2014機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書機(jī)器人(徐輝)

1、何HZ詹九學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書課題名稱關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析教學(xué)系、 部、室機(jī)械設(shè)計(jì)系專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師徐輝1、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目題目名稱： 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析機(jī)器人技術(shù)是近 4040 多年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一門綜合性學(xué)科，它綜合了機(jī)械學(xué)、電 子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制工程、人工智能、仿生學(xué)等多個(gè)學(xué)科的最新研究成果，代 表了機(jī)電一體化的最高成就，是當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用，正受到許多國(guó)家的廣泛重視，是一個(gè)國(guó)家科技水平和 經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征。它能夠替代人類不知疲倦地完成枯燥繁重的勞動(dòng)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng) 度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。它的環(huán)境

2、適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠在水下、太空、真空、輻射以及劇毒 等任何危險(xiǎn)環(huán)境中工作，使人類的生命安全和健康得到保障。隨著研究的深入，人們不 斷發(fā)現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)的潛力，對(duì)它的應(yīng)用已經(jīng)逐步滲透到了人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域 中。目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人，亦稱作工業(yè)機(jī)械手。各種不同 功能的機(jī)械手操作系統(tǒng)其機(jī)械、電氣和控制結(jié)構(gòu)一般也各不相同，但大多數(shù)完整的機(jī)械 手系統(tǒng)都有 4 4 個(gè)主要部分： 1.1.機(jī)械本體機(jī)構(gòu) 2.2.傳感系統(tǒng) 3.3.控制系統(tǒng) 4.4.驅(qū)動(dòng)源。機(jī)械本體機(jī)構(gòu)通常是由手臂、手腕和末端執(zhí)行器組成。它們主要是由一系列旋轉(zhuǎn)關(guān) 節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)相連接的多個(gè)機(jī)械連桿的集合體，從而形成開式運(yùn)動(dòng)

3、鏈的結(jié)構(gòu)。一端裝在 固定的基座上，另一端在手腕上安裝手爪、各種夾持機(jī)構(gòu)或?qū)Ｓ霉ぞ邅?lái)完成各種工作。 機(jī)械手在執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)時(shí)，由它的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)機(jī)能，完成規(guī)定作業(yè)，因此機(jī)械 結(jié)構(gòu)的布局、類型、傳動(dòng)方法和驅(qū)動(dòng)方式將直接影響機(jī)械手的總體性能。傳感系統(tǒng)是將 有關(guān)機(jī)械部件的各種工作狀態(tài)信息傳遞給機(jī)器人的控制系統(tǒng)， 控制系統(tǒng)通過這些信息確 定機(jī)械部件各部分的正確運(yùn)行軌跡、速度、位置和外部環(huán)境，使機(jī)械部件的各部分按預(yù) 定程序在規(guī)定的時(shí)間開始和結(jié)束動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)源是使各種機(jī)械部件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的裝置，主要 包括氣動(dòng)、液壓和電動(dòng)三種形式。他們可直接與臂、腕或手部的機(jī)械連桿或關(guān)節(jié)聯(lián)接在 一起，也可采用齒輪、帶、鏈條等間

4、接傳動(dòng)裝置。本課題研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人既可用于教學(xué)和科研，也可用于某些工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。研究 成果可以為該型機(jī)器人的進(jìn)一步軌跡規(guī)劃和控制研究提供必要的參考數(shù)據(jù)， 經(jīng)改進(jìn)后也 可以應(yīng)用于類人機(jī)器人的上肢體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。因此，本課題的研究成果具有廣泛的實(shí)際 意義和應(yīng)用前景。在確定機(jī)器人各部分的外形尺寸時(shí)，首先從人類手臂結(jié)構(gòu)角度考慮，采用近似人體 手臂的比例確定出手臂的初始尺寸?；诖嗽O(shè)計(jì)思想，結(jié)合機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)理論構(gòu) 建機(jī)器人主體裝配圖，如圖 1-11-1 所示。各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都采用步進(jìn)電機(jī)與諧波齒輪減速 裝置間接傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，機(jī)械系統(tǒng)主要構(gòu)件包括基座、基座頂蓋、腰部、大臂、小臂、各關(guān)節(jié)主軸、軸用彈簧擋

5、圈、微型軸鍵、軸承、軸承端蓋、步進(jìn)電機(jī)、諧波減速器等。2圖 1-1 機(jī)器人主整體裝配圖二、設(shè)計(jì)參數(shù)其中從基座底部到肩關(guān)節(jié)軸線高度為 395mm395mm 肩關(guān)節(jié)軸線到肘關(guān)節(jié)軸線長(zhǎng)度為 180mm180mm 肘關(guān)節(jié)軸線到小臂端面距離為 200mm200mm 到俯仰腕關(guān)節(jié)軸線距離為227mm三、設(shè)計(jì)要求1 1、功能性的要求基座是整個(gè)機(jī)械手的基礎(chǔ)，對(duì)全部運(yùn)動(dòng)件起支承作用，底面固定在基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)筒上安 裝大臂機(jī)構(gòu)。工作時(shí)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件轉(zhuǎn)位。要求轉(zhuǎn)位靈活，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)。2 2、適應(yīng)性的要求機(jī)器人手爪能夠到達(dá)工作空間的任意位置，動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi) 手臂的干涉小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小

6、，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。它具有五個(gè)自由 度，腰部可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，大臂、小臂可以作俯仰運(yùn)動(dòng)，手腕可作旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)，手爪自 由度屬于局部自由度，不考慮在內(nèi)。3 3、可靠性的要求可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預(yù)定使用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概 率。工業(yè)機(jī)械手可自動(dòng)完成預(yù)定工作，廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，因此要求機(jī)械手工 作必須可靠。4 4、壽命的要求產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時(shí)因磨損而使性能下降在允許范圍內(nèi)而且無(wú)需大修的連 續(xù)工作期限。設(shè)計(jì)中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤(rùn)滑 措施、合理設(shè)計(jì)零件的形面等。因各零部件難以設(shè)計(jì)成相等壽命，所以易磨損的零件要 便于更換。5 5、

7、經(jīng)濟(jì)的要求 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性包括設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性和使用的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品的制造成 本構(gòu)成中材料費(fèi)、加工費(fèi)占有很大的比重，設(shè)計(jì)時(shí)必須給予充分注意。將機(jī)械設(shè)計(jì)課程 中學(xué)到的基本設(shè)計(jì)思想貫穿到設(shè)計(jì)中。6 6、人機(jī)工程學(xué)的要求 人機(jī)工程學(xué)也稱為技術(shù)美學(xué)，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力有效，照明適度，顯示 清晰，造型美觀，色彩和諧，維護(hù)保養(yǎng)容易等。本設(shè)計(jì)中要充分考慮外形設(shè)計(jì)，各調(diào)整 環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要方便人體接近，方便工具的使用。37 7、安全保護(hù)和自動(dòng)報(bào)警的要求 按規(guī)范要求，采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設(shè)計(jì)都必 須考慮的，是必不可少的。在程序設(shè)計(jì)中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機(jī)

8、構(gòu)卡 死、工件不到位、突然斷電等情況，要設(shè)置報(bào)警裝置。四、設(shè)計(jì)步驟及工作量（ 一 ） 設(shè)計(jì)步驟1 1、明確設(shè)計(jì)任務(wù)，收集分析資料認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)任務(wù)書，明確設(shè)計(jì)任務(wù)，查找收集有關(guān)資料，進(jìn)行認(rèn)真分析研究，了 解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作原理。2 2、總體方案設(shè)計(jì)參考有關(guān)資料， 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有： 確定基本參數(shù)， 選擇運(yùn)動(dòng)方式，手臂配置形式，位置檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)和控制方式等。3 3、技術(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)總體方案的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式的選擇、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)、手部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)等。4 4、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案和技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)果，進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，按國(guó)家制圖

9、標(biāo)準(zhǔn)完成圖紙?jiān)O(shè) 計(jì)。5 5、 Pro/EPro/E 實(shí)體造型設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)果，應(yīng)用 Pro/EPro/E 實(shí)體設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行實(shí)體 造型設(shè)計(jì)。6 6、建立機(jī)器人的 Pro/EPro/E 裝配模型，將模型導(dǎo)入 ADAMADAM 中，對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能仿 真研究，分析討論仿真結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性。7 7、編制技術(shù)文件按規(guī)定要求，編制設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。（二） 設(shè)計(jì)工作量1 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、繪圖，按學(xué)院要求，工程繪圖量一般不少于折合成圖幅為A0A0 號(hào)的圖紙 3 3 張。機(jī)械裝配圖 1 1 張，三維實(shí)體模型圖不少于 3 3 張，零件圖數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果確定， 為培養(yǎng)工程

10、素質(zhì)，要加大繪圖量。2 2、編制畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書， 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書正文字?jǐn)?shù)不少于 2 2 萬(wàn)字（大約 4040 頁(yè)以上）， 查閱相關(guān)參考文獻(xiàn) 1010 篇以上，翻譯與課題有關(guān)的英文資料 2 2 萬(wàn)個(gè)印刷字符以上，約 50005000 個(gè)漢字。五、參考設(shè)計(jì)方案1 1、底座設(shè)計(jì)方案根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作要求，結(jié)合已學(xué)知識(shí)，列出底座動(dòng)作要求的各種方案，進(jìn)行對(duì)比分 析，主要考慮：技術(shù)可行，結(jié)構(gòu)布局合理，工藝合理性，經(jīng)濟(jì)性好。作為參考，列出液 壓驅(qū)動(dòng)方案、電機(jī)驅(qū)動(dòng)4方案、電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方案和電機(jī)驅(qū)動(dòng)外嚙合齒輪方案。（一） 液壓驅(qū)動(dòng)方案1 1、傳動(dòng)原理 液壓底座采用直線油缸驅(qū)動(dòng)底座動(dòng)齒圈，帶動(dòng)底座外筒體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。外筒體通過 法蘭與大臂相連接，并帶動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)；齒條油缸固定在機(jī)座地基上，通過計(jì)算確定的標(biāo) 準(zhǔn)油缸型號(hào)確定安裝方式。外筒體為旋轉(zhuǎn)件，通過軸承支承在內(nèi)筒體上。內(nèi)筒體安裝于基座地基上。2 2、液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足液壓底座動(dòng)作邏輯要求， 液壓缸及其控制元件的選擇要滿 足底座回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力要求和運(yùn)動(dòng)時(shí)間要求，具體設(shè)計(jì)計(jì)算參考液壓傳動(dòng)與控制相關(guān) 教材。3 3、方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)說明： 底座的結(jié)構(gòu)形式采用圓筒狀結(jié)構(gòu)，分為內(nèi)、外筒體兩部分。（1 1）、內(nèi)筒體為固定支撐件，固定在地基上，并通過軸承支承外筒體；根據(jù)上述計(jì)