基于UG四自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計【三維UG】

喜歡這套資料就充值下載吧。資源目錄里展示的都可在線預(yù)覽哦。下載后都有，請放心下載，文件全都包含在內(nèi)，圖紙為CAD格式可編輯，有疑問咨詢QQ:414951605 或 1304139763p 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 第1章 緒 論 1.1 機器人研究背景 1.1.1 制造業(yè)的發(fā)展使機器人“被迫”由科幻走入現(xiàn)實 以自動化規(guī)模生產(chǎn)為標(biāo)志，世界范圍內(nèi)的制造業(yè)革命于20世紀(jì)50年代拉開帷幕。當(dāng)時生產(chǎn)自動化的概念幾乎是“用機器人代替人”的同義語。機器人就是為適應(yīng)當(dāng)時制造規(guī)模化生產(chǎn)的需要而誕生的，其最早應(yīng)用于汽車業(yè)，在解決單調(diào)、繁重、重復(fù)的體力勞動和提高產(chǎn)品質(zhì)量上，發(fā)揮了巨大的作用。 1.1.2 信息技術(shù)的發(fā)展為機器人的進(jìn)一步發(fā)展提供了“高速軌道” 機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，集成了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)前科技研究的熱點方向。隨著計算機、微電子、信息技術(shù)的快速進(jìn)步，機器人技術(shù)的開發(fā)速度越來越快，智能度越來越高。 1.1.3 高危領(lǐng)域?qū)C器人技術(shù)飛躍提出客觀要求 由于軍事、空間技術(shù)、核廢料處理以及水下探險等，人類難以介入的高危領(lǐng)域發(fā)展的迫切需要，引起了各國政府對機器人研究的重視，同時也激發(fā)了各國科學(xué)家們的研究熱情[1]。 1.2 機器人的定義 1.2.1 世界機器人的定義 “機器人“是存在于多種語言和文字的新造詞，它體現(xiàn)了人類長期以來的一種愿望，即創(chuàng)造出一種像人一樣的機器或人造人，以便能夠代替人去進(jìn)行各種工作。 盡管直到三十多年前，“機器人”才作為專有名詞加以引用，然而機器人的概念在人類的想象中卻以存在三千多年了。早在我國西周時代（公元前1066—公元前771年），就流傳有關(guān)巧匠偃師獻(xiàn)給周穆王一個歌舞機器人的故事。我國東漢時期（25—220年），張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機器人雛形。作為第一批自動化動物之一的能夠飛翔的木鳥是在公元前400年至350年間制成的。公元前3世紀(jì)，古希臘發(fā)明家戴達(dá)羅斯用青銅為克里特島國王邁若斯塑造了一個守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。在公元前2世紀(jì)出現(xiàn)的書籍中，描寫過一個具有類似機器人角色的機械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進(jìn)行舞蹈和列隊表演。人類歷史進(jìn)入近代史之后，出現(xiàn)了第一次工業(yè)革命和科學(xué)革命。隨著各種自動機器、動力機械的問世，制造機器人開始由夢想轉(zhuǎn)入現(xiàn)實，許多機械式控制的機器人，主要是各種精巧的機器人玩具和工藝品應(yīng)用而生。 進(jìn)入20世紀(jì)后，機器人已躁動于人類社會和經(jīng)濟(jì)的母胎之中，人們含有幾分不安的期待著它的誕生。他們不知道即將問世的機器人將是個寵兒，還是個怪物。1920年，捷克劇作家卡雷爾?查培克（Karel Capek）在他的幻想情節(jié)劇《路薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“robot”這個詞。在劇中，他把機器人描述成與人相似但能不知疲倦地工作的機器，最終機器人背叛它們的創(chuàng)造者而消滅了人類。各國對機器人的譯法，幾乎都從斯洛伐克語“robota”音譯為“羅伯特”，只有中國譯為“機器人”。1950年，美國著名科學(xué)幻想小說家阿西莫夫在他的小說《我是機器人》中，提出了有名的“機器人三守則”： （1）機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受害而袖手旁觀； （2）機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類； （3）機器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類或者是人類令它做出犧牲。 這三條守則，給機器人社會賦以新的倫理性，并使機器人概念通俗化，更易于為人類社會所接受。至今，它仍為機器人研究人員、設(shè)計制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導(dǎo)方針。 而現(xiàn)實世界里，機器人在國際學(xué)術(shù)界至今也沒有做出統(tǒng)一的、公認(rèn)的、文字嚴(yán)格的定義。不同的專家往往給以各有側(cè)重的說法，不同的國家也往往沿用各自習(xí)慣的解釋。 機器人的定義處在不斷的發(fā)展變化之中。美國機器人協(xié)會（RIA）認(rèn)為，機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能機械手（Manipulator）日本機器人協(xié)會（JIRA）認(rèn)為工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（End Effector）能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）給出的定義是，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可變程序造作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務(wù)。 1.2.2 我國機器人的定義 關(guān)于我國機器人的定義。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，我國也面臨討論和制定關(guān)于機器人技術(shù)的各項標(biāo)準(zhǔn)問題，其中包括對機器人的定義。蔣新松院士曾建議吧機器人定義為“一種幾人功能的機械電子裝置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我們參考各國的定義，結(jié)合我國情況，對機器人做出統(tǒng)一的定義： 我們認(rèn)為機器人是一種能自動控制、可重復(fù)編程、多功能，可以代替人完成特定任務(wù)的一種自動化機電裝置[2]。 由此可見對于“機器人”的定義是仁者見仁，智者見智，但被國際普遍接受的是由美國“機器人工業(yè)協(xié)會”（RIA）的一批科學(xué)家于1979年提出的定義：機器人是一種可改編程序的多功能操作機構(gòu)、用以按照預(yù)先編制的能完成多種作業(yè)的動作程序運送材料、零件、工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備。 1.3 機器人的分類 隨著計算機技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，極大的促進(jìn)了機器人研究水平的提高?？茖W(xué)家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機器人設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)和外形，以便讓他們在特殊條件下出色的完成任務(wù)。但對于龐大的機器人家族，目前尚未有統(tǒng)一的分類方法，常從以下幾個方面進(jìn)行分類： 1.3.1 按照機器人從低級到高級的發(fā)展程度分類 （1）第一代機器人（20世紀(jì)60年代） 主要指能以“示教—再現(xiàn)”方式工作的機器人，其特征是機器人能夠按照事先教給它們的程序進(jìn)行重復(fù)工作。示教內(nèi)容為機器人操作機構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。 （2）第二代機器人（20世紀(jì)70年代） 具有一定的感覺功能和自適應(yīng)能力的離線編程機器人，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人做出一定的推理，對動作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智商。 （3）第三代機器人（20世紀(jì)80年代中期以后） 智能機器人，這種機器人帶有多種傳感器，能夠?qū)鞲衅鞯玫降男畔⑦M(jìn)行融合，能夠有效適應(yīng)環(huán)境變化，具有很強的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能[3]。 1.3.2 按照機器人所完成的主要功能分類 （1）操作機器人 這是目前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的機器人，絕大多數(shù)工業(yè)機器人屬于這一類。其特點是模仿人手和手臂的動作，完成搬運、焊接、噴漆、打磨、拋光、檢測、裝配等工藝操作。 （2）移動機器 人在工業(yè)生產(chǎn)中輪式機器人、履帶式機器人及步行機器人常用來完成運輸及上、下料等任務(wù)。比如管道機器人、水下機器人、采掘機器人等等。這種機器人多半都裝有操作手和攝像系統(tǒng)，以完成操作并對現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)視[4]。 （3）信息機器人 這是指以計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能行為模擬裝置。廣義地說，這類機器人包括專家系統(tǒng)、翻譯機、作曲機、圖像識別系統(tǒng)、指紋識別機譯及信息決策系統(tǒng)等。 (4)人機機器人 這類機器人和人之間存在雙向閉環(huán)聯(lián)系，包括聯(lián)肢機械手，裝在人腿上的助行機械足，生物電控或聲控假肢等[4]。 1.3.3 按照機器人的開發(fā)內(nèi)容和目的分類 按照機器人的開發(fā)內(nèi)容和目的分為工業(yè)機器人、操縱型機器人、智能型機器人和特種機器人，習(xí)慣將后三種機器人統(tǒng)稱為先進(jìn)機器人。 （1）工業(yè)機器人：機器人的本體主要是一只機械手臂，它直接操作的對象是末端執(zhí)行器，它隨操作對象的形狀和材料不同而制成各種各樣。 （2）操縱型機器人：這類機器人是由一類由人操縱進(jìn)行工作的機器人，由操縱人員在工作中不停地向機器人發(fā)送操縱指令，在智能和適應(yīng)能力方面輔助機器人完成復(fù)雜的作業(yè)，機器人把操作對象和作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)直接地或間接地反饋給操縱人員，操縱人員據(jù)此控制機器人行為。 （3）智能機器人：這類機器人是指本身能認(rèn)識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，能根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識外界的結(jié)果來獨立地決定工作方法，利用操作機構(gòu)和移動機構(gòu)實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。這種機器人也就是第三代機器人，它的控制方法是一種“認(rèn)知—適應(yīng)”的方式。 （4）特種機器人：這類機器人是專門為完成某一項或幾項任務(wù)而制造的，大多數(shù)不具有通用性。這種機器人的開發(fā)和制造，可著眼于基礎(chǔ)研究的立場和面向?qū)嵱没鯷4]。 1.3.4 按照應(yīng)用領(lǐng)域?qū)C器人進(jìn)行分類 按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為民用機器人和軍用機器人。 民用機器人又分為工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、娛樂機器人、類人機器人和農(nóng)業(yè)機器人。1990年10月，國際機器人工業(yè)人士在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_了一次工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)大會，并在這次大會上通過了一個文件，把工業(yè)機器人分為四類： （1）順序型。這類機器人擁有規(guī)定的程序動作控制系統(tǒng)； （2）驗軌跡作業(yè)型。這類機器人執(zhí)行某種移動作業(yè)，如焊接、噴漆等； （3）遠(yuǎn)距離作業(yè)。比如在月球上自動工作的機器人； （4）智能型。這類機器人具有感知、適應(yīng)以及思維和人機通訊機能[5]。 1.4 機器人的發(fā)展概況 在科技發(fā)展史上，科研技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是相輔相成的。在發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)上，國際上存在著兩條不同的技術(shù)路線：一條是日本所走的“需求牽引，技術(shù)驅(qū)動”的路線，他們把美國發(fā)明的機器人和本國工業(yè)發(fā)展的需要相結(jié)合，開發(fā)出一系列特定用途的機器人，如弧焊、點焊、噴漆、裝配、建筑等機器人，從而形成了強大的機器人產(chǎn)業(yè)。而財力雄厚的產(chǎn)業(yè)又提供大量的研究經(jīng)費供科研機構(gòu)進(jìn)行新的或后續(xù)的研究工作，由此推動了本國機器人技術(shù)的發(fā)展。另一條路線是把機器人作為研究人工智能的載體，即單純從技術(shù)上模仿人的某些智能來研究智能機器人，如美國、英國等許多大學(xué)及研究所的做法[6]。 1.4.1 機器人在國外的發(fā)展概況 1、機器人的誕生之地——美國 美國是工業(yè)革命的誕生地，1959年美國人英格伯格和德沃爾制造出了世界第一臺工業(yè)機器人。此后，精明的他們又創(chuàng)辦了世界上第一家機器人制造工廠，并生產(chǎn)出一批名叫“尤里梅特”的工業(yè)機器人，也因此他們獲得了“世界工業(yè)機器人之父”的殊榮。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，但綜觀其發(fā)展史，并不平坦。 二十世紀(jì)六、七十年代，因擔(dān)心機器人會使失業(yè)率增加，而不予投資，也不組織研制，機器人的發(fā)展基本停滯。七十年代后期雖有所重視，但把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級機器人的開發(fā)上，致使美國在工業(yè)機器人方面喪失領(lǐng)袖地位。 但美國的機器人技術(shù)在國際一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強。其機器人性能可靠，功能全面，精確度高；機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣。視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在行天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等迅速發(fā)展，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面[7]。 2、機器人的冠軍之地——日本 第二次世界大戰(zhàn)后，日本經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，而勞動力緊張。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國Unimation公司引進(jìn)機器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺川崎“尤尼曼特”機器人。到八十年代中期，已一躍成為“機器人王國”，其產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機器人工業(yè)會常務(wù)理事本完二的說法：“日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進(jìn)入普及提高期。”并正式把1980年定為“產(chǎn)業(yè)機器人的普及元年”，開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。 日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠已價廉的絕對優(yōu)勢進(jìn)軍號稱“汽車王國”的美國市場，并且向機器人誕生國出口日本產(chǎn)的實用型機器人。此時，日本價廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國市場，這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機器人，增強了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追[8]。 1.4.2 我國機器人的發(fā)展概況 1、我國機器人的發(fā)展 目前我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，先進(jìn)制造業(yè)已進(jìn)入一個新的發(fā)展階段。隨著經(jīng)濟(jì)全球化和我國加入WTO，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際競爭的局面。如何適應(yīng)快速變化的國內(nèi)外市場需求，如何以高質(zhì)量、低成本、快速反應(yīng)的手段在市場中取得生存和發(fā)展，已是我國企業(yè)不容回避的問題，這些問題為工業(yè)機器人的應(yīng)用提供了大的市場需求，促使中國工業(yè)機器人的應(yīng)用市場日趨成熟。 近幾年來，國外著名的工業(yè)機器人制造廠商紛紛加大了在我國的投資和應(yīng)用技術(shù)的投入，對我國的國產(chǎn)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 我國機器人的研究與應(yīng)用水平與日美相比存在較大差距，主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)。 我國政府非常重視機器人技術(shù)的發(fā)展，從1986年“七五”科技攻關(guān)及實施到1987年863計劃開始，就有計劃地組織和發(fā)展工業(yè)機器人事業(yè)，經(jīng)過20多年的研制和應(yīng)用，目前在工業(yè)機器人的一些機種方面，如噴漆機器人、焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和特種機器人都有了長足的進(jìn)步，基本掌握了工業(yè)機器人的設(shè)計制造技術(shù)和機器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計、制造技術(shù)，有了一支具有一定水平的技術(shù)隊伍，其中有130多臺套噴漆機器人在20余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用。形成了沈陽自動化研究所的新松機器人公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博實機器人公司、北京機械自動化研究所機器人開發(fā)中心等九個機器人產(chǎn)業(yè)化基地，奠定了我國獨立自主發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。 但是，我國工業(yè)機器人在總體技術(shù)上與國外先進(jìn)水平相比還有很大差距，僅相當(dāng)于國外九十年代中期的水平。多數(shù)是單件小批生產(chǎn)，關(guān)鍵配套的單元部件和器件始終處于進(jìn)口狀態(tài)，工業(yè)機器人的性價比較低。我國整體裝備制造水平不高，制約了我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的形成和實現(xiàn)規(guī)?；陌l(fā)展。 盡管中國工業(yè)機器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質(zhì)價廉的工業(yè)機器人商品，目前在我國尚有較長的路程。這主要有以下幾個方面： 首先為了促進(jìn)中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須在以市場需求為主的前提下，國家在政策上鼓勵企業(yè)在技術(shù)投入和技術(shù)改造方面應(yīng)用國產(chǎn)工業(yè)機器人。同時轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的機制，建立以適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)所需的工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)基地。 其次，在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，應(yīng)繼續(xù)對工業(yè)機器人的研究開發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵、基礎(chǔ)部件的研究和產(chǎn)品化給予支持，形成產(chǎn)品和自動化制造裝備同步協(xié)調(diào)發(fā)展的新局面。 第三，結(jié)合我國的國情，加強我國工業(yè)機器人應(yīng)用工程的開發(fā)，使之與國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相結(jié)合。經(jīng)過近十年的努力，我國在工業(yè)機器人應(yīng)用工程的開發(fā)方面已具有相當(dāng)?shù)膶嵙Γ延幸恢Я私馄髽I(yè)的需求，能開發(fā)出符合實際使用條件應(yīng)用工程，成本低，服務(wù)及時，具備與國外公司的競爭能力，因此加強工業(yè)機器人應(yīng)用工程的開發(fā)，并圍繞應(yīng)用工程的需要進(jìn)行工業(yè)機器人新產(chǎn)品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a(chǎn)能力，這樣可以促進(jìn)我國企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和提高競爭力，同時工業(yè)機器人的應(yīng)用也可形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)[9]。 21世紀(jì)是人類走向海洋，向海洋要資源的世紀(jì)，我們的系列水下機器人將在海洋資源勘探、海洋石油開采、沉船打撈等諸多領(lǐng)域發(fā)揮其不可替代的作用。臺灣問題、臨海問題一直是非常敏感的問題，要想解決好這些問題，必須有先進(jìn)的水上、水下裝備，發(fā)展先進(jìn)的水下機器人可以有效地提高我國的領(lǐng)海保衛(wèi)能力，增強我國的國防實力。 我國機器人的研究與開發(fā)起步晚，始于20世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關(guān)計劃，發(fā)展比較快。在機器人基礎(chǔ)技術(shù)方面：諸如機器人機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內(nèi)外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、遙控機器人的控制技術(shù)等均取得長足進(jìn)展，并在實際工作中得到應(yīng)用。 2、我國機器人的發(fā)展特點 （1）水下機器人技術(shù)走在世界前列。例如，自主研制成功1000米水下無纜機器人以后，又和俄羅斯合作成功研制了6000米水下無纜自治機器人且實現(xiàn)了工程化[10]。更值得一提是，95年和97年在夏威夷東南太平洋5800米水深處成功地進(jìn)行了兩次大洋探測試驗，取得了海底錳結(jié)核分布資料，表明我國已成為世界上少數(shù)幾個具有深海探測能力的國家之一。 （2）機器人化機器推動我國工程機械的更新?lián)Q代。相繼完成了無人駕駛的振動式壓路機、具有自動化推平功能的推土機、可編程挖掘機、自動鑿巖機，促進(jìn)了我國工程機械產(chǎn)品升級換代。 （3）特種機器人的發(fā)展蓬蓬勃勃。繼防核化偵察車、遙控移動機器人及爬壁機器人以后，又開發(fā)出防暴機器人、自動引導(dǎo)車、各種罐體爬壁清掃機器人、玻璃擦掃機器人等。90年代初，研制成功多自由度微操作機器人，并在生物與醫(yī)學(xué)工程取得成功應(yīng)用。在微小空間探測的小機器人研究也有了突破。 （4）工業(yè)機器人系列產(chǎn)品和應(yīng)用工程成為機器人產(chǎn)業(yè)的龍頭。研制出具有國際90年代水平的實用性轉(zhuǎn)配機器人、弧焊機器人、電焊機器人及自動引導(dǎo)引車等一系列產(chǎn)品，并實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)及其應(yīng)用工程[4]。 3、我國機器人研究成果 1980年——研制成功中國第一臺工業(yè)機器人樣機； 1985年——中國第一臺水下機器人首航成功； 1986年——中國第一臺水下機器人深海試驗成功； 1988年——中國第一臺水下機器人投入使用； 1990年——水下機器人首次出口美國； 1992年——國產(chǎn)AGV第一次應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線； 1993年——中國唯一的機器人技術(shù)國家工程研究中心成立； 1994年——中國第一臺五自由度高壓水切割機器人投入使用； 1994年——中國第一臺1000米水下機器人海試成功； 1995年——中國第一臺6000米水下機器人海試成功； 1995年——中國首臺四自由度電焊機器人開發(fā)成功，第一條電焊機器人生產(chǎn)線投入使用； 1995年——自主開發(fā)的機器人技術(shù)——AGV技術(shù)出口韓國； 1997年——具有自主版權(quán)的高性能機器人控制器小批量生產(chǎn)； 1997年——自主開發(fā)的國內(nèi)第一條機器人沖壓自動化線用于一汽大眾生產(chǎn)線； 1998年——國內(nèi)首臺激光加工機器人開發(fā)成功； 1998年——國內(nèi)首臺澆注機器人用于生產(chǎn)； 2000年——中國首臺類人型機器人研制成功[11]； 2001年——我國第一次用機器人完成腦外科手術(shù)； 2003年——我國第一臺管道無損探測機器人研制成功； 2004年——我國首臺自走式兩棲機器人研制成功； 2006年——我國首臺烹飪機器人在深圳誕生。 1.5 機器人的發(fā)展趨勢 隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及人工智能、傳感技術(shù)和仿生材料技術(shù)水平的逐步提高，目前研究熱點主要落在了智能化、擬人化兩方面。 （1）工業(yè)機器人性能追求高速度、高精度、高可靠性的三高境界； （2）機械結(jié)構(gòu)趨向模塊化、可重構(gòu)化； （3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)利用PC機的開放型控制器； （4）機器人中的多傳感器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，便于進(jìn)一步提高機器人的智能和適應(yīng)性 [24]； （5）從仿真、預(yù)演發(fā)展到過程控制全程運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)； （6）微型和微小機器人技術(shù)。納米機器人是最具誘惑的項目； （7）遙控機器人系統(tǒng)致力于操作者與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)，使智能機器人走出實驗室走入實用化階段； （8）機器人化機械開始崛起。機器人化機械研究開發(fā)包括并聯(lián)機構(gòu)機床（VMT）與機器人化加工中心（RMC）的開發(fā)研究，以及機器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機遙控操作的大型散料輸送設(shè)備的研究開發(fā)[1]。 1.6 設(shè)計的主要內(nèi)容 基于UG四自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是結(jié)合機械設(shè)計與計算機軟件設(shè)計的綜合性設(shè)計?，F(xiàn)今社會，機器人以成為各國競相發(fā)展的行業(yè)。機器人的設(shè)計主要是通過給定的條件運用機械設(shè)計原理，計算其負(fù)載功率，選定動力驅(qū)動方式，確定出四自由度機器人的結(jié)構(gòu)形式，確定各個部件的尺寸及對相應(yīng)的部件進(jìn)行強度計算。 在上述基礎(chǔ)上，運用計算機CAD技術(shù)繪制零件二維圖形，機器人總裝圖形。在運用計算機UG三維軟件技術(shù)對四自由度機器人的所有零件進(jìn)行三維的實體建模，并運用UG裝配功能將四自由度機器進(jìn)行三維的模擬組裝，最終完成機器人的模型設(shè)計。 第2章 機器人結(jié)構(gòu)方案分析 2.1 機器人系統(tǒng) 2.1.1 機器人系統(tǒng)的基本組成 一個機器人系統(tǒng)，一般由下列四個互相作用的部分組成：執(zhí)行機構(gòu)、控制器、環(huán)境、任務(wù)，如圖2.1所示[1] 位置、速度反饋 控制算法 工作任務(wù) 模型 控制器（計算機） 執(zhí)行機構(gòu) 關(guān)節(jié)式機械系統(tǒng) 驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置 外感應(yīng)信息 交互作用 計算機 語言 任 務(wù) 外傳感應(yīng)器 環(huán) 境 圖2.1 機器人系統(tǒng)的基本組成 2.1.2 機器人結(jié)構(gòu)簡圖 機器人系統(tǒng)的基本組成圖可簡化為如圖2.2所示[2]。 外傳感信息 環(huán)境 執(zhí)行機構(gòu) 控制器 任務(wù) 外傳感信息 圖2.2 機器人結(jié)構(gòu)簡圖 機械手是具有傳動執(zhí)行裝置的機械，它由臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置（工具等）構(gòu)成，組合為一個互相連接和互相依賴的運動機構(gòu)。機械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(wù)。不同的機械手具有不同的結(jié)構(gòu)類型。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.3。 圖2.3 機械手結(jié)構(gòu)簡圖 2.2 機器人的執(zhí)行機構(gòu) 機器人是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制部分所組成，各部關(guān)系如下框圖2.4。 工作 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu) 位置檢測裝置 圖2.4 機器人組成關(guān)系圖 執(zhí)行機構(gòu)（機械部分）包括手部、腕部、手臂和行走機構(gòu)等運動部件組成[1]。 2.2.1 腰部結(jié)構(gòu) 腰部是直接支撐和傳動手臂的部件，一般實行臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都要安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以設(shè)地面或架空軌道運動，本設(shè)計采用與底座相連的固定式。 機身是直接連接、支撐和傳動手臂及行走機構(gòu)的部件，它是由臂部運動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。 常用的機身結(jié)構(gòu)有： （1）升降回轉(zhuǎn)型； （2）俯仰型； （3）直移型； （4）類人機器人機身結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計采用升降回轉(zhuǎn)型。 2.2.2 臂部結(jié)構(gòu) 手臂部件（簡稱臂部）是機器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。 機器人的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自傳等運動有關(guān)的構(gòu)件，如傳動裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測元件等，此外，還有與腕部或手臂的運動和聯(lián)接支撐等有關(guān)的構(gòu)件配線等。 根據(jù)臂部的運動和布局、驅(qū)動方式、傳動和導(dǎo)向裝置的不同可分為： （1）伸縮臂部結(jié)構(gòu)； （2）轉(zhuǎn)動伸縮型臂部結(jié)構(gòu)； （3）屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu)； （4）其他專用的機械傳動臂部結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計采用屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu)[3]。 手臂有獨立的自由度，可采用： （1） 直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都如直線運動）； （2） 圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運動和左右旋轉(zhuǎn)運動）； （3） 球坐標(biāo)（前后伸縮，上下擺動和左右旋轉(zhuǎn)運動）； （4） 關(guān)節(jié)式（手背能任意伸屈）。 直角坐標(biāo)系占空間大，工作范圍小，所以一般不用；圓柱坐標(biāo)系占空間較小，工作范圍較大，但慣性也較大，且不能抓取底面物體，不予使用；球坐標(biāo)系和關(guān)節(jié)式占空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物件，關(guān)節(jié)式還可以繞障礙物選擇途徑，靈活性較高，廣泛使用。 本設(shè)計因手臂部只有兩個自由度，避免了多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷，使關(guān)節(jié)的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，因此將手臂的結(jié)構(gòu)做成關(guān)節(jié)式，并分為小臂、大臂，小臂用來聯(lián)接手腕和大臂，大臂用來聯(lián)接小臂和底座上的腰部旋轉(zhuǎn)件，各擁有一個自由度。 2.2.3 手腕結(jié)構(gòu) 手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)。 手腕部一般需要三個自由度； （1）臂轉(zhuǎn)，繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)； （2）手轉(zhuǎn)，使手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn)； （3）腕擺，使手部相對手臂進(jìn)行擺動。 本設(shè)計四自由度機器人腕部采用上下擺動的自由度形式，用步進(jìn)電機直接驅(qū)動。由于本設(shè)計機器人主要用于搬用中小零件或教學(xué)用機器人，所以承受載荷不很大，結(jié)構(gòu)要求不高，所以這個結(jié)構(gòu)可以使用。為了便于手臂上的位置結(jié)構(gòu)安排，直接驅(qū)動浪費空間，重量分布也不太均勻，所以決定采用同步帶輪傳遞動力。 2.2.4 手部結(jié)構(gòu) 手部是機器人直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的。它具有模仿人手動作的功能并安裝與機器人手臂的前端，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其自由度一般不少于六個，所以本設(shè)計不對抓取部分—手腕 作詳細(xì)設(shè)計。 2.3機器人的驅(qū)動機構(gòu) 機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、電動式和機械式四種。 夜動式輸出力大（壓力高，常用液壓為2.5～6.3MPa），臂力可達(dá)100公斤以上，且可用電液伺服機構(gòu)，體積較小，可獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；工作平穩(wěn)，可得到較高的位置精度；傳動中力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制，效率高、壽命長。不足處，泄露難克服，易引起燃燒爆炸等危險；液壓元件精度要求高，造價高。 氣動式具有空氣粘度小，易達(dá)到高速（1m/s）；可利用空氣壓縮機減少了動力設(shè)備，氣動元件工作壓力低，造價也低，結(jié)構(gòu)簡單。采用點位控制或機械塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在30公斤一下。 電動式可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進(jìn)電動機驅(qū)動。 普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。私服電動機和步進(jìn)電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交直流、私服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精確要求不高的場合。 機械式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈敏度低，故不做詳細(xì)介紹。 綜上，本次設(shè)計的“四自由度機器人”主要使用于一般的教學(xué)、培訓(xùn)或汽車中小零件的搬運等，故采用電動式，將其簡單高效的特點得以充分發(fā)揮[4]。 2.4 控制系統(tǒng) 機器人控制器具有多種結(jié)構(gòu)形式，包括：非伺服控制、伺服控制位置和速度反饋控制、力（力矩）控制、基于傳感器的控制、非線性控制、滑?？刂啤⒆顑?yōu)控制、自定位控制、遞階控制記憶各種智能控制等。本設(shè)計要求只對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計建模，控制系統(tǒng)不做要求。 2.5 本章小結(jié) 本章對四自由度機器人的常用結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析。對機器人的結(jié)構(gòu)組成（腰部、臂部、腕部）進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并最終確定適合本設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案，驅(qū)動方式等。最后簡單介紹了驅(qū)動機構(gòu)與控制機構(gòu)。 第三章 四自由度機器人整體及部件設(shè)計 3.1 四自由度機器人性能要求 表3.1 四自由度機器人性能要求 結(jié)構(gòu)形式 串聯(lián)關(guān)節(jié)式 負(fù)載能力 2Kg 重復(fù)定位精度 ±0.1mm 運動范圍 300° 120° 120° 360° 每軸最大運動速度 腰轉(zhuǎn) 45°/S 大臂 45°/S 小臂 30°/S 腕擺 60°/S 最大展開半徑 530mm 高度 957mm 本體重量 操作方式 示教再現(xiàn)/編程 供電電源 單相220V、50Hz 3.2 電機的選擇 在要求輸出力矩和負(fù)載較小的情況下，電機的選用一般有:電動伺服電機和步進(jìn)電機兩種。根據(jù)表3.1及電機的選用條件[13]結(jié)合本設(shè)計的性能要求及結(jié)構(gòu)特點，本設(shè)計決定選用步進(jìn)電機來驅(qū)動。 步進(jìn)電機是一種吧電脈沖信號變換成直線位移的執(zhí)行元件，本設(shè)計機器人是用來搬運中小零件的，所以選步進(jìn)電機符合要求。 在根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，混合式步進(jìn)電機是一種兼有反應(yīng)式和永磁式兩種步進(jìn)電機有點的新型電動機。五相及三相混合式步進(jìn)電動機因其分辨率小，精度高、低頻無振蕩、高頻力矩大而廣泛用于各類機床、切割機、輕工、包裝、醫(yī)療器械、機器人及電腦繡花機等自動控制設(shè)備中。因此，選用混合式步進(jìn)電動機，系列代號BYG。 3.2.1 負(fù)載功率的估算 電動機負(fù)載功率是根據(jù)具體生產(chǎn)機械的負(fù)載及效率計算的，它可以從機械手冊中查出。 （1）底座處電機負(fù)載功率 已知，腰轉(zhuǎn) 450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min 負(fù)載功率 [15] PL=G?u?V624.5?ηc kw (3.1) 式中： PL—腰部負(fù)載功率，kw； G—傳動件重量，N（根據(jù)任務(wù)書及電機的初選確定）； u—傳動摩擦系數(shù)； V—移動速度，m/s； ηc —傳動機構(gòu)效率。 G=mg(其中已知m≤85kg；g=9.8N/kg)=85×9.8 N=833 N u—查參考資料[11]得u=0.2； ηc—查參考資料[15]得ηc=0.9； V—已知角度450/s，初步確定機器人的底座腰部直徑為150mm，則 V=4503600×π×150×10-3 m/s =0.059 m/s； 所以將以上各值帶入式 3.1得 PL=G?u?V624.5?ηc kw = 833?0.2?0.059 624.5?0.9 kw =0.01749 kw=17.49 w 3.2.2 步進(jìn)電機額定功率的計算 預(yù)選電機的額定負(fù)載功率基本原則是:連續(xù)工作方式下，要求 Pe≥PL,本設(shè)計是從發(fā)熱溫升負(fù)度考慮的，不必校核電動機的溫升，只需校核過載能力[15]。 根據(jù)參考資料[16]，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速 ne=60?fZR?N r/min (3.2) 式中： f—脈沖頻率，Hz或P/s，本設(shè)計電壓220V，頻率f=50Hz； N—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距的運行拍數(shù)，本設(shè)計選用BYG型步進(jìn)電機，三相三拍時，N=m（相數(shù)）；三相六拍時N=2m； ZR —轉(zhuǎn)子齒數(shù)，本設(shè)計選用BYG型步進(jìn)電機，ZR=8； 根據(jù)參考資料[13]步進(jìn)電機的額定功率 Pe=Te?ωe1000 kw (3.3) 式中： Pe—電機額定功率； Te—電動機轉(zhuǎn)矩 N?m； ωe—電動機角速度 rad/s，ωe= ne； 1、底座電機選擇 根據(jù)參考資料[17]，初選機器人底座處的步進(jìn)電機為 57BYG4501型。 則根據(jù)提供的參數(shù)可知:Te=0.6N?m；N=2m=2×2=4；將N=4帶入公式 3.2得 ne =60×50/8×4 r/min =93.75 r/min 將ne =93.75 r/min帶入公式 3.3得 Pe=0.6×93.75/1000 kw =0.05625 kw=56.25 w 因Pe=56.25 w>PL=17.89 w，所以所選電機 57BYG4501型能夠勝任本設(shè)計要求。 2、手腕處電機選擇 手腕處負(fù)載，根據(jù)設(shè)計要求 PL'=F?vη×10-3 kw[15] (3.4) 式中： PL'—手腕處負(fù)載功率； F—額定提升的重量 N； v —額定提升速度 m/s； η—手腕處傳動效率； F根據(jù)設(shè)計要求得 F=2×9.8 N=19.6 N； v 根據(jù)設(shè)計要求v=ω=600/s=6003600/160 rad/min=10 rad/min，或者 v=ω=600/s=6003600?π?d m/s=6003600×3.14×38.81×10-3 m/s=0.02 m/s，（其中d=38.81mm 這將在后邊具體算出）； η 根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]得η=0.98；將F、v、η的值帶入公式 3.4得 PL'=（19.6×0.02）/0.98 kw=4.0×10-3 kw (若用公式3.1計算PL'得 PL'=1.28×10-4 kw，這里我選用公式 3.4算得的值)。 所以，手腕處負(fù)載較小，經(jīng)計算選用35BYG4501型步進(jìn)電機。其轉(zhuǎn)速和功率如下計算: ωe= ne = 60?fZR?N = 60?508×2×4 r/min=46.88 r/min Pe= Teωe1000 = 0.05×46.88/10000.05×46.881000 kw =2.344×10-3 kw 3、大臂與腰部旋轉(zhuǎn)體處電機選擇 根據(jù)設(shè)計要求，此處所承受的最大負(fù)載大致為G=mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N。 運動速度為450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min，大臂伸展半徑為303mm，所以大臂速度可變換為V =7.5r/min = 7.5×π×2×30360 m/s=0.24m/s。根據(jù)公式3.1可得大臂處負(fù)載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=436.1×0.2×0.24624.5×0.9 kw=0.037kw=37w 根據(jù)參考資料[17]選擇步進(jìn)電機57BYG4501，根據(jù)公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.6×46.881000 = 0.05625 kw=56.25 w 56.25 w>37w，根據(jù)參考資料[17]大臂與旋轉(zhuǎn)體處電機選擇57BYG4501型步進(jìn)電機。 4、小臂與大臂聯(lián)接處電機選擇 根據(jù)設(shè)計要求，此處所承受的最大載荷為G=mg=（14×85+2）×9.8=227.85N。 運動速度為300/S=3003600/160 r/min =5 r/min，小臂伸展半徑為411.5mm，所以小臂速度可變換為V =5r/min = 5×π×2×411.560 m/s=0.22m/s。根據(jù)公式3.1可得小臂處負(fù)載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=227.85×0.2×0.22624.5×0.9 kw=0.0178kw=17.8w 根據(jù)參考資料[17]選擇步進(jìn)電機42BYG4503，根據(jù)公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.48×46.881000 = 0.0225 kw=22.5 w 22.5 w>17.8w，根據(jù)參考資料[17]小臂與大臂聯(lián)接處電機選擇42BYG4503型步進(jìn)電機。 3.3 同步帶傳動設(shè)計 3.3.1 已知條件： （1）傳動功率 PL'=4.0×10-4 kw； （2）大小帶輪轉(zhuǎn)速 n1=n2=600/s=10 r/min （n1 為手腕處主動輪，n2為從動輪）； （3）傳動用途、載荷性質(zhì)、原動機種類以及工作制度[13]。 3.3.2 設(shè)計計算 （1）設(shè)計功率 Pd Pd=KA?P (3.5) 式中： Pd—設(shè)計功率； KA —工況系數(shù)，查參考資料[13]得 KA =1.5； P—傳動功率，P= PL'=4.0×10-4 kw； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式 3.5得 Pd=1.5×4.0×10-4 kw =6.0×10-4 kw （2）帶型節(jié)距 Pb 根據(jù)Pd和n1、n2查參考資料[13]初選取XL型同步帶。根據(jù)設(shè)計要求可知，n1= n2=10 r/min。前所選手腕處步進(jìn)電機35BYG4501轉(zhuǎn)速ωe= ne =46.88 r/min，根據(jù)本設(shè)計整體結(jié)構(gòu)和BYG型電機的選擇，經(jīng)計算比較分析n1= n2=10 r/min與ωe= ne =46.88 r/min相差不是太大，可以使用 35BYG4501型電機。 為使傳動平穩(wěn)，提高帶的柔性以及增加嚙合齒數(shù)，節(jié)距Pb盡可能選取較小值。對模數(shù)制的m也盡可能選取較小值，特別是在高速時。故選取周節(jié)制XL型，Pb=5.080 mm，m=2。 (3) 小帶輪齒數(shù) (3.6) Zmin由參考資料[13]查得 Zmin=10，帶速V和安裝尺寸允許時，Z1盡可能選用較大值，故初選 Z1=24。 (4) 小帶輪節(jié)圓直徑 (3.7) 將mm，代入公式（3.3）中，得 mm 由Z1 =24及XL型號帶查參考資料[13]得節(jié)圓直徑 mm，外徑mm。(5) 帶速 (3.8) 將mm，r/min代入公式（3.8）中，得 m/s 根據(jù)模數(shù)型號與所選同步帶型號，由參考資料[13]查得 m/s 故符合要求。 (6) 傳動比 = n1n2 ≤10 根據(jù)本設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)，大小帶輪轉(zhuǎn)速相同，所以取 =1<10，符合要求。 （7）大帶輪齒數(shù) Z2 Z2=i ?Z1=1×24 （8）大帶輪節(jié)圓直徑 d2 d2 =PbZ2/π =i?d1=1×38.81=38.81 mm （9）初定中心距 a 采用中心距可調(diào)式 (3.9) 將mm，將其帶入公式（3.9）中，得 mm 故取 a=70 mm。 （10）初定帶的節(jié)線長度及其齒數(shù) (3.10) 將mm，mm代入公式（3.10）中，得 mm 根據(jù)參考資料[13]，查表得：mm，Zb =55。 （11）實際中心距 a (3.11) 將mm，mm，mm代入公式（3.11）中，得 mm 將a取整 a=79 mm。 （12）基準(zhǔn)額定功率 P0 (3.12) 式中：—帶寬為bs0的許用工作拉力，N； m—帶寬為bs0的單位長度的質(zhì)量 kg/m； 根據(jù)參考資料[13]查得 Ta=50.17，v=0.02 m/s，m=0.22 kg/m帶入公式（3.12）得 kw （13）帶寬 bs (3.13) 式中： bs0—選定型號的基準(zhǔn)寬度 mm； kz—小帶輪嚙合齒系數(shù)； 根據(jù)參考資料[13]查得bs0 =9.5 mm；kz數(shù)=1.00； 將kw，Pd=6.0×10-4 kw，mm，代入公式（3.13）中，得 mm 則根據(jù)參考資料[13]取bs=9.5 mm。 故選取同步帶 GB/T 11616—1989 110XL037。 （13）作用在軸線上的力 Fr N (3.14) 將Pd=6.0×10-4 kw，m/s代入公式（3.10）中，得 N 本設(shè)計四自由度機器人的機身材料查閱參考資料[19]取 Q235。 3.4 軸的確定及校核 查閱參考資料[13]，本設(shè)計四自由度機器人腰部軸與手腕處軸均選用 45號剛。 3.4.1 腰部軸的確定校核 根據(jù)本設(shè)計要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點，腰部軸的尺寸及形狀最終確定如圖 3.1 圖3.1 底座軸結(jié)構(gòu)尺寸 本設(shè)計腰部軸主要承受轉(zhuǎn)矩，承受的彎矩很小，所以按扭轉(zhuǎn)強度計算。 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa (3.15) 式中： τ—軸的扭切應(yīng)力 MPa； P—傳遞的功率 kw，P=17.49×10-3 kw； T—轉(zhuǎn)矩 N?m； WT—抗扭截面系數(shù) mm3； d—軸的直徑 mm，d=30 mm； n—軸的轉(zhuǎn)速 r/min，n=93.75 r/min； [τ]—許用扭切應(yīng)力 MPa，45號剛 [τ]=30~40 MPa； 將數(shù)以上據(jù)帶入式（3.15）得 τ=9.55×106×17.49×10-3/0.2×303×93.75 =0.329 MPa< [τ] =30~40 MPa 所以本設(shè)計腰部軸的結(jié)構(gòu)安排符合要求。 3.4.2 手腕軸的確定校核 根據(jù)本設(shè)計要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點，手腕軸的尺寸及形狀最終確定如圖3.2 圖3.2 手腕軸結(jié)構(gòu)尺寸 手腕處即受彎矩又受扭矩，也可近似使用公式（3.15）計算，但必須把軸的許用扭切應(yīng)力[τ]適當(dāng)降低以補償彎矩對軸的影響。將減低后的許用應(yīng)力帶入 式3.15，并改寫為設(shè)計公式 d≥39.55×1060.2τ?3Pn≥C3Pn mm （3.16） 手腕處： P=4.0×10-4 kw； [τ]—45號剛 [τ]=30 MP（最小值）；n=10 r/min； C—由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)，查參考資料[18]得C=118~107，取C=100； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.16）得 d≥39.55×1060.2×30?34.0×10-410≥10034.0×10-410 mm d≥7.324≥3.4 mm 本設(shè)計d=8 mm≥3.4 mm，符合要求。 3.4.3 大臂聯(lián)接件的確定校核 根據(jù)本設(shè)計，大臂聯(lián)接件尺寸確定如圖3.3所示。 圖3.3 大臂聯(lián)接件尺寸 根據(jù)本設(shè)計結(jié)構(gòu)安排，大臂聯(lián)接件主要承受扭矩，所以按扭轉(zhuǎn)強度計算。據(jù)公式3.15 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa 此處式中P=37w=37×10-3kw，n=7.5r/min=0.24m/s，d=35mm，帶入式3.15中得， τ= TWT =9.55×106×37×10-3/0.2×353×7.5 MPa ≈5.49 MPa 大臂聯(lián)接件材料為45號剛，[τ]=30~40 MPa，而5.49 MPa ≤[τ]=30~40 MPa，所以大臂聯(lián)接件設(shè)計符合強度要求。 3.5 軸承的選用及計算 3.5.1 手腕處軸承 （1）手腕處軸承的選擇 手腕處根據(jù)工作條件主要承受徑向載荷，同時也承受一定得軸向載荷。故選手腕處軸承為深溝球軸承。 根據(jù)參考資料[13]及其圖 3.2選擇手腕處軸承為 60000型，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動載荷 Cr=4.85 kN，徑向額定靜載荷 C0r=1.98 kN。 （2）軸承當(dāng)量動載荷 P P=（XFr +YFa） (3.17) 式中： X—徑向動載荷系數(shù)； Y—軸向動載荷系數(shù)； Fr—徑向載荷 N，F(xiàn)r =mg=29.8 N=19.6 N，此處考慮到過載、環(huán)境溫度及運動過程中的沖擊等情況可取大點，所以取Fr =100 N； Fa—軸向載荷 N，同F(xiàn)r取為Fa=100 N； 因此 FaC0r = 100 N1980 N =0.051 根據(jù) FaC0r = 0.051查閱參考資料[20]得e 值為0.26； 又 FaFr = 100 N100 N =1>e=0.26 根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.71； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.17）得 P=（0.56×100+1.71×100）N =227 N （3）軸承的基本額定壽命 Lh Lh = 10660n （ftCfpP）ε h (3.18) 式中：Lh—軸的基本額定壽命 小時； —基本額定動載荷 N，C=Cr=4.58103 ×103N； —當(dāng)量動載荷 N，P=P=227 N； —軸承轉(zhuǎn)速r/min； ft—溫度系數(shù)，ft =1[18]； fp—載荷系數(shù)，fp =1.5[18]； ε—壽命指數(shù)[18]，球軸承 ε =3； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.18）得 h 符合要求。 3.5.2 大臂聯(lián)接處軸承 大臂聯(lián)接處根據(jù)工作條件選擇深溝球軸承，根據(jù)參考資料[13]及圖3.3結(jié)構(gòu)選擇軸承6207，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動載荷 Cr=25.5 kN，徑向額定靜載荷 C0r=15.2kN。 （1）軸承當(dāng)量動載荷 P Fr—徑向載荷 N，F(xiàn)r = mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N， Fa—軸向載荷 N，此處軸向載荷較小，故Fa根據(jù)參考資料[20]可為Fa=400 N； X=0.56；Y=1.71 因此， FaC0r = 100 N15200 N =0.026 根據(jù) FaC0r = 0.026查閱參考資料[20]得e 值為0.22； 又 FaFr = 400 N436.1 N =0.91>e=0.22 所以根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.99； 將上邊各值帶入公式3.17得 P=（0.56×436.1+1.99×400）N =1040.216 N （2）軸承的基本額定壽命 Lh 根據(jù)公式3.18 Lh = 10660n （ftCfpP）ε h 得 Lh=10660×7.5×（1×25.5×1031.5×1040.216）3=9.7×106h 符合要求。 3.5.3 其它部位軸承的選擇 同手腕處軸承的選用方法，腰部軸處根據(jù)工作條件及圖3.1結(jié)構(gòu)尺寸選用30206型滾動軸承。 大臂兩端處軸承選用6207型滾動軸承[20]。 注：本設(shè)計其它零件的結(jié)構(gòu)尺寸具體見CAD圖紙和UG三維模型，這里不在贅述。 3.6 四自由度機器人長度尺寸 3.6.1 腰部總成高度尺寸 根據(jù)前邊的選擇，腰部電機57BYG4501，直徑為66.6mm，根據(jù)參考資料[5]，箱座壁厚δ≥8mm，所以取機器人腰部壁厚為15mm，所以機器人腰部總直徑d=66.6+2×15=96.6mm，取整d=97mm。底座直徑比腰部直徑要大些，以便安裝螺栓固定腰部與底座，故取底座直徑d’= 150mm。 底座軸承端蓋厚度根據(jù)參考資料[5]得