平面关节型机器人结构设计

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1、毕业设计（论文）题目：平面关节型机器人的结构设计姓 名：指导教师：专 业：平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运 动，而移动关节则实现上下运动，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行 程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状 11 0能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动 操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以 保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。关键词：机械手，轴承，汽缸ABSTRACTSelective Compliance

2、 Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints ; two slew joints control the moving of the front and back left and right , the move joints control the moving of up and down , the vertical section is a rectangle slew , the high of the vertical section is move joints journey , the move a

3、ngle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section .Mechanical hand, is also called from begins, auto hand can imitate the manpower and arms certain holding function, with by presses the fixed routine to capture, the transporting thing OR operation tools automati

4、c operation installment. It may replace persons strenuous labor to realize the production mechanization and the automation, can operate under the hostile environment protects the personal safety, thus widely applies in departments and so on machine manufacture, metallurgy, electron, light industry a

5、nd atomic energy.Key words: manipulator, axletree , cylinder摘 要IABSTRACTII.第1章 总体设计错误！未定义书签。1.1 平面关节型机器人的技术参数 21.2 平面关节型机器人的结构特点2第2章结构设计32.1 设计时要注意的问题32.2 零件的计算3.2.3 夹紧力的计算3第3章移动关节的设计计算 63.1 驱动方式的比较63.2 汽缸的设计7第4章小臂设计94.1 设计时注意的问题94.2 小臂结构的设计9.4.3 轴的设计计算104.4 轴承的选择104.5 轴承摩擦力矩的计算 114.6 驱动选择和控制12第5章大臂

6、设计145.1 结构的设计145.2 轴的设计计算145.3 轴承的选择155.4 轴承摩擦力矩的计算165.5 伺服系统的选择和控制17第6章机身设计186.1设计时注意的问题18小结19参考文献21致谢22第1章总体设计工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现 抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自 动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工 件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完 成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳

7、动强度，改善劳动条 件，提高劳动生产率12工业机器人的总体结构类型可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节型四种。 其中，由于关节型结构动作灵活，操作机占地面积小，具有较大的操作空间，应用比较 广泛，因此，本文也以多关节工业机器人作为研究对象。从常规体系结构的角度来看，多关节机器人应该由机器人执行机构(操作机)、电气控制系统、作业环境以及人机接口等 部分组成。日本开发的SCARA2面关节式机器人是目前使用最广泛的机器人。它专门用于垂直安 装作业，共有四个关节：三个水平转动关节和一个垂直滑动关节。机器人能抓取元部件在 水平方向定位，在垂直方向进行插入作业。它的平面转动关节可以“放松” ，使插

8、入元件 时可以顺应孔的位置作微小调整，具有柔顺性，但其只能纠正侧向误差，适合于“上下” 安装的装配任务。SCARAI配机器人有较大的工作区域，使进料更容易。平面关节型又称为 SCARA,即选择柔性组合机器人臂( Selective Compliance Assembly RobotArm)。SCAR摩工业机器人最早由 Makino于20世纪70年代后期研制成功， 是具有选择柔顺性的平面关节型机器人，其所有转动关节的轴线都是与立柱平行的，具显 著特点是：运动速度快、重合定位精度高。因为其结构的关系，机器人在垂直方向刚性很 好，但在水平方向却有较好的柔性，因而有助于插装作业，所以SCAR即机器人广

9、泛应用于装配、搬运等行业领域中，并成了装配机器人的主流机型。SCARAB器人为平面关节型的机器人9。总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和 电控系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。1.1 平面关节型机器人的技术参数主要技术参数见表1-1表1-1机械手类型平向美节型抓取重量2.2Kg自由度3个（2个回转1个移动）大臂长400mm回转运动，回转角240,异步电机驱动 单片机控制小臂长400mm回转运动，回转角240,异步电机驱动 单片机控制移动关节气缸驱动行程开关控制手指气缸驱动行程开关控制1.2 平面关节型机器人的结构特点平面关节型机器人的结构特点如图1.2

10、.1所示:图1.2.1 机械臂6.腕部（升降）1.底座2.大臂3.电机4.小臂5.腕部（回转）第2章结构设计工业机械手的手部是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠 程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一1。2.1 设计时要注意的问题设计时要注意的问题：(1)手指应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外， 还应考虑工件在传送过程中的动载荷。(2)手指应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近 工件的运动路线及其方位的影响20(3)应能保证工件在手指内准确定位。(4)结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂

11、部的结构设计。(5)根据应用条件考虑通用性402.2 零件的计算_22V - ：(R -r )h= 3.14 (352 -252) 150= 282600(mm3)m = Pv,282600G =mg = ： vg =7800 9 10 = 22.0428(N )10其中g取10取 G=23 (Nl)2.3夹紧力的计算：2.3.1 4fN _Gf为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为 40号钢，手指为钢材，查参考文献8表2-5 f=0.15所以 N 一旦=2338.334f 4 0.15取 N=40 (NI)1驱动力的计算P = 4tg N 图2.3.1驱动力的计算a为斜面倾角，a =15,“为

12、传动机构的效率，这里为平摩擦传动,查参考文献8表2-2。=085-0.92这里取0.85所以1 P=4 tg150 4050.440.85取 p=55(N)2.3.2 活塞手抓重量的估算G1 =w2h：g =3.14 252 150 7800 10 ： 23(N)r为杆的半径，h为长度，g取102.3.3 汽缸的设计因为气压工作压力较低，对气动组件的材质和精度要求较液压底，无污染，动作迅速反映快，维护简单，使用安全。而且此处作用力不大，所以选气压传动。汽缸内型选择，由于行程短，选单作用活塞汽缸，借弹簧复位。汽缸的计算气压缸内径D的计算按液压传动与气压传动公式 13-1二 D2F =P4D 为汽

13、缸的内径（m）, P为工作压力（Pa）,“为负载率，负载率与汽缸工作压力有关,取P = 0.40 ,查液压传动与气压传动表 13-2 P = 0.30 - -0.65由于汽缸垂直安装,所以取P=0.34F4 55 二P = 3.14 0.4 0.3 106=0.02416(m) =24.16(mm)按液压传动与气压传动表 13-3圆整取32mm.活塞杆直径d的计算股% =0.2 0.3,此选 0.2,d =0.2D =0.2 32 =6.4 mm按液压传动与气压传动表13-4圆整取8mm汽缸壁厚6的计算按液压传动与气压传动表13-5查得6 = 4弹簧力的F的计算F G1 =23(N)第3章移动

14、关节的设计计算3.1 驱动方式的比较机械手的驱动系统有液压驱动，气压驱动，电机驱动，和机械传动四种。一台机械手 可以只用一种驱动，也可以用几种方式联合驱动3。各种驱动的特点见表3-1。表3-1比较内容驱动方式机械传动电机驱动气压传动液压传动异步电 机，直流 电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小， 输出力矩小， 如需输出力 矩较大，结构 尺寸过大液体压力高，可 以获得较大的输 出力控制性能速度可图，速度 和加速度均由 机构控制，定位 精度局，可与主 机严格同步控制性能 较差，惯 性人，步 易精确定 位控制性能 好，可精确 定位，但控 制系统复杂川图速，气体 压

15、缩性大，阻 力果差，冲 击较严重，精 确定位较困 难，低速步易 控制油液压缩性小， 压力流量均容易 控制，可无级调 速，反应灵敏， 可实现连续轨迹 控制体积当自由度多时， 机构复杂，体积 液较大要油减速 装置，体 积较大体积较小体积较大在输出力相同的条件下体积小维修使用维修使用方便维修使用方便维修使用较复杂维修简单，能 在图温，粉尘 等恶劣环境维修方便，液体对温度变化敏 感，油液泄漏易种使用，泄漏影响小着火应用适用于自由度适用于抓可用于程序中小型专用中小型专用通用范围少的专用机械取重量大复杂和运动通用机械手机械手都有，特手，高速低速均和速度低轨迹要求严都有别时重型机械手能适用的专用机格的小型通

16、多用械手用机械手结构简单，成本成本低结构简单，能液压元件成本较成本低，一 D可成本较局源方便，成本高，油路也较复以自己制造低杂3.2 汽缸的设计因为气压工作压力较低，对气动组件的材质和精度要求较液压底，无污染，动作迅速反映快，维护简单，使用安全。而且此处作用力不大，所以选气压传动60汽缸内型选择：因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞汽缸，利用压缩 空气使活塞向两个方向运动。初选活塞杆直径d=12mm估算其重量d c 一0.012 cG2 k更（）2h：g =3.14 （）2 0.55 7800 10 =4.85（N）取5NF = G Gi G2 = 23 23 5 = 51取80N气

17、压缸内径D的计算按液压传动与气压传动公式 13-1_ 22F一）p4D为汽缸的内径（m）, P为工作压力（Pa）,“为负载率，负载率与汽缸工作压力有关，取P =0.40 ,查液压传动与气压传动表 13-2 P =0.30-0.65由于汽缸垂直安装, 所以取 P=0.3o 一般 dq =0.2-0.3,此选 0.34F4 80D66 = 0.03054(m) = 30.54(mm)1.1 P 0.91 103.14 0.4 0.3 0.91 10按液压传动与气压传动表 13-3圆整取40mm.一股 % =0.2 0.3,此选 0.3,d =0.3D =0.3 40 =12mm汽缸壁厚6的计算按液

18、压传动与气压传动表13-5查得6 = 4汽缸重量的计算G3 =(R2 r2)h：g =3.14(0.0242 - 0.0202) 0.55 7800 10= 23.7(N)其中：R为汽缸外径，r为汽缸内径，h为汽缸长度，g取10, P为汽缸材料密度G3 取 25N第4章小臂设计臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置C 手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式7。1.2 设计时注意的问题(1)刚度要好，要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸， 空心杆比实心杆刚度大的多, 常用钢管做臂部和导向杆，用槽钢左支撑板，以保证有足够的刚度80(2)偏重力矩要小，偏重力矩

19、时指臂部的总重量对其支撑或回转轴所产生的力矩。(3)重量要轻，惯量要小，为了减轻运动时的冲击，除采取缓冲外，力求结构紧凑， 重量轻，以减少惯性力。(4)导向性要好。1.3 小臂结构的设计bh2选 45 号车冈。P=7.85g/cm3,Wy =34.8cm3,b = 30mm,h = 48mm ,/、臂长为 6400mm较核：G 小臂=mg = 7.85 m 0.03 m 0.048 m 0.4 m 10 = 90 (NJ)取 120N其受力如图4.2.1:图4.2.1小臂的受力图F=120+105=225(N)M =F1ML +G小臂 xg =105父0.4+120父0.2 =66(N.m)M

20、Wy667.5(10)3= 8.8MPa 10,所以也可以用此公式估算P 660所以 T1 =0.5Fd =0.5 0.0011 660 0.02 = 0.00726(N.M )查表机械设计手册第二版 表16.1-29得N = 0.0013 ,C = 27000 = 150 10 ,所以也可以用此公式估算P 180所以 T2 =05Fd =0.5 0.0013 225 0.02 =0.002925(N.M ).T总T2 =0.00726 0.002925 = 0.010185 N.M)取0.14.6 驱动选择和控制因为所需驱动力小，精度要求不很高，所以选择控制方便，体积小，重量轻，防护 等级为

21、IP44,广泛用在小型机床、化工、纺织、医疗器械上的YS系列三相异步电动机。其主要技术参数如下：型号：YS8024功率：0.75转速：1400电流：2电压：380效率：75.5功率因素：0.75堵转转矩：2.3额定转矩：6堵转电流：6主要尺寸：总长300mm,凸缘直径120mm,电动机外圆直径80mm。该机械臂采用步进电机做驱动器件，对机械臂的运动控制也就是对步进电机的分布 式控制。它可以采用开环和闭环的方式。闭环控制可以使机械臂的运动和输入的指令期 望的运动参数尽可能的吻合，但是控制部分和机械部分的结构相对复杂。开环控制方式 就比较简单，而且在满足电机不失步的情况下，电机的定位精度很高。因此

22、机械臂懂得 驱动控制可以采用开环控制，具开环控制系统模块如图。图 4.6.1开环控制系统模块PC主机通过RS232串口发送计时器参数和其他的控制参数， 单片机控制器按照PC发送 的参数通过驱动模块驱动步进电机的运行。进而实现对执行机构机械臂的控制。驱动 模块可以选用集成芯片 UCN5804B它集成了包括：环形分配器，电流控制器，保护电 路，放大驱动电路。结构简单可靠，同时用户自己也可以设计各种电路对电机进行控 制驱动。5.1结构的设计选 45 号钢。P =7.85g/cm 3,Wybh23 .=7.5cm ,b =58mm, h = 60mm ,小臂长为 400mm 6较核：G小臂=mg =7

23、.85x0.058x0.06x0.4x10=109.27 (N)取 140N其受力如图5.1.1:图5.1.1大臂的受力图F=75+120+140=335(N)M =Fo m(Li +L2) +G小臂 乂(T + L2)+G大臂 ML2= 120 (0.4 0.4) 75 ( 0.4) 140 04 = 176.5( N.m)22M _176.5Wy - 7.5(102)3= 23.5MPa =100MPa ,3 Fs按材料力学公式5.11. =e二2 hb其中h为钢的高度，b为钢的宽，Fs为所受的力3 Fs _所以.=3Fs =1.44MPa 10,所以也可以用此公式估算查表机械设计手册第二

24、版 表16.1-29得N = 0.0011 ,P 1765所以 T1 =0.5Fd = 0.5 0.0011 1765 0.02 = 0.019425(N.M )查表机械设计手册第二版 表16.1-29得口 = 0.0013 ,C=27000=8o.61o 所以也可以用此公式估算P 335所以 T2 =0.5Fd =0.5 0.0013 335 0.02 = 0.004355(N.M )T总=T1 T2 =0.019425 0.004355 = 0.02378N.M)取0.15.5 驱动系统的选择和控制因为所需驱动力小，精度要求不很高，所以选择控制方便，体积小，重量轻，防护等 级为IP44,广

25、泛用在小型机床、化工、纺织、医疗器械上的 YS系列三相异步电动机。其主要技术参数如下：型号：YS8024功率：0.75转速：1400电流：2电压：380效率：75.5功率因素：0.75堵转转矩：2.3额定转矩：6堵转电流：6主要尺寸：总长300mm,凸缘直径120mm,电动机外圆直径80mm。该机械臂采用步进电机做驱动器件，对机械臂的运动控制也就是对步进电机的分布式 控制。它可以采用开环和闭环的方式。闭环控制可以使机械臂的运动和输入的指令期望 的运动参数尽可能的吻合，但是控制部分和机械部分的结构相对复杂。开环控制方式就 比较简单，而且在满足电机不失步的情况下，电机的定位精度很高。因此机械臂懂得

26、驱 动控制可以采用开环控制，具开环控制系统模块如图4.6.1 。图4.6.1开环控制系统模块明动模块步过也於二;卜WPC主机通过RS232串口发送计时器参数和其他的控制参数，单片机控制器按照 PC 发送的参数通过驱动模块驱动步进电机的运行。 进而实现对执行机构机械臂的控制。 驱动 模块可以选用集成芯片UCN5804B,它集成了包括：环形分配器，电流控制器，保护电路， 放大驱动电路。结构简单可靠，同时用户自己也可以设计各种电路对电机进行控制驱动。第6章机身设计机身是支承臂部的部件，升降，回转和俯仰运动机构等都可以装在机身上。主要由两 部分组成，外壳和轴承套。外壳材料采用 45钢。底座的轴承可以承

27、受轴向和径向的力, 这样避免了电机过载。电机安装在端盖上，结构简单，加工安装方便，材料用质轻强度好 的铝合金。位于轴承套底部的电机通过对轴的驱动，从而带动了和轴固接的大臂的转动。图6.1底座1.轴2.轴承套3.轴承4.外壳5.紧定螺钉6.端盖7.电机6.1设计时注意的问题(1)要有足够的刚度和稳定性。(2)运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象；一般要有 导向装置。(3)结构布置要合理，便于装修。由于此设计要求为三个自由度，所以此处无运动要求，只用来支承。只要刚度能满 足就行了，高度可根据自动线的高低确定机器人的结构设计对整个控制系统的性能有很大的影响，因此其结构的合理与

28、精心设 计是整个控制系统实现的关键之一。在结构的具体设计中，还要考虑各部分的弹性变形、 摩擦、间隙和传动误差等问题。本文设计的机械臂机构简单，较容易控制。可以应用在机 器人控制试验和教学等领域；加上合适的机械手爪还可以组成控制精度更高、系统更稳定 的闭环机器人控制系统。基于成本及精度等的考虑，可选择电位器实现位置的反馈。如今SCARAL器人还广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食 品工业等领域。它的主要职能是搬取零件和装配工作。它的第一个轴和第二个轴具有转动 特性，第三和第四个轴可以根据工作的需要的不同，制造成相应多种不同的形态，并且一 个具有转动、另一个具有线性移动的特性。

29、由于其具有特定的形状，决定了其工作范围类 似于一个扇形区域。随着计算机技术，微电子技术，网络技术等的快速发展，装配机器人也得到飞速发展 当前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化，多样 化方向发展。一些公司通过有限元分析，模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机 器人操作机已实现优化设计。以德国 KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平 行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大 提高了机器人性能；同时机械结构向模块化可重构化发展，例如关节模块中伺服电机，减 速器，监测系统三位一体化；由关节模块，连杆模块用重组方式构造

30、机器人整机，国外已 有模块化装配机器人产品问世。由于机器人技术发展水平的不平衡，各个国家对机器人发展有不同理解，但从技术先 进性来看，在这一领域，代表国际发展趋势的装配机器人研究方向主要有：直接驱动装配机器人：传统机器人都要通过减速装置达到降速并提高输出力矩，这些 传动链会增加系统功耗，惯量，误差等，并降低系统可靠性。为了减少关节惯性，实现高 速，精密，大负载及高可靠性，一种趋势是采用高扭矩低速电机直接驱动。智能装配机器人：装配机器人的一个目标是实现工作自主，因此要利用知识规划，专 家系统等人工智能研究领域成果，并开发出智能型自主移动装配机器人，能在各种装配工 作站工作。并联机器人：传统机器人

31、采用连杆和关节串联结构，而并联机器人具有非累积定位误 差，执行机构的分布得到改善，结构紧凑，刚性提高，承载能力增加等优点，而且其逆位置问题比较直接，奇异位置相对较少，所以近些年倍受重视。协作装配机器人：随着装配机器人应用领域的扩大，对装配机器人也提出一些新要求。 如多机器人之间的协作，同一机器人双臂的协作，甚至人与机器人的协作，这对于重型或 精密装配任务非常重要。可以预见的是，当机器人正在深入到自动化生产的各个领域中时，SCARML器人还将继续领带潮流。参考文献1周伯英.工业机器人设计M.机械工业出版社，1 995, 45-462龚振帮.机器人机械设计M.电子工业出版社，1995, 222-2

32、243藤森洋三.机构设计M.机械工业出版社，1990, 119-1204加藤一郎.机械手图册M.上海科技出版社，1989, 33-355成大先.机械设计图册(5) M.化学工业出版社，1999, 88-906刘鸿文.材料力学M.高等教育出版社，1991, 77-817濮良贵纪名刚.机械设计M.高等教育出版社，1995, 56-788周开勤.机械零件手册M.高等教育出版社，1993, 34-449许果，王峻峰等.一种基于SCARAL器人机械结构设计J.机器人技术，2005, (4): 65-6610付宜利，潘博，李康.内窥镜操作机器人结构设计及运动学仿真J.机械设计，2007,(01):62-6

33、511陈晓勇.机器人的结构设计J.机械研究与应用，2004, (01) , 17 (1): 53-5412张卫锋，樊炳辉.新型变形移动机器人结构设计和分析J.现代机械，2006, (05) : 66-6713陈晓勇.机器人的结构设计J.四川工业学院学报，2004, (01) , 23 (1): 20-2114 Amir-A. Amiri-M, Modelling and control of a SCARA robot using quantitative feedback theory, Proceedings of the Institution of Mechanical Enginee

34、rs. Part I, Journal of Systems and Control Engineering, 2009, 223(7)15 Serhan Yamacli; Huseyin Canbolat, Simulation of a SCARA robot with PD and learning controllers,Simulation Modelling Practice and Theory, 2008, 16(9)16 Voglewede, P.; Smith, A; Monti, A., “Dynamic Performance of a SCARA Robot Mani

35、pulator With Uncertainty Using Polynomial Chaos Theory” , IEEE Transactions o20Rob ot5cs,)17 M. Taylan Das ; L. Canan Dulger, aMathematical modelling, simulation and experimental verification of a scara robot ” , Simulation modelling practice and theory, 2005, 13(3)18 M. T. Das ; L. C. Dulger, CONTR

36、OL OF A SCARA ROBOT: PSO-PID APPROACH, Control andIntelligent Systems, 2010, 38(1)毕业设计是学生综合学习的一个难得机会，同时也是检验我这几年学习水平的一次机 会。在这次做毕业设计的过程中，我获益匪浅。它让我把大学几年来所学的知识做了一次 系统的复习，把之前有所遗忘的知识又加深了印象，对于专业知识的掌握更加牢靠，同时 由于每个人做的题目都不相同，每个人必须学会自主学习，研究，提高了我独立分析问题 和解决问题的能力，也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使 我学会如何与同学共同讨论问题。但是在设计过程中也遇到很多问题，如设计综合考虑不 够周全，还有一些细节方面考虑不够仔细。不过通过反复的修改和改进，我对设计的认识 有了进一步的提高，这对我以后的工作有很大的帮助 ，今后我会在工作中不断的学习，努力 的提高自己的水平。