水平多关节机器人总体及腰臂部设计.doc

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1、盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007目 录1 前言11.1 课题来源与分析11.2 国内外发展及研究现状11.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路32 关节型机器人的总体设计42.1 确定基本技术参数42.1.1 机械结构类型的选择42.1.2 额定负载42.1.3 操作机的驱动系统设计52.1.4 确定关节型机器人手臂的配置形式52.2 关节型机器人本体方案设计63 关节型机器人腰部及大臂部设计83.1 电动机的选择83.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比103.3 基座及腰部轴的设计计算103.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率103.3.2 轴的结构设计113.4 肘关

2、节轴的设计计算163.5 齿轮设计计算173.5.1基座处齿轮设计计算173.5.2肘关节处齿轮设计计算203.6轴承的选择和计算223.7 壳体设计233.7.1 箱体的主要功能233.7.2 箱体设计的问题和要求233.7.3 壳体结构的设计243.7.4 箱体结构参数的选择244 关节型机器人的位姿分析264.1 机器人的位姿与运动分析264.2 关节型机器人的广义连杆变换齐次矩阵265结论29参考文献30致 谢31附 录321 前言1.1 课题来源与分析 本课题来源于生产实际。要求设计的机器人具有5个自由度： 大臂旋转；小臂旋转；腕部的升降； 腕部的旋转； 手部的夹紧与松开。其中要详细

3、地设计机器人腰部和大臂的结构。整体机器人要实现腕部最大负荷5kg，最大速度2m/s，最小工作空间范围550mm 。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。特别是在20世纪20年代前后,捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。在现实生活中,一些民间工匠根

4、据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。1954年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了适用于重复作业的通用性工业机器人一文,并获得了美国专利。戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起,预定的机械手动作一经编程输入后,机构就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工

5、作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。因此，这种机器人的主要技术就是“可编程”以及“示教再现”。机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。为了能够更好的节约人力、物力、财力。为此本课题设计了水平多关节机器人。1.2 国内外发展及研究现状国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势a.工业机器人性

6、能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。b.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。c.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维护性。d.机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来

7、进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。e.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。f.当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是治理于操作者于机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。g.机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。国际机器人研究在经过

8、了80年代的低潮之后,呈现出复苏和继续发展的形势;我国的机器人研究在国家“七五” 、“八五”及863计划的推动下也取得了很大的发展。在70年代的机器人浪潮相比,现在的机器人研究有两个特点:一是对机器人智能的定位有了更加符合实际的标准,也就是不要求机器人具有像人类一样的高智商,而只是要求机器人在某种程度上具有自主处理问题的能力。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制技术硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有1

9、30多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全

10、面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果，其中最为突出的是水下遥控机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、声觉、触觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在

11、“十五”后期立于世界先进行列之中。1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路本课题要解决的问题有以下三个：a.确定机器人的型式、传动方案及其总体结构；b.提高大臂动作的精确性；c.腰部和大臂处二个自由度的实现。针对上述问题有了以下设计思路：a.在基座处安装一个直流饲服电动机,带动基座处齿轮的转动；在大臂处安装一个直流饲服电动机，依靠齿轮的转动带动小臂的旋转。b.提高传动的精度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差。c.基座处电机经一对圆柱齿轮传动带动主轴旋转，从而带动大臂的旋转。大臂处电机经二对圆柱齿轮传动，实现小臂的的旋转。机器人是一多自由度组成的高精度空间运动机械，所以必须具有运

12、动的灵活性和准确性，以及动态性能的平稳性。因此，机器人与普通机械设备相比，除满足强度、刚度、可靠性之外，还必须具有轻巧灵活的构形和良好的动态性能，其设计步骤可归纳：a.作业分析 列出作业时序表，画出空间位姿图；b.方案设计 确定动力源、机型、传动方式和速比、运动范围；c.结构设计 关节及杆件的结构设计，传动配置及其结构设计；d.施工设计 绘制全套零件图。2 关节型机器人的总体设计2.1 确定基本技术参数2.1.1 机械结构类型的选择为实现总体机构在空间的位置提供的5个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案：a.圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个

13、自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。 b.直角坐标型 直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性差。c.球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。d.关节型

14、 关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大笔和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠近基座的物体。e.平面关节型 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，

15、特别适合小规格零件的插接装配。对以上五种案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活方性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：关节型机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高。2.1.2 额定负载目前,国内外使用的工业机器人中,其负载能力的范围很大,最小的额定负载在5N以下,最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。本课题的任务要求是保证手腕部能承受的最

16、大负荷是5kg。 2.1.3 操作机的驱动系统设计对机器人驱动装置的一般要求如下:a.驱动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率(即功率/重量比)要高，率也要高；b.反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大；c.动作平滑，不产生冲击；d.控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；e.安全可靠；f.操作和维护方便；g.对环境无污染，噪声要小；h.经济上合理，尤其是要尽量减少占地面积。关节型机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一体，驱动臂杆和载荷完成指定的运动。通常的机器人驱动方式有以下四种: a.步进电机 可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉

17、；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。 b.直流伺服电机 直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。c.交流伺服电机 交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字

18、控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。d.液压伺服马达 液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。在这次设计中我选择了直流伺服电机作为驱动器。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、侍服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。2.1.4 确定关节型机器人手

19、臂的配置形式手臂的配置形式反映了机器人操作机的总体布局。根据任务要求,要实现机器人焊接功能,则机器人的工作范围要广,所以我选择了立柱式的配置方式。其特点是占地面积小,工作范围大,机器人手臂可绕立柱回转。本设计的机器人为水平多关节机器人，五个自由度包括大臂的旋转、小臂的旋转、腕部的升降、腕部的旋转、手部的夹紧与松开。为了使机器人的手臂转动，所需要的最大转矩是当手臂呈水平状态，设各部分的尺寸和重量如图2-1所示。图2-1 水平多关节机器人手臂重量分配根据分析,可将机器人的参数列在表2-1中。 表2-1 关节型机器人的主要参数项目技术要求结构型式关节型自由度数5最小工作范围550mm项目技术要求驱动

20、方式直流伺服电动机重复定位精度0.1mm操作方式示教再现安装环境546;(2090)%RH2.2 关节型机器人本体方案设计图2-2是机器人本体机械传动系统的简图。机械传动系统共有10个齿轮，均为直齿圆柱齿轮, 为了实现减速和实现转动。机器人主要由立柱与基座以及大臂、小臂、手腕组成。基座是一个铝制的整体铸件，其上装有关节1的驱动电机，在基座内安置了关节1的回转轴及其齿轮组等，齿轮采用一个螺钉固定在电机1的输出轴上，带动齿轮转动，从而带动腰部主轴转动。腰部主轴采用螺钉与大臂固定。大臂和小臂的结构形式相似，都由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶接而成。内部铸件既作臂的承力骨架，又作内部

21、齿轮组的轮壳与轴的支承座。图2-2 关节型机器人传动原理图大臂上装有关节2的驱动电机，内部装有对应的传动齿轮组。关节2采用了二级齿轮减速，其中这二级齿轮均采用直齿圆柱齿轮进行减速。关节2传动的第一个齿轮是直接用一个螺钉固定在电机输出轴上，最末一个大齿轮采用轴承与轴承挡板及其一个螺钉与小臂连接。机器人本体结构特点如下：a.内部铝铸件形状复杂，既用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座，又兼作承力骨架，传递集中载荷。这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体质量减轻。手臂外壁与铸件骨架采用胶接，使连接件减少，工艺简单，减轻了质量。b.轴承外形环定位简单。一般在无轴向载荷处，载荷外环采用端面打冲定位的方法。c.

22、采用薄壁轴承与滑动铜衬套，以减少结构尺寸，减轻质量。d.有些小尺寸齿轮与轴加工成一体，减少连接件，增加了传递刚度。e.大、小臂，手腕部结构密度大，很少有多余空隙。如电机与臂的外壁仅有0.5mm间隙，手腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间。这样使总的尺寸减少，质量减少。f.工作范围大，适应性广。PUMA除了自身立柱所占空间以外，它的工作空间几乎是他的长臂所能达到的全球空间。再加之其手腕轴的活动角度大，因此使它工作时位姿的适应性强。g.由于结构上采用了刚性齿轮传动，调整齿轮间隙机构，弹性万向联轴器，工艺上加工精密，多用整体铸件，使得重复定位精度高。3 关节型机器人腰部及大臂部设计 经过总体分析后，确定了机器人的结构。所设计的腰部和大臂处的结构如图所示：基座采用一级齿轮传动减速，大臂采用二级齿轮传动减速。图3-1 关节型机器人腰部和大臂处齿轮传动机构简图7