六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書[帶圖紙].doc

目錄1前言11.1題目來源及分析11.2研究目的21.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀22關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)42.1確定基本技術(shù)參數(shù)42.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇42.1.2額定負(fù)載52.1.3工作范圍52.1.4操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.1.5控制系統(tǒng)的選擇62.1.6確定關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂的配置形式62.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)73關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)103.1電動(dòng)機(jī)的選擇103.2計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及分配各級(jí)傳動(dòng)比123.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算123.3.1計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率123.3.2確定三根軸的具體尺寸133.4確定齒輪的參數(shù)173.4.1選擇材料173.4.2壓力角的選擇173.4.3齒數(shù)和模數(shù)的選擇173.4.4齒寬系數(shù)的確定173.4.5確定齒輪傳動(dòng)的精度183.4.6齒輪的校核193.5殼體設(shè)計(jì)224關(guān)節(jié)型機(jī)器人的位姿分析234.1機(jī)器人的位姿與運(yùn)動(dòng)的描述234.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換矩陣234.3關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程264.3.1關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析264.3.2關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)反解295結(jié)論34參考文獻(xiàn)35附錄36關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要:為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量,滿足實(shí)際工作需要,本課題設(shè)計(jì)了用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人。根據(jù)機(jī)器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，確定了機(jī)器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機(jī)器人各關(guān)節(jié)的總體傳動(dòng)方案，對(duì)機(jī)器人腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，合理布置了電機(jī)和齒輪，確定了各級(jí)傳動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行了齒輪、軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。利用齊次變換矩陣法建立了六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求出機(jī)器人末端相對(duì)于各自參考坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)值，建立了在直角坐標(biāo)空間內(nèi)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)變量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；趲缀瓮队霸硗茖?dǎo)出相應(yīng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求出了各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值，建立了機(jī)器人關(guān)節(jié)空間與世界空間的映射關(guān)系。該機(jī)器人具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)型機(jī)器人；位姿分析；總體設(shè)計(jì)；腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)ThewaiststructuraldesignofarticulatedrobotAbstract:Inordertoimprovetheefficiencyofproductionandweldingqualityofproductsandmeetrealworksneeds,thissubjecthasdesignedthearticulatedrobotusedforwelding.Accordingtothejobrequirementsfortherobotandstructurecharacteristic,Ihavecarriedontheoveralldesignoftherobot,confirmedtheexternaldimensionandworkspaceoftherobot,draftedtheoveralltransmissionschemeofeveryjointoftherobot.Ihavedesignedthewaiststructureoftherobotindetail,assignedtheelectricalmachineryandgearwheelrationally,confirmedatallleveltransmissionparameters,carriedonthedesignandcalculatingofgearwheels,shaftsandbearingsandcheckingthem.Thekinematicmodelofrobotsystemhasbeenbuiltupbymeansofthehomogenoustransformationofmatrixinthisthesisanddeducestherobotshomogenouscoordinatewhichisrelativetoitsreferencecoordinate.Wealsomakeupthepositionrelationshipbetweentherobotsendeffectorandthevariablefriableofeveryjoint.Theinversekinematicmodelisdeducedwhichbasedontheprojectionprincipleofgeometryandthevalueofangleisworkedout.Whatsmore,therelationshipisbuiltupbetweenthejointspaceofrobotandtheworldspace.Thisrobothasthecharacteristicsoffinerigidity,positionprecisionhigh,thatoperatesteadily.Keywords:Articulatedrobot；Appearanceanalysisinthelocation；Designoverallly；Waistarticulatedstructuraldesignoftherobot1前言1.1題目來源與分析題目關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來源于生產(chǎn)實(shí)踐中。要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有6個(gè)自由度：腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)；臂關(guān)節(jié)俯仰；肘關(guān)節(jié)俯仰；腕關(guān)節(jié)仰腕；擺腕；旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計(jì)機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm。機(jī)器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。自古以來,人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機(jī)器。特別是在20世紀(jì)20年代前后,捷克和美國(guó)的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機(jī)器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品,更使機(jī)器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實(shí)生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪,也制造出一些仿人或仿生的機(jī)器人。然而在當(dāng)時(shí)的科技條件下,要使機(jī)器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國(guó)的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機(jī)械手,他首先突破了對(duì)機(jī)器人的傳統(tǒng)觀點(diǎn),提出機(jī)器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)表了適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人一文,并獲得了美國(guó)專利。戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控機(jī)床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起,預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后,機(jī)械等就可以離開人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行。這種機(jī)器人也可以接受示教而完成各種簡(jiǎn)單任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動(dòng)機(jī)械手依次通過工作任務(wù)的各個(gè)位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器中，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動(dòng)下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機(jī)器人的主要技術(shù)就是“可編程”以及“示教再現(xiàn)”。1.2研究目的焊接機(jī)器人是最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,它占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。由于對(duì)許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作；此外,焊接時(shí)的火花及煙霧等,對(duì)人體造成危害,因而,此課題的提出就有十分重要的意義。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)a.工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。b.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。c.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護(hù)性。d.機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。e.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。f.當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。g.機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。國(guó)際機(jī)器人研究在經(jīng)過了80年代的低潮之后,呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢(shì)；我國(guó)的機(jī)器人研究在國(guó)家七五八五及863計(jì)劃的推動(dòng)下也取得了很大的發(fā)展。在70年代的機(jī)器人浪潮相比,現(xiàn)在的機(jī)器人研究有兩個(gè)特點(diǎn):一是對(duì)機(jī)器人智能的定位有了更加符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn),也就是不要求機(jī)器人具有像人類一樣的高智商,而只是要求機(jī)器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制技術(shù)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果，其中最為突出的是水下遙控機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、聲覺、觸覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。5613