外文翻譯系 別 機(jī)電信息系 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 導(dǎo) 師 機(jī)械科學(xué)與技術(shù) 21（2007）1018 ~ 1027兩個(gè)軸氣動(dòng)人工肌肉機(jī)械手的一種新的相平面切換控制方法控制摘要康復(fù)機(jī)械手的使用已經(jīng)由于功能康復(fù)治療對肢體的需求成為一個(gè)日益重要的問題。一種新型的氣動(dòng)人工肌肉致動(dòng)器（PAM）–所提供的安全性和流動(dòng)性援助以執(zhí)行任務(wù)的人類達(dá)到日益普及，以及提供一個(gè)具有高強(qiáng)度和高功率/重量比，成本低，體積小，便于維修，清潔，隨手可得，廉價(jià)的電力來源，等等–已在使用在治療機(jī)械手近幾十年來考慮，特別是需要高水平的安全性。然而，仍存在一定的局限性，如空氣可壓縮性和阻尼的執(zhí)行帶來的壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲，導(dǎo)致振蕩運(yùn)動(dòng)能力的缺乏。此外，為了幫助康復(fù)機(jī)械手更有效，應(yīng)根據(jù)病人的身體狀況調(diào)整阻抗參數(shù)。為了這個(gè)目的，機(jī)械手加入裝有磁流變制動(dòng)器（MRB） 。一種新的相平面使用 MRB切換控制方法提出了跟蹤正弦波形。通過使用制作的兩個(gè)軸 PAM機(jī)械手實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該算法的有效性。實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)械手的穩(wěn)定性可以不考慮對參考輸入和外部負(fù)載條件下的頻率的變化使用高增益控制大大改善，并在不降低響應(yīng)速度，或降低 PAM的操縱器的剛度。?關(guān)鍵詞：氣動(dòng)人工肌肉；相平面開關(guān)控制；機(jī)械手；磁流變制動(dòng)器1。景區(qū)簡介需要由交通事故和腦卒中引起的骨折或關(guān)節(jié)疾病康復(fù)的人數(shù)，和運(yùn)動(dòng)功能的問題，由于年事已高，全世界數(shù)以千計(jì)數(shù)百數(shù)。機(jī)械手的康復(fù)中的應(yīng)用具有極大的關(guān)注。功能恢復(fù)的治療通常是進(jìn)行了醫(yī)學(xué)治療師在人的基礎(chǔ)，但自動(dòng)設(shè)備已經(jīng)投入到物理治療程序重復(fù)過程相對簡單，實(shí)用，如連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)，步行訓(xùn)練裝置，和用于單軸扭矩機(jī)（DOI，1993街等；Al。 ，1994；傅等人，1995） 。本文論述了功能康復(fù)治療，身體康復(fù)的一個(gè)重要方面。網(wǎng)格加密治療機(jī)已創(chuàng)建（安清，2004；2005年；2005b） 。然而，多關(guān)節(jié)機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)更逼真的運(yùn)動(dòng)模式，從而更有效的治療是必要的。這種機(jī)械手必須有一個(gè)人類使用高安全的。PAM 機(jī)械手已被用來構(gòu)建一個(gè)兩自由度（DOF）治療機(jī)械手。二自由度機(jī)械手功能恢復(fù)的治療由氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的開發(fā)是佐貝爾（Zobel 等人。 ，1999）和raparelli（raparelli 等人。 ，2001；2003）的柳巷芳草 biorobotic系統(tǒng)的人工肌肉致動(dòng)器（柳巷芳草等人。 ，1999；2000；2002；2003）氣動(dòng)肌肉方面的koeneman（koeneman 治療裝置等人。 ，2004）與人友好的治療機(jī)械手（Thanh 和安，2006年） 。然而，仍存在一定的局限性，如空氣的可壓縮性和阻尼的執(zhí)行帶來的壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲能力的缺乏，導(dǎo)致振蕩運(yùn)動(dòng)。此外，實(shí)施更有效的康復(fù)，機(jī)械手必須根據(jù)病人的身體狀況調(diào)整阻抗參數(shù)。為了這個(gè)目的，一個(gè)新的技術(shù)，電流變液阻尼器（ER 阻尼器） ，已被應(yīng)用到 PAM機(jī)械手。noritsugu 和他的團(tuán)隊(duì)使用 ER阻尼器來改善控制性能的 PAM機(jī)械手與 PI控制器和脈沖codemodulated開關(guān)閥（noritsugu 等人。 ，1994） 。通過分離的阻尼器產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩和阻尼區(qū)域高增益控制下的響應(yīng)速度，結(jié)果表明電流變阻尼器用于實(shí)際可用的一種有效方法，人類友好的機(jī)械手使用的 PAM機(jī)械手。此外，位置控制是無響應(yīng)速度下降的改進(jìn)。然而，一定的局限性阻礙了技術(shù)，由于電流變液（ERF）要求很高的控制電壓（kV） ，這是有問題的，并在特定的，潛在的危險(xiǎn)，只工作在一個(gè)較窄的溫度范圍（和一個(gè)不適合的 PAM機(jī)械手） ，并表現(xiàn)出非線性特征。因?yàn)橛泻芏嗖豢山邮艿娜秉c(diǎn)電流，磁流變流體（MRF）一直被認(rèn)為是表1中列出的優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)有吸引力的選擇，和最近已被用于治療人類友好的機(jī)械手（Thanh 和安，2006年） 。雖然這些系統(tǒng)在解決光滑的致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的步驟輸入成功，假設(shè)兩個(gè)軸 PAM機(jī)械手應(yīng)用在未來治療機(jī)械手，這是我們研究的最終目標(biāo)，是要實(shí)現(xiàn)快速的響應(yīng)，即使外部慣性負(fù)載變化劇烈和正弦響應(yīng)無以不同的頻率。因此，要實(shí)現(xiàn)良好的控制性能，一個(gè) MRB裝備的機(jī)械手關(guān)節(jié)。相平面使用 MRB切換控制方法提出了跟蹤正弦波形的情況下，和算法的有效性將通過涉及一二軸 PAM機(jī)械手實(shí)驗(yàn)證明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)械手的穩(wěn)定性可以大大改善高增益控制在不考慮頻率的參考和外部條件的變化，并沒有降低響應(yīng)速度和兩個(gè)軸 PAM機(jī)械手剛度低。2。實(shí)驗(yàn)裝置2.1實(shí)驗(yàn)裝置這兩個(gè)軸氣動(dòng)人工肌肉機(jī)械手示意圖如圖1所示。的表1。流變流體相比。圖1。兩個(gè)軸氣動(dòng)人工肌肉機(jī)械手示意圖圖2。氣動(dòng)人工肌肉機(jī)械手的工作原理。圖3。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的照片。圖4。建設(shè)工作。拮抗人工肌肉和外部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示的結(jié)果之間的壓力差。關(guān)節(jié)角度，1θ 和2θ，與旋轉(zhuǎn)編碼器測量（Metronix，S48—8-3600zo）和反饋到計(jì)算機(jī)通過一個(gè)24位的數(shù)字計(jì)數(shù)器板（研華 PCL，833） 。外部慣性負(fù)載可以從20變化[ KGF·cm2 ] 40 [ KGF·cm2 ]，200 [ % ]的變化相對于最小慣性負(fù)載條件；參考輸入不同頻率的波形（正弦）被認(rèn)為是。實(shí)驗(yàn)0.4范圍[MPa]環(huán)境壓力和控制軟件下進(jìn)行的是 C語言編碼。圖3顯示的是實(shí)驗(yàn)裝置的照片。對2.2個(gè)特點(diǎn)的 MRB的設(shè)計(jì)如圖4所示。轉(zhuǎn)子固定在軸上，可相對于殼體旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子和殼體之間的間隙填充 MRF。的 MRB制動(dòng)力矩可由在其線圈的電流控制。磁流變液的表觀粘度在磁場中的應(yīng)用幾毫秒的時(shí)間變化，并在沒有磁場的正常粘度的回報(bào)。下面的實(shí)驗(yàn)探討 MRB的特點(diǎn)；測量數(shù)據(jù)是在圖5和表3。MRB 與扭矩傳感器和伺服電機(jī)連接系列。在實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速從100變化[轉(zhuǎn)] 1000 [轉(zhuǎn)]和所施加的電流從0到1 的[ ] [ ]。這些范圍是因?yàn)橄到y(tǒng)的響應(yīng)不達(dá)到1000 [轉(zhuǎn)]和最大電流用于 MRB 1 [ ]。圖5顯示了阻尼力矩與輸入電流的變化（a）和（b）轉(zhuǎn)速的 MR制動(dòng)。從圖5，它是顯然，對阻尼扭矩是獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)速度和幾乎正比于輸入電流。因此，方程（1）的輸入電流和阻尼轉(zhuǎn)矩的結(jié)核病表3。對測量數(shù)據(jù)。W：轉(zhuǎn)速[rpm]I：目前的應(yīng)用[J].這里，A 和 B是常數(shù)確定使用特點(diǎn) MRB響應(yīng)曲線。3?？刂葡到y(tǒng)3.1位置控制系統(tǒng)這種 PAM機(jī)械手的控制，傳統(tǒng)的 PID控制算法作為本研究的基本控制器?？刂破鞯妮敵瞿茉跁r(shí)間域如下表示：以 Laplace變換（2）產(chǎn)量所得的傳遞函數(shù)的 PID控制器：在采樣序列 K可以表示為一個(gè)典型的實(shí)時(shí)執(zhí)行如下：其中 u（k）和 E（k）是控制輸入到設(shè)定點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的輸出之間的控制閥和誤差，分別。此外，使用 MRB是調(diào)和的阻尼和提高的 PAM機(jī)械手的控制性能的有效途徑響應(yīng)速度（因?yàn)樗诩铀倩驕p速太高的地區(qū)的作品） 。在這里，s 是拉普拉斯變量，它是由機(jī)械產(chǎn)生的扭矩，TC 是恒轉(zhuǎn)矩，KED確定扭矩角速度 θ 比例增益，和 VC是由方程計(jì)算的源控制電壓（1）產(chǎn)生TC。阻尼轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反的手臂。因此，方程（6）低于表明，阻尼器產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩結(jié)核病。所提出的相平面切換控制方法的結(jié)構(gòu)如圖6所示。3.2傳統(tǒng)相平面切換控制方法圖7顯示了傳統(tǒng)相平面切換控制方法。在區(qū)域中，手臂的方法所需的角度關(guān)節(jié)角度，一個(gè)~ B，C ~ D，如圖 7（a） ，目前是不適用的，而在該地區(qū)（斜陰影區(qū)）B ~ C，D ~ E，目前應(yīng)用于提高更快收斂到期望的角度的阻尼性能。雖然系統(tǒng)階躍輸入響應(yīng)成功順利，它的質(zhì)量下降（與響應(yīng)延長）由于正弦波形失控點(diǎn)參考輸入（C，E 等） 。此外，假設(shè)2軸 PAM機(jī)械手利用在未來的治療機(jī)械手（我們研究的最終目標(biāo)） ，它要實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，即使外部慣性負(fù)載變化劇烈和正弦響應(yīng)，一個(gè)是在發(fā)生的頻率范圍內(nèi)的頻率無關(guān)。3.3個(gè)命題的相平面開關(guān)控制算法的新概念阻尼轉(zhuǎn)矩 T B，這是在公式1所示，提高了機(jī)械手的阻尼性能。由于阻尼的機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩的作用，其加速性能退化。在區(qū)域中的臂的方法所需的角度關(guān)節(jié)角度，O ~ A，B ~ C，D ~ E，F(xiàn) ~ G，在圖 8（a） ，目前是不適用由于高響應(yīng)速度是必需的。在臂通過所需的角區(qū)域，即對角陰影區(qū)的~ B，C ~ D，E ~ F，G 在圖8 ~ H（一） ，電流被施加到改善阻尼性能，從而使臂更快地收斂到期望的角度。要確定是否應(yīng)施加磁場，相平面。圖6。的相平面開關(guān)控制的新概念框圖。圖7。常規(guī)的相平面切換控制方法。圖8（b）用。在相平面上的橫軸線對應(yīng)的關(guān)節(jié)角偏差 E Rθ 所需角度和關(guān)節(jié)角度 θ 之間，與垂直軸對應(yīng)于時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)，e de DTθ= =?。每個(gè)點(diǎn)的相平面上的一個(gè)~ H對應(yīng)于圖8中同樣的字母點(diǎn)（一） 。在這里，與目前應(yīng)用的區(qū)域是由1 1 1 2 h控制（S?） ，H（ S?） ，的梯度圖8。相平面切換控制方法的新概念。圖8線（B） 。阻尼轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用在區(qū)域控制為1 h和2 h?？刂圃?MRB應(yīng)用地區(qū)的優(yōu)勢是需要在不降低響應(yīng)速度。提出的控制器的有效性將實(shí)驗(yàn)研究。4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在這項(xiàng)研究中，一二軸 PAM機(jī)械手利用相平面開關(guān)控制器，新概念的控制器，和實(shí)驗(yàn)用正弦波作為參考輸入在兩個(gè)不同的頻率進(jìn)行（f = 0.3 Hz 和0.5 Hz） 。兩個(gè)外部慣性載荷條件（載荷1 = 20 [ KGF·cm2 ]；負(fù)載2 = 40 [ KGF·平方厘米]）進(jìn)行了測試（負(fù)載連接到臂2年底） 。此外，常規(guī)的 PID控制器，該控制器的比較。首先，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在不同的輸入?yún)⒖碱l率所提出的控制器的有效性（節(jié)點(diǎn)1） 。圖9顯示的比較傳統(tǒng)的 PID控制器，該控制器聯(lián)合1實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性和所提出的控制詳細(xì)顯示在圖10相對于圖9。常規(guī) PID控制器和控制器之間的比較（1） 。F = 0.3Hz和 F = 0.5Hz。在實(shí)驗(yàn)中，所提出的控制器的初始值設(shè)置為6，P 190 10 K =×?，6我10 10 K =×?，6 D 150 10 K =×?，ED 0.015 k = 1，2 C 0.8，1，2，T = H =?H =。通過試驗(yàn)和錯(cuò)誤，得到了這些參數(shù)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有一個(gè)大的跟蹤誤差和時(shí)間相對于參考輸入的頻率的增加延遲；當(dāng)采用PID控制器響應(yīng)下降頻率為0.5Hz，而沉降時(shí)間減少，跟蹤性能是保證使用所提出的控制器。阻尼力矩不適用于快速響應(yīng)時(shí)，機(jī)械手開始移動(dòng)，和阻尼轉(zhuǎn)矩的 MRB應(yīng)用到 PAM摩尼的旋轉(zhuǎn)軸圖10。所提出的控制器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）機(jī)械手減少超調(diào)振蕩時(shí)，操縱器達(dá)到所需的角度。其次，實(shí)驗(yàn)研究了相對于不同的參考輸入的頻率控制性能（節(jié)點(diǎn)2） 。此外，外部的慣性負(fù)載（負(fù)載1 = 20 [ KGF·cm2 ]；負(fù)載2 = 40 [ KGF·平方厘米]）連接到臂的端圖11。常規(guī) PID控制器和控制器之間的比較（接頭2，負(fù)載1） 。2，和控制參數(shù)的設(shè)置是1相同的接頭。圖11和圖12顯示的 PID控制器和所提出的比較對于測試的參考輸入頻率和外部的初始荷載條件控制器。這些數(shù)字表明，有一個(gè)大的誤差和時(shí)間的延遲和更振蕩發(fā)生相對于參考輸入頻率的增加，以及增加外部初始荷載。在實(shí)驗(yàn)中，PAM 的機(jī)械臂關(guān)節(jié)角同意與參考使用新的相平面開關(guān)控制器。建議的新的相平面開關(guān)控制算法的有效性也在圖詳細(xì)地顯示。13和14。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一個(gè)良好的控制性能和較強(qiáng)的魯棒性應(yīng)力是圖12。常規(guī) PID控制器和控制器之間的比較（接頭2，負(fù)載2） 。獲得，不依賴于外部的初始負(fù)荷使用所提出的控制方法。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，阻尼轉(zhuǎn)矩施加和釋放非常頻繁地根據(jù)所需的角度的方法。結(jié)果表明，所提出的算法是在各種外部荷載作用下有效的和不依賴于參考輸入頻率。此外，據(jù)了解，PAM 的機(jī)械臂轉(zhuǎn)角的順利收斂到所需角度小的振蕩。它的結(jié)論是，新提出的相平面開關(guān)控制算法有效地跟蹤與高增益控制正弦波形控制，并具有良好的控制性能，快速響應(yīng)，和不同的外部慣性載荷和參考輸入頻率下具有較強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性。5。結(jié)論在這項(xiàng)研究中，相平面開關(guān)控制用磁流變制動(dòng)器的提出和應(yīng)用一二軸氣動(dòng)新概念人工肌肉機(jī)械手的各種外部荷載作用下提高控制性能和獨(dú)立的參考輸入頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制算法在正弦軌跡跟蹤控制的高效和高增益控制，控制性能好，響應(yīng)速度快，強(qiáng)大的，對外部負(fù)載和輸入?yún)⒖碱l率變化的魯棒穩(wěn)定性。研究結(jié)果還表明，所提出的相平面運(yùn)用 MRB切換控制是發(fā)展一個(gè)實(shí)際可用的最有效的方法之一，通過使用 PAM的人類友好的機(jī)械手機(jī)械手。確認(rèn)這項(xiàng)工作是由蔚山大學(xué)的支持下，韓國。工具書類安，k 和清，T.華盛頓特區(qū)，2004， “使用智能切換控制方法的氣動(dòng)人工肌肉機(jī)械手的控制性能的改善， ”ksme，int，怨婦。 ，卷8，8號(hào)，1388頁~ 1400。安，k和清，T.華盛頓，2005年， “非線性 PID控制改善 PAM的機(jī)械手的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制性能，在 ksme，int，怨婦。 ，卷19，1號(hào)，106頁~ 115。安，k，清，T.華盛頓和韓國，Y，K，2005b， ”帕姆手采用磁流變制動(dòng)器性能的改善， ”ksme，int，怨婦。 ，卷19，3號(hào)，777頁~ 790。DOI，Y，1993， “恢復(fù)功能鍛煉裝置， “J SOC。博美。 ，卷17，2號(hào)，99頁~ 105。富杰，M. 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Mingfang Du , Jianjun Fang ; Lipeng Wang . A parameter self-tuning fuzzy-PID control system for pneumatic manipulator of library robot. International Conference on Electronics, Communications and Control (ICECC), 2011: 4111- 41153. Bdiwi, M., Suchy, J. Library automation using different structures of vision-force robot control and automatic decision system IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS),2012: 1677- 1682 4.崔建偉，宋愛國，莊皓蘭等. 機(jī)器人技術(shù)在圖書館自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009,11:33-355. R·西格沃特等. 自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論. 西安交通大學(xué)出版社,2013基層學(xué)術(shù)組織負(fù)責(zé)人審核意見：基層學(xué)術(shù)組織負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日(院)系學(xué)士學(xué)位論文工作領(lǐng)導(dǎo)小組審核意見：(院)系學(xué)士學(xué)位論文工作領(lǐng)導(dǎo)小組組長簽字： （院）系蓋章年 月 日做該課題學(xué)生姓名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào)注：1、指 導(dǎo) 教 師 對 應(yīng) 每 個(gè) 學(xué)士學(xué)位論文題目應(yīng)填寫該表一份，題目申報(bào)人可為指導(dǎo)教師組。2、題目來源和題目類型要求單選，若該題目屬于兩種類型，則只能選擇一種最主要的類型打√。3、此表一 式 一 份 ， 由 院 （ 系 ） 留 存 。寧XX 大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 老 師年 月 日I摘 要機(jī)器人是在在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人能代替人類、重復(fù)枯燥完成危險(xiǎn)工作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力,減輕人勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝置涵蓋了位置控制技術(shù)可編程控制技術(shù) 、 檢測技術(shù)等 。 本課題擬開發(fā)的物料電動(dòng)機(jī)器人可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣 ， 根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù),可代替人工在高溫危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行作業(yè)， 。本課題所要求設(shè)計(jì)的輔助機(jī)器人，主要用于完成圖書的上架工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動(dòng)識(shí)別圖書類別、并將圖書放置于準(zhǔn)確位置等功能。同時(shí)機(jī)器人應(yīng)具有靈活、安全性好等特點(diǎn)。課題研究內(nèi)容包括機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)電系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：機(jī)器人, 電動(dòng)機(jī)器人， 圖書館輔助，提升IIAbstractThe robot is a new device developed in the mechanization, automation of the production process, which has a function of grabbing and moving the workpiece automation device use. The robot can repeat the dangerous work instead of humans, boring, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device covers the position control technology of programmable control technology, detection technology. Material electric robot this subject to the grasping be up in space objects, flexible, any changes to the relevant parameters according to the work piece change and the movement flow requirements, can replace manual operation in high risk areas,.Assist robot to the requirements of the design, mainly used to complete the book shelves work. Therefore requires the robot walking, with automatic identification book category, and the books placed on the accurate location of function. At the same time, the robot should have characteristics of flexibility, safety etc The research includes design of the overall structure design of the robot and electromechanical system.Key Words: robot, electric robot, library, improveIII目 錄摘 要 IIAbstract.III目 錄 IV第 1 章 緒論.11.1 課題背景及目的 .11.2 本課題研究的目的和意義 21.3 工業(yè)機(jī)器人概念 21.4 國內(nèi)機(jī)器人的研究 2第 2 章 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求與方案.42.1 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 .42.2 基本設(shè)計(jì)思路 42.2.1 系統(tǒng)分析 .42.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 .42.2.3 電動(dòng)機(jī)器人的基本參數(shù) .52.3 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 52.4 機(jī)器人材料的選擇 52.5 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 .62.6 電動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇 62.7 動(dòng)作要求分析 72.8 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型 7第 3 章 圖書館輔助機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算.93.1 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 93.1.1 手爪夾持器種類 93.1.2 夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 103.2 升降方向的電動(dòng)缸設(shè)計(jì) .113.2.1 滾珠絲杠的精度 113.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 .11IV3.3 伺服電機(jī)的選擇 .153.3.1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 153.3.2 負(fù)載慣量的計(jì)算 163.3.3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 173.4 水平方向電動(dòng)缸的設(shè)計(jì) 183.4.1 導(dǎo)程確定 183.4.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 183.4.3 確定絲桿的等效負(fù)載 183.4.4 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 193.4.5 精度的選擇 203.4.6 選擇滾珠絲桿型號(hào) 203.5 校核 .213.5.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 .213.5.2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 223.5.3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 223.6 電機(jī)的選擇 .233.6.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 233.6.2 電機(jī)扭矩計(jì)算 24第 4 章 豎直方向電動(dòng)缸.274.1 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 274.2 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 304.3 底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 .324.4 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 .324.4.1 選擇伺服電機(jī)的具體型號(hào)和參數(shù) 324.4.2 標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 344.4.3 本機(jī)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核 344.5 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 .394.5.1 軸的設(shè)計(jì)概述 394.5.2 軸的強(qiáng)度校核 42V總結(jié).46參考文獻(xiàn).47致 謝.48VIVIIVIIIIX第 1 章 緒論1.1 課題背景及目的由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電動(dòng)機(jī)器人技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。智能型電動(dòng)機(jī)器人的研究是近年來科學(xué)家同意致力的方向。式電動(dòng)機(jī)器人的人體模型，它可以模擬各種人類行為和人類的外部特征。未來的電動(dòng)機(jī)器人的管家將不是夢想。根據(jù)不同的電動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)器人可以分為各種各樣的。輪式移動(dòng)機(jī)器人，履帶式電動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人，行走電動(dòng)機(jī)器人等。值得一提的是，行走電動(dòng)機(jī)器人，他是近年來的一個(gè)重要研究成果。移動(dòng)它最喜歡的動(dòng)物甚至人類交談。這是一個(gè)非常復(fù)雜的自動(dòng)化程度很高的運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式電動(dòng)機(jī)器人相比，對環(huán)境的適應(yīng)性。在工作空間很小，在崎嶇的道路上，樓梯等。不久的將來，這項(xiàng)技術(shù)將被廣泛使用。在研究中，電動(dòng)機(jī)械的生產(chǎn)，對電動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬中的應(yīng)用是一個(gè)非常重要的過程。包括零件建模，裝配電動(dòng)機(jī)器人的仿真，與運(yùn)動(dòng)仿真。通過仿真，設(shè)計(jì)師可以觀察各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)非常直觀，知道沒有干擾；可以了解各部件的受力，不同的模擬數(shù)據(jù)。該方法大大降低了開發(fā)時(shí)間和成本。在學(xué)校的畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)習(xí)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)在大學(xué)四年的繼續(xù)深化和檢驗(yàn)，具有實(shí)踐性和綜合性，是不是一個(gè)單一的其他替代方案，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)可以提高綜合能力的培養(yǎng)，是要去上班，提高實(shí)際工作能力起著非常重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：（1）的基本理論，基本知識(shí)和基本技能的綜合運(yùn)用，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。（2）接受全面的培訓(xùn)工程師必須，提高實(shí)際工作能力。為調(diào)查研究，文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)收集和分析能力；設(shè)計(jì)和開發(fā)測試計(jì)劃能力；設(shè)計(jì)，計(jì)算和繪圖能力的提高；總結(jié)和撰寫論文的能力。（3）的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力的測試。X1.2 本課題研究的目的和意義（1）通過對圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)使我們得到對所學(xué)相關(guān)課程的綜合訓(xùn)練；（2）在大型圖書館中，圖書的上架是一個(gè)重要而繁重的工作。為減輕工作人員的勞動(dòng)、提高效率及縮短圖書的上架時(shí)間，為此本課題提出設(shè)計(jì)一個(gè)圖書館輔助機(jī)器人。（3）本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是把主要用于完成圖書的上架工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動(dòng)識(shí)別圖書類別、并將圖書放置于準(zhǔn)確位置等功能。同時(shí)機(jī)器人應(yīng)具有靈活、安全性好等特點(diǎn)。傳統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)對加工時(shí)的干涉太大，對生產(chǎn)量影響較大，設(shè)計(jì)一款新的夾緊機(jī)構(gòu)，使得加工時(shí)間縮短，加工精度得到保證，生產(chǎn)量得到提高。1.3 工業(yè)機(jī)器人概念目前，工業(yè)機(jī)器人的概念，世界是不統(tǒng)一，分類是不一樣的。國際標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合國最近采用了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)定義了工業(yè)機(jī)器人的組織：工業(yè)機(jī)器人是一種可編程的多功能操作裝置，可以改變行動(dòng)計(jì)劃，完成各種工作，主要用于材料處理，工件傳送。電動(dòng)機(jī)器人（機(jī)器人）是一臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行工作。它是一個(gè)產(chǎn)品的控制理論，先進(jìn)的集成機(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。電動(dòng)機(jī)器人是一種有代表性的，機(jī)械的和電子控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)工具，在近 50 年的發(fā)展。在制造業(yè)中，電動(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這是一個(gè)高的自動(dòng)化程度，改善勞動(dòng)條件，保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高工作效率，發(fā)揮了非常重要的作用。可以說，他是現(xiàn)代工業(yè)的技術(shù)革命。執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手，腕，臂，底座，一個(gè)主要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。主要由電動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。手抓和松開工件或工具的部分，由手指（或吸收） ，驅(qū)動(dòng)元件和驅(qū)動(dòng)元件。1.4 國內(nèi)機(jī)器人的研究工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用在日本有著悠久的歷史。在七十年代當(dāng)工業(yè)電動(dòng)操縱器，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，已在工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人八十年代流行。他們的年工業(yè)產(chǎn)值迅速增XI加。1980 達(dá)到一千億日元，1990 至六千億日元。在 2004 達(dá)到了一兆和八千五百億日元。這表明工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人在提高生產(chǎn)效率的重要性。在國際上，各個(gè)國家都實(shí)現(xiàn)了工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的重要性。因此，工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人訂單銳減。相比于 2003 2002 百分之十的增長的訂單。然后工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的需求量仍在上升。從 2001 到 2006，超過 90000 的全球經(jīng)濟(jì)增長中的訂單。7%的平均年增長率。國際工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展方向：電動(dòng)機(jī)器人涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識(shí)。包括：計(jì)算機(jī)，電子，控制，人工智能，傳感器，通信和網(wǎng)絡(luò)，控制，機(jī)械等。電動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展離不開主題。正是由于各學(xué)科整合的相互作用，創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化程度高，其。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在電動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣泛；技術(shù)越來越高，功能更強(qiáng)大。它是電動(dòng)機(jī)器人的研究向小型化發(fā)展。電動(dòng)機(jī)器人將更多地進(jìn)入人們的日常生活?？偟陌l(fā)展趨勢是模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化，智能化。廣泛應(yīng)用于工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人，以提高質(zhì)量和生產(chǎn)力，產(chǎn)品安全人員安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料的消耗，降低了生產(chǎn)成本，具有非常重要的作用。廣泛應(yīng)用于工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的以人為本的原則，它的出現(xiàn)使人們的生活更方便、美好。電動(dòng)機(jī)器人工業(yè)是一個(gè)大型高新技術(shù)工業(yè)計(jì)算機(jī)，后車?，F(xiàn)代軍事工業(yè)，電動(dòng)機(jī)械發(fā)展的市場前景是非常好的。從第二十世紀(jì)起，電動(dòng)機(jī)械行業(yè)的穩(wěn)步增長。在第二十世紀(jì)九十年代，電動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)和快速增長，年均增長率超過百分之十。在 2004 到百分之二十的記錄。亞洲電動(dòng)機(jī)器人的更多需求，年增長率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)過 40 年的發(fā)展，應(yīng)用工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的許多領(lǐng)域。生產(chǎn)中使用最廣泛的電動(dòng)機(jī)器人。如制造焊接，熱處理，表面涂層，加工，裝配，測試和倉庫，毛（沖壓，壓鑄，鍛坯等）等操作，代替人工操作的電動(dòng)機(jī)器人，極大地提高了生產(chǎn)效率。12第 2 章 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求與方案2.1 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求在大型圖書館中，圖書的上架是一個(gè)重要而繁重的工作。為減輕工作人員的勞動(dòng)、提高效率及縮短圖書的上架時(shí)間，為此本課題提出設(shè)計(jì)一個(gè)圖書館輔助機(jī)器人。本課題所要求設(shè)計(jì)的輔助機(jī)器人，主要用于完成圖書的上架工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動(dòng)識(shí)別圖書類別、并將圖書放置于準(zhǔn)確位置等功能。同時(shí)機(jī)器人應(yīng)具有靈活、安全性好等特點(diǎn)。課題研究內(nèi)容包括機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)電系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。2.2 基本設(shè)計(jì)思路2.2.1 系統(tǒng)分析該機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的有力工具。為了在生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，機(jī)械化，自動(dòng)化的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的需要，從而判斷是否適當(dāng)?shù)臋C(jī)器人。以完成機(jī)器人的設(shè)計(jì)，一般都要先做以下工作：（1）根據(jù)使用場合的機(jī)器人的，明確的目標(biāo)和任務(wù)。（2）機(jī)器人的工作環(huán)境分析。（3）對系統(tǒng)要求的分析，確定了機(jī)器人和方案的基本功能，如自由度的數(shù)目，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，定位準(zhǔn)確，抓住重。此外，根據(jù)抓斗電動(dòng)質(zhì)量，形狀，尺寸和批量生產(chǎn)，以確定的形式和機(jī)器人的位置和握力的大小。在這方面，我分析如下：（1）為手材料機(jī)械設(shè)計(jì)問題，機(jī)器人是圖書的上架機(jī)器人。雖然機(jī)器人的使用場合，也非常廣泛，涉及到材料的狀態(tài)，環(huán)境因素的作業(yè)線，比我的知識(shí)和能力 （2）由于機(jī)器人我選擇的是材料的電動(dòng)機(jī)器人，小對象處理非生產(chǎn)線。因此，系統(tǒng)的工作環(huán)境下，機(jī)械廠，準(zhǔn)確度高，故障率低，速度。2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖人機(jī)交互系統(tǒng)( 系統(tǒng)軟件 、 編程語言系統(tǒng) )控制器及控制算法控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ( 各驅(qū)動(dòng)器 )機(jī)械系統(tǒng) ( 機(jī)身 、 臂部 、手腕 、 手爪 )作業(yè)對象內(nèi)部傳感器信息反饋工作對象及環(huán)境信息反饋感知系統(tǒng)13圖 2 總體設(shè)計(jì)框圖如圖 2 為總設(shè)計(jì)框圖，說明如下：(1) 控制系統(tǒng)：任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來的信號(hào)，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為 CPU 的選擇，CPU 程序的編寫調(diào)試等。(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)裝置。(3) 機(jī)械系統(tǒng)：包括機(jī)身、機(jī)械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標(biāo)形式，并計(jì)算得出具體結(jié)構(gòu)。(4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。2.2.3 電動(dòng)機(jī)器人的基本參數(shù)1. 機(jī)器人的最大電動(dòng)物料的重量是它的主參數(shù)。2. 運(yùn)動(dòng)速度直接影響機(jī)器人的動(dòng)作快慢和機(jī)器人動(dòng)作的穩(wěn)定性，所以運(yùn)動(dòng)速度也是是物料電動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)主要的基本參數(shù)。設(shè)計(jì)速度過低的話，會(huì)無法滿足機(jī)器人的動(dòng)作功能，限制機(jī)器人的使用范圍。設(shè)計(jì)的速度過高又會(huì)加重機(jī)器人的負(fù)載并影響機(jī)器人動(dòng)作的平穩(wěn)性。3. 伸縮行程和工作半徑是決定機(jī)器人工作范圍及整機(jī)尺寸的關(guān)鍵，也是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。3.定位精度也是機(jī)器人的主要基本參數(shù)之一。機(jī)器人精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料電動(dòng)機(jī)器人的定位精度設(shè)定定位精度±0.3mm。物料電動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料電動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的行程和時(shí)間分配來決定。2.3 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式：機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂的升降。根據(jù)上文所說的，機(jī)器人按照坐標(biāo)的分類情況，選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人更為妥當(dāng)。2.4 機(jī)器人材料的選擇機(jī)器人的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作條件，滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造要求。從設(shè)計(jì)思想，機(jī)械臂完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對材料的要求是為移動(dòng)部件，它應(yīng)該是輕質(zhì)材料。另一方面，手臂振動(dòng)經(jīng)常的運(yùn)動(dòng)過程中，這將大大減少它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在材料的選擇上，綜合考慮的質(zhì)量，剛度，阻尼的需要，從而有效地提高了機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)性能。此外，機(jī)器人選材料和不同材料的一般結(jié)構(gòu)。機(jī)器人是一種伺服機(jī)構(gòu)，受控制，必須考慮其可控性。在臂的材料選擇，可控性和可加工性的材料，結(jié)構(gòu)，質(zhì)量性能的考慮?？傊?，選擇一個(gè)機(jī)械臂的材料，應(yīng)考慮強(qiáng)度，剛度，重量輕，彈性，耐沖擊，外14觀和價(jià)格等因素。這里有幾個(gè)機(jī)器人使用的材料：（L）的高強(qiáng)度鋼，碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼：這類材料的強(qiáng)度，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度增加了 4 ~ 5 倍，彈性模量，抗變形能力，是最廣泛使用的材料；（2）鋁，鋁合金等輕合金材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈性模量 E 的小，但材料的密度小，與 E／P 比值還與鋼相比；（3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的質(zhì)量，但易碎，但處理不好，接頭需要特殊的設(shè)計(jì)與金屬零件。然而，日本已開發(fā) ARM 陶瓷機(jī)器人用于高速機(jī)器人的樣品；從機(jī)器人設(shè)計(jì)的角度來看，不需要負(fù)載能力在材料的選擇，也不需要高彈性模量和抗變形能力，除了要考慮到材料成本，加工和其他因素。在各種因素的措施，結(jié)合鋁合金的初步選擇的工作條件，如機(jī)械臂組件。2.5 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種常見的 SCARA 型，直角坐標(biāo)式極坐標(biāo)型，聯(lián)合型和圓柱坐標(biāo)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的選擇主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一種運(yùn)動(dòng)形式以滿足不同生產(chǎn)工藝的需要，可以采用不同的結(jié)構(gòu)。選擇表格的具體位置，必須根據(jù)操作要求，工作地點(diǎn)，和電動(dòng)工作中心線方向的變化，比較和選擇。這種機(jī)器人的定位 2 個(gè)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的 1，2 或 3 手腕方向。其中，繞垂直軸肩，另一個(gè)肩斜度。肩關(guān)節(jié)的兩個(gè)正交軸。平行于第二軸肩關(guān)節(jié)，考慮到機(jī)器人的工作特點(diǎn)，這就要求動(dòng)作靈活，具有較大的工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，關(guān)節(jié)式機(jī)器人的選擇。如圖所示。這種配置，動(dòng)作靈活，工作空間大，干涉儀的最小空間機(jī)械臂操作，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)相對運(yùn)動(dòng)部位易密封與防塵。但這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解比較復(fù)雜，難以確定的端元；態(tài)度不夠直觀，并在控制，計(jì)算量比較大。圖 3 常見的運(yùn)動(dòng)方式2.6 電動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)方式主要有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四種基本形式。但是，與電動(dòng)傳動(dòng)相比，低功耗，能源，電動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相對簡單的速度不易控制，精度不高。油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)能量是簡單，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速變化的機(jī)15制，高效，靈活的控制。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，省去了減速裝置，響應(yīng)速度快，精度高。但需要有電動(dòng)源，但也容易漏氣。首先，我會(huì)選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但考慮到純機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)并不能達(dá)到理想的傳播效果。如果你使用電動(dòng)或電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)，必須與回轉(zhuǎn)電動(dòng)或旋轉(zhuǎn)電動(dòng)缸，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的方案，將驅(qū)動(dòng)方式分為兩個(gè)部分。其機(jī)械臂伸縮，升降機(jī)器人抓抓，采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。2.7 動(dòng)作要求分析動(dòng)作一：送圖書動(dòng)作二：預(yù)夾緊動(dòng)作三：手臂上升動(dòng)作四：手臂旋轉(zhuǎn)動(dòng)作五：小臂伸長動(dòng)作六：手腕旋轉(zhuǎn)預(yù)夾緊手臂上升手臂旋轉(zhuǎn)手臂伸長手臂轉(zhuǎn)回 手腕旋轉(zhuǎn)圖 2.2 電動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作簡易圖2.8 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型本課題所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)器人為通用型的電動(dòng)機(jī)器人，其中坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)用于機(jī)座的旋轉(zhuǎn)和手臂的上下移動(dòng)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)用于手臂的伸縮和電動(dòng)機(jī)器人的夾取和翻轉(zhuǎn) [3]。1617第 3 章 圖書館輔助機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核3.1.1 手爪夾持器種類1.連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。2.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。3.齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。4.滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。5.平行杠桿式手爪不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調(diào)定。a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。b．有足夠的開閉范圍工作時(shí)，一個(gè)手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有18張開和閉合裝置。可用開閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)c．力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)氣壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪3.1.2 夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6）GkN321?式中， -----為所需夾持力；N-----安全系數(shù)，通常取 1.2~2；1k-----為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按 估算， 為機(jī)械手在2 gak??12搬運(yùn)工件過程的加速度 ， ， 為重力加速度；2/sm2/8.9sa?g-----方位系數(shù)，查表選取 ；3k 13?k-----假設(shè)被抓持工件的重量 20 ； G帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；N240?理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7）??1Rbp式中， ----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；p----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；b-----為扇形齒輪分度圓半徑；R-----為手指夾緊力；N---齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為 0.92；?19其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 NP370?計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為： （3-8 ）?Fkc41式中， -----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；cF---安全系數(shù)，此處選 1.2；1k---工作條件系數(shù)，此處選 1.1；43.2 升降方向的電動(dòng)缸設(shè)計(jì)3.2.1 滾珠絲杠的精度查閱滾珠絲杠的樣本選擇絲杠精度為 5 級(jí)精度等級(jí)，初步設(shè)計(jì)現(xiàn)設(shè)絲杠在有效行程 500 mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 30μm。3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算（1）最大工作載荷的計(jì)算絲杠的最大載荷為工作時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設(shè)此 Z向的最大進(jìn)給力 =5000N，移動(dòng)部件的重量約為 500㎏，摩擦系數(shù)為 0.04，故絲杠Ff的最小載荷（即摩擦力）（N） (3.3)1968.504.min???fg絲杠最大載荷是：5000＋196＝5196（N） (3.4)Fax平均載荷是：= × = ≈ 3529（N） (3.5)m??inax2?31??319652??（2）當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算 滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動(dòng)載荷兩個(gè)參數(shù),其選擇的原則為:①滾珠20絲杠的靜載荷 Coa 不能大于額定靜載荷 Coam,即 Coa≤Coam;②滾珠絲杠的動(dòng)載荷 Ca不能大于額定動(dòng)載荷 Cam,即 Ca≤Cam。驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 2000 r/min絲杠最高轉(zhuǎn)速為 2000r/min，工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為 0.5m/min，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為 0.1r/min，可取為 0，則平均轉(zhuǎn)速 n=1000r/min。絲杠使用壽命 T=15000h，故絲杠的工作壽命= =675（ r） (3.6)106nTL?1065?106?當(dāng)量動(dòng)載荷值： (3.7)KaLpFmC3?式中： ——載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取 1-1.2，一般情況取 1.2-1.5，有較大沖擊振Kp動(dòng)時(shí)取 1.5-2.5；——精度影響系數(shù)，對 1、2、3 級(jí)精度的滾珠絲杠取 =1.0，對 4、5 級(jí)a Ka精度的絲杠取 =0.9。Ka根據(jù)要求去 =1.5， =0.9，代入數(shù)據(jù)得p≈51.59（KN） (3.8)9.0367512??Cm根據(jù)計(jì)算所得最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查滾珠絲杠樣本，選擇 FF6310-5 型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對旋預(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為 63mm，導(dǎo)程為10mm，循環(huán)滾珠為 5 圈×2 列，精度等級(jí)取 5 級(jí)，額定動(dòng)載荷為 55600N，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷 =51590N，符合設(shè)計(jì)要求。Cm表 3.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)名 稱 符 號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果公稱直徑（mm）0d63螺距(mm) P 10接觸角 ?6.30鋼球直徑(mm) wd7.14421螺紋滾道法面半徑(mm)R715.352.0?dW偏心距(mm) e0.009螺紋升角(mm) ?=Pharctg??6.0絲杠外徑(mm) 1d62.5絲杠底徑(mm) 257.3螺桿接觸直徑(mm)z55.87螺母螺紋外徑(mm)D412.7020????Red螺母內(nèi)徑(mm)（內(nèi)循環(huán)）162.64（3）傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑 =63mm，導(dǎo)程 =10mm，代入 λ=arctan[ ]，的絲杠螺旋升d0PdP0?角 λ= 。將摩擦角 ，代入 = ，得傳動(dòng)效率 =93.7%。6.01'????????tan?（4）剛度的驗(yàn)算本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。固定端采用一對面對面角接觸球軸承和一個(gè)角接觸球軸承，另一端也采用角接觸球軸承，這種安裝適應(yīng)于較高精度、中等載荷的絲杠。滾珠絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變 ?1根據(jù)公式 Z= ，求得單圈滾珠數(shù) Z=22，改型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)dw0?×列數(shù)為 5×2，代入公式 圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =220。絲杠預(yù)緊時(shí)，???ZZ?取軸向預(yù)緊力 =1732（N） 。查相關(guān)公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變3maxFy形(3.9)301.ZFydwPa???式中 = 51590N。代入數(shù)據(jù)得；PaCm22= = 0.013(mm)301.ZFydwPa??? 3320174.5190.0??因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載 ，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。?1b、絲杠在工作載荷 作用下的抗壓變形Fmax?2絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承，軸承的中心距 a=1100mm，鋼的彈性模量E= ,由表 2.1 中可知，滾珠直徑 =7.144mm，絲杠底徑 =43.3mm，105.2?PaMdwd2則絲杠的截面積： =1540.6( )42S??m2根據(jù)公式 代入數(shù)據(jù)得：EFeq??2=0.018(mm)6.1540.29??C、總的變形 總= =0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為 600， 絲杠在有效行程?總 21?500—630mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 30μm,，可見絲杠剛度足夠。（5）穩(wěn)定性的驗(yàn)算(3.10)KLEIfkPa2??公式中取支撐系數(shù) =2，fk由絲杠底徑 =43.3mm 求的截面慣性矩 =188957.7( )，壓桿穩(wěn)定d2642dI??m4安全系數(shù) K 取 3（絲杠臥式水平安裝） ，滾珠螺母至軸向固定處的距離 取最大值aL?1200mm，代入公式得：=181129.6(㎏)31207.895.4.3???Pa則 f=181129.6N 大于 =51590N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。Cm23（6）臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 對于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振，需要驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，設(shè)不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速 。nc查資料得公式 ： (3.11)Lcdfc2910?其中： (mm)；43.5.7632.10????dwd為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度 =1200(mm)；LcLc為絲杠支承方式系數(shù) （一端固定，一端游動(dòng)）f292.f代入數(shù)據(jù)得： 4397(r/min),臨界速度遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會(huì)發(fā)生共振。?nc（7）滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定由以上驗(yàn)算可以知道，絲杠型號(hào)為 FF6310—5，完全符合所需要求，故確定選用該型號(hào)，安裝尺寸查表可知。（8）絲杠支承的選擇滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求。其兩端支承的配置情況為軸向固定方式。本次設(shè)計(jì)絲杠支承選用一端固定，另一端浮動(dòng)。 3.3 伺服電機(jī)的選擇3.3.1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T 可根據(jù)以下公式計(jì)算，即(3.12)iTfpPhFT????????02max??從前面的計(jì)算可以知道，最大載荷 N，絲杠導(dǎo)程 =10mm=0.01m，預(yù)緊5196a?Ph力 = N，根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率 =0.947，因CaFp41?139056?? ?為滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩：24（N ·m） (3.13)7.48.29013.0???PhFTp查手冊得單個(gè)軸承的摩擦力矩為 0.32N·m，故一對軸承的摩擦力矩=0.64N·m。簡支端軸承步預(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計(jì)。伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直Tf0接相連，其傳動(dòng)比 =1，則最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：i(N·m)7.146.0947.02156?????T所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值。3.3.2 負(fù)載慣量的計(jì)算伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 應(yīng)與負(fù)載慣量 相匹配。JMJL負(fù)載慣量可以按一下次序計(jì)算。質(zhì)量為 500㎏，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量 可按J1下式計(jì)算，(kg·㎡) (3.14)??025.1.8021??????????PhmvJ絲杠名義直徑 =63mm=0.063m，長度 L=1.2m 絲杠材料（鋼）的密度d0ρ=7.8 ㎏· 。根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量13?(㎏·㎡) (3.15)347.81.20640.57203lJd??????聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量 可直接查手冊得到，即 (㎏·㎡)J01.3?J故負(fù)載總的慣量為(㎏·㎡)92.01.57.02.313????J電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 應(yīng)與負(fù)載慣量 相匹配。通常要求 不小于 ，但MJLJMJL也不是越大越好。因 越大，總的慣量 就越大，加速度性能受影響。為了保JMJ證足夠的角加速度，以滿足系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏的，將采用轉(zhuǎn)矩較大的伺服電動(dòng)機(jī)和它的伺服控制系統(tǒng)。根據(jù)有關(guān)資料的推薦，匹配條件為：25(3.16)41?JLM則所選交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 應(yīng)在 0.0092—0.036㎏· ㎡范圍之內(nèi)。根據(jù)上述計(jì)算可選用表 3.2 中的交流伺服電機(jī) α22/3000i 型，其額定轉(zhuǎn)矩為22N·m，最高 ，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.012㎏·㎡。min30axrn?表 3.2 FANUCα(HV)i 系列交流伺服電機(jī)型號(hào) α1/ 5000iα2/ 5000iα4/ 4000iα8/ 3000iα12/ 3000iα22/3000i輸出功率/kw0.5 0.75 1.4 1.6 3 4額定轉(zhuǎn)矩(N·m)1 2 4 8 12 22最高轉(zhuǎn)速min1?5000 5000 4000 3000 3000 3000轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(㎏·㎡)0.00031 0.00053 0.0014 0.0026 0.0026 0.012質(zhì)量㎏ 3 4 8 12 18 29伺服放大器規(guī)格 20i 20i 20i 40i 80i 80i3.3.3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng)（快速）速度時(shí)，所需要的空載加速轉(zhuǎn)矩 按下式求，Ta(3.17)tacnJT60mx2??空載加速時(shí)，主要克服的是慣性，選用的 α22/3000i 型交流伺服電動(dòng)機(jī),總慣量0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡)?JLM加速度時(shí)間 通常取 的 3~4 倍，故 =(3~4) =(3~4)×6=18~24(ms)，則tactmtactm26(N·m)173~060154.321.0???tacTa3.4 水平方向電動(dòng)缸的設(shè)計(jì)滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。設(shè) X 向最大行程為 300mm,最快進(jìn)給速度為 18m/min,假設(shè)大概質(zhì)量為 80kg,移動(dòng)部件大概質(zhì)量為 30kg，工作臺(tái)最大行程為 300mm。3.4.1 導(dǎo)程確定電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比 i=1, 選擇電機(jī) Y 系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 ，則絲杠的導(dǎo)程為cmkgfMrn .2min,/150maxmax ??最 大 轉(zhuǎn) 矩取 Ph=12mmVPH150/18/axee3.4.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速基本公式 min)/(rPVnh=最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 min)/(1502/8/ax rh=最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 i/3./miniPVh=絲桿的等效轉(zhuǎn)速 in)/(/)(212in1axrttt+式中取 故21t=min)/(03.1)/((212min1ax rtttnm=+3.4.3 確定絲桿的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給27牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為 0.03，K 為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取 1.1~1.5，本課題中取 1.3，則絲桿所受的力為 NGFGFGfKFZx 215-)2(03.3.12-)2( 3y12yma =++=++= ）（）（）（0in其等效載荷按下式計(jì)算（式中取 ， ）21t=1nNtnFFm49)(321mi3ax+=3.4.4 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 316mhkahtwm10)nT(ffFCar=fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)， （查表：取 fw=1.2）ft--------溫度系數(shù)（查表：取 ft=1）fh-------硬度系數(shù)（查表：取 fh =1）fa-------精度系數(shù)（查表：取 fa =1）fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取 fk =1）Fm------等效負(fù)載nz-------等效轉(zhuǎn)速Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為 15000h由上式計(jì)算得 Car=17300N表 3-1-1 各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間 Lh28表 3-1-2 精度系數(shù) fa表 3-1-3 可靠性系數(shù) fk表 3-1-4 負(fù)載性質(zhì)系數(shù) fw3.4.5 精度的選擇滾珠絲杠副的精度對電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意 300 行程變m動(dòng)量 應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的 1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。 ，選用滾珠30V絲杠的精度等級(jí) X 軸為 1～3 級(jí)（1 級(jí)精度最高） ，Z 軸為 2～5 級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇 X 軸 Y 軸精度等級(jí)為 3 級(jí)，Z 軸為 4 級(jí)。3.4.6 選擇滾珠絲桿型號(hào)計(jì)算得出 Ca=Car=17.3KN,則 Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN29公稱直徑 Ph=12mm則選擇 FFZD 型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)為FFZD4010—3。公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑 d1=39.5mm 鋼球直徑 dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數(shù)=3 圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度 kc=973N/μm3.5 校核滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度 KO有絲桿本身的拉壓剛度 KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度 KC，軸承的接觸剛度 Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。3.5.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算： NFKLEIfFcr max201e=?式中 E------材料的彈性模量 E 鋼 =2.1X1011（N/m 2）LO-------最大受壓長度（m）K1-------安全系數(shù)，取 K1=1.3Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N）f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f 1=15.1I=絲桿最小截面慣性距（m 4）442)2.1_(6woddI?=