串连机器人设计.doc

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1、学号成绩交通与机械工程学院串联机器人设计说明书设计名称 机器人技术大作业 学 院 交通与机械工程学院 专业年级 机械电子工程 2012级 姓 名 林巧智 2013 年 5 月 30 日 串联机器人设计说明书 一、 设计任务构思和设计一种串联式焊接机器人，6自由度，保证工作空间为1立方米的矩形。二、 设计要求1. 要求设计机器人的运动方案和结构方案、尺寸设计；2. 说明机器人如何实现动作的，描述工作原理；3. 列出机器人的各运动参数，推导运动学方程；4. 绘出各部分的工作原理图和结构图；5. 机器人运动方案用机构简图表达，结构图用二维或三维模型表达。三、大作业提交形式1.设计说明书1份，有设计附

2、图；2.做一次作品设计过程演示，交PPT电子版。第一章 机器人整体设计1.1 尺寸设计 操作机的工作空间：机器人操作机正常运行时，末端执行器坐标系的原点能在空间活动的最大范围；或者说该原点可达点占有的体积空间。这一空间又称可达空间或总工作空间，记作W(P)。灵活工作空间：在总工作空间内，末端执行器可以任意 姿态达到的点所构成的工作空间，记作Wp (P)。次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作生间所余下的部分，记作Ws (P)。根据定义，工作空间有: 。 如图1所示的3R操作机，由三杆L1，L2，和H组成。后两杆的长度之和小于L1的长度。取手心点P 为末端执行器的参考点，令l1，l2 分别为L1，

3、L2 杆的长度，h为手心点P 到关节点O3的长度(即H杆的长度)，则：圆C1:半径为，圆C4:半径为，分别是该操作机的总工作空间的边界。它们之间的环形而积即W(P) 。圆C2:半径为 ， 圆C3:半径为 ，分别是灵活工作空间的边界。它们之间的环形面积即Wp(P)。圆C1到圆C2之间；圆C3到圆C4之间两环形面积即为次工作空间。 图1-1 3R机械手的工作空间图假设3R机器人大臂长538.14mm，小臂长433.07mm，手腕长为73.07mm。工作空间的半径为R=l2h，即为360mm，则最大内接正方形边长为510mm。要求此机械手的工作空间为1m。则比例系数为1.96倍。所以此次设计的3R机

4、器人的大臂长为1055mm，小臂长为849mm，手腕长为143.3mm。1.2原理描述 xy 图 1-2 运动结构图 图 1-3 运动简图此机器人设计成3R，具有六自由度的机器人，六个关节都是转动关节，如图2-1和图2-2所示。1.3 运动副空间机构（包括串联机构、并联机构和混联机构）大多数都是由低副构成。常见的低副有转动副R、移动副P、球面副S、胡克铰链T和螺旋副H等，它们是组成运动链的主要构件，也是构成串联机器人的主要元素。如图2.1所示：（a）移动副（P）（b）转动副（R）（c）球面副（S）（d）虎克铰链（T）（e）螺旋副（H）图1-4 运动副(a) 移动副P：两个构件沿公共轴线相对直线

5、移动，具有一个自由度。 (b) 转动副R：两个构件绕公共轴线相对转动，具有一个自由度。 (c) 球面副S：两个构件之间有3个以球面为中心的相对转动，具有三个自由度。 (d) 胡克铰链T：两个构件之间具有两个独立的相对转动，具有两个自由度。 (e) 螺旋副H：用于将回转运动转换成直线运动，只有一个自由度，这里设计的机器人手臂运用的是转动副，手腕处是球运动副。1.3.1球铰链球铰链可用德国INA公司生产的GLK系列45，结构如图1-5所示图1-5 GLK球铰链结构如图1-5所示球铰链的核心零件是一带螺栓的球体，其外表面布满小滚珠，再装在两个半球状的铰座中，借组片状导向环保持滚珠的均匀分布。在球体螺

6、栓上紧固球面帽，以保证球铰接的密封。 图1-6 GLK系列球铰链结构图1-6为GLK系列球铰链的内部结构。GLK系列球铰链有F 和F两种规格，主要尺寸参数如表1-1所示：表1-1 GLK系列球铰链的主要参数型号质量/kg偏转角/H/mmD/mmMa/mmMb/mmMc/mmF 2.3202036014470M201.5M171M401.5F 4.5202036018590M251.5M251.5M562本文设计的机械手结构要求小巧，故选择GLK F 型号球铰链。1.4 球轴承丝杠连接，球铰链连接和胡克铰链连接都需要球轴承。选择成对安装的角接触球轴承，并且是面对面的排列方式，这种轴承形式能承受双

7、向的轴向载荷，承受能力随着接触角的增大而增加，并且通过预紧可以限制轴或者外壳的轴向位移，同时通过预紧可以增加轴承的刚度和旋转精度。这里的轴承固定形式采用全固式，轴承内圈分别通过轴肩和套筒固定，外圈则通过轴承端盖固定。对于角接触球轴承47的选择，这里选择依据是：（1）有效空间。轴承安装处的轴颈尺寸和安装空间是已知的，它们就是出不选择轴承类型的主要依据。（2）承载能力。滚动轴承的承载能力与轴承类型和尺寸有关，角接触球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷的联合作用，其轴向载荷能力的大小随着接触角的增大而增大。（3）速度特性。滚动轴承的工作转速上升到一定限度后，滚动体和保持架的惯性力，以及极小的形状偏差

8、，不仅导致运转状态的恶化，而且造成摩擦面见温度升高和润滑剂的性能变化，从而导致滚动体回火或轴承元件的胶合失效。在一定转速和润滑条件下，滚动轴承所能允许的最高转速称之为轴承的极限转速。它与轴承的类型，尺寸，精度，游隙，保持架的材料与结构，润滑方式，润滑剂的性质和用量，载荷的大小和方向以及散热条件等有关。一般来说，角接触球轴承具有较高的极限转速。（4）摩擦特性。存在于轴承内部各元件间的摩擦，不仅影响轴承的温升，功率损耗，承载能力和使用寿命，而且在各种控制仪表中，影响系统的精度和可靠性。轴承中的摩擦，是以摩擦力矩的大小度量的，一般来说，球轴承比滚子轴承的摩擦力矩小。调心性。由于孔外壳和轴的加工与安装

9、误差，以及受载后轴的挠曲变形，轴和内外圈轴线在工作中不可能保持重合，会产生一定的偏斜，轴线的偏斜将引起轴承内部接触应力的不均匀分布，造成轴承的早期失效。轴承能够自动补偿轴和外孔壳中心线的相对偏斜，从而保证轴承正常工作状态的能力称为轴承的调心性。（5）运转精度。用滚动轴承支承的轴，其轴向及径向运转精度既与轴承零件的精度及弹性变形有关，也与相邻部件的精度及弹性变形有关。就轴承本身而言，滚动体的直径差，轴承的工作游隙及刚度等都不同程度地影响着轴承的运转精度。正确选用滚子轴承有利于提高轴承及轴的运转精度。（6）振动噪声特性。滚动轴承的振动和噪声实际上是由于某种原因产生的振动，通过与之相连的零部件传到机

10、器里面，引起空气振动，即形成噪声。滚动轴承中最基本的振动是滚动体通过振动，即使滚动轴承的几何形状完全正确，承受径向载荷时，由于存在径向游隙，运转过程中滚动体逐渐进入和退出载荷区，使得内圈中心的径向位置发生周期性的变化，从而产生频率为滚动体公转速度与滚动体个数乘积的振动，即滚动体通过振动。降低轴承的振动和噪声，除了提高轴承及支座的设计水平，制造精度和安装质量外，还可通过适当减小径向游隙，采用间隙调整和预紧装置，使用性能良好的润滑剂等措施。此外轴承的选用还应考虑工作性能。选用的GB/T292-1994,7205AC/DF型成对安装角接触球轴承。第二章 机器人各部分设计2.1 机身设计 机身是由回转

11、缸与升降缸单独驱动的回转机身，如图2-1所示。升降油缸在下，回转油缸在上。升降运动由活塞1驱动，靠考升降活塞杆内花键套2导向。回转运动靠摆动油缸5驱动。因摆动缸安置在升降活塞杆的上方，故活塞杆尺寸要加大。1-活塞； 2-花键套； 3-花键轴； 4-升降油缸； 5-摆动油缸； 6-摆动缸定片； 7-摆动缸动片 图 2-1 回转缸与升降缸单独驱动的会转型机身2.2 臂部设计 图2-2所示，手臂做回转运动的机构，活塞油缸两腔分别进压力油，推动齿条活塞作往复移动，而与齿条啮合的齿轮及作往复回转，由于齿轮与手臂固联，从而实现手臂的回转运动。图 2-2油缸和齿轮齿条手臂机构2.3 腕部设计 如图2-3所示

12、，齿轮，链轮传动实现手腕的偏转，仰俯和回转三个自由度的运动的手腕结构示意图。工作原理如下：当油缸1中的活塞做左右移动时，通过链条链轮2，锥齿轮3和4带动花键轴5和6转动，而花键轴6与行星架9连成一体，因而也就带动行星架做偏转运动，即为手腕所增加的360的偏转运动。由于增加了花键6的偏转运动，将诱使手腕产生附加俯仰和回转运动。这两个诱导运动产生的原因是当B轴和S轴不动时，齿轮21和23是相对不动的，由于行星架9的回转运动，势必带动齿轮22绕齿轮21和齿轮11绕齿轮23转动，齿轮22的自转通过锥齿轮20,16,17,18传递到摆动轴19，引起手腕的诱导俯仰运动。而齿轮11的自转通过锥齿轮12,13

13、,14,15传递到手部夹紧缸的壳体，是手腕做诱导回转运动。同样当S，T轴不动时，B轴的转动也会诱使手部夹紧缸的壳体做附加回转运动。1-油缸； 2-链轮； 3，4-锥齿轮； 5,6-花键轴； 7-传动轴； 8-腕架； 9-行星架； 10,11,22,24-圆柱齿轮； 12,13,14,15,16,17,18,20-锥齿轮； 19-摆动轴； 21，23-双联圆柱齿轮； 25-传动轴 图 2-3 齿轮链轮传动三自由度手腕原理图2.4 电机选择2.4.1主回转轴电机选择主电机传动比选择：主回转轴电机转矩，转动惯量计算： 根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 3KW，额定转矩28.4Nm，最

14、大转矩，63.7Nm，电机转动惯量，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类F型。2.4.2大臂摆动电机选择大臂摆动电机选用：传动比选择：电机转矩，转动惯量计算：根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 3KW，额定转矩28.4Nm，最大转矩，63.7Nm，电机转动惯量，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类F型。2.4.3大臂转动电机选择大臂转动电机选用：传动比选择：电机转矩转、动惯量计算：根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 900W，额定转矩8.62Nm，最大转矩，19.3Nm，电机转动惯量，额定转速1000r/m

15、in,最大转速，2000r/min，外形分类D型。2.4.4小臂摆动电机选择小臂摆动电机的选择：传动比选择：根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 900W，额定转矩8.62Nm，最大转矩，19.3Nm，电机转动惯量，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类D型。2.4.5小臂转动电机选择小臂转动电机选择： 传动比选择： 根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MDMA 750W，额定转矩3.57Nm，最大转矩，10.7Nm，电机转动惯量，额定转速2000r/min,最大转速，3000r/min，外形分类D型。2.4.6手腕摆动电机选择手腕摆动电机选择传动比

16、选择：根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MQMA 200W，额定转矩0.64Nm，最大转矩，0.91Nm，电机转动惯量，额定转速3000r/min,最大转速，5000r/min，外形分类A型。第三章 运动学方程3.1建立坐标系 图 3-1 3R机器人的六杆操作机及各连杆的坐标系3R机器人的六杆及赋给各杆的坐标系。3R机器人有六个转动关节且两个转动关节的轴线相较于一点，共六个自由度：杆1绕固定坐标系的Z0轴旋转；杆2绕杆1坐标系的Z1轴旋转；杆3绕杆2坐标系的Z2轴旋转；杆4绕杆3坐标系的Z3轴旋转；杆5绕杆4坐标系的Z4轴旋转；杆6绕杆5坐标系的Z5轴旋转。机器人手爪夹持工件时，需确定它

17、于被夹持工件上固连坐标系的相对位置关系和相对姿态关系。3.2 3R机器人正解表3-1 3R机器人各连杆的参数杆件号关节转角扭角杆长a距离d10-90002000d23-90-90a204090a3d450900060000根据上表所示的机器人各连杆的参数和齐次变换矩阵公式，可求得：求得所有变换矩阵： 求末杆的位姿矩阵：3. 3 3R机器人逆解将3R的运动方程可以写作如下形式：若末端连杆的位姿已经给定，即 为已知，则求关节变量 的值称为运动逆解。1. 求式中,正、负号对应于 的两个可能解。2. 求则得两方程：由上式可得：式中,正、负号对应于 的两个可能解。3. 求综上说述：6求5求4求第四章 3R机器人附录 xy运动结构图 运动简图 各连杆操作坐标3R机器人三维图