履帶式六自由度機(jī)械手搬運(yùn)救援機(jī)械手設(shè)計(jì)【三維SW】,三維SW,履帶式,自由度,機(jī)械手,搬運(yùn),救援,設(shè)計(jì),三維,SW XX學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文) 作 者: 學(xué) 號(hào)： 學(xué)院(系): 專(zhuān) 業(yè): 題 目: 履帶機(jī)器人設(shè)計(jì) 2014 年 4 月 54 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要 災(zāi)害搜救工作的復(fù)雜性、危險(xiǎn)性和緊迫性給救援工作帶來(lái)了極大的困難。履帶機(jī)器人以其體積小、靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)成為災(zāi)害輔助救援的有效工具并引起全世界的廣泛關(guān)注。文中分析了救援行動(dòng)中使用履帶機(jī)器人的必要性和可行性，介紹了國(guó)內(nèi)外履帶機(jī)器人的研究歷史和發(fā)展概況. 本文闡述了履帶機(jī)器人的發(fā)展歷程，國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，及其巨大的優(yōu)越性，提出具體的機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了設(shè)計(jì)的總體方案設(shè)計(jì)和各自由度具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算；最后設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)和機(jī)身設(shè)計(jì)。機(jī)械臂采用四關(guān)節(jié)機(jī)械手。 關(guān)鍵字：災(zāi)害履帶機(jī)器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、四關(guān)節(jié)機(jī)械手 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要 The complexity of the work of disaster rescue, danger and emergency rescue work has brought great difficulties. Rescue robot with its small size, flexible virtues such as disaster rescue tool assisted and caused widespread concern in the world. This paper analyzes the use of emergency rescue rescue robot's necessity and feasibility, introduced the research history and development situation of domestic and foreign rescue robot. This paper discusses the development history of the rescue robot, application status at home and abroad, and its great superiority, the robot specific design requirements, the design, overall design and detailed design of each degree of freedom structure calculation; the final design of the walking mechanism and the fuselage design. Manipulator with four joints manipulator. Keywords: disaster rescue robot, structure design, mechanical structure, four joint manipulator Keywords ：Structure design, Robot arm, Structure analysis 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 課題研究意義 1 1.2 履帶機(jī)器人應(yīng)用的必然性 1 1.2.1災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)影響救援工作的主要因素 1 1.2.1機(jī)器人在救援工作中的優(yōu)勢(shì) 2 1.3 國(guó)內(nèi)外履帶機(jī)器人研究現(xiàn)狀 2 1.4履帶機(jī)器人的分類(lèi) 3 1.4.1履帶式機(jī)器人 3 1.4.2蛇形（蠕蟲(chóng)）機(jī)器人系統(tǒng) 4 1.4.3蜘蛛形機(jī)器人 5 1.4.4飛行機(jī)器人 5 1.5履帶機(jī)器人發(fā)展方向 5 1.5.1群體機(jī)器人研究 5 1.5.2全自主機(jī)器人研究 6 1.5.3全自主機(jī)器人研究 6 1.5.4任務(wù)多樣化及傳感檢測(cè)技術(shù) 6 1.6 主要內(nèi)容 7 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 8 2.1 機(jī)械手工程概述 8 2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 9 第3章 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 11 3.1總體設(shè)計(jì)的思路 11 3.2 設(shè)計(jì)方案過(guò)程及特點(diǎn) 11 3.3 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和比較 11 3.3.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11 3.3.2 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 3.3大小錐齒輪的設(shè)計(jì)和校核 20 3.4 軸Ⅰ的設(shè)計(jì)和校核 23 3.5 鍵的校核 32 第4章 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu) 33 4.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 33 4.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 34 4.3 大臂電機(jī)及減速器選型 34 4.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 35 第5章 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 39 5.1 腕部設(shè)計(jì) 39 5.2 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 40 5.3 軸分析及計(jì)算 43 5.4 軸承的壽命校核 44 5.5 軸的強(qiáng)度校核 44 第6章 機(jī)身設(shè)計(jì) 46 6.1步進(jìn)電機(jī)選擇 46 6.2鍵的選擇和校核 51 6.3 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 52 總結(jié)與展望 53 致 謝 54 參 考 文 獻(xiàn) 55 第1章 緒論 全世界每年都遭受著大量自然災(zāi)害和人為災(zāi)害的破壞。巨大的災(zāi)害會(huì)造成大面積的建筑物坍塌和人員傷亡，災(zāi)害發(fā)生之后最緊急的事情就是搜救那些困在廢墟中的幸存者。研究表明，如果這些幸存者48小時(shí)之內(nèi)得不到有效的救助，死亡的可能性就會(huì)急劇增加。然而，復(fù)雜危險(xiǎn)的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)給救援人員及幸存者帶來(lái)了巨大的安全威脅，也會(huì)阻礙救援工作快速有效地進(jìn)行。使用履帶機(jī)器人進(jìn)行輔助搜救是解決這一難題的有效手段。 1.1 課題研究意義 履帶機(jī)器人具有靈活性好，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并有著良好的爬坡和樂(lè)章能力，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)各種各樣的地理環(huán)境，同時(shí)在救援的過(guò)程中能夠迅速的找到預(yù)先人員的位置，并能夠檢測(cè)事故現(xiàn)場(chǎng)的各種變化以防止事故的二次發(fā)生。因?yàn)榫仍畽C(jī)械人還可以克服傳統(tǒng)救援的工作效率較低、大型設(shè)備救援的不穩(wěn)定性，同時(shí)救援靈活快捷、攜帶方便、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以研究履帶機(jī)器人在救援工作中有著重要的意義。 1.2 履帶機(jī)器人應(yīng)用的必然性 1.2.1災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)影響救援工作的主要因素 災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)通常復(fù)雜而危險(xiǎn)，影響救援工作的因素主要有3種。 （1）空間限制。救援實(shí)踐表明，幸存者通常被困在那些坍塌所形成的空間中，充分搜索這些空間具有重要意義。遺憾的是這些空間和通道通常非常狹小以至于救援人員根本無(wú)法進(jìn)入，這些地方突出的鋼筋和碎塊以及其他建筑材料又會(huì)給救援人員和搜救犬帶來(lái)傷害。 （2）結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。災(zāi)害發(fā)生之后建筑物的力學(xué)結(jié)構(gòu)遭到破壞，救援人員進(jìn)入廢墟之中必須時(shí)刻提防隨時(shí)可能落下的碎塊。同時(shí)，在進(jìn)行救援工作時(shí) 也可能引起廢墟二次坍塌，給救援人員自身和廢墟下被困的幸存者造成傷害。這給救援人員帶來(lái)了極大的危險(xiǎn)和心理負(fù)擔(dān)，影響救援工作的快速展開(kāi)。 （3）危險(xiǎn)物質(zhì)和大火。災(zāi)害之后易燃易爆的物品、大風(fēng)等很容易引起大火。在一些危險(xiǎn)地區(qū)，如核電站、化工廠等場(chǎng)合，如果沒(méi)有相應(yīng)的防護(hù)和支援，即使訓(xùn)練有素的專(zhuān)業(yè)救援人員也不能輕易開(kāi)展工作，而戴上防護(hù)用具之后又會(huì)限制搜救人員對(duì)環(huán)境的感知能力，延緩救援工作的進(jìn)程。 這些危險(xiǎn)因素給災(zāi)害救援工作帶來(lái)了極大的阻礙，常常使救援付出沉重的代價(jià)。美國(guó)緊急救援辦公室的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，從狹小的封閉空間中營(yíng)救"名幸存者平均需要"#個(gè)救援人員花費(fèi)’個(gè)小時(shí)的時(shí)間。使用履帶機(jī)器人則可以提高救援效率，并避免或減少救援人員的傷亡。 1.2.1機(jī)器人在救援工作中的優(yōu)勢(shì) 微型機(jī)器人在輔助災(zāi)害救援工作中具有以下突出的優(yōu)勢(shì)： （1）可以連續(xù)執(zhí)行乏味的搜索救援任務(wù)，而不會(huì)像人一樣感到疲倦； （2）不怕火、濃煙等危險(xiǎn)和有害條件；（-）可以深入危險(xiǎn)地帶拍攝資料供研究人員分析查找； （3）重量輕，與人和搜救犬相比引起建筑物二次坍塌的可能性?。? （４）靈活，可以進(jìn)入那些人和搜救犬無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)地帶。 1.3 國(guó)內(nèi)外履帶機(jī)器人研究現(xiàn)狀 機(jī)器人技術(shù)最初起源于軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)場(chǎng)偵察、戰(zhàn)場(chǎng)清掃等，在20世紀(jì)80年代以前就有人開(kāi)始從理論上對(duì)機(jī)器人應(yīng)用于災(zāi)害搜救工作進(jìn)行了探討。 1995年在履帶機(jī)器人技術(shù)發(fā)展史上具有里程碑式的重要意義，發(fā)生在日本神戶(hù)—大阪的大地震及其之后發(fā)生在美國(guó)俄克拉荷馬州的阿爾弗德聯(lián)邦大樓爆炸案揭開(kāi)了履帶機(jī)器人技術(shù)研究的序幕。 2001年美國(guó)9.11事件給履帶機(jī)器人提供了1次寶貴的實(shí)踐機(jī)會(huì)，美國(guó)機(jī)器人輔助救援中心和其他一些單位的履帶機(jī)器人參與了救援行動(dòng)(圖1.1)。它們是Ｆoster-Miller公司的SOLEM系統(tǒng)、Tolon系統(tǒng)以及l(fā)nuklun公司的VGTV系統(tǒng)和Microlac系統(tǒng)，機(jī)器人在此次救援行動(dòng)中取得了成功。同時(shí)在救援中也暴露出了很多問(wèn)題，例如控制方式不可靠、防水性不好、視野狹窄等。 圖1.1 履帶機(jī)器人系統(tǒng) 機(jī)器人在9.11事件中的成功應(yīng)用，引發(fā)了人們研究履帶機(jī)器人的熱潮，幾年來(lái)發(fā)表了大量的研究成果，理論上和實(shí)際應(yīng)用上都取得了很大的進(jìn)步，研制出了各式各樣的履帶機(jī)器人系統(tǒng)，并在實(shí)踐方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 目前履帶機(jī)器人的研究主要有四個(gè)方面：１運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)；２通訊控制技術(shù)；３自主導(dǎo)航技術(shù)；４探測(cè)感知技術(shù)。 1.4履帶機(jī)器人的分類(lèi) 履帶機(jī)器人硬件的發(fā)展逐漸形成了幾種基本平臺(tái)，如履帶式平臺(tái)、蜿蜒式平臺(tái)、飛行類(lèi)平臺(tái)等。 1.4.1履帶式機(jī)器人 履帶式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有雙履帶、4履帶、6履帶等多種形式。復(fù)合式履帶可以調(diào)整爬坡角度和方向，因此具有很好的越野性能（圖1.2）。 履帶式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在碎石堆上可以快速前進(jìn)，遇到小的坡度和凹凸地時(shí)也可以輕松翻越，在遇到不能通過(guò)的障礙時(shí)還可以在很狹小的范圍內(nèi)完成轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。目前，履帶機(jī)器人廣泛采用這種運(yùn)動(dòng)形式。與其他運(yùn)動(dòng)形式相比，履帶式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有較快的速度和較大的轉(zhuǎn)距。履帶式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)較成熟，但也有重量大、摩擦阻力大等缺點(diǎn)。 圖1.2 IROBOT公司的履帶式機(jī)器人 1.4.2蛇形（蠕蟲(chóng)）機(jī)器人系統(tǒng) 蛇形機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)合了仿生學(xué)的許多研究成果，它通過(guò)模仿自然界肢節(jié)動(dòng)物，例如蛇的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)。日本的Ｈirosc教授首先提出蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)并研制了第一個(gè)蛇形機(jī)器人，他提出用“蛇形曲線(xiàn)”來(lái)描述蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng)方式。蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)基本是由一系列相同的關(guān)節(jié)組成，這些相同的單元通過(guò)萬(wàn)向軸連接起來(lái)，加上其頭部的導(dǎo)引頭來(lái)構(gòu)成1個(gè)車(chē)廂式的系統(tǒng)（圖1.3）。這種蛇形機(jī)器人有>種基本運(yùn)動(dòng)：直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)。4種運(yùn)動(dòng)方式組合就可以完成前進(jìn)、后退、側(cè)向和翻越障礙物等運(yùn)動(dòng)。 蛇形機(jī)器人以其靈活、橫截面積小、穩(wěn)定、可以翻越障礙物以及可實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)在救援領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，得到了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。我國(guó)的國(guó)防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化所等研究機(jī)構(gòu)也都對(duì)蛇形機(jī)器人進(jìn)行了研究并取得了可喜的成果。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)蛇形機(jī)器人的研究主要集中在蜿蜒運(yùn)動(dòng)理論的研究和徑跡規(guī)劃等方面。 圖1.3 ACM-R5蛇形機(jī)器人 1.4.3蜘蛛形機(jī)器人 蜘蛛形機(jī)器人是模仿蜘蛛等多足昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)方式而研制的機(jī)器人（圖1.4）。蜘蛛形機(jī)器人行動(dòng)靈活，通過(guò)多足的配合可以完成向前、向后、橫向以及縱向移動(dòng)等。蜘蛛形機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)可以通過(guò)跳躍的方式越過(guò)小型障礙物，因此與履帶式機(jī)器人以及蛇形機(jī)器人相比，蜘蛛形機(jī)器人受地面障礙物的影響更小，可以在更復(fù)雜的救援行動(dòng)中快速地執(zhí)行搜救任務(wù)。 圖1.4蜘蛛形機(jī)器人 1.4.4飛行機(jī)器人 微型飛行機(jī)器人（MAV）于,2世紀(jì)32年代由美國(guó)率先提出，由于其在軍事和民用部門(mén)的巨大應(yīng)用前景，因此引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注。 MAV在災(zāi)害環(huán)境中可以不受地面狀況影響，靈活性高。在較高的角度上飛行機(jī)器人的“視野”更加廣闊，因此可以擴(kuò)大搜索面積，加快搜索速度。飛行機(jī)器人在搜救行動(dòng)中更多地從事現(xiàn)場(chǎng)勘查和為搜救人員探路導(dǎo)航等工作。 1.5履帶機(jī)器人發(fā)展方向 9.11以來(lái)履帶機(jī)器人研究的迅速進(jìn)展，解決了一系列困擾履帶機(jī)器人發(fā)展的問(wèn)題，機(jī)器人由半自主向全自主方向發(fā)展。當(dāng)前，履帶機(jī)器人研究的熱點(diǎn)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)交互研究、環(huán)境感知與地圖生成技術(shù)、傳感與人體檢測(cè)技術(shù)、信息標(biāo)準(zhǔn)等。 1.5.1群體機(jī)器人研究 目前，履帶機(jī)器人研究正在從個(gè)體走向群體。在救援工作中，往往釋放很多的機(jī)器人，以擴(kuò)大搜索范圍，提高工作效率，并且多個(gè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，可以提高信息的可靠性和準(zhǔn)確性。各個(gè)機(jī)器人之間相互交流可以解決諸如定位、全覆蓋、翻越障礙等單個(gè)機(jī)器人難以處理的問(wèn)題。 群體機(jī)器人研究也是機(jī)器人技術(shù)中的#個(gè)共性技術(shù)，很多研究人員從人類(lèi)社會(huì)以及其他動(dòng)物的社會(huì)性、組織性等得到靈感，進(jìn)行多機(jī)器人系統(tǒng)的研究。 1.5.2全自主機(jī)器人研究 無(wú)線(xiàn)控制方式和電纜控制方式，在復(fù)雜的救援環(huán)境中都有一定的局限性。理想的解決方案就是實(shí)現(xiàn)履帶機(jī)器人自主路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航、自主搜索指定區(qū)域。目前的履帶機(jī)器人系統(tǒng)多為半自主系統(tǒng)，機(jī)器人需要在人為的操縱下才能夠完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行為的自主化，需要深入研究人工智能，重點(diǎn)解決自主導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、自動(dòng)繪制地圖、自身定位、目標(biāo)識(shí)別等技術(shù)難題。雖然目前履帶機(jī)器人還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)全自主活動(dòng)，但在未來(lái)的任何重大突破都將為履帶機(jī)器人的發(fā)展帶來(lái)劃時(shí)代的影響。 1.5.3全自主機(jī)器人研究 美國(guó)的機(jī)器人輔助搜救中心在9.11后的幾年中與國(guó)家消防等部門(mén)緊密合作，在各種救災(zāi)場(chǎng)合參與救援救災(zāi)行動(dòng)，并訓(xùn)練履帶機(jī)器人，為履帶機(jī)器人的進(jìn)一步研究積累了大量詳實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并給出了人機(jī)交互的定義，將人機(jī)交互描述為2個(gè)集合即生物集和社會(huì)集。生物集由環(huán)境條件、執(zhí)行者以及救援任務(wù)等8個(gè)子集組成； 社會(huì)集則由人機(jī)比例、工作流程以及人機(jī)通訊等8個(gè)子集構(gòu)成。通過(guò)具體地研究這些子集來(lái)完成人機(jī)交互的研究。在人機(jī)交互研究中需要研究幾個(gè)重要的問(wèn)題：救援專(zhuān)家需要履帶機(jī)器人做哪些工作，救援專(zhuān)家如何使用履帶機(jī)器人，救援專(zhuān)家需要履帶機(jī)器人提供哪些信息，如何確定人機(jī)比例才能夠有效地使用履帶機(jī)器人， 履帶機(jī)器人如何執(zhí)行多種救援任務(wù)等。 國(guó)際人工智能聯(lián)合會(huì)每年發(fā)表大量關(guān)于如何將專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)計(jì)人機(jī)交互以隨時(shí)為救援人員提供決策支持方面的論文。良好的人機(jī)交互界面，包括圖形界面、聲音交互等都是機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn). 1.5.4任務(wù)多樣化及傳感檢測(cè)技術(shù) 目前履帶機(jī)器人只能為救援人員提供一些偵查、監(jiān)視、搜索等簡(jiǎn)單任務(wù)，還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足人們對(duì)履帶機(jī)器人的要求。人們需要機(jī)器人能夠承擔(dān)運(yùn)送物品、拓展空間、遠(yuǎn)程診斷，甚至是遠(yuǎn)程醫(yī)療等更為復(fù)雜的任務(wù)。 日本“國(guó)際救援系統(tǒng)研究所”的研究目標(biāo)或許能在一定程度上說(shuō)明未來(lái)履帶機(jī)器人的發(fā)展方向。在第一階段的:年時(shí)間里，該機(jī)構(gòu)將開(kāi)發(fā)用于探索和嗅氣味的機(jī)器人，以發(fā)現(xiàn)廢墟中的幸存者。而后，該機(jī)構(gòu)將用下一個(gè):年時(shí)間開(kāi)發(fā)挖掘機(jī)器人，用第三個(gè):年時(shí)間開(kāi)發(fā)把幸存者搬運(yùn)到安全地點(diǎn)和醫(yī)院的機(jī)器人，一共用15年也就是到2010年左右將創(chuàng)造出１支機(jī)器人救援隊(duì)伍 傳感和人體檢測(cè)技術(shù)是履帶機(jī)器人領(lǐng)域非常重要的1個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)基于機(jī)器人平臺(tái)的各種傳感器來(lái)探測(cè)受害者的各種生命體征，進(jìn)而來(lái)搜尋幸存者并對(duì)受害者的身體狀況作出初步評(píng)估非常重要。 單一傳感器所能獲得的信息非常有限，它所獲得的是局部、片面的環(huán)境特征信息。將多種類(lèi)型的傳感器作為#個(gè)整體研究，可以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力、完整描述環(huán)境的能力、提高測(cè)量精度和信息處理速度，降低信息獲取成本。把信息融合技術(shù)與履帶機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來(lái)就可以顯著地提高機(jī)器人的智能化水平，完成更加復(fù)雜的任務(wù)。 1.6 主要內(nèi)容 從研究災(zāi)害救援中使用履帶機(jī)器人的必要性入手，分析了履帶機(jī)器人輔助救災(zāi)的優(yōu)勢(shì)、履帶機(jī)器人的發(fā)展歷程及其現(xiàn)狀。重點(diǎn)對(duì)履帶機(jī)器人的多種運(yùn)動(dòng)形式和通訊方式進(jìn)行了分析和歸納。最后分析了履帶機(jī)器人的發(fā)展方向并對(duì)我國(guó)發(fā)展履帶機(jī)器人提出了建議。本文大體內(nèi)容如下： 第1章 緒論 主要介紹履帶機(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),介紹該履帶機(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)械手各部分設(shè)計(jì)的介紹 第4章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手工程概述 機(jī)械手工程是一門(mén)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(chēng)之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以機(jī)械手設(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(kāi)發(fā)和運(yùn)用，從機(jī)械手的整體出發(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(kāi)、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)械手設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成機(jī)械手系統(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)械手的功能要求，將組成機(jī)械手系統(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)械手產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中大致包括如下:操作機(jī)，它是完成機(jī)械手工作任務(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)?？刂葡到y(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(pán)、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(xiàn)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)械手的特點(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)械手能有效地應(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)械手等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機(jī)械手技術(shù)綜合體地工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門(mén)，如建筑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機(jī)械手系統(tǒng)亦是如此。 2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(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)械手中，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)械手各運(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)械手末端執(zhí)行器的重量、關(guān)節(jié)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)械手等特點(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)械手傳動(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)械手的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)械手中常采用的機(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)械手的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手作業(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)械手的機(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(xiàn)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)械手操作機(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。 第3章 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 3.1總體設(shè)計(jì)的思路 設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段： 一、系統(tǒng)分析階段 1、根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。 2、分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。 3、根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。 二、技術(shù)設(shè)計(jì)階段 1、根據(jù)系統(tǒng)的要求的自由度和允許的空間空做范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式 2、擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)和空間作業(yè)圖。 3、確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型。 4、擬訂控制系統(tǒng)的控制原理圖。 5、選擇個(gè)部件的具體集體夠，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)。 6、繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。 下面結(jié)合本演示系統(tǒng)的基本要求和設(shè)計(jì)的基本原則確定本系統(tǒng)的方案。 3.2 設(shè)計(jì)方案過(guò)程及特點(diǎn) a. 機(jī)器人必須小巧、靈活、拆卸方便； b．機(jī)器人在工作過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)可適應(yīng)應(yīng)不同管徑的變化情況； c．機(jī)器人自動(dòng)化程度高，控制方便靈活； 3.3 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和比較 3.3.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)國(guó)內(nèi)外的管道機(jī)器人的移動(dòng)方式大致可分為六種： ㈠活塞移動(dòng)方式 ㈡滾輪移動(dòng)方式 ㈢履帶移動(dòng)方式 ㈣足腿移動(dòng)方式 ㈤蠕動(dòng)移動(dòng)方式 ㈥螺旋移動(dòng)方式 其各有優(yōu)缺點(diǎn)。以下分別介紹。 ㈠活塞移動(dòng)式依靠其首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓差為驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流 多輪方式時(shí)牽引力隨輪數(shù)增加而增加。缺點(diǎn)是著地面積小，維持一定的附著力較困難，這使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，越障能力有限。 ㈢履帶移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積大，易產(chǎn)生較大的附著力，對(duì)路面的適應(yīng)性強(qiáng)，牽引性能好，越障能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是體積大不易小型化，拐彎半徑大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還要保持履帶的張緊。 ㈣足腿移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)粗糙路面適應(yīng)性能較好，越障能力極強(qiáng)，可適應(yīng)不同管徑的變化。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，行走速度慢。 ㈤蠕動(dòng)移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)微小管徑，越障能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是移動(dòng)速度慢， 控制復(fù)雜。 ㈥螺旋移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是有一定的越障能力，可適應(yīng)不同管徑的變化，可在垂直管道中行進(jìn)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)速度慢，驅(qū)動(dòng)力要求高。 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求，所要研制的管道機(jī)器人必須要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方式的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)行走，這樣可利用其綜合優(yōu)點(diǎn)避免單一移動(dòng)方式的缺點(diǎn)。由于管道存在不同的彎管，這就要求機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)有一定的拐彎能力和越障能力。所以，設(shè)計(jì)了一種如下頁(yè)圖所示的可伸縮的三只履帶腿式（三只腿成120°分布）組合行走機(jī)構(gòu)。 其特點(diǎn)是：移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)彎比較容易、有較大牽引力、對(duì)粗糙路面適應(yīng) 3.3.2 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 初步選取電機(jī)的功率為5.5KW;同時(shí)電機(jī)要能變速；選擇伺服電機(jī)，最終選擇SM?150-270-20?LFB伺服電機(jī)。 確定行走機(jī)構(gòu)----履帶的外形尺寸 首先，確定履帶的寬度。由于履帶的寬度較小，那么它的工作所提供的驅(qū)動(dòng)力就會(huì)減小；而其寬度太大時(shí)，所受到的阻力就會(huì)很大。通過(guò)作圖的方法，取履帶的寬度為：=150mm。 其次，確定履帶的長(zhǎng)度。履帶的長(zhǎng)度越長(zhǎng)其轉(zhuǎn)彎的靈活性就會(huì)受到影響。所以，履帶的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。所以其長(zhǎng)度L為：L=580mm。 ②確定行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 由于外形尺寸的限制，電機(jī)內(nèi)置在履帶組中，同時(shí)采用錐齒輪來(lái)?yè)Q向，最后驅(qū)動(dòng)履帶輪。其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： =150mm L=580mm H=175mm 結(jié)構(gòu)總圖 1—軸01 2—電機(jī) 3—小錐齒輪 4—驅(qū)動(dòng)帶輪 5—軸02 6—直齒輪01 7—直齒輪02 8—軸03 9—大錐齒輪 10—從動(dòng)帶輪 ③確定行走機(jī)構(gòu)中的履帶輪和履帶輪 采用同步帶的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)履帶。以下是同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： 1. 適用于兩軸中心距較大傳動(dòng)，承載能力較大。 2. 帶具有良好的彈性，可以緩沖、吸振，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。 3. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維護(hù)較為方便，價(jià)格低廉。 首先，確定同步帶的主要參數(shù)：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-42） 齒 形：梯 形 齒距制式：模數(shù)制 型 號(hào)：m7 節(jié) 距：=21.991mm 其次，設(shè)計(jì)帶輪：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-50） (1)初選帶輪的次數(shù)：； ⑵選擇切削帶輪齒形的刀具類(lèi)型—切出直線(xiàn)齒廓的特別刀具； ⑶齒槽角：2φ=2β=40°； ⑷節(jié) 距: =πm=mm； ⑸節(jié)圓直徑:； ⑹模 數(shù)：； ⑺齒側(cè)間隙：； =21.991mm 2φ=40° ⑻名義徑向間隙：； ⑼徑向間隙：； ⑽外圓直徑：mm（其中δ=1.750）； ⑾外圓齒距：； ⑿外圓齒槽寬：； ⒀齒槽深：； ⒁齒槽底寬：； ⒂齒根圓角半徑： ； ⒃ ； 最后，設(shè)計(jì)履帶：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-43） 由于采用同步帶的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)履帶，同時(shí)履帶用于特殊的工作環(huán)境，所以不能完全采用同步帶的參數(shù)，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)履帶。 ⑴節(jié) 距：=21.991； ⑵齒形角：2β=40°； ⑶齒根厚：σ=10.06 ； ⑷齒 高：=4.2 ； ⑸帶 高： ； ⑹齒頂厚： ； ⑺節(jié)頂距：δ=1.750 ； ⑻帶 寬： ； =116.5mm =21.529mm =11.06mm =8.036 =21.991 2β=40° σ=10.06 =4.2 δ=1.750 ④確定大小錐齒輪參數(shù) 整個(gè)行走裝置里，錐齒輪的主要作用----換向，傳遞動(dòng)力。同時(shí)考慮到其完全在行走裝置內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設(shè)計(jì)大小錐齒輪的具體參數(shù)。 根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，采用軸交角。齒輪類(lèi)型為：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T 12369—1990,齒形角為20°、齒頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)14-200） 大錐齒輪的次數(shù);小錐齒輪的次數(shù)。大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)14-201） 大錐齒輪： ⑴法向模數(shù)： ； ⑵齒 數(shù)： ； ⑶法向齒形角： ⑷分度圓直徑： ⑸分度圓錐角： ⑹齒頂圓直徑： =75+2×1×2.5× =78.044mm ⑺齒根圓直徑： 大錐齒輪： 78.044mm 71.347mm ⑻錐 距： = =47.253mm ⑼齒頂角： = =3°1′43″ ⑽齒根角： = =3°47′1″ ⑾頂圓錐角： =+3°1′43″ =55°33′9″ ⑿根圓錐角： =-3°47′1″ =48°44′25″ ⒀齒 寬 ： b=25mm 47.253mm b=25mm 小錐齒輪： ⑴法向模數(shù)：； ⑵齒 數(shù)：； ⑶法向齒形角： ⑷分度圓直徑： ⑸分度圓錐角： ⑹齒頂圓直徑： =57.5+2×1×2.5× =61.467mm ⑺齒根圓直徑： =57.5-2×（1+0.2）×2.5× =52.54mm ⑻錐 距： = =47.253mm ⑼齒頂角： = =3°1′43″ 小錐齒輪： 57.5mm =61.467mm =52.54mm 47.253mm ⑽齒根角： = =3°47′1″ ⑾頂圓錐角： =+3°1′43″ = ⑿根圓錐角： =-3°47′1″ = ⒀齒 寬 ： b=25mm ⑤確定直齒輪的參數(shù) 在整個(gè)行走裝置中，直齒輪的作用，主要是傳遞動(dòng)力。根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸限制，同時(shí)為了減少零件的個(gè)數(shù)和降低成本，才用兩個(gè)完全相同的直齒輪，齒頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。齒數(shù)z=40，模數(shù)。其具體參數(shù)如下： ⑴分度圓直徑： ⑵齒 頂 高： ⑶齒 根 高： =3.125 b=25mm =100mm =2.5 =3.125 ⑷全 齒 高：=2.5+3.125=5.625 ⑸齒頂圓直徑： =100+2×2.5 =105mm ⑹齒根圓直徑： =100-2×3.125 =93.75mm ⑺齒 厚： ⑻齒 根 寬： ⑼中 心 距： ⑽頂 隙： 3.3大小錐齒輪的設(shè)計(jì)和校核 ⑴選擇齒輪的類(lèi)型,精度等級(jí),材料和齒數(shù) ① 選擇直齒圓錐齒輪 ② 8級(jí)精度齒輪,軟齒面 ③ 小齒輪的材料為40Cr，調(diào)制處理，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)制處理HBS。 ④ 初選小齒輪的齒數(shù)；大齒輪的齒數(shù)為。 ⑵按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 ① 根據(jù)軸承布置方式和載荷的沖擊情況，取K=1.8。 ② 查附錄2（機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)）得小齒輪的接觸疲勞極限為： 大齒輪的接觸疲勞極限為： 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力： ③計(jì)算小齒輪的分度圓直徑 =195.153.856mm 其中 =36.1 N.m ⑶按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 ① 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，兩齒輪的分度圓錐角分別為： 當(dāng)量齒數(shù)為： 查附錄2得： ② 由附錄2得，小齒輪的彎曲疲勞極限為： 大齒輪的彎曲疲勞極限為： 53.856mm =36.1 N.m = ③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力： 大齒輪數(shù)值大，代入計(jì)算 ④ 計(jì)算： = =2.1635 取m=2.5則： 取 ，取； ⑤ 錐距為： =47.253mm ⑥ 分度圓直徑為： ⑦ 分度圓錐角為： ， 2.1635 ⑧ 齒 寬 ： b=25mm 3.4 軸Ⅰ的設(shè)計(jì)和校核 1. 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件，初步估計(jì)軸徑： 其中=110，查機(jī)械設(shè)計(jì)（P362）表15-3可得。 代入上面得值，計(jì)算可得： 由于軸上有一鍵槽，所以：，取軸的最小直徑為：d=20mm。 2. 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下： 3. 按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度校核 ①做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 軸所受的載荷是從軸上零件傳來(lái)的。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，做出其受力簡(jiǎn)圖如下圖所示： b=25mm d=20mm。 ② 校核所需要的基本參數(shù) ③ 計(jì)算齒輪的嚙合力： A: 直齒輪的齒輪嚙合力 1. 齒輪圓周力： =685.9 N 直齒輪： 685.9 N 2.齒輪徑向力： B: 錐齒輪的齒輪嚙合力 1. 齒輪圓周力： =914.533 N 2. 齒輪徑向力： =202.634 N 3. 齒輪軸向力： = =264.078 N ④ 求水平面的支反力和做出彎矩圖: 1. 其受力分析圖如下圖所示: 錐齒輪： =914.533N =202.634 N =264.078 N 2. 對(duì)A點(diǎn)求矩： 則有： =372.848 N 3. 對(duì)B點(diǎn)求矩： 則有： = = -144.216 N 4. 根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，畫(huà)出彎矩圖。 =372.848 N ⑤ 求垂直面內(nèi)的支反力，并作出彎矩圖 1. 受力分析如圖所示： 2. 對(duì)A點(diǎn)求矩： 則有：（其中） = -8.590 N 2. 對(duì)D點(diǎn)求矩： 則有： = -8.590 N = -38.423 N 3. 做出對(duì)應(yīng)彎矩圖 ⑥ 求支反力 =149.246 N =312.965 N ⑦ 合成彎矩圖 =2889.432 N =25774.198 N =23238.956 N ⑧ 根據(jù)已知條件，做出扭矩 ⑨ 校核危險(xiǎn)截面 綜上所知，C面為危險(xiǎn)截面： (其中，由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，所以取，T=36100) =31767.982 (其中 =1251.74) C截面圖 = ，軸滿(mǎn)足要求。 (其中=55查機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程P261-表11-13得) 下頁(yè)附：彎矩圖 1251.74 3.5 鍵的校核 在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于平鍵的制作方便，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性比較好，所以能采用平鍵的情況下，都采用平鍵。平鍵的主要失效形式為工作面被壓潰；嚴(yán)重過(guò)載時(shí)，可能出現(xiàn)鍵被剪斷。所以，通常情況下只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 由于在軸01上的鍵 825 其結(jié)構(gòu)尺寸最小，受力較大。在這里就只校核該鍵，其余可以不予與校核。 普通平鍵的強(qiáng)度條件： 其中 T ---傳遞扭矩： ； ---鍵與輪轂鍵槽的接觸高度： ---鍵的工作長(zhǎng)度，圓頭平鍵為： ---軸的直徑 =42.47 由于鍵的材料為45，同時(shí)其載荷性質(zhì)為輕微沖擊，查機(jī)械設(shè)計(jì)（P-106）表6-2可得： 所以 ，鍵滿(mǎn)足要求。 第4章 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu) 4.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 臂部部件是關(guān)節(jié)機(jī)械手的主要部件。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)關(guān)節(jié)，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，關(guān)節(jié)機(jī)械手常采用無(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)系關(guān)節(jié)機(jī)械手位置精度高;關(guān)節(jié)式關(guān)節(jié)機(jī)械手的位置最難控制，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(lèi)和鑄件的大小，見(jiàn)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(jiàn)總裝配圖。 4.2 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。 4.3 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 大臂速度為10r/min ，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： 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 使機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則： (3.4) 若考慮繞機(jī)械手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° 4.4 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 軸的計(jì)算校核 畫(huà)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(jiàn)（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(mǎn)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(mǎn)足要求。 第5章 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1 腕部設(shè)計(jì) 腕部能夠連接機(jī)器人的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。 腕部設(shè)計(jì)的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強(qiáng)度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結(jié)構(gòu)合理，傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的合理布局及安裝等。 按自由度分類(lèi)可將工業(yè)機(jī)器人手腕分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必須具備三個(gè)自由度，而是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人實(shí)際使用的工作性能要求來(lái)確定。本課題所研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人手腕具有擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度。二自由度的手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個(gè)RR關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只起到單自由度的作用。本次設(shè)計(jì)要求腕部實(shí)現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)，即BB型手腕，如圖5.1所示。由于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)，所以為減輕整個(gè)小臂的自重，采取腕部步進(jìn)電機(jī)后置遠(yuǎn)距離間接驅(qū)動(dòng)，將其裝在大臂的底部，固定在機(jī)身圓盤(pán)上，再通過(guò)兩條鏈傳動(dòng)，一條鏈直接帶動(dòng)腕部的擺動(dòng)，另一條鏈傳動(dòng)帶輪帶動(dòng)錐齒輪軸通過(guò)一級(jí)錐齒輪的傳遞帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然在腕擺時(shí)會(huì)產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動(dòng)，但是可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制干涉。 圖5.1 ＢＢ型手腕示意圖 本課題研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人廣泛用于進(jìn)行汽車(chē)車(chē)身等噴涂作業(yè)，腕部作用于工作空間的最前端，有時(shí)需伸入狹窄的空間進(jìn)行作業(yè)，所以為了滿(mǎn)足手腕部分結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、動(dòng)作靈活等要求將其外形和尺寸設(shè)計(jì)成如圖5.2所示。 圖5.2 手腕外形尺寸示意圖 5.2 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 手腕的偏轉(zhuǎn)是通過(guò)后置于大臂底部一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩級(jí)帶輪鏈條傳動(dòng)，再經(jīng)過(guò)錐齒輪嚙合傳動(dòng)改變方向來(lái)實(shí)現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自步進(jìn)電機(jī)，首先要計(jì)算手腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，從而計(jì)算設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)以及錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)參數(shù)及相關(guān)尺寸。 （1）選擇步進(jìn)電機(jī) 手腕偏轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。 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)手腕回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）； —手腕部分對(duì)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；