《關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計（16頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、1前言 1.1題目來源與分析 題目《關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計》來源于生產(chǎn)實踐中。要求設(shè)計的機器人具有 6個自由度：① 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)；② 臂關(guān)節(jié)俯仰；③ 肘關(guān)節(jié)俯仰；④ 腕關(guān)節(jié)仰腕； ⑤擺腕；⑥旋腕。其中要詳細地設(shè)計機器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機器人要實 現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm。 機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工 具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(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)想的機器人一般是一種在外形和功能

2、上均能模擬人類智能的機 器。特別是在20世紀(jì)20年代前后，捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未 來機器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品 ，更使機器人在人們的思想 中成為一種無所不能的 超人”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器人。然而在當(dāng)時的科技條件下 ，要使機器人具有某 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 的機械手,他首先突破了對機器人的傳統(tǒng)觀點，提出機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器 人實驗裝置,發(fā)表了《適用于重復(fù)作業(yè)的通用性

3、工業(yè)機器人》一文，并獲得了美國 專利。 戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機構(gòu)與數(shù)控機床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起 ，預(yù)定的機 械手動作一經(jīng)編程輸入后，機械等就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人也 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 焊接機器人是最大的工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域,它占工業(yè)機器人總數(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

4、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 國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： a. 工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而 單機價格不斷下降。 b. 機械結(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、減速機、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)造機器人整機；國外已 有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 c. 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機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，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高

5、了系統(tǒng) 的可靠性、易操作性和可維護性。 d. 機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、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視 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)中已有成熟應(yīng)用。 e. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機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 控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 f. 當(dāng)代遙控機器人系統(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 器人的人機交互控制，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

6、機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的 索杰納”機器人就 是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 g. 機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出 虛擬軸機床”以來，這種新型裝置 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 年代的機器人浪潮相比，現(xiàn)在的機器人研究有兩個特點：一是對機器人智能的定位 有了更加符合實際的標(biāo)準(zhǔn)，也就是不要求機器人具有像人類一樣的高智商，而只是 要求機器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。

7、 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 技術(shù)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、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（站）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)用的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) 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

8、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、模塊化設(shè)計，積極 推進產(chǎn)業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在 “ 863”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器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水 平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人 等機種；在

9、機器人視覺、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)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起 步，與國外先進水平差距較大，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”后期立于世界先進行列 之中。⑸丨6][13] 2關(guān)節(jié)型機器人總體設(shè)計 2.1確定基本技術(shù)參數(shù) 2.1.1機械結(jié)構(gòu)類型的選擇 為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的 6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù) 本課題可以將其設(shè)計成以下五種方案： a. 圓柱坐標(biāo)型 這種運

10、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 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，機體所占體積小，而運動范圍大。 b. 直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組 成，其工作空間圖形為長方體。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，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，即一個回轉(zhuǎn)， 一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰 運動并能夠抓取地面上或較低位置的工

11、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)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，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、能抓取靠進機 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 運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，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，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫 截面的大小、形狀

12、。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)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；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案四：關(guān)節(jié)型機器人。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)機器人中，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9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機 械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機器人末端執(zhí)行器的重量

13、、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)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來 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器人的機械結(jié)構(gòu)坐 標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(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2-1運動范圍圖 2.1.4操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 關(guān)節(jié)型機器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)，它們常和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)成一 體，驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運動。通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種 ： a. 步進

14、電機：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行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有 誤差校正能力，運動精度較差，負(fù)載和沖擊震動過大時會造成 失步”現(xiàn)象。 b. 直流伺服電機：直流伺服電機具有良好的調(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，成本低。 c. 交流伺服電機：交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步 進電機相比價格要貴一些。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）和計算機控制技術(shù)的發(fā) 展，使交流伺服

15、電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。采用 16位CPU+32 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到很高的精 度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應(yīng)速度。 c. 液壓伺服馬達：液壓伺服馬達具有較大的功率 /體積比，運動比較平穩(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)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用 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)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采

16、用電機驅(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、功率重量比大， 穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 本課題的機器人將采用直流伺服電動機。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 對于焊接機器人這種精度要求不高的工業(yè)機器人，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，

17、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， 機器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進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)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時位置傳感器就檢測 出機器人操作機上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲存） 下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時，機器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡 和操作技能。手把手示教也能實現(xiàn)點位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段 的兩端位置。軌跡運動速度則按各軌跡程序段對應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。 2.1.6確定關(guān)節(jié)型機器人

18、手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了機器人操作機的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求，要實現(xiàn)機器人焊 接功能，則機器人的工作范圍要廣，所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點是占 地面積小，工作范圍大，機器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。 根據(jù)分析，可將機器人的參數(shù)列在表2-1中： 表2-1關(guān)節(jié)型機器人的主要參數(shù) 1 項冃 技術(shù)要求 1 姑恂璽式 fl FtHS 數(shù) 6 運動范國 (71 內(nèi)1 05 & 308' 311° 292° 5：帶 21 r 53F 赧大連度 2m / s 腕部繪大負(fù)荷 6臨 續(xù)表 2-1 項目 技術(shù)蹩求 朋動方式

19、 削溫電機 0, 押制方述 PTP / CP 慄低方朮 示教再現(xiàn) l^cw 機械本體13, 2kt，裡制豈36. 33kw 輸入/輸也 32/ 32 位 電源 110-13OV 4SL 50* 60Hz L2kW 5-t6V;(20-90)%RH  iii 2.2關(guān)節(jié)型機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖2-2關(guān)節(jié)型機器人傳動原理圖 圖2-2是整個機器人本體機械傳動系統(tǒng)的簡圖。機械傳動系統(tǒng)共有 30個齒輪，為 了實現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°有10個齒輪為圓錐齒輪，有利于簡化系統(tǒng)運 動方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，則必然以空間交叉方式變向，就

20、不 利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。 機器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。 基座是一 個鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié) 1的驅(qū)動電機，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié) 1的回轉(zhuǎn) 軸及其軸承、軸承座等。 大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板 殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支 承座。 大臂上裝有關(guān)節(jié)2, 3的驅(qū)動電機，內(nèi)部裝有對應(yīng)的傳動齒輪組。關(guān)節(jié) 2, 3都采 用了三級齒輪減速，其中第一級采用錐齒輪，以改變傳動方向 90°第二、三級 均采用圓柱直齒輪進行減速。關(guān)節(jié) 2傳動的最末一個大齒輪固定在立柱上；關(guān)

21、節(jié) 3傳動的最末一個大齒輪固定在小臂上。 小臂端部連接具有3R手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié)4, 5的驅(qū)動電機，在小臂的中 部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)動電機。關(guān)節(jié)4，5均采用兩級齒輪傳動，不 同的是關(guān)節(jié)4采用兩級圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié) 5采用第一級圓柱直齒輪，第二級錐 齒輪，使傳動軸線改變方向90°關(guān)節(jié)6采用三級齒輪傳動，第一級與第二級為 錐齒輪，第三級為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié) 4, 5, 6的齒輪組除關(guān)節(jié)4第一級齒輪裝在 小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。 所設(shè)計的機器人本體結(jié)構(gòu)特點如下： a. 內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨 架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材

22、料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂 外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了質(zhì)量。 b. 軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方 法。 c. 采用薄壁軸承與滑動銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。 d. 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。 e.大、小 臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機與臂的外壁僅有 0.5mm間隙, 手腕內(nèi)部齒輪傳動安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。 f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾 乎是他的長臂所能達到的全球空間。再加之其手腕

23、軸的活動角度大，因此使它工 作時位姿的適應(yīng)性強。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié) 4, 6配合，一次就能轉(zhuǎn) 1112° g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動，調(diào)整齒輪間隙機構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝 上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。 h. 機器人手臂材料的選擇： 機器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計要求，機器人手臂要 完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應(yīng)是輕型材料。 而另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。 因此，在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高 手臂的動態(tài)性能。 機器人手臂材料

24、首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時，不應(yīng)有變形和斷裂。從力 學(xué)角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合 金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較 輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料 有尼龍&聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計中為減 輕機器人本體的重量選用鑄鋁材料。 關(guān)節(jié)型機器人總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。 圖2-3關(guān)節(jié)型機器人的總體結(jié)構(gòu) 3關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過總體分析后，確定了機器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的腰關(guān)節(jié)部分采用二級齒輪減速傳 動。 圖3-1關(guān)節(jié)型機器

25、人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動器和齒輪傳動機構(gòu)簡圖 3.1電動機的選擇[12] 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為 JG1、JG2、JG3,根據(jù)平行軸 定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 2 J仁JG1+m1l1+JG2+m2l2+JG3+m3l3 22 (3-1) ml、m2、m3分別為10kg、5kg、12kg。11、12、13分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距 離，其值分別為 300mm、700mm、1500mm,在式(3-1 )中 JG1<

26、2l2+m3l3 22 (3-2) =10? 0.32+5? 0.72+12? 1.52 =30.25kg? m2 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量： J2=m2l4+m3l5 =5? 0.42+12? 0.82 =8.48kg? m2 式中：14——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm。 l5 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm。22 設(shè)主軸速度為219°/s,貝拋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下 T=J? 3 (3-3) 式中：T——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩N?m w 角加速度rad/s2 使機器人主軸從w0=0?到 w0=219? /s所需時間為:?t=1s貝U:

27、w- w01.22 n =30.25" 115.61? m ?t1 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn) 開始時的啟 動轉(zhuǎn)矩可假定為120N?m 電動機的功率可按下式估算？ T1=J1? w=J1?? Pn" (1.5- 2.5) (3-4) 式中：Pm——電動機功率W; MLP 負(fù)載力矩N?m； Q LP——負(fù)載轉(zhuǎn)速 rad/s； MLFQ LPn n —傳動裝置的效率，初步估算取 0.9;系數(shù)1.5?2.5為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取1.5 120? 3.82Pm~ 1 ??764N m 0.9 估算Pm后就可選取電機，使其額定功率 Pr滿足下式 Pr

28、> Pm (3-5) 選擇QZD-08串勵直流電動機 表3-1 QZD-08串勵直流電動機技術(shù)數(shù)據(jù) 1 W) ?定電壓 < v> 舗宦電it 濮能轉(zhuǎn)連 < r/mi-ife) 洶出H A 絕攜?級 工件制 < min > S00 24 46衛(wèi) 1750 60 3.2計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 根據(jù)經(jīng)驗取主軸的轉(zhuǎn)速<4rad/s傳動裝置總傳動比i總?cè)?8,分二級傳動，第 級是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動比 i1=4 ;第二級傳動比為 i2 (3-6) 3.3軸的設(shè)計計算=i總48=i14=12 3.3.1計算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩

29、和輸入功率 a. 各軸轉(zhuǎn)速 I (3-7)軸 n l=1750r/mi n U 軸 nn=1750=437.5r/min 4(38) (3-9)軸 nm =437.5=36.46r/mi n 12 b. 各軸輸入功率 I (3-10)軸 PI=P0? n z=80? 0.98=768W n z —制動器效率 please con tact Q 3053703061 give you more perfect draw ings 根據(jù)求出的可進一步解出9 5將式(4-11)兩端左乘逆變換0T4- 1( 9 1, 9 2, 9,3即得4) 0T4-1( 9 1, 9

30、2, 9 3, 9 4)0T6=4T5( 9 5)5T6(7)9 6) 因式9 1 9 2 9 3口 9 4勻已解出，則逆變換0T4-1( 9 1, 9 2, 9為9 4) 0T4-1( 9 1, 9 2, 9 3, 9 4)= ? c1c23c4+s1s紹-ccs+sc ? 123414 ? -c1s23? 0? s1c23c4-c1s4-s1c23s4-c1c4-s1s230-s23c4s23s4-c23 0-a2c3c4+d2s4-a3cG a2c3s4+d2c4+a3s4 ? ? a2s3-d4? 1 ? 此外，方程式(4-27)的右邊4T6( 9 5, 9 6)=4T5(

31、9 5)5T6(也可由式(4-4)給 出。令式(4-27)兩邊矩陣中的元素(1, 3)和(3, 3)分別對應(yīng)相等，可得 ax(c1c23c4+s1s4)+ay(s1c23c4-c1s4)-az(s23c4)=-s5 ax(-c1s23)+ay(-s1s23)+az(-c23)=c5}( 4-28) 由此可得9 5勺封閉解 9 5=彳求9 6 將(4-11)改寫為-s5 (4-29) c5 0T5-1( 9 1,9 2 9 5)0T6=5T6(碼36)) 令矩陣方程(4-30)兩邊元素(3, 1)和(1,1)分別對應(yīng)相等，可得 -n X(c1c23s4+s1c4)-ny(s1c23s

32、4+c1c4)+nz(s23s4) =s6 nx[(c1c23c4+s1s4)c5-c1s23s5]+ny[(s1c23c4-c1s4)c5-s1s23s5] -n Z(s23c4c5+c23s5) =c6 從而可以求出9的封閉解 s 9 6=( 4-31) c6 綜上所述，再考慮到9等于0,或不等于0的兩種情況，6自由度關(guān)節(jié)型機器人 對于同一手部位姿可能存在8種關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角組合。 至此，已求出了全部的關(guān)節(jié)變量，即求得位姿矩陣 0T6的逆解?？梢钥闯?，只有 9 1, 9 2三式中有px, py和pz,故它們確定了手部坐標(biāo)系原點的空間位置。(方 位)。9 4, 9 5三式中有nx,

33、ny和nz所以它們確定了手部坐標(biāo)系的姿態(tài) 由此可以得出：當(dāng)6關(guān)節(jié)機器人后3關(guān)節(jié)軸線交于一點時，前、后3個關(guān)節(jié)具有 不同的功用。前3關(guān)節(jié)連同它的桿件，稱作位置機構(gòu)；后 3關(guān)節(jié)連同它的桿件， 稱作姿態(tài)機構(gòu)。 5結(jié)論 我國機器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國內(nèi)外機器人的快速發(fā)展、社會需 求的增大和技術(shù)的進步，焊接機器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方 式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動裝焊接機器人發(fā)展的直 接動力。關(guān)節(jié)型機器人在輕型、較簡單且要求機器人價格較低的焊接作業(yè)中大顯 了身手。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項具有重要意義的課題。本 文主要完成了如下工作：

34、 a.進行了機器人總體設(shè)計及腰關(guān)節(jié)的詳細設(shè)計 關(guān)節(jié)型機器人應(yīng)該具有外形簡單、傳動原理簡單等特點，為此機器人設(shè)計成具有 六自由度的結(jié)構(gòu)，由機身、大臂、小臂、腕部組成。六個自由度均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。 關(guān)節(jié)型機器人六個關(guān)節(jié)均選直流電機驅(qū)動。第一個關(guān)節(jié)采用二級齒輪傳動，這種 傳動方式具有精度高、定位安裝方便等優(yōu)點；其他五個關(guān)節(jié)都采用了錐齒輪與直齒 輪的傳動結(jié)構(gòu)，充分利用了大臂和小臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊。 b.對機器人位姿問題進行了詳細分析 運用D-H方法建立了桿件坐標(biāo)系，完成了機器人的運動學(xué)分析，包括正運動學(xué)方 程的推導(dǎo)和逆運動學(xué)解的求取。 參考文獻 [1] 汪愷.機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊[M].機械

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