1315-機(jī)器人五自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1315-機(jī)器人五自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)器人,自由度,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 頁(yè)I摘要隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的擴(kuò)大，對(duì)教育培訓(xùn)部門(mén)提出了新的要求，為提高機(jī)器人教學(xué)的水平，我們研制了一套以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目的的機(jī)器人演示系統(tǒng)。本文闡述了機(jī)器人的發(fā)展歷程，國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，及其巨大的優(yōu)越性，提出具體的機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了本演示系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)和各自由度具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算；對(duì)演示系統(tǒng)的控制部分的研制，其中包括：進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制；光電碼盤(pán)為反饋元件的，以 PWM 型功放電路為驅(qū)動(dòng)器的直流電機(jī)閉環(huán)控制；以 89C51 單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)演示系統(tǒng)的鍵盤(pán)管理和 LCD 顯示，并以單 CPU 分時(shí)控制形式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)位控制方式。最后設(shè)計(jì)制定出利用本演示系統(tǒng)所開(kāi)設(shè)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書(shū)。關(guān)鍵字：教學(xué)機(jī)器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閉環(huán)控制、演示實(shí)驗(yàn)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 頁(yè)IIAbstractWith the development of robot technology, the continual expansion of application of industrial robots presents newrequire-ments before education and training agencies.We have developed a robot demonstration system for experiments in training to improve the teaching effect of “Robot Teaching”. Firstly, this paper discusses the development course ,the study both in demestic and in external, the significant advantages of robot and then gives the supporting source of the study and the technical requirements, Secoundly,this paper discusses the overall design and calculation on each degree of freedom ，and about the study on the control part of the Training Robot system,which includes the open-loop control of the stepping motor ,the digital closed-loop control of the DC motor with an optical-electrical encoder as feedback cell and the PWM power amplifier as driver .The keyboard management and the LCD display is based on a 89C51 singal plate computer .It is achieved in point to point control by a singal CPU with share time.At the end, it presents guidances to some experiments on the demonstration system.Keywords: Training Robot、Structure Design、Closed-Loop Control 、Demonstrating Experiment.畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 頁(yè)III目 錄摘要............................................................................................................................1Abstract.....................................................................................................................2第 1 章 緒論 ..........................................................................................................11.1 機(jī)器人概述 ..............................................................................................11.1.1 機(jī)器人的誕 生與發(fā)展....................................................................11.1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r................................................................................21.1.3 國(guó)外機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)....................................................................31.2 機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)教育、培訓(xùn)的要求及本課題的提出 ..............................3第 2 章 總體設(shè)計(jì)方案 ..........................................................................................52.1 總體設(shè)計(jì)的思路 ......................................................................................52.2 總體方案的確定 ......................................................................................52.2.1 坐標(biāo)形式的選擇............................................................................62.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型選擇....................................................................62.2.3 各部位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定................................................................62.2.4 外形尺寸和運(yùn)動(dòng)范圍的確定........................................................72.2.5 控制系統(tǒng)的確定............................................................................7第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 ......................................................................................93.1 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................................................93.1.1 概述................................................................................................93.1.2 手部的結(jié)構(gòu)和手指形狀的確定....................................................93.1.3 手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算和電機(jī)的選擇..............................................103.2 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................................................133.2.1 概述..............................................................................................133.2.2 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)..............................................................................143.3 臂部及機(jī)身（底座）的設(shè)計(jì)計(jì)算 ........................................................183.3.1 概述..............................................................................................183.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算..............................................................................19第 4 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................................................254.1 控制系統(tǒng)方案的確定 ............................................................................25畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 頁(yè)IV4.1.1 控制方案的確定..........................................................................254.1.2 驅(qū)動(dòng)方式的確定..........................................................................254.1.3 控制系統(tǒng)類型的確定..................................................................254.1.4 步進(jìn)電機(jī)控制方式的確定..........................................................264.1.5 直流電機(jī)控制方式的確定..........................................................264.1.6 鍵盤(pán)及顯示方式的確定..............................................................264.2 演示系統(tǒng)的組成 ....................................................................................264.3 驅(qū)動(dòng)電路的研制 ....................................................................................294.3.1 恒流源型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研制..........................................294.3.2 雙極型 PWM 直流力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的研制 ......................314.3.3 光電碼盤(pán)的選擇和辯向電路的研制，......................................334.3.4 直流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。..........................................364.3.5 以單片機(jī)為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制..............................36第 5 章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 ........................................................................................46第 6 章 教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) ................................................476.1 實(shí)驗(yàn)一 教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu) ......................................476.2 實(shí)驗(yàn)二：教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn) ........................................48結(jié)論..........................................................................................................................50專題部分:—— 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的分類及其總結(jié) ............................................................51致謝..........................................................................................................................61參考文獻(xiàn)..................................................................................................................62附錄 1.......................................................................................................................63附錄 2.......................................................................................................................70附錄 3.......................................................................................................................75畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)1第 1 章 緒論1.1 機(jī)器人概述1.1.1 機(jī)器人的誕生和發(fā)展1920 年克作家卡雷爾 .卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》。劇情是這樣的 ：羅薩姆公司把機(jī)器人作為人類生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，讓它去充當(dāng)勞動(dòng)力，以呆板的方 式從事繁重的勞動(dòng)。后來(lái)，羅薩姆公司使機(jī)器人具有了感情，在工廠和家務(wù)勞動(dòng)中，機(jī)器人成了必不可少的成員 。該劇預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)的影響。在劇本中，卡佩克把捷克語(yǔ)“Robota”(農(nóng)奴 ) 寫(xiě)成了“Robot”（機(jī)器人） 。這也是人類社會(huì)首次使用“機(jī)器人”這一概念。自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)的誕生，推動(dòng)了現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展50 年代是機(jī)器人的萌芽期，其概念是“一個(gè)空間機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械臂，一個(gè)可重復(fù)編程 動(dòng)作的機(jī)器”。1954 年美國(guó)戴沃爾發(fā)表了 “通用重復(fù)型機(jī)器人”的專利論文，首次提出“ 工業(yè)機(jī)器人”的概念；1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型；1959 年 美國(guó) UNIMATION 公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。60 年代隨著傳感技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入成長(zhǎng)期，機(jī)器人開(kāi)始向?qū)嵱没l(fā) 展，并被用于焊接和噴涂作業(yè)中。70 年代隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。日本雖起步較晚，但結(jié)合國(guó) 情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵(lì)使用機(jī)器人的措施，其機(jī)器人擁有量很快超過(guò)了美國(guó) ，一舉成為“ 機(jī)器人王國(guó)” 。80 年代，機(jī)器人發(fā)展成為具有各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)、通過(guò)傳感器控制的機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及 時(shí)代，開(kāi)始在汽車、電子等行業(yè)得到大量使用，推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 為滿足人們個(gè)性化的要求，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)趨于小批量、多品種。90 年代初期，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求進(jìn)入了高潮期：1990 年世界上新裝備機(jī)器人 81 000 臺(tái)，1991 年新裝備 76 000 臺(tái)。1991 年底世界上已有 53 萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人工作在各 條戰(zhàn)線上。 隨后由于受到日本等國(guó)經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)2機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也一度跌入低谷。近兩年隨著世界經(jīng)濟(jì) 的復(fù)蘇，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)又出現(xiàn)了一片生機(jī)。90 年代還出現(xiàn)了具有感知、決策、動(dòng)作能力的智能機(jī)器人，產(chǎn)生了智能機(jī)器或機(jī)器人化機(jī) 器。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的概念和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。2000 年出現(xiàn)了仿人機(jī)器人及其他仿生機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和智能水平進(jìn)一步的提高，并以智能體的形式出現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步的擴(kuò)大。1.1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r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)、控制系統(tǒng)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)用工程起步較晚，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)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” 計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000 米水下無(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；在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(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。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)31.1.3 國(guó)外機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：1．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，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 10．3 萬(wàn)美元降至 97 年的6．5 萬(wàn)美元。2．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。3．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)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4．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。5．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。6．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)，而是致力于操作者與機(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。7．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。1.2 機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)教育、培訓(xùn)的要求及本課題的提出采用機(jī)器人會(huì)給我們帶來(lái)很大的方便，機(jī)器人和其他自動(dòng)化裝置最主要的區(qū)別在于機(jī)器人的功能和任務(wù)很容易修改或改變，僅需要改變軟件就可以了，同時(shí)機(jī)器人比一般自動(dòng)化裝備更復(fù)雜，需要更多的軟件和硬件知識(shí)，故一旦大量采用機(jī)器人就需要專門(mén)的培訓(xùn)使用機(jī)器人的具有較高水平和技術(shù)人畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)4員，這無(wú)疑對(duì)教育和培訓(xùn)提出新的要求，大多數(shù)機(jī)器人專家都反復(fù)的強(qiáng)調(diào)需要制定培訓(xùn)計(jì)劃以為新的工作崗位準(zhǔn)備合格的勞動(dòng)力。談到培訓(xùn)，還有個(gè)協(xié)調(diào)的問(wèn)題，工業(yè)和教育團(tuán)體應(yīng)減少培訓(xùn)與需求的協(xié)調(diào)失誤，在校學(xué)生也應(yīng)了解市場(chǎng)情況，在教師的協(xié)助下開(kāi)設(shè)和調(diào)整自己的課程，使所學(xué)的專業(yè)和技能在畢業(yè)的時(shí)候滿足社會(huì)的需求。對(duì)機(jī)器人，人們的頭一個(gè)問(wèn)題就是：機(jī)器人是否會(huì)造成失業(yè)？應(yīng)該說(shuō)大量采用機(jī)器人會(huì)使一部分人喪失工作，然而這一新的產(chǎn)業(yè)所創(chuàng)造的新的就業(yè)機(jī)會(huì)比其消滅的職業(yè)更多，新的職業(yè)需要新的技能，就再需要教育和培訓(xùn)，再次證明，機(jī)器人對(duì)社會(huì)的沖擊就是再培訓(xùn)的課題。大量采用機(jī)器人不回帶來(lái)失業(yè)，在機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用上有七種職業(yè)，即研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用、市場(chǎng)、服務(wù)、維修和教育，而潛在的部門(mén)是機(jī)器人制造部門(mén)，教育機(jī)構(gòu)和機(jī)器人相關(guān)部門(mén)?，F(xiàn)在國(guó)外機(jī)器人制造廠家不僅自己開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程也向?qū)W校提供資助 ，為學(xué)校提供機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)，據(jù)資料顯示，美國(guó)有很多大學(xué)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人課程。早我國(guó)，許多大學(xué)也開(kāi)設(shè)了機(jī)器人方面的課程（如上海交大，華中科技大學(xué)等） ，也有很多研究開(kāi)發(fā)機(jī)器人的研究機(jī)構(gòu)，但資金問(wèn)題是困饒機(jī)器人發(fā)展的障礙，在教學(xué)中也面臨相同的問(wèn)題。但教學(xué)課程上，只是紙上談兵，沒(méi)有一點(diǎn)直觀的印象，關(guān)鍵是設(shè)備問(wèn)題，研制一個(gè)價(jià)格低廉、性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能給學(xué)生以深刻印象的實(shí)驗(yàn)用的教學(xué)演示系統(tǒng)，在這前提和背景下，提出本課題，它能達(dá)到以下目標(biāo)：1. 成本低，必要時(shí)可以降低精度要求，因?yàn)槭菍?shí)驗(yàn)演示裝置。2. 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于學(xué)生掌握機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)。3. 整體尺寸不宜過(guò)大，以擺放實(shí)驗(yàn)臺(tái)為準(zhǔn)。4. 與結(jié)構(gòu)相匹配，為降低成本，采用開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制相結(jié)合5. 各部分結(jié)構(gòu)最好方便拆卸，以便維修保養(yǎng)。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)5第 2 章 總體設(shè)計(jì)方案在確定機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案前，必須對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)基本步驟及其基本原則，使設(shè)計(jì)的方案更合理2.1 總體設(shè)計(jì)的思路設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：一、系統(tǒng)分析階段1、根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。2、分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。3、根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。二、技術(shù)設(shè)計(jì)階段1、根據(jù)系統(tǒng)的要求的自由度和允許的空間空做范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式2、擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖。3、確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型。4、擬訂控制系統(tǒng)的控制原理圖。5、選擇個(gè)部件的具體集體夠，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)。6、繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。下面結(jié)合本演示系統(tǒng)的基本要求和設(shè)計(jì)的基本原則確定本系統(tǒng)的方案。2.2 總體方案的確定提到總體方案的確定，讓我們重復(fù)下本課題的要求：1、它是一個(gè)教學(xué)用的演示系統(tǒng)。2、我們希望它不太大，可以安置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)沙鍋內(nèi)給學(xué)生講解，即小型化、輕型化。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)63、經(jīng)費(fèi)有限，要求成本低。4、在滿足前幾點(diǎn)的要求下，盡可能的要造型美觀。2.2.1 坐標(biāo)形式的選擇有要求可知這是一個(gè)演示的系統(tǒng)，即機(jī)器人的幾個(gè)基本的動(dòng)作的演示，了解機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)、控制方式等，加深對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其適用的工作環(huán)境的了解，綜合考慮選用圓柱型坐標(biāo)，此坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是各動(dòng)作直觀性強(qiáng)，占用空間小，相對(duì)工作范圍大，也常用，而關(guān)節(jié)型、極坐標(biāo)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)直觀性差，而直角坐標(biāo)型占地面積大、工作范圍小，靈活性差。2.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型選擇因?yàn)楝F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中電機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)，基本設(shè)想采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。整體結(jié)構(gòu)布局的確定在確定整體結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到課題的基本要求，覺(jué)得采用模塊式結(jié)構(gòu)，各部位自成體系，組裝方便，根據(jù)思想有圖的個(gè)構(gòu)想，臂部回轉(zhuǎn)電機(jī) 1 通過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) 2 回轉(zhuǎn)，從 而帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)，又臂部電機(jī)帶動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng) 4 縮運(yùn)動(dòng)，5 固定載上實(shí)現(xiàn)腕部的升降，7 為控制腕不粉回轉(zhuǎn)的位置傳感器，8 實(shí)現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)，如圖所示：綜合考慮此設(shè)計(jì)，可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)具有線條簡(jiǎn)潔明快，能使初學(xué)者較快的得其要領(lǐng)，理解工作原理，很適合于機(jī)器人教學(xué)的需要。2.2.3 各部位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定我們從底座開(kāi)始，分別的一一 考慮。首先是臂部的回轉(zhuǎn)，因?yàn)楸鄄康幕剞D(zhuǎn)帶動(dòng)的部件多、慣性大，所以轉(zhuǎn)速不能太高，考慮到用步進(jìn)電機(jī)，要用減速機(jī)構(gòu)，如選用齒輪傳動(dòng)，體積較大，不適合教學(xué)的要求，綜合考慮采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)比較合理，首先能實(shí)現(xiàn)較大畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)7的傳動(dòng)比；其次體積小，便于安裝，其也有傳動(dòng)效率底的缺點(diǎn)，工作過(guò)程中有相當(dāng)一部分的能量要轉(zhuǎn)化成熱，在工業(yè)生產(chǎn)中要裝有散熱的裝置，由于本系統(tǒng)是為教學(xué)演示的，不需要長(zhǎng)時(shí)間的工作，所以溫升不大，不必安裝散熱裝置。臂部伸縮采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，由螺母帶動(dòng)臂部和腕部機(jī)構(gòu)伸縮是，采用普通絲杠傳動(dòng)（主要考慮到價(jià)格）腕部升降也采用絲杠傳動(dòng)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。腕部回轉(zhuǎn)要求重量輕、機(jī)構(gòu)緊湊，故采用直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，但要求轉(zhuǎn)速低，故采用長(zhǎng)時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的直流力矩伺服電機(jī)，位置檢測(cè)采用光電碼盤(pán)。手部回轉(zhuǎn)也采用同樣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中各個(gè)部分實(shí)現(xiàn)連接簡(jiǎn)單，方便拆卸。2.2.4 外形尺寸和運(yùn)動(dòng)范圍的確定考慮到本系統(tǒng)的小型化的要求，可將外形尺寸及各部分的運(yùn)動(dòng)范圍確定如下：1、外形尺寸：600×600×700 范圍內(nèi)2、臂部回轉(zhuǎn)：0～360°3、臂部伸縮：80mm4、腕部升降：70 mm5、腕部回轉(zhuǎn)：0～180°6、手爪回轉(zhuǎn)：90°7、手指開(kāi)合：±5～10°8、抓重 0.5 Kg運(yùn)動(dòng)速度、控制精度的確定因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是教學(xué)演示用的，為節(jié)約資金，對(duì)速度和精度要求較低。2.2.5 控制系統(tǒng)的確定本系統(tǒng)采用 89C51 單片機(jī)控制，臂部伸縮、回轉(zhuǎn)、腕部升降、手爪開(kāi)合采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制；腕部回轉(zhuǎn)和手爪回轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)閉環(huán)控制，畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)8其中步進(jìn)電機(jī)采用單電壓恒流源驅(qū)動(dòng)， ，由單片機(jī)直接發(fā)出控制脈沖信號(hào)。腕部的閉環(huán)控制采用直流力矩電機(jī)加裝光電碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)，顯示部分采用LCD 液晶顯示模塊。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)9第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 本章將詳細(xì)設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)的具體零部件，完成裝配圖和全部零部件圖的設(shè)計(jì)工作，也將完成一些標(biāo)準(zhǔn)器件（如電機(jī)）的選型工作。我們將按結(jié)構(gòu)分塊，分步進(jìn)行設(shè)計(jì)，閱讀本章是請(qǐng)參考總裝圖及零部件。3.1 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1 概述機(jī)器人的手部是最重要的部件。從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)握持工作或工具的部件，由于被握持工件的形狀，尺寸，重量，材料及表面狀態(tài)的不同，其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門(mén)設(shè)計(jì)的，按起我持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類： 1.夾持式，包括內(nèi)撐式和外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。2.吸附式，包括氣吸式和磁吸式等3.1.2 手部的結(jié)構(gòu)和手指形狀的確定在本系統(tǒng)中，抓重為 5N,手指開(kāi)合 5.10。我們決定選擇滑槽杠桿支點(diǎn)回轉(zhuǎn)手部。這種結(jié)構(gòu)可通過(guò)各桿之間的角度或桿長(zhǎng)，該變握力的大小及指間的開(kāi)閉角。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，夾持范圍大，這種手部的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，工作原理清晰易懂，也是機(jī)器人較常用的結(jié)構(gòu)，這些都合乎教學(xué)演示的要求，缺點(diǎn)是工件直徑誤差會(huì)引起夾持后工件的中心發(fā)生移動(dòng)。指端采用V 塊型式，也是機(jī)器人手指形狀中較常用的形式，爭(zhēng)取到手部能從腕部方便地裝拆，以提高通用性。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)10下圖是本系統(tǒng)的手部結(jié)構(gòu)示意圖，具體結(jié)構(gòu)和零部件尺寸見(jiàn)圖紙圖 3-1 手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.1.3 手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算和電機(jī)的選擇我們先做手指工作時(shí)的簡(jiǎn)圖，然后做力的分析1.1.3.1 握力計(jì)算由初始設(shè)計(jì)可知，G=5N則 N= ×G3K——方位系數(shù)，他與手指和工件的形狀，以及手指夾持攻擊的方位有關(guān)。此處，按手指是水平放置，夾持垂直的工件，V 型指端夾圓形棒料的情況考慮。取 = = =2.7643Kfθsin5.017.0i其中 θ —— 型手指半角 ，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知 tgθ=2.75 故 θ=70°畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)11f—為其與工件的摩擦系數(shù)，取 0.17所以N =K3×G=2.764×5=13.82(N)αφ?qǐng)D 3-2 滑槽杠桿式手部受力分析1.1.3.2上圖是滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)及受力分析間圖。絲桿通過(guò)銷軸的向上的拉力（驅(qū)動(dòng)力）是 P，作用與手指上的力，其方向垂直于滑槽的中心線 OO1 和 OO2 ?；蹖?duì)銷軸的反作用力為 P1 和 P2。且其延長(zhǎng)線交 A 、B 點(diǎn)，由于∠OB 和 ∠ OA 為直角，故 ∠AOC =∠BOC = α。根據(jù)軸銷的力平衡條件1O2得： P1=P2；P=2×P1×cosα由手指的力矩平衡條件得： h=N×b1P?因?yàn)? = P1 ，h= αcosa畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)12所以， P= 2b cos α×N×2a式中， a ——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心距離α——工件被夾持時(shí)，手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)線間的夾角，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)取a =25 mm ，b =35mm α= arctg17/25 = 34.22° 所以，銷軸或螺母所受力（驅(qū)動(dòng)力的反作用力）P = 2b cos α×N×2a=26.461（N）考慮工件在加工過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、震動(dòng)及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力為：Ps ≥ P× η 21K?其中：K1——安全系數(shù)，一般取 1.2——1.6，K2——工作情況系數(shù)，且 K2=1+a/gA:機(jī)構(gòu)的加速度。η ——機(jī)械效率Ps≥ P× = =42.2(N)η 21K???95.08./14.6?? 1.1.3.3 扭距計(jì)算我們先來(lái)計(jì)算一下螺旋升角。校核一下此絲桿，螺母機(jī)構(gòu)是否滿足自鎖條件。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，絲桿的公稱直徑 d=12mm螺距 t=2mm螺紋頭數(shù) n=1所以，絲桿中徑 d2=d-0.5t=11mm畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)13螺紋升角λ= arctg =arctg =3.31°2dtn?π 14.32?螺紋的當(dāng)量摩擦角ρv= arctg = rctg =5.91°γcosf?5cos0其中：f,是摩擦副間的摩擦系數(shù)取 0.1是螺紋牙形半角取 15°γλ<ρv所以，此絲桿螺母機(jī)構(gòu)可安全自鎖下面來(lái)計(jì)算驅(qū)動(dòng)力距Tq=T1+T2+T3其中 T1—螺旋副摩擦力矩T1=F×(d2/2)×tg(λ+ρv) (Nm)F – 螺旋副軸向載荷 ,ND2—螺旋副中徑 ， Mρv ——當(dāng)量摩擦角λ——螺旋升角T2(T3)是端面摩擦力矩，此處不計(jì)故 Tq=T1= F×(d2/2)×tg(λ+ρv)=42.2×(11/2) ×tg(3.31°+5.91°)=0.04N1.1.3.4 電機(jī)的選擇至此，根據(jù)上述計(jì)算，我們得出了絲桿上應(yīng)具有的扭 距，據(jù)此，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品樣本手冊(cè)，選用 45BF003 型電機(jī)可以滿足要求.畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)143.2 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1 概述腕部是臂部和手部的連接部件，其作用是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間上的位置和方向，從而增強(qiáng)手部的靈活性，擴(kuò)大手部的工作范圍。腕部應(yīng)具有獨(dú)立的自由度，為使手臂能出于空間的任意方向，腕部應(yīng)具有回轉(zhuǎn)，上下俯仰和左右擺動(dòng)三個(gè)自由度，多數(shù) 情況下，工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手的腕部應(yīng)具有一個(gè)或兩個(gè)自由度，即回轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)上下俯仰（左右擺動(dòng)）3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的腕部結(jié)構(gòu)向其他機(jī)器人一樣，也是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的一部分，將臂部的升降改在腕部實(shí)現(xiàn)，是為了整體結(jié)構(gòu)小型化，同時(shí)增加腕部的靈活性。具體結(jié)構(gòu)參照總裝圖.一、腕部設(shè)計(jì)計(jì)算1、腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)，均是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕啟動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐處的摩擦力距，動(dòng)件與缸壁、端蓋等處的摩擦阻力距，以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合時(shí)所產(chǎn)生的偏重力距。而對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件很多，如果每一件都去校核的話，即太煩瑣，也沒(méi)有必要。所以我們將整個(gè)回轉(zhuǎn)部件分為 4 個(gè)部分。 1）轉(zhuǎn)軸，包括與之相連的螺母、墊母、軸承內(nèi)圈等。2）手部電機(jī)，包括電機(jī)罩等。3）手部換向變速箱，可將它視為 65*65*70mm 的一個(gè)重 0.4mm 的長(zhǎng)方體。4）手指工件，可將它看成是一個(gè) 70*60*50 的長(zhǎng)方體，重 0.8 公斤，重心位置距回轉(zhuǎn)軸線為 65 毫米，由此，手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩Mq=Mg+Mm+Mf畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)15其中：Mg ——慣性力矩。Mp ——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的偏重力矩。Mm ——手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐處的摩擦力矩。Mf ——手腕密封裝置處的摩擦阻力矩。下面我們分別計(jì)算上述四個(gè)力矩。（1）手腕啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩， Mg設(shè) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 ω= π/6/s啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間為 △t =0.4s則 J1=1/2×M1R 2電機(jī)罩及電機(jī)可看作一個(gè)半徑是 50mm，重 0.45 公斤的圓柱體。則 J2=1/2×M1R 2=1/2×0.45×(0..5/2)2變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3=1/2M3(a2+b2)=1/2×0.4×(0..652+0..652)=1.69×10 kgcm23?手部機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J4= 1/2M4(a2+b2 )+M4e2 =1/2×0.8×(0.072+0.0.62)+0.8×0.0652=6.78×10 kgcm23?由此可知，Mg=(J1+J2+J3+J4) ×ω/ △t=(0.0000098+0.00014+0.00169+0.00678) ×π/6/0.4=0.0113(NM)（2） 摩擦力距， Mm先估算兩軸承部位所受的壓力。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)16圖 3-3則根據(jù)力的平衡，所以，N =20.4N25698.0?再考慮其他因素影響，附加一定系數(shù)，可令，N1=N2=35（N）又由軸承部位尺寸，D1= 0.02m D2=0.015m所以，Mm=f/2×(ND1+N2D2)=(0.012/2) ×35×(0.02+0.015)=0.00735(NM)（3）偏重力矩，Mp根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知，其余部分重心在回轉(zhuǎn)軸線上，因此不產(chǎn)生偏重力矩，只有手爪部分產(chǎn)生偏重力矩，所以，Mp=G4×e=0.8×9.8×0.065=0.50(Nm)(4)密封處的摩擦阻力距本系統(tǒng)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)密封沒(méi)有嚴(yán)格要求，這部分阻力距可以咯去不計(jì)。綜上所述，考慮一定的安全系數(shù)。有Mq=1.1×(Mg+Mm+Mp)=1.1×(0.0113+0.0074+0.50)=0.570(Nm)據(jù)此數(shù)據(jù)，可選用 60LY003 型直流力矩電機(jī)。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)17二、腕部升降的設(shè)計(jì)計(jì)算首先，校核螺旋副的自鎖性。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，公稱尺寸 d=18mm, 梯形螺紋牙型角α =30° ,螺距 t=4mm, 中徑 d2=d-0.5t=18-0.5×4=16mm 螺旋副為鋼——青銅，取摩擦系數(shù) f=0.14所以，當(dāng)量摩擦角 ρv= arctg = arctg =8.2°）α 2/cos(f ?15cos4.0摩擦角 λ= arctg = arctg =4.55°2dtn?π 614.3?λ〈ρv ，滿足自鎖條件。下面來(lái)計(jì)算腕部升降所需的驅(qū)動(dòng)力 手腕腕 部結(jié) 構(gòu)圖 3-4 腕部結(jié)構(gòu)受力分析上圖給出了整個(gè)腕部的受力情況。隨著腕部的移動(dòng),由腕部結(jié)構(gòu)的重量Gw，手指和工件的重量 Gs 將在 A 、B 兩點(diǎn)形成壓力 N1、 N2，從而形成摩擦力 F1 和 F2,而電機(jī)提供的力矩應(yīng)能克服 F1 F2 腕部所有結(jié)構(gòu)的重量 Gqw 。由力矩平衡得：N1×30=Gw×44+Gs×(65+44)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)18估算 Gw=24.5N Gs=7.84N Gqw=35N所以,N1=N2= = =64.4(N)30194??Gsw301984.75.24??F1=F2=N1×f=64.4×0.11=7.08(N)所以加在螺母上的全部軸向力P=Gqw+2F1=35+2*7.08=49.168(N)考慮啟動(dòng)時(shí)的慣性力、震動(dòng)和機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力PSJ≥P× η K21?其中 K1——安全系數(shù)，取 K1=1.2 V～ 1.6K2 ——工作情況系數(shù)，取 K2=1+a/g a: 機(jī)構(gòu)的加速度η——機(jī)械效率 取 η=0.85所以驅(qū)動(dòng)力矩為 Tq= PSJ×(d/2)tg(λ+ρv)/1000=75.97×8×tg(8.247+4.55)/1000=0.138（Nm）根據(jù)這一數(shù)據(jù)，查閱資料，選用 55BF003 型步進(jìn)電機(jī)可滿足要求。3.3 臂部及機(jī)身（底座）的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1 概述機(jī)身表示直接連接支承，傳動(dòng)手臂和行走機(jī)構(gòu)的部件，一般情況下實(shí)現(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)部件都安裝在機(jī)身上。臂都的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況越復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定式，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機(jī)構(gòu)，可沿地面過(guò)架空軌道運(yùn)動(dòng)。手臂部件（簡(jiǎn)稱臂部和手臂）是機(jī)器人的組要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部（關(guān)節(jié)）和手部（包括工件和工具） ，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)，臂部還安裝一些傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從臂部的受力情況來(lái)看，它在工作中直接承受腕，畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)19手和工件的靜動(dòng)載荷，自身運(yùn)動(dòng) 又較多，所以受力情況復(fù)雜。我們采用機(jī)座式機(jī)身,臂部安裝在機(jī)座立柱的頂端,在臂部只實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng),而臂部的回轉(zhuǎn)由機(jī)座上安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)立柱帶動(dòng)臂部回轉(zhuǎn),由于臂部質(zhì)量大,而且手及腕部君安在臂部,驅(qū)動(dòng)臂部回轉(zhuǎn)的功率較大,,這樣的配置可以使結(jié)構(gòu)大的部分裝在機(jī)座內(nèi),可以避免頭重腳清的影響,同時(shí)應(yīng)盡量的是臂部的結(jié)構(gòu)重心靠近立柱,臂部和立柱連接是快速可換的,以實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)的思想—條塊清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.臂部的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成板狀連接的,這樣可以減輕臂部的質(zhì)量,可以提高剛度,加工時(shí)方便實(shí)現(xiàn),驅(qū)動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu),為降低成本,沒(méi)有采用滾珠絲杠,只采用滑動(dòng)絲杠.臂部回轉(zhuǎn)的速度和加速度都不應(yīng)過(guò)大,所以減速環(huán)節(jié)就要有較大的傳動(dòng)比,這里采用蝸輪、蝸桿一級(jí)減速,沒(méi)有采用多級(jí)齒輪減速(其一級(jí)減速齒輪太大),其基本參數(shù)如下:傳動(dòng)比:i=62中心距;a=40mm 蝸桿頭數(shù) Z2=1,蝸輪齒數(shù) Z2=Iz1=62齒形角 α=20° 模數(shù) m=1 蝸輪變位系數(shù) X2=0蝸桿軸向齒距 Px=πm蝸桿分度圓直徑 d1=mz1/tanγ=18(標(biāo)準(zhǔn)值)蝸桿齒頂圓直徑 da1=d1+2ha1=d1+2ha*=18+2×1=20蝸桿齒根圓直徑 df1=d1-2hf1=d1-2m(ha*+c*)=18-2×1.2=15.6蝸桿齒頂高: ha1=ha *m=1 ha*=1頂隙 c=c* ×m=0.2 c*=0.2蝸桿齒根高: hf1=(ha *+ c*)m= (d1-df)=1.221蝸桿齒高: h1=ha1+hf1= (da1-df1)= (20-15.6)=2.2蝸桿齒寬: b1=50 查表得蝸輪分度圓直徑:d2=m Z2=2a1-d1-2 X2m=80-18=62蝸輪齒頂圓直徑:da2=d2+2ha2=62+2=64蝸輪齒根圓直徑: df2=d2-2hf2=62-2.4=59.6蝸輪齒頂高:ha2=(da2-d2)/2=m(ha *+ X2)=1蝸輪齒根高: hf2= (d2-df2)=1(1+0.2)=1.221畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)20蝸輪齒高:h2=ha2+hf2=1.2+1=2.2蝸輪齒寬:b2=15 查表3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算1、手臂做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的所需要的驅(qū)動(dòng)力P 驅(qū) =P 慣 +P 摩 +P 密 在此估算所有參與臂部伸縮運(yùn)動(dòng)零件的總質(zhì)量為=20Kg?M(1) P 慣 手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性力因演示系統(tǒng)對(duì)速度沒(méi)有嚴(yán)格的要求,故可設(shè)正常運(yùn)動(dòng)速度 V=0.005m/s,設(shè) 0.1 秒加速到正常運(yùn)動(dòng)速度則啟動(dòng)加速度 a=0.05(m/s2 )所以 P 慣= ×a=20×0.05=1(N)(2) P 摩 —摩擦阻力矩P 摩 =2f× g=2×0.12×20×9.8=47.02(N)M(3) P 密 —本系統(tǒng)對(duì)密封并無(wú)嚴(yán)格要求,故忽略不計(jì)所以 P 驅(qū) =P 慣 +P 摩 +P 密 =1+47.02=48.02在根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),知螺旋副公稱值為 T26×4即中徑 d=26mm 螺距 t=4mm 牙形角 α=30°所以 中徑 d2=d-0.5t=26-0.5×4=24mm ，螺紋頭數(shù) n=1所以，當(dāng)量摩擦角 ρv= arctg = arctg =7.04°）α 2/cos(f?15cos2.0摩擦角 λ= arctg = arctg =3.04°2dtn?π 41.3?由此可知摩擦力和慣性立力共同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為T(mén)1= (P 慣 +P 摩) d2/2 ×tg(λ+ρv)/1000=(1+47) ×12×tg10.12°/1000畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)21=0.122(Nm)現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件所產(chǎn)生的慣性矩現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件可以看作是半徑 24mm 質(zhì)量 1.5 千克的光軸,起轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J S 絲 = m 絲×R 2 =0.5×1.5×0.01221=1.08×10-3 Kgcm3絲杠角速度 ω= = =25π( rad/s)tπ υ 0.451?啟動(dòng)時(shí)間為 0.1 秒則絲杠產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩T2=J 絲 ×ω/△t=1.08×10 -4 ×25×3.14/0.1=0.085(Nm)所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)最小力矩為 T 驅(qū)=T1+T2=0.122+0.085=0.207( Nm)根據(jù)實(shí)際需要和整體布局,要選大點(diǎn)的電機(jī)使臂部平衡,綜合選擇 90BF003型步進(jìn)電機(jī).2、臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)不見(jiàn)支撐處的摩擦力矩計(jì)算,且啟動(dòng)過(guò)程中不是等加速運(yùn)動(dòng),故最小驅(qū)動(dòng)力比理論大些所以 .M 驅(qū)=1.3(M 慣 +M 摩 )/η其中, η 為蝸輪,蝸桿傳動(dòng)效率 取 0.85M 慣 啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩M 摩 摩擦力矩J 臂部零部件對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ω 回轉(zhuǎn)部件的角速度 取 ω=π/6(弧度/s)△t 啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間 取 0.5 秒(1)計(jì)算慣性力矩 M 慣 各部件的重量和距回轉(zhuǎn)軸線的距離見(jiàn)下圖畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)22圖 3-5 臂部機(jī)構(gòu)力矩分析各部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:J1=J c1+M1ρ 12=0.5×1×(0.072+0.062)+1×0.242=0.064Kgm2J2=J c2+M2ρ 22=0.5×4×(0.072+0.12)+4×0.182=0.01545Kgm2J3=J c3+M3ρ 32=0.5×3×(0.072+0.132)+3×0.122=0.0759Kgm2J4=J c4+M4ρ 42= 2+L2)+M4ρ 42= 2+0.222)+10×0.222RM(109.3(1?=0.061+0.484=0.545 Kgm2J5=J c5+M5ρ 52= 2+L2)+M5ρ 52= 2+0.12)+2×0.2523( .(畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)23=0.0057+0.125=0.1307 Kgm2J5= M5ρ 52= ×1.5×0.0252=0.00047 Kgm21所以慣性力矩 M 慣 = ×(ω/△t)=(J1+J2+J3+J4+J5+J6)×(π/6/0.5)?J=(0.064+0.115+0.076+0.545+0.130+0.0005)×(3.14/6/0.5)=0.9405+1.047=1.016(Nm)(2)計(jì)算摩擦力矩 M 摩 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)24總圖 3-6 摩擦力矩的計(jì)算如上圖所示可先求出臂部結(jié)構(gòu)的重心位置,在求各部分軸承的支反力,由圖可以知畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)25L= ???????51 2506420382401iMM= 034?以 O2 為支點(diǎn)求支反力 N1N1= = =42(N)lMg?1258.9可知 N2=N1=42NN,而軸承所受正壓力約為 200N所以摩擦力矩 M 摩 = (N1 D1+N2D2)= (42×0.04+42×0.03)=0.02 Nmf01.所以驅(qū)動(dòng)力矩 M 慣 = = =1.58Nmη 慣 ）摩（ ??3. 85.0263.）（ ??據(jù)此,我們選用步進(jìn)電機(jī)為 90BF003 型畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (或 論 文 )說(shuō) 明 書(shū) 共 77 頁(yè)26第 4 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)機(jī)器人控制方案的確定，主要以教學(xué)為目的，以控制簡(jiǎn)單，成本底為原則，根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)制定適當(dāng)?shù)目刂品桨浮?.1 控制系統(tǒng)方案的確定4.1.1 控制方案的確定機(jī)器人
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