机器人五自由度机器人结构设计说明书.docx

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机器人五自由度机器人结构设计说明书

毕业设计说明书-机器人五自由度机器人结构设计

摘要

随着机器人技术的飞速发展，工业机器人的应用领域正在不断的扩大，对教育培训部门提出了新的要求，为提高机器人教学的水平，我们研制了一套以实验教学为目的的机器人演示系统。

本文阐述了机器人的发展历程，国内外的应用现状，及其巨大的优越性，提出具体的机器人设计要求，进行了本演示系统的总体方案设计和各自由度具体结构设计、计算；对演示系统的控制部分的研制，其中包括：

进电机开环控制；光电码盘为反馈元件的，以PWM型功放电路为驱动器的直流电机闭环控制；以89C51单片机为核心，实现演示系统的键盘管理和LCD显示，并以单CPU分时控制形式，实现机器人运动的点位控制方式。

最后设计制定出利用本演示系统所开设的几个实验的指导书。

关键字：

教学机器人、结构设计、闭环控制、演示实验

Abstract

Withthedevelopmentofrobottechnology,thecontinualexpansionofapplicationofindustrialrobotspresentsnewrequire-mentsbeforeeducationandtrainingagencies.Wehavedevelopedarobotdemonstrationsystemforexperimentsintrainingtoimprovetheteachingeffectof“RobotTeaching”.

Firstly,thispaperdiscussesthedevelopmentcourse,thestudybothindemesticandinexternal,thesignificantadvantagesofrobotandthengivesthesupportingsourceofthestudyandthetechnicalrequirements,Secoundly,thispaperdiscussestheoveralldesignandcalculationoneachdegreeoffreedom，andaboutthestudyonthecontrolpartoftheTrainingRobotsystem,whichincludestheopen-loopcontrolofthesteppingmotor,thedigitalclosed-loopcontroloftheDCmotorwithanoptical-electricalencoderasfeedbackcellandthePWMpoweramplifierasdriver.ThekeyboardmanagementandtheLCDdisplayisbasedona89C51singalplatecomputer.ItisachievedinpointtopointcontrolbyasingalCPUwithsharetime.

Attheend,itpresentsguidancestosomeexperimentsonthedemonstrationsystem.

Keywords:

TrainingRobot、StructureDesign、Closed-LoopControl、DemonstratingExperiment.

目　　录

第1章绪论

1.1机器人概述

1.1.1机器人的诞生和发展

　　1920年克作家卡雷尔.卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。

剧情是这样的：

罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场，让它去充当劳动力，以呆板的方式从事繁重的劳动。

后来，罗萨姆公司使机器人具有了感情，在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。

该剧预告了机器人的发展对人类社会的影响。

在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”（农奴）写成了“Robot”（机器人）。

这也是人类社会首次使用“机器人”这一概念。

自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了现代机器人的发展

50年代是机器人的萌芽期，其概念是“一个空间机构组成的机械臂，一个可重复编程动作的机器”。

1954年美国戴沃尔发表了“通用重复型机器人”的专利论文，首次提出“工业机器人”的概念；1958年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型；1959年美国UNIMATION公司推出第一台工业机器人。

60年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入成长期，机器人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中。

70年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入实用化时代。

日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施，其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。

80年代，机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感器控制的机器。

工业机器人进入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用，推动了机器人产业的发展。

为满足人们个性化的要求，工业机器人的生产趋于小批量、多品种。

90年代初期，工业机器人的生产与需求进入了高潮期：

1990年世界上新装备机器人81000台，1991年新装备76000台。

1991年底世界上已有53万台工业机器人工作在各条战线上。

随后由于受到日本等国经济危机的影响，机器人产业也一度跌入低谷。

近两年随着世界经济的复苏，机器人产业又出现了一片生机。

90年代还出现了具有感知、决策、动作能力的智能机器人，产生了智能机器或机器人化机器。

随着信息技术的发展，机器人的概念和应用领域也在不断扩大。

2000年出现了仿人机器人及其他仿生机器人，机器人的运动能力和智能水平进一步的提高，并以智能体的形式出现，应用领域进一步的扩大。

1.1.2国内发展状况

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较晚，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”计划的支持下，也取得了不少成果。

其中最为突出的是水下机器人，6000米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、触觉、声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。

1.1.3国外机器人发展趋势

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

1．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，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。

　2．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。

3．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、易操作性和可维修性。

4．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。

　5．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。

6．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与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。

　7．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。

1.2机器人产业对教育、培训的要求及本课题的提出

采用机器人会给我们带来很大的方便，机器人和其他自动化装置最主要的区别在于机器人的功能和任务很容易修改或改变，仅需要改变软件就可以了，同时机器人比一般自动化装备更复杂，需要更多的软件和硬件知识，故一旦大量采用机器人就需要专门的培训使用机器人的具有较高水平和技术人员，这无疑对教育和培训提出新的要求，大多数机器人专家都反复的强调需要制定培训计划以为新的工作岗位准备合格的劳动力。

谈到培训，还有个协调的问题，工业和教育团体应减少培训与需求的协调失误，在校学生也应了解市场情况，在教师的协助下开设和调整自己的课程，使所学的专业和技能在毕业的时候满足社会的需求。

对机器人，人们的头一个问题就是：

机器人是否会造成失业？

应该说大量采用机器人会使一部分人丧失工作，然而这一新的产业所创造的新的就业机会比其消灭的职业更多，新的职业需要新的技能，就再需要教育和培训，再次证明，机器人对社会的冲击就是再培训的课题。

大量采用机器人不回带来失业，在机器人的研究、制造和应用上有七种职业，即研究、开发、设计、制造、应用、市场、服务、维修和教育，而潜在的部门是机器人制造部门，教育机构和机器人相关部门。

现在国外机器人制造厂家不仅自己开设机器人课程也向学校提供资助，为学校提供机器人教学系统，据资料显示，美国有很多大学开设了机器人课程。

早我国，许多大学也开设了机器人方面的课程（如上海交大，华中科技大学等），也有很多研究开发机器人的研究机构，但资金问题是困饶机器人发展的障碍，在教学中也面临相同的问题。

但教学课程上，只是纸上谈兵，没有一点直观的印象，关键是设备问题，研制一个价格低廉、性能优越、结构简单、能给学生以深刻印象的实验用的教学演示系统，在这前提和背景下，提出本课题，它能达到以下目标：

1.成本低，必要时可以降低精度要求，因为是实验演示装置。

2.机械结构简单，便于学生掌握机器人结构上的特点。

3.整体尺寸不宜过大，以摆放实验台为准。

4.与结构相匹配，为降低成本，采用开环、闭环控制相结合

5.各部分结构最好方便拆卸，以便维修保养。

第2章总体设计方案

在确定机器人总体设计方案前，必须对机器人设计基本步骤及其基本原则，使设计的方案更合理

2.1总体设计的思路

设计机器人大体上可分为两个阶段：

一、系统分析阶段

1、根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。

2、分析机器人所在系统的工作环境。

3、根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。

如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。

二、技术设计阶段

1、根据系统的要求的自由度和允许的空间空做范围，选择机器人的坐标形式

2、拟订机器人的运动路线和空间作业图。

3、确定驱动系统的类型。

4、拟订控制系统的控制原理图。

5、选择个部件的具体集体够，进行机器人总装图的设计。

6、绘制机器人的零件图，并确定尺寸。

下面结合本演示系统的基本要求和设计的基本原则确定本系统的方案。

2.2总体方案的确定

提到总体方案的确定，让我们重复下本课题的要求：

1、它是一个教学用的演示系统。

2、我们希望它不太大，可以安置在实验台沙锅内给学生讲解，即小型化、轻型化。

3、经费有限，要求成本低。

4、在满足前几点的要求下，尽可能的要造型美观。

2.2.1坐标形式的选择

有要求可知这是一个演示的系统，即机器人的几个基本的动作的演示，了解机器人的基本结构、控制方式等，加深对工业机器人及其适用的工作环境的了解，综合考虑选用

圆柱型坐标，此坐标的运动特点是各动作直观性强，占用空间小，相对工作范围大，也常用，而关节型、极坐标型机器人的运动直观性差，而直角坐标型占地面积大、工作范围小，灵活性差。

2.2.2驱动系统的类型选择

因为现有的实验设备中电机控制的优点，基本设想采用电机驱动，使用步进电机和伺服电机驱动。

整体结构布局的确定

在确定整体结构时，考虑到课题的基本要求，觉得采用模块式结构，各部位自成体系，组装方便，根据思想有图的个构想，臂部回转电机1通过减速机构驱动2回转，从而带动手臂回转，又臂部电机带动丝杠驱动4缩运动，5固定载上实现腕部的升降，7为控制腕不粉回转的位置传感器，8实现手爪的旋转，如图所示：

综合考虑此设计，可以认为该结构具有线条简洁明快，能使初学者较快的得其要领，理解工作原理，很适合于机器人教学的需要。

2.2.3各部位传动机构的确定

我们从底座开始，分别的一一考虑。

首先是臂部的回转，因为臂部的回转带动的部件多、惯性大，所以转速不能太高，考虑到用步进电机，要用减速机构，如选用齿轮传动，体积较大，不适合教学的要求，综合考虑采用蜗轮蜗杆传动比较合理，首先能实现较大的传动比；其次体积小，便于安装，其也有传动效率底的缺点，工作过程中有相当一部分的能量要转化成热，在工业生产中要装有散热的装置，由于本系统是为教学演示的，不需要长时间的工作，所以温升不大，不必安装散热装置。

臂部伸缩采用步进电机驱动丝杠螺母传动机构产生直线运动，由螺母带动臂部和腕部机构伸缩是，采用普通丝杠传动（主要考虑到价格）

腕部升降也采用丝杠传动，用步进电机驱动。

腕部回转要求重量轻、机构紧凑，故采用直流电机直接驱动，但要求转速低，故采用长时间工作在堵转状态下的直流力矩伺服电机，位置检测采用光电码盘。

手部回转也采用同样的电机驱动，其中各个部分实现连接简单，方便拆卸。

2.2.4外形尺寸和运动范围的确定

考虑到本系统的小型化的要求，可将外形尺寸及各部分的运动范围确定如下：

1、外形尺寸：

600×600×700范围内

2、臂部回转：

0～360°

3、臂部伸缩：

80mm

4、腕部升降：

70mm

5、腕部回转：

0～180°

6、手爪回转：

90°

7、手指开合：

±5～10°

8、抓重0.5Kg

运动速度、控制精度的确定

因为本系统是教学演示用的，为节约资金，对速度和精度要求较低。

2.2.5控制系统的确定

本系统采用89C51单片机控制，臂部伸缩、回转、腕部升降、手爪开合采用步进电机开环控制；腕部回转和手爪回转采用直流电机闭环控制，其中步进电机采用单电压恒流源驱动，，由单片机直接发出控制脉冲信号。

腕部的闭环控制采用直流力矩电机加装光电码盘实现，显示部分采用LCD液晶显示模块。

第3章结构设计及计算

本章将详细设计机器人系统的具体零部件，完成装配图和全部零部件图的设计工作，也将完成一些标准器件（如电机）的选型工作。

我们将按结构分块，分步进行设计，阅读本章是请参考总装图及零部件。

3.1手部夹持器的结构设计

3.1手部夹持器的结构设计

3.1.1概述

机器人的手部是最重要的部件。

从其功能和形态上看，分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。

目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。

工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工作或工具的部件，由于被握持工件的形状，尺寸，重量，材料及表面状态的不同，其手部结构也是多种多样的，大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按起我持原理的不同，常用的手部夹持器分为如下两类：

1.夹持式，包括内撑式和外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。

2.吸附式，包括气吸式和磁吸式等

3.1.2手部的结构和手指形状的确定

在本系统中，抓重为5N,手指开合5.10。

我们决定选择滑槽杠杆支点回转手部。

这种结构可通过各杆之间的角度或杆长，该变握力的大小及指间的开闭角。

其优点是结构简单，动作灵活，夹持范围大，这种手部的结构比较简单，工作原理清晰易懂，也是机器人较常用的结构，这些都合乎教学演示的要求，缺点是工件直径误差会引起夹持后工件的中心发生移动。

指端采用V块型式，也是机器人手指形状中较常用的形式，争取到手部能从腕部方便地装拆，以提高通用性。

下图是本系统的手部结构示意图，具体结构和零部件尺寸见图纸

图31手部结构简图

3.1.3手部驱动力的计算和电机的选择

我们先做手指工作时的简图，然后做力的分析

1.1.3.1握力计算

由初始设计可知，G=5N

则N=

×G

——方位系数，他与手指和工件的形状，以及手指夹持攻击的方位有关。

此处，按手指是水平放置，夹持垂直的工件，V型指端夹圆形棒料的情况考虑。

取

=

=

=2.764

其中θ——型手指半角，由结构设计可知tgθ=2.75故θ=70°

f—为其与工件的摩擦系数，取0.17

所以

N=K3×G=2.764×5=13.82（N）

图32滑槽杠杆式手部受力分析

1.1.3.2

上图是滑槽杠杆式手部结构及受力分析间图。

丝杆通过销轴的向上的拉力（驱动力）是P，作用与手指上的力，其方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2。

滑槽对销轴的反作用力为P1和P2。

且其延长线交A、B点，由于∠

OB和∠

OA为直角，故∠AOC=∠BOC=α。

根据轴销的力平衡条件得：

P1=P2；

P=2×P1×cosα

由手指的力矩平衡条件得：

h=N×b

因为

=P1，h=

所以，P=2bcos

α×N×

式中，a——手指的回转支点到对称中心距离

α——工件被夹持时，手指的滑槽方向与两回转支点线间的夹角，结构设计时取

a=25mm，b=35mm

α=arctg17/25=34.22°

所以，销轴或螺母所受力（驱动力的反作用力）

P=2bcos

α×N×

=26.461（N）

考虑工件在加工过程中产生的惯性力、震动及传力机构效率的影响，其实际的驱动力为：

Ps≥P×

其中：

K1——安全系数，一般取1.2——1.6，

K2——工作情况系数，且K2=1+a/g

A:

机构的加速度。

η——机械效率

Ps≥P×

=

=42.2（N）

1.1.3.3扭距计算

我们先来计算一下螺旋升角。

校核一下此丝杆，螺母机构是否满足自锁条件。

根据结构尺寸，丝杆的公称直径d=12mm

螺距t=2mm

螺纹头数n=1

所以，丝杆中径d2=d-0.5t=11mm

螺纹升角

λ=arctg

=arctg

=3.31°

螺纹的当量摩擦角

ρv=arctg

=rctg

=5.91°

其中：

f,是摩擦副间的摩擦系数取0.1

是螺纹牙形半角取15°

λ<ρv

所以，此丝杆螺母机构可安全自锁

下面来计算驱动力距

Tq=T1+T2+T3

其中T1—螺旋副摩擦力矩

T1=F×（d2/2）×tg（λ+ρv）（Nm）

F–螺旋副轴向载荷,N

D2—螺旋副中径，M

ρv——当量摩擦角

λ——螺旋升角

T2（T3）是端面摩擦力矩，此处不计

故Tq=T1=F×（d2/2）×tg（λ+ρv）

=42.2×（11/2）×tg（3.31°+5.91°）

=0.04N

1.1.3.4电机的选择

至此，根据上述计算，我们得出了丝杆上应具有的扭距，

据此，根据步进电机产品样本手册，选用45BF003型电机可以满足要求.

3.2腕部结构设计

3.2.1概述

腕部是臂部和手部的连接部件，其作用是在臂部运动的基础上，进一步改变或调整手部在空间上的位置和方向，从而增强手部的灵活性，扩大手部的工作范围。

腕部应具有独立的自由度，为使手臂能出于空间的任意方向，腕部应具有回转，上下俯仰和左右摆动三个自由度，多数情况下，工业机器人和机械手的腕部应具有一个或两个自由度，即回转或回转上下俯仰（左右摆动）

3.2.2腕部结构设计

本系统的腕部结构向其他机器人一样，也是整个结构中最复杂的一部分，将臂部的升降改在腕部实现，是为了整体结构小型化，同时增加腕部的灵活性。

具体结构参照总装图.

一、腕部设计计算

1、腕部转动时所需的驱动力矩

手腕的回转、上下和左右摆动，均是回转运动。

驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕启动所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支撑处的摩擦力距，动件与缸壁、端盖等处的摩擦阻力距，以及由于转动件的重心与转动轴线不重合时所产生的偏重力距。

而对于本系统来说，参与手腕转动的零部件很多，如果每一件都去校核的话，即太烦琐，也没有必要。

所以我们将整个回转部件分为4个部分。

1）转轴，包括与之相连的螺母、垫母、轴承内圈等。

2）手部电机，包括电机罩等。

3）手部换向变速箱，可将它视为65*65*70mm的一个重0.4mm的长方体。

4）手指工件，可将它看成是一个70*60*50的长方体，重0.8公斤，重心位置距回转轴线为65毫米，由此，手腕回转驱动力矩

Mq=Mg+Mm+Mf

其中：

Mg——惯性力矩。

Mp——参与转动的零部件的重量对转轴产生的偏重力矩。

Mm——手腕的转动轴与支撑处的摩擦力矩。

Mf——手腕密封装置处的摩擦阻力矩。

下面我们分别计算上述四个力矩。

（1）手腕启动时产生的惯性力矩，Mg

设手腕转动的角速度　ω=π/6/s

启动过程时间为△t=0.4s

则J1=1/2×M1R2

电机罩及电机可看作一个半径是50mm，重0.45公斤的圆柱体。

则J2=1/2×M1R2=1/2×0.45×（0..5/2）2

变速箱的转动惯量

J3=1/2M3（a2+b2）

=1/2×0.4×（0..652+0..652）

=1.69×10

kgcm2

手部机构的转动惯量

J4=1/2M4（a2+b2）+M4e2

=1/2×0.8×（0.072+0.0.62）+0.8×0.0652

=6.78×10

kgcm2

由此可知，

Mg=（J1+J2+J3+J4）×ω/△t

=（0.0000098+0.00014+0.00169+0.00678）×π/6/0.4

=0.0113（NM）

（2）摩擦力距，Mm

先估算两轴承部位所受