五自由度工业机器人结构设计(编辑修改稿)

五自由度工业机器人结构设计(编辑修改稿)内容摘要：

个移动关节。 以θ ,φ ,y 为坐标，位置函数为 P =f (θ ,φ ,y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。 (d)关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型 (SCARA 型 )机器人。 前三个关节都是 回转关节，特点是动作灵活、工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。 本文设计的机器人为关节坐标型。 第三，按驱动方式分类可分为： (a) 气压驱动； (b) 液压驱动； (c) 电气驱动。 电气驱动是 20世纪 90年代后机器人系统应用最多的驱动方式。 它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。 本文设计的机器人三个关节均使用电气驱动。 第四，按用途分类可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。 本文的机器人为实验演示用途的机器人。 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 9 机器人手臂结构方案设计 手臂的总体设计是工业机器人设计的首要问题，主要有包括总体方案设计和基本技术参数设计。 方案功能设计与分析 机器人手臂自由度的分配和构形 手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。 为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。 手臂的结构形式有多种，常用的构形 如图 2－ 1所示。 图 21 几种多自由度机器人手臂构形 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 10 本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。 综合考虑后确定该机器人具有五个自由度，其中手臂三个自由度，手爪部分二个自由度，由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间 (手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比 )和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。 旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。 这里机器人手臂使用了三个旋转关节，综合各种手臂构形，最后确定其结构形式 为图 2－ 1中的第一种形式，此手臂决定了末端执行器在空间的位置。 关节型机器人手臂有三个转动关节，通常腰关节的转轴是铅垂的，手臂在水平面内可绕腰关节轴转动，肩关节和肘关节的转轴平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面内转动。 由三个转动关节构成的关节组联接在小臂杆的端部，模拟人的手腕，决定末端件的姿态。 在运动学结构上，这类机器人最像人的手臂，因而结 构最紧凑，柔性最好，可达空间最大，它甚至可以绕过障碍物到达目标点，因而是机器人中最有前途的一种。 但由于三个关节都是转动的，故臂端的分辨率完全取决于它在工作空间中的位置。 另外，位置精度也较差。 机器人手臂结构方案的对比分析及选择 参考国内外工业机器人的典型结构 [17]～ [ 23]，初步对各个回转关节的结构单独分析。 (1) 腰部回转关节 图 22 腰部回转示意图 1 图 23 腰部回转示意图 2 方案一： 如图 2－ 2所示，电机安装在底座下面，其输出轴经谐波减速器减速后，直接带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 11 方案二：如图 2－ 3所示，电机安装在底座上面，其输出轴先经谐波减速器减速，再经一对齿轮减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。 两种方案在传动实现上，都是可行的。 均采用了减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的谐波减速器。 虽然方案二在安装和维修方面优于方案一，但是方案一的传动结构简单一点，而且少了一对普通直齿轮，其整体结构并 不复杂，电机经谐波减速器减速后，速度己经较低，噪音问题不突出。 故综合考虑，腰部回转关节选择方案一。 (2) 大臂和小臂回转关节 第一关节输出轴大臂小臂手腕大臂回转电机及EPL减速器小臂回转电机和EPL减速器手腕回转电机手爪回转电机及谐波减速器手爪主视图 左视图 图 24 大臂﹑小臂﹑手腕和手爪回转示意图 大臂和小臂回转都是通过 EPL减速器减速后直接带动来实现的，且结构简单，通用性强，成本低，安装方便。 由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间 (手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比 )和绝对工作 空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活 ,结合本课题的实际条件，因此 ,大臂、小臂手腕和手爪回转关节选择方案是合理的。 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 12 3 机器人的结构设计 整体受力图 结构设计计算 腕部回转关节的设计 步进电机的选择： 腕部旋转由步进电机直接驱动，设手爪及物体的最大当量回转半径 R=50mm，手爪及物体的总重量 m=,则其转动惯量 2221 0 0 3 1 2  设机器人手部角速度 W1从 0加速到 420/s所需要的时间 t=,则其角加速度211 /  负载启动惯性矩（不计静磨擦力矩） mNJT  。 由于步进电机不具有瞬时过载能力，故取安全系数为 2（不同），则步进电机输出的启动转矩 mNTT O U T  1 1 4 5 1。 由于 outT 必须小于步进电机的最大静转矩，所以选择如下二相步进电机： 型号 :42HSM02。 最大步距角保持转矩为 ，步矩角 176。 ，质量为 . 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 13 腕部俯仰关节的设计 步进电机的选择 腕部俯仰是由步进电机通过同步带机构驱动的，手爪回转装置及物体的重心到回转中心的距离 mml 751  ，腕部当量回转半径 mmR 30 ，腕部回转电机到回转中心的距离mml 573  ，则腕部俯仰时其转动惯量2222332221120 0 0 9 0 0 0 9 0 0 4 0 1 0 5 7 mkglmRmlmJ式中， 1m —— 手爪回转装置及物体总质量约为 2。 5kg。 2m —— 腕部总质量约为。 3m —— 腕部回转电机的质量。 设机器人腕部俯仰角速度从 0 加到 s/300 所需时间 t=,则腕部俯仰角加速度 22 /  ， 腕部俯仰启动惯性矩 mNJT   负载静转矩（静磨擦力矩忽略不计）。 mNglmm g lM331静 由于 静M 2T ,故惯性矩忽略不计，则腕部俯仰总转矩 mNMT 。 同步带的传动效率 . 同步带的传动比为 1。 则步进电机输出的启动转矩为9 0 2  iTT out  所以，选择如下四相混合式步进电机： 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 14 型号： 86HS38；最大静转矩：。 mN 步矩角： 176。 质量： 2。 6kg. 同步 带和轮的设计 腕部俯仰关节是通过二级同步带传动的，第一级同步带的轴矩为 300mm，第二级为150mm. ⑴求设计功率 dP ，由于前面已考虑到了安全系数，所以 wppd  ，wppd 。 ⑵选择带的节矩 bP 从文献 [8]，图 36。 1— 22可知带的第一级节矩代号为 L，对应节矩 bP =. 第二级节矩代号为 XL，对 应节矩 bP =. ⑶确定带轮直径和带节线长 pL 由表面 36， 173知，带轮最小许用齿数 ,12Z 考虑到制造和安装等因素，取 Z1=12，202 Z ，两级传动比都为 1，带轮的直径   Zpd b   Zpd b 则带长 L可表示为 202 daL  由表面化 ： 带长, PL 代号 285，齿数为 76。 PL ，带长代号为 210，齿数为 56。 ⑷实际轴间矩 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 15 221011 pLaa 取 1a =305。 2022 aa 取 2a。