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1、 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 在當今輪轂制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。 本文設計和研究了一個六自由度的工業(yè)機器人，用于生產(chǎn)線的進送料和裝配。首先，本文對生產(chǎn)線布局進行改造設計，提高生產(chǎn)的工作效率，然后，根據(jù)設計要求設計了

2、機器人的整體方案和具體的機械結(jié)構，選擇了合適的傳動方式、驅(qū)動方式，設計了機器人的底座、大臂、小臂和手部的結(jié)構；并且對機器人的傳動結(jié)構進行設計，機器人為六自由度關節(jié)型機器人，全部采用轉(zhuǎn)動關節(jié)，關節(jié)處采用電機，減速機，齒輪傳動機構，蝸輪蝸桿傳動機構來實現(xiàn)各個自由度，從而實現(xiàn)所需的運動。在此基礎上，本文將設計該機器人的控制系統(tǒng)，采用PC+DSP運動控制卡的控制方式，確定了控制系統(tǒng)的總體方案，設計了PCI 總線接口電路和DSP。 關鍵詞: 六自由度工業(yè)機器人；生產(chǎn)線；結(jié)構設計；控制系統(tǒng)； 各位如果需要此設計的全套內(nèi)容（包

3、括二維圖紙、中英文翻譯、完整版論文、程序、答辯PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也請加上述QQ,代做免費講解。 II - - Abstract In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality.

4、 As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainl

5、y undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper ,I will design an industrial robot with six DOFs.First, I will transform line layout and design the

6、structure of the baseto improve the work efficiency of production ,and then, according to the design requirements ,I design the robot mechanical structure of the overall plan and specific ,and chose the right means of transmission and drive mode,Then ,I design the big arm, the small arm and the end

7、manipulator of the robot,and I design the transmission structure, This robot is a 6-DOF joint robot,These joints are all rotary joints, joints used motor, reducer, gear transmission, worm gear and worm drive mechanism to realize various degrees of freedom, so as to achieve the required movement.On t

8、his basis, this paper will design the control system of the robot, which controlled by PC and DSP motion control card, and determine the overall scheme of the control system, design DSP and PCI bus interface circuit . Keywords: 6-DOF industrial robot, line layout , structure design, the contr

9、ol system -II- 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 課題背景及研究的目的和意義 1 1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 2 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 4 第2章 生產(chǎn)線布局及總體方案的確定 5 2.1 生產(chǎn)線布局方案 5 2.1.1 機械手 5 2.1.2 工作流程 6 2.1.3 方案預期達到的目標 6 2.2 總體方案的設計 7 2.2.1 機構的選型 7 2.2.2 驅(qū)動方式的選擇 7 2.2.3 傳動方案的選擇

10、 8 2.2.4 總體結(jié)構方案設計 9 2.2.5 控制方案的設計 11 2.2.6 技術參數(shù)列表 12 2.3 本章小結(jié) 13 第3章 結(jié)構的設計 14 3.1 引言 14 3.2 電機力矩的計算以及驅(qū)動電機的選擇 14 3.3 減速器的設計 16 3.4 腰部的設計 17 3.5 手臂的設計 18 3.5.1手臂的設計基本要求 18 3.5.2大臂和小臂 18 3.5.3連桿 19 3.6 手腕部的設計 19 3.7 末端執(zhí)行器的設計 20 3.8 本章小結(jié) 21

11、 第4章 傳動系統(tǒng)的設計及校核 22 4.1 腰部蝸輪蝸桿設計及校核 22 4.2 腕部傳動系統(tǒng)設計及校核 23 4.2.1傳動方案 23 4.2.2齒輪的設計及校核 23 4.2.2.1齒輪組設計 23 4.2.2.2 直齒圓錐齒輪的設計 25 4.2.3 軸的設計 27 4.3 本章小結(jié) 31 第5章 控制系統(tǒng)設計 32 5.1 引言 32 5.2 控制系統(tǒng)的設計 32 5.2.1 控制系統(tǒng)的類型選擇 32 5.2.2 控制系統(tǒng)的硬件電路 32 5.3 PCI的接口設計 3

12、3 5.4 DSP的設計 34 5.4.1 DSP概述 34 5.4.2 DSP硬件電路 34 5.4.3 DSP軟件 35 5.5本章小結(jié) 36 結(jié) 論 37 參考文獻 38 致 謝 39 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 第1章 緒 論 1.1 課題背景及研究的目的和意義 輪轂制造業(yè)屬于勞動密集型的行業(yè)，除了繁重的體力工作外，幾乎每個工序都存在著對人體有害的污染源和潛在的工傷事故:熱加工工序燙灼傷的危險，大量易燃易爆燃料及消耗材料時時刻刻威脅著操作手的安全;鋁液除氣除渣產(chǎn)生的有毒

13、煙塵，機加工冷卻液的有害蒸汽，以及涂裝工序液體漆、粉漆、前處理藥液等等都會嚴重影響工人的健康;無處不在的轟鳴及刺耳的噪音會使你情緒壞到極點。[1] 針對原有輪轂生產(chǎn)線存在的勞動強度高，生產(chǎn)效率低，粗加工加工尺寸不穩(wěn)定等問題，通過工業(yè)機器人及新的數(shù)控加工設備，不僅有效解決了輪轂大小頭軸承孔同軸度，大小頭螺孔位置度的質(zhì)量問題，滿足用戶圖紙的要求，而且降低了工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率將近一倍，取得了良好的經(jīng)濟效益。[2] 工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多

14、品種、變批量的柔性生產(chǎn)。[3]它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。[4]生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。 在工業(yè)領域廣泛應用著工業(yè)機器人。工業(yè)機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

15、零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機器人。工業(yè)機器人的定義為：“一種自動定位控制、可重復 編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！辈僮鳈C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行其它操作的機械裝置。”一個典型的機器人系統(tǒng)由本體、關節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它

16、是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 輪轂生產(chǎn)線改造設計是一個實際應用課題。通過本設計可以使學生在實際課題設計中對生產(chǎn)加工，機械系統(tǒng)設計，機械手及其控制等知識得到切實的鍛煉。 1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 在西方發(fā)達國家，企業(yè)主為了避免這種強體力高危工種所帶來的高額人工費用，早已采用了自動化生產(chǎn)線代替部分人工操作進行鋁合金輪轂的生產(chǎn)。在亞洲，日、韓企業(yè)的自動化生產(chǎn)起步較早，形成了鮮明的地域特色。[1]而在中國大陸，一直沒有鋁合金輪轂生產(chǎn)廠真正考慮過這個問題，到目前還沒有一條像樣的輪轂自動化生產(chǎn)線。 中國大陸企業(yè)之所以不重視這

17、方面的發(fā)展，首先是由于近幾十年的慣性思維使然。過去幾十年缺乏資金和技術，擁有的優(yōu)勢就是眾多的廉價勞動力，為了促進經(jīng)濟的發(fā)展，充分利用這個優(yōu)勢，無論在社會大環(huán)境要求還是在經(jīng)濟指標考量上無疑都是正確的。另外的原因是企業(yè)管理者僵化的思維。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和企業(yè)規(guī)模的不斷擴大，有的企業(yè)管理者還把思維定位在舊的發(fā) 展模式上，認為搞自動化生產(chǎn)線硬件投入大，得不償失，而沒有綜合考慮自動化生產(chǎn)帶來的綜合效益。 機器人是一種能夠進行編程，并在自動控制下執(zhí)行某種操作或移動作業(yè)任務的機械裝置。機器人技術綜合了機械工程、電子工程、計算機技術、自 動控制及人工智能等多種科學的最新研究成果，是機電一體化技術的典型

18、代 表，是當代科技發(fā)展最活躍的領域。機器人的研究、制造和應用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來，機器人技術發(fā)展非常迅速，各種用途的機器人在各個領域廣泛獲得應用。 我國是從 20 世紀80 年代開始涉足機器人領域的研究和應用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關計劃。1987 年，我國的“863”計劃將機器人方面的研究列入其中。目前，我國從事機器人的應用開發(fā)的主要是高校和有關科研院所。最初我國在機器人技術方面的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術，隨后，我國在機器人技術及其應用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學研制的兩足步行機器人，北京自動化研究所1993 年研制的噴

19、涂機器人，1995 年完成的高壓水切割機器人，國家開放實驗和研究單位沈陽自動化研究所研制的有纜深潛300m 機器人，無纜深潛機器人，遙控移動作業(yè)機器人，2000 年國防科技大學研制的兩足類人機器人，北京航空航天大學研制的三指靈巧手，華理工大學研制的點焊、弧焊機器人，以及各種機器人裝配系統(tǒng)等。[3] 我國目前擁有機器人 4000 臺左右，主要在工業(yè)發(fā)達地區(qū)應用，而全世界應用機器人數(shù)量為83 萬臺，其中主要集中在美國、日本等工業(yè)發(fā)達國家。在機器人研究方面，我國與發(fā)達國家還有一定差距。 目前，在國內(nèi)外各種機器人的研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： A．機械結(jié)構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模

20、塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。 B．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 C．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。 D．關節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、 模塊化、系

21、列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 其研究的現(xiàn)狀，總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 本文設計和研究了一個六自由度的工

22、業(yè)機器人，用于生產(chǎn)線的進送料和裝配。首先，本文對生產(chǎn)線布局進行改造設計，提高生產(chǎn)的工作效率，然后，設計機械手及控制系統(tǒng)設計。 第2章 生產(chǎn)線布局及總體方案的確定 2.1 生產(chǎn)線布局方案 如圖2-1所示，采取兩車床相臨，與加工中心依次排布的布局方式； 圖2-1 生產(chǎn)線布局圖 2.1.1 機械手 1. 雙爪（手指為兩個夾持機構） 2. 機械手的自由度 （1）機械手手部兩個自由度（回轉(zhuǎn)） （2）手腕一個自由度（兩個回轉(zhuǎn)） （3）手臂一個自由度（回轉(zhuǎn)） （4）機

23、身兩個自由度（兩個回轉(zhuǎn)） 2.1.2 工作流程 1.工序一：由機械手將工件從傳送帶取下，夾持工件外圓，固定到車床一上、夾緊，進行工序一； 2.此時，機械手再次從傳送帶上取下工件，存放在手上； 3.待工序一完成后車床一防護門打開，由機械手的另一只手將工件取下，將存放手上的工件固定車床一，進行工序一； 4.之后，將從車床一取下的工件調(diào)頭撐內(nèi)孔固定到車床二上，進行工序二； 5.重復流程2、3、4； 6.將工序二取下的工件固定到加工中心，進行工序三； 7.工序三完成，機械手將工件取出反轉(zhuǎn)，重新固定，進行工序四； 8.工序四完成后，機械手將成

24、品件從加工中心取出，放到出料傳送帶上； 9重復流程5~8。 工作流程圖如圖2-2所示。 圖2-2工序流程圖 2.1.3 方案預期達到的目標： 方案最大的特點是采用了雙爪機構（手指為兩個夾持機構），在生產(chǎn)流程中，省去了等待工序一加工完才可夾持下一工件的時間和各個工序之間所需的時間間隙，雙抓舉手實現(xiàn)了生產(chǎn)線的不間歇生產(chǎn)，節(jié)省了時間，提高了效率。 2.2 總體方案的設計 2.2.1 機構的選型 機構的設計非常重要。我們主要從以下幾個方面對其進行研究： (1）可達空間的范圍。 (2) 機構的設計。

25、(3) 自由度的選取。 具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達15KG，且長度達500MM，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構，以減小成本、提高可靠度。 關節(jié)型機器人可分為直角坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、 球坐標型機器人和開鏈連桿式機器人。開鏈連桿式機器人是現(xiàn)在使用最多的一 種，其主體結(jié)構的三個自由度腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動關節(jié)，手腕上也采用轉(zhuǎn)動關節(jié)來確定末端的姿態(tài)，具有優(yōu)點如下：[6] 1. 結(jié)構緊湊，工作范圍大而安裝占地小。 2. 具有很高的可達性。可以使其手部進入像汽車車身這樣一個封閉

26、的空間內(nèi) 進行作業(yè)，而直角坐標型的機器人就不行。 3. 因為沒有移動關節(jié)，所以不需要導軌。轉(zhuǎn)動關節(jié)容易密封，由于軸承件是 大量生產(chǎn)的標準件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。 4. 所需關節(jié)驅(qū)動力矩小，能量消耗少。 通過對以上這些進行研究，我們擬采用開鏈桿式關節(jié)型機構。 機器人本體由機座、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。 2.2.2 驅(qū)動方式的選擇 機器人的驅(qū)動可分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動及電動機驅(qū)動等多種類型。它們各有優(yōu)缺點，且適應范圍不同。三種驅(qū)動方式的特點

27、見表2-1。 表2-1三種驅(qū)動方式的特點對照 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機驅(qū)動 輸出功率 很大 大 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 結(jié)構性能及體積 結(jié)構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。密封問題較小 結(jié)構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，體積小，結(jié)構緊湊，密封問題較小 結(jié)構性能好，

28、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)構緊湊，無密封問題 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、裝配機器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點，本文選用電

29、機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。 2.2.3 傳動方案的選擇 傳動方式的選擇是指選擇驅(qū)動源以及傳動裝置與關節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動方式。 基本的連接形式和驅(qū)動方式見圖2-3所示。 （1）直接連接傳動。驅(qū)動源或帶有機械傳動裝置直接與關節(jié)相連。 （2）遠距離連接傳動。驅(qū)動源通過遠距離機械傳動后與關節(jié)相連。 a）直接連接傳動，間接驅(qū)動； b）直接連接傳動，直接驅(qū)動 c）遠距離連接傳動，間接驅(qū)動；d）遠距離連接傳動，直接驅(qū)動 圖2-3 各種傳動方案 （3）間接驅(qū)動。驅(qū)動源經(jīng)一個速比遠大于1的機械傳動裝置與關節(jié)相連。

30、 （4）直接驅(qū)動。驅(qū)動源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個速比等于1的機械傳動這樣 的中間環(huán)節(jié)與關節(jié)相連。 如果采用遠距離連接，則造成傳動鏈太長，結(jié)構比較龐大等，所以采用直接連接傳動的方式；又因為采用直接連接，所以電機不能選的太大，為了提高機器人的負載能力，必須采用間接驅(qū)動的方式，通過減速機構增大電機的輸出力矩。 綜上所述，本課題采用圖2-3中的a)方式， 即直接連接傳動，間接驅(qū)動。 2.2.4 總體結(jié)構方案設計 機構選型和傳動方式完成后，再進行總體的結(jié)構設計，具體情況如下： 要求上部的機械臂底盤要大，重心要低，所以，腰部關節(jié)的驅(qū)動電機直接選擇安裝在基座上，如圖2-

31、4所示。 整個結(jié)構為空間關節(jié)型的，本體由機座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動裝置組成。有4個關節(jié)，腰關節(jié)，肩關節(jié)，肘關節(jié)，腕關節(jié)，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，均為轉(zhuǎn)動關節(jié)，其中腰關節(jié)實現(xiàn)機器人本體除基座以外的機構的轉(zhuǎn)動；肩關節(jié)帶動大臂、小臂、手腕、手爪進行俯仰轉(zhuǎn)動，以滿足機器人工作空間上高度的要求；肘關節(jié)實 現(xiàn)帶大臂和小臂之間的轉(zhuǎn)動：大臂、小臂以及手腕均可在允許的范圍內(nèi)運動；腕關節(jié)可以實現(xiàn)俯仰以及擺動，可以方便的改變手爪的位姿。 圖2-4 六自由度機械臂簡圖

32、 手爪是機械臂中的比較重要的部件，采用了氣動夾持器。氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。 機器人的機身、大小臂等都采用空心薄壁機構，硬鋁材料，使得零件的剛性 好，而且重量輕。在連接處，采用高強度的螺栓連接，轉(zhuǎn)動關節(jié)處，選用了高精度的軸承，使得運轉(zhuǎn)很靈活，磨損小。 在現(xiàn)代機器人結(jié)構中廣泛使用著各種機器人軸承，常用的有環(huán)形軸承和交叉滾子軸承。這幾種機器人專用軸承具有結(jié)構簡單緊湊，精度高、剛度大，承載能力強（可承受徑向力、軸向力、傾覆力矩）和安裝方便等優(yōu)點。但考慮到這些軸承價格昂貴，而使用普通的球

33、軸承或滾子軸承也能滿足結(jié)構的需要，所以在該機器人的結(jié)構中仍然全部采用球軸承。在電機的布置上，考慮盡量將電機放置在相應的操作臂的前端，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，減少誘導運動。[11] 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、蝸輪蝸桿，箱體，渦輪軸和步進電機等。步進電機固定在箱體上。 （2）腰部回轉(zhuǎn)部件：腰部回轉(zhuǎn)部件包括驅(qū)動臂座，擺線針輪減速機和步進電機等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉(zhuǎn)運動。在腰部支架上固定著驅(qū)動大臂俯仰和小臂俯仰的電機。 （3）大臂部件:包括大臂和連桿。 （4）小臂部件:

34、包括小臂、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)動手腕三個運動的步進電機。 （5）手腕部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和機械接口等。 （6）末端執(zhí)行器：氣動夾持器（兩個夾持機構）。 整個結(jié)構簡單緊湊，基本滿足設計要求。 2.2.5 控制方案的設計 構建機器人平臺的核心是建立機器人的控制系統(tǒng)。到目前為止，基于PC機控制系統(tǒng)一般包括單PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP運動控制卡的控制模式，PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制模式， DSP屬于精簡指令集計算機，增強型哈佛結(jié)構，具有獨立的程序存儲空間和

35、數(shù)據(jù)存儲空間，運算速度極快(超過20MIPS)，為系統(tǒng)實時性提供了有力保障，也使復雜算法的實現(xiàn)成為可能，特別是面向電機控制應用的DSP，它通過把一個高性能的DSP內(nèi)核和常用外圍設備集成為一個芯片的方法，將DSP的高速運算特性和優(yōu)化的控制特性結(jié)合起來，成為運動控制系統(tǒng)核心芯片的最佳選擇?；贒SP控制器的運動控制系統(tǒng)實際上是一個單片系統(tǒng)，因為整個電機控制所需的各種功能都可以用DSP控制器來實現(xiàn)，因此可以大幅度減小系統(tǒng)體積，減少外部器件的個數(shù)，增加系統(tǒng)可靠性。 因此本文選定PC+DSP運動控制卡的控制方式。 2.2.6 技術參數(shù)列表 1. 抓重: 2. 自由度數(shù):6

36、個自由度 3. 坐標型式:開鏈連桿式關節(jié)型 4. 最大工作半徑: 5. 手臂最大中心高： 6. 最大行程: 手臂旋轉(zhuǎn)： 手臂進-出： 手臂上-下： 手腕轉(zhuǎn)動： 手腕彎曲： 手腕扭轉(zhuǎn)： 7. 最大速度： 手臂旋轉(zhuǎn)： 手臂進-出： 手臂上-下： 手腕轉(zhuǎn)動： 手腕彎曲： 手腕扭轉(zhuǎn)： 8. 慣性矩： 手腕轉(zhuǎn)動： 手腕彎曲： 手腕扭轉(zhuǎn)： 9. 重復定位精度: 10. 最大直線運動速度： 11. 手指夾持范圍:輪轂: 12. 定位方式: 開環(huán)步

37、進電機定位 13. 驅(qū)動方式: 步進電動機 14. 控制方式: PC+DSP運動控制卡 2.3 本章小結(jié) 本章根據(jù)設計要求完成了生產(chǎn)線布局的設計及機械手總體方案的設計。首先考慮到輪轂生產(chǎn)線的效率問題選定了機構的類型和驅(qū)動方式，確定了傳動方案，考慮機械手的結(jié)構合理性確定了機械手各個部件的設計方案以及控制方案，最后確定機械手的技術參數(shù)。 第3章 結(jié)構的設計 3.1 引言 本章的工作包括電機的選型，減速器設計，腰部，手臂，手腕，末端執(zhí)行器的結(jié)構設計。 3.2 電機力矩的計算以及驅(qū)動電

38、機的選擇 目前在機器人的運動控制中較為常用的電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機。[12]下表3-1為幾種電機的比較： 表3-1 各種電機的比較 電機類型 優(yōu)點 缺點 相對功率 應用范圍 直流電機 容易購得 型號多 功率大 太快，需減速器，較貴，控制復雜 最強 較大型的機器人 舵機 內(nèi)部帶減速器 型號多 易于安裝 負載能力較低，速度可調(diào)范圍小 中等 小型機器人 步進電機 精確的速度控制，型號多 適合室內(nèi)機器人， 功率與自重比小，功率小 最弱 巡線跟蹤機器人，室內(nèi)機器人

39、電動機可以選擇步進電機，也可以選擇直流伺服電機。使用直流伺服電機能有精度高，額定轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點，但價格較高，而步進電機驅(qū)動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點。 所以本設計中6 個關節(jié)都采用步進電機驅(qū)動，開環(huán)控制。 下面計算電機負載力矩。力矩計算的目的是選取電機，肩部旋轉(zhuǎn)關節(jié)、腕部旋轉(zhuǎn)關節(jié)只提供旋轉(zhuǎn)的運動力矩，肩部俯仰和肘關節(jié)提供在垂直空間運動力矩，而五個關節(jié)運動速度較慢，由此可見電機最大驅(qū)動力 矩在肩部俯仰關節(jié)上。以肩部俯仰關節(jié)驅(qū)動電機選型為例，在設計的過 程中，要計算出各關節(jié)的驅(qū)動力矩，必須知道各關節(jié)的重心和質(zhì)量，在過去常采用估算的方法，誤差較大。本文采用solidworks軟件建立機

40、構的三維實體模型，利用該軟件的計算功能得出各個關節(jié)質(zhì)量及重心位置。具體數(shù)值為：肩部俯仰關節(jié)、肘部關節(jié)、腕部旋轉(zhuǎn)、腕部伸出關節(jié)質(zhì)量分別為8.7kg、10.3kg、20.67kg、25.59kg，重心距關節(jié)轉(zhuǎn)動中心分別是500mm、1000mm、1400mm、1800mm,腕部伸出部分質(zhì)量為35.72kg,重心距離關節(jié)轉(zhuǎn)動中心1900mm，電機重5kg，輪轂重15kg. 本設計的機械臂在圖3-1所示的位置時，大臂的俯仰電機所受負載力矩最大，所以所選電機能滿足這種情況就能符合實際的要求。 圖3-1機械手極限位置 由于機械臂的轉(zhuǎn)速較低，所以可不考慮慣性力對轉(zhuǎn)軸的作用，摩擦阻力矩也可以忽略，所

41、以大臂運動所需的力矩r必須要大于負載轉(zhuǎn)矩，即克服整個機械臂，電機，以及抓取的重物的重力矩，表達式為： (3-1) 3.3 減速器的設計 本設計所選的電機不能輸出上面算的力矩，為了能夠得到更大的輸出力矩，還必須要設計一個減速機構。這里，我們采用了減速機， 法蘭式擺線減速機有如下特點： 1.高速比和高效率,單級傳動就能達到1：87的減速比，效率在90％以上。 2.結(jié)構緊湊體積小由于采用了行星傳動原理，輸入軸輸出軸在同一軸心線上，使其機型獲得盡可能小的尺寸。 3.設計合理，維修方便，容易分解安裝，最少零件個數(shù)以及簡

42、單的潤滑。 3.4 腰部的設計 傳統(tǒng)多關節(jié)機械手的設計中都是把電機固定在關節(jié)上以驅(qū)動手臂，雖然看上去比較直觀，但對一個長且較重的多關節(jié)手臂而言，這樣一種結(jié)構是很難獲得應用的，并且由于運動慣性的加大，在運動規(guī)劃中也勢必造成控制器設計的復雜化。考慮將驅(qū)動元件位置向下移動到腰關節(jié)或者肩關節(jié)，這可以消除驅(qū)動元件在手臂擺動時所造成的系統(tǒng)慣量的大幅波動，從而有效解決上述問題。將三臺驅(qū)動電機分別布置在腰關節(jié)和肩關節(jié)（對稱水平布置），這使得手臂重量問題迎刃而解。如圖3-2所示為腰部的剖視圖. 腰部是通過蝸輪蝸桿來傳遞轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)整個機械手的腰部回轉(zhuǎn)，蝸輪和蝸輪軸配合帶動驅(qū)動臂座回轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)腰部回轉(zhuǎn)。如圖3

43、-2是腰部的剖視圖. 圖3-2腰部剖視圖 3.5 手臂的設計 3.5.1手臂的設計基本要求 手臂的作用是在一定載荷和一定速度下，實現(xiàn)機械手要求空間中的運動，在進行設計時，基本要求有如下： 1.剛度高。為了防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。 2.導向性好。為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設置導向裝置，或設計方形，花鍵等形式的臂桿。 3.重量輕。為提高機器人的運動速度，要盡量減

44、小臂部運動部分的重量，以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 4.運動平穩(wěn)定位精度高。 3.5.2大臂和小臂 常用的臂部結(jié)構有： 1.手部直線運動機構；機器人手臂的伸縮，橫向移動均屬于直線運動。實現(xiàn)手臂往復直線運動的機構形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機構，絲杠螺母機構以及連桿機構等。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機器人結(jié)構中應用的比較多。 2.手臂回轉(zhuǎn)運動機構 實現(xiàn)機器人手臂回轉(zhuǎn)運動的機構形式是多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸，齒輪傳動機構，鏈輪傳動機構，活塞缸和連桿機構等。 機械手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運動要求、操作環(huán)境、工作對象

45、的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用機座式。機座式結(jié)構多為工業(yè)機器人所采用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機座底部也可以安裝行走機構，已擴大其活動范圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在腰部上兩種形式， 本機械手大臂采用回轉(zhuǎn)運動機構和手臂配置在驅(qū)動臂座上的形式。電機通過減速機驅(qū)動大臂旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)大臂俯仰。 本設計大臂長度1100mm，如圖3-3 圖3-3大手臂 肩關節(jié)右側(cè)電機通過減速機，再通過連桿來控制小臂的俯仰，本設計的小臂長度1000mm，如圖3-4 圖3-4小手臂 3.5.3 連桿 本設計是通過連桿機構來控制小

46、臂的俯仰，連桿的結(jié)構圖如圖3-5 圖3-5連桿結(jié)構圖 3.6 手腕部的設計 本設計采用三自由度手腕。 目前，大多數(shù)關節(jié)型機器人都采用了三自由度手腕。主要有兩類: 1. 匯交手腕(或稱正交手腕)它是α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點。 2. 偏置式手腕它是α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，但不匯交于一點。 這兩類手腕都是把β、γ運動的減速器安裝在手腕上，可簡化小臂結(jié)構，但卻增加了手腕本身的重量和復雜程度。 關節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、腕轉(zhuǎn)結(jié)構。其傳動鏈分成二部分，一部分在機器人小臂殼內(nèi)，三個電機的輸出通過齒輪傳動分別傳遞到同軸傳動的心

47、軸、中間套、外套筒上。另一部分傳動鏈安排在手腕部。 （1）臂轉(zhuǎn)運動 臂部外套筒與手腕殼體通過端面法蘭聯(lián)結(jié)，外套筒直接帶動整個手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運動。在外套筒右端還需小手臂旋轉(zhuǎn)法蘭和小手臂旋轉(zhuǎn)軸法蘭，左端通過前爪固定座與前爪法蘭相連。 （2）腕擺運動 臂部輸出的空心軸通過一組錐齒輪組，錐齒輪組安裝在前爪法蘭上，錐齒輪與前爪法蘭相重合，使前爪旋轉(zhuǎn)法蘭隨錐齒輪轉(zhuǎn)動而上下擺動，實現(xiàn)腕擺動。 （3）手轉(zhuǎn)運動 如圖3-5,臂部心軸通過鍵聯(lián)結(jié)帶動錐齒輪組轉(zhuǎn)動，錐齒輪組再與一組齒輪組合又一組錐齒輪進行傳動，最后帶動小手腕前端法蘭和腕部前端中心軸轉(zhuǎn)動。末端執(zhí)行器與腕部前端中心軸配合，從而實

48、現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。下圖3-5是手腕部的剖視圖 圖3-5手腕部剖視圖 3.7 末端執(zhí)行器的設計 氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。 通過法蘭盤與夾持器固聯(lián)，利用腕部和小臂的旋轉(zhuǎn)，以及外部的擺動帶動末端夾持器在空間做任意的運功。由于機械手要求2個夾持機構，所以設計成兩邊對稱式的平行開合的氣爪，如圖3-6。 圖3-6 雙夾持機構平行開合氣爪 3.8 本章小結(jié) 本章根據(jù)各種電機的特點選定了步進電機作為驅(qū)動源，由于輸出的轉(zhuǎn)

49、矩不夠有選擇了減速機來提高轉(zhuǎn)矩，之后查詢資料和手冊設計了腰部，手臂，手腕的結(jié)構。下面是用solidworks畫的總體結(jié)構圖和輪轂生產(chǎn)線示意圖，如圖3-7，圖3-8 圖3-7 圖3-8 第4章 傳動系統(tǒng)的設計及校核 4.1 腰部蝸輪蝸桿設計及校核 4.2 腕部傳動系統(tǒng)設計及校核 4.2.1傳動方案 4.2.2 齒輪的設計及校核 4.2.2.1齒輪組設計 4.2.2.2直齒圓錐齒輪的設計 4.2.3 軸的設計 圖4-2 外套筒結(jié)構示意圖 圖4-3中間套

50、結(jié)構 圖4-4手腕部傳動中心軸結(jié)構 圖4-5小手腕部中心軸結(jié)構 畫出軸的受力分析簡圖如圖4-6 圖4-6小手腕部中心軸的受力分析 圖4-7水平面彎矩圖 1) 畫轉(zhuǎn)矩圖 圖3.8軸的轉(zhuǎn)矩和彎矩圖 4.3本章小結(jié) 本章根據(jù)蝸輪蝸桿的設計準則設計了腰部蝸輪蝸桿并進行了校核，還設計了腕部的傳動系統(tǒng)，整個傳動系統(tǒng)有電機，減速機，直齒齒輪，錐齒輪及軸，前爪法蘭，前爪旋轉(zhuǎn)法蘭，對這些進行了設計和

51、校核。 第5章 控制系統(tǒng)設計 5.1引言 機器人控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分有計算機、控制的對象、數(shù)字和模擬輸入和輸出通道、開關量輸入和輸出通道、人機接口設備等。軟件部分包含了接口驅(qū)動程序和測試控制程序等。 本章主要研究了機器人控制系統(tǒng)的總體方案，簡單介紹了系統(tǒng)的原理， 5.2控制系統(tǒng)的設計 5.2.1控制系統(tǒng)的類型選擇 機器人控制系統(tǒng)是機器人的核心和樞紐，直接決定了機器人運動精度和工作效率。機器人控制系統(tǒng)根據(jù)

52、 CPU 提供的命令以及末端傳感器傳回的信號來控制機器人完成特定的動作，到達特定的位置，從而完成相應的任務。[14] 本設計選用PC機+DSP運動控制卡的控制模式。 5.2.2控制系統(tǒng)的硬件電路 本章研究的機器人控制系統(tǒng)的任務主要是由 PC 機發(fā)送各種控制命令,經(jīng) PC 程序進行譯碼、預處理等處理后,再通過 PCI 總線接口芯片 PCI9052 與 CPLD 進行通訊，將控制命令送入 CPLD，然后 CPLD 將控制指令轉(zhuǎn)化為脈沖或電壓信號輸入到 DSP 中，這些信號（包括脈沖方向輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字量輸出信號和輸入信號）對步進電機進行驅(qū)動，輸出頻率可調(diào)的脈沖串來驅(qū)動步進電機

53、，通過改變脈沖串的頻率和個數(shù)來實現(xiàn)電機速度和位置控制，多軸聯(lián)動等功能，從而實現(xiàn)機械手在空間中的運動。[15] 控制系統(tǒng)硬件圖如圖 5.1 所示。 電機 電機 DSP DSP PCI 9052 P C 機 電機 CPLD DSP 電機 DSP 電機 電機 DSP DSP 圖5.1控制系統(tǒng)硬件圖 5.3 PCI的接口設計 PCI9052 提供高性能的接口連接，把各種外部電路和器件通過 PCI9052 與 PCI總線相連

54、，所以可以大幅度的提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，本地總線傳播速率最高可以達到 132MB/S 的傳輸速率。對 PCI9052 編程可實現(xiàn)復用/非復用的 8 位、16 位、32位的本地總線接口。PCI9052 還有內(nèi)部 FIFO 可以加速本地總線的操作。[17 ]PCI9052 硬件電路接口圖如圖 5-2 所示。 本系統(tǒng)設計采用最大模式，雙口 RAM 的 8 根數(shù)據(jù)線和PCI9052 的高 8 位數(shù)據(jù)線連接。 PCI9052 一共擁有四個主要接口：PCI 總線接口、串行 E2PROM 接口、局部總線接口和 ISA 總線接口，由于在設計不需要使用 ISA 接口，所以在硬件電路圖中省略了

55、 ISA 總線接口。PCI9052 中局部總線接口和 ISA 總線接口的引腳是可以復用的。PCI9052 在整個系統(tǒng)中有著非常關鍵的作用，它把 PCI 總線與外圍電路所有的局部總線聯(lián)系在一起，將 PCI 總線命令（如讀寫某個寄存、內(nèi)存、I/O 端口）傳遞到局部總線上，再有局部總線傳遞給外圍控制電路：同時，它還可以接受外圍電路傳回的反饋信號，并傳回 PC 機，由 CPU 進行處理。 圖5-2 PCI9052 硬件電路接口圖 5.4 DSP的設計 5.4.1 DSP概述 DSP(Digital Signal Processor)是指數(shù)字信號處理器。DSP

56、 芯片是專門設計用在高速數(shù)字信號處理的微處理器。TMS320LF2807A 是 TI 公司推出的一款面向數(shù)字控制系統(tǒng)，尤其是數(shù)字運動控制系統(tǒng)的 DSP 芯片，由于它除了具有數(shù)字信號處理器的一般特點外，片內(nèi)還增加了經(jīng)過優(yōu)化的、專門用于數(shù)字控制系統(tǒng)的外設電路，非常適合用來作為步進電機的運動控制器，所以在本設計中，電機運動控制器選用 TMS320LF2807A 作為 DSP 芯片。[16] 5.4.2 DSP硬件電路 圖5-3為TMS320LF2807A 結(jié)構圖 圖5.3TMS320LF2807A 結(jié)構圖 5.4.3 DSP軟件 圖5-4

57、為DSP中斷程序流程圖 圖5-4中斷程序流程圖 5.5本章小結(jié) 本章主要確定了控制系統(tǒng)的方案，采用了PC機+DSP運動控制卡的控制模式。簡單介紹了控制系統(tǒng)的原理，包括硬件電路，PCI的接口設計，DSP的設計等。DSP在系統(tǒng)中完成了將模擬信號轉(zhuǎn)化成為方向和脈沖信號的功能，然后通過輸出這些方向和脈沖信號來控制相關步進電機的運動。 結(jié) 論 本設計對輪轂生產(chǎn)線進行改造設計，主要設計了一個六自由度工業(yè)機器人，在設計過程中，搜集資料、向?qū)熣埥?、與同學討論，為完成設計奠定了基礎。 所完成的任務有： （1

58、） 在查詢了國內(nèi)外的輪轂生產(chǎn)線的布局的基礎上，對生產(chǎn)線布局進行改造，采用兩個夾持機構的機械手，提高了效率30%，節(jié)約了時間，達到國內(nèi)先進水平。 （2） 根據(jù)設計要求完成了六自由度工業(yè)機器人的總體設計和結(jié)構設計。首先，確定了總體的設計方案，選擇了合適的傳動方式、驅(qū)動方式，設計了機器人的腰部、大臂、小臂和腕部的具體結(jié)構，并且對機器人的傳動結(jié)構進行設計。機器人為六自由度關節(jié)型機器人，全部采用轉(zhuǎn)動關節(jié)，關節(jié)處采用電機，減速機，齒輪傳動機構，蝸輪蝸桿傳動機構來增實現(xiàn)各個自由度，從而實現(xiàn)所需的運動。并在此基礎上，確定了機器人的控制方案，并簡單介紹了它的控制原理。 （3） 用SolidWorks繪制出機

59、器人的三維模型和生產(chǎn)線的示意模型，并且制作了機器人運動的簡易動畫。 由于本人水平有限和時間的限制，現(xiàn)階段對機器人的結(jié)構還需進一步完善，控制系統(tǒng)的研究還處于理論階段，沒能做更深入的研究。對今后的研究工作的展望與設想如下： （1）進一步改善結(jié)構設計，可以將電機放在機器人里面，不用外置，采用內(nèi)置，盡量讓設計結(jié)構更加緊湊，剛性也隨之提高。 （2）研究控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，對DSP進行深入設計。 （3） 可以做運動學仿真，運用Matlab軟件和Adams軟件對機械手系統(tǒng)進行了運動學仿真，包括手動仿真和軌跡的仿真。 （4） 可以用Ansys軟件進行結(jié)構分析。

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