關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、1前言1.1題目來源與分析題目關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來源于生產(chǎn)實(shí)踐中。要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有 6個(gè)自由度： 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)； 臂關(guān)節(jié)俯仰； 肘關(guān)節(jié)俯仰； 腕關(guān)節(jié)仰腕； 擺腕；旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計(jì)機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實(shí) 現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm。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。自古以來，人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機(jī) 器。特別

2、是在20世紀(jì)20年代前后，捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未 來機(jī)器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品，更使機(jī)器人在人們的思想中成為一種無所不能的 超人”在現(xiàn)實(shí)生活中，一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪， 也制造出一些仿人或仿生的機(jī)器人。然而在當(dāng)時(shí)的科技條件下，要使機(jī)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(shè)想了一種可控制 的機(jī)械手,他首先突破了對機(jī)器人的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，提出機(jī)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(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器 人實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)表了適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人一文，并獲得了美國 專利。戴沃爾將遙

3、控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控機(jī)床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起，預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后，機(jī)械等就可以離開人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行。這種機(jī)器人也 可以接受示教而完成各種簡單任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動(dòng)機(jī)械手依次通過 工作任務(wù)的各個(gè)位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器中，任務(wù)的執(zhí)行過程中， 機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動(dòng)下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機(jī)器人的主要 技術(shù)就是可編程”以及示教再現(xiàn)”1.2研究目的 焊接機(jī)器人是最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,它占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。由于 對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求，一般工人已難以勝任這一工 作;此外，焊接時(shí)的火花及煙霧等，對人體造成危害，因而

4、，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(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢：a. 工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降。b. 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢 測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已 有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。c. 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng) 絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng) 的可靠性、易操作性和可維護(hù)性。d. 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳

5、統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器 外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視 覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳 感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。e. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙 控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。f. 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使 智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。

6、g. 機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出 虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置 已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。國際機(jī)器人研究在經(jīng)過了 80年代的低潮之后，呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢；我國 的機(jī)器人研究在國家七五八五及863計(jì)劃的推動(dòng)下也取得了很大的發(fā)展。在 70 年代的機(jī)器人浪潮相比，現(xiàn)在的機(jī)器人研究有兩個(gè)特點(diǎn)：一是對機(jī)器人智能的定位 有了更加符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)，也就是不要求機(jī)器人具有像人類一樣的高智商，而只是 要求機(jī)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(jī)器人從80年代 七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過 七五”八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器

7、人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制 技術(shù)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器 件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī) 器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其 工程應(yīng)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(jī)器人應(yīng) 用工程起步晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上， 我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上 原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的

8、要求，一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”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(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極 推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在 “ 863”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(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水 平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人 等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、聲覺、觸覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少 工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自 主

9、系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起 步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)， 才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。丨6132關(guān)節(jié)型機(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

10、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. 關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型又稱回轉(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

11、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. 平面關(guān)節(jié)型采用兩個(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

12、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：關(guān)節(jié)型機(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 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 6kg。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

13、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。圖2-1運(yùn)動(dòng)范圍圖2.1.4操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)型機(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

14、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。c. 液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率 /

15、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

16、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

17、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應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。2.1.6確定關(guān)節(jié)型機(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)。根據(jù)分析，可將機(jī)器人的參數(shù)列在表2-1中：表2-1關(guān)節(jié)型機(jī)器人的主要參數(shù)1項(xiàng)

18、冃技術(shù)要求1姑恂璽式fl FtHS 數(shù)6運(yùn)動(dòng)范國(71內(nèi)105&3083112925：帶21 r53F赧大連度2m / s腕部繪大負(fù)荷6臨續(xù)表2-1項(xiàng)目技術(shù)蹩求朋動(dòng)方式削溫電機(jī)0,押制方述PTP / CP慄低方朮示教再現(xiàn)lcw機(jī)械本體13, 2kt，裡制豈36. 33kw輸入/輸也32/ 32 位電源110-13OV 4SL 50* 60Hz L2kW5-t6V;(20-90)%RHiii2.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-2關(guān)節(jié)型機(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)

19、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)部裝有對應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié) 2, 3都采 用了三級齒輪減速，其中第一級采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向90第二、三級均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。

20、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均采用兩級齒輪傳動(dòng)，不 同的是關(guān)節(jié)4采用兩級圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié) 5采用第一級圓柱直齒輪，第二級錐 齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向90關(guān)節(jié)6采用三級齒輪傳動(dòng)，第一級與第二級為 錐齒輪，第三級為圓柱直齒輪，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

21、，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

22、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)1112g. 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

23、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&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。關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3關(guān)節(jié)型機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)3關(guān)節(jié)型機(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)部分采用二級齒輪減速傳 動(dòng)。圖3-1關(guān)節(jié)型機(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12設(shè)兩臂及

24、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：2 J仁JG1+m1l1+JG2+m2l2+JG3+m3l3 22(3-1)ml、m2、m3分別為10kg、5kg、12kg。11、12、13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 JG1m1l1、 JG2m2l2、2JG3 Pm(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)1 W)定電壓舗宦電it濮能轉(zhuǎn)連 r/mi-ife)洶出H A絕攜級工件制S002446衛(wèi)1750603.2計(jì)算傳動(dòng)裝置的總

25、傳動(dòng)比和分配各級傳動(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i總?cè)?8,分二級傳動(dòng)，第 級是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動(dòng)比i1=4 ;第二級傳動(dòng)比為i2(3-6)3.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算=i總48=i14=123.3.1計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率a. 各軸轉(zhuǎn)速I(3-7)軸 n l=1750r/mi nU 軸 nn=1750=437.5r/min 4(38)(3-9)軸 nm =437.5=36.46r/mi n 12b. 各軸輸入功率I(3-10)軸 PI=P0? n z=80? 0.98=768Wn z 制動(dòng)器效率please con tact Q 3053703061 giv

26、e you more perfect draw ings根據(jù)求出的可進(jìn)一步解出9 5將式(4-11)兩端左乘逆變換0T4-1( 9 1, 9 2, 9,3即得4)0T4-1( 9 1, 9 2, 9 3, 9 4)0T6=4T5( 9 5)5T6(7)9 6)因式9 1 9 2 9 3口 9 4勻已解出，則逆變換0T4-1( 9 1, 9 2, 9為9 4)0T4-1( 9 1, 9 2, 9 3, 9 4)=? c1c23c4+s1s紹-ccs+sc ? 123414? -c1s23? 0? s1c23c4-c1s4-s1c23s4-c1c4-s1s230-s23c4s23s4-c23 0-

27、a2c3c4+d2s4-a3cG a2c3s4+d2c4+a3s4 ? ? a2s3-d4? 1 ?此外，方程式(4-27)的右邊4T6( 9 5, 9 6)=4T5( 9 5)5T6(也可由式(4-4)給 出。令式(4-27)兩邊矩陣中的元素(1, 3)和(3, 3)分別對應(yīng)相等，可得 ax(c1c23c4+s1s4)+ay(s1c23c4-c1s4)-az(s23c4)=-s5 ax(-c1s23)+ay(-s1s23)+az(-c23)=c5( 4-28)由此可得9 5勺封閉解9 5=彳求9 6將(4-11)改寫為-s5 (4-29) c50T5-1( 9 1,9 2 9 5)0T6=5

28、T6(碼36)令矩陣方程(4-30)兩邊元素(3, 1)和(1,1)分別對應(yīng)相等，可得-n X(c1c23s4+s1c4)-ny(s1c23s4+c1c4)+nz(s23s4)=s6 nx(c1c23c4+s1s4)c5-c1s23s5+ny(s1c23c4-c1s4)c5-s1s23s5-n Z(s23c4c5+c23s5)=c6從而可以求出9的封閉解s 9 6=( 4-31) c6綜上所述，再考慮到9等于0,或不等于0的兩種情況，6自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人 對于同一手部位姿可能存在8種關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角組合。至此，已求出了全部的關(guān)節(jié)變量，即求得位姿矩陣0T6的逆解?？梢钥闯觯挥? 1, 9 2三式中有p

29、x, py和pz,故它們確定了手部坐標(biāo)系原點(diǎn)的空間位置。(方 位)。9 4, 9 5三式中有nx, ny和nz所以它們確定了手部坐標(biāo)系的姿態(tài) 由此可以得出：當(dāng)6關(guān)節(jié)機(jī)器人后3關(guān)節(jié)軸線交于一點(diǎn)時(shí)，前、后3個(gè)關(guān)節(jié)具有 不同的功用。前3關(guān)節(jié)連同它的桿件，稱作位置機(jī)構(gòu)；后3關(guān)節(jié)連同它的桿件，稱作姿態(tài)機(jī)構(gòu)。5結(jié)論我國機(jī)器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國內(nèi)外機(jī)器人的快速發(fā)展、社會(huì)需 求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，焊接機(jī)器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方 式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動(dòng)裝焊接機(jī)器人發(fā)展的直 接動(dòng)力。關(guān)節(jié)型機(jī)器人在輕型、較簡單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的焊接作業(yè)中大顯 了身手。

30、本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。本 文主要完成了如下工作：a.進(jìn)行了機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及腰關(guān)節(jié)的詳細(xì)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)型機(jī)器人應(yīng)該具有外形簡單、傳動(dòng)原理簡單等特點(diǎn)，為此機(jī)器人設(shè)計(jì)成具有 六自由度的結(jié)構(gòu)，由機(jī)身、大臂、小臂、腕部組成。六個(gè)自由度均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)均選直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第一個(gè)關(guān)節(jié)采用二級齒輪傳動(dòng)，這種 傳動(dòng)方式具有精度高、定位安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；其他五個(gè)關(guān)節(jié)都采用了錐齒輪與直齒 輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，充分利用了大臂和小臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊。b.對機(jī)器人位姿問題進(jìn)行了詳細(xì)分析運(yùn)用D-H方法建立了桿件坐標(biāo)系，完成了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)方 程的推導(dǎo)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解的求

31、取。參考文獻(xiàn)1 汪愷.機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊M.機(jī)械工業(yè)出版社.1997.8.2 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊M.化學(xué)工業(yè)出版社2002.1.3 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社2002.4 徐錦康.機(jī)械設(shè)計(jì)M.機(jī)械工業(yè)出版社2001. 殷際英何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社2003. 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社1995.7 陳秀寧，施高義.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)M.浙江大學(xué)出版社1995.8.8 王宗榮.工程圖學(xué)M.機(jī)械工業(yè)出版社2001.9.9 費(fèi)仁元，張慧慧.機(jī)器人設(shè)計(jì)和分析M.北京工業(yè)大學(xué)出版社1998.9.10 龔振邦.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社1995.11.11 吳相憲，王正為,黃玉堂.實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊M.中國礦業(yè)大學(xué)出版社1993.5.12 龐啟淮.小功率電動(dòng)機(jī)應(yīng)用技術(shù)手冊M.機(jī)械工業(yè)出版社.13 馬香峰.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)M.冶金工業(yè)出版社.附錄序號(hào)圖名圖號(hào)紙張1總體尺寸圖JQR-Z A02腰關(guān)節(jié)裝配圖JQR-0 A03電機(jī)聯(lián)接板JQR-01 A24 基座 JQR-09 A15軸承支承板JQR-10 A36基座底板JQR-11 A37中間軸JQR-13 A38小齒輪JQR-15 A39大齒輪JQR-16 A210 主軸 JQR-19 A311 立柱 JQR-20 A3