五自由度機器人機構(gòu)設計【含CAD圖紙、說明書、三維圖紙】

本科畢業(yè)設計（論文）本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ）題 目 五自由度機器人機構(gòu)設計 學院名稱 機械與動力工程學院專業(yè)名稱 機械設計制造及自動化 年級班級 學生姓名 指導教師 本科畢業(yè)設計（論文）摘 要本次畢業(yè)設計設計了一個五自由度串聯(lián)機器人。大致流程如下：首先計算出執(zhí)行端所需要的驅(qū)動力矩，再由此選出該關(guān)節(jié)所需的伺服電動機和減速器，設計出機殼和關(guān)節(jié)的連接結(jié)構(gòu)，繪制 3D 圖，做出三維動畫，通過軟件的測量求出設計好的部分重心，求出下一個關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力矩，選出所需的減速器和伺服電動機，以此類推最終完成總體設計，并且繪制了串聯(lián)五自由度機器人的工程圖。關(guān)鍵詞：五自由度 串聯(lián)機器人 總體設計 伺服電動機 本科畢業(yè)設計（論文）ABSTRACTThis 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 本科畢業(yè)設計（論文）目 錄摘 要 .IABSTRACT II目 錄 .I1 緒論 .11.1 概述 11.1.1 機器人定義 .11.1.2 機器人的應用簡況 .11.1.3 發(fā)展趨勢 .21.2 研究內(nèi)容 21.3 本章小結(jié) 32 搬運機械手結(jié)構(gòu)設計 .42.1 機械手的組成 42.1.1 執(zhí)行機構(gòu) .42.1.2 驅(qū)動機構(gòu) .42.2 機械手的分類 52.3 機械結(jié)構(gòu)設計與分析 52.4 傳動、驅(qū)動方式的分析與選擇 62.5 本章小結(jié) 73 機器人手部的設計 .83.1 手部設計要求 83.2 驅(qū)動力的計算 .83.3 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 113.4 手抓夾持范圍計算 .123.5 本章小結(jié) 134 總體設計 .144.1 總體設計參數(shù) 144.2 設計原理 144.3 傳動設計 144.4 關(guān)節(jié)處設計 154.5 手臂設計 164.6 整體設計 164.7 本章小結(jié) 17目 錄I5 靜力矩估算與電機、減速器的選擇 .185.1 電機、減速器的選擇 185.1.1 手腕轉(zhuǎn)動 .185.1.2 手臂俯仰 .205.1.3 小臂俯仰 .215.1.4 大臂俯仰 .235.1.5 大臂轉(zhuǎn)動 .255.2 手臂的校核計算 275.3 軸的校核 285.4 本章小結(jié) 326 結(jié)論 33參考文獻 34致 謝 35本科畢業(yè)設計（論文）01 緒論1.1 概述1.1.1 機器人定義現(xiàn)今機器人已經(jīng)充斥著我們的日常生活，不管是小孩子的玩具還是工廠里的機械手都可以算是機器人。下面列舉幾個我們常見的相關(guān)名詞：機器人、工業(yè)機器人、機械手等，這些名詞術(shù)語雖然代表著不同的事物類別，但在概念上沒有明確的區(qū)分，可以得知這些詞匯之間有相似之處但也略有不同。參閱相關(guān)資料，全世界范圍對于這些名詞術(shù)語至今還沒有做出統(tǒng)一的明確定義，只有國際標準化組織以及各國工業(yè)協(xié)會提出的相關(guān)定義。國際標準化組織的定義：“工業(yè)機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” [1-3]。美國機器人工業(yè)協(xié)會將機器人定義為一種具有編程能力的用于移動各種組件或者專用生產(chǎn)的多功能機械手。盡管這一定義較實用，但并不全面。至于我國機器人的定義，蔣新松院士曾建議把機器人定義為“一種擬人功能的機械電子裝置”工業(yè)機器人與機械手的主要區(qū)別是前者具有獨立的控制系統(tǒng)，可通過編程方法實現(xiàn)動作程序的變化；而后者則只能完成簡單的搬運、抓取及上、下料工作，一般作為自動機或自動線上的附屬裝置，其程序固定不變 [4.5]。這些都是可以查到的比較權(quán)威的機器人定義，雖然各有不同但大同小異，通過這些不同的定義我們可以概括得到全世界范圍對于機器人定義的共通性：機器人是一種集多學科為一體的機械自動化裝置。1.1.2 機器人的應用簡況現(xiàn)今工業(yè)中，大部分先進工廠都在使用機械手機器人，這樣首先可以加強安全管理，其次可以縮減人工成本，機器人已然成為了先進工廠的首選。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法 [10-12]。1 緒論11.1.3 發(fā)展趨勢目前國內(nèi)工業(yè)機械于主要用于機床加工、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 [8.9]。國內(nèi)機械手的發(fā)展現(xiàn)狀主要還是偏向于對應用范圍的擴大。因為傳統(tǒng)機械工業(yè)對于人的工作環(huán)境安全程度很難保證，總會存在危險，每年都有許多機械方面從業(yè)一線工人因為各種原因發(fā)生或輕或重的事故，其中比較危險的便是鑄鍛于熱處理方面，所以現(xiàn)在對這兩個方面的機械手發(fā)展要更為重要，以便確保安全便捷的生產(chǎn)，大大減少從業(yè)者的危險系數(shù)，提升工人的生產(chǎn)條件。以上這些所針對的都是專用機械手，通用機械手在我國的發(fā)展方向中也給予了重要的地位，因為通用機械手比之專用機械手更方便更具有普遍性，如果能將通用機械手發(fā)展到很高的水平，我國的機械工業(yè)將會提升一個很大的檔次?，F(xiàn)今我國的高精尖人才也在對示教式機械手和組合式機械手進行研究，這些機械手會在將來的工業(yè)生產(chǎn)中大放異彩。我們常見的機械手都是由各種運動構(gòu)件組成，正是這些構(gòu)件完成了機械手的伸縮、擺動、升降等運動。再由這些運動構(gòu)件組合，最終完成需要實現(xiàn)的工作軌跡，這就是一種對于通用機構(gòu)的運用，不同的運動軌跡選用多種不同的典型構(gòu)件，極大的方便了機械手的設計，并且將選用的典型構(gòu)件規(guī)范化，也省去了設計專用模具的工作，極大的提升了工作效率，節(jié)約了工作成本?，F(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài) [6.7]。1.2 研究內(nèi)容確定一個指導原則，是在設計之前必須要做的事情。對于此次五自由度串聯(lián)機器手的設計我打算將設計原則規(guī)定如下：設計目標就是設計出一種五自由度串聯(lián)的機械手，其中如果設計出的機械手如果不滿足給定的工作環(huán)境與工藝流程要求，則視為失敗，所以要注意考慮相關(guān)的生產(chǎn)要求。本文的主要研究內(nèi)容為：第一章從機器人的背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀的機器人、關(guān)于機器人的主要發(fā)展趨勢等方面給大家做一個簡要的介紹；本科畢業(yè)設計（論文）2第二章為五自由度機械手結(jié)構(gòu)設計的搬運，得出機械手的總體設計參數(shù)，對機械手的傳動方式，總體結(jié)構(gòu)進行設計；第三章對五自由度機械手的詳細設計，重點是機械手的手爪部分的設計,并對此機械手的部分零件進行了示意與分析；第四章五自由度機械手的詳細設計重點介紹了此機械手的傳動設計和總體設計；第五章五自由度機械手的詳細設計重點介紹了機械手的軸的校核以及電機選擇；1.3 本章小結(jié)本章首先通過各處文獻對機械手的定義做了討論，對機械手在國內(nèi)外的現(xiàn)狀與發(fā)展前景做了一個大致的介紹，明確了機械手在未來一段時間內(nèi)的發(fā)展與研究方向。然后確定了本次設計的目標、指導原則。最后對本次畢業(yè)設計的主要研究內(nèi)容進行了段落的劃分，簡介了后各章的主要研究目標以及所需達成的任務。2 搬運機械手結(jié)構(gòu)設計32 搬運機械手結(jié)構(gòu)設計2.1 機械手的組成我們通常能見到的機械手都可以根據(jù)作用來拆分成執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)這三大部分。2.1.1 執(zhí)行機構(gòu)機械手的執(zhí)行機構(gòu)主要是指機械手的手臂與手指部分。機械手，顧名思義，機械的手臂，根據(jù)人類的手臂仿形而設計。所以機械手的手臂并不是鐵條一塊，手臂中含內(nèi)孔，并在內(nèi)孔中有類似人類骨頭一樣的傳動軸，就是通過這些傳動軸把動作傳遞到手腕來完成轉(zhuǎn)動伸縮等動作，再由手腕控制手指的開閉夾緊等動作。手指部分和人類手指一樣，通過固定關(guān)節(jié)、無關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種組合，完成所需要的一切動作，但又不像人類手指一樣固定模式，可以根據(jù)需求選擇合適的手指數(shù)量、關(guān)節(jié)數(shù)等參數(shù)。手指又可由數(shù)量分為二指、三指、四指等，其中數(shù)二指的應用最為廣泛。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤或磁性吸盤 [13-15]。我們?nèi)绾问故种笢蚀_的抓住工件并且完成所需的運動軌跡，只靠手指自然是做不到如此復雜的動作，這便是裝有傳動軸的手臂發(fā)揮作用的時候了。為了機械手在完成既定的運動軌道的時候偏差不會過大，就要求機械手的手臂具有一定的定位精度，以確保不會產(chǎn)生過大的誤差。如果追本逐源，軀干就扮演著機架的作用，在機械手中給安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)提供位置與合理的布局。2.1.2 驅(qū)動機構(gòu)目前我們接觸到的驅(qū)動機構(gòu)大致分為四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動用得最多。液壓驅(qū)動機械手我們經(jīng)常在許多大型機械臂上見到，其驅(qū)動方法大多由液動機（各種各樣的油缸、油馬達） 、伺服閥、油箱、油泵等組成主體的驅(qū)動系統(tǒng)。這種驅(qū)動方式因其具有較大的抓舉能力，并且具有耐震動、耐沖擊等特點，被大量運用于重型機械上。氣壓驅(qū)動式顧名思義是以氣壓為動力來完成驅(qū)動，通常由氣閥、氣缸、本科畢業(yè)設計（論文）4氣罐和空壓機組成驅(qū)動系統(tǒng)。但由于氣壓方面行業(yè)水平達不到精確控制的水平，所以較少被用于抓舉。電氣驅(qū)動是靠電機作為驅(qū)動力來驅(qū)動，是目前機械手使用得最多的也是技術(shù)最成熟的一種驅(qū)動方式。但眾所周知電機的轉(zhuǎn)速一般較高，所以在選用電氣驅(qū)動時要配合適配的減速器以達到驅(qū)動要求?，F(xiàn)在技術(shù)突破有新型的變頻電機出現(xiàn)，可以不依靠減速器而輸出較低的轉(zhuǎn)速，所以將來可能會使電氣驅(qū)動更加便捷，減輕結(jié)構(gòu)負擔。機械驅(qū)動式是傳統(tǒng)機械的傳動方式，局限性很大，只能應用于動作固定的場合，大部分是借助凸輪連桿機構(gòu)來滿足既定的運動軌跡。傳統(tǒng)機械傳動方式特點就是動作確定可靠，工作速度高，成本低，但不易于調(diào)整。其他還有許多驅(qū)動方式，但比較小眾，例如混合驅(qū)動等，本次設計不予考慮則選擇不一一介紹。2.2 機械手的分類機械手按用途分類可分為兩類：1）專用機械手專用機械手是專門為一定設備服務設計的。優(yōu)點簡單實用，目前在生產(chǎn)中運用的比較廣泛。缺陷是它一般只能完成一到兩種特定的作業(yè)，比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)需要來編寫控制程序以獲得更多的工作程序，使之適應多種作業(yè)的需要。2）通用機械手通用機械手是在專用機械手的基礎上發(fā)展起來的，它能對不同的物件完成多種動作，具有相當?shù)耐ㄓ眯?[16-18]。2.3 機械結(jié)構(gòu)設計與分析臂部、手爪、腕部、機座和行走機構(gòu)的設計是隸屬于機械結(jié)構(gòu)設計。本機械手的機械結(jié)構(gòu)設計主要涉及如下四部分內(nèi)容：1、臂部根據(jù)人類的手臂仿形而設計。所以機械手的手臂并不是鐵條一塊，手臂中含內(nèi)孔，并在內(nèi)孔中有類似人類骨頭一樣的傳動軸，由動力關(guān)節(jié)與連接桿件等構(gòu)成，用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。2、手爪，又稱末端執(zhí)行器。仿形于人類的手，但不局限于手指數(shù)、自由度數(shù)，作用卻雷同，用于抓取或夾緊工件，其安裝于機械手手臂的前端。2 搬運機械手結(jié)構(gòu)設計53、腕部，同樣仿形于人類手腕但自由度更高，在機械手中主要用來連接手臂和末端執(zhí)行器的部件。在手臂實現(xiàn)了手爪的三個位置坐標的基礎上，需要腕部來輔助實現(xiàn)手爪在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標。4、機座，機器人必不可少的支撐部分，從較廣范圍來區(qū)分可以分為移動式和固定式兩種。機座的作用也不只是局限于直接支承和驅(qū)動手臂的構(gòu)件，同樣也部分會實現(xiàn)臂部回轉(zhuǎn)，以獲得更多的自由度。2.4 傳動、驅(qū)動方式的分析與選擇選擇驅(qū)動源和傳動裝置、關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動方式便組成了傳動方式的選擇。驅(qū)動源如上文介紹的大致分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、直流電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動四種基本類型。交流電機驅(qū)動是新近發(fā)展起來的一種驅(qū)動方法 [19-21]。經(jīng)過對比這四種的優(yōu)劣勢并充分考慮到系統(tǒng)的整體平衡性，本機械手擬采用遠距離連接傳動、間接驅(qū)動。驅(qū)動源擬采用步進電機和液壓缸，傳動裝置擬采用齒輪傳動。各關(guān)節(jié)所采用的傳動方式分別為：(1)機座回轉(zhuǎn)的腰關(guān)節(jié)：由步進電機進行傳動，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)：同樣是由電機驅(qū)動，再由齒輪傳動并減速，把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成機器人手腕的旋轉(zhuǎn)運動。另外，由直流電機直接連接液壓缸驅(qū)動由手爪回轉(zhuǎn)完成，手爪開合是用液壓驅(qū)動氣缸實現(xiàn)。經(jīng)綜合分析，構(gòu)型和自由度分配圖如圖 2-1 所示。圖 2-1 構(gòu)型和自由度分配本科畢業(yè)設計（論文）62.5 本章小結(jié)本章首先對機械手的組成、分類等基礎知識進行了介紹。然后又對機械手的各部分結(jié)構(gòu)的名稱與作用進行了介紹。最后再通過各種傳動驅(qū)動方式的分析后，本次設計擬定選用遠距離連接傳動、間接驅(qū)動；驅(qū)動源擬選用步進電機和液壓缸，傳動裝置擬選用齒輪傳動。3 機器人手部的設計73 機器人手部的設計3.1 手部設計要求(1)應具有足夠的握力我們通常對手指的握力進行確定時，無外乎會先考慮需要達到由工件重量產(chǎn)生的所需的加持力，其次也要考慮到在傳送或操作過程中是否會產(chǎn)生慣性力和振動，這些產(chǎn)生的慣性力和振動的大小是否會導致所加持的工件產(chǎn)生松動或脫落，最后也要根據(jù)加持工件的具體狀況做進一步的要求，比如不能夾緊力過大導致較軟材料票表面破壞等。(2)手指間應有一定的開閉角手指的閉合與張開存在兩個極限位置，這兩個極限位置所夾角度被稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。如果夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。(3)應保證工件的準確定位手指夾持工件為了完成所需的工作軌跡，并一定程度的保證精度。為保證手指與被夾持工件之間相對位置的精度，需要根據(jù)被抓取工件的形狀，選取適配的手指形狀。比如當我們需要夾持圓柱形工件時，我們通常會采用帶“V”形面的手指，優(yōu)勢在于其可以自動定心，并能夠提高加持的穩(wěn)度與安全性。(4)應具有足夠的強度和剛度手指在工作中會受到兩方面的力，一方面來自被夾持工件的反作用力，另一方面來自機械手運動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，為了所完成運動軌跡的精度，就必須要使手指具有足夠的強度和剛度，以至于不會產(chǎn)生彎曲變形或者強度破壞，具體校核哪個方面要根據(jù)實際來確定。然后在此基礎上，盡可能的注意減輕自重，簡化結(jié)構(gòu)。3.2 驅(qū)動力的計算如圖 3-1 所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。拉桿 3 端部固定著圓柱銷 2，當拉桿3 向上拉的時候，圓柱銷就會在兩個手指 1 的滑槽中移動，帶動手指 1 繞O1 與 O2 兩支點回轉(zhuǎn)運動，夾緊工件。拉桿 3 向下推時，使手指 1 松開工件。本科畢業(yè)設計（論文）81. 手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座圖 3-1 滑槽杠桿式手部受力分析定義由拉桿 3 作用于銷軸 2，銷軸 2 產(chǎn)生的拉力為 P，P 方向向上且通過銷軸中心 O 點。定義機械手兩手指 1 的滑槽對銷軸的力為 P1、P 2，與銷軸對滑槽的作用力方向大小相同方向相反，其方向分別垂直于滑槽中心線 OO1 和 OO2 并都指向 O 點，由上圖可知有 P1 和 P2 的延長線交 O1O2 于 A 及 B。因為△ O1OB和△O 2OA 均為 RT 三角形，由相似定理可得 ∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸3 機器人手部的設計9的力平衡條件，即 (3-1)0,021????yxFPF；(3-2)?cos(3-3)/1銷軸對手指的作用力為 P1′。如果想機械手穩(wěn)定的夾持工件，我們需要施加力在手指上，我們把這時所需的力稱為握力（即夾緊力） ，在這里我們假設握力與之反作用力作用于過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并由反作用力定義可知握力與其反作用力的大小相等，方向相反，用 N 表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m 01(F)=0 得(3-4)bNhP?'1因為 (3-5) ?cos/a所以 (3-6) /)(22式中 a ——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米） 。α——工件被夾緊時 OO1 （OO 2）方向和兩回轉(zhuǎn)支點連線間夾角。由上式可得，當驅(qū)動力 P 為定值時，α 角與握力 N 成正比。但不能通過大量提升 α 角來提升握力，α 角一旦過大則會增大拉桿（即活塞）的行程，同時會引起手指滑槽尺寸長度增大，最終導致整體結(jié)構(gòu)加大，使裝置結(jié)構(gòu)不再簡單，并增加成本。因此，一般取 α=30 0-400。這里取角α=30 度。當取 30 度是機械手的手部結(jié)構(gòu)會變得比較簡單，特點是動作靈活等。由于此次設計的機械手用于夾持棒狀（圓柱形）物體，所以我們通過查詢《工業(yè)機械手設計基礎》可得知 V 型手爪握力的計算公式 N=0.5G。綜合之前驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。除了考慮到目標要求之外，工件在傳送過程中會產(chǎn)生的慣性力、振動等情況，這些情況都會對傳力機構(gòu)效率會產(chǎn)生的影響，綜合之下，得出結(jié)論實際的驅(qū)動力 P 實際應該按以下公式計算，即：(3-7)?/21KPc?式中 η——手部的機械效率，一般取 0.85-0.95；K1——安全系數(shù)，一般取 1.2-2；K2——工作情況系數(shù)，在本次設計中主要是考慮慣性力對其抓取的影響，可得 K2 的估計公式如下， 。其中 a 為被抓取工gK/a12??本科畢業(yè)設計（論文）10件運動時最大加速度，g 為重力加速度。本次五自由度機械手所抓取的工件主要運動軌跡是水平和垂直平移。我們給定它的移動速度 v 是 500 毫米/秒時，移動加速度 a 是 1000 毫米/ 秒，工件重量 G 為 98 N，V 型鉗口的夾角是 120°，α=30° 時，拉緊油缸的2驅(qū)動力 P 和 Pc 計算如下：由上文鉗爪夾持工件的相對方位，綜合查閱的資料可得水平放置的鉗爪夾持工件的當量夾緊力計算公式如下(3-8)GN5.0?把已知條件代入得當量夾緊力為 )(3由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式(3-9)aNbP/αcos22?得 )(750303/5c ???）（ ?(3-10) ?/21Kcw取 , , 8.0?.1 1.98/??則 P4./49?3.3 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析如圖 3-2 所示，E （鉗口與鉗爪的連接點）為鉸鏈鏈接，其幾何關(guān)系如圖所示，我們將鉗爪對稱中心 O 到工件的中心 O′的距離設為 ，則x(3-11)22)sin/(abRlx????當工件直徑變化時，x 的變化量隨之產(chǎn)生變化，我們記其變化量為定位誤差△ ，設工件半徑 R 在由 Rmax（最大半徑）變化到 Rmin（最小半徑）時，其最大定位誤差計算如下：(3-12) 2max2)sin/(abl??????2min)s/(abl???其中 l=68.5mm 。b=5mm 。a=30mm 。2 =120° 。R min=15mm 。R max=30mm代入公式計算得最大定位誤差△= ∣68.34-68.07∣=0.27＜0.8故符合要求。3 機器人手部的設計11圖 3-2 帶浮動鉗口的鉗爪3.4 手抓夾持范圍計算為了保證手抓張開角是 60°，活塞桿運動長度為 34mm，手指長為100mm。當手爪處于未張開狀態(tài)時，如圖 3-3(a)所示，根據(jù)本次五自由度機械手的機構(gòu)設計，它的最小夾持半徑 R1 是 25mm，當張開角為 60°，如圖 3-3(b)所示。最大夾持半徑 R2 計算如下： mR130cos2530tan12 ??????所以機械手的夾持半徑從 。.~本科畢業(yè)設計（論文）12(a) (b)圖 3-3 鉗口持半徑3.5 本章小結(jié)本章主要是對機械手的手部進行設計，在本章開始時明確了需要機械手手部需要達成的要求。首先計算了手部的驅(qū)動力，之后校核了兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差，最后確定了手爪的夾持半徑。3 機器人手部的設計134 總體設計4.1 總體設計參數(shù)根據(jù)此次設計的機器人具體應用場合和實際應用要求，主要的設計參數(shù)要求如下：(1)抓取的重物：5kg；(2)機械手的自由度數(shù)：5 個；(3)運動參數(shù)：底座旋轉(zhuǎn)： 角速度：3.14rad/s；支撐桿俯仰：線速度：0.3m/s；上桿旋轉(zhuǎn)： 角速度：3.14rad/s；(4)運動行程：底座旋轉(zhuǎn)： 360° ；支撐桿俯仰：60°~120°；上桿旋轉(zhuǎn)： 3600上桿俯仰： 0°~ -90°4.2 設計原理本設計結(jié)構(gòu)上總體采用的是關(guān)節(jié)型設計，關(guān)節(jié)型的好處是傳動原理簡單明了、結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間體積較小、相對的工作空間較大、還能繞過基座周圍的一些小型障礙物等特點。本次機器人的手腕和腰部都采用了關(guān)節(jié)型設計，這對某些需要精細操作、精確定位同時操作又要簡單快捷的工作是十分有好處的。本科畢業(yè)設計（論文）144.3 傳動設計因為底座需要驅(qū)動這整個機械手，轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量都比較大，伺服電機的額定轉(zhuǎn)矩一般很小，達不到所需，所以采用大功率的直流電機驅(qū)動，經(jīng)減速箱進行減速，再驅(qū)動機器人腰部以上的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖 4-1 和圖4-2 所示。圖 4-1 底座內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖 圖 4-2 底座傳動內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖直流電機自重較大所以通常都安裝在底座的箱體旁邊，箱體中是為了適配電機輸出轉(zhuǎn)化成所需轉(zhuǎn)速的減速器結(jié)構(gòu)，用于減速與提供更大的扭矩。電機與箱體固定，電機輸出的扭矩傳導至減速器上，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。4.4 關(guān)節(jié)處設計腕部，同樣仿形于人類手腕但自由度更高，在機械手中主要用來連接手臂和末端執(zhí)行器的部件。在手臂實現(xiàn)了手爪的三個位置坐標的基礎上，4 總體設計15需要腕部來輔助實現(xiàn)手爪在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標。腰部結(jié)構(gòu)用來連接底座與大臂。五自由度機械手腕部結(jié)構(gòu)如圖 4-3 所示。五自由度機械手腰部結(jié)構(gòu)如圖 4-4 所示。圖 4-3 腕部結(jié)構(gòu) 圖 4-4 腰部結(jié)構(gòu)4.5 手臂設計臂部的設計要求：結(jié)構(gòu)和尺寸應滿足作業(yè)任務的工作空間要求；手臂一般受彎矩和拉力較多，所以合理的選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料是至關(guān)重要的。在設計手臂時要盡量減小手臂自重與和之相匹配的關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量與力矩，以達到減少驅(qū)動裝置的負荷的目的。減少運轉(zhuǎn)的動載荷與沖擊，提升運動的響應速度。機械間隙在運動中也會對精度產(chǎn)生不可避免的影響，所以也要注意減小機械間隙，達到盡可能提升運動精度和剛度，提高定位精度的目標。大 臂結(jié)構(gòu)如圖 4-5 所示，小臂結(jié)構(gòu)如圖 4-6 所示。本科畢業(yè)設計（論文）16圖 4-5 大臂結(jié)構(gòu) 圖 4-6 小臂結(jié)構(gòu)4.6 整體設計該機械手的設計如下：腰轉(zhuǎn)電機 M1 通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 M2 和大臂 M3 電機分別布置在大臂關(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，手腕是通過回轉(zhuǎn)電動機 M4、M5 連接諧波減速器來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，手腕的擺動是靠電動機連接雙輸出軸齒輪實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)圖如圖 4-7 所示。圖 4-7 整體結(jié)構(gòu)4 總體設計174.7 本章小結(jié)本章是五自由度機械手的總體設計。首先將需要明確，簡介設計原理。然后分步對傳動、關(guān)節(jié)、手臂和整體進行了設計。并且在設計時對各部分的細微要求的應對方法進行了擬定，比如本次設計中基本都選用諧波減速器來完成傳動。本科畢業(yè)設計（論文）185 靜力矩估算與電機、減速器的選擇在電機、減速器的選型中，首先要確定負載的工況。然后在工況已經(jīng)確定的情況下對負載進行計算，反推出所需電機的輸出功率所在大致范圍，再選取所需的適配電機減速器型號，進而可以根據(jù)安裝需求確定電機、減速器的安裝結(jié)構(gòu)。5.1 電機、減速器的選擇5.1.1 手腕轉(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 (5-1)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 ——轉(zhuǎn)動所涉及的所有零部件的重量對轉(zhuǎn)動軸線產(chǎn)生的偏重力矩（N·m ）。若手腕啟動過程按等加速度運動，則所產(chǎn)生的慣性力矩： M 慣 =（J 5+J51） （N·m） ωΔ t(5-2)式中 ：J 6——工件對五自由度機械手腕部所轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。J61——五自由度機械手腕部轉(zhuǎn)動所涉及到的部件對于轉(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= mr2(kg·m2) 12(5-3)(1)圓柱回轉(zhuǎn)慣量計算： J= (kg·m2) (5-mL2124)桿繞端點回轉(zhuǎn)慣量計算： J= mL2 (kg·m2) 13(5-5)5 靜力矩估算與電動機、減速器的選擇19參與手腕轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量 m1=10kg,長 100mm。我們假設為理想狀態(tài)，腕部轉(zhuǎn)動涉及到的部件質(zhì)量在一個半徑為 50mm 的圓盤上等效且均勻地分布，那么此時轉(zhuǎn)動慣量為： J51= m1r2= =0.0125 kg·m212 10×0.0522工件是質(zhì)量 m 為 5kg 的普通碳鋼棒料，質(zhì)量分布情況為長 200mm，直徑 66mm，那么轉(zhuǎn)動慣量(僅考慮沒有偏心距的情況 M 摩 、M 偏 忽略不計）：J5= = =0.0167 kg·m2mL212 5×0.2212所以： M 驅(qū) = M 慣 =（J 5+J51） =（0.0125+0.0167 ）× =0.918N·mωΔt 3.1420.1減速比 67.3021?ni f(n入 )所以選用型號 CS-8-50-U-G-A1-I 的諧波減速器。其參數(shù)如表 5-1 所示。表 5-1 諧波減速器參數(shù)表規(guī)格 單位 CS-8-50-U-G-A1-I減速比 1 50額定輸出力矩 Nm 1.4起停允許最大轉(zhuǎn)矩 Nm 2.6瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩Nm 5.3最大輸入轉(zhuǎn)速 rmp 7000額定輸入轉(zhuǎn)速 rmp 2000潤滑 全合成潤滑油脂防滑等級 IP65安裝方向 任意方向噪音值 db ≤63質(zhì)量 Kg 0.56減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： Ti=To/ηi=1.4/(90%×50)=0.0311N·mwPnw5.690?式中： PW——減速器的輸入功率 wT——工作機轉(zhuǎn)矩(Nm)本科畢業(yè)設計（論文）20n——轉(zhuǎn)速（r/min）電機輸出功率為： wpPwd7.69.05??電機選用 MSMD 松下伺服電機，型號為 MSMD5AZG1，相關(guān)參數(shù)如表 5-2 所示。表 5-2 伺服電機參數(shù)表規(guī)格 單位 MSMD5AZG1電源電壓 V 100額定轉(zhuǎn)速 rmp 2000額定轉(zhuǎn)矩 Nm 0.16額定電流 A 1.1額定功率 kW 0.05允許最高轉(zhuǎn)速 rmp 5000質(zhì)量 Kg 0.325.1.2 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 =（J 4+J41+J42） （N·cm） ωΔt(5-6)式中： J5——工件對五自由度機械手腕部俯仰軸線轉(zhuǎn)動慣量 ;J51——腕部結(jié)構(gòu)對俯仰軸線的轉(zhuǎn)動慣量;J52——五自由度機械手腕部涉及的轉(zhuǎn)動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、電機構(gòu)成，質(zhì)量分別為2.289kg、0.56kg、0.32kg，所以該部分結(jié)構(gòu)總質(zhì)量 m2 為 3.169kg，總長度為 165mm. 因為手腕平水行時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生步進電機的轉(zhuǎn)矩不足。設手部、手腕、工件繞著自己的重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別是JG2、 JG1、J G。由平行軸定理可得繞手腕關(guān)節(jié)軸處的轉(zhuǎn)動慣量的計算如下： 5 靜力矩估算與電動機、減速器的選擇21J= J4+J41+J42= JG +mL2+JG1+ m1L12+JG2+m2L22 (5-7) 由于 JG〈〈mL 2、J G1〈〈m 1L12、J G2〈〈m 2L22，故可忽略不計，轉(zhuǎn)動慣量為：J=m2L22+ m1L12+ mL2=3.169×0.07272+5×0.24562+10×0.39562=1.883kg·m2慣性力矩 M 慣 =（J 4+J41+J4） =1.883× =7.9（N·m）ωΔ t 2.0940.5減速機選用型號 PAW055A-L2-100-2P-S1-B1-Y 的減速器,其參數(shù)表如表 5-3 所示。表 5-3 諧波減速器參數(shù)表規(guī)格 單位 PAW055A-L2-100-2P減速比 1 100額定輸出力矩 Nm 10瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩Nm 30傳遞效率 1 85%額定輸入轉(zhuǎn)速 rmp 2000潤滑 全合成潤滑油質(zhì)量 Kg 2.1安裝方向 任意方向噪音值 db ≤68減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： Ti=To/(ηi)=10/85=0.1176Nm減速器的輸入功率為： wPnw6.24950?電機選用 MSMD 松下伺服電機，型號為 MSMD5AZG1，相關(guān)參數(shù)如下 5-4所示。表 5-4 伺服電機參數(shù)表規(guī)格 單位 MSMD5AZG1電源電壓 V 100額定轉(zhuǎn)速 rmp 2000額定轉(zhuǎn)矩 Nm 0.16額定電流 A 1.1額定功率 kW 0.05