五自由度機器人結(jié)構(gòu)設計【5自由度】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】,5自由度,CAD圖紙和文檔終稿可編輯,自由度,機器人,結(jié)構(gòu)設計,cad,圖紙,以及,文檔,終稿可,編輯,編纂 2005年3月14日 星期一 為順利完成畢業(yè)設計，對社設計的題目的狀況有了個大概的了解，我所設計的題目是：五自由度教學演示機器人結(jié)構(gòu)設計“首先應設計一個機器人結(jié)構(gòu)部分，其可以實現(xiàn)5個自由度的運動，同時實現(xiàn)這些運動達到教學演示的目的。 今天我參閱了相關(guān)的資料，對機器人的結(jié)構(gòu)組成有了個大概的了解，在次做簡單的概述，通俗點講所謂的機器人就是為了滿足人類的需要，用一種機械裝置，按照人的意愿，實現(xiàn)一些運動代替人的勞動，類似人的手，當然我們著眼與機能方面，沒有限定在要與人的手相同。 機器人作為一個系統(tǒng)，其組成有機械手，末端執(zhí)行器，驅(qū)動器、傳感器、 處理器及相關(guān)軟件組成。，通過參閱這些資料，對機器人歷史發(fā)展過程目前的狀況有了外大致的了解，對自己的設計有個很好的基礎。 2005年3月15日 星期二 作為機器人的餓重要組成部分，機械手的作用可以說是十分重要的，今天通過參閱資料，了解了機械手的發(fā)展，它的作用日益被人民所認識 其一：它能部分代替人的操作其二：它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序和時間位置來完成工件的傳送和裝卸，從而大大的改善了勞動條件。顯著提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)機械化和自動化。 通過對機械手的執(zhí)行機構(gòu)的概括了解對設計過程中各個組成部分的布置及驅(qū)動件的布置有很大的益處，也為實習過程中有效快速學習總結(jié)提高了基礎。 2005年3月16日 星期三 在對機械手執(zhí)行機構(gòu)進行驅(qū)動時，常見的驅(qū)動方式有液壓、氣動、電動其中液壓驅(qū)動方式具有輸出力矩大運動平穩(wěn)，且速度較快易控制，定位精度高等一系列的優(yōu)點，但對油液的過濾和密封要求過高，而氣動驅(qū)動方式多用于具備壓縮空氣源的工廠，于液壓驅(qū)動相比，氣動的優(yōu)點有1、壓縮空氣黏度小，容易達到高速 2、利于工廠中集中供氣站，不必添家動力設備 3、氣動元件工作壓力低，故制造要求低。 結(jié)合自己所設計的題目，兩種驅(qū)動方式都不太適合，不適合教學演示的環(huán)境，待下次比較電動方式后在做選擇 2005年3月17 星期四 上次對液壓驅(qū)動、氣動做了比較，今天參閱相關(guān)的資料，對電動做個概述和比較 電氣驅(qū)動是目前驅(qū)動應用最多的方式，其動力源簡單，無需配套使用，維修方便，便于計算機連接 電驅(qū)動主要有兩種電機，步進電機伺服電機，步進電機易實現(xiàn)開環(huán)控制，但穩(wěn)定性差，且啟動頻率高時會產(chǎn)生丟步，多應用于精度不高的場合 伺服電機是一種轉(zhuǎn)子的運動受輸入信號控制，做快速反映控制電機分為直流和交流。 2005年3月18日 星期五 今天實習對直流伺服電機和交流伺服做了比較，總結(jié)如下： 1、 優(yōu)點（直流） 1） 相同座機時效率高 2） 機械特性好 3） 在直流系統(tǒng)中使用方便 4） 系統(tǒng)穩(wěn)定性技術(shù)比較簡單 2、 缺點 1） 接觸式直流電機的換向是對無線電的干擾 2） 有放大器漂移現(xiàn)象 3） 在交流系統(tǒng)中使用不方便 4） 電機的壽命受電刷的限制 對兩種電機進行了比較，對在設計過程中的電機選擇有很大的幫助。 2005年3月21日 星期一 比較上次直流伺服和交流伺服電機，結(jié)合本次設計內(nèi)容，綜合考慮選用步進電機驅(qū)動。今天通過去工廠，電機生產(chǎn)的中了解到步進電機又稱脈沖電動機，是脈沖電信號轉(zhuǎn)換成角位移的轉(zhuǎn)化元件，沒輸入一個脈沖電信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，它的角位移量與脈沖數(shù)成正比，速度與頻率成正比，在負載能力下，這些關(guān)系不因電源電壓環(huán)境的改變和變化，可以通過改變脈沖頻率來調(diào)速，反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)等，鑒于這些特點，步進電動機在即人控制系統(tǒng)中應用廣泛。結(jié)合自己的題目，想想自己的各個自由度的運動采用步進電機驅(qū)動，（試想）。 2005年3月22日 星期二 今天在工廠里通過師傅門的介紹，得知步進電機應用十分的廣泛，對步進電機的原理有了個很好的了解， 從原理可以知道，為使步進電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，必須有一個切換電路，按照不同的要求來控制繞組的輸入，也就是步進電機驅(qū)動器，它由邏輯序列發(fā)生器及規(guī)律驅(qū)動電路組成，即輸入脈沖通過環(huán)行分配器，在通過方大電路來驅(qū)動步進電機的運動。 2005.3.23 星期三 在設計思考中，為使各執(zhí)行部件運動，如使臂伸縮旋轉(zhuǎn)等基本操作時，傳動部分必不可少，今天參照各種資料對傳動方式進行了使用。 機器人手部夾持器的重復定位精度是機器人設計中一個十分重要的指標。它的實現(xiàn)依靠兩方面因素：一是傳動鏈精度，二是伺服精度而對傳動系統(tǒng)而言，傳動鏈越短，運動的驅(qū)動越直接，則精度越高。但目前工業(yè)機器人都不是直接驅(qū)動的，必須有中間環(huán)節(jié)，工業(yè)機器人主要應用減速方法，是齒輪傳動，螺輪蝸桿傳動。以及絲桿螺母和滾珠絲桿減速等。 齒輪傳動和螺輪蝸桿傳動減速有它的優(yōu)越性，且價格低廉，齒合間隙也可以調(diào)到很小，可以滿足重復定位的要求。 滾珠絲杠具有減速比大，效率高等優(yōu)點，適用于把圓周運動轉(zhuǎn)換為直線運動，且不需要自鎖時沒，尤其適用于機器人大小臂的傳動。 另外，還應考慮大小臂，重心位置變化后的平衡計算問題，用相應方法解決。 2005.2.24 星期四 實習期間，根據(jù)王老師的設計三點要求，結(jié)構(gòu)簡單，自由度應具有代表性。易于教學演示，思考采用。常用臂部回轉(zhuǎn)，臂部伸縮，腕部升降，腕部回轉(zhuǎn)，手爪回轉(zhuǎn)五個自由度方向運動。 2005.2.25 星期五 結(jié)合上次的機構(gòu)布局圖，對各部件的運動形式和傳動方式作出進一步說明。 臂部回轉(zhuǎn)采用蝸輪蝸桿傳動。主要因為其所帶動的部件多，慣量大，所以轉(zhuǎn)數(shù)不 能帶高，選用VT筒減速機構(gòu)，綜合考慮其能實現(xiàn)較大的傳動比，體積小，便于安裝 臂部伸縮采用絲杠螺母傳動機構(gòu)產(chǎn)生直線運動。 腕部升降部分采用絲杠螺母傳動機構(gòu)，用步進電機驅(qū)動，同時為減小腕及手部機構(gòu)的重量所產(chǎn)生的傾覆力矩的作用。 腕部回轉(zhuǎn)，因為要求重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，可以采用電機直接驅(qū)動。 2005.3.28 星期一 結(jié)合資料今天我交接了工業(yè)機器人計算機控制一般分為兩級控制，即主——從控制方式。 第一級，主控制計算機主要完成協(xié)調(diào)，管理，顯示，軌跡規(guī)劃，坐標變換，插補，編程控制再現(xiàn)其任務。 第二級，計算機接收第一級傳來的位置指令，完成機器人各自由度運動控制。 從控機主要有兩種形式，一種是CPU分時控制，由一個CPU按時間順序分別控制機器人各自由度運動，另一種是CPU并行控制形式。 2005.3.29 星期二 集合自己題目參閱書本機器人演示系統(tǒng)是為教學服務的，應能開設盡可能多的演示實驗還允許學習者以某種方式，輸入機器人的運動位置，控制機器人完成設想的動作，因此決定采用微軟伺服的點位控制方式，使學生對機器人控制有一個較全面的認識。 而在控制策略上，采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的方式，這樣做能滿足實驗對系統(tǒng)的要求。 2005.3.30 星期三 在設計過程中，考慮的因素很多，其中經(jīng)濟性十分重要，為降低成本，在控制策略上本實驗不必作太多的要求，因此電機選取和驅(qū)動電路的設計力求經(jīng)濟簡單。 控制核心用單片機控制并努力使多的軟件功能代替硬件功能，基于同樣的因素，步進電機驅(qū)動器采用簡單實用的單電壓串電阻驅(qū)動。 2005.3.31 星期四 在機器人中，傳感器應用廣泛，而用于內(nèi)部反饋控制，也用于感知與外部環(huán)境的相互作用。 在機器人中，當連桿個關(guān)節(jié)運動時，傳感器例如電位器，編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等將信號傳給控制器，由其[判斷各關(guān)節(jié)位置。 在特殊情況下，傳感器還會具備人類所不具備的功能如放射性探測傳感器。 本設計中用到位置傳感器，判斷運動位置以便于單片控制。 2005.4.1 星期五 通過這次實習，我覺得自己受益非淺，為畢業(yè)設計打下了基礎，在實習的同時考慮到整個設計應該考慮的問題，整體方案的確定，驅(qū)動類型的選擇，以至傳動部分各部分方式，如蝸輪蝸桿傳動，齒輪傳動等，對整個設計的完成打下了基礎，也是設計完成的保障。 我會在原有的基礎上，繼續(xù)努力，高質(zhì)量，按進度完成設計內(nèi)容，在此感謝王老師在此期間的指導。 機械設計制造及其自動化學院 畢業(yè)設計開題報告 年 級： 機械01-6班 題 目： 五自由度教學演示機器人結(jié)構(gòu)設計 指導教師： 王宏 學生姓名： 黃亞東 學 號： 27 號 2005年 04月 18日 設計題目 五自由度教學演示機器人結(jié)構(gòu)設計 選題的目的和意義 隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機器人的應用領域正在不段的擴大，對教育培訓部門提出了新的要求，大多數(shù)機器人專家都反復的強調(diào)制定培訓規(guī)劃以為新的工作崗位準備合格的勞動力，談到培訓就面臨一個協(xié)調(diào)問題，工業(yè)和教育團體應減少培訓與需要之間的協(xié)調(diào)失誤，在學校學生應了解市場情況，在教師的協(xié)助下調(diào)整自己的課程，使所學的知識和技能在畢業(yè)時能滿足社會的需要，提高畢業(yè)生的專業(yè)技能和更好的學習專業(yè)知識，提高教學水平，培養(yǎng)學生的科研能力，為此選定五自由度的機器人機構(gòu)設計并設計一套以實驗教學為目的的機器人演示系統(tǒng)。 大量的采用機器人用減少失業(yè)，只是對教育和培訓提出了新的要求，在機器人的研究、制造和應用上有七種職業(yè)，即研究與開發(fā)、設計、制造應用、市場服務、維修 與教育，現(xiàn)在國外機器人制造廠家不僅開設機器人入門課程，也向?qū)W校提供資助，為學校提供有效的機器人教學系統(tǒng)，某些機器人制造商與院校建立密切的協(xié)調(diào)關(guān)系，我所設計的題目對教育有很大的意義，可以使學習者對機器人的全貌有個直觀的認識，進一步對機器人系統(tǒng)極其適用的環(huán)境進行學習，使學習者熟悉機器人自動化生產(chǎn)及控制過程，從而提高專業(yè)設計水平及生產(chǎn)實踐能力。 選題背景 研究目標、內(nèi)容和關(guān)鍵問題、采取的研究方案，及本項目的創(chuàng)新之處和可行性分析： 研究目標：設計出一個具有5個自由度運動的機器人結(jié)構(gòu)，并設計出實驗用來說明機器人 分類、結(jié)構(gòu)組成極其控制原理，實現(xiàn)教學目的。 研究內(nèi)容：設計一種機器人結(jié)構(gòu)，使其能完成5個自由度的運動，并采用單片機對運動進行控制以及設計出幾個實驗來說明演示系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)特點和功能?；緝?nèi)容有系統(tǒng)分析階段和技術(shù)設計階段以及用于教學的演示實驗部分。如機器人的動作精度以及對個方面的溫度環(huán)境條件的適應性，機器人坐標形式的選擇，驅(qū)動系統(tǒng)的類型，控制系統(tǒng)的原理圖，各部件的具體結(jié)構(gòu)，機器人總裝圖的設計。 關(guān)鍵問題： 1、各自由度的方向的實現(xiàn) 2、各部件結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)的設計和計算。 3、驅(qū)動系統(tǒng)的類型 4、各部位運動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設計 5、用于教學演示系統(tǒng)的設計及方案的確定 研究方案：為完成設計目的，選用臂部回轉(zhuǎn)、伸縮、腕部回轉(zhuǎn)、升降、及手爪的回轉(zhuǎn)5個自由度方向運動為主要思路，其中驅(qū)動均采用電機直接驅(qū)動，傳動部分臂部回轉(zhuǎn)采用采用蝸輪蝸桿傳動、臂部伸縮采用絲杠傳動，腕部回轉(zhuǎn)采用電機直接驅(qū)動，升降采用絲杠傳動，采用單片機逐次對不同電機進行控制實現(xiàn)教學演示的目的。 創(chuàng)新點：結(jié)構(gòu)具有線條便于理解，使初學者較快掌握其要領，理解其工作原理，各驅(qū)動部分采用電機驅(qū)動，適用于機器人教學。 可執(zhí)行性：由于驅(qū)動部分采用電機來源廣，硬件部分采用單片機，選擇性較高，用于教學演示很方便可取。 設計任務書 為順利完成設計我決定從以下方面進展： 第一部分：緒論 1、 國內(nèi)外機器人發(fā)展的狀況。 2、 機器人對教育、培訓的要求及本課題的提出 3、 工業(yè)機器人的價值 第二部分：總體方案的確定 1、 工業(yè)機器人總體設計方案選擇的一般原則 2、 本結(jié)構(gòu)總體方案的確定。 第三部分：各自由度方向運動部位的具體結(jié)構(gòu)設計和計算 1、 臂部和機身的設計計算 2、 腕部結(jié)構(gòu)設計和計算 3、 手爪的結(jié)構(gòu)設計 第四部分：教學機器人演示系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計 第五部分：教學機器人演示系統(tǒng)演示實驗的設計 第六部分：結(jié)論 第七部分：參考文獻 進度安排 周 完成內(nèi)容 1 查閱資料 2 畢業(yè)實習 3 完成開題報告 4 典型自由度選擇及運動特點 各自由度運動結(jié)構(gòu)設計計算 5 6 選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進行機器人總裝圖的設計 7 繪制機器人零件圖，確定及坐標尺寸 8 確定驅(qū)動類型 9 擬訂控制系統(tǒng)原理圖 10 教學機器人演示實驗的設計 11 撰寫論文準備答辯 12 13 14 15 16 17 18 文獻綜述 柳洪義 機器人技術(shù)基礎 冶金工業(yè)出版社 2002年 方鍵軍 智能機器人 化學各種業(yè)出版社 2003年 何廣平 關(guān)節(jié)型機器人 化學各種業(yè)出版社 2003年 吳振彪 工業(yè)機器人 華中科技大學出版社 1996年 孟繁華 機器人技術(shù)基礎 哈工大出版社1988年 導師 評語 導師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計(或論文)說明書 頁 摘要 隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機器人的應用領域正在不斷的擴大，對教育培訓部門提出了新的要求，為提高機器人教學的水平，我們研制了一套以實驗教學為目的的機器人演示系統(tǒng)。 本文闡述了機器人的發(fā)展歷程，國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀，及其巨大的優(yōu)越性，提出具體的機器人設計要求，進行了本演示系統(tǒng)的總體方案設計和各自由度具體結(jié)構(gòu)設計、計算；對演示系統(tǒng)的控制部分的研制，其中包括：進電機開環(huán)控制；光電碼盤為反饋元件的，以PWM型功放電路為驅(qū)動器的直流電機閉環(huán)控制；以89C51單片機為核心，實現(xiàn)演示系統(tǒng)的鍵盤管理和LCD顯示，并以單CPU分時控制形式，實現(xiàn)機器人運動的點位控制方式。 最后設計制定出利用本演示系統(tǒng)所開設的幾個實驗的指導書。 關(guān)鍵字：教學機器人、結(jié)構(gòu)設計、閉環(huán)控制、演示實驗 Abstract With the development of robot technology, the continual expansion of application of industrial robots presents newrequire-ments before education and training agencies.We have developed a robot demonstration system for experiments in training to improve the teaching effect of “Robot Teaching”. Firstly, this paper discusses the development course ,the study both in demestic and in external, the significant advantages of robot and then gives the supporting source of the study and the technical requirements, Secoundly,this paper discusses the overall design and calculation on each degree of freedom ，and about the study on the control part of the Training Robot system,which includes the open-loop control of the stepping motor ,the digital closed-loop control of the DC motor with an optical-electrical encoder as feedback cell and the PWM power amplifier as driver .The keyboard management and the LCD display is based on a 89C51 singal plate computer .It is achieved in point to point control by a singal CPU with share time. At the end, it presents guidances to some experiments on the demonstration system. Keywords: Training Robot、Structure Design、Closed-Loop Control 、Demonstrating Experiment.  目　　錄 摘要 1 Abstract 2 第1章 緒論 1 1.1 機器人概述 1 1.1.1 機器人的誕生與發(fā)展 1 1.1.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 2 1.1.3 國外機器人發(fā)展趨勢 3 1.2 機器人產(chǎn)業(yè)對教育、培訓的要求及本課題的提出 3 第2章 總體設計方案 5 2.1 總體設計的思路 5 2.2 總體方案的確定 5 2.2.1 坐標形式的選擇 6 2.2.2 驅(qū)動系統(tǒng)的類型選擇 6 2.2.3 各部位傳動機構(gòu)的確定 6 2.2.4 外形尺寸和運動范圍的確定 7 2.2.5 控制系統(tǒng)的確定 7 第3章 結(jié)構(gòu)設計及計算 9 3.1 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設計 9 3.1.1 概述 9 3.1.2 手部的結(jié)構(gòu)和手指形狀的確定 9 3.1.3 手部驅(qū)動力的計算和電機的選擇 10 3.2 腕部結(jié)構(gòu)設計 13 3.2.1 概述 13 3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)設計 14 3.3 臂部及機身（底座）的設計計算 18 3.3.1 概述 18 3.3.2 結(jié)構(gòu)設計計算 19 第4章 控制系統(tǒng)設計 25 4.1 控制系統(tǒng)方案的確定 25 4.1.1 控制方案的確定 25 4.1.2 驅(qū)動方式的確定 25 4.1.3 控制系統(tǒng)類型的確定 25 4.1.4 步進電機控制方式的確定 26 4.1.5 直流電機控制方式的確定 26 4.1.6 鍵盤及顯示方式的確定 26 4.2 演示系統(tǒng)的組成 26 4.3 驅(qū)動電路的研制 29 4.3.1 恒流源型步進電機驅(qū)動電路的研制 29 4.3.2 雙極型PWM直流力矩電機的驅(qū)動電路的研制 31 4.3.3 光電碼盤的選擇和辯向電路的研制， 33 4.3.4 直流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。 36 4.3.5 以單片機為核心的機器人控制系統(tǒng)的研制 36 第5章 技術(shù)經(jīng)濟分析 46 第6章 教學機器人演示系統(tǒng)演示實驗的設計 47 6.1 實驗一 教學機器人演示系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu) 47 6.2 實驗二：教學機器人控制系統(tǒng)的演示實驗 48 結(jié)論 50 專題部分:——旋轉(zhuǎn)電機的分類及其總結(jié) 51 致謝 61 參考文獻 62 附錄1 63 附錄2 70 附錄3 75 IV 畢業(yè)設計(或論文)說明書 共77頁 第1章 緒論 1.1 機器人概述 1.1.1 機器人的誕生和發(fā)展 　　1920年克作家卡雷爾.卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。劇情是這樣的 ：羅薩姆公司把機器人作為人類生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品推向市場，讓它去充當勞動力，以呆板的方 式從事繁重的勞動。后來，羅薩姆公司使機器人具有了感情，在工廠和家務勞動中，機器人成了必不可少的成員 。該劇預告了機器人的發(fā)展對人類社會的影響。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”(農(nóng)奴) 寫成了“Robot”（機器人）。這也是人類社會首次使用“機器人”這一概念。 自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機的誕生，推動了現(xiàn)代機器人的發(fā)展 50年代是機器人的萌芽期，其概念是“一個空間機構(gòu)組成的機械臂，一個可重復編程 動作的機器”。1954年美國戴沃爾發(fā)表了“通用重復型機器人”的專利論文，首次提出“ 工業(yè)機器人”的概念；1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺數(shù)控工業(yè)機器人原型；1959年 美國UNIMATION公司推出第一臺工業(yè)機器人。 60年代隨著傳感技術(shù)和工業(yè)自動化的發(fā)展，工業(yè)機器人進入成長期，機器人開始向?qū)嵱没l(fā) 展，并被用于焊接和噴涂作業(yè)中。 70年代隨著計算機和人工智能的發(fā)展，機器人進入實用化時代。日本雖起步較晚，但結(jié)合國 情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵使用機器人的措施，其機器人擁有量很快超過了美國 ，一舉成為“機器人王國”。 80年代，機器人發(fā)展成為具有各種移動機構(gòu)、通過傳感器控制的機器。工業(yè)機器人進入普及 時代，開始在汽車、電子等行業(yè)得到大量使用，推動了機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 為滿足人們個性化的要求，工業(yè)機器人的生產(chǎn)趨于小批量、多品種。 90年代初期，工業(yè)機器人的生產(chǎn)與需求進入了高潮期：1990年世界上新裝備機器人81 000臺，1991年新裝備76 000臺。1991年底世界上已有53萬臺工業(yè)機器人工作在各 條戰(zhàn)線上。 隨后由于受到日本等國經(jīng)濟危機的影響，機器人產(chǎn)業(yè)也一度跌入低谷。近兩年隨著世界經(jīng)濟 的復蘇，機器人產(chǎn)業(yè)又出現(xiàn)了一片生機。90年代還出現(xiàn)了具有感知、決策、動作能力的智能機器人，產(chǎn)生了智能機器或機器人化機 器。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機器人的概念和應用領域也在不斷擴大。 2000年出現(xiàn)了仿人機器人及其他仿生機器人，機器人的運動能力和智能水平進一步的提高，并以智能體的形式出現(xiàn)，應用領域進一步的擴大。 1.1.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術(shù)的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品。 1.1.3 國外機器人發(fā)展趨勢 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： 1．工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 　2．機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 3．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(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4．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(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 　5．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 6．當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 　7．機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 1.2 機器人產(chǎn)業(yè)對教育、培訓的要求及本課題的提出 采用機器人會給我們帶來很大的方便，機器人和其他自動化裝置最主要的區(qū)別在于機器人的功能和任務很容易修改或改變，僅需要改變軟件就可以了，同時機器人比一般自動化裝備更復雜，需要更多的軟件和硬件知識，故一旦大量采用機器人就需要專門的培訓使用機器人的具有較高水平和技術(shù)人員，這無疑對教育和培訓提出新的要求，大多數(shù)機器人專家都反復的強調(diào)需要制定培訓計劃以為新的工作崗位準備合格的勞動力。 談到培訓，還有個協(xié)調(diào)的問題，工業(yè)和教育團體應減少培訓與需求的協(xié)調(diào)失誤，在校學生也應了解市場情況，在教師的協(xié)助下開設和調(diào)整自己的課程，使所學的專業(yè)和技能在畢業(yè)的時候滿足社會的需求。 對機器人，人們的頭一個問題就是：機器人是否會造成失業(yè)？應該說大量采用機器人會使一部分人喪失工作，然而這一新的產(chǎn)業(yè)所創(chuàng)造的新的就業(yè)機會比其消滅的職業(yè)更多，新的職業(yè)需要新的技能，就再需要教育和培訓，再次證明，機器人對社會的沖擊就是再培訓的課題。 大量采用機器人不回帶來失業(yè)，在機器人的研究、制造和應用上有七種職業(yè)，即研究、開發(fā)、設計、制造、應用、市場、服務、維修和教育，而潛在的部門是機器人制造部門，教育機構(gòu)和機器人相關(guān)部門?，F(xiàn)在國外機器人制造廠家不僅自己開設機器人課程也向?qū)W校提供資助 ，為學校提供機器人教學系統(tǒng)，據(jù)資料顯示，美國有很多大學開設了機器人課程。 早我國，許多大學也開設了機器人方面的課程（如上海交大，華中科技大學等），也有很多研究開發(fā)機器人的研究機構(gòu)，但資金問題是困饒機器人發(fā)展的障礙，在教學中也面臨相同的問題。但教學課程上，只是紙上談兵，沒有一點直觀的印象，關(guān)鍵是設備問題，研制一個價格低廉、性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡單、能給學生以深刻印象的實驗用的教學演示系統(tǒng)，在這前提和背景下，提出本課題，它能達到以下目標： 1. 成本低，必要時可以降低精度要求，因為是實驗演示裝置。 2. 機械結(jié)構(gòu)簡單，便于學生掌握機器人結(jié)構(gòu)上的特點。 3. 整體尺寸不宜過大，以擺放實驗臺為準。 4. 與結(jié)構(gòu)相匹配，為降低成本，采用開環(huán)、閉環(huán)控制相結(jié)合 5. 各部分結(jié)構(gòu)最好方便拆卸，以便維修保養(yǎng)。 第2章 總體設計方案 在確定機器人總體設計方案前，必須對機器人設計基本步驟及其基本原則，使設計的方案更合理 2.1 總體設計的思路 設計機器人大體上可分為兩個階段： 一、系統(tǒng)分析階段 1、根據(jù)系統(tǒng)的目標，明確所采用機器人的目的和任務。 2、分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。 3、根據(jù)機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、信息的存儲量、計算機功能、動作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應性。 二、技術(shù)設計階段 1、根據(jù)系統(tǒng)的要求的自由度和允許的空間空做范圍，選擇機器人的坐標形式 2、擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖。 3、確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型。 4、擬訂控制系統(tǒng)的控制原理圖。 5、選擇個部件的具體集體夠，進行機器人總裝圖的設計。 6、繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。 下面結(jié)合本演示系統(tǒng)的基本要求和設計的基本原則確定本系統(tǒng)的方案。 2.2 總體方案的確定 提到總體方案的確定，讓我們重復下本課題的要求： 1、它是一個教學用的演示系統(tǒng)。 2、我們希望它不太大，可以安置在實驗臺沙鍋內(nèi)給學生講解，即小型化、輕型化。 3、經(jīng)費有限，要求成本低。 4、在滿足前幾點的要求下，盡可能的要造型美觀。 2.2.1 坐標形式的選擇 有要求可知這是一個演示的系統(tǒng)，即機器人的幾個基本的動作的演示，了解機器人的基本結(jié)構(gòu)、控制方式等，加深對工業(yè)機器人及其適用的工作環(huán)境的了解，綜合考慮選用 圓柱型坐標，此坐標的運動特點是各動作直觀性強，占用空間小，相對工作范圍大，也常用，而關(guān)節(jié)型、極坐標型機器人的運動直觀性差，而直角坐標型占地面積大、工作范圍小，靈活性差。 2.2.2 驅(qū)動系統(tǒng)的類型選擇 因為現(xiàn)有的實驗設備中電機控制的優(yōu)點，基本設想采用電機驅(qū)動，使用步進電機和伺服電機驅(qū)動。 整體結(jié)構(gòu)布局的確定 在確定整體結(jié)構(gòu)時，考慮到課題的基本要求，覺得采用模塊式結(jié)構(gòu)，各部位自成體系，組裝方便，根據(jù)思想有圖的個構(gòu)想，臂部回轉(zhuǎn)電機1通過減速機構(gòu)驅(qū)動2回轉(zhuǎn)，從 而帶動手臂回轉(zhuǎn)，又臂部電機帶動絲杠驅(qū)動4縮運動，5 固定載上實現(xiàn)腕部的升降，7為控制腕不粉回轉(zhuǎn)的位置傳感器，8實現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)，如圖所示： 綜合考慮此設計，可以認為該結(jié)構(gòu)具有線條簡潔明快，能使初學者較快的得其要領，理解工作原理，很適合于機器人教學的需要。 2.2.3 各部位傳動機構(gòu)的確定 我們從底座開始，分別的一一 考慮。 首先是臂部的回轉(zhuǎn)，因為臂部的回轉(zhuǎn)帶動的部件多、慣性大，所以轉(zhuǎn)速不能太高，考慮到用步進電機，要用減速機構(gòu)，如選用齒輪傳動，體積較大，不適合教學的要求，綜合考慮采用蝸輪蝸桿傳動比較合理，首先能實現(xiàn)較大的傳動比；其次體積小，便于安裝，其也有傳動效率底的缺點，工作過程中有相當一部分的能量要轉(zhuǎn)化成熱，在工業(yè)生產(chǎn)中要裝有散熱的裝置，由于本系統(tǒng)是為教學演示的，不需要長時間的工作，所以溫升不大，不必安裝散熱裝置。 臂部伸縮采用步進電機驅(qū)動絲杠螺母傳動機構(gòu)產(chǎn)生直線運動，由螺母帶動臂部和腕部機構(gòu)伸縮是，采用普通絲杠傳動（主要考慮到價格） 腕部升降也采用絲杠傳動，用步進電機驅(qū)動。 腕部回轉(zhuǎn)要求重量輕、機構(gòu)緊湊，故采用直流電機直接驅(qū)動，但要求轉(zhuǎn)速低，故采用長時間工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的直流力矩伺服電機，位置檢測采用光電碼盤。手部回轉(zhuǎn)也采用同樣的電機驅(qū)動，其中各個部分實現(xiàn)連接簡單，方便拆卸。 2.2.4 外形尺寸和運動范圍的確定 考慮到本系統(tǒng)的小型化的要求，可將外形尺寸及各部分的運動范圍確定如下： 1、 外形尺寸：600×600×700范圍內(nèi) 2、 臂部回轉(zhuǎn)：0～360° 3、 臂部伸縮：80mm 4、 腕部升降：70 mm 5、 腕部回轉(zhuǎn)：0～180° 6、 手爪回轉(zhuǎn)：90° 7、 手指開合：±5～10° 8、 抓重 0.5 Kg 運動速度、控制精度的確定 因為本系統(tǒng)是教學演示用的，為節(jié)約資金，對速度和精度要求較低。 2.2.5 控制系統(tǒng)的確定 本系統(tǒng)采用89C51單片機控制，臂部伸縮、回轉(zhuǎn)、腕部升降、手爪開合采用步進電機開環(huán)控制；腕部回轉(zhuǎn)和手爪回轉(zhuǎn)采用直流電機閉環(huán)控制，其中步進電機采用單電壓恒流源驅(qū)動，，由單片機直接發(fā)出控制脈沖信號。腕部的閉環(huán)控制采用直流力矩電機加裝光電碼盤實現(xiàn)，顯示部分采用LCD液晶顯示模塊。 第3章 結(jié)構(gòu)設計及計算 本章將詳細設計機器人系統(tǒng)的具體零部件，完成裝配圖和全部零部件圖的設計工作，也將完成一些標準器件（如電機）的選型工作。我們將按結(jié)構(gòu)分塊，分步進行設計，閱讀本章是請參考總裝圖及零部件。3.1 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設計 3.1 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設計 3.1.1 概述 機器人的手部是最重要的部件。從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機器人的手部和類人機器人的手部。目前前者應用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。 工業(yè)機器人的手部夾持器（亦稱抓取機構(gòu)）是用來握持工作或工具的部件，由于被握持工件的形狀，尺寸，重量，材料及表面狀態(tài)的不同，其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設計的，按起我持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類： 1.夾持式，包括內(nèi)撐式和外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。 2.吸附式，包括氣吸式和磁吸式等 3.1.2 手部的結(jié)構(gòu)和手指形狀的確定 在本系統(tǒng)中，抓重為5N,手指開合5.10。我們決定選擇滑槽杠桿支點回轉(zhuǎn)手部。這種結(jié)構(gòu)可通過各桿之間的角度或桿長，該變握力的大小及指間的開閉角。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，夾持范圍大，這種手部的結(jié)構(gòu)比較簡單，工作原理清晰易懂，也是機器人較常用的結(jié)構(gòu)，這些都合乎教學演示的要求，缺點是工件直徑誤差會引起夾持后工件的中心發(fā)生移動。指端采用V塊型式，也是機器人手指形狀中較常用的形式，爭取到手部能從腕部方便地裝拆，以提高通用性。 下圖是本系統(tǒng)的手部結(jié)構(gòu)示意圖，具體結(jié)構(gòu)和零部件尺寸見圖紙 圖 31手部結(jié)構(gòu)簡圖 3.1.3 手部驅(qū)動力的計算和電機的選擇 我們先做手指工作時的簡圖，然后做力的分析 1.1.3.1握力計算 由初始設計可知，G=5N 則 N=×G ——方位系數(shù)，他與手指和工件的形狀，以及手指夾持攻擊的方位有關(guān)。此處，按手指是水平放置，夾持垂直的工件，V型指端夾圓形棒料的情況考慮。 取===2.764 其中 θ —— 型手指半角 ，由結(jié)構(gòu)設計可知 tgθ=2.75故θ=70° f—為其與工件的摩擦系數(shù)，取0.17 所以 N =K3×G=2.764×5=13.82(N) 圖 32滑槽杠桿式手部受力分析 1.1.3.2 上圖是滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)及受力分析間圖。絲桿通過銷軸的向上的拉力（驅(qū)動力）是P，作用與手指上的力，其方向垂直于滑槽的中心線OO1和 OO2 ?；蹖︿N軸的反作用力為P1和 P2。且其延長線交 A 、B 點，由于∠OB和 ∠OA為直角，故 ∠AOC =∠BOC = α。根據(jù)軸銷的力平衡條件得： P1=P2； P=2×P1×cosα 由手指的力矩平衡條件得： h=N×b 因為 = P1 ，h= 所以， P= 2b cosα×N× 式中， a ——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心距離 α——工件被夾持時，手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點線間的夾角，結(jié)構(gòu)設計時取 a =25 mm ，b =35mm α= arctg17/25 = 34.22° 所以，銷軸或螺母所受力（驅(qū)動力的反作用力） P = 2b cosα×N× =26.461（N） 考慮工件在加工過程中產(chǎn)生的慣性力、震動及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力為： Ps ≥ P× 其中： K1——安全系數(shù)，一般取1.2——1.6， K2——工作情況系數(shù)，且K2=1+a/g A:機構(gòu)的加速度。 η ——機械效率 Ps≥ P×==42.2(N) 1.1.3.3扭距計算 我們先來計算一下螺旋升角。校核一下此絲桿，螺母機構(gòu)是否滿足自鎖條件。 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，絲桿的公稱直徑d=12mm 螺距 t=2mm 螺紋頭數(shù) n=1 所以，絲桿中徑d2=d-0.5t=11mm 螺紋升角 λ= arctg=arctg=3.31° 螺紋的當量摩擦角 ρv= arctg = rctg=5.91° 其中：f,是摩擦副間的摩擦系數(shù)取0.1 是螺紋牙形半角取15° λ<ρv 所以，此絲桿螺母機構(gòu)可安全自鎖 下面來計算驅(qū)動力距 Tq=T1+T2+T3 其中T1—螺旋副摩擦力矩 T1=F×(d2/2)×tg(λ+ρv) (Nm) F – 螺旋副軸向載荷 ,N D2—螺旋副中徑 ， M ρv ——當量摩擦角 λ——螺旋升角 T2(T3)是端面摩擦力矩，此處不計 故 Tq=T1= F×(d2/2)×tg(λ+ρv) =42.2×(11/2) ×tg(3.31°+5.91°) =0.04N 1.1.3.4電機的選擇 至此，根據(jù)上述計算，我們得出了絲桿上應具有的扭 距， 據(jù)此，根據(jù)步進電機產(chǎn)品樣本手冊，選用45BF003型電機可以滿足要求. 3.2 腕部結(jié)構(gòu)設計 3.2.1 概述 腕部是臂部和手部的連接部件，其作用是在臂部運動的基礎上，進一步改變或調(diào)整手部在空間上的位置和方向，從而增強手部的靈活性，擴大手部的工作范圍。腕部應具有獨立的自由度，為使手臂能出于空間的任意方向，腕部應具有回轉(zhuǎn)，上下俯仰和左右擺動三個自由度，多數(shù) 情況下，工業(yè)機器人和機械手的腕部應具有一個或兩個自由度，即回轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)上下俯仰（左右擺動） 3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)設計 本系統(tǒng)的腕部結(jié)構(gòu)向其他機器人一樣，也是整個結(jié)構(gòu)中最復雜的一部分，將臂部的升降改在腕部實現(xiàn)，是為了整體結(jié)構(gòu)小型化，同時增加腕部的靈活性。具體結(jié)構(gòu)參照總裝圖. 一、腕部設計計算 1、腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動，均是回轉(zhuǎn)運動。驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕啟動所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支撐處的摩擦力距，動件與缸壁、端蓋等處的摩擦阻力距，以及由于轉(zhuǎn)動件的重心與轉(zhuǎn)動軸線不重合時所產(chǎn)生的偏重力距。 而對于本系統(tǒng)來說，參與手腕轉(zhuǎn)動的零部件很多，如果每一件都去校核的話，即太煩瑣，也沒有必要。所以我們將整個回轉(zhuǎn)部件分為4個部分。 1）轉(zhuǎn)軸，包括與之相連的螺母、墊母、軸承內(nèi)圈等。 2）手部電機，包括電機罩等。 3）手部換向變速箱，可將它視為65*65*70mm的一個重0.4mm的長方體。 4）手指工件，可將它看成是一個70*60*50的長方體，重0.8公斤，重心位置距回轉(zhuǎn)軸線為65毫米，由此，手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩 Mq=Mg+Mm+Mf 其中：Mg ——慣性力矩。 Mp ——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的偏重力矩。 Mm ——手腕的轉(zhuǎn)動軸與支撐處的摩擦力矩。 Mf ——手腕密封裝置處的摩擦阻力矩。 下面我們分別計算上述四個力矩。 （1）手腕啟動時產(chǎn)生的慣性力矩， Mg 設 手腕轉(zhuǎn)動的角速度 　ω= π/6/s 啟動過程時間為 △t =0.4s 則 J1=1/2×M1R2 電機罩及電機可看作一個半徑是50mm，重0.45公斤的圓柱體。 則 J2=1/2×M1R2=1/2×0.45×(0..5/2)2 變速箱的轉(zhuǎn)動慣量 J3=1/2M3(a2+b2) =1/2×0.4×(0..652+0..652) =1.69×10kgcm2 手部機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量 J4= 1/2M4(a2+b2 )+M4e2 =1/2×0.8×(0.072+0.0.62)+0.8×0.0652 =6.78×10kgcm2 由此可知， Mg=(J1+J2+J3+J4) ×ω/ △t =(0.0000098+0.00014+0.00169+0.00678) ×π/6/0.4 =0.0113(NM) （2） 摩擦力距， Mm 先估算兩軸承部位所受的壓力。 圖 33 則根據(jù)力的平衡， 所以，N=20.4N 再考慮其他因素影響，附加一定系數(shù)， 可令，N1=N2=35（N） 又由軸承部位尺寸， D1= 0.02m D2=0.015m 所以，Mm=f/2×(ND1+N2D2) =(0.012/2) ×35×(0.02+0.015)=0.00735(NM) （3）偏重力矩，Mp 根據(jù)結(jié)構(gòu)設計知，其余部分重心在回轉(zhuǎn)軸線上，因此不產(chǎn)生偏重力矩，只有手爪部分產(chǎn)生偏重力矩， 所以，Mp=G4×e=0.8×9.8×0.065=0.50(Nm) (4)密封處的摩擦阻力距 本系統(tǒng)是電機驅(qū)動，對密封沒有嚴格要求，這部分阻力距可以咯去不計。 綜上所述，考慮一定的安全系數(shù)。有 Mq=1.1×(Mg+Mm+Mp) =1.1×(0.0113+0.0074+0.50)=0.570(Nm) 據(jù)此數(shù)據(jù)，可選用60LY003型直流力矩電機。 二、腕部升降的設計計算 首先，校核螺旋副的自鎖性。根據(jù)結(jié)構(gòu)設計，公稱尺寸d=18mm, 梯形螺紋牙型角 α =30° ,螺距t=4mm, 中徑d2=d-0.5t=18-0.5×4=16mm 螺旋副為鋼——青銅，取摩擦系數(shù)f=0.14 所以，當量摩擦角 ρv= arctg = arctg =8.2° 摩擦角λ= arctg = arctg =4.55° λ〈ρv ，滿足自鎖條件。 下面來計算腕部升降所需的驅(qū)動力 圖 34腕部結(jié)構(gòu)受力分析 上圖給出了整個腕部的受力情況。隨著腕部的移動,由腕部結(jié)構(gòu)的重量Gw，手指和工件的重量Gs將在A 、B兩點形成壓力 N1、 N2，從而形成摩擦力F1和 F2,而電機提供的力矩應能克服 F1 F2腕部所有結(jié)構(gòu)的重量Gqw 。 由力矩平衡得： N1×30=Gw×44+Gs×(65+44) 估算 Gw=24.5N Gs=7.84N Gqw=35N 所以,N1=N2===64.4(N) F1=F2=N1×f=64.4×0.11=7.08(N) 所以加在螺母上的全部軸向力 P=Gqw+2F1=35+2*7.08=49.168(N) 考慮啟動時的慣性力、震動和機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力 PSJ≥P× 其中 K1——安全系數(shù)，取 K1=1.2 V～ 1.6 K2 ——工作情況系數(shù)，取K2=1+a/g a: 機構(gòu)的加速度 η——機械效率 取η=0.85 所以驅(qū)動力矩為Tq= PSJ×(d/2)tg(λ+ρv)/1000 =75.97×8×tg(8.247+4.55)/1000 =0.138（Nm） 根據(jù)這一數(shù)據(jù)，查閱資料，選用55BF003型步進電機可滿足要求。 3.3 臂部及機身（底座）的設計計算 3.3.1 概述 機身表示直接連接支承，傳動手臂和行走機構(gòu)的部件，一般情況下實現(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動部件都安裝在機身上。臂都的運動越多，機身的結(jié)構(gòu)和受力情況越復雜。機身既可以是固定式，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機構(gòu)，可沿地面過架空軌道運動。 手臂部件（簡稱臂部和手臂）是機器人的組要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部（關(guān)節(jié)）和手部（包括工件和工具），并帶動它們在空間運動，臂部還安裝一些傳動驅(qū)動機構(gòu)，從臂部的受力情況來看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動載荷，自身運動 又較多，所以受力情況復雜。 我們采用機座式機身,臂部安裝在機座立柱的頂端,在臂部只實現(xiàn)伸縮運動,而臂部的回轉(zhuǎn)由機座上安裝的電機驅(qū)動減速機構(gòu)進一步驅(qū)動立柱帶動臂部回轉(zhuǎn),由于臂部質(zhì)量大,而且手及腕部君安在臂部,驅(qū)動臂部回轉(zhuǎn)的功率較大,,這樣的配置可以使結(jié)構(gòu)大的部分裝在機座內(nèi),可以避免頭重腳清的影響,同時應盡量的是臂部的結(jié)構(gòu)重心靠近立柱,臂部和立柱連接是快速可換的,以實現(xiàn)總體設計的思想—條塊清晰、結(jié)構(gòu)簡單. 臂部的主體結(jié)構(gòu)設計成板狀連接的,這樣可以減輕臂部的質(zhì)量,可以提高剛度,加工時方便實現(xiàn),驅(qū)動方式采用步進電機驅(qū)動絲杠、螺母機構(gòu),為降低成本,沒有采用滾珠絲杠,只采用滑動絲杠. 臂部回轉(zhuǎn)的速度和加速度都不應過大,所以減速環(huán)節(jié)就要有較大的傳動比,這里采用蝸輪、蝸桿一級減速,沒有采用多級齒輪減速(其一級減速齒輪太大),其基本參數(shù)如下: 傳動比:i=62 中心距;a=40mm 蝸桿頭數(shù) Z2=1,蝸輪齒數(shù)Z2=Iz1=62 齒形角α=20° 模數(shù)m=1 蝸輪變位系數(shù) X2=0 蝸桿軸向齒距Px=πm 蝸桿分度圓直徑 d1=mz1/tanγ=18(標準值) 蝸桿齒頂圓直徑da1=d1+2ha1=d1+2ha*=18+2×1=20 蝸桿齒根圓直徑df1=d1-2hf1=d1-2m(ha*+c*)=18-2×1.2=15.6 蝸桿齒頂高: ha1=ha*m=1 ha*=1 頂隙c=c* ×m=0.2 c*=0.2 蝸桿齒根高: hf1=(ha*+ c*)m=(d1-df)=1.2 蝸桿齒高: h1=ha1+hf1=(da1-df1)= (20-15.6)=2.2 蝸桿齒寬: b1=50 查表得 蝸輪分度圓直徑:d2=m Z2=2a1-d1-2 X2m=80-18=62 蝸輪齒頂圓直徑:da2=d2+2ha2=62+2=64 蝸輪齒根圓直徑: df2=d2-2hf2=62-2.4=59.6 蝸輪齒頂高:ha2=(da2-d2)/2=m(ha*+ X2)=1 蝸輪齒根高: hf2=(d2-df2)=1(1+0.2)=1.2 蝸輪齒高:h2=ha2+hf2=1.2+1=2.2 蝸輪齒寬:b2=15 查表 3.3.2 結(jié)構(gòu)設計計算 1、手臂做伸縮運動時的所需要的驅(qū)動力 P驅(qū)=P慣+P摩+P密 在此估算所有參與臂部伸縮運動零件的總質(zhì)量為=20Kg (1) P慣 手臂在運動過程中的慣性力 因演示系統(tǒng)對速度沒有嚴格的要求,故可設正常運動速度 V=0.005m/s,設0.1秒加速到正常運動速度則啟動加速度a=0.05(m/s2 ) 所以 P慣=×a=20×0.05=1(N) (2) P摩 —摩擦阻力矩 P摩 =2f×g=2×0.12×20×9.8=47.02(N) (3) P密 —本系統(tǒng)對密封并無嚴格要求,故忽略不計 所以 P驅(qū)=P慣+P摩+P密 =1+47.02=48.02 在根據(jù)結(jié)構(gòu)設計,知螺旋副公稱值為T26×4 即中徑 d=26mm 螺距 t=4mm 牙形角 α=30° 所以 中徑d2=d-0.5t=26-0.5×4=24mm ，螺紋頭數(shù) n=1 所以，當量摩擦角 ρv= arctg = arctg =7.04° 摩擦角λ= arctg = arctg =3.04° 由此可知摩擦力和慣性立力共同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 T1= (P慣+P摩) d2/2 ×tg(λ+ρv)/1000 =(1+47) ×12×tg10.12°/1000 =0.122(Nm) 現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件所產(chǎn)生的慣性矩 現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件可以看作是半徑24mm質(zhì)量1.5千克的光軸,起轉(zhuǎn)動慣量 JS絲 = m絲×R2 =0.5×1.5×0.0122 =1.08×10-3 Kgcm3 絲杠角速度ω===25π( rad/s) 啟動時間為0.1秒則絲杠產(chǎn)生的驅(qū)動力矩 T2=J絲 ×ω/△t=1.08×10-4 ×25×3.14/0.1=0.085(Nm) 所以電機驅(qū)動最小力矩為T驅(qū)=T1+T2=0.122+0.085=0.207( Nm) 根據(jù)實際需要和整體布局,要選大點的電機使臂部平衡,綜合選擇90BF003型步進電機. 2、臂部回轉(zhuǎn)運動的計算 臂部回轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動力矩應根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)不見支撐處的摩擦力矩計算,且啟動過程中不是等加速運動,故最小驅(qū)動力比理論大些所以 .M驅(qū)=1.3(M慣 +M摩 )/η 其中, η為蝸輪,蝸桿傳動效率 取0.85 M慣 啟動時的慣性力矩 M摩 摩擦力矩 J 臂部零部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ω 回轉(zhuǎn)部件的角速度 取ω=π/6(弧度/s) △t 啟動過程時間 取0.5秒 (1)計算慣性力矩M慣 各部件的重量和距回轉(zhuǎn)軸線的距離見下圖 圖 35 臂部機構(gòu)力矩分析 各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: J1=J c1+M1ρ12=0.5×1×(0.072+0.062)+1×0.242=0.064Kgm2 J2=J c2+M2ρ22=0.5×4×(0.072+0.12)+4×0.182=0.01545Kgm2 J3=J c3+M3ρ32=0.5×3×(0.072+0.132)+3×0.122=0.0759Kgm2 J4=J c4+M4ρ42=2+L2)+M4ρ42=2+0.222)+10×0.222 =0.061+0.484=0.545 Kgm2 J5=J c5+M5ρ52=2+L2)+M5ρ52=2+0.12)+2×0.252 =0.0057+0.125=0.1307 Kgm2 J5=M5ρ52=×1.5×0.0252=0.00047 Kgm2 所以慣性力矩M慣=×(ω/△t)=(J1+J2+J3+J4+J5+J6)×(π/6/0.5) =(0.064+0.115+0.076+0.545+0.130+0.0005)×(3.14/6/0.5) =0.9405+1.047=1.016(Nm) (2)計算摩擦力矩 M摩 圖 36摩擦力矩的計算 如上圖所示可先求出臂部結(jié)構(gòu)的重心位置,在求各部分軸承的支反力,由圖可以知 L= = 以O2為支點求支反力N1 N1===42(N) 可知N2=N1=42NN,而軸承所受正壓力約為200N 所以摩擦力矩M摩=(N1 D1+N2D2)= (42×0.04+42×0.03)=0.02 Nm 所以驅(qū)動力矩M慣===1.58Nm 據(jù)此,我們選用步進電機為90BF003型 第4章 控制系統(tǒng)設計 教學機器人控制方案的確定，主要以教學為目的，以控制簡單，成本底為原則，根據(jù)機器人的機械結(jié)構(gòu)制定適當?shù)目刂品桨浮? 4.1 控制系統(tǒng)方案的確定 4.1.1 控制方案的確定 機器人控制方式的很多，就位置控制而言，有點位控制，連續(xù)軌跡控制。本機器人演示系統(tǒng)是為 服務的，機器人主要用于完成工件的搬運、裝配等教學演示任務，對手爪的運動軌跡沒有嚴格的要求，因此采用點位控制方式。 控制電路簡單，易于實現(xiàn)造價底，符合本系統(tǒng)節(jié)省費用的原則。 4.1.2 驅(qū)動方式的確定 機器人驅(qū)動方式主要有液壓、氣動和電動三種，前兩種所需輔助器件多，不易實現(xiàn)。而電機便于控制，能實現(xiàn)較復雜的運動，很適合在程序控制下做驅(qū)動部件，所以選擇電機驅(qū)動方式。為滿足教學實驗，我們選用步進電機和直流電機兩種步進電機在臂部旋轉(zhuǎn)、臂部伸縮、腕部 升降、手爪開合 ，而腕部旋轉(zhuǎn)采用直流電機，利用光電碼盤做反饋元件，實現(xiàn)閉環(huán)控制、手部回轉(zhuǎn)采用直流電機。 4.1.3 控制系統(tǒng)類型的確定 機器人演示系統(tǒng)是為學生開設實驗的，應能開設盡可能多的演示實驗，還容許學生以某中方式，輸入機械手的位置，控制機器人完成設想的動作，因此在控制策略上，采用計算機編程控制。我們采用單片機分時控制方式，用一個單片機控制機器人的個自由度的運動，雖然控制精度要求不高，運動速度較慢，但可以實現(xiàn)機器人基本運動的要求，能滿足為學生開設實驗的要求。 4.1.4 步進電機控制方式的確定 在控制精度要求較高的情況下，步進電機也可采用閉環(huán)控制，但由于步進電機有步距，難以實現(xiàn)精確的閉環(huán)控制。而步進電機在控制精度不太高的情況下，完全可以采用開環(huán)控制，本系統(tǒng)電機控制的速度、位置等要求精度不高，為降低成本，采用開環(huán)控制方式。 4.1.5 直流電機控制方式的確定 直流電機的控制方式很多如：數(shù)字控制、，軟件控制等，前者硬件結(jié)構(gòu)復雜、成本高，后者硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制靈活，改變軟件程序，就可以使電機實現(xiàn)多種運動，所以我們采用軟件伺服方式。增量式光電編碼盤，可以實現(xiàn)直接輸出數(shù)字脈沖信號，在軟件伺服系統(tǒng)中，適合做反饋元件。本系統(tǒng)采用增量式光電碼盤做直流電機的反饋元件。 4.1.6 鍵盤及顯示方式的確定 為完成教學演示實驗，使學生能夠輸入機器人的運動位置參數(shù)，控制機器人實現(xiàn)期望的功能，能顯示機器人的運動及位置狀態(tài)，所以控制系統(tǒng)需要鍵盤和顯示器，為降低成本和設計簡單，采用普通按鍵做鍵盤，采用LCD作為顯示器。 4.2 演示系統(tǒng)的組成 本系統(tǒng)主要由機器人本體部分、控制、驅(qū)動部分、實驗臺組成。如圖： 圖 41機器人控制框圖 其中各部分驅(qū)動電機的性能參數(shù) 1、臂部旋轉(zhuǎn)：機械傳動機構(gòu)為蝸輪蝸桿，傳動比為1：62，選用電機90BF003性能參數(shù) （1） 相數(shù)：3 （2） 分配方式3向6拍步距角1。5度 （3） 相電流：5安 （4） 電壓：60V （5） 最大靜轉(zhuǎn)距：15Kg.cm 2、臂部伸縮:: 其結(jié)構(gòu)采用絲杠（T26×4）螺母結(jié)構(gòu)，選用電機75BFOO3其性能參數(shù) （1）相數(shù)：3 （2）分配方式3向6拍 （3）步距角1。5度 （4）相電流：4安 （5）電壓：30V （6）最大靜轉(zhuǎn)距：10Kg.cm 3、腕部升降：其傳動副采用絲杠螺母傳動（T18*4）電機選用55BF003參數(shù) （1）相數(shù)：3 （2）分配方式3向6拍 （3）步距角1。5度 （4）相電流：3安 （5）電壓：27V （6）最大靜轉(zhuǎn)距：7Kg.cm 4、腕部旋轉(zhuǎn)此部分需電機長工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，選用直流力矩電機60LY003參數(shù) （1）連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓：：30V （2）連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流1。5安 （3）連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)距：2kg.cm （4）峰值電壓：45V （5）峰值堵轉(zhuǎn)電流1.5安 （6）空載轉(zhuǎn)速：1200/min 5 、部回轉(zhuǎn)同上 6、手爪：傳動機構(gòu)采用絲杠螺母結(jié)構(gòu)，選用電機45BF003性能參數(shù) （1）相數(shù)：3 （2）分配方式3向6拍 （3）步距角1。5度 （4）相電流2。5安 （5）電壓：27V （6）最大靜轉(zhuǎn)距2Kg.cm 4.3 驅(qū)動電路的研制 4.3.1 恒流源型步進電機驅(qū)動電路的研制 4.3.1.1驅(qū)動電路的選擇 步進電機驅(qū)動電路，有的結(jié)構(gòu)簡單但性能較差，如基本型，有的性能好，但結(jié)構(gòu)復雜、造價高，且難以調(diào)試，如晶閘管型、斬波型等。教學機器人控制精度要求不高，工作頻率在幾百赫茲左右，工作電流在1-5A，不聯(lián)系工作。為簡化電路，降低成本，我們選定單電壓、恒流源功放電路，用晶體管及相關(guān)電路構(gòu)成的恒流源代替基本型中的Rc，組成恒流源型步進電機驅(qū)動電路。這種電路不太復雜，安裝、調(diào)試簡單，改變電阻Re，增減串聯(lián)二極管個數(shù)，可以很方便的改變工作電流，以適用不同步進電機。這種電路的缺點是高頻特性差，但工作要求不高，所以可以使用。 恒流源型功率放大電路原理圖 圖 42恒流源型功率放大電路原理圖 4.3.1.2：電路元件和參數(shù)的確定 與續(xù)流二極管串聯(lián)的電阻RD的對電流的波形的下降沿影響很大，小則電機繞組的電流泄放時間長，電流波形下降沿邊差，增大RD能改善下降沿，但開關(guān)管承受的反電壓回增大，容易將開關(guān)管擊穿，因此RD也不應過大，一般取50～100，我們?nèi)?1，功率10W，泄放二極管為IN5404，前置放大管采用BU408，耐反電壓PCEO＞400V，最大電流TCM =5A，耗散功率PCM=60W，相配電阻Re1為300，R2為10。 開關(guān)管采用BU508，耗散功率，PCM=125W，最大電流TCM =8A，恒流源管采用BU326，耗散功率，PCM=60W，最大電流TCM =8A，恒流源三極管集電極電阻100。 恒流源上的限流電阻計算為： R=U/I 其中 N 恒流源上二極管個數(shù) I 設計的工作電流 0.7為二極管壓降 這里用的二極管為IN4007，根據(jù)電機所需的工作電流，可適當選取二極管個數(shù)N及限流電阻Re. 本電路選取 N=3，Re=0.4～1，這樣單向電壓可達3.5A， 4.3.1.3步進電機開環(huán)控制的研制 機器人三個自由度及手爪開合驅(qū)動采用了步進電機開環(huán)控制，其核心采用8051單片機，步進電機驅(qū)動所需的環(huán)形脈沖直接由8051輸出口輸出，省掉環(huán)形分配器，控制框圖如下 圖 43步進電機開環(huán)控制框圖 4.3.2 雙極型PWM直流力矩電機的驅(qū)動電路的研制 雙極型PWM功放電路如下圖 N1，P1為達林頓管，N1為NPN型TIP31C，最大電流3A，最大耗散功率為40W，耐反電壓100V，，P1與N1管參數(shù)相同，但為PNP型TIP32B， 圖 44雙極型PWM功率放大器原理圖 D1，D2為泄放二極管，用以保護N1，P1不被擊穿。光電偶合管為TLP521，將數(shù)字電路與模擬電路隔開，7401為二輸入與非門，正邏輯；7414為六反向器，正邏輯。下面介紹工作原理： 光電偶合管前部分的數(shù)字電路邏輯功能為=，， 真值表如圖： 表格 1直流電機控制信號邏輯電路真值表 當輸入信號A，B為0，1時，=1，=0，此時路光偶導通R3電阻有電流通過，a 點電位升高，達林頓管N1飽和導通，P1截止，+45V電壓幾乎全加在直流電機上，使直流電機正轉(zhuǎn)。 當輸入信號A，B為1，0時，=0，=1，此時路光偶導通R4電阻有電流通過，達林頓管P1飽和導通，N1截止，-45V電壓幾乎全加在直流電機上，使直流電機反轉(zhuǎn)。 當輸入信號A，B為00或11時，=1，=1，即高電平，此時兩路全截止，兩達林頓管基極軍無電流通過而截止，此時電機繞組無電流通過，即停止。 當輸入信號為相位相反的脈沖信號時，達林頓管N1，P1交替導通，截止，調(diào)整脈沖頻率可使直流電機處于所定狀態(tài)，改變輸入脈沖的占空比，可改變電機運行方向和速度。 4.3.3 光電碼盤的選擇和辯向電路的研制， 1.3.3.1：光電碼盤的選擇 教學機器人演示系統(tǒng)中，對位置精度要求不高，直流電機反饋選用從長春光學儀器廠生產(chǎn)的分辨率2000的光電碼盤器作為位置反饋元件，其輸出為TTL電平，5V方波脈沖信號，所需電源電壓+5V輸出波形為： 1.3.3.2辨向電路的研制 光電碼盤直接安裝在直流電機的主軸上，在直流電機轉(zhuǎn)動的過程中，即有正轉(zhuǎn)也有反轉(zhuǎn)，這樣光電碼盤輸出的脈沖信號即有正轉(zhuǎn)的也有反轉(zhuǎn)的 。為了準確的檢測電機的轉(zhuǎn)動角度，必須辨別光電碼盤的轉(zhuǎn)動方向。這種辨別碼盤轉(zhuǎn)動方向的電路稱為辨向電路，原理如圖： 圖表 1辨向電路原理圖 從碼盤輸出的兩路信號Ue,Uf在相位上互差90度。設正向運動時Uf超前于Ue90度，則此時Ue的上升沿A對應于Uf的高電平，反向移動時Ue超前于Uf90度，這時Ue的上升沿B對應著Uf的低電平。據(jù)此可以判別碼盤的轉(zhuǎn)動的方向。 我們采用一片單穩(wěn)態(tài)觸法器74LS221和一片與非門74LS00來夠成辨向電路如下圖： 圖 45辨向電路原理圖 單穩(wěn)態(tài)觸法器74LS221只有一個穩(wěn)定狀態(tài)。當沒有外加信號時，輸出Q為低電平；在出發(fā)脈沖的作用下，輸出Q為高電平，并停留一段時間自動返回低電平。此處“停留”時間在數(shù)十毫秒到數(shù)十秒范圍內(nèi)變化。它由外加電阻Rext和外加電容Cext決定，可以大致按以下公式計算： Tw=Rext*Cext*Ln2 其中 ： 電容C單位為法拉 Tw單位為秒 將第一路方波信號同時送入74LS221的上升沿觸發(fā)端A和下降沿觸發(fā)端B可以得到兩路窄脈沖（其中脈沖寬度由外接電阻，電容調(diào)節(jié)）e上 ，e下，將e上、e下分別與第二路方波信號Uf進行與非運算，輸出分別送入兩個計數(shù)器，進行計數(shù)，這樣當碼盤正向運動時，計數(shù)器1有脈沖，而計數(shù)器2沒有脈沖輸入；當反向運動時，計數(shù)器1無脈沖輸入而計數(shù)器2有脈沖輸入，由此達到辨向的目的。 4.3.4 直流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。 前面介紹了直流電機的驅(qū)動電路和辨向電路，這里加上控制核心單片機，就形成了直流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在本系統(tǒng)中，直流電機用在機器人的腕部回轉(zhuǎn)和手爪回轉(zhuǎn)上?？紤]到結(jié)構(gòu)特點，減少手部、