移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),移動(dòng),挪動(dòng),機(jī)器人,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
說明書 第 31 頁 共 31 頁
1 緒論
1.1 引言
在星球表面探索、地震或事故現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)、自然界未知事物探索等環(huán)境中工作的移動(dòng)機(jī)器人，面臨著復(fù)雜、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，應(yīng)具有良好的適應(yīng)性、靈活性。移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)能夠依靠自身的功能，克服環(huán)境的不確定性，有效地完成任務(wù)[1]。機(jī)器人不僅可以在粉塵、噪聲、有毒、輻射等有害條件下部分替代人去操作，還能在人所不能及的極限條件下，如深海、外層空間環(huán)境中完成人所賦予的任務(wù)，擴(kuò)大了人類改造自然的能力，尤其是近些年來自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。
機(jī)器人的研究、開發(fā)、應(yīng)用涉及許多學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。多剛體動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動(dòng)、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科都和機(jī)器人技術(shù)有密切的聯(lián)系[2]。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
地面移動(dòng)機(jī)器人是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在地面運(yùn)動(dòng)的物體。地面移動(dòng)機(jī)器人的研究最早可追溯到五十年代初，美國(guó)Barrett Electronics公司研究開發(fā)出世界第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車倆系統(tǒng)。由于當(dāng)時(shí)電子領(lǐng)域尚處于晶體管時(shí)代，該車功能有限，僅在特定小范圍運(yùn)動(dòng)，目的是提高運(yùn)輸自動(dòng)化水平。到了六、七十年代，美國(guó)仙童公司研究出集成電路，隨后出現(xiàn)集成微處理器，為控制電路小型化奠定了硬件基礎(chǔ)。到了八十年代，國(guó)外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價(jià)值的移動(dòng)機(jī)器人受到西方各國(guó)的普遍關(guān)注[3]。在移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展中，出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器人大國(guó)，一個(gè)是日本，另一個(gè)是美國(guó)。時(shí)至今日，各種類型的地面移動(dòng)機(jī)器人紛紛研制出來，其應(yīng)用范圍從民用、工業(yè)用到軍用，涉及人類運(yùn)動(dòng)的方方面面。
進(jìn)入90年代，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展由于受到發(fā)達(dá)資本主義經(jīng)濟(jì)不景氣的影響，專門從事機(jī)器人研究和生產(chǎn)的部門數(shù)目有所減少，但由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器科學(xué)的長(zhǎng)足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行。機(jī)器人發(fā)展到今天已經(jīng)是燦爛輝煌，隨著信息技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人作為人工智能的一個(gè)分支也將吸收這些成果，功能將更完善，新的移動(dòng)機(jī)器人也將涌現(xiàn)出來[4]。未來的機(jī)器人技術(shù)，將在以下幾個(gè)方面發(fā)展。
（1） 高速操作臂 高速操作臂可以大大提高機(jī)器人的工作效率。為此，必須開展新的手腕機(jī)構(gòu)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，以及能適應(yīng)機(jī)械臂高速運(yùn)動(dòng)的變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的動(dòng)態(tài)控制方法等的研究。
（2） 柔性操作臂 目前的操作臂本身質(zhì)量要比它所能抓起的質(zhì)量大的多。如臂自身質(zhì)量為30kg，僅能搬運(yùn)還不到10kg的物體，這與人的手臂相比要小的多，其原因主要是驅(qū)動(dòng)裝置的效率低、輕型材料的強(qiáng)度和韌性不夠。因此，新型材料的開發(fā)成為了研制高效機(jī)器人的重中之重。
（3）多自由度操作臂 要實(shí)現(xiàn)狹小空間的操作，研制超多自由度的機(jī)械手是完全必要的[。
（4）高精度、多自由度控制操作臂 機(jī)器人被越來越多的用在醫(yī)療，軍事等需求高精度的場(chǎng)合，在保證精度的同時(shí)還要追求高自由度，要能完成各種各樣的動(dòng)作，這就要求研制出更穩(wěn)定的系統(tǒng)來保證操作臂動(dòng)作的精度。
（5）微型操作臂 目前的操作臂局限于材料和驅(qū)動(dòng)力，自身的大小不能滿足越來越精密的工作場(chǎng)合。為此，微型操作臂的開發(fā)已在日程中[5]。
1.3 機(jī)械臂介紹
1.3.1 機(jī)器人操作臂的機(jī)構(gòu)和空間描述
機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)功能最重要的部件就是機(jī)械臂 (亦稱操作臂)，一般是由一系列連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)相連接的開式運(yùn)動(dòng)鏈，一端裝在固定的支座上(機(jī)座);另一端自由，安裝手爪、工具，實(shí)現(xiàn)各種操作[6]。
為了描述組成操作臂的各連桿之間的相對(duì)位置和姿態(tài)，在每個(gè)連桿上固接一個(gè)坐標(biāo)系，用其來描述相對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人通過機(jī)械臂完成人們交予的任務(wù)，從早期齒輪傳動(dòng)只能上下移動(dòng)的垂直臂到后來液壓驅(qū)動(dòng)多自由度自由伸縮的機(jī)械臂，期間一共度過了40年的時(shí)間[7]。如今，機(jī)械臂已經(jīng)更加擬人化，包括安裝了觸覺，視覺，力覺等感受功能部件，使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)起來能夠理性避讓障礙,減少不必要的損失。
1.3.2 操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、靜力和變形
把操作臂的連桿近似的當(dāng)成剛體，則相鄰兩連桿坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系用連桿變換矩陣來表示。操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)則討論手臂末端執(zhí)行器的位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系[8]。操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)由兩個(gè)基本問題:正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。
操作臂動(dòng)力學(xué)研究各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力與終端操作器的位置、速度和加速度之間的關(guān)系。操作臂的動(dòng)力學(xué)方程十分復(fù)雜，不僅與操作臂的形位有關(guān)，還和連桿的質(zhì)量分布、連桿的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)之間的摩擦等有關(guān)[9]。操作臂的動(dòng)力學(xué)方程有多種形式:關(guān)節(jié)空間、操作空間和狀態(tài)空間形式。研究操作臂動(dòng)力學(xué)一方面是為機(jī)器人控制提供精確的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算驅(qū)動(dòng)力函數(shù)、實(shí)現(xiàn)前饋補(bǔ)償;另一方面是為了仿真，根據(jù)加速度計(jì)算相應(yīng)的關(guān)節(jié)力[10]。
1.3.3 操作臂的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制
機(jī)器人的操作臂在運(yùn)動(dòng)之前，需要明確是否一定要沿特定的路徑運(yùn)動(dòng)，還要明確在運(yùn)動(dòng)過程中是否會(huì)與障礙物相碰[11]。如果對(duì)運(yùn)動(dòng)的路徑?jīng)]有特殊的要求，則通常是每個(gè)關(guān)節(jié)按指定的平滑時(shí)間函數(shù)，同時(shí)從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn);如果一定要沿特定的路徑，那么軌跡規(guī)劃器應(yīng)利用函數(shù)插值逼近預(yù)期的路徑[12]。
軌跡控制的目的在于精確地實(shí)現(xiàn)所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制包括:建立操作臂的動(dòng)力學(xué)模型;根據(jù)所建模型確定控制規(guī)律或策略，以達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)和性能。討論控制規(guī)律的分解和相應(yīng)的控制方案[13]。
1.4 目前主要存在的問題
工業(yè)機(jī)器人是計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)后發(fā)展起來的一種新型機(jī)械結(jié)構(gòu)，工作效率和機(jī)動(dòng)性比傳統(tǒng)機(jī)械高很多[14]。隨之而來的是，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在減少質(zhì)量、提高剛度方面比傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)有更高的要求。在設(shè)計(jì)工作中，結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化顯得更為重要。
如今的機(jī)器人手臂存在幾個(gè)急需解決的問題，首先是機(jī)械手臂工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。軍用機(jī)器人特別是防暴拆彈機(jī)器人是用來拆除炸彈，需要用機(jī)械臂夾起炸彈，運(yùn)輸?shù)教囟ǖ姆辣┳o(hù)具中進(jìn)行引爆。這就要求在夾起和運(yùn)輸過程中的平穩(wěn)，稍許的震動(dòng)也許就會(huì)是炸彈被引爆，造成不必要的損失。其次是機(jī)械手臂的適應(yīng)性[15]。機(jī)械手臂是機(jī)器人的核心之一，機(jī)器人只有通過機(jī)械手臂才能發(fā)揮各種作用。在很多場(chǎng)合，現(xiàn)場(chǎng)條件都很復(fù)雜，這就需要機(jī)械手臂有很好的適應(yīng)性，能進(jìn)入各種復(fù)雜的管道或者角落進(jìn)行作業(yè)，或者對(duì)障礙物柔性避讓。這就對(duì)機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有了更大的要求[16]。
1.5 我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展戰(zhàn)略
談及我國(guó)的機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略，許多有識(shí)之士己發(fā)表了不少高見。為了使我國(guó)機(jī)器人學(xué)有更大的發(fā)展，首先必須進(jìn)一步發(fā)展對(duì)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)，取得正確和求實(shí)的共識(shí)。對(duì)于具體的一些思路，則涉及在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的同時(shí)，注意開發(fā)特種機(jī)器人;培養(yǎng)與發(fā)展國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng);建立機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，形成規(guī)模生產(chǎn);開展國(guó)際合作，打開國(guó)際市場(chǎng)，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng);合理選擇主攻戰(zhàn)略方向，開發(fā)有市場(chǎng)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù);更加重視基礎(chǔ)研究，加大技術(shù)儲(chǔ)備;穩(wěn)定和擴(kuò)大研究隊(duì)伍等。21世紀(jì)已經(jīng)到來，在新世紀(jì)里，中國(guó)機(jī)器人學(xué)必將在世界上占有一席之地，并可望發(fā)展成機(jī)器人大國(guó)。
1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求
全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小型機(jī)器人具有典型的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特征。唯有體型較小，可以放在桌面上，適宜于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和作為自動(dòng)化及控制技術(shù)的研究工具。
該課題在調(diào)研的基礎(chǔ)上完成5自由度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)工作是電動(dòng)機(jī)的選擇和校核及其關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度計(jì)算。
2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
2.1.1 各種傳動(dòng)方式的比較
（1）帶傳動(dòng)：帶傳動(dòng)具有結(jié)果簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、 造價(jià)低廉、不需要潤(rùn)滑油及緩沖吸振等特點(diǎn)。
（2）鏈傳動(dòng)：鏈傳動(dòng)具有平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、尺寸較緊湊、能在惡劣的條件下工作，但其不能保持瞬間的傳動(dòng)比恒定，工作時(shí)有噪聲、磨損后易發(fā)生跳齒，不適合用于空間，限制要求中心距小及急速反向傳動(dòng)的場(chǎng)合。
（3）齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)能保證瞬間傳動(dòng)比的恒定，傳動(dòng)比范圍大；速度和傳遞的功率的范圍大，可用于高速、中速和低速的傳動(dòng)；但制造的成本比較的高，無過載的保護(hù)作用。
綜合以上各特點(diǎn)：因?yàn)楸緳C(jī)器人用于科研、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、握重3 kg，所以載荷較小，工作也比較的穩(wěn)定，環(huán)境較好。但要求傳動(dòng)準(zhǔn)確，瞬間傳動(dòng)比準(zhǔn)確恒定，且要有較大的傳動(dòng)比。故本機(jī)器人尺寸較小，結(jié)構(gòu)要求緊湊，并且要求傳動(dòng)反應(yīng)靈活、迅速、準(zhǔn)確。所以，綜合考慮選用齒輪傳動(dòng)且多級(jí)齒輪傳動(dòng)，以獲得較大的驅(qū)動(dòng)力矩；由于傳動(dòng)比大，也可提高傳動(dòng)精度。
2.1.2機(jī)器人輪廓圖
圖2.1 機(jī)器人輪廓圖
圖2.2 機(jī)器人三維圖
2.1.3大臂部分的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)
圖2.3 大臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
齒輪10固定于軸A,。當(dāng)齒輪9旋轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)齒輪10與A軸不動(dòng)，則使得B軸圍繞著A軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這A軸為大臂與腰身連接的關(guān)節(jié)。
初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1
Z5=18 則d5=18 mm；Z6=99 則d6=99mm ；
Z7=18 則d7=18mm；Z8=109 則d8=109mm；
Z9=18 則d9=18 mm；Z10=109 則d10=109 mm；
步進(jìn)電機(jī)初選：45BF008；
2.1.4小臂部分的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)
方案一：此方案仿大臂部分的傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)安裝在小臂上。
圖2.4 小臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案一
方案二：這個(gè)方案的步進(jìn)電機(jī)是安裝在大臂上。
圖2.5 小臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案二
方案比較：
方案一中因?yàn)殡姍C(jī)是要安裝在小臂上，所以對(duì)于機(jī)器人來說的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是比較大的。
方案二因?yàn)殡姍C(jī)是安裝在大臂上，所以對(duì)于機(jī)器人來說其的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來說要比較的小，而且使得機(jī)器人的重心也比較低。
所以選擇方案二：
圖2.6 小臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
初選：此系統(tǒng)模數(shù)為：1
Z11=18 則d11=18mm；Z12=79 則d12=79mm；
Z13=18 則d13=18mm； Z14=79則d14=79mm；
Z15=18 則d15=18mm；Z16=79 則d16=79mm；
步進(jìn)電機(jī)為45BF008
2.1.5 手腕部分的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)
圖2.7 手腕傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
分析：
（1）手腕的仰俯動(dòng)作（即繞D軸旋轉(zhuǎn)）
如圖2.8：
圖2.8 手腕俯仰動(dòng)作實(shí)行機(jī)構(gòu)（D軸）
若齒輪1和齒輪2以相同的速度（大小和方向）旋轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)齒輪3被卡死，則迫使手腕繞著D軸旋轉(zhuǎn)。所以此時(shí)手腕實(shí)現(xiàn)了俯仰動(dòng)作。
(2) 手腕的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作（即繞C軸旋轉(zhuǎn)）
如圖2.9：
圖2.9 手腕俯仰動(dòng)作實(shí)行機(jī)構(gòu)（C軸）
若齒輪1和齒輪2以相同大小但不同方向的速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)齒輪3也旋轉(zhuǎn)，即繞C軸旋轉(zhuǎn)。所以此時(shí)手腕實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。
初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1。因?yàn)榇讼到y(tǒng)的左右完全對(duì)稱，所以我們就只要分析一邊就可以了，即我們選擇左邊。
Z17=18 則d17=18mm；Z18=54 則d18=54mm；
Z19=18則d19=18mm； Z20=65 則d20=65mm；
Z21=18 則d21=18mm；Z22=18則d22=18mm；
注：Z21，Z22位一對(duì)圓錐齒輪。
2.1.6手部夾持器的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)
圖2.10 手部夾持器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
初選：此系統(tǒng)模數(shù)為 1
Z23＝18 則d23=18mm；Z24＝60 則d24=60mm；
直流電動(dòng)機(jī)選擇為：M08－832
（2）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：
方案一：
圖2.11 單向傳動(dòng)方案
方案二：
圖2.12 雙向傳動(dòng)方案
方案比較：因?yàn)橐獫M足夾持的物體一直都在手臂的中心線上，所我們應(yīng)該選擇方案二。
2.2各個(gè)部分傳動(dòng)比的計(jì)算
（1）腰身部分：由圖2.2可知腰身部分采用二級(jí)圓柱齒輪，傳動(dòng)比為：
（2）大臂部分：由圖2.3可知大臂采用三級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為：
（3）小臂部分：由圖2.4可知小臂采用三級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為：
（4）手腕部分：由圖2.5可知手腕采用二級(jí)圓柱齒輪加上一級(jí)的圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為：
注：此傳動(dòng)比既是手腕俯仰運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)比也是手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)比。
（5）手部夾持器部分：由圖2.6可知因?yàn)槭肿ヒ笞枣i，且開合速度不宜過快，所以采用螺旋傳動(dòng)，傳動(dòng)比：
2.3傳動(dòng)系統(tǒng)總圖
綜合以上的計(jì)算和設(shè)計(jì)可以得到下面的傳動(dòng)系統(tǒng)總圖：
圖2.13 傳動(dòng)系統(tǒng)總圖
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于本機(jī)器人多采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且要保證傳動(dòng)精度，所以齒輪消隙問題要做一定的考慮。
（1）由于大臂、小臂、手腕多處于伸展?fàn)顟B(tài)，因重力作用，齒輪的傳動(dòng)能較好保持單齒輪接觸狀態(tài)，傳動(dòng)穩(wěn)定，不必另加消隙裝置。
（2）立柱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)因無靜力矩作用，而齒輪加工誤差會(huì)使齒輪嚙合不穩(wěn)定，嚙合齒面變化，從而使立柱有一個(gè)較小角度的自由擺動(dòng)，影響傳動(dòng)定位精度，要加以調(diào)整消除。此處采用了一個(gè)偏心軸和一個(gè)偏心盤來來調(diào)節(jié)兩對(duì)齒輪傳動(dòng)間隙?？赏ㄟ^座體上端蓋板口和底座下口調(diào)節(jié)。（見機(jī)械總圖）
（3）為使控制簡(jiǎn)化，將小臂板中心線與立柱中心軸線放在同一平面上，以保證手爪的中心線與立柱的中心線在同一平面內(nèi)，控制，計(jì)算都比較的方便。
3.1零件的密度
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查的材料密度如下：
45號(hào)鋼 g/ 取7.85 g/
酚醛層壓板 g/ 取 1.4 g/
尼龍1010 g/ 取 1.05 g/
20號(hào)鋼 g/ 取 7.85 g/
鋁板 g/
普通鋼板 g/ 取7.85 g/
ZL102鑄鋁 g/
鍍鋅鐵板 g/
丁晴橡膠 g/
3.2 零件重量列表
計(jì)算本零件重量忽略小孔及倒角、圓角，對(duì)螺栓作光桿處理，尺寸向較大方向選取。
表3.1 零件重量表
零件序號(hào)
零件名稱
質(zhì)量（克）
1
夾持器手指
41.1
2
螺紋桿
240
3
齒輪24
53
4
外殼
124.5
5
銷
13.5
6
外殼邊
49.5
7
螺絲釘
2.22
8
螺絲釘
2.31
9
卡環(huán)
0.74
10
套筒
0.885
11
齒輪23
21.6
12
直流電動(dòng)機(jī)
195
13
外套
37.5
14
螺栓
97.5
15
螺母
1.17
16
齒輪22
25.2
17
軸
40.2
18
密封器件
7.35
19
齒輪21和20
154.5
20
螺母
1.17
21
齒輪18和19
124.5
22
套筒
3.12
23
軸
31.5
24
密封器件
7.5
25
螺母
1.17
26
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
330
27
齒輪17
10.5
28
小臂板
309.75
29
加強(qiáng)筋
46.5
30
軸
186
31
銷
7.5
32
齒輪16
321
33
銷
4.76
34
密封器件
7.5
35
套筒
3
36
螺母
1.17
37
齒輪15和14
271.5
38
軸
31.5
39
套筒
3.45
40
套筒
1.56
41
螺母
1.17
42
齒輪13和12
257.4
43
套筒
3
44
軸
30
45
套筒
1.56
46
螺母
1.17
47
大臂板
519
48
加強(qiáng)筋
39.8
49
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
675
50
齒輪11
29.5
51
齒輪8和9
594
52
軸
31.5
53
密封器件
7.5
54
螺母
1.17
55
軸
695.4
56
齒輪6和7
471
57
齒輪10
329.4
58
銷
15
59
螺絲釘
7.5
60
墊片
18
61
密封元件
7.5
62
套筒
1.8
63
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
675
64
齒輪5
29.55
大鋁蓋板：39.4 g ；小鋁蓋板:24.9g ；直流電機(jī)M28－832：130g；
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)45BF008：675g；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)36BF005：330g；
3.3機(jī)器人受力大小分析
將各個(gè)零件作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化集中到各軸線上，得到各點(diǎn)的受力圖：
圖3.1 機(jī)器人受力分析圖（取所受力矩最大姿態(tài)）
F1＝ N
F2= N
F3= N
F4= N
F5= N
F6= N
F7= N
F8＝ N
F9＝ N
F10＝ N
F11＝ N
F12＝ N
F13= N
F14＝ N
F15＝ N
3.4機(jī)器人輪廓基本尺寸的設(shè)計(jì)
要求：總體尺寸為900mm左右
初步設(shè)計(jì)比例為：1.2 ：1 ：0.5，則可得：
大臂： mm
小臂： mm
手爪： mm
根據(jù)機(jī)器人受力大小分析和機(jī)器人輪廓基本尺寸得設(shè)計(jì)可以得到機(jī)器人受力分析圖（如下頁所示），取得為機(jī)器人所受力矩最大姿態(tài)
3.5靜力矩計(jì)算
(1) 大臂所受重力靜力矩
[
(2)小臂所受重力靜力矩：
]
（3）手腕俯仰所受重力靜力矩：
＝
(4)手腕回轉(zhuǎn)所受重力靜力矩：
4伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校核
4.1伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本機(jī)器人伺服系統(tǒng)若采用直流伺服電機(jī)，則要配大降速比的諧波減速器，還要做閉環(huán)控制系統(tǒng)，要加傳感器，反饋動(dòng)作幅度。而國(guó)內(nèi)諧波減速器在工藝、材料、制造等方面還不夠完善，使用效果不夠好，且價(jià)格較貴；外加反饋器件也要增加機(jī)器人的成本。所以綜合考慮不采用閉環(huán)系統(tǒng)，不用直流電動(dòng)機(jī)，而用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可通過控制脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間來達(dá)到控制動(dòng)作幅度和速度的目的。開環(huán)控制比較的方便，且總體也便宜，動(dòng)作精度也能達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。
因?yàn)榱⒅?、小臂、大臂所需?qū)動(dòng)力相對(duì)較大，所以采用45BF008步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，起最大的靜轉(zhuǎn)矩為1.96；但因?yàn)槭滞笏艿降牧剌^小些，所以采用36BF005步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，起最大的靜力矩為0.784；夾持器采用螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)且無速度要求，因其降速比大，所以采用M28－832直流電機(jī)。
4.2機(jī)械傳動(dòng)效率概略值
（1） 圓柱齒輪傳動(dòng)：
開式傳動(dòng)：0.94～0.96 取 0.96；
單級(jí)圓柱齒輪減速器（包括軸承）：0.97～0.98；
兩級(jí)圓柱齒輪減速器（包括軸承）： 095～0.96 取0.95；
（2）圓錐齒輪傳動(dòng)：
開式傳動(dòng)：0.92～0.94 取 0.94；
單級(jí)圓錐齒輪減速器（包括軸承）：0.95～0.96；、
（3）滾動(dòng)軸承（一對(duì)）：0.99～0.95 取0.95；
（4）滑動(dòng)軸承： 0.95～0.98 取0.95；
4.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)
表4.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
電機(jī)型號(hào)
45BF008
36BF005
相數(shù)
3
3
分配方式
A－AB—B…
A－AB—B…
步矩角（）
1.875
1.5
電壓（V）
27
27
最大靜轉(zhuǎn)矩（）
1.96
0.784
空載啟動(dòng)頻率（step/s）
2500
3100
重量（kg）
0.68
0.33
使用溫度范圍
—40～＋50
—40～＋50
溫升（k）
65
65
圖4.1 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性
4.4 大臂俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算
（1）設(shè)計(jì)要求：上臂俯仰范圍：；最高運(yùn)動(dòng)速度：。
（2）根據(jù)載荷要求及電機(jī)性能初選步進(jìn)電機(jī)45BF008，其步矩角為。
（3）上臂傳動(dòng)部分為三級(jí)的圓柱齒輪傳動(dòng)
其傳動(dòng)比為：＝302.5；
其傳動(dòng)效率為：；
其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 。
4.4.1起動(dòng)段計(jì)算
由45BF008步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖（圖5.1）可知：為避免起動(dòng)失步，取該電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率為 step/s；設(shè)起動(dòng)時(shí)間s，則有：
起動(dòng)過程中上臂轉(zhuǎn)速：
其平均加速度為：
由載荷分析可得上臂所受的靜力矩為：
而加速力矩為：
對(duì)應(yīng)的所需電機(jī)力矩：
由圖5.3可得：步進(jìn)電機(jī)45BF008當(dāng)起動(dòng)頻率為800 step/s時(shí)，對(duì)應(yīng)起動(dòng)力矩。
所以，，電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。
此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)走過的步數(shù)為： step
4.4.2加速段計(jì)算
由設(shè)計(jì)要求，最高運(yùn)動(dòng)速度，則電機(jī)所需要運(yùn)行頻率:
step/s
取 step/s，加速時(shí)間取 s，則加速過程中，上臂的轉(zhuǎn)速:
其加速度
此時(shí)，加速力矩： ，又知靜力矩：
所以 電機(jī)所需的力矩為：
此時(shí)，加速段走過的步數(shù)：
step
則起動(dòng)、加速段合計(jì)走過步數(shù) step
走過角度
4.4.3降速停止段計(jì)算
設(shè)電機(jī)由運(yùn)行頻率step/s，經(jīng)0.1s降速停止，則其所經(jīng)步數(shù)為： step
所經(jīng)角度：
4.5 小臂俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算
設(shè)計(jì)要求：小臂俯仰范圍：－120～＋30，最高運(yùn)動(dòng)速度。
根據(jù)載荷要求和電機(jī)的性能，初步選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)45BF45BF008角，上臂驅(qū)動(dòng)部分為三級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)比：，
其傳動(dòng)效率：
小臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：I＝1.79
4.5.1起動(dòng)段計(jì)算
由于45BF45BF008機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖，為避免起動(dòng)失步，取該電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率
step/s，設(shè)其起動(dòng)時(shí)間，則有：
起動(dòng)過程中小臂轉(zhuǎn)速
其平均加速度
由前可小臂所受靜力矩
而加速力矩
對(duì)應(yīng)電動(dòng)所需力矩
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)45BF45BF008率為800step/s時(shí)，對(duì)應(yīng)起動(dòng)的力矩[T]＝0.5，所以
<[T],，電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。
此時(shí)，電機(jī)走過的步數(shù) step
4.5.2加速段計(jì)算
由設(shè)計(jì)要求最高運(yùn)動(dòng)速度，則電動(dòng)機(jī)所需運(yùn)行的頻率step/s
取，加速時(shí)間為，則加速過程中：
小臂的轉(zhuǎn)速：
其加速度：
此時(shí)，小臂的加速力矩為：
所以，
加速段走過的步數(shù) ：
step
起動(dòng)、加速段合計(jì)走過的步數(shù) step
走過的角度
4.5.3降速停止段計(jì)算
設(shè)該電機(jī)有運(yùn)行頻率 setp/s，經(jīng)過0.1s降速停止，
其所經(jīng)過的步數(shù)為：step
所經(jīng)過的角度：
4.6 手腕俯仰驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)計(jì)算
設(shè)計(jì)的要求：手腕的俯仰角，最高速度：手臂俯仰。
根據(jù)載荷的要求和電動(dòng)機(jī)性能 初選兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)36BF005，其步矩角。手腕部分為兩組兩級(jí)的圓柱齒輪傳動(dòng)，加一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)。則其的傳動(dòng)效率，
由前面可知，手腕的俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其傳動(dòng)比為：i=16.25
當(dāng)兩電動(dòng)機(jī)以相同的速度和方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，則此時(shí)手腕將實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。
4.6.1起動(dòng)段計(jì)算
由36BF005步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖，取該電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率為：step/s，以避免在到470 step/s 頻率間的力矩突降，此時(shí)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)力矩[T]=0.43，設(shè)其起動(dòng)時(shí)間
，則有：
啟動(dòng)過程中手腕俯仰速度為：
其平均加速度：
由前知道手腕俯仰的靜力矩
而加速力矩為：
對(duì)應(yīng)所需要的電機(jī)力矩：<[T]
所以電機(jī)滿足要求。
4.6.2加速段計(jì)算
由設(shè)計(jì)要求最高運(yùn)動(dòng)速度，則電動(dòng)機(jī)所需運(yùn)行的頻率step/s
取，加速時(shí)間為，則加速過程中：
手腕的轉(zhuǎn)速：
其加速度：
此時(shí)，手腕的加速力矩為：
所以，
加速段走過的步數(shù) ：
step
起動(dòng)、加速段合計(jì)走過的步數(shù) step
走過的角度
4.6.3降速停止段計(jì)算
設(shè)該電機(jī)有運(yùn)行頻率 setp/s，經(jīng)過0.2s降速停止，
其所經(jīng)過的步數(shù)為：step
所經(jīng)過的角度：
4.7 手爪開合驅(qū)電機(jī)計(jì)算
設(shè)計(jì)要求：最大載荷量 3kg,最大的夾持直徑為40mm。
因手爪夾持物體過程中無速度的要求，考慮，簡(jiǎn)化控制，初選用直流電動(dòng)機(jī)M28-841，其額定電壓為24v，額定轉(zhuǎn)矩為1000，.
則額定轉(zhuǎn)速，額定功率。
由機(jī)械總圖可知：傳動(dòng)的螺桿為M120.75,45號(hào)鋼制；左右手指為鑄鋁ZL102，采用雙向螺旋加緊，一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為i=5。傳動(dòng)效率：
4.7.1電動(dòng)機(jī)動(dòng)力計(jì)算
因已知頭數(shù)n=1,螺距t=0.75mm,直徑d=12mm
所以，升角，螺紋牙的牙型角，則牙型斜角。
鋼和鋁的摩擦系數(shù)為f=0.17，則摩擦角
假設(shè)手爪和物體直接接觸，靠其之間的摩擦力來夾住物體，取一較小的摩擦系數(shù)，則：手爪夾緊正壓力，同時(shí)為螺桿軸向壓力Q=98N。
則螺桿所需要的扭矩:
則所需電動(dòng)機(jī)力矩<[T]
所以電機(jī)滿足要求。
4.7.2螺紋傳動(dòng)自鎖性計(jì)算
因?yàn)樯?，摩擦角，升角小于摩擦角，則滿足自鎖條件。
4.7.3傳動(dòng)比驗(yàn)算
手爪開合速度 mm/s
手爪由最大開度47mm到閉合所需的時(shí)間t=47/2*7.5=3.13 s
螺紋傳動(dòng)效率
所以，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足設(shè)計(jì)的要求。
5 零件的強(qiáng)度和剛度計(jì)算
由載荷計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算可知，大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)齒輪受載較大。因此，此處僅對(duì)大臂傳動(dòng)中的Z109/Z18中的小齒輪作彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
因?yàn)榇蟊郯迨莾蓧K矩形薄板，其在縱向抗彎強(qiáng)度，剛度均較大，但因大臂板受到小臂板側(cè)向載荷，有一定的扭矩，其抗扭剛度較差，因此對(duì)大臂作抗扭剛度校核，以免扭轉(zhuǎn)變形過大，阻礙臂板之間的齒輪傳動(dòng)。
5.1零件的強(qiáng)度校核計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》有公式：
計(jì)算應(yīng)力：
許用應(yīng)力：
強(qiáng)度條件：
齒輪材料為45號(hào)鋼，硬度為162——217HBS,取200HBS。
5.1.1大臂部分強(qiáng)度校核
對(duì)大臂部分的Z18、Z109（第三級(jí)傳動(dòng)）進(jìn)行校核
mm,mm；
有前面可知：靜力矩，加速段最大的力矩
則總力矩為：
所以，，又知b=5mm，；
查表可得：
，，，，,;
則帶入公式：
設(shè)本機(jī)械手臂每天工作1.5個(gè)小時(shí)，壽命為10年，則
所以，
查表可得：
，，，，
帶入公式可得：
由上可知滿足強(qiáng)度條件，即
5.2零件抗扭剛度校核計(jì)算
校核大臂板的抗扭剛度。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，可得薄壁板的抗扭模量：
（b為板的長(zhǎng)，a為板的寬）
則，可得大臂板的抗扭模量：
將大臂板簡(jiǎn)化為l=580mm,W=150mm,d=6mm的均質(zhì)矩形板，則其所受扭矩為（由受力圖可得）：
g
圖5.1 臂板受力情況
由上圖可以得到：
M1＝6.075×9.8×0.125＝7.44
M2＝675×（42+75）×9.8×＝0.7740
M3＝M2＝0.7740
則前端合扭矩 M＝M1－M2＝7.44－0.7740＝6.666
查表可以得到：酚醛塑料E＝8.14～16.73 取16.0GPa，近似取0.3，則：
則單位扭轉(zhuǎn)角：
大臂板前端扭轉(zhuǎn)角度為：
前端下移距離：
由上可看出轉(zhuǎn)動(dòng)位移相對(duì)較小。
因?yàn)閮杀郯逯g又有6個(gè)緊固螺栓及5根傳動(dòng)軸和多個(gè)齒輪，有緊固作用，可大大的提高臂板抗扭剛度，使的前端扭轉(zhuǎn)角和下移距離大幅度的減少，固剛度滿足要求。
致 謝
這次設(shè)計(jì)任務(wù)能夠最終圓滿完成，我得感謝所有在設(shè)計(jì)過程中給我?guī)椭娜?。首先，要感謝我的導(dǎo)師周建平教授，沒有他的耐心指導(dǎo)和嚴(yán)格把關(guān)，我的論文不可能準(zhǔn)時(shí)完成；其次，我們這次設(shè)計(jì)小組是四個(gè)人，其他三位，秦海翔、俞星和劉之剴同學(xué)在設(shè)計(jì)的過程中，始終都很認(rèn)真，我有些不懂的地方，經(jīng)過他們的指點(diǎn)，最后都一一化解；此外，還有我可愛的同班同學(xué)，他們每次都是熱心地給我提供參考資料以及設(shè)計(jì)手冊(cè)，我在設(shè)計(jì)過程中給他們添了不少麻煩，衷心的感謝你們！我會(huì)更加努力，奮發(fā)向上，為社會(huì)做出更大的貢獻(xiàn)！
參 考 文 獻(xiàn)
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