畢業(yè)設(shè)計（論文）機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、 大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)題 目 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 專業(yè)班級專業(yè)班級 機械機械 06-206-2 班班 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 職稱職稱教教 授授 所在單位所在單位 大大 連連 交交 通通 大大 學(xué)學(xué) 教學(xué)部主任教學(xué)部主任 完成日期完成日期 20102010 年年 7 7 月月 2 2 日日摘摘 要要在工業(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。自問世以來，倍受世界各國的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。移動機器人作為機器人學(xué)的一個重要分支，其研究

2、工作始于20世紀60年代。移動機器人的最成功應(yīng)用是動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運，用于完成機床之間、機床與自動倉庫之間的工件工具傳送等點位作業(yè)。本論文研究的是根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定機器人，利用電機驅(qū)動和三輪全向軸來實現(xiàn)機器人的運動；利用另一臺電機驅(qū)動皮帶，從而使與方塊滑行軸套連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動。與具有同樣功能的固定基座搬運機器人相比，具有更大的工作空間和和負載車重比。文中首先論述了近年來工業(yè)搬運機器入和移動機器人技術(shù)研究的發(fā)展狀況，接著在此基礎(chǔ)上對三輪全向軸搬運機器人進行了系統(tǒng)分析，然后提出了各個功能模塊的實現(xiàn)方案。這些模塊包括移動載體、操作臂、控制系統(tǒng)、等。最后，用機器人樣機進行了搬運模擬

3、物料的功能實驗，驗證了設(shè)計方案的可行性。本文對機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行重點研究。通過結(jié)構(gòu)選型分析，并對該載體進行了運動分析，進而確定了機器人系統(tǒng)的控制方案。在這一控制方案中完成了所要求的任務(wù)與要求。關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：三輪全向軸 機器人 搬運 結(jié)構(gòu)設(shè)計abstractin industry, automatic control system has a wide range of applications such as industrial automation, machine control, computer systems, robotics. the robot is a relative

4、ly new electronic equipment, it is beginning to change the face of modern industry. since its inception, and has never concerned about the world and is widely used in industries. mobile robot as an important branch of robotics, the research began in the 20th century 60s. the most successful applicat

5、ion of mobile robot is moving production of material handling systems for the complete machine, between machines and automatic warehouse transfer between the workpiece tool such as point and work. of this thesis is based on the content and design of robot needs to determine, using motor-driven three

6、-axis to achieve omnidirectional robot; use another motor drive belt, so that together with the box, slide the sleeve arm up and down movement to achieve. and has the same functions than the fixed base handling robot, with more work space and weight and the load ratio. the paper first discusses the

7、recent industrial handling machines and mobile robotics research into the development of the situation, and then based on this three-axis handling robot to carry out the whole system analysis, and proposed implementation scheme of the various functional modules. these modules include mobile carriers

8、, operating arm, the control system, and so on. finally, the robot has conducted a simulation of material handling function experiments demonstrate the feasibility of design. in this paper, the structural design of the robot carry out focused research. through the selection of structural analysis an

9、d dynamic analysis of the vector, and then determine the robots control program. in the control program completed the required tasks and requirementskeywords: 3-omni-axis robot transportaion structural design目目 錄錄1.1. 課題分析課題分析.11.11.1 簡介簡介.11.21.2 課題意義課題意義.21.2.1 機器人技術(shù)研究的發(fā)展狀況.21.2.2 搬運機器人經(jīng)歷的三個進程.21.

10、2.3 三代物料搬運機器人共同特點.21.31.3 課題的設(shè)計工作任務(wù)要求課題的設(shè)計工作任務(wù)要求.22.2. 機械方案設(shè)計分析機械方案設(shè)計分析.32.12.1 具體設(shè)計要求分析具體設(shè)計要求分析.32.1.1 總體方案擬定設(shè)計方案.32.1.2 工作載荷.32.13 運動參數(shù).32.22.2 工作原理分析工作原理分析.32.2.1 運動原理分析.32.2.2 力傳遞分析（主動件到執(zhí)行件） .43.3. 設(shè)計組成要素分析選擇設(shè)計組成要素分析選擇.43.13.1 基本組成結(jié)構(gòu)基本組成結(jié)構(gòu).43.23.2 動力分析動力分析.53.33.3 傳動部件分析傳動部件分析.63.3.1 軸的強度計算 .63.

11、3.2 電機的選擇 .73.43.4 執(zhí)行部件分析執(zhí)行部件分析.84.4. 機械零件設(shè)計計算機械零件設(shè)計計算.114.14.1 機械零件設(shè)計計算機械零件設(shè)計計算.114.1.1 機器人的組成及各部分關(guān)系概述.114.1.2 機器人系統(tǒng)組成 .114.1.3 機器人結(jié)構(gòu)簡圖和機器人的外形圖 .124.14 機器人主要技術(shù)性能參數(shù) .134.24.2 機器人運動時執(zhí)行件的載荷計算，動力參數(shù)計算機器人運動時執(zhí)行件的載荷計算，動力參數(shù)計算 .14結(jié)結(jié) 論論.18謝謝 辭辭.19參考文獻參考文獻.20大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）11.1. 課題分析課題分析1.11.1 簡

12、介簡介機器人作為 20 世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自 60 年代初問世以來，經(jīng)歷 40 余年的發(fā)展已取得長足的進步。工業(yè)機器人在經(jīng)歷了誕生成長一一成熟期后，已成為制造業(yè)中不可或缺的重要設(shè)備，世界上有約 75 萬臺工業(yè)機器人正戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。機器人技術(shù)雖然以工業(yè)機器人起步，但近年來隨著社會的進步和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是在微電子技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)、材料技術(shù)等學(xué)科迅速發(fā)展的支持下，機器人的種類日益繁多，性能不斷地改進，工作領(lǐng)域也在不斷地擴大現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進入 80 年代以來，機器人技術(shù)的進步以及在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達國家均把機器人技

13、術(shù)的開發(fā)、研究列入高新技術(shù)發(fā)展計劃，機器人的研究領(lǐng)域和開發(fā)類型也在逐漸拓寬和增多。移動機器人作為機器人學(xué)的一個重要分支，其研究工作始于 20 世紀 60 年代。移動機器人的最成功應(yīng)用是動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運，用于完成機床之間、機床與自動倉庫之間的工件工具傳送等點位作業(yè)。點位機器人是一種能夠在傾斜或垂直壁面進行移動作業(yè)的極限點位作業(yè)機器人，也是一種移動機器人。近年來，機器人應(yīng)用從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域擴展。由于這種擴展，機器人在諸如野外作業(yè)、深海探測以及一些人類本身所不能進入的特殊環(huán)境的作業(yè)中，正在發(fā)揮越來越大的作用，近年來機器人研究在多方面都已經(jīng)取得了很大的進展, 研究的成果必將成為各行各業(yè)提

14、高生產(chǎn)力的強有力的工具. 我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五” 、 “八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件、運動學(xué)、和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺配套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，

15、我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， “一客戶，一次重新設(shè)計” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、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)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）21.21.2 課題意義課題意義 1.2.1 機器人技術(shù)研究的發(fā)展狀況近年來工業(yè)搬運機器入和移動機器人技術(shù)研究的發(fā)展狀況，接著在此基礎(chǔ)上對輪式物料搬運機器人進行了系統(tǒng)分析

16、，然后提出了各個功能模塊的實現(xiàn)方案。這些模塊包括移動載體、操作臂、控制系統(tǒng)、無線通訊模塊等。最后，用機器人樣機進行了搬運模擬物料的功能實驗，驗證了設(shè)計方案的可行性。本文對物料搬運機器人的移動載體和控制系統(tǒng)進行了重點研究。1.2.2 搬運機器人經(jīng)歷的三個進程（1）第一代搬運機器人主要特征是示教再現(xiàn)型，具備各種遙控操作器。（2）第二代搬運機器人的主要特征是帶有傳感系統(tǒng)，可以離線編程。這種傳感系統(tǒng)使得機器人具有視覺、觸覺等功能，可以完成最精密的元件檢測、裝配、物料的裝卸等。（3）第三代搬運機器人的主要特征是具各自治能力。它不僅具備感覺功能，而且根據(jù)這些感覺，它還有一定的決策及規(guī)劃能力：能根據(jù)人的命令

17、，按所處環(huán)境自行決策，規(guī)劃出行動。目前尚處于開發(fā)之中。1.2.3 三代物料搬運機器人共同特點：操作臂的基座被固定在地板上。這就決定了它們只能在有限的工作空間內(nèi)完成操作任務(wù)。另外，由于采用串聯(lián)機構(gòu)作為操作臂，使得負載與機器人機體重量的比值很小，而且運動誤差會通過各個關(guān)節(jié)被不斷累加，導(dǎo)致操作臂精度下降，這些情況極大的限制了物料搬運機器人的應(yīng)用。1.31.3 課題的設(shè)計工作任務(wù)要求課題的設(shè)計工作任務(wù)要求亞太地區(qū)大學(xué)生機器人競賽是高水平的競賽活動，體現(xiàn)大學(xué)生機械結(jié)構(gòu)、自動控制設(shè)計、制作、性能調(diào)試等綜合能力。2010 年大學(xué)生機器人競賽將于 9 月份在埃及開羅舉行，設(shè)計題目及要求由埃及確定。根據(jù)給定的設(shè)

18、計要求，搬運石塊的機器人結(jié)構(gòu)。設(shè)計要求：自重20kg，底架結(jié)構(gòu)尺寸1000*1000mm，三輪結(jié)構(gòu)，三個輪分別用電機驅(qū)動，上肢可以相對底架上下、位移量可調(diào)節(jié)控制最大位移量 500mm. 1、查閱資料，寫出調(diào)研報告 3000 字左右，翻譯外文資料（外文字符 1 萬左右、漢字 3000 字左右）；2、結(jié)合設(shè)計參數(shù)要求，確定機器人的工作原理方案及結(jié)構(gòu)幾何尺寸；3、計算主軸載荷、確定主軸的設(shè)計結(jié)構(gòu)及尺寸；4、確定主軸的轉(zhuǎn)動功率及控制方式；5、畫出裝配圖（a0 圖紙一張）、主要零部件圖（折合 a0 圖紙二張）。6、編寫設(shè)計說明書（1 萬字左右）大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）

19、32. 機械方案設(shè)計分析機械方案設(shè)計分析2.12.1 具體設(shè)計要求分析：工作載荷、運動參數(shù)要求具體設(shè)計要求分析：工作載荷、運動參數(shù)要求2.1.1 總體方案擬定設(shè)計方案在工業(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)容和需求確定機器人，利用電機驅(qū)動和三輪全向軸來實現(xiàn)機器人的運動；利用另一臺電機驅(qū)動皮帶，從而使與方塊滑行軸套連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動2.1.2 工作載荷（1）車的載荷 20kg （2）升降載荷 手臂 4kg+載物 1kg=5kg（3）車身重 15kg2.1.3 運動參數(shù)（

20、1）運行速度 1 米/秒 （2）手臂上下速度 0.5 米/秒2.22.2 工作原理分析工作原理分析2.2.1 運動原理分析1全向輪工作原理全向移動機器人具有全向運動能力的關(guān)鍵在于其全向輪系結(jié)構(gòu)(全向輪系的基本構(gòu)造是大輪邊緣套有側(cè)向小輪!這樣機器人在橫向移動時始終保持與地面為滾動摩擦!大大減少移動阻力(目前!全向輪結(jié)構(gòu)主要有 2 種(一種為互補結(jié)構(gòu)!這種結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定!始終有一個小輪的邊緣可以著地!輪子的寬度較寬!承載能力強!但會給空間布局帶來一定影響!另外著地點會內(nèi)外交錯!這樣對機器人的旋轉(zhuǎn)會造成非線性影響!使機器人在運動方向上有所偏移(另外一種是非互補結(jié)構(gòu)!大輪外緣使用較多的小輪!這種結(jié)構(gòu)輪子

21、的寬度可以比較小!并且著地點始終在一個圓上!不會對機器人帶來非線性影響!但是!由于 2 個小輪之間有間隙!所以輪子的直徑在運動中會有變化!機器人的上下振動會比較大!并且其承載能力不如前一種結(jié)構(gòu)大(其直徑的變化幅度為) rncosr*18010(1)公式中!n 小輪個數(shù)這 2 種輪系相比較!從控制精確性和結(jié)構(gòu)緊湊角度分析!第 2 種較好(但考慮到中型組機器人體積大!重量重的特點對結(jié)構(gòu)緊湊要求不像小型組機器人要求那么高而對承載能力卻有一定的要求雖然第 1 種輪系在機器人旋轉(zhuǎn)時存在非線性影響但這一點可以通過視覺反饋進行修正。因此我們采用了互補結(jié)構(gòu)的第 1 種輪系。設(shè)計時在強度許可的情況下使相鄰兩小輪

22、的互補重疊區(qū)盡量寬這樣機器人在運動中更加平穩(wěn)。大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）42升降工作原理電機通過減速箱增大扭矩輸出帶動同步帶轉(zhuǎn)動將重物提升到高處。 3手臂工作原理插入重物中心孔來達到目的2.2.2 力傳遞分析（主動件到執(zhí)行件）1 主動件到執(zhí)行件通過彈性聯(lián)軸器實現(xiàn)。(1).彈性聯(lián)軸器通常由金屬圓棒線切割而成，常用的材質(zhì)有鋁合金、不銹鋼、工程塑料。彈性聯(lián)軸器運用平行或螺旋切槽系統(tǒng)來適應(yīng)各種偏差和精確傳遞扭矩。(2).彈性聯(lián)軸器通常具備良好的性能而且有價格上的優(yōu)勢，在很多步進、伺服系統(tǒng)實際應(yīng)用中，彈性聯(lián)軸器是首選的產(chǎn)品。(3).一體成型的設(shè)計使彈性聯(lián)軸器實現(xiàn)了零間隙

23、地傳遞扭矩和無須維護的優(yōu)勢。彈性聯(lián)軸器主要有以下兩個基本的系列：螺旋槽型和平行槽型2. 主動件到執(zhí)行件通過傳動帶（齒形帶）。(1)齒型帶亦稱同步帶，分為單面齒帶和雙面齒帶兩種類型。前者主要用于單軸傳動，后者為多軸或反向傳動，系從 1980 年以來世界新出現(xiàn)的又一種高效傳動帶。齒型帶根據(jù)齒的形狀又分為梯形和圓弧形兩種，以圓弧形齒的同步帶所承受的扭矩為最大。從所用材料上，齒型帶可區(qū)分為橡膠型和聚氨酯型兩大類，而前者又有普通橡膠(通常為氯丁橡膠)和特種橡膠(多為飽和丁腈橡膠)之分。它們的結(jié)構(gòu)是由鋼簾線或玻璃纖維組成的強力層和以橡膠及尼龍布形成的外包橡膠層或聚氨酯膠層構(gòu)成。 (2) 齒型帶包括多楔帶，

24、近 20 年來在工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展極為迅猛，正在不斷地侵蝕傳統(tǒng)的金屬齒輪、鏈條以及橡膠方面的平板帶和三角帶市場。目前，除已大量用于汽車及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之外，并進一步擴大到 oa 機器(辦公設(shè)備)、機器人等各種精密機械的傳動。由于膠帶內(nèi)側(cè)帶有彈性體的齒牙，能實現(xiàn)無滑動的同步傳動，而且具有比鏈條輕、噪音小的特點，現(xiàn)今歐洲 80以上的轎車、美國 40的轎車都已裝用了這種齒型帶。我國 2000 年生產(chǎn)汽車 200 萬輛，齒型帶需要 700 萬條以上。最近出現(xiàn)的圓齒帶較之方齒帶，更進一步增大了傳動力和肅靜性，作為新一代的環(huán)保帶，其使用范圍更趨廣泛?，F(xiàn)在，已開始成為對同步傳動、噪音要求極為嚴格的家用和工業(yè)用縫紉機

25、、打字機、復(fù)印機的使用對象。3. 設(shè)計組成要素分析選擇設(shè)計組成要素分析選擇3.13.1 基本組成結(jié)構(gòu)：對確定的方案進行分析說明組成結(jié)構(gòu)特點?；窘M成結(jié)構(gòu)：對確定的方案進行分析說明組成結(jié)構(gòu)特點。大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）5三輪全向底盤控制的三個階段：1 .判斷起始位置 包括車身相對于比賽場地的位置和車身自身與初始化時的車體角度。2 .向目標速度加速的過程 根據(jù)實際情況計算出最終理想速度，三個電機從起始速度加速到目標速度需要一定的時間，而在這個時間內(nèi)三個電機的加速度的值必須成一定的比例，不然車體會出現(xiàn)一定的偏差，針對這個問題需要進行對控制器 a 的調(diào)節(jié)，和綜合外部

26、反饋進行一定的調(diào)節(jié)，消除已經(jīng)發(fā)生的和即將發(fā)生的誤差。3 .底盤達到目標速度進行正常的尋跡。 這個過程需要大量的外部反饋和對應(yīng)抵消誤差，以準確的達到預(yù)定位置。這個預(yù)定位置會被作為下次運動的起始位置。3.23.2 動力分析動力分析不同動力的適用條件，選定的類型如何使機器人具有良好的運動性能是進行車體布局及運動機構(gòu)設(shè)計時首先要考慮的因素。其設(shè)計原則主要體現(xiàn)為：減少重量!重心盡量低降低轉(zhuǎn)動慣量增加穩(wěn)定性以及增強抗碰撞能力#。減少重量主要從材料上考慮盡量使用輕型高強度材料如鋁合金等。增加穩(wěn)定性主要考慮各部件的連接方式。增強抗碰撞能力主要考慮使用防護材料以及減震等。降低轉(zhuǎn)動慣量是車體布局主要考慮的問題就是

27、盡量使車體重心位于機器人中心。對于中型組機器人的設(shè)計由于空間比較大對于結(jié)構(gòu)緊湊性的要求沒有小型組那么高由于運動控制復(fù)雜度的原因盡量采用對稱的布局結(jié)構(gòu)。整個機器人布局分為 3 層：最上面一層為視覺攝像頭支撐機構(gòu)以及車載筆記本電腦的存放空間中間一層為電路板及控制器的存放空間射門機構(gòu)一般也位于這一層最下層為輪系驅(qū)動機構(gòu)為了使重心盡量低可將電池置于最下層?？紤]到體積大的特點整個結(jié)構(gòu)采用板柱結(jié)構(gòu)各層用支撐桿以及螺絲連接。機器人布局結(jié)構(gòu)如圖所示電機的性能直接影響著機器人的運動性能并且對機械結(jié)構(gòu)也會有一定的影響。為了方便控制可以選擇高電壓如 24v(低電流的直流伺服電機.選擇伺服電機的時候需要考慮功重比!外

28、形尺寸!力矩和轉(zhuǎn)速等多重因素其中力矩和轉(zhuǎn)速是主要考慮的因素它們直接決定著機器人小車的加速度和速度 2 個最重要的性能指標在設(shè)計時首先要估算出機器人的質(zhì)量確定機器人小車的設(shè)計速度和加速度然后根據(jù)運動學(xué)和動力學(xué)模型計算出負荷最大以及速度最大全向輪上所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速作為設(shè)計電機經(jīng)減速器后的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速進而確定電機的扭矩和額定轉(zhuǎn)速大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）6圖 3-1 機器人布局結(jié)構(gòu)3.33.3 傳動部件分析：傳動要求（傳動比、傳動精度等），選定類型。傳動部件分析：傳動要求（傳動比、傳動精度等），選定類型。3.3.1 軸的強度計算1.軸的強度計算圖 3-2 軸的結(jié)

29、構(gòu)和載荷圖由圖 3-2 可知：合或產(chǎn)矩： m= (3.1)22vnmm公式中：水平面彎矩圖nm大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）7 m 垂直面彎矩圖vm=22430600 =706n/m扭矩：t=1230n/m (3.2)由公式：d=21.68 (3.3)3122)(ptm公式中：d軸的直徑（mm） m軸在計算截面所受彎矩（n /m） t 軸在計算截面所受扭矩（n /m） 校正系數(shù) 軸的需要彎曲應(yīng)力（mpa）p1 d =21.68=51.8322200)1230*7 . 0(m當(dāng)零件用緊配合裝于軸上時，如果截面上有鍵槽時，應(yīng)將求得的軸徑增大，查手冊可知，當(dāng)有一個鍵槽時

30、，且軸徑小于 60mm 時，軸徑增大值為 5%，所以實際軸徑應(yīng)為：d=d（1+5%）=54.4 圓整取 55mm 所以階梯軸的最小直徑合格。3.3.2 電機的選擇1 電機功率：p=fv=mgv (3.4)公式中：m車的載荷重量 kgg重力加速度 m/2sv車的運行速度 米/秒p=20*9.8*0.5=98w2 電機轉(zhuǎn)速 n=60f/p=235（所給出的已知的設(shè)計參數(shù)） (3.5)公式中：n電機的實際轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；60每分鐘（秒）；f電源頻率（赫芝）；p電機旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。我國規(guī)定標準電源頻率為 f=50 周/秒極對數(shù) p=1 時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n=3000；極對數(shù) p=2 時，旋轉(zhuǎn)磁場的

31、轉(zhuǎn)速 n=1500；極對數(shù) p=3 時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n=1000；極對數(shù) p=4 時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n=750；大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）8極對數(shù) p=5 時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n=6003 傳動比 r=n 電/n 傳 (3.6)公式中：n 電電機的實際轉(zhuǎn)速 n 傳電機的轉(zhuǎn)速r=142353300由上面計算得出電機型號：80zy24-150c，直流 24v，150w，轉(zhuǎn)速 3300 r/min（僅指電機轉(zhuǎn)速） ，額定轉(zhuǎn)速 2400r/min（僅指電機轉(zhuǎn)速） ，額定轉(zhuǎn)矩 0.6n.m。3.43.4執(zhí)行部件分析：運動要求、適用條件分析，確定類型執(zhí)行部件分析：運

32、動要求、適用條件分析，確定類型一 三輪全向的目標速度的數(shù)學(xué)模型圖 3-3 三輪機器人運動分析圖選擇固定在車體的坐標系（車體坐標系）xoy,如圖 3-3 所示：根據(jù)運動合成與分解原理，車體的運動和驅(qū)動輪的運動之間的運動關(guān)系如下： （3.7）推導(dǎo)：（3.8） 各參數(shù)：v ,v ,v : 三組驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的線速度。123: 分別是三組驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動角。321,www : 機器人平移速度 v 在機器人車體坐標系下 x 和 y 軸的分量。yxvv , ： 機器人自傳的角速度。111222333132213220xyxyxvrvvlvrvvlvrvl 111222333sin30coscos30sinsin3

33、0coscos30sincos0vrvvlvrvvlvrvl 大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）9： 分別是車體幾何中心到三組車輪中心的水平距離。32, 1,lll r ： 是車輪的半徑。 （3.9）改寫成規(guī)范的矩陣形式： （3.10）由這些公式可以很直觀的分析出機器人做簡單運動時三個驅(qū)動輪速度的大小。任意方向的直線運動：此時機器人自轉(zhuǎn)角速度，即機器人平動。則：0 （3.11）注：以車體為基準的運動方向與 x 軸的夾角，v 為速度合成方向的值。兩種特殊的情況：i：沿 x 軸方向是：理論上 vx0,vy=0。迷惑：當(dāng)車體移動速度為 a,兩個輪的線速度才為其一半。這樣不會

34、旋轉(zhuǎn)么？ii：沿 y 軸方向是：理論上 vx=0,vy0，的值由線速度決定。123,q ,xypvv12313221132210lalrlqap12311322113221xyxyxvvrvvrvr112233sin 30sin 30cosvrvvrvvrv 112233113221132210xyxyxvvlrvvlrvlr大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）10 （3.12）iii:其他方向：迷惑：是否可以直接使用這個公式推斷 （3.13）原地旋轉(zhuǎn)： （3.14）即：0xyvv切線運動：在直線運動的基礎(chǔ)上怎么加一定的原地旋轉(zhuǎn)運動就可以合成切線運動。當(dāng)?shù)妆P先以 （3.

35、15） 這樣的速度直線運動，當(dāng)想進行切線運動時，簡單可以直接給各輪增加或減少這些速度。其形成的切線弧度和角速度為l二 電子器材：控制器，電機末端碼盤，陀螺儀，加速度計(不了解)，光電管，ccd。1 .（1）控制器：控制器中含有 pid 控制可以利用，可以限制最大速度。pwm 來調(diào)節(jié)速度，可以進行通訊改變最大速度來調(diào)速。（2）疑惑：pid 和 pwm 的綜合。2 .電機末端碼盤：供給控制器。3 .陀螺儀：提供車體與外界坐標的夾角。02323321wrvwrvwyy123113221132210xyxyxvvrvvrvr111222333vrlvrlvrl112233sin 30sin 30cos

36、vrvvrvvrv 大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）114 .光電管：用與數(shù)地面的白線，可以對大錯誤的糾正，可以減小一定量的累積誤差。5 .ccd：清理累積誤差。將速度改成角速度： 4. 機械零件設(shè)計計算機械零件設(shè)計計算4.14.1 機械零件設(shè)計計算機械零件設(shè)計計算4.1.1 機器人的組成及各部分關(guān)系概述圖 4-1 機器人的組成圖4.1.2 機器人系統(tǒng)組成a 執(zhí)行組成。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，

37、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)定的要求進行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）12d. 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)，與擬定進行比較，以保證運動符合要求。 圖 4-2 各

38、部件關(guān)系圖4.1.3 機器人結(jié)構(gòu)簡圖和機器人的外形圖1 機器人結(jié)構(gòu)簡圖圖 4-3 機器人結(jié)構(gòu)簡圖2 機器人的外形圖大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）13圖 4-4 機器人的外形圖3 方形滑塊 4 升降手臂塊 5 折疊手臂 6 升降電機 7 升降同步帶 8 手臂同步輪 9 方磚 10 金磚 11 金磚手臂4.14 機器人主要技術(shù)性能參數(shù)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。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承受的重量。b.抓取工件的極限尺寸：抓取工

39、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 200400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為180/s，一般為 50/s。定位精度和重復(fù)定位精度：定位精度和重復(fù)定

40、位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的一項重要指標。f.編程方式和存儲容量。大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）14表 4-1 本設(shè)計中的機器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)機械手型類型金裝手臂抓取重量1kg自由度6 個機座1000*1000 直流電機驅(qū)動 單片機控制腰部機構(gòu)長 1.2，升降范圍 1 米，直流電機驅(qū)動 單片機控制手臂機構(gòu)行程開關(guān)控制末端執(zhí)行器行程開關(guān)控制4.24.2 機器人運動時執(zhí)行件的載荷計算，動力參數(shù)計算機器人運動時執(zhí)行件的載荷計算，動力參數(shù)計算以往兩輪機器人的運動軌跡可以歸結(jié)為直線和圓弧因此其軌跡規(guī)劃復(fù)雜。而三輪全向移動機器人具有 3 個驅(qū)動輪對于機器人的 3 個參數(shù)(x，

41、y，z)是無約束.從一點到另一點可以直線運動并在行進中轉(zhuǎn)向以調(diào)整姿態(tài)角.其軌跡可以歸結(jié)為折線下面將分別從運動學(xué)和動力學(xué) 2 個方面分析三驅(qū)動輪的控制方法.系統(tǒng)運動學(xué)分析機器人工作空間為一平面建立如圖所示圖 4-5 機器人工作空間平面絕對坐標系和機器人的坐標系其中機器人坐標系原點與機器人中心aayx rryx 重合 為與的夾角為輪子與的夾角,l 為機器人中心到輪子中心的距離.為axrxryiv輪子 i 提供沿驅(qū)動方向的速度系統(tǒng)運動學(xué)方程如下:大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）15=-+cos（）+l. (4.1)1v)sin(.axay.=-cos（）+l. (4.2)

42、2v)sin(.axay.=cos+sin+l. (4.3)3vax.ay.根據(jù)機器人坐標系的建立情況及實際結(jié)構(gòu)可知:將其代入并將(4.1)(4.2)030(4.3)式寫成矩陣形式可得機器人運動學(xué)模型:= (4.4) 令 p= (4.5)則式（4.5）可簡化為： (4.6)spv 式中 全向論線速度矢量v p變換矩陣 機器人期望速度矢量s系統(tǒng)動力學(xué)分析建立如圖所示的坐標系圖 4-6 機器人動力學(xué)分析為第 i 電機提供給機器人的驅(qū)動力。在坐標系下，設(shè)繞機器人中心的轉(zhuǎn)ifaayx 動慣量為 i，321vvvlllsincos)30cos()30sin()30cos()30sin(000.aayxl

43、llsincos)30cos()30sin()30cos()30sin(000tvvvv32, 1,tayxs.,大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）16根據(jù)牛頓第二運動定律有：f=m,f=my ,m =i (4.7)axaxayai根據(jù)各驅(qū)動力方向及機器人的姿態(tài)，可寫出具體的動力學(xué)方程如下：m=-+ (4.8)ax)sin(1f)(1cofcos3fm=-+ (4.9)ay)cos(1f)cos(1fsin3fi=l (4.10)31iif第個輪子的動力學(xué)模型可描述為：= (4.11).iilkurfiiiw式中： 常數(shù)lk, 輪子繞其軸線的轉(zhuǎn)動慣量wir 輪子半徑

44、第 個輪子的加速度和角加速度,.i 第 個電機的驅(qū)動電壓iui（11）中輪子轉(zhuǎn)動慣量很小，相對于所消耗的扭矩很小，在實際問題wiwiirfi中化簡計算，式(11)可近似寫為：-= （4.12）iku.ilrfi 系統(tǒng)動力學(xué)模型方程為： = - (4.13)當(dāng)系統(tǒng)運動性能分析地面提供的摩擦力不足以滿足輪子所需的驅(qū)動力時輪子將與地面發(fā)生相對滑動造成當(dāng)前機器人運動狀態(tài)不可控這種現(xiàn)象稱為*打滑其原因主要由于機器人加速度過大引起因此需要將機器人加速度控制在一定范圍內(nèi)避免此類現(xiàn)象的發(fā)生!要做到這點需要對系統(tǒng)運動性能做進一步分析!機器人車體可看作剛體其運動可分解為整體的平動和繞自身中心的轉(zhuǎn)動! 機器人車體可

45、看作剛體其運動可分解為整體的平動和繞自身中心的轉(zhuǎn)動 。假設(shè)電機能提供足夠大的扭矩，地面能提供給單個輪子的最低摩擦力為,考慮maxf驅(qū)動力方向，要避免系統(tǒng)“打滑”，則驅(qū)動力， ， 都必須控制在范圍2f3fmaxmax,ff內(nèi)。根據(jù)（4.8）（4.9）（4.10）（其中，=0 ，=30 ）加速度矢量空間可由下面00.iymxmaarklllsin)30cos()30cos(cos)30sin()30sin(0000321uuurl23.22lyxaa大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）17線性變換關(guān)系式描述 =(4.14) 3, 21,fffmaxmax, ff定性繪出空間

46、線性變換如圖所示：圖 4-7（a）第一象限的驅(qū)動力空間 （b）上半平面加速度矢量空間需要指出的是，若電機不能提供足夠大的扭矩，假設(shè)電機輸出最大扭矩為則maxm上述變換中驅(qū)動力的范圍應(yīng)為321,fff 系統(tǒng)加速度矢量空間與圖相似，同時，由式（4.13）可知，實際的加速度矢量空間還與機器人的當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，其范圍要比上述空間偏小，并且當(dāng)機器人運動狀態(tài)改變時，其加速度空間也會隨之相應(yīng)的改變。另外，對于機器人速度空間分布的分析與加速度空間相似，這里不再贅述。),min(),min(maxmaxmaxmaxfrmfrmlimymxaa33221 , 1 , 10 , 1, 11 , 1, 1321fff大連交通大學(xué)信息工程學(xué)院 201