移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 緒論1.1 引言在星球表面探索、地震或事故現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)、自然界未知事物探索等環(huán)境中工作的移動(dòng)機(jī)器人，面臨著復(fù)雜 、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán) 境，應(yīng)具有良好的適應(yīng)性、靈活性。移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)能夠 依靠自身的功能，克服 環(huán) 境的不確定性，有效地完成任務(wù) 1。機(jī)器人不僅可以在粉塵、噪聲、有毒、輻射等有害條件下部分替代人去操作，還能在人所不能及的極限條件下，如深海、外層 空間環(huán)境中完成人所賦予的任務(wù)，擴(kuò) 大了人類(lèi)改造自然的能力，尤其是近些年來(lái)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。機(jī)器人的研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用涉及許多學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。多 剛體動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械 設(shè)計(jì)、 傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動(dòng)、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù) 、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科都和機(jī)器人技術(shù)有密切的聯(lián)系 2。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀地面移動(dòng)機(jī)器人是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在地面運(yùn)動(dòng)的物體。地面移動(dòng)機(jī)器人的研究最早可追溯到五十年代初，美國(guó) Barrett Electronics 公司研究開(kāi) 發(fā) 出世界第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)倆 系統(tǒng)。由于當(dāng) 時(shí)電子領(lǐng)域尚處于晶體管時(shí)代，該車(chē)功能有限，僅在特定小范圍運(yùn) 動(dòng)，目的是提高運(yùn) 輸自動(dòng)化水平。到了六、七十年代，美國(guó)仙童公司研究出集成電路，隨后出現(xiàn)集成微處理器，為控制 電路小型化奠定了硬件基礎(chǔ)。到了八十年代，國(guó)外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中具有廣闊應(yīng) 用前景和軍事價(jià)值的移動(dòng)機(jī)器人受到西方各國(guó)的普遍關(guān)注 3。在移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展中，出 現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器人大國(guó)，一個(gè)是日本，另一個(gè)是美國(guó)。時(shí)至今日，各種類(lèi)型的地面移動(dòng)機(jī)器人紛紛研制出來(lái)，其應(yīng)用范圍從民用、工業(yè)用到軍用，涉及人類(lèi)運(yùn)動(dòng)的方方面面。進(jìn)入 90 年代，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展由于受到發(fā)達(dá)資本主義經(jīng)濟(jì)不景氣的影響，專(zhuān)門(mén)從事機(jī)器人研究和生產(chǎn)的部門(mén)數(shù)目有所減少，但由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器科學(xué)的長(zhǎng)足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行。機(jī)器人發(fā)展到今天已經(jīng)是燦爛輝煌，隨著信息技 術(shù)、 電子技術(shù)的發(fā)展，移 動(dòng)機(jī)器人作為人工智能的一個(gè)分支也將吸收這些成果，功能將更完善，新的移 動(dòng)機(jī)器人也將涌現(xiàn)出來(lái) 4。未來(lái)的機(jī)器人技術(shù)，將在以下幾個(gè)方面發(fā)展。（1） 高速操作臂 高速操作臂可以大大提高機(jī)器人的工作效率。 為此，必須開(kāi)展新的手腕機(jī)構(gòu)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，以及能適應(yīng)機(jī)械臂高速運(yùn)動(dòng)的變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的動(dòng)態(tài)控制方法等的研究。（2） 柔性操作臂 目前的操作臂本身質(zhì)量要比它所能抓起的質(zhì)量大的多。如臂自身質(zhì)量為 30kg，僅能搬運(yùn)還不到 10kg 的物體，這與人的手臂相比要小的多，其原因主要是驅(qū)動(dòng)裝置的效率低、輕型材料的強(qiáng)度和韌性不夠。因此，新型材料的開(kāi)發(fā)成為了研制高效機(jī)器人的重中之重。（3）多自由度操作臂 要實(shí)現(xiàn)狹小空間的操作，研制超多自由度的機(jī)械手是完全必要的 。（4）高精度、多自由度控制操作臂 機(jī)器人被越來(lái)越多的用在醫(yī)療，軍事等需求高精度的場(chǎng)合，在保證精度的同時(shí)還要追求高自由度，要能完成各種各樣的動(dòng)作，這就要求研制出更穩(wěn)定的系統(tǒng)來(lái)保證操作臂動(dòng)作的精度。（5）微型操作臂 目前的操作臂局限于材料和驅(qū)動(dòng) 力，自身的大小不能 滿(mǎn)足越來(lái)越精密的工作場(chǎng)合。為 此，微型操作臂的開(kāi) 發(fā)已在日程中 5。1.3 機(jī)械臂介紹1.3.1 機(jī)器人操作臂的機(jī)構(gòu)和空間描述機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)功能最重要的部件就是機(jī)械臂 (亦稱(chēng)操作臂 )，一般是由一系列連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)相連接的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈，一端裝在固定的支座上(機(jī)座);另一端自由，安裝手爪、工具， 實(shí)現(xiàn)各種操作 6。為了描述組成操作臂的各連桿之間的相對(duì)位置和姿態(tài)，在每個(gè)連桿上固接一個(gè)坐標(biāo)系，用其來(lái)描述相 對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人通 過(guò)機(jī)械臂完成人們交予的任務(wù)，從早期齒輪傳動(dòng)只能上下移動(dòng)的垂直臂到后來(lái)液壓驅(qū)動(dòng)多自由度自由伸縮的機(jī)械臂，期間 一共度過(guò)了 40 年的 時(shí)間 7。如今，機(jī)械臂已 經(jīng)更加擬人化，包括安裝了觸覺(jué)，視覺(jué) ，力覺(jué)等感受功能部件，使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)起來(lái)能 夠理性避讓障礙,減少不必要的損失。1.3.2 操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、靜力和變形把操作臂的連桿近似的當(dāng)成剛體，則相鄰兩連桿坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系用連桿變換矩陣來(lái)表示。操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)則討論手臂末端執(zhí)行器的位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系 8。操作臂運(yùn) 動(dòng)學(xué)由兩個(gè)基本問(wèn)題:正向運(yùn) 動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。操作臂動(dòng)力學(xué)研究各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力與終端操作器的位置、速度和加速度之間的關(guān)系。操作臂的動(dòng)力學(xué)方程十分復(fù)雜，不 僅與操作臂的形位有關(guān)，還和連桿的質(zhì)量分布、連桿的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)之間的摩擦等有關(guān) 9。操作臂的 動(dòng)力學(xué)方程有多種形式: 關(guān)節(jié)空間、操作空間 和狀態(tài)空間形式。研究操作臂動(dòng)力學(xué)一方面是為機(jī)器人控制提供精確的動(dòng)力學(xué)模型， 計(jì)算驅(qū)動(dòng)力函數(shù)、 實(shí)現(xiàn) 前饋補(bǔ)償;另一方面是為了仿真，根據(jù)加速度計(jì)算相應(yīng)的關(guān) 節(jié)力 10。1.3.3 操作臂的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人的操作臂在運(yùn)動(dòng)之前，需要明確是否一定要沿特定的路徑運(yùn)動(dòng)，還要明確在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否會(huì)與障礙物相碰 11。如果對(duì)運(yùn)動(dòng)的路徑?jīng)]有特殊的要求，則通常是每個(gè)關(guān)節(jié)按指定的平滑時(shí)間函數(shù)，同時(shí)從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn);如果一定要沿特定的路徑，那么軌跡規(guī) 劃器應(yīng)利用函數(shù)插值逼近預(yù)期的路徑 12。軌跡控制的目的在于精確地實(shí)現(xiàn)所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制包括:建立操作臂的動(dòng)力學(xué)模型;根據(jù)所建模型確定控制規(guī)律或策略，以達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)和性能。討論 控制規(guī)律的分解和相應(yīng)的控制方案 13。1.4 目前主要存在的問(wèn)題工業(yè)機(jī)器人是計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)后發(fā)展起來(lái)的一種新型機(jī)械結(jié)構(gòu)，工作效率和機(jī)動(dòng)性比傳統(tǒng)機(jī)械高很多 14。隨之而來(lái)的是，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在減少質(zhì)量、提高剛度方面比傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)有更高的要求。在設(shè)計(jì)工作中，結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化顯得更為重要。如今的機(jī)器人手臂存在幾個(gè)急需解決的問(wèn)題，首先是機(jī)械手臂工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。 軍用機(jī)器人特別 是防暴拆彈機(jī)器人是用來(lái)拆除炸彈，需要用機(jī)械臂夾起炸彈，運(yùn) 輸?shù)教囟ǖ姆辣?護(hù)具中進(jìn)行引爆。 這就要求在夾起和運(yùn)輸過(guò)程中的平穩(wěn)，稍許 的震動(dòng)也許就會(huì)是炸 彈被引爆，造成不必要的損失。其次是機(jī)械手臂的適應(yīng)性 15。機(jī)械手臂是機(jī)器人的核心之一，機(jī)器人只有通過(guò)機(jī)械手臂才能發(fā)揮各種作用。在很多場(chǎng)合，現(xiàn)場(chǎng)條件都很復(fù)雜，這就需要機(jī)械手臂有很好的適 應(yīng)性，能進(jìn)入各種復(fù)雜的管道或者角落進(jìn)行作業(yè)，或者對(duì)障礙物柔性避讓。這就對(duì)機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有了更大的要求 16。1.5 我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展戰(zhàn)略談及我國(guó)的機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略，許多有識(shí)之士己發(fā)表了不少高見(jiàn)。為了使我國(guó)機(jī)器人學(xué)有更大的發(fā)展，首先必須進(jìn)一步發(fā)展對(duì)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)，取得正確和求實(shí)的共識(shí)。對(duì)于具體的一些思路，則涉及在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的同時(shí)，注意開(kāi) 發(fā)特種機(jī)器人;培養(yǎng)與發(fā)展國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng);建立機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，形成規(guī)模生產(chǎn);開(kāi)展國(guó)際合作，打開(kāi)國(guó)際市場(chǎng)，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng);合理選擇主攻戰(zhàn)略方向，開(kāi)發(fā)有市場(chǎng)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù);更加重視基礎(chǔ)研究，加大技 術(shù)儲(chǔ)備 ;穩(wěn)定和擴(kuò)大研究隊(duì)伍等。21世紀(jì)已經(jīng)到來(lái)，在新世紀(jì)里，中國(guó)機(jī)器人學(xué)必將在世界上占有一席之地，并可望發(fā)展成機(jī)器人大國(guó)。1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小型機(jī)器人具有典型的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特征。唯有體型較小，可以放在桌面上，適宜于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和作為自動(dòng)化及控制技術(shù)的研究工具。該課題在調(diào)研的基礎(chǔ)上完成 5 自由度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)工作是電動(dòng)機(jī)的選擇和校核及其關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度計(jì)算。2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2.1.1 各種傳動(dòng)方式的比較（1）帶傳動(dòng)：帶傳動(dòng)具有結(jié)果簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、 造價(jià)低廉、不需要潤(rùn)滑油及緩沖吸振等特點(diǎn)。（2）鏈傳動(dòng)：鏈傳動(dòng)具有平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、尺寸較緊湊、能在 惡劣的條件下工作，但其不能保持瞬間的傳動(dòng)比恒定，工作時(shí)有噪聲、磨 損后易發(fā)生跳齒，不適合用于空間，限制要求中心距小及急速反向傳動(dòng)的場(chǎng)合。（3）齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)能保證瞬間傳動(dòng)比的恒定，傳動(dòng)比范圍大；速度和傳遞的功率的范圍大，可用于高速、中速和低速的傳動(dòng)；但制造的成本比較的高，無(wú)過(guò)載的保護(hù)作用。綜合以上各特點(diǎn)：因?yàn)楸緳C(jī)器人用于科研、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、握重 3 kg，所以載荷較小，工作也比較的穩(wěn)定，環(huán)境較好。但要求 傳動(dòng)準(zhǔn)確，瞬間傳動(dòng)比準(zhǔn)確恒定，且要有較大的傳動(dòng)比。故本機(jī)器人尺寸較小， 結(jié)構(gòu)要求緊湊，并且要求 傳動(dòng)反應(yīng)靈活、迅速、準(zhǔn)確。所以，綜合考慮選用齒輪傳動(dòng)且多級(jí)齒輪傳動(dòng)，以獲得較大的驅(qū)動(dòng)力矩；由于傳動(dòng)比大，也可提高傳動(dòng)精度。2.1.2 機(jī)器人輪廓圖圖 2.1 機(jī)器人輪廓圖圖 2.2 機(jī)器人三維圖2.1.3 大臂部分的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)圖 2.3 大臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)齒輪 10 固定于軸 A,。當(dāng)齒輪 9 旋轉(zhuǎn)時(shí)，同 時(shí)齒輪 10 與 A 軸不動(dòng)， 則使得 B軸圍繞著 A 軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 這 A 軸為大臂與腰身連接的關(guān)節(jié)。初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1Z5=18 則 d5=18 mm；Z6=99 則 d6=99mm ；Z7=18 則 d7=18mm；Z8=109 則 d8=109mm；Z9=18 則 d9=18 mm；Z10=109 則 d10=109 mm；步進(jìn)電機(jī)初選：45BF008；2.1.4 小臂部分的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)方案一：此方案仿大臂部分的傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)安裝在小臂上。圖 2.4 小臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案一方案二：這個(gè)方案的步進(jìn)電機(jī)是安裝在大臂上。圖 2.5 小臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案二方案比較：方案一中因?yàn)殡姍C(jī)是要安裝在小臂上，所以對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是比較大的。方案二因?yàn)殡姍C(jī)是安裝在大臂上，所以對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)其的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)說(shuō)要比較的小，而且使得機(jī)器人的重心也比較低。所以選擇方案二：圖 2.6 小臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)初選：此系統(tǒng)模數(shù)為：1Z11=18 則 d11=18mm；Z12=79 則 d12=79mm；Z13=18 則 d13=18mm； Z14=79 則 d14=79mm；Z15=18 則 d15=18mm；Z16=79 則 d16=79mm；步進(jìn)電機(jī)為 45BF0082.1.5 手腕部分的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)圖 2.7 手腕傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析：（1）手腕的仰俯動(dòng)作（即繞 D 軸旋轉(zhuǎn)） 如圖 2.8：圖 2.8 手腕俯仰動(dòng)作實(shí)行機(jī)構(gòu)（D 軸）若齒輪 1 和齒輪 2 以相同的速度（大小和方向）旋轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)齒輪 3 被卡死，則迫使手腕繞著 D 軸旋轉(zhuǎn)。所以此 時(shí)手腕實(shí)現(xiàn)了俯仰動(dòng)作。(2) 手腕的旋 轉(zhuǎn)動(dòng)作（即繞 C 軸旋轉(zhuǎn)）如圖 2.9：圖 2.9 手腕俯仰動(dòng)作實(shí)行機(jī)構(gòu)（C 軸）若齒輪 1 和齒輪 2 以相同大小但不同方向的速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)齒輪 3 也旋轉(zhuǎn)，即繞C 軸旋 轉(zhuǎn)。所以此 時(shí)手腕實(shí)現(xiàn) 了旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1。因?yàn)榇讼到y(tǒng)的左右完全對(duì)稱(chēng)，所以我們就只要分析一邊就可以了，即我們選擇 左邊。Z17=18 則 d17=18mm；Z18=54 則 d18=54mm；Z19=18 則 d19=18mm； Z20=65 則 d20=65mm；Z21=18 則 d21=18mm；Z22=18 則 d22=18mm；注：Z21， Z22 位一對(duì)圓錐齒輪。2.1.6 手部夾持器的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)圖 2.10 手部夾持器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)初選：此系統(tǒng)模數(shù)為 1Z2318 則 d23=18mm；Z2460 則 d24=60mm；直流電動(dòng)機(jī)選擇為：M08832（2）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：方案一：圖 2.11 單向傳動(dòng)方案方案二：圖 2.12 雙向傳動(dòng)方案方案比較：因?yàn)橐獫M(mǎn)足夾持的物體一直都在手臂的中心線(xiàn)上，所我們應(yīng)該選擇方案二。2.2 各個(gè)部分傳動(dòng)比的計(jì)算（1）腰身部分：由圖 2.2 可知腰身部分采用二級(jí)圓柱齒輪，傳動(dòng)比為： 4.18203412Zi（2）大臂部分：由圖 2.3 可知大臂采用三級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為： 7.20189191078562 Zi（3）小臂部分：由圖 2.4 可知小臂采用三級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為： 3.84179815634123 Zi（4）手腕部分：由圖 2.5 可知手腕采用二級(jí)圓柱齒輪加上一級(jí)的圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為：84.10651842190784 Zi注：此傳動(dòng)比既是手腕俯仰運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)比也是手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)比。（5）手部夾持器部分：由圖 2.6 可知因?yàn)槭肿ヒ笞枣i，且開(kāi)合速度不宜過(guò)快，所以采用螺旋傳動(dòng)，傳動(dòng)比： 3.18602345Zi2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)總圖綜合以上的計(jì)算和設(shè)計(jì)可以得到下面的傳動(dòng)系統(tǒng)總圖：圖 2.13 傳動(dòng)系統(tǒng)總圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于本機(jī)器人多采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且要保證傳動(dòng)精度，所以齒輪消隙問(wèn)題要做一定的考慮。 （1）由于大臂、小臂、手腕多處于伸展?fàn)顟B(tài)，因重力作用，齒輪的傳動(dòng)能較好保持單齒輪接觸狀態(tài)，傳動(dòng)穩(wěn)定，不必另加消隙裝置。（2）立柱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)因無(wú)靜力矩作用，而齒輪加工誤差會(huì)使齒輪嚙合不穩(wěn)定，嚙合齒面變化，從而使立柱有一個(gè)較小角度的自由擺動(dòng)，影響傳動(dòng)定位精度，要加以調(diào)整消除。此處采用了一個(gè)偏心軸和一個(gè)偏心盤(pán)來(lái)來(lái)調(diào)節(jié)兩對(duì)齒輪傳動(dòng)間隙?？赏ㄟ^(guò)座體上端蓋板口和底座下口調(diào)節(jié)。 （見(jiàn)機(jī)械總圖）（3）為使控制簡(jiǎn)化，將小臂板中心線(xiàn)與立柱中心軸線(xiàn)放在同一平面上，以保證手爪的中心線(xiàn)與立柱的中心線(xiàn)在同一平面內(nèi)，控制， 計(jì)算都比較的方便。3.1 零件的密度根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查的材料密度如下：45 號(hào)鋼 g/ 取 7.85 g/85.73cm3cm酚醛層壓板 g/ 取 1.4 g/413尼龍 1010 g/ 取 1.05 g/063c3c20 號(hào)鋼 g/ 取 7.85 g/857mm鋁板 g/.23c普通鋼板 g/ 取 7.85 g/ 3cZL102 鑄鋁 g/ 7.3cm鍍鋅鐵板 g/丁晴橡膠 g/93.0c3.2 零件重量列表計(jì)算本零件重量忽略小孔及倒角、圓角， 對(duì)螺栓作光桿處理，尺寸向 較大方向選取。表 3.1 零件重量表零件序號(hào) 零件名稱(chēng) 質(zhì)量（克）1 夾持器手指 41.12 螺紋桿 2403 齒輪 24 534 外殼 124.55 銷(xiāo) 13.56 外殼邊 49.57 螺絲釘 2.228 螺絲釘 2.319 卡環(huán) 0.7410 套筒 0.88511 齒輪 23 21.612 直流電動(dòng)機(jī) 19513 外套 37.514 螺栓 97.515 螺母 1.1716 齒輪 22 25.217 軸 40.218 密封器件 7.3519 齒輪 21 和 20 154.520 螺母 1.1721 齒輪 18 和 19 124.522 套筒 3.1223 軸 31.524 密封器件 7.525 螺母 1.1726 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 33027 齒輪 17 10.528 小臂板 309.7529 加強(qiáng)筋 46.530 軸 18631 銷(xiāo) 7.532 齒輪 16 32133 銷(xiāo) 4.7634 密封器件 7.535 套筒 336 螺母 1.1737 齒輪 15 和 14 271.538 軸 31.539 套筒 3.4540 套筒 1.5641 螺母 1.1742 齒輪 13 和 12 257.443 套筒 344 軸 3045 套筒 1.5646 螺母 1.1747 大臂板 51948 加強(qiáng)筋 39.849 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 67550 齒輪 11 29.551 齒輪 8 和 9 59452 軸 31.553 密封器件 7.554 螺母 1.1755 軸 695.456 齒輪 6 和 7 47157 齒輪 10 329.458 銷(xiāo) 1559 螺絲釘 7.560 墊片 1861 密封元件 7.562 套筒 1.863 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 67564 齒輪 5 29.55大鋁蓋板：39.4 g ；小鋁蓋板:24.9g ；直流電機(jī) M28832：130g；步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 45BF008：675g；步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 36BF005：330g；3.3 機(jī)器人受力大小分析將各個(gè)零件作適當(dāng)?shù)?簡(jiǎn)化集中到各軸線(xiàn)上，得到各點(diǎn)的受力圖：圖 3.1 機(jī)器人受力分析圖（取所受力矩最大姿態(tài)）F1 N3108.92.413031025F2= 195.628.0748.552 N33107810.9F3= N33105.9. F4= N331086.97.2.4524.25 F5= N 3310294108.27.1.5312514 F6= N6408930233F7= N.69F8 N33105108.927.135.72415.718 F9 N 3416.32 F10 N308.9.0. F11 N335289.519F12 N1641267F13= N3310608.97.5.34 F14 N3105478.95759.9 F15 N3316108.2673.4 機(jī)器人輪廓基本尺寸的設(shè)計(jì)要求：總體尺寸為 900mm 左右初步設(shè)計(jì)比例為：1.2 ：1 ：0.5，則可得：大臂： mm405.2.901l小臂： mm312手爪： mm65.0.3l根據(jù)機(jī)器人受力大小分析和機(jī)器人輪廓基本尺寸得設(shè)計(jì)可以得到機(jī)器人受力分析圖（如下頁(yè)所示），取得 為機(jī)器人所受力矩最大姿態(tài)3.5 靜力矩計(jì)算(1) 大臂所受重力靜力矩1T 7380)42305(1).973405(7930 0451646286).278(3 )2.7.6(9.54 5.283705935.7.06 mN810.6(2)小臂所受重力靜力矩： 2T 30842310.597375016306)2.4(. mN.71.96（3）手腕俯仰所受重力靜力矩：T 2.508.)1530.975210( 6(4)手腕回轉(zhuǎn) 所受重力靜力矩：.634mN4 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校核4.1 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本機(jī)器人伺服系統(tǒng)若采用直流伺服電機(jī)，則要配大降速比的諧波減速器，還要做閉環(huán)控制系統(tǒng)，要加傳感器，反 饋動(dòng)作幅度。而國(guó)內(nèi)諧波減速器在工藝、材料、制造等方面還不夠完善，使用效果不夠好，且價(jià)格較貴；外加反饋器件也要增加機(jī)器人的成本。所以綜合考慮不采用閉環(huán)系統(tǒng)，不用直流電動(dòng)機(jī)，而用步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可通過(guò)控制脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間來(lái)達(dá)到控制動(dòng)作幅度和速度的目的。開(kāi)環(huán)控制比較的方便，且總體也便宜， 動(dòng)作精度也能達(dá)到所要求的 標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榱⒅?、小臂、大臂所需?qū)動(dòng)力相對(duì)較大，所以采用 45BF008 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，起最大的靜轉(zhuǎn)矩為 1.96 ；但因?yàn)槭滞笏艿降牧剌^小些，所以采用mN36BF005 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，起最大的靜力矩為 0.784 ；夾持器采用螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)mN且無(wú)速度要求，因其降速比大，所以采用 M28832 直流電機(jī)。4.2 機(jī)械傳動(dòng)效率概略值（1） 圓柱齒輪傳動(dòng)：開(kāi)式傳動(dòng)：0.940.96 取 0.96； 單級(jí)圓柱齒輪減速器（包括軸承）：0.970.98；兩級(jí)圓柱齒輪減速器（包括軸承）： 0950.96 取 0.95；（2）圓錐齒輪傳動(dòng)：開(kāi)式傳動(dòng)：0.920.94 取 0.94；單級(jí)圓錐齒輪減速器（包括軸承）：0.950.96；、（3）滾動(dòng)軸承（一對(duì)）：0.990.95 取 0.95；（4）滑動(dòng)軸承： 0.950.98 取 0.95；4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)表 4.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號(hào) 45BF008 36BF005相數(shù) 3 3分配方式 A ABB A ABB步矩角（ ） 1.875 1.5電壓 （V） 27 27最大靜轉(zhuǎn)矩（ ）mN1.96 0.784空載啟動(dòng)頻率（step/s） 2500 3100重量（kg） 0.68 0.33使用溫度范圍 C4050 4050溫升（k） 65 65圖 4.1 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性4.4 大臂俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算（1）設(shè)計(jì)要求：上臂俯仰范圍： ；最高運(yùn)動(dòng)速度： 。1203s/15（2）根據(jù)載荷要求及電機(jī)性能初選步進(jìn)電機(jī) 45BF008，其步矩角為 。875.（3）上臂傳動(dòng)部分為三級(jí)的圓柱齒輪傳動(dòng)其傳動(dòng)比為： 302.5；i其傳動(dòng)效率為： ；798.05.96.023其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 。18Imkg4.4.1 起動(dòng)段計(jì)算由 45BF008 步進(jìn)電機(jī)起 動(dòng)矩頻特性圖（圖 5.1）可知： 為避免起動(dòng)失步，取該電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率為 step/s；設(shè)起動(dòng)時(shí)間 s，則有：801f 05.1t起動(dòng)過(guò)程中上臂轉(zhuǎn)速： 96.4.32871if/其平均加速度為： 73.1605.230.48713621 itf 2/srad由載荷分析可得上臂所受的靜力矩為： 1TmN而加速力矩為： 7.4.5812IT對(duì)應(yīng)的所需電機(jī)力矩： 356.0298.023 i由圖 5.3 可得：步進(jìn)電機(jī) 45BF008 當(dāng)起動(dòng)頻率為 800 step/s 時(shí)，對(duì)應(yīng)起動(dòng)力矩。5.0TmN所以， ，電機(jī)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)走過(guò)的步數(shù)為： step405.81tfs4.4.2 加速段計(jì)算由設(shè)計(jì)要求，最高運(yùn)動(dòng)速度 ，則電機(jī)所需要運(yùn)行頻率:15s/step/s24087.35.12 if取 step/s，加速時(shí)間 取 s，則加速 過(guò)程中，上臂的 轉(zhuǎn)速:02f 5.2t7.185.322 i/其加速度 8.43605.20.1.8760212 itf 2/srad此時(shí)，加速力矩： ，又知靜力矩：48.5ITmN .71TmN所以 電機(jī)所需的力矩為： .56.279.08123 iT此時(shí)，加速段走過(guò)的步數(shù)：step9605.83585.0212212 tftfs則起動(dòng)、加速段合計(jì)走過(guò)步數(shù) step 13694021s走過(guò)角度 8.5.3027161is4.4.3 降速停止段計(jì)算設(shè)電機(jī)由運(yùn)行頻率 step/s，經(jīng) 0.1s 降速停止， 則其所經(jīng)步數(shù)為：302fstep 15.213 tfs所經(jīng)角度： 94.0.3873is4.5 小臂俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算設(shè)計(jì)要求：小臂俯仰范圍：120 30 ，最高運(yùn)動(dòng)速度 。 s/30根據(jù)載荷要求和電機(jī)的性能，初步選步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 45BF45BF008 角 ，上875.1臂驅(qū)動(dòng)部分為三級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)比： ，2687912i其傳動(dòng)效率： .05.96.03小臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：I1.79 2mkg4.5.1 起動(dòng)段計(jì)算由于 45BF45BF008 機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖， 為避免起動(dòng)失步，取該電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率step/s，設(shè)其起動(dòng)時(shí)間 ，則有：801f st05.1起動(dòng)過(guò)程中小臂轉(zhuǎn)速 83.1.26781 ifs/其平均加速度 13.43605287136021 tf 2/srad由前可小臂所受靜力矩 .TmN而加速力矩 9.714912I對(duì)應(yīng)電動(dòng)所需力矩 312.08.6.023imN步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 45BF45BF008 率為 800step/s 時(shí)， 對(duì)應(yīng) 起動(dòng)的力矩T 0.5 ，N所以T,，電機(jī)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3T此時(shí)，電機(jī)走過(guò)的步數(shù) step405.811tfs4.5.2 加速段計(jì)算由設(shè)計(jì)要求最高運(yùn)動(dòng)速度 ，則電動(dòng)機(jī)所需運(yùn)行的頻率30s/step/s 96.20875.132if取 ，加速時(shí)間為 ，則加速過(guò)程中：step/ st5.2小臂的轉(zhuǎn)速： 4.381.6702if/其加速度： 29.601.25. 4.3703212 itf 2/srad此時(shí)，小臂的加速力矩為： 912ITmN所以， 407867.01213 iT加速段走過(guò)的步數(shù) ：step850.8265.0.821212 tftfs起動(dòng)、加速段合計(jì)走過(guò)的步數(shù) step1421s走過(guò)的角度 85.1.267151is4.5.3 降速停止段計(jì)算設(shè)該電機(jī)有運(yùn)行頻率 setp/s，經(jīng)過(guò) 0.1s 降速停止，260f其所經(jīng)過(guò)的步數(shù)為： step130.13 ts所經(jīng)過(guò)的角度：92.8.26753i4.6 手腕俯仰驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)計(jì)算設(shè)計(jì)的要求：手腕的俯仰角 ，最高速度：手臂俯仰 。90s/45根據(jù)載荷的要求和電動(dòng)機(jī)性能 初選兩個(gè)步進(jìn)電機(jī) 36BF005，其步矩角 。05.1手腕部分為兩組兩級(jí)的圓柱齒輪傳動(dòng)，加一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)。則其的傳動(dòng)效率，823.095.6.0由前面可知，手腕的俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。其傳動(dòng)比為：i=16.25109.I2mkg當(dāng)兩電動(dòng)機(jī)以相同的速度和方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，則此時(shí)手腕將實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。4.6.1 起動(dòng)段計(jì)算由 36BF005 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng) 矩頻特性圖，取 該電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率為：step/s，以避免在 到 470 step/s 頻率間的力矩突降，此時(shí)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)力801f 460矩T=0.43 ，設(shè)其起 動(dòng)時(shí)間mN，則有：st.1啟動(dòng)過(guò)程中手腕俯仰速度為： sif /38.725.16801其平均加速度： 13.48.126.07583621 tf 2/srad由前知道手腕俯仰的靜力矩 .5TmN而加速力矩為： 4.290.12I對(duì)應(yīng)所需要的電機(jī)力矩： T215.0.683.0113 imN所以電機(jī)滿(mǎn)足要求。4.6.2 加速段計(jì)算4.7 手爪開(kāi)合驅(qū)電機(jī)計(jì)算設(shè)計(jì)要求：最大載荷量 3kg,最大的夾持直徑為 40mm。因手爪夾持物體過(guò)程中無(wú)速度的要求，考慮， 簡(jiǎn)化控制，初選用直流電動(dòng)機(jī)M28-841，其額定電壓為 24v，額定轉(zhuǎn)矩為 1000 ，cmg.098.18.901 23TN則額定轉(zhuǎn)速 ，額定功率 。srmn/5/ wP0.3由機(jī)械總圖可知：傳動(dòng)的螺桿為 M12 0.75,45 號(hào)鋼制；左右手指為鑄鋁ZL102，采用雙向螺旋加緊，一 級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng) 比為 i=5。傳動(dòng)效率：820.95.064.7.1 電動(dòng)機(jī)動(dòng)力計(jì)算因已知頭數(shù) n=1,螺距 t=0.75mm,直徑 d=12mm所以，升角 ，螺紋牙的牙型角 ，71.84.350arctnarct d 60則牙型斜角 。302鋼和鋁的摩擦系數(shù)為 f=0.17，則摩擦角 1.30cos7.artncosartnfv假設(shè)手爪和物體直接接觸，靠其之間的摩擦力來(lái)夾住物體，取一較小的摩擦系數(shù)，則：手爪夾緊正壓力 ，同時(shí)為螺桿軸向壓力15.0 NQ892.103Q=98N。則螺桿所需要的扭矩: 1785.0)7.1tan(2089tan23vdQT mN則所需電動(dòng)機(jī)力矩 T495170/iTmN所以電機(jī)滿(mǎn)足要求。4.7.2 螺紋傳動(dòng)自鎖性計(jì)算因?yàn)樯?，摩擦角 ，升角小于摩擦角，則滿(mǎn)足自鎖條件。71.1.v4.7.3 傳動(dòng)比驗(yàn)算手爪開(kāi)合速度 mm/s5.7.05.inv手爪由最大開(kāi)度 47mm 到閉合所需的時(shí)間 t=47/2*7.5=3.13 s螺紋傳動(dòng)效率 13.0).71.tan(tan0v所以，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。5 零件的強(qiáng)度和剛度計(jì)算由載荷計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算可知，大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)齒輪受載較大。因此，此處僅對(duì)大臂傳動(dòng)中的 Z109/Z18 中的小齒輪作彎曲疲 勞強(qiáng)度校核。因?yàn)榇蟊郯迨莾蓧K矩形薄板，其在縱向抗彎強(qiáng)度， 剛度均較大，但因大臂板受到小臂板側(cè)向載荷，有一定的扭矩，其抗扭剛度較 差，因此 對(duì)大臂作抗扭剛度校核，以免扭轉(zhuǎn)變形過(guò)大，阻礙臂板之間的齒輪傳動(dòng) 。5.1 零件的強(qiáng)度校核計(jì)算根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)有公式：計(jì)算應(yīng)力： YkkbmFtFsFvAn許用應(yīng)力： in21FXNEFPSY強(qiáng)度條件： 齒輪材料為 45 號(hào)鋼，硬度為 162217HBS,取 200HBS。5.1.1 大臂部分強(qiáng)度校核對(duì)大臂部分的 Z18、Z109（第三級(jí)傳動(dòng)）進(jìn)行校核mm, mm；181mZd 1092mZd有前面可知：靜力矩 ，加速段最大的力矩.7TN .8402TmN則總力矩為： 84213mN所以， ，又知 b=5mm， ；dFt .60598.32 1n查表可得：， ， ， ， , ;1.Ak0625.v 185.Fk2.Fk48.FsY.0則帶入公式： MPaYkkbmFtFsFvAn .62538.042.108562.105.64 設(shè)本機(jī)械手臂每天工作 1.5 個(gè)小時(shí)，壽命為 10 年，則所以，hnjLNh 6102.7360.51360.560 .69NY查表可得：， ， ， ，95.01Y.21XY2.minFSMPaFE40帶入公式可得： aSFXNEFP 27362.19.56940min21 由上可知滿(mǎn)足強(qiáng)度條件，即 FP5.2 零件抗扭剛度校核計(jì)算校核大臂板的抗扭剛度。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可得薄壁板的抗扭模量： 463.01abJk（b 為板的長(zhǎng)，a 為板的寬）則，可得大臂板的抗扭模量：81244 0.5063.15063.01 aJk 4m將大臂板簡(jiǎn)化為 l=580mm,W=150mm,d=6mm 的均 質(zhì)矩形板，則其所受扭矩為（由受力圖可得）：g6075375103860523m總