一種五自由度串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計+含SW三維3D建模及47張CAD圖紙+帶任務(wù)書+開題報告+外文翻譯+33頁加正文1.06萬字】-jxsj14

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10 平鍵.dwg

11 定距環(huán).dwg

12 端蓋.dwg

13 同步帶輪.dwg

14 傘齒輪.dwg

15油封.dwg

16 五軸電機(jī)墊片.dwg

17 二軸電機(jī)轉(zhuǎn)接板.dwg

18 護(hù)罩.dwg

19 三軸電機(jī)轉(zhuǎn)接板.dwg

1一軸減速器.dwg

2 一軸減速機(jī)入力軸.dwg

20 四軸電機(jī)轉(zhuǎn)接板.dwg

21 五軸連接蓋.dwg

22 油封.dwg

23 手部連接件.dwg

24 油封蓋.dwg

25 連接件.dwg

26 墊片.dwg

27 軸.dwg

28 油封.dwg

29 軸承.dwg

3 二軸減速器.dwg

30 手爪拉桿.dwg

31 手爪座.dwg

32 手指.dwg

33 橡膠軟墊塊.dwg

34 軸承7003C.dwg

35 軸承(12-28-7).dwg

36 LCS-20-80-C-Ⅰ.dwg

37 LHD-17-80-C-Ⅰ.dwg

38 LHS-17-50-C-Ⅱ.dwg

39 小臂連接桶.dwg

3D.stp

4 二軸減速機(jī)入力軸.dwg

40 底座.dwg

41 小臂支架.dwg

42 大臂支架.dwg

43 腕關(guān)節(jié)支架.dwg

44 肘關(guān)節(jié)支架.dwg

45 腰部支架.dwg

5 肘部連接軸.dwg

6 三軸減速機(jī)入力軸.dwg

7 三軸減速器TTRV-20E.dwg

8 五軸諧波減速器.dwg

9 軸.dwg

三維圖

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五自由度機(jī)器人裝配體.dwg

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開題報告.doc

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文獻(xiàn)綜述.doc

等軸側(cè).dwg

設(shè)計說明書.docx

摘  要

本文設(shè)計了一個五自由度串聯(lián)機(jī)器人，首先通過計算得到執(zhí)行端所需要的驅(qū)動力矩，再以此為依據(jù)選出該關(guān)節(jié)所需的減速器和伺服電動機(jī)，設(shè)計出外殼和關(guān)節(jié)的連接結(jié)構(gòu)，繪制3D圖，通過軟件的測量求出設(shè)計好的部分重心，求出下一個關(guān)機(jī)所需的驅(qū)動力矩，選出所需的減速器和伺服電動機(jī)，以此類推最終完成總體設(shè)計，并且繪制了串聯(lián)五自由度機(jī)器人的工程圖。

關(guān)鍵詞：五自由度 串聯(lián)機(jī)器人  總體設(shè)計 伺服電動機(jī) 

Abstract

This paper designed a five DOF serial manipulator. First of all, through the calculated execution end driving torque, and this is the basis to select reducer and servo motor which the joint required, then design the shell and joint connection structure by 3D software . through the measurement , design part of the center of gravity for a shutdown required driving torque, select the desired speed reducer and servo motor, and so on. And final?complete the overall design,and made a five DOF serial manipulator engineering drawing.

Key words: 5-dof   serial manipulator  overall design  Servo motor 

目  錄

摘  要 I

Abstract II

第1章 緒論 1

   1.1概述 1

1.1.1機(jī)器人定義 1

1.1.2機(jī)械手的應(yīng)用簡況 1

1.1.3發(fā)展趨勢 1

   1.2研究內(nèi)容 2

第2章 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 3

   2.1 機(jī)械手的組成 3

     2.1.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3

     2.1.2驅(qū)動機(jī)構(gòu) 3

   2.2 機(jī)械手的分類 3

   2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 4

   2.4傳動、驅(qū)動方式的分析與選擇 4

第3章 機(jī)器人手部的設(shè)計 6

   3.1手部設(shè)計要求 6

   3.2 驅(qū)動力的計算 6

   3.3兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 8

   3.4 手抓夾持范圍計算 8

第4章  總體設(shè)計 10

   4.1總體設(shè)計參數(shù) 10

   4.2 設(shè)計原理 10

   4.3 傳動設(shè)計 10

   4.4 關(guān)節(jié)處設(shè)計 11

   4.5 手臂設(shè)計 12

   4.6 整體設(shè)計 13

第5章 靜力矩估算與電機(jī)、減速器的選擇 14

   5.1 電機(jī)、減速器的選擇 14

     5.1.1 手腕轉(zhuǎn)動 14

     5.1.2手臂俯仰 16

     5.1.3小臂俯仰 17

     5.1.4大臂俯仰 19

     5.1.5大臂轉(zhuǎn)動 21

   5.2手臂的校核計算 22

   5.3軸的校核 23

致    謝 27

參考文獻(xiàn) 28

本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 外 文 翻 譯 原 文 標(biāo) 題 譯 文 標(biāo) 題 平面 串聯(lián) 機(jī)械手的 運(yùn)動合成 作者所在系別 機(jī)電工程學(xué)院 作者所在專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 作者所在班級 者 姓 名 張琳 作 者 學(xué) 號 20134011303 指導(dǎo)教師姓名 韓書葵 指導(dǎo)教師職稱 副教授 完 成 時 間 2017 年 3 月 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 第 1 頁 譯文標(biāo)題 平面 串聯(lián)機(jī)械手 的 運(yùn)動合成 原文標(biāo)題 者 名 魏艷輝 國 籍 文出處 ， 22， 2， 2015 譯文： 摘要： 本文論述了 平面串聯(lián)機(jī)器人手的運(yùn)動合成問題 ，快速工作空間的解決方案和障礙物回避路徑規(guī)劃方法，它提出了一種一般形式的運(yùn)動學(xué)反解，不依賴于機(jī)器人本身的自由度，通過確定目標(biāo)向量方向的最大和最小工作空間邊界和確定的工作空間極坐標(biāo)形式的表達(dá)方法，最后，根據(jù)平面軌跡規(guī)劃的障礙躲避問題，解決了安全避障的凹凸形式的運(yùn)動學(xué)反解的方法，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的可行性和通用性。 關(guān)鍵詞： 平面串聯(lián)機(jī)器人 運(yùn)動學(xué)反解 工作空間 軌跡規(guī)劃 矢 量投影 1 引言 串聯(lián)機(jī)械手的平面問題，這一特征點(diǎn)的機(jī)器人是可以在兩維平面運(yùn)動的最后一個系列。運(yùn)動控制是很容易實(shí)現(xiàn)的，其中 A 型機(jī)械手每個接頭大范圍的運(yùn)動。相當(dāng)經(jīng)典的串聯(lián)機(jī)械手由安切洛蒂來配置。例如， 器人增加了第一個旋轉(zhuǎn)接頭和第三個關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上的平面結(jié)構(gòu)，滿足要求的三維空間機(jī)器人的位置，通過正交布局，達(dá)到要求空間工作點(diǎn)的位置。先進(jìn)的平面串聯(lián)機(jī)械手已經(jīng)應(yīng)用在一些特殊情況下，如水型機(jī)器人臂。 對于空間機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析，將機(jī)器人的配置分為多個平面的配置形式。可重構(gòu)機(jī)器人通過一個模塊可以自由組合的復(fù)雜機(jī)器人 的配置和地址的運(yùn)動學(xué)分析，動力學(xué)分析和軌跡規(guī)劃問題。為了解決自動重構(gòu)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解、魏等人。［ 1］ 提出配置平面的概念。在這個概念中，一個三維的機(jī)器人配置被分解成一個二維平面結(jié)構(gòu)，以簡化運(yùn)動學(xué)反解問題，實(shí)現(xiàn)自動和快速的解決方案的目標(biāo)。一般情況下，分析的解決方法是很難獲得多參數(shù)、非線性、強(qiáng)耦合的解決方案，并參與到 6R 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)反解的代數(shù)方程中 ［ 2］ 。人們用半解析方法和解決空間 器人運(yùn)動學(xué)反解問題的一般方法。已經(jīng)進(jìn)行了一個運(yùn)動分析與任何形式的平面結(jié)構(gòu)，從而成為一個可重構(gòu)機(jī)器人系列，是機(jī)器人運(yùn)動分析的關(guān)鍵問 題之一。 本文以矢量投影法為研究重點(diǎn)，對平面串聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)反解和工作空間的軌跡規(guī)劃進(jìn)行了研究。本研究的目的是獲得一個簡單的和快速的方法和一般的運(yùn)動學(xué)反解求解的可重構(gòu)機(jī)器人軌跡規(guī)劃，并提供一個參考的空間形式的串聯(lián)機(jī)械手。 第 2 頁 2 自動運(yùn)動學(xué)解 面串聯(lián)機(jī)器人 平面串聯(lián)機(jī)器人主要由旋轉(zhuǎn)接頭、平移關(guān)節(jié)和連桿。考慮到連桿不是一個單一的連接形式，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動模型建立與基本運(yùn)動單元的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，運(yùn)動的變換 矩陣是θ是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)運(yùn)動； H 是相鄰的旋轉(zhuǎn)接頭中心連接桿的長度，其值的變化時，它包括移動節(jié)點(diǎn) 一般的平面機(jī)械手是 串聯(lián)的形式顯示在圖 1 結(jié)束點(diǎn)的姿態(tài)矩陣是： 當(dāng) 圖 1 總平面形狀的串聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動模型 面串聯(lián)機(jī)械臂的自動求解方法 這種方法不包含相當(dāng)大的平移關(guān)節(jié)在一個共同的平面串聯(lián)機(jī)械手的構(gòu)象，但符合空間位置要求或空間冗余任務(wù)，機(jī)器人關(guān)節(jié)的過度運(yùn)動會降低整體控制過程中的性能和剛度特性。 如圖 1 所示，平面串聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)反解可以分為兩個部分，即姿勢和位置的要求。具有冗余形式平面串聯(lián)機(jī)器人（三自由度以上），他們的姿勢的要求是 第 3 頁 第 N－ 1 接頭部分必須保證 N 接頭運(yùn)動范圍的條件下。結(jié)束姿勢要求可以通過最后一個旋轉(zhuǎn)接頭來實(shí)現(xiàn) 的，其位置的要求可以通過組合第一 N－ 1 接頭實(shí)現(xiàn)。對于平面串聯(lián)機(jī)器人的自由度小于或等于 3，它的三個關(guān)節(jié)都需要滿足的姿勢崗位要求，它可以解析求解應(yīng)用式（ 2）。我們利用向量投影法求解平面機(jī)器人的各種表單自動滿足以下約束： 在‖ P‖是結(jié)束向量的范數(shù)； →用聯(lián)合杠桿臂的投影之間的比例和關(guān)節(jié)臂?？紤]向量投影的方向， 示如下： θ是關(guān)節(jié)臂和目標(biāo)點(diǎn)矢量之間的夾角 圖 2， P 點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)。如果聯(lián)合 N 固定長度的 合體育中心的空間位置是可以計算出來的。因此，整個計算是一個組合的前 n－ 1 接頭后，接頭的 N－ 1 配合中心聯(lián)合 N 圖中的結(jié)束，沒有一個固定的長度，移動節(jié)點(diǎn)的存在，利用最短的長度。聯(lián)合我的關(guān)節(jié) n + 1 的杠桿臂之間是一個最大長度的狀態(tài)，確保吉 + 1 約長度最大，中心節(jié)點(diǎn)圖 n 計算，這是初步 j'n。 圖 2 運(yùn)動學(xué)求解過程 自動計算被闡明如下： （ 1）在關(guān)節(jié)運(yùn)動的情況下，最大限度的投影量。 找到點(diǎn)（ j'i + 1）與 + 1 與 j'n，如圖所示， j'i + 1 與， j'i + 1 j'n 相比；如果 j'i + 1 j'n＞ j'i + 1，自動計算；如果 j'i + 1 j'n≤ j'i + 1，進(jìn)行下一步。 （ 2）在關(guān)節(jié)運(yùn)動 的情況下，逆投影量的范圍。 找到最大點(diǎn)（ J″ i + 1）與 + 1 與 j'n，如圖所示。 J″ + 1 與 J″ + 1 j'n 相比；如果 J″ + 1 j'n≥ J″， + 1，自動計算，關(guān)節(jié)運(yùn)動在允許范圍的情況下， J″ + 1 j'則，進(jìn)行下一步。 （ 3） + 1 關(guān)節(jié)調(diào)整到 N－ 1 關(guān)節(jié)運(yùn)動使 J″ + 1 的長度是最短的。 J″ + 1 與 J″ 第 4 頁 + 1 j'n 相比；如果 j″ + 1 j'n≥ J″ + 1， J″ + 1 的長度是根據(jù)位置的要求；如果 J″ + 1 j'n＜ J″ + 1，逆投影量最大值點(diǎn) J″ + 1j'n， + 1 節(jié)自動計算。 從第一 關(guān)節(jié)開始，一個固定的周期可以滿足要求，在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解。 3 自動解算的工作區(qū) 機(jī)器人的工作空間，可以顯示機(jī)器人的工作范圍，是評價機(jī)器人的重要指標(biāo)，然而，平面機(jī)器人的工作空間與機(jī)器人的工作空間是不同的。組成關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍也不同。因此，我們獲得的工作是復(fù)雜的，會形成一個復(fù)雜的區(qū)域，這是由三，如圖 3 所示。這一特征使工作空間的解決方案很難獲得。 圖 3 工作區(qū)采用多域 為解決機(jī)器人工作空間主要包括分析、圖形的方法和數(shù)值方法 ［ 4］ 。在分析方法中，工作空間的邊界是由多個信封決定。然而，這種方法是復(fù)雜的，普遍應(yīng)用于機(jī)器 人的關(guān)節(jié)。圖解法求解邊界工作空間，我們可以得到各種相交的線或相交的表面。這種方法是有效的但也是由自由度的數(shù)目有限，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是很大的，我們應(yīng)該通過組 ［ 6］ 處理。數(shù)值計算方法是基于極值理論和優(yōu)化方法來計算機(jī)器人工作空間的邊界曲面的特征點(diǎn)，這是用來構(gòu)成邊界曲線和形狀的邊界表面。代表結(jié)果的搜索方法，迭代法和蒙特卡羅 ［ 7－ 9］ 。為了計算串聯(lián)機(jī)器人定姿態(tài)工作空間，提出了一種基于二進(jìn)制逼近原理的快速搜索方法 基于上述方法，每一種方法的目的是利用該區(qū)域的自動求解工作區(qū)的邊界的確定，如圖 3 所示，以方便快速評價工作區(qū)的平面 串聯(lián)機(jī)械手和快速匹配的配置平面的可重構(gòu)機(jī)器人，我們通常會給平面矢量來解決這個位置，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對矢量。在本文中，我們使用了一種方法的基礎(chǔ)上的工作空間矢量的空間矢量的情況下，在這個向量的工作空間邊界迅速確定。 4 軌跡規(guī)劃方法 軌跡規(guī)劃的目標(biāo)是規(guī)劃理想的任務(wù)和關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動軌跡，使機(jī)器人運(yùn)動速度快，精度高，運(yùn)動點(diǎn)效率高，軌跡跟蹤精度高，滿足路徑、障礙和運(yùn)動學(xué)約束。 第 5 頁 避障是軌跡規(guī)劃的一個關(guān)鍵問題。通常采用的方法是規(guī)劃機(jī)器人空間軌跡的終點(diǎn)會議空間避障要求，使用機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)反解求解各空間點(diǎn)的每個關(guān)節(jié)的價值。調(diào)整速 度和平移關(guān)節(jié)加速度使機(jī)器人能達(dá)到更好的運(yùn)動效果。實(shí)現(xiàn)避障任務(wù)更好，許多研究已經(jīng)簡化了壁壘概述由包絡(luò)圓。參考文獻(xiàn) ［ 12］ ，阻擋接近一點(diǎn)，以最小的點(diǎn)與杠桿臂之間的距離作為避障的基礎(chǔ)，該方法擴(kuò)展了障礙物的空間，減少了實(shí)際工作環(huán)境中的實(shí)際機(jī)器人的工作空間機(jī)器人的可操作性。使用新的雙向快速探索隨機(jī)樹算法對復(fù)雜空間躲避障礙物的軌跡規(guī)劃。這些算法不需要運(yùn)動學(xué)反解計算方法，但我們可以通過擴(kuò)展樹方法實(shí)現(xiàn)空間避障任務(wù)。 人提出一種自動軌跡規(guī)劃確定平滑，為中存在的障礙，一個 五 自由度機(jī)械手抓放操作的最小時間和無碰 撞軌跡。該計劃是能夠處理的軌跡與不通過點(diǎn)和痕跡的光滑，無碰撞，近段時間最優(yōu)軌跡，不僅為機(jī)器人的端部執(zhí)行器，但也為它的鏈接確保無碰撞軌跡。 人。提出一個簡單而有效的路徑規(guī)劃策略，目標(biāo)是代表機(jī)器人的配置空間的障礙，表示允許獲得一個有效的和準(zhǔn)確的軌跡規(guī)劃和跟蹤，以及一個專用的碰撞檢測規(guī)則的機(jī)器人與障礙物之間。 第 2 節(jié)描述機(jī)器人運(yùn)動學(xué)求解方法。當(dāng)空間障礙存在，其空間軌跡規(guī)劃。干擾與障礙的發(fā)生，如圖 4 所示。 圖 4 平面障礙配置運(yùn)動反解回避問題 我們繼續(xù)使用 2 節(jié)的仿真實(shí)例，其中機(jī)器人從初始點(diǎn)移動到目 標(biāo)點(diǎn)，圖 8 中的區(qū)域 1 由實(shí)際障礙形成的，考慮機(jī)器人的尺寸和安全距離，我們展開 1 區(qū)的距離，形成安全的避障區(qū) 2，根據(jù)運(yùn)動學(xué)反解在軌跡規(guī)劃過程中，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)出明顯的干擾，從而平衡運(yùn)動學(xué)反解的自動解和避障問題。 5 結(jié)論 1）利用矢量投影法和關(guān)節(jié)約束，求解平面串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)問題。仿真結(jié) 第 6 頁 果表明，該方法避免了傳統(tǒng)的分析方法，它依賴于機(jī)器人的配置和自由度的形式，以及解決速度和精度的問題時，使用數(shù)值方法，這種方法也實(shí)用和通用。 2）在矢量方向上提出一個工作范圍，作為平面機(jī)器人的工作空間表達(dá)式。 此方法使用一個搜索 的方法來解決工作區(qū)范圍迅速的方向上的設(shè)置矢量角。這種方法也自動和快速。此外，該方法是將三維空間機(jī)器人分解為二維平面機(jī)器人的基礎(chǔ)。 3）通過對平面串聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)反解求解方法的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了軌跡規(guī)劃 平面機(jī)器人工作空間的障礙。仿真結(jié)果表明，該方法是通用的和實(shí)際的障礙與凸形式。 第 7 頁 原文： ， iu i ( 50001， on of as of it a of on of By by on an of of is to of of of of is to in a in a at of a is to in a a of of to on of a by to of in as 第 8 頁 be Ｒ a of To of an et ［ 1］ of In a is a to of an to to of in Ｒ 2］ ． et ［ 3］ a a to A of a is of of In of as to a a to a in of 2 . 1 of a is in of a 第 9 頁 a is of is is h is of of it of is 1． of 1 of ． 2 in a 第 10 頁 of or of in As 1， of be i． e．， a of ， n － 1 of n be be by n － 1 of is or ， to it be q． ( 2) ． We to of p‖ is of ai is of of ai is as 'i is 2， P is If hn of n is of s be is a of － 1 of n － 1 n in a to n + 1 is in a of of jn is of n is is j'n ． 第 11 頁 2 he is as 1) In of i j'i+1) of ji is in ji j'n， as 2． of j'i+1 jn is of j'i+1 j'n; if j'i+1 j'n ＞ j'i+1 i + 1 is if j'i+1 j'n ≤ j'i+1 is 2) In of i j″i+1) of ji is in ji j'n， as 2． of j″i+1 jn is of j″i+1 j'n ; if j″i+1 j'n ≥ j″i+1 is at In of j'n is to is 3) I + 1 is to n － 1 to of j″i+1 jn be of j″i+1 jn is of j″i+1 j'n ; if j″i+1 j'n ≥ j″i+1 of j″i+1 jn is to if j″i+1 j'n ＜ j″i+1 of ji is in ji j'n + 1 is a at of 3 of he of is an of of of we is a is of as 3． of to 3 of he 4］ ． In of 第 12 頁 by is is to 5］ ． is to of We or is is by of of of is we it by 6］ ． is on to on of to 7－ 9］ ． In to of a on is 10］ ． on to by of is of of As 3， to of of we to on In we a on of in i． e．， in in is on is 4 he of is to is a in is to at of to To by 11］ ． ［ 12 ］ ， a as of in s et ［ 13］ 第 13 頁 do we by 14］ a of by In is in to at et ［ 15］ an to a of a 5in of an is to is s et ［ 16］ a is to in an a is is as 4． e to ， in to ． 4 is by s we in k ． to 第 14 頁 of to is to be 5 ) of of is on of of as as of is 2) A is in of as of a to in of is is of in a a 3 ) of is of a is to a 第 15 頁 指 導(dǎo) 教 師 評 語 外文翻譯成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 注： 1. 指導(dǎo)教師 對譯文進(jìn)行評閱時應(yīng)注意以下幾個方面： ① 翻譯的外文文獻(xiàn)與畢業(yè)設(shè)計（論文）的主題是否高度相關(guān)，并作為外文參考文獻(xiàn)列入畢業(yè)設(shè)計（論文）的參考文獻(xiàn)； ② 翻譯的外文文獻(xiàn)字?jǐn)?shù)是否達(dá)到規(guī)定數(shù)量（ 3 000 字以上）； ③ 譯文語言是否準(zhǔn)確、通順、具有參考價值。 2. 外文原文應(yīng)以附件的方式置于譯文之后。 理工科類 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 論文 (設(shè)計 )題目 一種五自由度串聯(lián)機(jī)器人的 設(shè)計 作者所在系 別 機(jī) 電 工程 學(xué)院 作者所在專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 作者所在班級 者 姓 名 張琳 作 者 學(xué) 號 20134011303 指導(dǎo)教師姓名 韓書葵 指導(dǎo)教師職稱 副 教授 完 成 時 間 2017 年 3 月 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 說 明 1． 根據(jù)學(xué)?！懂厴I(yè)設(shè)計 (論文 )工作暫行規(guī)定》，學(xué)生必須撰寫《畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告》。開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。 2． 開題報告 應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)教研室論證審查后生效。 開題報告不合格者需重做。 3．畢業(yè)設(shè)計開題報告各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，逐條認(rèn)真填寫。其中的文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語言通順，外來語要同時用原文和 中文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．開題報告中除最后一頁外均由學(xué)生填寫，填寫各欄目時可根據(jù)內(nèi)容另加附頁。 5． 閱讀的主要參考文獻(xiàn)應(yīng)在 10 篇以上（ 土建類專業(yè)文獻(xiàn)篇數(shù)可酌減） ，其中外文資料應(yīng)占一定比例。本學(xué)科的基礎(chǔ)和專業(yè)課教材一般不應(yīng)列為參考資料。 6．參考文獻(xiàn)的書寫應(yīng)遵循畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范要求。 7．開題報告應(yīng)與文獻(xiàn)綜述、一篇外文譯文和外文原文復(fù)印件同時提交，文獻(xiàn)綜述的撰寫格式按畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范的要求，字?jǐn)?shù)在 2000 字左右。 1 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )開題報告 學(xué)生姓名 張琳 專 業(yè) 機(jī)電工 程 班 級 導(dǎo)教師姓名 韓書葵 職 稱 副 教授 工作單位 北華航天工業(yè)學(xué)院 課題來源 自擬 課題性質(zhì) 設(shè)計 課題名稱 一種五自由度串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計 本設(shè)計的科學(xué)依據(jù) （科學(xué)意義和應(yīng)用前景，國內(nèi)外研究概況，目前技術(shù)現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢等） 科學(xué)依據(jù) ： 在工業(yè)生產(chǎn)流水線上經(jīng)常有大量的 重復(fù) 工作，如果人工從事這種重復(fù)性的勞動。枯燥、無味且勞動強(qiáng)度大，容易引起操作工人的疲勞。所以很有必要設(shè)計 智能 機(jī)械手來代替人工搬運(yùn)， 利用計算機(jī) 對機(jī)械手進(jìn)行控制，很容易實(shí)現(xiàn) 。 采用機(jī)械手按規(guī)定的動作和規(guī)律進(jìn)行 工作 ，可 以做到快速、準(zhǔn)確、方便，減輕勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)的自動化程度 。 國內(nèi)外研究概狀 ： 我國從 20 世紀(jì) 80 年代開始涉足 工業(yè) 機(jī)器人領(lǐng)域（ 也稱機(jī)械手） 的研究和應(yīng)用。概括而言，其發(fā)展歷程可以人致分為如下三個階：第一階段 (1987～ 1993)：以三種類型五個型號機(jī)器人的研究開發(fā)為戰(zhàn)略日標(biāo)，跟蹤國外機(jī)器人高技術(shù)的發(fā)展，確定了自動化領(lǐng)域 2000年最終戰(zhàn)略目標(biāo)。第二階段 (1993～ 1997)：主題開始將機(jī)器人技術(shù)滲透、輻射到國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)，直接為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)作為這一階段的主要戰(zhàn)略目標(biāo)。第三階段 (1997～ 2000)：在繼續(xù)實(shí)施 第二階段戰(zhàn)略目標(biāo)的同時，提出中國機(jī)器人事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新的戰(zhàn)略目標(biāo)，采取多種措施，大力加強(qiáng)基地與隊(duì)伍建設(shè)，特別是機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 。 自 1960 年美國推出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了迅速發(fā)展。據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會 (計，世界機(jī)器人市場前景看好，從 20 世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進(jìn)入 90 年代，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10％左右， 2000 年增長率上升到 15％。 發(fā)展趨勢 ： 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，技術(shù)性能在不斷提高。由于發(fā)展時間較短，人 們對它有一個逐步認(rèn)識的過程，機(jī)械手在技術(shù)上還有一個逐步完善的過程，其目前的發(fā)展趨勢是： (1)擴(kuò)大機(jī)械手在熱加工行業(yè)上的應(yīng)用。 (2)提高工業(yè)機(jī)械手的工作性能。 (3)發(fā)展組合式機(jī)械手。 2 設(shè)計內(nèi)容和預(yù)期成果 （具體設(shè)計內(nèi)容和重點(diǎn)解決的技術(shù)問題、預(yù)期成果 和 提 供 的 形式） 出得到尺寸計算的依據(jù)。 和裝配圖。 擬采取設(shè)計方法和技術(shù)支持 （設(shè)計方案、技術(shù)要求、實(shí)驗(yàn)方法和步驟、可能遇到的問題和解決辦法等） 收集相關(guān)資料，并用來完成最后的圖紙繪制。 合已學(xué)相關(guān)知識，進(jìn)行學(xué)習(xí)。 閱中、英文文獻(xiàn)。 向老師請教，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。 實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)和已具備的條件 （ 包 括 過 去 學(xué)習(xí)、研究工作基礎(chǔ)，現(xiàn)有主要儀器設(shè)備、 設(shè)計環(huán)境 及 協(xié) 作 條 件等） 械原理》，《機(jī)械設(shè)計》的知識，可以構(gòu)思并設(shè)計機(jī)械手的運(yùn)動原理，并且設(shè)計。 程制圖》，可以繪出機(jī)械手的各部分零件草圖。 將機(jī)械手的三維模型設(shè)計出來。 3 各環(huán)節(jié)擬定階段性工作進(jìn)度 (以周為單位 ) 第 1：搜集資料，學(xué)習(xí)一些相關(guān)知識。 撰寫 開題報告，文獻(xiàn)綜述，英文翻譯。 第 4： 調(diào)查 機(jī)械手 現(xiàn)狀，分析結(jié)構(gòu)及相應(yīng)功能 。 第 6：選擇組成機(jī)械手的主要關(guān)節(jié)。 第 8：對組成機(jī)械手各種結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù) 進(jìn)行分析計算。 第 10：對機(jī)械手進(jìn)行繪制圖紙。 第 14：總結(jié)，論文編寫，準(zhǔn)備答辯 4 開 題 報 告 審 定 紀(jì) 要 時 間 地點(diǎn) 主持人 參 會 教 師 姓 名 職 務(wù)（職 稱） 姓 名 職 務(wù)（職 稱） 論 證 情 況 摘 要 記錄人： 指 導(dǎo) 教 師 意 見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教 研 室 意 見 教研室主任簽名： 年 月 日 5 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 )文獻(xiàn)綜述 設(shè)計 (論文 )題目 一種五自由度串聯(lián)機(jī)器人的 設(shè)計 作者所在系 別 機(jī) 電 工程 學(xué)院 作者所在專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 作者所在班級 者 姓 名 張琳 作 者 學(xué) 號 20134011303 指導(dǎo)教師姓名 韓書葵 指導(dǎo)教師職稱 副 教授 完 成 時 間 2017 年 3 月 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 說 明 1． 根據(jù)學(xué)?！懂厴I(yè)設(shè)計 (論文 )工作暫行規(guī)定》，學(xué)生必須撰寫畢業(yè)設(shè)計 (論文 )文獻(xiàn)綜述。文獻(xiàn)綜述作為畢業(yè)設(shè)計 (論文 )答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。 2． 文獻(xiàn)綜述 應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計 (論文 )工作前期內(nèi)完成，由指導(dǎo)教師簽署意見并經(jīng)所在專業(yè)教研室審查。 3．文獻(xiàn)綜述各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．學(xué)生撰寫文獻(xiàn)綜述， 閱讀的 主要參考文獻(xiàn)應(yīng)在 10 篇以上（ 土建類專業(yè)文獻(xiàn)篇數(shù)可酌減） ，其中外文資料應(yīng)占一定比例。本學(xué)科的基礎(chǔ)和專業(yè)課教材一般不應(yīng)列為參考資料。 5．文獻(xiàn)綜述的撰寫格式按畢業(yè)設(shè)計 (論文 )撰寫規(guī)范的要求，字?jǐn)?shù)在 2000字左右。文獻(xiàn)綜述應(yīng)與開題報告同時提交。 第 1 頁 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）文 獻(xiàn) 綜 述 五 自由度串聯(lián)機(jī)械手 摘要： 分析機(jī)器人操作臂的工作空間，根據(jù)分析結(jié)果對操作臂各個桿件的長度進(jìn)行選擇和確定，完成機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計、分析。利用三維軟件對于五自由度串聯(lián)機(jī)器人建立模型，對于五自由度串聯(lián)機(jī)械手的關(guān)鍵部件 進(jìn)行校核，繪制五自由度串聯(lián)機(jī)械手的二維圖紙。 關(guān)鍵詞：五自由度串聯(lián)機(jī)械手 方案設(shè)計 校核 第 2 頁 5of of To of of of is by D of D of is 5第 3 頁 1 前言 目前，我國部分企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)和加工時仍然用人力進(jìn)行工件的移動和定位，一定程度上出現(xiàn)了工作強(qiáng)度大、安全性差、操作靈活性差、定位精度低等問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動化生產(chǎn)線在企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械手作為自動化生產(chǎn)線的重要組成部分也得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步。尤其是隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，氣動、液壓技術(shù)的成熟 ，控制元件的發(fā)展和控制方式的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，機(jī)械手的動作精確性、控制靈活性和工作可靠性得到了明顯的改善。機(jī)械手的出現(xiàn)在減輕工人勞動強(qiáng)度和難度、提高工作效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本上做出了突出貢獻(xiàn)，機(jī)械手的發(fā)展在企業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)收上起到了舉足輕重的作用。 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)器人是多學(xué)科技術(shù)綜合的產(chǎn)物，它不像有些產(chǎn)品經(jīng)歷孕育、成長、成熟到衰亡的過程，而是隨著人類的進(jìn)步、發(fā)展不斷完善。人類的進(jìn)化經(jīng)歷了百萬年，而機(jī)器人的誕生到現(xiàn)在不到 40 年。國外機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了幾個階 [6]： 第一階段是技術(shù)準(zhǔn)備期。 1949 年， 由于需要研制新型軍用飛機(jī)，這種飛機(jī)零件是用機(jī)械加工出來的。美國空軍發(fā)起了對數(shù)控銑床的研制。這項(xiàng)研究工作在于把成熟的伺服技術(shù)與當(dāng)時新近發(fā)展的數(shù)字計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起 [7]。 1951 年，美國麻省理工學(xué)院（ 發(fā)成功第一代數(shù)控銑床，從而開辟機(jī)械電子相結(jié)合的新紀(jì) [8]。 1954 年，美國戴沃樂最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專 [9]。 1958 年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的 建了世界上第一個機(jī)器人公司 司，并參與設(shè)計了第一臺器人。與此同時，另一家美國公司 司也開始研制工業(yè)機(jī)器人，即 器人。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動。一般認(rèn)為這兩個機(jī)器人是世界最早的工業(yè)機(jī)器人，其控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似，但外形特征迥異，主要由類人的手和臂組 [1]。 第二階段是產(chǎn)業(yè)孕育期。從第一臺機(jī)器人誕生開始，到能進(jìn)行小批量生產(chǎn)結(jié)束。美國從 1962 年開始到 1974 年，歷經(jīng) 12 年，已擁有 1200 臺機(jī)器人，主要是滿足汽車工業(yè) 的需求。日本川崎重工業(yè)公司 1967 年從美國引進(jìn)機(jī)器人，與美國締結(jié)了國際性合作協(xié)議。 1969 年，日本試制出全部國產(chǎn)的第一臺機(jī)器人“川崎尤尼麥特”。當(dāng)時，日本勞動力嚴(yán)重匱乏，這大大促進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展。到 1973 年，日本的機(jī)器人產(chǎn)量已達(dá) 2500 臺。前蘇聯(lián)于 1963 年研制出第一臺工業(yè)機(jī)器人， 1972 年起將機(jī) 第 4 頁 器人研制納入國家計劃，其科學(xué)院及部屬研究所負(fù)責(zé)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)技術(shù)，生產(chǎn)部門負(fù)責(zé)生產(chǎn)以及應(yīng)用推廣。到 1976 年，前蘇聯(lián)已擁有機(jī)器人 510 臺，其產(chǎn)品多為圓柱坐標(biāo)式，用液壓或氣動來驅(qū)動。前西德在 20 世 紀(jì) 60 年代末引進(jìn)機(jī)器人， 1970 年第一批工業(yè)機(jī)器人在前西德誕生。到 1976 年時，前西德已擁有 250 臺機(jī)器人。這些機(jī)器人主要活躍在對人有危險或有害的崗位上 [6]。 第三階段是產(chǎn)業(yè)形成期。這一時期生產(chǎn)企業(yè)不斷成熟，開始進(jìn)入批量生產(chǎn)，并初步形成市場。當(dāng)時美國由于消費(fèi)水平的提高，市場需要大量高質(zhì)量的產(chǎn)品。于是，工人工時成本上升，而工業(yè)機(jī)器人的成本相對低很多，這顯然刺激了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。到 1980 年，美國已擁有 3500 臺機(jī)器人。同一時期，日本政府也大力支持機(jī)器人制造工業(yè)，制造廠家維持在 120 家左右。 1976 年，機(jī)器人年產(chǎn)量已達(dá) 7200 臺。前蘇聯(lián)從 1976 年起，由于政府重視、國家集中統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，到 1980 年已擁有機(jī)器人6800 臺。前西德歷經(jīng) 6 年，也擁有 3500 臺機(jī)器人。 第四階段為產(chǎn)業(yè)發(fā)展期。機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)和市場發(fā)展都比較成熟。美國一批大公司相繼加入機(jī)器人制造行列，如通用汽車、通用電氣、 公司。日本機(jī)器人公司已有幾百家之多，使用機(jī)器人數(shù)占全世界的 50％以上。全世界機(jī)器人總數(shù)已達(dá)到近 80 萬臺。 第五階段為機(jī)器人智能化時期。隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上 有了很大的提高，移動機(jī)器人和機(jī)器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機(jī)器人概念的延伸。 20 世紀(jì)80 年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人。當(dāng)前，與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，高級機(jī)器人即遙控機(jī)器人和特種機(jī)器人的發(fā)展、多種機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制以及通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍機(jī)器人遙控系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢。隨著遙控及智能化技術(shù)的發(fā)展，還將出現(xiàn)各種各樣的服務(wù)機(jī)器人，它們將使人真正脫離第一線作業(yè)。 我國的機(jī)器人歷史更為 久遠(yuǎn)，早在古代就有了機(jī)器人的記載。西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人。春秋后期，我國著名的木匠魯班，在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)《墨經(jīng)》記載，他曾制造過一只鳥，并有“三日不下”之說。漢代，大科學(xué)家張衡發(fā)明了計里鼓車，該車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運(yùn)送軍糧。 [5] 第 5 頁 我國工業(yè)機(jī)器人起步于 20 世紀(jì) 70 年代初期， 1972 年我國開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代后，隨著改 革開放的不斷深入，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，我國機(jī)器人技術(shù)與研究得到了政府重視與支持。“七五”期間，國家投入資金，對工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊和搬運(yùn)機(jī)器人。 1986 年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（ 863 計劃）開始實(shí)施，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。從 20 世紀(jì) 90 年代初期起，我國掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在實(shí)踐中前進(jìn)了一大步，先后研制了焊接、裝配、噴漆、切割、包裝等各種用途的 工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。 目前，我國機(jī)器人技術(shù)研究主要體現(xiàn)在以下五個方面：一是示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人；二是智能機(jī)器人；三是機(jī)器人化機(jī)械；四是以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)；五是多傳感器信息融合與配置技術(shù)。 [1] 3 發(fā)展趨勢 目前工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，技術(shù)性能在不斷提高。由于發(fā)展時間較短，人們對它有一個逐步認(rèn)識的過程，機(jī)械手在技術(shù)上還有一個逐步完善的過程，其目前的發(fā)展趨勢是： (1)擴(kuò)大機(jī)械手在熱加工行業(yè)上的應(yīng)用， 國內(nèi)機(jī)械手應(yīng)用在 機(jī)械工業(yè)冷加工作業(yè)中的較多，而在鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應(yīng)用較少。因熱加工作業(yè)的物件重、形狀復(fù)雜、環(huán)境溫度高等，給機(jī)械手的設(shè)計、制造帶來不少困難，這就需要解決技術(shù)上的難點(diǎn)，使機(jī)械手更好地為熱加工作業(yè)服務(wù)。同時，在其它行業(yè)和工業(yè)部門，也將隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴(kuò)大機(jī)械手的使用。 (2)提高工業(yè)機(jī)械手的工作性能 機(jī)械手工作性能的優(yōu)劣，決定著它能否正常地應(yīng)用于生產(chǎn)中。機(jī)械手工作性能中的重復(fù)定位精度和工作速度兩個指標(biāo)，是決定機(jī)械手能否保質(zhì)保量地完成操作任務(wù)的關(guān)鍵因素。因此要解決好 機(jī)械手的工作平穩(wěn)性和快速性的要求，除了從解決緩沖定位措施入手外，還應(yīng)發(fā)展?jié)M足機(jī)械手性能要求價廉的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械手上。 (3)發(fā)展組合式機(jī)械手 第 6 頁 從機(jī)械手本身的特點(diǎn)來說，可變程序的機(jī)械手更適應(yīng)產(chǎn)品改型、設(shè)備更新，多品種小批量的要求，但是它的成本高，專用機(jī)械手價廉，但適用范圍又受到限制。因此，對一些特殊用途的場合，就需要專門設(shè)計、專門加工，這樣就提高了產(chǎn)品成本。為了適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域分門別類的要求，可將機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計成可以組合的型式。組合式機(jī)械手是將一些通用部件 (如手臂伸縮部件，升降部件、回轉(zhuǎn)部 件和腕部回轉(zhuǎn)、俯仰部份等 >根據(jù)作業(yè)的要求選擇必要的能完成預(yù)定機(jī)能的單元部件，以機(jī)座為基礎(chǔ)進(jìn)行組合，配上與其業(yè)的要求選擇必要的能完成預(yù)定機(jī)能的單元部件，以機(jī)座為基礎(chǔ)進(jìn)行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分，即成為能完成特殊要求的機(jī)械手。它可以簡化結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計上的通用性，便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計和組織專業(yè)化生產(chǎn)，有利于提高機(jī)械手的質(zhì)量和降低造價，是一種有發(fā)展前途的機(jī)械手。 第 7 頁 參考文獻(xiàn) [1] 郭洪紅．工業(yè)機(jī)械人技術(shù) [J]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2006,12:21 [2] 陳錫伍，袁亮，吳金強(qiáng) J]2015， 43（ 9）：24[3] 胡正義 武漢理工大學(xué) [4]王三秀 ,俞立 ,徐建明 ,邢科新 ,王正初 控制工程 2015,3,22(02):241[5] 國家 863 計劃智能機(jī)器人專家組．機(jī)器人博覽 [M]．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001． 1． [6] 董克，劉明銳．仿造人類智能 [M]．上海：上海交通大學(xué)出版社， 2004． 8． [7] 孫迪生，王炎．機(jī)器人控制技術(shù) [J]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1997． 2(8):568] 余達(dá)太，馬香峰．工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程 [J]．北京：冶金工業(yè)出版社，1999,51(8):89 [9].,. A 005(1) [10]i,of of 2000(4) 第 8 頁 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）文 獻(xiàn) 綜 述 指導(dǎo)教師意見 指 導(dǎo)教師： 年 月 日 專業(yè)教研室審查意見 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計論文 論 文 題 目 ： 一種五 自由度串聯(lián) 機(jī)器人的 設(shè)計 作者所在系部： 機(jī)電工程學(xué)院 作者所在專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 作者所在班級： 作 者 姓 名 ： 張琳 作 者 學(xué) 號 ： 20134011303 指導(dǎo)教師姓名： 韓書葵 完 成 時 間 ： 2017 年 5 月 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 I 摘 要 本文 設(shè)計了一個 五 自由度串聯(lián) 機(jī)器人， 首先通過計算得到執(zhí)行端所需要的驅(qū)動力矩，再以此為依據(jù)選出該關(guān)節(jié)所需的減速器和伺服電動機(jī)，設(shè)計出外殼和關(guān)節(jié)的連接結(jié)構(gòu)，繪制 3過軟件的測量求出設(shè)計好的部分重心，求出下一個關(guān)機(jī)所需的驅(qū)動力矩，選出所需的減速器和伺服電動機(jī)，以此類推最終完成 總體 設(shè)計 ，并且繪制了串聯(lián)五自由度機(jī)器人的工程圖 。 關(guān)鍵詞： 五 自由度 串聯(lián) 機(jī)器人 總體設(shè)計 伺服電動機(jī) 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 a OF of is to D of of a so a OF 5 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 目 錄 摘 要 ............................................................................................................................................ I ........................................................................................................................................ 1 章 緒論 ................................................................................................................................. 1 述 ................................................................................................................................... 1 器人 定義 ............................................................................................................... 1 械手的應(yīng)用簡況 ................................................................................................... 1 展趨勢 ................................................................................................................... 1 究內(nèi)容 ........................................................................................................................... 2 第 2 章 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 設(shè)計 ..................................................................................................... 3 械手的組成 .................................................................................................................. 3 行 機(jī)構(gòu) .................................................................................................................... 3 動機(jī)構(gòu) .................................................................................................................... 3 械手的分類 .................................................................................................................. 3 械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 ....................................................................................................... 4 動、驅(qū)動方式的分析與選擇 ....................................................................................... 4 第 3 章 機(jī)器人手部的設(shè)計 ......................................................................................................... 6 部設(shè)計要求 ................................................................................................................... 6 動力的計算 .................................................................................................................. 6 支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 ........................................................................... 8 抓夾持范圍計算 .......................................................................................................... 8 第 4章 總體設(shè)計 ..................................................................................................................... 10 ................................................................................................................ 10 計原理 ....................................................................................................................... 10 動設(shè)計 ....................................................................................................................... 10 節(jié)處 設(shè)計 ................................................................................................................... 11 臂 設(shè)計 ....................................................................................................................... 12 體 設(shè)計 ....................................................................................................................... 13 第 5 章 靜力矩估算與電機(jī)、減速器的選擇 ........................................................................... 14 機(jī)、減速器的選擇 .................................................................................................... 14 腕轉(zhuǎn)動 ................................................................................................................. 14 臂俯仰 .................................................................................................................. 16 臂俯仰 .................................................................................................................. 17 臂俯仰 .................................................................................................................. 19 臂轉(zhuǎn)動 .................................................................................................................. 21 臂的校核計算 ............................................................................................................. 22 的校核 ......................................................................................................................... 23 致 謝 ..................................................................................................................................... 27 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 參考文獻(xiàn) .................................................................. 28 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 述 器人 定義 機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手，這些名詞術(shù)語代表著不同的事物類別，但在概念上沒有明確的區(qū)分，說明它們又有相似之處。參閱相關(guān)資料，世界各國對于這些名詞術(shù)語至今還沒有做出統(tǒng)一的明確定義，只有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織以及各國工業(yè)協(xié)會提出的相關(guān)定義。美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會提出的定義：機(jī)器人是 “ 一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手 ” 。盡管這一定義較實(shí)用，但并不全面。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義 ：“ 工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī) ” [1 關(guān)于我國機(jī)器人的定義，蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為 “ 一種擬人功能的機(jī)械電子裝置 ” 工業(yè)機(jī)器人與機(jī)械手的主要區(qū)別是前者具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可通過編程方法實(shí)現(xiàn)動作程序的變化；而后者則只能完成簡單的搬運(yùn)、抓取及上、下料工作，一般作為自動機(jī)或自動線上的附屬裝置，其程序固定不變 [4由此可見，不論如何進(jìn)行定義，它們都有一個共性，即：都是一種集機(jī)構(gòu)學(xué)、控制學(xué)、計算機(jī)學(xué)、信息學(xué)和傳感技術(shù)學(xué)等多學(xué)科于一體的自動化裝置。 器人 的應(yīng)用簡況 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法 [10 展趨勢 目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要 [8 因此，國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。 將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。 現(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀 態(tài) [6 究內(nèi)容 在設(shè)計之前，必須要有一個指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。 本文 的主要研究內(nèi)容為： 第 一 章從課題研究背景、機(jī)器人的國內(nèi)外現(xiàn)狀、機(jī)器人的主要發(fā)展趨勢等方面給大家做一個簡要的介紹； 第 二 章為 搬運(yùn) 機(jī)械手的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計，給出機(jī)械手的總體設(shè)計參數(shù)，傳動方式，總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計； 第 三 章機(jī)械手的詳細(xì)設(shè)計 重點(diǎn)介紹了 機(jī)械手的 手爪部分的設(shè)計 ,對此 機(jī)械手的 部分零件進(jìn)行了展示與分析 ； 第 四 章機(jī)械手的詳細(xì)設(shè)計 重點(diǎn)介紹了 機(jī)械手的 總體設(shè)計 ， 傳動設(shè)計 ； 第 五 章機(jī)械手的詳細(xì)設(shè)計 重點(diǎn)介紹了 機(jī)械手的電機(jī)選擇，軸的校核 ； 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 第 2 章 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 設(shè)計 械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 行機(jī)構(gòu) 手臂的內(nèi)孔中裝有傳動軸，可以吧動作傳遞給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸曲手腕、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié) 3 種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中二指的應(yīng)用最為廣泛。可根據(jù)夾持對象的大小和形狀配備多種形狀和大小的夾頭以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤或磁性吸盤 [13 手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運(yùn)送到所需的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的 3 個自由度都要精確的定位。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。 動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。其中以液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動用得最多。 液壓驅(qū)動機(jī)械手通常由液動機(jī)（各種 油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)。 氣壓驅(qū)動式，其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。其特點(diǎn)是氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。 電氣驅(qū)動是目前機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大（關(guān)節(jié)型持重以達(dá) 400信號檢測、傳動、處理方便，并且可以采用多種靈活的控制方案。 機(jī)械驅(qū)動式 只適用于動作固定的場合，一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點(diǎn)是動作確定可靠，工作速度高，成本低，但不易 于調(diào)整。其它還有采用混合驅(qū)動的，即液 — 氣或電 — 液混合驅(qū)動。 械手的分類 一、按用途分類為： （ 1）專用機(jī)械手 專用機(jī)械手是專門為一定設(shè)備服務(wù)的。簡單實(shí)用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用的比較廣泛。它北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 一般只能完成一兩種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編寫控制程序來獲得更多的工作程序，以適應(yīng)多種作業(yè)的需要。 （ 2）通用機(jī)械手 通用機(jī)械手是在專用機(jī)械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它能對不同的物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?[16 械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計包括末端執(zhí)行器，手臂、腕部、機(jī)座和行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計。本機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要涉及如下四部分內(nèi)容： 1、 末端執(zhí)行器，俗稱手爪，是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。 2、腕部，又稱手腕，是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件。其功能是在手臂和腰部實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，再由腕部來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標(biāo)。 3、臂部，又稱手臂，由動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，用來支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。 4、機(jī)座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用，可分為固定式和移動式兩種。其直接支承和驅(qū)動手臂部件，實(shí)現(xiàn)臂部回轉(zhuǎn)。 動、驅(qū)動方式的分析與選擇 傳動方式的選擇是指選擇驅(qū)動源及傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動方式。 驅(qū)動源常用的方式主要有：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動四種基本類型。交流電機(jī)驅(qū)動是新近發(fā)展起來的一種驅(qū)動方法 [19 經(jīng)分析比較并考慮系統(tǒng)的整體平衡性，本機(jī)械手?jǐn)M采用遠(yuǎn)距離連接傳動、間接驅(qū)動。驅(qū)動源采用步進(jìn)電機(jī)和液壓缸，傳動裝置采用齒輪傳動。各關(guān)節(jié)所采用的傳動方式分別為： (1)機(jī)座回轉(zhuǎn)的腰關(guān)節(jié)：由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行傳動，將垂直回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為水平回轉(zhuǎn)。 (2)大臂俯仰的肩關(guān)節(jié)：由 關(guān)節(jié)裝置 直接驅(qū)動。 (3)小臂俯仰的肘關(guān)節(jié)：同大臂俯仰傳動方式。 (4)手 腕擺動的腕關(guān)節(jié)：由電機(jī)驅(qū)動，與齒輪相連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 另外，手爪回轉(zhuǎn)由直流電機(jī)直接連接液壓缸驅(qū)動，手爪開合由液壓驅(qū)動氣缸實(shí)現(xiàn)。經(jīng)綜合分析，構(gòu)型和自由度分配圖如圖 2示 。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 圖 2型和自由度分配圖 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 第 3 章 機(jī)器人手部的設(shè)計 部設(shè)計要求 (1)應(yīng)具有足夠的握力 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (2)手指間應(yīng)有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 (3)應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶 “ V” 形面的手指，以便 自動定心。 (4)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 動力的計算 如圖 3示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。拉桿 3 端部固定安裝著圓柱銷 2，當(dāng)拉桿 3 向上拉時，圓柱銷就在兩個手指 1 的滑槽中移動，帶動手指 1 繞 支點(diǎn)回轉(zhuǎn)，夾緊工件。拉桿 3 向下推時，使手指 1 松開工件。 圖 3槽杠桿式手部受力分析 在拉桿 3 作用下銷軸 2 向上的拉力為 P，并通過銷軸中心 O 點(diǎn)，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 力的方向垂直于滑槽中心線 指向 O 點(diǎn)， 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 延長線交 A 及 B，由于 △ △為直角三角形，故 ∠ 。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 0,0 21 ????? (3? (3? (3銷軸對手指的作用力為 手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以 N 表示。由手指的力矩平衡條件，即 ∑)=0 得 '1 (3因?yàn)? ? (3 所以 )( c o ?? (3式中 a ——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心線的距離（毫米）。 α ——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。 由上 式可知，當(dāng)驅(qū)動力 P 一定時， α 角增大則握力 N 也隨之增加，但 α 角過大會導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取 α=300里取角 α=30 度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點(diǎn)。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)》可知， V 形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公 式 N=合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動力 P 實(shí)際應(yīng)按以下公式計算，即： ?/21 (3式中 η—— 手部的機(jī)械效率，一般取 安全系數(shù)，一般取 工作情況系數(shù) ，主要考慮慣性力的影響， 近似按下式估計，? ，其中 a 為被抓取工件運(yùn)動時的最大加速度， g 為重力加速度。 本機(jī)械手 的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為 500 毫米 /秒，移動加速度為 1000 毫米 /秒 2 ，工件重量 G 為 98 牛頓， V 型鉗口的夾角為 120°， α=30°時，拉緊油缸的驅(qū)動力 P 和 算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計算公式 (3把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為 )(300 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式 )α(? (3得 )(75030030co 52 2 ???? ）（ ??/21 (3 取 , K , 00012 ???K 則 NP w 1 4 5 4 9 0 ???? 支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 如圖 3示，鉗口與鉗爪的連接點(diǎn) E 為鉸鏈聯(lián)結(jié) ， 如圖示幾何關(guān)系 ， 若設(shè)鉗爪對稱中心 O 到工件中心 O′的距離為 x ， 則 22 )s i n/( ??? ? (3當(dāng)工件直徑變化時 ， x 的變化量即為定位誤差 △， 設(shè)工件半徑 R 由 化到 ，其最大定位誤差為 2 ???? ? 2 ??? ? (3 其中 l= b=5 a=30 2? =120° ， 5 0入公式計算得 最大定位誤 差 △ =∣ =符合要求 。 圖 3浮動鉗口的鉗爪 抓夾持范圍計算 為了保證手抓張開角為 60°，活塞桿運(yùn)動長度為 34指長為 100手抓 沒 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 有張開的時候，如 圖 3-3(a)所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑 5張開60 如圖 3-3(b)所示，最大夾持半徑 算如下： 2 330c o a 02 ????? ?? 所以機(jī)械手的夾持半徑從 5 (a) (b) 圖 3口持半徑 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 第 4 章 總體設(shè)計 體設(shè)計參數(shù) 根據(jù)此次設(shè)計 的機(jī)器人具體應(yīng)用場合和實(shí)際應(yīng)用要求，主要的設(shè)計參數(shù)要求如下： (1)抓取的重物： 5 (2)機(jī)械手的自由度數(shù)： 5 個； (3)運(yùn)動參數(shù)： 底座旋轉(zhuǎn)： 角速度： s； 支撐桿俯仰：線速度： s； 上桿旋轉(zhuǎn)： 角速度： s； (4)運(yùn)動行程： 底座旋轉(zhuǎn)： 360° ； 支撐桿俯仰： 60°~120°； 上桿旋轉(zhuǎn)： 3600 上桿俯仰： 0°~ 計原理 本設(shè)計結(jié)構(gòu)上總體 采用了 關(guān)節(jié)型 設(shè)計 ， 關(guān)節(jié) 型的好處是 傳動原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間體積小、相對的工作空間大、還能繞過基座周圍的一些障礙物等特點(diǎn) 。機(jī)器人的腰部和手腕都采用了關(guān)節(jié)型，這對與某些需要精細(xì)操作、精確定位同時操作又要簡單快捷的工作是相當(dāng)有好處的。 動設(shè)計 因?yàn)榈鬃枰?qū)動整個機(jī)械手，轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量都很大，伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩一般比較小，達(dá)不到要求，所以采用大功率直流電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)減速箱減速，再驅(qū)動機(jī)器人腰部以上結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如 圖 4圖 4示。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 圖 4座內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 4座傳動內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 直流電機(jī)安裝在底座的箱體邊，箱體中是 減速器 結(jié)構(gòu)，用于減速和提供更大的扭矩。電機(jī)與箱體固定，電機(jī)輸出的扭矩傳導(dǎo)到 減速器 上，形成反作用力，并且由于底座固定在地面上，從而推動箱體及其以上部分轉(zhuǎn)動。 節(jié)處 設(shè)計 腕部，又稱手腕，是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件。其功能是在手臂和腰部實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，再由腕部來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標(biāo)。 腰部結(jié)構(gòu)用來連接底座與大臂。腕部結(jié)構(gòu) 如 圖 4示，腰部結(jié)構(gòu)如 圖 4示。 圖 4腕部結(jié)構(gòu) 圖 4部結(jié)構(gòu) 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 臂 設(shè)計 臂部的設(shè)計要求：結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足作業(yè)任務(wù)的工作空間要求；根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料；盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和力矩，以減少驅(qū)動裝置的負(fù)荷：減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動載荷與沖擊，提高運(yùn)動的響應(yīng)速度；設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動誤差，提高運(yùn)動精度和剛度，提高定位精度 。 大臂 結(jié)構(gòu)如 圖 4臂結(jié)構(gòu)如 圖 4 圖 4大臂結(jié)構(gòu) 圖 4小臂結(jié)構(gòu) 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 體 設(shè)計 該機(jī)械手的設(shè)計如下：腰轉(zhuǎn)電機(jī) 過諧波減速器直接驅(qū)動腰部轉(zhuǎn)動，為了減小慣量， 大 臂電動機(jī) 大臂 機(jī)分別布置在大臂關(guān)節(jié)兩側(cè)，并分別通過諧波減速器直接驅(qū)動各臂擺動。小臂，手腕，通過回轉(zhuǎn)電動機(jī) 接諧波減速器實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，手腕的擺動通過電動機(jī)連接雙輸出軸 齒輪 實(shí)現(xiàn)。 結(jié)構(gòu)圖如 圖 4示。 圖 4 整體結(jié)構(gòu) 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 第 5 章 靜力矩估算與電機(jī)、減速器的選擇 在電機(jī)、減速器的選型中，首先要確定負(fù)載的工況。在此基礎(chǔ)上對負(fù)載進(jìn)行計算，從而確定配套的電機(jī)減速器型號，進(jìn)而可以根據(jù)安裝需要確定電機(jī)、減速器的安裝結(jié)構(gòu)。 機(jī)、減速器的選擇 腕轉(zhuǎn)動 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算： M 驅(qū) =M 慣 +M 偏 +M 摩 (5式中 ： M 驅(qū) —— 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 （ N·m）； M 慣 —— 慣性力矩 （ N·m）； M 偏 —— 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （ N·m）； 若手腕啟動過程按等加速度運(yùn)動，則所產(chǎn)生的慣性力矩 ： M 慣 =（ 51） ω Δ t （ N·m） (5式 中 ： 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量； ω—— 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度； Δt—— 啟動過程 中所用的時間 。 盤狀回轉(zhuǎn)慣量計算： J=12 kg· (5圓柱回轉(zhuǎn)慣量計算： J= (kg· (5桿繞端點(diǎn)回轉(zhuǎn)慣量計算： J=13 kg· (5參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì) 量 0 100量密度等效均勻地分布在一個半徑為 50圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： 2 0×=kg·件是質(zhì)量 m 為 5普通碳鋼棒料，質(zhì)量分布情況為長 200徑 66么轉(zhuǎn)動慣量 (僅考慮沒有偏心距的情況 M 摩 、 M 偏 忽略不計） ： = 5×=kg·以： M 驅(qū) = M 慣 =（ 51） ω Δt =（ ×=m 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 15 減速比 ?? 諧波減速器 ,其參數(shù)如 表 5示。 表 5波減速器參數(shù)表 規(guī)格 單位 速比 1 50 額定輸出力矩 停允許最大轉(zhuǎn)矩 時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩 大輸入轉(zhuǎn)速 000 額定 輸入 轉(zhuǎn)速 000 潤滑 全合成潤滑油脂 防滑等級 裝方向 任意方向 噪音值 63 質(zhì)量 速器的輸入轉(zhuǎn)矩： o/η i=90%× 50)=m ? 式中： 減速器的輸入功率 w T—— 工作機(jī)轉(zhuǎn)矩 (n—— 轉(zhuǎn)速（ r/ 電機(jī)輸出功率為： ?? ? 電機(jī)選用 下伺服電機(jī)，型號為 關(guān)參數(shù) 如表 5示。 表 5服電機(jī)參數(shù)表 規(guī)格 單位 源電壓 V 100 額定轉(zhuǎn)速 000 額定轉(zhuǎn)矩 定電流 A 定功率 許最高轉(zhuǎn)速 000 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 16 質(zhì)量 手臂俯仰 手腕俯仰時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算 : M 驅(qū) =M 慣 +M 偏 +M 摩 M 慣 =（ 41+ω Δt （ N· (5式 中 ： 工件對手腕俯仰軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ; 腕部結(jié)構(gòu)對 俯仰軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ; 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對俯仰軸線的轉(zhuǎn)動慣量。 腕部結(jié)構(gòu)由殼體、減速機(jī)、電機(jī)構(gòu)成，質(zhì)量分別為 以該部分結(jié)構(gòu)總質(zhì)量 長度為 165 因?yàn)槭滞笃剿袝r轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。設(shè)手腕、手部、工件繞自己的重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為 據(jù)平行軸定理可得繞手腕關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量的計算如下： J= 41+G2+ (5 由于 可忽略不計，轉(zhuǎn)動慣量為： J=× 0× 性力矩 M 慣 =（ 41+ω Δ t =N·m） 減速機(jī)選用型號 減速器 ,其參數(shù)表如 表 5示。 表 5波減速器參數(shù)表 規(guī)格 單位 速比 1 100 額定輸出力矩 0 瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩 0 傳遞效率 1 85% 額定 輸入 轉(zhuǎn)速 000 潤滑 全合成潤滑油 質(zhì)量 裝方向 任意方向 噪音值 68 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 17 減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： o/(ηi)=10/85=速器的輸入功率 為： 0 ?? 電機(jī)選用 下伺服電機(jī)，型號為 關(guān)參數(shù)如 下 5示。 表 5服電機(jī)參數(shù)表 規(guī)格 單位 源電壓 V 100 額定轉(zhuǎn)速 000 額定轉(zhuǎn)矩 定電流 A 定功率 許最高轉(zhuǎn)速 000 質(zhì)量 小臂俯仰 機(jī)械手小臂俯仰運(yùn)動的力矩的計算為 : M 慣 =（ 31+33） ω Δt （ N·m） (5式中： — 工件繞關(guān)節(jié) 3 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量 手部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié) 3 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量 腕部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié) 3 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量 小臂繞關(guān)節(jié) 3 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量 ω —— 小臂俯仰運(yùn)動 的角速度 處于水平位子時，小臂最大轉(zhuǎn)動慣量為： J=31+33=G2+G3+ (5式中 : 工件繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量 手部繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量 手腕繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量 小臂繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量 L —— 工件重心與關(guān)節(jié) 3 處轉(zhuǎn)動中心距離 手部重心與關(guān)節(jié) 3 處轉(zhuǎn)動中心距離 手腕重心與關(guān)節(jié) 3 處轉(zhuǎn)動中心距離 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 18 小臂重心與關(guān)節(jié) 3 處轉(zhuǎn)動中心距離 由于 可忽略不計，轉(zhuǎn)動慣量為： J=× 0× 慣 =（ 31+33） ω Δ t =m 選用諧波減速器型號 參數(shù)表 5示。 表 5波減速器參數(shù)表 規(guī)格 單位 速比 1 160 額定輸出力矩 2 瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩 18 傳遞效率 1 90% 額定 輸入 轉(zhuǎn)速 000 潤滑 全合成潤滑 脂 質(zhì)量 裝方向 任意方向 噪音值 65 減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： o/η i=32/（ 90%× 160） =m 減速器的輸入功率 為： 69550 ??電機(jī)輸出功率為： ?電機(jī)選用 下伺服電機(jī)，型號為 關(guān)參數(shù)如 表 5 表 5服電機(jī)參數(shù)表 規(guī)格 單位 源電壓 V 100V 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 19 額定轉(zhuǎn)速 000 額定轉(zhuǎn)矩 量 定功率 w 100 允許最高轉(zhuǎn)速 000 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法初算軸的直徑： ? (5式中 : P—— 軸傳遞功率 kw n—— 軸的轉(zhuǎn)速 r/—— 由軸的材料和受載情況確定的系數(shù)（軸的材料為 45 鋼，通常取 C=106～ 117） ????? ? 軸段截面上有一個鍵槽， d 增大 5%, 7%?? 實(shí)取 17 臂俯仰 機(jī)械手大臂俯仰運(yùn)動的力矩的計算為 : M 慣 =（ 21+23+ω Δ t （ N·m） (5式中： 工件繞關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量； 手部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量； 腕部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量； 小臂繞關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量； 大臂繞關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量； ω —— 大臂俯仰運(yùn)動 的角速度 。 處于水平位子時，大臂最大轉(zhuǎn)動慣量為： 21+23+G+G1+G2+G3+G4+中： 大臂繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量； L —— 工件重心與關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動中心距離； 手部重心與關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動中心距離； 手腕重心與關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動中心距離； 小臂重心與關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動中心距離； 大臂重心與關(guān)節(jié) 2 處轉(zhuǎn)動中心距離。 由于 可忽略不計，轉(zhuǎn)動慣量為： J=華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 20 =臂俯仰慣性力矩為： M 慣 =J ω Δ t =m 選用諧波減速器型號 參數(shù)如表 5示。 表 5波減速器參數(shù)表 規(guī)格 單位 速比 1 160 額定輸出力矩 2 瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩 7 傳遞效率 1 90% 額定 輸入 轉(zhuǎn)速 000 潤滑 全合成潤滑 脂 質(zhì)量 裝方向 任意方向 噪音值 65 容許輸入最大轉(zhuǎn)速 000 減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： o/ηi=32/(90%×160)=m 減速器的輸入功率 為： 69550 ??電機(jī)輸出功率為： 1 ?電機(jī)選用 下伺服電機(jī)，型號為 關(guān)參數(shù)如表 5示。 表 5服電機(jī)參數(shù)表 規(guī)格 單位 源電壓 V 100V 額定轉(zhuǎn)速 000 額定轉(zhuǎn)矩 定電流 A 定功率 w 100 允許最高轉(zhuǎn)速 000 質(zhì)量 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法初算軸的直徑： ? ????? ? 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 21 軸段截面上有一個鍵槽， d 增大 5%, 7%?? 實(shí)取 17 臂轉(zhuǎn)動 機(jī)械手大臂轉(zhuǎn)動的力矩的計算為 : M 慣 =（ 11+13+ω Δt （ N·m） (5式中 : 工件繞關(guān)節(jié) 1 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量 手部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié) 1 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量 腕部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié) 1 轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量 小臂繞關(guān)節(jié) 1 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量 大臂繞關(guān)節(jié) 1 處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量 ω —— 腰部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 的角速度 機(jī)械手大臂轉(zhuǎn)動總的轉(zhuǎn)動慣量為： J=11+13+11+13+ (5式中 : 大臂件繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量 大臂重心到轉(zhuǎn)動軸線偏心距 =5×=kg·11=12 0×=kg·12= ==kg·13= ==kg·G4===臂偏轉(zhuǎn)慣量為： kg·華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 22 大臂驅(qū)動力矩為： M 驅(qū) =J