一種五自由度串聯(lián)機器人的設(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 五軸電機墊片.dwg
17 二軸電機轉(zhuǎn)接板.dwg
18 護罩.dwg
19 三軸電機轉(zhuǎn)接板.dwg
1一軸減速器.dwg
2 一軸減速機入力軸.dwg
20 四軸電機轉(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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五自由度機器人裝配體.dwg
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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，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(shè)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(shè)計 伺服電動機
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機器人定義 1
1.1.2機械手的應(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 搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 3
2.1 機械手的組成 3
2.1.1執(zhí)行機構(gòu) 3
2.1.2驅(qū)動機構(gòu) 3
2.2 機械手的分類 3
2.3機械結(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、減速器的選擇 14
5.1 電機、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 28
畢業(yè)設(shè)計論文 論 文 題 目 ： 一種五 自由度串聯(lián) 機器人的 設(shè)計 作者所在系部： 機電工程學院 作者所在專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 作者所在班級： 作 者 姓 名 ： 張琳 作 者 學 號 ： 20134011303 指導教師姓名： 韓書葵 完 成 時 間 ： 2017 年 5 月 北華航天工業(yè)學院教務(wù)處制 北華航天工業(yè)學院畢業(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，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(shè)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(shè)計 伺服電動機 北華航天工業(yè)學院畢業(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 搬運機械手結(jié)構(gòu) 設(shè)計 ..................................................................................................... 3 械手的組成 .................................................................................................................. 3 行 機構(gòu) .................................................................................................................... 3 動機構(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 機器人手部的設(shè)計 ......................................................................................................... 6 部設(shè)計要求 ................................................................................................................... 6 動力的計算 .................................................................................................................. 6 支點回轉(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、減速器的選擇 ........................................................................... 14 機、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)學院畢業(yè)論文 參考文獻 .................................................................. 28 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 述 器人 定義 機器人、工業(yè)機器人、機械手，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，只有國際標準化組織以及各國工業(yè)協(xié)會提出的相關(guān)定義。美國機器人工業(yè)協(xié)會提出的定義：機器人是 “ 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械手 ” 。盡管這一定義較實用，但并不全面。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 關(guān)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由此可見，不論如何進行定義，它們都有一個共性，即：都是一種集機構(gòu)學、控制學、計算機學、信息學和傳感技術(shù)學等多學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)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。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 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 因此，國內(nèi)主要是逐步擴大機械手應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。 將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(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械手。 現(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，從北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 2 而根本改變目前機械制造系統(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，充分考慮機械手工作的環(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、機器人的國內(nèi)外現(xiàn)狀、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； 第 二 章為 搬運 機械手的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計，給出機械手的總體設(shè)計參數(shù)，傳動方式，總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計； 第 三 章機械手的詳細設(shè)計 重點介紹了 機械手的 手爪部分的設(shè)計 ,對此 機械手的 部分零件進行了展示與分析 ； 第 四 章機械手的詳細設(shè)計 重點介紹了 機械手的 總體設(shè)計 ， 傳動設(shè)計 ； 第 五 章機械手的詳細設(shè)計 重點介紹了 機械手的電機選擇，軸的校核 ； 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 3 第 2 章 搬運機械手結(jié)構(gòu) 設(shè)計 械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 行機構(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?？筛鶕?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 手臂的作用是引導手指準確的抓住工件，并運送到所需的位置上。為了使機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)行機構(gòu)的支架。 動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動用得最多。 液壓驅(qū)動機械手通常由液動機（各種 油缸、油馬達）、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、氣罐和空壓機組成。其特點是氣源方便、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)動是目前機械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大（關(guān)節(jié)型持重以達 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。 機械驅(qū)動式 只適用于動作固定的場合，一般用凸輪連桿機構(gòu)來實現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點是動作確定可靠，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）專用機械手 專用機械手是專門為一定設(shè)備服務(wù)的。簡單實用，目前在生產(chǎn)中運用的比較廣泛。它北華航天工業(yè)學院畢業(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）通用機械手 通用機械手是在專用機械手的基礎(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?shù)耐ㄓ眯?[16 械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計包括末端執(zhí)行器，手臂、腕部、機座和行走機構(gòu)的設(shè)計。本機械手的機械結(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，是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。 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現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標的基礎(chǔ)上，再由腕部來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標。 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、機座是機器人的基礎(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 經(jīng)分析比較并考慮系統(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)動源采用步進電機和液壓缸，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)：由電機驅(qū)動，與齒輪相連接，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成手腕的旋轉(zhuǎn)運動。 另外，手爪回轉(zhuǎn)由直流電機直接連接液壓缸驅(qū)動，手爪開合由液壓驅(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示 。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 5 圖 2型和自由度分配圖 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 6 第 3 章 機器人手部的設(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)保證工件的準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，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)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(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，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， 北華航天工業(yè)學院畢業(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因為 ? (3 所以 )( c o ?? (3式中 a ——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。 α ——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。 由上 式可知，當驅(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。查《工業(yè)機械手設(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、振動以及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力 P 實際應(yīng)按以下公式計算，即： ?/21 (3式中 η—— 手部的機械效率，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 為被抓取工件運動時的最大加速度， g 為重力加速度。 本機械手 的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為 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量夾緊力計算公式 (3把已知條件代入得當量夾緊力為 )(300 北華航天工業(yè)學院畢業(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 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°，活塞桿運動長度為 34指長為 100手抓 沒 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 9 有張開的時候，如 圖 3-3(a)所示，根據(jù)機構(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 的機器人具體應(yīng)用場合和實際應(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)機械手的自由度數(shù)： 5 個； (3)運動參數(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 。機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操作、精確定位同時操作又要簡單快捷的工作是相當有好處的。 動設(shè)計 因為底座需要驅(qū)動整個機械手，轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量都很大，伺服電機的額定轉(zhuǎn)矩一般比較小，達不到要求，所以采用大功率直流電機驅(qū)動，經(jīng)減速箱減速，再驅(qū)動機器人腰部以上結(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。電機與箱體固定，電機輸出的扭矩傳導到 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現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標的基礎(chǔ)上，再由腕部來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標。 腰部結(jié)構(gòu)用來連接底座與大臂。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，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(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)動裝置的負荷：減少運轉(zhuǎn)的動載荷與沖擊，提高運動的響應(yīng)速度；設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動精度和剛度，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)學院畢業(yè)論文 13 體 設(shè)計 該機械手的設(shè)計如下：腰轉(zhuǎn)電機 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 大臂 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，通過回轉(zhuǎn)電動機 接諧波減速器實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，手腕的擺動通過電動機連接雙輸出軸 齒輪 實現(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)學院畢業(yè)論文 14 第 5 章 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。在此基礎(chǔ)上對負載進行計算，從而確定配套的電機減速器型號，進而可以根據(jù)安裝需要確定電機、減速器的安裝結(jié)構(gòu)。 機、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—— 工作機轉(zhuǎn)矩 (n—— 轉(zhuǎn)速（ r/ 電機輸出功率為： ?? ? 電機選用 下伺服電機，型號為 關(guān)參數(shù) 如表 5示。 表 5服電機參數(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、電機構(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(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 ?? 電機選用 下伺服電機，型號為 關(guān)參數(shù)如 下 5示。 表 5服電機參數(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 機械手小臂俯仰運動的力矩的計算為 : 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 ??電機輸出功率為： ?電機選用 下伺服電機，型號為 關(guān)參數(shù)如 表 5 表 5服電機參數(shù)表 規(guī)格 單位 源電壓 V 100V 北華航天工業(yè)學院畢業(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%?? 實取 17 臂俯仰 機械手大臂俯仰運動的力矩的計算為 : 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 ??電機輸出功率為： 1 ?電機選用 下伺服電機，型號為 關(guān)參數(shù)如表 5示。 表 5服電機參數(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)強度法初算軸的直徑： ? ????? ? 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 21 軸段截面上有一個鍵槽， d 增大 5%, 7%?? 實取 17 臂轉(zhuǎn)動 機械手大臂轉(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)運動 的角速度 機械手大臂轉(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)學院畢業(yè)論文 22 大臂驅(qū)動力矩為： M 驅(qū) =J