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畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯
學 院： 機械電子工程學院
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
姓 名： 徐博
學 號： 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.
指導教師評語：
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
一種自動檢測隧道內(nèi)混凝土上的裂縫的可移動機器人
摘要：
為了評測混凝土建筑物的安全性，用肉眼觀察裂縫的檢查員會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，這項研究為混凝土的結(jié)構(gòu)檢查和測量裂縫提供了一個新的方案，它能夠提供客觀的裂縫數(shù)據(jù)，在評測安全性的過程中將會使用到這些數(shù)據(jù)。這個系統(tǒng)由一個移動機器人系統(tǒng)和一個裂縫視覺系統(tǒng)組成。移動機器人系統(tǒng)被一個圖象處理設備（CCD）控制著與墻保持恒定的距離。裂縫視覺系統(tǒng)運用圖象處理技術(shù)，可以由獲得的圖像中得到有關(guān)裂縫的信息。為了保證對裂縫辨認的準確性，此系統(tǒng)運用了圖像處理程序來得到裂縫結(jié)構(gòu)的幾何學特性和模型。目前這個系統(tǒng)已經(jīng)被實驗室和有關(guān)這個領(lǐng)域的實驗所證實。
2006 Elsevier B.V.版權(quán)所有。
關(guān)鍵字： 裂縫； 隧道； 檢查； 圖象處理； 移動的機器人
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)查依然在進行著。為了確定這種結(jié)構(gòu)的安全，利用非破壞性實驗的定期檢查正在進行。不過，非破壞性的實驗的低效率和錯綜復雜的程序讓人們打消了用這樣的實驗整個代替人的目測的念頭。因此，非破壞性實驗僅僅局限于精確的檢查。[1] 視覺對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檢查裂縫的方法，而且應用到了實際的設施中，包括道路、橋梁、下水道等等。[2-6]
這項研究的特殊目的是要把一個裂縫察覺模件和移動機器人的綜合系統(tǒng)應用到隧道環(huán)境中。
類似的學科研究正在進行并且發(fā)展著。Komatsu 工程公司已經(jīng)研究出并且使這個能通過一臺激光掃描設備獲得道路和隧道里層的圖像的一個圖像捕獲系統(tǒng)商品化。日本的鐵路技術(shù)研究院研究出了一個使用CCD照相機得到鐵路隧道里層圖象的系統(tǒng)。來自加拿大的一個道路設備集團股份有限公司，已經(jīng)研究出一個由一臺超聲波傳感器、一臺陀螺傳感器和一架CCD照相機組成，能夠在80千米/小時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，他們不提供自動的裂縫檢查系統(tǒng)。如果要對裂縫數(shù)據(jù)作出迅速和客觀的評估，裂縫檢查和測量就必須是全自動化。
照相機和激光技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應用在獲得建筑物表面的檢查圖象上，但是激光掃描設備的費用很昂貴；另外，它還有一個影響系統(tǒng)維護的發(fā)熱問題。這兩個問題使得它在各個領(lǐng)域的工作效力都很差。照像機掃描設備比激光設備成本更低，但是它在黑暗環(huán)境里有照明問題。因為費用是在工程實施中考慮較多的一個因素，所以要更進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，這項研究提議的在一個隧道里由一個移動機器人和一個裂縫察覺系統(tǒng)組成的自動化表面裂縫檢查系統(tǒng)，將會比人工的檢查更節(jié)省資源，效率更高。
2、實驗情況
在距觀察的墻壁有一段固定位移的情況下，移動機器人系統(tǒng)在沒有檢查員幫助的情況下通過一臺CCD照相機獲得圖像數(shù)據(jù)。通過表格1提及的兩類照相機與表格2的比較描述了在這個研究系統(tǒng)中使用的CCD照相機的性能規(guī)格。
為了獲得更清晰的圖像，機器人采用了一臺高功率發(fā)光器、減震設備和一個以測量系統(tǒng)速度來控制CCD照相機的傳感器。為了獲得一個0.3毫米/象素的分辨率，系統(tǒng)可以以5千米/小時的速度運行。
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，這些對一個結(jié)構(gòu)表面的檢查來說都是非常重要的因素。為了測試這個系統(tǒng)，實驗在如圖1中所示在大樓和道路隧道內(nèi)進行。
圖 1
3.檢查機器人系統(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，因為它最影響混凝土的狀況 [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、和擴大的場地而帶來的額外負荷。
裂縫可被分為垂直，水平，剪切和復合幾類。 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
移動的機器人系統(tǒng)由視覺，機械，和數(shù)據(jù)存儲設備組成。 這些設備儲存著混凝土結(jié)構(gòu)的表面圖像，使裂縫和非裂縫地區(qū)的分布狀態(tài)反差最大化和當系統(tǒng)自動移動到和結(jié)構(gòu)平行時使噪音減到最小。
裂縫探測系統(tǒng)其實就是一個從圖象數(shù)據(jù)中篩選并且計算出裂縫的數(shù)字化信息的軟件。這個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結(jié)構(gòu)，裂縫探測系統(tǒng)可以提供幫助信息。
移動機器人系統(tǒng)由一臺CCD照像機，框架抓鉤，控制儀器自動調(diào)節(jié)焦距設備，減震設備，發(fā)光器和測量元件的速度和位置編碼器；如圖3所示。為了計算結(jié)構(gòu)與機器人的距離，運用速度和位置因素，可以使照像機在無人狀態(tài)下可以自動調(diào)節(jié)焦距。
3.3.移動機器人系統(tǒng)
機器人有兩個被自動助推器獨立操作的輪子。 車輪的獨立運動運動學模型如圖4。
在圖5中，M點是個基準點，它也是機器人的重心，也是坐標的原點。假設認為機器人的車輪能不斷前進在一個沒有邊的表面上。通過做這個假定，以下的運動學公式可被獲得。
說明：(1)是大多數(shù)一般化的兩輪驅(qū)動機器人在運動學上的函數(shù)。不過，前兩個公式有著不能完全結(jié)合的特征，所以很難控制機器人。那個控制點或者車輪連接機器人的點被距它們距離為d的M點分開。當控制點設在機器人的中心時，也就是當d=0，控制點不能被準確連接。不過，當d>0時，那些控制點就可以連接到O點。因此，d不能為零，但是一定要足夠允許那些控制點可以被設在M點的附近。
這項研究使用了02年出現(xiàn)的機載系統(tǒng)' GSMR '(指導型服務移動機器人)的主要硬件和道路跟蹤算法。更多的細節(jié)數(shù)學方法在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被用于裂縫察覺和物理測量算法。圖象處理的全部自動化目前還是很難實現(xiàn)，因為準確的結(jié)果很難在不確定的環(huán)境里獲得。因此，在這項研究過程中，整個裂縫察覺的半自動化算法只能使用圖6中的方法實現(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)的均衡作用達到。
式中，
sk 獲得使正常的灰色素值
n 像素個數(shù)
nj 含有j灰色素值的像素個數(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)獲得了對裂口的定向。[11].
式中，
從圖7我們發(fā)現(xiàn)從第二個導數(shù)找零點比從第一個導數(shù)找最大點容易。
圖7 零交點的標記剖面圖
另外，調(diào)和量算子是一個不變量，因此被獲得的裂口是一個封閉的曲線，這對得到一個包括裂縫裂口的區(qū)域是有利的。
作為第2步，因為調(diào)和量算子對噪音敏感，系統(tǒng)使用了剛性的高斯型曲線過濾器。
被發(fā)現(xiàn)的裂口形成了一個溝壑，這被定義為在兩裂口之間的一個最低點，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.
當下列條件滿足時，從一個裂縫裂口到另一個裂口的掃描將被終止。
首先，當另一裂口被穿過時，最低點的位置被獲得并且儲存。然后裂縫的寬度就是從它的最低點到它的裂口。其次，如果當前的象素的灰色度水平比任何其他裂口的高，掃描會停止。最后，當掃描的長度比臨界值長時，掃描被停止。臨界值是在為一次非常有效率的計算作準備因為它能過濾噪音，但是當裂縫的寬度超過臨界值，這個裂縫的信息將被略過。
從圖像中提取出的裂縫信息應該根據(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，第一個搜索方法是歸類法，并且要標記每個裂縫地區(qū)。[12]. 因為圖像是不連續(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)貼標簽時會影響特征的計算。為了解決這個問題，把每部分的斜度計算結(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，它們就會被合并。
4.2.裂縫的圖像搜索法
利用所給的起點和終點，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得到。一幅圖像的象素是由一個象素的節(jié)點和8個附近的節(jié)點連結(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：把所以從起點發(fā)散的節(jié)點輸入到一個隊列中，上述的節(jié)點指針被定義為nA。然后，計算發(fā)散節(jié)點的距離。
第二步：如果隊列是空的，那么結(jié)果就是錯誤的。接著，找出最短的距離的那個節(jié)點nI并把它刪除掉。假如ni=nb，保留上述的指針在每一個節(jié)點和結(jié)果中。
第三步：假如對第二步的結(jié)果不滿意，增大節(jié)點ni并輸入所有的其它的節(jié)點到隊列中。然后，那上述的節(jié)點指針定義為ni并且每個節(jié)點的距離，重復第二步。
這種算法總能找到最佳的數(shù)值.但是，許多節(jié)點的增大可能是因為函數(shù)。為了提高效率，在每一個元件的長度一直保持在一個固定值時，常常采用不增大節(jié)點這個辦法。
4.3.裂縫的測量
并非全部預期的裂縫實際上都是真正的裂縫。引起混淆的因素主要包括建筑層，人為標記，噪音或者一個污點。當他們小得足以被認為是噪音、不長和太窄、或者是太直時，潛在的錯誤區(qū)域會被移除，人們常常認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。當某個區(qū)域由裂口組成時，組成這個區(qū)域的點的寬度將會被計算。界外值尺寸會由中間過濾器的5段長度平均值得到。這是一個整數(shù)中間值。每個區(qū)域的寬度都可以用公式(4)計算。
裂縫的長度是根據(jù)圖像像素的數(shù)量來決定的。在計算后得每條對角線的長度為1.414，豎直和水平線都為1，真正的長度會被照像機校準測量(圖10)。
圖10 裂縫的測量
5.實驗
5.1.實驗安裝
在室內(nèi)的一個墻壁結(jié)構(gòu)上我們做了一個試驗。 車輪上安裝有一臺編碼器的一個移動機器人系統(tǒng)利用照相機獲得墻表面的圖像。機器人能和墻一直保持著一段恒定的距離。 如果移動的機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準焦點，因為我們使用了一臺能自動調(diào)節(jié)的激光距離傳感器。為了防止振動從地板傳到照相機上，裝載照相機的這塊平板被鋼絲繩拴的很穩(wěn)定。圖11就是機器人室內(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顯示了照相機校準的菜單，把輸入的每個象素之間的距離轉(zhuǎn)變成毫米，然后這個數(shù)據(jù)就被系統(tǒng)獲得。照相機的校驗是在一個表面上有黑色的小圓點的盤子上進行的；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償點上的圖片。
圖11 建筑物里的設備安裝
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.實驗結(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被除去。顯示在圖15的右邊的直線會被排除，因為那些線不是真正的裂縫。
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。
因為鐵棒的終點線正好足夠長，但是改成某些形狀后，他們就不會被認為是裂縫了。
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，起點和終點來表達。這篇文章里我們推薦這個裂縫檢查系統(tǒng)，雖然它比較依賴操作環(huán)境的狀況，有一個75-85%的總出錯率。但是它認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)，這幅圖像將會經(jīng)過圖20的判別環(huán)節(jié)后被選出。
這個結(jié)果說明被提議的系統(tǒng)能夠識別裂縫甚至當它們不是足夠長，在形狀上很明顯需要更多的試驗，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結(jié)構(gòu)裂縫檢查系統(tǒng)，這些檢查失誤包括裂縫的錯誤判別，效率低，主觀性大和數(shù)據(jù)管理效率低。系統(tǒng)在室內(nèi)的實驗設置已經(jīng)被證實，包括一個室內(nèi)的建筑物，一條道路隧道和一條地鐵隧道。即使用先進的察覺方法，裂縫和非裂縫的錯誤的識別仍然存在。因此，考慮到要把錯誤的點去掉，半自動化系統(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裂縫的起點和終點。
為了得到一個實用的系統(tǒng)，我們一定要加強對裂縫特性的深度和完全自動化的算法的研究。希望這篇文章能鼓勵這樣的研究繼續(xù)下去。
附件2：外文原文（復印件）
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CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
畢業(yè)設計
論文題目：垂直多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人設計-總體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設計
學生姓名：
學院名稱：
專業(yè)名稱：
班級名稱：
學 號：
指導教師：
教師職稱:
學 歷：
摘 要
機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，垂直多關(guān)節(jié)型機器人是機器人研究領(lǐng)域的熱點。垂直多關(guān)節(jié)型機器人需要結(jié)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(guān)節(jié)型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對機構(gòu)中的重要連接件進行強度校核。
關(guān)鍵詞：機械臂，結(jié)構(gòu)設計，關(guān)節(jié)型機器人，結(jié)構(gòu)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(shù)參數(shù) 10
2.1.1 機械結(jié)構(gòu)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(qū)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(jié)構(gòu)設計 13
第3章 機器人腰部結(jié)構(gòu)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(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 確定齒輪傳動的精度 23
3.4.6 齒輪的校核 24
3.5 殼體設計 27
3.6小結(jié) 27
第4章 手腕詳細設計說明 28
4.1機器人驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(jié) 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(shù)制定的原則綱領(lǐng)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(lǐng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)已經(jīng)廣泛應用于人類生活領(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(lǐng)域。機器人技術(shù)是綜合了計算機技術(shù)、信息融合技術(shù)、機構(gòu)學、傳感技術(shù)、仿生科學以及人工智能等多學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時控制技術(shù)，而且還包括復雜機電系統(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)。
機器人是機器人技術(shù)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(shù)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(gòu)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?qū)ο蟮氖侄危M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(gòu)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(jié)構(gòu)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(lǐng)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(guān)節(jié)及整個系統(tǒng)的功率隨時間的變化關(guān)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(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(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、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(shù)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(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)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(shù)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(qū)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(guān)，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(qū)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(zhuǎn)運行速度一般不超過，
一般應用的直線速度常在 ，
回轉(zhuǎn)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(shù)參數(shù)
2.1.1 機械結(jié)構(gòu)類型的選擇
為實現(xiàn)總體機構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復雜。
d. 又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)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(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(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)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(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(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(jié)構(gòu)復雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)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(jié)構(gòu)坐標型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。
2.1.4 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設計
機器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)，它們常和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運動。通常的機器人驅(qū)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(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(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)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(shù)(PWM)和計算機控制技術(shù)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(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)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(qū)動方式。
常用的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采用電機驅(qū)動是最常用的驅(qū)動方式。電極驅(qū)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(qū)動器。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)，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(guān)節(jié)處的坐標（或轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。
2.2 機器人本體結(jié)構(gòu)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(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)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。
機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。
基座是一個鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié)1的驅(qū)動電機，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)動電機，內(nèi)部裝有對應的傳動齒輪組。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，以改變傳動方向90°。第二、三級均采用圓柱直齒輪進行減速。關(guān)節(jié)2傳動的最末一個大齒輪固定在立柱上；關(guān)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(guān)節(jié)4，5的驅(qū)動電機，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)動電機。關(guān)節(jié)4，5均采用兩級齒輪傳動，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，使傳動軸線改變方向90°。關(guān)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(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。
所設計的機器人本體結(jié)構(gòu)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(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(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，調(diào)整齒輪間隙機構(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計
通過總體分析后,確定了機器人的結(jié)構(gòu)。所設計的腰關(guān)節(jié)部分采用二級齒輪減速傳動。
圖3-1 機器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動器和齒輪傳動機構(gòu)簡圖
3.1 電動機的選擇
設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為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。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
（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 。
設主軸速度為219°/s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(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(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)
開始時的啟動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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
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(zhuǎn)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(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(jié)構(gòu)圖
b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩的軸應按扭轉(zhuǎn)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(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)
判斷危險截面
截面左右的合成彎矩左側(cè)相對右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險截面，只要左側(cè)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(cè)
(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(cè)
(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(jié)果都滿足要求。
B.中間軸設計
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。
圖3-4中間軸結(jié)構(gòu)圖
C. 主軸的設計
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(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(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(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(jié)構(gòu)圖
圖3-6 小齒輪結(jié)構(gòu)圖
3.5 殼體設計
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(qū)動方案的分析和選擇
通常的機器人驅(qū)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(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(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)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(shù)(PWM)和計算機控制技術(shù)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(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)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(qū)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(zhuǎn)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(shù)參數(shù)如下
表4-1 Z型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù)
型 號
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(zhuǎn)動軸的距離(m)。
再求實際轉(zhuǎn)速 n’＝
為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)腕和擺腕傳動比的確定
用同樣的方法，可求得
轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)腕傳動比分配 轉(zhuǎn)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(guān)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(jié)構(gòu)，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(guān)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(zhuǎn)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