轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真设计【优秀】

I 毕业设计（论文）任务 书 第 1 页 毕业设计（论文）题目： 小型轮移组合臂机器人设计 -（ 7） 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真 毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）： 组合式机械臂是由若干直线机械臂（或称一维机械臂）以不同夹角组合而成，可实现机械臂的直线伸缩，或在 面移动，或在 间定位等功能，以满足不同场合下的需要。一种可参考的直线机械臂结构图如图 1示，它的一种 合效果如图 1示。 具体要求： （ 1）按照原理及所给示意图要求，设计相关的机械装置。对涉及到的 步进电机、限位开关、 压力传感器 等辅助部件要留有合理的安装空间； （ 2）机械臂的运动速度最高速度不小大于 30cm/s, 机械臂的最大末端载荷不大于 5械臂的长度不超过 60此作为机械装置的尺寸和材质的设计依据； （ 3）给出相关参数之间的计算公式 ； （ 4）完成机械臂的机械原理设计，通过相关软件进行仿真验证； （ 5）完成相关机械图纸的绘制，加工图与组装图及其流程步骤说明。 毕业设计（论文）主要内容： （ 1）查阅相关文献资料，了解目前轮式移动机器人及机械臂的研究现状与动态。给出可满足设计要求的方案（ 两种以上）比较，论证每个方案的可行性、实用性和有效性，确定一个最佳方案； （ 2）绘制机械臂的机械结构图，说明各部分的功能、工作原理和特点； （ 3）根据要求，建立机械臂的力学结构模型，分析结构在静态和动态时的受力情况。给出相关参数之间的计算公式 ； （ 4）对机械臂的工作原理与参数设计进行相关的计算机仿真，验证其合理性； （ 5）绘制相关的机械图纸。包括零部件的加工图和组装图。给出组装调试的流程步骤及安全注意事项等相关说明。 学生应提交的设计文件（论文）： （ 1） 总体 机械臂的机械结构图； （ 2）各机械部件图及其加工 制作图； （ 3） 各部件的的安装调试及安全注意事项等相关说明； （ 4）毕业设计学位论文； （ 5）结合本课题查阅并翻译 5000 8000 个印刷符号的英文资料。 注： 该设计为 小型轮移组合臂机器人设计 中的子项之一，须考虑项目整体的协作配合。在设计过程中，需相互沟通，充分了解和获取其他成员的参数信息、设计思路和目标，作为本设计的参考依据，同时为其他成员提供所需的信息帮组。 2 页 主要参考文献（资料）： 1常见的几类工业机器人 J. 军民两用技术与产品 , 1. 2 中 国 工 业 机 器 人 : 在 机 遇 与 挑 战 中 成 长 J. 军 民 两 用 技 术 与 产品 ,2 3顾硕 . 智能化是工业机器人的发展方向 J824徐扬生 , 阎镜予 . 机器人技术的新进展 J012年 201225孙亭 ,李成 刚 ,吴洪涛 . 通用工业机器人模型及其简易控制系统设计 J. 中国制造业信 息化 636胡峰 ,骆德渊 ,雷霆 ,柯辉 . 基于 三自由度并联机器人控制系 统仿真 J 2012 年 : 2217沈阳 J2010,23(9):958赵红顺 气动搬运机器人控制系统设计 J 2011(4):369肖南峰 ,工业机器人 M,北京：机械工业出版社 ,2011. 10何衍庆 用手册 M. 北京 :电子工业出版社 ,2008. 11陈忠平 ,周少华 ,侯玉宝 学手册 M. 北京 :人民邮电出版社 ,2009. 12李艳杰 ,于艳秋 ,王卫红 理与实用开发指南 M. 北京 :机械工业出版社 , 2009. 13张毅，罗元，郑太雄等移动机器人技术及其应用 M北京：电子 工 业出版社， 2007. 14高国富 ,谢少荣 ,罗均 ,机器人传感器及其应用 M学工业出版社 ,2005. 15尹志强主编 . 机电一体化系统课程设计指导书 M. 北 京：机械工业出版社，2007. 16王鸿钰步进电机控制技术入门 M上海：同济大学山版社， 1999. 17刘宝延，程树康步进电动机及其驱动控制系统 M哈尔滨：哈尔滨工业 V 大学出版杜， 1997. 18邸敏艳 第 2 版 ) M. 北京 :电子工业出版 社 ,2007. 19传感器与执行器大全 :传感器 变送器 执行器 2009/2010(年卷 )M. 中国电子学会敏感技术分会 ,北京电子商会传感器分会 ,北京： 机械工业出版社 ，2011. 20闫超勤智能移动机械臂的控制研究 D,硕士学位论文 ,西安电子科技大学，2005 21张红娟 D,硕士学位论文 ,上海大学 ,2005. 22滕鹏 D江苏大学 ,2006. 专 业、 班 级 学生姓名 设计（论文）工作起止日期 指导教师签 字 日期 教 研 室 主 任 签 字 日期 第 3 页 学本科生毕业设计（论文）开题报告 学号 学生姓名 系部 专业年级 指导教师 职称 设计（论文）题目 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真 本课题国内外研究背景及意义： 国外发展状况及研究背景： 机器人的历史并不算长， 1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才 真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。 1954 年 , 德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。 1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。 它成为世界上第一台真正的实用工业机 器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特”，意思是“万能自动”。 他们因此被称为机器人之父。 1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。 近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、 有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型 , 第二代则具备了感觉能力 , 第三代机器人是智能机器人 , 它不仅具有感觉能力 , 而且还具有独立判断和行动的能力。 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作 。 0 世纪 70 年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。 第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而 且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。 智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。到了 90 年代 , 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展 , 机器人技术也得到了迅猛发展。目前工业机器人已广泛地用于汽车工业、机械加工工业、电子工业及塑料制品工业等领域中。在工业生产中 , 弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人 等工业机器人都已被大量采用。随着科学与技术的发展 , 工业机器人的应用领域也随之不断扩大。现在工业机器人的应用已开始扩大到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域中。除了工业机器人水平不断提高之外 , 各种用于非制造业的先进机器人系统也有了很大的进展。 国内发展状况及研究背景： 我国的工业机器人从 20 世纪 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，已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统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 20 多家企业的近条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊接线上。 目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位 200 多家，拥有量为 3500台左右，其中国产占 20，其余都是从日本、美国、瑞典等 40 多个国家引进的。 2000 年已生产各种类型工业机器人和系统 300 台套，机器人销售额 器人产业对国民经济的年收益额为 47 亿元。 据专家对国内 542 家用户以及汽车、电子 电器、工程机械个行业的部分用户进行统计分析，就全国而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人，其他机器人用量很少。就 行业而言，汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多，冲压、搬运、装配次之；电子电器行业集中在装配，如大连华录一家就用了近台，其次是搬运和喷涂；工程机械行业集中用于弧焊，喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人目前主要用于石化、轻纺和烟草行业。 本课题的意义： 移动机器人作为机器人 学发展中的一个重要分支，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣 (如辐射、有毒等 )环境下作业和人所不及的 (如宇宙空间、水下等 )环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。机械臂是机器人的重要组成部分，他是机器人的执行机构，组合式机械臂是由若干直线机械臂（或称一维机械臂）以不同夹角组合而成，可实现机械臂的直线伸缩，或在 面移动，或在 间定位等功能，以满足不同场合下的需要。 毕业设计 (论文 )研究内容、拟解决 的主要问题： 本课题研究的内容： （ 1）查阅相关文献资料，了解目前轮式移动机器人及机械臂的研究现状与动态。给出可满足设计要求的方案（两种以上）比较，论证每个方案的可行性、实用性和有效性，确定一个最佳方案； （ 2）绘制机械臂的机械结构图，说明各部分的功能、工作原理和特点； （ 3）根据要求，建立机械臂的力学结构模型，分析结构在静态和动态时的受力情况。给出相关参数之间的计算公式； （ 4）对机械臂的工作原理与参数设计进行相关的计算机仿真，验证其合理性； （ 5）绘制相关的机械图纸。包括零部件的加工图和组装图。给出组装 调试的流程步骤及安全注意事项等相关说明。 本课题拟解决的主要问题： 本课题解决的主要问题在于传动方案的拟定，组合式机械臂是由若干直线机械臂（或称一维机械臂）以不同夹角组合而成，一维机械臂的传动，本课题拟定为丝杠传动，如下图 1 为丝杠传动示意图，它的 合效果如图 2 所示。 1 图 2 一维机械臂由步进电机带动丝杠转动，滑块即可在丝杠带动下沿滑座移动，在 X/Y/Z 三个方向分别布置一个一维机械臂，即构成了三维机械臂，可实现联接在手臂联接座上的手爪在空间定位。 步进电机在数字化 控制下能实现精准定位，因此，本传动方案更便于控制，相对于液压传动，气压传动，本传动方案结构简单，行程更大，因此，本传动方案是一种较理想的传动方案。 毕业设计 (论文 )研究方法、步骤及措施： 研究方法 视系统的力学性能分析 以系统科学的思想为指导，以专业知识为基础，建立合理的力学模型 。 视总体的传动原理分析 采用合理的传动原理图。 用局部 整体 局部的分析方法 每个系统都有自己单独的功能，只有它们都能完成自己的功能时，才有可能整体的功能 ;在各个系统形成一个有机的整 体时，整体就要发挥它的 优势，调配各个系统，使各个系统在整体的作用下，形成最优的系统。 步骤： 第 一 周 了解整体设计及各子项目内容；查阅、收集和阅读相关资料；明确设计方向，确定设计内容。 第 二 周 工厂调研学习 第 三 周 同小组成员展开讨论，拟定设计方案，完成设计草图。 第 四 周 步进电机选型及关键零配件设计计算。 第 五 周 用 制装配图 第 六 周 用 制装配图 第 七 周 用 制零件图 第 八 周 用 制零件图 第 九 周 用 进行各零配件三维建模 第十周 用 进行三维建模及仿真 第十 一 周 编写设计说明书 第十 二 周 编写设计说明书 第十 三 周 编写 设计计算 说明书，形成毕业设计全部文件，准备答辩。 第十 四 周 毕业答辩 措施： 做好毕业设计，前提必须了解研究目的和主攻方向，要进行大量的资料收集以及计算机的辅助设计，所以需要经常去图书馆和机房查阅资料。总体思路如下： 根据毕业设计题目，结合老师指导对调研对象进行初步分析； 参考资料，了解调研过程，根据具体要求对研究方案进行构思； 设计并画出设计的机械部分视图； 对方案进行进一步针对性修改，以增加其直观性、可行性和实用性 ； 要参考文献： 1常见的几类工业机器人 J. 军民两用技术与产品 , 1. 2中国工业机器人 :在机遇与挑战中成长 J. 军民两用技术与产品 ,2 3顾硕 . 智能化是工业机器人的发展方向 J824徐扬生 , 阎镜予 . 机器人技术的新进展 J012年 201225孙亭 ,李成刚 ,吴洪涛 . 通用工业机器人模型及其简易控制系统设计 J. 中国制造业信 息化 636胡峰 ,骆德渊 ,雷霆 ,柯辉 . 基于 统仿真 J 2012 年 : 2217赵红顺 气动搬运机器人控制 系统设计 J 2011(4):368肖南峰 ,工业机器人 M,北京：机械工业出版社 ,2011. 9陈忠平 ,周 少华 ,侯玉宝 学手册 M. 北京 :人民邮电出版社 ,2009. 10李艳杰 ,于艳秋 ,王卫红 理与实用开发指南 M. 北 京 :机械工业出版社 , 2009. 11张毅，罗元，郑太雄等移动机器人技术及其应用 M北京：电子 工 业出版社， 2007. 12高国富 ,谢少荣 ,罗均 ,机器人传感器及其应用 M学工业出版社 ,2005. 13尹志强主编 . 机电一体化系统课程设计指导书 M. 北京：机械工业出版社， 2007. 14王鸿钰步进电机控制技术入门 M上海：同济大学山版社， 1999. 15刘宝延，程树康步进电动机及其驱动控制系统 M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版杜， 1997. 16邸敏艳 控制 (第 2 版 ) M. 北京 :电子工业出版 社 ,2007. 17传感器与执行器大全 :传感器 变送器 执行器 2009/2010(年卷 )M. 中国电子学会敏感技术分会 ,北京电子商会传感器分会 ,北京： 机械工业出版社 ， 2011. 18闫超勤智能移动机械臂的控制研究 D,硕士学位论文 ,西安电子科技大学， 2005 19张红娟 D,硕士学位论文 ,上海大学 ,2005. 20滕鹏 D江苏大学 ,2006. 是否 可以进入设计（论文）研究： 同意进入论文研究阶段 指导教师签名： 年 月 日 是否可以进入设计（论文）研究： 同意进入论文研究 教研室 (系、研究所 )主任签名： 年 月 日 要 移动机器人作为机器人学发展中的一个重要分支，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统 。 机械臂是机器人的重要组成部分，他是机器人的执行机构，组合式机械臂是由若干一维机械臂以不同夹角组合而成，可实现机械臂的直线伸缩，或在 面移动，或在 间定位等功能，以 满足不同场合下的需要。 本文针对移动机器人组合式机械臂进行设计，首先进行总体的设计方案，拟定螺旋传动副为一维机械臂传动方案，对方案进行特点分析，然后针对关键传动件设计，选择电动机，对重要零件进行强度校核，对轴和轴承的寿命进行计算校核，最后对重要零部件进行结构设计，包括材料的选择、尺寸的确定、结构工艺性的满足、以及与其他零件的配合的要求等。 关键词： 一维机械臂，组合机械臂，移动机器人， 面 is an of is a a of in is an of he is of is of or on -Y or to In of of of of of 录 摘 要 . I . 录 . 1 章 绪论 . 1 见电池型号及尺寸 . 1 构 . 1 装机的作用 . 3 国包装机械的发展 . 错误 !未定义书签。 课题研究目的和要求 . 4 第 2 章 整体方案设计 . 5 计参数与技术要求 . 5 池包装机的传动原理 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 传动设计与计算 . 7 动推杆设计计算 . 7 服电机的选择 . 7 动螺旋副的计算 . 12 轴器的选用 . 15 辊设计 . 16 型电机选择 . 16 型皮带轮传动设计 . 17 第 4 章 主要零部件结构设计 . 19 架设计 . 19 架设计准则 . 19 座主体设计 . 20 装袋托架设计 . 20 料槽设计 . 21 承选择与校核 . 22 承校核的概念及方法 . 22 动推杆处轴承校核 . 23 第 5 章 安装检验及使用维修 . 24 验规则 . 24 装机安装 . 24 备调整 . 24 用操作 . 24 修保养和故障排除 . 24 总结 . 25 参考文献 . 26 致 谢 . 27 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真 1 第 1 章 绪论 器人的发展史 机器人的历史并不算长， 1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格 伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。 1954 年 , 德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。 1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。 它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格 伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特”，意思是“万能自动”。 他们因此被称为机器人之父。 1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。 近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人 对话。第一代机器人属于示教再现型 , 第二代则具备了感觉能力 , 第三代机器人是智能机器人 , 它不仅具有感觉能力 , 而且还具有独立判断和行动的能力。 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作 。 20 世纪 70 年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。 第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判 断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的晋中学院毕业设计（论文） 2 动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。 智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。 到了 90 年代 , 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展 , 机器人技术也得到了迅猛发展。目前工业机器人已广泛地用于汽车工业、机械加工工业、电子工业及塑料制品工业等领域中。在工业生产中 , 弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人 都已被大量采用。随着科学与技术的发展 , 工业机器人的应用领域也随之不断扩大。现在工业机器人的应用已开始扩大到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域中。除了工业机器人水平不断提高之外 , 各种用于非制造业的先进机器人系统也有了很大的进展。 国机器人发展状况 我国的工业机器人从 20 世纪 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，已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统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 20 多家企业的近 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接线上。 目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位 200 多家，拥有量为 3500 台左右，其中国产占 20，其余都是从日本、美国、瑞典等 40 多个国家引进的。 2000 年已生产各种类型工业机器人和系统 300 台套，机器人销售额 元，机器人产业对国民经济的年收益额为 47 亿元。 据专家对国内 542 家用户以及汽车、电子电器、工程 机械个行业的部分用户进行统计分析，就全国而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人，其他机器人用量很少。就行业而言，汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多，冲压、搬运、装配次之；电子电器行业集中在装配，如大连华录一家就用了近 300 台，其次是搬运和喷涂；工程机械行业集中用于弧焊，喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人目前主要用于石化、轻纺和烟草行业。 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真 3 动机器人概述 移动机器人的研究 始于 60年代末期，斯坦福研究院 (的 1966 年至 1972 年中研造出了取名 自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行结构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。 70 年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新高潮。特别是在 80 年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界， 一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。 90 年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。 移动机器人的系统结构： 目前研究的移动机器人都是带有智能的机器人 :机器人本身能认识工作环境、工作对象及其状态，它根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立的决定工作方法，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。 这些具有智能的机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动 ;有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验 ;有的具有自主控制和决策能力。不仅能够应用各种反馈传感器，而且还能够应用人工智能中的各种学习、推理和决策技术。 移动机器人一般由硬件系统和软件系统两部分构成。据研制目的不同，移动机器人硬件系统的构成也不尽相同，比较完整的典型结构如图 示。移动机器人的软件系统，就相当于机器人的“大脑”，智能机器人之所以能够代替人做大量的工 作，就是因为它具有和人类的大脑思维能力相仿的智能控制系统。而这个智能控制系统其实就是机器人的软件系统，是人工智能主要技术对于机器人的综合运用。 这种特殊结构的机器人在工业装配、无人恶劣环境中工作 (如灭火、外星球探测和各类危险的科学研究 )以及室内服务工作 (如运送、导游和巡逻 )等方面具有一定研究价值。 晋中学院毕业设计（论文） 4 课题研究目的和要求 通过对 移动机器人组合式机械臂进行设计 ，进一步巩固与深化学生对理论课程及实践性教学环节中所学知识的理解，培养学生综合运用所学基础知识、基本理论和基本技能来分析和解决相关专业问题， 以及收集、整理、分析、利用资料的能力，使学生受到工程师工作能力的综合训练，提高学生的独立工作能力与综合素质。 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真 5 第 2 章 整体方案设计 力源及传动机构方案的确定 动力源及传动机构要考虑效率、成本、维护难易、失效、传动精度要求以及与整个机构的位置关系。 方案一 使用液动或气动作为平移和上升的动力源，传动机构主要为液压缸或气缸、活塞、回转液压缸。这就要求一套液压系统，包括液压泵、液压阀、液压缸或气缸、密封元件、导轨等。液压或气压驱动系统具有以下特点： 1、液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力 (或 力矩 )惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机机器人；缺点是：结构复杂，维护难度大、对环境有影响、硬件成本高。 2、气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、价格低等特点小负载的系统中；但由于空气的可压缩性定位不准等难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。 3、无论是液压还是气动，都会致使机械臂的总体重量增加，结构庞大，同时也会增加它的转动惯量，对于移动机器人上的机械臂，采用液压或气压传动，并不理想。 方案二 使用步进 电动机作为动力源，传动机构使用丝杠滑块传动。该方案具有以下特点： 1、适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人；由于步进电机的广泛采用，这类驱动系统在机械手机器人领域里被大量选用； 2、丝杠传动时，有利于主机的小型化及减轻劳动强度；摩擦力矩小，接续刚度高使温升及热变形减小，有利于改善机械臂的动态特性，提高工作精度，具有很好的高速性能。 经过方案一和方案二的分析，决定采用方案二。这主要考虑到硬件的制作成本、维护成本、尽可能地降低总体方案的重量、尽可能的使结构简单，工艺性更良好 ，安装调试更方便。 晋中学院毕业设计（论文） 6 定方案图 根据上述论述，现拟定方案图。 一维机械臂的传动如下图 2示，它的 合效果如图 2 所示。 图 2 2维机械臂由步进电机带动丝杠转动，滑块即可在丝杠带动下沿导轨移动，在 X/Y/构成了三维机械臂，可实现联接在手臂联接座上的手爪在空间定位。 步进电机在数字化控制下能实现精准定位，因此，本传动方案更便于控制，相对于液压传动，气压传动，本传动方案结构简单，行程更大，因此，本传动方案是一 种较理想的传动方案。 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真 7 第 3 章 传动设计与计算 维机械臂设计计算 一维机械臂如下图 3示，由步进电机带动丝杠转动， 滑块即可在丝杠带动下沿导轨做直线移动，通过计算机，可精确控制步进电机转过的角度，因而，可以精确控制滑块移动的距离 。 图 3维机械臂传动方案 进电机的选择 1）机电领域中步进电机的选择原则 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时， 首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩 的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电晋中学院毕业设计（论文） 8 机的固 有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足执行件快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算： （ 1）计算减速比 根据所要求脉冲当量，减速比 i 计算如下 : i=( ( 式中 o/脉冲） S 冲） （ 2）计算工作台，丝杆 以及齿轮折算至电机轴上的惯量 1+（ 1/(s） +W/g（ S/2 )2 式中 N） S （ 3）计算电机输出的总力矩 M M=f+ t) 10 2 式中 r/ s） (2 i) 10 2 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真 9 (2 i) 10 2 N） （ 4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=1-(t)/ (1+m) 1/2 式中 若负载参数无法精确确定 ,则可按 （ 5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 （ 6）负载力矩和最大静力矩 载力矩可按式 t) 102 和式 (2 i)