五自由度机器人结构设计说明书[带图纸

五自由度机器人结构设计说明书[带图纸内容摘要：

76。 手指开合：177。 5～ 10176。 抓重 Kg 运动速度、控制精度的确定 因为本系统是教学演示用的，为节约资金，对速度和精度要求较低。 控制系统的确定 本 系统采用 89C51 单片机控制，臂部伸缩、回转、腕部升降、手爪开合采用步进电机开环控制；腕部回转和手爪回转采用直流电机闭环控制，毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 其中步进电机采用单电压恒流源驱动，由单片机直接发出控制脉冲信号。 腕部的闭环控制采用直流力矩电机加装光电码盘实现，显示部分采用 LCD 液晶显示模块。 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 第 3章 结构设计及计算 本章将详细设计机器人系统的具体零部件，完成装配图和全部零部件图的设计工作，也将完成一些标准器件（如电机）的选型工作。 我们将按结构分块，分步进行设计，阅读本章是请参考总装图及零部件。 手部夹持器的结构设计 手部夹持 器的结构设计 概述 机器人的手部是最重要的部件。 从其功能和形态上看，分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。 目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。 工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工作或工具的部件，由于被握持工件的形状，尺寸，重量，材料及表面状态的不同，其手部结构也是多种多样的，大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按起我持原理的不同，常用的手部夹持器分为如下两类： ，包括内撑式和外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。 ，包括气吸式和磁吸式等 手 部的结构和手指形状的确定 在本系统中，抓重为 5N,手指开合。 我们决定选择滑槽杠杆支点回转手部。 这种结构可通过各杆之间的角度或杆长，该变握力的大小及指间的开闭角。 其优点是结构简单，动作灵活，夹持范围大，这种手部的结构比较简单，工作原理清晰易懂，也是机器人较常用的结构，这些都合乎教学演示的要求，缺点是工件直径误差会引起夹持后工件的中心发生移动。 指端采用V 块型式，也是机器人手指形状中较常用的形式，争取到手部能从腕部方便地装拆，以提高通用性。 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 下图是本系统的手部结构示意图，具体结构和零部件尺寸见图纸 图 31 手部结构简图 手部驱动力的计算和电机的选择 我们先做手指工作时的简图，然后做力的分析 握力计算 由初始设计可知， G=5N 则 N= 3K 179。 G 3K ——方位系数，他与手指和工件的形状，以及手指夹持攻击的方位有关。 此处，按手指是水平放置，夹持垂直的工件， V 型指端夹 圆形棒料的情况考虑。 取 3K =f = = 其中 θ —— 型手指半角 ，由结构设计可知 tgθ = 故θ =70176。 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 f—为其与工件的摩擦系数，取 所以 N =K3179。 G=179。 5=(N) αφ 图 32 滑槽杠杆式手部受力分析 上图是滑槽杠杆式手部结构及受力分析间图。 丝杆通过销轴的向上的拉力（驱动力）是 P，作用与手指上的力，其方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2。 滑槽对销轴的反作用力为 P1 和 P2。 且其延长线交 A 、 B 点，由于∠1O OB 和 ∠ 2O OA 为直角，故 ∠ AOC =∠ BOC = α。 根据轴销的力平衡条件得： P1=P2； P=2179。 P1179。 cosα 由手指的力矩平衡条件得： 1P h=N179。 b 因为 1P = P1 ， h= αcosa 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 所以， P= 2b cos2 α179。 N179。 a 式中， a ——手指的回转支点到对称中心距离 α ——工件被夹持时，手指的滑槽方向与两回转支点线间的夹角，结构设计时取 a =25 mm ， b =35mm α = arctg17/25 = 176。 所以，销轴或螺母所受力（驱动力的反作用力） P = 2b cos2 α179。 N179。 a =（ N） 考虑工件在加工过程中产生的惯性力、震动及传力机构效率的影响，其实际的驱动力为： Ps ≥ P179。 η 21 KK 其中： K1——安全系数，一般取 ——， K2——工作情况系数，且 K2=1+a/g A:机构的加速度。 η ——机械效率 Ps≥ P179。 η 21 KK=   　 =(N) 扭距计算 我们先来计算一下螺旋升角。 校核一下此丝杆，螺母机构是否满足自锁条件。 根据结构尺寸，丝杆的公称直径 d=12mm 螺距 t=2mm 螺纹头数 n=1 所以，丝杆中径 d2==11mm 螺纹 升角 λ = arctg 2 dtnπ =arctg 21  =176。 螺纹的当量摩擦角 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 ρ v= arctgγcosf = rctg=176。 其中： f,是摩擦副间的摩擦系数取 γ 是螺纹牙形半角取 15176。 λ ρ v 所以，此丝杆螺母机构可安全自锁 下面来计算驱动力距 Tq=T1+T2+T3 其中 T1—螺旋副摩 擦力矩 T1=F179。 (d2/2)179。 tg(λ +ρ v) (Nm) F – 螺旋副轴向载荷 ,N D2—螺旋副中径 ， M ρ v ——当量摩擦角 λ ——螺旋升角 T2(T3)是端面摩擦力矩，此处不计 故 Tq=T1= F179。 (d2/2)179。 tg(λ +ρ v) =179。 (11/2) 179。 tg(176。 +176。 ) = 电机的选择 至此，根据上述计算，我们得出了丝杆上应具有的扭 距， 据此，根据步进电机产品样本手册，选用 45BF003 型电机可以满足要求 . 腕部结构设计 概述 腕部是臂部和手部的连接部件，其作用是在臂部运动的基础上，进一步改变或调整手部在空间上的位置和方向，从而增强手部的灵活性，扩大手部的工作范围。 腕部应具有独立的自由度，为使手臂能出于空间的任意方向，腕部应具有回转，上下俯仰和左右摆动三个自由度，多数 情况下，工业机器人和机械手的腕部应具有一个或两个自由度，即回转或回转上下俯仰（左右摆动） 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 腕部结构设计 本系统的腕部结构向其他机器人一样，也是整个结构中最复杂的一部分，将臂 部的升降改在腕部实现，是为了整体结构小型化，同时增加腕部的灵活性。 具体结构参照总装图 . 一、腕部设计计算 腕部转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动，均是回转运动。 驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕启动所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支撑处的摩擦力距，动件与缸壁、端盖等处的摩擦阻力距，以及由于转动件的重心与转动轴线不重合时所产生的偏重力距。 而对于本系统来说，参与手腕转动的零部件很多，如果每一件都去校核的话，即太烦琐，也没有必要。 所以我们将整个回转部件分为 4 个部分。 1）转轴， 包括与之相连的螺母、垫母、轴承内圈等。 2）手部电机，包括电机罩等。 3）手部换向变速箱，可将它视为 65*65*70mm 的一个重 的长方体。 4）手指工件，可将它看成是一个 70*60*50 的长方体，重 公斤，重心位置距回转轴线为 65毫米，由此，手腕回转驱动力矩 Mq=Mg+Mm+Mf 其中： Mg ——惯性力矩。 Mp ——参与转动的零部件的重量对转轴产生的偏重力矩。 Mm ——手腕的转动轴与支撑处的摩擦力矩。 Mf ——手腕密封装置处的摩擦阻力矩。 下面我们分别计算上述四个力矩。 （ 1）手腕启动时产生的惯性力矩， Mg 设 手腕转动的角速度 ω = π /6/s 启动过程时间为 △ t = 则 J1=1/2179。 M1R2 电机罩及电机可看作一个半径是 50mm，重 公斤的圆柱体。 则 J2=1/2179。 M1R2=1/2179。 179。 (0..5/2)2 变速箱的转动惯量 J3=1/2M3(a2+b2) 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 =1/2179。 179。 (0..652+0..652) =179。 103 kgcm2 手部机构的转动惯量 J4= 1/2M4(a2+b2 )+M4e2 =1/2179。 179。 (+)+179。 =179。 103 kgcm2 由此可知， Mg=(J1+J2+J3+J4) 179。 ω / △ t =(+++) 179。 π /6/ =(NM) （ 2） 摩擦力距， Mm 先估算两轴承部位所受的压力。 图 33 则根据力的平衡， 所以， N 25  = 再考虑其他因素影响，附加一定系数， 可令， N1=N2=35（ N） 又由轴承部位尺寸， 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 D1= D2= 所以， Mm=f/2179。 (ND1+N2D2) =() 179。 35179。 (+)=(NM) （ 3）偏重力矩， Mp 根据结构设计知，其余部分重心在回转轴线上，因此不产生偏重力矩，只有手爪部分产生偏重力矩， 所以， Mp=G4179。 e=179。 179。 =(Nm) (4)密封 处的摩擦阻力距 本系统是电机驱动，对密封没有严格要求，这部分阻力距可以咯去不计。 综上所述，考虑一定的安全系数。 有 Mq=179。 (Mg+Mm+Mp) =179。 (++)=(Nm) 据此数据，可选用 60LY003 型直流力矩电机。 二、腕部升降的设计计算 首先，校核螺旋副的自锁性。 根据结构设计，公称尺寸 d=18mm, 梯形螺纹牙型角 α =30176。 ,螺距 t=4mm, 中径 d2==179。 4=16mm 螺旋 副为钢 ——青铜，取摩擦系数 f= 所以，当量摩擦角 ρ v= arctg）α 2/cos(f = arctg  =176。 摩擦角λ = arctg 2 dtnπ = arctg 41  =176。 λ〈ρ v ，满足自锁条件。 下面来计算腕部升降所需的驱动力 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 手腕腕部结构 图 34 腕部结构受力分析 上图给出了整个腕部的受力情况。 随着腕部的移动 ,由腕部结构的重量Gw，手指和工件的重量 Gs 将在 A 、 B 两点形成压力 N N2，从而形成摩擦力 F1和 F2,而电机提供的力矩应能克服 F1 F2腕部所有结构的重量 Gqw。 由力矩平衡得： N1179。 30=Gw179。 44+Gs179。 (65+44) 估算 Gw= Gs= Gqw=35N 所以 ,N1=N2= 30 10944  GsGw = 30 10  =(N) F1=F2=N1179。 f=179。 =(N) 所以加在螺母上的全部轴向力 P=Gqw+2F1=35+2*=(N) 考虑启动时的惯性力、震动和机构效率的影响，其实际的驱动力 PSJ≥ P179。 ηK21K 其中 K1——安全系数，取 K1= V～ K2 ——工 作情况系数，取 K2=1+a/g a: 机构的加速度 η ——机械效率 取η = 所以驱动力矩为 Tq= PSJ179。 (d/2)tg(λ +ρ v)/1000 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料。