六自由度关节型机器人腰部结构设计说明书[带图纸].doc

《六自由度关节型机器人腰部结构设计说明书[带图纸].doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《六自由度关节型机器人腰部结构设计说明书[带图纸].doc（39页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、目录1前言11.1题目来源及分析11.2研究目的21.3国内外发展及研究现状22关节型机器人总体设计42.1确定基本技术参数42.1.1机械结构类型的选择42.1.2额定负载52.1.3工作范围52.1.4操作机的驱动系统设计52.1.5控制系统的选择62.1.6确定关节型机器人手臂的配置形式62.2关节型机器人本体结构设计73关节型机器人腰部结构设计103.1电动机的选择103.2计算传动装置的总传动比及分配各级传动比123.3轴的设计计算123.3.1计算各轴转速、转矩和输入功率123.3.2确定三根轴的具体尺寸133.4确定齿轮的参数173.4.1选择材料173.4.2压力角的选择173

2、.4.3齿数和模数的选择173.4.4齿宽系数的确定173.4.5确定齿轮传动的精度183.4.6齿轮的校核193.5壳体设计224关节型机器人的位姿分析234.1机器人的位姿与运动的描述234.2关节型机器人的广义连杆变换矩阵234.3关节型机器人运动方程264.3.1关节型机器人运动分析264.3.2关节型机器人运动反解295结论34参考文献35附录36关节型机器人腰部结构设计摘要:为了提高生产效率和产品的焊接质量,满足实际工作需要,本课题设计了用于焊接的关节型机器人。根据机器人的工作要求和结构特点，进行了机器人的总体设计，确定了机器人的外形尺寸和工作空间，拟定了机器人各关节的总体传动方案

3、，对机器人腰关节结构进行了详细设计，合理布置了电机和齿轮，确定了各级传动参数，进行了齿轮、轴和轴承的设计计算和校核。利用齐次变换矩阵法建立了六自由度关节机器人的正运动学模型，求出机器人末端相对于各自参考坐标系的齐次坐标值，建立了在直角坐标空间内机器人末端执行器的位置和姿态与关节变量值的对应关系。基于几何投影原理推导出相应的逆运动学模型，求出了各个关节的角度值，建立了机器人关节空间与世界空间的映射关系。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。关键词：关节型机器人；位姿分析；总体设计；腰部结构设计ThewaiststructuraldesignofarticulatedrobotAbstr

4、act:Inordertoimprovetheefficiencyofproductionandweldingqualityofproductsandmeetrealworksneeds,thissubjecthasdesignedthearticulatedrobotusedforwelding.Accordingtothejobrequirementsfortherobotandstructurecharacteristic,Ihavecarriedontheoveralldesignoftherobot,confirmedtheexternaldimensionandworkspaceo

5、ftherobot,draftedtheoveralltransmissionschemeofeveryjointoftherobot.Ihavedesignedthewaiststructureoftherobotindetail,assignedtheelectricalmachineryandgearwheelrationally,confirmedatallleveltransmissionparameters,carriedonthedesignandcalculatingofgearwheels,shaftsandbearingsandcheckingthem.Thekinemat

6、icmodelofrobotsystemhasbeenbuiltupbymeansofthehomogenoustransformationofmatrixinthisthesisanddeducestherobotshomogenouscoordinatewhichisrelativetoitsreferencecoordinate.Wealsomakeupthepositionrelationshipbetweentherobotsendeffectorandthevariablefriableofeveryjoint.Theinversekinematicmodelisdeducedwh

7、ichbasedontheprojectionprincipleofgeometryandthevalueofangleisworkedout.Whatsmore,therelationshipisbuiltupbetweenthejointspaceofrobotandtheworldspace.Thisrobothasthecharacteristicsoffinerigidity,positionprecisionhigh,thatoperatesteadily.Keywords:Articulatedrobot；Appearanceanalysisinthelocation；Desig

8、noverallly；Waistarticulatedstructuraldesignoftherobot1前言1.1题目来源与分析题目关节型机器人腰部结构设计来源于生产实践中。要求设计的机器人具有6个自由度：腰关节回转；臂关节俯仰；肘关节俯仰；腕关节仰腕；摆腕；旋腕。其中要详细地设计机器人基座和腰部的结构。整体机器人要实现腕部最大负荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空间半径1500mm。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内

9、容。自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。特别是在20世纪20年代前后,捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。在现实生活中,一些民间工匠根据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。1954年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装

10、置,发表了适用于重复作业的通用性工业机器人一文,并获得了美国专利。戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起,预定的机械手动作一经编程输入后,机械等就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。因此，这种机器人的主要技术就是“可编程”以及“示教再现”。1.2研究目的焊接机器人是最大的工业机器人应用领域,它占工业机器人总数的25%左右。由于对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求,一般工人

11、已难以胜任这一工作；此外,焊接时的火花及烟雾等,对人体造成危害,因而,此课题的提出就有十分重要的意义。1.3国内外发展及研究现状国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势a.工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。b.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。c.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维护性

12、。d.机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。e.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。f.当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是治理于操作者于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进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就

13、是这种系统成功应用的最著名实例。g.机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。国际机器人研究在经过了80年代的低潮之后,呈现出复苏和继续发展的形势；我国的机器人研究在国家七五八五及863计划的推动下也取得了很大的发展。在70年代的机器人浪潮相比,现在的机器人研究有两个特点:一是对机器人智能的定位有了更加符合实际的标准,也就是不要求机器人具有像人类一样的高智商,而只是要求机器人在某种程度上具有自主处理问题的能力。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”“八五”科技攻关，目

14、前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制技术硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户

15、的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果，其中最为突出的是水下遥控机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、声觉、触觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。5613