關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計—機(jī)械畢業(yè)設(shè)計論文說明書

1、關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要：為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量滿足實際工作需要本課題設(shè)計了用于焊接的關(guān) 節(jié)型機(jī)器人。根據(jù)機(jī)器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行了機(jī)器人的總體設(shè)計，確定 了機(jī)器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機(jī)器人各關(guān)節(jié)的總體傳動方案，對機(jī)器人 腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，合理布置了電機(jī)和齒輪，確定了各級傳動參數(shù)，進(jìn)行 了齒輪、軸和軸承的設(shè)計計算和校核。利用齊次變換矩陣法建立了六自由度關(guān)節(jié)機(jī) 器人的正運(yùn)動學(xué)模型，求岀機(jī)器人末端相對于各自參考坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)值，建立 了在直角坐標(biāo)空間內(nèi)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)變量值的對應(yīng)關(guān)系?；?于幾何投影原理推導(dǎo)出相應(yīng)的逆運(yùn)動學(xué)模型，求出了各個關(guān)

2、節(jié)的角度值，建立了機(jī) 器人關(guān)節(jié)空間與世界空間的映射關(guān)系。該機(jī)器人具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平 穩(wěn)的特點。關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)型機(jī)器人；位姿分析；總體設(shè)計；腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計the waist structural design of articulated robotabstract: in order to improve the efficiency of production and welding quality ofproducts and meet real works needs this subject has designed the articulated robotused for

3、welding according to the job requirements for the robot and structurecharacteristic i have carried on the overall design of the robot confirmed theextemal dimension and workspace of the robot drafted the overall transmissionscheme of every joint of the robot. i have designed the waist structure of t

4、herobot in detail assigned the electrical machinery and gear wheel rationallyconfirmed at all level transmission parameters carried on the design and calculatingof gear wheels shafts and bearings and checking them.the kinematic model of robotsystem has been built up by means of the homogenous transf

5、ormation of matrix in thisthesis and deduces the robots homogenous coordinate which is relative to itsreference coordinate. we also make up the position relationship between the robotsend effector and the variable friable of every joint. the inverse kinematic model isdeduced which based on the proje

6、ction principle of geometry and the value of angle isworked out. what's more the relationship is built up between the joint space of robotand the world space. this robot has the characteristics of fine rigidity positionprecision high that operate steadily.key words: articulated robot appearance

7、analysis in the location designoverallly waist articulated structural design of the robot 目 錄 1前言11.1題目來源及分析11.2研究目的21.3國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀22關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計42.1確定基木技術(shù)參數(shù)42.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇42.1.2額定負(fù)載52.1.3工作范圍52.1.4操作機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計52.1.5控制系統(tǒng)的選擇62.1.6確定關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂的配置形式62.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計73關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計103電動機(jī)的選擇103.2計算傳動裝置的總傳動比及分配各級傳

8、動比123.3軸的設(shè)計計算123.3.1123.3.2.133.4173.4.173.4.2.173.4.3.173.4.4.173.4.5.183.4.6.193.5224計算齊軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 確定三根軸的具體尺寸 確定齒輪的參數(shù) 選擇材料 壓力角的選擇齒數(shù)和模數(shù)的選擇 齒寬系數(shù)的確定 確定齒輪傳動的精度 齒輪的校核殼體設(shè)計關(guān)節(jié)型機(jī)器人的位姿分析234.1機(jī)器人的位姿與運(yùn)動的描述234.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換矩陣234.3禾節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動方程264.3.1節(jié)型機(jī)器人動分析264.3.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動反解295結(jié)論34參考文獻(xiàn)35附錄361前言 1.1題目來源與分析題目關(guān)節(jié)型機(jī)

9、器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計來源于生產(chǎn)實踐中。要求設(shè)計的機(jī)器人具有6 個自由度：腰關(guān)節(jié)冋轉(zhuǎn)；臂關(guān)節(jié)俯仰；肘關(guān)節(jié)俯仰；腕關(guān)節(jié)仰腕； 擺腕；旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實現(xiàn)腕 部最大貪荷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)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨立的自動化牛產(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)過程自動化，改善勞動條件， 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)革命的一個重要內(nèi)容。 自古以來人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機(jī)器 o特別是在20世紀(jì)20年代前后捷克和美國的一些科幻作

10、家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機(jī)器人與人類共處中可能 發(fā)生的故事之類的文學(xué)作甜更使機(jī)器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人" o在現(xiàn)實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機(jī)器人的傳統(tǒng)觀 點提出機(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)計制作了世界上第一臺機(jī)器人實驗裝置發(fā)表了適用于重復(fù)作 業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人一文并獲得了美國專利。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

11、的機(jī)械 手動作一經(jīng)編程輸入后機(jī)械等就可以離開人的輔助而獨立運(yùn)行。這種機(jī)器人也可以 接受示教而完成各種簡單任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動機(jī)械手依次通過工作任務(wù)的各個位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器中，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)在伺服 驅(qū)動下再現(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。由于對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求一般工人已難以 勝任這一工作此外焊接時的火花及煙霧等對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國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀國

12、內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：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 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)；國外已有模塊 化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。c.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于pc機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜曰見 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、力覺等傳感器

13、，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺 、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(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)中己有成熟應(yīng)用。e.虛擬現(xiàn)實技術(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)境中的感覺來操縱機(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)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(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)用的最著名實例。g.機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)岀“虛擬軸機(jī)床"以來，這種

14、新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛 探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。國際機(jī)器人研究在經(jīng)過了 80年代的低潮之后呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢我國的機(jī)器人研究在國家七五'八五 及863計劃的推動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)器人研究有兩個特點:一是對機(jī)器人智能的定位有 了更加符合實際的標(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題的能力。我國的工業(yè)機(jī)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(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制技術(shù)硬件 和軟件設(shè)計技術(shù)

15、、運(yùn)動學(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，開發(fā)出 噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆牛產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(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(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定 的距離，女口：可靠性低于國外產(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)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分z四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前 我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要“一客戶，一次重新設(shè)計”求，品種規(guī)格多、批量小、零

16、部件通用化程度低9匚 躥芷誄3殺疽膊壞停抑柿俊15煽啃圓晃榷nr屹似惹行樺 飯霾 禱 捌詰墓、際酰圓方腥婀嬢愫孟盜謝蟲沒20.?榛杓疲 平禱獺?我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在迄63”計劃的支持下，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水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(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、力覺、聲覺、觸覺等基 礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，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 等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大

17、，需要在原有成績的基礎(chǔ) 上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五" 后期立于世界先進(jìn)行列之中。5 6 132關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計2.1確定基本技術(shù)參數(shù)2.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇為實現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的 6個自由度，可以有不同的運(yùn)動組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計成以下五種方案： a員|柱坐標(biāo)型這種運(yùn)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(yùn)動系統(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)動部分由三個相互乖直的直線移動組成，其工作空間圖形為

18、長方體。它在各個 軸向的移動距離，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 算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，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，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個冋轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運(yùn)動組成 ,其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動并能夠抓取地面上或較低位 置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，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)，可使大臂作冋轉(zhuǎn)運(yùn)動和使大臂作俯仰擺動，

19、小臂作俯仰 擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。e.平面關(guān)節(jié)型采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動，而移動關(guān) 節(jié)則實現(xiàn)上下運(yùn)動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體， 縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩冋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定冋轉(zhuǎn)體橫截面的大小、 形狀。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)簡單，動作靈活， 多用于裝配作業(yè)屮，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。對以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)木課題所要求的動作；方案二體 積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜 合考慮決定采用方

20、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 作靈活，工藝操作精度高。2.1.2額定負(fù)載目前國內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人屮其負(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)9000no負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動方向作用于機(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、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(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)過程中的操作范圍和運(yùn)動的軌跡來確 定的用工作空間來表示的。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

21、度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍 的選擇。圖21運(yùn)動范圍圖2.1.4操作機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動。通常的機(jī)器人驅(qū)動 方式有以下四種：a.步進(jìn)電機(jī)：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉； 通常不需要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校 正能力，運(yùn)動精度較差，負(fù)載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。b直流伺服屯機(jī)：直流伺服屯機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率 大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成木

22、低。c. 交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī) 相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管gto,大功率晶閘管gtr和場效應(yīng)管 mosfet等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)pwm和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī) 在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位cpu32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 載輸岀扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應(yīng)速度。d. 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，從體積、重量及要求 的驅(qū)動功率這幾項

23、關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。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)同類問題，在可能的前提下 ,本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。常用的驅(qū)動器有電機(jī)和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動是最常用的驅(qū)動 方式。電極驅(qū)動具有精度高，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。所以在這次設(shè)計中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動器。因為它具有體積小、轉(zhuǎn) 矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比耒，穩(wěn)定性好 等優(yōu)點。本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動機(jī)。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸岀力矩和 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。2.1.5 控制系統(tǒng)選擇對于焊接機(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。無論是手把手示教或示教 盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動末端執(zhí)行器和手臂到所需的位 置。然后記錄（存儲）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以 再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時存于存儲器的點位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可 以與示教時速度不同。利用示教手柄由人工引導(dǎo)