鎖的功率=4.5W行程=6mm, =1s.
圖4-3 手爪的結(jié)構(gòu)形式
椎形滑軌的上下移動(dòng)速度
===0.06m/s
=×, =/=4.5/0.06=75N, F1=19.4N
1×1=×2
=14N
設(shè)手爪物體向上移動(dòng)的最大的加速度為=4m/s 設(shè)=9g=0.009kg 取摩擦系數(shù)為=0.1
2+
2×14×0.10.009×1+0.009×4
2.80.045
故手爪連桿1=20mm, 2=28mm的假設(shè)成立。
本章小結(jié)
手爪用于抓取物體，并進(jìn)行細(xì)微操作。手爪亦稱抓取機(jī)構(gòu)，通常是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)抓取對象和工作條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。除了有足夠的夾持力外，還要保持適當(dāng)?shù)木龋种笐?yīng)能順從被抓對象的形狀。手爪自身的大小、形狀、結(jié)構(gòu)和自由度是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)
第5章 教學(xué)機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真
5.1 教學(xué)機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)
5.1.1 UG三維建模環(huán)境概述
教學(xué)機(jī)器人是在UG環(huán)境下進(jìn)行三維建模的。Unigraphics (簡稱 UG) 當(dāng)前世界上最先進(jìn)和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAID/CAD/CAE/CAM高端軟件。作為一個(gè)集成的全面產(chǎn)品工程解決方案，UG軟件家族使得用戶能夠數(shù)字化地創(chuàng)建和獲取三維產(chǎn)品定義。UG軟件被當(dāng)今許多世界領(lǐng)先的制造商用來從事概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、詳細(xì)的機(jī)械設(shè)計(jì)以及工程仿真和數(shù)字化制造等各個(gè)領(lǐng)域[17]。Unigraphics（簡稱UG）是集CAD/CAE/CAM一體的三維參數(shù)化軟件，是當(dāng)今世界最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船、通用機(jī)械和電子等工業(yè)領(lǐng)域。UG公司的產(chǎn)品主要有為機(jī)械制造企業(yè)提供包括從設(shè)計(jì)、分析到制造應(yīng)用的Unigraphics軟件、基于Windows的設(shè)計(jì)與制圖產(chǎn)品Solid Edge、集團(tuán)級產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)iMAN、產(chǎn)品可視化技術(shù)ProductVision以及被業(yè)界廣泛使用的高精度邊界表示的實(shí)體建模核心Parasolid在內(nèi)的全線產(chǎn)品。UnigraphicsCAD/CAM/CAE系統(tǒng)提供了一個(gè)基于過程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計(jì)到加工真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。UG面向過程驅(qū)動(dòng)的技術(shù)是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),在面向過程驅(qū)動(dòng)技術(shù)的環(huán)境中，用戶的全部產(chǎn)品以及精確的數(shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開發(fā)全過程的各個(gè)環(huán)節(jié)保持相關(guān)，從而有效地實(shí)現(xiàn)了并行工程。
5.1.2 教學(xué)機(jī)器人的主要零件的建模過程
此教學(xué)機(jī)器人共有70個(gè)組件組成，在建模過程中應(yīng)用了UG的許多基本功能，例如“草圖”、“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“掃描”、“孔”、“腔體”、“圓臺(tái)”、“凸墊”、“基準(zhǔn)面”、“基準(zhǔn)軸”等特征。接下來簡單介紹幾個(gè)典型零件的建模過程。
(1) 機(jī)座
機(jī)座是整個(gè)機(jī)器人的支柱，它的設(shè)計(jì)和制造直接影響到機(jī)器人整體的剛度。首先在草圖狀態(tài)下畫草圖，接下來退出草圖，再用“旋轉(zhuǎn)”的功能將其旋轉(zhuǎn)成功。如圖5-1所示 機(jī)座的三維視圖。
圖5-1 機(jī)座的三維視圖
(2) 大臂
首先在“草圖”狀態(tài)下畫大臂的外形草圖，然后退出“草圖”，利用“旋轉(zhuǎn)”功能，接著進(jìn)行“抽殼”，側(cè)臂和底部留3mm，接下來利用“型腔”做出可以安放舵機(jī)的腔體，用“打孔”的功能打出可以放軸承和允許軸通過的孔。如圖5-2 大臂的三維視圖。
圖5-2 大臂的三維視圖
(3) 小臂
首先在“草圖”狀態(tài)下畫大臂的外形草圖，然后退出“草圖”，利用“拉伸”功能，接著進(jìn)行“抽殼”，側(cè)臂和底部留3mm，接下來利用“型腔”做出可以安放舵機(jī)的腔體，用“打孔”的功能打出可以放軸承和允許軸通過的孔。如圖5-3所示 小臂的三維建模圖形。
圖5-3 小臂的三維視圖
(4) 手抓
首先，按照設(shè)計(jì)的尺寸和角度繪出手爪的草圖，如圖5-4 手爪的草圖建立圖形。
圖5-4 手爪的草圖建立圖形
然后，退出“草圖”，利用“拉伸”功能將其拉伸，接下來在斜面上加兩個(gè)凸墊，再在凸墊上打兩個(gè)通孔，用于和導(dǎo)輪想配合。如圖5-5所示 手爪的三維視圖。
圖5-5 手爪的三維視圖
5.1.3 教學(xué)機(jī)器人組件的裝配過程
裝配是將之前所建的圖形利用UG軟件的“裝配”功能將其裝配起來。裝配方式有兩種：從底向上設(shè)計(jì)方法和自頂向下設(shè)計(jì)方法。由于結(jié)構(gòu)要求，本設(shè)計(jì)采用從底向上的設(shè)計(jì)方法。在這里用到了幾種配對約束類型：貼合、對準(zhǔn)、角度、平行、對中、距離、相切。如圖5-6所示 教學(xué)機(jī)器人的裝配圖。
圖5-6 教學(xué)機(jī)器人的裝配圖
5.2 教學(xué)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真
5.2.1 UG運(yùn)動(dòng)分析模塊
UG運(yùn)動(dòng)分析模塊(UG/Motion)是一個(gè)模擬仿真分析的設(shè)計(jì)工具。它既能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)(Kinematic)分析，又能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)(Dynamic)分析。它可以分析產(chǎn)品的臨界位置、反作用力、速度及加速度等。
5.2.2 教學(xué)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真的建立過程
首先單擊“應(yīng)用”菜單下的“運(yùn)動(dòng)分析”選項(xiàng)，這樣教學(xué)機(jī)器人的裝配特征就進(jìn)入了運(yùn)動(dòng)分析模塊。
1．教學(xué)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)輸入
運(yùn)動(dòng)輸入是賦給運(yùn)動(dòng)副控制運(yùn)動(dòng)付參數(shù)。當(dāng)創(chuàng)建或編輯調(diào)用一個(gè)動(dòng)副時(shí)，就會(huì)彈出運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)對話框。運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的對話框如圖5-7所示
圖5-7 運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的對話框
運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)共有5個(gè)可選類型：
(1) 無驅(qū)動(dòng)
顧名思義，沒有外加的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)賦在運(yùn)動(dòng)付上。
(2) 恒定驅(qū)動(dòng)
恒定驅(qū)動(dòng)設(shè)某一運(yùn)動(dòng)付為等常運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)或線性位移)，所需參數(shù)是位移(時(shí)間t=0時(shí)的初始位置)、速度和加速度。
(3) 簡諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)
簡諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)光滑的向前或向后的正弦運(yùn)動(dòng)。
(4) 通用運(yùn)動(dòng)函數(shù)
通用運(yùn)動(dòng)函數(shù)是描述復(fù)雜運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)函數(shù)。
(5) 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)
關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)某一運(yùn)動(dòng)以特定的步長(旋轉(zhuǎn)或線性位移)和特定的步數(shù)運(yùn)動(dòng)，所需的輸入?yún)?shù)為步長和步數(shù)。
教學(xué)式關(guān)節(jié)式機(jī)器人選的是恒定驅(qū)動(dòng)。
2．關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析
當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)定義為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)時(shí)，選擇分析工具條中的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析(Articulation)圖標(biāo)，并輸入步長和步數(shù)進(jìn)行分析。
選擇分析工具條的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析圖標(biāo)，見圖5-8
圖5-8 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析圖標(biāo)
一系列已分配好運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)付就會(huì)出現(xiàn)在出現(xiàn)在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)對話框上部。
在運(yùn)動(dòng)付的“名字”前打上“√”激活關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)付，即會(huì)自動(dòng)彈出步長項(xiàng)和位移項(xiàng)供編輯。
在步數(shù)項(xiàng)(Number of Steps)輸入關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)步數(shù)。
關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制按鈕執(zhí)行這些功能，如圖5-9所示。
圖5-9 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析播放鍵
3．運(yùn)動(dòng)仿真
(1) 運(yùn)動(dòng)仿真
在分析工具條中選擇運(yùn)動(dòng)仿真圖標(biāo)，運(yùn)動(dòng)分析對話框如圖5-10所示。
圖5-10運(yùn)動(dòng)分析對話框
當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)為運(yùn)動(dòng)函數(shù)、恒定驅(qū)動(dòng)或簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，則進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真(Animation)對話框進(jìn)行分析，此教學(xué)機(jī)器人的仿真參數(shù)為在10秒鐘內(nèi)走200步，如圖5-11分析選項(xiàng)對話框所示。
圖5-11 分析選項(xiàng)對話框
(2) 靜力學(xué)分析
靜力學(xué)分析將模型移動(dòng)到平衡位置，并輸出運(yùn)動(dòng)付上的反作用力。
(3) 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)/機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析
機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)/機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)按輸入的時(shí)間和步數(shù)進(jìn)行仿真分析。
在分析工具中選擇運(yùn)動(dòng)仿真圖標(biāo)既啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真分析過程，在分析選項(xiàng)對話框中單擊OK按鈕，啟動(dòng)ADAMS解算器。緊接著就會(huì)自動(dòng)彈出運(yùn)動(dòng)仿真對話框，如圖5-12 運(yùn)動(dòng)仿真對話框所示
圖5-12運(yùn)動(dòng)仿真對話框
當(dāng)點(diǎn)擊中間的播放鍵時(shí)，四自度關(guān)節(jié)式教學(xué)機(jī)器人的三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)就會(huì)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖5-13所示 教學(xué)機(jī)器人在仿真中間某一時(shí)刻的視圖
圖5-13 教學(xué)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真視圖
5.3 本章小結(jié)
本章第一部分介紹了三維設(shè)計(jì)。三維建模過程是建立組件裝配關(guān)系的過程。對數(shù)據(jù)庫中已存的系列產(chǎn)品零件、標(biāo)準(zhǔn)件以及外購件可通過從底向上的設(shè)計(jì)方法加入到裝配件中來。在裝配過程中，應(yīng)用了大量的UG裝配功能。在此機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)過程中，我已深深體會(huì)到三維視圖的方便和直觀性。
接下來介紹了利用UG運(yùn)動(dòng)分析模塊實(shí)現(xiàn)了教學(xué)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真分析。通過運(yùn)動(dòng)付控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定，包括驅(qū)動(dòng)類型、時(shí)間、步數(shù)等實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的三維仿真，進(jìn)而使機(jī)器人增加了動(dòng)態(tài)感和真實(shí)性。
結(jié)論
隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用必將越來越廣泛。機(jī)器人學(xué)這門課程必將越來越重要，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺口也必然越來大。研制教學(xué)機(jī)器人是很有必要的。目前本設(shè)計(jì)所完成的主要工作是：
在分析設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上提出教學(xué)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案；用三維造型軟件完成四自由度關(guān)節(jié)式教學(xué)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成機(jī)器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖繪制。
所設(shè)計(jì)教學(xué)機(jī)器人基本上實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，符合發(fā)展趨勢。三個(gè)模塊相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于教學(xué)式平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)，其一二關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)同樣適用于其他關(guān)節(jié)式機(jī)器人前端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。采用特殊軸承和特殊的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)解決了機(jī)器人的抗傾覆問題，這種特殊結(jié)構(gòu)有益于提高系統(tǒng)機(jī)械性能。
另外