移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1 緒論1.1 引言在星球表面探索、地震或事故現(xiàn)場救災(zāi)、自然界未知事物探索等環(huán)境中工作的移動(dòng)機(jī)器人，面臨著復(fù)雜 、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán) 境，應(yīng)具有良好的適應(yīng)性、靈活性。移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)能夠 依靠自身的功能，克服 環(huán) 境的不確定性，有效地完成任務(wù) [1]。機(jī)器人不僅可以在粉塵、噪聲、有毒、輻射等有害條件下部分替代人去操作，還能在人所不能及的極限條件下，如深海、外層 空間環(huán)境中完成人所賦予的任務(wù)，擴(kuò) 大了人類改造自然的能力，尤其是近些年來自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。機(jī)器人的研究、開發(fā)、應(yīng)用涉及許多學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。多 剛體動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械 設(shè)計(jì)、 傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動(dòng)、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù) 、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科都和機(jī)器人技術(shù)有密切的聯(lián)系 [2]。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀地面移動(dòng)機(jī)器人是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在地面運(yùn)動(dòng)的物體。地面移動(dòng)機(jī)器人的研究最早可追溯到五十年代初，美國 Barrett Electronics 公司研究開 發(fā) 出世界第一臺自動(dòng)引導(dǎo)車倆 系統(tǒng)。由于當(dāng) 時(shí)電子領(lǐng)域尚處于晶體管時(shí)代，該車功能有限，僅在特定小范圍運(yùn) 動(dòng)，目的是提高運(yùn) 輸自動(dòng)化水平。到了六、七十年代，美國仙童公司研究出集成電路，隨后出現(xiàn)集成微處理器，為控制 電路小型化奠定了硬件基礎(chǔ)。到了八十年代，國外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中具有廣闊應(yīng) 用前景和軍事價(jià)值的移動(dòng)機(jī)器人受到西方各國的普遍關(guān)注 [3]。在移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展中，出 現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器人大國，一個(gè)是日本，另一個(gè)是美國。時(shí)至今日，各種類型的地面移動(dòng)機(jī)器人紛紛研制出來，其應(yīng)用范圍從民用、工業(yè)用到軍用，涉及人類運(yùn)動(dòng)的方方面面。進(jìn)入 90 年代，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展由于受到發(fā)達(dá)資本主義經(jīng)濟(jì)不景氣的影響，專門從事機(jī)器人研究和生產(chǎn)的部門數(shù)目有所減少，但由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器科學(xué)的長足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行。機(jī)器人發(fā)展到今天已經(jīng)是燦爛輝煌，隨著信息技 術(shù)、 電子技術(shù)的發(fā)展，移 動(dòng)機(jī)器人作為人工智能的一個(gè)分支也將吸收這些成果，功能將更完善，新的移 動(dòng)機(jī)器人也將涌現(xiàn)出來 [4]。未來的機(jī)器人技術(shù)，將在以下幾個(gè)方面發(fā)展。（1） 高速操作臂 高速操作臂可以大大提高機(jī)器人的工作效率。 為此，必須開展新的手腕機(jī)構(gòu)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，以及能適應(yīng)機(jī)械臂高速運(yùn)動(dòng)的變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的動(dòng)態(tài)控制方法等的研究。（2） 柔性操作臂 目前的操作臂本身質(zhì)量要比它所能抓起的質(zhì)量大的多。如臂自身質(zhì)量為 30kg，僅能搬運(yùn)還不到 10kg 的物體，這與人的手臂相比要小的多，其原因主要是驅(qū)動(dòng)裝置的效率低、輕型材料的強(qiáng)度和韌性不夠。因此，新型材料的開發(fā)成為了研制高效機(jī)器人的重中之重。（3）多自由度操作臂 要實(shí)現(xiàn)狹小空間的操作，研制超多自由度的機(jī)械手是完全必要的 [。（4）高精度、多自由度控制操作臂 機(jī)器人被越來越多的用在醫(yī)療，軍事等需求高精度的場合，在保證精度的同時(shí)還要追求高自由度，要能完成各種各樣的動(dòng)作，這就要求研制出更穩(wěn)定的系統(tǒng)來保證操作臂動(dòng)作的精度。（5）微型操作臂 目前的操作臂局限于材料和驅(qū)動(dòng) 力，自身的大小不能 滿足越來越精密的工作場合。為 此，微型操作臂的開 發(fā)已在日程中 [5]。1.3 機(jī)械臂介紹1.3.1 機(jī)器人操作臂的機(jī)構(gòu)和空間描述機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)功能最重要的部件就是機(jī)械臂 (亦稱操作臂 )，一般是由一系列連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)相連接的開式運(yùn)動(dòng)鏈，一端裝在固定的支座上(機(jī)座);另一端自由，安裝手爪、工具， 實(shí)現(xiàn)各種操作 [6]。為了描述組成操作臂的各連桿之間的相對位置和姿態(tài)，在每個(gè)連桿上固接一個(gè)坐標(biāo)系，用其來描述相 對運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人通 過機(jī)械臂完成人們交予的任務(wù)，從早期齒輪傳動(dòng)只能上下移動(dòng)的垂直臂到后來液壓驅(qū)動(dòng)多自由度自由伸縮的機(jī)械臂，期間 一共度過了 40 年的 時(shí)間 [7]。如今，機(jī)械臂已 經(jīng)更加擬人化，包括安裝了觸覺，視覺 ，力覺等感受功能部件，使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)起來能 夠理性避讓障礙,減少不必要的損失。1.3.2 操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、靜力和變形把操作臂的連桿近似的當(dāng)成剛體，則相鄰兩連桿坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系用連桿變換矩陣來表示。操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)則討論手臂末端執(zhí)行器的位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系 [8]。操作臂運(yùn) 動(dòng)學(xué)由兩個(gè)基本問題:正向運(yùn) 動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。操作臂動(dòng)力學(xué)研究各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力與終端操作器的位置、速度和加速度之間的關(guān)系。操作臂的動(dòng)力學(xué)方程十分復(fù)雜，不 僅與操作臂的形位有關(guān)，還和連桿的質(zhì)量分布、連桿的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)之間的摩擦等有關(guān) [9]。操作臂的 動(dòng)力學(xué)方程有多種形式: 關(guān)節(jié)空間、操作空間 和狀態(tài)空間形式。研究操作臂動(dòng)力學(xué)一方面是為機(jī)器人控制提供精確的動(dòng)力學(xué)模型， 計(jì)算驅(qū)動(dòng)力函數(shù)、 實(shí)現(xiàn) 前饋補(bǔ)償;另一方面是為了仿真，根據(jù)加速度計(jì)算相應(yīng)的關(guān) 節(jié)力 [10]。1.3.3 操作臂的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人的操作臂在運(yùn)動(dòng)之前，需要明確是否一定要沿特定的路徑運(yùn)動(dòng)，還要明確在運(yùn)動(dòng)過程中是否會(huì)與障礙物相碰 [11]。如果對運(yùn)動(dòng)的路徑?jīng)]有特殊的要求，則通常是每個(gè)關(guān)節(jié)按指定的平滑時(shí)間函數(shù)，同時(shí)從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn);如果一定要沿特定的路徑，那么軌跡規(guī) 劃器應(yīng)利用函數(shù)插值逼近預(yù)期的路徑 [12]。軌跡控制的目的在于精確地實(shí)現(xiàn)所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制包括:建立操作臂的動(dòng)力學(xué)模型;根據(jù)所建模型確定控制規(guī)律或策略，以達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)和性能。討論 控制規(guī)律的分解和相應(yīng)的控制方案 [13]。1.4 目前主要存在的問題工業(yè)機(jī)器人是計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)后發(fā)展起來的一種新型機(jī)械結(jié)構(gòu)，工作效率和機(jī)動(dòng)性比傳統(tǒng)機(jī)械高很多 [14]。隨之而來的是，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在減少質(zhì)量、提高剛度方面比傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)有更高的要求。在設(shè)計(jì)工作中，結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化顯得更為重要。如今的機(jī)器人手臂存在幾個(gè)急需解決的問題，首先是機(jī)械手臂工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。 軍用機(jī)器人特別 是防暴拆彈機(jī)器人是用來拆除炸彈，需要用機(jī)械臂夾起炸彈，運(yùn) 輸?shù)教囟ǖ姆辣?護(hù)具中進(jìn)行引爆。 這就要求在夾起和運(yùn)輸過程中的平穩(wěn)，稍許 的震動(dòng)也許就會(huì)是炸 彈被引爆，造成不必要的損失。其次是機(jī)械手臂的適應(yīng)性 [15]。機(jī)械手臂是機(jī)器人的核心之一，機(jī)器人只有通過機(jī)械手臂才能發(fā)揮各種作用。在很多場合，現(xiàn)場條件都很復(fù)雜，這就需要機(jī)械手臂有很好的適 應(yīng)性，能進(jìn)入各種復(fù)雜的管道或者角落進(jìn)行作業(yè)，或者對障礙物柔性避讓。這就對機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有了更大的要求 [16]。1.5 我國機(jī)器人的發(fā)展戰(zhàn)略談及我國的機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略，許多有識之士己發(fā)表了不少高見。為了使我國機(jī)器人學(xué)有更大的發(fā)展，首先必須進(jìn)一步發(fā)展對機(jī)器人的認(rèn)識，取得正確和求實(shí)的共識。對于具體的一些思路，則涉及在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的同時(shí)，注意開 發(fā)特種機(jī)器人;培養(yǎng)與發(fā)展國內(nèi)機(jī)器人市場;建立機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，形成規(guī)模生產(chǎn);開展國際合作，打開國際市場，參與國際競爭;合理選擇主攻戰(zhàn)略方向，開發(fā)有市場有知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù);更加重視基礎(chǔ)研究，加大技 術(shù)儲(chǔ)備 ;穩(wěn)定和擴(kuò)大研究隊(duì)伍等。21世紀(jì)已經(jīng)到來，在新世紀(jì)里，中國機(jī)器人學(xué)必將在世界上占有一席之地，并可望發(fā)展成機(jī)器人大國。1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小型機(jī)器人具有典型的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特征。唯有體型較小，可以放在桌面上，適宜于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和作為自動(dòng)化及控制技術(shù)的研究工具。該課題在調(diào)研的基礎(chǔ)上完成 5 自由度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)工作是電動(dòng)機(jī)的選擇和校核及其關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度計(jì)算。2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2.1.1 各種傳動(dòng)方式的比較（1）帶傳動(dòng)：帶傳動(dòng)具有結(jié)果簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、 造價(jià)低廉、不需要潤滑油及緩沖吸振等特點(diǎn)。（2）鏈傳動(dòng)：鏈傳動(dòng)具有平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、尺寸較緊湊、能在 惡劣的條件下工作，但其不能保持瞬間的傳動(dòng)比恒定，工作時(shí)有噪聲、磨 損后易發(fā)生跳齒，不適合用于空間，限制要求中心距小及急速反向傳動(dòng)的場合。（3）齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)能保證瞬間傳動(dòng)比的恒定，傳動(dòng)比范圍大；速度和傳遞的功率的范圍大，可用于高速、中速和低速的傳動(dòng)；但制造的成本比較的高，無過載的保護(hù)作用。綜合以上各特點(diǎn)：因?yàn)楸緳C(jī)器人用于科研、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、握重 3 kg，所以載荷較小，工作也比較的穩(wěn)定，環(huán)境較好。但要求 傳動(dòng)準(zhǔn)確，瞬間傳動(dòng)比準(zhǔn)確恒定，且要有較大的傳動(dòng)比。故本機(jī)器人尺寸較小， 結(jié)構(gòu)要求緊湊，并且要求 傳動(dòng)反應(yīng)靈活、迅速、準(zhǔn)確。所以，綜合考慮選用齒輪傳動(dòng)且多級齒輪傳動(dòng)，以獲得較大的驅(qū)動(dòng)力矩；由于傳動(dòng)比大，也可提高傳動(dòng)精度。2.1.2 機(jī)器人輪廓圖圖 2.1 機(jī)器人輪廓圖圖 2.2 機(jī)器人三維圖2.1.3 大臂部分的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)圖 2.3 大臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)齒輪 10 固定于軸 A,。當(dāng)齒輪 9 旋轉(zhuǎn)時(shí)，同 時(shí)齒輪 10 與 A 軸不動(dòng)， 則使得 B軸圍繞著 A 軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 這 A 軸為大臂與腰身連接的關(guān)節(jié)。初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1Z5=18 則 d5=18 mm；Z6=99 則 d6=99mm ；Z7=18 則 d7=18mm；Z8=109 則 d8=109mm；Z9=18 則 d9=18 mm；Z10=109 則 d10=109 mm；步進(jìn)電機(jī)初選：45BF008；2.1.4 小臂部分的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)方案一：此方案仿大臂部分的傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)安裝在小臂上。圖 2.4 小臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案一方案二：這個(gè)方案的步進(jìn)電機(jī)是安裝在大臂上。圖 2.5 小臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案二方案比較：方案一中因?yàn)殡姍C(jī)是要安裝在小臂上，所以對于機(jī)器人來說的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是比較大的。方案二因?yàn)殡姍C(jī)是安裝在大臂上，所以對于機(jī)器人來說其的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來說要比較的小，而且使得機(jī)器人的重心也比較低。所以選擇方案二：圖 2.6 小臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)初選：此系統(tǒng)模數(shù)為：1Z11=18 則 d11=18mm；Z12=79 則 d12=79mm；Z13=18 則 d13=18mm； Z14=79 則 d14=79mm；Z15=18 則 d15=18mm；Z16=79 則 d16=79mm；步進(jìn)電機(jī)為 45BF0082.1.5 手腕部分的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)圖 2.7 手腕傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析：（1）手腕的仰俯動(dòng)作（即繞 D 軸旋轉(zhuǎn)） 如圖 2.8：圖 2.8 手腕俯仰動(dòng)作實(shí)行機(jī)構(gòu)（D 軸）若齒輪 1 和齒輪 2 以相同的速度（大小和方向）旋轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)齒輪 3 被卡死，則迫使手腕繞著 D 軸旋轉(zhuǎn)。所以此 時(shí)手腕實(shí)現(xiàn)了俯仰動(dòng)作。(2) 手腕的旋 轉(zhuǎn)動(dòng)作（即繞 C 軸旋轉(zhuǎn)）如圖 2.9：圖 2.9 手腕俯仰動(dòng)作實(shí)行機(jī)構(gòu)（C 軸）若齒輪 1 和齒輪 2 以相同大小但不同方向的速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)齒輪 3 也旋轉(zhuǎn)，即繞C 軸旋 轉(zhuǎn)。所以此 時(shí)手腕實(shí)現(xiàn) 了旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1。因?yàn)榇讼到y(tǒng)的左右完全對稱，所以我們就只要分析一邊就可以了，即我們選擇 左邊。Z17=18 則 d17=18mm；Z18=54 則 d18=54mm；Z19=18 則 d19=18mm； Z20=65 則 d20=65mm；Z21=18 則 d21=18mm；Z22=18 則 d22=18mm；注：Z21， Z22 位一對圓錐齒輪。2.1.6 手部夾持器的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)圖 2.10 手部夾持器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)初選：此系統(tǒng)模數(shù)為 1Z23＝18 則 d23=18mm；Z24＝60 則 d24=60mm；直流電動(dòng)機(jī)選擇為：M08－832（2）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：方案一：圖 2.11 單向傳動(dòng)方案方案二：圖 2.12 雙向傳動(dòng)方案方案比較：因?yàn)橐獫M足夾持的物體一直都在手臂的中心線上，所我們應(yīng)該選擇方案二。2.2 各個(gè)部分傳動(dòng)比的計(jì)算（1）腰身部分：由圖 2.2 可知腰身部分采用二級圓柱齒輪，傳動(dòng)比為： 4.18203412???Zi（2）大臂部分：由圖 2.3 可知大臂采用三級圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為： 7.20189191078562 ?????Zi（3）小臂部分：由圖 2.4 可知小臂采用三級圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為： 3.84179815634123 ?????Zi（4）手腕部分：由圖 2.5 可知手腕采用二級圓柱齒輪加上一級的圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為：84.10651842190784 ?????Zi注：此傳動(dòng)比既是手腕俯仰運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)比也是手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)比。（5）手部夾持器部分：由圖 2.6 可知因?yàn)槭肿ヒ笞枣i，且開合速度不宜過快，所以采用螺旋傳動(dòng)，傳動(dòng)比： 3.18602345?Zi2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)總圖綜合以上的計(jì)算和設(shè)計(jì)可以得到下面的傳動(dòng)系統(tǒng)總圖：圖 2.13 傳動(dòng)系統(tǒng)總圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于本機(jī)器人多采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且要保證傳動(dòng)精度，所以齒輪消隙問題要做一定的考慮。 （1）由于大臂、小臂、手腕多處于伸展?fàn)顟B(tài)，因重力作用，齒輪的傳動(dòng)能較好保持單齒輪接觸狀態(tài)，傳動(dòng)穩(wěn)定，不必另加消隙裝置。（2）立柱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)因無靜力矩作用，而齒輪加工誤差會(huì)使齒輪嚙合不穩(wěn)定，嚙合齒面變化，從而使立柱有一個(gè)較小角度的自由擺動(dòng)，影響傳動(dòng)定位精度，要加以調(diào)整消除。此處采用了一個(gè)偏心軸和一個(gè)偏心盤來來調(diào)節(jié)兩對齒輪傳動(dòng)間隙?？赏ㄟ^座體上端蓋板口和底座下口調(diào)節(jié)。 （見機(jī)械總圖）（3）為使控制簡化，將小臂板中心線與立柱中心軸線放在同一平面上，以保證手爪的中心線與立柱的中心線在同一平面內(nèi)，控制， 計(jì)算都比較的方便。3.1 零件的密度根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查的材料密度如下：45 號鋼 g/ 取 7.85 g/85.7~??3cm3cm酚醛層壓板 g/ 取 1.4 g/413尼龍 1010 g/ 取 1.05 g/063c3c20 號鋼 g/ 取 7.85 g/857~??mm鋁板 g/.23c普通鋼板 g/ 取 7.85 g/ 3cZL102 鑄鋁 g/ 7.??3cm鍍鋅鐵板 g/丁晴橡膠 g/93.0c3.2 零件重量列表計(jì)算本零件重量忽略小孔及倒角、圓角， 對螺栓作光桿處理，尺寸向 較大方向選取。表 3.1 零件重量表零件序號 零件名稱 質(zhì)量（克）1 夾持器手指 41.12 螺紋桿 2403 齒輪 24 534 外殼 124.55 銷 13.56 外殼邊 49.57 螺絲釘 2.228 螺絲釘 2.319 卡環(huán) 0.7410 套筒 0.88511 齒輪 23 21.612 直流電動(dòng)機(jī) 19513 外套 37.514 螺栓 97.515 螺母 1.1716 齒輪 22 25.217 軸 40.218 密封器件 7.3519 齒輪 21 和 20 154.520 螺母 1.1721 齒輪 18 和 19 124.522 套筒 3.1223 軸 31.524 密封器件 7.525 螺母 1.1726 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 33027 齒輪 17 10.528 小臂板 309.7529 加強(qiáng)筋 46.530 軸 18631 銷 7.532 齒輪 16 32133 銷 4.7634 密封器件 7.535 套筒 336 螺母 1.1737 齒輪 15 和 14 271.538 軸 31.539 套筒 3.4540 套筒 1.5641 螺母 1.1742 齒輪 13 和 12 257.443 套筒 344 軸 3045 套筒 1.5646 螺母 1.1747 大臂板 51948 加強(qiáng)筋 39.849 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 67550 齒輪 11 29.551 齒輪 8 和 9 59452 軸 31.553 密封器件 7.554 螺母 1.1755 軸 695.456 齒輪 6 和 7 47157 齒輪 10 329.458 銷 1559 螺絲釘 7.560 墊片 1861 密封元件 7.562 套筒 1.863 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 67564 齒輪 5 29.55大鋁蓋板：39.4 g ；小鋁蓋板:24.9g ；直流電機(jī) M28－832：130g；步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 45BF008：675g；步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 36BF005：330g；3.3 機(jī)器人受力大小分析將各個(gè)零件作適當(dāng)?shù)?簡化集中到各軸線上，得到各點(diǎn)的受力圖：圖 3.1 機(jī)器人受力分析圖（取所受力矩最大姿態(tài)）F1＝ N??????3108.92.413031025??F2= ?195.628.0748.552 ????N33107810.9?????F3= N??33105.9. ?????F4= N?331086.97.2.4524.25 ?????F5= N? ?3310294108.27.1.5312514 ????????F6= N?640893023???3?F7= N?.69F8＝ N?33105108.927.135.72415.718 ???????F9＝ N? 3416.32 ??F10＝ N?308.9.0. ??F11＝ N??335289.519?????F12＝ N1641267?F13= N??3310608.97.5.34 ???F14＝ N?3105478.95759.9 ??????F15＝ N??3316108.267?????3.4 機(jī)器人輪廓基本尺寸的設(shè)計(jì)要求：總體尺寸為 900mm 左右初步設(shè)計(jì)比例為：1.2 ：1 ：0.5，則可得：大臂： mm405.2.901????l小臂： mm312手爪： mm65.0.3l根據(jù)機(jī)器人受力大小分析和機(jī)器人輪廓基本尺寸得設(shè)計(jì)可以得到機(jī)器人受力分析圖（如下頁所示），取得 為機(jī)器人所受力矩最大姿態(tài)3.5 靜力矩計(jì)算(1) 大臂所受重力靜力矩[?1T ??????? 7380)42305(1).973405(7930 0451646286).278(3 ??????? )2.7.6(9.54 ??]5.283705935.7.06 ???? mN???810.6(2)小臂所受重力靜力矩： ?2T?????????????? 30842310.59737501630[]6)2.4(. ?? mN???.71.96（3）手腕俯仰所受重力靜力矩：＝T 2.508.)1530.975210( 6?????(4)手腕回轉(zhuǎn) 所受重力靜力矩：.634?mN?4 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校核4.1 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本機(jī)器人伺服系統(tǒng)若采用直流伺服電機(jī)，則要配大降速比的諧波減速器，還要做閉環(huán)控制系統(tǒng)，要加傳感器，反 饋動(dòng)作幅度。而國內(nèi)諧波減速器在工藝、材料、制造等方面還不夠完善，使用效果不夠好，且價(jià)格較貴；外加反饋器件也要增加機(jī)器人的成本。所以綜合考慮不采用閉環(huán)系統(tǒng)，不用直流電動(dòng)機(jī)，而用步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可通過控制脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間來達(dá)到控制動(dòng)作幅度和速度的目的。開環(huán)控制比較的方便，且總體也便宜， 動(dòng)作精度也能達(dá)到所要求的 標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榱⒅?、小臂、大臂所需?qū)動(dòng)力相對較大，所以采用 45BF008 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，起最大的靜轉(zhuǎn)矩為 1.96 ；但因?yàn)槭滞笏艿降牧剌^小些，所以采用mN?36BF005 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，起最大的靜力矩為 0.784 ；夾持器采用螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)mN?且無速度要求，因其降速比大，所以采用 M28－832 直流電機(jī)。4.2 機(jī)械傳動(dòng)效率概略值（1） 圓柱齒輪傳動(dòng)：開式傳動(dòng)：0.94～0.96 取 0.96； 單級圓柱齒輪減速器（包括軸承）：0.97～0.98；兩級圓柱齒輪減速器（包括軸承）： 095～0.96 取 0.95；（2）圓錐齒輪傳動(dòng)：開式傳動(dòng)：0.92～0.94 取 0.94；單級圓錐齒輪減速器（包括軸承）：0.95～0.96；、（3）滾動(dòng)軸承（一對）：0.99～0.95 取 0.95；（4）滑動(dòng)軸承： 0.95～0.98 取 0.95；4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)表 4.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號 45BF008 36BF005相數(shù) 3 3分配方式 A－ AB—B… A－ AB—B…步矩角（ ）? 1.875 1.5電壓 （V） 27 27最大靜轉(zhuǎn)矩（ ）mN?1.96 0.784空載啟動(dòng)頻率（step/s） 2500 3100重量（kg） 0.68 0.33使用溫度范圍 ??C?—40～＋50 —40～＋50溫升（k） 65 65圖 4.1 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性4.4 大臂俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算（1）設(shè)計(jì)要求：上臂俯仰范圍： ；最高運(yùn)動(dòng)速度： 。??120~3??s/15?（2）根據(jù)載荷要求及電機(jī)性能初選步進(jìn)電機(jī) 45BF008，其步矩角為 。?875.??（3）上臂傳動(dòng)部分為三級的圓柱齒輪傳動(dòng)其傳動(dòng)比為： ＝302.5；i其傳動(dòng)效率為： ；798.05.96.023????其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 。18Imkg?4.4.1 起動(dòng)段計(jì)算由 45BF008 步進(jìn)電機(jī)起 動(dòng)矩頻特性圖（圖 5.1）可知： 為避免起動(dòng)失步，取該電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率為 step/s；設(shè)起動(dòng)時(shí)間 s，則有：801?f 05.1?t起動(dòng)過程中上臂轉(zhuǎn)速： 96.4.32871???if??/?其平均加速度為： 73.1605.230.48713621 ????? ?itf??? 2/srad由載荷分析可得上臂所受的靜力矩為： 1TmN?而加速力矩為： 7.4.5812???IT?對應(yīng)的所需電機(jī)力矩： 356.0298.023 ????i??由圖 5.3 可得：步進(jìn)電機(jī) 45BF008 當(dāng)起動(dòng)頻率為 800 step/s 時(shí)，對應(yīng)起動(dòng)力矩。??5.0?TmN?所以， ，電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。???3此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)走過的步數(shù)為： step405.81????tfs4.4.2 加速段計(jì)算由設(shè)計(jì)要求，最高運(yùn)動(dòng)速度 ，則電機(jī)所需要運(yùn)行頻率:15?s/?step/s24087.35.12 ?????if取 step/s，加速時(shí)間 取 s，則加速 過程中，上臂的 轉(zhuǎn)速:02f 5.2t7.185.322 ?????i??/??/?其加速度 ????8.43605.20.1.8760212 ?????itf?? 2/srad此時(shí)，加速力矩： ，又知靜力矩：48.5????ITmN? .71TmN?所以 電機(jī)所需的力矩為： .56.279.08123 ????iT??此時(shí)，加速段走過的步數(shù)：step????9605.83585.0212212 ???????????tftfs則起動(dòng)、加速段合計(jì)走過步數(shù) step 13694021???s走過角度 ??8.5.3027161???is??4.4.3 降速停止段計(jì)算設(shè)電機(jī)由運(yùn)行頻率 step/s，經(jīng) 0.1s 降速停止， 則其所經(jīng)步數(shù)為：302?fstep 15.213 ????tfs所經(jīng)角度： ??94.0.3873???is??4.5 小臂俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算設(shè)計(jì)要求：小臂俯仰范圍：－120 ～＋30 ，最高運(yùn)動(dòng)速度 。?? s/30??根據(jù)載荷要求和電機(jī)的性能，初步選步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 45BF45BF008 角 ，上?875.1??臂驅(qū)動(dòng)部分為三級圓柱齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)比： ，2687912??i其傳動(dòng)效率： .05.96.03?小臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：I＝1.79 2mkg?4.5.1 起動(dòng)段計(jì)算由于 45BF45BF008 機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖， 為避免起動(dòng)失步，取該電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率step/s，設(shè)其起動(dòng)時(shí)間 ，則有：801?f st05.1?起動(dòng)過程中小臂轉(zhuǎn)速 83.1.26781 ???if??s/?其平均加速度 13.43605287136021 ?????tf??? 2/srad由前可小臂所受靜力矩 .TmN?而加速力矩 9.714912???I?對應(yīng)電動(dòng)所需力矩 312.08.6.023???i?mN?步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 45BF45BF008 率為 800step/s 時(shí)， 對應(yīng) 起動(dòng)的力矩[T] ＝0.5 ，N?所以[T],，電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。3T此時(shí)，電機(jī)走過的步數(shù) step405.811????tfs4.5.2 加速段計(jì)算由設(shè)計(jì)要求最高運(yùn)動(dòng)速度 ，則電動(dòng)機(jī)所需運(yùn)行的頻率30?s/?step/s 96.20875.132??if取 ，加速時(shí)間為 ，則加速過程中：step/ st5.2?小臂的轉(zhuǎn)速： 4.381.6702???if??/?其加速度： ????29.601.25. 4.3703212 ??????itf?? 2/srad此時(shí)，小臂的加速力矩為： 912??ITmN?所以， 407867.01213 ?????iT??加速段走過的步數(shù) ：step????850.8265.0.821212 ??????????tftfs起動(dòng)、加速段合計(jì)走過的步數(shù) step1421?s走過的角度 ?85.1.267151????is??4.5.3 降速停止段計(jì)算設(shè)該電機(jī)有運(yùn)行頻率 setp/s，經(jīng)過 0.1s 降速停止，260?f其所經(jīng)過的步數(shù)為： step130.13 ???ts所經(jīng)過的角度：?92.8.26753?i??4.6 手腕俯仰驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)計(jì)算設(shè)計(jì)的要求：手腕的俯仰角 ，最高速度：手臂俯仰 。?90?s/45??根據(jù)載荷的要求和電動(dòng)機(jī)性能 初選兩個(gè)步進(jìn)電機(jī) 36BF005，其步矩角 。05.1??手腕部分為兩組兩級的圓柱齒輪傳動(dòng)，加一級圓錐齒輪傳動(dòng)。則其的傳動(dòng)效率，823.095.6.0????由前面可知，手腕的俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。其傳動(dòng)比為：i=16.25109.?I2mkg?當(dāng)兩電動(dòng)機(jī)以相同的速度和方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，則此時(shí)手腕將實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。4.6.1 起動(dòng)段計(jì)算由 36BF005 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng) 矩頻特性圖，取 該電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率為：step/s，以避免在 到 470 step/s 頻率間的力矩突降，此時(shí)對應(yīng)的起動(dòng)力801?f 460矩[T]=0.43 ，設(shè)其起 動(dòng)時(shí)間mN?，則有：st.1啟動(dòng)過程中手腕俯仰速度為： sif /38.725.16801???????其平均加速度： 13.48.126.07583621 ?????tf??? 2/srad由前知道手腕俯仰的靜力矩 .5TmN?而加速力矩為： 4.290.12???I對應(yīng)所需要的電機(jī)力矩： [T]215.0.683.0113 ??????i?mN?所以電機(jī)滿足要求。4.6.2 加速段計(jì)算4.7 手爪開合驅(qū)電機(jī)計(jì)算設(shè)計(jì)要求：最大載荷量 3kg,最大的夾持直徑為 40mm。因手爪夾持物體過程中無速度的要求，考慮， 簡化控制，初選用直流電動(dòng)機(jī)M28-841，其額定電壓為 24v，額定轉(zhuǎn)矩為 1000 ，cmg?.098.18.901][ 23?????TN?則額定轉(zhuǎn)速 ，額定功率 。srmn/5/][ wP0.3][?由機(jī)械總圖可知：傳動(dòng)的螺桿為 M12 0.75,45 號鋼制；左右手指為鑄鋁?ZL102，采用雙向螺旋加緊，一 級圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng) 比為 i=5。傳動(dòng)效率：820.95.06????4.7.1 電動(dòng)機(jī)動(dòng)力計(jì)算因已知頭數(shù) n=1,螺距 t=0.75mm,直徑 d=12mm所以，升角 ，螺紋牙的牙型角 ，71.84.350arctnarct ???d??? ?60??則牙型斜角 。?302???鋼和鋁的摩擦系數(shù)為 f=0.17，則摩擦角 ??1.30cos7.artncosartn???fv假設(shè)手爪和物體直接接觸，靠其之間的摩擦力來夾住物體，取一較小的摩擦系數(shù)，則：手爪夾緊正壓力 ，同時(shí)為螺桿軸向壓力15.0?? NQ892.103?????Q=98N。則螺桿所需要的扭矩: ?? 1785.0)7.1tan(2089tan23????????vdQT?? mN?則所需電動(dòng)機(jī)力矩 [T]495170/??iTmN?所以電機(jī)滿足要求。4.7.2 螺紋傳動(dòng)自鎖性計(jì)算因?yàn)樯?，摩擦角 ，升角小于摩擦角，則滿足自鎖條件。?71.???1.?v?4.7.3 傳動(dòng)比驗(yàn)算手爪開合速度 mm/s5.7.05.][?inv手爪由最大開度 47mm 到閉合所需的時(shí)間 t=47/2*7.5=3.13 s螺紋傳動(dòng)效率 ??13.0).71.tan(tan0????v???所以，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足設(shè)計(jì)的要求。5 零件的強(qiáng)度和剛度計(jì)算由載荷計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算可知，大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)齒輪受載較大。因此，此處僅對大臂傳動(dòng)中的 Z109/Z18 中的小齒輪作彎曲疲 勞強(qiáng)度校核。因?yàn)榇蟊郯迨莾蓧K矩形薄板，其在縱向抗彎強(qiáng)度， 剛度均較大，但因大臂板受到小臂板側(cè)向載荷，有一定的扭矩，其抗扭剛度較 差，因此 對大臂作抗扭剛度校核，以免扭轉(zhuǎn)變形過大，阻礙臂板之間的齒輪傳動(dòng) 。5.1 零件的強(qiáng)度校核計(jì)算根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》有公式：計(jì)算應(yīng)力： ?????YkkbmFtFsFvAn????許用應(yīng)力： in21FXNEFPSY??強(qiáng)度條件： ??齒輪材料為 45 號鋼，硬度為 162——217HBS,取 200HBS。5.1.1 大臂部分強(qiáng)度校核對大臂部分的 Z18、Z109（第三級傳動(dòng)）進(jìn)行校核mm, mm；181???mZd 1092??mZd有前面可知：靜力矩 ，加速段最大的力矩.7TN? .8402?TmN?則總力矩為： 84213?mN?所以， ，又知 b=5mm， ；dFt .60598.32???? 1n查表可得：， ， ， ， , ;1.?Ak0625.v 185.??Fk2.?Fk48.?FsY.0??則帶入公式： MPaYkkbmFtFsFvAn .62538.042.108562.105.64 ??????? ??????設(shè)本機(jī)械手臂每天工作 1.5 個(gè)小時(shí)，壽命為 10 年，則所以，hnjLNh 6102.7360.51360.560 ?????? .69?NY查表可得：， ， ， ，95.01Y.21XY2.minFSMPaFE40?帶入公式可得： aSFXNEFP 27362.19.56940min21 ????????由上可知滿足強(qiáng)度條件，即 FP??5.2 零件抗扭剛度校核計(jì)算校核大臂板的抗扭剛度。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，可得薄壁板的抗扭模量： 463.01abJk????????（b 為板的長，a 為板的寬）則，可得大臂板的抗扭模量：81244 0.5063.15063.01 ?????????????????????aJk 4m將大臂板簡化為 l=580mm,W=150mm,d=6mm 的均 質(zhì)矩形板，則其所受扭矩為（由受力圖可得）：g6075375103860523m＝＋＋＋＋＋＋＋＝總