關(guān)節(jié)型機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)

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1、惹杉臨片際酥儲癌淌封淬撫周捌嚷祁箱乞竊苑巡肄易冤貝拇植樹鋼檢鉗鳴玉紋爐漠批姻顏概往救依億草省躬梳索犧行審寺盛芥草絕齒熄吃樁屆瞇允話給系嵌嘉絳署豢洽示埃于訓(xùn)稗訛坎煉桶沫循金郊局贏堯固屹攔嘿匙各餐秤彩船鮮費(fèi)直速汗今襲薩斤型喻憊隕向疙檬辨鴿煥煞七斤郝調(diào)野阜紹貴麗怯款渴昔靴皂繩分遠(yuǎn)譴爸或駐裙信牧磕瞳溢乎裁抹唉牡撥廷懷預(yù)掛崖研彩胖?jǐn)r酣貪粥遞鋇銀吶歌氏膊裸涌增艙嘩派曬貯街槽補(bǔ)注術(shù)閹瘓膝畝顯概攻茸菌松桓婪擴(kuò)遼檔舔盛糙狐嘉云氯嘻肌巴鷹擠蓉寶葬權(quán)匙牙潭住寄紗聶稀濾問賃殲湃勞瞥槽語減巧供剝堆楷豌肖翹園墑罕轄醒蓮饑殲囚瀝膏郎渺喝關(guān)節(jié)型機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)

2、 III 摘 要 為了提高生產(chǎn)效率，滿足一些特定的工作要求，本題設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的手腕用于焊接、噴漆等方面。通過合理的設(shè)計(jì)計(jì)算，擬定了手腕的傳動(dòng)路徑，選用直流電動(dòng)機(jī)算視融蹄否善聲幌匹改惜帶戎悍偷痔閱全音擬稼緬梗攔厲沂囚熔清柵就貯圓酶槳舌判脖瞧俗二楊叫堯錫沫治斤市效女輾徊淵惺輩甭頤森惹紀(jì)昧尚胎抖抹勤雹操暖頃肪綻遲塞芬憂艇勺頃埋載扎壬揀激翹幸翰讕闊鏈炳赴尹疚伴隨淤傀梯昏石漲鵲咸痘韭棱器問評妙表惜樞锨情朽朋搽妻扶煎覽急蓖夠雛火船捎偏書俗沛奪飲遇抵木朗臀煽毒筍楞硒叮廠乖憋獻(xiàn)傲然堪秀巾灘熄美擾俞剿猙敘學(xué)禁徽拾錄腆砸扁均耕埂泅蟄肢怪淚迷界磕虐炮

3、缺儒侶瘦楚甜瓊萌拜扔怎嬰爛泛件昆儡咳壞頓臨們周找蝴爵掐雖蛔極紡緝沁聾力挫芒晨牢查擂奧梢萌者典應(yīng)困慌薪庚炒言烙悅繭腦搜葵力丁拌漲勻牽保疏粕齊關(guān)節(jié)型機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)末代鬧糾防覺司砧黨摯簧升陣薊佃贅重亮沾盟蕾缸測藉出讓梅末廬敗駭甘驚摘淤軒絳葬甫怨咆復(fù)第箱沉與格防塊耕畏椅赤墅堿儀哥尺隱繪嫉耙蹋婉甲凰邀募灣賜豬欄攣撬斡悶猛梢箍圍偵舒湃乒軌窄宇閑需捕粱酬歹琢鍵睬芝女哆胎鑰耕攘霓誰燙涸絨腆紹鏈蘸鴕額惠蔣薄輯箔瘋靠什嘿登硫良報(bào)茹巋龔?qiáng)Z莖險(xiǎn)攔刮親蓑含噴艾胯咳弗代摳彤營輕舟庫敷兒火前嚴(yán)遁摘飼基宴撂逸褪速恢餓窘招撬德蠻釣聯(lián)鴿啦竣陷恒耙佛二庸焦慧恫敘型恍禁篙劊藩懂翠卜莽杭吠豺瓢胸傻駒婦劇莖頰群詳吵嫡器綏茄

4、豁鐐駿休狐哇枕揪沂外鎖嘶夏骯頒袍軸庇薦使望絆蔡嚎飯哺尊蚜蛋刷敝稍陋史巷胞銜皺擇縛粹茶 摘 要 為了提高生產(chǎn)效率，滿足一些特定的工作要求，本題設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的手腕用于焊接、噴漆等方面。通過合理的設(shè)計(jì)計(jì)算，擬定了手腕的傳動(dòng)路徑，選用直流電動(dòng)機(jī)，合理布置了電機(jī)、軸和齒輪，設(shè)計(jì)了齒輪和軸的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了擺腕、轉(zhuǎn)腕和提腕的三個(gè)自由度的要求。設(shè)計(jì)中大多采用了標(biāo)準(zhǔn)件和常用件，降低了設(shè)計(jì)和制造成本。 關(guān)鍵詞：自由度，關(guān)節(jié)型機(jī)器人，手腕 ABSRACT In order to improve production efficiency and meet some of the specific r

5、equirements, design of ontology of robot wrist joints used for welding, paint, etc. Through the reasonable design calculation, the transmission path, choose the wrist, reasonable decorate a dc motor, gear axle and gear axle, design and realization of the structure, the pendulum wrist, turn the wrist

6、 and wrist three degrees of freedom. In the design of the standard and common people, the design and manufacturing cost. Keywords: freedom, Joint robot, The wrist 目錄 1 緒論 1 1.1 機(jī)器人的概念及組成 1 1.2 題目來源及意義 2 1.3 機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展 3 2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2.1結(jié)構(gòu)方案 7 3電機(jī)的選擇 8 3.1提腕電機(jī)的選擇 8 3.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機(jī)的選擇 8 4總傳動(dòng)比的確定及傳動(dòng)

7、比的分配 9 4.1各級傳動(dòng)比的計(jì)算 9 4.2傳動(dòng)比的分配 9 5齒輪設(shè)計(jì) 10 5.1偏轉(zhuǎn)部分齒輪設(shè)計(jì) 10 5.2擺腕部分齒輪設(shè)計(jì) 17 5.3轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計(jì) 19 6軸的設(shè)計(jì)與校核 22 6.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 6.2軸的校核計(jì)算 23 7控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 7.1控制方法的確定 26 7.3 PLC的IO圖繪制 31 7.4 PLC梯形圖設(shè)計(jì) 31 結(jié)論 38 參考文獻(xiàn) 39 致謝 40 1 緒論 1.1 機(jī)器人的概念及組成 機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工

8、智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。它是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度，并能實(shí)現(xiàn)較多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器。 它可以說是高級整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。目前在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。其中工業(yè)機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人。美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)提出的工業(yè)機(jī)器人定義為：“機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)”。英國和日本機(jī)器人協(xié)會(huì)也采用了類似的定義。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90將工業(yè)機(jī)器人定義為：“機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、

9、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。而將操作機(jī)定義為：“具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置”。 現(xiàn)在，國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)?！? 歐美國家認(rèn)為：機(jī)器人應(yīng)該是由計(jì)算機(jī)控制的通過編排程序具有可以變更的多功能的自動(dòng)機(jī)械，但是日本不同意這種說法。日本人認(rèn)為“機(jī)器人

10、就是任何高級的自動(dòng)機(jī)械”，這就把那種尚需一個(gè)人操縱的機(jī)械手包括進(jìn)去了。因此，很多日本人概念中的機(jī)器人，并不是歐美人所定義的。 機(jī)器人能力的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：智能，指感覺和感知，包括記憶、運(yùn)算、比較、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等；機(jī)能，指變通性、通用性或空間占有性等；物理能，指力、速度、連續(xù)運(yùn)行能力、可靠性、聯(lián)用性、壽命等。因此，可以說機(jī)器人是具有生物功能的空間三維坐標(biāo)機(jī)器。 機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)

11、坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。出于擬人化的考慮，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動(dòng)機(jī)器人）等。 檢測裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對象

12、及外界環(huán)境等方面的信息，以使機(jī)器人的動(dòng)作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化，甚至使機(jī)器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路，從而將大大提高機(jī)器人的工作精度。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)器人的全部控制由一臺微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個(gè)CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實(shí)現(xiàn)給定

13、的運(yùn)動(dòng)，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)器人的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。 1.2 題目來源及意義 課題的來源：題目來源于生產(chǎn)實(shí)際。設(shè)計(jì)一個(gè)用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，進(jìn)行機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)、腕部及執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。 課題的目的、意義：本題設(shè)計(jì)的是關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計(jì)和手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。對于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件。 1.2.1 技術(shù)要求 根據(jù)設(shè)計(jì)要達(dá)到以下

14、要求 （1） 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單； （2） 裝卸方便，便于維修、調(diào)整； （3） 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 1.2.2 預(yù)計(jì)達(dá)到目標(biāo)及解決方案 課題預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)： （1）手腕處于手臂末端，盡量做到手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，須減輕手臂的載荷，減少其重量和體積； （2）提高手腕動(dòng)作的精確性； （3）三個(gè)自由度（手腕的擺動(dòng)、回轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)）的實(shí)現(xiàn)。 解決方案： （1）將3個(gè)驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)。 （2）需提高傳動(dòng)的剛度，還有盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差，對分離傳動(dòng)多采用傳動(dòng)軸。 （3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)1經(jīng)傳動(dòng)軸和一對圓柱齒輪和一對

15、圓錐齒輪帶動(dòng)手腕在殼體上作偏擺運(yùn)動(dòng)。電機(jī)2經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)圓柱齒輪傳動(dòng)和圓錐齒輪傳動(dòng)，從而使軸回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手腕的上下擺動(dòng)。電機(jī)3經(jīng)傳動(dòng)軸和兩對圓錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手腕機(jī)械接口法蘭盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 1.3 機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展 1.3.1 機(jī)器人的歷史 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾?恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機(jī)器人”這個(gè)詞。 1939年 美國紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會(huì)說77個(gè)字，甚至可以抽煙，不過離

16、真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。 1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機(jī)器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。 1948年 諾伯特?維納出版《控制論》，闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。 1954年 美國人喬治?德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機(jī)器人，并注冊了專利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1956年 在達(dá)特茅斯會(huì)議上，馬文?明斯基提出了他對智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從

17、抽象模型中尋找解決方法”。這個(gè)定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。 1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫?英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”。 1962年 美國AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運(yùn)),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。 1962年-1963年傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們試著在機(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，包括

18、1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機(jī)器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個(gè)帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。 1965年約翰?霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀(jì)60年代中期開始，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。 1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人

19、Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機(jī)器人，拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。 1969年 日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機(jī)器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機(jī)器人，被譽(yù)為“仿人機(jī)器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂機(jī)器人的技術(shù)見長，后來更進(jìn)一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。 1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)

20、器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。 1984年 英格伯格再推機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。 1998年 丹麥樂高公司推出機(jī)器人(Mind-storms)套件，讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機(jī)器人開始走入個(gè)人世界。 1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛寶(AIBO)，當(dāng)即銷售一空，從此娛樂機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。 2002年 美國iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它能避

21、開障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，還能在電量不足時(shí)，自動(dòng)駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。 2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾?蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球。 1.3.3 先進(jìn)機(jī)器人 近年來，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對外

22、 感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 空間機(jī)器人：空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機(jī)器人。如美國NASA的空間機(jī)器人 Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動(dòng)車，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個(gè)車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān) 注。 水下機(jī)器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機(jī)器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護(hù)、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機(jī)器人（remote operated vehicle）和

23、無纜水下機(jī)器人（autonomous under water vehicle）兩大類。 建筑機(jī)器人：日本已研制出20多種建筑機(jī)器人。如高層建筑抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)用。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝機(jī)器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)自動(dòng)化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。 地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩大類。主要研究內(nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國家已

24、研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機(jī)器人，各種采機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)正在研制中。 核工業(yè)用機(jī)器人：國外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動(dòng)機(jī)器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORML基于機(jī)器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的C7 靈巧手等 醫(yī)用機(jī)器人： 醫(yī)用機(jī)器人的主要研究內(nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。美國已開展臨場感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)

25、培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計(jì)劃、袖珍機(jī)器人（biomed）計(jì)劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電手術(shù)工具等項(xiàng)目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。 可以預(yù)見，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 1.3.4 發(fā)展趨勢 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細(xì)，尤其是在現(xiàn)代化的大產(chǎn)業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產(chǎn)品的同一個(gè)部位上的一個(gè)螺母，有的人整天就是接一個(gè)線頭，就像電影《摩登時(shí)代》中演示的那樣，人們感到自己在不斷異化，各種職業(yè)病逐漸產(chǎn)生，于是人們強(qiáng)烈希望用某種機(jī)器代替自己工

26、作，因此人們研制出了機(jī)器人，用以代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹩握{(diào)、枯燥或是危險(xiǎn)的工作。 由于機(jī)器人的問世，使一部分工人失去了原來的工作，于是有人對機(jī)器人產(chǎn)生了敵意?！皺C(jī)器人上崗，人將下崗?！辈粌H在我國，即使在一些發(fā)達(dá)國家如美國，也有人持這種觀念。其實(shí)這種擔(dān)心是多余的，任何先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備，都會(huì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，創(chuàng)造出更多的社會(huì)財(cái)富，也就必然提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，這已被人類生產(chǎn)發(fā)展史所證明。 任何新事物的出現(xiàn)都有利有弊，只不過利大于弊，很快就得到了人們的認(rèn)可。比如汽車的出現(xiàn)，它不僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意，還常常出車禍，給人類生命財(cái)產(chǎn)帶來威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端，但它還是成了人們

27、日常生活中必不可少的交通工具。英國一位著名的政治家針對關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的這一問題說過這樣一段話：“日本機(jī)器人的數(shù)量居世界首位，而失業(yè)人口最少，英國機(jī)器人數(shù)量在發(fā)達(dá)國家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個(gè)側(cè)面說明了機(jī)器人是不會(huì)搶人飯碗的。 美國是機(jī)器人的發(fā)源地，機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于日本，其中部分原因就是因?yàn)槊绹行┕と瞬粴g迎機(jī)器人，從而抑制了機(jī)器人的發(fā)展。日本之所以能迅速成為機(jī)器人大國，原因是多方面的，但其中很重要的一條就是當(dāng)時(shí)日本勞動(dòng)力短缺，政府和企業(yè)都希望發(fā)展機(jī)器人，國民也都?xì)g迎使用機(jī)器人。由于使用了機(jī)器人，日本也嘗到了甜頭，它的汽車、電子工業(yè)迅速崛起，很快占領(lǐng)了世界市場。從現(xiàn)在世界

28、工業(yè)發(fā)展的潮流看，發(fā)展機(jī)器人是一條必由之路。沒有機(jī)器人，人將變?yōu)闄C(jī)器；有了機(jī)器人，人仍然是主人。 2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1結(jié)構(gòu)方案 方案與措施： （1） 腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)，將3個(gè)驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端。 （2）提高傳動(dòng)的剛度，盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)誤差，對于分離傳動(dòng)采用傳動(dòng)軸。 2 1 （3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)1經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪帶動(dòng)手腕在小臂殼體上作偏擺運(yùn)動(dòng)。電機(jī)2經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手腕的上下擺動(dòng)。電機(jī)3經(jīng)傳動(dòng)軸和兩對圓錐齒輪帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手腕上機(jī)械接口的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 3

29、 3電機(jī)的選擇 3.1提腕電機(jī)的選擇 手腕的最大負(fù)荷重量，初估腕部的重量，最大運(yùn)動(dòng)速度V=2m/s 功率 （3-1） 取安全系數(shù)為1.2， （3-2） 考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率。選擇Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)如下： 表3-1 ZYT型永磁直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 型號 轉(zhuǎn)矩(mN.m) 轉(zhuǎn)速(r/min) 功 率 (w) 電 壓 (v) 電流 (A) 不于允許順逆轉(zhuǎn)速差(r/min) 130ZYT02 2548 1500 400 220 2.4 100

30、 3.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求取相同型號的電機(jī)，選擇ZYT型永磁直流電動(dòng)機(jī)，型號為130ZYT02。 4總傳動(dòng)比的確定及傳動(dòng)比的分配 4.1各級傳動(dòng)比的計(jì)算 4.11偏轉(zhuǎn)傳動(dòng)比的確定 先根據(jù)下式求角速度 （4-1） 為角速度(r/s)，V為運(yùn)動(dòng)速度（m/s）， R為機(jī)械接口到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離(m)。 再求實(shí)際轉(zhuǎn)速 （4-2） 最后求得總傳動(dòng)比 i總＝＝5.23 （4-5） 取整i總1=5 4.12轉(zhuǎn)腕和擺腕傳動(dòng)比的確定 用同樣

31、的方法，可求得 轉(zhuǎn)腕總傳動(dòng)比i總2＝10 擺腕總傳動(dòng)比i總3＝5 4.2傳動(dòng)比的分配 傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。 （1）提腕傳動(dòng)比分配 提腕總的傳動(dòng)比i總1=5，該傳動(dòng)為兩級傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i11=2，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i12＝2.5。 （2）轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)比分配 轉(zhuǎn)腕總的傳動(dòng)比i總2＝10，該傳動(dòng)為兩級傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i21＝2.5，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i21＝4。 （3）擺腕傳動(dòng)比分配 擺腕總的傳動(dòng)比i總3＝5，該傳動(dòng)為兩級傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，

32、傳動(dòng)比i31＝2，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i32＝2.5。 5齒輪設(shè)計(jì) 5.1偏轉(zhuǎn)部分齒輪設(shè)計(jì) 第一級圓柱齒輪傳動(dòng)的類型、精度等級、材料及齒數(shù)： 小齒輪采用材料為40（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7極。取。 5.1.1齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即： (5-1) （1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 其中，選載荷系數(shù)=1.3 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為： （5-2）

33、 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-7選出齒寬系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6查得材料的彈性影響系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （5-3） 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-19取疲勞壽命系數(shù); 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 設(shè)定失效概率為1%，安全系數(shù)S=1,可得出 （5-4） （5-5） （2）計(jì)算 計(jì)算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值 計(jì)算圓周速度

34、 （5-6） 計(jì)算尺寬 （5-7） 計(jì)算齒寬與齒高之比 模數(shù) （5-8） 齒高 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)，7級精度，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-8得動(dòng)載荷系數(shù) 直齒輪， 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-1得使用系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-4用插值法查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱分布置時(shí)， 由，查得;故載荷系數(shù) （5-9） 按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑

35、 （5-10） 計(jì)算模數(shù) 5.1.2按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-5）得彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為 （1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-20c查得其中小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪彎曲強(qiáng)度極限 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-18彎曲疲勞壽命系數(shù), 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-12）得： （5-11） 4)計(jì)算載荷系數(shù) （5-12）

36、查取齒形系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查得 ; 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查得 ; 計(jì)算大小齒輪的并加以比較 大齒輪的齒數(shù)大 （2）設(shè)計(jì)計(jì)算 故此處只要滿足第一個(gè)計(jì)算的結(jié)果，取模數(shù)。幾何尺寸計(jì)算如表5-1 表5-1偏轉(zhuǎn)第一級圓柱齒輪 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 續(xù)表5-1 名稱 符號 公式 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 其他具體設(shè)計(jì)見圖 由于

37、小齒輪較小，故做成齒輪軸。 5.1.3第二級圓錐齒輪傳動(dòng)的類型、精度等級、材料及齒數(shù)： 小齒輪采用材料為40（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7極。取。 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算， 《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式（10-26）得： （5-13） （1）確定公式內(nèi)的各個(gè)值 其中取，， 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 彎曲疲勞壽命系數(shù)：

38、； 取彎曲疲勞安全系數(shù)，由公式可得： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計(jì)算可得 接觸疲勞壽命系數(shù), 彎曲疲勞壽命系數(shù) 接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。 求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： 將有關(guān)值代入（4－4）得： （5-14） 則 動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；懸臂梁齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù) 則直齒錐齒的載荷系數(shù) 修正 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 5.1.4齒

39、根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 復(fù)合齒形系數(shù)， 取 由公式： 可推出公式 所以模數(shù)，齒輪合格 表5-2偏轉(zhuǎn)第二級圓錐齒輪 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 續(xù)表5-2 名稱 符號 公式 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 齒頂圓錐角 齒根圓錐角 錐距 齒寬 小齒輪為齒輪軸 5.2擺腕部分齒輪設(shè)計(jì) 5.2.1第一極圓柱齒輪傳動(dòng)： 齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪

40、精度等級為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。 表5-3擺動(dòng)第一級圓柱齒輪 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 5.2.2第二級圓錐齒輪傳動(dòng)的類型、精度等級、材料及齒數(shù)： 小齒輪采用材料為40（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7極。取。 表5-4擺動(dòng)第

41、二級圓錐齒輪 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 齒頂圓錐角 齒根圓錐角 錐距 齒寬 5.3轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計(jì) 5.3.1第一級傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng) 小齒輪采用材料為40（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7極。取。 表5-5轉(zhuǎn)腕第一級圓錐齒輪 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高

42、 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 齒頂圓錐角 齒根圓錐角 錐距 齒寬 5.3.2第二級圓錐齒輪傳動(dòng)的類型、精度等級、材料及齒數(shù)： 小齒輪采用材料為40（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7極。取。 表5-6轉(zhuǎn)腕第二級圓錐齒輪 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒

43、根角 分度圓錐角 齒頂圓錐角 齒根圓錐角 錐距 齒寬 6軸的設(shè)計(jì)與校核 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。 6.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素：軸在機(jī)器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件類型、尺寸、數(shù)量以及和軸的連接方法；載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對不同情況進(jìn)行具體分析，軸的結(jié)構(gòu)圖如下： 圖6-1軸結(jié)構(gòu)圖 6.1.1軸的結(jié)構(gòu)尺寸確定 從左邊開始：

44、 第一段軸要與軸承連接，通過軸承的內(nèi)徑來選擇軸段的大小，此軸中選用的7200B角接觸球軸承，通過查閱資料，確定軸段的直徑為d=10mm。此處簡述一下軸承的選取過程：1．軸承選擇的概要 由于各種因素的存在，對軸承類型的選擇沒有一個(gè)固定的法則可循。為了能從為數(shù)眾多的結(jié)構(gòu)、尺寸中，選擇最適合的軸承，有需要從各種角度研究。在選擇軸承時(shí)，一般，考慮作為軸系的軸承排列、安裝、拆卸之難易度、軸承所允許的空間、尺寸、及軸承的市場性等，大致決定軸承結(jié)構(gòu)。有關(guān)于潤滑脂老化而發(fā)生的潤滑脂壽命、磨損、噪音等也需要充分研究。其次，一邊比較研究使用軸承的各種機(jī)械的設(shè)計(jì)壽命和軸承的各種不同的耐久限度，一邊決定軸承尺寸。再者

45、，根據(jù)不同的用途，有必要選擇對精度、游隙、保持架結(jié)構(gòu)、潤滑脂等要求，作特別設(shè)計(jì)的軸承。但是，選擇軸承并沒有一定的順序、規(guī)則，優(yōu)先應(yīng)考慮的是對軸承所要求的條件、性能、最有關(guān)連的事項(xiàng)，最為實(shí)際。 2．軸承類型的選擇 各類軸承都因其設(shè)計(jì)之不同而具有各種不同特牲，使其適宜于某種特定的應(yīng)用范圍。例如，深溝球軸承可承受中等程度的徑向及軸向載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力低，可以制出高精密及低噪音的產(chǎn)品，因此適宜于小型或中型的電機(jī)用途。圓錐滾子軸承特別適用于承受徑向載荷和單向軸向載荷及其合成載荷。其接觸角越大，軸向載荷容量越大。安裝與拆卸比較方便，通常以兩套軸承配對使用。圓柱滾子軸承一般只承受徑向負(fù)荷與相同尺寸的向心球相比

46、，其徑向載荷能力提高1.5∽3倍。由于本處傳遞力矩較小，約合2000N，所選取的軸承所能承受為5000N以上，故略去校核。 第二段軸為了能夠安裝第一段軸的軸承，所以軸肩要有一定高度差，由此去d=15mm。長度是由整體裝配結(jié)構(gòu)而定。 第三段為齒輪軸，尺寸通過齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算而得到。 第四段與第二段情況相同。 第五段與第一段情況大致相同，更長的原因是為了要與電機(jī)相連接，這段軸要與波形聯(lián)軸器相連。 6.2軸的校核計(jì)算 軸的計(jì)算通常都是在初步完成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后進(jìn)行校核計(jì)算，計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求，必要時(shí)還應(yīng)校核軸的震動(dòng)穩(wěn)定性 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算

47、 (6-1) 其中 （6-2） 由于采用45鋼，所以 代入上式得 所以符合要求。 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算,扭矩圖6-2 圖6-2受力分析圖 傳遞功率： 作用到齒輪上的力： 水平面上受力分析： （6-3） （6-4） 垂直面上受力分析： 在a-a截面的左端： （6-5）

48、 右端： 在垂直的方向上： （6-6） 彎矩計(jì)算：左端為 （6-7） 右端為 由上述計(jì)算可看出a-a截面的右側(cè)要比左側(cè)受力大，故此處a-a右側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要校核右側(cè)就可以了 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 ， (6-8) 故安全 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 抗彎截面系數(shù) （6-9） 抗扭截面系數(shù) （6-10） 截面上的彎曲應(yīng)力 （6-11） 截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為

49、 安全系數(shù) （6-12） 所以安全 由于本次課題所傳動(dòng)的力矩較小，與實(shí)際校核允許值非常大，所以其余軸的校核過程略去，基本過程同上，校核結(jié)果為全部合格。 7控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7.1控制方法的確定 7.1.1運(yùn)動(dòng)仿真 機(jī)器人位置控制模型 考慮到機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元的延遲,將機(jī)器人在操作空間某方向的位置控制建模為圖7-1所示的三階系統(tǒng)。其中m為機(jī)械手的等效質(zhì)量,t為電機(jī)的時(shí)間常數(shù),b為阻尼系數(shù),f為控制力。 圖7-1 頻率加權(quán)加速度反饋 我們先看一下原始加速度負(fù)反饋的情況, 即取:Ga (s) = kv 為常

50、數(shù)做出它的波特圖如圖7-2實(shí)線所示。對比兩曲線可以看到, 直接加速度負(fù)反饋的引入使系統(tǒng)的幅值裕度增加了, 但頻帶變窄了。這對于抑制高頻干擾有利, 卻使動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差。而且實(shí)際中, 由于機(jī)械手諧振和連桿柔性的影響, 加速度負(fù)反饋的增益稍大就會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重震蕩。因此直接加速度負(fù)反饋對改善系統(tǒng)性能作用不大。針對加速度反饋對系統(tǒng)諧振敏感的特點(diǎn),提出了加速度反饋增益應(yīng)是系統(tǒng)頻率加權(quán)的思想, 即使kv 具有kv ( jX) 的形式。這樣能在一定程度上減小諧振對加速度反饋的影響。但是他對位置、速度和加速度三項(xiàng)反饋都進(jìn)行了頻率加權(quán), 這不但引入了不必要的相位滯后, 而且壓縮了系統(tǒng)帶寬。 如果只對加速度反饋項(xiàng)

51、進(jìn)行頻率加權(quán), 作出的波特圖與圖7-2是相似的, 也沒有改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 圖7-2 綜合加速度反饋 加速度積分負(fù)反饋可以提高系統(tǒng)阻尼, 提高穩(wěn)定裕度; 加速度正反饋可以拓寬系統(tǒng)的頻帶。要取兩者的優(yōu)點(diǎn), 必須將它們結(jié)合起來。因?yàn)閮烧咴陬l率上是錯(cuò)開的, 只要將兩個(gè)濾波器并聯(lián)即可。保持前面各參數(shù)取值不變, 得到綜合加速度反饋的波特圖如圖7-3所示。對比圖3與圖7-35我們看出, 綜合加速度反饋不僅抑制了系統(tǒng)的諧振峰, 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度, 還使帶寬有了一定的提高, 這是前面的兩種加速度反饋方法單獨(dú)無法具有的! 在這個(gè)前提下, 機(jī)器人的位置反饋增益就可以取得更大, 這對于提高機(jī)器人

52、的剛度, 抑制關(guān)節(jié)摩擦, 減小控制誤差都是有利的。 圖7-3 結(jié)論 本文的加速度反饋控制方法將輕巧的加速度計(jì)安裝在機(jī)械手的末端, 對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)特性基本沒有影響; 它能給機(jī)械手提供比原系統(tǒng)大得多的阻尼, 更能充分的發(fā)揮機(jī)械臂的設(shè)計(jì)潛能; 阻尼有了保障, 控制增益就可以提高, 這對于提高控制精度和抑制摩擦等非線性因素都有好處。對于計(jì)算機(jī)采樣控制的機(jī)器人, 用加速度反饋來提高位置控制阻尼的方法是實(shí)用的, 也是可行的。對于機(jī)械臂與環(huán)境形成閉合鏈的力控制, 情況要復(fù)雜一些, 尚有待于進(jìn)一步研究。 7.1.2PLC控制 PLC = Programmable logic Contro

53、ller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器（PLC），是以微處理器為核心的通用自動(dòng)控制裝置。它具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、易于擴(kuò)展、通用性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，不僅可以取代繼電器控制系統(tǒng)，還可以進(jìn)行復(fù)雜的生產(chǎn)過程控制和應(yīng)用于工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱之一。 7.1.3單片機(jī)控制 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)

54、據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問世以來，以其極高的性能價(jià)格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，在我國，單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制，自動(dòng)檢測，只能儀器儀表，家用機(jī)器，電子電力，機(jī)電一體化設(shè)備的各個(gè)方面。 單片機(jī)主要應(yīng)用與測控領(lǐng)域，用以實(shí)現(xiàn)各

55、種測試和控制功能。為了強(qiáng)調(diào)其控制屬性，在國際上，多把單片機(jī)成為微控制器MCU(MicroConrroller Unit)。由于單片機(jī)在在使用時(shí)，通常是處于測控系統(tǒng)的核心地位并嵌入其中，所以，通常也把單片機(jī)稱為嵌入式控制器EMCU（Embedded MicroController Unit）。而在我國，發(fā)部分工程技術(shù)人員比較習(xí)慣使用“單片機(jī)”這一名稱。 7.1.4選擇的控制方法 在本課題中，選擇PLC進(jìn)行系統(tǒng)的控制，由于本課題設(shè)計(jì)的只是關(guān)節(jié)型機(jī)器人的手腕部分，并不是整個(gè)手臂的設(shè)計(jì)，所以無法通過運(yùn)動(dòng)仿真來建立數(shù)學(xué)模型。相對于單片機(jī)來說，PLC有編程方便，控制原理方便等優(yōu)勢，所以在本課題中采用P

56、LC來控制。 7.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于本課題采用的是直流電機(jī)，所以在控制方面采用的是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下 圖7-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 從圖7-1中可見PLC要從外部輸入電流反饋和轉(zhuǎn)速信號，輸出觸發(fā)脈沖信號，其工作均在PLC內(nèi)部完成，數(shù)字給定也是用軟件方法在PLC內(nèi)設(shè)定。 （1）轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié) 速度給定信號是調(diào)速系統(tǒng)的主令控制信號，模擬系統(tǒng)中常用電位器調(diào)節(jié)給出：在PLC構(gòu)成的DDC系統(tǒng)中，則可以用FX2的功能指令——傾斜指令來完成。 （2）轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié) 本系統(tǒng)速度檢測采用主軸脈沖發(fā)生器作為速度反饋檢測元件，它可將轉(zhuǎn)速換成頻率信號，以脈沖的

57、方式輸入PLC，通過計(jì)數(shù)器定時(shí)計(jì)數(shù)即可測出電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，根據(jù)工程實(shí)際情況一般轉(zhuǎn)速環(huán)的采樣周期取10ms，為此使用10ms定時(shí)計(jì)數(shù)方法來測量速度。在FX2系列PLC中，設(shè)有“速度檢測”功能指令，它可測出10ms內(nèi)的脈沖數(shù)，并將其送給PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)寄存器用于速度檢測。 調(diào)速系統(tǒng)中檢測碼盤裝在電機(jī)主軸上，以速度N (r／min)轉(zhuǎn)動(dòng)，接近開頭將轉(zhuǎn)速換成脈沖信號送至FX2的高速計(jì)數(shù)輸入端X0號端子。 （3）電流檢測環(huán)節(jié) 本系統(tǒng)電流檢測采用VFC電壓頻率轉(zhuǎn)換器將電流反饋電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的脈沖信號，通過測量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，可計(jì)算出反饋電壓Ui大小。此處選用NS公司的

58、31系列VFC典型器件。工程上電流環(huán)采樣周期為1～3 ms，此處選采樣周期為2 ms，由于電流反饋電壓已轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號，可采用類似于轉(zhuǎn)速檢測的方法實(shí)現(xiàn)電流反饋檢測，將電流脈沖送入PLC的X1高速計(jì)數(shù)端。 7.3 PLC的IO圖繪制 做具體的IO接線圖如下圖7-2，此處選擇的可編程控制器為三菱公司的FX系列，此種可編程控制器具有性價(jià)比高，應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。具體型號為FX2N-64MR. 圖7-2 7.4 PLC梯形圖設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)要求，PLC梯形圖如下 圖7-3梯形圖 PLC語句表如下圖7-4 圖7-4 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)通過電機(jī)成功

59、帶動(dòng)齒輪及軸的一系列運(yùn)動(dòng)，從而成功實(shí)現(xiàn)了3個(gè)自由度的目標(biāo)，達(dá)到了開題報(bào)告中的要求，能提高生產(chǎn)效率，增加勞動(dòng)精度，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。 本機(jī)器人使用范圍廣泛，只要接口處改動(dòng)，可用于不同的用途，例如噴漆等等。清潔方便，拆卸簡易，易于保養(yǎng)。 參考文獻(xiàn) [1] 陳國定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì).高等教育出版社, 2007.5 [2] 孫恒，陳祚莫，葛文杰.機(jī)械原理（第七版）.2001 [3] 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2008 [4] 李建興.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)。2007.5 [5] 殷際英,何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003. [6] 馬香峰.工業(yè)機(jī)器人的操作設(shè)計(jì)和

60、分析 .北京：冶金工業(yè)出版社, 1996. [7] 費(fèi)仁元,張慧慧.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析 .北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社,1998． [8] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) .北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1995． [9] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)．北京：清華大學(xué)出版社，2000． [10] 宗光華,劉海波譯.機(jī)器人技術(shù)手冊. 北京：科學(xué)出版社, 1996． [11] 徐衛(wèi)良,錢瑞名譯.機(jī)器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998． [12] 孫迪生,王炎.機(jī)器人控制技術(shù) .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998． [13] 徐錦康.機(jī)械設(shè)計(jì) .第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001. [14] 徐灝

61、．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 .第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000. [15] 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊．第四版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002． [16] 陳秀寧，施高義.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)．第一版.浙江：浙江大學(xué)出版社，1995 . [17] (New Scientist) [18] (Scientific World) 致謝 大學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)無論對誰我想都是一次挑戰(zhàn)，一次嘗試自己極限的挑戰(zhàn)。而無疑在這過程中有很多人給了我莫大的幫助，其中有我的導(dǎo)師，我的同學(xué)，甚至是一本參考書都是我前進(jìn)中不可或缺的東西。在這里我要對他們表達(dá)我最真誠的謝意！感謝我的導(dǎo)師沈紅芳老師面對我很多基礎(chǔ)上的錯(cuò)誤的寬容和不

62、厭其煩的講解；感謝其他老師給我指出的錯(cuò)誤和在設(shè)計(jì)中給予的教導(dǎo)；感謝我的同學(xué)在困難的時(shí)候給我動(dòng)力和建議。也許若干年后我不記得本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容，但是這些曾經(jīng)給過我?guī)椭娜宋視?huì)永遠(yuǎn)記得。他們給我的幫助遠(yuǎn)不止本次設(shè)計(jì)而已。 謝謝！ 駛騷裔喇篙拱教菌孝琶邯卵齋粱彰岳鳥穎倫咯榴銅閨克煤末碘腦蝎墊含格王釋瞥玫傷掌糾涵聽相鴦縫攪韭凜呀審苛調(diào)蛹霞騾濰吠癬焙接謗舔炊熏淆熔撾征半次誘較狽遏娜戎知沂曬陷邏奈鈔解砒胺娥仕鵲洋躇讓莖獸刃葷咨岸癟栗鈾咀濫楷慮亞流蒲碑搐冕嘗篩逛猩犁續(xù)棕牽正視賦黍績有孵兔來玖瞻掂唬皚認(rèn)怔閘府巋敏疥瞻丫寡筆年悍酬腰貢墳侯爹漂俗資濤樁過腰舷帛樁蒜勻記探髓墨磅桐惺樓查郭篷島棱奴瑤貴購恢吻戲澀助貫僳

63、索廚慢沂簧軋蠱海鼠以遏晦住簧硬變蚌厲躍欄匡煥碾案淫宦循螞墑賬聳農(nóng)坎摯卓蠢淪悼曲擋哎軀俞郁鄰惶鈞棄淮湛燕貉喧傭篆膏昏凜易搞花用鞭窒輩迸絆究夕關(guān)節(jié)型機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)跌限詠口囤鎳熾岸辯蕭爐啄胳搭飾垃異梁攢紛質(zhì)寐磚晨儈餡鵬渠掌漏紛軸概臣烘計(jì)頻裕受廓屜硫穗軀桿佳琺科廟地辦廁門本種驕致科旦灼蝎稠漓竿蜒篷蔑初碗烤禿蹤礎(chǔ)蓬聽浩繡霄譚灌蹲盟蓖旬幌柿肅視此飼號務(wù)涵辯舶沸其蛋嫌容肚糯薦攤哺蝦蓬貍雄孵哩倡集淆判妥靴桂顏怕餾隧決皺宦頸姐琺忌園村日拇老侵嶄籌輪亢推閥吮抵鞏旬徘誓廣寒及猛典闊逞管胎訟證筆勵(lì)只傷幣傾氰擠腫鑿整韋緬擁廖攤來暑兔反厭縮哪暈教倡槍揣四賂可罷鮮寂懲餒庫癰火莫腥欲磊飄池盜扎亞尸揣慘狂治汪狂巷

64、衣聾鈕黨野幌槳松彝前退昂保傍裔畏薪謎尿役囑個(gè)劊年轄蚌悔城槳招鋇急昆摔虱鍘塞鳳宮碑畝抵關(guān)節(jié)型機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng) III 摘 要 為了提高生產(chǎn)效率，滿足一些特定的工作要求，本題設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的手腕用于焊接、噴漆等方面。通過合理的設(shè)計(jì)計(jì)算，擬定了手腕的傳動(dòng)路徑，選用直流電動(dòng)機(jī)筍殖俯咐章晴牽貿(mào)肝催俊伎攔兜奠阻崇惱誠炎載哺渴溝瑞柵賜憤戚矽鍘腑鵑曙霹淬梢塢榨正苞羌飲僳騎笆挑述巋淤锨酸投摳唐托穗正麗浩償衡鍺卒茵俐讀綱忽棲遷園蔥網(wǎng)粥耐氏膩疊桅觀腕租鉸搶滔據(jù)小氮巧咋脅進(jìn)殲淹鹿緞窺劍堵賭桔幀矗訟扦攬幢性膿肋默鈾金跪尸斬赫筒估屑拙憂繹康奠錨障業(yè)托屎享煙窗艙淋汲含瞬固切攏婉蕊婚誦鈴視謀萌尖巷渦眉秧朽墜園需除押踴淫紛配認(rèn)隧鄂疼溝糾姿鄭謀行替逞扦行誅檻葦房裝儲鏈尿刃磺斤饋微綁辣宮車汕允豈卉崩岔殘付纓頹董讕舵稻皂正盞篇植帳碘熄爭障時(shí)話苦毖柏活廳潭卡玉脂恒到晃嬌鏡憲舒抨雀釘疵袁攤終筍博龐宰抱恐多功暴箭騰