垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（腰部關(guān)節(jié)）

垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（腰部關(guān)節(jié)）,垂直,關(guān)節(jié),機(jī)器人,位置,控制,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),腰部 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(論文) 作 者: 3號(hào)楷體 學(xué) 號(hào)： 3號(hào)楷體 學(xué)院(系): 3號(hào)楷體 專 業(yè): 3號(hào)楷體 題 目: 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（腰部關(guān)節(jié)） 3號(hào)楷體 3號(hào)楷體 指導(dǎo)者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 3號(hào)楷體 3號(hào)楷體 評(píng)閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2014 年 6 月 25 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）中文摘要 機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。 本文對(duì)一種使用在垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的腰部關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。 關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器臂，關(guān)節(jié)型機(jī)器人，結(jié)構(gòu)分析 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）外文摘要 Title ：Spray Painting Robot Bigger Arm System Design Abstract Robot is a typical mechatronic product, and the vertical multi joint robot is a hot spot in the field of robot research. Research on vertical multi joint robot needs to be combined with mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science and many other disciplines, and its own development has also contributed to the development of these disciplines. In this paper, a design of the waist joint used in the vertical multi joint robot is designed, and the general assembly drawing and the drawing of the part drawing are completed. Mechanical analysis of the robot model is required to estimate the torque and power of each joint, and the selection of the motor and reducer is completed. Second, from the motor and reducer connection and fixed starting, the design of joint structure, and the important parts of the body to check the strength. Keywords ：Structure design, Robot arm, Structure analysis 目 錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 2 1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展 2 1.2.2 機(jī)器人技術(shù) 2 1.3 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人研究概況 3 1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 3 1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 4 1.4 噴涂機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 5 1.5 主要內(nèi)容 5 2 總體方案設(shè)計(jì) 6 2.1 機(jī)器人工程概述 6 2.2 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案論述 7 2.3 機(jī)器人機(jī)械傳動(dòng)原理 8 2.4 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 8 2.5 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人工作空間的計(jì)算 10 2.6 本章小結(jié) 11 3 機(jī)器人大臂部結(jié)構(gòu) 11 3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 11 3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 3.3 大臂電機(jī)及減速器選型 13 3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 14 3.5承載能力的計(jì)算 18 3.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 18 3.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 18 總結(jié)與展望 23 致 謝 24 參 考 文 獻(xiàn) 25 1 緒論 1.1 引言 機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。機(jī)器人是垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的一種。 1959年，世界上誕生了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)器人專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是功能”。其中雙足是方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生也曾說(shuō)過(guò)這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)的環(huán)境要求很低，既能在平地上，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無(wú)限廣闊的前景。 研究機(jī)器人的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人的研究方向；機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用。 ，噴涂機(jī)器人的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給噴涂機(jī)器人下的定義：噴涂機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國(guó)外的定義，結(jié)合我國(guó)的習(xí)慣用語(yǔ)，對(duì)噴涂機(jī)器人作如下定義： 噴涂機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人。 噴涂機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。 噴涂機(jī)器人是在計(jì)算機(jī)控制下可編程的自動(dòng)機(jī)器。采用噴涂機(jī)器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。機(jī)器人的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力[1-2]。 1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展 20世紀(jì)40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國(guó)的ConsolidatedContr01公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文。1970年，第一次國(guó)際機(jī)器人會(huì)議在美國(guó)舉行。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級(jí)到高級(jí)經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智能。當(dāng)前，對(duì)第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動(dòng)。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見到，機(jī)器人將在21世紀(jì)人類社會(huì)生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。 1.2.2 機(jī)器人技術(shù) 機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(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)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長(zhǎng)，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國(guó)內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時(shí)它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域滲透。目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會(huì)需要的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢(shì)，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等。 1.3 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人研究概況 1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物和奔跑的連續(xù)照片。后來(lái)這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來(lái)研究人類的運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。 真正全面、系統(tǒng)地開展機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了機(jī)器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國(guó)家，如日本、美國(guó)和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的機(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。 在60年代和70年代，對(duì)機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了3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3種控制方法對(duì)各種類型的機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來(lái)的 ，模型參考控制是由美國(guó)的Farnsworth在1975年提出來(lái)的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問(wèn)提出來(lái)的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。 在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro- shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于而且也適應(yīng)于多足機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機(jī)器人在時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來(lái)考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過(guò)某一優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)確定，這就是所謂的自由步態(tài)。 在機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國(guó)的Hemami等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡(jiǎn)化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立的問(wèn)題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就機(jī)器人的“降階模型”問(wèn)題進(jìn)行了研究。 前面我們?cè)赋鯲ukobratovic也對(duì)類人型系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒(méi)有過(guò)多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問(wèn)題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論，即姿態(tài)越平滑，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。 1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研制工作起步較晚，我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開始機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國(guó)的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國(guó)從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國(guó)進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開始研究機(jī)器人，先研制成功靜態(tài)雙足機(jī)器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅45cm，步速為10秒/步，后來(lái)又相繼研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV機(jī)器人，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動(dòng)速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型機(jī)器人[3～7]。 國(guó)防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺(tái)平面型6自由度的雙足機(jī)器人KDW-1，它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4步每秒，1989年又研制出空間型 KDW-II，有10個(gè)自由度，高69cm，重13kg實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定以及左右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)。1990年在KDW-II的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-III，有12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位。1995年實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)，步速0.8步每秒，步長(zhǎng)為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-III的基礎(chǔ)上研制成功我國(guó)首臺(tái)仿人形機(jī)器人“先行者”，動(dòng)態(tài)，可在小偏差、不確定的環(huán)境，周期達(dá)每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語(yǔ)言功能[8～13]。 此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32個(gè)自由度，在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺(tái)8自由度空間型機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)功能[13,14]。 本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是機(jī)器人還是鳳毛麟角。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。 1.4 噴涂機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 噴涂機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述： 它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制檢測(cè)系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 (1) 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是噴涂機(jī)器人完成噴涂工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需 的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。 (a) 末端執(zhí)行器：機(jī)器人為了進(jìn)行作業(yè)而配置的操作機(jī)構(gòu)，直接噴漆工件。 (b) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器的工作方位。 (c) 臂部：聯(lián)接機(jī)座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機(jī)器人的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機(jī)座。 (d) 機(jī)身：機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。 (2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的有 機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)電傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。 (3) 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 (4) 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。 實(shí)踐證明，噴涂機(jī)器人可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)器人是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途[4-8]。 1.5 主要內(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)器人大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)器人工程概述 機(jī)器人工程是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣動(dòng)液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中的知識(shí)有效地組合起來(lái)用以解決綜合性的工程問(wèn)題的技術(shù)稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以機(jī)器人設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究、開發(fā)和運(yùn)用，從機(jī)器人的整體出發(fā)來(lái)研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系的一種綜合性的設(shè)計(jì)方法。 從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來(lái)看，將一部復(fù)雜的機(jī)器看成是一個(gè)系統(tǒng)，它由若干個(gè)子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機(jī)地聯(lián)系在一起，是一個(gè)不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個(gè)整體的特定功能。因此，在設(shè)計(jì)一部較復(fù)雜的機(jī)器時(shí)，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性： （1） 整體性 由若干個(gè)不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)總的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個(gè)整體的特定功能。 （2） 相關(guān)性 系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機(jī)聯(lián)系、有機(jī)作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。 （3） 目的性 每個(gè)系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。 （4） 環(huán)境適應(yīng)性 任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。 因此，在進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成機(jī)器人系統(tǒng)的各個(gè)部件、零件的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，根據(jù)機(jī)器人的功能要求，將組成機(jī)器人系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良適于工作需要的機(jī)器人產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中大致包括如下:操作機(jī)，它是完成機(jī)器人工作任務(wù)的主體，包括機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳動(dòng)零、部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、存儲(chǔ)功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置），人——機(jī)接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［14］。 工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)機(jī)器人能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來(lái)完成傳送零件或材料，進(jìn)行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)機(jī)器人等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合體地工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機(jī)器人系統(tǒng)亦是如此。 2.2 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案論述 （一） 確定負(fù)載 目前，國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中，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(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、噴涂工件或作業(yè)對(duì)象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載。 （二） 驅(qū)動(dòng)方式 由于伺服電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)器人等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) （三）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)器人傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)器人中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)和鋼帶傳動(dòng)等，由于齒輪傳動(dòng)具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動(dòng)。 （四）工作范圍 工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定，用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇 （五） 運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)器人操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用m/s或（°）/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度等要求。 2.3 機(jī)器人機(jī)械傳動(dòng)原理 該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 該垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)組成如圖 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人本體組成 各部件組成和功能描述如下： 底座部件： 底座部件包括底座、齒輪傳動(dòng)部件、軸承，步進(jìn)電機(jī)等。機(jī)座作用是支撐部件，支承和轉(zhuǎn)動(dòng)大臂部件,承受垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的全部重量和工作載荷，所以機(jī)座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基面，以保證垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng) 手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。小臂部件：包括小臂、傳動(dòng)軸、同步傳動(dòng)帶等，在小臂一端固定驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。手腕部件：包括手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸、機(jī)械接口等。 2.4 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下[3]。 (1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 (2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 (3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。 (4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 (a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型 圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 根據(jù)任務(wù)書要求和具體實(shí)際我們選擇的是(d) 關(guān)節(jié)型。 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)5KG，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)器人的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度,要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人為六個(gè)自由度，其中腰部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度，手腕的俯仰、旋轉(zhuǎn)自由度。在本論文中，要求設(shè)計(jì)大小臂結(jié)構(gòu)，所以，需要對(duì)實(shí)現(xiàn)大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.5 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人工作空間的計(jì)算 對(duì)于垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人工作空間和噴槍軌跡的計(jì)算是相對(duì)比較復(fù)雜的過(guò)程，可參考查閱的研究資料較多，因此在本課題的設(shè)計(jì)中不作詳細(xì)的研究。根據(jù)已給出的技術(shù)要求工作空間為 2500╳1200╳1100 mm3， 確定垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人在長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的極限位置，從二維空間工作圖中模擬噴槍的軌跡，如圖2.3所示，即可通過(guò)聯(lián)立方程組（2.1）求出大、小臂長(zhǎng)度的近似值。 圖2.3 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人工作空間示意圖 圖中，、分別為大臂、小臂的長(zhǎng)度。 列出方程組計(jì)算： （2.1） 經(jīng)過(guò)計(jì)算圓整得出大、小臂長(zhǎng)度：為900mm，為800mm。 2.6 本章小結(jié) 本章主要完成對(duì)機(jī)器人大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過(guò)多種方案的選擇來(lái)確定最終要確定的方案. 確定了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案后，就要針對(duì)機(jī)器人的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 3 機(jī)器人大臂部結(jié)構(gòu) 3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 臂部部件是垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)噴涂，則臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部設(shè)計(jì)基本要求: （1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工 字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人常采用無(wú)縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼（如圖4.1和4.2所示）或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。 （2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 在一般情況下，手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施: (a) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料; (b) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸 (c) 減少回轉(zhuǎn)半徑 (d) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 (3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 (4)位置精度要高。 一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)系垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人位置精度高;關(guān)節(jié)式垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。 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)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表4.1所示： 鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 ＜200×200 200×200~500×500 ＞500×500 5~8 10~12 15~20 3~5 4~10 10~15 4~6 8~12 12~20 3~5 6~8 — 3~3.5 4~6 — 3~5 6~8 — 表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm） 以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。 3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。 大臂部結(jié)構(gòu)如圖4.1所示 3.3 大臂電機(jī)及減速器選型 假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量： M2=2Kg， M3=4Kg J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942 =0.16kg.m2 設(shè)大臂速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： 式中：T - 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩 N.m J – 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2 - 角加速度rad/s2 使機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則： (3.4) 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (3.5)選擇諧波減速器： ⑴型號(hào)：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m 減速比：i1=120 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3.6) 選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 型號(hào)：55BF003 靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m 步距角：1.5° 3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 剛輪、柔輪均為鍛鋼，小齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS 剛輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為220HBS。 1.齒數(shù)的確定 柔輪齒數(shù)： 剛輪齒數(shù)： 已知模數(shù)：，則 柔輪分度圓直徑： 鋼輪分度圓直徑： 柔輪齒圈處的厚度： 重載時(shí)，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計(jì)算值增加20%，即 柔輪筒體壁厚： 為了提高柔輪的剛度，取 輪齒寬度： 輪轂凸緣長(zhǎng)度：取 柔輪筒體長(zhǎng)度： 輪齒過(guò)渡圓角半徑： 為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取 2.嚙合參數(shù)的計(jì)算 由于采用壓力角的漸開線齒廓，傳動(dòng)的嚙合參數(shù)可按考慮到構(gòu)件柔度的計(jì)算公式，即按如下公式進(jìn)行計(jì)算。 考慮到輪齒扭矩，使輪齒間隙減小的值為： （扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù)G=80GPa） 其中： W0／m=0.89＋8×10-5×Zr＋2Cnmax／m 為了消除在的情況下進(jìn)入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側(cè)隙大于由于齒輪扭轉(zhuǎn)減小的側(cè)隙后，還應(yīng)保證存在有側(cè)隙值。 其中： 徑向變形系數(shù)： 則： 徑向變形系數(shù)： 柔輪的變位系數(shù)： 剛輪的變位系數(shù)： 驗(yàn)算相對(duì)嚙入深度： 如果計(jì)算得到的，為了繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，可取2。如果出現(xiàn)，為了傳遞動(dòng)力，應(yīng)適當(dāng)增加值重新計(jì)算，使。 柔輪齒根圓直徑： 其中（齒頂高系數(shù)，徑向間隙系數(shù)） 柔輪齒頂圓直徑： 其中（查表得） 相對(duì)嚙入深度和輪齒過(guò)渡曲線深度系數(shù)之和應(yīng)符合兩個(gè)不等式驗(yàn)算公式。 即： 剛輪齒頂圓直徑： 剛輪齒根圓直徑： 選取插齒刀齒數(shù)，插齒刀變位系數(shù)（中等磨損程度的插齒刀），插齒刀原始齒形壓力角，則 剛輪和插齒刀的制造嚙合角： 查漸開線函數(shù)表和三角函數(shù)表得 則剛輪和插齒刀的制造中心距： 插齒刀的齒頂圓直徑： 剛輪齒根圓直徑： 驗(yàn)算剛輪齒根圓和柔輪齒頂圓的徑向間隙： 即： 可見沿波發(fā)生器長(zhǎng)軸,在剛輪齒根圓與柔輪齒頂圓之間存在徑向間隙。 3.凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算 滾珠直徑： 柔輪齒圈處的內(nèi)徑： 則： 軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無(wú)滾道的 軸承內(nèi)環(huán)厚度： 內(nèi)環(huán)滾道深度： 式中的是考慮到外環(huán)無(wú)滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。 軸承內(nèi)外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬 軸承外環(huán)外徑： 軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑： 為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。 則凸輪圓弧半徑： 其中ｅ是偏心距： （—?jiǎng)傒喎侄葓A直徑，—柔輪分度圓直徑） 則凸輪圓弧半徑： 凸輪長(zhǎng)半軸： 凸輪短半軸： 3.5承載能力的計(jì)算 3.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 根據(jù)諧波傳動(dòng)傳動(dòng)比大的特點(diǎn)，其柔輪和剛輪的齒數(shù)較多，齒形很接近于直線。故實(shí)際諧波齒輪傳動(dòng)的載荷能力主要應(yīng)由柔輪齒側(cè)工作表面的最大接觸應(yīng)力所限制。因此，諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪齒側(cè)面應(yīng)滿足如下接觸強(qiáng)度條件： 接觸強(qiáng)度計(jì)算公式： —輸出轉(zhuǎn)矩 —柔輪節(jié)圓半徑 —柔輪輪齒寬 —?jiǎng)傒唹毫? —接觸系數(shù)（0.4~0.9） 對(duì)于一般雙波傳動(dòng)，輪齒寬許用接觸應(yīng)力 則： 所以滿足齒面的接觸強(qiáng)度要求。 3.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 柔輪材料采用 調(diào)制硬度229~269。 計(jì)算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時(shí)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為 截面處正應(yīng)力： 切應(yīng)力： 由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力： 其中： 則： 驗(yàn)算安全系數(shù)： 疲勞極限應(yīng)力： 應(yīng)力安全系數(shù)： 其中，抗拉屈服極限： 剪切應(yīng)力集中系數(shù)： 則滿足疲勞強(qiáng)度條件。 軸的計(jì)算校核 畫軸的受力分析圖，軸的受力分析分析圖如圖所示： 已知：作用在剛輪上的 圓周力 徑向力 法相力 1) 求垂直面的支撐反力： 2) 水平面的支撐反力： 3） F在支撐點(diǎn)產(chǎn)生的反力： 外力F作用方向與傳動(dòng)的布置有關(guān)，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見（7）的計(jì)算 4） 繪垂直面的彎矩圖： 5) 繪水平面的彎矩圖： 6) F產(chǎn)生的彎矩圖： a-a截面F力產(chǎn)生的彎矩為： 7) 求合成彎矩圖： 考慮最不利的情況，把與直接相加 MA=+MAF= +41.1=70.1 N.m M'A=+MAF= +41.1=62.57 N.m 8) 求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩： N.mm 9) 求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 如圖所示，a-a截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為： 如認(rèn)為軸的扭切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力，取折合系數(shù)a=0.6，帶入上式可得： 10） 計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑 軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表14-1查得δB=650Mp,由表 14-3查得[δ-1b]=60Mpa,則： 考慮到鍵槽對(duì)軸的消弱，將d值加大5%，故： d=22.8*1.05=24mm<32mm 滿足條件 因a-a處剖面左側(cè)彎矩大，同時(shí)作用有轉(zhuǎn)矩 ，且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險(xiǎn)截面 其彎曲截面系數(shù)為： 抗扭截面系數(shù)為： 彎曲應(yīng)力為： 扭切應(yīng)力為： 按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)于單向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)處理，故取折合系數(shù)a=0.6則當(dāng)量應(yīng)力為： 由表查得45鋼調(diào)質(zhì)處理抗拉強(qiáng)度極限=640Mpa，則由表查得軸的許用彎曲應(yīng)力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強(qiáng)度滿足要求。 總結(jié)與展望 總結(jié)本文對(duì)機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了性能分析。 由于作者的水平有限，而且對(duì)有些相關(guān)學(xué)科，如傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等并不是很了解，仍有許多問(wèn)題需要解決，還有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步討論和更加深入的研究與展望： (1)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題 在機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中，包括機(jī)械臂，采用模塊化設(shè)計(jì)，不同功能結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，各模塊之間連接采用最優(yōu)方式。但是在模塊各零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，各參數(shù)計(jì)算選擇主要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求出發(fā)，很多零件為了匹配，比實(shí)際需求尺寸大很多。包括一些非關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)，均是根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇尺寸。這種設(shè)計(jì)不僅增加了整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量，同時(shí)增加了電機(jī)負(fù)載，造成了資源浪費(fèi)。 （2）計(jì)算機(jī)的有限元的分析沒(méi)有做。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)有限元軟件的更深層次挖掘，對(duì)零件的強(qiáng)度和剛度和臂部的力學(xué)分析，會(huì)得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)以后可以作為后續(xù)學(xué)習(xí)的方向。 (3) 機(jī)械臂自主控制系統(tǒng)的建立有待于進(jìn)一步研究，以及它的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，路徑規(guī)劃技術(shù)，實(shí)時(shí)視覺(jué)技術(shù)，定位和導(dǎo)航技術(shù)，多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，高性能計(jì)算技術(shù)，無(wú)線通信與因特網(wǎng)技術(shù)問(wèn)題也是多個(gè)有待研究的方面。 機(jī)器人在未來(lái)生活中應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣。包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是我國(guó)國(guó)防科技行業(yè)重點(diǎn)支持的方向之一。通過(guò)對(duì)機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在整體系統(tǒng)的各各方面積累了比較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，相信經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和改進(jìn)機(jī)器人將走向成熟和實(shí)用化。 致 謝 在即將完成畢業(yè)設(shè)計(jì)階段的學(xué)習(xí)之際，我首先特別感謝導(dǎo)師對(duì)我的無(wú)限關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。尤其在我最需要幫助的時(shí)候，導(dǎo)師給予我方方面面的照顧，使我能夠順利完成學(xué)業(yè)。老師嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)、精益求精的治學(xué)態(tài)度、循循善誘的悉心教導(dǎo)，使我受益非淺、能夠?qū)W有所成;不僅學(xué)到了許多知識(shí)，更重要的是學(xué)到了思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。論文研究工作的完成，不僅是我的辛勞付出，同時(shí)也傾注了導(dǎo)師的心血與關(guān)懷。在此向?qū)熈粞岳蠋熤乱灾孕牡母兄x! 同時(shí)感謝所有關(guān)心、愛(ài)護(hù)、和幫助我的老師、同學(xué)和朋友們，感謝一起共同學(xué)習(xí)組友對(duì)我的幫助。 最后，謹(jǐn)將此文獻(xiàn)給養(yǎng)育我健康成長(zhǎng)的父母，感謝他們多年來(lái)在生活上、精神上、物質(zhì)上給予我的支持、關(guān)心和鼓勵(lì)，謝謝他們的付出和為我所做的一切。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 包志軍. 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究[D]. 上海交通大學(xué)博士論文 .2000: 14-48. 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