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1、物料搬運機器人機械系統(tǒng)設計 1 緒論 1.1 課題概述[1] 機器人是一種新型的自動化操作裝置。它可以根據(jù)作業(yè)的不同要求，按照預先確定的程序搬運物體，裝卸零件以及操持噴槍，焊把等工具去完成一定的作業(yè)。因此，它可在繁重、高溫，多粉塵的勞動環(huán)境較差的場所工作。 在化學工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過程中的自動化已基本得到解決?？墒窃跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)并不是連續(xù)的。專用機床是解決大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除了切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，需要進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這

2、些加工作業(yè)的機械化與自動化奠定了良好的基礎。 工業(yè)機器人是近代在自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并且已經(jīng)成為了現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個非常重要的組成部分。 機器人的迅速發(fā)展是基于它的積極作用正慢慢的被人們所認識：第一、它能部分代替人工操作；第二、它能按照生產(chǎn)工藝的技術(shù)要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的輸送和裝卸；第三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配作業(yè)。從而能大大的改善工人的勞動條件，顯著提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的機械化和自動化。因而機器人受到各個先進的工業(yè)國家的重視，他們投入大量的人力和物力加以研究與應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性及污染的場合，應

3、用的更廣泛。在我國，近幾年也有較快的發(fā)展，并取得了一定的效果，受到機械工業(yè)部門的重視。 機器人一般分為三類。第一類是通用機器人，它不需要人工操作，也就是本文所研究的對象。它是一種完全獨立的、不附屬于某一個主機的裝置，可以根據(jù)任務需要來編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它除了具備普通機械所具有的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能，是一種三元機械。第二類稱為操作機（Manipulator），它需要人工的操作，操作機起源于原子、軍事工業(yè)，一開始都是是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號來操作機器人，可以進行探測月球等工作。工業(yè)中采用的鍛造類操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，

4、它主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床的上下料和工件的傳送。這種機器人在國外通常被稱為“Mechanical Hand”，它是為主機進行服務的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，它的工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機器人按照其結(jié)構(gòu)的不同又可以分為多種類型，其中關節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)非常緊湊，所占用的空間體積小，但其相對的工作空間卻是最大的，甚至能繞過基座四周的一些障礙物等特點，成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。 簡單的說，機器人就是用機器手代替人手，把物料從某一個地方移動到指定的位置，或按照工作要求可以操縱工件進行加工。 要機器

5、人可以像人一樣拿取東西，最基本的條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和轉(zhuǎn)移機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)；能像肌肉那樣使手臂動作的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；能像大腦指揮手那樣進行動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1.1 所示。 機器人 控制系統(tǒng) 驅(qū)動-傳動系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu) 關節(jié)協(xié)調(diào)及其他信息交換計算機 單關節(jié)伺服控制器 電、液或氣驅(qū)動裝置 基座部（固定或移動） 腕部 臂部 手部 腰部 圖1.1 機器人的一般組成[2] 現(xiàn)代智能機器人與過去相比，還具有一定的智能系統(tǒng)，主要是

6、增加了感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前機器人技術(shù)的研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，還有機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是相互獨立的，或者說并不只是簡簡單單的疊加在一起，就能構(gòu)成一個機器人的。要實現(xiàn)我們所期望機器人能實現(xiàn)的功能，機器人的各部分之間必需存在著相互關聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1.2 所示。 控制系統(tǒng)（一） 控制系統(tǒng)（二） 驅(qū)動傳動裝置 執(zhí)行機構(gòu) 工作對象 智能系統(tǒng) 位形檢測 圖1.2 機器人各組成部分之間的關系[3] 機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)跟驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成各

7、種工作任務的實體，它通常由連桿和關節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，能按照控制系統(tǒng)的要求完成各種工作任務。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)包括了驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)負責提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)可將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關節(jié)的力矩跟運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有一些文獻把機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。 1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀[4] 機器人最早是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出了第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)是：在機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有使用電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)

8、是示教型的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展速度最快、應用范圍最廣的國家。自從1969年從美國引進二種典型機器人后，日本就一直大力從事機器人方面的研究。 目前的工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要是依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，還不具備識別能力；改進的方面主要是降低加工與維護成本和提高加工工件的精度。 第二代機器人目前正在加緊研制。它擁有微型電子計算機控制系統(tǒng)，有視覺和觸覺能力，甚至聽跟想的能力。還要研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有初步感覺的機能。 第三代機器人則能獨立地完成各種加工過程中的任務。它能與電子計算機跟電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS

9、(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。 現(xiàn)在，在加工工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為了突出主題。化學工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是實現(xiàn)大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效

10、地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的工作環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不

11、能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用

12、專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。 美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段： (1)1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。 (2)1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1

13、969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。 (3)1970年至今一直處于推廣應用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省

14、理工學院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。 其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計

15、劃地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 1.3 機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： (1)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人； (2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手

16、指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合； (3)研制各種傳感器跟檢測元件，如觸覺、視覺、聽覺、味覺和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。 33 物料搬運機器人機械系統(tǒng)設計 2 物料搬運機器人的設計 2.1 物料搬運機器人的功能 物料搬運機器人應具備以下功能: (1)移動:通過機器人的移動實現(xiàn)物料的遠距離搬運； (2)導航跟定位;能夠自主的按照預先設置的路線運行，并獲得位置資料； (3)運輸:能搬運物料從A位置到B位置； (4)規(guī)劃路

17、徑:在離線的狀態(tài)下，操作者要為機器人在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中尋找無碰撞路徑； (5)避障(擴展功能):機器人應該具有一定的感受、適應外界環(huán)境變化的能力，尤其是要能檢測出明顯的障礙物，自動調(diào)用避障策略； (6)無線通訊:有數(shù)據(jù)傳輸功能，有效距離1000米。 2.2 傳感器系統(tǒng)[13] 傳感器系統(tǒng)屬于機器人控制系統(tǒng)，是整個機器人的感覺器官，負責探測工作環(huán)境以及檢測機器人自身的運動。傳感器系統(tǒng)有能檢測機器人運動的傳感器和實現(xiàn)機器人可擴展功能所需的傳感器。下面主要介紹能實現(xiàn)各種基本作業(yè)的傳感器： (1)行進距離檢測:編碼器，采用積分增量思想，具有較好的短期精度； (2)偏轉(zhuǎn)角度檢測:陀螺，測量旋轉(zhuǎn)

18、角速度，無需外部參考，適于短時間的精確定位； (3)起點、終點擺放臺檢測:微動開關，反饋是否接觸擺放臺側(cè)壁信息； (4)物料抓取檢測:微動開關，檢測物料是否被有效抓起； (5)(可擴展功能)突出的障礙物檢測:采用超聲波傳感器行進路徑上有無障礙物； (6)(可擴展功能)運行環(huán)境白色引導線檢測:采用顏色傳感器識別白線信息，利用白線導航。 2.3 移動載體 移動載體能執(zhí)行輪式物料搬運機器人的移動功能。常見的移動載體有輪式、履帶式和足式行走機構(gòu)，此外還有各種輪、履跟腿的混合式結(jié)構(gòu)。 (1)輪式 輪式移動載體一直是平坦地面上運動的最有效的工具。它具有能高速穩(wěn)定移動、能量利用效率高、機構(gòu)和

19、控制簡單等優(yōu)點，缺點是移動場所限制在平面上，且一般情況下需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，因而造成靈活性下降。輪式移動載體依據(jù)車輪的數(shù)量可分為 1輪、2輪、3輪、4輪及多輪機構(gòu)。單輪和雙輪主要是進行直立穩(wěn)定移動控制問題的基礎研究，而不著眼于移動機器人的實用化問題。從高速移動時加強穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，多數(shù)采用的是四輪機構(gòu)。五輪以上的機構(gòu)有較大的穩(wěn)定性，適合子臺階、階梯或三維彎曲路面等非平地狀態(tài)的移動。全方位車輪機構(gòu)是目前常用的輪式機構(gòu)，具備全方位移動功能，操作靈活，特別適合干窄小空間中的移動作業(yè)。[5] 按照所用輪子的類型和驅(qū)動方式，輪式移動載體可分為五大類，即(3,0), (2, 0), (2, 1), (

20、1, 1)和(1, 2)，其中前面的數(shù)字表示移動度(degree of mobility)，后面的數(shù)字表示轉(zhuǎn)向度(degree of steering)。輪式機器人在地面上滾動時，會受到非完整約束，這是由輪子的運動本質(zhì)決定的，即輪子在地面上做無滑動的純滾動。盡管非完整系統(tǒng)類別與輪式平臺的類型有關，但所有輪式平臺都是非完整的。[5] (2)履帶式 為了改善車輪對松軟地面和不平坦地面的適應能力，履帶式移動機構(gòu)被廣泛采用。履帶式移動機構(gòu)有以下特點:支承面積大，接地比壓小，適于松軟和泥濘地面作業(yè)。機動性好，爬坡、越溝等性能好。履帶不易打滑，牽引附著能力好。履帶運動方式在不平地面上的機動性很差，轉(zhuǎn)彎

21、不便，轉(zhuǎn)向時能耗較大。 (3)足式 足式行走機器人即所謂的步行機器人。步行機器人不僅能在平地上而且能在凹凸不平的地面上行走、跨越障礙、上下臺階，具有獨特的優(yōu)越性能。但是，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實現(xiàn)上述功能的機器人很少。四足機器人普遍存在控制復雜和步行速度低、步幅小等缺點，實用化的成果則更少。 顯然，本課題所研究的機器人主要在平面的環(huán)境中運行，選用輪式移動載體最為合理，即采用兩輪獨立驅(qū)動的方式，通過控制兩個驅(qū)動輪的速度，使車體跟蹤不同的軌跡曲線。這種結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)點是轉(zhuǎn)向靈活，當兩輪速度值相同，方向不同時，車體可以原地回轉(zhuǎn)。 2.4 自由度與機器人的運作 物料搬運機器人

22、的整體機構(gòu)如下圖2.1所示，現(xiàn)在讓我們分析一下它的運動過程：它有四個自由度，底座的旋轉(zhuǎn)以及底座上部上下伸縮，手臂的前后伸縮和手部的夾緊與放松。最底部的輪子是用來使機器人能夠在有效的工作范圍內(nèi)進行移動，以便能夠得到更大的工作空間，更有利于物料的搬運。它的移動主要是前后移動，使機器人能將物料搬運到更遠的位置。A表示的是底座，主要是控制機器人上半部的旋轉(zhuǎn)，包括機械手，手臂，它是通過底座里的電機一旋轉(zhuǎn)，帶到1齒輪軸套，它與2主軸齒輪嚙合，進而使主軸旋轉(zhuǎn)，在底座上方C里，通過齒輪傳動3帶動C腰部旋轉(zhuǎn)，C與B手臂已經(jīng)連接固定，使其帶動C，手臂D，手部E同步旋轉(zhuǎn)。C中通過電機二聯(lián)接一個小齒輪4，與其內(nèi)部的長

23、軸嚙合，當電機二運行時，通過4使長軸進行上下運動。手臂D中有電機三，當電機三運轉(zhuǎn)時，使其內(nèi)部的軸旋轉(zhuǎn)，然后通過絲杠傳動原理，讓軸進行左右伸縮，軸與手部連接，所以就使手部到達的左右伸縮的目的。手部里有電機四，它也是通過絲杠原理讓手部進行夾緊與放松的動作。 移動載體 D E 1 電機一 電機二 電機三 電機四 A B C 2 3 4 圖2.1 物料搬運機器人結(jié)構(gòu)簡圖 2.5 控制方式的選擇 本次設計物料搬運機器人主要是進行工業(yè)生產(chǎn)中物料的搬運，是將工業(yè)生產(chǎn)的物料搬運實現(xiàn)自動化。考慮到本次設計的物料搬運機器人搬運

24、的物料是在8KG以下，而且物料不是很復雜，精度不是很高，所以設計的物料搬運機器人采用四個自由度，分別是手臂隨著腰部的旋轉(zhuǎn)和上下伸縮進行運動，手臂的左右伸縮和手部的夾緊與放松。此四個自由度可以保證在工業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)⑽锪习徇\到空間的各個位置上。物料搬運機器人的四個自由度可以將夾取的物料搬運到四周的位置上，但為了讓它的工作范圍擴大，能夠減少機器人的投入量，所以我們將它固定在帶有輪子的機身上，從而實現(xiàn)其目的。物料搬運機器人的工作過程如下：當物料要求從物架上搬運時，機器人通過手臂的伸縮和腰部的旋轉(zhuǎn)調(diào)整好位置，手部夾住物料。然后傳感器發(fā)出信號，通過機器人的底座旋轉(zhuǎn)，腰部伸縮，手臂伸縮將物料搬運到指定的位置

25、，手部松開，將物料放在指定的位置，再回到下一個物料的位置，這就完成了一個周期。 根據(jù)物料搬運機器人的工作過程的自動化性質(zhì)，必須選取一個控制器來控制實現(xiàn)機器人的運動。本設計中我們可以采用PLC和單片機控制，由于我只參與物料搬運機器人的機械系統(tǒng)的設計，控制部分就不多介紹了。 物料搬運機器人機械系統(tǒng)設計 3 手部的設計與計算 3.1 手部的設計 工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它是機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操

26、作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類： (1)夾鉗式取料手 (2)吸附式取料手 (3)專用操作器及轉(zhuǎn)換器 (4)仿生多指靈巧手 本文設計對象為物料搬運機器人，并不需要復雜的多指人工指，只需要設計能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。該設計采用兩個手指，其外形如圖3.1所示 圖3.1 機械手手指形狀 3.2 驅(qū)動方式[5] 機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表3-1[6]： 表3-1三種驅(qū)動方式的特點對照[6] 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓

27、驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機驅(qū)動 輸出功率 很大，壓力范圍為50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達Pa 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜 響應速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問

28、題較大 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險 防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性 設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 對環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 在工業(yè)機器人中應用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器

29、人、點焊機器人和托運機器人 適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復雜 機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： (1)驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； (2)反應速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻

30、繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； (3)驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； (4)安全可靠； (5)操作和維護方便； (6)對環(huán)境無污染，噪聲要小； (7)經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設計要求，本文選用步進電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。 3.3 手部夾緊力的計算 擬定物料搬運機器人手部最大抓取重量為8kg，其夾角為31度。根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，最終采用如下的圖示結(jié)構(gòu)(圖3.2)： 圖3.2 手部結(jié)構(gòu)簡圖 手部機架采用鑄鋼鑄造，其摩擦系數(shù)，重力加速度取。夾緊時由力學關系可以得到公式：，從而得到夾緊力

31、 (3.1) 由公式，知所需的驅(qū)動力 (3.2) 夾緊機構(gòu)采用絲杠傳動原理傳送夾緊力，擬定絲杠的大徑，螺距設為，牙型角為的梯形普通螺紋。 3.4 彈簧的計算 彈簧外形如下圖所示(圖3.3) 現(xiàn)在通過計算來確定彈簧的旋繞比、最大工作負荷、工作極限負荷、最小工作負荷、彈簧要求剛度、總?cè)?shù)、有效圈數(shù)、單圈剛度等一系列有彈簧有關的數(shù)據(jù)來確定彈簧是否合格。 圖3.3 手部彈簧 選用材料碳素彈簧鋼絲 彈簧材料的許用應力及必須按照負荷性質(zhì)來確定

32、。 彈簧按負荷性質(zhì)分為三類： Ⅰ類：受變負荷作用，次數(shù)在此以上的彈簧; Ⅱ類：受變負荷作用，次數(shù)在次或沖擊負荷的彈簧; Ⅲ類：受變負荷作用，次數(shù)在次以下的彈簧。 旋繞比C ；或查表11-1-6[7] (3.3) ，，，由表11-1-6查得 最大工作負荷，單位N， (3.4) 工作極限負荷， (3.5) 最小工作負荷

33、 (3.6) 彈簧要求剛度 (3.7) 單圈剛度 (3.8) 有效圈數(shù)， (3.9) 總?cè)? (3.10) 3.5 手部電機選擇原則 3.5.1 一般執(zhí)行電機的選擇原則 (1)伺服系統(tǒng)設計通常從選擇執(zhí)行電機開始的，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件．應能方便地實現(xiàn)連續(xù)地、平滑地、可逆調(diào)速

34、，對控制信號反應快捷，才能保證整個系統(tǒng)帶動被控對象按所需要的規(guī)律及控制精度運動。 (2)考慮電機的種類及控制方式。 可用作伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件的電機種類很多，從大的類別看：有直流伺服電動機(他激的或水磁的)、直流無刷電機、兩相異步電動機、三相異步電動機、滑差電動機、同步電動機、交流伺服電機、各種步進電機……等等。由于它們調(diào)速方法不同、所需電源種類不同、驅(qū)動它們運轉(zhuǎn)的功率放大裝置更是多種多樣，因而它們的機械特性、調(diào)速特性、過載能力、驅(qū)動功率的大小、以及構(gòu)成系統(tǒng)的總成本，都各不相同，需要認真地具體分析比較來確定。 直流伺服電動機、交流伺服電動機和直接驅(qū)動電動機均采用位置閉環(huán)控制，一船用于要求高精

35、度、高速度的數(shù)控系統(tǒng)。步進電動機主要用于開環(huán)系統(tǒng)，一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的數(shù)控系統(tǒng)。 永磁直流伺服電動機用于一般的直流伺服系統(tǒng)。無槽電樞直流伺服電動機用于需要速動作、功率較大的伺服系統(tǒng)?？招谋姌兄绷魉欧妱訖C用于需要快速動作的伺服系統(tǒng)。印制繞組直流伺服電動機用于低速運行和起動、反轉(zhuǎn)頻繁的系統(tǒng)。 同步型交流伺服電動機常用于位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機床的進給系統(tǒng)、機器人關節(jié)伺服系統(tǒng)及其它機電一體化產(chǎn)品的運動控制．包括點位控制和連續(xù)軌跡控制。常見的功率范圍是數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，個別的達到數(shù)十千瓦。而異步型交流伺服電動機主要用于需要以恒功率擴展調(diào)速范圍的大功率調(diào)速系統(tǒng)中，如在數(shù)控機床中用

36、作主軸系統(tǒng)驅(qū)動．常見的功率范圍是數(shù)干瓦以上。 (3)通過定量的核算確定電機的具體型號與規(guī)格。 選擇執(zhí)行電機不能只停留在確定電機的類別及其控制方式上，還必須確定具體型號與規(guī)格，需要作定量的核算。為此，要根據(jù)被控對象的運動形式(旋轉(zhuǎn)或直線運動)，運動的變化規(guī)律，運動負載的性質(zhì)和具體數(shù)量，運行工作體制(是長期連續(xù)運行或短時運行或間歇式運行)，結(jié)合系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標要求，作定量的分析。 (4)考慮被控對象工作的特點和環(huán)境條件。 執(zhí)行電機是伺服系統(tǒng)的一個重要組成部分．同時又靠它驅(qū)動被控對象，因此它是伺服系統(tǒng)與被控對象相聯(lián)系的一個關鍵部件。執(zhí)行電機必須適應被控對象工作的特點與環(huán)境條件，它的機械結(jié)構(gòu)

37、尺寸、安裝固定方式，必須與被控對象緊密配合，以求得總體的合理配置，便于安裝調(diào)整，便于使用維護。這些都關系到執(zhí)行電機的選擇。在伺服系統(tǒng)應用的許多場合，要想改換別種類型的執(zhí)行電機，常會遇到機械結(jié)構(gòu)、體積重量、使用環(huán)境條件、電源配備等條件的限制 (5)其它考慮因素。 當兩種電氣伺服系統(tǒng)都能滿足實際應用的要求時．則產(chǎn)品的價格是關鍵因素。其它一些條件．如貨源方便程度、維修與服務、技術(shù)成熟度、未來發(fā)展等都可能成為選擇何種電氣伺服系統(tǒng)的考慮因素。 3.5.2 電機的選用 夾持部分所用電機選擇步進電機，下面是步進電機的介紹： 步進電機的工作原理簡述：步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當步

38、進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機分類：步進電機可以大概分為一下幾種：永磁式步進電機：一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較?。环磻讲竭M電機：一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出；混合式步進電機：是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點的電機，它又分為兩相和五相。這是目前應用最廣泛的一種步進電機。 永磁式步進電機工作原理簡述：永磁式步進電動機是一個永久磁鐵電動子, 卷繞并且磁性地

39、導電性定子。 通電導線形成一個磁場， 定子磁場分布的改變， 定子在磁場的作用下轉(zhuǎn)動來帶動負載。上圖說明典型的步進電動機作用原理：一個兩相繞阻。兩相繞阻中的A向通電產(chǎn)生磁場，磁場方向顯示如圖, 因為轉(zhuǎn)子受定子磁極吸引由向A向繞阻轉(zhuǎn)動。然后對B向繞阻通電，使轉(zhuǎn)子由A向繞阻向B向繞阻轉(zhuǎn)動，即轉(zhuǎn)子隨磁場方向轉(zhuǎn)動。磁場轉(zhuǎn)到A向繞阻，轉(zhuǎn)子由B向繞阻向A向繞阻轉(zhuǎn)動。重覆以上這個過程。每使電動機轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過90度，即步進電機向前進一步（一個步距角）。 步進電機與其他類型電動機的區(qū)別與聯(lián)系： 步進電機與伺服電動機同樣屬于執(zhí)行電動機，同樣是將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械信號。其控制方式也基本相似，同

40、樣是用脈沖串和方向信號實現(xiàn)電機控制。但在性能和應用場合上存在較大差異： 控制精度不同： 步進電機的控制精度由步距角決定，電機P（步進電機相數(shù)）值受物理條件限制，而交流伺服電動機的控制精度則是由一個旋轉(zhuǎn)編碼器保證，由脈沖當量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度。 輸出力矩不同： 步進電機的輸出力矩會隨電機轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，而交流伺服電機為恒力矩輸出。 過載能力不同： 步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。步進電機因為沒有過載能力，在選型時為了克服慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常

41、工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。 運行性能不同： 步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 速度響應性能不同： 步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM有的僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。

42、 步進電機與同步、異步電機的性能比較： 步進電機與伺服電機屬于執(zhí)行電機，而同、異步電機均屬交流動力電機，是靠50周交流電網(wǎng)供電而轉(zhuǎn)動。異步電機是定子送入交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子受感應而產(chǎn)生磁場。這樣兩磁場作用，使得轉(zhuǎn)子跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場而轉(zhuǎn)動。其中轉(zhuǎn)子比定子旋轉(zhuǎn)磁場慢，有個轉(zhuǎn)差，不同步所以稱為異步機。而同步電機定子同異步電機，其轉(zhuǎn)子是人為加入直流電形成不變磁場，這樣轉(zhuǎn)子就跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場一起轉(zhuǎn)而同步，始稱同步電機。 步進電機的選用原則： 步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差（精度為 100%

43、），所以廣泛應用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 為了讓更多的用戶了解步進電機及步進電機驅(qū)動器，選擇到最適合自己使用要求的步進電機和步進電機驅(qū)動器，特將有關選型原則

44、介紹如下： (1)首先確定步進電機拖動負載所需要的扭矩。最簡單的方法是在負載軸上加一杠桿，用彈簧秤拉動杠桿，拉力乘以力臂長度既是負載力矩?；蛘吒鶕?jù)負載特性從理論上計算出來。由于步進電機是控制類電機，所以目前常用步進電機的最大力矩不超過 70Nm ，力矩越大，成本越高，如果您所選擇的電機力矩較大或超過此范圍，可以考慮加配減速裝置。 (2)確定步進電機的最高運行轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速指標在步進電機的選取時至關重要，步進電機的特性是隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多參數(shù)有關，如 : 驅(qū)動器的驅(qū)動電壓、電機的相電流、電機的相電感、電機大小等等，一般的規(guī)律是：驅(qū)動電壓越高，力矩下降越慢；電機的相電

45、流越大，力矩下降越慢。在設計方案時，應使電機的轉(zhuǎn)速控制在 1500 轉(zhuǎn) / 分或 1000 轉(zhuǎn) / 分，當然這樣說很不規(guī)范，可以參考〈矩 - 頻特性〉。 (3)根據(jù)負載最大力矩和最高轉(zhuǎn)速這兩個重要指標，再參考〈矩 - 頻特性〉，就可以選擇出適合自己的步進電機。如果您認為自己選出的電機太大，可以考慮加配減速裝置，這樣可以節(jié)約成本，也可以使您的設計更靈活。要選擇好合適的減速比，要綜合考慮力矩和速度的關系，選擇出最佳方案。 (4)最后還要考慮留有一定的（如 30% ）力矩余量和轉(zhuǎn)速余量。 (5)盡量選擇混合式步進電機，它的性能高于反應式步進電機。 (6)盡量選取細分驅(qū)動器，且使驅(qū)動器

46、工作在細分狀態(tài)。 (7)選取時且勿走入只看電機力矩這一個指標的誤區(qū)，也就是說并非電機的扭矩越大越好，要和速度指標一起考慮。 (8)在轉(zhuǎn)速要求較高的情況下可以選擇驅(qū)動電壓高一點的驅(qū)動器。 (9)在選購時是采用兩相的還是三相的，這并沒有什么具體的要求，只要步距角能滿足使用要求就行。 3.6 手部電機選擇 夾緊機構(gòu)采用螺旋傳動，其驅(qū)動力矩： [7] (3.11) 式中為螺紋摩擦力矩，且 (3.12) 為螺旋傳動的軸向載荷， －當量摩擦角， －螺紋中徑（mm），－

47、螺旋線升角（） ， ， 螺紋傳動軸向支撐面磨擦力矩： 因為支撐面是環(huán)形面支撐 所以 (3.13) 為軸向支撐面間的摩擦系數(shù) 由資料查出，深溝球軸承=0.0015～0.0022 取=0.0015 為螺旋傳動徑向軸承摩擦力矩，因為無徑向支撐，所以此相為 選用55BF003步進電機，相數(shù)為3，額定電壓27V，靜態(tài)電流3A，步距角1.5/3，空載啟動頻率PPS為1800，空載運行頻率16000，外形尺寸：總長70mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。 3.7 電

48、機轉(zhuǎn)速與夾緊力速度幾何關系的確定 因為在工業(yè)生產(chǎn)中，物料的大小雖然形狀差異比較大，但整體的抓取范圍相差并不是很大，所以現(xiàn)在將手部爪子的最大張開寬度定為120mm，最小張開寬度設為70mm。絲杠螺距為p=2.5mm，爪子夾角為 如果手爪夾緊時夾緊方向位移設為x，絲杠傳動的水平位移為y，那么有。 那么，若電機轉(zhuǎn)動一圈，絲杠向前傳動一個螺距的話，即，那么 例如：夾緊一個邊長為100mm的立方體物料，則 所以電機應該轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為圈 絲杠傳動最大水平位移確定： 設最大水平位移為A，則 物料搬運機器人機械系統(tǒng)設計 4 手臂的設計與計算 4.1 手臂結(jié)構(gòu)設計 圖4.1物料搬運機器人

49、手臂結(jié)構(gòu)簡圖 通過圖示我們可以知道，當電機正向旋轉(zhuǎn)時帶動手臂主軸旋轉(zhuǎn)，通過絲杠傳動原理將手臂主軸上的傳動軸帶動，使其向前運行，前端有手部聯(lián)接，所以就帶動了手部前移，實現(xiàn)手部的伸，當電機反向旋轉(zhuǎn)的時候，則向后移，實現(xiàn)手部的縮。 4.2 手部質(zhì)量計算 我們要計算出手臂的轉(zhuǎn)矩，但在計算它之前我們要求出它受力多少，所以我們要計算出手部的質(zhì)量，然后加上物料的質(zhì)量，來得出手臂的受力。 我們同樣選擇鑄鋼作為手部機殼的材料來滿足設計要求。 手部內(nèi)部各個零件的質(zhì)量粗略計算： 深溝球軸承1000801：0.007KG 深溝球軸承1000903：0.020KG 爪子的質(zhì)量： 圖4.2物料搬運機

50、器人爪子簡圖 爪子采用鑄鋼 密度為 (4.1) 手部外殼質(zhì)量： 手部主軸的質(zhì)量： 電機質(zhì)量： 其余質(zhì)量估計值為 所以手部總質(zhì)量： 加上物料最大搬運質(zhì)量8kg 總的質(zhì)量最后確定為27.1kg 由于上述計算一少部分是概括計算，所以可能會造成計算質(zhì)量與實際質(zhì)量的少許偏差，但為了在計算結(jié)果滿足我們預訂的目標，所以我們在概括計算的基礎上外加了上部分質(zhì)量來滿足我們忽略計算的部分，這樣就可以完成與實際質(zhì)量的誤差量減小，符合設計的要求。 4.3 手臂計算及電機選擇

51、手臂傳動機構(gòu)采用的和手部同樣的螺旋傳動機構(gòu)，其驅(qū)動力矩： [8] (4.2) 式中為螺紋摩擦力矩，且 (4.3) 為螺旋傳動的軸向載荷， －當量摩擦角， －螺紋中徑（mm），－螺旋線升角（） ， ， (4.4) 螺紋傳動軸向支撐面磨擦力矩： 因為支撐面是環(huán)形面支撐 所以 (4.5) 為軸向支撐面間的摩擦系數(shù) 由資料查出，深溝球軸承=0.0015～0.0022 取=0.

52、0015 為螺旋傳動徑向軸承摩擦力矩，因為無徑向支撐，所以此相為 選用75BF003步進電機，相數(shù)為3，額定電壓30V，靜態(tài)電流4A，步距角1.5/3，空載啟動頻率PPS為1250，空載運行頻率1800，外形尺寸：總長75mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。 物料搬運機器人機械系統(tǒng)設計 5 腰身的設計與計算 5.1 腰身的結(jié)構(gòu)設計 腰身的結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖5.1物料搬運機器人腰身結(jié)構(gòu)簡圖 從結(jié)構(gòu)簡圖我們可以了解其是怎樣運行的，腰身的運行過程如下，當電機正轉(zhuǎn)的時候，聯(lián)接在電機軸上的小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過豎直軸上的齒條嚙合，帶動軸向上運動，從而帶動了整個上部機器人的移動，當電

53、機反轉(zhuǎn)的時候，則向下運動。 5.2 腰身以上部分的重量計算 通過資料我們可以知道要想知道轉(zhuǎn)矩我們必須知道一些數(shù)據(jù)，主要先估算出腰身上部的質(zhì)量，下面我們通過各個零件來估算其質(zhì)量。 深溝球軸承 1000903：0.020kg 深溝球軸承 1000905：0.050kg 手臂外殼質(zhì)量： [9] 其他質(zhì)量通過查詢和估算合計為 所以總的質(zhì)量 5.3 腰身計算及電機選擇 通過上面的計算，我們已經(jīng)知道了所需要的部件質(zhì)量，現(xiàn)在把他們的質(zhì)量之和求出，然后計算。 然后按照公式方法計算 計算方法 電機 L(cm) R1(cm) R2(cm) m,W m---質(zhì)量（kg

54、） W---重量（N） ρ---滾輪材料比重（kg/cm3） 鋼鐵ρ=7.8610-3（kg/cm3） 鋁合金ρ=2.6910-3（kg/cm3） （轉(zhuǎn)換：1kgf=9.8N） 圖5.2 計算方法簡圖 負載慣量： (5.1) 負載力矩： (5.2) ，， 選擇電機 選用MT57STH56-3008A步進電機，外形尺寸：總長56mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。 物料搬運機器人機械系統(tǒng)設計 6 底座的設

55、計與計算 6.1 底座機構(gòu)設計 結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示： 圖6.1 物料搬運機器人底座結(jié)構(gòu)簡圖 通過圖示我們可以了解其運動過程，當電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪的嚙合，帶動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，然后通過電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)機器人的順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)。 6.2 底座以上部分的重量計算 腰身部分質(zhì)量的計算 MT57STH56-3008A步進電機： 深溝球軸承 1000903： 腰身外殼質(zhì)量： 其余部分質(zhì)量之和為： 所以腰身總重量為： 通過以上我們可以計算出底座以上總重量為： 6.3 底座電機選擇 通過計算我們得到需要電機的轉(zhuǎn)矩為 選用90BF004步進電機，相數(shù)為5，額定電

56、壓60V，靜態(tài)電流7A，步距角0.75/1.5，空載啟動頻率PPS為4000，空載運行頻率16000，外形尺寸：總長118mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。 物料搬運機器人機械系統(tǒng)設計 7 零件的校核 7.1 手部主軸的校核計算 手部主軸示意圖： 圖7.1手部主軸簡圖 此軸的材料選用＃45鋼 軸的強度校核 此軸所受的最大扭矩為 [10] (7.1) (7.2)

57、 (7.3) 水平面內(nèi): 垂直面內(nèi): 支反力: 水平面內(nèi) 彎矩: 垂直面內(nèi)彎矩: 計算彎矩: (7.4) 查機械設計教材對于脈動變化的轉(zhuǎn)矩α=0.6 由機械設計教材表17-2,查得45號鋼調(diào)質(zhì)處理后,抗拉強度極限,彎曲疲勞強度極限,剪切疲勞極限,許用彎曲應力 按彎扭合成強度計算: [5]

58、 (7.5) 軸的危險截面在彎矩最大處和周徑最小處或彎矩較大和軸徑較小有鍵槽處,綜合分析此高速軸的危險截面在計算彎矩最大處。 因為,所以手部主軸安全。 圖7.2 主軸受力分析與彎矩圖 7.2 齒輪的校核計算[5] 7.2.1 選擇齒輪材料、熱處理方法、精度及齒數(shù) 由資料查詢，電機齒輪選用鋼，調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為，底座齒輪材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為。 選擇齒輪精度等級為8級。 選擇傳動比為 實際傳動比

59、 (7.6) 傳動誤差 (7.7) 在允許誤差范圍內(nèi) 電機齒輪和底座齒輪參數(shù)如下表7-2所示[9]： 表7-2 齒輪參數(shù)表 名稱 符號 電機齒輪 底座齒輪 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 模數(shù) 中心距 齒隙 7.2.2 驗算齒面接觸疲勞強度 驗算公式為： (

60、7.8) 電機齒輪的分度圓直徑： 電機齒輪的齒寬： 取 計算圓周速度： (7.9) (1)計算 ①由表11.2[9]查得， ②由圖11.3[9]查得， ③可由表11.3[9]查得，但大小齒輪硬度不同，可取平均值，即 (7.10) 由表11-3[9]可以查得，， ④由圖11.6[9]可以查得 所以 ⑤確定，由公式，可以求得 (7.11) 由公式，可以求得

61、 (7.12) (2)計算接觸疲勞許用應力 ①按接觸面硬度平?jīng)Q硬度值（表11-4[9]查得）電機齒輪的接觸疲勞極限 ，同理，查得底座齒輪的接觸疲勞極限 ②計算應力循環(huán)次數(shù) (7.13) (7.14) ③ 由圖11.9[9]查得接觸疲勞壽命系數(shù)為 ， ④計算接觸疲勞許用應力 取安全系數(shù)，按式[9]可得

62、 (7.15) ，故取 (3)驗算： [9] (7.16) 安全 7.2.3 校核齒根彎曲疲勞強度 校核公式 [11] (7.17) (1)確定公式中的各數(shù)值 ①由圖11.14[9]可查得，， ②由圖11.15[9]可查得，， ③計算 (2)計算彎曲疲勞許用應力 ①由圖11.18[9]可查得，， ②由圖11.20d[9]可查得，

63、， ③計算彎曲疲勞許用應力 取安全系數(shù) (7.18) (3)校核齒根彎曲疲勞強度 安全 安全 物料搬運機器人機械系統(tǒng)設計 8 結(jié)論與展望 8.1 結(jié)論 科學技術(shù)在不斷地的進步，人們對物質(zhì)生活的要求也越來越高，現(xiàn)代企業(yè)必須提高生產(chǎn)率以在相同的時間內(nèi)生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，如果依舊如過去那樣全部采用人工生產(chǎn)必然會加大工人的勞動強度，而工人們也希望從危險、繁重和其它一些對身體有害的生產(chǎn)勞動中解脫出來，因而在科技快速發(fā)展的今天，機械化、自動化在生產(chǎn)生活中所起到的作用也越來越大而機器人技術(shù)的應用也

64、是順應潮流。 在企業(yè)生產(chǎn)加工時可以利用工業(yè)機器人來做一些單調(diào)乏味的簡單的重復性勞動，比如，將物料從一個固定的位置搬運到另一個固定的位置。這樣不僅能解放生產(chǎn)力，也能提高勞動效率和工作質(zhì)量。有些危險的場合，比如水下、存放危險物品的地方，人們可以利用機器人來代替人進行作業(yè)，這樣可以減少了工人的傷亡事故。例如，在水下鋪設電纜，排除可疑的危險物品或清理化學毒劑等。 因為使用工業(yè)機器人可以節(jié)約生產(chǎn)的成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。這樣可以增強企業(yè)的全球競爭力；現(xiàn)在企業(yè)都在慢慢把危險的和需要大量重復勞動的工作從人工向機器人轉(zhuǎn)移。 在本文中所設計的物料搬運機器人具有四個機械自由度，可以完成對一些小而輕的物

65、料的抓取和搬運工作，本文所介紹的主要是對該物料機器人進行的機械結(jié)構(gòu)方面設計。 8.2 不足之處與未來展望 因為條件有限，本設計在完成后無法進行實際的組裝檢驗。 未來隨著科學技術(shù)的提高，機器人技術(shù)也會隨著高速發(fā)展，企業(yè)的機械化，自動化程度也將大幅提高，機器人必定會成為主要勞動生產(chǎn)力。 近幾十年來，機器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊，現(xiàn)在，機器人已被廣泛用于太空開發(fā)，深海探測等高危工作，軍事上機器人的應用更是廣泛。 毋庸置疑，未來機器人的發(fā)展方向?qū)⒊韵氯齻€方面： (1)與生活緊密結(jié)合，將來人們的生活服務將全由機器人來完成； (2)生物與機械的緊密結(jié)

66、合，將來機械部件將廣泛用于手術(shù)用來代替人體損壞部份； (3)機器人將越來越人性化，以后一些簡單的工作將完全交由機器人處理。 物料搬運機器人機械系統(tǒng)設計 致 謝 本次畢業(yè)設計的研究與設計過程都是在朱啟兵導師的悉心關懷和直接指導下完成的。朱老師淵博的理論知識，豐富的實踐經(jīng)驗、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和求實的科學態(tài)度使我受益匪淺。通過這次畢業(yè)設計，提高了自己的動手能力和設計能力，為我日后機械設計這一領域的研究作下了鋪墊。本次畢業(yè)設計，我收獲頗多，這與朱老師的悉心指導是分不開的。朱老師課程很忙，但是還是經(jīng)常抽時間來視察學生畢業(yè)設計進度，就畢業(yè)設計過程中遇到的問題給予耐心指導，敦敦教誨，身體力行，實在令學生欽佩感動不已！值此學業(yè)完成之際，謹向辛勤指導我的導師朱啟兵副教授致以最誠摯的感謝。 另外還要感謝幫助過我的很多同學們，他們在學生畢業(yè)設計的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！ 參考文獻 [1] 陸祥生，楊秀蓮.機械手一理論及應用[M].北京:中國鐵道出版社,1985：6-20. [2] 謝存禧,張鐵.機器人技術(shù)及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005：