SCARA型机器人及其手爪的机械设计【含CAD图纸和说明书】
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摘 要四自由度关节式机器人可以应用在工业装配、医疗等方面,因此对该类机器人的设计不仅对工业应用有利而且还会对教学方面起到了推动作用。教学机器人很类似于人的手臂的运动,它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平运动和垂直运动。它是一种工业机器人,具有四个自由度。其中,三个旋转自由度,另外一个是移动自由度。他能实现平面运动,具有柔顺性,全臂在垂直方向的刚度大,在水平方向的柔性大,广泛用于装配作业中。本文用模块化设计方法设计了教学机器人的机械结构。在分析设计要求的基础上提出了教学机器人总体设计方案;用三维造型软件完成四自由度教学机器人的机械结构设计,完成了机器人整体装配图及主要零部件的工程图,包括关节模块、电机模块、连杆模块。电机模块使用了直流电机、减速齿轮组、电位器三位一体的舵机。关节模块是指将驱动零件都装入大臂和小臂,同时还分析了教学机器人的运动学正解和逆解问题,设计了机器人的控制系统。所设计教学机器人基本上实现模块化设计,符合发展趋势。三个模块相互独立、结构简单、零部件少、精度高、可靠性高,不仅适用于教学式平面关节式装配机器人设计,其一二关节模块结构同样适用于其他关节式机器人前端转动关节设计。采用特殊轴承和特殊的传动结构解决了机器人的抗倾覆问题,这种特殊结构有益于提高系统机械性能。关键词计算机辅助设计;教学机器人;模块化设计方法;关节式 AbstractJoint 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 humanarms.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不要删除行尾的分节符,此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 国内外机器人技术现状及发展趋势1 1.3 教学机器人简介.2 1.4 本设计主要工作的内容.3 1.4.1 本设计工作的主要内容、技术方案及其意义.3 1.4.2 拟解决的关键问题.3 1.4.3 需要完成的工作.4第2章 关节式教学机器人的方案设计52.1 机器人的分类与特点52.1.1 机器人的分类52.1.2 机器人的特点7 2.2 教学机器人的总体设计.82.2.1 教学机器人的技术参数.82.2.2 教学机器人的外形尺寸与工作空间.92.2.3 教学机器人的总体传动放案.9第3章 教学机器人机械结构的设计113.1 机器人关键零部件设计计算113.1.1 同步齿形带的设计计算113.1.2 螺旋传动副的设计计算.13 3.2 机器人关键零部件的校核计算.143.2.1 螺栓的强度校核计算.143.2.2 机械手臂的校核计算.14 3.3 大臂的机械结构设计.16 3.4 小臂的机械结构设计.17 3.5 腕部机械结构设计.17 3.6 本章小结.18第4章 手爪的结构设计.19 4.1 手爪的结构形式的选择.194.1.1 手爪的分类与特点.194.1.2 手爪结构形式的选择.19 4.2 手爪的机构设计.20 4.3 手爪的校核计算.21第5章 教学机器人的三维设计及运动仿真.23 5.1 教学机器人的三维设计.23 5.1.1 UG三维建模环境概述.23 5.1.2 教学机器人的主要零件的建模过程.26 5.1.3 教学机器人组件的装配过程.27 5.2 教学机器人的运动仿真.27 5.2.1 UG运动分析模块.27 5.2.2 教学机器人运动仿真的建立过程.27 5.3 本章小结.30结论31致谢32参考文献33附录35千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV - 第1章 绪论1.1 引言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、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人既具有操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的自动化生产设备。目前机器人应用领域主要还是集中在汽车工业,它占现有机器人总数的28.9。其次是电器制造业,约占16.4,而化工业则占11.7。此外,工业机器人在食品、制药、器械、航空航天及金属加工等方面也有较多应用。随着工业机器人的发展,其应用领域开始从制造业扩展到非制造业,同时在原制造业中也在不断的深入渗透,向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化、扩展。而新开辟的应用领域有木材家具、农林牧渔、建筑、桥梁、医药卫生、办公家用、教育科研及一些极限领域等非制造业。一般来说,机器人系统可按功能分为下面四个部分: (1) 机械本体和执行机构:包括机身、传动机构、操作机构、框架、机械连接等内在的支持结构。(2) 动力部分:包括电源、电动机等执行元件及其驱动电路。(3) 检测传感装置:包括传感器及其相应的信号检测电路。(4) 控制及信息处理装置:由硬件、软件构成的机器人控制系统。1.2 国内外机器人技术现状及发展趋势国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(1) 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,平均单机价格从91年的10. 3万美元降至2005年的5万美元。(2) 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。(3) 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、易操作性和可维修性。 (4) 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。(5) 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。(6) 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进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7) 机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置己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。1.3 教学机器人简介四自由度关节式机器人应用很广泛,本设计主要是对教学机器人的设计。教学机器人(如图1-1所示)很类似人的手臂的运动,它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动,在平面内进行定位和定向,是一种固定式的工业机器人。它具有四个自由度,其中,三个是旋转自由度,一个是移动自由度。3个旋转关节,其轴线相互平行。这类机器人结构轻便、响应快,例如下棋机器人的运动速度可达l0m/s,比一般的关节式机器人快数倍。它能实现平面运动,全臂在垂直方向的刚度大,在水平方向的柔性大,具有柔顺性。 图1-1教学机器人四自由度关节式下棋机器人最适用于平面定位,广泛应用于教学和娱乐方面。1.4 本设计主要工作的内容1.4.1 本设计工作的主要内容、技术方案及其意义本设计是要设计一个教学水平关节式机器人。作为工业机器人己有很多成熟的产品,但大多驱动装置采用伺服电机,传动系统采用RV减速机,由这些部件构成的整机价格昂贵,不适宜于作为教学用途6。而教学机器人相对而言对运动精度的要求要比工业场合用的机器人所要求的精度低,对运动速度和稳定性的要求也不高,它只需具备机器人的基本元素,达到一定的精度即可。实际上由舵机构成的内部闭环系统精度已经很高,能满足教学用途,而且成本比伺服电机构成的闭环、半闭环系统低很多。谐波传动也是精度高、传动平稳并且很成熟的一项传动技术。因此自主开发低成本的教学机器人很有意义。对本机器人的研制,拟采用舵机作为动力装置, 同时采用同步齿形带和螺杆等零部件来构成机器人的机械本体。选出最优传动方案一一关键零部件选型一一零部件工程图和总装图一一机械系统三维建模一一运动学分析及位姿误差建模控制系统设计一一控制系统设计1.4.2 拟解决的关键问题(1) 抗倾覆力矩问题的解决。下棋机器人的大臂和小臂重量大,悬伸量也大,造成很大的倾覆力矩,影响机器人的性能,通过合理的机械结构设计来加以解决。(2) 舵机的转角控制问题的解决。 如果舵机和输出轴的相对旋转角度没有达到一定值时,那么就不会引起大、小臂的转动,可以通过合理的控制来加以解决。1.4.3 需要完成的工作 目前已完成的工作主要包括以下几个方面的内容:(1) 主要零部件图和装配图;(2) UG NX3.0环境下的机械系统三维建模:(3) 主要标准件的选取和主要零部件的强度校核计算。(4) 教学机器人的运动学分析(5) 教学机器人的控制系统(6) 教学机器人动画仿真第2章 关节式教学机器人的方案设计2.1 机器人的分类与特点2.1.1 机器人的分类应用于不同领域的机器人可按照不同的功能、目的、用途、规模、结构、坐标、驱动方式等分成很多类型。在这里着重介绍下列两种分类方式。1.按机器人的结构形式分类按结构形式机器人可分为关节型机器人和非关节型机器人两大类,其中关节型2机器人的机械本体部分一般为由若干关节与连杆串联组成的开式链结构。2.按坐标形式分类 通常关节机器人依据坐标形式的不同可分为直角坐标系、圆柱坐标系、球坐标型以及关节坐标型。(1) 直角坐标型机器人这一类机器人其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直的轴线的移动来实现,即沿着X轴的纵向移动,沿着Y轴的横向移动及沿着Z轴的升降(图2-1)。该形式机器人的位置精度高,控制无耦合、简单、避障性好,但结构较庞大,动作范围小,灵活性差,难与其他机器人协调;移动轴的结构较复杂,且占地面积较大。 图2-1 直角坐标型机器人(2) 圆柱坐标型机器人这种机器人通过两个移动和一个转动实现手部空间位置的改变,VERSATRAN机器人是该型机器人的典型代表(图2-2)。VERSATRAN机器人手臂的运动系由垂直立柱平面内的伸缩和沿立柱的升降两个直线运动及手臂绕立柱的转动复合而成。圆柱坐标型机器人的位置精度仅次于直角坐标型,控制简单,避障性好,但结构也较庞大,难与其他机器人协调工作,两个移动轴的设计复杂。图2-2 VERSATRAN机器人(3) 球坐标型机器人这类机器人手臂的运动由一个直线运动和两个转动所组成,如图2-3所示,即沿手臂方向X的伸缩,绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。UNIMATE机器人是其典型代表。这类机器人占地面积较小,结构紧凑,位置精度尚可,能与其他机器人协调工作,重量较轻,但避障性差,有平衡问题,位置误差与臂长有关。图2-3 球坐标型机器人(4) 关节坐标型机器人主要由立柱、前臂和后臂组成(图2-4),PUMA机器人是其代表。机器人的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成,其结构最紧凑,灵活性大,占地面积最小,工作空间最大,能与其他机器人协调工作,避障性好,但位置精度较低,有平衡问题,控制存在耦合,故比较复杂,这种机器人目前应用的最多。图2-4 图关节坐标型机器人2.1.2 机器人的特点1.通用性 机器人的通用性(versatility)取决于其几何特性和机械能力。通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力。通用性也意味着,机器人具有可变的几何结构,即根据生产工作需要进行变更的几何结构;在机械结构上允许机器人执行不同的任务或不同的方式完成同一工作。现有的大多数机器人都具有不同程度的通用性,包括机械手的机动性和控制系统的灵活性。2.适应性机器人的适应性(adaptivity)是指其对环境的自适应能力,即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务,而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人认识其环境,即具有人工知觉。在这方面,机器人使用它的下述能力:(1) 运用传感器感测环境的能力;(2) 分析任务空间和执行操作规划的能力;(3) 自动指令模式能力;对于工业机器人来说,适应性指的是它所编好的程序模式和运动速度能够适应工件尺寸和位置,以及工作场地的变化。这里,主要考虑两种适应性:(1) 点适应性,它涉及机器人如何找到点的位置。(2) 曲线适应性,它涉及机器人如何利用由传感器得到的信息沿着曲线工作。曲线适应性包括速度适应性和形状适应性两种。2.2 教学机器人的总体设计近年来,工业机器人有一个发展趋势:机械结构模块化和可重构化。例如关节模块中采用舵机来驱动。舵机是由直流电机、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;国外己有模块化装配机器人产品问市。本章介绍模块化的设计方法在教学机器人的结构设计中的应用。2.2.1 教学机器人的技术参数表2-1教学的机器人的技术参数结构形式平面关节式负载能力 10g重定位精度0.2mm每轴最大运动范围关节190关节290关节325mm关节4360 每轴最大运动速度关节160/s关节2120/s关节325mm/s关节4200最大展开半径250mm高度197mm本体重量25kg几何尺寸关节1(长度)200关节2(长度200关节3(行程)25操作方式示教再现/编程供电电源单相220V、50Hz2.2.2 教学机器人的外形尺寸与工作空间依据设计要求,下棋机器人的外形尺寸如图2-5所示。图2-5 机器人的外形尺寸图2.2.3 教学机器人的总体传动放案图2-6 教学机器人传动示意图大臂回转:舵机1大臂小臂回转:舵机2小臂主轴垂直直线运动:舵机3同步齿形带螺母主轴 主轴旋转:舵机4同步齿形带平键主轴。目前,教学机器人的传动系统中主要是使用舵机。舵机具有以下特点:体积紧凑,便于安装;输出力矩大,稳定性好;控制简单,便于和数字系统接口;定位准确,可以通过调整控制信号来提高舵机的转角精度;工作可靠,不易受外界干扰。所以,现在不仅仅应用在航模运动中,已经扩展到各种机电产品中来,在机器人控制中应用也很广泛。其工作原理:控制电路板接受来自信号线的控制信号,控制电动机转动,电动机带动一系列齿轮组,减速后传动至输出舵盘。舵盘的输出轴和位置反馈电位计是相连的,舵盘转动的同时,带动位置反馈电位计,电位计将输出一个电压信号到控制电路板,进行反馈,然后控制电路板根据其所在位置决定电机转动方向和速度,从而达到目标停止。教学机器人大、小臂均要承受轴向压力和倾覆力矩,但转速比较高,所以大臂和小臂均采用两个深沟球轴承而深沟球轴承刚度高,能承受轴向压力与径向扭矩,与舵机配合恰好符合教学机器人大、小臂高刚度及高的抗倾覆力矩的要求。这样有利于缩短传动链,简化结构设计。由于主轴处于机器人小臂末端,相对线速度大,对重量与惯量特别敏感,所以传动方式要求同时实现Z轴方向直线运动和绕Z轴的回转运动,并要求结构紧凑、重量轻。经过比较,选择同步齿型带加三角形螺杆来实现Z轴上下运动,而用同步齿形带加上带键的滑动轴套来实现Z轴旋转运动。相关传动链如图2-6所示本章小结在分析设计要求的基础上提出教学机器人总体设计方案;用三维造型软件完成四自由度关节式教学机器人的机械结构设计,完成机器人整体装配图及主要零部件的工程图绘制。第3章 教学机器人机械结构的设计3.1 机器人关键零部件设计计算3.1.1 同步齿形带的设计计算(1) 确定同步齿形带的设计功率。同步齿形带的设计功率随载荷性质、速度增减而变化。 为载荷修正系数。设计功率 =1.00.23=0.23w(2) 选定带型和节距根据=0.23w和=83r/min,由图确定为XL型带,节距=5.080mm。 (3) 小齿轮齿数Z1,节径,外径根据带型和小齿轮转速n,由表查得小齿轮的最小齿数min=10,节径=16.17mm外径 =-2(16.17-1.37)mm=14.8mm (4) 大带轮齿数Z2,节径,外径。齿数Z2=Iz1=210=20节径 =64.71mm由表查得其外径da2=d2-2=(64.71-1.37)mm=63.34mm (5)验算带速,同步带传动的速度为=m/s=0.07m/s查表知XL型带带速限制为vmax=50m/s。所以带轮满足要求。(6) 初定轴间距 ,带长及其齿数。轴间距=60mm带长 =2+(+)+ =260+(16.17+64.71)+=256.80mm经查得应选用带长代号为100的XL型同步带,其节线长 =254.00mm节线长上的齿数=50 (7) 实际轴间距a,小带轮啮合齿数 。轴间距+=60+=62.8mm小带轮啮合齿数啮合齿数=-(Z2-Z1) =-(20-10) =5(8)基本额定功率 ,所需带宽 ,由表查得 a=50.17N, =0.022kg/m= =0.37w带宽 =由表查得H型带=9.5mm,Zm=5,z=0.6 =9.5=9.8mm由表查得,应选带宽代号为0.37的XL型带,其=10mm。(9) 作用在轴上的力,许用工作拉力根据带型号为HL选择许用工作拉力 /N=50/N作用在轴上的力 =3258N3.1.2 螺旋传动副的设计计算教学机器人腕部关节的移动自由度是由滑动螺旋传动实现的,进而实现手爪的上下移动。(1) 选择材料和许用应力螺杆材料选45钢,调质处理,s =360N/mm2,经查表可得 =12072 N/mm2,可取=80 N/mm2螺母材料选ZCuAlFe3。查表可得b=4060 N/mm2,取40 N/mm2;=3040 N/mm2,取35 N/mm2,螺旋传动属于低速传动,由表查得=1825 N/mm2,取19 N/mm2 (2) 按耐磨性计算螺纹中径由表中公式,=1.5,=0.8=0.8=8.4mm可选=10mm,=9,=8, =2,螺母高度=1.58=12mm.则螺纹圈数=12/4=3圈。(3) 自锁性验算由于是单头螺纹,导程=2mm,故螺纹升角为=415由表钢对青铜=0.080.10,取0.09,可得= = =51923.4 ,故自锁可靠。(4) 螺杆强度验算由表查得螺纹摩擦力矩=(+)=3000(415+51923.4)=2138Nmm,带入得ca=11.06 N/mm23.2 机器人关键零部件的校核计算3.2.1 螺栓的强度校核计算1与6kg舵机相连的螺栓杆轴的计算首先,将螺栓杆等效为圆杆来计算最大剪切力max,经计算容许剪切力w=5N/mm2,=6.5kg/cm,=45mm,=20KN/mm2。最大剪切力max=1.25N/mm2扭转角=1.8由此可见,当舵机的转动角度小于等于1.8时,所引起的扭矩会使螺栓杆轴自身扭转相应的度数。因此,只有当舵机转动的角度大于1.8时,才可以带动大、小臂的转动。2与9g舵机相连的螺栓杆轴的计算首先,将螺栓杆等效为圆杆来计算最大剪切力 max11,经计算容许剪切力w=4N/mm2,=1.6kg/cm,=10mm,=15KN/mm2最大剪切力max=0.55N/mm2扭转角=0.4 由此可见,当舵机的转动角度小于等于0.4时,所引起的扭矩会使螺栓杆轴自身扭转相应的度数。因此,只有当舵机转动的角度大于0.4时,才可以带动带轮转动。3.2.2 机械手臂的校核计算由于此机器人为四自由度关节式机器人,主体结构为机座、大臂和小臂组成。因此可以将大臂和小臂等效为载荷在小臂端均匀分布的悬臂梁,即将机械手转化为悬臂梁自由端的挠度和转角的计算。图3-1 机械手臂受力简图 是大臂的长度为250mm; 是小臂的长度为260mm。经查表此臂的弹性模量为 =120KN/mm2,载荷 为20KN/m。在=处:顺y方向的挠度v =(3+)= (3510+250)=4.02mm图3-2 机械手臂的挠度和转角图机械手臂右端的挠度b=(34-43+4)=(35104-42503510+2504=2mm机械手臂右端的转角bb=0.03综上所述,机械手臂右端处挠度为 b为2mm;转角 b为0.03,那么手臂传递给手爪一个向左0.03的转角。这种误差不可避免。故在设计和装配时将手爪向左倾向0.03的角,进而补偿这种误差。3.3 大臂的机械结构设计 如图3-3大臂装配结构图所示,机器人大臂7的驱动舵机9直接安装在机器人大臂内部。舵机7的输出轴插入底座1内,底座1通过螺栓12固定在机座1上。同时深沟球轴承的内圈与连接板10配合在一起,连接板10通过螺栓6连结在大臂上,深沟球轴承的外圈与机座1配合在一起。当舵机轴旋转时,受到螺栓14的固定限制不能转动,从而舵机和大臂反向旋转。这样机器人大臂就可以绕机座中心轴相对固定机座转动,但转动方向与舵机输出轴转向相反。图3-3 大臂装配结构图3.4 小臂的机械结构设计图3-4 小臂装配结构图采用模块化方法,大臂与小臂装配结构类似。如图3-4小臂装配结构图所示,机器人小臂2的驱动舵机9直接安装在机器人小臂内部,这样虽然增加了小臂惯量,但有利于简化结构设计和零部件制造工艺。舵机9的输出轴插入底座12内,底座12通过螺栓1固定在大臂2上。同时深沟球轴承的内圈与连接板10配合在一起,连接板10通过螺栓6连结在小臂上,深沟球轴承的外圈与大臂2配合在一起。当舵机轴旋转时,受到螺栓13的固定限制不能转动,从而舵机和小臂反向旋转。这样机器人大臂就可以绕机座中心轴相对固定机座转动,但转动方向与舵机输出轴转向相反。3.5 腕部机械结构设计腕部装配结构图如图3-5所示。为了便于加工及保证精度,让螺杆的一端从机盖的一个工艺孔伸出,依靠机盖的底平面与小臂的上表面来保证螺杆与主轴的平行度。由于同步齿型带要能调整中心距和带的张紧力,因此舵机6安装在机盖上并用两个螺栓将其固定在机盖上,螺栓在两个轮的中心线上可以进行微调。这样在装配时可对两带轮中心距及带张紧力进行调整。对舵机5的连接也采用这种方法。腕部关节的上下移动的自由度是滑动螺旋传动实现的。滑动螺旋的特点是结构简单,加工方便,成本低廉。当螺旋升角小于摩擦角时,能自锁且传动平稳。螺杆与螺母相配合,螺母固定转动实现螺杆带动手爪上下移动。螺杆内部有一带有键槽的细长圆轴穿过。它的一端带有螺纹,通过螺纹与手抓连接板相连。 在主轴上开有三角键槽,而与主轴相连的带轮内有键来实现主轴旋转运动,带轮与主轴有一配合面相当于一个长套筒,保证主轴垂直与旋转精度。而键槽则设计成一段套筒,两个套筒通过定位销与螺钉进行连接。图3-5 腕部装配结构图3.6 本章小结教学机器人大臂和小臂结构相同,基本上实现模块化设计,符合发展趋势;三个模块相互独立、结构简单、零部件少、精度高、可靠性高,不仅适用于平面关节式机器人设计,其一二关节模块结构同样适用于其他关节式机器人前端转动关节设计。 三四关节模块结构紧凑,充分利用结构空间,能同时实现高速旋转运动与直线运动,主轴直线运动距离为25mm,而整个模块在主轴方向高度约为172mm左右。同时,三四关节的电机轴与主轴不在同一直线上,也有利于结构布局,所以该模块也可应用在一些对精度和结构尺寸都有要求的组合运动结构设计中。第4章 手爪的结构设计手爪用于抓取物体,并进行细微操作。手爪亦称抓取机构,通常是由手指、传动机构和驱动机构组成,根据抓取对象和工作条件进行设计。除了有足够的夹持力外,还要保持适当的精度,手指应能顺从被抓对象的形状。手爪自身的大小、形状、结构和自由度是机械结构设计的要点。4.1 手爪的结构形式的选择4.1.1 手爪的分类与特点现在普遍使用的手爪和夹持机构大都十分简单,如吸盘式手爪(真空吸盘和电磁吸盘等)承托型的叉子和悬挂式手爪、钓钩等。下面着重介绍夹持式手爪、多关节手爪和顺应手爪。(1) 夹持式手爪它既可以用手指的内侧面夹持物体的外部,也可将手深入到物体的孔内后,张开手指,用其外侧卡住物体。这种手爪大多是二手指或三手指的,按手指的运动形式分为三种:a. 回转型:当手爪夹紧和松开物体时,手指做回转运动。b. 平动型:手指由平行四杆机构传动,当手爪夹紧和松开物体时,手指姿态不变,作平动。c. 平移性:当手爪夹紧和松开工作时,手指作平移运动,并保持夹持中心固定不变,不受工件直径变化的影响。(2) 多关节多指手爪这类手抓一般由三个或四个手指构成,每个手指相当于一个操作臂,有三个或四个关节,与人的手十分相似,也称拟人手,用于抓取复杂形状的物体,实现细微操作。(3) 顺应手爪所谓顺应是指手爪具有所要求的柔性,其动作能适应工作环境,而不需要复杂的控制系统。4.1.2 手爪结构形式的选择 手爪设计是本次设计的关键,手爪设计的好坏直接影响到能否稳抓起物体。选择手抓的形式时,要考虑各方面的因素,如工作能力、结构形式、控制性能、工作形式、作业环境、技术水平等加以综合分析和比较,确定最佳方案。经过上述的分析和比较,确定手爪结构形式,中间选择锥形的回转型手爪结构形式,在锥子上面开三个键槽,以便固定三个手爪,这样三个手爪不会在空间位置旋转。图4-1为手爪的结构简图。图4-1 手爪的结构简图4.2 手爪的机构设计手爪亦称抓取机构,通常是由手指、传动机构和驱动机构组成,根据抓取对象和工作条件进行设计。教学机器人的手爪整体的设计比较简单实用。手爪是由电控锁来驱动的。电控锁结构简单、外型轻便、容易控制、装拆方便。为了结构需要设计了一个手爪连接板。手爪连接板通过螺母与上下移动的螺杆的下端相连接。手爪、电控锁以及锥形滑轨通过螺栓安装在手爪连接板上。手爪驱动机构的原理:当电控锁通电时,电控锁底部的圆柱形锁头就会缩回去,那么锥形滑轨马上恢复原位,手爪处于张开状态;当电控锁断电时,底部的圆柱形锁头就会自动弹出,锥形滑轨就会在锁头的作用下向下移动,手爪就处于卡紧状态。这样就可以实现手爪的抓取动作。如图4-2所示 手爪机构的装配图图4-2 手爪机构的装配图4.3 手爪的校核计算如图43所示 假设1=20mm, 2=28mm, 电控锁的功率=4.5W行程=6mm, =1s.图4-3 手爪的结构形式 椎形滑轨的上下移动速度 =0.06m/s=, =/=4.5/0.06=75N, F1=19.4N11=2 =14N 设手爪物体向上移动的最大的加速度为=4m/s 设=9g=0.009kg 取摩擦系数为=0.12+ 2140.10.0091+0.0094 2.80.045故手爪连杆1=20mm, 2=28mm的假设成立。本章小结手爪用于抓取物体,并进行细微操作。手爪亦称抓取机构,通常是由手指、传动机构和驱动机构组成,根据抓取对象和工作条件进行设计。除了有足够的夹持力外,还要保持适当的精度,手指应能顺从被抓对象的形状。手爪自身的大小、形状、结构和自由度是机械结构设计的要点第5章 教学机器人的三维设计及运动仿真5.1 教学机器人的三维设计5.1.1 UG三维建模环境概述教学机器人是在UG环境下进行三维建模的。Unigraphics (简称 UG) 当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件。作为一个集成的全面产品工程解决方案,UG软件家族使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义。UG软件被当今许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化制造等各个领域17。Unigraphics(简称UG)是集CAD/CAE/CAM一体的三维参数化软件,是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件,广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。UG公司的产品主要有为机械制造企业提供包括从设计、分析到制造应用的Unigraphics软件、基于Windows的设计与制图产品Solid Edge、集团级产品数据管理系统iMAN、产品可视化技术ProductVision以及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心Parasolid在内的全线产品。UnigraphicsCAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的产品设计环境,使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成,从而优化了企业的产品设计与制造。UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术,在面向过程驱动技术的环境中,用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关,从而有效地实现了并行工程。5.1.2 教学机器人的主要零件的建模过程此教学机器人共有70个组件组成,在建模过程中应用了UG的许多基本功能,例如“草图”、“拉伸”、“旋转”、“扫描”、“孔”、“腔体”、“圆台”、“凸垫”、“基准面”、“基准轴”等特征。接下来简单介绍几个典型零件的建模过程。(1) 机座机座是整个机器人的支柱,它的设计和制造直接影响到机器人整体的刚度。首先在草图状态下画草图,接下来退出草图,再用“旋转”的功能将其旋转成功。如图5-1所示 机座的三维视图。图5-1 机座的三维视图(2) 大臂 首先在“草图”状态下画大臂的外形草图,然后退出“草图”,利用“旋转”功能,接着进行“抽壳”,侧臂和底部留3mm,接下来利用“型腔”做出可以安放舵机的腔体,用“打孔”的功能打出可以放轴承和允许轴通过的孔。如图5-2 大臂的三维视图。图5-2 大臂的三维视图(3) 小臂首先在“草图”状态下画大臂的外形草图,然后退出“草图”,利用“拉伸”功能,接着进行“抽壳”,侧臂和底部留3mm,接下来利用“型腔”做出可以安放舵机的腔体,用“打孔”的功能打出可以放轴承和允许轴通过的孔。如图5-3所示 小臂的三维建模图形。图5-3 小臂的三维视图 (4) 手抓首先,按照设计的尺寸和角度绘出手爪的草图,如图5-4 手爪的草图建立图形。图5-4 手爪的草图建立图形然后,退出“草图”,利用“拉伸”功能将其拉伸,接下来在斜面上加两个凸垫,再在凸垫上打两个通孔,用于和导轮想配合。如图5-5所示 手爪的三维视图。图5-5 手爪的三维视图5.1.3 教学机器人组件的装配过程装配是将之前所建的图形利用UG软件的“装配”功能将其装配起来。装配方式有两种:从底向上设计方法和自顶向下设计方法。由于结构要求,本设计采用从底向上的设计方法。在这里用到了几种配对约束类型:贴合、对准、角度、平行、对中、距离、相切。如图5-6所示 教学机器人的装配图。图5-6 教学机器人的装配图5.2 教学机器人的运动仿真5.2.1 UG运动分析模块UG运动分析模块(UG/Motion)是一个模拟仿真分析的设计工具。它既能进行运动学(Kinematic)分析,又能进行动力学(Dynamic)分析。它可以分析产品的临界位置、反作用力、速度及加速度等。5.2.2 教学机器人运动仿真的建立过程首先单击“应用”菜单下的“运动分析”选项,这样教学机器人的装配特征就进入了运动分析模块。1教学机器人的运动输入运动输入是赋给运动副控制运动付参数。当创建或编辑调用一个动副时,就会弹出运动驱动对话框。运动驱动的对话框如图5-7所示图5-7 运动驱动的对话框运动驱动共有5个可选类型:(1) 无驱动顾名思义,没有外加的运动驱动赋在运动付上。(2) 恒定驱动恒定驱动设某一运动付为等常运动(旋转或线性位移),所需参数是位移(时间t=0时的初始位置)、速度和加速度。(3) 简谐运动驱动简谐运动驱动产生一个光滑的向前或向后的正弦运动。(4) 通用运动函数通用运动函数是描述复杂运动驱动的数学函数。(5) 关节运动驱动关节运动驱动设某一运动以特定的步长(旋转或线性位移)和特定的步数运动,所需的输入参数为步长和步数。教学式关节式机器人选的是恒定驱动。2关节运动分析当运动驱动定义为关节驱动时,选择分析工具条中的关节运动分析(Articulation)图标,并输入步长和步数进行分析。选择分析工具条的关节运动分析图标,见图5-8图5-8 关节运动分析图标一系列已分配好运动驱动的运动付就会出现在出现在关节运动对话框上部。在运动付的“名字”前打上“”激活关节运动付,即会自动弹出步长项和位移项供编辑。在步数项(Number of Steps)输入关节运动的运动步数。关节运动控制按钮执行这些功能,如图5-9所示。图5-9 关节运动分析播放键3运动仿真(1) 运动仿真在分析工具条中选择运动仿真图标,运动分析对话框如图5-10所示。 图5-10运动分析对话框当运动驱动为运动函数、恒定驱动或简谐运动时,则进入运动仿真(Animation)对话框进行分析,此教学机器人的仿真参数为在10秒钟内走200步,如图5-11分析选项对话框所示。图5-11 分析选项对话框(2) 静力学分析静力学分析将模型移动到平衡位置,并输出运动付上的反作用力。(3) 机构运动学/机构动力学分析机构运动学/机构动力学按输入的时间和步数进行仿真分析。在分析工具中选择运动仿真图标既启动运动仿真分析过程,在分析选项对话框中单击OK按钮,启动ADAMS解算器。紧接着就会自动弹出运动仿真对话框,如图5-12 运动仿真对话框所示图5-12运动仿真对话框当点击中间的播放键时,四自度关节式教学机器人的三个旋转关节就会绕轴转动。如图5-13所示 教学机器人在仿真中间某一时刻的视图图5-13 教学机器人运动仿真视图5.3 本章小结本章第一部分介绍了三维设计。三维建模过程是建立组件装配关系的过程。对数据库中已存的系列产品零件、标准件以及外购件可通过从底向上的设计方法加入到装配件中来。在装配过程中,应用了大量的UG装配功能。在此机器人的三维设计过程中,我已深深体会到三维视图的方便和直观性。接下来介绍了利用UG运动分析模块实现了教学机器人的运动仿真分析。通过运动付控制运动的运动参数的设定,包括驱动类型、时间、步数等实现了机器人的三维仿真,进而使机器人增加了动态感和真实性。结论随着机器人技术的进一步发展,其应用必将越来越广泛。机器人学这门课程必将越来越重要,实验设备的缺口也必然越来大。研制教学机器人是很有必要的。目前本设计所完成的主要工作是:在分析设计要求的基础上提出教学机器人总体设计方案;用三维造型软件完成四自由度关节式教学机器人的机械结构设计,完成机器人整体装配图及主要零部件的工程图绘制。所设计教学机器人基本上实现模块化设计,符合发展趋势。三个模块相互独立、结构简单、零部件少、精度高、可靠性高,不仅适用于教学式平面关节式装配机器人设计,其一二关节模块结构同样适用于其他关节式机器人前端转动关节设计。采用特殊轴承和特殊的传动结构解决了机器人的抗倾覆问题,这种特殊结构有益于提高系统机械性能。另外
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