移動機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
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說明書 第 31 頁 共 31 頁
1 緒論
1.1 引言
在星球表面探索、地震或事故現(xiàn)場救災(zāi)、自然界未知事物探索等環(huán)境中工作的移動機器人，面臨著復(fù)雜、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，應(yīng)具有良好的適應(yīng)性、靈活性。移動機器人應(yīng)當(dāng)能夠依靠自身的功能，克服環(huán)境的不確定性，有效地完成任務(wù)[1]。機器人不僅可以在粉塵、噪聲、有毒、輻射等有害條件下部分替代人去操作，還能在人所不能及的極限條件下，如深海、外層空間環(huán)境中完成人所賦予的任務(wù)，擴大了人類改造自然的能力，尤其是近些年來自動化和計算機的發(fā)展極大地推動了工業(yè)機器人的發(fā)展。
機器人的研究、開發(fā)、應(yīng)用涉及許多學(xué)科，機器人技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。多剛體動力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、機械設(shè)計、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動、控制工程、智能控制、計算機科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科都和機器人技術(shù)有密切的聯(lián)系[2]。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
地面移動機器人是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在地面運動的物體。地面移動機器人的研究最早可追溯到五十年代初，美國Barrett Electronics公司研究開發(fā)出世界第一臺自動引導(dǎo)車倆系統(tǒng)。由于當(dāng)時電子領(lǐng)域尚處于晶體管時代，該車功能有限，僅在特定小范圍運動，目的是提高運輸自動化水平。到了六、七十年代，美國仙童公司研究出集成電路，隨后出現(xiàn)集成微處理器，為控制電路小型化奠定了硬件基礎(chǔ)。到了八十年代，國外掀起了智能機器人研究熱潮，其中具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價值的移動機器人受到西方各國的普遍關(guān)注[3]。在移動機器人的發(fā)展中，出現(xiàn)兩個機器人大國，一個是日本，另一個是美國。時至今日，各種類型的地面移動機器人紛紛研制出來，其應(yīng)用范圍從民用、工業(yè)用到軍用，涉及人類運動的方方面面。
進(jìn)入90年代，機器人技術(shù)的發(fā)展由于受到發(fā)達(dá)資本主義經(jīng)濟不景氣的影響，專門從事機器人研究和生產(chǎn)的部門數(shù)目有所減少，但由于人工智能、計算機科學(xué)、傳感器科學(xué)的長足進(jìn)步，使得機器人的研究在高水平上進(jìn)行。機器人發(fā)展到今天已經(jīng)是燦爛輝煌，隨著信息技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，移動機器人作為人工智能的一個分支也將吸收這些成果，功能將更完善，新的移動機器人也將涌現(xiàn)出來[4]。未來的機器人技術(shù)，將在以下幾個方面發(fā)展。
（1） 高速操作臂 高速操作臂可以大大提高機器人的工作效率。為此，必須開展新的手腕機構(gòu)和伺服驅(qū)動裝置，以及能適應(yīng)機械臂高速運動的變轉(zhuǎn)動慣量的動態(tài)控制方法等的研究。
（2） 柔性操作臂 目前的操作臂本身質(zhì)量要比它所能抓起的質(zhì)量大的多。如臂自身質(zhì)量為30kg，僅能搬運還不到10kg的物體，這與人的手臂相比要小的多，其原因主要是驅(qū)動裝置的效率低、輕型材料的強度和韌性不夠。因此，新型材料的開發(fā)成為了研制高效機器人的重中之重。
（3）多自由度操作臂 要實現(xiàn)狹小空間的操作，研制超多自由度的機械手是完全必要的[。
（4）高精度、多自由度控制操作臂 機器人被越來越多的用在醫(yī)療，軍事等需求高精度的場合，在保證精度的同時還要追求高自由度，要能完成各種各樣的動作，這就要求研制出更穩(wěn)定的系統(tǒng)來保證操作臂動作的精度。
（5）微型操作臂 目前的操作臂局限于材料和驅(qū)動力，自身的大小不能滿足越來越精密的工作場合。為此，微型操作臂的開發(fā)已在日程中[5]。
1.3 機械臂介紹
1.3.1 機器人操作臂的機構(gòu)和空間描述
機器人要實現(xiàn)功能最重要的部件就是機械臂 (亦稱操作臂)，一般是由一系列連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)相連接的開式運動鏈，一端裝在固定的支座上(機座);另一端自由，安裝手爪、工具，實現(xiàn)各種操作[6]。
為了描述組成操作臂的各連桿之間的相對位置和姿態(tài)，在每個連桿上固接一個坐標(biāo)系，用其來描述相對運動。機器人通過機械臂完成人們交予的任務(wù)，從早期齒輪傳動只能上下移動的垂直臂到后來液壓驅(qū)動多自由度自由伸縮的機械臂，期間一共度過了40年的時間[7]。如今，機械臂已經(jīng)更加擬人化，包括安裝了觸覺，視覺，力覺等感受功能部件，使機械臂運動起來能夠理性避讓障礙,減少不必要的損失。
1.3.2 操作臂運動學(xué)、動力學(xué)、靜力和變形
把操作臂的連桿近似的當(dāng)成剛體，則相鄰兩連桿坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系用連桿變換矩陣來表示。操作臂運動學(xué)則討論手臂末端執(zhí)行器的位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系[8]。操作臂運動學(xué)由兩個基本問題:正向運動學(xué)和逆向運動學(xué)。
操作臂動力學(xué)研究各關(guān)節(jié)驅(qū)動力與終端操作器的位置、速度和加速度之間的關(guān)系。操作臂的動力學(xué)方程十分復(fù)雜，不僅與操作臂的形位有關(guān)，還和連桿的質(zhì)量分布、連桿的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)之間的摩擦等有關(guān)[9]。操作臂的動力學(xué)方程有多種形式:關(guān)節(jié)空間、操作空間和狀態(tài)空間形式。研究操作臂動力學(xué)一方面是為機器人控制提供精確的動力學(xué)模型，計算驅(qū)動力函數(shù)、實現(xiàn)前饋補償;另一方面是為了仿真，根據(jù)加速度計算相應(yīng)的關(guān)節(jié)力[10]。
1.3.3 操作臂的軌跡規(guī)劃和運動控制
機器人的操作臂在運動之前，需要明確是否一定要沿特定的路徑運動，還要明確在運動過程中是否會與障礙物相碰[11]。如果對運動的路徑?jīng)]有特殊的要求，則通常是每個關(guān)節(jié)按指定的平滑時間函數(shù)，同時從起點運動到終點;如果一定要沿特定的路徑，那么軌跡規(guī)劃器應(yīng)利用函數(shù)插值逼近預(yù)期的路徑[12]。
軌跡控制的目的在于精確地實現(xiàn)所規(guī)劃的運動。運動控制包括:建立操作臂的動力學(xué)模型;根據(jù)所建模型確定控制規(guī)律或策略，以達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)和性能。討論控制規(guī)律的分解和相應(yīng)的控制方案[13]。
1.4 目前主要存在的問題
工業(yè)機器人是計算機技術(shù)出現(xiàn)后發(fā)展起來的一種新型機械結(jié)構(gòu)，工作效率和機動性比傳統(tǒng)機械高很多[14]。隨之而來的是，機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計在減少質(zhì)量、提高剛度方面比傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)有更高的要求。在設(shè)計工作中，結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化顯得更為重要。
如今的機器人手臂存在幾個急需解決的問題，首先是機械手臂工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。軍用機器人特別是防暴拆彈機器人是用來拆除炸彈，需要用機械臂夾起炸彈，運輸?shù)教囟ǖ姆辣┳o(hù)具中進(jìn)行引爆。這就要求在夾起和運輸過程中的平穩(wěn)，稍許的震動也許就會是炸彈被引爆，造成不必要的損失。其次是機械手臂的適應(yīng)性[15]。機械手臂是機器人的核心之一，機器人只有通過機械手臂才能發(fā)揮各種作用。在很多場合，現(xiàn)場條件都很復(fù)雜，這就需要機械手臂有很好的適應(yīng)性，能進(jìn)入各種復(fù)雜的管道或者角落進(jìn)行作業(yè)，或者對障礙物柔性避讓。這就對機械手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有了更大的要求[16]。
1.5 我國機器人的發(fā)展戰(zhàn)略
談及我國的機器人發(fā)展戰(zhàn)略，許多有識之士己發(fā)表了不少高見。為了使我國機器人學(xué)有更大的發(fā)展，首先必須進(jìn)一步發(fā)展對機器人的認(rèn)識，取得正確和求實的共識。對于具體的一些思路，則涉及在發(fā)展工業(yè)機器人的同時，注意開發(fā)特種機器人;培養(yǎng)與發(fā)展國內(nèi)機器人市場;建立機器人產(chǎn)業(yè)集團，形成規(guī)模生產(chǎn);開展國際合作，打開國際市場，參與國際競爭;合理選擇主攻戰(zhàn)略方向，開發(fā)有市場有知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù);更加重視基礎(chǔ)研究，加大技術(shù)儲備;穩(wěn)定和擴大研究隊伍等。21世紀(jì)已經(jīng)到來，在新世紀(jì)里，中國機器人學(xué)必將在世界上占有一席之地，并可望發(fā)展成機器人大國。
1.6 設(shè)計的主要內(nèi)容和要求
全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小型機器人具有典型的工業(yè)機器人的運動特征。唯有體型較小，可以放在桌面上，適宜于教學(xué)實驗和作為自動化及控制技術(shù)的研究工具。
該課題在調(diào)研的基礎(chǔ)上完成5自由度步進(jìn)電機驅(qū)動，傳動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。重點工作是電動機的選擇和校核及其關(guān)鍵零部件的強度計算。
2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計
2.1 傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計
2.1.1 各種傳動方式的比較
（1）帶傳動：帶傳動具有結(jié)果簡單、傳動平穩(wěn)、 造價低廉、不需要潤滑油及緩沖吸振等特點。
（2）鏈傳動：鏈傳動具有平均傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高、尺寸較緊湊、能在惡劣的條件下工作，但其不能保持瞬間的傳動比恒定，工作時有噪聲、磨損后易發(fā)生跳齒，不適合用于空間，限制要求中心距小及急速反向傳動的場合。
（3）齒輪傳動：齒輪傳動能保證瞬間傳動比的恒定，傳動比范圍大；速度和傳遞的功率的范圍大，可用于高速、中速和低速的傳動；但制造的成本比較的高，無過載的保護(hù)作用。
綜合以上各特點：因為本機器人用于科研、教學(xué)實驗、握重3 kg，所以載荷較小，工作也比較的穩(wěn)定，環(huán)境較好。但要求傳動準(zhǔn)確，瞬間傳動比準(zhǔn)確恒定，且要有較大的傳動比。故本機器人尺寸較小，結(jié)構(gòu)要求緊湊，并且要求傳動反應(yīng)靈活、迅速、準(zhǔn)確。所以，綜合考慮選用齒輪傳動且多級齒輪傳動，以獲得較大的驅(qū)動力矩；由于傳動比大，也可提高傳動精度。
2.1.2機器人輪廓圖
圖2.1 機器人輪廓圖
圖2.2 機器人三維圖
2.1.3大臂部分的傳動方式設(shè)計
圖2.3 大臂傳動結(jié)構(gòu)
齒輪10固定于軸A,。當(dāng)齒輪9旋轉(zhuǎn)時，同時齒輪10與A軸不動，則使得B軸圍繞著A軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。這A軸為大臂與腰身連接的關(guān)節(jié)。
初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1
Z5=18 則d5=18 mm；Z6=99 則d6=99mm ；
Z7=18 則d7=18mm；Z8=109 則d8=109mm；
Z9=18 則d9=18 mm；Z10=109 則d10=109 mm；
步進(jìn)電機初選：45BF008；
2.1.4小臂部分的傳動方式設(shè)計
方案一：此方案仿大臂部分的傳動方式的設(shè)計，步進(jìn)電機安裝在小臂上。
圖2.4 小臂傳動結(jié)構(gòu)方案一
方案二：這個方案的步進(jìn)電機是安裝在大臂上。
圖2.5 小臂傳動結(jié)構(gòu)方案二
方案比較：
方案一中因為電機是要安裝在小臂上，所以對于機器人來說的轉(zhuǎn)動慣量是比較大的。
方案二因為電機是安裝在大臂上，所以對于機器人來說其的轉(zhuǎn)動慣量來說要比較的小，而且使得機器人的重心也比較低。
所以選擇方案二：
圖2.6 小臂傳動結(jié)構(gòu)
初選：此系統(tǒng)模數(shù)為：1
Z11=18 則d11=18mm；Z12=79 則d12=79mm；
Z13=18 則d13=18mm； Z14=79則d14=79mm；
Z15=18 則d15=18mm；Z16=79 則d16=79mm；
步進(jìn)電機為45BF008
2.1.5 手腕部分的傳動方式設(shè)計
圖2.7 手腕傳動結(jié)構(gòu)
分析：
（1）手腕的仰俯動作（即繞D軸旋轉(zhuǎn)）
如圖2.8：
圖2.8 手腕俯仰動作實行機構(gòu)（D軸）
若齒輪1和齒輪2以相同的速度（大小和方向）旋轉(zhuǎn)時，此時齒輪3被卡死，則迫使手腕繞著D軸旋轉(zhuǎn)。所以此時手腕實現(xiàn)了俯仰動作。
(2) 手腕的旋轉(zhuǎn)動作（即繞C軸旋轉(zhuǎn)）
如圖2.9：
圖2.9 手腕俯仰動作實行機構(gòu)（C軸）
若齒輪1和齒輪2以相同大小但不同方向的速度旋轉(zhuǎn)，此時齒輪3也旋轉(zhuǎn)，即繞C軸旋轉(zhuǎn)。所以此時手腕實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)動作。
初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1。因為此系統(tǒng)的左右完全對稱，所以我們就只要分析一邊就可以了，即我們選擇左邊。
Z17=18 則d17=18mm；Z18=54 則d18=54mm；
Z19=18則d19=18mm； Z20=65 則d20=65mm；
Z21=18 則d21=18mm；Z22=18則d22=18mm；
注：Z21，Z22位一對圓錐齒輪。
2.1.6手部夾持器的傳動方式設(shè)計及其結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）傳動方式設(shè)計
圖2.10 手部夾持器的傳動結(jié)構(gòu)
初選：此系統(tǒng)模數(shù)為 1
Z23＝18 則d23=18mm；Z24＝60 則d24=60mm；
直流電動機選擇為：M08－832
（2）機構(gòu)設(shè)計：
方案一：
圖2.11 單向傳動方案
方案二：
圖2.12 雙向傳動方案
方案比較：因為要滿足夾持的物體一直都在手臂的中心線上，所我們應(yīng)該選擇方案二。
2.2各個部分傳動比的計算
（1）腰身部分：由圖2.2可知腰身部分采用二級圓柱齒輪，傳動比為：
（2）大臂部分：由圖2.3可知大臂采用三級圓柱齒輪傳動，傳動比為：
（3）小臂部分：由圖2.4可知小臂采用三級圓柱齒輪傳動，傳動比為：
（4）手腕部分：由圖2.5可知手腕采用二級圓柱齒輪加上一級的圓錐齒輪傳動，傳動比為：
注：此傳動比既是手腕俯仰運動的傳動比也是手腕旋轉(zhuǎn)運動的傳動比。
（5）手部夾持器部分：由圖2.6可知因為手抓要求自鎖，且開合速度不宜過快，所以采用螺旋傳動，傳動比：
2.3傳動系統(tǒng)總圖
綜合以上的計算和設(shè)計可以得到下面的傳動系統(tǒng)總圖：
圖2.13 傳動系統(tǒng)總圖
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于本機器人多采用齒輪傳動機構(gòu)，而且要保證傳動精度，所以齒輪消隙問題要做一定的考慮。
（1）由于大臂、小臂、手腕多處于伸展?fàn)顟B(tài)，因重力作用，齒輪的傳動能較好保持單齒輪接觸狀態(tài)，傳動穩(wěn)定，不必另加消隙裝置。
（2）立柱傳動機構(gòu)因無靜力矩作用，而齒輪加工誤差會使齒輪嚙合不穩(wěn)定，嚙合齒面變化，從而使立柱有一個較小角度的自由擺動，影響傳動定位精度，要加以調(diào)整消除。此處采用了一個偏心軸和一個偏心盤來來調(diào)節(jié)兩對齒輪傳動間隙?？赏ㄟ^座體上端蓋板口和底座下口調(diào)節(jié)。（見機械總圖）
（3）為使控制簡化，將小臂板中心線與立柱中心軸線放在同一平面上，以保證手爪的中心線與立柱的中心線在同一平面內(nèi)，控制，計算都比較的方便。
3.1零件的密度
根據(jù)《機械設(shè)計手冊》查的材料密度如下：
45號鋼 g/ 取7.85 g/
酚醛層壓板 g/ 取 1.4 g/
尼龍1010 g/ 取 1.05 g/
20號鋼 g/ 取 7.85 g/
鋁板 g/
普通鋼板 g/ 取7.85 g/
ZL102鑄鋁 g/
鍍鋅鐵板 g/
丁晴橡膠 g/
3.2 零件重量列表
計算本零件重量忽略小孔及倒角、圓角，對螺栓作光桿處理，尺寸向較大方向選取。
表3.1 零件重量表
零件序號
零件名稱
質(zhì)量（克）
1
夾持器手指
41.1
2
螺紋桿
240
3
齒輪24
53
4
外殼
124.5
5
銷
13.5
6
外殼邊
49.5
7
螺絲釘
2.22
8
螺絲釘
2.31
9
卡環(huán)
0.74
10
套筒
0.885
11
齒輪23
21.6
12
直流電動機
195
13
外套
37.5
14
螺栓
97.5
15
螺母
1.17
16
齒輪22
25.2
17
軸
40.2
18
密封器件
7.35
19
齒輪21和20
154.5
20
螺母
1.17
21
齒輪18和19
124.5
22
套筒
3.12
23
軸
31.5
24
密封器件
7.5
25
螺母
1.17
26
步進(jìn)電動機
330
27
齒輪17
10.5
28
小臂板
309.75
29
加強筋
46.5
30
軸
186
31
銷
7.5
32
齒輪16
321
33
銷
4.76
34
密封器件
7.5
35
套筒
3
36
螺母
1.17
37
齒輪15和14
271.5
38
軸
31.5
39
套筒
3.45
40
套筒
1.56
41
螺母
1.17
42
齒輪13和12
257.4
43
套筒
3
44
軸
30
45
套筒
1.56
46
螺母
1.17
47
大臂板
519
48
加強筋
39.8
49
步進(jìn)電動機
675
50
齒輪11
29.5
51
齒輪8和9
594
52
軸
31.5
53
密封器件
7.5
54
螺母
1.17
55
軸
695.4
56
齒輪6和7
471
57
齒輪10
329.4
58
銷
15
59
螺絲釘
7.5
60
墊片
18
61
密封元件
7.5
62
套筒
1.8
63
步進(jìn)電動機
675
64
齒輪5
29.55
大鋁蓋板：39.4 g ；小鋁蓋板:24.9g ；直流電機M28－832：130g；
步進(jìn)電動機45BF008：675g；步進(jìn)電動機36BF005：330g；
3.3機器人受力大小分析
將各個零件作適當(dāng)?shù)暮喕械礁鬏S線上，得到各點的受力圖：
圖3.1 機器人受力分析圖（取所受力矩最大姿態(tài)）
F1＝ N
F2= N
F3= N
F4= N
F5= N
F6= N
F7= N
F8＝ N
F9＝ N
F10＝ N
F11＝ N
F12＝ N
F13= N
F14＝ N
F15＝ N
3.4機器人輪廓基本尺寸的設(shè)計
要求：總體尺寸為900mm左右
初步設(shè)計比例為：1.2 ：1 ：0.5，則可得：
大臂： mm
小臂： mm
手爪： mm
根據(jù)機器人受力大小分析和機器人輪廓基本尺寸得設(shè)計可以得到機器人受力分析圖（如下頁所示），取得為機器人所受力矩最大姿態(tài)
3.5靜力矩計算
(1) 大臂所受重力靜力矩
[
(2)小臂所受重力靜力矩：
]
（3）手腕俯仰所受重力靜力矩：
＝
(4)手腕回轉(zhuǎn)所受重力靜力矩：
4伺服系統(tǒng)的設(shè)計和校核
4.1伺服系統(tǒng)的設(shè)計
本機器人伺服系統(tǒng)若采用直流伺服電機，則要配大降速比的諧波減速器，還要做閉環(huán)控制系統(tǒng)，要加傳感器，反饋動作幅度。而國內(nèi)諧波減速器在工藝、材料、制造等方面還不夠完善，使用效果不夠好，且價格較貴；外加反饋器件也要增加機器人的成本。所以綜合考慮不采用閉環(huán)系統(tǒng)，不用直流電動機，而用步進(jìn)電動機。
步進(jìn)電動機可通過控制脈沖數(shù)和脈沖時間來達(dá)到控制動作幅度和速度的目的。開環(huán)控制比較的方便，且總體也便宜，動作精度也能達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。
因為立柱、小臂、大臂所需驅(qū)動力相對較大，所以采用45BF008步進(jìn)電動機，起最大的靜轉(zhuǎn)矩為1.96；但因為手腕所受到的力矩較小些，所以采用36BF005步進(jìn)電動機，起最大的靜力矩為0.784；夾持器采用螺旋傳動機構(gòu)且無速度要求，因其降速比大，所以采用M28－832直流電機。
4.2機械傳動效率概略值
（1） 圓柱齒輪傳動：
開式傳動：0.94～0.96 取 0.96；
單級圓柱齒輪減速器（包括軸承）：0.97～0.98；
兩級圓柱齒輪減速器（包括軸承）： 095～0.96 取0.95；
（2）圓錐齒輪傳動：
開式傳動：0.92～0.94 取 0.94；
單級圓錐齒輪減速器（包括軸承）：0.95～0.96；、
（3）滾動軸承（一對）：0.99～0.95 取0.95；
（4）滑動軸承： 0.95～0.98 取0.95；
4.3步進(jìn)電動機參數(shù)
表4.1 步進(jìn)電機參數(shù)
電機型號
45BF008
36BF005
相數(shù)
3
3
分配方式
A－AB—B…
A－AB—B…
步矩角（）
1.875
1.5
電壓（V）
27
27
最大靜轉(zhuǎn)矩（）
1.96
0.784
空載啟動頻率（step/s）
2500
3100
重量（kg）
0.68
0.33
使用溫度范圍
—40～＋50
—40～＋50
溫升（k）
65
65
圖4.1 步進(jìn)電機啟動矩頻特性
4.4 大臂俯仰驅(qū)動電機計算
（1）設(shè)計要求：上臂俯仰范圍：；最高運動速度：。
（2）根據(jù)載荷要求及電機性能初選步進(jìn)電機45BF008，其步矩角為。
（3）上臂傳動部分為三級的圓柱齒輪傳動
其傳動比為：＝302.5；
其傳動效率為：；
其轉(zhuǎn)動慣量為： 。
4.4.1起動段計算
由45BF008步進(jìn)電機起動矩頻特性圖（圖5.1）可知：為避免起動失步，取該電動機起動頻率為 step/s；設(shè)起動時間s，則有：
起動過程中上臂轉(zhuǎn)速：
其平均加速度為：
由載荷分析可得上臂所受的靜力矩為：
而加速力矩為：
對應(yīng)的所需電機力矩：
由圖5.3可得：步進(jìn)電機45BF008當(dāng)起動頻率為800 step/s時，對應(yīng)起動力矩。
所以，，電機滿足設(shè)計要求。
此時，步進(jìn)電機走過的步數(shù)為： step
4.4.2加速段計算
由設(shè)計要求，最高運動速度，則電機所需要運行頻率:
step/s
取 step/s，加速時間取 s，則加速過程中，上臂的轉(zhuǎn)速:
其加速度
此時，加速力矩： ，又知靜力矩：
所以 電機所需的力矩為：
此時，加速段走過的步數(shù)：
step
則起動、加速段合計走過步數(shù) step
走過角度
4.4.3降速停止段計算
設(shè)電機由運行頻率step/s，經(jīng)0.1s降速停止，則其所經(jīng)步數(shù)為： step
所經(jīng)角度：
4.5 小臂俯仰驅(qū)動電機計算
設(shè)計要求：小臂俯仰范圍：－120～＋30，最高運動速度。
根據(jù)載荷要求和電機的性能，初步選步進(jìn)電動機45BF45BF008角，上臂驅(qū)動部分為三級圓柱齒輪傳動，其傳動比：，
其傳動效率：
小臂轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)動慣量：I＝1.79
4.5.1起動段計算
由于45BF45BF008機起動矩頻特性圖，為避免起動失步，取該電動機起動頻率
step/s，設(shè)其起動時間，則有：
起動過程中小臂轉(zhuǎn)速
其平均加速度
由前可小臂所受靜力矩
而加速力矩
對應(yīng)電動所需力矩
步進(jìn)電動機45BF45BF008率為800step/s時，對應(yīng)起動的力矩[T]＝0.5，所以
<[T],，電機滿足設(shè)計要求。
此時，電機走過的步數(shù) step
4.5.2加速段計算
由設(shè)計要求最高運動速度，則電動機所需運行的頻率step/s
取，加速時間為，則加速過程中：
小臂的轉(zhuǎn)速：
其加速度：
此時，小臂的加速力矩為：
所以，
加速段走過的步數(shù) ：
step
起動、加速段合計走過的步數(shù) step
走過的角度
4.5.3降速停止段計算
設(shè)該電機有運行頻率 setp/s，經(jīng)過0.1s降速停止，
其所經(jīng)過的步數(shù)為：step
所經(jīng)過的角度：
4.6 手腕俯仰驅(qū)動電動機計算
設(shè)計的要求：手腕的俯仰角，最高速度：手臂俯仰。
根據(jù)載荷的要求和電動機性能 初選兩個步進(jìn)電機36BF005，其步矩角。手腕部分為兩組兩級的圓柱齒輪傳動，加一級圓錐齒輪傳動。則其的傳動效率，
由前面可知，手腕的俯仰的轉(zhuǎn)動慣量。其傳動比為：i=16.25
當(dāng)兩電動機以相同的速度和方向旋轉(zhuǎn)時，則此時手腕將實現(xiàn)俯仰運動。
4.6.1起動段計算
由36BF005步進(jìn)電機起動矩頻特性圖，取該電動機的起動頻率為：step/s，以避免在到470 step/s 頻率間的力矩突降，此時對應(yīng)的起動力矩[T]=0.43，設(shè)其起動時間
，則有：
啟動過程中手腕俯仰速度為：
其平均加速度：
由前知道手腕俯仰的靜力矩
而加速力矩為：
對應(yīng)所需要的電機力矩：<[T]
所以電機滿足要求。
4.6.2加速段計算
由設(shè)計要求最高運動速度，則電動機所需運行的頻率step/s
取，加速時間為，則加速過程中：
手腕的轉(zhuǎn)速：
其加速度：
此時，手腕的加速力矩為：
所以，
加速段走過的步數(shù) ：
step
起動、加速段合計走過的步數(shù) step
走過的角度
4.6.3降速停止段計算
設(shè)該電機有運行頻率 setp/s，經(jīng)過0.2s降速停止，
其所經(jīng)過的步數(shù)為：step
所經(jīng)過的角度：
4.7 手爪開合驅(qū)電機計算
設(shè)計要求：最大載荷量 3kg,最大的夾持直徑為40mm。
因手爪夾持物體過程中無速度的要求，考慮，簡化控制，初選用直流電動機M28-841，其額定電壓為24v，額定轉(zhuǎn)矩為1000，.
則額定轉(zhuǎn)速，額定功率。
由機械總圖可知：傳動的螺桿為M120.75,45號鋼制；左右手指為鑄鋁ZL102，采用雙向螺旋加緊，一級圓柱齒輪傳動，傳動比為i=5。傳動效率：
4.7.1電動機動力計算
因已知頭數(shù)n=1,螺距t=0.75mm,直徑d=12mm
所以，升角，螺紋牙的牙型角，則牙型斜角。
鋼和鋁的摩擦系數(shù)為f=0.17，則摩擦角
假設(shè)手爪和物體直接接觸，靠其之間的摩擦力來夾住物體，取一較小的摩擦系數(shù)，則：手爪夾緊正壓力，同時為螺桿軸向壓力Q=98N。
則螺桿所需要的扭矩:
則所需電動機力矩<[T]
所以電機滿足要求。
4.7.2螺紋傳動自鎖性計算
因為升角，摩擦角，升角小于摩擦角，則滿足自鎖條件。
4.7.3傳動比驗算
手爪開合速度 mm/s
手爪由最大開度47mm到閉合所需的時間t=47/2*7.5=3.13 s
螺紋傳動效率
所以，此傳動機構(gòu)能滿足設(shè)計的要求。
5 零件的強度和剛度計算
由載荷計算和動力計算可知，大臂傳動機構(gòu)中的傳動齒輪受載較大。因此，此處僅對大臂傳動中的Z109/Z18中的小齒輪作彎曲疲勞強度校核。
因為大臂板是兩塊矩形薄板，其在縱向抗彎強度，剛度均較大，但因大臂板受到小臂板側(cè)向載荷，有一定的扭矩，其抗扭剛度較差，因此對大臂作抗扭剛度校核，以免扭轉(zhuǎn)變形過大，阻礙臂板之間的齒輪傳動。
5.1零件的強度校核計算
根據(jù)《機械設(shè)計手冊》有公式：
計算應(yīng)力：
許用應(yīng)力：
強度條件：
齒輪材料為45號鋼，硬度為162——217HBS,取200HBS。
5.1.1大臂部分強度校核
對大臂部分的Z18、Z109（第三級傳動）進(jìn)行校核
mm,mm；
有前面可知：靜力矩，加速段最大的力矩
則總力矩為：
所以，，又知b=5mm，；
查表可得：
，，，，,;
則帶入公式：
設(shè)本機械手臂每天工作1.5個小時，壽命為10年，則
所以，
查表可得：
，，，，
帶入公式可得：
由上可知滿足強度條件，即
5.2零件抗扭剛度校核計算
校核大臂板的抗扭剛度。由《機械設(shè)計手冊》，可得薄壁板的抗扭模量：
（b為板的長，a為板的寬）
則，可得大臂板的抗扭模量：
將大臂板簡化為l=580mm,W=150mm,d=6mm的均質(zhì)矩形板，則其所受扭矩為（由受力圖可得）：
g
圖5.1 臂板受力情況
由上圖可以得到：
M1＝6.075×9.8×0.125＝7.44
M2＝675×（42+75）×9.8×＝0.7740
M3＝M2＝0.7740
則前端合扭矩 M＝M1－M2＝7.44－0.7740＝6.666
查表可以得到：酚醛塑料E＝8.14～16.73 取16.0GPa，近似取0.3，則：
則單位扭轉(zhuǎn)角：
大臂板前端扭轉(zhuǎn)角度為：
前端下移距離：
由上可看出轉(zhuǎn)動位移相對較小。
因為兩臂板之間又有6個緊固螺栓及5根傳動軸和多個齒輪，有緊固作用，可大大的提高臂板抗扭剛度，使的前端扭轉(zhuǎn)角和下移距離大幅度的減少，固剛度滿足要求。
致 謝
這次設(shè)計任務(wù)能夠最終圓滿完成，我得感謝所有在設(shè)計過程中給我?guī)椭娜?。首先，要感謝我的導(dǎo)師周建平教授，沒有他的耐心指導(dǎo)和嚴(yán)格把關(guān)，我的論文不可能準(zhǔn)時完成；其次，我們這次設(shè)計小組是四個人，其他三位，秦海翔、俞星和劉之剴同學(xué)在設(shè)計的過程中，始終都很認(rèn)真，我有些不懂的地方，經(jīng)過他們的指點，最后都一一化解；此外，還有我可愛的同班同學(xué)，他們每次都是熱心地給我提供參考資料以及設(shè)計手冊，我在設(shè)計過程中給他們添了不少麻煩，衷心的感謝你們！我會更加努力，奮發(fā)向上，為社會做出更大的貢獻(xiàn)！
參 考 文 獻(xiàn)
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