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摘 要
四自由度關節(jié)式機器人可以應用在工業(yè)裝配、醫(yī)療等方面，因此對該類機器人的設計不僅對工業(yè)應用有利而且還會對教學方面起到了推動作用。
教學機器人很類似于人的手臂的運動，它包含肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)來實現(xiàn)水平運動和垂直運動。它是一種工業(yè)機器人，具有四個自由度。其中，三個旋轉自由度，另外一個是移動自由度。他能實現(xiàn)平面運動，具有柔順性，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，廣泛用于裝配作業(yè)中。
本文用模塊化設計方法設計了教學機器人的機械結構。在分析設計要求的基礎上提出了教學機器人總體設計方案；用三維造型軟件完成四自由度教學機器人的機械結構設計，完成了機器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖，包括關節(jié)模塊、電機模塊、連桿模塊。電機模塊使用了直流電機、減速齒輪組、電位器三位一體的舵機。關節(jié)模塊是指將驅動零件都裝入大臂和小臂，同時還分析了教學機器人的運動學正解和逆解問題，設計了機器人的控制系統(tǒng)。所設計教學機器人基本上實現(xiàn)模塊化設計，符合發(fā)展趨勢。三個模塊相互獨立、結構簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于教學式平面關節(jié)式裝配機器人設計，其一二關節(jié)模塊結構同樣適用于其他關節(jié)式機器人前端轉動關節(jié)設計。采用特殊軸承和特殊的傳動結構解決了機器人的抗傾覆問題，這種特殊結構有益于提高系統(tǒng)機械性能。
關鍵詞 計算機輔助設計；教學機器人；模塊化設計方法；關節(jié)式
Abstract
Joint type robot Four freedom degree can application at industry assemble, medical treatment etc., so rightness should type robot of design not only to industry application beneficial and still had push function to the teaching.
Teaching robot work in a similar way as human’arms.The teaching robot, incorporating a shoulder joint, an elbow joint, and a wrist joint, is capable of operating vertically and horizontally. The teaching robot is a kind of 4 DOFs industrial robot, 3 rotary DOFs and 1 linear DOF. It, featuring compliance, good vertical rigidity, and horizontal flexibility, is widely used in assembly.
method a design to play chess robot. At analysis design request of foundation top put forward robot total design project; Use 3D shape software completion four freedom degree the machine structure of the robot design, completion the robot be whole assemble diagram and main engineering diagram of zero parts to draw. The mold piece in which include a joint mold piece, electrical engineering mold piece and connect a pole mo This text use a mold piece the machine structure which turned a design ld a piece. Electrical engineering mold piece of is an usage direct current electrical engineering, decelerate the Christian Trinity of the wheel gear set, electric potential machine of rudder machine. The joint mold piece is that will drive spare parts to all pack into the big arm and the small arm. This text analysis the kinetics of teaching robot just solution with negative solution, design of control system of robot. Design teaching robot basically realization the mold piece turn design and match development trend. Three mold piece is mutually independence, the structure be simple, zero parts be little, accuracy high , credibility high , not only be applicable to the teaching type flat surface joint a type assemble robot design, it joint of one end two mold piece structure same be applicable to other joint type robot head to turn to move a joint design. The adoption special bearings with specially spread to move structure to work out the problem of capsizal of robot, this kind of special structure was good for exaltation system machine function.
Keywords computer aided design; educational robot; modular-design methodology; joint model
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- II -
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國內外機器人技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.3 教學機器人簡介 .........................................................................2
1.4 本設計主要工作的內容.....................................................................3
1.4.1 本設計工作的主要內容、技術方案及其意義...........................3
1.4.2 擬解決的關鍵問題......................................................................3
1.4.3 需要完成的工作.........................................................................4
第2章 關節(jié)式教學機器人的方案設計 5
2.1 機器人的分類與特點 5
2.1.1 機器人的分類 5
2.1.2 機器人的特點 7
2.2 教學機器人的總體設計.....................................................................8
2.2.1 教學機器人的技術參數(shù)..............................................................8
2.2.2 教學機器人的外形尺寸與工作空間...........................................9
2.2.3 教學機器人的總體傳動放案......................................................9
第3章 教學機器人機械結構的設計 11
3.1 機器人關鍵零部件設計計算 11
3.1.1 同步齒形帶的設計計算 11
3.1.2 螺旋傳動副的設計計算............................................................13
3.2 機器人關鍵零部件的校核計算.......................................................14
3.2.1 螺栓的強度校核計算................................................................14
3.2.2 機械手臂的校核計算................................................................14
3.3 大臂的機械結構設計.......................................................................16
3.4 小臂的機械結構設計.......................................................................17
3.5 腕部機械結構設計...........................................................................17
3.6 本章小結..........................................................................................18
第4章 手爪的結構設計.............................................................................19
4.1 手爪的結構形式的選擇....................................................................19
4.1.1 手爪的分類與特點.....................................................................19
4.1.2 手爪結構形式的選擇.................................................................19
4.2 手爪的機構設計................................................................................20
4.3 手爪的校核計算................................................................................21
第5章 教學機器人的三維設計及運動仿真..............................................23
5.1 教學機器人的三維設計....................................................................23
5.1.1 UG三維建模環(huán)境概述................................................................23
5.1.2 教學機器人的主要零件的建模過程..........................................26
5.1.3 教學機器人組件的裝配過程......................................................27
5.2 教學機器人的運動仿真....................................................................27
5.2.1 UG運動分析模塊.......................................................................27
5.2.2 教學機器人運動仿真的建立過程..............................................27
5.3 本章小結...........................................................................................30
結論 31
致謝 32
參考文獻 33
附錄 35
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- IV -
第1章 緒論
1.1 引言
機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多門學科而形成的高新技術。其本質是感知、決策、行動和交互四大技術的綜合，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。
工業(yè)機器人既具有操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的自動化生產設備。
目前機器人應用領域主要還是集中在汽車工業(yè)，它占現(xiàn)有機器人總數(shù)的28.9。其次是電器制造業(yè)，約占16.4，而化工業(yè)則占11.7。此外，工業(yè)
機器人在食品、制藥、器械、航空航天及金屬加工等方面也有較多應用。隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，其應用領域開始從制造業(yè)擴展到非制造業(yè)，同時在原制造業(yè)中也在不斷的深入滲透，向大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領域深化、擴展。而新開辟的應用領域有木材家具、農林牧漁、建筑、橋梁、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公家用、教育科研及一些極限領域等非制造業(yè)。
一般來說，機器人系統(tǒng)可按功能分為下面四個部分：
(1) 機械本體和執(zhí)行機構:包括機身、傳動機構、操作機構、框架、機械連接等內在的支持結構。
(2) 動力部分:包括電源、電動機等執(zhí)行元件及其驅動電路。
(3) 檢測傳感裝置:包括傳感器及其相應的信號檢測電路。
(4) 控制及信息處理裝置:由硬件、軟件構成的機器人控制系統(tǒng)。
1.2 國內外機器人技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
國內外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
(1) 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10. 3萬美元降至2005年的5萬美元。
(2) 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。
(3) 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化:器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構;大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4) 機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
(5) 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
(6) 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。
(7) 機器人化機械開始興起。從1994年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置己成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。
1.3 教學機器人簡介
四自由度關節(jié)式機器人應用很廣泛，本設計主要是對教學機器人的設計。教學機器人(如圖1-1所示)很類似人的手臂的運動，它包含肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)來實現(xiàn)水平和垂直運動，在平面內進行定位和定向，是一種固定式的工業(yè)機器人。它具有四個自由度，其中，三個是旋轉自由度，一個是移動自由度。3個旋轉關節(jié)，其軸線相互平行。這類機器人結構輕便、響應快，例如下棋機器人的運動速度可達l0m/s，比一般的關節(jié)式機器人快數(shù)倍。它能實現(xiàn)平面運動，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，具有柔順性。
圖1-1教學機器人
四自由度關節(jié)式下棋機器人最適用于平面定位，廣泛應用于教學和娛樂方面。
1.4 本設計主要工作的內容
1.4.1 本設計工作的主要內容、技術方案及其意義
本設計是要設計一個教學水平關節(jié)式機器人。作為工業(yè)機器人己有很多成熟的產品，但大多驅動裝置采用伺服電機，傳動系統(tǒng)采用RV減速機，由這些部件構成的整機價格昂貴，不適宜于作為教學用途[6]。而教學機器人相對而言對運動精度的要求要比工業(yè)場合用的機器人所要求的精度低，對運動速度和穩(wěn)定性的要求也不高，它只需具備機器人的基本元素，達到一定的精度即可。實際上由舵機構成的內部閉環(huán)系統(tǒng)精度已經很高，能滿足教學用途，而且成本比伺服電機構成的閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)低很多。諧波傳動也是精度高、傳動平穩(wěn)并且很成熟的一項傳動技術。因此自主開發(fā)低成本的教學機器人很有意義。對本機器人的研制，擬采用舵機作為動力裝置， 同時采用同步齒形帶和螺桿等零部件來構成機器人的機械本體。
選出最優(yōu)傳動方案一一關鍵零部件選型一一零部件工程圖和總裝圖一一機械系統(tǒng)三維建模一一運動學分析及位姿誤差建模控制系統(tǒng)設計一一控制系統(tǒng)設計
1.4.2 擬解決的關鍵問題
(1) 抗傾覆力矩問題的解決。下棋機器人的大臂和小臂重量大，懸伸量也大，造成很大的傾覆力矩，影響機器人的性能，通過合理的機械結構設計來加以解決。
(2) 舵機的轉角控制問題的解決。 如果舵機和輸出軸的相對旋轉角度沒有達到一定值時，那么就不會引起大、小臂的轉動，可以通過合理的控制來加以解決。
1.4.3 需要完成的工作
目前已完成的工作主要包括以下幾個方面的內容:
(1) 主要零部件圖和裝配圖;
(2) UG NX3.0環(huán)境下的機械系統(tǒng)三維建模:
(3) 主要標準件的選取和主要零部件的強度校核計算。
(4) 教學機器人的運動學分析
(5) 教學機器人的控制系統(tǒng)
(6) 教學機器人動畫仿真
第2章 關節(jié)式教學機器人的方案設計
2.1 機器人的分類與特點
2.1.1 機器人的分類
應用于不同領域的機器人可按照不同的功能、目的、用途、規(guī)模、結構、坐標、驅動方式等分成很多類型。在這里著重介紹下列兩種分類方式。
1.按機器人的結構形式分類
按結構形式機器人可分為關節(jié)型機器人和非關節(jié)型機器人兩大類，其中關節(jié)型2機器人的機械本體部分一般為由若干關節(jié)與連桿串聯(lián)組成的開式鏈結構。
2.按坐標形式分類
通常關節(jié)機器人依據(jù)坐標形式的不同可分為直角坐標系、圓柱坐標系、球坐標型以及關節(jié)坐標型。
(1) 直角坐標型機器人
這一類機器人其手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直的軸線的移動來實現(xiàn)，即沿著X軸的縱向移動，沿著Y軸的橫向移動及沿著Z軸的升降(圖2-1)。該形式機器人的位置精度高，控制無耦合、簡單、避障性好，但結構較龐大，動作范圍小，靈活性差，難與其他機器人協(xié)調；移動軸的結構較復雜，且占地面積較大。
圖2-1 直角坐標型機器人
(2) 圓柱坐標型機器人
這種機器人通過兩個移動和一個轉動實現(xiàn)手部空間位置的改變，VERSATRAN機器人是該型機器人的典型代表(圖2-2)。VERSATRAN機器人手臂的運動系由垂直立柱平面內的伸縮和沿立柱的升降兩個直線運動及手臂繞立柱的轉動復合而成。圓柱坐標型機器人的位置精度僅次于直角坐標型，控制簡單，避障性好，但結構也較龐大，難與其他機器人協(xié)調工作，兩個移動軸的設計復雜。
圖2-2 VERSATRAN機器人
(3) 球坐標型機器人
這類機器人手臂的運動由一個直線運動和兩個轉動所組成，如圖2-3所示，即沿手臂方向X的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉。UNIMATE機器人是其典型代表。這類機器人占地面積較小，結構緊湊，位置精度尚可，能與其他機器人協(xié)調工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長有關。
圖2-3 球坐標型機器人
(4) 關節(jié)坐標型機器人主要由立柱、前臂和后臂組成(圖2-4)，PUMA機器人是其代表。機器人的運動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉構成，其結構最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機器人協(xié)調工作，避障性好，但位置精度較低，有平衡問題，控制存在耦合，故比較復雜，這種機器人目前應用的最多。
圖2-4 圖關節(jié)坐標型機器人
2.1.2 機器人的特點
1.通用性
機器人的通用性(versatility)取決于其幾何特性和機械能力。通用性指的是某種執(zhí)行不同的功能和完成多樣的簡單任務的實際能力。通用性也意味著，機器人具有可變的幾何結構，即根據(jù)生產工作需要進行變更的幾何結構；在機械結構上允許機器人執(zhí)行不同的任務或不同的方式完成同一工作?，F(xiàn)有的大多數(shù)機器人都具有不同程度的通用性，包括機械手的機動性和控制系統(tǒng)的靈活性。
2.適應性
機器人的適應性(adaptivity)是指其對環(huán)境的自適應能力，即所設計的機器人能夠自我執(zhí)行未經完全指定的任務，而不管任務執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預計到的環(huán)境變化。這一能力要求機器人認識其環(huán)境，即具有人工知覺。在這方面，機器人使用它的下述能力：
(1) 運用傳感器感測環(huán)境的能力；
(2) 分析任務空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；
(3) 自動指令模式能力；
對于工業(yè)機器人來說，適應性指的是它所編好的程序模式和運動速度能夠適應工件尺寸和位置，以及工作場地的變化。這里，主要考慮兩種適應性：
(1) 點適應性，它涉及機器人如何找到點的位置。
(2) 曲線適應性，它涉及機器人如何利用由傳感器得到的信息沿著曲線工作。曲線適應性包括速度適應性和形狀適應性兩種。
2.2 教學機器人的總體設計
近年來，工業(yè)機器人有一個發(fā)展趨勢:機械結構模塊化和可重構化。例如關節(jié)模塊中采用舵機來驅動。舵機是由直流電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外己有模塊化裝配機器人產品問市。本章介紹模塊化的設計方法在教學機器人的結構設計中的應用。
2.2.1 教學機器人的技術參數(shù)
表2-1教學的機器人的技術參數(shù)
結構形式
平面關節(jié)式
負載能力
10g
重定位精度
±0.2mm
每軸最大運動范圍
關節(jié)1
90°
關節(jié)2
90°
關節(jié)3
25mm
關節(jié)4
360°
每軸最大運動速度
關節(jié)1
60°/s
關節(jié)2
120°/s
關節(jié)3
25mm/s
關節(jié)4
200°
最大展開半徑
250mm
高度
197mm
本體重量
≤25kg
幾何尺寸
關節(jié)1(長度)
200
關節(jié)2(長度
200
關節(jié)3(行程)
25
操作方式
示教再現(xiàn)/編程
供電電源
單相220V、50Hz
2.2.2 教學機器人的外形尺寸與工作空間
依據(jù)設計要求，下棋機器人的外形尺寸如圖2-5所示。
圖2-5 機器人的外形尺寸圖
2.2.3 教學機器人的總體傳動放案
圖2-6 教學機器人傳動示意圖
大臂回轉：舵機1→大臂
小臂回轉：舵機2→小臂
主軸垂直直線運動：舵機3→同步齒形帶→螺母→主軸
主軸旋轉：舵機4→同步齒形帶→平鍵→主軸。
目前，教學機器人的傳動系統(tǒng)中主要是使用舵機。舵機具有以下特點：體積緊湊，便于安裝；輸出力矩大，穩(wěn)定性好；控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口；定位準確，可以通過調整控制信號來提高舵機的轉角精度；工作可靠，不易受外界干擾。所以，現(xiàn)在不僅僅應用在航模運動中，已經擴展到各種機電產品中來，在機器人控制中應用也很廣泛。其工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電動機轉動，電動機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵盤的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據(jù)其所在位置決定電機轉動方向和速度，從而達到目標停止。教學機器人大、小臂均要承受軸向壓力和傾覆力矩，但轉速比較高，所以大臂和小臂均采用兩個深溝球軸承而深溝球軸承剛度高，能承受軸向壓力與徑向扭矩，與舵機配合恰好符合教學機器人大、小臂高剛度及高的抗傾覆力矩的要求。這樣有利于縮短傳動鏈，簡化結構設計。
由于主軸處于機器人小臂末端，相對線速度大，對重量與慣量特別敏感，所以傳動方式要求同時實現(xiàn)Z軸方向直線運動和繞Z軸的回轉運動，并要求結構緊湊、重量輕。經過比較，選擇同步齒型帶加三角形螺桿來實現(xiàn)Z軸上下運動，而用同步齒形帶加上帶鍵的滑動軸套來實現(xiàn)Z軸旋轉運動。相關傳動鏈如圖2-6所示
本章小結
在分析設計要求的基礎上提出教學機器人總體設計方案；用三維造型軟件完成四自由度關節(jié)式教學機器人的機械結構設計，完成機器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖繪制。
第3章 教學機器人機械結構的設計
3.1 機器人關鍵零部件設計計算
3.1.1 同步齒形帶的設計計算
(1) 確定同步齒形帶的設計功率。
同步齒形帶的設計功率隨載荷性質、速度增減而變化。 為載荷修正系數(shù)。
設計功率 =×=1.0×0.23=0.23w
(2) 選定帶型和節(jié)距
根據(jù)=0.23w和=83r/min，由圖確定為XL型帶，節(jié)距=5.080mm。
(3) 小齒輪齒數(shù)Z1，節(jié)徑，外徑
根據(jù)帶型和小齒輪轉速n，由表查得小齒輪的最小齒數(shù)min=10，節(jié)徑==16.17mm外徑
=-2δ(16.17-1.37)mm=14.8mm
(4) 大帶輪齒數(shù)Z2，節(jié)徑，外徑。
齒數(shù)Z2=Iz1=2×10=20
節(jié)徑 ===64.71mm
由表查得其外徑da2=d2-2=(64.71-1.37)mm=63.34mm (5)驗算帶速，同步帶傳動的速度為
==m/s=0.07m/s
查表知XL型帶帶速限制為vmax=50m/s。所以帶輪滿足要求。
(6) 初定軸間距 ,帶長及其齒數(shù)。
軸間距=60mm
帶長 =2+(+)+
=2×60+(16.17+64.71)+=256.80mm
經查得應選用帶長代號為100的XL型同步帶，其節(jié)線長 =254.00mm
節(jié)線長上的齒數(shù)=50
(7) 實際軸間距a,小帶輪嚙合齒數(shù) 。
軸間距≈+=60+=62.8mm
小帶輪嚙合齒數(shù)
嚙合齒數(shù)=［-(Z2-Z1)］
=［-(20-10)］
=5
(8)基本額定功率 ，所需帶寬 ，由表查得 a=50.17N, =0.022kg/m
=
==0.37w
帶寬 =×
由表查得H型帶=9.5mm,Zm=5,z=0.6
=9.5×=9.8mm
由表查得，應選帶寬代號為0.37的XL型帶，其=10mm。
(9) 作用在軸上的力，許用工作拉力
根據(jù)帶型號為HL選擇許用工作拉力 /N
=50/N
作用在軸上的力
===3258N
3.1.2 螺旋傳動副的設計計算
教學機器人腕部關節(jié)的移動自由度是由滑動螺旋傳動實現(xiàn)的，進而實現(xiàn)手爪的上下移動。
(1) 選擇材料和許用應力
螺桿材料選45鋼，調質處理，s =360N/mm2,經查表可得
［］==120~72 N/mm2，可?。郏?80 N/mm2
螺母材料選ZCuAlFe3。查表可得
［b］=40~60 N/mm2,取40 N/mm2；［］=30~40 N/mm2，取35 N/mm2，螺旋傳動屬于低速傳動，由表查得
［］=18~25 N/mm2，取19 N/mm2
(2) 按耐磨性計算螺紋中徑
由表中公式，，=1.5，=0.8=0.8=8.4mm
可選=10mm，=9，=8, =2，螺母高度==1.5×8=12mm.
則螺紋圈數(shù)==12/4=3圈。
(3) 自鎖性驗算
由于是單頭螺紋，導程==2mm，故螺紋升角為
===4°15′
由表鋼對青銅=0.08~0.10，取0.09，可得
`= = =5°19′23.4″
〈 `，故自鎖可靠。
(4) 螺桿強度驗算
由表查得螺紋摩擦力矩
=(+`)=×3000×(4°15′+5°19`23.4``)=2138N·mm，
帶入得
ca===11.06 N/mm2<［］
3.2 機器人關鍵零部件的校核計算
3.2.1 螺栓的強度校核計算
1．與6kg舵機相連的螺栓桿軸的計算
首先，將螺栓桿等效為圓桿來計算最大剪切力max，經計算容許剪切力w=5N/mm2，=6.5kg/cm，=45mm,=20KN/mm2。
最大剪切力max=====1.2≤5N/mm2
扭轉角====1.8°
由此可見，當舵機的轉動角度小于等于1.8°時，所引起的扭矩會使螺栓桿軸自身扭轉相應的度數(shù)。因此，只有當舵機轉動的角度大于1.8°時，才可以帶動大、小臂的轉動。
2．與9g舵機相連的螺栓桿軸的計算
首先，將螺栓桿等效為圓桿來計算最大剪切力 max[11]，經計算容許剪切力w=4N/mm2，=1.6kg/cm，=10mm,=15KN/mm2
最大剪切力max=====0.5≤5N/mm2
扭轉角====0.4°
由此可見，當舵機的轉動角度小于等于0.4°時，所引起的扭矩會使螺栓桿軸自身扭轉相應的度數(shù)。因此，只有當舵機轉動的角度大于0.4°時，才可以帶動帶輪轉動。
3.2.2 機械手臂的校核計算
由于此機器人為四自由度關節(jié)式機器人，主體結構為機座、大臂和小臂組成。因此可以將大臂和小臂等效為載荷在小臂端均勻分布的懸臂梁，即將機械手轉化為懸臂梁自由端的撓度和轉角的計算。
圖3-1 機械手臂受力簡圖
是大臂的長度為250mm； 是小臂的長度為260mm。經查表此臂的彈性模量為 =120KN/mm2，載荷 為20KN/m。
在=處：順y方向的撓度v
==(3+)= (3×510+250)=4.02mm
圖3-2 機械手臂的撓度和轉角圖
機械手臂右端的撓度b
=(34-43+4)
=(3×5104-4×2503×510+2504
=2mm
機械手臂右端的轉角b
b===0.03°
綜上所述，機械手臂右端處撓度為 b為2mm；轉角 b為0.03°，那么手臂傳遞給手爪一個向左0.03°的轉角。這種誤差不可避免。故在設計和裝配時將手爪向左傾向0.03°的角，進而補償這種誤差。
3.3 大臂的機械結構設計
如圖3-3大臂裝配結構圖所示，機器人大臂7的驅動舵機9直接安裝在機器人大臂內部。舵機7的輸出軸插入底座1內，底座1通過螺栓12固定在機座1上。同時深溝球軸承的內圈與連接板10配合在一起，連接板10通過螺栓6連結在大臂上，深溝球軸承的外圈與機座1配合在一起。當舵機軸旋轉時，受到螺栓14的固定限制不能轉動，從而舵機和大臂反向旋轉。這樣機器人大臂就可以繞機座中心軸相對固定機座轉動，但轉動方向與舵機輸出軸轉向相反。
圖3-3 大臂裝配結構圖
3.4 小臂的機械結構設計
圖3-4 小臂裝配結構圖
采用模塊化方法，大臂與小臂裝配結構類似。如圖3-4小臂裝配結構圖所示，機器人小臂2的驅動舵機9直接安裝在機器人小臂內部，這樣雖然增加了小臂慣量，但有利于簡化結構設計和零部件制造工藝。舵機9的輸出軸插入底座12內，底座12通過螺栓1固定在大臂2上。同時深溝球軸承的內圈與連接板10配合在一起，連接板10通過螺栓6連結在小臂上，深溝球軸承的外圈與大臂2配合在一起。當舵機軸旋轉時，受到螺栓13的固定限制不能轉動，從而舵機和小臂反向旋轉。這樣機器人大臂就可以繞機座中心軸相對固定機座轉動，但轉動方向與舵機輸出軸轉向相反。
3.5 腕部機械結構設計
腕部裝配結構圖如圖3-5所示。為了便于加工及保證精度，讓螺桿的一端從機蓋的一個工藝孔伸出，依靠機蓋的底平面與小臂的上表面來保證螺桿與主軸的平行度。由于同步齒型帶要能調整中心距和帶的張緊力，因此舵機6安裝在機蓋上并用兩個螺栓將其固定在機蓋上，螺栓在兩個輪的中心線上可以進行微調。這樣在裝配時可對兩帶輪中心距及帶張緊力進行調整。對舵機5的連接也采用這種方法。
腕部關節(jié)的上下移動的自由度是滑動螺旋傳動實現(xiàn)的?；瑒勇菪奶攸c是結構簡單，加工方便，成本低廉。當螺旋升角小于摩擦角時，能自鎖且傳動平穩(wěn)。螺桿與螺母相配合，螺母固定轉動實現(xiàn)螺桿帶動手爪上下移動。螺桿內部有一帶有鍵槽的細長圓軸穿過。它的一端帶有螺紋，通過螺紋與手抓連接板相連。
在主軸上開有三角鍵槽，而與主軸相連的帶輪內有鍵來實現(xiàn)主軸旋轉運動，帶輪與主軸有一配合面相當于一個長套筒，保證主軸垂直與旋轉精度。而鍵槽則設計成一段套筒，兩個套筒通過定位銷與螺釘進行連接。
圖3-5 腕部裝配結構圖
3.6 本章小結
教學機器人大臂和小臂結構相同，基本上實現(xiàn)模塊化設計，符合發(fā)展趨勢;三個模塊相互獨立、結構簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于平面關節(jié)式機器人設計，其一二關節(jié)模塊結構同樣適用于其他關節(jié)式機器人前端轉動關節(jié)設計。
三四關節(jié)模塊結構緊湊，充分利用結構空間，能同時實現(xiàn)高速旋轉運動與直線運動，主軸直線運動距離為25mm，而整個模塊在主軸方向高度約為172mm左右。同時，三四關節(jié)的電機軸與主軸不在同一直線上，也有利于結構布局，所以該模塊也可應用在一些對精度和結構尺寸都有要求的組合運動結構設計中。
第4章 手爪的結構設計
手爪用于抓取物體，并進行細微操作。手爪亦稱抓取機構，通常是由手指、傳動機構和驅動機構組成，根據(jù)抓取對象和工作條件進行設計。除了有足夠的夾持力外，還要保持適當?shù)木?，手指應能順從被抓對象的形狀。手爪自身的大小、形狀、結構和自由度是機械結構設計的要點。
4.1 手爪的結構形式的選擇
4.1.1 手爪的分類與特點
現(xiàn)在普遍使用的手爪和夾持機構大都十分簡單，如吸盤式手爪(真空吸盤和電磁吸盤等)承托型的叉子和懸掛式手爪、釣鉤等。下面著重介紹夾持式手爪、多關節(jié)手爪和順應手爪。
(1) 夾持式手爪
它既可以用手指的內側面夾持物體的外部，也可將手深入到物體的孔內后，張開手指，用其外側卡住物體。這種手爪大多是二手指或三手指的，按手指的運動形式分為三種：a. 回轉型：當手爪夾緊和松開物體時，手指做回轉運動。b. 平動型：手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。c. 平移性：當手爪夾緊和松開工作時，手指作平移運動，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。
(2) 多關節(jié)多指手爪
這類手抓一般由三個或四個手指構成，每個手指相當于一個操作臂，有三個或四個關節(jié)，與人的手十分相似，也稱擬人手，用于抓取復雜形狀的物體，實現(xiàn)細微操作。
(3) 順應手爪
所謂順應是指手爪具有所要求的柔性，其動作能適應工作環(huán)境，而不需要復雜的控制系統(tǒng)。
4.1.2 手爪結構形式的選擇
手爪設計是本次設計的關鍵，手爪設計的好壞直接影響到能否穩(wěn)抓起物體。選擇手抓的形式時，要考慮各方面的因素，如工作能力、結構形式、控制性能、工作形式、作業(yè)環(huán)境、技術水平等加以綜合分析和比較，確定最佳方案。經過上述的分析和比較，確定手爪結構形式，中間選擇錐形的回轉型手爪結構形式，在錐子上面開三個鍵槽，以便固定三個手爪，這樣三個手爪不會在空間位置旋轉。圖4-1為手爪的結構簡圖。
圖4-1 手爪的結構簡圖
4.2 手爪的機構設計
手爪亦稱抓取機構，通常是由手指、傳動機構和驅動機構組成，根據(jù)抓取對象和工作條件進行設計。教學機器人的手爪整體的設計比較簡單實用。手爪是由電控鎖來驅動的。電控鎖結構簡單、外型輕便、容易控制、裝拆方便。為了結構需要設計了一個手爪連接板。手爪連接板通過螺母與上下移動的螺桿的下端相連接。手爪、電控鎖以及錐形滑軌通過螺栓安裝在手爪連接板上。
手爪驅動機構的原理：當電控鎖通電時，電控鎖底部的圓柱形鎖頭就會縮回去，那么錐形滑軌馬上恢復原位，手爪處于張開狀態(tài)；當電控鎖斷電時，底部的圓柱形鎖頭就會自動彈出，錐形滑軌就會在鎖頭的作用下向下移動，手爪就處于卡緊狀態(tài)。這樣就可以實現(xiàn)手爪的抓取動作。如圖4-2所示 手爪機構的裝配圖
圖4-2 手爪機構的裝配圖
4.3 手爪的校核計算
如圖4—3所示 假設1=20mm, 2=28mm, 電控鎖的功率=4.5W行程=6mm, =1s.
圖4-3 手爪的結構形式
椎形滑軌的上下移動速度
===0.06m/s
=×, =/=4.5/0.06=75N, F1=19.4N
1×1=×2
=14N
設手爪物體向上移動的最大的加速度為=4m/s 設=9g=0.009kg 取摩擦系數(shù)為=0.1
2+
2×14×0.10.009×1+0.009×4
2.80.045
故手爪連桿1=20mm, 2=28mm的假設成立。
本章小結
手爪用于抓取物體，并進行細微操作。手爪亦稱抓取機構，通常是由手指、傳動機構和驅動機構組成，根據(jù)抓取對象和工作條件進行設計。除了有足夠的夾持力外，還要保持適當?shù)木龋种笐茼槒谋蛔ο蟮男螤?。手爪自身的大小、形狀、結構和自由度是機械結構設計的要點
第5章 教學機器人的三維設計及運動仿真
5.1 教學機器人的三維設計
5.1.1 UG三維建模環(huán)境概述
教學機器人是在UG環(huán)境下進行三維建模的。Unigraphics (簡稱 UG) 當前世界上最先進和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAID/CAD/CAE/CAM高端軟件。作為一個集成的全面產品工程解決方案，UG軟件家族使得用戶能夠數(shù)字化地創(chuàng)建和獲取三維產品定義。UG軟件被當今許多世界領先的制造商用來從事概念設計、工業(yè)設計、詳細的機械設計以及工程仿真和數(shù)字化制造等各個領域[17]。Unigraphics（簡稱UG）是集CAD/CAE/CAM一體的三維參數(shù)化軟件，是當今世界最先進的計算機輔助設計、分析和制造軟件，廣泛應用于航空、航天、汽車、造船、通用機械和電子等工業(yè)領域。UG公司的產品主要有為機械制造企業(yè)提供包括從設計、分析到制造應用的Unigraphics軟件、基于Windows的設計與制圖產品Solid Edge、集團級產品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)iMAN、產品可視化技術ProductVision以及被業(yè)界廣泛使用的高精度邊界表示的實體建模核心Parasolid在內的全線產品。UnigraphicsCAD/CAM/CAE系統(tǒng)提供了一個基于過程的產品設計環(huán)境，使產品開發(fā)從設計到加工真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產品設計與制造。UG面向過程驅動的技術是虛擬產品開發(fā)的關鍵技術,在面向過程驅動技術的環(huán)境中，用戶的全部產品以及精確的數(shù)據(jù)模型能夠在產品開發(fā)全過程的各個環(huán)節(jié)保持相關，從而有效地實現(xiàn)了并行工程。
5.1.2 教學機器人的主要零件的建模過程
此教學機器人共有70個組件組成，在建模過程中應用了UG的許多基本功能，例如“草圖”、“拉伸”、“旋轉”、“掃描”、“孔”、“腔體”、“圓臺”、“凸墊”、“基準面”、“基準軸”等特征。接下來簡單介紹幾個典型零件的建模過程。
(1) 機座
機座是整個機器人的支柱，它的設計和制造直接影響到機器人整體的剛度。首先在草圖狀態(tài)下畫草圖，接下來退出草圖，再用“旋轉”的功能將其旋轉成功。如圖5-1所示 機座的三維視圖。
圖5-1 機座的三維視圖
(2) 大臂
首先在“草圖”狀態(tài)下畫大臂的外形草圖，然后退出“草圖”，利用“旋轉”功能，接著進行“抽殼”，側臂和底部留3mm，接下來利用“型腔”做出可以安放舵機的腔體，用“打孔”的功能打出可以放軸承和允許軸通過的孔。如圖5-2 大臂的三維視圖。
圖5-2 大臂的三維視圖
(3) 小臂
首先在“草圖”狀態(tài)下畫大臂的外形草圖，然后退出“草圖”，利用“拉伸”功能，接著進行“抽殼”，側臂和底部留3mm，接下來利用“型腔”做出可以安放舵機的腔體，用“打孔”的功能打出可以放軸承和允許軸通過的孔。如圖5-3所示 小臂的三維建模圖形。
圖5-3 小臂的三維視圖
(4) 手抓
首先，按照設計的尺寸和角度繪出手爪的草圖，如圖5-4 手爪的草圖建立圖形。
圖5-4 手爪的草圖建立圖形
然后，退出“草圖”，利用“拉伸”功能將其拉伸，接下來在斜面上加兩個凸墊，再在凸墊上打兩個通孔，用于和導輪想配合。如圖5-5所示 手爪的三維視圖。
圖5-5 手爪的三維視圖
5.1.3 教學機器人組件的裝配過程
裝配是將之前所建的圖形利用UG軟件的“裝配”功能將其裝配起來。裝配方式有兩種：從底向上設計方法和自頂向下設計方法。由于結構要求，本設計采用從底向上的設計方法。在這里用到了幾種配對約束類型：貼合、對準、角度、平行、對中、距離、相切。如圖5-6所示 教學機器人的裝配圖。
圖5-6 教學機器人的裝配圖
5.2 教學機器人的運動仿真
5.2.1 UG運動分析模塊
UG運動分析模塊(UG/Motion)是一個模擬仿真分析的設計工具。它既能進行運動學(Kinematic)分析，又能進行動力學(Dynamic)分析。它可以分析產品的臨界位置、反作用力、速度及加速度等。
5.2.2 教學機器人運動仿真的建立過程
首先單擊“應用”菜單下的“運動分析”選項，這樣教學機器人的裝配特征就進入了運動分析模塊。
1．教學機器人的運動輸入
運動輸入是賦給運動副控制運動付參數(shù)。當創(chuàng)建或編輯調用一個動副時，就會彈出運動驅動對話框。運動驅動的對話框如圖5-7所示
圖5-7 運動驅動的對話框
運動驅動共有5個可選類型：
(1) 無驅動
顧名思義，沒有外加的運動驅動賦在運動付上。
(2) 恒定驅動
恒定驅動設某一運動付為等常運動(旋轉或線性位移)，所需參數(shù)是位移(時間t=0時的初始位置)、速度和加速度。
(3) 簡諧運動驅動
簡諧運動驅動產生一個光滑的向前或向后的正弦運動。
(4) 通用運動函數(shù)
通用運動函數(shù)是描述復雜運動驅動的數(shù)學函數(shù)。
(5) 關節(jié)運動驅動
關節(jié)運動驅動設某一運動以特定的步長(旋轉或線性位移)和特定的步數(shù)運動，所需的輸入?yún)?shù)為步長和步數(shù)。
教學式關節(jié)式機器人選的是恒定驅動。
2．關節(jié)運動分析
當運動驅動定義為關節(jié)驅動時，選擇分析工具條中的關節(jié)運動分析(Articulation)圖標，并輸入步長和步數(shù)進行分析。
選擇分析工具條的關節(jié)運動分析圖標，見圖5-8
圖5-8 關節(jié)運動分析圖標
一系列已分配好運動驅動的運動付就會出現(xiàn)在出現(xiàn)在關節(jié)運動對話框上部。
在運動付的“名字”前打上“√”激活關節(jié)運動付，即會自動彈出步長項和位移項供編輯。
在步數(shù)項(Number of Steps)輸入關節(jié)運動的運動步數(shù)。
關節(jié)運動控制按鈕執(zhí)行這些功能，如圖5-9所示。
圖5-9 關節(jié)運動分析播放鍵
3．運動仿真
(1) 運動仿真
在分析工具條中選擇運動仿真圖標，運動分析對話框如圖5-10所示。
圖5-10運動分析對話框
當運動驅動為運動函數(shù)、恒定驅動或簡諧運動時，則進入運動仿真(Animation)對話框進行分析，此教學機器人的仿真參數(shù)為在10秒鐘內走200步，如圖5-11分析選項對話框所示。
圖5-11 分析選項對話框
(2) 靜力學分析
靜力學分析將模型移動到平衡位置，并輸出運動付上的反作用力。
(3) 機構運動學/機構動力學分析
機構運動學/機構動力學按輸入的時間和步數(shù)進行仿真分析。
在分析工具中選擇運動仿真圖標既啟動運動仿真分析過程，在分析選項對話框中單擊OK按鈕，啟動ADAMS解算器。緊接著就會自動彈出運動仿真對話框，如圖5-12 運動仿真對話框所示
圖5-12運動仿真對話框
當點擊中間的播放鍵時，四自度關節(jié)式教學機器人的三個旋轉關節(jié)就會繞軸轉動。如圖5-13所示 教學機器人在仿真中間某一時刻的視圖
圖5-13 教學機器人運動仿真視圖
5.3 本章小結
本章第一部分介紹了三維設計。三維建模過程是建立組件裝配關系的過程。對數(shù)據(jù)庫中已存的系列產品零件、標準件以及外購件可通過從底向上的設計方法加入到裝配件中來。在裝配過程中，應用了大量的UG裝配功能。在此機器人的三維設計過程中，我已深深體會到三維視圖的方便和直觀性。
接下來介紹了利用UG運動分析模塊實現(xiàn)了教學機器人的運動仿真分析。通過運動付控制運動的運動參數(shù)的設定，包括驅動類型、時間、步數(shù)等實現(xiàn)了機器人的三維仿真，進而使機器人增加了動態(tài)感和真實性。
結論
隨著機器人技術的進一步發(fā)展，其應用必將越來越廣泛。機器人學這門課程必將越來越重要，實驗設備的缺口也必然越來大。研制教學機器人是很有必要的。目前本設計所完成的主要工作是：
在分析設計要求的基礎上提出教學機器人總體設計方案；用三維造型軟件完成四自由度關節(jié)式教學機器人的機械結構設計，完成機器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖繪制。
所設計教學機器人基本上實現(xiàn)模塊化設計，符合發(fā)展趨勢。三個模塊相互獨立、結構簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于教學式平面關節(jié)式裝配機器人設計，其一二關節(jié)模塊結構同樣適用于其他關節(jié)式機器人前端轉動關節(jié)設計。采用特殊軸承和特殊的傳動結構解決了機器人的抗傾覆問題，這種特殊結構有益于提高系統(tǒng)機械性能。
另外