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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
學(xué) 院： 機(jī)械電子工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
姓 名： 徐博
學(xué) 號(hào)： 060501516
外文出處： Seung-Nam Yu, Jae-Ho Jang,Chang-Soo Han
(用外文寫)
Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul, Korea Accepted 8 May 2006.
指導(dǎo)教師評(píng)語：
簽名：
年 月 日
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
附件1：外文資料翻譯譯文
一種自動(dòng)檢測隧道內(nèi)混凝土上的裂縫的可移動(dòng)機(jī)器人
摘要：
為了評(píng)測混凝土建筑物的安全性，用肉眼觀察裂縫的檢查員會(huì)周期性地測量并且記錄裂縫。不過這種手工檢查的效率是很低的并且很容易產(chǎn)生主觀的結(jié)論。因此，這項(xiàng)研究為混凝土的結(jié)構(gòu)檢查和測量裂縫提供了一個(gè)新的方案，它能夠提供客觀的裂縫數(shù)據(jù)，在評(píng)測安全性的過程中將會(huì)使用到這些數(shù)據(jù)。這個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)和一個(gè)裂縫視覺系統(tǒng)組成。移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)被一個(gè)圖象處理設(shè)備（CCD）控制著與墻保持恒定的距離。裂縫視覺系統(tǒng)運(yùn)用圖象處理技術(shù)，可以由獲得的圖像中得到有關(guān)裂縫的信息。為了保證對(duì)裂縫辨認(rèn)的準(zhǔn)確性，此系統(tǒng)運(yùn)用了圖像處理程序來得到裂縫結(jié)構(gòu)的幾何學(xué)特性和模型。目前這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)室和有關(guān)這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
2006 Elsevier B.V.版權(quán)所有。
關(guān)鍵字： 裂縫； 隧道； 檢查； 圖象處理； 移動(dòng)的機(jī)器人
1、簡介：
大約70%的朝鮮地區(qū)都是多山區(qū)，在這些地區(qū)修建鐵路和公路都需要很多的隧道。在保持交通通暢的情況下，有關(guān)混凝土建筑物如隧道的安全性的調(diào)查依然在進(jìn)行著。為了確定這種結(jié)構(gòu)的安全，利用非破壞性實(shí)驗(yàn)的定期檢查正在進(jìn)行。不過，非破壞性的實(shí)驗(yàn)的低效率和錯(cuò)綜復(fù)雜的程序讓人們打消了用這樣的實(shí)驗(yàn)整個(gè)代替人的目測的念頭。因此，非破壞性實(shí)驗(yàn)僅僅局限于精確的檢查。[1] 視覺對(duì)混凝土建筑物的檢查與檢查員只使用他們的肉眼觀察沿結(jié)構(gòu)表面走的裂縫的措施有關(guān)。由此可知，目測的主要缺點(diǎn)是不能保證一次迅速和完整的調(diào)查。為了解決這些問題，已經(jīng)研究出了各種各樣的使用圖象處理程序自動(dòng)檢查裂縫的方法，而且應(yīng)用到了實(shí)際的設(shè)施中，包括道路、橋梁、下水道等等。[2-6]
這項(xiàng)研究的特殊目的是要把一個(gè)裂縫察覺模件和移動(dòng)機(jī)器人的綜合系統(tǒng)應(yīng)用到隧道環(huán)境中。
類似的學(xué)科研究正在進(jìn)行并且發(fā)展著。Komatsu 工程公司已經(jīng)研究出并且使這個(gè)能通過一臺(tái)激光掃描設(shè)備獲得道路和隧道里層的圖像的一個(gè)圖像捕獲系統(tǒng)商品化。日本的鐵路技術(shù)研究院研究出了一個(gè)使用CCD照相機(jī)得到鐵路隧道里層圖象的系統(tǒng)。來自加拿大的一個(gè)道路設(shè)備集團(tuán)股份有限公司，已經(jīng)研究出一個(gè)由一臺(tái)超聲波傳感器、一臺(tái)陀螺傳感器和一架CCD照相機(jī)組成，能夠在80千米/小時(shí)速度下得到道路圖象的系統(tǒng)，并且這種系統(tǒng)已經(jīng)在市場上出售。[7]
這種系統(tǒng)對(duì)裂縫、滲漏、剝落和裂片圖象數(shù)據(jù)的收集非常有用；不過，他們不提供自動(dòng)的裂縫檢查系統(tǒng)。如果要對(duì)裂縫數(shù)據(jù)作出迅速和客觀的評(píng)估，裂縫檢查和測量就必須是全自動(dòng)化。
照相機(jī)和激光技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在獲得建筑物表面的檢查圖象上，但是激光掃描設(shè)備的費(fèi)用很昂貴；另外，它還有一個(gè)影響系統(tǒng)維護(hù)的發(fā)熱問題。這兩個(gè)問題使得它在各個(gè)領(lǐng)域的工作效力都很差。照像機(jī)掃描設(shè)備比激光設(shè)備成本更低，但是它在黑暗環(huán)境里有照明問題。因?yàn)橘M(fèi)用是在工程實(shí)施中考慮較多的一個(gè)因素，所以要更進(jìn)一步地研究表面圖像數(shù)據(jù)收集技術(shù)，這樣才能保證在低成本照相機(jī)的方法下，依然能夠保證混凝土結(jié)構(gòu)的高水平的安全。綜上所述，這項(xiàng)研究提議的在一個(gè)隧道里由一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人和一個(gè)裂縫察覺系統(tǒng)組成的自動(dòng)化表面裂縫檢查系統(tǒng)，將會(huì)比人工的檢查更節(jié)省資源，效率更高。
2、實(shí)驗(yàn)情況
在距觀察的墻壁有一段固定位移的情況下，移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在沒有檢查員幫助的情況下通過一臺(tái)CCD照相機(jī)獲得圖像數(shù)據(jù)。通過表格1提及的兩類照相機(jī)與表格2的比較描述了在這個(gè)研究系統(tǒng)中使用的CCD照相機(jī)的性能規(guī)格。
為了獲得更清晰的圖像，機(jī)器人采用了一臺(tái)高功率發(fā)光器、減震設(shè)備和一個(gè)以測量系統(tǒng)速度來控制CCD照相機(jī)的傳感器。為了獲得一個(gè)0.3毫米/象素的分辨率，系統(tǒng)可以以5千米/小時(shí)的速度運(yùn)行。
裂縫檢查系統(tǒng)由能測出裂縫的厚度、長度、方向的軟件組成，這些對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)表面的檢查來說都是非常重要的因素。為了測試這個(gè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)在如圖1中所示在大樓和道路隧道內(nèi)進(jìn)行。
圖 1
3.檢查機(jī)器人系統(tǒng)
3.1.檢查
考慮到安全的因素，混凝土的結(jié)構(gòu)被分為裂縫，滲漏，裂片和其他屬性檢查； 不過，裂縫占有最重要的位置，因?yàn)樗钣绊懟炷恋臓顩r [8].
混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫起因于不完善的修葺、溫度迅速降低引起的收縮、熱脹冷縮引起的波動(dòng)、和擴(kuò)大的場地而帶來的額外負(fù)荷。
裂縫可被分為垂直，水平，剪切和復(fù)合幾類。 大約40%的裂縫是垂直的，11%是水平的，30%剪切，具體請參閱圖2。 [9].
圖2 裂縫的方向
3.2.系統(tǒng)配置
移動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)由視覺，機(jī)械，和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備組成。 這些設(shè)備儲(chǔ)存著混凝土結(jié)構(gòu)的表面圖像，使裂縫和非裂縫地區(qū)的分布狀態(tài)反差最大化和當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)移動(dòng)到和結(jié)構(gòu)平行時(shí)使噪音減到最小。
裂縫探測系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)從圖象數(shù)據(jù)中篩選并且計(jì)算出裂縫的數(shù)字化信息的軟件。這個(gè)軟件選出裂縫的長度，寬度和方向。假如需要精密地檢查這個(gè)結(jié)構(gòu)，裂縫探測系統(tǒng)可以提供幫助信息。
移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)由一臺(tái)CCD照像機(jī)，框架抓鉤，控制儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距設(shè)備，減震設(shè)備，發(fā)光器和測量元件的速度和位置編碼器；如圖3所示。為了計(jì)算結(jié)構(gòu)與機(jī)器人的距離，運(yùn)用速度和位置因素，可以使照像機(jī)在無人狀態(tài)下可以自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距。
3.3.移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)
機(jī)器人有兩個(gè)被自動(dòng)助推器獨(dú)立操作的輪子。 車輪的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖4。
在圖5中，M點(diǎn)是個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，它也是機(jī)器人的重心，也是坐標(biāo)的原點(diǎn)。假設(shè)認(rèn)為機(jī)器人的車輪能不斷前進(jìn)在一個(gè)沒有邊的表面上。通過做這個(gè)假定，以下的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可被獲得。
說明：(1)是大多數(shù)一般化的兩輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)學(xué)上的函數(shù)。不過，前兩個(gè)公式有著不能完全結(jié)合的特征，所以很難控制機(jī)器人。那個(gè)控制點(diǎn)或者車輪連接機(jī)器人的點(diǎn)被距它們距離為d的M點(diǎn)分開。當(dāng)控制點(diǎn)設(shè)在機(jī)器人的中心時(shí)，也就是當(dāng)d=0，控制點(diǎn)不能被準(zhǔn)確連接。不過，當(dāng)d>0時(shí)，那些控制點(diǎn)就可以連接到O點(diǎn)。因此，d不能為零，但是一定要足夠允許那些控制點(diǎn)可以被設(shè)在M點(diǎn)的附近。
這項(xiàng)研究使用了02年出現(xiàn)的機(jī)載系統(tǒng)' GSMR '(指導(dǎo)型服務(wù)移動(dòng)機(jī)器人)的主要硬件和道路跟蹤算法。更多的細(xì)節(jié)數(shù)學(xué)方法在Ref里有解釋。[10].
4.裂縫檢查算法
4.1.理論算法
裂縫和非裂縫的地區(qū)通過他們對(duì)比各自的光反射率值來區(qū)分。從反射的圖像得到的資料會(huì)被用于裂縫察覺和物理測量算法。圖象處理的全部自動(dòng)化目前還是很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闇?zhǔn)確的結(jié)果很難在不確定的環(huán)境里獲得。因此，在這項(xiàng)研究過程中，整個(gè)裂縫察覺的半自動(dòng)化算法只能使用圖6中的方法實(shí)現(xiàn)。
雖然裂縫察覺系統(tǒng)的照明裝置不是很穩(wěn)定， 但是在裂縫和非裂縫的地區(qū)之間的一種亮度的差別可以用公式(2)的均衡作用達(dá)到。
式中，
sk 獲得使正常的灰色素值
n 像素個(gè)數(shù)
nj 含有j灰色素值的像素個(gè)數(shù)
k 輸入的灰色素
通過調(diào)和量算子我們可以從圖像中提出裂縫信息。如式(3)所示，算子已經(jīng)獲得了對(duì)裂口的定向。[11].
式中，
從圖7我們發(fā)現(xiàn)從第二個(gè)導(dǎo)數(shù)找零點(diǎn)比從第一個(gè)導(dǎo)數(shù)找最大點(diǎn)容易。
圖7 零交點(diǎn)的標(biāo)記剖面圖
另外，調(diào)和量算子是一個(gè)不變量，因此被獲得的裂口是一個(gè)封閉的曲線，這對(duì)得到一個(gè)包括裂縫裂口的區(qū)域是有利的。
作為第2步，因?yàn)檎{(diào)和量算子對(duì)噪音敏感，系統(tǒng)使用了剛性的高斯型曲線過濾器。
被發(fā)現(xiàn)的裂口形成了一個(gè)溝壑，這被定義為在兩裂口之間的一個(gè)最低點(diǎn)，參閱圖8。在8圖(a)顯示的一維外形被掃描產(chǎn)生朝裂口方向的二維圖，如圖8(b)。
圖8 裂口的定義.(a)谷的一維圖.(b)谷的二維圖.
當(dāng)下列條件滿足時(shí)，從一個(gè)裂縫裂口到另一個(gè)裂口的掃描將被終止。
首先，當(dāng)另一裂口被穿過時(shí)，最低點(diǎn)的位置被獲得并且儲(chǔ)存。然后裂縫的寬度就是從它的最低點(diǎn)到它的裂口。其次，如果當(dāng)前的象素的灰色度水平比任何其他裂口的高，掃描會(huì)停止。最后，當(dāng)掃描的長度比臨界值長時(shí)，掃描被停止。臨界值是在為一次非常有效率的計(jì)算作準(zhǔn)備因?yàn)樗苓^濾噪音，但是當(dāng)裂縫的寬度超過臨界值，這個(gè)裂縫的信息將被略過。
從圖像中提取出的裂縫信息應(yīng)該根據(jù)它們的連接的類型把它們歸類。在圖像里，一道裂縫就是一套象素。在這篇文章里，第一個(gè)搜索方法是歸類法，并且要標(biāo)記每個(gè)裂縫地區(qū)。[12]. 因?yàn)閳D像是不連續(xù)的，象素之間的連接可能是比較差的。尤其是給裂縫在相同的地區(qū)貼標(biāo)簽時(shí)會(huì)影響特征的計(jì)算。為了解決這個(gè)問題，把每部分的斜度計(jì)算結(jié)果與若干象素一起畫出一條直線。如果在他們之間的傾斜度變化很微小，它們就會(huì)被合并。
4.2.裂縫的圖像搜索法
利用所給的起點(diǎn)和終點(diǎn)，由圖像可以得到一張圖表，這幅圖像的邊界是通過最小二乘法估計(jì)得到。一幅圖像的象素是由一個(gè)象素的節(jié)點(diǎn)和8個(gè)附近的節(jié)點(diǎn)連結(jié)，使用圖6的方法可以找到最短的路徑[13].
圖9描述了一個(gè)使用上述方法的例子。
最小二乘法操作如下。
第一步：把所以從起點(diǎn)發(fā)散的節(jié)點(diǎn)輸入到一個(gè)隊(duì)列中，上述的節(jié)點(diǎn)指針被定義為nA。然后，計(jì)算發(fā)散節(jié)點(diǎn)的距離。
第二步：如果隊(duì)列是空的，那么結(jié)果就是錯(cuò)誤的。接著，找出最短的距離的那個(gè)節(jié)點(diǎn)nI并把它刪除掉。假如ni=nb，保留上述的指針在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和結(jié)果中。
第三步：假如對(duì)第二步的結(jié)果不滿意，增大節(jié)點(diǎn)ni并輸入所有的其它的節(jié)點(diǎn)到隊(duì)列中。然后，那上述的節(jié)點(diǎn)指針定義為ni并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，重復(fù)第二步。
這種算法總能找到最佳的數(shù)值.但是，許多節(jié)點(diǎn)的增大可能是因?yàn)楹瘮?shù)。為了提高效率，在每一個(gè)元件的長度一直保持在一個(gè)固定值時(shí)，常常采用不增大節(jié)點(diǎn)這個(gè)辦法。
4.3.裂縫的測量
并非全部預(yù)期的裂縫實(shí)際上都是真正的裂縫。引起混淆的因素主要包括建筑層，人為標(biāo)記，噪音或者一個(gè)污點(diǎn)。當(dāng)他們小得足以被認(rèn)為是噪音、不長和太窄、或者是太直時(shí)，潛在的錯(cuò)誤區(qū)域會(huì)被移除，人們常常認(rèn)為線性是建筑層的特征。
這篇文章把量子用于裂縫的長度，寬度和方向上。當(dāng)某個(gè)區(qū)域由裂口組成時(shí)，組成這個(gè)區(qū)域的點(diǎn)的寬度將會(huì)被計(jì)算。界外值尺寸會(huì)由中間過濾器的5段長度平均值得到。這是一個(gè)整數(shù)中間值。每個(gè)區(qū)域的寬度都可以用公式(4)計(jì)算。
裂縫的長度是根據(jù)圖像像素的數(shù)量來決定的。在計(jì)算后得每條對(duì)角線的長度為1.414，豎直和水平線都為1，真正的長度會(huì)被照像機(jī)校準(zhǔn)測量(圖10)。
圖10 裂縫的測量
5.實(shí)驗(yàn)
5.1.實(shí)驗(yàn)安裝
在室內(nèi)的一個(gè)墻壁結(jié)構(gòu)上我們做了一個(gè)試驗(yàn)。 車輪上安裝有一臺(tái)編碼器的一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)利用照相機(jī)獲得墻表面的圖像。機(jī)器人能和墻一直保持著一段恒定的距離。 如果移動(dòng)的機(jī)器人不能和墻保持著一段恒定的距離， 圖像將仍能夠保持對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)，因?yàn)槲覀兪褂昧艘慌_(tái)能自動(dòng)調(diào)節(jié)的激光距離傳感器。為了防止振動(dòng)從地板傳到照相機(jī)上，裝載照相機(jī)的這塊平板被鋼絲繩拴的很穩(wěn)定。圖11就是機(jī)器人室內(nèi)的使用安裝情況。
圖12 描述了圖象處理軟件。裂縫信息顯示在軟件的右邊。圖13顯示了照相機(jī)校準(zhǔn)的菜單，把輸入的每個(gè)象素之間的距離轉(zhuǎn)變成毫米，然后這個(gè)數(shù)據(jù)就被系統(tǒng)獲得。照相機(jī)的校驗(yàn)是在一個(gè)表面上有黑色的小圓點(diǎn)的盤子上進(jìn)行的；他們被間隔5mm地分開。圖14顯示的是一張覆蓋在一幅獲得的圖像和一些被選出的補(bǔ)償點(diǎn)上的圖片。
圖11 建筑物里的設(shè)備安裝
圖12 裂縫檢查的軟件系統(tǒng)
圖13 繪圖數(shù)據(jù)窗口
圖14 套圖塑料膜
5.2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖15顯示的是從室內(nèi)的結(jié)構(gòu)獲得的這幅圖像，發(fā)現(xiàn)的裂縫則會(huì)顯示在圖16中。在圖15的右邊顯示的兩條垂直的線是嵌入在結(jié)構(gòu)里的槽溝。因此，這些直線在它們被分辨出后將會(huì)被除去。顯示在圖15的右邊的直線會(huì)被排除，因?yàn)槟切┚€不是真正的裂縫。
圖17和18顯示的是被處理后的圖像數(shù)據(jù)和被選出的裂縫。
因?yàn)殍F棒的終點(diǎn)線正好足夠長，但是改成某些形狀后，他們就不會(huì)被認(rèn)為是裂縫了。
為了通過人眼的辨別率，系統(tǒng)通過圖畫來顯示結(jié)果。裂縫則使垂直，水平，和斜的校正方向，以及它們的長度，寬度，起點(diǎn)和終點(diǎn)來表達(dá)。這篇文章里我們推薦這個(gè)裂縫檢查系統(tǒng)，雖然它比較依賴操作環(huán)境的狀況，有一個(gè)75-85%的總出錯(cuò)率。但是它認(rèn)出的裂縫的測量誤差是10%或更少。
圖19 描述一堵地鐵內(nèi)側(cè)隧道墻的圖像。使用我們的系統(tǒng)，這幅圖像將會(huì)經(jīng)過圖20的判別環(huán)節(jié)后被選出。
這個(gè)結(jié)果說明被提議的系統(tǒng)能夠識(shí)別裂縫甚至當(dāng)它們不是足夠長，在形狀上很明顯需要更多的試驗(yàn)，包括裂片等等。
6.結(jié)論
這篇文章提出使用圖象處理程序來避免人的檢查失誤的一個(gè)結(jié)構(gòu)裂縫檢查系統(tǒng)，這些檢查失誤包括裂縫的錯(cuò)誤判別，效率低，主觀性大和數(shù)據(jù)管理效率低。系統(tǒng)在室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置已經(jīng)被證實(shí)，包括一個(gè)室內(nèi)的建筑物，一條道路隧道和一條地鐵隧道。即使用先進(jìn)的察覺方法，裂縫和非裂縫的錯(cuò)誤的識(shí)別仍然存在。因此，考慮到要把錯(cuò)誤的點(diǎn)去掉，半自動(dòng)化系統(tǒng)用圖像搜索的方法才能確保如此，這種方法要求用戶輸入每個(gè)裂縫的起點(diǎn)和終點(diǎn)。
為了得到一個(gè)實(shí)用的系統(tǒng)，我們一定要加強(qiáng)對(duì)裂縫特性的深度和完全自動(dòng)化的算法的研究。希望這篇文章能鼓勵(lì)這樣的研究繼續(xù)下去。
附件2：外文原文（復(fù)印件）
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CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
畢業(yè)設(shè)計(jì)
論文題目：垂直多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)-總體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
學(xué)院名稱：
專業(yè)名稱：
班級(jí)名稱：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
教師職稱:
學(xué) 歷：
摘 要
機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。
本文對(duì)一種使用在多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。
關(guān)鍵詞：機(jī)械臂，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)型機(jī)器人，結(jié)構(gòu)分析
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Abstract
The robot is a typical mechatronic products, humanoid robot is a robot manipulator is a kind of typical mechatronic products, vertical articulated robot is a hot research field of robot. Vertical articulated robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines.
In this paper, a design for use in many industrial robot structure, and completed the total assembly drawing and part drawing. Requirements for the statics analysis of the robot model, estimate the joint required torque and power, motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of the important connection strength check.
Key Words: manipulator, structure design, robot, structure analysis
目 錄
摘 要 I
Abstract 2
目 錄 3
第1章 緒論 6
1.1 機(jī)器人概念 6
1.2 課題研究的背景和意義 6
1.3 國外研究現(xiàn)狀 7
1.4 國內(nèi)機(jī)器人的研究 8
1.4 本課題研究內(nèi)容 9
第2章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 10
2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) 10
2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇 10
2.1.2 額定負(fù)載 11
2.1.3 工作范圍 11
2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
2.1.5 控制系統(tǒng)選擇 12
2.1.6 確定機(jī)器人手臂的配置形式 12
2.2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
第3章 機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 15
3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 17
3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 17
3.3.2 確定三根軸的具體尺寸 18
3.4 確定齒輪的參數(shù) 22
3.4.1選擇材料 22
3.4.2 壓力角的選擇 22
3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 22
3.4.4齒寬系數(shù) 23
3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度 23
3.4.6 齒輪的校核 24
3.5 殼體設(shè)計(jì) 27
3.6小結(jié) 27
第4章 手腕詳細(xì)設(shè)計(jì)說明 28
4.1機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇 28
4.2手腕電機(jī)的選擇 28
4.2.1提腕電機(jī)的選擇 28
4.2.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機(jī)的選擇 29
4.3傳動(dòng)比的確定 29
4.3.1提腕總傳動(dòng)比的確定 29
4.3.2轉(zhuǎn)腕和擺腕傳動(dòng)比的確定 29
4.4傳動(dòng)比的分配 29
4.5齒輪的設(shè)計(jì) 30
4.5.1提腕部分齒輪設(shè)計(jì) 30
4.5.2轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計(jì) 35
4.5.3擺腕部分齒輪設(shè)計(jì) 37
4.6軸的設(shè)計(jì)和校核 38
4.6.1輸出軸的設(shè)計(jì) 39
4.6.2傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 39
4.6.3軸的強(qiáng)度校核 40
4.7夾持器的設(shè)計(jì) 43
4.8殼體的設(shè)計(jì) 43
第5章 單片機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 45
5.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 45
5.1.1 硬件電路設(shè)計(jì) 45
5.1.2 軟件電路設(shè)計(jì) 46
5.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 46
5.2.1 8031單片機(jī)的簡介 46
5.2.2 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 47
5.2.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 49
5.2.4 I/O口的擴(kuò)展 51
5.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 52
5.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 53
5.2.7 光電隔離電路 53
5.2.8 功率放大器 53
5.2.9 其他輔助電路 54
總 結(jié) 56
參考文獻(xiàn) 57
第1章 緒論
1.1 機(jī)器人概念
機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或代替人的工作，如工業(yè)，建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。這是一個(gè)產(chǎn)品的先進(jìn)的集成控制理論，機(jī)械電子，計(jì)算機(jī)，材料和仿生。在工業(yè)，醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要的應(yīng)用。
本田公司ASIMO機(jī)器人
現(xiàn)在，國際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)?！彼転槿祟悗碓S多方便之處。
機(jī)器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)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(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。
1.2 課題研究的背景和意義
機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》中，在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個(gè)具有人的外表、特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類生活領(lǐng)域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動(dòng)作的機(jī)器人一直是人類的夢想之一。
機(jī)器人是一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。
機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，它相對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人具有無可比擬的優(yōu)越性，它可以進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在一般家庭的家政服務(wù)都可以應(yīng)用。它適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)，因此具有更加廣泛的應(yīng)用前景。
在機(jī)器人的研制中，機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題。仿真利用計(jì)算機(jī)可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過程中的問題，避免了直接操作實(shí)體可能會(huì)造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并在這臺(tái)機(jī)器上模擬能都實(shí)現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設(shè)計(jì)效果，及時(shí)找出缺點(diǎn)和不足進(jìn)行改進(jìn)，避免了大量的物力、人力的浪費(fèi)[1，2]。
1.3 國外研究現(xiàn)狀
最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來研究人類的運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。
真正全面、系統(tǒng)地開展機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了機(jī)器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國家，如日本、美國和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的機(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。
在60年代和70年代，對(duì)機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對(duì)各種類型的機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來的 ，模型參考控制是由美國的Farnsworth在1975年提出來的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。
在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于而且也適應(yīng)于多足機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機(jī)器人在時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準(zhǔn)則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。
在機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國的Hemami等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立的問題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就機(jī)器人的“降階模型”問題進(jìn)行了研究。
前面我們曾指出Vukobratovic也對(duì)類人型系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論，即姿態(tài)越平滑，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.4 國內(nèi)機(jī)器人的研究
我國已在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列人國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。
國內(nèi)機(jī)器人的研究也在863計(jì)劃和自然科學(xué)基金的支持下持續(xù)開展了多年，如國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，都先后開始研制機(jī)器人樣機(jī)[4]。
1.4 本課題研究內(nèi)容
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該機(jī)電控制系統(tǒng)是以MCS—51系列單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要要求:
（1）抓重：額定抓取重量或稱額定負(fù)荷，為1kg(必要時(shí)注明限定運(yùn)動(dòng)速度的抓重)。
（2）自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式：整機(jī)、手臂和手腕等運(yùn)動(dòng)共有6個(gè)自由度。
（3）定位方式：固定機(jī)械擋塊、可調(diào)機(jī)械擋塊、行程開關(guān)，電位器及其各種位置設(shè)定和檢測裝置；各個(gè)自由度所設(shè)定的位置數(shù)目或位置信息容量;點(diǎn)位控制或連續(xù)軌跡控制。
（4）驅(qū)動(dòng)方式：直流伺服電機(jī)。
手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：當(dāng)手臂的運(yùn)動(dòng)速度很高時(shí)，手臂在起動(dòng)和制動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊和振動(dòng)，這會(huì)影響手臂的定位精度。因此，手臂運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間的長短、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。
常用的最大直線運(yùn)行速度在1000m/s以下。
最大回轉(zhuǎn)運(yùn)行速度一般不超過，
一般應(yīng)用的直線速度常在 ，
回轉(zhuǎn)速度在左右。
（5）定位精度：位置設(shè)定精度及重復(fù)定位精度（）。
設(shè)備總裝配圖（計(jì)算機(jī)出圖）；設(shè)備所有零件圖（計(jì)算機(jī)出圖）；手繪圖A1張；設(shè)計(jì)圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙；設(shè)計(jì)說明書不少于1.5萬字，正文頁數(shù)不少于30頁；譯文與開題報(bào)告不少于3000字。
第2章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)
2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇
為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案：
a.圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。
b.直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。
c.球坐標(biāo)型 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
d. 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。
e.平面 采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。
對(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。
2.1.2 額定負(fù)載
目前,國內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是1kg。
2.1.3 工作范圍
工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。
2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:
a.步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。
b.直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。
c.交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。
d.液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。
常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
2.1.5 控制系統(tǒng)選擇
對(duì)于焊接機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲(chǔ)）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時(shí)速度不同。
利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。
2.1.6 確定機(jī)器人手臂的配置形式
手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求,要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接功能,則機(jī)器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點(diǎn)是占地面積小,工作范圍大,機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。
2.2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2-2 機(jī)器人傳動(dòng)原理圖
圖2-2是整個(gè)機(jī)器人本體機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有30個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有10個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。
機(jī)器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。
基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié)1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。
大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。
大臂上裝有關(guān)節(jié)2，3的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié)2，3都采用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向90°。第二、三級(jí)均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié)2傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié)3傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。
小臂端部連接具有3R手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié)4，5的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。關(guān)節(jié)4，5均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié)4采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié)5采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向90°。關(guān)節(jié)6采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)與第二級(jí)為錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié)4，5，6的齒輪組除關(guān)節(jié)4第一級(jí)齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。
所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
a.內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了質(zhì)量。
b.軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。
c. 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。
d. 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。
e. 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。
f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié)4，6配合，一次就能轉(zhuǎn)1112°。
g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。
h. 機(jī)器人手臂材料的選擇：
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。
機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計(jì)中為減輕機(jī)器人本體的重量選用鑄鋁材料。
第3章 機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過總體分析后,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的腰關(guān)節(jié)部分采用二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。
圖3-1 機(jī)器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
（3-1）
、、分別為10kg、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（3-2）
=
=
同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:
=
=
式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
—— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
設(shè)主軸速度為219°/s，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下
（3-3）
式中：——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩
——角加速度
使機(jī)器人主軸從到/s所需時(shí)間為:則：
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)
開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為
電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算
（3-4）
式中： ——電動(dòng)機(jī)功率 ；
——負(fù)載力矩 ；
——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ；
——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9；
系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5
估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿足下式
（3-5）
選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)
表3-1 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
功率（W）
額定電壓
（V）
額定電流
（A）
額定轉(zhuǎn)速
（r/min）
濾磁方式
絕緣等級(jí)
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串勵(lì)
B
60
3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取主軸的轉(zhuǎn)速≤4rad/s。傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比取48，分二級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動(dòng)比=4；第二級(jí)傳動(dòng)比為
==12 (3-6)
3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率
a.各軸轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸 (3-7)
Ⅱ軸 (3-8)
Ⅲ軸 nⅢ= (3-9)
b.各軸輸入功率
Ⅰ軸 (3-10)
—制動(dòng)器效率
Ⅱ軸 (3-11)
—齒輪嚙合的效率 — 角接觸球軸承的效率
Ⅲ軸 PⅢ==748.9×0.98=733.9 W (3-12)
c.各軸輸入扭矩
Ⅰ軸 (3-13)
Ⅱ軸 (3-14)
Ⅲ軸 T3=9550 (3-15)
3.3.2 確定三根軸的具體尺寸
兩實(shí)心軸的材料均選用45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力= 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120.
A. 第一根軸設(shè)計(jì)及校核
a.此軸傳遞扭矩
（3-16）
因?yàn)檩S是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn),以滿足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。
齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來定位軸承.齒輪軸上裝型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。
圖3-2 第一級(jí)齒輪軸結(jié)構(gòu)圖
b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。
圖3－3軸的受力分析和彎扭矩圖
求作用在齒輪上的力：
(3-17)
畫軸的受力簡圖 見圖3－3
計(jì)算軸的支承反力
在水平面上
(3-18)
(3-19)
在垂直面上
(3-20)
畫彎矩圖 見圖3－3
在水平面上，剖面左側(cè)
(3-21)
剖面右側(cè)
(3-21)
在垂直面上
(3-22)
合成彎矩，剖面左側(cè)
(3-23)
剖面右側(cè)
(3-24)
畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖3－3
(3-25)
判斷危險(xiǎn)截面
截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。
軸的彎扭合成強(qiáng)度校核
許用彎曲應(yīng)力，，
截面左側(cè)
(3-26)
(3-27)
c.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)，
截面左側(cè)
(3-28)
查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應(yīng)力 ， (3-29)
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力 (3-30)
安全系數(shù) (3-31)
(3-32)
(3-33)
查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。
B.中間軸設(shè)計(jì)
此軸傳遞扭矩,轉(zhuǎn)速,傳遞功率為,則
（3-34）
安裝軸承部分軸徑最小,由于整個(gè)軸上零件較復(fù)雜,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點(diǎn),這里取,軸承部分,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強(qiáng)度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。
圖3-4中間軸結(jié)構(gòu)圖
C. 主軸的設(shè)計(jì)
主軸是連接腰關(guān)節(jié)與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比較大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設(shè)計(jì)成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承30205。主軸材料選用型號(hào)為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。
3.4 確定齒輪的參數(shù)
3.4.1選擇材料
根據(jù)表7-1,選擇齒輪的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達(dá)229～286。
3.4.2 壓力角的選擇
由機(jī)械原理知識(shí)可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。此處，壓力角可取20°。
3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇
對(duì)軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng),其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān),即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從而減小金屬的切削量,減少滑動(dòng)速度,減少磨損,提高抗膠合能力。軸上齒輪齒數(shù)取25,小齒輪齒數(shù)取100,軸上軸齒輪齒數(shù)取25,大齒輪齒數(shù)取300,模數(shù)m取2。
3.4.4齒寬系數(shù)
由強(qiáng)度公式可知,當(dāng)載荷一定時(shí),增大齒寬可以減小齒輪直徑,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時(shí)取齒寬系數(shù)為1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時(shí)取為0.5。根據(jù)公式 ,計(jì)算結(jié)果圓整為5的整數(shù)倍,作為大齒輪的齒寬,小齒輪齒寬取,以補(bǔ)償加工裝配誤差。
所以
軸上齒輪 與之嚙合的小齒輪齒寬
軸上的齒輪齒寬 ,與之嚙合的大齒輪齒寬
3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度
根據(jù)GB10095-1988規(guī)定,齒輪精度等級(jí)分為12級(jí),1級(jí)最高,12級(jí)最低,常用6～9級(jí)。根據(jù)表7-8 選用7級(jí)精度的齒輪。
表3-2 第一級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
表3-3 第二級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
3.4.6 齒輪的校核
已選定齒輪采用45鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火HRC56～62，齒輪精度用7級(jí)，軟齒表面粗糙度為，對(duì)于需校核的一對(duì)的齒輪，齒數(shù)分別為，，模數(shù)為2，傳動(dòng)比，扭矩T=16.76N·m。
a.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
。 （3-35）
式中：—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，用來考慮節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響，取=2.5；
—材料系數(shù)，單位為，查表7-5，取189.8；
—重合度系數(shù)，取=0.90；
—齒寬系數(shù)，取=1；
u—齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，u=12。
選擇材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為：
選擇齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N計(jì)算可得
×437.5×16×300×8=10.08× （3-36）
則 （3-37）
查得接觸疲勞壽命系數(shù)為
查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為
查得接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)，又為試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，按國家標(biāo)準(zhǔn)取2.0，試選1.3，
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
（3-38）
（3-39）
（3-40）
（3-41）
將有關(guān)值帶入公式（3-35）得：
=
=29.78mm
則
（3-42）
（3-43）
查圖得；查得，
查得，取，則 （3-44）
修正，mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以m=2mm符合要求。
c.計(jì)算幾何尺寸
， （3-45）
， （3-46）
d.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
查得，取
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（3-47）
（3-48）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
圖3-5 大齒輪結(jié)構(gòu)圖
圖3-6 小齒輪結(jié)構(gòu)圖
3.5 殼體設(shè)計(jì)
基座部分采用球墨鑄鐵材料,方形結(jié)構(gòu),壁厚在15mm左右。立柱采用鑄鋁,空心圓柱形狀,起固定軸承外圈的作用。其他部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定,這里不一一敘述,詳見圖紙。
3.6小結(jié)
本章針對(duì)腰部的齒輪、大齒輪軸、小齒輪軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核，另外還表述了設(shè)計(jì)上的見解。通過校核可知設(shè)計(jì)的齒輪、軸均符合強(qiáng)度要求。
第4章 手腕詳細(xì)設(shè)計(jì)說明
4.1機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇
通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:
a. 步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。
b. 直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。
c. 交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。
d. 液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。
本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
4.2手腕電機(jī)的選擇
4.2.1提腕電機(jī)的選擇
手腕的最大負(fù)荷重量，初估腕部的重量，最大運(yùn)動(dòng)速度V=2m/s
功率
取安全系數(shù)為1.2，
考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率。選擇Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)如下
表4-1 Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)
型 號(hào)
額定電壓 （V）
額定轉(zhuǎn)矩(N/m)
額定轉(zhuǎn)速 (r/m)
參考功率 (W)
重量 (kg)
Z200/20-400
200
1
2000
400
5.5
4.2.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求取相同型號(hào)的電機(jī)，選擇Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為200/20-400。
4.3傳動(dòng)比的確定
4.3.1提腕總傳動(dòng)比的確定
先根據(jù)下式求角速度 = ＝＝20 r/s
為角速度(r/s)，V為運(yùn)動(dòng)速度（m/s）， R為機(jī)械接口到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離(m)。
再求實(shí)際轉(zhuǎn)速 n’＝
為轉(zhuǎn)速(r/min)。
最后求得總傳動(dòng)比
i總＝＝10.4 取整i總1=10
4.3.2轉(zhuǎn)腕和擺腕傳動(dòng)比的確定
用同樣的方法，可求得
轉(zhuǎn)腕總傳動(dòng)比i總2＝20
擺腕總傳動(dòng)比i總3＝10
4.4傳動(dòng)比的分配
傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級(jí)傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。
a. 提腕傳動(dòng)比分配 提腕總的傳動(dòng)比i總1=10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i11=2，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i12＝5。
b. 轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)比分配 轉(zhuǎn)腕總的傳動(dòng)比i總2＝20，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i21＝5，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i21＝4。
c. 擺腕傳動(dòng)比分配 擺腕總的傳動(dòng)比i總3＝10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i31＝2，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i32＝5。
4.5齒輪的設(shè)計(jì)
按照上述傳動(dòng)比配對(duì)各齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4.5.1提腕部分齒輪設(shè)計(jì)
A. 第一極圓柱齒輪傳動(dòng)
齒輪采用45號(hào)鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度170~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。
a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式
（4－1）
其中， ，，
，，，
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計(jì)算可得
（4-2）
則
接觸疲勞壽命系數(shù),
彎曲疲勞壽命系數(shù)
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（4－1）得：
則
動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則
修正
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
c.計(jì)算基本尺寸
取
d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
復(fù)合齒形系數(shù)，
取
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（4－3）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
表4－2 齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，小齒輪將做成齒輪軸。
B. 第二極圓錐齒輪傳動(dòng)
齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取
a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式
（4－4）
其中， ，，
，，
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計(jì)算可得
（4-5）
則
接觸疲勞壽命系數(shù),
彎曲疲勞壽命系數(shù)
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（4－4）得：
則
動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則
修正
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
c.計(jì)算基本尺寸
d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
復(fù)合齒形系數(shù)，
取
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（4-6）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
表4－3齒輪的幾何尺寸
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。
4.5.2轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計(jì)
第一極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求
表4－4齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
第二極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。
表4－5齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
4.5.3擺腕部分齒輪設(shè)計(jì)
第一極圓柱齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。
表4－6齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
第二極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒