关节型机器人腰部结构设计

1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 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。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”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。丨6132关节型机器人总体设计2.1确定基本技术参数2.1.1机械结构类型的选择为实现总体机构在空间的位置提供的 6个自由度，可以有不同的运动组合，根据 本课题可以将其设计成以下五种方案：a. 圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运 动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件 下，机体所占体积小，而运动范围大。b. 直角坐标型直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组 成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接 读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体 所占空间体积大、灵活性较差。c. 球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转， 一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰 运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特 点，但结构复杂。d. 关节型关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个 关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩 关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小 臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机 座的物体。e. 平面关节型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，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形 的同转体，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横 截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简 单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二 体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课 题综合考虑决定采用方案四：关节型机器人。此方案所占空间少，工作空间 范围大，动作灵活，工艺操作精度高。2.1.2额定负载目前,国内外使用的工业机器人中，其负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N 以下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机 械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对 象的重量和在规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。本课题的任务要求是 保证手腕部能承受的最大载荷是 6kg。2.1.3工作范围工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来 确定的，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐 标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变 动范围的选择。图2-1运动范围图2.1.4操作机的驱动系统设计关节型机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一 体，驱动臂杆和载荷完成指定的运动。通常的机器人驱动方式有以下四种：a. 步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有 误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成失步”现象。b. 直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功 率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。c.交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管 GTO，大功率晶闸管GTR和场效 应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术（PWM）和计算机控制技术的发 展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精 度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。c. 液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率 /体积比，运动比较平稳，定位精 度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要 求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用 较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的 前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用的驱 动方式。电极驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速范围满足机器人应用 要求等特点。所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。因为它具有体积 小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大， 稳定性好等优点。本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩 和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。2.1.5控制系统选择对于焊接机器人这种精度要求不高的工业机器人，大多采用示教再现编程。示教 方式作为一种成熟的技术，易被熟悉工作任务的人员掌握。无论是手把手示教或 示教盒示教，都是以在线编程，由示教操作人员操作移动末端执行器和手臂到所 需的位置。然后记录（存储）下这些操作和数据。示教过程完成后，即可应用， 机器人以再现方式重复进行示教时存于存储器的点位、轨迹和各种操作。再现过 程的速度可以与示教时速度不同。利用示教手柄由人工引导末端执行器经过所要求的轨迹，此时位置传感器就检测 出机器人操作机上各关节处的坐标（或转角）值，控制系统的装置记录（储存） 下这些数字化的数据信息。再现时，机器人控制系统重复再现示教者示教的轨迹 和操作技能。手把手示教也能实现点位控制，所不同的是它只记录各轨迹程序段 的两端位置。轨迹运动速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入。2.1.6确定关节型机器人手臂的配置形式手臂的配置形式反映了机器人操作机的总体布局。根据任务要求，要实现机器人焊 接功能，则机器人的工作范围要广，所以我选择了立柱式的配置方式。其特点是占 地面积小，工作范围大，机器人手臂可绕立柱回转。根据分析，可将机器人的参数列在表2-1中：表2-1关节型机器人的主要参数1項冃技术要求1姑恂璽式fl FtHS 数6运动范国(71內105&3083112925：帶21 r53F赧大連度2m / s腕部绘大负荷6临续表2-1项目技术蹩求朋动方式削温电机0,押制方述PTP / CP慄低方朮示教再现lcw机械本体13, 2kt，裡制岂36. 33kw输入/输也32/ 32 位电源110-13OV 4SL 50* 60Hz L2kW5-t6V;(20-90)%RHiii2.2关节型机器人本体结构设计图2-2关节型机器人传动原理图图2-2是整个机器人本体机械传动系统的简图。机械传动系统共有30个齿轮，为了实现在同一平面改变传递方向90有10个齿轮为圆锥齿轮，有利于简化系统运 动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构，则必然以空间交叉方式变向，就不 利于简化系统运动方程式的结构形式。机器人主要由立柱与基座组成的回转基座以及大臂、小臂、手腕组成。基座是一个铝制的整体铸件，其上装有关节 1的驱动电机，在基座内安置了关节 1的回转 轴及其轴承、轴承座等。大臂和小臂的结构形式相似，都由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板 壳相互胶接而成。内部铸件既作臂的承力骨架，又作内部齿轮组的轮壳与轴的支 承座。大臂上装有关节2, 3的驱动电机，内部装有对应的传动齿轮组。关节 2, 3都采 用了三级齿轮减速，其中第一级采用锥齿轮，以改变传动方向90第二、三级均采用圆柱直齿轮进行减速。关节 2传动的最末一个大齿轮固定在立柱上；关节 3传动的最末一个大齿轮固定在小臂上。小臂端部连接具有3R手腕，在臂的根部装有关节4, 5的驱动电机，在小臂的中 部，靠近手腕处，装有关节6的驱动电机。关节4，5均采用两级齿轮传动，不 同的是关节4采用两级圆柱直齿轮，而关节 5采用第一级圆柱直齿轮，第二级锥 齿轮，使传动轴线改变方向90关节6采用三级齿轮传动，第一级与第二级为 锥齿轮，第三级为圆柱直齿轮，关节 4, 5, 6的齿轮组除关节4第一级齿轮装在 小臂内以外，其余的均装在手腕内部。所设计的机器人本体结构特点如下：a. 内部铝铸件形状复杂，既用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座，又兼作承力骨 架，传递集中载荷。这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体质量减轻。手臂 外壁与铸件骨架采用胶接，使连接件减少，工艺简单，减轻了质量。b. 轴承外形环定位简单。一般在无轴向载荷处，载荷外环采用端面打冲定位的方 法。c. 采用薄壁轴承与滑动铜衬套，以减少结构尺寸，减轻质量。d. 有些小尺寸齿轮与轴加工成一体，减少连接件，增加了传递刚度。e.大、小臂，手腕部结构密度大，很少有多余空隙。如电机与臂的外壁仅有 0.5mm间隙, 手腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间。这样使总的尺寸减少，质量减少。f. 工作范围大，适应性广。PUMA除了自身立柱所占空间以外，它的工作空间几乎是他的长臂所能达到的全球空间。再加之其手腕轴的活动角度大，因此使它工 作时位姿的适应性强。譬如用手腕拧螺钉，手腕关节4, 6配合，一次就能转1112g. 由于结构上采用了刚性齿轮传动，调整齿轮间隙机构，弹性万向联轴器，工艺 上加工精密，多用整体铸件，使得重复定位精度高。h. 机器人手臂材料的选择：机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，机器人手臂要 完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。 而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高 手臂的动态性能。机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时，不应有变形和断裂。从力 学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合 金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较 轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料 有尼龙&聚乙烯和碳素纤维等；金属材料以轻合金为主。在我们的设计中为减 轻机器人本体的重量选用铸铝材料。关节型机器人总体结构如图2-3所示。图2-3关节型机器人的总体结构3关节型机器人腰部结构设计通过总体分析后，确定了机器人的结构。所设计的腰关节部分采用二级齿轮减速传 动。图3-1关节型机器人腰关节驱动器和齿轮传动机构简图3.1电动机的选择12设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3,根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：2 J仁JG1+m1l1+JG2+m2l2+JG3+m3l3 22(3-1)ml、m2、m3分别为10kg、5kg、12kg。11、12、13分别为重心到第一关节轴的距 离，其值分别为 300mm、700mm、1500mm,在式(3-1 )中 JG1m1l1、 JG2m2l2、2JG3 Pm(3-5)选择QZD-08串励直流电动机表3-1 QZD-08串励直流电动机技术数据1 W)定电压舗宦电it濮能转連 r/mi-ife)汹出H A绝携级工件制S002446卫1750603.2计算传动装置的总传动比和分配各级传动比根据经验取主轴的转速4rad/s传动装置总传动比i总取48,分二级传动，第 级是加工在轴上的齿轮与小齿轮啮合，传动比i1=4 ;第二级传动比为i2(3-6)3.3轴的设计计算=i总48=i14=123.3.1计算各轴转速、转矩和输入功率a. 各轴转速I(3-7)轴 n l=1750r/mi nU 轴 nn=1750=437.5r/min 4(38)(3-9)轴 nm =437.5=36.46r/mi n 12b. 各轴输入功率I(3-10)轴 PI=P0? n z=80? 0.98=768Wn z 制动器效率please con tact Q 3053703061 give you more perfect draw ings根据求出的可进一步解出9 5将式(4-11)两端左乘逆变换0T4-1( 9 1, 9 2, 9,3即得4)0T4-1( 9 1, 9 2, 9 3, 9 4)0T6=4T5( 9 5)5T6(7)9 6)因式9 1 9 2 9 3口 9 4匀已解出，则逆变换0T4-1( 9 1, 9 2, 9为9 4)0T4-1( 9 1, 9 2, 9 3, 9 4)=? c1c23c4+s1s绍-ccs+sc ? 123414? -c1s23? 0? s1c23c4-c1s4-s1c23s4-c1c4-s1s230-s23c4s23s4-c23 0-a2c3c4+d2s4-a3cG a2c3s4+d2c4+a3s4 ? ? a2s3-d4? 1 ?此外，方程式(4-27)的右边4T6( 9 5, 9 6)=4T5( 9 5)5T6(也可由式(4-4)给 出。令式(4-27)两边矩阵中的元素(1, 3)和(3, 3)分别对应相等，可得 ax(c1c23c4+s1s4)+ay(s1c23c4-c1s4)-az(s23c4)=-s5 ax(-c1s23)+ay(-s1s23)+az(-c23)=c5( 4-28)由此可得9 5勺封闭解9 5=彳求9 6将(4-11)改写为-s5 (4-29) c50T5-1( 9 1,9 2 9 5)0T6=5T6(码36)令矩阵方程(4-30)两边元素(3, 1)和(1,1)分别对应相等，可得-n X(c1c23s4+s1c4)-ny(s1c23s4+c1c4)+nz(s23s4)=s6 nx(c1c23c4+s1s4)c5-c1s23s5+ny(s1c23c4-c1s4)c5-s1s23s5-n Z(s23c4c5+c23s5)=c6从而可以求出9的封闭解s 9 6=( 4-31) c6综上所述，再考虑到9等于0,或不等于0的两种情况，6自由度关节型机器人 对于同一手部位姿可能存在8种关节转角组合。至此，已求出了全部的关节变量，即求得位姿矩阵0T6的逆解。可以看出，只有9 1, 9 2三式中有px, py和pz,故它们确定了手部坐标系原点的空间位置。(方 位)。9 4, 9 5三式中有nx, ny和nz所以它们确定了手部坐标系的姿态 由此可以得出：当6关节机器人后3关节轴线交于一点时，前、后3个关节具有 不同的功用。前3关节连同它的杆件，称作位置机构；后3关节连同它的杆件，称作姿态机构。5结论我国机器人的研究和应用起步较晚，但是随着国内外机器人的快速发展、社会需 求的增大和技术的进步，焊接机器人得到了迅速的发展，多品种、少批量生产方 式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，是推动装焊接机器人发展的直 接动力。关节型机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的焊接作业中大显 了身手。本课题正是在这种背景下提出来的，这是一项具有重要意义的课题。本 文主要完成了如下工作：a.进行了机器人总体设计及腰关节的详细设计关节型机器人应该具有外形简单、传动原理简单等特点，为此机器人设计成具有 六自由度的结构，由机身、大臂、小臂、腕部组成。六个自由度均为旋转关节。关节型机器人六个关节均选直流电机驱动。第一个关节采用二级齿轮传动，这种 传动方式具有精度高、定位安装方便等优点；其他五个关节都采用了锥齿轮与直齿 轮的传动结构，充分利用了大臂和小臂的空间，结构紧凑。b.对机器人位姿问题进行了详细分析运用D-H方法建立了杆件坐标系，完成了机器人的运动学分析，包括正运动学方 程的推导和逆运动学解的求取。参考文献1 汪恺.机械设计标准应用手册M.机械工业出版社.1997.8.2 成大先.机械设计手册M.化学工业出版社2002.1.3 徐灏.机械设计手册M.北京：机械工业出版社2002.4 徐锦康.机械设计M.机械工业出版社2001. 殷际英何广平.关节型机器人M.北京:化学工业出版社2003. 周伯英.工业机器人设计M.北京：机械工业出版社1995.7 陈秀宁，施高义.机械设计课程设计M.浙江大学出版社1995.8.8 王宗荣.工程图学M.机械工业出版社2001.9.9 费仁元，张慧慧.机器人设计和分析M.北京工业大学出版社1998.9.10 龚振邦.机器人机械设计M.北京:电子工业出版社1995.11.11 吴相宪，王正为,黄玉堂.实用机械设计手册M.中国矿业大学出版社1993.5.12 庞启淮.小功率电动机应用技术手册M.机械工业出版社.13 马香峰.工业机器人的操作机设计M.冶金工业出版社.附录序号图名图号纸张1总体尺寸图JQR-Z A02腰关节装配图JQR-0 A03电机联接板JQR-01 A24 基座 JQR-09 A15轴承支承板JQR-10 A36基座底板JQR-11 A37中间轴JQR-13 A38小齿轮JQR-15 A39大齿轮JQR-16 A210 主轴 JQR-19 A311 立柱 JQR-20 A3