基于UG四自由度机器人的结构设计【三维UG】

喜欢这套资料就充值下载吧。资源目录里展示的都可在线预览哦。下载后都有，请放心下载，文件全都包含在内，图纸为CAD格式可编辑，有疑问咨询QQ:414951605 或 1304139763p 黑龙江工程学院本科生毕业设计 第1章 绪 论 1.1 机器人研究背景 1.1.1 制造业的发展使机器人“被迫”由科幻走入现实 以自动化规模生产为标志，世界范围内的制造业革命于20世纪50年代拉开帷幕。当时生产自动化的概念几乎是“用机器人代替人”的同义语。机器人就是为适应当时制造规模化生产的需要而诞生的，其最早应用于汽车业，在解决单调、繁重、重复的体力劳动和提高产品质量上，发挥了巨大的作用。 1.1.2 信息技术的发展为机器人的进一步发展提供了“高速轨道” 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，机器人技术的开发速度越来越快，智能度越来越高。 1.1.3 高危领域对机器人技术飞跃提出客观要求 由于军事、空间技术、核废料处理以及水下探险等，人类难以介入的高危领域发展的迫切需要，引起了各国政府对机器人研究的重视，同时也激发了各国科学家们的研究热情[1]。 1.2 机器人的定义 1.2.1 世界机器人的定义 “机器人“是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人去进行各种工作。 尽管直到三十多年前，“机器人”才作为专有名词加以引用，然而机器人的概念在人类的想象中却以存在三千多年了。早在我国西周时代（公元前1066—公元前771年），就流传有关巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人的故事。我国东汉时期（25—220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。作为第一批自动化动物之一的能够飞翔的木鸟是在公元前400年至350年间制成的。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈若斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。在公元前2世纪出现的书籍中，描写过一个具有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和列队表演。人类历史进入近代史之后，出现了第一次工业革命和科学革命。随着各种自动机器、动力机械的问世，制造机器人开始由梦想转入现实，许多机械式控制的机器人，主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品应用而生。 进入20世纪后，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中，人们含有几分不安的期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。1920年，捷克剧作家卡雷尔•查培克（Karel Capek）在他的幻想情节剧《路萨姆的万能机器人》中，第一次提出了“robot”这个词。在剧中，他把机器人描述成与人相似但能不知疲倦地工作的机器，最终机器人背叛它们的创造者而消灭了人类。各国对机器人的译法，几乎都从斯洛伐克语“robota”音译为“罗伯特”，只有中国译为“机器人”。1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中，提出了有名的“机器人三守则”： （1）机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人类将受害而袖手旁观； （2）机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类； （3）机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类令它做出牺牲。 这三条守则，给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户，提供了十分有意义的指导方针。 而现实世界里，机器人在国际学术界至今也没有做出统一的、公认的、文字严格的定义。不同的专家往往给以各有侧重的说法，不同的国家也往往沿用各自习惯的解释。 机器人的定义处在不断的发展变化之中。美国机器人协会（RIA）认为，机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能机械手（Manipulator）日本机器人协会（JIRA）认为工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器（End Effector）能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织（ISO）给出的定义是，机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可变程序造作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行多种任务。 1.2.2 我国机器人的定义 关于我国机器人的定义。随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。蒋新松院士曾建议吧机器人定义为“一种几人功能的机械电子装置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我们参考各国的定义，结合我国情况，对机器人做出统一的定义： 我们认为机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能，可以代替人完成特定任务的一种自动化机电装置[2]。 由此可见对于“机器人”的定义是仁者见仁，智者见智，但被国际普遍接受的是由美国“机器人工业协会”（RIA）的一批科学家于1979年提出的定义：机器人是一种可改编程序的多功能操作机构、用以按照预先编制的能完成多种作业的动作程序运送材料、零件、工具或专用设备。 1.3 机器人的分类 随着计算机技术和智能技术的发展，极大的促进了机器人研究水平的提高。科学家们为了满足不同用途和不同环境下作业的需要，把机器人设计成不同的结构和外形，以便让他们在特殊条件下出色的完成任务。但对于庞大的机器人家族，目前尚未有统一的分类方法，常从以下几个方面进行分类： 1.3.1 按照机器人从低级到高级的发展程度分类 （1）第一代机器人（20世纪60年代） 主要指能以“示教—再现”方式工作的机器人，其特征是机器人能够按照事先教给它们的程序进行重复工作。示教内容为机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。 （2）第二代机器人（20世纪70年代） 具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人做出一定的推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智商。 （3）第三代机器人（20世纪80年代中期以后） 智能机器人，这种机器人带有多种传感器，能够将传感器得到的信息进行融合，能够有效适应环境变化，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能[3]。 1.3.2 按照机器人所完成的主要功能分类 （1）操作机器人 这是目前工业应用最广泛的机器人，绝大多数工业机器人属于这一类。其特点是模仿人手和手臂的动作，完成搬运、焊接、喷漆、打磨、抛光、检测、装配等工艺操作。 （2）移动机器 人在工业生产中轮式机器人、履带式机器人及步行机器人常用来完成运输及上、下料等任务。比如管道机器人、水下机器人、采掘机器人等等。这种机器人多半都装有操作手和摄像系统，以完成操作并对现场进行远距离监视[4]。 （3）信息机器人 这是指以计算机系统为基础的智能行为模拟装置。广义地说，这类机器人包括专家系统、翻译机、作曲机、图像识别系统、指纹识别机译及信息决策系统等。 (4)人机机器人 这类机器人和人之间存在双向闭环联系，包括联肢机械手，装在人腿上的助行机械足，生物电控或声控假肢等[4]。 1.3.3 按照机器人的开发内容和目的分类 按照机器人的开发内容和目的分为工业机器人、操纵型机器人、智能型机器人和特种机器人，习惯将后三种机器人统称为先进机器人。 （1）工业机器人：机器人的本体主要是一只机械手臂，它直接操作的对象是末端执行器，它随操作对象的形状和材料不同而制成各种各样。 （2）操纵型机器人：这类机器人是由一类由人操纵进行工作的机器人，由操纵人员在工作中不停地向机器人发送操纵指令，在智能和适应能力方面辅助机器人完成复杂的作业，机器人把操作对象和作业环境的状态直接地或间接地反馈给操纵人员，操纵人员据此控制机器人行为。 （3）智能机器人：这类机器人是指本身能认识工作环境、工作对象及其状态，能根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立地决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。这种机器人也就是第三代机器人，它的控制方法是一种“认知—适应”的方式。 （4）特种机器人：这类机器人是专门为完成某一项或几项任务而制造的，大多数不具有通用性。这种机器人的开发和制造，可着眼于基础研究的立场和面向实用化立场[4]。 1.3.4 按照应用领域对机器人进行分类 按照应用领域可分为民用机器人和军用机器人。 民用机器人又分为工业机器人、服务机器人、娱乐机器人、类人机器人和农业机器人。1990年10月，国际机器人工业人士在丹麦首都哥本哈根召开了一次工业机器人标准大会，并在这次大会上通过了一个文件，把工业机器人分为四类： （1）顺序型。这类机器人拥有规定的程序动作控制系统； （2）验轨迹作业型。这类机器人执行某种移动作业，如焊接、喷漆等； （3）远距离作业。比如在月球上自动工作的机器人； （4）智能型。这类机器人具有感知、适应以及思维和人机通讯机能[5]。 1.4 机器人的发展概况 在科技发展史上，科研技术和产业应用是相辅相成的。在发展机器人产业上，国际上存在着两条不同的技术路线：一条是日本所走的“需求牵引，技术驱动”的路线，他们把美国发明的机器人和本国工业发展的需要相结合，开发出一系列特定用途的机器人，如弧焊、点焊、喷漆、装配、建筑等机器人，从而形成了强大的机器人产业。而财力雄厚的产业又提供大量的研究经费供科研机构进行新的或后续的研究工作，由此推动了本国机器人技术的发展。另一条路线是把机器人作为研究人工智能的载体，即单纯从技术上模仿人的某些智能来研究智能机器人，如美国、英国等许多大学及研究所的做法[6]。 1.4.1 机器人在国外的发展概况 1、机器人的诞生之地——美国 美国是工业革命的诞生地，1959年美国人英格伯格和德沃尔制造出了世界第一台工业机器人。此后，精明的他们又创办了世界上第一家机器人制造工厂，并生产出一批名叫“尤里梅特”的工业机器人，也因此他们获得了“世界工业机器人之父”的殊荣。经过四十多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，但综观其发展史，并不平坦。 二十世纪六、七十年代，因担心机器人会使失业率增加，而不予投资，也不组织研制，机器人的发展基本停滞。七十年代后期虽有所重视，但把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使美国在工业机器人方面丧失领袖地位。 但美国的机器人技术在国际一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。其机器人性能可靠，功能全面，精确度高；机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广。视觉、触觉等人工智能技术已在行天、汽车工业中广泛应用，高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等迅速发展，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面[7]。 2、机器人的冠军之地——日本 第二次世界大战后，日本经济高速发展，而劳动力紧张。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎“尤尼曼特”机器人。到八十年代中期，已一跃成为“机器人王国”，其产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事本完二的说法：“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进入普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。 日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够已价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场，这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增强了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追[8]。 1.4.2 我国机器人的发展概况 1、我国机器人的发展 目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。随着经济全球化和我国加入WTO，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。 近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。 我国机器人的研究与应用水平与日美相比存在较大差距，主要是没有形成机器人产业。 我国政府非常重视机器人技术的发展，从1986年“七五”科技攻关及实施到1987年863计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，其中有130多台套喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用。形成了沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨工业大学的博实机器人公司、北京机械自动化研究所机器人开发中心等九个机器人产业化基地，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。 但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。我国整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。 尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。这主要有以下几个方面： 首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。同时转变现有的机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。 其次，在国家的科技发展规划中，应继续对工业机器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。 第三，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的开发，使之与国民经济的发展密切相结合。经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业[9]。 21世纪是人类走向海洋，向海洋要资源的世纪，我们的系列水下机器人将在海洋资源勘探、海洋石油开采、沉船打捞等诸多领域发挥其不可替代的作用。台湾问题、临海问题一直是非常敏感的问题，要想解决好这些问题，必须有先进的水上、水下装备，发展先进的水下机器人可以有效地提高我国的领海保卫能力，增强我国的国防实力。 我国机器人的研究与开发起步晚，始于20世纪70年代初，到现在已经历了30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。 2、我国机器人的发展特点 （1）水下机器人技术走在世界前列。例如，自主研制成功1000米水下无缆机器人以后，又和俄罗斯合作成功研制了6000米水下无缆自治机器人且实现了工程化[10]。更值得一提是，95年和97年在夏威夷东南太平洋5800米水深处成功地进行了两次大洋探测试验，取得了海底锰结核分布资料，表明我国已成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一。 （2）机器人化机器推动我国工程机械的更新换代。相继完成了无人驾驶的振动式压路机、具有自动化推平功能的推土机、可编程挖掘机、自动凿岩机，促进了我国工程机械产品升级换代。 （3）特种机器人的发展蓬蓬勃勃。继防核化侦察车、遥控移动机器人及爬壁机器人以后，又开发出防暴机器人、自动引导车、各种罐体爬壁清扫机器人、玻璃擦扫机器人等。90年代初，研制成功多自由度微操作机器人，并在生物与医学工程取得成功应用。在微小空间探测的小机器人研究也有了突破。 （4）工业机器人系列产品和应用工程成为机器人产业的龙头。研制出具有国际90年代水平的实用性转配机器人、弧焊机器人、电焊机器人及自动引导引车等一系列产品，并实现了小批量生产及其应用工程[4]。 3、我国机器人研究成果 1980年——研制成功中国第一台工业机器人样机； 1985年——中国第一台水下机器人首航成功； 1986年——中国第一台水下机器人深海试验成功； 1988年——中国第一台水下机器人投入使用； 1990年——水下机器人首次出口美国； 1992年——国产AGV第一次应用于柔性生产线； 1993年——中国唯一的机器人技术国家工程研究中心成立； 1994年——中国第一台五自由度高压水切割机器人投入使用； 1994年——中国第一台1000米水下机器人海试成功； 1995年——中国第一台6000米水下机器人海试成功； 1995年——中国首台四自由度电焊机器人开发成功，第一条电焊机器人生产线投入使用； 1995年——自主开发的机器人技术——AGV技术出口韩国； 1997年——具有自主版权的高性能机器人控制器小批量生产； 1997年——自主开发的国内第一条机器人冲压自动化线用于一汽大众生产线； 1998年——国内首台激光加工机器人开发成功； 1998年——国内首台浇注机器人用于生产； 2000年——中国首台类人型机器人研制成功[11]； 2001年——我国第一次用机器人完成脑外科手术； 2003年——我国第一台管道无损探测机器人研制成功； 2004年——我国首台自走式两栖机器人研制成功； 2006年——我国首台烹饪机器人在深圳诞生。 1.5 机器人的发展趋势 随着计算机技术的迅速发展及人工智能、传感技术和仿生材料技术水平的逐步提高，目前研究热点主要落在了智能化、拟人化两方面。 （1）工业机器人性能追求高速度、高精度、高可靠性的三高境界； （2）机械结构趋向模块化、可重构化； （3）工业机器人控制系统利用PC机的开放型控制器； （4）机器人中的多传感器系统的广泛应用，便于进一步提高机器人的智能和适应性 [24]； （5）从仿真、预演发展到过程控制全程运用虚拟现实技术； （6）微型和微小机器人技术。纳米机器人是最具诱惑的项目； （7）遥控机器人系统致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室走入实用化阶段； （8）机器人化机械开始崛起。机器人化机械研究开发包括并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）的开发研究，以及机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备的研究开发[1]。 1.6 设计的主要内容 基于UG四自由度机器人的结构设计，是结合机械设计与计算机软件设计的综合性设计。现今社会，机器人以成为各国竞相发展的行业。机器人的设计主要是通过给定的条件运用机械设计原理，计算其负载功率，选定动力驱动方式，确定出四自由度机器人的结构形式，确定各个部件的尺寸及对相应的部件进行强度计算。 在上述基础上，运用计算机CAD技术绘制零件二维图形，机器人总装图形。在运用计算机UG三维软件技术对四自由度机器人的所有零件进行三维的实体建模，并运用UG装配功能将四自由度机器进行三维的模拟组装，最终完成机器人的模型设计。 第2章 机器人结构方案分析 2.1 机器人系统 2.1.1 机器人系统的基本组成 一个机器人系统，一般由下列四个互相作用的部分组成：执行机构、控制器、环境、任务，如图2.1所示[1] 位置、速度反馈 控制算法 工作任务 模型 控制器（计算机） 执行机构 关节式机械系统 驱动装置 驱动装置 外感应信息 交互作用 计算机 语言 任 务 外传感应器 环 境 图2.1 机器人系统的基本组成 2.1.2 机器人结构简图 机器人系统的基本组成图可简化为如图2.2所示[2]。 外传感信息 环境 执行机构 控制器 任务 外传感信息 图2.2 机器人结构简图 机械手是具有传动执行装置的机械，它由臂、关节和末端执行装置（工具等）构成，组合为一个互相连接和互相依赖的运动机构。机械手用于执行指定的作业任务。不同的机械手具有不同的结构类型。其结构原理图如图2.3。 图2.3 机械手结构简图 2.2 机器人的执行机构 机器人是由执行机构、驱动机构和控制部分所组成，各部关系如下框图2.4。 工作 控制系统 控制系统 执行机构 位置检测装置 图2.4 机器人组成关系图 执行机构（机械部分）包括手部、腕部、手臂和行走机构等运动部件组成[1]。 2.2.1 腰部结构 腰部是直接支撑和传动手臂的部件，一般实行臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都要安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以设地面或架空轨道运动，本设计采用与底座相连的固定式。 机身是直接连接、支撑和传动手臂及行走机构的部件，它是由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等组成。 常用的机身结构有： （1）升降回转型； （2）俯仰型； （3）直移型； （4）类人机器人机身结构。 本设计采用升降回转型。 2.2.2 臂部结构 手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。 机器人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自传等运动有关的构件，如传动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等，此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的构件配线等。 根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为： （1）伸缩臂部结构； （2）转动伸缩型臂部结构； （3）屈伸缩型臂部结构； （4）其他专用的机械传动臂部结构。 本设计采用屈伸缩型臂部结构[3]。 手臂有独立的自由度，可采用： （1） 直角坐标（前后、上下、左右都如直线运动）； （2） 圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转运动）； （3） 球坐标（前后伸缩，上下摆动和左右旋转运动）； （4） 关节式（手背能任意伸屈）。 直角坐标系占空间大，工作范围小，所以一般不用；圆柱坐标系占空间较小，工作范围较大，但惯性也较大，且不能抓取底面物体，不予使用；球坐标系和关节式占空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物件，关节式还可以绕障碍物选择途径，灵活性较高，广泛使用。 本设计因手臂部只有两个自由度，避免了多关节结构复杂的缺陷，使关节的优势得以充分发挥，因此将手臂的结构做成关节式，并分为小臂、大臂，小臂用来联接手腕和大臂，大臂用来联接小臂和底座上的腰部旋转件，各拥有一个自由度。 2.2.3 手腕结构 手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。 手腕部一般需要三个自由度； （1）臂转，绕小臂轴线方向的旋转； （2）手转，使手部绕自身的轴线方向旋转； （3）腕摆，使手部相对手臂进行摆动。 本设计四自由度机器人腕部采用上下摆动的自由度形式，用步进电机直接驱动。由于本设计机器人主要用于搬用中小零件或教学用机器人，所以承受载荷不很大，结构要求不高，所以这个结构可以使用。为了便于手臂上的位置结构安排，直接驱动浪费空间，重量分布也不太均匀，所以决定采用同步带轮传递动力。 2.2.4 手部结构 手部是机器人直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部结构是多种多样的。它具有模仿人手动作的功能并安装与机器人手臂的前端，结构较为复杂，其自由度一般不少于六个，所以本设计不对抓取部分—手腕 作详细设计。 2.3机器人的驱动机构 机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、电动式和机械式四种。 夜动式输出力大（压力高，常用液压为2.5～6.3MPa），臂力可达100公斤以上，且可用电液伺服机构，体积较小，可获得较大的推力或转矩；工作平稳，可得到较高的位置精度；传动中力、速度和方向比较容易实现自动控制，效率高、寿命长。不足处，泄露难克服，易引起燃烧爆炸等危险；液压元件精度要求高，造价高。 气动式具有空气粘度小，易达到高速（1m/s）；可利用空气压缩机减少了动力设备，气动元件工作压力低，造价也低，结构简单。采用点位控制或机械块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在30公斤一下。 电动式可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。私服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交直流、私服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精确要求不高的场合。 机械式结构复杂，灵敏度低，故不做详细介绍。 综上，本次设计的“四自由度机器人”主要使用于一般的教学、培训或汽车中小零件的搬运等，故采用电动式，将其简单高效的特点得以充分发挥[4]。 2.4 控制系统 机器人控制器具有多种结构形式，包括：非伺服控制、伺服控制位置和速度反馈控制、力（力矩）控制、基于传感器的控制、非线性控制、滑模控制、最优控制、自定位控制、递阶控制记忆各种智能控制等。本设计要求只对结构进行设计建模，控制系统不做要求。 2.5 本章小结 本章对四自由度机器人的常用结构方案进行分析。对机器人的结构组成（腰部、臂部、腕部）进行了详细的阐述，并最终确定适合本设计的结构方案，驱动方式等。最后简单介绍了驱动机构与控制机构。 第三章 四自由度机器人整体及部件设计 3.1 四自由度机器人性能要求 表3.1 四自由度机器人性能要求 结构形式 串联关节式 负载能力 2Kg 重复定位精度 ±0.1mm 运动范围 300° 120° 120° 360° 每轴最大运动速度 腰转 45°/S 大臂 45°/S 小臂 30°/S 腕摆 60°/S 最大展开半径 530mm 高度 957mm 本体重量 操作方式 示教再现/编程 供电电源 单相220V、50Hz 3.2 电机的选择 在要求输出力矩和负载较小的情况下，电机的选用一般有:电动伺服电机和步进电机两种。根据表3.1及电机的选用条件[13]结合本设计的性能要求及结构特点，本设计决定选用步进电机来驱动。 步进电机是一种吧电脉冲信号变换成直线位移的执行元件，本设计机器人是用来搬运中小零件的，所以选步进电机符合要求。 在根据参考文献[14]，混合式步进电机是一种兼有反应式和永磁式两种步进电机有点的新型电动机。五相及三相混合式步进电动机因其分辨率小，精度高、低频无振荡、高频力矩大而广泛用于各类机床、切割机、轻工、包装、医疗器械、机器人及电脑绣花机等自动控制设备中。因此，选用混合式步进电动机，系列代号BYG。 3.2.1 负载功率的估算 电动机负载功率是根据具体生产机械的负载及效率计算的，它可以从机械手册中查出。 （1）底座处电机负载功率 已知，腰转 450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min 负载功率 [15] PL=G∙u∙V624.5∙ηc kw (3.1) 式中： PL—腰部负载功率，kw； G—传动件重量，N（根据任务书及电机的初选确定）； u—传动摩擦系数； V—移动速度，m/s； ηc —传动机构效率。 G=mg(其中已知m≤85kg；g=9.8N/kg)=85×9.8 N=833 N u—查参考资料[11]得u=0.2； ηc—查参考资料[15]得ηc=0.9； V—已知角度450/s，初步确定机器人的底座腰部直径为150mm，则 V=4503600×π×150×10-3 m/s =0.059 m/s； 所以将以上各值带入式 3.1得 PL=G∙u∙V624.5∙ηc kw = 833∙0.2∙0.059 624.5∙0.9 kw =0.01749 kw=17.49 w 3.2.2 步进电机额定功率的计算 预选电机的额定负载功率基本原则是:连续工作方式下，要求 Pe≥PL,本设计是从发热温升负度考虑的，不必校核电动机的温升，只需校核过载能力[15]。 根据参考资料[16]，步进电机的转速 ne=60∙fZR∙N r/min (3.2) 式中： f—脉冲频率，Hz或P/s，本设计电压220V，频率f=50Hz； N—转子转过一个齿距的运行拍数，本设计选用BYG型步进电机，三相三拍时，N=m（相数）；三相六拍时N=2m； ZR —转子齿数，本设计选用BYG型步进电机，ZR=8； 根据参考资料[13]步进电机的额定功率 Pe=Te∙ωe1000 kw (3.3) 式中： Pe—电机额定功率； Te—电动机转矩 N∙m； ωe—电动机角速度 rad/s，ωe= ne； 1、底座电机选择 根据参考资料[17]，初选机器人底座处的步进电机为 57BYG4501型。 则根据提供的参数可知:Te=0.6N∙m；N=2m=2×2=4；将N=4带入公式 3.2得 ne =60×50/8×4 r/min =93.75 r/min 将ne =93.75 r/min带入公式 3.3得 Pe=0.6×93.75/1000 kw =0.05625 kw=56.25 w 因Pe=56.25 w>PL=17.89 w，所以所选电机 57BYG4501型能够胜任本设计要求。 2、手腕处电机选择 手腕处负载，根据设计要求 PL'=F∙vη×10-3 kw[15] (3.4) 式中： PL'—手腕处负载功率； F—额定提升的重量 N； v —额定提升速度 m/s； η—手腕处传动效率； F根据设计要求得 F=2×9.8 N=19.6 N； v 根据设计要求v=ω=600/s=6003600/160 rad/min=10 rad/min，或者 v=ω=600/s=6003600∙π∙d m/s=6003600×3.14×38.81×10-3 m/s=0.02 m/s，（其中d=38.81mm 这将在后边具体算出）； η 根据参考文献[18]得η=0.98；将F、v、η的值带入公式 3.4得 PL'=（19.6×0.02）/0.98 kw=4.0×10-3 kw (若用公式3.1计算PL'得 PL'=1.28×10-4 kw，这里我选用公式 3.4算得的值)。 所以，手腕处负载较小，经计算选用35BYG4501型步进电机。其转速和功率如下计算: ωe= ne = 60∙fZR∙N = 60∙508×2×4 r/min=46.88 r/min Pe= Teωe1000 = 0.05×46.88/10000.05×46.881000 kw =2.344×10-3 kw 3、大臂与腰部旋转体处电机选择 根据设计要求，此处所承受的最大负载大致为G=mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N。 运动速度为450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min，大臂伸展半径为303mm，所以大臂速度可变换为V =7.5r/min = 7.5×π×2×30360 m/s=0.24m/s。根据公式3.1可得大臂处负载功率为 PL=G∙u∙V624.5∙ηc kw=436.1×0.2×0.24624.5×0.9 kw=0.037kw=37w 根据参考资料[17]选择步进电机57BYG4501，根据公式3.3得 Pe=Te∙ωe1000 kw=0.6×46.881000 = 0.05625 kw=56.25 w 56.25 w>37w，根据参考资料[17]大臂与旋转体处电机选择57BYG4501型步进电机。 4、小臂与大臂联接处电机选择 根据设计要求，此处所承受的最大载荷为G=mg=（14×85+2）×9.8=227.85N。 运动速度为300/S=3003600/160 r/min =5 r/min，小臂伸展半径为411.5mm，所以小臂速度可变换为V =5r/min = 5×π×2×411.560 m/s=0.22m/s。根据公式3.1可得小臂处负载功率为 PL=G∙u∙V624.5∙ηc kw=227.85×0.2×0.22624.5×0.9 kw=0.0178kw=17.8w 根据参考资料[17]选择步进电机42BYG4503，根据公式3.3得 Pe=Te∙ωe1000 kw=0.48×46.881000 = 0.0225 kw=22.5 w 22.5 w>17.8w，根据参考资料[17]小臂与大臂联接处电机选择42BYG4503型步进电机。 3.3 同步带传动设计 3.3.1 已知条件： （1）传动功率 PL'=4.0×10-4 kw； （2）大小带轮转速 n1=n2=600/s=10 r/min （n1 为手腕处主动轮，n2为从动轮）； （3）传动用途、载荷性质、原动机种类以及工作制度[13]。 3.3.2 设计计算 （1）设计功率 Pd Pd=KA∙P (3.5) 式中： Pd—设计功率； KA —工况系数，查参考资料[13]得 KA =1.5； P—传动功率，P= PL'=4.0×10-4 kw； 将以上数据带入公式 3.5得 Pd=1.5×4.0×10-4 kw =6.0×10-4 kw （2）带型节距 Pb 根据Pd和n1、n2查参考资料[13]初选取XL型同步带。根据设计要求可知，n1= n2=10 r/min。前所选手腕处步进电机35BYG4501转速ωe= ne =46.88 r/min，根据本设计整体结构和BYG型电机的选择，经计算比较分析n1= n2=10 r/min与ωe= ne =46.88 r/min相差不是太大，可以使用 35BYG4501型电机。 为使传动平稳，提高带的柔性以及增加啮合齿数，节距Pb尽可能选取较小值。对模数制的m也尽可能选取较小值，特别是在高速时。故选取周节制XL型，Pb=5.080 mm，m=2。 (3) 小带轮齿数 (3.6) Zmin由参考资料[13]查得 Zmin=10，带速V和安装尺寸允许时，Z1尽可能选用较大值，故初选 Z1=24。 (4) 小带轮节圆直径 (3.7) 将mm，代入公式（3.3）中，得 mm 由Z1 =24及XL型号带查参考资料[13]得节圆直径 mm，外径mm。(5) 带速 (3.8) 将mm，r/min代入公式（3.8）中，得 m/s 根据模数型号与所选同步带型号，由参考资料[13]查得 m/s 故符合要求。 (6) 传动比 = n1n2 ≤10 根据本设计要求及结构，大小带轮转速相同，所以取 =1<10，符合要求。 （7）大带轮齿数 Z2 Z2=i ∙Z1=1×24 （8）大带轮节圆直径 d2 d2 =PbZ2/π =i∙d1=1×38.81=38.81 mm （9）初定中心距 a 采用中心距可调式 (3.9) 将mm，将其带入公式（3.9）中，得 mm 故取 a=70 mm。 （10）初定带的节线长度及其齿数 (3.10) 将mm，mm代入公式（3.10）中，得 mm 根据参考资料[13]，查表得：mm，Zb =55。 （11）实际中心距 a (3.11) 将mm，mm，mm代入公式（3.11）中，得 mm 将a取整 a=79 mm。 （12）基准额定功率 P0 (3.12) 式中：—带宽为bs0的许用工作拉力，N； m—带宽为bs0的单位长度的质量 kg/m； 根据参考资料[13]查得 Ta=50.17，v=0.02 m/s，m=0.22 kg/m带入公式（3.12）得 kw （13）带宽 bs (3.13) 式中： bs0—选定型号的基准宽度 mm； kz—小带轮啮合齿系数； 根据参考资料[13]查得bs0 =9.5 mm；kz数=1.00； 将kw，Pd=6.0×10-4 kw，mm，代入公式（3.13）中，得 mm 则根据参考资料[13]取bs=9.5 mm。 故选取同步带 GB/T 11616—1989 110XL037。 （13）作用在轴线上的力 Fr N (3.14) 将Pd=6.0×10-4 kw，m/s代入公式（3.10）中，得 N 本设计四自由度机器人的机身材料查阅参考资料[19]取 Q235。 3.4 轴的确定及校核 查阅参考资料[13]，本设计四自由度机器人腰部轴与手腕处轴均选用 45号刚。 3.4.1 腰部轴的确定校核 根据本设计要求及所确定的结构特点，腰部轴的尺寸及形状最终确定如图 3.1 图3.1 底座轴结构尺寸 本设计腰部轴主要承受转矩，承受的弯矩很小，所以按扭转强度计算。 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa (3.15) 式中： τ—轴的扭切应力 MPa； P—传递的功率 kw，P=17.49×10-3 kw； T—转矩 N∙m； WT—抗扭截面系数 mm3； d—轴的直径 mm，d=30 mm； n—轴的转速 r/min，n=93.75 r/min； [τ]—许用扭切应力 MPa，45号刚 [τ]=30~40 MPa； 将数以上据带入式（3.15）得 τ=9.55×106×17.49×10-3/0.2×303×93.75 =0.329 MPa< [τ] =30~40 MPa 所以本设计腰部轴的结构安排符合要求。 3.4.2 手腕轴的确定校核 根据本设计要求及所确定的结构特点，手腕轴的尺寸及形状最终确定如图3.2 图3.2 手腕轴结构尺寸 手腕处即受弯矩又受扭矩，也可近似使用公式（3.15）计算，但必须把轴的许用扭切应力[τ]适当降低以补偿弯矩对轴的影响。将减低后的许用应力带入 式3.15，并改写为设计公式 d≥39.55×1060.2τ∙3Pn≥C3Pn mm （3.16） 手腕处： P=4.0×10-4 kw； [τ]—45号刚 [τ]=30 MP（最小值）；n=10 r/min； C—由轴的材料和承载情况确定的常数，查参考资料[18]得C=118~107，取C=100； 将以上数据带入公式（3.16）得 d≥39.55×1060.2×30∙34.0×10-410≥10034.0×10-410 mm d≥7.324≥3.4 mm 本设计d=8 mm≥3.4 mm，符合要求。 3.4.3 大臂联接件的确定校核 根据本设计，大臂联接件尺寸确定如图3.3所示。 图3.3 大臂联接件尺寸 根据本设计结构安排，大臂联接件主要承受扭矩，所以按扭转强度计算。据公式3.15 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa 此处式中P=37w=37×10-3kw，n=7.5r/min=0.24m/s，d=35mm，带入式3.15中得， τ= TWT =9.55×106×37×10-3/0.2×353×7.5 MPa ≈5.49 MPa 大臂联接件材料为45号刚，[τ]=30~40 MPa，而5.49 MPa ≤[τ]=30~40 MPa，所以大臂联接件设计符合强度要求。 3.5 轴承的选用及计算 3.5.1 手腕处轴承 （1）手腕处轴承的选择 手腕处根据工作条件主要承受径向载荷，同时也承受一定得轴向载荷。故选手腕处轴承为深沟球轴承。 根据参考资料[13]及其图 3.2选择手腕处轴承为 60000型，查参考资料[20]得该轴承的基本额定动载荷 Cr=4.85 kN，径向额定静载荷 C0r=1.98 kN。 （2）轴承当量动载荷 P P=（XFr +YFa） (3.17) 式中： X—径向动载荷系数； Y—轴向动载荷系数； Fr—径向载荷 N，Fr =mg=29.8 N=19.6 N，此处考虑到过载、环境温度及运动过程中的冲击等情况可取大点，所以取Fr =100 N； Fa—轴向载荷 N，同Fr取为Fa=100 N； 因此 FaC0r = 100 N1980 N =0.051 根据 FaC0r = 0.051查阅参考资料[20]得e 值为0.26； 又 FaFr = 100 N100 N =1>e=0.26 根据参考资料[20]得 X=0.56；Y=1.71； 将以上数据带入公式（3.17）得 P=（0.56×100+1.71×100）N =227 N （3）轴承的基本额定寿命 Lh Lh = 10660n （ftCfpP）ε h (3.18) 式中：Lh—轴的基本额定寿命 小时； —基本额定动载荷 N，C=Cr=4.58103 ×103N； —当量动载荷 N，P=P=227 N； —轴承转速r/min； ft—温度系数，ft =1[18]； fp—载荷系数，fp =1.5[18]； ε—寿命指数[18]，球轴承 ε =3； 将以上数据带入公式（3.18）得 h 符合要求。 3.5.2 大臂联接处轴承 大臂联接处根据工作条件选择深沟球轴承，根据参考资料[13]及图3.3结构选择轴承6207，查参考资料[20]得该轴承的基本额定动载荷 Cr=25.5 kN，径向额定静载荷 C0r=15.2kN。 （1）轴承当量动载荷 P Fr—径向载荷 N，Fr = mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N， Fa—轴向载荷 N，此处轴向载荷较小，故Fa根据参考资料[20]可为Fa=400 N； X=0.56；Y=1.71 因此， FaC0r = 100 N15200 N =0.026 根据 FaC0r = 0.026查阅参考资料[20]得e 值为0.22； 又 FaFr = 400 N436.1 N =0.91>e=0.22 所以根据参考资料[20]得 X=0.56；Y=1.99； 将上边各值带入公式3.17得 P=（0.56×436.1+1.99×400）N =1040.216 N （2）轴承的基本额定寿命 Lh 根据公式3.18 Lh = 10660n （ftCfpP）ε h 得 Lh=10660×7.5×（1×25.5×1031.5×1040.216）3=9.7×106h 符合要求。 3.5.3 其它部位轴承的选择 同手腕处轴承的选用方法，腰部轴处根据工作条件及图3.1结构尺寸选用30206型滚动轴承。 大臂两端处轴承选用6207型滚动轴承[20]。 注：本设计其它零件的结构尺寸具体见CAD图纸和UG三维模型，这里不在赘述。 3.6 四自由度机器人长度尺寸 3.6.1 腰部总成高度尺寸 根据前边的选择，腰部电机57BYG4501，直径为66.6mm，根据参考资料[5]，箱座壁厚δ≥8mm，所以取机器人腰部壁厚为15mm，所以机器人腰部总直径d=66.6+2×15=96.6mm，取整d=97mm。底座直径比腰部直径要大些，以便安装螺栓固定腰部与底座，故取底座直径d’= 150mm。 底座轴承端盖厚度根据参考资料[5]得