五自由度关节型机器人的结构设计及其仿真分析毕业设计.docx

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五自由度关节型机器人的结构设计及其仿真分析毕业设计

摘要

机械手因其较高灵活性和通用性，在生活、制造等各个领域中都扮演着极其重要的角色。

它可以搬运货物，分拣物品，并能够在在有害环境下操作以保护人身安全，代替人的繁重劳动，因此被广泛应用于机械制造、轻工以及需求物品搬运等各种场所。

本次设计的研究方向是五自由度关节型机器人的结构设计及其仿真分析，在确定了设计方案以后，就开始查阅机器人的相关资料，以便以后的设计能顺利进行。

然后就是对机械手的几大部分进行了相关计算，确定了相关数据以后，二维的CAD、CAXA随即开了运行，而后就是到PRO/E的三维实体设计，机械手的各部分的实体模型也随之而出。

最后进行的便是ADAMS的仿真，将需要的数据输入以后，机械手便可以根据要求运动，同时截取了一些重要的线性图，提高了本次设计的机械手的可行性、科学性。

关键词：

机械手；结构；计算；数据；

Abstract

Becauseofitshighflexiblemanipulatorsanduniversality,inlife,invariousfieldssuchasplaysaveryimportantrole.Itcancarrygoods,articles,andcanbesortedinharmfulenvironmenttoprotectpersonalsafetyoperation,insteadofheavylabor,therefore,arewidelyusedinmachinerymanufacturing,lightindustryandthedemandforhandlingitems.

Thisdesignresearchdirectionisfivedofjointsoftherobotstructuredesignandsimulationanalysis,indeterminingthedesignplanlater,begantorefertotherelatedinformation,soastomakerobotsafterdesigncanbecarriedoutsmoothly.Thenafewmostofmanipulatoriscarriedontherelatedcalculation,determinetherelevantdatalater,two-dimensionalCAD,CAXAimmediatelyopenedrun,andthenistoPRO/E,thethree-dimensionaldesignofthemanipulatoreachpartofentitymodelalsosubsequentlyandout.Finallythesimulationisconducted,willneedtoADAMSafterthedatainputaccordingtorequirements,manipulatorcanexercise,meanwhileinterceptingthesomeimportantlinearfigure,improvethedesignofthemanipulatorofpractical,scientific

Keywords：

Manipulator,formation，Calculation;data

第一章绪论

1.1机器人的概念

机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。

它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。

它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

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形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。

现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。

一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：

“一种可编程和多功能的、用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。

”

1.2我国机器人研究现状

随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。

从20世纪80年代末到20世纪90年代，国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。

在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主。

这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。

一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。

我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益[9]～[12]。

随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。

我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。

但是，无论从工业机器人的数量上还是技术上，我们都是比较落后的。

而我国作为一个工业大国，不能寄希望从其他国家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。

如何在21世纪加速我国机器人的发展，使我国早日进入机器人大国行列，已成为当务之急。

由于目前我国机器人的基础数量太低，以工业机器人为例，到了2010年我国机器人拥有量只能达到世界拥有量1.38%～2%，这与我国作为21世纪前半叶世界主要制造国的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机器人来弥补，其巨大损失不是可以用货币损失来计算的。

可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益考虑，我们有必要自主地对机器人进行研究和开发。

但是由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距，虽然计划开发的机器人基本上采用的是在国外基木成熟的技术，但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在文献上或局部技术上。

所以我们应该从基本做起，有必要研制少数型号的机器人和开展一批基础技术研究作为机器人课题的主要研究与开发内容。

1.3工业机器人概述

工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。

国际标准化组织（ISO）在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务”。

我国的工业机器人发展的历史已经有20多年，从“七五”科技攻关开始，正式列入国家计划，在国家的组织和支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破，而且在工业机器人整机方面，己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术，并成功的应用于生产，掌握了相关的应用工程知识。

但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。

我国目前大约有4000台工业机器人，其中仅有1/5是国产的，其余的则是从40多个国外厂商进口的机器人。

总之，各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志，在未来社会中，机器人的广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。

相信在不远的将来，机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便，为人类的文明和发展带来更大的机会。

1.4工业机器人研究的现状与意义

机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。

因此它的发展与上述学科发展密切相关。

机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。

机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。

总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。

机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。

”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：

结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。

现代科学技术的迅速发展，尤其是进入20世纪80年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。

许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。

世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设了介绍机器人技术的有关课程。

为了培养机器人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。

1.5论文研究的主要内容

我们所设计的五自由度工业机器人，可以为进一步研究工业机器人的工作原理和工作过程奠定一定的基础。

将其作为《机器人学》、《机器人技术基础》课程及机械专业等机电结合的综合教学实验设备，不仅可以使学生在轻松愉快的氛围中充分理解相关课程的专业知识，而且可以激发学生的专业学习兴趣，树立系统的工程概念，培养其独立开展科学研究的能力。

因此，本机器人的研制成功，对机械专业教学及科研有着十分重要的意义

学习了机器人技术知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。

在此基础上，结合本人的设想，和设计工作中需要解决的任务，本文主要研究机器人总体结构进行设计，主要进行以下工作:

本体结构设计，本机器人手臂结构方案确定后要运用AutoCAD和Pro/Engineer软件把其平面装配图及其立体图做出。

第2章五自由度机器人方案的设计

2.1机器人机械设计的特点

（1）关节型工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个开式连杆系。

为实现要求的坐标运动，在大多数工作时间内，连杆系末端是无法加以支撑的，因而操作机的结构刚度差，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。

（2）在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。

这和普通的连杆系不同，在普通连杆系中，所有的连杆运动都出自同一驱动源，各连杆间的运动是互相制约的。

由于操作机连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而操作机的运动更为灵活。

（3）连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化是非常复杂的，且和执行件反馈信号有关。

连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。

本文所用的三个关节驱动是步进电机驱动，属于开环控制型。

（4）连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其它不稳定现象。

从以上特点可见，一个好的机器人设计应当使其机械系统的抓重——自重比尽量大，结构的静动态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。

人类的手臂是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标。

2.2与机器人有关的概念

（1）自由度（DegreesOfFreedom,DOF）：

工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。

相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。

以移动副相连的关节称为移动关节。

在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。

主动关节的数目称为机器人的自由度。

本文设计的机器人是5-DOF机器人。

（2）工作空间（WorkSpace）：

工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。

由于工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小，因而它对于机器人的应用是十分重要的。

（3）按驱动方式分类可分为：

（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。

电气驱动是20世纪90年代后机器人系统应用最多的驱动方式。

它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。

本文设计的机器人采用了液压驱动与电气驱动。

2.3设计方案

2.3.1底座设计方案

本次设计的机器人底座采用液压驱动，采用直线油缸驱动底座动齿圈，带动底座外筒体作旋转运动，齿条油缸固定在机座地基上，如图2-1。

图2-1底座驱动方案

2.3.2手臂结构方案设计

手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，使它们能在空间运动。

为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。

手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2－2。

图2-2几种多自由度机器人手臂构形

本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。

综合考虑后确定该机器人具有五个自由度，其中手臂三个自由度，手爪部分二个自由度，由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。

旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。

这里机器人手臂使用了三个旋转关节，综合各种手臂构形，最后确定其结构形式为图2－2中的第一种形式，此手臂决定了末端执行器在空间的位置。

2.3.3手爪的设计方案

机器人采用二指平动型夹持手爪，它是目前使用最广泛的一种夹持型手爪形式，既可以用手指的内侧面夹持物体的外部，也可以将手指伸入到物体的孔内后，张开手指，用外侧面卡住物体。

平动型夹持手爪在夹紧和松开物体时，手指由平行四杆机构传动，在平动过程中保持姿态不变，当被夹持物体的大小变化时，夹持中心也随之变化，这时须调整手爪的位置才能保持物体的位置不变。

手部机构设计时的注意事项

钳爪应具有一定的开闭范围。

钳爪为了抓取和松开工件，必须具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，范围太小，将限制手部的通用性，甚至使手部不能完成正常的抓放工作。

钳爪应具有适当的夹紧力。

机器人的手部机构靠钳爪夹紧工件后移动位置，由于工件自重以及移动过程中产生的惯性力和振动等，钳爪必须具有足够大的夹紧力，才能防止工件在移动过程中脱落。

一般取，G是被抓物体的重量。

保证工件的定位精度。

工件在手指内的定位精度直接影响到工业机器人系统的精度，因此在设计时应当着重考虑。

结构紧凑重量轻且满足强度和刚度要求。

手部处于腕和臂部的最前端，运动状态多变，其结构、重量及动力负荷将直接影响到腕和臂的结构。

因此，在设计手部时，必须力求结构紧凑、重量轻和效率高。

具有一定的通用性和可换性。

手部机构的动作形式有回转式和移动式，回转型手爪由于其结构简单，在满足工件定位精度要求的条件下，可尽量采用这种结构。

常见的典型结构有：

楔块杠杆式回转型手爪、滑槽杠杆式回转型手爪、连杠杠杆式回转型手爪、齿轮齿条平行连杠式平移型手爪和左右旋丝杠平移型手爪。

根据要求本次设计采用楔块杠杆式回转型手爪，如图2-3。

图2-3楔块杠杆式回转型手爪

2.3.4腕部结构的设计

机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。

它被安装在前臂杆的末端，用于调整末端执行器在工作空间的方向，是机器人不可缺少的重要部件。

它的结构和功能主要取决于组成手腕关节自由度数、类型、不同类型关节的组合方式和驱动形式等。

一般来说，为了使末端执行件在工作空间中可以任意取向，如图2-4，腕部要有翻转（Roll）、俯仰（Pitch）和偏转（Yaw）三个自由度，分别用R、P、Y来表示。

但在特殊情况下，也有少于三个自由度的情况。

有时采用具有两个自由度的腕部结构：

翻转和俯仰或翻转和偏转。

此时尽管会降低手腕的灵活性，但结构上大大简化，可以提高机器人的总体性能。

由于手腕处在开式连杆系末端的特殊位置，合理地设计手腕结构可以有效提高机器人的工作性能。

设计腕部时一般要考虑以下几个方面的要求：

1．结构紧凑、重量轻。

2．动作灵活、可靠、平稳，定位精度高。

3．强度、刚度高。

4．设计合理的手臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。

5．能根据工作需要更换手爪，方便装卸和维修。

图2-4手腕的自由度

（a）手腕的翻转；（b）手腕的俯仰；（c）手腕的偏转；（d）腕部坐标系

如图2-5，腕部的基本结构设计可选择三种方案。

第一种方案腕部具有俯仰和偏转两个自由度，手爪在工作空间中不能进行翻转运动，所以手爪在抓取物体时的方向调节受到了限制；后两种方案腕部具有俯仰和翻转两个自由度，两种关节的排列方式相反。

前者B关节与小臂联结，R关节与手爪联结，与后者相比，手爪在作俯仰运动时，弯转轴线与目标之间的垂直距离较远，所以弯转半径较大，如使用相同精度的驱动电机，在转过相同角度时会增大手爪末端的定位误差。

综上所述，腕部的基本结构采用第三种方案，手腕翻转关节安装在小臂末端，驱动部分可以安装在小臂内部，从而达到了节省空间的目的，使得整个机器人的结构更加紧凑，工作性能也会有很大提高。

图2-5手腕结构的三种方案

第3章五自由度机器人的结构设计

3.1手爪结构设计

3.1.1手部结构设计的基本要求

（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；

（2）手指应具有一定的开闭范围；

（3）要求结构紧凑，重量轻，效率高；

（4）应考虑通用性和特殊要求。

3.1.2夹紧力计算

手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。

一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：

式中:

—安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.2——2.0，取1.5；

—工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作情况系数

，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；

—方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，

手指与工件位置：

手指水平放置工件垂直放置；

手指与工件形状：

型指端夹持圆柱型工件，

，

为摩擦系数，

为

型手指半角，此处粗略计算

如图3-1所示。

图3-1夹持载荷示意图

—被抓取工件的重量

求得夹紧力

，

，取整为177N。

3.1.3驱动力计算

根据驱动力和夹紧力之间的关系式：

式中：

c—滚子至销轴之间的距离；

b—爪至销轴之间的距离；

—楔块的倾斜角

可得

，得出

为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力

要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率

，一般取0.8～0.9，此处取0.88，则：

，取

本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图3-2。

图3-2楔块杠杆式回转型夹持器

3.1.4楔块等尺寸的确定

楔块进入杠杆手指时的力分析如下：

图3-3夹持示意图

上图3-3中

—斜楔角，

＜

时有增力作用；

—滚子与斜楔面间当量摩擦角，

，

为滚子与转轴间的摩擦角，

为转轴直径，

为滚子外径，

，

为滚子与转轴间摩擦系数;

—支点

至斜面垂线与杠杆的夹角；

—杠杆驱动端杆长；

—杠杆夹紧端杆长；

—杠杆传动机械效率

3.1.5材料及连接件选择

V型指与夹持器连接选用圆柱销

，d=8mm,需使用2个

杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销

，d=8mm,需使用2个

滚子与手指连接选用圆柱销

，d=6mm,需使用2个

以上材料均为45#钢，无淬火和表面处理

楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12mm，螺距p=1，旋合长度为10mm。

3.2腕部结构设计计算

3.2.1腕部回转关节的设计

步进电机的选择：

腕部旋转由步进电机直接驱动，设手爪及物体的最大当量回转半径R=50mm，手爪及物体的总重量m=2.5kg,则其转动惯量

设机器人手部角速度W1从0加速到420/s所需要的时间t=0.4s,则其角加速度

负载启动惯性矩（不计静磨擦力矩）

。

由于步进电机不具有瞬时过载能力，故取安全系数为2（不同），则步进电机输出的启动转矩

。

由于

必须小于步进电机的最大静转矩，所以选择如下二相步进电机：

型号:

42HSM02。

最大步距角保持转矩为2.4，步矩角1.8°，质量为0.23kg.

3.2.2腕部俯仰关节的设计

腕部俯仰是由步进电机直接驱动的，手爪回转装置及物体的重心到回转中心的距离

，腕部当量回转半径

，则腕部俯仰时其转动惯量

式中，

——手爪回转装置及物体总质量约为2。

5kg;

——腕部总质量约为0.1kg;

设机器人腕部俯仰角速度从

加到

所需时间t=0.2s,则腕部俯仰角加速度

，

腕部俯仰启动惯性矩

负载静转矩（静磨擦力矩忽略不计）。

由于

>>

故惯性矩忽略不计，则腕部俯仰总转矩

。

则步进电机输出的启动转矩为

所以，选择如下二相步进电机：

型号：

42HS14；最大静转矩：

步矩角：

1.8°;质量：

2。

6kg.

3.2.3腕部材料的选择

结合要求与设计过程，选腕部结构材料为合金结构钢，无经淬火与回火处理。

3.3大臂和小臂结构设计

3.3.1小臂的结构设计

当小臂与末端执行器均处于水平状态时，各部分对回转中心产生的静转矩最大，其代数和为

选择减速器如下：

型号为：

EPL——040——007。

则步进电机输出的启动转矩为

。

所以，选择如下四相混合式步进电机；

型号：

86HS43；最大静转矩：

；步矩角；1.8°;质量：

2.6kg.

3.3.2大臂的结构设计

当大臂与小臂，末端执行器均处于水平状态时，各部分对回转中心产生的静转矩最大。

选择减速器如