垂直多關節(jié)型工業(yè)機器人設計

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1、 吉 林 農 業(yè) 大 學 學士學位畢業(yè)設計 說明書 題目名稱： 垂直多關節(jié)型工業(yè)機器人 學生姓名： 院 系： 工程技術學院 專業(yè)年級： 2006級機械 指導教師： 職 稱： 講師 2010 年 5 月 20 日 目 錄 題目Ⅰ 摘要及關鍵詞Ⅰ 1前言1 1.1 機器人

2、的發(fā)展概況1 1.2 中國研制機器人情況3 1.3 機器人產(chǎn)業(yè)3 1.4 機器人的發(fā)展趨勢4 2 設計任務書5 2.1 設計（論文）的主要內容與要求5 2.2 設計（論文）的主要技術指標和相關的技術參數(shù)5 3 總體方案設計6 3.1 機器人系統(tǒng)工程概述6 3.2 工業(yè)機器人總體設計中總體方案的論證7 3.3 機器人機械傳動原理8 4 機械部分的結構設計與計算10 4.1 結構設計的特點10 4.2 機械結構的部分計算12 5 畢業(yè)設計總結23 參考文獻23 致謝24 附錄25 39 / 43文檔可自由編輯打印 垂直多關節(jié)型工業(yè)機器人

3、 姓 名：王光輝 專 業(yè): 機械設計制造及其自動化 指導教師：謝哲東 摘 要：機器人既有人對環(huán)境的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。如今，機器人工業(yè)已成為世界各國備受關注的產(chǎn)業(yè)。 關鍵詞：機器人；工業(yè)；傳動；強度 Vertical multi-joint type industrial robot Name：wangguanghui Major：Mac

4、hanical Design&Manufacturing Automation Tutor：xiezhedong Abstract: Robot people on the environment both rapid reaction and analytical skills, but also the machine can continue to work long hours，High accuracy, ability to resist bad environmental，In a sense it is a product of the evolution of the m

5、achine，It is the industrial and non-industrial sector, an important production and service equipment，Advanced manufacturing technology is indispensable automation equipment。Today, the robot industry has become the industry closely watched around the world. Keywords: Robot; industry; transmission; s

6、trength 1 前 言 1.1 機器人的發(fā)展概況 第一代遙控機械手1948年誕生于美國的阿貢實驗室，當時用來對放射性材料進行遠距離操作，以保護原子能工作者免受放射線照射。第一臺工業(yè)機器人誕生于1956年，是英格爾博格(J.Engelbrger)將控制技術與機械臂相結合的產(chǎn)物。當時，主要是為了克服串聯(lián)機構累積的系統(tǒng)誤差，以便達到較高的空間定位精度，提出了示教再現(xiàn)的編程方式，從而使重復定位精度差不多比絕對定位精度提高了一個數(shù)量級。至今絕大部分使用中的工業(yè)機器人仍采用這種編程方式。第一臺工業(yè)機器人的商用產(chǎn)品誕生于1962年，當時，其作業(yè)僅限于上、下料。爾后的發(fā)展

7、比預想中的要慢。20世紀60年代，美、英等國很多學者，把機器人作為人智能的載體，來研究如何使機器人具有環(huán)境識別、問題求解以及規(guī)劃能力，祈望使機器人具有類似人的高度自治功能，結果是始終停留在實驗室階段。其中美國著名的斯坦福研究所的眼車計劃，雖然形式上實現(xiàn)了心理學中典型的猴子和香蕉問題的求解，然而由于距離解決實際中的復雜問題太遠，因而得不到進一步的支持，只好于1972年中止。20世紀60年代末至70年代中，世界上很多著名的實驗室、大學和研究所，如英國的愛丁堡大學人工智能實驗室，英國的斯坦福大學、斯坦福研究所、麻省理工學院，以及日本的日立中央研究所等，都在致力了機器人裝配作業(yè)的研究，單純從技術出發(fā)模

8、仿人進行的作業(yè)，或實現(xiàn)看圖裝配，或自動裝配順序生成等。由于當時的工業(yè)水平還沒有發(fā)展到相應的階段，無法解決所遇到的技術難題，另一方面因耗費巨大而無法得到應用部門的支持。至20世紀70年代中，由于所訂目標過高，除了局部單元技術方面取得不少有意義的成果外，整體上說大部分研究沒有取得有意義的實際結果［2］。 1968年，日本川崎重工引進美國Unimation公司的Unimate機器人制造技術，開始了日本機器人的時代，經(jīng)過近十年的努力，開發(fā)了點焊、弧焊及各種上、下料作業(yè)的簡易經(jīng)濟型機器人。成功地把機器人應用到汽車工業(yè)、鑄塑工業(yè)、機械制造業(yè)……，從而大大地提高了制成品的一致性及質量，形成了一定規(guī)模的機器

9、人產(chǎn)業(yè)。 20世紀70年代，出現(xiàn)了更多的機器人商品，并在工業(yè)發(fā)達國家的工業(yè)生產(chǎn)中逐步推廣應用。1979年公司Unimation推出了PUMA系列工業(yè)機器人，它的關節(jié)由電動機驅動，可配置視覺、觸覺、力覺傳感器，是技術較為先進的機器人。到1980年，全世界有2萬余臺機器人在工業(yè)中應用。 20世紀80年代工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展，但是所開發(fā)的四大類型機器人（點焊、弧焊、噴涂、上下料）主要用于汽車工業(yè)。工業(yè)化國家的機器人產(chǎn)值，以年均20％~40％的增長率上升。1984年全世界機器人使用總臺數(shù)為8萬臺，到1985年底，己達14萬臺，到1990年已有30萬臺左右，其中高性能的機器人所占比例不斷增

10、加，特別是各種裝配機器人的產(chǎn)量增加較快，和機器人配套使用的機器視覺技術和裝備也得到迅速發(fā)展。1985年前后，F(xiàn)ANUC和GWF公司又先后推出了交流伺服驅動的工業(yè)機器人產(chǎn)品。隨著以提高質量為目的的裝配機器人及柔性裝配線的開發(fā)成功，1989年機器人產(chǎn)業(yè)首先在日本，之后在各主要工業(yè)國呈發(fā)展趨勢。進人20世紀90年代后，裝配機器人及柔性裝配技術將進入大發(fā)展時期。 日本一直擁有全世界機器人總數(shù)的60％左右。到1998年，美國擁有機器人8萬臺，德國為7萬多臺，分別占世界機器人總數(shù)的15％和13％左右。到2000年，服役的機器人總數(shù)約100萬臺。 機器人大都工作于結構性環(huán)境中，即工作任務、完成工作的步驟

11、、工件存放的位置、工作對象等都是事先已知的，而且定位精度也是完全確定的，所以機器人完全可以按事先示教編好的程序重復不斷地工作。當自動化進一步向建筑、采掘、運輸?shù)刃袠I(yè)擴展時，其環(huán)境則是非結構化的，不能事先確定，或至少不能完全確定，總任務雖可事先確定，但如何去完成，要根據(jù)當時的實際情況來確定與制訂。因此，研究具有感知、思維，能在非結構環(huán)境中自主式工作的機器人就成了機器人學研究的長遠目標。實踐證明，要達到這一目標，還需經(jīng)過長時期的努力，等待—此重要技術有所突破，特別是機器視覺、環(huán)境建模、問題求解、規(guī)劃等智能問題上。因此，20世紀80年代末，各國把發(fā)展的目標調整到更現(xiàn)實的基礎上來，即把以多傳感器為基礎

12、的計算機輔助遙控加上局部自治作為發(fā)展非結構環(huán)境機器人的主要方向，而把智能自治式機器人作為一個更長遠的科學問題去探索。 另外一個值得注意的方向是傳統(tǒng)機械的機器人化。日前，數(shù)控機床、工程機械、采掘機械等已開始向這一方向發(fā)展，進一步的發(fā)展將會帶來這些機械本身的革命。 綜上所述，機器人的發(fā)展已不局限于機器人本身，而將作為新一代整個機器的發(fā)展方向。 1.2 中國研制機器人情況 我國研究機器人的起步時間，其實并不比國外晚很多，大概在20世紀70年代前，當時，北京自動化研究所和沈陽自動化研究所相繼開展了機器人技術的研究工作，但是由于種種原因，機器人技術研究及應用推廣在我國十分緩慢。直到

13、90年代初，也就研制了150臺左右，而且大部分是作為演示用的，不能在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮作。這些機器人也是以示教型第一代機器人為主，這與當時世界25萬臺的機器人總量相比，差距很大。造成這種現(xiàn)象的原因很多，其中與我國在機器人領域的研究隊伍較小，機器人技術教學工作薄弱不無關系。從90年代開始，情況已經(jīng)有所好轉。早期的“863”計劃已經(jīng)把機器人技術作為重要的攻關內容，國家科委和國家自然科學基金委員會也都相繼資助了一批有關機器人的研究項目。在高等學校中，也陸續(xù)開展了機器人的教學課程和機器人技術的研究工作。到目前為止，我國在機器人的技術研究方面已經(jīng)相繼取得了一些重要成果，在某些技術領域已經(jīng)接近國際前沿水平，比

14、如，我國自行研制的水下機器人，在無纜的情況下可潛到水下6000米，而且具有自主功能，這一技術達到了國際先進水平。但是從總體上看，我國在智能機器人方面的研究可以說還是剛剛起步，機器人傳感技術和機器人專用控制系統(tǒng)等方面的研究還比較薄弱。另外，在機器人的應用方面．我國就顯得更為落后，國內自行研制的機器人當中，能真正應用于生產(chǎn)部門并具有較高可靠性與良好工作性能的并不多。（在這方面，北京自動化研究所研制的PJ型噴漆機器人可以說是國內值得驕傲的一種機器人，其性能指標已經(jīng)與國際同類水平相當，而且在生產(chǎn)線上也經(jīng)過了長期檢驗，受到了用戶的好評，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。） 截止到1997年，我國自行研制的機器人大約有了3

15、50臺，其中半數(shù)以上是用以演示或科研，真正在產(chǎn)業(yè)部門應用的大約只有100臺。加上進口的機器人，我國目前的機器人數(shù)量大約為1100臺。 值得一提的是，最近幾年，我國在汽車、電子行業(yè)相繼引進了不少生產(chǎn)線，其中就有不少配套的機器人裝置。另外，國內的一些大專院校和科研單位也購買了一些國外的機器人，這些“洋機器人”的引入，也為我國在相關領域的研究工作提供了許多借鑒。 1.3 機器人產(chǎn)業(yè) 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它是機器的進

16、化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。工業(yè)機器人是典型的機電一體化高科技產(chǎn)品，自從20世紀50年代美國制造第一臺機器人以來，機器人技術及其產(chǎn)品發(fā)展很快，它對于提高生產(chǎn)自動化水平、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益，保證產(chǎn)品質量，改善勞動條件等方面的作用日益顯著。工業(yè)機器人代替人力勞動是必然的趨勢，和計算機技術一樣，工業(yè)機器人的廣泛應用，正在日益改變著人類的生活方式。機器人工業(yè)已成為世界各國備受關注的產(chǎn)業(yè)。 在制造業(yè)領域，機器人的開發(fā)集中在執(zhí)行制造過程的工程機器人手臂上。在航天工業(yè)中，機器人技術集中在高度專業(yè)的一種行星漫步者上。不同于一臺高度自動化

17、的制造業(yè)設備，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作——沒有無線電通訊——科恩能夠碰到以外的情況。至少，一個行星漫步者必須具備某種傳感輸入源、某種解釋該輸入的方法和修改它的行動以響應改變著的世界的方法。此外，對感知和適應一個部分未知的環(huán)境的需求需要智能（換句話說就是人工智能）。 1.3.1 工業(yè)機器人市場前景看好 從20世紀下半葉起，世界機器人工業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭，進入90年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10%左右。據(jù)聯(lián)合國頒布的最新調查顯示，2000年世界機器人工業(yè)增長率達到15%左右，一年增加了近10萬臺機器人，使世界機器人總擁有量達到75萬臺以上，世界機器人市場呈

18、現(xiàn)出日益興旺的大好態(tài)勢，目前為止，工作在世界各領域的工業(yè)機器人將突破百萬臺。 1.3.2 發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的意義 隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展和經(jīng)濟全球化，國內外的市場競爭將日趨激烈，企業(yè)必須走工業(yè)全面自動化的道路。機器人的出現(xiàn)，正是順應了工業(yè)自動化新階段——柔性化的社會需要，是社會經(jīng)濟發(fā)達的必然產(chǎn)物。機器人的產(chǎn)業(yè)化及其廣泛應用，必將為社會帶來巨大的經(jīng)濟效益，把人類從繁重的體力勞動和有害環(huán)境中解放出來。應用機器人可對提高社會生產(chǎn)如下的積極影響： (1)可以極大地提高勞動生產(chǎn)率 (2)可以實現(xiàn)勞動作業(yè)省力化 (3)可以提高企業(yè)的市場競爭力 (4)可以擴大就業(yè)機會，提高技術創(chuàng)新能力 1.4

19、機器人的發(fā)展趨勢 工業(yè)機器人在許多生產(chǎn)領域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質量以及經(jīng)濟效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用，引起了世界各國和社會各層人士的廣泛興趣。在新的世紀，機器人工業(yè)必將得到更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應用。從近年世界機器人推出的產(chǎn)品看，未來工業(yè)機器人具有如下的發(fā)展趨勢： (1) 高級智能化 未來機器人與今天的相比最突出的特點在于其具有更高的智能。隨著計算機技術、模糊控制技術、專家系統(tǒng)技術、人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術和智能工程技術等高新技術的不斷發(fā)展，必將大大提高工業(yè)機器人學習知識和運用知識解決問題的能力，并具有視覺、力覺、感覺等功

20、能，能感知環(huán)境的變化，做出相應反應，又很高的自適應能力，幾乎能象人一樣去干更多的工作。 (2) 結構一體化 工業(yè)機器人的本體采用桿臂結構或細長臂軸向式腕關節(jié)，并與關節(jié)機構、電動機、減速器、編碼器等有機結合，全部電、管、線、不外露，形成十分完整的防塵、防漏、防爆、防水全封閉的一體化結構。 (3) 應用廣泛化 在21世紀，機器人不再局限于工業(yè)生產(chǎn)，而是向服務領域擴展。社會的各個領域都可由機器人在工作，從而使人類進入機器人時代。根據(jù)專家預測，用于家庭的“個人機器人”必將在21世紀得到推廣和普及，人類生活將變得更加美好舒適，模仿生物從事生物特點動作的仿生機器人將倍受社會青睞，警備和軍事用機器人

21、也將在保衛(wèi)國家安全方面發(fā)揮重用的作用。 (4) 產(chǎn)品微型化 微機械電子技術和精密加工技術的發(fā)展為機器人微型化創(chuàng)造了條件，以功能材料、智能材料為基礎的微驅動器、微移動機構以及高度自治的控制系統(tǒng)的開發(fā)使微型化成為可能。微型機器人可以代替人進入人本身不能到達的領域工作，幫助人類進行微觀領域的研究：幫助醫(yī)生對病人進行微循環(huán)系統(tǒng)的手術，使之可注入血管清理血液，清除病灶和癌變，尺寸極微小的納米機器人將不再是夢想。 (5) 組件、構件通用化、標準化和模塊化 機器人是一種高科技產(chǎn)品，其制造、使用維護成本比較高，操作機和控制器采用通用元器件，讓機器人組件、構件實現(xiàn)標準化、模塊化是降低成本的重要途徑之一。

22、大力制訂和推廣“三化”，將使機器人產(chǎn)品更能適應國際市場價格競爭的環(huán)境。 (6) 高精度、高可靠性 隨著人類對產(chǎn)品和服務質量的要求越來越高，對從事制造業(yè)或服務業(yè)的機器人的要求也相應提高，開發(fā)高精度、高可靠性機器人是必然的發(fā)展結果。采用最新交流伺服電動機或DD電動機直接驅動，以進一步改善機器人的動態(tài)特性，提高性：采用64位數(shù)字伺服驅動單元和主機采用32位以上CPU控制，不僅可使機器人精度大為提高，也可以提高插補運算和坐標變換的速度。 機器人工業(yè)是一個正在高速崛起的產(chǎn)業(yè)，隨著機器人技術的不斷發(fā)展和日臻完善，它必將在人類社會發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。 2 設計任務書 2.1 設計（論文）

23、的主要內容與要求 2.1.1 論文內容 工業(yè)機器人系統(tǒng)設計包括機械系統(tǒng)的設計、電力驅動設計、控制系統(tǒng)的設計。為配合機電一體化專業(yè)的需要，本次畢業(yè)設計的主要內容是對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的設計，該機電控制系統(tǒng)是以MCS—51系列單片機為核心的控制系統(tǒng)，由于單片機在工業(yè)控制方面具有獨特的特點，所以該工業(yè)機器人采用單片機控制必定會得到最優(yōu)的控制。 2.1.2 設計要求 (1) 擬定（或評述）整體方案，特別是傳感，控制方式與機械本題的有機結合的設計方案。 (2) 根據(jù)給定的自由度和技術參數(shù)選擇合適的手部，腕部，臂部和機身的結構。 (3) 部分的設

24、計計算 (4) 工業(yè)機器人工作裝配圖的設計與繪制。 (5) 編寫設計說明書。 (6) 設計要有現(xiàn)實意義，具有實用價值。 2.2 設計（論文）的主要技術指標和相關的技術參數(shù) 2.2.1 技術指標 (1) 抓重：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為kg。 (2) 自由度數(shù)目和坐標形式：整機、手臂和手腕等運動共有幾個自由度，并說明坐標形式。 (3) 定位方式：固定機械擋塊、可調機械擋塊、行程開關，電位器及其各種位置設定和檢測裝置；各個自由度所設定的位置數(shù)目或位置信息容量;點位控制或連續(xù)軌跡控制。 (4) 驅動方式：氣動、液動、電動和機械傳動。 (5) 手臂運動參數(shù)：當手臂的運動速

25、度很高時，手臂在起動和制動過程中會產(chǎn)生很大的沖擊和振動，這會影響手臂的定位精度。因此，手臂運動速度應根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時間的長短、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。常用的最大直線運行速度在1000m/s以下。最大回轉運行速度一般不超過，一般應用的直線速度常在 ，回轉速度在左右。 (6) 夾持范圍（mm）和握力（即夾緊力）（N）。 (7) 定位精度：位置設定精度及重復定位精度（）。［8］ (8) 電路控制方法及程序容量。 2.2.2 重要設計參數(shù) 表２－１ 設計參數(shù) Table２－１Design parameters 項目 技術參數(shù) 結構形式

26、 關節(jié)式 自由度數(shù) 6 最大速度 1.25m/s 持重量 1kg 驅動方式 直流伺服電機 重復定位精度 0.05mm 重量 機械本體13.2kg 控制柜36.33kg 如表2—1為本次設計的重要參數(shù)［1］。 3 總體方案設計 3.1 機器人系統(tǒng)工程概述 機器人工程是一門跨學科的綜合性技術，它涉及到力學、機構學、機械設計、氣動液壓技術、傳感技術、計算機技術和自動控制技術等學科領域。人們將已有學科分支中的知識有效地組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術稱之為“系統(tǒng)工程學”。以機器人設計為例，系統(tǒng)工程學認為，應當將其作為一個系統(tǒng)來研究

27、、開發(fā)和運用，從機器人的整體出發(fā)來研究其系統(tǒng)內部各組成部分之間的有機聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關系的一種綜合性的設計方法。 從系統(tǒng)功能的觀點來看，將一部復雜的機器看成是一個系統(tǒng)，它由若干個子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機地聯(lián)系在一起，是一個不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個整體的特定功能。因此，在設計一部較復雜的機器時，從機器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個系統(tǒng)應具有如下特性： （1） 整體性 由若干個不同性能的子系統(tǒng)構成的一個總的機械系統(tǒng)應具有作為一個整體的特定功能。 （2） 相關性 系統(tǒng)內各子系統(tǒng)之間有機聯(lián)系、有機作用，具有某種相互關聯(lián)的特性。 （3） 目的性 每個系統(tǒng)都應有明確的目的和功能，系

28、統(tǒng)的結構、系統(tǒng)內各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。 （4） 環(huán)境適應性 任何一個系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應外部環(huán)境的變化。 因此，在進行機器人設計時，不僅要重視組成機器人系統(tǒng)的各個部件、零件的設計，更應該按照系統(tǒng)工程學的觀點，根據(jù)機器人的功能要求，將組成機器人系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設計出性能優(yōu)良適于工作需要的機器人產(chǎn)品。在比較復雜的工業(yè)機器人系統(tǒng)中大致包括如下:操作機，它是完成機器人工作任務的主體，包括機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動機構等。驅動系統(tǒng)，它包括作為動力源的驅動器，驅動單元，伺服驅動系統(tǒng)由各種傳動零、部件組成的傳動系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具

29、有運算、存儲功能的電子控制裝置（計算機或其他可編程編輯控制裝置），人——機接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設備的輸入/輸出通訊接口，內部和外部傳感器以及其他通用或專用的外圍設備。［14］ 工業(yè)機器人的特點在于它在功能上的通用性和重新調整的柔性，因而工業(yè)機器人能有效地應用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設備（如數(shù)控機床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設備）、輔助生產(chǎn)設備、控制裝置和工業(yè)機器人等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機器人技術綜合體地工業(yè)機器人系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運

30、輸?shù)壬a(chǎn)領域引用機器人系統(tǒng)亦是如此。 3.2 工業(yè)機器人總體設計中總體方案的論證 （一） 確定負載 目前，國內外使用的工業(yè)機器人中，負載能力的范圍很大，最小的額定負載在5N以下，最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設計給的設計參數(shù)可初估本次設計屬于小負載。［7］ （二） 驅動方式 由于伺服電機具有控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運動控制要求嚴格的中、小型機器人等特點

31、，故本次設計采用了伺服電機驅動 （三）傳動系統(tǒng)設計 機器人傳動裝置中應盡可能做到結構緊湊、重量輕、轉動慣量和體積小，在傳動鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機器人的運動和位置控制精度。在機器人中常采用的機械傳動機構有齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動和鋼帶傳動等，由于齒輪傳動具有效率高，傳動比準確，結構緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，且大學學習掌握的比較扎實，故本次設計選用齒輪傳動。 （四）工作范圍 工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中操作范圍和運動軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結構坐

32、標形式、自由度數(shù)和操作機各手臂關節(jié)軸線的長度和各關節(jié)軸轉角的大小及變動范圍的選擇 （五） 運動速度 機器人操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作的運動速度，用m/s或（）/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應試做各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應考慮慣性和行程的大小，驅動和控制方式、定位方式和精度等要求。 3.3 機器人機械傳動原理 本課題設計的是一種小經(jīng)濟型裝配機器人。該機器人為平面多關節(jié)型，具有六個自由度。采用伺

33、服電機驅動，因此控制簡單，編程操作方便。機身采用薄壁整體鑄件，這樣可以使結構輕巧，使用靈活。內部鑄件既作為內部齒輪安裝殼體與軸的支撐座，又作為承力骨架，這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體減少質量［5］。 為了保證較高的傳動精度和較好的加工工藝性，其傳動均采用齒輪傳動。其中基座與立柱部分安裝有關節(jié)1的電機，其傳動部分采用雙級直齒傳動；大臂部分安裝關節(jié)2和關節(jié)3的電機，采用三級齒輪傳動。其中第一級采用錐齒輪，以改變傳動方向90。第二、三級均采用圓柱直齒輪進行減速。關節(jié)2傳動的最末一個大齒輪固定在立柱上，關節(jié)3傳動的最末一個大齒輪固定在小臂上。其設計部分的傳動原理如圖3－１所示。［13］ 1

34、-關節(jié)1電機；2-大臂；3-小臂；4-基座；5-關節(jié)2電機； 6-關節(jié)3電機；7-關節(jié)4電機；8-關節(jié)5電機 圖3－１ 部分傳動原理 Figure 3－１ Part of the driving principle 4 機械部分的結構設計與計算 4.1 結構設計的特點 (1)為了保證較高的傳動精度，其各對齒輪都設計有消除齒輪間隙的調整機構。選擇偏心套筒，結構形式如圖4.1所示。 其調整方法為：首先松開鎖緊螺母，將專用扳手插入調整孔轉動偏心襯套 ，以調整齒輪嚙合的偏心距，消除傳動間隙，最后擰緊鎖緊螺母。 1-軸承；2-偏心套；3-調整孔；4機體；5-鎖

35、緊螺母；6-圓錐齒輪；7-聯(lián)軸器 圖4－１ 間隙調整結構 Figure 4－１Gap Restructuring 圖4.2 彈性萬向聯(lián)軸器 Figure 4－2 Flexible universal coupling (2)在轉軸的連接上，采用了一種結構新穎，工藝簡單的彈性萬向聯(lián)軸器，如圖4.2。這種聯(lián)軸器由金屬整體加工而成。其兩端為夾緊軸的結構，有兩個螺釘，一個用來頂緊軸，防止軸相對轉動；一個用來鎖緊，防止軸的軸向松動。聯(lián)軸器中段為刻有螺旋槽的彈簧式結構，使其在軸向、周向都有較大的柔性，以致能朝任意方向彎曲。能補償兩軸不同軸的偏斜以及軸向長度偏差。此外它還能起到緩和沖擊、衰減振

36、動的作用。 1-彈簧；2-支柱；3-螺母；4-錐形快；5-軸； 6-活動壓塊；7-定位快；8-電磁閥；9-電機支撐件；10-電動機 圖 4－3 電磁制動閥工作原理圖 Figure 4－3 Operating principle of electromagnetic brake (3)為了保證手臂操作過程中安全可靠，在關節(jié)1、2、3電機軸上各裝有一個電磁制動閥。當手臂切斷電源時，關節(jié)1、2、3產(chǎn)生制動，使手臂保持原有姿態(tài)，電磁制動閥原理如下圖所示。當手臂電源被切斷時，彈簧1把活動壓塊緊壓錐形塊4 ，而錐形塊4與軸5是固連的。由于摩擦，軸5被鎖住。當手臂電源接通時，電磁鐵8通電產(chǎn)生

37、磁力，把活動壓塊6吸向電磁鐵，即與錐形快4脫開，于是軸5便能自由轉動。由于手腕重量和尺寸都非常小，故其關節(jié)4、5、6上沒有設置這種制動閥。 (4)機體結構簡單，重量輕。 1) 大、小臂均采用薄臂與整體骨架構成的結構形式，有利于提高剛度，減輕重量。內部鋁鑄件形狀復雜，既用作內部齒輪安裝殼體與軸的支撐座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體重量減輕。手臂外臂與鑄件骨架采用鉸接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了重量。 2)軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處，軸承外環(huán)采用端面打沖定位的方法。 3)采用薄臂軸承與滑動稱套，以減少結構尺寸，減輕重量 4)有些小尺

38、寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，這增加了傳遞剛度。 5)大、小臂，手腕部結構密度大，很少有多余空隙。如電機與臂的外臂僅有0.5mm間隙，手腕內部齒輪傳動安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，重量減輕。 (5)由于是垂直多關節(jié)型的結構，機器人的工作范圍大適應性廣，加之其手腕活動角度大，因此它工作時位置的適應性很強。 (6)重復定位精度高。這是由于在結構上采用了剛性齒輪傳動，調整齒輪間隙結構，彈性萬向聯(lián)軸器，并且加工精密，多用整體鑄件的結果。 4.2 機械結構的部分計算 4.2.1 大臂的設計計算［9］ 由于系統(tǒng)的整體性能主要取決于機座及大臂部分的驅動及傳動能力，因此必須對其進行

39、詳細的設計計算。下面是大臂傳動部分的設計計算。 一 選擇電動機 由大臂及機器人的大概尺寸和本體質量，初步估計大臂質量，質心離轉動軸距離L為，故大臂轉動的阻力矩，大臂的轉動速度初步設定為， 為聯(lián)軸器的傳動效率, 為一對圓柱齒輪的傳動效率, 為一對滾動軸承的傳動效率, 為一對錐齒輪的傳動效率, 為關節(jié)2的總傳動效率 故 初步選定電動機滿載轉速,滿載轉矩。 二 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 1 傳動裝置總傳動比 2 分配傳動裝置的傳動比 為關節(jié)2中錐齒輪的傳動比,為關節(jié)2中第一對圓柱齒輪的傳動比, 為關 節(jié)2中第二對圓柱齒輪的

40、傳動比. 為使錐齒輪外廓尺寸不致過大 取傳動比,分配, 所以 三 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 1各軸轉速 I 軸 II 軸 III 軸 大臂輸出轉速 2 各軸功率 I 軸 II 軸 III 軸 3 各軸轉矩 電動機軸 I 軸 II 軸 III 軸 四 傳動零件設計計算 （一） 錐齒輪強度設計 1 選擇齒輪材料、熱處理 由于閉式齒輪傳動、傳遞功率不大，所以選用軟齒面齒輪，齒輪材料45鋼。小齒輪調質，齒面硬度230-240

41、HBS，大齒輪正火，齒面硬度190-200HBS。 2 選擇齒輪精度等級、齒數(shù)、齒寬系數(shù) 選取 錐齒輪推薦齒寬系數(shù)，因齒輪懸臂布置，取 3 確定相關系數(shù) 當量齒數(shù) 當量齒輪端面重合度 4 按齒面接觸強度設計 對閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按接觸強度設計，校核齒根彎曲強度。 確定式中各項數(shù)值： ； 因載荷平穩(wěn)，可初選載荷系數(shù)； （注：以下圖表均是參考學校教材機械設計［6］） 由表10-6，查得； 對的直齒錐齒輪，； 由式10-13， 由圖10-19，按允許一定點蝕，查

42、得，； 由圖10-20d,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當延長MQ和ML線）查取，同理，在圖10-20C中查?。? 選?。? 取設計齒輪傳動參數(shù)。 將確定出的各項數(shù)值代入接觸強度設計式中，得 由表10－2，查得； 由圖10－8，查得； 由圖10－13，查得； 由表10－3，查得； 則； 由式10－10a， 選取第一系列標準模數(shù)。 5 校核齒根彎曲疲勞強度 由表10－5查得 ； 由圖10－19，查得， 由圖10－20c，按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線(適

43、當延長)上查得；同理，在圖10－20b上，查得； 選取； 將確定出得各項數(shù)值代入彎曲強度校核公式，得 齒根彎曲疲勞強度足夠。 6 確定錐齒輪傳動主要幾何參數(shù)［4］ 取齒寬 （二） 直齒圓柱齒輪強度設計（II軸） 1 選擇齒輪材料 熱處理 精度等級 因是一般用途的齒輪傳動,齒輪材料可選用45鋼,傳遞功率不大,且結構尺寸無嚴格要求,可選用軟齒面齒輪傳動,參考表10-1,選小齒輪調質,齒面硬度230-240HBS,大齒輪正火,齒面硬度190-200HBS,精度為7級 2 選取齒輪齒數(shù) 閉式軟齒面齒輪傳

44、動,可以多選些,初選 取,傳動比 3 按齒面接觸疲勞強度設計 對閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按接觸強度設計，校核齒根彎曲強度。 確定式中各項數(shù)值: 因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù); 由表10-7,選取; 由表10-6,查得; 對的直齒圓柱齒輪，； 由式10-13, 由圖10-19，按允許一定點蝕，查得，； 由圖9-16d,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當延長MQ和ML線）查取，同理，在圖9-16C中查?。? 選?。? 取設計齒輪參數(shù)。 由表10-2，查得； 由圖10-8，查得； 由圖10

45、-13，查得； 由表10-3，查得； 則； 由式10-10a， 選取 齒輪主要幾何尺寸： 取中心距，則 取，。 4 校核齒根彎曲疲勞強度 由表10-5，按 查得 由圖10-19，查得 ； 由圖10－20c，按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線(適當延長)上查得；同理，在圖10－20b上，查得； 選?。? 將確定出的各項數(shù)值代入彎曲強度校核公式，得 齒根彎曲疲勞強度足夠。 （三） 直齒圓柱齒輪強度設計（II

46、I軸） 1 選擇齒輪材料 熱處理 精度等級 因是一般用途的齒輪傳動,齒輪材料可選用45鋼,傳遞功率不大,且結構尺寸無嚴格要求,可選用軟齒面齒輪傳動,參考表10-1,選小齒輪調質,齒面硬度230-240HBS,大齒輪正火,齒面硬度190-200HBS,精度為7級 2 選取齒輪齒數(shù) 閉式軟齒面齒輪傳動,初選 取,傳動比 3 按齒面接觸疲勞強度設計 對閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按接觸強度設計，校核齒根彎曲強度。 確定式中各項數(shù)值: 因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù); 由表10-7,選取; 由表10-6,查得; 對的直齒圓柱齒輪，； 由式10-1

47、3, 由圖10-19，按允許一定點蝕，查得，； 由圖9-16d,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當延長MQ和ML線）查取，同理，在圖9-16C中查??； 選?。? 取設計齒輪參數(shù)。 由表10-2，查得； 由圖10-8，查得； 由圖10-13，查得； 由表10-3，查得； 則； 由式10-10a， 選取。 齒輪主要幾何尺寸： 則 取，。 4 校核齒根彎曲疲勞強度 由表10-5按 查得 由圖10-19

48、，查得 ； 由圖10－20c，按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線(適當延長)上查得；同理，在圖10－20b上，查得； 選??； 將確定出的各項數(shù)值代入彎曲強度校核公式，得 齒根彎曲疲勞強度足夠。 4.2.2 手部相關計算［12］ 手部選取滑槽杠桿式手部機構，詳細結構見手部機結構總成圖，手指采用最常用的兩指式——鉗爪式，查《工業(yè)機械手設計基礎》（天津科學技術出版社），得手指水平位置夾垂直放置的工件的握力公式： 其中 ——摩擦系數(shù) 鋼對鋼 ——重力 所以 同理由《工業(yè)機械手設計基礎》得驅動力公式 其中 （均由手部總成圖得）

49、 所以 而由《工業(yè)機械手設計基礎》得實際驅動力 ——手部的機械效率，一般取（0.85——0.95） ——安全系數(shù)，一般取（1.2——2.0） ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估計， ，其中為被抓取工件運動時的最大加速度，為重力加速度。 若取，取1.4，，則 所以 5 總結 經(jīng)過一段時間的努力，達到了本課題研究的預期目標，現(xiàn)總結如下: 1 本課題提出了垂直多關節(jié)型工業(yè)機器人的設計方案，解決了工業(yè)方面的許多問題； 2 根據(jù)工業(yè)機器人的運動方式，設計了工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)； 3 根據(jù)工業(yè)機器人的負載，進行大臂的傳動設計； 4 選用適當?shù)某叽?/p>

50、進行多大臂中各齒輪多校核； 5 編寫了數(shù)控程序，用于工業(yè)機器人的自動控制； 6 本工業(yè)機器人結構先進可靠，運行平穩(wěn)，運行控制穩(wěn)定可靠； 7 本課題是專門設計工業(yè)機器人大臂傳動及其齒輪校核，其傳動系統(tǒng)稍做改進即可滿足需求。 參考文獻 [1] 楊永才.機械設計新標準應用手冊［M］.北京：科學技術出版社.1993：56～58 [2] 龔振邦.機器人機械設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社.1995：97～98 [3] 唐可洪.機電一體化設計基礎［M］.北京：機械工業(yè)出版社.1997：50～52 [4] 譚慶昌.機械設計［M］.吉林：科學技術出版社.2000：150～156 [

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53、自己在設計方面有了長足的進步。沒有謝哲東導師的精心輔導和幫助，我不能深刻的領悟到設計的重要環(huán)節(jié)和精妙之處。衷心感謝在設計過程中曾經(jīng)幫助過我的所有老師和同學們。感謝你們對我的關懷和照顧。本設計從選題到完成，每一步都是在導師的指導下完成的，傾注了導師大量的心血。在此，對導師獻上崇高的敬意和衷心的感謝！ 附 錄 Modular Visual Servo Tracking for Industrial Robots Robert Fuelep Biro robert. Georgia Instit

54、ute of Technology Atlanta, GA, 30332 Gary McMurray Georgia Tech Research Institute Atlanta, GA, 30332 Harvey Lipkin Mechanical Engineering Georgia Institute of Technology Atlanta, GA, 30332 Abstract Visually servoing a robot to track a moving work-piece has been demonstrated in literat

55、ure using specially customized equipment. In this work, a simple modular architecture is presented using off-the-shelf components with serial line interfaces. The method has widespread application for existing industrial robots whose capabilities can be upgraded with-out altering proprietary origina

56、l equipment proven to be reliable. As proof of concept, an ADEPT robot is visually servoed to track work pieces on a conveyor belt moving up to 400 in/min. Simulation results areshown to compare reasonably well with experimental data. Advantages and limitations of the implementation are discussed in

57、cluding the crucial effect of delays. 1 Introduction 1.1 Visual servoing The purpose of visual servoing is to track an object of unknown prior location using only relative visual feedback information provided by a camera. Traditionally, the location and orientation of an object in an absolute fr

58、ame must be determined before operation begins. Look and move schemes analyze a single picture o-line to provide the world coordinates of the object. Visual servoing is different in that the robot trajectory depends on a continuously updated error signal in a relative frame. 1.2 Dynamic visual servoing The goal of dynamic visual servoing is to achieve accurate high speed robotic tracking, performing trajectory control in the image plane. As robot speed increases, the update rate of the feedback device must increase. While customized high speed vision systems ex