機械手-集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構設計,機械手,集裝箱,波紋,焊接,機器人,機構,運動學,分析,車體,結構設計 實 習 報 告 實習內容：□ 認識實習（社會調查） □ 教學實習（□生產□臨床□勞動） □√ 畢業(yè)實習 實習形式：□√ 集中 □ 分散 學生姓名： 陳 愈 馨 學 號： 02122078 專業(yè)班級： 機制023班 實習單位：南昌大學機器人與焊接自動化重點實驗室 實習時間： 2006-3-13 2006年 03 月 13 日 一、 實習目的 主要是熟悉這個實驗室的環(huán)境，了解其研究方向與研究成果，進一步加深對科研的感性認識與理性認識，為自己的畢業(yè)設計做一些準備，這是畢業(yè)設計整個過程非常重要的一個環(huán)節(jié)。 二、實習內容 1、實驗室的簡單了解 實驗室研究方向是機器人技術與焊接自動化裝備，主要研究機器人的機構、運動控制，焊接自動化的傳感、信息處理、智能控制等技術。已經完成國家自然科學基金項目等 5 項，目前進行國家高新技術發(fā)展計劃（十五“ 863 ”）項目等 5 項，發(fā)表學術論文共 60 篇， SCI 收錄 6 篇、 EI 收錄 13 篇，獲得 2002 年江西省自然科學二等獎。 承擔材料科學與工程博士后、材料加工工程博士生、機械電子工程、控制理論與控制工程和通信與信息系統(tǒng)碩士生培養(yǎng)。已畢業(yè)博士生 2 名、碩士生 8 名，現在研博士后 1 名，在讀博士生 5 名、碩士生 16 名。已形成多學科交叉、多層次人才培養(yǎng)與科研開發(fā)基地。 實驗室主任 張 華 教授 學術委員會主任 潘際鑾 院士 2、研究內容與研究成果 （1）、無導軌全位置爬行式弧焊機器人 具有全位置的爬行能力，能勝任多種位置的焊接任務，適用于球罐，造船等現在仍未解決自動化焊接的大型構件焊接過程。采用激光傳感器，實現了焊縫的自動跟蹤，坡口識別形式多樣，能實驗多道焊多層焊接?？梢垣@得穩(wěn)定的焊接質量和很高的生產效率，同時省去清根工序，節(jié)省能源，降低材耗，改善工人勞動條件，降低生產強度。 （2）、弧焊機器人旋轉電弧傳感焊縫跟蹤系統(tǒng) 針對工業(yè)示教再現弧焊機器人存在的示教編程復雜,加工工件要求高，焊接過程工件變形等問題開發(fā)適合工業(yè)機器人的高速旋轉電弧傳感及焊縫糾偏系統(tǒng)，成果提高了工業(yè)弧焊機器人智能化程度。電弧傳感器的旋轉頻率0－30HZ之間任意可調：掃描半徑0-3.5mm可調。 （3）、輪式自主移動焊接機器人系統(tǒng) 系統(tǒng)開發(fā)在非結構環(huán)境下的彎曲焊縫自主體動焊接機器人技術，無需軌道和靠模，采用旋轉電弧傳感器，能夠把當前焊槍偏離焊縫的信息進行實時檢測，不存在超前性和滯后性的問題：采用模糊控制實現精確的焊縫跟蹤，特別適用于大型工件的自動化、智能化焊接。 （4）、螺旋管內焊縫自動跟蹤與熔透集成智能控制系統(tǒng) 無人監(jiān)控的“西氣東送”螺旋管內焊制造生產 螺旋管內焊縫自動跟蹤與熔透集成智能控制系統(tǒng),實現了埋弧內焊中焊縫的自動跟蹤與熔透的雙重控制。 （5）、鍋爐管爆修復自動焊機 本焊機用于鍋爐管爆修復時的管--管對接，也可用于其它情況下的全位置焊接。它的主要結構特點有： ·適用管徑45mm-60mm。 焊頭結構緊湊，可用于窄小的管間隙，最小可達45mm。 焊頭水冷，可連續(xù)工作。 柔性夾具，拆卸方便。 手動和自動模式可選擇。 二、 實習總結 雖然實習時間短暫，但自己的感性認識卻頗為深刻。 （1）、搞科研不容易，特別是在一個條件不是很好的情況下更是如此，非常佩服在這個實驗室里的老師所付出的勞動，這是給我印象最深的。 （2）、更清楚的認識了自我，我不是很適合在一個艱苦的條件下獨自能夠做出成果的那一類人，不能獨當一面。這讓我想起了爐火旺的原理，自己就是一塊生炭，在條件差的地方就是勉強燒著了，也是濃煙滾滾呀。自己目標更加明確，只有兩條路可走，要不去頂尖的研究所去，要不走技術類，而不是走研究類，雖然科研聽起來蠻有誘惑力的。 第二章 焊接機器人機構運動學分析 概述：機器人是空間開環(huán)機構，通過各連桿的相對位置變化、速度變化和加速度變化，使末端執(zhí)行部件（手爪）達到不同的空間位姿，得到不同的速度和加速度，從而完成期望的工作要求。 機器人運動學分析指的是機器人末端執(zhí)行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根據機器人各個關節(jié)變量qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可計算出機器人末端的位姿方程，稱為機器人的運動學分析（正向運動學）：反之，為了使機器人所握工具相對參考系的位置滿足給定的要求，計算相應的關節(jié)變量，這一過程稱為運動學逆解。從工程應用的角度來看，運動學逆解往往更加重要，它是機器人運動規(guī)劃和軌跡控制的基礎。 在該課題里，很顯然這里是已知末端執(zhí)行器端點（焊槍）的位移，速度及焊槍與焊縫間的夾角關系，來求三個關節(jié)的協(xié)調運動，即三個關節(jié)的運動規(guī)律，故為運動學逆解。 3．1運動學分析數學基礎-其次變換（D-H變換） 1、齊次坐標 將直角坐標系中坐標軸上的單元格的量值w作為第四個元素，用有四個數所組成的列向量 U= 來表示前述三維空間的直角坐標的點（a,b,c）,它們的關系為 a=,b=,c= 則（x,y,z,w）稱為三維空間點（a,b,c）的齊次坐標。 這里所建立的直角坐標系的坐標軸上的單元格的量值w=1，故（a,b,c,1）為三維空間點（a,b,c）。 2、齊次變換 對于任意齊次變換T，可以將其分解為 T== （3-1） A= （3-2） A=（p,p,p） （3-3） 式（3-2）表示活動坐標系在參考系中的方向余旋陣，即坐標變換中的旋轉量；而式（3-3）表示活動坐標系原點在參考系中的位置，即坐標變換中的平移量。 特殊情況有平移變換和旋轉變換： 平移變換：H=Trans(a,b,c)= (3-4) 旋轉變換：Rot(z,)= (3-5) 3.2 變換方程的建立 1、機構運動原理 圖3-1 三自由度焊接機器人運動簡圖（俯視圖） 如圖3-1所示，機器人采用三個運動關節(jié)：左右平移的焊接機器人本體1，前后平移的十字滑塊和做旋轉運動的末端效應器3。通過三個關節(jié)之間的協(xié)調運動，來保證末端效應器的姿態(tài)發(fā)生變化時，焊接速度保持不變，焊槍與焊縫間的夾角保持垂直關系，來做到直線段與波內斜邊段焊縫成形的一致。 2、運動學模型 運動學模型簡化 由于該機器人是為了實現這樣一種運動：焊槍末端運動軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運動學逆解時，對實際的關節(jié)結構進行簡化，這里將對其采取等效處理： a 將關節(jié)1（左右平移的焊接機器人本體1）與關節(jié)2（前后平移的十字滑塊2）之間沿Z軸的距離和關節(jié)2與關節(jié)3（做旋轉運動的末端效應器3）的旋轉中心點的距離視為零，這對分析結果是等效的。 b 對旋轉關節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進行等效。 設定機器人各關節(jié)坐標系 據簡化后的模型與圖3-1可獲得各個坐標系及其之間的關系，各個坐標系的X，Y方向如圖3-1所示，Z方向都垂直該俯視圖，且由前面的簡化等效思想可知各個關節(jié)的運動都處在Z=0平面上。 求其次變換 通過齊次變換矩陣T可以轉求{m}中的某點在{n}中的坐標值。 根據公式（3-4）、（3-5）及圖3-1可得 T=，T=，T= 其中l(wèi),L,L分別表示初始時刻（t），三個坐標系原點OO，OO，OO 的距離長度。S為坐標系{1}原點在一定時間t-t內沿X方向的位移，且,為關節(jié)1的移動速度。S為坐標系{2}點在一定時間t-t內沿Y向的位移，且,為關節(jié)2相對關節(jié)1的移動速度。 求T 由變換方程公式可知T= T T T，帶入T，T，T 可得： T= （3-6） 其幾何意義為空間某一點相對于坐標系{0}及{3}的坐標值之間的變換矩陣。 即：= （3-7） 求變換方程 在任意時刻t，焊槍末端點相對于{3}系的齊次坐標為（0,r,0,1），代入公式（3-7）可得變換方程： （3-8） 3．3運動學分析處理方法 1、替換處理 轉折點處用一半徑為R的圓弧代替，其中半徑R的大小受角的影響，角越大，R越??；反之亦然。這樣方能使運動的連續(xù)成為可能。 2、銜接處理 在直線段與波內斜邊段劃出一小段來為過渡運動更加順利的完成，這樣過渡運動過程運動分三小階段。 現利用以上兩處理方法處理第一個轉折點的過渡運動，這一階段是銜接兩種運動的過渡階段： 旋轉關節(jié)的轉角：0到的過渡。 焊接速度v的方向：水平方向到與水平方向呈的夾角的過渡。 下面是該過渡階段的運動示意圖： 圖3-2 旋轉關節(jié)在過渡處的運動示意圖 3、逆解函數 這里所求逆解都是以時間為自變量，由于這里焊接速度相對焊縫是恒定的，s=vt，故與以焊槍末端點的自然坐標系的位移為自變量是一致的，求解較方便。 3．4 逆解過程 這臺機器人焊接時，其運動存在三個約束：焊接速度恒定，焊接軌跡曲線一定，焊槍與焊縫保持垂直。在這里，由前面的分析處理思想及方法可知，在過渡運動過程中放棄了第三個約束，由于這么一小段位移比較短，不然的話，會導致無解，因為旋轉關節(jié)的角速度的必然連續(xù)。 這里將取波紋的一個周期進行運動學逆解，求出三個關節(jié)應按照什么運動規(guī)律進行運動，還有三個關節(jié)的運動之間的函數關系。 圖3-3波紋的一個周期的各個運動階段的分段示意圖 這里假設A處為運動起始時刻，□為字母（A，A，B，…，H‘）代表焊接軌跡上的點，t□為焊槍末端點運動到該點處的時間，（x□,y□）代表該點在基坐標系上的坐標。 1、AB段（過渡段1） 前面已經介紹過這里的處理方法，這一階段是銜接兩種運動的過渡階段。這里又細分三個小階段：A→A直線段,A→B圓弧段，B →B直線段。為了提高焊接質量，該過渡階段仍然保留焊接速度相對于焊縫為恒定，而放棄焊槍與焊縫保持垂直關系，不然會導致無解。 其中，A→A直線段旋轉關節(jié)逆時針旋轉，A→B圓弧段旋轉關節(jié)不旋轉，B →B直線段旋轉關節(jié)又逆時針旋轉。 直線段 該小階段旋轉關節(jié)逆時針旋轉，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 圖3-4 A→A直線段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-4可得： （3-9） 將其帶入變換方程（3-8）得 （3-10） 將以上兩式對t求導并整理可得： （t） (3-11) 其中旋轉關節(jié)3的運動規(guī)律(-t,-t)如圖3-5所示： 圖3-5 A→A直線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖 圓弧段 該小階段旋轉關節(jié)不旋轉，，為圖3-6中所示角。 圖3-6 A→B圓弧段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-6及平面幾何知識可得： （3-12） 將其帶入變換方程（3-8）得： （3-13） 將以上兩式對t求導并整理可得： （3-13） 又由速度合成知識可得：，帶入上式可解得：。 將這結果帶入式（3-13）可轉化為： （） （3-14） 其中的運動規(guī)律如圖3-7所示： 圖3-7 A→B圓弧段的運動規(guī)律 斜線段 該直線段旋轉關節(jié)又逆時針旋轉角度。 圖3-8 B →B直線段焊接點位置關系示意圖 根據上圖可得： （3-15） 將其帶入變換方程（3-8）得： （3-16） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （3-17） 其中旋轉關節(jié)的運動規(guī)律(-t,-t)如圖3-5所示： 圖3-9 B →B斜線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖 2、BC段（波內斜邊段1） 這一階段旋轉關節(jié)3不轉動，。 圖3-10 B →C波內斜邊段焊接點位置關系示意圖 根據上圖可得： （3-18） 將其帶入變換方程（3-8）得： （3-19） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （3-20） 3、CD段（過渡段2） 這一階段里的處理思想方法與過渡段1是一樣的。 其中，C→C斜線段旋轉關節(jié)順時針旋轉角度，C→D圓弧段旋轉關節(jié)不旋轉，D →D直線段旋轉關節(jié)又順時針旋轉角度。 A→A斜線段 該小階段旋轉關節(jié)順時針旋轉，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 圖3-11 C→C斜線段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-11可得： （3-21） 將其帶入變換方程（3-8）得： （3-22） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （3-23） 其中旋轉關節(jié)的運動規(guī)律(-t,-t)如圖3-12所示： 圖3-12 C→C斜線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖 C→D圓弧段 該小階段旋轉關節(jié)不旋轉，。 圖3-13 C→D圓弧段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-13及平面幾何知識可得： （3-24） 將其帶入變換方程（3-8）得： （3-25） 將以上兩式對t求導并整理可得： （3-26） 又由速度合成知識可得：，帶入上式可解得：。 將這結果帶入式（3-13）可轉化為： （） （3-27） 其中的運動規(guī)律如圖3-14所示： 圖3-14 C→D圓弧段的運動規(guī)律 D→D直線段 該小階段旋轉關節(jié)又順時針旋轉，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 圖3-15 D→D直線段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-15可得： （3-28） 將其帶入變換方程（3-8）得 （3-29） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） (3-30) 其中旋轉關節(jié)3的運動規(guī)律(-t,-t)如圖3-16所示： 圖3-16 D→D直線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖 4、DE段（直線段1） 這一階段旋轉關節(jié)3不轉動，。 又根據約束（焊槍與焊縫垂直，相對于焊縫焊接速度恒定，焊縫軌跡為水平直線）和運動合成知識可得出： （） （3-31） 5、EF段（過渡段3） 這一階段里的處理思想方法與過渡段1是一樣的。 其中，E→E斜線段旋轉關節(jié)順時針旋轉角度，E→F圓弧段旋轉關節(jié)不旋轉，F →F直線段旋轉關節(jié)又順時針旋轉角度。 E→E直線段 該小階段旋轉關節(jié)順時針旋轉，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 圖3-17 E→E直線段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-17可得： （3-32） 將其帶入變換方程（3-8）得 （3-33） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） (3-34) 其中旋轉關節(jié)3的運動規(guī)律(-t,-t)如圖3-17所示： 圖3-17 E→E直線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖 E→F圓弧段 該小階段旋轉關節(jié)不旋轉，。 圖3-18 E→F圓弧段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-18及平面幾何知識可得： （3-35） 將其帶入變換方程（3-8）得： （3-36） 將以上兩式對t求導并整理可得： （3-37） 又由速度合成知識可得：，帶入上式可解得：。 將這結果帶入式（3-37）可轉化為： （） （3-38） 其中、的運動規(guī)律如圖3-19所示： 圖3-19 E→F圓弧段的運動規(guī)律 F→F斜線段 該小階段旋轉關節(jié)又順時針旋轉，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 圖3-20 F→F斜線段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-20可得： （3-39） 將其帶入變換方程（3-8）得： （3-40） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （3-41） 其中旋轉關節(jié)的運動規(guī)律(-t,-t)如圖3-21所示： 圖3-21 F→F斜線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖 6、FG段（波內斜邊段2） 圖3-22 FG段波內斜邊段的速度合成圖 該階段：；并滿足焊接速度相對焊縫恒定，焊槍與焊縫保持垂直關系。 因此根據速度合成知識（如圖3-22所示）可得： （） （3-42） 7、GH段（過渡段4） 這一階段里的處理思想方法與過渡段1是一樣的。 這里分三個小運動階段，其中，G→G斜線段旋轉關節(jié)逆時針旋轉角度，G→H圓弧段旋轉關節(jié)不旋轉，H →H直線段旋轉關節(jié)又逆時針旋轉角度。 G→G斜線段 該小階段旋轉關節(jié)逆時針旋轉，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 圖3-23 G→G斜線段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-23可得： （3-43） 將其帶入變換方程（3-8）得： （3-44） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （3-45） 其中旋轉關節(jié)的運動規(guī)律(-t,-t)如圖3-24所示： 圖3-24 G→G斜線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖 G→H圓弧段 該小階段旋轉關節(jié)不旋轉，。 圖3-25 G→H圓弧段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-25及平面幾何知識可得： （3-46） 將其帶入變換方程（3-8）得： （3-47） 將以上兩式對t求導并整理可得： （3-48） 又由速度合成知識可得：，帶入上式可解得：。 將這結果帶入式（3-48）可轉化為： （） （3-49） 其中、的運動規(guī)律如圖3-26所示： 圖3-26 C→D圓弧段的運動規(guī)律 H→H直線段 該小階段旋轉關節(jié)又逆時針旋轉，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 圖3-27 H→H直線段焊接點位置關系示意圖 根據圖3-27可得： （3-50） 將其帶入變換方程（3-8）得 （3-51） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） (3-52) 其中旋轉關節(jié)3的運動規(guī)律(-t,-t)如圖3-28所示： 圖3-28 H→H直線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖 8、HI段（直線段2） 該階段運動：；并滿足焊接速度相對于焊縫保持恒定，焊槍與焊縫的夾角保持垂直關系。 根據速度合成知識可得： （） （3-53） 以上即為焊接集裝箱一個周期波紋板的運動學逆解。 3.5 結論 1、由逆解過程可以看出三自由度焊接機器人三個運動關節(jié)按照一定的運動規(guī)律協(xié)調動作，即可以保證焊槍以一定的位姿與焊接速率進行焊接，將較好的解決波紋直線焊縫與波內 斜邊焊縫成形不能保持一致的難題。 2、所求焊接過渡段中的過渡運動能較好的銜接直線段與波內斜邊段的運動。 22 第三章 結構設計 3.1小車行走結構設計 這里主要是做了三方面的工作：對小車行走機構的結構方案的比較與選擇；對電機功率的估計并選擇出小車的驅動電機；對根據結構設計的齒輪、齒條傳動的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度校核。 3.1.1 車體結構方案的比較與選擇 根據一些移動機器人本體設計的研究文獻及直動關節(jié)的知識可獲得兩個車體結構方案。這兩個方案的示意圖如圖所示： 方案1：其中傳動順序為：電機齒輪箱車輪軸上齒輪（通過車輪軸）驅動輪。這也是在移動機器人本體結構設計上較為常用的一種車體結構方案，布置比較對稱合理。 方案2：其中傳動順序為：電機圓柱齒輪固定齒條（通過反推動）車體結構。這里的設計有借鑒將旋轉運動轉化為直線運動里有齒輪、齒條這么一種傳動方式，結構比較簡單，設計比較容易。 方案間的比較： 表1兩車體機構方案的比較 方案 比較方面 方案1 方案2 設計方面 較復雜 較簡單 結構方面 稍復雜 稍簡單 布置方面 對稱點 有點偏移 效率方面 較低 較高 精度方面 高 稍差 用材方面 還好 有長齒條 根據實際的工作條件：希望設計能夠比較簡單，結構比較簡單，焊接小車的移動效率高一點，精度要求并不是很高，。故可從表1可選擇出方案2作為該小車的設計結構方案。 3.1.2 小車驅動電機功率的確定 1、電機功率的估計 根據機器人的重量、小車運行速度、輪胎直徑來確定驅動電機的功率。 假定小車在軌道上行走，不考慮小車行駛中的空氣阻力，分析小車的受力情況，以便估計小車所需的驅動力矩。此時，應把輪胎看成一個彈性體來考慮。 前面也提到了，在這里，由于電機的驅動是通過齒輪、齒條的嚙合來驅動，故該小車的四輪都為從動輪。 這里先分析車輪的受力情況： 圖 車輪受力簡圖 假設在運動過程中，輪子做純滾動。 設小車運動時的加速度為，相應的車輪角加速度為。 根據可推得： 其中v為小車速度，w為車輪角速度，r為車輪的半徑。 圖 畫出了該小車的車輪在運動過程中的受力簡圖，圖中 P車輪上的載荷，m 車輪的質量，N地面對車輪的法向反作用力，U為車輪的切向反作用力，X車輪軸的車輪的推力。 根據平衡條件有 （3-1） （3-2） 為車輪滾動阻力矩，其值為；J為車輪的轉動慣量。 根據式（3-1）、（3-2）有 （3-3） 由此可知，推動車輪前進要克服兩種阻力，即車輪的滾動阻力和車輪的加速阻力。而后者又由平移質量產生的加速阻力和由旋轉質量產生的加速阻力所組成。 齒輪、齒條傳動作為該小車的驅動機構，故驅動力矩設為， 進而可將理解為小車的實際驅動力，為齒輪的半徑。 故以小車車體做分析對象，在水平方向上，應用牛頓第二定律可得： （3-4） 其中為機器人總質量。 將式（3-3）中的X帶入上式得； （3-5） 由上式可得出結論為：小車的驅動力用來克服車輪的滾動阻力和機器人的平移質量的加速阻力和車輪的旋轉阻力。 可根據式（3-5）粗估出驅動力矩： 其中：車輪半徑 ，（查理論力學 P120 表5-2 滾動摩阻系數。），； 估為40 kg ,車輪質量估計為0.8kg ,J估計為，牛； 由于這里的焊接速度為，故可一定程度上估出。 將上述數據帶入式（3-5）得： 進而根據要求的運行速度為v ,初步確定電機的功率P： （3-6） 其中：K為估計系數，考慮到該焊接機器人其上的關節(jié)的運動，可取為5。 解之得： 2. 電機的選擇 前面已初步估計出了驅動力矩，電機的功率。 在實際的操作中，機器人的驅動，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等?？紤]到步進電機通過改變脈沖頻率來調速。能夠快速啟動、制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而步進電機在機器人無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 這里選定步進電機為驅動電機，考慮到在實際的選擇中應考慮到一定的裕度。 這里選用的是杭州日升生產的永磁感應子式步進電機： 型號：130BYG2501； 步距角：0.9/1.8度； 電壓：120-310v 相數：2 ； 電流：6 A; 靜轉矩：270 ； 空載運行頻率：； 轉動慣量：； 3.1.3齒輪、齒條傳動的校核 這里齒輪、齒條的傳動是按照結構聯系上來設計的，故這里對齒輪進行彎曲強度校核、接觸強度校核。 其參數為：齒輪直徑，齒寬為，模數為，齒數為80。 前面也對驅動力矩做出估計并給出轉速，，。 這里參考《機械設計》P209里的帶式輸送機減速器的高級級齒輪傳動設計進行校核。 由于這里的齒條可以理解為半徑無窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強度是否符合要求，對齒條的強度無需校核，這里只需校核齒輪的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度。 1.選定齒輪類型、精度等級、材料 1）這里以直齒圓柱齒輪齒條傳動。 2）該焊接機器人速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）。 3）由表10-1選擇齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 2.按齒面接觸強度校核 按照公式（10-9a）進行校核： （3-7） 1） 確定公式內的各計算數值 （1）計算載荷系數K 根據，7級精度，由表10-8查得動載系數； 由表10-2查得使用系數； 直齒輪，調質，及。查表10-3的； 由表10-4查的7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時， 將數據帶入后得： 由查圖10-13得； 故載荷系數 。 （2）齒寬系數。 （3）由表10-6查得材料的彈性影響系數。 （4）由圖10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限。 （5）由式10-13計算應力循環(huán)次數 。 （7）由圖10-19查得接觸疲勞系數。 （8）JI計算接觸疲勞許用應力 取失效概率1%，安全系數，由式（10-12）得 （9）由于這里是齒輪、齒條傳動，故可認為傳動比 2） 計算 將上面計算的各項數據帶入式（3-7）得： 而這里設計該傳動的齒輪半徑，顯然滿足接觸疲勞強度。 3.按齒根彎曲疲勞強度校核 這里按照公式（10-5）進行校核： 1） 確定公式內各計算數值 （1） 由圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強度極限 （2） 由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數 （3） 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數，由式（10-12）得 （4）計算載荷系數K （5）查取齒形系數 由表10-5查得 （6）查取應力校正系數 由表10-5可查的得 2）計算 而這里設計的是，顯然滿足彎曲疲勞強度，故校核結果符合要求。 4、結論 綜上，所設計的齒輪參數符合要求，校核完畢。 3.2 擺動關節(jié)電機選擇 考慮到擺動關節(jié)的實際情況，對電機的要求：質量輕，體積小，頻繁的正反轉，換向性能好，較好的運動控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機中的印刷繞組直流永磁式。 該類型直流伺服電機又稱盤式電機，有特點：快速響應性能好；可以頻繁的起動、制動、正反轉工作；轉子無鐵損，效率高；換向性能好；壽命長；負載變化時轉速變化率小，輸出力矩平穩(wěn)。 這里選擇的型號是Maxon 組合體系： 電機：Maxon DC Motor F2260 功率為40W; 行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動比約為19：1； 編碼器：HEDS 55。 3.3 本章小結 這里主要是進行了車體結構設計：方案選擇；功率估計；電機選擇；校核。 第四章 結論 1、對該集裝箱波紋板三自由度焊接機器人進行了方案設計，并對機構進行運動學逆解，證明該方案可行，能夠滿足集裝箱波紋板焊接的要求，能夠提高在直線段與在波內斜邊段的焊縫成形的一致性，提高集裝箱的生產質量。 2、完成了車體結構設計：車體結構方案的比較與選擇；驅動電機功率的估計計算與選擇；齒輪齒條傳動的接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度校核。還有擺動關節(jié)驅動電機的選擇。 3、其它方面：車輪與選用導軌的匹配設計，關節(jié)間的聯接匹配設計。這些都是直接在圖紙上設計出來了。 爬壁機器人的發(fā)展 摘要——很長時間以來，人們希望能夠利用爬壁機器人來營救墻壁檢測和滅火，在我們的實驗室里已經研制了四種非常不同的機器人，第一種機器人有一個大的吸附器其利用了與氣墊船相反的原理；第二種有兩足行走，并且每足上有一小吸附器；第三種通過驅動器的擠力在不規(guī)則的垂直墻壁上移動，這是一種墻體驅動機器人；第四種可在必要的時候短距離躍入空中，這里將討論這些機器人的機構和控制系統(tǒng)。 1、 介紹 很長時間來，人們期望機器人能夠在垂直的墻壁上移動，它可用在高樓大廈里來營救墻壁檢測和滅火，在過去的二十年里，我們實驗室研制了四種完全不一樣的爬壁機器。第一類有大的吸附器和爬行器作為移動機構，這種被稱為大吸附器機器人。最近，在日本，已發(fā)展出很多種類的這一類型機器人用于檢測墻壁。這里將討論與在吸氣和風扇轉動間相適用的機構和空氣動力學。 第二種類型是雙足行走機器人，每足上有一小吸附器而被稱為雙足機器人，這里也將討論其機構和控制系統(tǒng)，并給出一模擬研究，由于這里模型適用于幾乎所有的不規(guī)則墻面，它比第一種應用范圍更廣。 通常而言，行走運動不是很快，因此行走機器人爬行到墻的高處將耗費很多時間，然而，又需要這樣一種機器人，它能在短時間爬到建筑物的高處，為了緊急的目的，例如攜帶救援工具或者給建筑里滅火。第三種機器人旨在達到這些目的，它有驅動器，這些驅動器的垂直墻面的擠力減小微弱，這樣能夠利用輪與墻間的摩檫力并支撐機器人自身。這是一種墻體驅動機器人。有時候意外的強風會發(fā)生在高層建筑物的墻體上，在這種情況下，用來彌補風的力量的控制系統(tǒng)，對于避免讓機器人從墻上掉下很重要，這種情況已經在[6，7]里簡單的討論過。 通常在建筑物的低處有很多障礙，比如樹，屋檐，入口等等。在這些情況下，如果機器人能夠飛躍這些障礙并到達上面的墻面將很管用，另外如果機器人意外地從高處的墻面上掉落，制作一軟著陸來避免危害自身或周圍環(huán)境很有必要。這些目標可通過用能使其飛的機構和控制系統(tǒng)來完成。由于墻壁驅動機器人有足夠的擠力來支撐其自身，它可改造成一種能夠飛或著陸的新的機器人。這是第四種模型，其機構和控制系統(tǒng)將被討論，并提出其操縱能力的模擬研究。 2、 大吸附器機器人 2．1 大吸附器模型的機構 很久以來，人們期望研制出能夠在高層建筑的垂直或懸空的墻面，或者巨輪的側面等上面移動的移動機器人。然后，這種機器人能用來代替人搬運營救工具或做其它工作。為了實現這種機器人，需要用來支撐機器人或使其在墻上向上移動的摩擦力。磁力或真空壓力可產生指向墻面的固定力，輪子或履帶都可用作在平且寬的垂直墻面上的移動機構。1966年研制出了一臺大吸附器機器人（如圖1所示），當用機器人在墻上移動時從吸附器的外圍空隙中吸取了少量的空氣。利在吸附器的外圍安裝一刷子和（或）彈性圍罩來減弱空氣流和保證吸附器內部足夠的負壓，它能在不規(guī)則的小墻面上移動。這個模型的機構和尺寸如圖2所示：離心風扇由小引擎驅動，履帶由直流電動機驅動。 圖1 大吸附器機器人 2．2安全條件 在墻上的固定力是負壓和吸附器面積乘積； F=PA (1) 引擎 皮帶輪 驅動電機 刷子和圍罩 直流電機 履帶輪 風扇 燃料箱 圖 2 大吸附器模型的結構示意圖 圖 3 大吸附器機器人的滑動及脫落的安全區(qū)域 下面是避免滑動和掉下的條件： μF/W>1 (2) F/W>h/R (3) 這里W是機器人的凈重，μ是摩擦系數，h為墻面到重心的距離，R為吸附器中心到最低支撐點的距離。 如果機器人在條件 h/R<1/μ (4) 下設計，掉下可以避免。這些關系如圖3所示，每個曲線的上半區(qū)域為安全區(qū)域。 2．3 固定力與風扇性能的匹配 由于用來支撐機器人在垂直墻壁上的固定力與風扇性能直接相關，因此，它們之間的匹配非常重要，風扇性能（粗實線）和在有效誤差δe下的匹配線（點杠線）如圖4所示：橫坐標代表空氣流質量Q，縱坐標是負壓P和固定力F，并且每條曲線的參數是臨界速度n,常量引擎節(jié)流的工作曲線由通過點Z,Y,X的曲線表示，在粗糙水泥墻面上得到所需最小負壓測量為P=35mm水柱。 由于模型的凈重W=44kgf，摩擦系數μ=1.05確定，點W，V,U是各誤差δe的所需最小必須壓力。例如，如果風扇在點X以大誤差δe=5.3mm工作，最小壓力大約為15mm水柱，來自點X與U之間的中點，因此，這種模型在更小摩擦系數的墻面上移動是危險的。 圖 3 大吸附器機器人的風扇性能圖 誤差的突變取決于由墻面的不規(guī)則所導致對應的空氣質量流和之后負壓的變化。風扇的旋轉速度一直變化至引擎和風扇間的達到力矩平衡。這種關系如下： IΩ=ηmTE-TF 這里I是引擎和風扇旋轉部分的慣性矩，Ω為風扇的角速度，ηm為引擎和風扇之間的機械效率，TE為驅動力矩，TF為風扇所需的 矩。如果誤差從δe=5.3突變至1.8mm，風扇工作曲線通過X-Z′-Z。另一方面，如果誤差增加，通過Z-Y′-X′-X。因此，間隙的突然增加過程中，負壓比終點X處要大，故在變化過程中可獲得足夠的力。 2．4 總體安全條件 總體安全條件歸納如下： （a）脫落是致命的，因此應避免使用公式（4）的條件。 （b）在吸附器的外部減少空氣泄漏 有用的。 （c） 由于間隙的突然增加，負壓變化有一定的時間滯后，因此引擎應該短時間打開以使補償吸附器里的足夠壓力。 3、兩足行走機器人 3、1 行走機構 圖 5 雙足行走機器人的結構 現在地面上行走機器人有很多種類型的行走機構，例如兩足定位，四足的，六足的等等。類似的，現在爬墻機器人也有很多種機構。 垂直軌道 斜軌道 圖 6 行走運動