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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計外文翻譯
機械手的機械和控制系統(tǒng)
1. 引言
2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機器人系統(tǒng)。設(shè)計這些機器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強的靈活性只能通過一個適應(yīng)性極強的機械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機械手或機器人手。
上文提到的研究項目，就是要制造一個人形機器人，此機器人將裝備這種機器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過程控制和機器人技術(shù)研究院）和c（計算機應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗，但是稍有不同的觀點。
IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個四指相互獨立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的假肢。
圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ 圖2. IAI開發(fā)的流體手
2. 機器人手的一般結(jié)構(gòu)
一個機器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
機械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。
我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。
3. 機械系統(tǒng)
機械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機）、傳感器（如位置編碼器）的位置。
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
結(jié)構(gòu)設(shè)計將對機械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計一個機器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。
為了能夠在機械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉(zhuǎn)自由度），每個手指必須具備3個獨立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。
要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構(gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。
3.2 驅(qū)動系統(tǒng)
指關(guān)節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮：運動來源和運動方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機。在多數(shù)情況下，運動驅(qū)動器（如電機）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個運動必須由驅(qū)動器（一般位于機器臂最后的連接點處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因為每根手指的不同關(guān)節(jié)常常是機械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運動驅(qū)動器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。
3.3 傳感系統(tǒng)
機器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機器手中使用了3種類型的傳感器：
1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。
2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。
3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。
根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運動驅(qū)動器或直接在關(guān)節(jié)處出測量。例如，如在電動機和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。
3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機械系統(tǒng)
為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。
鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導(dǎo)致的機械問題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運動傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。
圖3.工業(yè)機器人上的KDHⅡ
為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因為有3個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。
圖5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖6. 帶應(yīng)變計量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器
4. 控制系統(tǒng)
機器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用，這些技能都是由機械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件。
控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個的條件：
1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅(qū)動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號幾倍。
2. 需具備對外部事件快速實時反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測到物體滑落時，能立即采取相應(yīng)的措施。
3. 需具備較高的計算能力以應(yīng)對一些不同的任務(wù)。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。
4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。
5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。
4.1 控制硬件
為了應(yīng)對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力，且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機輕易地解決。
因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。
4.2 控制軟件
機器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對要對手指進(jìn)行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復(fù)雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。
另一方面涉及軟件的開發(fā)。機器人手其實是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機械手的特殊控制要求。
4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng)
如在4.1節(jié)中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個微控制器分別控制一個手指的驅(qū)動器和傳感器，另外一個微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計算機連在一起的。這個主控計算機（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計算機組成的一個并行計算機。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進(jìn)行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖9所示。
圖7. KDH II的控制硬件構(gòu)架 圖8.控制KDH II的平行主計算機
一個關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標(biāo)路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點）?，F(xiàn)在知道了物體的運動計劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅(qū)動手指驅(qū)動器。
圖9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng)
5. 實驗結(jié)果
為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過重抓才能實現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)?fù)雜任務(wù)的操作能力。
5.1 物體姿態(tài)控制
這個物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務(wù)必須在實時條件通過在線獲得，盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導(dǎo)致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預(yù)先估計。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來說，其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時間推移的預(yù)期軌跡，而上圖顯示了物體實際的旋轉(zhuǎn)（傾斜）結(jié)果情況。因為啟用了物體狀態(tài)控制，圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉(zhuǎn)保持基本恒定，這和期望的一樣。
圖10.因滾動產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒有狀態(tài)控制的物體傾斜
圖11.因球形指尖在物體上的滾動而產(chǎn)生 圖13.物體狀態(tài)控制下減少的物體
額外的不期望傾斜情況 傾斜情況
物體狀態(tài)控制器對補償外界干擾也是十分必要的。比如，機器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導(dǎo)致物體的滑落。這更有可能導(dǎo)致被抓物體的損耗，這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。
為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實驗：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測滑落后，物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實驗的一個例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動的相當(dāng)突然且相當(dāng)快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測和補償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。
圖14.滑落實驗：X方向的實際物體 圖15.滑落實驗：關(guān)于Z軸的實際
位置 物體方向
5.2 重抓
雖然卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個理想的對象操縱。這源于這樣一個事實：手指相對于正常的工業(yè)機器人來說是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱。可行操作的條件是所有的接觸點必須長期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當(dāng)一個接觸點到達(dá)了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時，這個手指就必須從物體上脫離，并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指，就能使任意的操作變得可行。關(guān)于此種操作有一個例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時，此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉(zhuǎn)一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個物體是繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個手指相互協(xié)調(diào)運動才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經(jīng)運動到其工作范圍的極限位置，這時所有手指的協(xié)調(diào)運動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨移動到另一個接觸點。在圖f中這個手指重新跟物體接觸，另一個手指此時可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動繼續(xù)進(jìn)行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時進(jìn)行幾個手指的重抓動作。這可以加速重抓過程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)⒁粋€木柱從一個平方的基座孔內(nèi)拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時刻脫離物體并重新定位（圖c到圖e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個木柱被拉出，從而可進(jìn)行進(jìn)一步的操作（沒有顯示）。
圖16.利用重抓旋轉(zhuǎn)螺帽狀物體 圖17.利用重抓從孔中拉出木柱
6.結(jié)論
為了使機械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標(biāo)準(zhǔn)是必需加以考慮的，正如文中所說?？査刽敹蜢`巧手Ⅱ表現(xiàn)的非常成功。這種機械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復(fù)雜的精細(xì)操作（如重抓）也能實現(xiàn)。在人行機器人的特殊研究領(lǐng)域，基于一個不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎(chǔ)上，小型機械手也具有擬人化和機械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個控制軟件的主要結(jié)構(gòu)可經(jīng)過相應(yīng)修改而為此種小型機械手所用。
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畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯
題目 平面連桿機構(gòu)的運動仿真
專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 學(xué) 號 078105107
學(xué) 生 姓 名 季壯壯
指 導(dǎo) 教 師 許瑛
填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日
湛江海洋大學(xué)
本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）書
題目
三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人設(shè)計
（中英文）
The design for three degrees
of freedom cylindrical
industrial robot
作者姓名
劉建軍
所在專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
所在班級
機制1016
申請學(xué)位
工學(xué)學(xué)士
指導(dǎo)教師
李作全
職稱
副教授
答辯時間
2005年 06月 11日
三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人
目 錄
目錄 …………………………………………………………………………………………… 1
中文摘要 ……………………………………………………………………………………… 2
Abstract ……………………………………………………………………………………… 2
第1章 緒論 ……‥………………………………………………………………………… 3
第2章 工業(yè)機器人的總體設(shè)計 …………………………………………………………… 3
2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述 …………………………………………… 3
2.2 工業(yè)機器人的設(shè)計分析 ……………………………………………………………… 4
2.2.1 設(shè)計要求 ………………………………………………………………………… 5
2.2.2 總體方案擬定 …………………………………………………………………… 5
2.2.3 工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù) ………………………………………………… 5
第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計 ……………………………………………………… 6
3.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析 ……………………………………………………… 6
3.1.1 機器人的運動概述 ……………………………………………………………… 6
3.1.2 機器人的運動過程分析 ……………………………………………………… 7
3.2 工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………… 8
3.2.1 末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………………… 8
3.2.2 手臂機構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………………………… 11
3.2.3 腰部和基座設(shè)計 ………………………………………………………………… 12
3.3 工業(yè)機器人的機械傳動裝置設(shè)計 ‥……………………………………………… 18
3.3.1 滾珠絲杠的選擇 ………………………………………………………………… 18
3.3.2 諧波齒輪的選擇 ………………………………………………………………… 19
3.3.3 聯(lián)軸器的選擇 ………………………………………………………………… 20
第4章 工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述 ……………………………………………… 20
4.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求 ‥……………………… 21
4.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 ……………………………………………………… 22
4.3 硬件電路的組成 ………………………………………………………………… 22
第5章 工業(yè)機器人運行時應(yīng)采取的安全措施 …………………………………………… 22
5.1 安全要求 ………………………………………………………………………… 22
5.2 實施方法 …………………………………………………………………………… 23
鳴謝 ……………………………………………………………………………………… 23
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………… 24
中文摘要
在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。本設(shè)計為三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其工作方向為兩個直線方向和一個旋轉(zhuǎn)方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單的動作,本文是對整個設(shè)計工作較全面的介紹和總結(jié)。
關(guān)鍵詞：三自由度，圓柱坐標(biāo)，工業(yè)機器人
Abstract
Industrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.
Key words ：three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot
三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人設(shè)計
專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化，學(xué)號：2001121622，姓名：劉建軍
指導(dǎo)老師：李作全
第一章 緒論
機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我 國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。
目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義：
工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。
工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進(jìn)行各種操作。
工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代：
第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。
第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復(fù)雜得多，這種機器人從1980年開始進(jìn)入了實用階段，不久即將普及應(yīng)用。
第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。
第2章 工業(yè)機器人的總體設(shè)計
2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述
圖2-1 工業(yè)機器人的組成圖
它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。
A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需
的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。
（1） 手部：又稱手爪或抓取機構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。
（2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。
（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。
（4） 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。
B、 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的
機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。
C、 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。
D、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運動符合要求。
圖2-2 各部分關(guān)系圖
2.2工業(yè)機器人的設(shè)計分析
2.2.1 設(shè)計要求
綜合運用所學(xué)知識,搜集有關(guān)資料獨立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人操作機和驅(qū)動單元的設(shè)計工作。
原始數(shù)據(jù)：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設(shè)計工業(yè)機器人將一零件從A帶送到B帶。
零件尺寸：內(nèi)孔 ￠100，壁厚 10，高 100。
零件材料：45鋼。
2.2.2 總體方案擬定
在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人，利用步進(jìn)電機驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進(jìn)電機驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動；考慮到本設(shè)計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。
圖2-3 機器人外形圖
2.2.3 工業(yè)機器人主要技術(shù)性能參數(shù)
工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如
下：
A、 抓取重量：
抓取重量是用來表明機器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參數(shù)與機器人的運動速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。
B、 抓取工件的極限尺寸：
抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計手部的基礎(chǔ)。
C、 坐標(biāo)形式和自由度：
說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。
D、 運動行程范圍：
指執(zhí)行機構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運動自由度的運
動量。根據(jù)運動行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機器人的工作范圍。
E、 運動速度：
是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國內(nèi)外機器人的最大直線移動速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為180o/s，一般為50o/s。
F、 定位精度和重復(fù)定位精度：
定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。
G、 編程方式和存儲容量。
本設(shè)計中的三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1-1。
表1-1
機械手類型
三自由度圓柱坐標(biāo)型
抓取重量
2.69Kg
自由度
3個（1個回轉(zhuǎn)2個移動）
機座
長120mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角180°，步進(jìn)電機驅(qū)動 單片機控制
腰部機構(gòu)
長680mm，伸縮運動，升降范圍450mm，步進(jìn)電機驅(qū)動 單片機控制
手臂機構(gòu)
長826mm，伸縮運動，伸縮范圍50mm，液壓缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制
末端執(zhí)行器
液壓缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制
第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計
3.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析
3.1.1 機器人的運動概述
工業(yè)機器人的運動，可從工業(yè)機器人的自由度，工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。
如圖2-1所示，為工業(yè)機器人機構(gòu)的簡圖。
圖3-1 機構(gòu)簡圖
a．工業(yè)機器人的運動自由度
所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)。
本設(shè)計的工業(yè)機器人具有四轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度。
b．機器人的工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型
（1）工作空間 工作空間是指機器人正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖3-2。
圖3-2 工作空間圖
（2）機械結(jié)構(gòu)類型
圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)（代號RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。
3.1.2 機器人的運動過程分析
工業(yè)機器人的運動過程中各動作如圖3-3和表3-1。
圖3-3
表3-1
機器人開機，處于A位
工步一
手臂上升
工步二，工步七，工步十三
旋轉(zhuǎn)至B位
工步三
手臂伸出
工步四, 工步十
手臂下降
工步五，工步十一
夾緊工件
工步六
手臂收縮
工步八，工步十四
旋轉(zhuǎn)至C位
工步九
放松工件
工步十二
實現(xiàn)運動過程中的各工步是由工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現(xiàn)的，這里尤其要強調(diào)的是機器人對工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計成敗之關(guān)鍵所在。
3.2工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計
3.2.1 末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計
工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一。
3.2.1.1 設(shè)計時要注意的問題：
a. 末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。
b. 末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。
c. 應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位。
d. 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
e. 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。
3.2.1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖2-4。內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機構(gòu)傳遞撐緊力，即當(dāng)液壓缸1工作時，推動推桿2向下運動，使兩鉗爪3向外撐開，從而帶動彈性爪4夾緊工件。該種夾持器多用于內(nèi)孔薄壁零件的夾持。
圖3-4 末端執(zhí)行器
3.2.1.3 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗
a． 初選油缸型號
考慮到所要夾持的是很小的薄壁零件，最大工作載荷很小，故初選液壓缸型號為Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表2-2。
表3-2 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格
缸 徑
/mm
活塞桿直徑 /mm
油口直徑
速度比
通徑
/mm
聯(lián)接螺紋
1.46
2
40
22
28
10
M18x1.5
b． 夾緊力校驗
1）零件的計算
其中g(shù)取9.8. 取G=27（N）
2） 緊力的計算：
要夾持住零件必須滿足條件：
f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為45號鋼，手指為鋼材，查《機械零件手冊》 表2-5 f=0.15，N為作用在零件內(nèi)壁上壓緊力，G為零件重力。
所以 取N=100（N）
由《機械制造裝備》式4-60可知驅(qū)動力的計算公式為：
為斜面傾角，，為傳動機構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動，
查《機械零件手冊》表2-2 這里取 0.85, b=77.5mm,c=29mm。
取p=500(N).按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 4-15
D為汽缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,由《液壓傳動與氣壓傳動》表9-1
負(fù)載F/N
<5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
>50000
工作壓力p/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
>5～7
取p=0.5MPa。由《液壓系統(tǒng)設(shè)計》可查得：=0.9～0.95, 所以
由以上計算可知液壓缸能產(chǎn)生的推力F=565N大于夾緊工件所需的推力P=500N。所以該液壓缸能夠滿足要求。
3.2.1.4 彈性爪的強度校驗
彈性爪的結(jié)構(gòu)形式如圖3-7：
圖3-7 彈性爪結(jié)構(gòu)圖
這種結(jié)構(gòu)是在手爪外側(cè)用螺釘固定彈簧板兩端固定。當(dāng)彈性手工作時，由于夾緊過程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。
工件與彈簧片間的力：
由上節(jié)可知F=100N。
則彈簧爪截面上的剪應(yīng)力為[τ]=30MPa，
τ=Q/A= 故彈性爪滿足強度要求。
3.2.2 手臂機構(gòu)的設(shè)計
3.2.2.1 手臂的設(shè)計要求
a、 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求
b、 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。
c、 盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負(fù)荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應(yīng)速度。
d、 要設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。
本設(shè)計中手臂由滾珠絲杠驅(qū)動實現(xiàn)上下運動，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，還設(shè)計有兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。它的結(jié)構(gòu)如下圖。
圖3-8 手臂結(jié)構(gòu)圖
選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉(zhuǎn)動。
3.2.2.2 伸縮液壓油缸的選擇
選液壓缸型號為Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表2-3。
表3-3 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格
缸 徑
/mm
活塞桿直徑 /mm
油口直徑
速度比
通徑
/mm
聯(lián)接螺紋
1.46
2
50
28
36
10
M18x1.5
3.2.2.3 活塞桿的強度校核
末端執(zhí)行器的重量為：10.389Kg。
工件重量為：2.64Kg。
由靜力平衡方ΣMB=0 R1·LAB －Q·LBC=0
ΣMA=0 R2·LAB － Q·LAC=0
求得支反力為：
R1=524.88N
R2=673.16N
以A點為坐標(biāo)原點，得剪力圖和彎矩圖如下：
由[]表得活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa.
則在B處橫截面上的剪應(yīng)力為：
τB= RB/A= 安全。
在B處的彎應(yīng)力為：
σB= MB/A= 安全。
3.2.3 腰部和基座設(shè)計
3.2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過安裝在支座上的步進(jìn)電機和諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動，通過安裝在頂部的步進(jìn)電機和聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的上下移動。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。支撐梁采用槽鋼，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結(jié)構(gòu)如圖2-10。
該種設(shè)計采用了環(huán)形軸承的機器人支承結(jié)構(gòu)。它由電動機2直接驅(qū)動一杯形柔輪諧波減速器。這種諧波減速器只有剛輪9、柔輪7和諧波發(fā)生器8三大件，而無單獨的外殼（這種結(jié)構(gòu)有利于傳動系統(tǒng)的小型化、輕型化）。由柔輪7輸出低速的回轉(zhuǎn)運動帶動與之固聯(lián)的機座回轉(zhuǎn)殼體5實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動。齒形皮帶傳動4和位置傳感器6作為機座用來檢測手臂機座的角位移。
1——支座，2——步進(jìn)電機，3——諧波齒輪，4——轉(zhuǎn)動機座
5——支承工字梁，6——滾珠絲杠，7——導(dǎo)向柱，8——錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器
圖3-10 腰部和基座結(jié)構(gòu)圖
1——支座，2——電機，3——軸承，4——帶傳動，5——殼體
6——位置傳感器，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——剛輪
圖3-11 環(huán)形軸承的機器人機座
3.2.3.2 步進(jìn)電機的選取
工業(yè)機器人的旋轉(zhuǎn)和上下移動采用了步進(jìn)電機驅(qū)動，下面就給出各種驅(qū)動方式的比較，以作為選取步進(jìn)電機作為驅(qū)動方式的依據(jù)。
表3-4 各種驅(qū)動方式比較
比較內(nèi) 容
驅(qū)動方式
機械傳動
電機 驅(qū)動
氣壓傳動
液壓傳動
異步電機，直流電機
步進(jìn)或伺服電機
輸出力矩
輸出力矩較大
輸出力可較大
輸出力矩較小
氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大
液體壓力高，可以獲得較大的輸出力
控制性能
速度可高，速度和加速度均由機構(gòu)控制，定位精度高，可與主機嚴(yán)格同步
控制性能較差，慣性大，步易精確定位
控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜
可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制
油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
應(yīng)用范圍
適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用
適用于抓取重量大和速度低的專用機械手
可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機械手
中小型專用通用機械手都有
中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用
由上表可知步進(jìn)電機應(yīng)用于驅(qū)動工業(yè)機器人有著許多無可替代的優(yōu)點，如控制性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機械手等，下面就對步進(jìn)電機的型號進(jìn)行選取。
初選電機為BF反應(yīng)式步進(jìn)電機，型號為：90BF001。它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表：
表3-5
電機型號
相數(shù)
步距角
/（°）
電壓
/V
最大靜轉(zhuǎn)矩
/N·m(Kgf·cm)
最高空載啟動頻 率
/HZ
運行頻率
/HZ
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
10Kg·m
分配方式
質(zhì)量
/Kg
90BF001
4
0．9
80
3.92
2000
8000
17.64
四相八拍
4．5
A、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算
傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負(fù)載,在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機軸折算的問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。
（1）、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的折算
由《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-18查出=1.764㎏?cm2
（2）、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量的折算
式中：為圓柱質(zhì)量（Kg），D為圓柱體直徑（cm）,L為圓柱體長度。
對于鋼材，材料密度為,把數(shù)據(jù)代入上式得：
（3）、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的折算
查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表4-2 P119，得出1m長的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為0.94㎏?cm2，絲杠長度L＝420mm，所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量：=0.94×0.42=0.39㎏?cm2；
（4）、手臂轉(zhuǎn)動慣量的折算
工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進(jìn)行計算： 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-6）P8
式中，為絲杠導(dǎo)程（cm）；為工作臺質(zhì)量（kg）。
所以：
（5）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算
B、驗算矩頻特性
步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，從《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-21中查得。步進(jìn)電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：
見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-29）P32
查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-12 P35得＝0.707。所以，
步進(jìn)電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機所需空載啟動力矩可按下式計算：
見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-30）P32
式中：為空載啟動力矩（N?cm）；為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機軸上的加速力矩（N?cm）；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N?cm）；
有關(guān)的各項力矩值計算如下：
（1）加速力矩
見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-32）和（2-33）P32
式中：為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；為電機最大角加速度；為與運動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速；t為運動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時間，為運動部件最大快進(jìn)速度；為初選步進(jìn)電機的步距角；為脈沖當(dāng)量。
（2）、空載摩擦力矩
見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-34）P35
式中：為運動部件的總重量；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；齒輪傳動降速比；為傳動系數(shù)總效率，取＝0.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。
（3）、附加摩擦力矩
見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-35）P35
式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力；為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，現(xiàn)?。?.96。
所以，步進(jìn)電機所需空載啟動力矩：
初選電機型號應(yīng)滿足步進(jìn)電機所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-31）P32
從上式可知電機初步滿足要求。
C、啟動矩頻特性校核
步進(jìn)電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進(jìn)電機從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機達(dá)到了最高運行速度。
查看《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》圖2-21 P36，從90BF001矩特性圖中，可查得：
縱向：空載啟動力矩＝對應(yīng)的允許啟動頻率。查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11 P34，步進(jìn)電機150BF002啟動頻率，
所以所選電機不會丟步。
D、運行矩頻特性校核
步進(jìn)電機的最高快進(jìn)運行頻率可按下式計算：
見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-36）P36
式中：為運動部件最大快進(jìn)速度。算得。
快進(jìn)力矩的計算公式：
見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-37）P37
式中： 為附加摩擦力矩， 為快進(jìn)時，折算到電機軸上的摩擦力矩。算得：
。
查看《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》圖2-22 P36，從90BF001運行矩頻特性圖中，可知：
快進(jìn)力矩＝對應(yīng)的允許快進(jìn)頻率；
所以,所用的電機都滿足快速進(jìn)給運行矩頻特性要求。
綜上所述，所選用的步進(jìn)電機90BF001符合要求，可以使用。
3.2.3.3 軸承的選取
a、環(huán)形軸承3作為機座的支承原件，是為機器人研制的專用軸承，具有寬度小、直徑大、精度高、剛度大、承載能力高（可承受徑向力、軸向力和傾覆力矩）、裝置方便等特點價格高。
b、絲杠下部裝有圓錐滾子軸承，型號為30204， 它的有關(guān)參數(shù)如下：
軸承代號
基本額定
極限轉(zhuǎn)速
r/min
動載荷Ca
/KN
靜載荷C0a
/KN
脂潤滑
油潤滑
30204
28.2
30.5
8000
10000
3.3 工業(yè)機器人的機械傳動裝置的選擇
3.3.1 滾珠絲杠的選擇
估算：等效載荷 Fm = 1000 N , 絲桿有效行程420 mm , 等效轉(zhuǎn)速 nm = 1500 r/min , 要求使用壽命Lh = 15000 h 左右，工作溫度低于100℃，可靠度95%，精度為3級精度。
A、 計算載荷
Fc =
查<機電液設(shè)計手冊> 上冊，表15-21得
= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1
Fc =
= 1.11.01.6111000
= 1771 N
=
=
= 19559 N
B、 選擇滾珠絲桿副的型號
主要尺寸為：
按= 19559N，查《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》表2-9，選用漢江機床廠C1型滾珠絲杠，系列代號為FYC1-4008-2.5。
= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滾珠直徑d0=3.969mm
滾道半徑 R=
偏心距 e==
絲杠內(nèi)徑
≤27 mm , =24000 N , =1880 N
螺旋導(dǎo)程角 γ = arctan = arctan = 3o38′
螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。
C、剛度驗算
按最不利情況考慮，即在螺距(導(dǎo)程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為：
= +
式中 T1 = ··tan( γ+)
= 1000tan(+)
= 1321 N·mm
磨擦系數(shù)f = 0.025, 當(dāng)量磨擦角 = ，
剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2
所以：= +
= 0.0387 μm
其中，危險截面= 35.76，E = 2.06
每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形
= = 6.6 /m < ()p = 15/m
因為滾球絲桿精度要求為3級精度，由表15-8查得
()p = 15/m
所以其剛度滿足要求。
D、計算效率
η= = = 0.960 = 96%
3.3.2 諧波齒輪的選擇
諧波齒輪的特點，與一般齒輪傳動相比，有如下特點：
a、 傳動比大。一級諧波齒輪減速比可以在50～500之間，在只傳遞運動的裝置中可達(dá)1000。采用多級或復(fù)波式傳動時，傳動比可以更大。
b、 這種傳動同時嚙合的齒數(shù)多，可達(dá)總齒數(shù)的30%～40%。故承載能力大。
c、 運動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。
d、 效率高（減速傳動下，一般可達(dá)0.7～0.9），結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量輕。在承載能力和傳動比相同的條件下，比一般齒輪減速器的體積和重量約減少1/2～1/3。
e、 缺點是起動力矩大，柔輪易疲勞損壞，故柔輪的材料和熱處理條件要求高。傳動比小于35時不能采用諧波傳動。
由于諧波減速傳動裝置明顯的優(yōu)點，已廣泛用于機器人和其它機電一體化機械設(shè)備中。
本設(shè)計中的諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由三個基本構(gòu)件構(gòu)成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器。
型號XB1-80-100-2-3/3
機型號100，既柔輪的公稱內(nèi)徑為80mm
減速比100 三大件訂貨
精度等級，最大空回小于3分（角）/最大傳動誤差小于3分（角）
3.3.3 聯(lián)軸器的選擇
該機構(gòu)利用錐環(huán)對之間的磨擦實現(xiàn)與轂之間的無間隙連接傳遞轉(zhuǎn)矩，且可任意調(diào)節(jié)兩面聯(lián)接件之間的角度位置。通過選擇所用錐環(huán)的對數(shù)，可傳遞不同大小的轉(zhuǎn)矩。圖2-12所示為采用錐環(huán)（錐環(huán)夾緊環(huán)）無鍵消隙聯(lián)軸器，可使動力傳遞沒有反向間隙。螺釘5通過壓圈3施加軸向力時，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán)2分別產(chǎn)生徑向彈性變形，消除軸4與套筒1之間的配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力，通過磨擦傳遞轉(zhuǎn)矩，而且套筒1與軸4之間的角度位置可以任意調(diào)節(jié)。
這種聯(lián)軸器定心性好，承載能力高，傳遞功率大、轉(zhuǎn)速高、使用壽命長，具有過載保護(hù)能力，能在受振動和沖擊載荷等惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，安裝、使用和維護(hù)方便，作用于系統(tǒng)中的載荷小、噪聲低。
1——套筒，2——內(nèi)外環(huán)，3——壓圈，4——軸，5——螺栓
圖 3-12 消隙聯(lián)軸器
第四章 工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述
4.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求
工業(yè)機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計算機來實現(xiàn)。因此，機器人控制系統(tǒng)也是一個計算機控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的功能是控制機器人操作機的運動和操作以滿足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機器人的工作任務(wù)是要求操作機的末端執(zhí)行器按點位或軌跡運動，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對工業(yè)機器人的控制功能大致有如下的基本要求和特點。
A、實現(xiàn)對位姿、速度、加速度等的控制功能
在機器人的各類作業(yè)中，運動和控制方式主要有兩種。
1）點位控制方式（PTP控制） 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運動過程中只在某些規(guī)定的點上進(jìn)行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對達(dá)到目標(biāo)點的運動軌跡（包括移動的路徑和運動的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實現(xiàn)，但不易達(dá)到較高的定位精度，適用于上下料、搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè)中。
2）連續(xù)軌跡控制方式（CP控制） 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實現(xiàn)相應(yīng)的運動。這種連續(xù)軌跡運動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點足夠密，就能用點位控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運動。
B、存儲和示教功能
要使機器人具有完成預(yù)定作業(yè)的功能，須先將要完成的作業(yè)示教給機器人，這個操作過程稱為示教，將示教內(nèi)容記錄下來，稱為存儲。使工業(yè)機器人按照存儲的示教內(nèi)容進(jìn)行動作，稱為再現(xiàn)。所以工業(yè)機器人的動作是通過示教—存儲—再現(xiàn)的過程實現(xiàn)的。
C、對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。
4.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案
控制系統(tǒng)采用二級計算機控制方式，選用IBM-PC，80C51系列CPU。
第一級機擔(dān)負(fù)管理，示教編程，控制再現(xiàn)，軌跡正逆運算，機器人語言的編輯和編譯，通過串行通訊方式傳送給二級機做位置給定。第二級機負(fù)責(zé)位置伺服控制軟件的計算，位置檢測等工作，根據(jù)插補算出的各關(guān)節(jié)位置增量做位置給定。
一級機與示教盒通訊采用串行RS-232接口，既接收示教盒信息，完成示教動作，又向示教盒發(fā)送信息，顯示示教情況。還可以連接軟驅(qū)，CRT終端。
二級機接口電路將計算機輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，驅(qū)動伺服控制系統(tǒng)，選用速度單元，伺服電機及光電編碼盤等伺服調(diào)速系統(tǒng)。
4-1 機器人控制系統(tǒng)框圖
4.3 硬件電路的組成
圖3-1是采用MCS-51系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：
i. 主從CPU都采用8031芯片；
ii. 主從CPU各擴(kuò)展程序存儲器27256一片，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器62256一片；
iii. 主CPU擴(kuò)展可編程串行通信接口芯片8251A一片；可編程多功能接口芯片8155一片；電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232一片；
iv. 從CPU擴(kuò)展可編程多功能接口芯片8155六片；D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832六片；運算放大器μA741六片；PWM功率放大器六片；光電編碼器六片；
v. 地址鎖存器、譯碼器各兩片；
vi. 鍵盤電路，顯示電路；
vii. 光電編碼電路，功率放大電路；
viii. 報警電路，暫停、急停電路，復(fù)位電路；
第五章 工業(yè)機器人運行時應(yīng)采取的安全措施
有些國家已經(jīng)頒布了關(guān)于機器人的安全法規(guī)和相應(yīng)的規(guī)程,國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會也有業(yè)機器人安全規(guī)范(ISO/TC184/SC2/WG3-DP10218)。在工業(yè)機器人的生產(chǎn)廠家，有嚴(yán)格的管理規(guī)定和詳盡的技術(shù)保障體系。
在機器人應(yīng)用工程中，要參照有關(guān)規(guī)程、規(guī)范以及工業(yè)機器人的說明資料，注意落實安全措施，杜絕發(fā)生機器人傷人或其它事故。
5.1 安全要求
工業(yè)機器人能代替人在危險有害的環(huán)境中作業(yè)。但又給人另一種危險，即機
器人傷人事故。這是工業(yè)機器人安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意工業(yè)機器人的特殊性，采取相應(yīng)可靠的對策。
對工業(yè)機器人應(yīng)用工程的安全要求有如下幾條：
a、 必須為工業(yè)機器人和周邊設(shè)備安裝安全護(hù)欄，以防止人靠近而造成傷害。工業(yè)機器人的動作范圍不能超越護(hù)欄。
b、 在護(hù)欄出入口的門上必須設(shè)置插拔式電接點點開關(guān)，其插座有導(dǎo)線與控制系統(tǒng)的電路連接。只有拔下開關(guān)的插頭，才能打開對應(yīng)的門。這時，工業(yè)機器人及周邊設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，并且將工業(yè)機器人鎖定在示教模式。
c、 在距操作者的地方設(shè)置緊急停止開關(guān)。按下此開關(guān)，工業(yè)機器人和有關(guān)的設(shè)備立即停止運轉(zhuǎn)。
d、 在人機結(jié)合部設(shè)置傳感器。當(dāng)操作者在此處上、下料或裝卡工作時，控制系統(tǒng)要有相應(yīng)的安全對策。
e、 在生產(chǎn)設(shè)備旁邊的顯著位置用大型指示燈箱表示生產(chǎn)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。如運轉(zhuǎn)、調(diào)試、停止等。
f、 設(shè)置工業(yè)機器人的作業(yè)的作業(yè)原點，并在生產(chǎn)系統(tǒng)的操作盤上設(shè)置相應(yīng)的指示燈，使操作者容易判斷工業(yè)機器人本體的位置狀態(tài)。
g、 示教作業(yè)時應(yīng)降低工業(yè)機器人的運動速度，并且要另有一人專門監(jiān)護(hù)，一但發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停機。
5.2 實施方法
在工業(yè)機器人應(yīng)用工程中，不僅要注意對人員的危險性，而且還要考慮包括工業(yè)機器人在內(nèi)的設(shè)備的安全性。為此生產(chǎn)廠家在工業(yè)機器人及控制系統(tǒng)的軟硬件方面應(yīng)盡可能地增加有關(guān)功能，以確保安全。例如，用軟極限的功能可設(shè)定工業(yè)機器人操作機（本體）的實際動作小于標(biāo)稱最大動作范圍。當(dāng)控制點運動到軟極限位置時，工業(yè)機器人自動停止并報警，不會超越設(shè)定的區(qū)間。因此，可以將工業(yè)機器人本體的動作限制在實際作業(yè)的領(lǐng)域內(nèi)。又如對于弧焊的應(yīng)用，生產(chǎn)廠家可提供一種帶有碰撞傳感器的焊槍把持器及焊槍后，示教作業(yè)及再現(xiàn)運動時，一但焊槍撞上工件或其他物體時，工業(yè)機器人將立即停機。為了確保工業(yè)機器人應(yīng)用工程中的安全，必須實施確保安全要求的具體措施。
鳴謝
在這次畢業(yè)設(shè)計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深一步了解了所學(xué)的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學(xué)知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料，還使我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。經(jīng)過本次設(shè)計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設(shè)計人員的艱難性。在設(shè)計過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導(dǎo)致的，有的是設(shè)計經(jīng)驗方面不足導(dǎo)致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導(dǎo)老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設(shè)計。
雖然我的設(shè)計存在很多不足的地方，但在這兩個多月的時間里，我學(xué)到了很多有用的知識，也積累了一定的設(shè)計經(jīng)驗，這些對于我即將要走向社會工作崗位，將起到很關(guān)鍵的作用。
在此衷心感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師4年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝李作全老師在我的畢業(yè)設(shè)計期間給予的諸多指導(dǎo)。
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