垂直多关节机器人臂部和手部设计—毕业设计

垂直多关节机器人臂部和手部设计—毕业设计内容摘要：

末杆 在空间取任意方向。 如果 末杆 的自转角  （即 n ）也满足 00 3600  ， 就说该操作机具有最大的灵活度，即可自任意方向抓取物体并可把抓取的物体在空间 摆成 任意姿态。 为了定量的说明操作机抓取和摆放物体的灵活程度， 定义组合灵度（ dex)为： 000 %%%3 6 0 3 6 0 3 6 0d e x X X X X X X        (21) 上式取加的形式但一般不进行加法运算，因为分开更能表示机构的特点。 腕结构最重要的评价指标就是 dex 值。 若为三个百分之百，该手腕就是最灵活的手腕。 一般说来  、  的最大值取 0360 ，而  值可取的更大一些，如果拧螺钉，最好  无上限。 腕结构是操作机中最为复杂的结构，而且因传动系统互相干扰，更增加了腕结构的设计难度。 腕部的结构设计要求是：重量轻， dex 的组合值必须满足工作要求并留有一定的裕量（约 5%10%），传动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。 驱动装置的选择 机器人驱动方案的分析和选择 4 通常的机器人驱动方式有以下三种 ： a. 电动驱动 电动驱动器 是目前使用最广泛的驱动器。 它的能源简单，速度变化范围大，效率高，但它们多与减速装置相连，直接驱动比较困难。 毕业设计说明书 9 电动驱动器又分为直流（ DC） 、 交流（ AC）伺服电机驱动。 后者多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。 直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。 随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。 b. 液压驱动器 液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设 液压源，而且易产生液体泄露，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。 c. 气动驱动器 气动驱动器的能源，结构都比较简单 ， 但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小（因压力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。 通过比较以上三种驱动方式，因此本课题的机器人将采用电动驱动器中的直流伺服电动机与步进电动机。 因为 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。 而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。 手腕电机的选择 5 a. 摆腕电机的选择 手腕的最大负荷重量1 5m kg初估腕部的重量 kgm 32  ， 最大运动速度V=2m/s，则 功率 8 10 2 160。 P FV m gV W      取安全系数为 ， 39。 160 192。 P P W    考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率 200。 pW额 ＝ 又因为标准周期 T=， 即 m in/ rn  ； 则所需电机的输入转速为 m i n/100010100100 rin  ； 所以选取宽调速永磁直流伺服电动机其技术参数见表 21。 表 21 SZYX82宽调速永磁直流伺服电机技术参数 规格型号 额定功率 额定转矩 额定电压 SZYX82 48V 最高电流 最高转速 允许转速差  10% 转动惯量 1500r/min 150 该电机具有精度高，响应快，调速范围宽，加速度大，力矩波动小，线性度好，过载能力强等特点。 b. 转腕及腕部内电机的选择 根据设计要求转腕部分的电机后紧跟输出轴和联轴器，直接带动手腕旋转，故在此应选择转速较低的型号电机，又由于要求手腕的重量较轻，便于灵活的实现运动，因此要求腕部内电机较小，故选 SH 直流伺服电动机 型，其安装尺寸为 42mm，垂直多关节机器人臂部和手部设计 10 电机重量仅为 ， 可容许速度范围为 0 — 250r/min， 详细参数见表 22。 表 机技术参数 单转轴 保持转矩 转动惯量 额定电流 电压 线圈电阻 35x10 7 kgm 12V 5 基本步距角 减速比 容许转矩 容许速度范围 电机重量 1: 0250r/min 电枢电阻 ： Rs= (Un/InPn/In) 310 ， 求得 ： Pn=。 取 P=15W, T=9550P/n。 求得 n=  = r/min。 传动比的确定及分配 a. 传动比的确定 由电动机的转速可知所需的总传动比为 i=10。 b. 传动比的分配 传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合理。 因此 摆腕传动比分配为：摆腕总的传动比 i总 ＝ 10，该传动为两级传动，第一级传动为圆柱齿轮传 动，传动比 1i ＝ 2，第二级传动为圆锥齿轮传动，传动比 2 5i。 毕业设计说明书 11 3 齿轮的设计 齿轮强度的设计与校核 6 第一级圆柱齿轮传动设计 齿轮 材料 采用 45 号钢，锻造毛坯， 小齿轮调质处理，表面硬度为 210HBS；大齿轮 正火处理后齿面硬度 为 180HBS，因载荷平稳，齿轮速度不高，初选齿轮精度等级为 7级。 取 40202,20 21  zz 则。 a. 设计准则 先按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 b. 按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 3 1][ 121 uuKTZddHEt   (31) 式 中， tK 载荷系数 ,取 tK ； d 齿宽系数 ，取 d ， 2u ； EZ材 料系数 ，取 aE MPZ 。 小齿轮传递扭矩 mmNnPT  12401500/ 661 (32) 大小齿轮的接触疲劳强度极根应力为： MPaH 5801lim  ； MPaH 5602lim  选择材料的接触疲劳极根应 力为： MPaF 2301lim  ； MPaF 2102lim  应力循环次数 N 由下列公式计算可得 hjlnN 11 60 （ 33） 168300150060   则 9912  uNN 接触疲劳寿命系数 NHK , NHK ； 垂直多关节机器人臂部和手部设计 12 弯曲疲劳寿命系数 121  NN YY ； 接触疲劳安全系数 1min HS ， 弯曲疲劳安全系数 FS。 许用接触应力和许用弯曲应力：     1 l im11m in2 l im22m in1 l im 111m in2 l im 222m in580 6381560 5921230 21 307210 21 280HHNHHHNHF STFNFF STFNFZ M PaSZ M PaSYY M Pa M PaSYY M Pa M PaS             将有关值代入（ 31）得：  2131223 1240 2 242tEtHdKTZ udummmm     计算圆周速度 : smndv t / 150042100060 111    计算载荷系数 :动载荷系数 Kv=；使用系数 1AK ；动载荷分布不均匀系数K ；齿间载荷分配系数 1Ka ， 则  KaK v KKK AH 。 修正 mmKKdd tHt 3311  ； mmmmzdm  ； 取标准模数 mmm 2。 c. 计算基本尺寸  mmdbmmzzmammmzdmmmzdd 602 8040280402402021212211 取 1 32b mm mmb 222  毕业设计说明书 13 d. 校核齿根弯曲疲劳强度 齿形系数 FSY ， FSY ， 取 Y ， 校核两齿轮的弯曲强度  YYmzKT FSdF 1321 11 2 （ 34） MP 32   =[ 1F ]  21212 FFSFSFF MP aMP aYY   所以齿轮完全达到要求。 由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，将小齿轮做成齿轮轴。 圆柱齿轮的几何参数见表 31。 表 31圆柱齿轮的几何尺寸 名称 符号 公式 分度圆直径 d mmmzd 4020211  mmmzd 8040222  齿顶高 ah mmmhah a 221   齿根高 fh mmmChh af )()(   齿全高 h mmhhh fa  齿顶圆直径 1ad mmhdd aa 44211  mmhdd aa 84222  齿根圆直径 1fd mmhdd ff 35211  mmhdd ff 75222  基圆直径 1bd mmdd b o s11   mmdd b o s22   齿距 p mmmp   齿厚 s mmms   齿槽宽 e mmme   中心距 a mmdda 602/)( 21  顶隙 c mmmcc   垂直多关节机器人臂部和手部设计 14 第二级圆锥齿轮传动设计 齿轮 材料 采用 45 号钢， 小齿轮调质处理表面硬度为 210HBS；大齿轮正火处理后齿面硬度为 180HBS， 齿轮精度等级为 7 级。 取 1 0 0205,20 21  zz 则。 a. 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 b. 按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度的设计表达式 3 2121 )(4][ uKTZZdRRHEHt   (35) 其中， 取   ， 5u ； aE MPZ  ， HZ ； mmNnPT  9550200 661 选择材料的接触疲劳极根应力为： MPaH 580lim1  ； MPaH 560lim2  选择材料的接触疲劳极根应力为： MPaF 230lim1  ； MPaF 210lim2  应力循环次数 N 由下式计算可得 atnN 11 60 168300202060   则 9912  uNN 接触疲劳寿命系数 NZ , NZ ； 弯曲疲劳寿命系数 121  NN YY ； 接触疲劳安全系数 1min HS ， 弯曲疲劳安全系数 FS ,又 STY ， 试选tK。 许用接触应力和许用弯曲应力： 毕业设计说明书 15      M P aM P aYSYM P aM P aYSYM P aZSM P aZSNFSTFFNFSTFFNHHHNHHH280122102230158015802m i nlim221m i nlim112m i nlim21m i nlim11。