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寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
L300MM智能機(jī)器小車設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人是由目標(biāo)機(jī)體，控制器系統(tǒng)，傳感裝置和控制系統(tǒng)及伺服功率控制系統(tǒng)部件，是人的行動(dòng)，自動(dòng)化，多程序設(shè)計(jì)中，每個(gè)在三維空間中模仿可以完成機(jī)電設(shè)備類型每一項(xiàng)工作。工業(yè)機(jī)器人，以提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新中起著非常重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)結(jié)合了多學(xué)科的知識(shí)。包括機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)，控制論，信息和傳感技術(shù)，人工智能，仿生學(xué)。它是現(xiàn)代非?；钴S，非常廣泛的應(yīng)用的領(lǐng)域。
機(jī)器人具有許多人類不具備的功能，包括快速分析環(huán)境的能力;抗干擾能力強(qiáng)，可以長(zhǎng)時(shí)間，高精密工作的工作。你可以說(shuō)，機(jī)器人是工業(yè)進(jìn)步的產(chǎn)物，它也扮演著在今天的行業(yè)至關(guān)重要的作用。如今，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已成為工業(yè)國(guó)家在世界的關(guān)注。
隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，新的要求，以提高教學(xué)機(jī)器人的教育水平，我們開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)的目的。
本文介紹的發(fā)展歷史，機(jī)器人的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外，其很大的優(yōu)勢(shì)，提出了具體的機(jī)器人設(shè)計(jì)要求和總體方案設(shè)計(jì)的不同程度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算的自由和行為;
在分析了目前國(guó)內(nèi)外智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新的汽車設(shè)計(jì)L300MM智能機(jī)，雙電機(jī)通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人能夠在一個(gè)方向的步態(tài)可以實(shí)現(xiàn)。在與車輪的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，機(jī)器人不僅具有一般的輪式機(jī)器人動(dòng)作快，簡(jiǎn)單的控制功能，而且還具有良好的功能障礙。在本文中，這種新型的移動(dòng)機(jī)器人障礙的功能進(jìn)行了分析，該機(jī)構(gòu)確實(shí)走運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。設(shè)計(jì)每個(gè)組件的結(jié)構(gòu)，以確定每個(gè)車輪的要求驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，基于簡(jiǎn)化車輪接觸上建立的機(jī)器人的準(zhǔn)靜態(tài)模型的關(guān)系的地面，準(zhǔn)靜態(tài)分析以獲得在步態(tài)狀況每個(gè)機(jī)器人用武力成員。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人，步態(tài)，機(jī)器人;工業(yè);開車;實(shí)力
V
Abstract
Industrial robot is composed of goal of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, is a kind of to imitate human operation, automatic control, but many programming, to every kind of operation Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial robot to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial robot technology combines multiple subject knowledge. Contains the mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics. It is very active, very broad application of the field.
The robot has a lot of people do not have, including rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. The robot can be said is a product of industrial progress, it also plays a vital role in today's industry. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry.
With the rapid development of robot technology, is constantly expanding the scope of application of industrial robots, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching education level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system.
This paper expounds the developing history of robots, the application status at home and abroad, and its great superiority, proposed the design requirements of concrete and the concrete structure calculation design, overall design and various degrees of freedom;
Based on the analysis of domestic and international research status of the intelligent mobile robot, this paper designed a new type of mobile robot structure -- the wheel drive system and the movement mechanism of combining in walking, driving the two motors, through some simple transmission mechanism, so that the robot can realize single direction gait. At the same time with the movement of the wheels, the robot not only has the characteristics of mobile speed fast, simple control of wheeled robot obstacle crossing ability, also has the good. This paper analyzes the obstacle function of this new mobile robot, and the walking mechanism kinematic analysis. In order to each component design structure, determine the driving torque of each wheel is required, based on simplifying the wheel and the ground contact relationship, establish the quasi static model of the robot, quasi static analysis is carried out, so as to obtain the stress state of the robot components in the gait motion at.
Keywords: mobile robot, gait, the robot industry; transmission; strength
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)器人概念 1
1.2 課題研究的背景和意義 1
1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究 2
1.4國(guó)外研究現(xiàn)狀 4
1.5機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 5
1.5.1 機(jī)器人的發(fā)展 5
1.5.2 機(jī)器人技術(shù) 5
1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容 6
第2章L300MM智能機(jī)器小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 7
2.1機(jī)器人工程概述 7
2.2 工業(yè)機(jī)器人車體機(jī)構(gòu)方案論述 8
2.3 小型智能移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)原理 8
第3章L300MM智能機(jī)器小車各部分設(shè)計(jì) 11
3.1 移動(dòng)機(jī)器人車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.2 電機(jī)的選型與計(jì)算 12
3.3 抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14
3.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
3.4.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算 19
3.4.2按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算 19
3.4.3軸的剛度計(jì)算概念 20
3.4.4軸的設(shè)計(jì)步驟 20
3.5各軸的計(jì)算 21
3.6軸的設(shè)計(jì)與校核 23
3.7 軸承的設(shè)計(jì)及校核 24
3.7.1軸承種類的選擇 24
3.7.2深溝球軸承結(jié)構(gòu) 24
3.7.3軸承計(jì)算 26
第4章 整體車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
4.1 小車行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
4.1.1車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 28
4.1.2小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定 29
4.2 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 32
4.2.1 蝸桿的選型 32
4.2.2 蝸桿副的材料 32
4.2.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 32
4.2.4 蝸桿和蝸輪的主要計(jì)算參數(shù)和幾何尺寸 35
4.2.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 36
4.3 車輪部位電機(jī)選擇 36
4.4 本章小結(jié) 37
總結(jié)與展望 38
參 考 文 獻(xiàn) 39
致 謝 40
第1章 緒論
第1章 緒論
1.1 機(jī)器人概念
機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。機(jī)器人（機(jī)械手）的工作，機(jī)組自動(dòng)執(zhí)行。它是一種先進(jìn)的綜合控制理論，機(jī)械，電子，計(jì)算機(jī)，材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)，醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域具有重要用途。
機(jī)器人技術(shù)是近50年來(lái)迅速發(fā)展的代表，機(jī)械和電子控制系統(tǒng)，生產(chǎn)工具的自動(dòng)化程度高。在制造業(yè)，工業(yè)用機(jī)器人技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。其自動(dòng)化程度高，改善工作條件，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，起到了非常重要的作用。你可以說(shuō)他是現(xiàn)代工業(yè)的一次技術(shù)革命。
機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，仿人機(jī)器人是機(jī)器人研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。研究人形機(jī)器人需要機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，生物學(xué)和計(jì)算機(jī)知識(shí)，和許多其他學(xué)科的結(jié)合，但其發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。機(jī)器人是一個(gè)人形機(jī)器人。
1959年，世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的誕生，一個(gè)機(jī)器人創(chuàng)建一個(gè)新的發(fā)展時(shí)代。隨著科學(xué)技術(shù)的研究和應(yīng)用類人機(jī)器人快速發(fā)展的發(fā)展。世界著名機(jī)器人專家，在日本早稻田大學(xué)教授加藤一郎說(shuō)：“其中一個(gè)機(jī)器人應(yīng)該有能力的最大的特點(diǎn)?！钡姆绞?，其中，腳是自動(dòng)化程度最高，最復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生曾經(jīng)說(shuō)過(guò)這樣一句話：“上帝創(chuàng)造了人，兩條腿是最美妙的杰作。”系統(tǒng)環(huán)境要求極為豐富的動(dòng)力是非常低的，無(wú)論是在地面上，還對(duì)非結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地面上，有一個(gè)很好的對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。與應(yīng)用拓展機(jī)器人功能開辟了無(wú)限廣闊的前景。
機(jī)器人的原因和目的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：希望開發(fā)出一種機(jī)制，使他們能夠在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中工作的人，或延伸和擴(kuò)展人類活動(dòng)的領(lǐng)域，而不是;希望有更多的了解和掌握人的特點(diǎn)和使用這些功能的人性化服務(wù)，如：假肢。具有豐富的動(dòng)力系統(tǒng)，這方面的研究可以擴(kuò)大研究力學(xué)和機(jī)器人;機(jī)器人可以用作一個(gè)智能機(jī)器人玩人工智能中起重要作用。
1.2 課題研究的背景和意義
由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)或人類的生命，機(jī)器人技術(shù)，已被廣泛使用。智能人形機(jī)器人是符合近年來(lái)科學(xué)家們的工作方向。人形機(jī)器人是人類的模式，它可以按照人的各種動(dòng)作和與人類的外部特征。機(jī)器人管家做夢(mèng)也不會(huì)想到未來(lái)。
根據(jù)不同的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)器人也可分為不同的類別。輪式移動(dòng)機(jī)器人，履帶機(jī)器人，機(jī)器人，機(jī)器人的行走，等等。值得一提的是，步行機(jī)器人，他是近年來(lái)的一項(xiàng)重要成果，人形機(jī)器的研究。它的動(dòng)作最喜歡的動(dòng)物，甚至人類可以談。這是復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化程度非常高。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式機(jī)器人相比，其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。能夠在狹小的空間，如履平地在不平的道路，上下樓梯等工作。不久的將來(lái)，這種技術(shù)將被廣泛使用。
在機(jī)器人研究，生產(chǎn)，使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)仿真機(jī)器人的是一個(gè)非常重要的過(guò)程。機(jī)器人仿真模型包括零件，零件裝配，最終的運(yùn)動(dòng)模擬。通過(guò)模擬，設(shè)計(jì)人員可以很直觀地觀察每個(gè)身體運(yùn)動(dòng)的情況，知道有沒(méi)有出現(xiàn)干擾;可以知道的各種組件的力，繪制各種模擬數(shù)據(jù)。這種方法大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間和成本。
1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究
工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在很長(zhǎng)的歷史在日本。在七十年代時(shí)所應(yīng)用的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，再經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在八十年代時(shí)，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)得到普及。他們相應(yīng)年度的工業(yè)產(chǎn)值也已迅速增加。達(dá)到一hundred十億日元的1980年，到1990年上升到六百十億日?qǐng)A。在2004年已達(dá)到18500億日元。示出的工業(yè)機(jī)器人在提高生產(chǎn)效率方面的重要性。
在國(guó)際層面，國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的重要性。因此，迅速崛起為工業(yè)機(jī)器人的訂單。 2003年的訂單相對(duì)量到2002年增長(zhǎng)了10％。從那時(shí)起，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求仍在上升。從2001年到2006年，全球訂單增長(zhǎng)達(dá)9萬(wàn)多臺(tái)。 7％的年增長(zhǎng)率。
國(guó)際工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向：
機(jī)器人涉及到的知識(shí)和非常多學(xué)科領(lǐng)域。它包括：一臺(tái)計(jì)算機(jī)，電子，控制，人工智能，傳感器，與所述網(wǎng)絡(luò)，控制，機(jī)械等的通信。機(jī)器人的發(fā)展是從這些學(xué)科的發(fā)展是分不開的。這是因?yàn)橄嗷ビ绊?，各學(xué)科的綜合集成，以創(chuàng)建自動(dòng)化和人民高度。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人必須在應(yīng)用更廣泛的范圍;技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地被提起，更強(qiáng)大?，F(xiàn)在，它是機(jī)器人研究的小型化。機(jī)器人將更加融入人們的日常生活?？偟内厔?shì)是模塊化的開發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)化，更智能。
廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，保護(hù)人員的安全，改善工作環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，起到了非常重要的作用。工業(yè)機(jī)器人被廣泛使用，以體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)使人們的生活更加方便，美觀。
家用機(jī)器人的研制工作起步較晚，我國(guó)從上世紀(jì)80年代就開始研究并在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用。 1986年，該國(guó)在1987年推出了“規(guī)劃綱要”的機(jī)器人研究計(jì)劃，中國(guó)的“863”高科技計(jì)劃?rùn)C(jī)器人技術(shù)研究和開發(fā)包括在內(nèi)。目前，中國(guó)從事機(jī)器人技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)單位主要是高校和科研院所等。我們研究的主要目的原本是機(jī)器人是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，然后取得了一定的成績(jī)。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年起，開始研究機(jī)器人的，靜態(tài)的雙足機(jī)器人HIT-I，高110厘米，體重70kg的第一個(gè)研制成功，擁有10個(gè)自由度，在地面上，以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，左，右側(cè)線以及運(yùn)動(dòng)，上下樓梯，邁開45厘米，10秒/步，后來(lái)的步伐研制成功的HIT-II和HIT-III，體重42千克，身高103厘米，擁有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)24厘米，2.3每步的步伐。目前正在對(duì)HI第四機(jī)器人下開發(fā)的，該主體可具有52個(gè)自由度，這是在移動(dòng)速度方面優(yōu)越，以及平衡前四名機(jī)器人[3-7]。
國(guó)防科技大學(xué)于1988年的春天，成功開發(fā)了6-DOF平面雙足機(jī)器人KDW-1，它可以前進(jìn)，后退，上下樓梯，最大步幅40厘米，每秒4步的步伐， 1989年開發(fā)了空間型KDW-II，擁有10個(gè)自由度，高69厘米，體重13千克實(shí)現(xiàn)退，上下樓梯和周圍的準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)。 1990年增加KDW-II平臺(tái)兩縱縫，發(fā)展成KDW-III，有12個(gè)自由度，具有轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了全面的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。 1995年，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的，每步的速度0.8，步長(zhǎng)20cm?22厘米，13度的最大坡度。 KDW-III對(duì)中國(guó)第一人形機(jī)器人“狀元”的成功的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，到2000年底，在不確定的環(huán)境下動(dòng)態(tài)的，小的偏差，達(dá)到每秒兩步周期，高1.4米，重20kg，有一個(gè)頭，眼睛，頸部，身體，手臂，腳，并具備一定的語(yǔ)言功能[8-13]。
此外，清華大學(xué)正在開發(fā)一種人形機(jī)器人THBIP-I，高1.7米，體重130千克，32個(gè)自由度，與清華大學(xué)的支持下，985計(jì)劃，項(xiàng)目進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)開發(fā)了一個(gè)8-DOF太空機(jī)器人，靜態(tài)函數(shù)[13,14]。
本文擬從“首屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”的機(jī)器人。目前，主要是在輪式機(jī)器人的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能的階段。真正模擬人類的機(jī)器人的腿不是很多，雖然有些六足，四足機(jī)器人的出現(xiàn)，但機(jī)器人尚不多見。我們的主題，探索設(shè)計(jì)巧妙單獨(dú)的機(jī)械設(shè)備和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)器人的仿真。其子功能：交替步腿，搖搖頭，擺臂，擺臂。1.4國(guó)外研究現(xiàn)狀
人類和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)原理的第一個(gè)系統(tǒng)研究是邁布里奇，他發(fā)明的攝像機(jī)，一個(gè)獨(dú)特的，那就是，一組電觸發(fā)的攝像頭，并于1877年成功地拍了許多照片獸和連續(xù)運(yùn)行。后來(lái)，這種方法已經(jīng)用于研究人體運(yùn)動(dòng)使用相機(jī)Demeny。從20世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)伯恩斯坦還從生物動(dòng)力機(jī)制，人類和動(dòng)物進(jìn)行深入研究的角度來(lái)看，并就運(yùn)動(dòng)非常形象化的描述。
真正全面的研究，在系統(tǒng)啟動(dòng)開展機(jī)器人20世紀(jì)60年代。到目前為止，只有形成了一套比較完整的機(jī)器人系統(tǒng)的理論，并在一些國(guó)家，如日本，美國(guó)和前蘇聯(lián)成功研制能夠靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的原型機(jī)器人。在本節(jié)中，我們介紹了球隊(duì)60年1985年這段時(shí)期，在實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人領(lǐng)域最重要的進(jìn)展。
在20世紀(jì)60年代和70年代，機(jī)器人控制理論的研究生產(chǎn)三種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制，模型參考控制和算法控制。這三種控制方法適用于各種類型的機(jī)器人。國(guó)家控制是通過(guò)在1961年做出的模型參考控制法恩斯沃思在1975年由美國(guó)南托莫維奇限制，而控制算法是南斯拉夫著名米哈伊爾羅馬尼亞研究所機(jī)器人?鮑賓專家Vukobratovic博士學(xué)習(xí)要求1969年至1972年主動(dòng)。有這三種控制方法之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系?；旧鲜菂⒖寄Ｐ涂刂频挠邢逘顟B(tài)控制采樣，而算法是案件的控制中心[1]。
在步態(tài)的研究，蘇聯(lián)Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義的自由步態(tài)。既步態(tài)不僅適應(yīng)而且適應(yīng)多足機(jī)器人。其中，步態(tài)是在步態(tài)的規(guī)則方面相對(duì)自由。如果地面很粗糙，所以在機(jī)器人，下一步應(yīng)放在哪里的腳，它不能根據(jù)步驟考慮一個(gè)固定的順序，但這樣登山，是由一個(gè)確定應(yīng)該去步步一定的優(yōu)化準(zhǔn)則，這就是所謂的步態(tài)自由。
在機(jī)器人的穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，Hemami等人的美國(guó)已提出的系統(tǒng)的倒置（倒立擺）的換能器，其可以被解釋為在換能器存在的問(wèn)題的向前運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和控制的簡(jiǎn)化模型。此外，為了減少的控制的考慮，Hemami，誰(shuí)也制作的機(jī)器人的“降低模式”復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行了研究。
早些時(shí)候，我們指出Vukobratovic也人形系統(tǒng)能量分析，但他僅限于出口的每一個(gè)關(guān)節(jié)，隨著時(shí)間的推移，整個(gè)系統(tǒng)變化的力量，并沒(méi)有過(guò)多參與優(yōu)化能源消耗的問(wèn)題。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一個(gè)有用的結(jié)論，即平滑的姿態(tài)，該系統(tǒng)的較少人功耗。
1.5機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù)
1.5.1 機(jī)器人的發(fā)展
1940年代，隨著遠(yuǎn)程操縱和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。 20世紀(jì)60年代的美國(guó)ConsolidatedContr01公司開發(fā)的第一個(gè)機(jī)器人原型，并成立了Unimation公司，生產(chǎn)為Unimate機(jī)器人定型。自1970年以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)，逐步發(fā)展成為一家專業(yè)的學(xué)校，哈爾濱工程大學(xué)碩士論文10。 1970年，在機(jī)器人的第一次國(guó)際會(huì)議在美國(guó)召開。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，上百種不同的結(jié)構(gòu)，不同的控制系統(tǒng)，機(jī)器人用于不同的目的已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。目前，雖然機(jī)器人的定義是尚未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為，經(jīng)歷了四代機(jī)器人，以便從低到高的發(fā)展。第一代機(jī)器人，主要是指只對(duì)“教 - 再現(xiàn)”的機(jī)器人的方式，這要靠人來(lái)給定的程序，重復(fù)的各種操作。目前，各種類型的工業(yè)機(jī)器人大多屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是機(jī)器人具有傳感器反饋功能，它可以得到的工作環(huán)境中，簡(jiǎn)單的操作對(duì)象的信息通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，分析，并確保該機(jī)器人已按照推理的程序被編程，操作反饋控制，性能低級(jí)別的情報(bào)。目前，第二代機(jī)器人的研究主要集中在實(shí)際應(yīng)用和普及。第四代機(jī)器人是指環(huán)保意識(shí)，并能夠使自主機(jī)器人自主決定。它具有多種感知功能，可以是復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在工作環(huán)境中能夠獨(dú)立行動(dòng)。第四代機(jī)器人，也稱為智能機(jī)器人，并且機(jī)器人已成為學(xué)術(shù)研究的焦點(diǎn)，但仍處于探索實(shí)驗(yàn)室階段。機(jī)器人技術(shù)已成為焦點(diǎn)和科學(xué)技術(shù)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)，并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)中逐步發(fā)揮作用顯著。可以預(yù)測(cè)，機(jī)器人將在21世紀(jì)的社會(huì)生產(chǎn)和生活中扮演更重要的角色。
1.5.2 機(jī)器人技術(shù)
機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)迅速發(fā)展和高度集成的前沿，在廣泛的領(lǐng)域，專注于機(jī)械工程，電氣與電子工程，計(jì)算機(jī)工程，自動(dòng)控制工程，生物科學(xué)和人工智能等學(xué)科的最新研究成果，代表了最新成果在機(jī)電一體化。機(jī)器人充分體現(xiàn)人與機(jī)器的各自的長(zhǎng)處，它具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用比常規(guī)機(jī)器。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工具的必然演變的需要。目前，機(jī)器人和自動(dòng)化裝備的關(guān)注，在國(guó)內(nèi)外已成為高新技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)也以驚人的速度向海洋，航空，航天，軍工，農(nóng)業(yè)，服務(wù)，娛樂(lè)等的滲透領(lǐng)域。目前，雖然機(jī)器人的能力仍然是非常有限的，但它正在迅速增長(zhǎng)。隨著各學(xué)科和社會(huì)需求的發(fā)展，機(jī)器人也出現(xiàn)了許多新的方向和趨勢(shì)，??如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人，虛擬機(jī)器人，機(jī)器人合作，微型機(jī)器人和機(jī)器人。
1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容
第1章 緒論 主要介紹機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)和本課題研究的任務(wù)和要求.
第2章 總體方案設(shè)計(jì),介紹該機(jī)器人各部分的相關(guān)知識(shí)和總體設(shè)計(jì).
第3章 機(jī)器人各部分設(shè)計(jì)的介紹
第4章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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第2章L300MM智能機(jī)器小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1機(jī)器人工程概述
從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)考慮來(lái)看，將被看作是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器是一個(gè)系統(tǒng)，可根據(jù)有機(jī)地聯(lián)系在一起的某些規(guī)則它由若干個(gè)子系統(tǒng)，是一個(gè)不可分割的整體。如果系統(tǒng)是一個(gè)特定的功能作為一個(gè)整體的開放，則損失。因此，在一個(gè)更??復(fù)雜的機(jī)器的設(shè)計(jì)中，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，該系統(tǒng)應(yīng)具有以下特征：
總共機(jī)械系統(tǒng)（1）由多個(gè)子系統(tǒng)的整體不同整體性能的應(yīng)具有的特定功能。
（2）內(nèi)的相關(guān)系統(tǒng)，有機(jī)效果子系統(tǒng)之間的有機(jī)聯(lián)系，具有一些相互關(guān)聯(lián)的特征。
（3）每個(gè)系統(tǒng)的目的，應(yīng)具有系統(tǒng)的一個(gè)明確的目的和功能，結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)的系統(tǒng)的組合取決于該系統(tǒng)的用途和功能。
（4）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性存在于任何系統(tǒng)中的一定的環(huán)境中，必須能夠適應(yīng)變化的外部環(huán)境。
因此，當(dāng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，機(jī)器人系統(tǒng)不僅要注意的各種成分的組成，部件的設(shè)計(jì)，但是應(yīng)當(dāng)基于的觀點(diǎn)系統(tǒng)工程一點(diǎn)，根據(jù)機(jī)器人的功能要求，將形成的組成部分機(jī)器人系統(tǒng)的各種子系統(tǒng)，合理部分組合，設(shè)計(jì)和適合于機(jī)器人的運(yùn)作需要優(yōu)良性能的產(chǎn)品。在更復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)通常包括以下內(nèi)容：操作機(jī)，它是在完成機(jī)器人本體的任務(wù)，其中包括基體，手臂，手腕，末端執(zhí)行器和其他的機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括一個(gè)傳動(dòng)系作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳輸部件及其部件。控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其它可編程的編輯控制裝置）具有計(jì)算，存儲(chǔ)能力，人 - 來(lái)自各種傳感器的放大，傳輸和輸入加工機(jī)接口設(shè)備（鍵盤，示教盒等），信息裝置，傳感器，離線編程，設(shè)備I / O通信接口，內(nèi)部和外部的傳感器，以及其它通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備[14]。
工業(yè)機(jī)器人的特征在于，它的多功能性在功能和重新調(diào)整柔性，工業(yè)機(jī)器人，從而可以有效地應(yīng)用到柔性制造系統(tǒng)來(lái)完成的部件或材料，組件或其它操作的轉(zhuǎn)移。在柔性制造系統(tǒng)，其基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床，鍛造，焊接，裝配等的生產(chǎn)設(shè)備），輔助設(shè)備，控制設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人在一起以形成多種不同形式的工業(yè)用機(jī)器人技術(shù)來(lái)復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)生產(chǎn)部門，如生產(chǎn)建筑，采礦，交通運(yùn)輸和其他參考文獻(xiàn)的機(jī)器人系統(tǒng)也是如此。
2.2 工業(yè)機(jī)器人車體機(jī)構(gòu)方案論述
負(fù)載大小的確定主要是考慮機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向確定沿著運(yùn)動(dòng)的主要考慮的方向在機(jī)器人機(jī)械接口力和扭矩載荷的大小。這應(yīng)包括在機(jī)器人末端的重量，重量和爬行指定速度和工件或作業(yè)對(duì)象，的加速度的條件下實(shí)施，例如所產(chǎn)生的慣性力。由設(shè)計(jì)參數(shù)的初步估計(jì)的設(shè)計(jì)表明，這樣的設(shè)計(jì)可能屬于一個(gè)小的負(fù)載。
驅(qū)動(dòng)模式
由于伺服電機(jī)具有良好的控制性能，控制的靈活性，使的速度，位置的精確控制，存在對(duì)環(huán)境，體積小，效率高，適合于高要求的運(yùn)動(dòng)控制，以及小機(jī)器人等特性沒(méi)有影響，所以這種設(shè)計(jì)使用一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)
（D）傳動(dòng)設(shè)計(jì)
機(jī)器人齒輪盡可能要緊湊，重量輕，慣性和小尺寸的時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)鏈應(yīng)考慮采取措施，以消除在為了提高機(jī)器人控制精度的運(yùn)動(dòng)和位置的間隙。經(jīng)常使用的機(jī)器人機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都因?yàn)辇X輪具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠的齒輪，蝸輪，滾珠絲杠，同步帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)，行星齒輪，諧波傳動(dòng)齒輪鋼等，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，學(xué)習(xí)掌握更扎實(shí)的大學(xué)，所以這個(gè)設(shè)計(jì)選擇齒輪。
（D）的工作范圍
工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)用機(jī)器人的操作過(guò)程操作范圍和軌跡確定的，以代表的工作空間。工作區(qū)的形狀和尺寸會(huì)影響機(jī)器人坐標(biāo)，尺寸和長(zhǎng)度的變化范圍的機(jī)械結(jié)構(gòu)和度每個(gè)操縱臂的自由的數(shù)目和關(guān)節(jié)軸角度選擇的各關(guān)節(jié)軸
（V）的速度
機(jī)器人操作器臂的每一次移動(dòng)之后最大行程被確定，根據(jù)該周期的定時(shí)，以確定每個(gè)操作的時(shí)間，可以進(jìn)一步確定每個(gè)動(dòng)作的速度，用米/秒或（°）/ s的分配給考慮各種因素，諸如循環(huán)時(shí)間的每個(gè)動(dòng)作序列之間的總長(zhǎng)度的每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間進(jìn)行順序地或同時(shí)等。每名候選人做時(shí)間的作用，通過(guò)比較，除了要考慮工藝要求的工作時(shí)間分配議案，分配計(jì)劃表中，我們還必須考慮慣性和旅行的大小，驅(qū)動(dòng)和控制，定位和精度要求。
2.3 小型智能移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)原理
四個(gè)輪子著地。因?yàn)榭傆兴膫€(gè)輪子接觸地面時(shí)，甚至行走速度較慢，可以保證整個(gè)身體的穩(wěn)定性。此外，所有的四個(gè)車輪，在當(dāng)機(jī)器人是在地面上的同時(shí)，可以通過(guò)一個(gè)伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)每個(gè)輪上的每個(gè)車輪來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前，向后和轉(zhuǎn)向。
使用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和車輪一體結(jié)構(gòu)，即電動(dòng)車輪結(jié)構(gòu)。在車輪的部分和結(jié)配備轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。中央控制單元被設(shè)置在車體上，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)操作的控制。因此，第一部分的結(jié)構(gòu)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)，減速，驅(qū)動(dòng)和監(jiān)視在一個(gè)位置，從而降低了傳輸鏈路和體重，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性的六個(gè)輪子。
請(qǐng)考慮使用自主導(dǎo)航控制模式和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的模式。該車有一個(gè)傳感器和視覺(jué)系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，機(jī)器人技術(shù)本身具有一定的自主導(dǎo)航能力，自動(dòng)防撞可以實(shí)現(xiàn)的。在同一時(shí)間的視覺(jué)系統(tǒng)的可視內(nèi)容可以通過(guò)一個(gè)無(wú)線系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制功能被發(fā)送到遠(yuǎn)程設(shè)備。
機(jī)器人自帶的電池和其他能源設(shè)備，可以自動(dòng)的能源供應(yīng)一定期限，以保證機(jī)器人的情況下，外部電源損耗自動(dòng)返回出發(fā)。對(duì)應(yīng)于人體的肌肉的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件的作用。為了完成預(yù)定的操作時(shí)，機(jī)器人必須具有前進(jìn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)單元，這是一個(gè)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在所有的驅(qū)動(dòng)元件中，電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。目前，很多仿生機(jī)器人也很有用液壓元件，氣動(dòng)元件和一些特殊材料，使驅(qū)動(dòng)器。在本文中，使用電機(jī)作為全新的智能移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件。用于電機(jī)，以便精確控制，使機(jī)器人的精確移動(dòng)。
目前，該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置被主要設(shè)置在以下兩個(gè)方面：“
（1）重點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器。即，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)布置在車體上由驅(qū)動(dòng)裝置，所述功率輸出到每個(gè)車輪，車輪的運(yùn)動(dòng)。 EV是一個(gè)典型的集中式驅(qū)動(dòng)器。智能移動(dòng)機(jī)器人，集中驅(qū)動(dòng)的方式是不恰當(dāng)?shù)模饕怯捎谄潆y以捉摸的自由轉(zhuǎn)向精確定位人體。
（2）集中控制 - 驅(qū)動(dòng)器的分布。這是每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪設(shè)置電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器或方向盤運(yùn)動(dòng)。馬達(dá)被安裝在車體上，由中央控制裝置，以控制其旋轉(zhuǎn)速度。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，有利于發(fā)揮牽頭機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。目前國(guó)家空間探測(cè)車都采用這種驅(qū)動(dòng)器。
該方案采用集中控制 - 分布式驅(qū)動(dòng)。輪轂和前驅(qū)動(dòng)電機(jī)一體成型的結(jié)構(gòu)，即電動(dòng)輪。輪和支架的連接，安裝轉(zhuǎn)向電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人的速度和攀登障礙物能力的輪子的直徑有顯著影響。使用相同的馬達(dá)，車輪直徑增大時(shí)，速度會(huì)增加，而機(jī)器人是兩者之間的線性關(guān)系。此外，在根據(jù)車輛的理論分析，車輪直徑增加能顯著提高機(jī)器人障礙物的能力。然而，一個(gè)較大直徑的輪，而輪表面遭受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降。根據(jù)地面車輛力學(xué)，剛性車輪寬度寬，較小的車輪的土壤塌陷的量，土壤板結(jié)的更多的阻力。然而，更寬的后輪，機(jī)器人轉(zhuǎn)向阻力也變大。另外，增加的車輪寬度比的增加更有效地減少到壓實(shí)的阻力車輪的直徑。因此，你必須設(shè)置的實(shí)際情況，輪子直徑和寬度，而不是盲目加大輪直徑和寬度。
第3章L300MM智能機(jī)器小車各部分設(shè)計(jì)
3.1 移動(dòng)機(jī)器人車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
在車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮了以下模型，如2.2圖所示。由圖可以看出，模型 a 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是車輪與地面接觸面積小，可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，且對(duì)電機(jī)軸形成一個(gè)彎矩，容易對(duì)電機(jī)軸造成破壞。模型 b 采用電機(jī)內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，增大了車輪與地面接觸面積，減小了打滑現(xiàn)象，但電機(jī)固定比較困難。
綜合兩種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖2.3，圖2.4中所示結(jié)構(gòu)，將電機(jī)內(nèi)嵌在車輪內(nèi)部，既增大車輪與地面的接觸面積，又縮短了整個(gè)結(jié)構(gòu)的軸向距離。為了保持輪子受力平衡使整個(gè)機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，將輪子設(shè)計(jì)為兩個(gè)一組來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖2.2 旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖
采用了一個(gè)深溝球軸承作為徑向支承，一方面避免了車輪對(duì)電機(jī)產(chǎn)生彎矩；另一方面保證了車輪的剛度。軸承外圈與車輪內(nèi)表面配合，由于內(nèi)圈并不能與電機(jī)直接配合，設(shè)計(jì)了一個(gè)電機(jī)殼結(jié)構(gòu)，作電機(jī)和軸承的連接。
圖2.4 旋轉(zhuǎn)部分機(jī)構(gòu)圖
3.2 電機(jī)的選型與計(jì)算
a.電機(jī)性能的比較
在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器一般采用以下幾種電機(jī)：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。幾種電機(jī)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行如表 2.1 所示。
表2.1 幾種電機(jī)比較
電機(jī)類型
優(yōu) 點(diǎn)
缺 點(diǎn)
直流電機(jī)
容易購(gòu)買
型號(hào)多
功率大
接口簡(jiǎn)單
轉(zhuǎn)速太快，需減速器
電流較大
較難與車輪裝配
價(jià)格較貴
控制復(fù)雜（PWM）
步進(jìn)電機(jī)
精確的速度控制
型號(hào)多樣
適合室內(nèi)機(jī)器人的速度
接口簡(jiǎn)單
價(jià)格便宜
功率與自重比小
電流通常較大
外形體積大
較難與車輪裝配，負(fù)載能力低
功率小
步進(jìn)電機(jī)作為一種新型的自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)雖然有一些不足，如啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大時(shí)易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖，且一般無(wú)過(guò)載能力，往往需要選取有較大轉(zhuǎn)距的電機(jī)來(lái)克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)位控制性能好，沒(méi)有積累誤差，易于實(shí)現(xiàn)控制，能夠在負(fù)載力矩適當(dāng)?shù)那闆r下，以較小的成本與復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步控制。
電機(jī)的選型與計(jì)算
對(duì)于本課題來(lái)說(shuō)，移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)速度最高為 0.5 米/秒，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)最高接近 100 轉(zhuǎn)/分。如果用直流電機(jī)，由于受轉(zhuǎn)速和力矩的影響，要配減速器。而如果用步進(jìn)電機(jī)，控制位置精度比較高可以達(dá)到 1.8 度。而且不需要減速器避免造成結(jié)構(gòu)冗繁。因此選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
下面對(duì)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)進(jìn)行選擇，輪式移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)的時(shí)候，需要克服兩種阻力：摩擦力和重力。對(duì)于平面內(nèi)移動(dòng)的機(jī)器人來(lái)講則只需要克服摩擦力。帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)器人整體重量在 20Kg左右，地面摩擦系數(shù)按金屬與混凝土之間的取為 0.5，則機(jī)器人需要的總功率為：
則平均每組車輪提供的功率為25 瓦。
對(duì)于單個(gè)車輪而言：
（2-1）
車輪直徑為 110mm，則電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為：
（2-2）
因此，選擇了北京和利時(shí)公司的 57BYG250E-0152 型號(hào)電機(jī)。靜轉(zhuǎn)矩為 1.5 NM 。該電機(jī)在相近產(chǎn)品中具有在轉(zhuǎn)速變高一定范圍內(nèi)能夠保持平穩(wěn)的力矩。其力矩隨轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下圖2.12所示。
圖2.12 電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖
下面選擇轉(zhuǎn)向電機(jī)，機(jī)器人對(duì)轉(zhuǎn)向速度要求較低，對(duì)位置精度比較嚴(yán)格，選用步進(jìn)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)向電機(jī)主要是使車輪實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，克服地面摩擦力，要求的轉(zhuǎn)速不高，因此主要計(jì)算電機(jī)靜力矩。
在這里我們假設(shè)每個(gè)車輪與地面的接觸按照理想狀態(tài)即相切線接觸，那么平均每個(gè)車輪的摩擦力為：
（2-3）
由于車輪是零半徑回轉(zhuǎn)，所以克服的摩擦力矩為：
（2-4）
式中——單個(gè)車輪的寬度
設(shè)計(jì)車輪與地面接觸總寬度為60mm，即所以克服的力矩為 0.368 。實(shí)際上車輪不是與地面呈線接觸，保證一定余量，選擇電機(jī)型號(hào)為 57BYG250B-SASRM-0152，靜力矩為 1.4 。
下面是所選電機(jī)的外形尺寸。
3.3 抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
a.驅(qū)動(dòng)方式的選擇
機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置，并提供了許多方法，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)模式都有其自身的特點(diǎn)，在液壓和氣動(dòng)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用是非常廣泛的，有些是在同一時(shí)間使用各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的，這取決于由所述機(jī)器人設(shè)置的特性和要求而有所不同。比較這些驅(qū)動(dòng)模式中，驅(qū)動(dòng)模式，用于選擇一對(duì)移動(dòng)機(jī)器人。
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，以避免壓力能量轉(zhuǎn)換成中間部分，其效率比液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)更高。汽車電機(jī)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速表，編碼器和制動(dòng)器總成又將在主題處理，使得整個(gè)電氣系統(tǒng)體積小，可靠性和多功能性也得到了很大的提高。此外，該馬達(dá)是根據(jù)脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算與脈沖等效距離運(yùn)行馬達(dá)，輸入到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)非常高的精度的位置和方向。液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)笨重，不便維護(hù)，大液壓源和所述源設(shè)備的體積，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的問(wèn)題也不能為移動(dòng)機(jī)器人手臂動(dòng)作的位置精度要求的機(jī)械，液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)也難以滿足。
綜上所述，本文選擇以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)行駛模式的機(jī)器人。
b.傳動(dòng)方式的選擇
傳輸方式是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)能量轉(zhuǎn)移等功效，其主要功能是指：分布和能量轉(zhuǎn)移;運(yùn)動(dòng)變化的形式;變化速度。機(jī)械傳動(dòng)的主要傳動(dòng)裝置，常用的有皮帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)，齒輪和蝸輪傳動(dòng)等。
根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況選擇齒輪。機(jī)械傳動(dòng)齒輪是最廣泛使用的類驅(qū)動(dòng)器。其傳動(dòng)效率高，根據(jù)正常的潤(rùn)滑效率高達(dá)99％以上;比常數(shù)，具有恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比，它可以應(yīng)用到高速傳輸;緊湊，因?yàn)檎加玫目臻g小相同的條件下;可靠，使用壽命長(zhǎng)。
手指設(shè)計(jì)會(huì)通過(guò)把持在這里的對(duì)象的平移運(yùn)動(dòng)的方式將被一起使用與螺桿軸和齒輪對(duì)作為傳輸機(jī)制來(lái)完成的機(jī)制，所要求的功能的前端。使用這兩種結(jié)構(gòu)的整個(gè)端體積小，重量輕。
c.手指的設(shè)計(jì)
操作和不同的操作的數(shù)目的復(fù)雜度可以實(shí)現(xiàn)為不同的手指，手可至少根據(jù)期望的索引機(jī)器人操作必須完成的操作來(lái)確定。手指可以推動(dòng)，滾動(dòng)或滑動(dòng)的小物件也可以強(qiáng)制操作開關(guān)等;兩個(gè)手指除了完整的一個(gè)手指的功能，它可以抓住對(duì)象，并可以精確地控制物體的位置和方向;三個(gè)手指除了完成兩個(gè)手指來(lái)完成的功能，它也被重復(fù)在手中把持的物體的功能，如對(duì)象到空氣和把握在新的位置的物體;多個(gè)指的是具有更大的靈活性，因?yàn)榭梢宰プ『筒倏v多個(gè)對(duì)象。對(duì)于本文的移動(dòng)機(jī)器人，只是能夠把握的對(duì)象，控制對(duì)象的位置和方向，然后兩個(gè)手指就能滿足這一工作的要求，所以結(jié)構(gòu)將是兩指結(jié)構(gòu)。從而兩個(gè)手指相對(duì)于所述致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)做關(guān)于螺旋軸平移運(yùn)動(dòng)的末端，以打開與合作。
經(jīng)過(guò)研究和討論，設(shè)計(jì)圖中所示的3.4最終結(jié)構(gòu)。最終的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用超硬合金材料，保證一定的剛性，同時(shí)減輕整體重量。手指延長(zhǎng)為50mm，開啟和關(guān)閉范圍4-44mm長(zhǎng)度。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的，通過(guò)一個(gè)齒輪傳動(dòng)齒輪2的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)螺桿軸3，以使左，右，打開和手指6,7的接近運(yùn)動(dòng)。引導(dǎo)軸引導(dǎo)和手指的固定軌跡。
1.電機(jī) 2.齒輪 3.左右螺旋軸 4.導(dǎo)向軸 5.齒輪 6.夾持器右指 7.夾持器左指
圖3.4 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖
手指形狀如圖2.12所示，前段平行處可以?shī)A持形狀規(guī)則（與手指接觸面為平面）的物體，后段為菱形形狀，可以?shī)A持圓形和不規(guī)則形狀的物體。這種設(shè)計(jì)可以更好的使機(jī)器人完成工作。
3.1.3電機(jī)的選型與計(jì)算
本文設(shè)計(jì)要求夾持的物體重為 m=300g，設(shè)螺紋為 M8，其中徑 r=3.6mm，螺距 P=1mm，當(dāng)量摩擦系數(shù) f=0.1，Q為軸向載荷，M為螺紋驅(qū)動(dòng)力矩。手指材料為鋁合金，表3.1列出了鋁合金與常用材料的磨擦系數(shù)，
表3.1 主要工程材料摩擦系數(shù)
摩擦副材料
靜摩擦系數(shù)
鋁合金
黃 銅
0.27
青 銅
0.22
鋼
0.3
膠 木
0.34
鋼 紙
0.32
樹 脂
0.28
硬橡膠
0.25
石 板
0.26
從表3.1可以看出鋁合金與不同材料的靜摩擦系數(shù)趨近于0.3，所以取被抓物體和末端執(zhí)行器手指之間的靜摩擦系數(shù)，則：
（3-1） 螺紋增力比
（3-2）
式中 ——當(dāng)量摩擦角，= ；
——螺紋升角，=
帶入數(shù)據(jù),得, 得
（3-3）
選用齒輪傳動(dòng)比 n=1:1，忽略齒輪傳動(dòng)摩擦及軸承滾動(dòng)摩擦力矩，根據(jù)上述計(jì)算，我們選擇了北京和利時(shí)電機(jī)公司生產(chǎn)的 28BYG250C-SAFSM-L007 型步進(jìn)電機(jī)，它的保持轉(zhuǎn)矩為 90，滿足設(shè)計(jì)要求。
.2機(jī)械手臂桿件的設(shè)計(jì)
本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小對(duì)對(duì)基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
3.2.1腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。
本文設(shè)計(jì)的手腕結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，它可在空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而擴(kuò)大機(jī)械手的工作范圍。腕部采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)伸出軸和末端執(zhí)行器連接，借助軸承來(lái)達(dá)到力矩的傳遞。通過(guò)軸承座將力傳到殼體上，使電機(jī)軸只能傳遞力矩而不受其它力的作用。其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。
1.末端執(zhí)行器 2.手腕連接件 3.軸承 4.軸承座 5.電機(jī)6.殼體 7.桿件A
圖3.5 腕部結(jié)構(gòu)圖
3.2.2臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
臂部分是機(jī)器人的主要部分。它的作用是支撐手腕和手，帶領(lǐng)他們做的運(yùn)動(dòng)空間。該運(yùn)動(dòng)的目的是在臂的向空間的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任何點(diǎn)的手柄部分。如果改變手（方位角）的姿勢(shì)，自由的程度，以通過(guò)手腕來(lái)實(shí)現(xiàn)。
臂設(shè)計(jì)基本要求：
（1）載荷能力，剛度，重量輕
即通過(guò)彎曲臂通常是（但在一個(gè)方向上沒(méi)有彎曲），但也由反向，應(yīng)在高彎曲和橫截面形狀的抗扭剛度被使用。所以臂做成中空的，它可以減輕重量，而且也提高了剛度，它可以設(shè)置在各機(jī)構(gòu)的內(nèi)部，從而使結(jié)構(gòu)緊湊，外觀整潔。
（2）臂速度越高，慣性較小
在正常情況下，統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)的要求，該移動(dòng)臂，而是在瞬間起動(dòng)和臂的端部，所述移動(dòng)是變化的，以減少?zèng)_擊，加速度和終止要求之前減速的開始時(shí)間是不是太大，否則沖擊和振動(dòng)。
（3）手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。
（4）的位置精度越高。
這樣的設(shè)計(jì)是在搖臂關(guān)節(jié)，桿B被設(shè)計(jì)成在圖3.6用于轉(zhuǎn)向齒輪組件中所示的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向自身也參與在這種情況下，包括該桿的，這樣，不僅節(jié)省了材料和設(shè)計(jì)的空間，增加了機(jī)器人手臂僵硬。 C是支撐桿轉(zhuǎn)向軸設(shè)計(jì)，它與形成了轉(zhuǎn)向機(jī)器人手臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)，無(wú)軸承關(guān)節(jié)，但相對(duì)活躍隨動(dòng)轉(zhuǎn)向臂與車身共同驅(qū)動(dòng)器之間實(shí)現(xiàn)。
1．桿件B 2. 舵機(jī) 3.桿件C
圖3.6 桿件B與舵機(jī)配合圖
桿件A和桿件B通過(guò)螺栓連接即可形成一個(gè)完整的桿件，通過(guò)桿件A和B的組合設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1）使關(guān)節(jié)間距可調(diào)。通過(guò)調(diào)節(jié)A和B的長(zhǎng)度，就可以調(diào)整機(jī)械臂中兩關(guān)節(jié)的距離，使機(jī)械臂的長(zhǎng)度可調(diào)。
（2）調(diào)節(jié)機(jī)械臂的重心位置：舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是未知的，因此其重心可能不在其幾何中心，而調(diào)整兩者之間的距離可以平衡掉重心位置造成的不良影響。
通過(guò)擺動(dòng)關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的組合就可以形成完整的機(jī)械手臂。
3.2.3 機(jī)械臂電機(jī)的選型與計(jì)算
人們往往關(guān)心的是機(jī)器人的末端位置和姿態(tài)，而舵機(jī)有非常好的位置可控性，帶有精密的減速器，具有其他同等尺寸的電機(jī)無(wú)可比擬的輸出力矩，因此我們選擇舵機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，其中第1關(guān)節(jié)的舵機(jī)需要提供的力矩最大，因此我們對(duì)這一關(guān)節(jié)進(jìn)行計(jì)算。
圖3.7 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)圖
機(jī)械臂各桿件處于水平時(shí)候?qū)Φ谝魂P(guān)節(jié)產(chǎn)生最大的力矩，計(jì)算方法是等效
的方式，即將末端執(zhí)行器及假想的欲抓取目標(biāo)單獨(dú)計(jì)算，其余桿件質(zhì)量集中到機(jī)械臂的中點(diǎn)計(jì)算：
兩部分一共為2.2 ，從而選用漢揚(yáng)科技公司生產(chǎn)的舵機(jī)，型號(hào)為HSR9559，其保持力矩為2353 。滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算
這種方法是只按軸所受的扭矩來(lái)計(jì)算軸的強(qiáng)度。如果還受不大的彎矩時(shí)，則采用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。并且應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。
在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用這種方法初步估算軸徑。對(duì)于不大重要的軸，也可作為最后計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
強(qiáng)度條件： Mpa
設(shè)計(jì)公式： （mm）
軸上有鍵槽： 放大：3~5%一個(gè)鍵槽；7~10%二個(gè)鍵槽。并且取標(biāo)準(zhǔn)植
式中：[τ]——許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（N/mm2），
C為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。
3.4.2按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算
通過(guò)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸上零件的位置以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。
對(duì)于鋼制的軸，按第四強(qiáng)度理論，強(qiáng)度條件為：
設(shè)計(jì)公式：（mm）
式中、：бe為當(dāng)量應(yīng)力，Mpa。 d為軸的直徑，mm; 為當(dāng)量彎矩；M為危險(xiǎn)截面的合成彎矩；； MH為水平面上的彎矩；MV為垂直面上的彎矩；W為軸危險(xiǎn)截面抗彎截面系數(shù)；——為將扭矩折算為等效彎矩的折算系數(shù)
∵彎矩引起的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力往往為非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力
∴與扭矩變化情況有關(guān)
——扭矩對(duì)稱循環(huán)變化
= ——扭矩脈動(dòng)循環(huán)變化
——不變的扭矩
，，分別為對(duì)稱循環(huán)、脈動(dòng)循環(huán)及靜應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力。
對(duì)于重要的軸，還要考慮影響疲勞強(qiáng)度的一些因素而作精確驗(yàn)算。內(nèi)容參看有關(guān)書籍。
3.4.3軸的剛度計(jì)算概念
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過(guò)允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。軸的彎曲剛度是以撓度y或偏轉(zhuǎn)角θ以及扭轉(zhuǎn)角ф來(lái)度量，其校核公式為：
y≤[y]; θ≤[θ]; ф≤[ф]。
式中：[y]、 [θ]、 [ф]分別為軸的許用撓度、許用轉(zhuǎn)角和許用扭轉(zhuǎn)角。
3.4.4軸的設(shè)計(jì)步驟
設(shè)計(jì)軸的一般步驟為：
（1）選擇軸的材料 根據(jù)軸的工作要求，加工工藝性、經(jīng)濟(jì)性，選擇合適的材料和熱處理工藝。
（2）初步確定軸的直徑 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算公式，計(jì)算出軸的最細(xì)部分的直徑。
（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 要求：①軸和軸上零件要有準(zhǔn)確、牢固的工作位置；②軸上零件裝拆、調(diào)整方便；③軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。④盡量避免應(yīng)力集中；根據(jù)軸上零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先要預(yù)定出主要零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系，它是軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，擬定裝配方案，應(yīng)先考慮幾個(gè)方案，進(jìn)行分析比較后再選優(yōu)。
原則：1）軸的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越合理；2）裝配越簡(jiǎn)單越合理。
3.5各軸的計(jì)算
（1）查得C=118（低速軸彎矩較大），由公式
取高速軸的直徑d=45mm。
（2）求作用在齒輪上的力
齒輪分度圓直徑為
齒輪所受的轉(zhuǎn)矩為
齒輪作用力 圓周力
徑向力
軸向力
（3）畫軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖并計(jì)算支反力(圖 a)
水平支反力 垂直支反力
（4）畫彎矩圖
a水平面內(nèi)彎矩圖M(b圖)
截面c
b垂直面內(nèi)彎矩圖MC（c圖）
截面c
C合成彎矩（d圖）
d 畫扭矩圖（e圖）
又根據(jù)
查得
則
e 繪當(dāng)量彎矩圖（f圖）
3.6軸的設(shè)計(jì)與校核
初定最小直徑，選用材料45δ鋼，調(diào)質(zhì)處理。取A0=112（不同）
則Rmin=A0=16.56mm
最小軸徑處有鍵槽
Rmin’ = 1.07dmin = 17.72mm
最小直徑為安裝聯(lián)軸器外半徑，取KA=1.7，同上所述已選用TL4彈性套柱聯(lián)軸器，軸孔半徑R=20mm。
取高速軸的最小軸徑為R=20mm。
由于軸承同時(shí)受徑向和軸向載荷，故選用6300滾子軸承按國(guó)標(biāo)T297-94 D*d*T=17.25
軸承處軸徑d =36mm
高速軸簡(jiǎn)圖如下：
取L1=38+46=84mm,取擋圈直徑D=43mm,取d2=d4=54mm,d3=67mm,d1=d5=67mm。
聯(lián)軸器用鍵：圓頭普通平鍵。
B*h=6*6,長(zhǎng)L=91 mm
齒輪用鍵：同上。B*h=6*6, 長(zhǎng)L=10mm,倒角為2*45度
3.7 軸承的設(shè)計(jì)及校核
3.7.1軸承種類的選擇
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 吳宗澤 羅圣國(guó) 主編 高等教育出版社出版P62 滾動(dòng)軸承由于采用兩端固定，采用深溝球軸承。型號(hào)為6303和6300。
3.7.2深溝球軸承結(jié)構(gòu)
深溝球軸承一般都是一對(duì)戒指，一組籠子里，一組鋼球。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，是生產(chǎn)軸承的最常見和最廣泛的