單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS】
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A Low Cost Experimental Telerobotic Systems
A. Zaatri
Mechanical Department Laboratory
University Mentouri of Constantine, Algeria
http://www.infopoverty.net/new/Confs/IWC_05/docs/Zaatri.doc
Abstract
This paper presents the development of a low cost experimental telerobotic system built up with local means in an emerging country (Algeria). From a remote site, a webcam sends images of a robot manipulator through Internet to the control site where a human operator remotely monitors this robot in order to achieve pick-and-place tasks. Some control modes have been implemented and tested such as mouse-click, image-based and gesture-based modes.
Very encouraging pedagogical results have been obtained in this attractive and complex field of modern technology.
1. Introduction
In developing countries, very hard constraints and difficulties are imposed to students and researchers leading usually to inadequate pedagogic results, especially when attempting to learn and experiment complex modern systems. These constraints may stem from the lack of economical budgets, from a bureaucratic discouraging environment, from a mismach between university and industry, etc.
One interesting and challenging field to investigate and to experiment by students in emerging countries concerns the design of modern technology applications such as the development of low cost experimental telerobotic systems. Indeed, this helps to understand and master how to combine both engineering and information technologies in order to built complex systems.
In this context, some pedagogic telerobotic systems are available through Internet such as the mobile robot Xavier [1], and the web robot ABB of Australia [2]. However, as far as we know, none are available in developing countries. Therefore, to introduce this challenging technology, a didactic program has been launched based on the following steps: -build up robot arm manipulators. -build up a pantilt unit (ptu) for controlling a webcam orientation. -implement robot control software-implement the communication software via internet connecting the robot site and the operator site. -implement and test remotely some control modes.
2.The Experimental Telerobotic System
The telerobotic system is composed, at the remote site, of a robot arm manipulator and of a ptu to control the orientation of a webcam. Both the robotic arm manipulator and the ptu have been designed and built in our laboratory. The arm manipulator is a serial robot of three degrees of freedom of type RRR. It holds a gripper. The ptu enables horizontal and vertical orientations. The articulations are motorised with very economical DC motors. Figure 1 shows the ptu holding the webcam as well as the robot arm manipulator. Again, the electronic command unit for robot control are implemented in our laboratory with very cheap components.
Figure 1 . The telerobotic remote system
Since there is no hardware for signal acquisition that is available at this stage, the electronic command unit uses simply the parallel ports of the PC to select and activate the DC motors in an on-off way.
On the local site stands the human operator who remotely directs the tasks via a Graphical User Interface (GUI). This GUI is designed according to user-centred design. It provides facilities to remotely control both the robot arm manipulator and the pan-tilt unit for selecting views. Mouse click based control, image based control, and gesture based control have been implemented and tested. Figure 2 shows the operator at the local site and the video stream that enables to carry out tasks.
Figure 2 . The telerobotic local site
Two PCs are used, one at the local site and the second at the remote site. The interconnection between these sites is based on the TCP/IP sockets. The software is mainly written in Java while some low level functions are written with C.
For economical reasons, we have actually only implemented the direct geometrical model and the inverse geometrical model. Of course, the system is not accurate since these models do not take into account the gravity effect and there is no feedback. Nevertheless, these simple models enable to achieve some pick-and-place tasks.
3. Control Modes
To remotely achieve tasks, we have implemented the following three control modes.
3.1. Mouse click commands
The mouse click control mode enables the control of the robot as well as the ptu by using simple mouse clicks on some appropriate buttons of a panel. Each button represents a specific function or a specific direction of motion. The frames showed in Figure 3 shows the control panels of the arm manipulator and of the ptu.
Figure 3 . Control Panels (robot and ptu)
To achieve tasks with this mode, the operator directs the robot by a series of clicks on the appropriate buttons.
3.2. Image Based Commands
Image-based control mode enables high level control. Within this mode, the operator directs the robot towards locations in 2D or 3D space by only pointing on their images by means of a mouse clicks [3]. This mode has also been used to control Marskhod robot [4].
3.3 Gesture commands
The operator stands in front of the webcam and moves an object in a certain direction. An algorithm using the KLT tracker [5] determines the direction of the motion that serves to orient the robot in the corresponding direction.
4. Experiments
Various experiments have been carried out involving the described control modes.
4.1 Mouse-click control experiments
Within this control mode, the operator can carry out pick-and-place tasks such as pick a box from above a table and place it at another location.
In practice, the operator manages the task by clicking on selected buttons of the graphical panel in order to direct the robot towards the object of interest. Once the end-effector is positioned near that box, the operator activates the gripper for picking this object. Then, the operator moves the robot towards the position where the box has to be left. Once this position is reached, the operator deactivates the gripper in order to release the box. Figure 4 illustrates our experimental robot performing a pick-and-place task.
Figure 4 . The robot performing a task
Many experiments have been carried out with different students. It turns out that this mode is intuitive and very easy to learn.
On the other hand, difficulties arise from the fact that the operator has to direct tasks by controlling each degree of freedom independently. One main advantage is that the operator compensates the incertainties and the robot unaccuracy.
4.2 Image-based control experiments
Many experiments have been carried out using the image-based control. Practically, this control mode is used to send the robot to some location. First, an image of the remote site is grabbed. Then, the operator selects an object of interest. The streovision software extracts the coordinates of this object which are used to move the robot towards the object in the real world.
In practice, unaccuracy have negatively influenced our results because of the model simplicity, the lack of feedback, the calibration of cheap webcams. As a consequence, the implementation of image_based in 2D space have provided better results with comparison of that of 3D space.
4.3 Gesture-based control Experiments
Experiments have been carried out within this control mode. The operator generates a series of movements in different directions. The software analyses the image stream and moves the robot in the corresponding directions.
This control mode offers the advantage of being without contact of the operator with the computer. Another advantage is the possibility of using this technique for robot programming by human demonstration. Nevertheless, some difficulties which are related to image processing and environment issues limit the capability of this control mode.
5. Conclusion
A low cost pedagogic experimental telerobotic system built up in our laboratory has effectively been used to carry out simple pick-and-place experiments. We have implemented and tested three control modes namely mouse-click-based control, image-based control and gesture-based control.
Experiments has shown that the main issue remains the poor accuracy of the telerobotic system. This issue can be overcomed by adding some equipment such as accurate motors and cameras, by implementing dynamical robot models and by using feedback control.
One important added value is to combine these modes in order to build a multimodal interface.
References
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[5] B.D. Lucas and T. Kanade, “An Iterative Image Registration Technique with an Application to Stereo Vision”, International Joint Conference on Artificial Intelligence, 1981, pages 674-679.
一種低成本實(shí)驗(yàn)遙控機(jī)器人系統(tǒng)
A. Zaatri
阿爾及利亞君士坦丁門(mén)圖大學(xué)機(jī)械系實(shí)驗(yàn)室
摘要
本文介紹了由新興國(guó)家（阿爾及利亞）采用當(dāng)?shù)胤椒ń⒌囊环N低成本實(shí)驗(yàn)遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，人工操作者將使用攝像頭，借助互聯(lián)網(wǎng)把圖片傳送給機(jī)械手，通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)械手選擇或放置的任務(wù)。一些控制模式已經(jīng)被應(yīng)用或試驗(yàn)，如鼠標(biāo)點(diǎn)擊模式，基于圖像的模式和基于形體的模式。
在這個(gè)充滿吸引力且十分復(fù)雜的現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了非常令人鼓舞的成果。
1． 導(dǎo)言
在發(fā)展中國(guó)家，由于受到非常多的困難和制約因素，學(xué)生和前沿研究人員通常只能得到不完整的教學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，尤其是在嘗試學(xué)習(xí)和試驗(yàn)復(fù)雜的現(xiàn)代系統(tǒng)時(shí)。這些制約因素可能源于經(jīng)濟(jì)預(yù)算的不足，或者政府官員的不支持政策，以及大學(xué)與工業(yè)領(lǐng)域的脫軌，等等。
在新興國(guó)家，學(xué)生就設(shè)計(jì)現(xiàn)代技術(shù)的申請(qǐng)做了一個(gè)有趣并具有挑戰(zhàn)性的實(shí)地調(diào)查和實(shí)驗(yàn)，如低成本實(shí)驗(yàn)遙控機(jī)器人系統(tǒng)。事實(shí)上，這有助于理解和掌握如何結(jié)合工程與信息技術(shù)來(lái)建立復(fù)雜的系統(tǒng)。
在這種情況下，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以利用到一些教學(xué)用的遙控機(jī)器人系統(tǒng)，如移動(dòng)機(jī)器人Xavier[1]，以及澳大利亞ABB公司的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人[2]。但是，據(jù)我們所知，在發(fā)展中國(guó)家這些機(jī)器人沒(méi)有一個(gè)可利用。因此，為介紹這項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)作了教學(xué)計(jì)劃，基本步驟如下所示：
——建立機(jī)器人手臂。
——建立一個(gè)機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)（ptu）來(lái)控制攝像頭的方向。
——使用機(jī)器人控制軟件。
——使用通信軟件，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連通機(jī)器人站點(diǎn)和人工操作者站點(diǎn)。
——應(yīng)用和試驗(yàn)一些遠(yuǎn)程控制模式。
2． 實(shí)驗(yàn)遙控機(jī)器人系統(tǒng)
這個(gè)遙控機(jī)器人系統(tǒng)完成后，在遠(yuǎn)程站點(diǎn)，由一個(gè)機(jī)器人手臂或一個(gè)機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)控制攝像頭的方向。這個(gè)機(jī)器人手臂或這個(gè)機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)均已在我們實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并建造出來(lái)。這個(gè)機(jī)器人手臂是一個(gè)三自由度型的串行系統(tǒng)機(jī)器人。它擁有一個(gè)爪子。這個(gè)機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)能使攝像頭在水平方向和垂直方向運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)由一個(gè)特殊的經(jīng)濟(jì)型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖1顯示了機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制攝像頭以及機(jī)械臂操縱攝像頭的情況。另外，在我們實(shí)驗(yàn)室，使用了非常便宜的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)電子指令系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的控制。
圖1：遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人系統(tǒng)
在現(xiàn)階段由于沒(méi)有可用的硬件來(lái)采集信號(hào)，電子指令系統(tǒng)只能使用電腦的并行端口來(lái)選擇和激活直流電機(jī)的開(kāi)和關(guān)狀態(tài)。
在本地站點(diǎn)，人工操作者通過(guò)圖形用戶界面（GUI）遠(yuǎn)程指揮任務(wù)。這個(gè)用戶界面的設(shè)計(jì)是以用戶為中心設(shè)計(jì)的。它提供遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂操縱和機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇觀察點(diǎn)的設(shè)施。另外，基于鼠標(biāo)點(diǎn)擊的控制，基于圖像的控制，基于形體的控制也已經(jīng)得到應(yīng)用和試驗(yàn)。圖2顯示了人工操作者在本地站點(diǎn)操作控制，右圖視頻上顯示機(jī)械臂在執(zhí)行任務(wù)。
圖2：遙控機(jī)器人本地站點(diǎn)
使用兩臺(tái)電腦，一臺(tái)在本地站點(diǎn)和另一臺(tái)在遠(yuǎn)程站點(diǎn)。這些站點(diǎn)之間的互連是基于TCP / IP插口。該軟件主要是用Java編寫(xiě)的，其中一些低層次的功能是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。
由于經(jīng)濟(jì)方面的原因，我們事實(shí)上只使用了直接幾何模型和逆幾何模型。當(dāng)然，這個(gè)系統(tǒng)是不準(zhǔn)確的，因?yàn)檫@些模型沒(méi)有考慮重力的影響，也沒(méi)有任何反饋。不過(guò)，這些簡(jiǎn)單的模型能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人完成一些選擇或放置的任務(wù)。
3． 控制模式
為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程執(zhí)行任務(wù)，我們使用了以下三種控制模式。
3.1鼠標(biāo)點(diǎn)擊命令
鼠標(biāo)點(diǎn)擊控制模式使機(jī)器人的控制可以通過(guò)鼠標(biāo)簡(jiǎn)單地點(diǎn)擊一些合適的按鈕來(lái)控制機(jī)器人或機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)。每個(gè)按鈕代表了一個(gè)特定的功能或特定的運(yùn)動(dòng)方向。如圖3所示的表框顯示了機(jī)器人手臂和機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制面板。
圖3：控制面板（機(jī)器人手臂和機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)）
在這種模式下執(zhí)行任務(wù)，操作者只要按特定順序點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕來(lái)控制機(jī)器人。
3.2基于圖像的命令
基于圖像的控制模式能夠?qū)崿F(xiàn)高層次的控制。在這一模式下，操作者只要在他們的圖像上通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊的方式點(diǎn)擊機(jī)器人所在二維或三維空間的位置來(lái)控制它。這種模式曾被用來(lái)控制機(jī)器人Marskhod[4]。
3.3形體命令
操作者站在攝像頭前然后按照某個(gè)確定的方向移動(dòng)一個(gè)物體。使用KLT跟蹤算法[5]來(lái)決定運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)在相應(yīng)方向上機(jī)器人的確定運(yùn)動(dòng)。
4． 實(shí)驗(yàn)
我們已經(jīng)進(jìn)行了各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)描述這個(gè)控制模式。
4.1鼠標(biāo)點(diǎn)擊控制的實(shí)驗(yàn)
在這個(gè)控制模式下，操作者可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人選擇和放置的任務(wù)，如拿起桌子上的一個(gè)表箱或者把它搬放到到另一位置。
在實(shí)踐中，操作者通過(guò)點(diǎn)擊圖形面板上的選擇按鈕來(lái)控制機(jī)器人去自己所想的任何地方。只要最終地點(diǎn)是箱子附近的位置，操作者就能驅(qū)動(dòng)夾鉗來(lái)拿起這個(gè)箱子。然后，操作者操縱機(jī)器人移動(dòng)到箱子需要放置的位置。只要到達(dá)了指定地點(diǎn)，操作者操縱機(jī)器人松開(kāi)夾鉗，放下這個(gè)箱子。圖4顯示了我們的實(shí)驗(yàn)機(jī)器人演示選擇或放置的任務(wù)。
圖4：該機(jī)器人正在演示任務(wù)
很多不同的學(xué)生進(jìn)行過(guò)許多實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，這種模式非常直觀，非常容易學(xué)習(xí)。
另外，困難是來(lái)自實(shí)際操作方面，即操作者必須單獨(dú)控制每個(gè)自由度來(lái)使機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)。其中一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是：操作者彌補(bǔ)了系統(tǒng)的不確定性和機(jī)器人的低精度。
4.2基于圖像控制的實(shí)驗(yàn)
基于圖像控制我們已經(jīng)進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上，這種控制模式是用來(lái)傳送一些位置給機(jī)器人。首先，獲取一個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)的圖片。然后，操作者選擇任意一個(gè)自己感興趣的物體。通過(guò)圖像軟件提取這個(gè)物體的坐標(biāo)，用來(lái)操縱機(jī)器人使它移動(dòng)到那個(gè)物體在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的位置上。
在實(shí)際操作當(dāng)中，因?yàn)樵撃Ｊ教?jiǎn)單，而且缺乏反饋，并且攝像頭的校準(zhǔn)元件很廉價(jià)，它們的低精度對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了負(fù)面影響。事實(shí)上，在二維空間應(yīng)用基于圖像的控制模式比在三維空間應(yīng)用此模式得出了更好的結(jié)果。
4.3基于形體控制的實(shí)驗(yàn)
我們已經(jīng)進(jìn)行了在這個(gè)控制模式下的很多實(shí)驗(yàn)。操作者做了一系列不同方向上的運(yùn)動(dòng)。該軟件分析這些圖片信息流使機(jī)器人在相應(yīng)的方向上移動(dòng)。
這種控制模式下的好處是操作者不需要依賴電腦。使用這個(gè)機(jī)器人技術(shù)項(xiàng)目的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是人類(lèi)可以通過(guò)肢體示范來(lái)控制機(jī)器人。不過(guò)，相關(guān)的圖像處理問(wèn)題以及環(huán)境問(wèn)題等一些方面的困難限制了這種控制模式的可行性。
5． 結(jié)論
我們實(shí)驗(yàn)室建立的這個(gè)低成本教學(xué)用實(shí)驗(yàn)遙控機(jī)器人系統(tǒng)能在實(shí)驗(yàn)中有效地完成簡(jiǎn)單的選擇或放置動(dòng)作。我們已經(jīng)應(yīng)用并測(cè)試了這三種控制模式，即基于鼠標(biāo)點(diǎn)擊的控制模式，基于圖像的控制模式和基于形體的控制模式。
實(shí)驗(yàn)表明，仍然存在的主要問(wèn)題是遙控機(jī)器人系統(tǒng)的精度差。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)增加高精度電機(jī)和精密攝像機(jī)，使用動(dòng)態(tài)機(jī)器人模型以及運(yùn)用反饋控制來(lái)克服。
一個(gè)重要的附加價(jià)值是將這些控制模式結(jié)合起來(lái)建立一個(gè)多式聯(lián)運(yùn)接口。
參考文獻(xiàn)
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大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
院（系） 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 姓名 學(xué)號(hào)
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.題目背景和意義：
智能移動(dòng)機(jī)器人是一類(lèi)能通過(guò)傳感器感知自身位置狀態(tài)，可判斷完成對(duì)目標(biāo)相應(yīng)移動(dòng)任務(wù)的控制系統(tǒng)，機(jī)器人系統(tǒng)向擬人方向發(fā)展是目前智能機(jī)器人系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本課題單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)擬人操作臂各關(guān)節(jié)間在移動(dòng)過(guò)程中完成空間抓取任務(wù)。
該設(shè)計(jì)要求學(xué)生具備機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)和技能；具備數(shù)據(jù)仿真、分析計(jì)算、以及有限元分析的知識(shí)和技能。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)揮主動(dòng)性，積極性的能力，培養(yǎng)他們的綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)學(xué)生由知識(shí)型向綜合型轉(zhuǎn)化。
3.設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）：
完成機(jī)器人機(jī)械部分的部件及零件的設(shè)計(jì)，保證調(diào)整方便、精度準(zhǔn)確等要求。
本機(jī)的設(shè)計(jì)性能與技術(shù)參數(shù)：
結(jié)構(gòu)型式：關(guān)節(jié)式
自由度：6。
運(yùn)動(dòng)范圍：底座旋轉(zhuǎn)角度±360°，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度為±120°，單筆肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度為±105°，單筆腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度為±45°；
夾持器開(kāi)關(guān)為開(kāi)/合狀態(tài)
夾持總重量為5kg;
4.設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時(shí)間、設(shè)計(jì)地點(diǎn)）：
1）全面了解機(jī)器人的工作原理，在此基礎(chǔ)上完成機(jī)器設(shè)計(jì)；
2）根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)擬定部件結(jié)構(gòu)方案；
3）確定結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)機(jī)器人的部件圖；
4）進(jìn)行零件圖設(shè)計(jì)；
5）對(duì)所設(shè)計(jì)重要零件進(jìn)行校核。撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
題目的進(jìn)度與安排如下：
第1～3周 實(shí)習(xí)、收集資料、寫(xiě)出實(shí)習(xí)及開(kāi)題報(bào)告。
第4～5周 分析機(jī)器結(jié)構(gòu)特性，了解機(jī)器人工作原理確定初步設(shè)計(jì)方案。
第6～7周 按照技術(shù)參數(shù)要求進(jìn)行部件設(shè)計(jì)，完成相關(guān)計(jì)算。
第8～11周 完成部件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)；
第12～15周 完成零件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，完成相關(guān)計(jì)算。
第16～17周 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
第18 周 準(zhǔn)備答辯。
5.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作量要求
① 實(shí)驗(yàn)（時(shí)數(shù)）*或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）： 實(shí)習(xí)2周。
② 圖紙（幅面和張數(shù)）*： 圖紙：折合A0圖紙3張。
③ 其他要求： 論文不少于1.5萬(wàn)字 。英文翻譯的漢字字?jǐn)?shù)3000字以上。 參考文獻(xiàn)： 不少于20篇，其中不少于3篇外文資料。
主要參考資料：
1. 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，出版社，機(jī)械工業(yè)出版社。出版日期，2004.8。
2. 《機(jī)械原理》教材。
3. 各種工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)等。
4. 相關(guān)文獻(xiàn)。
指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日
學(xué)生簽名： 年 月 日
系（教研室）主任審批： 年 月 日
說(shuō)明：1本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入附件冊(cè)，一份教師自留。
2 帶*項(xiàng)可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選填。
XX學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)
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單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
2015 年 6月
37
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要
單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，單臂機(jī)制適合于多伸縮縫是單臂運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)研究的熱點(diǎn)。處理研究機(jī)構(gòu)多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)需要機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，知識(shí)和生物和計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科的組合，但其發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。
在這項(xiàng)工作中，對(duì)于在多臂結(jié)構(gòu)銜接的機(jī)身設(shè)計(jì)采用一般安裝圖紙，并完成零件和設(shè)計(jì)圖紙。要求分析模型的機(jī)械手臂的多關(guān)節(jié)來(lái)估計(jì)關(guān)節(jié)選擇所需的扭矩和功率，完整的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱。其次，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱連接并固定開(kāi)始設(shè)計(jì)通用結(jié)構(gòu)，而重要的連接測(cè)試的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，關(guān)節(jié)型單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)分析
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要
Arm multi-joint movement is a typical mechatronic product, single-arm multi-joint movement mechanism is a single-arm multi-joint movement research hotspot. Handling arm multi-joint movement research requires a combination of mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, and many other disciplines biology and computer knowledge, but its development also contributed to the development of these disciplines.
In this paper, for use in a multi-arm articulation body structure design, and complete and drawing parts drawing of general assembly drawings. Requirements for multi-articulation arm mechanics analysis models to estimate the joint selection of the desired torque and power, complete motor and reducer. Second, from the motor and gearbox connected and fixed starting joint structure design, and the institutional strength of the important connection check.
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Keywords: structural design, single-arm multi-joint movement mechanism, articulated arm multi-joint movement, structural analysis
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 搬運(yùn)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)研究概況 2
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 3
1.3 搬運(yùn)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的總體結(jié)構(gòu) 4
1.4 主要內(nèi)容 5
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1 技術(shù)參考數(shù)據(jù) 6
2.2 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)工程概述 6
2.3 工業(yè)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)總體設(shè)計(jì)方案論述 7
2.4 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)原理 8
2.5 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)總體方案設(shè)計(jì) 9
2.6 本章小結(jié) 10
第3章 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)大臂結(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 12
3.4 減速器參考數(shù)據(jù)的計(jì)算 13
第4章 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
4.1 腕部設(shè)計(jì) 17
4.2 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 17
4.3 軸分析及計(jì)算 20
4.4 軸承的壽命校核 21
4.5 軸的強(qiáng)度校核 21
第5章 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)身設(shè)計(jì) 23
5.1步進(jìn)電機(jī)選擇 23
5.2鍵的選擇和校核 28
5.3 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 28
總結(jié)與展望 29
致 謝 30
參 考 文 獻(xiàn) 32
第1章 緒論
1.1 引言
單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，處理多關(guān)節(jié)的動(dòng)作是多領(lǐng)域聯(lián)合研究的熱點(diǎn)手臂運(yùn)動(dòng)。處理研究機(jī)構(gòu)多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)需要機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，知識(shí)和生物和計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科的組合，但其發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。手臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)導(dǎo)的多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)。
1959年，世界第一工業(yè)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的誕生，開(kāi)創(chuàng)了新的發(fā)展時(shí)代手臂的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。隨著科學(xué)技術(shù)的多關(guān)節(jié)快速發(fā)展的研究和應(yīng)用操作臂的發(fā)展。加藤一郎早稻田大學(xué)多伸縮縫的世界知名教授專(zhuān)家的胳膊說(shuō)：“一個(gè)偉大的功能，多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)具備的功能?！笔虑槭沁@樣的，其中高腳自動(dòng)化程度，動(dòng)力系統(tǒng)更復(fù)雜。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?！痹撓到y(tǒng)具有環(huán)保要求豐富的動(dòng)態(tài)是非常低的，無(wú)論在地面，而且在非結(jié)構(gòu)地形復(fù)雜，環(huán)境適應(yīng)性好。為擴(kuò)大功能與應(yīng)用的單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)開(kāi)辟無(wú)限廣闊的發(fā)展前景。
研究單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的原因和目的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：要發(fā)展的機(jī)構(gòu)，使它們能在許多圈子結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性的工作，而不是個(gè)人或延伸和擴(kuò)展人類(lèi)活動(dòng)的領(lǐng)域;更希望人類(lèi)有一個(gè)內(nèi)在的理解和認(rèn)識(shí)，并使用這些功能對(duì)個(gè)人服務(wù)，如：假肢。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與豐富，這方面的研究，擴(kuò)大機(jī)械的研究和手臂運(yùn)動(dòng)多的風(fēng)險(xiǎn);多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)可以用來(lái)作為多關(guān)節(jié)臂移動(dòng)智能播放在人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要的角色。
管理多關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)的定義，世界上不僅分類(lèi)是不一樣的。最近通過(guò)的聯(lián)合國(guó)國(guó)際對(duì)美國(guó)的手臂運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)多企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化定義在他的手臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)：操作臂多聯(lián)合演習(xí)是一個(gè)多功能可編程的操作系統(tǒng)，您可以更改程序動(dòng)作完成各種工作，特別是對(duì)材料處理，傳輸?shù)墓ぜ?。參考?guó)外定義，與中國(guó)的搬運(yùn)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的語(yǔ)言組合被定義如下：
操作臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的行動(dòng)，更大的自由，該程序可以靈活改變，它可以放在任何地方，機(jī)器自動(dòng)化的自動(dòng)化程度高。汽車(chē)油漆或其他涂料行業(yè)關(guān)節(jié)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)E'可用。
搬運(yùn)臂運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)高剛性作為主臂，相對(duì)于其他，可以具有移動(dòng)速度快，能攜帶較重的東西，并且定位精度非常高，它可以根據(jù)外部信號(hào)，自動(dòng)的各種操作。
處理多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)是計(jì)算機(jī)中的可編程的自動(dòng)化機(jī)器的控制下。使用多聯(lián)合演習(xí)的操作臂是提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的工作，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，提高了勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的有效手段。誕生和多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，雖然只有30多年的歷史，但已被應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門(mén)，民用技術(shù)，應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力[1-2]。
1.2 搬運(yùn)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)研究概況
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
人類(lèi)和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)原理的第一個(gè)系統(tǒng)研究是邁布里奇發(fā)明了照相機(jī)跟單，即設(shè)定的觸發(fā)相機(jī)的電源，并在1877年他成功地參加了四足和連續(xù)運(yùn)行的許多照片。后來(lái)，這種方法使用的相機(jī)是用來(lái)研究人體運(yùn)動(dòng)Demeny。從1930年到1950年，蘇聯(lián)也伯恩斯坦從深入人類(lèi)和動(dòng)物研究的生物動(dòng)力機(jī)制的角度看，并提出??的議案非常形象化的描述。
真正研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)全面，系統(tǒng)于1960年推出至今，聯(lián)合多月的手臂比較完整的理論體系只有形成，并在一些國(guó)家，如日本，美國(guó)和“蘇聯(lián)已成功開(kāi)發(fā)出可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的，多臂樞軸原型。在這一節(jié)中，我們介紹了1960年至1985年期間，臂多關(guān)節(jié)實(shí)地達(dá)到的運(yùn)動(dòng)的最重要的進(jìn)展的團(tuán)隊(duì)。
在20世紀(jì)60年代和70年代，武裝多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制理論產(chǎn)生三種類(lèi)型的控制方法是非常重要的，這限制了國(guó)家控制，控制參考模型和控制算法。這三種控制的方法對(duì)所有類(lèi)型的單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)都是適用的。國(guó)家控制是通過(guò)在1961年提出的模型的參考檢查于1975年由美國(guó)法恩斯沃思南斯拉夫托莫維奇限制，該算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊爾?羅多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)專(zhuān)家鮑賓控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有這三種類(lèi)型的控制方法之間的內(nèi)在關(guān)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)控制參考模型，并且該控制算法是這種情況[1]的中心。
在搜索步態(tài)，蘇聯(lián)Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義自由的步伐。這兩種步態(tài)不僅能適應(yīng)，而且要適應(yīng)胳膊多條腿多企業(yè)的動(dòng)向。在這些中，對(duì)于自由路徑的步驟的條件的規(guī)則。如果地形是非常粗糙的，所以運(yùn)動(dòng)臂多關(guān)節(jié)，下一步應(yīng)放在哪里腳不能基于對(duì)步驟序列來(lái)加以考慮，但應(yīng)通過(guò)步驟以便攀登者去步驟通過(guò)一些優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定哪個(gè)是所謂的自由速度。
穩(wěn)定性研究手臂動(dòng)作的多關(guān)節(jié)，美國(guó)Hemami，該提議的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制的簡(jiǎn)化模型作為振蕩器，反轉(zhuǎn)（倒立擺），它可以被解釋為在換能器存在的問(wèn)題的向前運(yùn)動(dòng)。此外，減少了控制的考慮，Hemami，誰(shuí)也研究手臂運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)“減少型”問(wèn)題的復(fù)雜性進(jìn)行了研究。
此前我們指出了系統(tǒng)的Vukobratovic還人形能量分析，但它的力量是有限的關(guān)節(jié)和隨時(shí)間的整個(gè)系統(tǒng)的變化，并沒(méi)有太多涉及這個(gè)問(wèn)題的最佳功耗的出口。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)，類(lèi)人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)起步較晚，我國(guó)自1980年以來(lái)，一個(gè)單臂多聯(lián)合攻關(guān)和在體育領(lǐng)域的應(yīng)用。 1986年，該國(guó)在1987年推出了“七五”攻關(guān)項(xiàng)目多動(dòng)關(guān)節(jié)臂，高新技術(shù)中國(guó)的“863”水平運(yùn)動(dòng)臂包括更多的聯(lián)合研究和開(kāi)發(fā)。目前，中國(guó)移動(dòng)手臂多企業(yè)的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)單位主要是高校和科研院所的相關(guān)。最初的研究的主要目的進(jìn)行了單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)技術(shù)監(jiān)測(cè)先進(jìn)技術(shù)多國(guó)際風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)臂，然后取得了一些成績(jī)。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)1986年他開(kāi)始研究最關(guān)節(jié)臂，腳靜手臂運(yùn)動(dòng)HIT-I和110厘米高，體重70kg多企業(yè)，第一個(gè)成功開(kāi)發(fā)具有10個(gè)自由度，以實(shí)現(xiàn)在地面上的進(jìn)展，該行的左側(cè)和右側(cè)，以及運(yùn)動(dòng)，上下樓梯，跨越45厘米，10秒/步，然后速度成功研制出HIT和HIT-II-III，體重42公斤，身高103厘米，它有12個(gè)自由度，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)步驟24厘米，每秒2.3分步調(diào)。目前在下臂的HI第四多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，主體可以具有52個(gè)自由度，這是優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)和平衡三個(gè)單臂運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)[3-7]的速度方面。
國(guó)防科技大學(xué)于1988年的春天已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了六自由度平面雙足運(yùn)動(dòng)臂多關(guān)節(jié)KDW-1，可以向前，向后和上下樓梯，最大速度為40厘米，每秒4個(gè)步驟，在1989年的步伐，先后開(kāi)發(fā)了種類(lèi)空間KDW-II，擁有10個(gè)自由度，最高的69厘米，體重13公斤包括更多的來(lái)回，上下樓梯和周?chē)膸缀醴€(wěn)定靜態(tài)動(dòng)態(tài)。 1990增加了平臺(tái)??KDW-II的兩個(gè)垂直縫，在KDW-Ⅲ開(kāi)發(fā)的，具有12個(gè)自由度，與函數(shù)曲線，以獲得一個(gè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境完整。 1995動(dòng)態(tài)步伐，0.8分第二，在步驟20厘米?22厘米，13度的最大傾斜角。發(fā)展在2000年底的KDW-III成功的中國(guó)的“急先鋒”第一類(lèi)人手臂的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，在不確定的環(huán)境中動(dòng)態(tài)的，小的偏差，每秒兩步周期，高1.4米，體重20公斤，有一個(gè)頭，眼，頸，身體，手臂，腳，并有一定程度的語(yǔ)言功能[8-13]的。
此外，清華大學(xué)正在開(kāi)發(fā)一個(gè)人形的手臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)THBIP-I，高1.7米，體重130公斤，32自由度，與清華大學(xué)985項(xiàng)目的支持下，該項(xiàng)目正在推進(jìn)。航空航天南京大學(xué)已開(kāi)發(fā)出8自由度單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的空間，靜態(tài)函數(shù)[13,14]。
本文擬從“首屆全國(guó)研究生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”臂多關(guān)節(jié)的動(dòng)作。目前，單臂，多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)大多是在車(chē)輪的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的階段。其實(shí)模仿人類(lèi)行走的腿臂與多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)并不多，但有六足，四足臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)已經(jīng)出現(xiàn)，但多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的手臂尚不多見(jiàn)。我們的問(wèn)題，探索設(shè)計(jì)巧妙只是機(jī)械設(shè)備和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬人的手臂的多關(guān)節(jié)的動(dòng)作。其子功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。
1.3 搬運(yùn)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的總體結(jié)構(gòu)
搬運(yùn)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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)，牽引系統(tǒng)），檢測(cè)系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。
（1）執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)管理臂的通用件，機(jī)械零件最全面的清晰度，以獲得必要的各種運(yùn)動(dòng)，包括手，手腕，機(jī)身。
1. 末端執(zhí)行器：以便執(zhí)行的工作，并構(gòu)造成直接涂漆的片。
2.手腕，手和臂的連接元件，其作用是調(diào)節(jié)或改變工作的端部的方向。
3.臂部 所述臂部分的連接基和手，支持手腕構(gòu)件，被攜帶的管理塊的負(fù)載，改變手的空間位置，以滿足臂操作空間多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，每種類(lèi)型的載荷傳遞到基座。
(d) 機(jī)身：的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)臂基座部分，起到支撐作用，這是支持臂的部件，其作用是使所述臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，起重或傾斜運(yùn)動(dòng)。
（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：提供電源到正在運(yùn)行的系統(tǒng)的各種部件，以及其供應(yīng)單元裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)和電氣，氣動(dòng)和電動(dòng)。
（3）控制系統(tǒng)：該驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)，使該系統(tǒng)的實(shí)施按照工作的要求，發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)的錯(cuò)誤或故障。
（4）檢測(cè)系統(tǒng)：通過(guò)各種傳感裝置，致動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的作用，如果需要的話反饋到控制系統(tǒng)與該組相比較，以確保遵守該運(yùn)動(dòng)的要求。
實(shí)踐證明，進(jìn)組多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可以代替繁重的體力勞動(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。頻繁的處理和工業(yè)生產(chǎn)中的長(zhǎng)期經(jīng)常笨重件，單調(diào)的操作，使用單臂多聯(lián)合演習(xí)是有效的。此外，它可在高溫，低溫，深水，宇宙，環(huán)境條件和其他放射性毒物污染進(jìn)行操作，同時(shí)也顯示出優(yōu)越性，它具有廣闊的發(fā)展前景[4-8]。
1.4 主要內(nèi)容
第1章 緒論 主要介紹單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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),介紹該單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)各部分的相關(guān)知識(shí)和總體設(shè)計(jì).
第3章 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)各部分設(shè)計(jì)的介紹
第4章 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 技術(shù)參考數(shù)據(jù)
課題名稱：?jiǎn)伪鄱嚓P(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
技術(shù)參考數(shù)據(jù)：底座旋轉(zhuǎn)角度正負(fù)360度，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度正負(fù)120度，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度正負(fù)105度，腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度正負(fù)45度，夾持器開(kāi)關(guān)未開(kāi)/合狀態(tài)，加持總重5kg
2.2 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)工程概述
單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)技術(shù)集成的跨學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)器，機(jī)制，機(jī)械，氣動(dòng)，液壓技術(shù)，檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域。在科人得到有效解決組合問(wèn)題綜合工程被稱為“系統(tǒng)工程”。手臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，例如，系統(tǒng)工程，應(yīng)作為一個(gè)綜合的方法來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)外關(guān)系的系統(tǒng)，并從整個(gè)有機(jī)聯(lián)系的手臂運(yùn)動(dòng)環(huán)境的研究，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部部分多接頭。
從復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，包括一定的規(guī)則的功能系統(tǒng)結(jié)合多個(gè)子系統(tǒng)，它是一個(gè)不可分割的整體。如果你失去了開(kāi)放的系統(tǒng)，可根據(jù)特定的一組。因此，在一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，概念啟動(dòng)機(jī)器，系統(tǒng)必須具有以下特征：
（1）機(jī)械系統(tǒng)完整的完整性機(jī)械系統(tǒng)由幾個(gè)子系統(tǒng)具有不同的整體性能應(yīng)具有的特定功能。
（2）作用的子系統(tǒng)之間的有機(jī)聯(lián)系，包括有機(jī)，相互關(guān)聯(lián)的。
（3）每個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)必須具有明確的目標(biāo)和系統(tǒng)的功能，結(jié)構(gòu)，功能，目標(biāo)和手段，決策系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。
（4）系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)是適應(yīng)環(huán)境在某些情況下，我們必須能夠適應(yīng)變化的外部環(huán)境中。
所以，在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，不僅要注意關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的部件的整個(gè)多部件設(shè)計(jì)臂應(yīng)根據(jù)視工程系統(tǒng)的角度來(lái)看，這取決于一個(gè)單一的多關(guān)節(jié)臂的動(dòng)作的功能要求，子系統(tǒng)，多臂關(guān)節(jié)，合理，產(chǎn)品的性能，需要在多關(guān)節(jié)臂的動(dòng)作的作業(yè)的所有組件。一般來(lái)說(shuō)，最復(fù)雜的行業(yè)手臂關(guān)節(jié)如下：在操作機(jī)器，是最大的，單臂多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的任務(wù)，其中包括基地，手臂，手腕，副作用機(jī)構(gòu)。傳輸系統(tǒng)，其中包括幾個(gè)傳輸零點(diǎn)電源，控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括電子控制裝置的操作，記憶功能（計(jì)算機(jī)或其它版本控制裝置可編程），操作員接口裝置（鍵盤(pán)，學(xué)習(xí)盒等），數(shù)據(jù)處理裝置和各種傳感器，放大離線傳輸，傳感器編程接口設(shè)備通??信的I / O 14]內(nèi)部和外部傳感器和其他設(shè)備（一般或特別。
特征行業(yè)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是普遍的調(diào)整，靈活的臂工業(yè)多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的發(fā)送處理單元組件或材料或其它柔性制造系統(tǒng)（例如，機(jī)床，鍛壓，焊接，裝配等生產(chǎn)設(shè)備），輔助設(shè)備，控制系統(tǒng)，多關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)，各種不同形式的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組建多聯(lián)技術(shù)工藝機(jī)械行業(yè)其他生產(chǎn)部門(mén)。生產(chǎn)，如建筑，開(kāi)采，生產(chǎn)和輸送臂移動(dòng)多關(guān)節(jié)是參考系統(tǒng)。。
2.3 工業(yè)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)總體設(shè)計(jì)方案論述
（一）確定負(fù)載
目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)用運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)臂，負(fù)載能力，最小額定負(fù)載5N或更小范圍很大，最多的為9000N。這篇文章5公斤載荷。
負(fù)載的大小主要取決于由于運(yùn)動(dòng)的沿的作用力和夫婦的機(jī)械接口上的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)的方向。其中下臂應(yīng)該包括端部執(zhí)行器的更關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（重量），和工件的重量或處理對(duì)象接縫預(yù)定速度和加速度的條件下，產(chǎn)生的慣性力等。該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)參考設(shè)計(jì)初步估算表明，這一項(xiàng)目可能屬于一個(gè)小負(fù)荷。
（B）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
由于伺服電機(jī)具有良好的控制性能，檢查的靈活性，允許速度，位置，環(huán)境，體積小，效率高，適用于更為苛刻的運(yùn)動(dòng)控制沒(méi)有影響的精確控制小臂運(yùn)動(dòng)多企業(yè)等特點(diǎn)，因此，該項(xiàng)目采用的是伺服電機(jī)。
（C）傳動(dòng)系統(tǒng)
動(dòng)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可以緊湊，重量輕，慣性小，傳動(dòng)鏈條應(yīng)考慮采取措施縮小差距，提高手臂多的移動(dòng)和位置創(chuàng)業(yè)精密運(yùn)動(dòng)控制。臂傳遞機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動(dòng)，行星齒輪，傳動(dòng)齒輪和諧波鋼等，由于傳動(dòng)齒輪具有效率高，準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，與大學(xué)學(xué)習(xí)和掌握更扎實(shí)的傳輸，所以這個(gè)設(shè)計(jì)選擇的旅行。
（四）工作范圍
操作過(guò)程中的工業(yè)手臂動(dòng)作的工作范圍是多關(guān)節(jié)的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)取決于所述扇區(qū)的操作領(lǐng)域和確定的軌跡，用表示的工作空間。形狀和有關(guān)該結(jié)構(gòu)的工作空間的大小坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其大小和在數(shù)量和程度每個(gè)臂的自由操縱器公共軸線的長(zhǎng)度的變化程度和所選擇的關(guān)節(jié)軸的每個(gè)角的
（五）運(yùn)動(dòng)速度
每個(gè)鉸接機(jī)械臂更堅(jiān)定的臂的最大行程，按照循環(huán)時(shí)間來(lái)確定每個(gè)操作的時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，可以進(jìn)一步確定每個(gè)動(dòng)作的速度，單位為米/秒（°）/ s的，時(shí)間每個(gè)運(yùn)動(dòng)分配考慮在順序地或同時(shí)地等進(jìn)行許多因素，如每個(gè)操作序列之間的周期的總時(shí)間長(zhǎng)度。表做他們的操作時(shí)間，操作時(shí)間分配之外的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較，以考慮分配請(qǐng)求有關(guān)的過(guò)程，它也必須考慮慣性的行程的大小和驅(qū)動(dòng)和控制，定位和精度要求。
2.4 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)原理
該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
該搬運(yùn)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的本體結(jié)構(gòu)組成如圖
搬運(yùn)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)本體組成
各零部件的功能介紹：
底座部件：
底座部件包括底座，齒輪件，軸承，步進(jìn)電機(jī)?；咀饔檬侵卧?，支撐元件和旋轉(zhuǎn)臂，承擔(dān)著行李臂運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)和工作量的重量，然后將堿必須具有足夠的強(qiáng)度，剛度和負(fù)荷能力。此外庫(kù)也需要大量的安裝基礎(chǔ)足以保證運(yùn)動(dòng)臂運(yùn)輸多關(guān)節(jié)在工作場(chǎng)所的穩(wěn)定運(yùn)行。
搬運(yùn)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的手臂通過(guò)通常的相位分量（例如氣缸，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）以及一個(gè)驅(qū)動(dòng)源移動(dòng)懸臂多關(guān)節(jié)臂（例如，液壓或氣動(dòng)馬達(dá)的臂致動(dòng)合作的移動(dòng)等），以實(shí)現(xiàn)各種的臂的運(yùn)動(dòng)的
手臂分為大臂和小臂。其中大臂部件是由大臂,齒輪傳動(dòng)部件和驅(qū)動(dòng)電機(jī)所構(gòu)成。小臂部件由小臂、傳動(dòng)軸及同步傳動(dòng)帶等組成。手腕部分由手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸、機(jī)械接口等所組成。。
2.5 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)總體方案設(shè)計(jì)
工業(yè)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式主要是含以下4種:直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)，球面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，鉸接結(jié)構(gòu)為四個(gè)。每個(gè)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的特征描述如下[3]。
(1) 直角坐標(biāo)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的空間坐標(biāo)臂多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（a）在閉環(huán)位置控制的線性運(yùn)動(dòng)是容易實(shí)現(xiàn)，所以直角坐標(biāo)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，可能得到高位置精度（微米級(jí)）。然而，對(duì)于尺寸多關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)而言的結(jié)構(gòu)的移動(dòng)相對(duì)該單個(gè)臂的運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)笛卡爾空間，是比較小的。因此，為了獲得運(yùn)動(dòng)的一定的自由，結(jié)構(gòu)正交的尺寸協(xié)調(diào)多個(gè)關(guān)節(jié)臂比其他類(lèi)型的多關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)尺寸大。
直角坐標(biāo)臂多關(guān)節(jié)的矩形空間的工件移動(dòng)。笛卡爾坐標(biāo)手臂運(yùn)動(dòng)最常見(jiàn)的是主要用于組裝和處理操作，笛卡爾坐標(biāo)多關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)有三種結(jié)構(gòu)懸臂龍門(mén)吊型。
(2) 圓柱坐標(biāo)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
柱面坐標(biāo)臂的空間運(yùn)動(dòng)是兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（b）中。多關(guān)節(jié)單個(gè)臂的這種運(yùn)動(dòng)是相對(duì)簡(jiǎn)單的，精度可以在處理操作中通常使用的。他的工作空間是一個(gè)圓柱形空間。
(3) 球坐標(biāo)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
可動(dòng)臂的空間多關(guān)節(jié)的球形協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和線性運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得，如2-1（c）中。這個(gè)簡(jiǎn)單的單臂運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，成本低，但精度不高。主要用于處理操作。他們的工作空間是一個(gè)球形空間。
(4) 關(guān)節(jié)型單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)空間關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)由三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以獲得，例如2-1（d）所示。關(guān)節(jié)臂動(dòng)作多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。手臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相對(duì)車(chē)身尺寸，其相對(duì)較大的工作空間。這樣的單臂運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)，如焊接，涂裝，搬運(yùn)，組裝等作業(yè)，被廣泛用于在這種類(lèi)型的單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。
關(guān)節(jié)型單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)則是由水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)這2種分類(lèi)。
(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 四種單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式
根據(jù)任務(wù)書(shū)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)中，因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)考慮的工件5公斤的處理的設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量，同時(shí)考慮到用數(shù)控機(jī)床及的多關(guān)節(jié)臂的動(dòng)作的具體要求的布局的具體形式過(guò)程，以滿足系統(tǒng)的要求，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本和提高可靠性。臂的運(yùn)動(dòng)范圍的多結(jié)，單臂運(yùn)動(dòng)，和更高的定位精度，臂要求運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)旨在六個(gè)自由度，其具有自由的腰的旋轉(zhuǎn)程度，手臂和俯仰臂自由度度手臂和手腕俯仰的旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)自由度的自由。在這份文件中，設(shè)計(jì)出臂的結(jié)構(gòu)的大小，因此，需要獲得該臂的機(jī)構(gòu)的詳細(xì)圖的旋轉(zhuǎn)自由的一大關(guān)節(jié)臂俯仰自由。
單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是工作范圍比較大，具有靈活性和多功能性，更緊湊的結(jié)構(gòu)，可以抓住基地附近的對(duì)象。合作單位提出使用和特性以下技術(shù)參考
技術(shù)要求：(1) 所設(shè)計(jì)的單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，旨在滿足攜帶沉重的動(dòng)作周期的多臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)短，效率高，速度快，和通用性，靈活性要求和其他性能，同時(shí)滿足技術(shù)結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)等方面的要求。 （2）裝配圖，繪制零件圖應(yīng)嚴(yán)格按照機(jī)械設(shè)計(jì)，尺寸，公差，形位公差國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)注必須是合理的技術(shù)要求，規(guī)范。 （3）機(jī)器人手臂末端與保持器的聯(lián)接器的端部執(zhí)行各種方便。 （4）論文書(shū)寫(xiě)要求描述清楚，書(shū)寫(xiě)規(guī)范。
2.6 本章小結(jié)
本章主要完成對(duì)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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. 確定了單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的總體設(shè)計(jì)方案后，就要針對(duì)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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)。
第3章 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)大臂結(jié)構(gòu)
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求
臂構(gòu)件是一個(gè)主要組成部分的單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。它的作用是手的支持，并促進(jìn)其目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)臂部，手柄部分的范圍內(nèi)任意移動(dòng)改變手的位置（方位角），關(guān)節(jié)臂部自由度，因此通常臂部的基本條件：
通常，這是一個(gè)彎曲的臂部（不只是在一個(gè)方向彎曲），而且還通過(guò)橫截面形狀的選擇和扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)剛度明顯的情況下，基本上相同的橫截面積和單位重量的鋼管；
慣性矩鋼和字線，圓的。所以，單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)常被用作導(dǎo)桿用無(wú)縫鋼管、工字鋼或通道支撐鋼，從而形狀規(guī)則。一個(gè)中空的內(nèi)部，也可以設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置，提高臂的剛度，大大降低了手臂的重量，
（2）運(yùn)動(dòng)速度的臂部分必須是高，低慣性
一般來(lái)說(shuō)，手臂勻速運(yùn)動(dòng)，但在立即停止運(yùn)動(dòng)，是可變的，以減少?zèng)_擊要求的啟動(dòng)時(shí)間，加速和減速結(jié)束前不能太大，否則會(huì)造成的沖擊和振動(dòng)。
為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施：
（一）減輕體重，臂，工件的運(yùn)動(dòng)，采用鋁合金材料，強(qiáng)度高，重量輕；
（C）降低回轉(zhuǎn)半徑
（d）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)有緩沖裝置
（3）手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。
為了減少摩擦阻力元件之間的手臂運(yùn)動(dòng)，并盡可能與滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。
（4）位置精度高。
鋁合金材料設(shè)計(jì)的薄壁零件，一方面，確保剛性機(jī)械臂，單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)臂的重量可以減少，另一方面，減輕關(guān)節(jié)電機(jī)的基礎(chǔ)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的手臂,砂型鑄造鑄件壁厚的最小壁每個(gè)鑄造合金是適當(dāng)?shù)?，壁厚不同的澆注鑄造合金鑄造的最小壁厚”是不相同的，多樣性和大小主要取決于合金鑄件
見(jiàn)表4.1所示：
表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm）
以上介紹的砂鑄造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特殊的鑄造方法，將鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的各種鑄造方法及其鑄造機(jī)械臂殼體鑄造鋁合金具體尺寸見(jiàn)裝配圖。
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大臂殼體采用鑄鋁，質(zhì)量輕，方形結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度大。
3.3 大臂電機(jī)及減速器選型
假設(shè)小臂及腕部重量：
M2=20Kg， M3=40Kg
J2=M2L42+M3L52 =10×0.0972+40×0.1942
=1.6kg.m2
假設(shè)大臂速度為10r/min ，
則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩
表示如下：
式中：T - 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩 N.m
J – 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2
- 角加速度rad/s2
使單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)大臂
從到所需的時(shí)間為：則：
(3.4)
若考慮繞單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(kāi)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型諧波減速器）
額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m
減速比：i1=120
設(shè)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 減速器參考數(shù)據(jù)的計(jì)算
剛性和柔性輪是鍛鋼，齒輪鋼材料淬火硬度250hbs?45）
剛性輪硬度220hbs?45）。
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
軸的計(jì)算校核
畫(huà)軸的受力如圖所示：
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：
可按最不利考慮
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=657 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
軸選用45鋼材料，調(diào)質(zhì)處理，
查得δB=650Mp,由表 14-3查得[δ-1b]=60Mpa,則：
考慮到鍵槽影響軸的尺寸，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，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：
根據(jù)合成強(qiáng)度計(jì)算
使轉(zhuǎn)換系數(shù)＝0.6的當(dāng)量應(yīng)力：由表查得45鋼調(diào)質(zhì)，抗拉強(qiáng)度極限=640Mpa，則由表查得軸應(yīng)力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],滿足要求。
第4章 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 腕部設(shè)計(jì)
腕部使手臂和手的機(jī)器人可以連接，支撐和改變手姿態(tài)。
材料強(qiáng)度和剛度的結(jié)構(gòu)連接部分和臂部和手合理，傳感器和控制裝置的合理布局和安裝等等。
根據(jù)自由度的工業(yè)機(jī)器人的手腕分類(lèi)可分為單自由度手腕，手腕上的兩個(gè)或三個(gè)自由度的手腕。并不是所有的手腕必須有三自由度和工作性能，但根據(jù)實(shí)際使用的機(jī)器人工業(yè)的要求課題研究設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕的擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度。手腕的兩自由度可以由一個(gè)密封件和密封R B由國(guó)家聯(lián)合實(shí)施Br，或由兩個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)B成分BB，但不是由兩個(gè)RR腕關(guān)節(jié)由兩個(gè)自由度，因?yàn)閮蓚€(gè)關(guān)節(jié)功能的R是重復(fù)的，事實(shí)上，有著獨(dú)特的作用自由設(shè)計(jì)要求的手腕，俯仰和déviat離子，即BB在手腕上，如圖所示5.1.en局限性的研究和發(fā)展階段，目前在生產(chǎn)工藝不可能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，關(guān)節(jié)，以減少整體重量的手臂，步進(jìn)電機(jī)在不需要手腕后間接驅(qū)動(dòng)，底部安裝在臂固定在盤(pán)體，然后由兩傳動(dòng)鏈鏈直接驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)手腕，另一條鏈傳動(dòng)帶輪的傳動(dòng)錐齒輪軸的齒輪傳動(dòng)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)手腕手腕的水平，但可以旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的額外的擺，但可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)控制的干擾。
4.2 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算
手腕的偏轉(zhuǎn)是靠安裝在大臂步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)帶輪、兩級(jí)傳動(dòng)鏈，然后通過(guò)錐齒輪嚙合傳動(dòng)的偏振方向變化的手腕的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自步進(jìn)電機(jī)，首先計(jì)算所需要的力矩偏轉(zhuǎn)的手腕，然后計(jì)算出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確定型步進(jìn)電機(jī)，從而計(jì)算參考數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)和尺寸。
（1） 選擇步進(jìn)電機(jī)
（2） 手腕偏轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、慣性力矩負(fù)荷啟動(dòng)力矩時(shí)的強(qiáng)度和手腕。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式中：
—手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負(fù)載阻力矩（N·m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）；
—工件負(fù)載對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—手腕部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
—手腕質(zhì)量（kg）；
—負(fù)載質(zhì)量（kg）；
—啟動(dòng)時(shí)間（s）；
—手腕部分材料密度（kg/m3）；
—手腕部分外徑和內(nèi)徑（m）；
—手腕的長(zhǎng)度（m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因?yàn)橥蟛客ㄟ^(guò)兩級(jí)一級(jí)錐齒輪、帶輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊(cè)[15]得：
彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；
滾子鏈傳動(dòng)效率；
滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率（一對(duì)）；
錐齒輪傳動(dòng)效率；
計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率。
電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩 N·m （3.9）
根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩偏轉(zhuǎn)手腕的要求，基于頻率特性曲線的技術(shù)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)對(duì)北京和利時(shí)電機(jī)科技有限公司五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)90系列，例如，3.3和圖3所示的步驟，選擇90BYG5200B-SAKRML-0301步進(jìn)電機(jī)類(lèi)型。
圖5.3 90BYG步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
圖5.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線
4.3 軸分析及計(jì)算
軸的受力模型簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖7)及受力計(jì)算
圖 軸的受力分析知：
4.4 軸承的壽命校核
考慮到實(shí)際的調(diào)整空間，采用軸承。默認(rèn)情況下，軸承壽命在12480h 3年。
校核步驟及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表:
表1 軸承壽命校核步驟及計(jì)算結(jié)果
計(jì)算步驟及內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
6014
A端
B端
由手冊(cè)查出Cr、C0r及e、Y值
Cr=98.5kN
C0r=86.0kN
e=0.68
計(jì)算比值Fa/Fr
FaA /FrA e
確定X、Y值
XA=1 YA =0
查載荷系數(shù)fP
1.2
計(jì)算當(dāng)量載荷
P=Fp(XFr+YFa)
PA=5796.24 PB=6759.14
計(jì)算軸承壽命
763399h
大于
12480h
計(jì)算6014ac軸承，6007軸承均合格，最終選擇6014軸承。
4.5 軸的強(qiáng)度校核
在分析過(guò)程中，C、D兩處可能的危險(xiǎn)截面，
現(xiàn)來(lái)校核這兩處的強(qiáng)度：
（1）、合成彎矩
（2）、扭矩T圖
（3）、當(dāng)量彎矩
（4）、校核
由手冊(cè)查材料45的強(qiáng)度參考數(shù)據(jù)
C截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力：
由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)C截面安全。
每個(gè)軸鍵、鍵槽的選擇及其校核
由于減速裝置中的鏈路連接是靜態(tài)的，因此，只有通過(guò)驗(yàn)證的壓應(yīng)力。
電機(jī)連接，選擇和檢查：
連接帶滑輪：根據(jù)軸的直徑和長(zhǎng)度在軸選鍵鍵長(zhǎng)b8x7?50?GB?/?t1096
作為連接材料，分別為：45鋼、40Cr（關(guān)鍵）（樹(shù)）
（1）在輪剛性連接：根據(jù)軸徑和中心軸線的選擇鍵b14x9gb?/?t1096
作為連接材料，分別為（中心）：很，45鋼（關(guān)鍵），非常（樹(shù)）
現(xiàn)在，耦合的關(guān)鍵技能。
（2）輸出軸鍵：按直徑聯(lián)接軸和軸的長(zhǎng)度選擇鍵鍵長(zhǎng)16×10、100?Gb?/?t1096
作為連接材料，分別為：45鋼（耦合器），45鋼（關(guān)鍵），45（樹(shù)）
其中鍵的的強(qiáng)度最低，所以其許用應(yīng)力進(jìn)行校核,查手冊(cè)其
該鍵聯(lián)結(jié)合格.
第5章 單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)身設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)組件的機(jī)身。
（1）設(shè)計(jì)的支架結(jié)構(gòu)
主支撐架的所有部分的重量負(fù)荷對(duì)左手臂大臂、平衡彈簧設(shè)計(jì)固定連接孔，右端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的支撐臂。偏心力在考慮設(shè)計(jì)合理的機(jī)身旋支撐圓盤(pán)，使其旋轉(zhuǎn)更平衡e.afin減輕重量，zl401材料。
（2）機(jī)座設(shè)計(jì)
機(jī)械加工軸對(duì)應(yīng)的位置固定軸承座，其他沒(méi)有特殊的要求。
室內(nèi)設(shè)計(jì)主體系統(tǒng)的計(jì)算和驗(yàn)證設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)各部件，其設(shè)計(jì)計(jì)算的主要參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》
機(jī)身系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計(jì)主要是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，其設(shè)計(jì)計(jì)算主要參照《機(jī)械設(shè)計(jì)》[14]。
5.1步進(jìn)電機(jī)選擇
1 計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
——慣性力矩
——摩擦力矩
——輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度
——大臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——小臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——機(jī)身自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——啟動(dòng)時(shí)間
=0.5s
=0.8m/s
=0.5m
1.6 rad/s
當(dāng)臂之間的位置關(guān)系的尺寸如圖3中的位置時(shí)，手臂的位置操作可以達(dá)到極限，此時(shí)需要的最大值。
圖3.1 大小臂極限尺寸
計(jì)算出的大臂質(zhì)量及相關(guān)大臂相對(duì)中心線oa的垂直距離得出：
=400mm，
=30kg，
代入式（3.5）得：
=1.6kgm
由算出的小臂質(zhì)量及相關(guān)小臂相對(duì)oa線的垂直距離得出：
=1000mm，
m=20kg，
代入式（3.5）得：
=6.67kgm
m
計(jì)算相關(guān)機(jī)身設(shè)計(jì)數(shù)值得出：kg
代入式（3.6）得：
=5.75kgm
代入（3.2）得到=44.86Nm 帶入（3.1）得到
=49.85Nm
= =6.86Nm
選擇二級(jí)圓柱齒輪減速器i=9
（3.7）
=0.99 ——聯(lián)軸器傳動(dòng)效率
=0.96 ——齒輪傳動(dòng)效率
=0.98 ——軸承傳動(dòng)效率
代入式（3.7）得到：
0.807
2 確定各軸傳動(dòng)比
總傳動(dòng)比=9 ，根據(jù)推薦的傳動(dòng)副傳動(dòng)比合理范圍，?。?
高速級(jí)傳動(dòng)比=3 ，低速級(jí)傳動(dòng)比=3
3 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參考數(shù)據(jù)
由圖3.2，各軸由高速至低速依次設(shè)計(jì)為Ⅰ軸（輸入軸）、Ⅱ軸（中間軸）、Ⅲ軸（輸出軸）。
圖3.2 傳動(dòng)示意簡(jiǎn)圖
各軸轉(zhuǎn)速
（3.8）
（3.9）
=1.6rad/s
=15.3r/min
代入式（3.8）、式（3.9）得：
45.9r/min，137.7r/min
轉(zhuǎn)矩計(jì)算
（3.10）
49.85Nm
代入式（3.7）得：
17.7Nm
同理得到：
=17.7Nm
=6.27Nm
=6.66Nm
北京和利時(shí)電機(jī)電器有限公司的一些步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參如表3.1。
表3.1 步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品系列及技術(shù)參考數(shù)據(jù)
型號(hào)
相數(shù)
步距角
(DEG.)
電壓
(V)
電流
(A)
靜轉(zhuǎn)矩
(N.m)
空載運(yùn)行頻率
(KHZ)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(Kg.cm2)
備注
86BYG250AN
2
0.9°/1.8°
110
3.6
2.4
≥15
0.56
86BYG250BN
2
0.9°/1.8°
110
4
5.0
≥15
1.2
86BYG250CN
2
0.9°/1.8°
110
5
7.0
≥15
4.28
利時(shí)電機(jī)有限公司轉(zhuǎn)矩曲線的運(yùn)行矩頻特性曲線階梯型86BYG250CN和步進(jìn)電機(jī)圖3.3。
圖3.3 運(yùn)行矩頻特性
由計(jì)算得到所需：
=6.86Nm，137.7r/min
該電機(jī)可以滿足要求。
北京和利時(shí)電機(jī)電器有限公司86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)的外型簡(jiǎn)圖如圖3.4。
圖3.4 步進(jìn)電機(jī)外形簡(jiǎn)圖
根據(jù)前面計(jì)算，選擇北京和利時(shí)電機(jī)電器廠的86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)。
由電機(jī)輸出軸尺寸選擇TL2型彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器，主從動(dòng)端均選用型軸孔[16]。
5.2鍵的選擇和校核
1 鍵的選擇
根據(jù)齒輪和軸的參考數(shù)據(jù)，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》選擇設(shè)計(jì)鍵。
電機(jī)輸出軸鍵：；
中間軸的鍵Ⅰ：；
輸出軸的鍵Ⅱ：。
2 鍵的校核
鍵45鋼材料，
查得許用擠壓應(yīng)力MPa
根據(jù)公式
（3.25）
得到：
鍵Ⅰ：工作長(zhǎng)度mm，接觸高度3.3mm，17.7Nm
25.5MPa，安全。
鍵Ⅱ：工作長(zhǎng)度mm，接觸高度3.8mm，49.85Nm
23.9MPa，安全。
5.3 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1、選擇機(jī)身箱體材料動(dòng)作，制造工藝要求不高，選擇HT250灰鑄鐵制造。在灰鑄鐵凝固收縮率小，抗沖擊性能好。這可以提高機(jī)身其穩(wěn)定性制造，以及經(jīng)濟(jì)性。
2、考慮加工工藝設(shè)計(jì)
機(jī)身結(jié)構(gòu)決定了其形狀較為復(fù)雜，所以使用鑄造的方法協(xié)調(diào)內(nèi)部零件，便于安裝，右上打開(kāi)蓋子。因?yàn)檫@是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的水平放置，考慮到電機(jī)的質(zhì)量，在左側(cè)板支撐發(fā)動(dòng)機(jī)。電機(jī)軸延伸，連接和錐齒輪軸的一端連接，實(shí)現(xiàn)以錐齒輪與輸入軸滿足傳輸要求改變電機(jī)的伸出軸用聯(lián)軸器輸入三輸出軸中間垂直放置，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)減速傳動(dòng)。由于車(chē)輪懸架所需的圓螺母和墊圈，由于齒輪懸置對(duì)穩(wěn)定的基本設(shè)計(jì)可用圓形，沉頭螺釘和行走機(jī)構(gòu)連接。
總結(jié)與展望
總結(jié)本文對(duì)單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，由于作者的水平有限，對(duì)相關(guān)議題，如技術(shù)和控制技術(shù)的傳感器是不好的，仍有許多問(wèn)題需要解決，還有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步討論和更深入的研究和展望：
（1）優(yōu)化問(wèn)題的機(jī)械結(jié)構(gòu)
在機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，包括機(jī)械臂，采用模塊化設(shè)計(jì)，不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和各功能模塊之間的連接，分別優(yōu)化模式。但在每個(gè)模塊的零件設(shè)計(jì)，計(jì)算參考數(shù)據(jù)選取主要結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的基本要求，許多零件配合的實(shí)際需求，大很多。設(shè)計(jì)包括非核心部分，是根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇大小。這種設(shè)計(jì)不僅可以提高整體素質(zhì)系統(tǒng)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，造成資源的浪費(fèi)。
（2）有限元分析的計(jì)算機(jī)沒(méi)有更深入。通過(guò)有限元法對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的一部分，力學(xué)分析的強(qiáng)度、剛度和最佳的臂部結(jié)構(gòu)。這可以作為后續(xù)研究的方向。
（3）機(jī)械臂控制系統(tǒng)必須研究和自主技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制，路徑規(guī)劃技術(shù)，視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的多傳感器組合，計(jì)算技術(shù)，高性能問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)也有待研究。
單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在未來(lái)生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。包括在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用是必然的發(fā)展方向之一，我們的工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的機(jī)械臂，部分地區(qū)是累了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)比較豐富，我相信，通過(guò)不斷的發(fā)展和完善的單臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和成熟的做法。
致 謝
最后學(xué)習(xí)階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)，首先我要特別感謝我的導(dǎo)師關(guān)愛(ài)無(wú)限和指導(dǎo)。過(guò)了許久，終于比較成功地完成了設(shè)計(jì)任務(wù)?；仡櫲杖找挂?，我脾氣后的感覺(jué)，通過(guò)方法的書(shū)籍，網(wǎng)絡(luò)，教師，學(xué)生和其他可用，鞏固了自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。理解和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)有更深刻的認(rèn)識(shí)。
在這一刻，我要感謝我的導(dǎo)師的精心指導(dǎo)下，不僅指導(dǎo)我們解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，更重要的是為我們引導(dǎo)設(shè)計(jì)思路，并解釋我們?cè)趯?shí)際的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于設(shè)計(jì)因此，不僅如此，教師的敬業(yè)精神深深地感染了我，我愛(ài)和未來(lái)奉獻(xiàn)骨刺的工作，導(dǎo)師是真的做的傳道，授業(yè)，解惑。
精心準(zhǔn)備的長(zhǎng)途跋涉大學(xué)幾個(gè)月了，終于到了時(shí)間的論文計(jì)劃期間，像往常一樣，救援的心臟，但寫(xiě)作過(guò)程中的感覺(jué)經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)力折騰和徘徊。先花那么多時(shí)間和這么多精力去完成的論文具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值，這是很難說(shuō)的艱辛和困難，但曲終要離開(kāi)的味道幕后，這是值得我一生留連忘返。
敲完最后一個(gè)字符，再次從仔細(xì)閱讀文本已經(jīng)并不陌生，我感覺(jué)好多。雖然不是特別值得一提的成就來(lái)炫耀，但對(duì)我來(lái)說(shuō)，是寶貴的。這是無(wú)數(shù)的教誨，關(guān)心他人，樂(lè)于助人的結(jié)果。
我要感謝我的導(dǎo)師XX老師。雖然教師負(fù)責(zé)教學(xué)，科研任務(wù)，還需要一段時(shí)間，不時(shí)有門(mén)，叫我勸功課，從第一稿到最終版本，耐心，再審，大章偏頗布局，小一審缺陷報(bào)表格式，都可以指出。他教我各方面的知識(shí)，拓寬我的知識(shí)，培養(yǎng)我的技能，完成論文是不無(wú)裨益。我還要感謝所有的大學(xué)老師教給我的，是你讓我成熟和壯大;感謝學(xué)院的工作人員，他的細(xì)致工作，讓我的同學(xué)，有序的學(xué)習(xí)和生活。
我的父母和家人想表達(dá)我誠(chéng)摯的謝意。他們是我的生命永遠(yuǎn)依靠和支持他們的關(guān)懷和愛(ài)護(hù)，是我前進(jìn)的動(dòng)力;他們的殷切希望，激勵(lì)著我繼續(xù)說(shuō)下去。沒(méi)有他們就沒(méi)有我，我的成績(jī)已經(jīng)從他們來(lái)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。
我也舍不得你的好友，與門(mén)和室友。我需要幫助時(shí)，他們伸出溫暖的手，在最大的幫助。他們可以見(jiàn)面，相交，相知是人生一大幸事。
本論文的完成遠(yuǎn)未結(jié)束，不足和膚淺的地方的文字是我的新征程的新起點(diǎn)。
我會(huì)繼續(xù)前進(jìn)！
我們也感謝其他同學(xué)，老師和同事們的熱心幫助，感謝我們的教師的重視和關(guān)注課程設(shè)計(jì)的領(lǐng)導(dǎo)，為我們提供了繪圖工具和選項(xiàng)。
參 考 文 獻(xiàn)
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