四自由度机器手设计.docx
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四自由度机器手设计
机电设计---四自由度机器人
一、绪论
1、背景
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.
本次课程设计所设计的机器人为四自由度机器人，为平面关节式，其轴线相互平行或垂直，能够在空间内进行定位。
教学机器人采用伺服电机驱动，主要传动部件采用可视化设计，控制简单，编程方便，是专为满足高等院校机电一体化、自动控制等专业进行机电及控制课程教学实验需要和相关工业机器人应用培训需要而最新开发的四自由度机器人，它是一个多输入多输出的动力学复杂系统，是进行控制系统设计的理想平台；它具有高度的能动性和灵活性，具有广阔的开阔空间，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。
2、需要设计内容
机器人采用平面关节式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节或移动关节串联连接，如图1-1所示。
各关节轴线相互平行或垂直。
连杆的一端装在固定的支座上（底座），另一端处于自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。
关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。
关节的传动采用模块化结构，由同步齿型带和谐波减速器等多种传动结构配合实现。
机器人各关节均采用伺服电机驱动，并通过Windows环境下的软件编程和运动控制卡实现对机器人的控制，使机器人能够在工作空间内任意位置精确定位。
机器人技术参数如表1-1所示。
表1-1机器人技术参数
机构形态
平面关节型
自由度
4
负载能力
5kg
动作范围
关节Ⅰ转动
-110°～+110°
关节Ⅱ转动
-90°～+90°
关节Ⅲ升降
0～150mm
关节Ⅳ转动
0°～360°
最大速度
关节Ⅰ转动
180o/s
关节Ⅱ转动
360o/s
关节Ⅲ升降
150mm/s
关节Ⅳ转动
360o/s
最大展开半径
400mm
高度
680mm
本体重量
48kg
安装环境
温度
0～+45℃
湿度
20～80％不结露
振动
0.5G以下
其它
避免易燃、腐蚀性气体、液体
勿溅水、油、粉尘等
勿接近电器噪声源
操作方式
示教再现／编程
电源容量
单相220V50Hz8A
3、研究意义
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:
可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用
二、总体方案设计
四自由度机器人设计部分主要包括机械系统设计，控制系统设计，气动夹持装置设计几个部分。
三、机械系统设计（以第三轴为例，其他轴同理设计）
机器人机械系统主要由以下几大部分组成：
原动部件、传动部件、执行部件。
基本机械结构连接方式为原动部件—传动部件—执行部件。
机器人的传动简图如图所示。
Ⅰ关节传动链主要由伺服电机、减速器构成。
Ⅱ关节传动链主要由伺服电机、同步带、减速器构成。
Ⅲ关节传动链主要由伺服电机、同步带、滚珠丝杠构成。
Ⅳ关节传动链主要由伺服电机、减速器构成。
在机器人末端还有一个气动的夹持器。
本机器人中，原动部件为伺服电机，本机器人中采用了同步齿型带传动、谐波减速传动、行星减速传动、滚动螺旋传动等传动方式。
执行部件采用了气动手爪机构，以完成抓取作业。
1.滚珠丝杆设计
已知最大工作载荷Fmax＝245N，丝杆工作长度250mm，平均转数1500r/min，使用寿命要在20000h左右，丝杆滚道硬度要求为58～62HRC，导程误差为20um/300mm，全行程为25um。
设计计算：
承载能力选择：
计算轴向最大动载荷
L=1500*20000*60/10^6=1800
Fmax：
最大工作载荷
L：
滚珠丝杆寿命系数（单位为1×106转），L＝60nT/106
fW：
载荷系数，有冲击和震动时1.5～2
fH：
硬度系数，硬度大于58HRC时为1.0fA：
fA：
精度系数，取2级精度时为1.0，
Ca：
丝杆的额定动载荷（N）
=5961N<=6800N
同时得到丝杆副的相关参数：
公称直径20mm；导程4mm；滚珠直径2.381mm；丝杆内径19.5mm计算螺旋角O=3o39
查阅相关设计或产品手册
选择规格：
FFC1D型2004-5ca=6800N
经校核符合设计要求，此滚轴丝杠安全。
联轴器选择
选择YL4型
2.带轮选择
Z在型带轮小带轮基准直径50mm
3.电机选型
大于转矩为24.5N.M<=25N.M
四、控制系统设计
机器人控制系统主要由计算机系统、电机驱动器及电机、传感器、电源、控制柜、控制电路等几部分组成。
计算机系统内安装有运动控制卡等硬件和机器人控制软件。
运动控制卡由高性能专用微处理器、大规模可编程器件及接口器件等组成，用于实现步进/伺服电机的位置、速度、加速度的控制及多个步进/伺服电机的多轴协调控制。
其主要功能为：
S形、梯形自动加减速速度曲线规划；输出控制脉冲到电机驱动器以使电机运动；能利用限位开关传感器实现高速高精度原点返回操作。
电机驱动器用来把运动控制卡提供的低功率的脉冲信号放大为能驱动电机的大功率电信号，以驱动电机带动负载旋转。
电源部分用来提供电机供电电源及各驱动器的控制用电源，包括相关保护、滤波器件等。
控制电路提供电气系统所需的电源开、关顺序操作及保护、报警、状态指示等控制操作。
、气动夹持装置设计（包括气路图
5.1夹持器设计的基本要求
（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）应保证工件在手指内的夹持精度；
（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；
（5）应考虑通用性和特殊要求。
设计参数及要求
（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧—放松；
（2）所要抓紧的工件直径为80mm放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s，1s抓紧,夹持速度（150mm/s）
（3）工件的材质为5kg，材质为45#钢；
（4）夹持器有足够的夹持力；
（5）夹持器由液压缸提供动力。
5.2夹持器结构设计
5.2.1夹紧装置设计.
5.2.1.1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：
2-1
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
k2=1+a/g=1+（1.5/1）/9.8=1.15，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
—被抓取工件的重量
求得夹紧力
，Fn=K1*K2*K3Mg=1.5*1.15*4*5*9.8=338，取整为338N。
5.2.1.2驱动力力计算
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Fc=（2*Fn*b*sin16）/c=338*2*86*sin16/34=471N，
得出
为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力f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：
f=F/
=471/0.88=536N
5.2.1.3液压缸驱动力计算
设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力：
式中
——活塞直径
——活塞杆直径
——驱动压力，
已知液压缸驱动力
，且f<536N<10KN
由于f<10KN，故选工作压力P=1MPa
据公式计算可得液压缸内径：
D=
=26mm
根据液压设计手册,见表2.1，圆整后取D=32mm。
表2.1液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
活塞杆直径d=0.5D=0.5×32mm=16mm
活塞厚B=（0.6～1.0）D取B=0.7d=0.7×32mm=22.4mm
缸筒长度L≤（20～30）D取L为150mm
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