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CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
畢業(yè)設計
論文題目：垂直多關節(jié)型工業(yè)機器人設計-總體結構及控制系統(tǒng)設計
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摘 要
機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，垂直多關節(jié)型機器人是機器人研究領域的熱點。垂直多關節(jié)型機器人需要結合機械、電子、信息論、人工智能、生物學以及計算機等諸多學科知識，同時其自身的發(fā)展也促進了這些學科的發(fā)展。
本文對一種使用在多關節(jié)型工業(yè)機器人結構進行設計，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對機器人模型進行靜力學分析，估算各關節(jié)所需轉矩和功率，完成電機和減速器的選型。其次從電機和減速器的連接和固定出發(fā)，設計關節(jié)結構，并對機構中的重要連接件進行強度校核。
關鍵詞：機械臂，結構設計，關節(jié)型機器人，結構分析
57
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)機器人的研究 8
1.4 本課題研究內(nèi)容 9
第2章 機器人總體設計 10
2.1 確定基本技術參數(shù) 10
2.1.1 機械結構類型的選擇 10
2.1.2 額定負載 11
2.1.3 工作范圍 11
2.1.4 操作機的驅動系統(tǒng)設計 11
2.1.5 控制系統(tǒng)選擇 12
2.1.6 確定機器人手臂的配置形式 12
2.2 機器人本體結構設計 13
第3章 機器人腰部結構設計 15
3.1 電動機的選擇 15
3.2 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 17
3.3 軸的設計計算 17
3.3.1 計算各軸轉速、轉矩和輸入功率 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 確定齒輪傳動的精度 23
3.4.6 齒輪的校核 24
3.5 殼體設計 27
3.6小結 27
第4章 手腕詳細設計說明 28
4.1機器人驅動方案的分析和選擇 28
4.2手腕電機的選擇 28
4.2.1提腕電機的選擇 28
4.2.2擺腕和轉腕電機的選擇 29
4.3傳動比的確定 29
4.3.1提腕總傳動比的確定 29
4.3.2轉腕和擺腕傳動比的確定 29
4.4傳動比的分配 29
4.5齒輪的設計 30
4.5.1提腕部分齒輪設計 30
4.5.2轉腕部分齒輪設計 35
4.5.3擺腕部分齒輪設計 37
4.6軸的設計和校核 38
4.6.1輸出軸的設計 39
4.6.2傳動軸的設計 39
4.6.3軸的強度校核 40
4.7夾持器的設計 43
4.8殼體的設計 43
第5章 單片機電氣控制系統(tǒng)設計 45
5.1 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計 45
5.1.1 硬件電路設計 45
5.1.2 軟件電路設計 46
5.2 8031單片機及其擴展 46
5.2.1 8031單片機的簡介 46
5.2.2 8031單片機的系統(tǒng)擴展 47
5.2.3 存儲器擴展 49
5.2.4 I/O口的擴展 51
5.2.5 步進電機驅動電路 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 56
參考文獻 57
第1章 緒論
1.1 機器人概念
機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或代替人的工作，如工業(yè)，建筑業(yè)，或是危險的工作。這是一個產(chǎn)品的先進的集成控制理論，機械電子，計算機，材料和仿生。在工業(yè)，醫(yī)學，農(nóng)業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要的應用。
本田公司ASIMO機器人
現(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！彼転槿祟悗碓S多方便之處。
機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應用工業(yè)機器人技術是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術革命的一個重要內(nèi)容。
1.2 課題研究的背景和意義
機器人的出現(xiàn)和應用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學技術發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。機器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機器人》中，在該劇中，機器人“Robota”這個詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞動力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人技術已經(jīng)廣泛應用于人類生活領域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動作的機器人一直是人類的夢想之一。
機器人是一門綜合性很強的科學，有著極其廣泛的研究和應用領域。機器人技術是綜合了計算機技術、信息融合技術、機構學、傳感技術、仿生科學以及人工智能等多學科而形成的高新技術，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時控制技術，而且還包括復雜機電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術。
機器人是機器人技術中的一個重要研究課題，而雙足機器人是機器人研究的前奏。步行技術是人與大多數(shù)動物所具有的移動方式，是一種高度自動化的運動，雙足步行系統(tǒng)具有非常復雜的動力學特性，對于環(huán)境具有很強的適應性，它相對輪式、履帶式機器人具有無可比擬的優(yōu)越性，它可以進入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護理老人、康復醫(yī)學以及在一般家庭的家政服務都可以應用。它適應環(huán)境的能力更強，因此具有更加廣泛的應用前景。
在機器人的研制中，機器人仿真是機器人研究的一項重要的內(nèi)容，它涉及機器人機構學、機器人運動學、機器人零件建模、仿真機器人三維實現(xiàn)和機器人的運動控制，是一項綜合性有創(chuàng)新意義和實用價值的研究課題。仿真利用計算機可視化和面向對象的手段，模擬機器人的動態(tài)特性，幫助研究人員了解機器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機構的合理運動方案及有效的控制算法，從而解決在機器人設計、制造以及運行過程中的問題，避免了直接操作實體可能會造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機器人本體結構方案設計提供參考依據(jù)，并在這臺機器上模擬能都實現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設計效果，及時找出缺點和不足進行改進，避免了大量的物力、人力的浪費[1，2]。
1.3 國外研究現(xiàn)狀
最早系統(tǒng)地研究人類和動物運動原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨特攝像機，即一組電動式觸發(fā)照相機，并在1877年成功地拍攝了許多四足動物和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機的方法又被Demeny用來研究人類的運動。從本世紀30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動力學的角度也對人類和動物的機理進行深入的研究，并就運動作了非常形象化的描述。
真正全面、系統(tǒng)地開展機器人的研究是始于本世紀60年代．迄今，不僅形成了機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)或動態(tài)的機器人樣機。這一部分，我們主要介紹隊60年代到1985年這一時期，在機器人領域所取得的最重要進展。
在60年代和70年代，對機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種控制方法對各種類型的機器人都是適用的。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器人學專家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)不僅適應于而且也適應于多足機器人。其中，自由步態(tài)是相對于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機器人在時，下一步腳應放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應該象登山運動員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。
在機器人的穩(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倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進運動解釋為使振子直立的問題。此外，從減小控制的復雜性考慮，Hemami等人還曾就機器人的“降階模型”問題進行了研究。
前面我們曾指出Vukobratovic也對類人型系統(tǒng)進行了能量分析，但他僅限于導出各關節(jié)及整個系統(tǒng)的功率隨時間的變化關系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個有用的結論，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)機器人的研究
我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術已基本成熟，并在工廠中推廣應用。我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。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)智能機器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應從生產(chǎn)和應用的角度出發(fā)，結合我國國情，加快生產(chǎn)結構簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。
國內(nèi)機器人的研究也在863計劃和自然科學基金的支持下持續(xù)開展了多年，如國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、清華大學、上海交通大學、中國科學技術大學等，都先后開始研制機器人樣機[4]。
1.4 本課題研究內(nèi)容
工業(yè)機器人系統(tǒng)設計包括機械系統(tǒng)的設計、電力驅動設計、控制系統(tǒng)的設計。本次畢業(yè)設計的主要內(nèi)容是對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的設計，該機電控制系統(tǒng)是以MCS—51系列單片機為核心的控制系統(tǒng)
畢業(yè)設計（論文）的主要要求:
（1）抓重：額定抓取重量或稱額定負荷，為1kg(必要時注明限定運動速度的抓重)。
（2）自由度數(shù)目和坐標形式：整機、手臂和手腕等運動共有6個自由度。
（3）定位方式：固定機械擋塊、可調(diào)機械擋塊、行程開關，電位器及其各種位置設定和檢測裝置；各個自由度所設定的位置數(shù)目或位置信息容量;點位控制或連續(xù)軌跡控制。
（4）驅動方式：直流伺服電機。
手臂運動參數(shù)：當手臂的運動速度很高時，手臂在起動和制動過程中會產(chǎn)生很大的沖擊和振動，這會影響手臂的定位精度。因此，手臂運動速度應根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時間的長短、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。
常用的最大直線運行速度在1000m/s以下。
最大回轉運行速度一般不超過，
一般應用的直線速度常在 ，
回轉速度在左右。
（5）定位精度：位置設定精度及重復定位精度（）。
設備總裝配圖（計算機出圖）；設備所有零件圖（計算機出圖）；手繪圖A1張；設計圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙；設計說明書不少于1.5萬字，正文頁數(shù)不少于30頁；譯文與開題報告不少于3000字。
第2章 機器人總體設計
2.1 確定基本技術參數(shù)
2.1.1 機械結構類型的選擇
為實現(xiàn)總體機構在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設計成以下五種方案：
a.圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。
b.直角坐標型 直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結構簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。
c.球坐標型 又稱極坐標型，它由兩個轉動和一個直線移動所組成，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作空間范圍大的特點，但結構復雜。
d. 又稱回轉坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節(jié)都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關節(jié)，大臂和小臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。
e.平面 采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉關節(jié)控制前后、左右運動，而移動關節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉體，縱截面高為移動關節(jié)的行程長，兩回轉關節(jié)轉角的大小決定回轉體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。
對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結構復雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結合本課題綜合考慮決定采用方案四：機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高。
2.1.2 額定負載
目前,國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中,其負載能力的范圍很大,最小的額定負載在5N以下,最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機器人末端執(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)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結構坐標型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關節(jié)軸線間的長度和各關節(jié)軸轉角的大小及變動范圍的選擇。
2.1.4 操作機的驅動系統(tǒng)設計
機器人本體驅動系統(tǒng)包括驅動器和傳動機構，它們常和執(zhí)行機構聯(lián)成一體，驅動臂桿和載荷完成指定的運動。通常的機器人驅動方式有以下四種:
a.步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結構簡單，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行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。
b.直流伺服電機：直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術成熟。其安裝維修方便，成本低。
c.交流伺服電機：交流伺服電機結構簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(PWM)和計算機控制技術的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。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到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應速度。
d.液壓伺服馬達：液壓伺服馬達具有較大的功率/體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅動功率這幾項關鍵技術考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，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動方式。
常用的驅動器有電機和液壓、氣動驅動裝置等。其中采用電機驅動是最常用的驅動方式。電極驅動具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機器人應用要求等特點。所以在這次設計中我選擇了直流電機作為驅動器。因為它具有體積小、轉矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
2.1.5 控制系統(tǒng)選擇
對于焊接機器人這種精度要求不高的工業(yè)機器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術，易被熟悉工作任務的人員掌握。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末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應用，機器人以再現(xiàn)方式重復進行示教時存于存儲器的點位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時速度不同。
利用示教手柄由人工引導末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時位置傳感器就檢測出機器人操作機上各關節(jié)處的坐標（或轉角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時，機器人控制系統(tǒng)重復再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實現(xiàn)點位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運動速度則按各軌跡程序段對應的功能數(shù)據(jù)輸入。
2.1.6 確定機器人手臂的配置形式
手臂的配置形式反映了機器人操作機的總體布局。根據(jù)任務要求,要實現(xiàn)機器人焊接功能,則機器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點是占地面積小,工作范圍大,機器人手臂可繞立柱回轉。
2.2 機器人本體結構設計
圖2-2 機器人傳動原理圖
圖2-2是整個機器人本體機械傳動系統(tǒng)的簡圖。機械傳動系統(tǒng)共有30個齒輪，為了實現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有10個齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結構形式。如果采用蝸輪蝸桿結構,則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結構形式。
機器人主要由立柱與基座組成的回轉基座以及大臂、小臂、手腕組成。
基座是一個鋁制的整體鑄件，其上裝有關節(jié)1的驅動電機，在基座內(nèi)安置了關節(jié)1的回轉軸及其軸承、軸承座等。
大臂和小臂的結構形式相似，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。
大臂上裝有關節(jié)2，3的驅動電機，內(nèi)部裝有對應的傳動齒輪組。關節(jié)2，3都采用了三級齒輪減速，其中第一級采用錐齒輪，以改變傳動方向90°。第二、三級均采用圓柱直齒輪進行減速。關節(jié)2傳動的最末一個大齒輪固定在立柱上；關節(jié)3傳動的最末一個大齒輪固定在小臂上。
小臂端部連接具有3R手腕，在臂的根部裝有關節(jié)4，5的驅動電機，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關節(jié)6的驅動電機。關節(jié)4，5均采用兩級齒輪傳動，不同的是關節(jié)4采用兩級圓柱直齒輪，而關節(jié)5采用第一級圓柱直齒輪，第二級錐齒輪，使傳動軸線改變方向90°。關節(jié)6采用三級齒輪傳動，第一級與第二級為錐齒輪，第三級為圓柱直齒輪，關節(jié)4，5，6的齒輪組除關節(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。
所設計的機器人本體結構特點如下：
a.內(nèi)部鋁鑄件形狀復雜，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銅襯套，以減少結構尺寸，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，手腕部結構密度大，很少有多余空隙。如電機與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動安排亦是緊密無間。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到的全球空間。再加之其手腕軸的活動角度大，因此使它工作時位姿的適應性強。譬如用手腕擰螺釘，手腕關節(jié)4，6配合，一次就能轉1112°。
g. 由于結構上采用了剛性齒輪傳動，調(diào)整齒輪間隙機構，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復定位精度高。
h. 機器人手臂材料的選擇：
機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設計要求，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。而另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。
機器人手臂材料首先應是結構材料。手臂承受載荷時，不應有變形和斷裂。從力學角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應該優(yōu)先選擇強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。在我們的設計中為減輕機器人本體的重量選用鑄鋁材料。
第3章 機器人腰部結構設計
通過總體分析后,確定了機器人的結構。所設計的腰關節(jié)部分采用二級齒輪減速傳動。
圖3-1 機器人腰關節(jié)驅動器和齒輪傳動機構簡圖
3.1 電動機的選擇
設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為:
（3-1）
、、分別為10kg、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關節(jié)軸的距離，其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計。所以繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為：
（3-2）
=
=
同理可得小臂及腕部繞第二關節(jié)軸的轉動慣量:
=
=
式中：——小臂重心距第二關節(jié)軸的水平距離 。
—— 腕部重心距第二關節(jié)軸的水平距離 。
設主軸速度為219°/s，則旋轉開始時的轉矩可表示如下
（3-3）
式中：——旋轉開始的轉矩
——角加速度
使機器人主軸從到/s所需時間為:則：
若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉
開始時的啟動轉矩可假定為
電動機的功率可按下式估算
（3-4）
式中： ——電動機功率 ；
——負載力矩 ；
——負載轉速 ；
——傳動裝置的效率，初步估算取0.9；
系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取1.5
估算后就可選取電機，使其額定功率滿足下式
（3-5）
選擇QZD-08串勵直流電動機
表3-1 QZD-08串勵直流電動機技術數(shù)據(jù)
功率（W）
額定電壓
（V）
額定電流
（A）
額定轉速
（r/min）
濾磁方式
絕緣等級
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串勵
B
60
3.2 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比
根據(jù)經(jīng)驗取主軸的轉速≤4rad/s。傳動裝置總傳動比取48，分二級傳動，第一級是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動比=4；第二級傳動比為
==12 (3-6)
3.3 軸的設計計算
3.3.1 計算各軸轉速、轉矩和輸入功率
a.各軸轉速
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
兩實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應力= 30MPa，由許用應力確定的系數(shù)為C=120.
A. 第一根軸設計及校核
a.此軸傳遞扭矩
（3-16）
因為軸是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點,以滿足齒輪嚙合時強度的要求。
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.齒輪軸上裝型號為 滾動軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。
圖3-2 第一級齒輪軸結構圖
b.軸在初步完成結構設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力，對于用于傳遞轉矩的軸應按扭轉強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。
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
(3-21)
剖面右側
(3-21)
在垂直面上
(3-22)
合成彎矩，剖面左側
(3-23)
剖面右側
(3-24)
畫轉矩圖 見圖3－3
(3-25)
判斷危險截面
截面左右的合成彎矩左側相對右側大些，扭矩為T，則判斷左側為危險截面，只要左側滿足強度校核就行了。
軸的彎扭合成強度校核
許用彎曲應力，，
截面左側
(3-26)
(3-27)
c.軸的疲勞強度安全系數(shù)校核
查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)，
截面左側
(3-28)
查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應力 ， (3-29)
應力幅
平均應力
切應力 (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算，結果都滿足要求。
B.中間軸設計
此軸傳遞扭矩,轉速,傳遞功率為,則
（3-34）
安裝軸承部分軸徑最小,由于整個軸上零件較復雜,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,這里取,軸承部分,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號為 滾動軸承7206AC,其余根據(jù)結構確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結構及尺寸如圖3-4所示。
圖3-4中間軸結構圖
C. 主軸的設計
主軸是連接腰關節(jié)與大臂的結構，因結構體積比較大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設計成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號為 滾動軸承30205。主軸材料選用型號為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229～286。
3.4.2 壓力角的選擇
由機械原理知識可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。此處，壓力角可取20°。
3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇
對軟齒面的閉式齒輪傳動,其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強度。而齒面接觸應力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關,即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關。因此在滿足彎曲疲勞強度的前提下,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)
由強度公式可知,當載荷一定時,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取齒寬系數(shù)為1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時取為0.5。根據(jù)公式 ,計算結果圓整為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 確定齒輪傳動的精度
根據(jù)GB10095-1988規(guī)定,齒輪精度等級分為12級,1級最高,12級最低,常用6～9級。根據(jù)表7-8 選用7級精度的齒輪。
表3-2 第一級嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
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 第二級嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
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，軟齒表面粗糙度為，對于需校核的一對的齒輪，齒數(shù)分別為，，模數(shù)為2，傳動比，扭矩T=16.76N·m。
a.設計準則
按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。
b.按齒面接觸疲勞強度計算
。 （3-35）
式中：—節(jié)點區(qū)域系數(shù)，用來考慮節(jié)點齒廓形狀對接觸應力的影響，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力為：
選擇齒根彎曲疲勞極限應力為：
應力循環(huán)次數(shù)N計算可得
×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)，又為試驗齒輪的應力修正系數(shù)，按國家標準取2.0，試選1.3，
求許用接觸應力和許用彎曲應力：
（3-38）
（3-39）
（3-40）
（3-41）
將有關值帶入公式（3-35）得：
=
=29.78mm
則
（3-42）
（3-43）
查圖得；查得，
查得，取，則 （3-44）
修正，mm
取標準模數(shù)m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以m=2mm符合要求。
c.計算幾何尺寸
， （3-45）
， （3-46）
d.校核齒根彎曲疲勞強度
查得，取
校核兩齒輪的彎曲強度
（3-47）
（3-48）
所以齒輪完全達到要求。
圖3-5 大齒輪結構圖
圖3-6 小齒輪結構圖
3.5 殼體設計
基座部分采用球墨鑄鐵材料,方形結構,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構確定,這里不一一敘述,詳見圖紙。
3.6小結
本章針對腰部的齒輪、大齒輪軸、小齒輪軸進行了設計和校核，另外還表述了設計上的見解。通過校核可知設計的齒輪、軸均符合強度要求。
第4章 手腕詳細設計說明
4.1機器人驅動方案的分析和選擇
通常的機器人驅動方式有以下四種:
a. 步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結構簡單，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行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。
b. 直流伺服電機：直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術成熟。其安裝維修方便，成本低。
c. 交流伺服電機：交流伺服電機結構簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(PWM)和計算機控制技術的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。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到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應速度。
d. 液壓伺服馬達：液壓伺服馬達具有較大的功率/體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅動功率這幾項關鍵技術考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，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動方式。
本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
4.2手腕電機的選擇
4.2.1提腕電機的選擇
手腕的最大負荷重量，初估腕部的重量，最大運動速度V=2m/s
功率
取安全系數(shù)為1.2，
考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率。選擇Z型并勵直流電動機，技術參數(shù)如下
表4-1 Z型并勵直流電動機技術參數(shù)
型 號
額定電壓 （V）
額定轉矩(N/m)
額定轉速 (r/m)
參考功率 (W)
重量 (kg)
Z200/20-400
200
1
2000
400
5.5
4.2.2擺腕和轉腕電機的選擇
根據(jù)設計要求取相同型號的電機，選擇Z型并勵直流電動機，型號為200/20-400。
4.3傳動比的確定
4.3.1提腕總傳動比的確定
先根據(jù)下式求角速度 = ＝＝20 r/s
為角速度(r/s)，V為運動速度（m/s）， R為機械接口到轉動軸的距離(m)。
再求實際轉速 n’＝
為轉速(r/min)。
最后求得總傳動比
i總＝＝10.4 取整i總1=10
4.3.2轉腕和擺腕傳動比的確定
用同樣的方法，可求得
轉腕總傳動比i總2＝20
擺腕總傳動比i總3＝10
4.4傳動比的分配
傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及齒輪的結構尺寸，要做到結構合理。
a. 提腕傳動比分配 提腕總的傳動比i總1=10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比i11=2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i12＝5。
b. 轉腕傳動比分配 轉腕總的傳動比i總2＝20，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i21＝5，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i21＝4。
c. 擺腕傳動比分配 擺腕總的傳動比i總3＝10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比i31＝2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i32＝5。
4.5齒輪的設計
按照上述傳動比配對各齒輪進行設計。
4.5.1提腕部分齒輪設計
A. 第一極圓柱齒輪傳動
齒輪采用45號鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度170~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。
a. 設計準則
按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。
b.按齒面接觸疲勞強度設計
齒面接觸疲勞強度條件的設計表達式
（4－1）
其中， ，，
，，，
選擇材料的接觸疲勞極根應力為：
選擇材料的接觸疲勞極根應力為：
應力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得
（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。
求許用接觸應力和許用彎曲應力：
將有關值代入（4－1）得：
則
動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則
修正
取標準模數(shù)。
c.計算基本尺寸
取
d. 校核齒根彎曲疲勞強度
復合齒形系數(shù)，
取
校核兩齒輪的彎曲強度
（4－3）
所以齒輪完全達到要求。
表4－2 齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
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，考慮到結構，小齒輪將做成齒輪軸。
B. 第二極圓錐齒輪傳動
齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取
a. 設計準則
按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。
b. 按齒面接觸疲勞強度設計
齒面接觸疲勞強度的設計表達式
（4－4）
其中， ，，
，，
選擇材料的接觸疲勞極根應力為：
選擇材料的接觸疲勞極根應力為：
應力循環(huán)次數(shù)N由下式計算可得
（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。
求許用接觸應力和許用彎曲應力：
將有關值代入（4－4）得：
則
動載荷系數(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
取標準模數(shù)。
c.計算基本尺寸
d. 校核齒根彎曲疲勞強度
復合齒形系數(shù)，
取
校核兩齒輪的彎曲強度
（4-6）
所以齒輪完全達到要求。
表4－3齒輪的幾何尺寸
符號
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轉腕部分齒輪設計
第一極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求
表4－4齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
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：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。
表4－5齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
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擺腕部分齒輪設計
第一極圓柱齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。
表4－6齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
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：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒