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XX學院
畢業(yè)設計說明書(論文)
作 者:
學 號：
學院(系):
專 業(yè):
題 目:
單臂多關節(jié)運動機構
2015 年 6月
37
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
單臂多關節(jié)運動是一個典型的機電一體化產品，單臂機制適合于多伸縮縫是單臂運動多關節(jié)研究的熱點。處理研究機構多關節(jié)運動需要機械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計算機等諸多學科的組合，但其發(fā)展也促進了這些學科的發(fā)展。
在這項工作中，對于在多臂結構銜接的機身設計采用一般安裝圖紙，并完成零件和設計圖紙。要求分析模型的機械手臂的多關節(jié)來估計關節(jié)選擇所需的扭矩和功率，完整的發(fā)動機和變速箱。其次，發(fā)動機和變速箱連接并固定開始設計通用結構，而重要的連接測試的機構強度。
關鍵詞： 結構設計，單臂多關節(jié)運動機構，關節(jié)型單臂多關節(jié)運動，結構分析
畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要
Arm multi-joint movement is a typical mechatronic product, single-arm multi-joint movement mechanism is a single-arm multi-joint movement research hotspot. Handling arm multi-joint movement research requires a combination of mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, and many other disciplines biology and computer knowledge, but its development also contributed to the development of these disciplines.
In this paper, for use in a multi-arm articulation body structure design, and complete and drawing parts drawing of general assembly drawings. Requirements for multi-articulation arm mechanics analysis models to estimate the joint selection of the desired torque and power, complete motor and reducer. Second, from the motor and gearbox connected and fixed starting joint structure design, and the institutional strength of the important connection check.
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Keywords: structural design, single-arm multi-joint movement mechanism, articulated arm multi-joint movement, structural analysis
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 搬運單臂多關節(jié)運動研究概況 2
1.2.1 國外研究現狀 2
1.2.2 國內研究現狀 3
1.3 搬運單臂多關節(jié)運動的總體結構 4
1.4 主要內容 5
第2章 總體方案設計 6
2.1 技術參考數據 6
2.2 單臂多關節(jié)運動工程概述 6
2.3 工業(yè)單臂多關節(jié)運動總體設計方案論述 7
2.4 單臂多關節(jié)運動機械傳動原理 8
2.5 單臂多關節(jié)運動總體方案設計 9
2.6 本章小結 10
第3章 單臂多關節(jié)運動大臂結構 11
3.1 大臂部結構設計的基本要求 11
3.2 大臂部結構設計 12
3.3 大臂電機及減速器選型 12
3.4 減速器參考數據的計算 13
第4章 單臂多關節(jié)運動小臂結構設計 17
4.1 腕部設計 17
4.2 手腕偏轉驅動計算 17
4.3 軸分析及計算 20
4.4 軸承的壽命校核 21
4.5 軸的強度校核 21
第5章 單臂多關節(jié)運動機身設計 23
5.1步進電機選擇 23
5.2鍵的選擇和校核 28
5.3 機身結構的設計 28
總結與展望 29
致 謝 30
參 考 文 獻 32
第1章 緒論
1.1 引言
單臂多關節(jié)運動是一種典型的機電一體化產品，處理多關節(jié)的動作是多領域聯合研究的熱點手臂運動。處理研究機構多關節(jié)運動需要機械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計算機等諸多學科的組合，但其發(fā)展也促進了這些學科的發(fā)展。手臂多關節(jié)運動領導的多關節(jié)手臂運動。
1959年，世界第一工業(yè)臂多關節(jié)運動的誕生，開創(chuàng)了新的發(fā)展時代手臂的多關節(jié)運動。隨著科學技術的多關節(jié)快速發(fā)展的研究和應用操作臂的發(fā)展。加藤一郎早稻田大學多伸縮縫的世界知名教授專家的胳膊說：“一個偉大的功能，多關節(jié)手臂運動應具備的功能?！笔虑槭沁@樣的，其中高腳自動化程度，動力系統(tǒng)更復雜。偉大的發(fā)明家愛迪生曾經說過這樣一句話：“上帝創(chuàng)造了人，兩條腿是最美妙的杰作?！痹撓到y(tǒng)具有環(huán)保要求豐富的動態(tài)是非常低的，無論在地面，而且在非結構地形復雜，環(huán)境適應性好。為擴大功能與應用的單臂多關節(jié)運動開辟無限廣闊的發(fā)展前景。
研究單臂多關節(jié)運動的原因和目的，主要表現在以下幾個方面：要發(fā)展的機構，使它們能在許多圈子結構性和非結構性的工作，而不是個人或延伸和擴展人類活動的領域;更希望人類有一個內在的理解和認識，并使用這些功能對個人服務，如：假肢。系統(tǒng)動力學與豐富，這方面的研究，擴大機械的研究和手臂運動多的風險;多關節(jié)臂的運動可以用來作為多關節(jié)臂移動智能播放在人工智能領域的一個重要的角色。
管理多關節(jié)臂運動的定義，世界上不僅分類是不一樣的。最近通過的聯合國國際對美國的手臂運動協(xié)會多企業(yè)標準化定義在他的手臂多關節(jié)運動帶來：操作臂多聯合演習是一個多功能可編程的操作系統(tǒng)，您可以更改程序動作完成各種工作，特別是對材料處理，傳輸的工件。參考國外定義，與中國的搬運臂多關節(jié)運動的語言組合被定義如下：
操作臂多關節(jié)運動是獨立的行動，更大的自由，該程序可以靈活改變，它可以放在任何地方，機器自動化的自動化程度高。汽車油漆或其他涂料行業(yè)關節(jié)臂多關節(jié)運動E'可用。
搬運臂運動多關節(jié)高剛性作為主臂，相對于其他，可以具有移動速度快，能攜帶較重的東西，并且定位精度非常高，它可以根據外部信號，自動的各種操作。
處理多關節(jié)臂的運動是計算機中的可編程的自動化機器的控制下。使用多聯合演習的操作臂是提高產品質量和生產效率的工作，生產過程自動化，提高了勞動條件，減輕勞動強度的有效手段。誕生和多關節(jié)手臂運動的發(fā)展，雖然只有30多年的歷史，但已被應用到國民經濟的許多部門，民用技術，應用，具有廣闊的發(fā)展前景，顯示出強大的生命力[1-2]。
1.2 搬運單臂多關節(jié)運動研究概況
1.2.1 國外研究現狀
人類和動物的運動原理的第一個系統(tǒng)研究是邁布里奇發(fā)明了照相機跟單，即設定的觸發(fā)相機的電源，并在1877年他成功地參加了四足和連續(xù)運行的許多照片。后來，這種方法使用的相機是用來研究人體運動Demeny。從1930年到1950年，蘇聯也伯恩斯坦從深入人類和動物研究的生物動力機制的角度看，并提出??的議案非常形象化的描述。
真正研究機構運動多關節(jié)全面，系統(tǒng)于1960年推出至今，聯合多月的手臂比較完整的理論體系只有形成，并在一些國家，如日本，美國和“蘇聯已成功開發(fā)出可以是靜態(tài)或動態(tài)的，多臂樞軸原型。在這一節(jié)中，我們介紹了1960年至1985年期間，臂多關節(jié)實地達到的運動的最重要的進展的團隊。
在20世紀60年代和70年代，武裝多關節(jié)運動控制理論產生三種類型的控制方法是非常重要的，這限制了國家控制，控制參考模型和控制算法。這三種控制的方法對所有類型的單臂多關節(jié)運動都是適用的。國家控制是通過在1961年提出的模型的參考檢查于1975年由美國法恩斯沃思南斯拉夫托莫維奇限制，該算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊爾?羅多關節(jié)運動學專家鮑賓控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有這三種類型的控制方法之間的內在關系。有限狀態(tài)控制實質上是一個控制參考模型，并且該控制算法是這種情況[1]的中心。
在搜索步態(tài)，蘇聯Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義自由的步伐。這兩種步態(tài)不僅能適應，而且要適應胳膊多條腿多企業(yè)的動向。在這些中，對于自由路徑的步驟的條件的規(guī)則。如果地形是非常粗糙的，所以運動臂多關節(jié)，下一步應放在哪里腳不能基于對步驟序列來加以考慮，但應通過步驟以便攀登者去步驟通過一些優(yōu)化標準來確定哪個是所謂的自由速度。
穩(wěn)定性研究手臂動作的多關節(jié)，美國Hemami，該提議的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制的簡化模型作為振蕩器，反轉（倒立擺），它可以被解釋為在換能器存在的問題的向前運動。此外，減少了控制的考慮，Hemami，誰也研究手臂運動的多關節(jié)“減少型”問題的復雜性進行了研究。
此前我們指出了系統(tǒng)的Vukobratovic還人形能量分析，但它的力量是有限的關節(jié)和隨時間的整個系統(tǒng)的變化，并沒有太多涉及這個問題的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一個有用的結論，即平滑的姿態(tài)，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.2.2 國內研究現狀
國內單臂多關節(jié)運動起步較晚，我國自1980年以來，一個單臂多聯合攻關和在體育領域的應用。 1986年，該國在1987年推出了“七五”攻關項目多動關節(jié)臂，高新技術中國的“863”水平運動臂包括更多的聯合研究和開發(fā)。目前，中國移動手臂多企業(yè)的研究和應用開發(fā)單位主要是高校和科研院所的相關。最初的研究的主要目的進行了單臂多關節(jié)運動技術監(jiān)測先進技術多國際風險運動臂，然后取得了一些成績。
哈爾濱工業(yè)大學1986年他開始研究最關節(jié)臂，腳靜手臂運動HIT-I和110厘米高，體重70kg多企業(yè)，第一個成功開發(fā)具有10個自由度，以實現在地面上的進展，該行的左側和右側，以及運動，上下樓梯，跨越45厘米，10秒/步，然后速度成功研制出HIT和HIT-II-III，體重42公斤，身高103厘米，它有12個自由度，以實現一個步驟24厘米，每秒2.3分步調。目前在下臂的HI第四多關節(jié)運動的發(fā)展，主體可以具有52個自由度，這是優(yōu)異的運動和平衡三個單臂運動多關節(jié)[3-7]的速度方面。
國防科技大學于1988年的春天已經成功開發(fā)了六自由度平面雙足運動臂多關節(jié)KDW-1，可以向前，向后和上下樓梯，最大速度為40厘米，每秒4個步驟，在1989年的步伐，先后開發(fā)了種類空間KDW-II，擁有10個自由度，最高的69厘米，體重13公斤包括更多的來回，上下樓梯和周圍的幾乎穩(wěn)定靜態(tài)動態(tài)。 1990增加了平臺??KDW-II的兩個垂直縫，在KDW-Ⅲ開發(fā)的，具有12個自由度，與函數曲線，以獲得一個實驗室環(huán)境完整。 1995動態(tài)步伐，0.8分第二，在步驟20厘米?22厘米，13度的最大傾斜角。發(fā)展在2000年底的KDW-III成功的中國的“急先鋒”第一類人手臂的多關節(jié)運動的基礎上，在不確定的環(huán)境中動態(tài)的，小的偏差，每秒兩步周期，高1.4米，體重20公斤，有一個頭，眼，頸，身體，手臂，腳，并有一定程度的語言功能[8-13]的。
此外，清華大學正在開發(fā)一個人形的手臂多關節(jié)運動THBIP-I，高1.7米，體重130公斤，32自由度，與清華大學985項目的支持下，該項目正在推進。航空航天南京大學已開發(fā)出8自由度單臂多關節(jié)運動的空間，靜態(tài)函數[13,14]。
本文擬從“首屆全國研究生機械創(chuàng)新設計大賽”臂多關節(jié)的動作。目前，單臂，多關節(jié)運動大多是在車輪的形式來實現功能的階段。其實模仿人類行走的腿臂與多關節(jié)的運動并不多，但有六足，四足臂多關節(jié)運動已經出現，但多關節(jié)運動的手臂尚不多見。我們的問題，探索設計巧妙只是機械設備和簡單的控制系統(tǒng)可以實現模擬人的手臂的多關節(jié)的動作。其子功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。
1.3 搬運單臂多關節(jié)運動的總體結構
搬運單臂多關節(jié)運動的組成及各部分關系概述：
它主要由機械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)），檢測系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。
（1）執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)管理臂的通用件，機械零件最全面的清晰度，以獲得必要的各種運動，包括手，手腕，機身。
1. 末端執(zhí)行器：以便執(zhí)行的工作，并構造成直接涂漆的片。
2.手腕，手和臂的連接元件，其作用是調節(jié)或改變工作的端部的方向。
3.臂部 所述臂部分的連接基和手，支持手腕構件，被攜帶的管理塊的負載，改變手的空間位置，以滿足臂操作空間多關節(jié)運動，每種類型的載荷傳遞到基座。
(d) 機身：的多關節(jié)運動臂基座部分，起到支撐作用，這是支持臂的部件，其作用是使所述臂的轉動，起重或傾斜運動。
（2）驅動系統(tǒng)：提供電源到正在運行的系統(tǒng)的各種部件，以及其供應單元裝置。常用的機械傳動，機械傳動和電氣，氣動和電動。
（3）控制系統(tǒng)：該驅動器的控制系統(tǒng)，使該系統(tǒng)的實施按照工作的要求，發(fā)出報警信號時的錯誤或故障。
（4）檢測系統(tǒng)：通過各種傳感裝置，致動裝置的運動檢測中的作用，如果需要的話反饋到控制系統(tǒng)與該組相比較，以確保遵守該運動的要求。
實踐證明，進組多關節(jié)運動可以代替繁重的體力勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化。頻繁的處理和工業(yè)生產中的長期經常笨重件，單調的操作，使用單臂多聯合演習是有效的。此外，它可在高溫，低溫，深水，宇宙，環(huán)境條件和其他放射性毒物污染進行操作，同時也顯示出優(yōu)越性，它具有廣闊的發(fā)展前景[4-8]。
1.4 主要內容
第1章 緒論 主要介紹單臂多關節(jié)運動的相關知識和本課題研究的任務和要求.
第2章 總體方案設計,介紹該單臂多關節(jié)運動各部分的相關知識和總體設計.
第3章 單臂多關節(jié)運動各部分設計的介紹
第4章 單臂多關節(jié)運動結構設計
第2章 總體方案設計
2.1 技術參考數據
課題名稱：單臂多關節(jié)運動機構
技術參考數據：底座旋轉角度正負360度，肩關節(jié)旋轉角度正負120度，肘關節(jié)旋轉角度正負105度，腕關節(jié)旋轉角度正負45度，夾持器開關未開/合狀態(tài)，加持總重5kg
2.2 單臂多關節(jié)運動工程概述
單臂多關節(jié)運動是一個技術集成的跨學科，涉及計算機技術和自動化技術的機器，機制，機械，氣動，液壓技術，檢測技術等領域。在科人得到有效解決組合問題綜合工程被稱為“系統(tǒng)工程”。手臂多關節(jié)運動設計，例如，系統(tǒng)工程，應作為一個綜合的方法來系統(tǒng)設計對外關系的系統(tǒng)，并從整個有機聯系的手臂運動環(huán)境的研究，開發(fā)和應用根據系統(tǒng)的內部部分多接頭。
從復雜機械系統(tǒng)，包括一定的規(guī)則的功能系統(tǒng)結合多個子系統(tǒng)，它是一個不可分割的整體。如果你失去了開放的系統(tǒng)，可根據特定的一組。因此，在一個復雜的機械設計，概念啟動機器，系統(tǒng)必須具有以下特征：
（1）機械系統(tǒng)完整的完整性機械系統(tǒng)由幾個子系統(tǒng)具有不同的整體性能應具有的特定功能。
（2）作用的子系統(tǒng)之間的有機聯系，包括有機，相互關聯的。
（3）每個目標系統(tǒng)必須具有明確的目標和系統(tǒng)的功能，結構，功能，目標和手段，決策系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)結合起來。
（4）系統(tǒng)對環(huán)境的適應是適應環(huán)境在某些情況下，我們必須能夠適應變化的外部環(huán)境中。
所以，在設計機器人時，不僅要注意關節(jié)運動系統(tǒng)的部件的整個多部件設計臂應根據視工程系統(tǒng)的角度來看，這取決于一個單一的多關節(jié)臂的動作的功能要求，子系統(tǒng)，多臂關節(jié)，合理，產品的性能，需要在多關節(jié)臂的動作的作業(yè)的所有組件。一般來說，最復雜的行業(yè)手臂關節(jié)如下：在操作機器，是最大的，單臂多關節(jié)的運動來完成的任務，其中包括基地，手臂，手腕，副作用機構。傳輸系統(tǒng)，其中包括幾個傳輸零點電源，控制，驅動系統(tǒng)和伺服驅動系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括電子控制裝置的操作，記憶功能（計算機或其它版本控制裝置可編程），操作員接口裝置（鍵盤，學習盒等），數據處理裝置和各種傳感器，放大離線傳輸，傳感器編程接口設備通??信的I / O 14]內部和外部傳感器和其他設備（一般或特別。
特征行業(yè)臂多關節(jié)運動是普遍的調整，靈活的臂工業(yè)多關節(jié)運動可有效地用于柔性生產系統(tǒng)關鍵部件的發(fā)送處理單元組件或材料或其它柔性制造系統(tǒng)（例如，機床，鍛壓，焊接，裝配等生產設備），輔助設備，控制系統(tǒng)，多關節(jié)臂運動，各種不同形式的運動系統(tǒng)的組建多聯技術工藝機械行業(yè)其他生產部門。生產，如建筑，開采，生產和輸送臂移動多關節(jié)是參考系統(tǒng)。。
2.3 工業(yè)單臂多關節(jié)運動總體設計方案論述
（一）確定負載
目前，國內工業(yè)用運動的多關節(jié)臂，負載能力，最小額定負載5N或更小范圍很大，最多的為9000N。這篇文章5公斤載荷。
負載的大小主要取決于由于運動的沿的作用力和夫婦的機械接口上的多關節(jié)臂的運動的方向。其中下臂應該包括端部執(zhí)行器的更關節(jié)運動（重量），和工件的重量或處理對象接縫預定速度和加速度的條件下，產生的慣性力等。該項目的數據參考設計初步估算表明，這一項目可能屬于一個小負荷。
（B）驅動系統(tǒng)
由于伺服電機具有良好的控制性能，檢查的靈活性，允許速度，位置，環(huán)境，體積小，效率高，適用于更為苛刻的運動控制沒有影響的精確控制小臂運動多企業(yè)等特點，因此，該項目采用的是伺服電機。
（C）傳動系統(tǒng)
動臂多關節(jié)運動可以緊湊，重量輕，慣性小，傳動鏈條應考慮采取措施縮小差距，提高手臂多的移動和位置創(chuàng)業(yè)精密運動控制。臂傳遞機構機械運動多關節(jié)通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動，行星齒輪，傳動齒輪和諧波鋼等，由于傳動齒輪具有效率高，準確，結構緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點，與大學學習和掌握更扎實的傳輸，所以這個設計選擇的旅行。
（四）工作范圍
操作過程中的工業(yè)手臂動作的工作范圍是多關節(jié)的多關節(jié)臂的運動取決于所述扇區(qū)的操作領域和確定的軌跡，用表示的工作空間。形狀和有關該結構的工作空間的大小坐標運動的多關節(jié)機械手，其大小和在數量和程度每個臂的自由操縱器公共軸線的長度的變化程度和所選擇的關節(jié)軸的每個角的
（五）運動速度
每個鉸接機械臂更堅定的臂的最大行程，按照循環(huán)時間來確定每個操作的時間的運動后，可以進一步確定每個動作的速度，單位為米/秒（°）/ s的，時間每個運動分配考慮在順序地或同時地等進行許多因素，如每個操作序列之間的周期的總時間長度。表做他們的操作時間，操作時間分配之外的運動進行比較，以考慮分配請求有關的過程，它也必須考慮慣性的行程的大小和驅動和控制，定位和精度要求。
2.4 單臂多關節(jié)運動機械傳動原理
該方案結構設計與分析
該搬運單臂多關節(jié)運動的本體結構組成如圖
搬運單臂多關節(jié)運動本體組成
各零部件的功能介紹：
底座部件：
底座部件包括底座，齒輪件，軸承，步進電機?；咀饔檬侵卧卧托D臂，承擔著行李臂運動的多關節(jié)和工作量的重量，然后將堿必須具有足夠的強度，剛度和負荷能力。此外庫也需要大量的安裝基礎足以保證運動臂運輸多關節(jié)在工作場所的穩(wěn)定運行。
搬運單臂多關節(jié)運動的手臂通過通常的相位分量（例如氣缸，氣缸，齒輪齒條機構，連桿機構，螺旋機構和凸輪機構等）以及一個驅動源移動懸臂多關節(jié)臂（例如，液壓或氣動馬達的臂致動合作的移動等），以實現各種的臂的運動的
手臂分為大臂和小臂。其中大臂部件是由大臂,齒輪傳動部件和驅動電機所構成。小臂部件由小臂、傳動軸及同步傳動帶等組成。手腕部分由手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等所組成。。
2.5 單臂多關節(jié)運動總體方案設計
工業(yè)單臂多關節(jié)運動的結構形式主要是含以下4種:直角坐標結構，圓柱坐標，球面坐標結構，鉸接結構為四個。每個結構和相應的特征描述如下[3]。
(1) 直角坐標單臂多關節(jié)運動結構
直角坐標單臂多關節(jié)運動的空間坐標臂多關節(jié)的運動是三個相互垂直的直線運動來實現的，如圖2-1（a）在閉環(huán)位置控制的線性運動是容易實現，所以直角坐標臂多關節(jié)運動，可能得到高位置精度（微米級）。然而，對于尺寸多關節(jié)臂運動坐標而言的結構的移動相對該單個臂的運動的多關節(jié)笛卡爾空間，是比較小的。因此，為了獲得運動的一定的自由，結構正交的尺寸協(xié)調多個關節(jié)臂比其他類型的多關節(jié)臂結構尺寸大。
直角坐標臂多關節(jié)的矩形空間的工件移動。笛卡爾坐標手臂運動最常見的是主要用于組裝和處理操作，笛卡爾坐標多關節(jié)臂運動有三種結構懸臂龍門吊型。
(2) 圓柱坐標單臂多關節(jié)運動結構
柱面坐標臂的空間運動是兩個直線運動和旋轉運動的多關節(jié)運動來實現的，如圖2-1（b）中。多關節(jié)單個臂的這種運動是相對簡單的，精度可以在處理操作中通常使用的。他的工作空間是一個圓柱形空間。
(3) 球坐標單臂多關節(jié)運動結構
可動臂的空間多關節(jié)的球形協(xié)調運動由兩個旋轉運動和線性運動來獲得，如2-1（c）中。這個簡單的單臂運動的多關節(jié)結構，成本低，但精度不高。主要用于處理操作。他們的工作空間是一個球形空間。
(4) 關節(jié)型單臂多關節(jié)運動結構
運動空間關節(jié)臂運動多關節(jié)由三個旋轉運動，以獲得，例如2-1（d）所示。關節(jié)臂動作多關節(jié)運動靈活，結構緊湊，占地面積小。手臂多關節(jié)運動相對車身尺寸，其相對較大的工作空間。這樣的單臂運動多關節(jié)被廣泛應用于工業(yè)，如焊接，涂裝，搬運，組裝等作業(yè)，被廣泛用于在這種類型的單臂多關節(jié)運動。
關節(jié)型單臂多關節(jié)運動結構則是由水平關節(jié)型和垂直關節(jié)這2種分類。
(a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關節(jié)型
圖2-1 四種單臂多關節(jié)運動坐標形式
根據任務書要求和具體實際我們選擇的是(d) 關節(jié)型。
具體到本設計中，因為在該范圍內考慮的工件5公斤的處理的設計要求的質量，同時考慮到用數控機床及的多關節(jié)臂的動作的具體要求的布局的具體形式過程，以滿足系統(tǒng)的要求，盡量簡化結構，降低成本和提高可靠性。臂的運動范圍的多結，單臂運動，和更高的定位精度，臂要求運動多關節(jié)旨在六個自由度，其具有自由的腰的旋轉程度，手臂和俯仰臂自由度度手臂和手腕俯仰的旋轉和旋轉自由度的自由。在這份文件中，設計出臂的結構的大小，因此，需要獲得該臂的機構的詳細圖的旋轉自由的一大關節(jié)臂俯仰自由。
單臂多關節(jié)運動的特點是工作范圍比較大，具有靈活性和多功能性，更緊湊的結構，可以抓住基地附近的對象。合作單位提出使用和特性以下技術參考
技術要求：(1) 所設計的單臂多關節(jié)運動系統(tǒng)，旨在滿足攜帶沉重的動作周期的多臂關節(jié)運動系統(tǒng)短，效率高，速度快，和通用性，靈活性要求和其他性能，同時滿足技術結構，經濟等方面的要求。 （2）裝配圖，繪制零件圖應嚴格按照機械設計，尺寸，公差，形位公差國家標準，標注必須是合理的技術要求，規(guī)范。 （3）機器人手臂末端與保持器的聯接器的端部執(zhí)行各種方便。 （4）論文書寫要求描述清楚，書寫規(guī)范。
2.6 本章小結
本章主要完成對單臂多關節(jié)運動系統(tǒng)設計,通過多種方案的選擇來確定最終要確定的方案. 確定了單臂多關節(jié)運動的總體設計方案后，就要針對單臂多關節(jié)運動的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進行詳細設計。
第3章 單臂多關節(jié)運動大臂結構
3.1 大臂部結構設計的基本要求
臂構件是一個主要組成部分的單臂多關節(jié)運動關節(jié)。它的作用是手的支持，并促進其目標的運動臂部，手柄部分的范圍內任意移動改變手的位置（方位角），關節(jié)臂部自由度，因此通常臂部的基本條件：
通常，這是一個彎曲的臂部（不只是在一個方向彎曲），而且還通過橫截面形狀的選擇和扭轉，扭轉剛度明顯的情況下，基本上相同的橫截面積和單位重量的鋼管；
慣性矩鋼和字線，圓的。所以，單臂多關節(jié)運動關節(jié)常被用作導桿用無縫鋼管、工字鋼或通道支撐鋼，從而形狀規(guī)則。一個中空的內部，也可以設置驅動裝置，提高臂的剛度，大大降低了手臂的重量，
（2）運動速度的臂部分必須是高，低慣性
一般來說，手臂勻速運動，但在立即停止運動，是可變的，以減少沖擊要求的啟動時間，加速和減速結束前不能太大，否則會造成的沖擊和振動。
為了減少轉動慣量，應采取以下措施：
（一）減輕體重，臂，工件的運動，采用鋁合金材料，強度高，重量輕；
（C）降低回轉半徑
（d）驅動系統(tǒng)設有緩沖裝置
（3）手臂動作應靈活。
為了減少摩擦阻力元件之間的手臂運動，并盡可能與滾動摩擦代替滑動摩擦。
（4）位置精度高。
鋁合金材料設計的薄壁零件，一方面，確保剛性機械臂，單臂多關節(jié)運動臂的重量可以減少，另一方面，減輕關節(jié)電機的基礎，提高動態(tài)響應的手臂,砂型鑄造鑄件壁厚的最小壁每個鑄造合金是適當的，壁厚不同的澆注鑄造合金鑄造的最小壁厚”是不相同的，多樣性和大小主要取決于合金鑄件
見表4.1所示：
表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm）
以上介紹的砂鑄造結構設計的特點，在特殊的鑄造方法，將鑄件結構設計相應的各種鑄造方法及其鑄造機械臂殼體鑄造鋁合金具體尺寸見裝配圖。
3.2 大臂部結構設計
大臂殼體采用鑄鋁，質量輕，方形結構，強度大。
3.3 大臂電機及減速器選型
假設小臂及腕部重量：
M2=20Kg， M3=40Kg
J2=M2L42+M3L52 =10×0.0972+40×0.1942
=1.6kg.m2
假設大臂速度為10r/min ，
則旋轉開始時的轉矩
表示如下：
式中：T - 旋轉開始時轉矩 N.m
J – 轉動慣量 kg.m2
- 角加速度rad/s2
使單臂多關節(jié)運動大臂
從到所需的時間為：則：
(3.4)
若考慮繞單臂多關節(jié)運動手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，
則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為10N.m，取安全系數為2，
則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為：
(3.5)選擇諧波減速器：
⑴型號：XB3-50-120 （XB3型諧波減速器）
額定輸出轉矩：20N.m
減速比：i1=120
設傳遞效率為：，步進電機應輸出力矩為：
(3.6)
選擇BF反應式步進電機
型號：55BF003
靜轉矩：0.686N.m
步距角：1.5°
3.4 減速器參考數據的計算
剛性和柔性輪是鍛鋼，齒輪鋼材料淬火硬度250hbs?45）
剛性輪硬度220hbs?45）。
1.齒數的確定
柔輪齒數：
剛輪齒數：
已知模數：，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，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計算值增加20%，即
柔輪筒體壁厚：
為了提高柔輪的剛度，取
輪齒寬度：
輪轂凸緣長度：取
柔輪筒體長度：
輪齒過渡圓角半徑：
為了減少應力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取
軸的計算校核
畫軸的受力如圖所示：
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在支撐點產生的反力：
可按最不利考慮
繪垂直面的彎矩圖：
5) 繪水平面的彎矩圖：
6) F產生的彎矩圖：
a-a截面F力產生的彎矩為：
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=657 N.m
8) 求軸傳遞的轉矩：
N.mm
9) 求危險截面的當量轉矩
如圖所示，a-a截面最危險，其當量轉矩為：
如認為軸脈動循環(huán)應變力，取折合系數a=0.6，
帶入上式可得：
10） 計算危險截面處軸的直徑
軸選用45鋼材料，調質處理，
查得δB=650Mp,由表 14-3查得[δ-1b]=60Mpa,則：
考慮到鍵槽影響軸的尺寸，將d值加大5%，故：
d=22.8*1.05=24mm<32mm
滿足條件
因a-a處剖面左側彎矩大，有轉矩
，且有鍵槽，故a-a左側為危險截面
其彎曲截面系數為：
抗扭截面系數為：
彎曲應力為：
扭切應力為：
根據合成強度計算
使轉換系數＝0.6的當量應力：由表查得45鋼調質，抗拉強度極限=640Mpa，則由表查得軸應力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],滿足要求。
第4章 單臂多關節(jié)運動小臂結構設計
4.1 腕部設計
腕部使手臂和手的機器人可以連接，支撐和改變手姿態(tài)。
材料強度和剛度的結構連接部分和臂部和手合理，傳感器和控制裝置的合理布局和安裝等等。
根據自由度的工業(yè)機器人的手腕分類可分為單自由度手腕，手腕上的兩個或三個自由度的手腕。并不是所有的手腕必須有三自由度和工作性能，但根據實際使用的機器人工業(yè)的要求課題研究設計機器人手腕的擺動和轉動兩個自由度。手腕的兩自由度可以由一個密封件和密封R B由國家聯合實施Br，或由兩個關節(jié)的關節(jié)實現B成分BB，但不是由兩個RR腕關節(jié)由兩個自由度，因為兩個關節(jié)功能的R是重復的，事實上，有著獨特的作用自由設計要求的手腕，俯仰和déviat離子，即BB在手腕上，如圖所示5.1.en局限性的研究和發(fā)展階段，目前在生產工藝不可能直接驅動電機，關節(jié)，以減少整體重量的手臂，步進電機在不需要手腕后間接驅動，底部安裝在臂固定在盤體，然后由兩傳動鏈鏈直接驅動擺動手腕，另一條鏈傳動帶輪的傳動錐齒輪軸的齒輪傳動的旋轉帶動手腕手腕的水平，但可以旋轉時產生的額外的擺，但可以通過控制步進電機控制的干擾。
4.2 手腕偏轉驅動計算
手腕的偏轉是靠安裝在大臂步進電機驅動,通過帶輪、兩級傳動鏈，然后通過錐齒輪嚙合傳動的偏振方向變化的手腕的驅動力來自步進電機，首先計算所需要的力矩偏轉的手腕，然后計算出電機的輸出轉矩，確定型步進電機，從而計算參考數據設計鏈傳動和齒輪傳動和尺寸。
（1） 選擇步進電機
（2） 手腕偏轉時，需要克服摩擦阻力矩、慣性力矩負荷啟動力矩時的強度和手腕。
根據轉矩的計算公式[15]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式中：
—手腕偏轉所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負載阻力矩（N·m）；
—手腕偏轉啟動時慣性阻力矩（N·m）；
—工件負載對手腕轉動慣量（kg·m2）；
—手腕部分轉動慣量（kg·m2）；
—手腕偏轉角速度（rad/s）；
—手腕質量（kg）；
—負載質量（kg）；
—啟動時間（s）；
—手腕部分材料密度（kg/m3）；
—手腕部分外徑和內徑（m）；
—手腕的長度（m）；
—手腕偏轉末端的線速度（m/s）。
根據已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數據代入計算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因為腕部通過兩級一級錐齒輪、帶輪傳動實現的，所以查取手冊[15]得：
彈性聯軸器傳動效率；
滾子鏈傳動效率；
滾動軸承傳動效率（一對）；
錐齒輪傳動效率；
計算得傳動的裝置的總效率。
電機在工作中實際要求轉矩 N·m （3.9）
根據計算轉矩偏轉手腕的要求，基于頻率特性曲線的技術數據和生產對北京和利時電機科技有限公司五相混合式步進電動機90系列，例如，3.3和圖3所示的步驟，選擇90BYG5200B-SAKRML-0301步進電機類型。
圖5.3 90BYG步進電機技術數據
圖5.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進電機矩頻特性曲線
4.3 軸分析及計算
軸的受力模型簡化(見圖7)及受力計算
圖 軸的受力分析知：
4.4 軸承的壽命校核
考慮到實際的調整空間，采用軸承。默認情況下，軸承壽命在12480h 3年。
校核步驟及計算結果見下表:
表1 軸承壽命校核步驟及計算結果
計算步驟及內容
計算結果
6014
A端
B端
由手冊查出Cr、C0r及e、Y值
Cr=98.5kN
C0r=86.0kN
e=0.68
計算比值Fa/Fr
FaA /FrA
e
確定X、Y值
XA=1 YA =0
查載荷系數fP
1.2
計算當量載荷
P=Fp(XFr+YFa)
PA=5796.24 PB=6759.14
計算軸承壽命
763399h
大于
12480h
計算6014ac軸承，6007軸承均合格，最終選擇6014軸承。
4.5 軸的強度校核
在分析過程中，C、D兩處可能的危險截面，
現來校核這兩處的強度：
（1）、合成彎矩
（2）、扭矩T圖
（3）、當量彎矩
（4）、校核
由手冊查材料45的強度參考數據
C截面當量彎曲應力：
由計算結果可見C截面安全。
每個軸鍵、鍵槽的選擇及其校核
由于減速裝置中的鏈路連接是靜態(tài)的，因此，只有通過驗證的壓應力。
電機連接，選擇和檢查：
連接帶滑輪：根據軸的直徑和長度在軸選鍵鍵長b8x7?50?GB?/?t1096
作為連接材料，分別為：45鋼、40Cr（關鍵）（樹）
（1）在輪剛性連接：根據軸徑和中心軸線的選擇鍵b14x9gb?/?t1096
作為連接材料，分別為（中心）：很，45鋼（關鍵），非常（樹）
現在，耦合的關鍵技能。
（2）輸出軸鍵：按直徑聯接軸和軸的長度選擇鍵鍵長16×10、100?Gb?/?t1096
作為連接材料，分別為：45鋼（耦合器），45鋼（關鍵），45（樹）
其中鍵的的強度最低，所以其許用應力進行校核,查手冊其
該鍵聯結合格.
第5章 單臂多關節(jié)運動機身設計
結構設計系統(tǒng)組件的機身。
（1）設計的支架結構
主支撐架的所有部分的重量負荷對左手臂大臂、平衡彈簧設計固定連接孔，右端與驅動電機設計的支撐臂。偏心力在考慮設計合理的機身旋支撐圓盤，使其旋轉更平衡e.afin減輕重量，zl401材料。
（2）機座設計
機械加工軸對應的位置固定軸承座，其他沒有特殊的要求。
室內設計主體系統(tǒng)的計算和驗證設計傳動系統(tǒng)各部件，其設計計算的主要參考《機械設計》
機身系統(tǒng)的內部設計主要是對傳動系統(tǒng)的各部件進行設計計算與校核，其設計計算主要參照《機械設計》[14]。
5.1步進電機選擇
1 計算輸出軸的轉矩
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
——慣性力矩
——摩擦力矩
——輸出軸轉動角速度
——大臂轉動慣量
——小臂轉動慣量
——機身自身轉動慣量
——啟動時間
=0.5s
=0.8m/s
=0.5m
1.6 rad/s
當臂之間的位置關系的尺寸如圖3中的位置時，手臂的位置操作可以達到極限，此時需要的最大值。
圖3.1 大小臂極限尺寸
計算出的大臂質量及相關大臂相對中心線oa的垂直距離得出：
=400mm，
=30kg，
代入式（3.5）得：
=1.6kgm
由算出的小臂質量及相關小臂相對oa線的垂直距離得出：
=1000mm，
m=20kg，
代入式（3.5）得：
=6.67kgm
m
計算相關機身設計數值得出：kg
代入式（3.6）得：
=5.75kgm
代入（3.2）得到=44.86Nm 帶入（3.1）得到
=49.85Nm
= =6.86Nm
選擇二級圓柱齒輪減速器i=9
（3.7）
=0.99 ——聯軸器傳動效率
=0.96 ——齒輪傳動效率
=0.98 ——軸承傳動效率
代入式（3.7）得到：
0.807
2 確定各軸傳動比
總傳動比=9 ，根據推薦的傳動副傳動比合理范圍，?。?
高速級傳動比=3 ，低速級傳動比=3
3 傳動裝置的運動和動力參考數據
由圖3.2，各軸由高速至低速依次設計為Ⅰ軸（輸入軸）、Ⅱ軸（中間軸）、Ⅲ軸（輸出軸）。
圖3.2 傳動示意簡圖
各軸轉速
（3.8）
（3.9）
=1.6rad/s
=15.3r/min
代入式（3.8）、式（3.9）得：
45.9r/min，137.7r/min
轉矩計算
（3.10）
49.85Nm
代入式（3.7）得：
17.7Nm
同理得到：
=17.7Nm
=6.27Nm
=6.66Nm
北京和利時電機電器有限公司的一些步進電機技術參如表3.1。
表3.1 步進電機產品系列及技術參考數據
型號
相數
步距角
(DEG.)
電壓
(V)
電流
(A)
靜轉矩
(N.m)
空載運行頻率
(KHZ)
轉動慣量
(Kg.cm2)
備注
86BYG250AN
2
0.9°/1.8°
110
3.6
2.4
≥15
0.56
86BYG250BN
2
0.9°/1.8°
110
4
5.0
≥15
1.2
86BYG250CN
2
0.9°/1.8°
110
5
7.0
≥15
4.28
利時電機有限公司轉矩曲線的運行矩頻特性曲線階梯型86BYG250CN和步進電機圖3.3。
圖3.3 運行矩頻特性
由計算得到所需：
=6.86Nm，137.7r/min
該電機可以滿足要求。
北京和利時電機電器有限公司86BYG250CN型步進電機的外型簡圖如圖3.4。
圖3.4 步進電機外形簡圖
根據前面計算，選擇北京和利時電機電器廠的86BYG250CN型步進電機。
由電機輸出軸尺寸選擇TL2型彈性套柱銷聯軸器，主從動端均選用型軸孔[16]。
5.2鍵的選擇和校核
1 鍵的選擇
根據齒輪和軸的參考數據，參考《機械設計》選擇設計鍵。
電機輸出軸鍵：；
中間軸的鍵Ⅰ：；
輸出軸的鍵Ⅱ：。
2 鍵的校核
鍵45鋼材料，
查得許用擠壓應力MPa
根據公式
（3.25）
得到：
鍵Ⅰ：工作長度mm，接觸高度3.3mm，17.7Nm
25.5MPa，安全。
鍵Ⅱ：工作長度mm，接觸高度3.8mm，49.85Nm
23.9MPa，安全。
5.3 機身結構的設計
1、選擇機身箱體材料動作，制造工藝要求不高，選擇HT250灰鑄鐵制造。在灰鑄鐵凝固收縮率小，抗沖擊性能好。這可以提高機身其穩(wěn)定性制造，以及經濟性。
2、考慮加工工藝設計
機身結構決定了其形狀較為復雜，所以使用鑄造的方法協(xié)調內部零件，便于安裝，右上打開蓋子。因為這是一個發(fā)動機的水平放置，考慮到電機的質量，在左側板支撐發(fā)動機。電機軸延伸，連接和錐齒輪軸的一端連接，實現以錐齒輪與輸入軸滿足傳輸要求改變電機的伸出軸用聯軸器輸入三輸出軸中間垂直放置，實現兩級減速傳動。由于車輪懸架所需的圓螺母和墊圈，由于齒輪懸置對穩(wěn)定的基本設計可用圓形，沉頭螺釘和行走機構連接。
總結與展望
總結本文對單臂多關節(jié)運動結構系統(tǒng)進行了設計，由于作者的水平有限，對相關議題，如技術和控制技術的傳感器是不好的，仍有許多問題需要解決，還有許多問題值得進一步討論和更深入的研究和展望：
（1）優(yōu)化問題的機械結構
在機器人的設計方法，包括機械臂，采用模塊化設計，不同的設計結構和各功能模塊之間的連接，分別優(yōu)化模式。但在每個模塊的零件設計，計算參考數據選取主要結構的強度和剛度的基本要求，許多零件配合的實際需求，大很多。設計包括非核心部分，是根據前人的實驗設計，選擇大小。這種設計不僅可以提高整體素質系統(tǒng)，增加發(fā)動機負荷，造成資源的浪費。
（2）有限元分析的計算機沒有更深入。通過有限元法對計算機軟件的一部分，力學分析的強度、剛度和最佳的臂部結構。這可以作為后續(xù)研究的方向。
（3）機械臂控制系統(tǒng)必須研究和自主技術，運動控制，路徑規(guī)劃技術，視覺技術實時導航定位技術和數據融合技術的多傳感器組合，計算技術，高性能問題，因為無線通信技術，特別是網絡也有待研究。
單臂多關節(jié)運動在未來生活中的應用越來越廣泛。包括在軍事領域的應用是必然的發(fā)展方向之一，我們的工業(yè)和科學技術的關鍵是系統(tǒng)設計中的機械臂，部分地區(qū)是累了整個系統(tǒng)的設計經驗比較豐富，我相信，通過不斷的發(fā)展和完善的單臂多關節(jié)運動和成熟的做法。
致 謝
最后學習階段的畢業(yè)設計，首先我要特別感謝我的導師關愛無限和指導。過了許久，終于比較成功地完成了設計任務?；仡櫲杖找挂?，我脾氣后的感覺，通過方法的書籍，網絡，教師，學生和其他可用，鞏固了自己的專業(yè)知識。理解和運用所學知識有更深刻的認識。
在這一刻，我要感謝我的導師的精心指導下，不僅指導我們解決的關鍵技術問題，更重要的是為我們引導設計思路，并解釋我們在實際的工程設計經驗應用于設計因此，不僅如此，教師的敬業(yè)精神深深地感染了我，我愛和未來奉獻骨刺的工作，導師是真的做的傳道，授業(yè)，解惑。
精心準備的長途跋涉大學幾個月了，終于到了時間的論文計劃期間，像往常一樣，救援的心臟，但寫作過程中的感覺經常出現無力折騰和徘徊。先花那么多時間和這么多精力去完成的論文具有一定的學術價值，這是很難說的艱辛和困難，但曲終要離開的味道幕后，這是值得我一生留連忘返。
敲完最后一個字符，再次從仔細閱讀文本已經并不陌生，我感覺好多。雖然不是特別值得一提的成就來炫耀，但對我來說，是寶貴的。這是無數的教誨，關心他人，樂于助人的結果。
我要感謝我的導師XX老師。雖然教師負責教學，科研任務，還需要一段時間，不時有門，叫我勸功課，從第一稿到最終版本，耐心，再審，大章偏頗布局，小一審缺陷報表格式，都可以指出。他教我各方面的知識，拓寬我的知識，培養(yǎng)我的技能，完成論文是不無裨益。我還要感謝所有的大學老師教給我的，是你讓我成熟和壯大;感謝學院的工作人員，他的細致工作，讓我的同學，有序的學習和生活。
我的父母和家人想表達我誠摯的謝意。他們是我的生命永遠依靠和支持他們的關懷和愛護，是我前進的動力;他們的殷切希望，激勵著我繼續(xù)說下去。沒有他們就沒有我，我的成績已經從他們來的點點滴滴。
我也舍不得你的好友，與門和室友。我需要幫助時，他們伸出溫暖的手，在最大的幫助。他們可以見面，相交，相知是人生一大幸事。
本論文的完成遠未結束，不足和膚淺的地方的文字是我的新征程的新起點。
我會繼續(xù)前進！
我們也感謝其他同學，老師和同事們的熱心幫助，感謝我們的教師的重視和關注課程設計的領導，為我們提供了繪圖工具和選項。
參 考 文 獻
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