關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、1前言 1.1題目來(lái)源與分析 題目《關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐中。要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有 6個(gè)自由度：① 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)；② 臂關(guān)節(jié)俯仰；③ 肘關(guān)節(jié)俯仰；④ 腕關(guān)節(jié)仰腕； ⑤擺腕；⑥旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計(jì)機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實(shí) 現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm。 機(jī)器人是近30年發(fā)展起來(lái)的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工 具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條 件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi) 容。 自古以來(lái)，人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能

2、上均能模擬人類智能的機(jī) 器。特別是在20世紀(jì)20年代前后，捷克和美國(guó)的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未 來(lái)機(jī)器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品 ，更使機(jī)器人在人們的思想 中成為一種無(wú)所不能的 超人”在現(xiàn)實(shí)生活中，一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪， 也制造出一些仿人或仿生的機(jī)器人。然而在當(dāng)時(shí)的科技條件下 ，要使機(jī)器人具有某 種特殊的 智能”而成為 超人”顯然是不可能的。美國(guó)的戴沃爾設(shè)想了一種可控制 的機(jī)械手,他首先突破了對(duì)機(jī)器人的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，提出機(jī)器人并不一定必須像人，但是 必須能做一些人的工作。1954年，他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器 人實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)表了《適用于重復(fù)作業(yè)的通用性

3、工業(yè)機(jī)器人》一文，并獲得了美國(guó) 專利。 戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控機(jī)床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起 ，預(yù)定的機(jī) 械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后，機(jī)械等就可以離開(kāi)人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行。這種機(jī)器人也 可以接受示教而完成各種簡(jiǎn)單任務(wù)。示教過(guò)程中操作者用手帶動(dòng)機(jī)械手依次通過(guò) 工作任務(wù)的各個(gè)位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器中，任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中， 機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動(dòng)下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機(jī)器人的主要 技術(shù)就是可編程”以及示教再現(xiàn)” 1.2研究目的 焊接機(jī)器人是最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,它占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。由于 對(duì)許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來(lái)越高的要求，一般工人已難以勝

4、任這一工 作;此外，焊接時(shí)的火花及煙霧等，對(duì)人體造成危害，因而，此課題的提出就有十分重要 的意義。 1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： a. 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而 單機(jī)價(jià)格不斷下降。 b. 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢 測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已 有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 c. 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng) 絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高

5、了系統(tǒng) 的可靠性、易操作性和可維護(hù)性。 d. 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器 外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視 覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳 感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 e. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙 控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 f. 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機(jī) 器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使 智能

6、機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的 索杰納”機(jī)器人就 是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 g. 機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出 虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置 已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 國(guó)際機(jī)器人研究在經(jīng)過(guò)了 80年代的低潮之后，呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢(shì)；我國(guó) 的機(jī)器人研究在國(guó)家七五’八五及863計(jì)劃的推動(dòng)下也取得了很大的發(fā)展。在 70 年代的機(jī)器人浪潮相比，現(xiàn)在的機(jī)器人研究有兩個(gè)特點(diǎn)：一是對(duì)機(jī)器人智能的定位 有了更加符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)，也就是不要求機(jī)器人具有像人類一樣的高智商，而只是 要求機(jī)器人在某種程度上具有自主處理問(wèn)題的能力。

7、 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代 七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò) 七五”八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制 技術(shù)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器 件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130多臺(tái)套噴漆機(jī) 器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī) 器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其 工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng) 用工程起步晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上， 我國(guó)已安裝的國(guó)

8、產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上 原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， 一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供 貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前 期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極 推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在 “ 863”劃的支持下，也取得了不少成果，其 中最為突出的是水下遙控機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水 平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人 等機(jī)種；在

9、機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、聲覺(jué)、觸覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少 工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自 主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起 步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)， 才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在 十五”后期立于世界先進(jìn)行列 之中。⑸丨6][13] 2關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 2.1確定基本技術(shù)參數(shù) 2.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇 為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的 6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù) 本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案： a. 圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)

10、動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn) 動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件 下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。 b. 直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組 成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接 讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體 所占空間體積大、靈活性較差。 c. 球坐標(biāo)型 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)， 一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰 運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工

11、件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特 點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 d. 關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè) 關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩 關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小 臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī) 座的物體。 e. 平面關(guān)節(jié)型采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右 運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形 的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長(zhǎng)，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫 截面的大小、形狀

12、。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二 體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無(wú)法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課 題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間 范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。 2.1.2額定負(fù)載 目前,國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中，其負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N 以下，最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī) 械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量

13、、抓取工件或作業(yè)對(duì) 象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是 保證手腕部能承受的最大載荷是 6kg。 2.1.3工作范圍 工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái) 確定的，用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐 標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變 動(dòng)范圍的選擇。 圖2-1運(yùn)動(dòng)范圍圖 2.1.4操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一 體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種 ： a. 步進(jìn)

14、電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低 廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有 誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)造成 失步”現(xiàn)象。 b. 直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功 率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。 c. 交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步 進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效 應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)（PWM）和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā) 展，使交流伺服

15、電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用 16位CPU+32 位DSP三環(huán)（位置、速度、電流）全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精 度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。 c. 液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率 /體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精 度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要 求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用 較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問(wèn)題，在可能的 前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。 常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采

16、用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū) 動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用 要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積 小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大， 穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩 和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 2.1.5控制系統(tǒng)選擇 對(duì)于焊接機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教 方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無(wú)論是手把手示教或 示教盒示教，都是以在線編程，

17、由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手臂到所 需的位置。然后記錄（存儲(chǔ)）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過(guò)程完成后，即可應(yīng)用， 機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過(guò) 程的速度可以與示教時(shí)速度不同。 利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過(guò)所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測(cè) 出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存） 下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡 和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段 的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。 2.1.6確定關(guān)節(jié)型機(jī)器人

18、手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊 接功能，則機(jī)器人的工作范圍要廣，所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點(diǎn)是占 地面積小，工作范圍大，機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。 根據(jù)分析，可將機(jī)器人的參數(shù)列在表2-1中： 表2-1關(guān)節(jié)型機(jī)器人的主要參數(shù) 1 項(xiàng)冃 技術(shù)要求 1 姑恂璽式 fl FtHS 數(shù) 6 運(yùn)動(dòng)范國(guó) (71 內(nèi)1 05 & 308' 311° 292° 5：帶 21 r 53F 赧大連度 2m / s 腕部繪大負(fù)荷 6臨 續(xù)表 2-1 項(xiàng)目 技術(shù)蹩求 朋動(dòng)方式

19、 削溫電機(jī) 0, 押制方述 PTP / CP 慄低方朮 示教再現(xiàn) l^cw 機(jī)械本體13, 2kt，裡制豈36. 33kw 輸入/輸也 32/ 32 位 電源 110-13OV 4SL 50* 60Hz L2kW 5-t6V;(20-90)%RH  iii 2.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖2-2關(guān)節(jié)型機(jī)器人傳動(dòng)原理圖 圖2-2是整個(gè)機(jī)器人本體機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有 30個(gè)齒輪，為 了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°有10個(gè)齒輪為圓錐齒輪，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn) 動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，則必然以空間交叉方式變向，就

20、不 利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。 機(jī)器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。 基座是一 個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié) 1的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié) 1的回轉(zhuǎn) 軸及其軸承、軸承座等。 大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板 殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支 承座。 大臂上裝有關(guān)節(jié)2, 3的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié) 2, 3都采 用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向 90°第二、三級(jí) 均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié) 2傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)

21、節(jié) 3傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。 小臂端部連接具有3R手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié)4, 5的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在小臂的中 部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。關(guān)節(jié)4，5均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不 同的是關(guān)節(jié)4采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié) 5采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐 齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向90°關(guān)節(jié)6采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)與第二級(jí)為 錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié) 4, 5, 6的齒輪組除關(guān)節(jié)4第一級(jí)齒輪裝在 小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。 所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： a. 內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨 架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材

22、料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂 外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)量。 b. 軸承外形環(huán)定位簡(jiǎn)單。一般在無(wú)軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方 法。 c. 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。 d. 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。 e.大、小 臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有 0.5mm間隙, 手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無(wú)間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。 f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾 乎是他的長(zhǎng)臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕

23、軸的活動(dòng)角度大，因此使它工 作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié) 4, 6配合，一次就能轉(zhuǎn) 1112° g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬(wàn)向聯(lián)軸器，工藝 上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。 h. 機(jī)器人手臂材料的選擇： 機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要 完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。 而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。 因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高 手臂的動(dòng)態(tài)性能。 機(jī)器人手臂材料

24、首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力 學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合 金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較 輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料 有尼龍&聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計(jì)中為減 輕機(jī)器人本體的重量選用鑄鋁材料。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。 圖2-3關(guān)節(jié)型機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 3關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過(guò)總體分析后，確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的腰關(guān)節(jié)部分采用二級(jí)齒輪減速傳 動(dòng)。 圖3-1關(guān)節(jié)型機(jī)器

25、人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 3.1電動(dòng)機(jī)的選擇[12] 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為 JG1、JG2、JG3,根據(jù)平行軸 定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2 J仁JG1+m1l1+JG2+m2l2+JG3+m3l3 22 (3-1) ml、m2、m3分別為10kg、5kg、12kg。11、12、13分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距 離，其值分別為 300mm、700mm、1500mm,在式(3-1 )中 JG1<

26、2l2+m3l3 22 (3-2) =10? 0.32+5? 0.72+12? 1.52 =30.25kg? m2 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J2=m2l4+m3l5 =5? 0.42+12? 0.82 =8.48kg? m2 式中：14——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm。 l5 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm。22 設(shè)主軸速度為219°/s,貝拋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下 T=J? 3 (3-3) 式中：T——旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的轉(zhuǎn)矩N?m w 角加速度rad/s2 使機(jī)器人主軸從w0=0?到 w0=219? /s所需時(shí)間為:?t=1s貝U:

27、w- w01.22 n =30.25" 115.61? m ?t1 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn) 開(kāi)始時(shí)的啟 動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為120N?m 電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算？ T1=J1? w=J1?? Pn" (1.5- 2.5) (3-4) 式中：Pm——電動(dòng)機(jī)功率W; MLP 負(fù)載力矩N?m； Q LP——負(fù)載轉(zhuǎn)速 rad/s； MLFQ LPn n —傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取 0.9;系數(shù)1.5?2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5 120? 3.82Pm~ 1 ??764N m 0.9 估算Pm后就可選取電機(jī)，使其額定功率 Pr滿足下式 Pr

28、> Pm (3-5) 選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 表3-1 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 1 W) ?定電壓 < v> 舗宦電it 濮能轉(zhuǎn)連 < r/mi-ife) 洶出H A 絕攜?級(jí) 工件制 < min > S00 24 46衛(wèi) 1750 60 3.2計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取主軸的轉(zhuǎn)速<4rad/s傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比i總?cè)?8,分二級(jí)傳動(dòng)，第 級(jí)是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動(dòng)比 i1=4 ;第二級(jí)傳動(dòng)比為 i2 (3-6) 3.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算=i總48=i14=12 3.3.1計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩

29、和輸入功率 a. 各軸轉(zhuǎn)速 I (3-7)軸 n l=1750r/mi n U 軸 nn=1750=437.5r/min 4(38) (3-9)軸 nm =437.5=36.46r/mi n 12 b. 各軸輸入功率 I (3-10)軸 PI=P0? n z=80? 0.98=768W n z —制動(dòng)器效率 please con tact Q 3053703061 give you more perfect draw ings 根據(jù)求出的可進(jìn)一步解出9 5將式(4-11)兩端左乘逆變換0T4- 1( 9 1, 9 2, 9,3即得4) 0T4-1( 9 1, 9

30、2, 9 3, 9 4)0T6=4T5( 9 5)5T6(7)9 6) 因式9 1 9 2 9 3口 9 4勻已解出，則逆變換0T4-1( 9 1, 9 2, 9為9 4) 0T4-1( 9 1, 9 2, 9 3, 9 4)= ? c1c23c4+s1s紹-ccs+sc ? 123414 ? -c1s23? 0? s1c23c4-c1s4-s1c23s4-c1c4-s1s230-s23c4s23s4-c23 0-a2c3c4+d2s4-a3cG a2c3s4+d2c4+a3s4 ? ? a2s3-d4? 1 ? 此外，方程式(4-27)的右邊4T6( 9 5, 9 6)=4T5(

31、9 5)5T6(也可由式(4-4)給 出。令式(4-27)兩邊矩陣中的元素(1, 3)和(3, 3)分別對(duì)應(yīng)相等，可得 ax(c1c23c4+s1s4)+ay(s1c23c4-c1s4)-az(s23c4)=-s5 ax(-c1s23)+ay(-s1s23)+az(-c23)=c5}( 4-28) 由此可得9 5勺封閉解 9 5=彳求9 6 將(4-11)改寫為-s5 (4-29) c5 0T5-1( 9 1,9 2 9 5)0T6=5T6(碼36)) 令矩陣方程(4-30)兩邊元素(3, 1)和(1,1)分別對(duì)應(yīng)相等，可得 -n X(c1c23s4+s1c4)-ny(s1c23s

32、4+c1c4)+nz(s23s4) =s6 nx[(c1c23c4+s1s4)c5-c1s23s5]+ny[(s1c23c4-c1s4)c5-s1s23s5] -n Z(s23c4c5+c23s5) =c6 從而可以求出9的封閉解 s 9 6=( 4-31) c6 綜上所述，再考慮到9等于0,或不等于0的兩種情況，6自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人 對(duì)于同一手部位姿可能存在8種關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角組合。 至此，已求出了全部的關(guān)節(jié)變量，即求得位姿矩陣 0T6的逆解?？梢钥闯觯挥? 9 1, 9 2三式中有px, py和pz,故它們確定了手部坐標(biāo)系原點(diǎn)的空間位置。(方 位)。9 4, 9 5三式中有nx,

33、ny和nz所以它們確定了手部坐標(biāo)系的姿態(tài) 由此可以得出：當(dāng)6關(guān)節(jié)機(jī)器人后3關(guān)節(jié)軸線交于一點(diǎn)時(shí)，前、后3個(gè)關(guān)節(jié)具有 不同的功用。前3關(guān)節(jié)連同它的桿件，稱作位置機(jī)構(gòu)；后 3關(guān)節(jié)連同它的桿件， 稱作姿態(tài)機(jī)構(gòu)。 5結(jié)論 我國(guó)機(jī)器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的快速發(fā)展、社會(huì)需 求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，焊接機(jī)器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方 式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動(dòng)裝焊接機(jī)器人發(fā)展的直 接動(dòng)力。關(guān)節(jié)型機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的焊接作業(yè)中大顯 了身手。本課題正是在這種背景下提出來(lái)的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。本 文主要完成了如下工作：

34、 a.進(jìn)行了機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及腰關(guān)節(jié)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人應(yīng)該具有外形簡(jiǎn)單、傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為此機(jī)器人設(shè)計(jì)成具有 六自由度的結(jié)構(gòu)，由機(jī)身、大臂、小臂、腕部組成。六個(gè)自由度均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)均選直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第一個(gè)關(guān)節(jié)采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)，這種 傳動(dòng)方式具有精度高、定位安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；其他五個(gè)關(guān)節(jié)都采用了錐齒輪與直齒 輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，充分利用了大臂和小臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊。 b.對(duì)機(jī)器人位姿問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析 運(yùn)用D-H方法建立了桿件坐標(biāo)系，完成了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)方 程的推導(dǎo)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解的求取。 參考文獻(xiàn) [1] 汪愷.機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)[M].機(jī)械

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