六自由度關節(jié)型機器人腰部結構設計說明書[帶圖紙].doc

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1、目錄1前言11.1題目來源及分析11.2研究目的21.3國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀22關節(jié)型機器人總體設計42.1確定基本技術參數(shù)42.1.1機械結構類型的選擇42.1.2額定負載52.1.3工作范圍52.1.4操作機的驅動系統(tǒng)設計52.1.5控制系統(tǒng)的選擇62.1.6確定關節(jié)型機器人手臂的配置形式62.2關節(jié)型機器人本體結構設計73關節(jié)型機器人腰部結構設計103.1電動機的選擇103.2計算傳動裝置的總傳動比及分配各級傳動比123.3軸的設計計算123.3.1計算各軸轉速、轉矩和輸入功率123.3.2確定三根軸的具體尺寸133.4確定齒輪的參數(shù)173.4.1選擇材料173.4.2壓力角的選擇173

2、.4.3齒數(shù)和模數(shù)的選擇173.4.4齒寬系數(shù)的確定173.4.5確定齒輪傳動的精度183.4.6齒輪的校核193.5殼體設計224關節(jié)型機器人的位姿分析234.1機器人的位姿與運動的描述234.2關節(jié)型機器人的廣義連桿變換矩陣234.3關節(jié)型機器人運動方程264.3.1關節(jié)型機器人運動分析264.3.2關節(jié)型機器人運動反解295結論34參考文獻35附錄36關節(jié)型機器人腰部結構設計摘要:為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量,滿足實際工作需要,本課題設計了用于焊接的關節(jié)型機器人。根據(jù)機器人的工作要求和結構特點，進行了機器人的總體設計，確定了機器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機器人各關節(jié)的總體傳動方案

3、，對機器人腰關節(jié)結構進行了詳細設計，合理布置了電機和齒輪，確定了各級傳動參數(shù)，進行了齒輪、軸和軸承的設計計算和校核。利用齊次變換矩陣法建立了六自由度關節(jié)機器人的正運動學模型，求出機器人末端相對于各自參考坐標系的齊次坐標值，建立了在直角坐標空間內(nèi)機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)與關節(jié)變量值的對應關系?；趲缀瓮队霸硗茖С鱿鄳哪孢\動學模型，求出了各個關節(jié)的角度值，建立了機器人關節(jié)空間與世界空間的映射關系。該機器人具有剛性好，位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。關鍵詞：關節(jié)型機器人；位姿分析；總體設計；腰部結構設計ThewaiststructuraldesignofarticulatedrobotAbstr

4、act:Inordertoimprovetheefficiencyofproductionandweldingqualityofproductsandmeetrealworksneeds,thissubjecthasdesignedthearticulatedrobotusedforwelding.Accordingtothejobrequirementsfortherobotandstructurecharacteristic,Ihavecarriedontheoveralldesignoftherobot,confirmedtheexternaldimensionandworkspaceo

5、ftherobot,draftedtheoveralltransmissionschemeofeveryjointoftherobot.Ihavedesignedthewaiststructureoftherobotindetail,assignedtheelectricalmachineryandgearwheelrationally,confirmedatallleveltransmissionparameters,carriedonthedesignandcalculatingofgearwheels,shaftsandbearingsandcheckingthem.Thekinemat

6、icmodelofrobotsystemhasbeenbuiltupbymeansofthehomogenoustransformationofmatrixinthisthesisanddeducestherobotshomogenouscoordinatewhichisrelativetoitsreferencecoordinate.Wealsomakeupthepositionrelationshipbetweentherobotsendeffectorandthevariablefriableofeveryjoint.Theinversekinematicmodelisdeducedwh

7、ichbasedontheprojectionprincipleofgeometryandthevalueofangleisworkedout.Whatsmore,therelationshipisbuiltupbetweenthejointspaceofrobotandtheworldspace.Thisrobothasthecharacteristicsoffinerigidity,positionprecisionhigh,thatoperatesteadily.Keywords:Articulatedrobot；Appearanceanalysisinthelocation；Desig

8、noverallly；Waistarticulatedstructuraldesignoftherobot1前言1.1題目來源與分析題目關節(jié)型機器人腰部結構設計來源于生產(chǎn)實踐中。要求設計的機器人具有6個自由度：腰關節(jié)回轉；臂關節(jié)俯仰；肘關節(jié)俯仰；腕關節(jié)仰腕；擺腕；旋腕。其中要詳細地設計機器人基座和腰部的結構。整體機器人要實現(xiàn)腕部最大負荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm。機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應用工業(yè)機器人技術是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術革命的一個重要內(nèi)

9、容。自古以來,人們所設想的機器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機器。特別是在20世紀20年代前后,捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關于未來機器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學作品,更使機器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學描繪,也制造出一些仿人或仿生的機器人。然而在當時的科技條件下,要使機器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國的戴沃爾設想了一種可控制的機械手,他首先突破了對機器人的傳統(tǒng)觀點,提出機器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設計制作了世界上第一臺機器人實驗裝

10、置,發(fā)表了適用于重復作業(yè)的通用性工業(yè)機器人一文,并獲得了美國專利。戴沃爾將遙控操縱器的關節(jié)型連桿機構與數(shù)控機床的伺服軸聯(lián)結在一起,預定的機械手動作一經(jīng)編程輸入后,機械等就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人也可以接受示教而完成各種簡單任務。示教過程中操作者用手帶動機械手依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器中，任務的執(zhí)行過程中，機器人的各個關節(jié)在伺服驅動下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機器人的主要技術就是“可編程”以及“示教再現(xiàn)”。1.2研究目的焊接機器人是最大的工業(yè)機器人應用領域,它占工業(yè)機器人總數(shù)的25%左右。由于對許多構件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人

11、已難以勝任這一工作；此外,焊接時的火花及煙霧等,對人體造成危害,因而,此課題的提出就有十分重要的意義。1.3國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀國內(nèi)外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢a.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。b.機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。c.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，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護性

12、。d.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環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。e.虛擬現(xiàn)實技術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。f.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)，而是治理于操作者于機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(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

13、是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。g.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。國際機器人研究在經(jīng)過了80年代的低潮之后,呈現(xiàn)出復蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢；我國的機器人研究在國家七五八五及863計劃的推動下也取得了很大的發(fā)展。在70年代的機器人浪潮相比,現(xiàn)在的機器人研究有兩個特點:一是對機器人智能的定位有了更加符合實際的標準,也就是不要求機器人具有像人類一樣的高智商,而只是要求機器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”“八五”科技攻關，目

14、前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制技術硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，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晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；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

15、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)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，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遙控機器人，6000m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、聲覺、觸覺等基礎技術的開發(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、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，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。5613