五自由度工业机器人结构毕业设计

五自由度工业机器人结构毕业设计内容摘要：

今的一个研究热点，有着一定的发展空间。 工业机器人轨迹规划研究的现状与意义 机器人轨迹规划属于机器人底层规划，是在机械手的运动学的基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动过程中的轨迹规划和轨迹生成方法。 所谓轨迹是指机械手在运动过程中的位移、速度和加速度。 而轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。 首先对机器人的任务、运动路径和轨迹进行描述。 例如，用户给出手部的目标位姿 ，规划所要完成的任务是 :确定到该目标的路径点、持续时间、运动速度等轨迹参数，并在计算机的内部描述所要求的轨迹，即选择习惯给定及合理的软件数据结构。 最后，对内部描述的轨迹，实时计算机器人运动的位移、速度和加 速度，生成运动轨迹。 轨迹规划既可在关节空间也可在直角空间进行，但是所规划的轨迹函数都必须连 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 7 续和平滑，使得操作臂的运动平稳。 用户根据作业给出的各个路径点后，路径规划的任务包含 : 解变换方程 (运动学正解 )、进行运动学反解和插值运算等；在关节空间进行规划时，大量工作是对关节变量的插值运算。 因此 ，对于插值算法的研究是机器人 轨迹规划的一个重要方面 [15]。 本文研究的意义及主要内容 我们所设计的五自由度工业机器人，可以为进一步研究工业机器人的工作原理和工作过程奠定一定的基础。 将其作为《机器人学》 、《机器人技术基础》及《机电一体化系统设计》课程及机械电子工程专业等机电结合的综合教学实验设备，不仅可以使学生在轻松愉快的氛围中充分理解相关课程的专业知识，而且可以激发学生的专业学习兴趣，树立系统的工程概念，培养其独立开展科学研究的能力。 因此，本机器人的研制成功，对机电一体化专业教学及 科研有着十分重要的意义。 学习了机器人技术知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。 在此基础上，结合本人的设想，和设计工作中需要解决的任务，本文主要研究机器人总体结构进行设计，主要进行以下工作 : 本体结构设计，本机器人手臂结构方案确定后要运用 AutoCAD 和 Pro/Engineer 软件把其平面装配图及其立体图做出。 2 机器人本体结构方案的设计 机器人的工作要求 主要设计参数如下 自由度数目： 5个 机械机构形式：立式 关节型 作业半径： 650mm 负荷能力： 2kg 重复定位精度： +/ 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 8 驱动电机：步进电机 最大重量 : 40kg 机器人机械设计的特点 机器人独特的结构特点 (1) 关节型工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个开式连杆系。 为实现要求的坐标运动，在大多数工作时间内，连杆系末端是无法加以支撑的，因而操作机的结构刚度差，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。 (2) 在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。 这和普通的 连杆系不同，在普通连杆系中，所有的连杆运动都出自同一驱动源，各连杆间的运动是互相制约的。 由于操作机连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而操作机的运动更为灵活。 (3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化是非常复杂的，且和执行件反馈信号有关。 连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。 本文所用的三个关节驱动是步进电机驱动，属于开环控制型。 (4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动 或出现其它不稳定现象。 从以上特点可见，一个好的机器人设计应当使其机械系统的抓重 —— 自重比尽量大，结构的静动态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。 人类的手臂是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标 [16]。 与机器人有关的概念 以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。 (1) 自由度 (Degrees Of Freedom , DOF)：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。 相应地，以 转动副相连的关节称为转动关节。 以移动副相连的关节称为移动关节。 在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。 主动关节的数目称为机器人的自由度。 本文设计的机器人是 5DOF机器人。 (2) 工作空间 (Work Space)：工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。 由于工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小，因而它对于机器人的应用是十分重要的。 (3) 机器人的分类 ,机器人分类方法有多种。 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 9 首先，按机器人控制方法的不同，可分为点位控制型 (PTP)，连续轨迹控制型 (CP)： (a) 点位控制型 (Point to Point Control)：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。 例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。 本文的机器人就属于 PTP型。 (b) 连续轨迹控制型 (Continuous Path Control)：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。 其次，按机器人的结构分类，可分为四类： (a) 直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。 缺点是占地面积大、工作空间小。 (b) 圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以θ , r, z为坐标，位置函数为 P=f (θ , r, z)，其中， r是手臂径向长度， z是垂直方向的位移，θ是手臂绕垂直轴的角位移。 这种形式的机器人占用空间小，结构简单。 (c) 球坐标型：具 有两个转动关节和一个移动关节。 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。 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。 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 10 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 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 (手腕可达到毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 11 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。 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毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 12 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。