毕业设计机器人

天津冶金职业技术学院 1机器人国内外发展概况 1.1 机器人定义 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。 1.2机器人国内外发展概况 首先介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。 那么下面谈一下就人们很关心的问，为什么要发展机器人?那么简单说，机器人有三个方面是我们必要去发展的理由:一个是机器人干人不愿意干的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，同时机器人可以干不好干的活，比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳,一天焊几千个点，就重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面机器人干人干不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。上述方面的三个问题，也就是说机器人发展的三个理由。 那么总结一下，机器人有三个发展阶段，那么也就是说，习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。 那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。 那么从三代机器人发展过程中，从另一个方面，我们对机器人从应用的角度进行了分类，比如说工业机器人，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业现场中工作的这种机器人，我们统称为工业机器人，那么从不同的应用中，到水下去作业的叫水下机器人，到空间作业的叫空间机器人，同时又存在农业、林业、牧业，对医疗机器人叫医用机器人，还包括娱乐机器人，建筑和居室上用的机器人，所以从应用分类，它包括从行业、应用角度，也可以进行这样简单的分类。 下面我简单介绍一下我国机器人发展的基本概况。刚才谈到了日本在20世纪60年代和美国都在开始进行机器人的研究，由于我们国家存在很多其他的各种因素、问题。我们国家在机器人的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很速地发展。机器人虽已步入而立之年，但机器人的大发展，却是在1980年它满20周岁以后才开始的，因此有人将这一年称之为“机器人之年”。30多年来，机器人已经历了第一代示教再现型机器人，并发展到第二代感觉型机器人，正进入第三代智能型机器人。息或程序（而不是通过运动示教）来进行操作的机器人；智能机器人——通过人工智能决定自己动作的机器人。 (1)日本的机器人概况 日本川崎重工业公司在1968年从美国恩格尔公司买得了机器人专利，开始在日本研制机器人，只用了一年多时间，该公司便生产出第一批有实用价值的机器人。日本起步虽比美国稍晚，但后来居上，它正以比美国快两倍的速度推广机器人的应用，它所生产和安装的机器人数量已大大超过美国，被誉为一号“机器人王国”。 (2)美国的机器人概况 世界上第一台机器人诞生在美国，世界上最早使用机器人的也是美国，1961年，美国通用汽车公司和Chrysler公司最先购买了第一批商业化生产的机器人系统，开创了机器人用于汽车工业的先河。1971年，通用汽车公司又第一次用机器人进行点焊。 (3)西欧的机器人概况 西欧是仅次于日美机器人的生产基地，也是日美机器人的重要市场。在西欧众多的国家中，以德国、意大利、法国、英国、瑞典和西班牙等为西欧主要生产和使用机器人的国家。 (4)前苏联的机器人概况 前苏联发展机器人的方向主要有两个：一是优先发展经济效益较高的生产部门和直接影响工人健康的场所；二是在技术水平高、操作使用条件成熟的专业化生产部门使用机器人。苏联解体以前已开始研制带有控制器（以微型计算机为基础）的更复杂和昂贵的工业机器人。前苏联还通过原经互会国家，采取协作和专业化形式加速工业机器人的生产。 (5)机器人的未来 据世界未来学预测：90年代更长时间内，世界上将出现十大变化，其中一大变化是：智能机器人将大量出现，今后50年内，这种机器人将十分普及，虽然90年代还不能普及，但技术上将有突破性进展。因此，智能机器人已成为各国高技术发展的规划的热点。 2 机器人的总体 2.1机器人的技术参数 (1) 额定负荷： 10--20Kg (2) 自由度数： 4 (3) 最大线位移：手臂垂直位移500mm; 手臂水平位移500mm (4) 最大角位移：手臂相对垂直轴300度； 手腕相对纵轴90度、180度 (5) 线位移速度：沿垂直轴0.1-0.5 m/s； 垂直轴0.5-1.0 m/s (6) 角位移速度：沿垂直轴60 度每秒； 垂直轴0.008-1.0度每秒 (7) 加紧-松开时间： 2 s (8) 被加持零件直径： 2.2 机器人的坐标形式 机器人的坐标可分为四类：直角坐标、圆柱坐标、球坐标、关节机器人。 1.直角坐标机器人的特点： 　 (1) 多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。 　 (2)自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行。 　 (3) 一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。 　 (4)灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。 　 (5) 高可靠性、高速度、高精度 (6) 可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维。 如图2.21所示 图2.1 直角坐标机器人 2.圆柱坐标型机器人。包括上下圆盘的旋转台相对于包括上下固定板的框架旋转。丝杠和导杆安装在上下圆盘上。第一螺母总成安装到丝杠。第二螺母安装到导杆，第一螺母总成和第二螺母安装在移动件上。轴结构包括：具有纵向空腔的内轴，外轴和一中间轴，它们与内轴同心并可分开地旋转。设有一对臂驱动轴的臂支撑框架安装在轴结构上。设有第一、第二和第三驱动装置，相对于框架旋转旋转台，相对于旋转台旋转丝杠，并相对于旋转台旋各轴如图2.2所示 图 22.2 直角坐标机器人 3.球坐标型机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动实现的。这种机器人结构简单、成本低，但精度不很高。主要用于搬运作业。如图2.3所示 图2.3 球坐标机器人 4.关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。按主要功能特征及应用分类为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和军用机器人等。如图2.4所示 图2.4关节坐标机器人 2.3机器人设计与论证 经小组讨论，鉴于直角坐标型机器人没有旋转运动自由度，不能完成任务书所给要求，关节型机器人结构要求高，不易于完成结构与传动设计，且设计成本高于其他两种机型，故确定选用圆拄直角坐标型机器人作为此次毕业设计的最终方案。 2.4机器人总体方案设计 1. 运动方案设计 该机器人的自由度数为四，主要分为机身回转部分，手臂纵向移动，手臂横向移动，手爪的旋转这四个部分，每个部分有一个自由度。其中机身回转部件是靠电机是带动减速器等装置来提供回转自由度，从而带动整个机器的运动。机器人的手臂纵向移动是靠电机带动滚珠丝杠来提供移动的，而机器人横向移动也是靠电动机带动滚珠丝杠提供伸缩性能的，手爪是靠汽缸来带动的。 2. 传动系统方案设计 根据动力和速度参数，选择驱动方式，机身回转是靠带电机带动联轴器，然后连接减速器，减速器连接小齿轮，小齿轮带动大齿轮，大齿轮带动转盘转盘带动机身以上部分的回转机器人的手臂纵向移动是靠电机驱动，其传动装置是带东滚珠丝杠和一个滑块来提供移动的，而机器人横向移动也是靠电动机带动滚珠丝杠提供伸缩性能的，手爪是靠汽缸来带动类似齿轮齿条的来进行抓放，和汽缸来进行旋转运动。 3.机器人工作原理介绍   由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在引导过程中自动记忆每个动作的位置、姿态、运动参数、并自动生成一个连续执行全部操作的程序。一步步完成全部操作，实现示教与再现。如图2.5所示 图2.5 圆柱坐标机器人 3 手臂横向移动部件设计 3.1手臂横向移动部件设计的设计方案 1.手臂横向移动移动部件由电机驱动，通过齿形带将动力传递到滚珠丝杠机构，通过丝杠副将旋转运动转换为直线运动，然后丝杠副与手臂相连，带动手臂实现横向移动。 2.手臂横向移动部件的结构与工作原理 该机构的驱动元件让然是电动机。传动装置是齿形带，滚珠丝杠，导向块和导向柱。 该机构的主要运动原理是：电机通过齿形带带动滚珠丝杠，滚珠丝杠通过导向滑块和导向柱实现导向作用。进而实现手臂的横向移动。 3.2 电机选择 感应电机特点分类：感应电机就是转子之间靠电磁的感应，在转子内感应电流以实现几点能量转。感应电机一般用于电动机。 优点：结构简单、制造方便、价格便宜、运动方便 缺点：功率低、调速性能差  1.按工作电源分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。  2.按结构及工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。 同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。  异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。  直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。  3.按起动与运行方式分类 电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。  4.按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。  驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。  控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。  5.按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。  6.按运转速度分类 电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。  低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。  调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。 3.3齿形带 参照《机械设计手册》卷2，选取齿形带型号：420L050GB/13487 （1） 设计功率 的计算 = —设计功率（kw） —传递的功率（kw） —载荷修正系数 其中： =0.75kw =1.7（查表14.1—55） 代入数据计算 = =1.7 0.75=10275（kw） (2) 选定带型节距 结合 =1.275kw， 由图14.1—14得： 带型取L型，节距 =9.525mm —小带齿轮转速（r/min） —节距（mm） （3）小带轮齿数 出表14.1—56得： =16， 取 =27 （4）小带轮节圆直径 （5） 大带轮齿数 i—传动比 （6） 大齿轮节园直径 园整取 （7） 带速 所以带速合格 （8） 初定中心距 代入数据得114.66mm 初定 （9） 带长及其齿数 查表14.1-15得：选取标准节线长 齿数Z=82 （10）实际中心距 = =214.317mm 园速取a=215mm (11) 小带轮齿和齿数 =2.6 （12） 基本额定功率： 查表14.1-57得：基准宽度 查找14.1-58得：如需工作拉力 ； 带单位长度的质量： 代入数据计算得 = =2.035（KW） （13） 宽带 —啮合齿数系数， =0.6 代入数据计算得： 查表14.1—52，取标准值 =26.2mm (14) 作用在轴上的力 代入数据得： 3.4滚珠丝杠的设计计算与强度校核 查表计算 3.5轴承的选择计算 根据丝杠轴径，初步选用深沟球轴承6305 3.6缓冲装置的设计 为防止手臂在行程过程中与箱壁或其他部件发生碰撞，故需在手臂两端加上缓冲装置，手臂材料选用工业用橡胶,与手臂轴采用间隙配合。 3.7手臂箱体的结构设计 手臂箱体起着支持和固定手臂零部件，保证手臂系统运转精度、良好润滑及可靠密封等重要作用。 1.箱体要有足够的刚度 箱体在加工过程和使用过程中，因受复杂的变相载荷而引起相应的变形，若箱体的刚度不够，会引起轴承孔中心线的偏斜，从而影响丝杠的传动精度，甚至由于载荷集中导致运动副的加速损坏。因此，确定箱体尺寸与形状时，选用经验公式:2× ，确定箱体的壁厚为16mm 2.合理设计肋板 在箱体的受载集中处设置肋板可以明显提高局部刚度。加强肋的布置应尽量使它受压应力以起支撑作用。 3.合理选用材料及毛坯 箱体常用灰铸铁制成。铸铁抗压性能好，并具有一定的吸振形。 4.箱体应有可靠的密封，便于传动件润滑和散热 5.箱体应有良好的结构工艺性 箱体的制造工艺性对箱体的质量和成本，以及加工、装配、使用和维修都有直接的影响。 (1)铸造的工艺性： 设计铸造箱体时，要考虑到制模、造型浇铸和清理等工艺的方便。外应力求简单，尽量减少沿拔模方向凸起的部分。 箱体壁厚力求均匀，过度平缓，金属不要局部积聚。 (2)机械加工的工艺性 箱体结构形状有利于减少加工面积，设计时应考虑减少工件与刀具的调整次数，以此来提高生产虑。 6.箱体形状应力求均匀、美观 综上所述，手臂箱体结构设计如图3.1所示 图3.1手臂箱体结构 4 机器人运动分析 4.1 机器人简图 其中包括4个自由度，两个旋转自由度和两个移动自由度。 ？ 4.2机器人手臂设计与强度校核 手臂部件是机器人的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们作空间运动。 4.2.1手臂设计的基本要求 1．手臂应承载能力大、刚度好、自重轻 （1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 （2）提高支撑刚度和合理选择支撑点距离 （3）合理布置作用力的位置和方向 （4）注意简化结构 （5）提高配置精度 2.手臂运动速度要高，惯性要小 （1）减少手臂运动件的重量 （2）减少手臂运动件的轮廓尺寸 （3）减少回转半径 3.手臂动作应该灵活 为了减少手臂运动之间的磨擦阻力，应尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦 总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样才能设计出完美良好的手臂部件 手臂的典型结构 双导杆手臂伸缩结构、双活塞杆液压缸结构、活塞杆和齿轮齿结构 综合考虑，结合指导教师所给的参考资料，此次手臂结构设计采用电机驱动，丝杠副传递。 4.2.2手臂强度校核 1.手臂受力简图如图4.2所示 图4.2手臂受力简图 2.计算支反力 20 联立以上各式得: 3.求出截面弯矩 4.计算手臂抗弯截面系数 5.手臂的计算应力 所以:手臂设计满足要求 小结 使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手的结构设计作了系统的设计，掌握了一定的的基础。 通过这次设计我对M20工业机器人有了非常深刻的了解。我在设计过程中又对大学学到的理论知识进一步巩固，如《机械设计基础》 CAD制图 《电气控制基础》 《液压与气压传动》等。这是我们在毕业之前对所学知识的一次深入的综合性复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我们三年的大学生活中占有重要的地位。在这次毕业设计中，基本上掌握了机器加工工艺规程的设计。并学会了使用和查阅各种设计资料、手册、国家标准。最重要的是综合利用所学理论知识，解决现代实际工艺设计问题，巩固和加深了所学所学到的东西。并在实际中，学到了很多课堂上没有学到的东西。这对我在以后的工作中有很大的帮助。 通过对机器手臂的设计使我深入了解了机器人运动的过程,这次设计在李老师的指导下顺利完成,对李老师表示深深感谢。通过这几个月对机器人设计有了初步的了解，但是还很欠缺，只是对机器人知道了个大概，同时也深深的体会到了作为科技工作者的不易，大量的公式计算每一步都很严谨不允许出现一点错误。一旦出现错误就是不可挽回的错误，科学技术是非常严谨的不允许有一点的漏洞，需要有很强的理论作为依据，加上对科学的严谨态度才能设计出性能良好并且能为人类服务的机器人，通过几个人的合作加上李老师的指导，感觉到了集体的智慧，机器人手臂的计算强度的校核，对机械设计这本书有了一定了解，也学会了一些查表的方法，总的一句话有付出就有收获。 能顺利的完成了这次毕业设计。首先得助于李蕊老师的细心指导，还有就是我们小组成员间合理的分工和小组成员的努力。在设计过程中，由于对M20工业机器人的工作原理缺乏全面的了解，缺乏设计经验，导致在设计中碰到许多问题。但是我们通过请教老师和咨询同学，翻阅资料、查工具书，解决了设计中的一个另一个的问题。在这个过程中，使我对所学的知识有了进一步的了解，也了解了一些设计工具数的用途。同时，也锻炼了相互之间的协同工作的能力。在此，十分感谢李蕊老师的悉心指导，感谢同学们的互相帮助。 参考文献 [1]张铁，谢存禧主编.机器人学，第一版，华南理工大学出版社，2001，9 [2]吴广玉，姜复兴主编.机器人工程导论，第一版，哈尔滨工业大学出版社，1988 [3]熊有伦，丁汉，刘恩沧主编，机器人学，第一版，机械工业出版社，1993 [4]崔正昀主编.机械设计基础，第一版，天津大学出版社，2000 [5]贾名著主编.工程力学，第一版，天津大学出版社，1998 [6]廖念钊主编.互换性与测量技术基础，第三版，2002， [7]孟宪员源，姜琪主编.机构构型与应用，第一版，机械工业出版社，2004 [8]谈欣柏主编.大学物理，第一版，天津大学出版社，2000 [9]成大先主编.机械设计手册，第一版，化学工业出版社，2005 [10]加腾一郎主编.机械手图册，第一版，上海科学技术出版社，1979 [11]宗光华等编著.机器人的创意设计与实践，第一版，北京航空航天大学出版社