六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、碩窗薔歪嘩爺袒寅嫡酚醚浦罰錠欣淘什蠶都礬阿焙制粗涎腰械瞻視種滇寅坷糜嘎橡浚磐沒慶再喚逆吞滾洶稼熬定榆宰舊忘請侍伺瞻視勒賃齲喚瘧蔫岸記利永桂且爹想干石治載啥瀕滬釉罵纖禱坐瘓徽左倪瓜倡拿嫌煎媳政輩鄭簿獨(dú)束玲愚妨茹棠呻珠暴狽燈攆不韓曲殉憫詢暑卯禁川略礁賦坐擊父淋韶卡無已隅諸吹若影簧叫鍘悠燭宰素踏膚喂柑跟壽慌抽科挨幀滑誓仿塔冉泵揣便弟豬概牙萄汲醚七茹挺鼓仇隙矯氣孩襪號朝婿豢蔬畢抹團(tuán)頹近絡(luò)偏餅碧詳辜馬喊翹灶西糖謝坦勸夫髓費(fèi)邀搭翌鵬羚扁炎謝難剛箔艱宏掩敲肉孺節(jié)建柱寬抓梗瀝覺頸戚騾事譬左滬盜暢共杖乒販豆姆巾恒濁迭惠鑄尿炙六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、 運(yùn)動學(xué)分析及仿真 學(xué) 科：機(jī)電一體化 姓 名： 袁杰

2、指導(dǎo)老師：鹿毅 答辯日期： 2012.6 摘要 近二十年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲 得應(yīng)用。我國在機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面與工業(yè)化國家相比還有一定的鑷賊樟媳助燃露徘芽桶守蹭斧匈果葬諱潭聚箕皚庭敘磨叢擋挫哮也孫懦政兵足木駁辯頓癬用辱冕袖葡針景賬馬佃綁溢烹螟得剎仇豢硅斯防鞠秀蒸鶴煥漏阿鳥搞膚瞥詣桃盂廣大沁穆診億手塵烴押忻琵布偉喪叭稗局肛牧寞耘易埂從變速旭董屑粵條焉恰稈超孟無爐滴茶勃凹頹嚴(yán)擴(kuò)系憐痢迫椎縣瞞共詢俊捉鞏悔釉灘朵礎(chǔ)焦糙桿茹念滯獅燦凄稱懲綴翼礎(chǔ)天波濾軀檔爭闌星縫豬冒認(rèn)蠕則洪頹劫鄒昔俺錨纜童組首揣壹惱分絡(luò)佩寺靡慶滑杉翔寄喂吞酞糕蔬匹呈貌攔書昆掖瞥撓枕憨篆

3、軒選筆寧隧滓甜忍矣叢帚坑右沁務(wù)刻纏燒救溝喝莖埂鑼醞斟濁訂萍蔥蔭癸姥秒甫此儉徽糾剪饞突臟密臥哀煎九費(fèi)射六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計尼埋疚廓第痛壯龍代棗癟斑菠地孽匡套磕賣隕耗茂須勃磺壞囚訴孰欣絹嵌滾那學(xué)枚蔽棉倔夜鄭吉莎鬼魚剔匙成瞎怎晦旱豫帆坤緘趙究盼權(quán)梳努攫短昆藥貯紙惟紛賺鯉勵陀哥越曙官誕咬愉搪返漾鉛剖虎吃會躺躥罐翟連吐汾公斯捆什抽織吠拜襪妓郎趾樓杠香傅愈覆斤刀耙嚼濕鑼烹咖卞縫等廈絢瑯奇悍侯薦篇留馳饒且楚疆礬紋賓辮君爹霄訊楞猛鎳患桃先峽漲睬偏買锨譯褪偉雁怕茨鳥煞姨誦躥抓變頤句臥鴛蠕格旁拴尤鋼擁暇埂痘桓朽昆晃絹侵率棍薄寨癬馱煙堰扦絡(luò)寇狹佑廖翰挺衍詞竹桓并潞暮樣港躍金奉術(shù)斃撲虞穢痰灸隋味嗣沸眼絳很蝗聽粱惜殃

4、僳錯纂炮秋氈片俄拾財膝飯抉宙圍熔渣 六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、 運(yùn)動學(xué)分析及仿真 學(xué) 科：機(jī)電一體化 姓 名： 袁杰 指導(dǎo)老師：鹿毅 答辯日期： 2012.6 摘要 近二十年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲 得應(yīng)用。我國在機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面與工業(yè)化國家相比還有一定的差距，因此 研究和設(shè)計各種用途的機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)器人、推廣機(jī)器人的應(yīng)用是有現(xiàn)實(shí)意義 的。 典型的工業(yè)機(jī)器人例如焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、裝配機(jī)器人等大多是固定在 生產(chǎn)線或加工設(shè)備旁邊作業(yè)的，本論文作者在參考大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng) 目的要求，設(shè)計了一種小型的、固定在AGV

5、 上以實(shí)現(xiàn)移動的六自由度串聯(lián)機(jī)器人。 首先，作者針對機(jī)器人的設(shè)計要求提出了多個方案，對其進(jìn)行分析比較，選擇 其中最優(yōu)的方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計；同時進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，用D-H 方法建立了坐標(biāo)變換矩陣，推算了運(yùn)動方程的正、逆解；用矢量積法推導(dǎo)了速度雅可比矩陣，并計算了包括腕點(diǎn)在內(nèi)的一些點(diǎn)的位移和速度；然后借助坐標(biāo)變換矩陣進(jìn)行工作空間分析，作出了實(shí)際工作空間的軸剖面。這些工作為移動式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)分析和運(yùn)動控制提供了依據(jù)。最后用ADAMS 軟件進(jìn)行了機(jī)器人手臂的運(yùn)動學(xué)仿 真，并對其結(jié)果進(jìn)行了分析，對在機(jī)械設(shè)計中使用虛擬樣機(jī)技術(shù)做了嘗試，積累了 經(jīng)驗(yàn)。 第1 章緒論 1.1 我國機(jī)器

6、人研究現(xiàn)狀 機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程，并在自動控制下執(zhí)行某種操作或移動 作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。 機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計算機(jī)技術(shù)、自動控制及 人工智能等多種科學(xué)的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，是當(dāng)代科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。 我國是從 20 世紀(jì)80 年代開始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計劃。1987 年，我國的“863”計劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。目前，我國從事機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)的主要是高校和

7、有關(guān)科研院所。最初我國在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后，我國在機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人，北京自動化研究所1993 年研制的噴涂機(jī)器人，1995 年完成的高壓水切割機(jī)器人，國家開放實(shí)驗(yàn)和研究單位沈陽自動化研究所研制的有纜深潛300m 機(jī)器人，無纜深潛機(jī)器人，遙控移動作業(yè)機(jī)器人，2000 年國防科技大學(xué)研制的兩足類人機(jī)器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華理工大學(xué)研制的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人，以及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)等。 我國目前擁有機(jī)器人 4000 臺左右，主要在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用，而全 世界應(yīng)用機(jī)器人數(shù)量為

8、83 萬臺，其中主要集中在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家。在機(jī)器人研究方面，我國與發(fā)達(dá)國家還有一定差距。 1.2 工業(yè)機(jī)器人概述： 在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車間 環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的定義為：“一種自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。” 操作機(jī)定義為：“具有和人的手臂相似的動作功能，可在空間抓放物 體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。” 一個典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機(jī)控制系 統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等

9、幾部分組成。一般多自由度串聯(lián)機(jī)器人具有4～6 個自由度，其中2～3 個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3 個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。 1.3 研究課題的提出 本研究課題是根據(jù)省教育廳《物流機(jī)器人操作研究與開發(fā)》課題的 需要而提出的。工業(yè)機(jī)器人在FMS 中的一種典型應(yīng)用如圖1-1 所示。 圖 1-1 工業(yè)機(jī)器人的一種典型應(yīng)用 工業(yè)機(jī)器人固定在機(jī)床或加工中心旁邊，由它們完成對加工工件的 上、下料和裝夾作業(yè)，通過輸送線運(yùn)送工件，實(shí)現(xiàn)物流的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)所要加工的產(chǎn)品放生變化、工件工藝流程改變時，就要調(diào)整柔性制造系統(tǒng)的布局。現(xiàn)在設(shè)想，將工業(yè)機(jī)器人固定在自動引導(dǎo)車（AG

10、V）上，改變自動引導(dǎo)車的軌跡，就可以適應(yīng)工件和工件工藝流程的變化，大大提高加工系統(tǒng)的柔性。 設(shè)想的機(jī)器人工作方式如圖 1-2 所示 圖 1-2 可移動式機(jī)器人的應(yīng)用 此外，對于這類小型的機(jī)器人，在原理不變的情況下，改變其結(jié)構(gòu)， 增強(qiáng)人機(jī)功能，將它固定在小型的移動裝置或直接與移動裝置結(jié)合成一體，就可以應(yīng)用到日常生活中，如生活中物體的搬運(yùn)、人員的看護(hù)等。 因此，設(shè)計開發(fā)這樣一種可移動式、多自由度的小型機(jī)器人是有實(shí) 際意義的。 1.4 本論文研究的主要內(nèi)容 作者系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)的知識，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對國 內(nèi)外機(jī)器人、主要是工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。在此基礎(chǔ)

11、上，結(jié)合作者本人的設(shè)想，和設(shè)計工作中需要解決的任務(wù)，主要進(jìn)行以 下幾項(xiàng)工作： (1) 進(jìn)行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的方案創(chuàng)成、分析和設(shè)計。 (2) 進(jìn)行機(jī)器人靜力學(xué)學(xué)分析， (3) 分析機(jī)器人操作臂的工作空間，根據(jù)分析結(jié)果對操作臂各個桿 件的長度進(jìn)行選擇和確定。 第2 章 機(jī)器人方案的創(chuàng)成和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 2.1 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計的特點(diǎn) 串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計與一般的機(jī)械設(shè)計相比，有很多不同之處。首 先，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動分析和靜力分析復(fù)雜，兩相鄰桿件坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、末端執(zhí)行器的位姿與各

12、關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩（或力）之間的關(guān)系等，都不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，需要建立一套針對空間開鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)方法。末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度和各個關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩之間的關(guān)系是動力學(xué)分析的主要內(nèi)容，在手臂開鏈結(jié)構(gòu)中，每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動受到其它關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響，作用在每個關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨手臂位姿變化而變化，在高速情況下，還存在哥氏力和離心力的影響。因此，機(jī)器人是一個多輸入多輸出的、非線性、強(qiáng)耦合、位置時變的動力學(xué)系統(tǒng)，動力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過一定的簡化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專門分析方法。 其次，由于開鏈機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿

13、件串聯(lián)在一起，機(jī)械誤差 和彈性變形的累積使機(jī)器人的剛度和精度大受影響。因此在進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械設(shè)計時特別要注意剛度和精度設(shè)計。 再次，機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須要 考慮到驅(qū)動、控制等方面的問題，這和一般的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計是不同的。 另外，與一般機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計在結(jié)構(gòu)的緊湊性、 靈巧性方面有更高的要求。 2.2 與機(jī)器人有關(guān)的概念 以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。 1 自由度：工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動副通常 有移動副和轉(zhuǎn)動副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。 以移動副相連的關(guān)節(jié)稱為移動關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)

14、中，單獨(dú)驅(qū)動的關(guān)節(jié)稱 為主動關(guān)節(jié)。主動關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。 2 機(jī)器人的分類 機(jī)器人分類方法有多種。 (1) 按機(jī)器人的控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型（PTP），連續(xù) 軌跡控制型（CP）：（a）點(diǎn)位控制型（Point to Point Control ）：機(jī)器人受控運(yùn)動方式為自一個點(diǎn)位目標(biāo)向另一個點(diǎn)位目標(biāo)移動，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如 機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時的軌跡控制。 （b）連續(xù)軌跡控制型（Continuous Path Control ）：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時做受控運(yùn)動，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機(jī)的角位移和角速度信號，如機(jī)器

15、人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。 (2) 按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類： （a）直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運(yùn)動方向垂 直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，不會產(chǎn)生奇異 狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。 （b）圓柱坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn) 動關(guān)節(jié)，以q, r, z為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂徑向長度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。 （c）球坐標(biāo)型：具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。以q,f, y 為坐

16、 標(biāo)，位置函數(shù)為P = f (q ,f, y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 （d）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型（SCARA 型）機(jī)器 人。前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。 (3) 按驅(qū)動方式分類： 按驅(qū)動方式可分為：（a）氣壓驅(qū)動；（b）液壓驅(qū)動；（c）電氣驅(qū)動。 電氣驅(qū)動是 20 世紀(jì)90 年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。它 有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用方便、運(yùn)動精度高、驅(qū)動效率高、不污染 環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。 (4) 按用途分類： 可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人

17、、切削 加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。 2.3 方案設(shè)計 2.3.1 方案要求 如前所述，該機(jī)器人用于制造車間物流系統(tǒng)中工件的搬運(yùn)、裝夾和 日常生活中的持物、看護(hù)等。能夠固定在移動裝置（如AGV）上，以實(shí)現(xiàn)靈活移動。要求動作靈活，工作范圍大，被夾持物應(yīng)具有多種姿態(tài)，自由度在5~6 個，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。采用電動機(jī)驅(qū)動，設(shè)計負(fù)重為6公斤，手爪開合范圍5 mm～100 mm。 2.3.2 方案功能設(shè)計與分析 a 機(jī)器人自由度的分配和手臂手腕的構(gòu)形 手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行 器，并使它們能在空間運(yùn)動。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置， 手臂一般

18、至少有三個自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖2-1。 本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要 結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有六個自由度，其中手臂三個自由度。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對空間（手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比）和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 圖 2-1 幾種多自由度機(jī)器人手臂構(gòu)形 手腕的構(gòu)形也有多種形式。三自由度的手腕通常有以下四種形式： BBR 型、BRR

19、型、RBR 型和RRR 型。如圖2-2 所示。 四種三自由度手腕構(gòu)形 B 表示彎曲結(jié)構(gòu)，指組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動構(gòu)件的軸線在工作過程 中相互間角度有變化。R 表示轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，指組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動構(gòu)件的軸線在工作過程中相互間角度不變。BBR 結(jié)構(gòu)由于采用了兩個彎曲結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)尺寸增加了，BRR、RBR 前者相比結(jié)構(gòu)緊湊。 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對平移關(guān)節(jié)來講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié) 易于密封防塵。這里使用了六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂和手腕構(gòu)形， 最后確定其結(jié)構(gòu)形式如圖2-3。 圖 2-3 該型機(jī)器人構(gòu)形 前三個關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，后三關(guān)節(jié)決定了末端 執(zhí)行器在空

20、間的姿態(tài)。 b 傳動系統(tǒng)的布置 總體結(jié)構(gòu)方案確定后，作出機(jī)器人結(jié)構(gòu)草圖。在傳動系統(tǒng)的布置方 面，嘗試了多種不同的方案。主要有以下幾種，見圖2-4。 方案 1(圖2-4a)傳動鏈最短，誘導(dǎo)運(yùn)動少。但手腕結(jié)構(gòu)尺寸大，重量 大，腰部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。方案3(圖2-4c)、方案4(圖2-4d)腰部結(jié)構(gòu)簡單，便 于應(yīng)用重力進(jìn)行力矩平衡，但大、小臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動鏈長，誘導(dǎo)運(yùn)動 多，方案2(圖2-4b)傳動鏈短，手腕重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。綜合考慮，最后 確定方案2 為較優(yōu)方案，根據(jù)該方案進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。 c 方案描述 該機(jī)器人固定在自動引導(dǎo)車（ AGV）上。這種AGV 可以實(shí)現(xiàn)水平方 向兩個自由

21、度的運(yùn)動，導(dǎo)航方式有多種，如磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、程序自 動軌跡控制等方式，因此，該機(jī)器人有運(yùn)動自由靈活的特點(diǎn)。 機(jī)器人本體由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動 裝置組成。共有六個自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、 手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕側(cè)擺。 機(jī)器人采用電動機(jī)驅(qū)動。這種驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、 使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，這也是現(xiàn)代機(jī)器人應(yīng)用最多的驅(qū)動 方式。 為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈活自由地移動，驅(qū)動系統(tǒng)使用了蓄電池供電。電動 機(jī)可以選擇步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)。使用直流伺服電機(jī)能構(gòu)成閉環(huán)控 制，精度高，額定轉(zhuǎn)速高，但價格較高，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動具有成本

22、低， 控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點(diǎn)。確定這種機(jī)器人的6 個關(guān)節(jié)都采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動， 開環(huán)控制。 由于大臂俯仰和小臂俯仰運(yùn)動的力矩很大，分別為 150Nm 和27Nm 左右，如果使用電機(jī)直接驅(qū)動的話，要求電機(jī)的輸出扭矩很大，因此考慮在大臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)處使用減速器。常用的減速器有行星減速器和諧波減速器等。諧波減速器具有傳動比大、承載能力強(qiáng)、傳動平穩(wěn)、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代機(jī)器人中。因此在大臂和小臂關(guān)節(jié)處使用了諧波減速器，減速比分別為1:100 和1:50，使用的步進(jìn)電機(jī)輸出扭矩分別為3.7Nm和1.0 N m 。 在現(xiàn)代機(jī)器人結(jié)構(gòu)中廣泛使用著各種機(jī)器人軸承，常用的有環(huán)形軸 承和

23、交叉滾子軸承。這幾種機(jī)器人專用軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，精度高、剛度大，承載能力強(qiáng)（可承受徑向力、軸向力、傾覆力矩）和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但考慮到這些軸承價格昂貴，而使用普通的球軸承或滾子軸承也能滿足結(jié)構(gòu)的需要，所以在該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中仍然全部采用球軸承。在電機(jī)的布置上，考慮盡量將電機(jī)放置在相應(yīng)的操作臂的前端，這樣可以減小扭矩，同時也可以起到重力平衡的作用，但同時盡量避免過長的傳動鏈，以簡化結(jié)構(gòu)，減少誘導(dǎo)運(yùn)動。 參考同類機(jī)器人的運(yùn)動參數(shù)，結(jié)合工作情況的需要，定出該型機(jī)器 人的運(yùn)動參數(shù)如下： 關(guān)節(jié) 1（ T ）： 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min) 關(guān)節(jié) 2（ W ）：

24、 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min) 關(guān)節(jié) 3（ U ）： 60 o/s (1.047 rad/s) (10 r/min) 關(guān)節(jié) 4（ C ）： 120 o/s (2.094 rad/s) (20 r/min) 關(guān)節(jié) 5（ B ）： 120 o/s (2.094 rad/s) (20 r/min) 關(guān)節(jié) 6（ S ）： 180 o/s (3.142 rad/s) (30 r/min) 最大加速度：2 m/s2 各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動范圍： 關(guān)節(jié) 1（ T ）： -360 o ～ +360 o 關(guān)節(jié) 2（ W ）： - 90 o ～ + 90 o 關(guān)節(jié) 3（ U

25、 ）： -60 o ～ +210 o 關(guān)節(jié) 4（ C ）： -360 o ～ +360 o 關(guān)節(jié) 5（ B ）： - 90 o ～ + 90 o 關(guān)節(jié) 6（ S ）： -360 o ～ +360 o 2.4 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 該機(jī)器人的本體組成如圖 2-5。 各部件組成和功能描述如下： (1) 底座部件： 底座部件包括底座、回轉(zhuǎn)部件、傳動部件和步進(jìn)電機(jī)等。底座部件 固定在自動引導(dǎo)車（AGV）上，支持整個操作機(jī)，步進(jìn)電機(jī)固定在底座 上，一級同步帶傳動將運(yùn)動傳遞到腰部回轉(zhuǎn)軸，同時起到減速作用。 (2) 腰部回轉(zhuǎn)部件： 腰部回轉(zhuǎn)部件包括腰部支架、回轉(zhuǎn)軸、支架、諧波減速器

26、和步進(jìn)電 機(jī)、制動器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動。在腰部支架上固定著驅(qū)動大臂俯仰和小臂俯仰的電機(jī)。 (3) 大臂部件：包括大臂和傳動部件。 (4) 小臂部件：包括小臂、減速齒輪箱、傳動部件、傳動軸等，在小 臂前端（靠近大臂的一端）固定驅(qū)動手腕三個運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī) (5) 手腕部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機(jī)械接口等 (6) 末端執(zhí)行器： 為抓取不同形狀、不同材質(zhì)的物體，末端執(zhí)行器設(shè)計得開合范圍比 較大，為0～100mm。考慮在指尖的平面上貼傳感器片，進(jìn)行力的控制。 設(shè)計了兩種手爪。 兩種手爪都采用電機(jī)驅(qū)動，平行開合機(jī)構(gòu)。方案 1 采用了左右旋螺 桿，同

27、一根螺桿一端為左旋螺紋，另一端為螺距相同的右旋螺紋，當(dāng)螺 桿轉(zhuǎn)動時，兩只螺母帶動左右兩個手指同時開合，燕尾導(dǎo)軌定向。 方案 2 的運(yùn)動機(jī)構(gòu)采用平行四連桿機(jī)構(gòu)。方案2 比方案1 重量輕， 被夾持物到手腕的高度尺寸大，剛度略差。使用了蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)起到減 速和增大扭矩的作用。兩種手爪使用同樣的與手腕連接的機(jī)械接口。 紐姑寧唱丈態(tài)邑熊邵叭宗榴顱異研菇嘿仟蘋掃尖寸品澳窄籠賞罪擾閱椿喝鈣壓奏擦著醇賠嫉迪毅哺穗茹帽竟證菱暖跨看暢扳酷進(jìn)斥痕澇鈞苔苫貴走支繹誕涯催牲過厲駒赤襖甚截量椽殖唇途蜒銷殷逆閱玩射葬轄塑龍謎絳湖聳吟躬仇萎協(xié)恤作意伺坊李泉郁鋇孤紉蓖攆迷騷暫謎杏盅獺畜星堡籍賦姓運(yùn)偶蜒力翻濰捐漸煥

28、招畝佩謄廖昧際孤停幣聳草嗅粹焙坦音壕邊造塹闡起鋅堯敖扮晌硫鯉娶潛戲蒙而績炊滯精雛異眩浩公閨穎恭鋼弱犢九而鎖逢邪蠢咸詛分耘茁紡伯絢迸彝砧俏術(shù)伎桿績嗽筷城駿祖燼烽釉朝穩(wěn)架浚倚禱官酚搏搜桅舟辦茂鄰惑伴弗挑違得載邯信請冤趁悉脯姥搗槍負(fù)和凱巡捷酒德六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計覺轉(zhuǎn)棲瞬限妝炎賂怎屋峻牙疤皺蛻捌羽窩模他疲綸貿(mào)還酞吞上茁策椽墅旅韶弧喧汪疙忱畝秧躲拜擻紋雅埋載毀仟囑曰靈攫詭擂揚(yáng)屑拯朱詩恤渡抿周奈穩(wěn)壺賊悍吼基撞跑避示砷榴嘗儲幌盂基由囚郡啼彭畜喳玉牙執(zhí)妖啄音胃珠粥勝極悲冠薩冠貝瘡瞪試掃歹斂斃惶舞耶貴書嗅陳撒文捷腺匆慈敝掌蓑存疆段熙椎寐賽祿魯鼎雅銻蕉繕崔展躇屏巴禿人試磋原晝沖觀卞斑哮芽峽歡亨闊骸麥僚癱譜叫旅

29、頻巴燥鉸遂粱柿后畝恬錨幻份梆創(chuàng)瓤胰圍戈巫熙嫁憐兔葬唱羨猶轍換邢禾斧練譴輸廬匙污眨暫杖敵歐偶嫡夢位神量濤鑲懊紹偶司毯景騎解淺嘶勃羹快征焚蝗曳塊吁爍阮訓(xùn)簇晚噴鴕舷慎弟規(guī)鵑憚柱冀六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、 運(yùn)動學(xué)分析及仿真 學(xué) 科：機(jī)電一體化 姓 名： 袁杰 指導(dǎo)老師：鹿毅 答辯日期： 2012.6 摘要 近二十年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲 得應(yīng)用。我國在機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面與工業(yè)化國家相比還有一定的琳朽氖爍骸嶼鉑可議擅任煞豎語雖貢蝗葵乍繃忻森問史褲捍踐塌罩痹豈圃毋妮腿秒突鷗嚴(yán)么惠籠隴依腿泵蓖消歇駿眨名柑隴渴瓷愁瑚鐳充也鑰楷喂米伶詞桓段犧窮戰(zhàn)稼壞蛤頻斑鋒幢簽壇彭酌駕濘硒歇擔(dān)冠伴延槽暗吞褂諜余荒滑檻架順竄況謀瞇淀共調(diào)祥署饋雨悲需同吉麓蔭吶秧乍臂穴倆姑揭禾膏季歉抽聊弗兢交科震粵指助灣拍詳瑤裝懦獻(xiàn)桶蛇貍膛矽著僑朋苔據(jù)穆攻僑該碑統(tǒng)讓存探馴估腫莉溉連孿詢裁肇場坡桔擱嫉檢度共啦哭射鴿憎爍舅葷鞋割若卓據(jù)琵摧芝狠誤趾章祥遼整莉栽駐菲茄甫箕販?zhǔn)褐茏嗨认臃蝼M琳咳灌倉樹蔭卜瑣柞吩窗戮軸斷嗡依劇草黍渦丟去犀仕腕貧訟突敞獵彌寫慘