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摘要
機(jī)器人技術(shù)是綜合了許多學(xué)科的知識，例如計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)今研究領(lǐng)域十分重視的課題，機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器人的應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志，因而受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量人力物力加以研究和應(yīng)用。
本文的主要任務(wù)和要解決的問題，是設(shè)計(jì)一臺六自由度的機(jī)器人，在已有的技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，通過分析，確定腕部的傳動系統(tǒng)，然后假設(shè)腕部末端的結(jié)構(gòu)，確定腕部的輸出功率，然后計(jì)算出腕部所需的電機(jī)。在確定電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對錐齒輪和傳動中所需的帶輪以及同步齒形帶進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且對它們進(jìn)行校核，確定所設(shè)計(jì)的腕部結(jié)構(gòu)能夠配合機(jī)器人的其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴漆動作。并用CAD軟件完成從建模到運(yùn)動學(xué)分析、應(yīng)力分析的全過程。需要全面理解機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及CAD制圖標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)的知識，并考慮其可靠性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等性能。
本課設(shè)在已有理論基礎(chǔ)上，針對以往研究的不足，根據(jù)實(shí)際使用要求，確定采用六自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案;由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件繁多，需要用高端軟件配合進(jìn)行建模，裝配的工作，而我們現(xiàn)有的材料相當(dāng)有限，所以本課設(shè)只是設(shè)計(jì)了機(jī)器人的腕部結(jié)構(gòu);并采用CAD繪制了其裝備和零件圖，并對其中某些零件的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，使腕部的整體結(jié)構(gòu)能夠滿足工作的要求。
關(guān)鍵詞:機(jī)器人 腕部
Ⅰ
目錄
1緒論 1
1.1機(jī)器人的組成 2
1.1.1驅(qū)動裝置 2
1.1.2控制系統(tǒng) 2
1.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2
1.2機(jī)器人分類 4
1.2.1按用途分類 4
1.2.2按控制形式分類 4
1.2.3按驅(qū)動方式分類 4
1.3腕部結(jié)構(gòu)選形 5
1.3.1單自由度手腕 6
1.3.2兩自由度手腕 7
1.3.3三自由度手腕 8
1.3.4裝配機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)選型 9
1.4機(jī)器人設(shè)計(jì) 11
2末端執(zhí)行器 12
2.1夾持器 12
2. 2擬手指型執(zhí)行器 13
2. 3吸式執(zhí)行器 13
3腕部設(shè)計(jì) 15
3.1手腕結(jié)構(gòu)的選擇 15
3.2傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)計(jì)算 17
3.2.1選擇電機(jī) 17
3.2.2分配系統(tǒng)傳動比和動力參數(shù)的設(shè)計(jì) 19
4錐齒輪設(shè)計(jì) 23
4．1確定錐齒輪的主要技術(shù)參數(shù) 23
4．2輪齒的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算 24
5.選擇帶輪和齒形帶………….. 26
5.1帶輪的選擇 26
5.2齒形帶的設(shè)計(jì) 28
總結(jié) 31
參考文獻(xiàn) 32
1緒論
機(jī)器人是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造中的一個(gè)重要組成部分。機(jī)器人顯著地提高了勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。因而受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量人力物力加以研究和應(yīng)用。
機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是除了具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。它可以靈活運(yùn)用在工業(yè)上的各個(gè)方面，如噴漆、焊接、搬運(yùn)等。第二類是需要人工操作的，稱為機(jī)械機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外稱為“Mechanical Hand "，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動;除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，采用機(jī)械編程。因此是專用的。
本課題通過對通用機(jī)器人smart6.50R 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，完成對其腕部的設(shè)計(jì)，并借助CAD/CAE軟件完成從建模到運(yùn)動學(xué)分析、應(yīng)力分析的全過程。最終期望腕部與小臂、手部、大臂能夠協(xié)調(diào)工作，能夠完成各種現(xiàn)代工業(yè)加工過程中所要求的動作。
本課題的設(shè)計(jì)思路是：借助已有的通用機(jī)器人的腕部設(shè)計(jì)思想和方法，綜合考慮腕部機(jī)構(gòu)在機(jī)器人運(yùn)動中所起的作用和機(jī)器人的整體技術(shù)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后選擇合理的機(jī)構(gòu)，確定傳動線路，然后對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算主要參數(shù)，并對部分零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝，綜合評價(jià)腕部系統(tǒng)。
1.1機(jī)器人組成
機(jī)器人主要由驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。
1.1.1驅(qū)動裝置
工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動裝置包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。傳動機(jī)構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅(qū)動器通常有電機(jī)(直流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，交流伺服電機(jī))，液動和氣動裝置，
目前使用最多的是交流伺服電機(jī)。
1.1.2控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)一般由控制計(jì)算機(jī)和驅(qū)動裝置伺服控制器組成。后者控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進(jìn)行運(yùn)動。前者則是要根據(jù)作業(yè)要求完成偏差，并發(fā)出指令控制各伺服驅(qū)動裝置使各桿件協(xié)調(diào)工作，同時(shí)還要完成環(huán)境狀況，周邊設(shè)備(如電焊機(jī)，工卡具等)之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。
1.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)由腰部、基座、手部、腕部和臂部等運(yùn)動部件組成。
1) 腰部 腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動再加上臂部的平面運(yùn)動，就能使腕部作空間運(yùn)動。腰部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差，運(yùn)動精度和平穩(wěn)性，對機(jī)器人的定位精度有決定性影響。
2) 基座 基座是整個(gè)機(jī)器人的支持部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。
3)手部 手部它具有人手某種單一動作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等形式。
夾持式手部是由手指和傳力機(jī)構(gòu)所組成。
手指是直接與物件接觸的機(jī)構(gòu)。常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。 吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁吸盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
4)腕部 腕部與手部相連，通常有3個(gè)自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是帶動手部完成預(yù)訂的姿態(tài)，是操作機(jī)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。
5)臂部 臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個(gè)臂桿(小臂和大臂)組成，用以帶動腕部作平面運(yùn)動。
1.2機(jī)器人分類
1.2.1按用途分類
1.專用機(jī)器人
專用機(jī)器人是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡單、實(shí)用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應(yīng)多種作業(yè)的需要。
2.通用機(jī)器人
通用機(jī)器人是在專用機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同的物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨(dú)立工作的自動化裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大都是采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
1.2.2按控制形式分類
1.點(diǎn)位控制型機(jī)器人
點(diǎn)位控制型機(jī)器人的運(yùn)動軌跡是空間二個(gè)點(diǎn)之間的聯(lián)接?？刂泣c(diǎn)數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機(jī)器人是點(diǎn)位控制型。
2.連續(xù)軌跡控制型機(jī)器人
這種機(jī)器人的運(yùn)動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動作，工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜.
1.2.3按驅(qū)動方式分類
1.液壓機(jī)器人:輸出力大，傳動平穩(wěn)。
2.氣壓機(jī)器人:氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
但工作不太平穩(wěn)，沖擊大。
3.電動式機(jī)器人:電力驅(qū)動是目前機(jī)器人使用的最多的一種驅(qū)動方式，其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測，傳遞，處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。
4.機(jī)械式機(jī)器人:工作可靠，動作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動作固定不可變。
1.3腕部結(jié)構(gòu)選型
手腕是操作機(jī)的小臂(上臂)和末端執(zhí)行器(手爪)之間的連接部件。其功用
是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對一般商用機(jī)器人，末桿(即與末端執(zhí)行器相聯(lián)結(jié)的桿)都有獨(dú)立的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài)(即方向)，可用兩個(gè)方位確定。如圖1.1所示
圖1.1 末桿姿態(tài)示意圖
1．大臂 2.小臂 3.末桿(L)
在圖1.1中，末桿L的圖示姿態(tài)可以看作是由處于x1方向的原始位置先繞z1在x1 o1 y1平面內(nèi)轉(zhuǎn)α、β角，然后在a o1與z1組成的垂直平面內(nèi)再向上轉(zhuǎn)β角得到的?？梢娛怯搔?、β兩角決定了末桿（L）的方向(姿態(tài))。從理論上講，如果0°≤α≤360°，0°≤β≤360°，則L在空間可取任意方向。如果L的自轉(zhuǎn)角γ也滿足0°≤γ≤360°，我們就說該操作機(jī)具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了定量的說明操作機(jī)抓取和擺放物體的靈活度，我們定義組合靈活度(dex)為:
dex=α/360°+β/360°+γ/360°=xx%+xx%+xx%
上式取“加”的形式，但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_更能表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
腕結(jié)構(gòu)最重要的評價(jià)指標(biāo)就是dex值。若為3個(gè)百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來，α、β的最大值取360°，而γ值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好γ無上限。
腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因轉(zhuǎn)動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的設(shè)計(jì)要求是:重量輕，dex的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量(約5%—10%，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機(jī)的靜力平衡。
1.3.1單自由度手腕
SCARA水平關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人多采用單自由度手腕，該類機(jī)器人操作機(jī)的手腕只有繞垂直軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。為了減輕操作機(jī)的懸臂的重量，手腕的驅(qū)動電機(jī)固結(jié)在機(jī)架上。手腕轉(zhuǎn)動的目的在于調(diào)整裝配件的方位。由于轉(zhuǎn)動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動不影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調(diào)整完全取決于腕傳動的驅(qū)動電機(jī)。這時(shí)確定末端執(zhí)行器方位的角度(以機(jī)座坐標(biāo)系為基準(zhǔn))將是大小臂轉(zhuǎn)角以及腕轉(zhuǎn)角之和。
1.3.2兩自由度手腕
兩自由度手腕有兩種結(jié)構(gòu):
1）匯交式兩自由度 手腕兩自由度手腕的末桿與小臂中線重合，兩個(gè)鏈輪對稱分配在兩邊。β≤200° ,γ≥360°, dex= 0+80%+100%，如圖1.3，
2）偏置式兩自由度手腕 手腕的末桿偏置在在小臂中線的一邊。
β≥360°,γ≥360，dex=0+100%+100%優(yōu)點(diǎn)是腕部結(jié)構(gòu)緊湊，小臂橫向尺寸較小(薄)。
兩自由度的另兩種結(jié)構(gòu)。一種是將諧波減速器這置于碗部，驅(qū)動器通過齒形帶帶動諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動諧波使末桿L獲得α. γ兩自由度運(yùn)動。另一種則是將驅(qū)動電機(jī)1和諧波減速器連成一體，放于偏置的殼中直接帶動L完成角轉(zhuǎn)動，β角則是由鏈傳動完成。
如圖1.3匯交式兩自由度
1- 法蘭 2-錐齒輪組 3-錐齒輪 4-彈簧
5、8-鏈輪 6-軸承 7-殼體
1.3.3三自由度手腕
三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在兩自由度的基礎(chǔ)上加一個(gè)整個(gè)手腕相對于小臂的轉(zhuǎn)動自由度(用角度參數(shù)α表示)而形成的。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)限制，即α、β、γ都能在0°～360°范圍取值，末端執(zhí)行器的靈活度dex=100%+100%+100%，也就是說具有百分之百的靈活度。這就是說手爪可自任意方向接進(jìn)物體，也可將物體轉(zhuǎn)到任意姿勢。所以三自由度是“萬向”型手腕，可以完成兩自由度手腕很多無法完成的作業(yè)。近年來，大多數(shù)關(guān)節(jié)型機(jī)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(diǎn)。
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(diǎn)。
這兩類手腕都是把β、γ運(yùn)動的減速器安裝在手腕上，可簡化小臂結(jié)構(gòu)，但卻增加了手腕本身的重量和復(fù)雜程度。
1.3.4 通用機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)選型
如圖1.4所示，是匯交式手腕(或正交手腕)，即α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)?？梢钥闯觯姍C(jī)(1)經(jīng)錐齒輪副((3, 4)和齒型帶傳動(9, 10, 13),
再經(jīng)錐齒輪副(5, 6)和諧波減速器(16)帶動法蘭(17、機(jī)械接口)轉(zhuǎn)動，完成末桿(法蘭)γ的運(yùn)動。電機(jī)2經(jīng)錐齒輪副(7, 8)和齒型帶傳動(11, 12, 14), 通過諧波減速器帶動腕殼擺動，完成末桿p的運(yùn)動。整個(gè)手腕又由置于小臂后部的電機(jī)(上圖未畫)，經(jīng)過諧波傳動，帶動小臂作繞自身軸線的轉(zhuǎn)動，即α運(yùn)
動。
圖1.4 正交式手腕
減速器的配置可以分為前置式和后置式。后置式有利于小臂的平衡。前置式加大了腕部的復(fù)雜程度和重量，對小臂乃至整機(jī)的平衡不利，但可簡化整個(gè)小臂的結(jié)構(gòu)，而且當(dāng)腕部使用同步齒形帶時(shí)，只能采用這種布置，因?yàn)辇X形帶只能用于高速級。這種布置還可簡化后面三個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對于平行軸轉(zhuǎn)動，減速器前置可以匹配小臂與手腕的幾何尺寸。如圖1.4所示，我選用:減速器的配置為前置式是把α、γ兩自由度的減速器裝在手腕內(nèi)。
電機(jī)配置也可以分為前置式和后置式。前置式有一個(gè)電機(jī)配置在手腕中，其最大優(yōu)點(diǎn)是大大簡化了小臂的結(jié)構(gòu)和傳動過程的軸線干擾，但加重了腕部。這種結(jié)構(gòu)較適合于小負(fù)荷操作機(jī)。必須指出，這種結(jié)構(gòu)的手腕也屬于非匯(正)交式，由它構(gòu)成的六自由度操作機(jī)無解析解。電機(jī)后置式的驅(qū)動電機(jī)都布置在腕的后面。對于中小負(fù)載的操作機(jī)，電機(jī)可布置在臂的空腔中，而對于大負(fù)載操作機(jī)，由于電機(jī)重而且大，電機(jī)多布置在臂的后端，以減少臂的尺寸和前部重量，并與減速器一起對小臂起平衡作用。如圖1.4所示。
1.4機(jī)器人設(shè)計(jì)
機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。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(jī)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(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)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(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。:
在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程中，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有時(shí)這些實(shí)驗(yàn)甚至是破壞性的。當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，就要回頭修改設(shè)計(jì)并再用樣機(jī)驗(yàn)證。這一過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期更加漫長，更不用談對市場的靈活反應(yīng)了。于是運(yùn)動分析—虛擬樣機(jī)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生了。它可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬機(jī)器人的運(yùn)動及受力情況，快速分析多種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行對物理樣機(jī)而言難以進(jìn)行或根本無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。這種方法不但可以縮短開發(fā)周期，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率也得到了很大的提高。
2末端執(zhí)行器
末端執(zhí)行器是裝在機(jī)器人操作機(jī)的機(jī)械接口上，用于使機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)而專門設(shè)計(jì)的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機(jī)器人的用途密切相關(guān)，最常見的有用于抓拿物件的夾持器;用于加工工件的銑刀，砂輪和激光切割器:用于焊接，噴涂用的焊槍，噴具;由于質(zhì)量檢測的測量頭，傳感器。一般說來，一種新的作業(yè)需要一種新的末端執(zhí)行器，而一種新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)又往往為機(jī)器人開辟一種新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，末端執(zhí)行器的分析和設(shè)計(jì)已形成了一個(gè)專門領(lǐng)域。這里只簡要介紹幾種常用的抓拿物件的末端執(zhí)行器。
2.1夾持器
夾持器通常有兩個(gè)夾爪。根據(jù)不同的運(yùn)動形式，夾爪又可分為回轉(zhuǎn)式和平移式兩種類型。
1)斜楔杠桿式夾持器。當(dāng)施以力P時(shí)，楔角為α的斜楔前進(jìn)，使夾爪閉合，
夾緊物件，且當(dāng)α小于自鎖角時(shí)，即使β消失，被夾物件也不會滑脫。當(dāng)施以相反方向的力時(shí)，斜楔后退，夾爪在彈簧的作用下打開。由于夾爪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而回轉(zhuǎn)軸又是固定的，故當(dāng)夾持不同直徑的物件時(shí)，物件的中心線將沿對稱軸線移動，形成定位誤差。故使用這種夾持器時(shí)，機(jī)器人的應(yīng)用程序必須有補(bǔ)償功能。
2)有定位補(bǔ)償?shù)母軛U式夾持器。這種夾持器的夾爪回轉(zhuǎn)銷軸可借助左右螺旋副平移其相對位置，所以通過調(diào)整螺旋可對不同直徑的物體保持中心位置不變。
3)平行移動式夾爪。當(dāng)施以壓力P時(shí)，齒輪在下條上滾動，并以兩倍的移動
速度帶動上齒條移動，兩個(gè)齒條分別與兩個(gè)夾爪聯(lián)接。帶動夾爪平行地移動，起到夾持物件的作用。
2.2擬手指型執(zhí)行器
人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結(jié)構(gòu)，就能制造出結(jié)構(gòu)最優(yōu)的夾持器。但由于人手自由度較多，驅(qū)動和控制都十分復(fù)雜，所以到目前為止，只制造出了一些原理樣機(jī)，離工業(yè)應(yīng)用還有一定差距。下面介紹幾種教有特色的擬手指型手抓。
1) UTACH/MIT手抓。它有4個(gè)手指，可實(shí)現(xiàn)對握，每個(gè)手指有3個(gè)曲伸關(guān)節(jié)和一個(gè)擺動關(guān)節(jié)，共16個(gè)自由度。各關(guān)節(jié)采用繩輪驅(qū)動，驅(qū)動器后置。由于拇指對置，所以4個(gè)手指不能實(shí)現(xiàn)并掌操作，即4個(gè)手指不能放在一側(cè)實(shí)現(xiàn)全握式的抓拿物體。
2) 3指手爪。第一指相當(dāng)于拇指，只有一個(gè)曲伸關(guān)節(jié)，一個(gè)擺動關(guān)節(jié)和一個(gè)開合關(guān)節(jié)，其他兩指都有兩個(gè)曲伸關(guān)節(jié)，故共有11個(gè)自由度，也是驅(qū)動器后置。
3)雙拇指手爪。每個(gè)手指都有3個(gè)曲伸關(guān)節(jié)。其中，外面兩指有擺動和轉(zhuǎn)動
自由度，通過轉(zhuǎn)動，可以和中間指對置，也可與中指處于同側(cè)(并掌);中指無轉(zhuǎn)
動自由度，故該手共有14個(gè)自由度。該手可以抓取或握取物件，由于使用了超小型電機(jī)和減速器，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動器前置配置(即驅(qū)動器、減速器與手指配在一起)，
結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個(gè)部件安裝于機(jī)器人的機(jī)械接口上。
2.3吸式執(zhí)行器
吸式執(zhí)行器是目前應(yīng)用較多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬運(yùn)機(jī)器人。該類執(zhí)行器可分磁吸和氣吸兩類。
1)磁吸式手爪。它利用電磁場力和袋裝可變形式磁粉，可以吸住具有任意表
面形狀的磁性物件。
2)氣吸式手爪。它下端有一個(gè)橡膠吸盤，上面有彈簧緩沖壓下裝置，靠吸盤
內(nèi)腔的真空度吸住物件。形成真空的方法通常有兩種。一種靠真空泵，一種靠氣流形成負(fù)壓。前者工作可靠，吸盤結(jié)構(gòu)簡單，但成本較高;后者只需壓力為0. 4MPa
的普通工業(yè)氣源，利用伯努利原理(文多利管)，在氣流高速噴射時(shí)即可形成所要
求的負(fù)壓，時(shí)吸盤吸住物體，因不需專用真空泵，故成本較低，目前應(yīng)用較廣泛。
本課題所選擇的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為可以回轉(zhuǎn)的夾持器。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(yùn)功。
3腕部設(shè)計(jì)
3.1手腕結(jié)構(gòu)的選擇
Smart 6.50腕部的主要技術(shù)參數(shù)為：
自由度
3
最大持重
10Kg
Ⅰ 軸
±180°
144(°)/s
200N?m
Ⅱ 軸
±115°
136(°)/s
150N?m
Ⅲ 軸
±180°
138(°)/s
100N?m
本課題仿制Smart 6.50R 機(jī)器人的腕部進(jìn)行設(shè)計(jì)，通用機(jī)器人的手腕是三自由度的，圖3.1是其傳動原理圖，關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、腕轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其傳動鏈分成二部分，一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi)，三個(gè)電機(jī)的輸出通過齒形帶傳動分別傳遞到同軸傳動的心軸、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(yùn)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(gè)手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn)動。
（2）腕擺運(yùn)動 臂部輸出的空心軸通過一組錐齒輪組（14）和一組同步齒形帶（12、13）以及諧波減速器（11）帶動固定在套筒上的端蓋一起擺動。
（3）手轉(zhuǎn)運(yùn)動 如圖3.1,臂部心軸通過鍵聯(lián)結(jié)帶動錐齒輪組（3）轉(zhuǎn)動，然后通過同步齒形帶（4、6）帶動套筒的內(nèi)部中心軸，中心軸的另一端通過一對錐齒輪組（9）傳動，帶動固定套筒（10）內(nèi)部的中心軸端面的法蘭盤（8）轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)法蘭盤的手轉(zhuǎn)運(yùn)動。
圖3.1腕部系統(tǒng)傳動簡圖
3.2傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)計(jì)算
3.2.1.選擇電機(jī)
假設(shè)手部的末端的持重是10Kg,腕心距機(jī)械輸出借口長度為200mm，腕轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑為100mm.
Ⅰ 軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動
W1=144°180°x3.14 = 2.512rad/s
R=100mm
F = 10x10 =100N
T=F·R
P = F·R·W1=100x2.512x100=25.12W
η總=η錐2η聯(lián)η離η帶η諧
=0.952x0.8x0.95x0.99x0.98
=0.665
η離=0.98 η諧=0.80
η帶=0.95 η聯(lián)=0.99
η錐=0.95
所需電機(jī)功率
P電=P/η總
=25.12 /0.665
= 37.77W
Ⅱ 軸為腕擺運(yùn)動
L=200mm F=100N
T=F·L
=20.0N·m
W2=136°180°x3.14
=2.372rad/s
P=T·W2
=47.44W
η總=η帶2η聯(lián)η離η錐η諧
=0.952x0.99x0.98x0.95x0.80
=0.665
所需電機(jī)功率為
P電=P/η總
=47.44/0.665
=671.33W
考慮到系統(tǒng)傳動過程中，同步齒形帶傳動所需的功率，以及要求腕部的結(jié)構(gòu)要求緊湊，所以Ⅰ軸傳動所需電機(jī)5和Ⅱ軸傳動所需電機(jī)6如下：
型 號
功 率 (KW)
轉(zhuǎn) 速（r/min）
轉(zhuǎn) 矩
（N·m）
額定電流
（A）
額定電壓
（V）
ＴＹＳＺ－７５－６３ｓ
0.75
3000
2.4
3.08
220
ＴＹＳＺ－５５－６３ｓ
0.55
2000
2.3
2.2
220
3.2.2分配系統(tǒng)傳動比和動力參數(shù)的計(jì)算
Ⅰ 軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動
腕轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)的傳動比
末端法蘭盤的轉(zhuǎn)速ｎ法＝１44°ｘ６０３６０°＝22.67r/min
系統(tǒng)總的傳動臂為ｉ總＝200022.67＝88.22
?。橹C＝88.22
ｉ帶１＝1 ｉ錐１＝１ ｉ錐２＝１
電機(jī)6的輸出功率Ｐ１＝0.50Kw
帶輪5轉(zhuǎn)速ｎ5＝2000r/min
W5＝200060ｘ3.14＝104.67rad／s
Ｐ5＝Ｐ１η聯(lián)η離η錐
＝0.50ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99
＝0.460Kw
T5=9.55x1062000x0.460=2.20N·m
帶輪6轉(zhuǎn)速n6=n5=2000r/min
W6=W5=104.67rad/s
P6=P5η帶
=0.460x0.95
=0.437 Kw
T6=9.55x1062000x0.437=2.09N·m
腕轉(zhuǎn)軸Ⅰ軸
PⅠ=P6η諧η錐
=0.437x0.80x0.95
=0.332Kw
ｎⅠ=22.67r/min
WⅠ=1.186rad/s
TⅠ=9.55x10622.67x0.332
=139.85N·m
腕擺傳動系統(tǒng)的傳動比
末端套筒的轉(zhuǎn)速ｎ套＝１36°ｘ６０３６０°＝24r/min
系統(tǒng)總的傳動比為ｉ總＝300024＝125
?。橹C＝50 ｉ帶１＝2.5
ｉ錐１＝１ ｉ帶２＝１
電機(jī)５的輸出功率Ｐ１＝0.75Kw
帶輪３轉(zhuǎn)速ｎ3＝30002.5＝1200r/min
W３＝120060ｘ3.14＝62.8rad／s
Ｐ３＝Ｐ１η聯(lián)η離η錐η帶
＝0.75ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99ｘ0.95
＝0.656Kw
T3=9.55x1061200x0.656=5.22N·M
帶輪4轉(zhuǎn)速n4=n3=1200r/min
W4=ｗ３=62.8rad/s
P4=P3η帶
=0.656x0.95
=0.623Kw
T4=9.55x1061200x0.623=4.96N·m
腕擺軸Ⅱ軸
PⅠ=P4η諧
=0.623x0.80
=0.498Kw
ｎⅡ=24r/min
WⅡ=2.512rad/s
TⅡ=9.55x10624x0.498
=198N·m
Ⅰ軸腕轉(zhuǎn)運(yùn)動
ｉ總＝200022.67＝88.22
?。橹C＝88.22 ｉ帶１＝1 ｉ錐１＝１ ｉ錐２＝１
腕擺傳動系統(tǒng)的傳動比
末端套筒的轉(zhuǎn)速ｎ套＝１36°ｘ６０３６０°＝24r/min
系統(tǒng)總的傳動比為ｉ總＝300024＝125
?。橹C＝50 ｉ帶１＝2.5
ｉ錐１＝１ ｉ帶２＝１
4錐齒輪設(shè)計(jì)
4.1確定錐齒輪的主要技術(shù)參數(shù)
錐齒輪組3的材料選用40Cr鋼，齒面硬度250～280HBS。
取m=2.5 Z1=Z2=40 δ1=δ2=45°
i=Z2Z1=1
d=m·z=90 mm d1=d2
錐距 R=12d12+d22 =63.64mm
ha=2.5 hf=3
da=d+2hacosδ=93.5mm
df=d-2hfcosδ=85.8mm
b=10mm
dm=d(1-0.5b/R)=83
cotθa=haR θa=2.7°
cotθf=hfR θf=3.2°
4.2輪齒的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算
忽略齒面間摩擦力，把輪齒上的分布作用力合成為集中法向力Fn,在把分解為三個(gè)互相垂直的力Fn，即圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa。錐齒輪5的轉(zhuǎn)矩為T1，中點(diǎn)分度圓直徑為dm，可得：
Ft=2T1dm=328.7N
Fr=Fttanαcosδ=86.7N
Fa=Fttanαsinδ=86.7N
(T1=14.73N·m)
一般的直齒錐齒輪制造精度低，因而可以認(rèn)為在嚙合過程中載荷僅由一對相嚙合的齒來承擔(dān)，故可以不考慮齒間載荷分配問題，即可以忽略重合度的影響，故載荷系數(shù)
K=KAKvKβ=1.88
KA=1.6 Kβ=1.15 Kv=1.02
直齒錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件為
δH=ZHZE2KT1u2+1ubdm2(1-0.5?R)2=460 MPa
δF=2KT1bd1m(1-0.5?R)2)YFaYsa=367.9 MPa
δH=666.5MPa δH≤δH
δF=414 MPa δF≤δF
所以可知此齒輪組能夠滿足運(yùn)動的要求。
錐齒輪組2的主要技術(shù)參數(shù)為
m=3 Z1=Z2=15 δ1=δ2=45°
i=Z2Z1=1
d=m·z=45mm d1=d2=d
錐距 R=12d12+d22 =31.8mm
ha=3.5 hf=4.2
da=d+2hacosδ=50mm
df=d-2hfcosδ=40mm
b=10mm
cotθa=haR θa=5.38°
cotθf=hfR θf=6.5°
5選擇帶輪和齒形帶
5.1帶輪的選擇
根據(jù)所搜集的資料，考慮到整個(gè)系統(tǒng)傳動的結(jié)構(gòu)和傳動特性，依據(jù)圖3.2，
圖3.2
帶輪6的轉(zhuǎn)速 n6=2000r/min P6=0.437Kw
T6=0.209N·m
選擇梯形齒帶輪，帶輪型為L型，帶輪的結(jié)構(gòu)為：
圖3.3
選擇帶選擇奇龍傳功公司生產(chǎn)輪型號為；
32L 050 AF 節(jié)距=9.525mm
Z=32 節(jié)徑 d= 97.02mm
外徑 do= 96.26mm 檔邊內(nèi)徑 db=90mm
檔邊厚度 h=1.5mm 檔邊直徑 df=102mm
5.2齒形帶的設(shè)計(jì)
L型同步齒形帶的機(jī)構(gòu)尺寸如圖 ，節(jié)距=9.525mm
帶輪5、6傳動的功率為：P=0.460Kw
主動軸轉(zhuǎn)速n5=2000r/min
從動軸轉(zhuǎn)速n6=2000r/min
傳動比i=1
設(shè)計(jì)功率Pd=KAP KA=1.5
Pd=1.5x0.46
=0.69Kw
節(jié)距Pb=9.525mm
帶輪齒數(shù) Z5=30 Z6=30
帶輪節(jié)圓直徑d1=Z5Pb3.14=91.0
d2=d1
速度V=d1n160x100x3.14=9.52m/s
初定軸間距 0.7(d2+d1)≤ a0≤2(d2+d1)
127.4≤ a0≤364
a0=200mm
確定帶長及齒數(shù)
Lp=2a0+π2(d2+d1)+d2+d1()24a0
=727mm
取標(biāo)準(zhǔn)值L0=723.9mm
節(jié)線長上齒數(shù)Z=80
實(shí)際軸間距a=a0+Lp-L02=201.55mm
小齒輪嚙合齒數(shù)Zm=Z52-Pb 20aZ5(Z6-Z5)=15
基本額定功率P0=(Ta-mv2)1000=0.2Kw
帶寬bs=bs01.14PbKsP0=24.5mm
基準(zhǔn)寬度bs0=12.7mm
寬度帶上的需用拉力Ta=244.46N·m
嚙合齒數(shù)系數(shù)Ks=1
作用在軸上的力為Fr=1000Pdv=69N
同理得到同步帶輪 38L 050 AF
Z3=38 Z4=38
Z=38 節(jié)徑 d= 115.21mm
外徑 do= 114.45mm 檔邊內(nèi)徑 db=103mm
檔邊厚度 h=1.5mm 檔邊直徑 df=123mm
同步齒形帶為a0=258mm Zm=19
V=7m/s
L0=876mm
節(jié)線上的齒數(shù)Z=104
p0=0.3kW
bs=25.4mm Fr=44.4N
6總結(jié)
經(jīng)過幾周的綜合設(shè)計(jì)，我不僅充實(shí)利用以前所學(xué)的知識并得以鞏固，并得到更深層次的理解，而且使我將書本上的理論知識與實(shí)際設(shè)計(jì)研究過程有了一定的貫通，理解了實(shí)際設(shè)計(jì)研究和理論知識的差別。我通過自己的努力還學(xué)習(xí)很多以前沒有接觸過的知識，極大地?cái)U(kuò)展了知識面，同時(shí)也經(jīng)歷了許多從點(diǎn)到面，從粗略到精準(zhǔn)的過程。這些曲折對我的設(shè)計(jì)帶來了許多麻煩，尤其是查各種資料的煩瑣，但從中也體會到了做機(jī)械設(shè)計(jì)中嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的重要性，使我積累了不少經(jīng)驗(yàn)，這對我以后的工作和學(xué)習(xí)會有很大的幫助。
本次課設(shè)我從通用機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)對機(jī)器人腕部進(jìn)行了分析，綜合考慮了腕部的整體結(jié)構(gòu)。首先確定機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，查找資料，以Smart 6.50R通用機(jī)器人為參考，在已有的技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，通過分析，確定腕部的傳動系統(tǒng)，然后假設(shè)腕部末端的結(jié)構(gòu)，確定腕部的輸出功率，然后計(jì)算出腕部所需的電機(jī)。在確定電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我對錐齒輪和傳動中所需的帶輪以及同步齒形帶進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且對它們進(jìn)行了校核，確定所設(shè)計(jì)的腕部結(jié)構(gòu)能夠配合機(jī)器人的其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴漆動作。
最終通過認(rèn)真計(jì)算分析后我認(rèn)為我所設(shè)計(jì)的腕部是比較理想的，基本滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。
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