物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 緒論1.1 課題概述1機(jī)器人是一種新型的自動(dòng)化操作裝置。它可以根據(jù)作業(yè)的不同要求，按照預(yù)先確定的程序搬運(yùn)物體，裝卸零件以及操持噴槍，焊把等工具去完成一定的作業(yè)。因此，它可在繁重、高溫，多粉塵的勞動(dòng)環(huán)境較差的場所工作。在化學(xué)工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已基本得到解決。可是在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)并不是連續(xù)的。專用機(jī)床是解決大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除了切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些加工作業(yè)的機(jī)械化與自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)。工業(yè)機(jī)器人是近代在自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并且已經(jīng)成為了現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的組成部分。機(jī)器人的迅速發(fā)展是基于它的積極作用正慢慢的被人們所認(rèn)識(shí)：第一、它能部分代替人工操作；第二、它能按照生產(chǎn)工藝的技術(shù)要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的輸送和裝卸；第三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配作業(yè)。從而能大大的改善工人的勞動(dòng)條件，顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化。因而機(jī)器人受到各個(gè)先進(jìn)的工業(yè)國家的重視，他們投入大量的人力和物力加以研究與應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性及污染的場合，應(yīng)用的更廣泛。在我國，近幾年也有較快的發(fā)展，并取得了一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)部門的重視。機(jī)器人一般分為三類。第一類是通用機(jī)器人，它不需要人工操作，也就是本文所研究的對象。它是一種完全獨(dú)立的、不附屬于某一個(gè)主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)需要來編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它除了具備普通機(jī)械所具有的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能，是一種三元機(jī)械。第二類稱為操作機(jī)（Manipulator），它需要人工的操作，操作機(jī)起源于原子、軍事工業(yè)，一開始都是是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)來操作機(jī)器人，可以進(jìn)行探測月球等工作。工業(yè)中采用的鍛造類操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，它主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床的上下料和工件的傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)進(jìn)行服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，它的工作程序一般是固定的，因此是專用的。機(jī)器人按照其結(jié)構(gòu)的不同又可以分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)非常緊湊，所占用的空間體積小，但其相對的工作空間卻是最大的，甚至能繞過基座四周的一些障礙物等特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。簡單的說，機(jī)器人就是用機(jī)器手代替人手，把物料從某一個(gè)地方移動(dòng)到指定的位置，或按照工作要求可以操縱工件進(jìn)行加工。要機(jī)器人可以像人一樣拿取東西，最基本的條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；能像肌肉那樣使手臂動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；能像大腦指揮手那樣進(jìn)行動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1.1 所示。機(jī)器人控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其他信息交換計(jì)算機(jī)單關(guān)節(jié)伺服控制器電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置基座部（固定或移動(dòng)）腕部臂部手部腰部圖1.1 機(jī)器人的一般組成2現(xiàn)代智能機(jī)器人與過去相比，還具有一定的智能系統(tǒng)，主要是增加了感覺裝置、視覺裝置和語言識(shí)別裝置等。目前機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，還有機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是相互獨(dú)立的，或者說并不只是簡簡單單的疊加在一起，就能構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)我們所期望機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必需存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1.2 所示?？刂葡到y(tǒng)（一）控制系統(tǒng)（二）驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作對象智能系統(tǒng)位形檢測圖1.2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系3機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成各種工作任務(wù)的實(shí)體，它通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，能按照控制系統(tǒng)的要求完成各種工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)包括了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)可將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)的力矩跟運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有一些文獻(xiàn)把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀4機(jī)器人最早是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出了第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)是：在機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有使用電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展速度最快、應(yīng)用范圍最廣的國家。自從1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)器人后，日本就一直大力從事機(jī)器人方面的研究。目前的工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要是依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，還不具備識(shí)別能力；改進(jìn)的方面主要是降低加工與維護(hù)成本和提高加工工件的精度。第二代機(jī)器人目前正在加緊研制。它擁有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，有視覺和觸覺能力，甚至聽跟想的能力。還要研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有初步感覺的機(jī)能。第三代機(jī)器人則能獨(dú)立地完成各種加工過程中的任務(wù)。它能與電子計(jì)算機(jī)跟電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。國際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問題?，F(xiàn)在，在加工工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為了突出主題。化學(xué)工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的工作環(huán)境。在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專用機(jī)器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。美國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：(1)1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年，萬能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。(2)1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動(dòng)線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。(3)1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動(dòng)線。麻省理工學(xué)院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機(jī)器人為藍(lán)本開始進(jìn)行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國的“Versatran”,川崎重工公司引進(jìn)“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980年開始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計(jì)劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢：(1)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；(2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合；(3)研制各種傳感器跟檢測元件，如觸覺、視覺、聽覺、味覺和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。33物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 物料搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)2.1 物料搬運(yùn)機(jī)器人的功能物料搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)具備以下功能:(1)移動(dòng):通過機(jī)器人的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)；(2)導(dǎo)航跟定位;能夠自主的按照預(yù)先設(shè)置的路線運(yùn)行，并獲得位置資料；(3)運(yùn)輸:能搬運(yùn)物料從A位置到B位置；(4)規(guī)劃路徑:在離線的狀態(tài)下，操作者要為機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中尋找無碰撞路徑；(5)避障(擴(kuò)展功能):機(jī)器人應(yīng)該具有一定的感受、適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力，尤其是要能檢測出明顯的障礙物，自動(dòng)調(diào)用避障策略；(6)無線通訊:有數(shù)據(jù)傳輸功能，有效距離1000米。2.2 傳感器系統(tǒng)13傳感器系統(tǒng)屬于機(jī)器人控制系統(tǒng)，是整個(gè)機(jī)器人的感覺器官，負(fù)責(zé)探測工作環(huán)境以及檢測機(jī)器人自身的運(yùn)動(dòng)。傳感器系統(tǒng)有能檢測機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的傳感器和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可擴(kuò)展功能所需的傳感器。下面主要介紹能實(shí)現(xiàn)各種基本作業(yè)的傳感器：(1)行進(jìn)距離檢測:編碼器，采用積分增量思想，具有較好的短期精度；(2)偏轉(zhuǎn)角度檢測:陀螺，測量旋轉(zhuǎn)角速度，無需外部參考，適于短時(shí)間的精確定位；(3)起點(diǎn)、終點(diǎn)擺放臺(tái)檢測:微動(dòng)開關(guān)，反饋是否接觸擺放臺(tái)側(cè)壁信息；(4)物料抓取檢測:微動(dòng)開關(guān)，檢測物料是否被有效抓起；(5)(可擴(kuò)展功能)突出的障礙物檢測:采用超聲波傳感器行進(jìn)路徑上有無障礙物；(6)(可擴(kuò)展功能)運(yùn)行環(huán)境白色引導(dǎo)線檢測:采用顏色傳感器識(shí)別白線信息，利用白線導(dǎo)航。2.3 移動(dòng)載體移動(dòng)載體能執(zhí)行輪式物料搬運(yùn)機(jī)器人的移動(dòng)功能。常見的移動(dòng)載體有輪式、履帶式和足式行走機(jī)構(gòu)，此外還有各種輪、履跟腿的混合式結(jié)構(gòu)。(1)輪式輪式移動(dòng)載體一直是平坦地面上運(yùn)動(dòng)的最有效的工具。它具有能高速穩(wěn)定移動(dòng)、能量利用效率高、機(jī)構(gòu)和控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是移動(dòng)場所限制在平面上，且一般情況下需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，因而造成靈活性下降。輪式移動(dòng)載體依據(jù)車輪的數(shù)量可分為 1輪、2輪、3輪、4輪及多輪機(jī)構(gòu)。單輪和雙輪主要是進(jìn)行直立穩(wěn)定移動(dòng)控制問題的基礎(chǔ)研究，而不著眼于移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用化問題。從高速移動(dòng)時(shí)加強(qiáng)穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，多數(shù)采用的是四輪機(jī)構(gòu)。五輪以上的機(jī)構(gòu)有較大的穩(wěn)定性，適合子臺(tái)階、階梯或三維彎曲路面等非平地狀態(tài)的移動(dòng)。全方位車輪機(jī)構(gòu)是目前常用的輪式機(jī)構(gòu)，具備全方位移動(dòng)功能，操作靈活，特別適合干窄小空間中的移動(dòng)作業(yè)。5按照所用輪子的類型和驅(qū)動(dòng)方式，輪式移動(dòng)載體可分為五大類，即(3,0), (2, 0), (2, 1), (1, 1)和(1, 2)，其中前面的數(shù)字表示移動(dòng)度(degree of mobility)，后面的數(shù)字表示轉(zhuǎn)向度(degree of steering)。輪式機(jī)器人在地面上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)受到非完整約束，這是由輪子的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)決定的，即輪子在地面上做無滑動(dòng)的純滾動(dòng)。盡管非完整系統(tǒng)類別與輪式平臺(tái)的類型有關(guān)，但所有輪式平臺(tái)都是非完整的。5(2)履帶式為了改善車輪對松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能力，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)被廣泛采用。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下特點(diǎn):支承面積大，接地比壓小，適于松軟和泥濘地面作業(yè)。機(jī)動(dòng)性好，爬坡、越溝等性能好。履帶不易打滑，牽引附著能力好。履帶運(yùn)動(dòng)方式在不平地面上的機(jī)動(dòng)性很差，轉(zhuǎn)彎不便，轉(zhuǎn)向時(shí)能耗較大。(3)足式足式行走機(jī)器人即所謂的步行機(jī)器人。步行機(jī)器人不僅能在平地上而且能在凹凸不平的地面上行走、跨越障礙、上下臺(tái)階，具有獨(dú)特的優(yōu)越性能。但是，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實(shí)現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。四足機(jī)器人普遍存在控制復(fù)雜和步行速度低、步幅小等缺點(diǎn)，實(shí)用化的成果則更少。顯然，本課題所研究的機(jī)器人主要在平面的環(huán)境中運(yùn)行，選用輪式移動(dòng)載體最為合理，即采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式，通過控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，使車體跟蹤不同的軌跡曲線。這種結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)向靈活，當(dāng)兩輪速度值相同，方向不同時(shí)，車體可以原地回轉(zhuǎn)。2.4 自由度與機(jī)器人的運(yùn)作物料搬運(yùn)機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)如下圖2.1所示，現(xiàn)在讓我們分析一下它的運(yùn)動(dòng)過程：它有四個(gè)自由度，底座的旋轉(zhuǎn)以及底座上部上下伸縮，手臂的前后伸縮和手部的夾緊與放松。最底部的輪子是用來使機(jī)器人能夠在有效的工作范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，以便能夠得到更大的工作空間，更有利于物料的搬運(yùn)。它的移動(dòng)主要是前后移動(dòng)，使機(jī)器人能將物料搬運(yùn)到更遠(yuǎn)的位置。A表示的是底座，主要是控制機(jī)器人上半部的旋轉(zhuǎn)，包括機(jī)械手，手臂，它是通過底座里的電機(jī)一旋轉(zhuǎn)，帶到1齒輪軸套，它與2主軸齒輪嚙合，進(jìn)而使主軸旋轉(zhuǎn)，在底座上方C里，通過齒輪傳動(dòng)3帶動(dòng)C腰部旋轉(zhuǎn)，C與B手臂已經(jīng)連接固定，使其帶動(dòng)C，手臂D，手部E同步旋轉(zhuǎn)。C中通過電機(jī)二聯(lián)接一個(gè)小齒輪4，與其內(nèi)部的長軸嚙合，當(dāng)電機(jī)二運(yùn)行時(shí)，通過4使長軸進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。手臂D中有電機(jī)三，當(dāng)電機(jī)三運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使其內(nèi)部的軸旋轉(zhuǎn)，然后通過絲杠傳動(dòng)原理，讓軸進(jìn)行左右伸縮，軸與手部連接，所以就使手部到達(dá)的左右伸縮的目的。手部里有電機(jī)四，它也是通過絲杠原理讓手部進(jìn)行夾緊與放松的動(dòng)作。移動(dòng)載體 D E1電機(jī)一電機(jī)二電機(jī)三電機(jī)四ABC234圖2.1 物料搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖2.5 控制方式的選擇本次設(shè)計(jì)物料搬運(yùn)機(jī)器人主要是進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)中物料的搬運(yùn)，是將工業(yè)生產(chǎn)的物料搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?？紤]到本次設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)的物料是在8KG以下，而且物料不是很復(fù)雜，精度不是很高，所以設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)器人采用四個(gè)自由度，分別是手臂隨著腰部的旋轉(zhuǎn)和上下伸縮進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，手臂的左右伸縮和手部的夾緊與放松。此四個(gè)自由度可以保證在工業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)⑽锪习徇\(yùn)到空間的各個(gè)位置上。物料搬運(yùn)機(jī)器人的四個(gè)自由度可以將夾取的物料搬運(yùn)到四周的位置上，但為了讓它的工作范圍擴(kuò)大，能夠減少機(jī)器人的投入量，所以我們將它固定在帶有輪子的機(jī)身上，從而實(shí)現(xiàn)其目的。物料搬運(yùn)機(jī)器人的工作過程如下：當(dāng)物料要求從物架上搬運(yùn)時(shí)，機(jī)器人通過手臂的伸縮和腰部的旋轉(zhuǎn)調(diào)整好位置，手部夾住物料。然后傳感器發(fā)出信號(hào)，通過機(jī)器人的底座旋轉(zhuǎn)，腰部伸縮，手臂伸縮將物料搬運(yùn)到指定的位置，手部松開，將物料放在指定的位置，再回到下一個(gè)物料的位置，這就完成了一個(gè)周期。根據(jù)物料搬運(yùn)機(jī)器人的工作過程的自動(dòng)化性質(zhì)，必須選取一個(gè)控制器來控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中我們可以采用PLC和單片機(jī)控制，由于我只參與物料搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制部分就不多介紹了。物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 手部的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 手部的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類：(1)夾鉗式取料手(2)吸附式取料手(3)專用操作器及轉(zhuǎn)換器(4)仿生多指靈巧手本文設(shè)計(jì)對象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖3.1所示圖3.1 機(jī)械手手指形狀3.2 驅(qū)動(dòng)方式5機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表3-16：表3-1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對照6內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率 很大，壓力范圍為50140Pa大，壓力范圍為4860Pa，最大可達(dá)Pa 較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)速度 很高較高 很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲無在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復(fù)雜機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：(1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；(2)反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；(3)驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?4)安全可靠；(5)操作和維護(hù)方便；(6)對環(huán)境無污染，噪聲要小；(7)經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積?；谏鲜鲵?qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。3.3 手部夾緊力的計(jì)算擬定物料搬運(yùn)機(jī)器人手部最大抓取重量為8kg，其夾角為31度。根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，最終采用如下的圖示結(jié)構(gòu)(圖3.2)：圖3.2 手部結(jié)構(gòu)簡圖手部機(jī)架采用鑄鋼鑄造，其摩擦系數(shù)，重力加速度取。夾緊時(shí)由力學(xué)關(guān)系可以得到公式：，從而得到夾緊力 (3.1)由公式，知所需的驅(qū)動(dòng)力 (3.2)夾緊機(jī)構(gòu)采用絲杠傳動(dòng)原理傳送夾緊力，擬定絲杠的大徑，螺距設(shè)為，牙型角為的梯形普通螺紋。3.4 彈簧的計(jì)算彈簧外形如下圖所示(圖3.3)現(xiàn)在通過計(jì)算來確定彈簧的旋繞比、最大工作負(fù)荷、工作極限負(fù)荷、最小工作負(fù)荷、彈簧要求剛度、總?cè)?shù)、有效圈數(shù)、單圈剛度等一系列有彈簧有關(guān)的數(shù)據(jù)來確定彈簧是否合格。圖3.3 手部彈簧選用材料碳素彈簧鋼絲彈簧材料的許用應(yīng)力及必須按照負(fù)荷性質(zhì)來確定。彈簧按負(fù)荷性質(zhì)分為三類：類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在此以上的彈簧;類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在次或沖擊負(fù)荷的彈簧;類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在次以下的彈簧。旋繞比C ；或查表11-1-67 (3.3)，由表11-1-6查得最大工作負(fù)荷，單位N， (3.4)工作極限負(fù)荷， (3.5)最小工作負(fù)荷 (3.6)彈簧要求剛度 (3.7)單圈剛度 (3.8)有效圈數(shù)， (3.9)總?cè)?(3.10)3.5 手部電機(jī)選擇原則3.5.1 一般執(zhí)行電機(jī)的選擇原則(1)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常從選擇執(zhí)行電機(jī)開始的，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件應(yīng)能方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)地、平滑地、可逆調(diào)速，對控制信號(hào)反應(yīng)快捷，才能保證整個(gè)系統(tǒng)帶動(dòng)被控對象按所需要的規(guī)律及控制精度運(yùn)動(dòng)。(2)考慮電機(jī)的種類及控制方式。可用作伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件的電機(jī)種類很多，從大的類別看：有直流伺服電動(dòng)機(jī)(他激的或水磁的)、直流無刷電機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)、滑差電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、交流伺服電機(jī)、各種步進(jìn)電機(jī)等等。由于它們調(diào)速方法不同、所需電源種類不同、驅(qū)動(dòng)它們運(yùn)轉(zhuǎn)的功率放大裝置更是多種多樣，因而它們的機(jī)械特性、調(diào)速特性、過載能力、驅(qū)動(dòng)功率的大小、以及構(gòu)成系統(tǒng)的總成本，都各不相同，需要認(rèn)真地具體分析比較來確定。直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均采用位置閉環(huán)控制，一船用于要求高精度、高速度的數(shù)控系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開環(huán)系統(tǒng)，一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的數(shù)控系統(tǒng)。永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)用于一般的直流伺服系統(tǒng)。無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)用于需要速動(dòng)作、功率較大的伺服系統(tǒng)。空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)用于需要快速動(dòng)作的伺服系統(tǒng)。印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)用于低速運(yùn)行和起動(dòng)、反轉(zhuǎn)頻繁的系統(tǒng)。同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)常用于位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)、機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)及其它機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)控制包括點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。常見的功率范圍是數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，個(gè)別的達(dá)到數(shù)十千瓦。而異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)主要用于需要以恒功率擴(kuò)展調(diào)速范圍的大功率調(diào)速系統(tǒng)中，如在數(shù)控機(jī)床中用作主軸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)常見的功率范圍是數(shù)干瓦以上。(3)通過定量的核算確定電機(jī)的具體型號(hào)與規(guī)格。選擇執(zhí)行電機(jī)不能只停留在確定電機(jī)的類別及其控制方式上，還必須確定具體型號(hào)與規(guī)格，需要作定量的核算。為此，要根據(jù)被控對象的運(yùn)動(dòng)形式(旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng))，運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，運(yùn)動(dòng)負(fù)載的性質(zhì)和具體數(shù)量，運(yùn)行工作體制(是長期連續(xù)運(yùn)行或短時(shí)運(yùn)行或間歇式運(yùn)行)，結(jié)合系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求，作定量的分析。(4)考慮被控對象工作的特點(diǎn)和環(huán)境條件。執(zhí)行電機(jī)是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分同時(shí)又靠它驅(qū)動(dòng)被控對象，因此它是伺服系統(tǒng)與被控對象相聯(lián)系的一個(gè)關(guān)鍵部件。執(zhí)行電機(jī)必須適應(yīng)被控對象工作的特點(diǎn)與環(huán)境條件，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸、安裝固定方式，必須與被控對象緊密配合，以求得總體的合理配置，便于安裝調(diào)整，便于使用維護(hù)。這些都關(guān)系到執(zhí)行電機(jī)的選擇。在伺服系統(tǒng)應(yīng)用的許多場合，要想改換別種類型的執(zhí)行電機(jī)，常會(huì)遇到機(jī)械結(jié)構(gòu)、體積重量、使用環(huán)境條件、電源配備等條件的限制(5)其它考慮因素。當(dāng)兩種電氣伺服系統(tǒng)都能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求時(shí)則產(chǎn)品的價(jià)格是關(guān)鍵因素。其它一些條件如貨源方便程度、維修與服務(wù)、技術(shù)成熟度、未來發(fā)展等都可能成為選擇何種電氣伺服系統(tǒng)的考慮因素。3.5.2 電機(jī)的選用夾持部分所用電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，下面是步進(jìn)電機(jī)的介紹：步進(jìn)電機(jī)的工作原理簡述：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)分類：步進(jìn)電機(jī)可以大概分為一下幾種：永磁式步進(jìn)電機(jī)：一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較??；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出；混合式步進(jìn)電機(jī)：是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)的電機(jī)，它又分為兩相和五相。這是目前應(yīng)用最廣泛的一種步進(jìn)電機(jī)。永磁式步進(jìn)電機(jī)工作原理簡述：永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)永久磁鐵電動(dòng)子, 卷繞并且磁性地導(dǎo)電性定子。 通電導(dǎo)線形成一個(gè)磁場， 定子磁場分布的改變， 定子在磁場的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)負(fù)載。上圖說明典型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作用原理：一個(gè)兩相繞阻。兩相繞阻中的A向通電產(chǎn)生磁場，磁場方向顯示如圖, 因?yàn)檗D(zhuǎn)子受定子磁極吸引由向A向繞阻轉(zhuǎn)動(dòng)。然后對B向繞阻通電，使轉(zhuǎn)子由A向繞阻向B向繞阻轉(zhuǎn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)子隨磁場方向轉(zhuǎn)動(dòng)。磁場轉(zhuǎn)到A向繞阻，轉(zhuǎn)子由B向繞阻向A向繞阻轉(zhuǎn)動(dòng)。重覆以上這個(gè)過程。每使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過90度，即步進(jìn)電機(jī)向前進(jìn)一步（一個(gè)步距角）。 步進(jìn)電機(jī)與其他類型電動(dòng)機(jī)的區(qū)別與聯(lián)系： 步進(jìn)電機(jī)與伺服電動(dòng)機(jī)同樣屬于執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，同樣是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械信號(hào)。其控制方式也基本相似，同樣是用脈沖串和方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。但在性能和應(yīng)用場合上存在較大差異： 控制精度不同： 步進(jìn)電機(jī)的控制精度由步距角決定，電機(jī)P（步進(jìn)電機(jī)相數(shù)）值受物理?xiàng)l件限制，而交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制精度則是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器保證，由脈沖當(dāng)量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度。 輸出力矩不同： 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩會(huì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，而交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出。 過載能力不同： 步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有過載能力，在選型時(shí)為了克服慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。運(yùn)行性能不同：步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。速度響應(yīng)性能不同： 步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM有的僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。 步進(jìn)電機(jī)與同步、異步電機(jī)的性能比較： 步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)屬于執(zhí)行電機(jī)，而同、異步電機(jī)均屬交流動(dòng)力電機(jī)，是靠50周交流電網(wǎng)供電而轉(zhuǎn)動(dòng)。異步電機(jī)是定子送入交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子受感應(yīng)而產(chǎn)生磁場。這樣兩磁場作用，使得轉(zhuǎn)子跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場而轉(zhuǎn)動(dòng)。其中轉(zhuǎn)子比定子旋轉(zhuǎn)磁場慢，有個(gè)轉(zhuǎn)差，不同步所以稱為異步機(jī)。而同步電機(jī)定子同異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子是人為加入直流電形成不變磁場，這樣轉(zhuǎn)子就跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場一起轉(zhuǎn)而同步，始稱同步電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的選用原則：步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是沒有積累誤差（精度為 100% ），所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 為了讓更多的用戶了解步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，選擇到最適合自己使用要求的步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，特將有關(guān)選型原則介紹如下：(1)首先確定步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩。最簡單的方法是在負(fù)載軸上加一杠桿，用彈簧秤拉動(dòng)杠桿，拉力乘以力臂長度既是負(fù)載力矩?；蛘吒鶕?jù)負(fù)載特性從理論上計(jì)算出來。由于步進(jìn)電機(jī)是控制類電機(jī)，所以目前常用步進(jìn)電機(jī)的最大力矩不超過 70Nm ，力矩越大，成本越高，如果您所選擇的電機(jī)力矩較大或超過此范圍，可以考慮加配減速裝置。(2)確定步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速指標(biāo)在步進(jìn)電機(jī)的選取時(shí)至關(guān)重要，步進(jìn)電機(jī)的特性是隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多參數(shù)有關(guān)，如 : 驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓、電機(jī)的相電流、電機(jī)的相電感、電機(jī)大小等等，一般的規(guī)律是：驅(qū)動(dòng)電壓越高，力矩下降越慢；電機(jī)的相電流越大，力矩下降越慢。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在 1500 轉(zhuǎn) / 分或 1000 轉(zhuǎn) / 分，當(dāng)然這樣說很不規(guī)范，可以參考矩 - 頻特性。 (3)根據(jù)負(fù)載最大力矩和最高轉(zhuǎn)速這兩個(gè)重要指標(biāo)，再參考矩 - 頻特性，就可以選擇出適合自己的步進(jìn)電機(jī)。如果您認(rèn)為自己選出的電機(jī)太大，可以考慮加配減速裝置，這樣可以節(jié)約成本，也可以使您的設(shè)計(jì)更靈活。要選擇好合適的減速比，要綜合考慮力矩和速度的關(guān)系，選擇出最佳方案。 (4)最后還要考慮留有一定的（如 30% ）力矩余量和轉(zhuǎn)速余量。 (5)盡量選擇混合式步進(jìn)電機(jī)，它的性能高于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 (6)盡量選取細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，且使驅(qū)動(dòng)器工作在細(xì)分狀態(tài)。 (7)選取時(shí)且勿走入只看電機(jī)力矩這一個(gè)指標(biāo)的誤區(qū)，也就是說并非電機(jī)的扭矩越大越好，要和速度指標(biāo)一起考慮。 (8)在轉(zhuǎn)速要求較高的情況下可以選擇驅(qū)動(dòng)電壓高一點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器。 (9)在選購時(shí)是采用兩相的還是三相的，這并沒有什么具體的要求，只要步距角能滿足使用要求就行。3.6 手部電機(jī)選擇夾緊機(jī)構(gòu)采用螺旋傳動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)力矩：7 (3.11)式中為螺紋摩擦力矩，且 (3.12)為螺旋傳動(dòng)的軸向載荷， 當(dāng)量摩擦角， 螺紋中徑（mm），螺旋線升角（）， ， 螺紋傳動(dòng)軸向支撐面磨擦力矩：因?yàn)橹蚊媸黔h(huán)形面支撐所以 (3.13)為軸向支撐面間的摩擦系數(shù)由資料查出，深溝球軸承=0.00150.0022 取=0.0015為螺旋傳動(dòng)徑向軸承摩擦力矩，因?yàn)闊o徑向支撐，所以此相為選用55BF003步進(jìn)電機(jī)，相數(shù)為3，額定電壓27V，靜態(tài)電流3A，步距角1.5/3，空載啟動(dòng)頻率PPS為1800，空載運(yùn)行頻率16000，外形尺寸：總長70mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。3.7 電機(jī)轉(zhuǎn)速與夾緊力速度幾何關(guān)系的確定因?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)中，物料的大小雖然形狀差異比較大，但整體的抓取范圍相差并不是很大，所以現(xiàn)在將手部爪子的最大張開寬度定為120mm，最小張開寬度設(shè)為70mm。絲杠螺距為p=2.5mm，爪子夾角為如果手爪夾緊時(shí)夾緊方向位移設(shè)為x，絲杠傳動(dòng)的水平位移為y，那么有。那么，若電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，絲杠向前傳動(dòng)一個(gè)螺距的話，即，那么例如：夾緊一個(gè)邊長為100mm的立方體物料，則所以電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為圈絲杠傳動(dòng)最大水平位移確定：設(shè)最大水平位移為A，則物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)4 手臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖4.1物料搬運(yùn)機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)簡圖通過圖示我們可以知道，當(dāng)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)手臂主軸旋轉(zhuǎn)，通過絲杠傳動(dòng)原理將手臂主軸上的傳動(dòng)軸帶動(dòng)，使其向前運(yùn)行，前端有手部聯(lián)接，所以就帶動(dòng)了手部前移，實(shí)現(xiàn)手部的伸，當(dāng)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，則向后移，實(shí)現(xiàn)手部的縮。4.2 手部質(zhì)量計(jì)算我們要計(jì)算出手臂的轉(zhuǎn)矩，但在計(jì)算它之前我們要求出它受力多少，所以我們要計(jì)算出手部的質(zhì)量，然后加上物料的質(zhì)量，來得出手臂的受力。我們同樣選擇鑄鋼作為手部機(jī)殼的材料來滿足設(shè)計(jì)要求。手部內(nèi)部各個(gè)零件的質(zhì)量粗略計(jì)算：深溝球軸承1000801：0.007KG深溝球軸承1000903：0.020KG爪子的質(zhì)量：圖4.2物料搬運(yùn)機(jī)器人爪子簡圖爪子采用鑄鋼 密度為 (4.1) 手部外殼質(zhì)量：手部主軸的質(zhì)量：電機(jī)質(zhì)量： 其余質(zhì)量估計(jì)值為 所以手部總質(zhì)量：加上物料最大搬運(yùn)質(zhì)量8kg總的質(zhì)量最后確定為27.1kg由于上述計(jì)算一少部分是概括計(jì)算，所以可能會(huì)造成計(jì)算質(zhì)量與實(shí)際質(zhì)量的少許偏差，但為了在計(jì)算結(jié)果滿足我們預(yù)訂的目標(biāo)，所以我們在概括計(jì)算的基礎(chǔ)上外加了上部分質(zhì)量來滿足我們忽略計(jì)算的部分，這樣就可以完成與實(shí)際質(zhì)量的誤差量減小，符合設(shè)計(jì)的要求。4.3 手臂計(jì)算及電機(jī)選擇手臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的和手部同樣的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)力矩：8 (4.2)式中為螺紋摩擦力矩，且 (4.3)為螺旋傳動(dòng)的軸向載荷， 當(dāng)量摩擦角， 螺紋中徑（mm），螺旋線升角（）， ， (4.4)螺紋傳動(dòng)軸向支撐面磨擦力矩：因?yàn)橹蚊媸黔h(huán)形面支撐所以 (4.5)為軸向支撐面間的摩擦系數(shù)由資料查出，深溝球軸承=0.00150.0022 取=0.0015為螺旋傳動(dòng)徑向軸承摩擦力矩，因?yàn)闊o徑向支撐，所以此相為選用75BF003步進(jìn)電機(jī)，相數(shù)為3，額定電壓30V，靜態(tài)電流4A，步距角1.5/3，空載啟動(dòng)頻率PPS為1250，空載運(yùn)行頻率1800，外形尺寸：總長75mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)5 腰身的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1 腰身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腰身的結(jié)構(gòu)如圖所示：圖5.1物料搬運(yùn)機(jī)器人腰身結(jié)構(gòu)簡圖從結(jié)構(gòu)簡圖我們可以了解其是怎樣運(yùn)行的，腰身的運(yùn)行過程如下，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)候，聯(lián)接在電機(jī)軸上的小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過豎直軸上的齒條嚙合，帶動(dòng)軸向上運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)了整個(gè)上部機(jī)器人的移動(dòng)，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候，則向下運(yùn)動(dòng)。5.2 腰身以上部分的重量計(jì)算通過資料我們可以知道要想知道轉(zhuǎn)矩我們必須知道一些數(shù)據(jù)，主要先估算出腰身上部的質(zhì)量，下面我們通過各個(gè)零件來估算其質(zhì)量。深溝球軸承 1000903：0.020kg深溝球軸承 1000905：0.050kg手臂外殼質(zhì)量：9其他質(zhì)量通過查詢和估算合計(jì)為所以總的質(zhì)量5.3 腰身計(jì)算及電機(jī)選擇通過上面的計(jì)算，我們已經(jīng)知道了所需要的部件質(zhì)量，現(xiàn)在把他們的質(zhì)量之和求出，然后計(jì)算。然后按照公式方法計(jì)算計(jì)算方法電機(jī)L(cm)R1(cm)R2(cm)m,Wm-質(zhì)量（kg）W-重量（N）-滾輪材料比重（kg/cm3）鋼鐵=7.8610-3（kg/cm3）鋁合金=2.6910-3（kg/cm3）（轉(zhuǎn)換：1kgf=9.8N）圖5.2 計(jì)算方法簡圖負(fù)載慣量： (5.1)負(fù)載力矩： (5.2)， 選擇電機(jī) 選用MT57STH56-3008A步進(jìn)電機(jī)，外形尺寸：總長56mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)6 底座的設(shè)計(jì)與計(jì)算6.1 底座機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示：圖6.1 物料搬運(yùn)機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)簡圖通過圖示我們可以了解其運(yùn)動(dòng)過程，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪的嚙合，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，然后通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。6.2 底座以上部分的重量計(jì)算腰身部分質(zhì)量的計(jì)算MT57STH56-3008A步進(jìn)電機(jī)： 深溝球軸承 1000903： 腰身外殼質(zhì)量：其余部分質(zhì)量之和為： 所以腰身總重量為： 通過以上我們可以計(jì)算出底座以上總重量為：6.3 底座電機(jī)選擇通過計(jì)算我們得到需要電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為選用90BF004步進(jìn)電機(jī)，相數(shù)為5，額定電壓60V，靜態(tài)電流7A，步距角0.75/1.5，空載啟動(dòng)頻率PPS為4000，空載運(yùn)行頻率16000，外形尺寸：總長118mm，外徑，軸徑，保持轉(zhuǎn)矩為,合適。物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)7 零件的校核7.1 手部主軸的校核計(jì)算手部主軸示意圖：圖7.1手部主軸簡圖 此軸的材料選用45鋼軸的強(qiáng)度校核 此軸所受的最大扭矩為 10 (7.1) (7.2) (7.3)水平面內(nèi):垂直面內(nèi):支反力: 水平面內(nèi) 彎矩: 垂直面內(nèi)彎矩:計(jì)算彎矩: (7.4)查機(jī)械設(shè)計(jì)教材對于脈動(dòng)變化的轉(zhuǎn)矩=0.6由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表17-2,查得45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理后,抗拉強(qiáng)度極限,彎曲疲勞強(qiáng)度極限,剪切疲勞極限,許用彎曲應(yīng)力 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算: 5 (7.5)軸的危險(xiǎn)截面在彎矩最大處和周徑最小處或彎矩較大和軸徑較小有鍵槽處,綜合分析此高速軸的危險(xiǎn)截面在計(jì)算彎矩最大處。 因?yàn)?所以手部主軸安全。圖7.2 主軸受力分析與彎矩圖7.2 齒輪的校核計(jì)算57.2.1 選擇齒輪材料、熱處理方法、精度及齒數(shù)由資料查詢，電機(jī)齒輪選用鋼，調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為，底座齒輪材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為。選擇齒輪精度等級(jí)為8級(jí)。選擇傳動(dòng)比為實(shí)際傳動(dòng)比 (7.6)傳動(dòng)誤差 (7.7)在允許誤差范圍內(nèi)電機(jī)齒輪和底座齒輪參數(shù)如下表7-2所示9：表7-2 齒輪參數(shù)表名稱符號(hào)電機(jī)齒輪底座齒輪分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高齒頂圓直徑齒根圓直徑齒距齒厚齒槽寬模數(shù)中心距齒隙 7.2.2 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算公式為： (7.8)電機(jī)齒輪的分度圓直徑： 電機(jī)齒輪的齒寬： 取計(jì)算圓周速度： (7.9)(1)計(jì)算由表11.29查得， 由圖11.39查得， 可由表11.39查得，但大小齒輪硬度不同，可取平均值，即 (7.10)由表11-39可以查得，由圖11.69可以查得所以確定，由公式，可以求得 (7.11)由公式，可以求得 (7.12)(2)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力按接觸面硬度平?jīng)Q硬度值（表11-49查得）電機(jī)齒輪的接觸疲勞極限，同理，查得底座齒輪的接觸疲勞極限 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (7.13) (7.14) 由圖11.99查得接觸疲勞壽命系數(shù)為 ，計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取安全系數(shù)，按式9可得 (7.15) ，故取(3)驗(yàn)算：9 (7.16) 安全7.2.3 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式 11 (7.17)(1)確定公式中的各數(shù)值由圖11.149可查得， 由圖11.159可查得，計(jì)算 (2)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力由圖11.189可查得， 由圖11.20d9可查得，計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取安全系數(shù) (7.18)(3)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 安全 安全物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)8 結(jié)論與展望8.1 結(jié)論科學(xué)技術(shù)在不斷地的進(jìn)步，人們對物質(zhì)生活的要求也越來越高，現(xiàn)代企業(yè)必須提高生產(chǎn)率以在相同的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，如果依舊如過去那樣全部采用人工生產(chǎn)必然會(huì)加大工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而工人們也希望從危險(xiǎn)、繁重和其它一些對身體有害的生產(chǎn)勞動(dòng)中解脫出來，因而在科技快速發(fā)展的今天，機(jī)械化、自動(dòng)化在生產(chǎn)生活中所起到的作用也越來越大而機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用也是順應(yīng)潮流。在企業(yè)生產(chǎn)加工時(shí)可以利用工業(yè)機(jī)器人來做一些單調(diào)乏味的簡單的重復(fù)性勞動(dòng)，比如，將物料從一個(gè)固定的位置搬運(yùn)到另一個(gè)固定的位置。這樣不僅能解放生產(chǎn)力，也能提高勞動(dòng)效率和工作質(zhì)量。有些危險(xiǎn)的場合，比如水下、存放危險(xiǎn)物品的地方，人們可以利用機(jī)器人來代替人進(jìn)行作業(yè)，這樣可以減少了工人的傷亡事故。例如，在水下鋪設(shè)電纜，排除可疑的危險(xiǎn)物品或清理化學(xué)毒劑等。因?yàn)槭褂霉I(yè)機(jī)器人可以節(jié)約生產(chǎn)的成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。這樣可以增強(qiáng)企業(yè)的全球競爭力；現(xiàn)在企業(yè)都在慢慢把危險(xiǎn)的和需要大量重復(fù)勞動(dòng)的工作從人工向機(jī)器人轉(zhuǎn)移。在本文中所設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)器人具有四個(gè)機(jī)械自由度，可以完成對一些小而輕的物料的抓取和搬運(yùn)工作，本文所介紹的主要是對該物料機(jī)器人進(jìn)行的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)。8.2 不足之處與未來展望因?yàn)闂l件有限，本設(shè)計(jì)在完成后無法進(jìn)行實(shí)際的組裝檢驗(yàn)。未來隨著科學(xué)技術(shù)的提高，機(jī)器人技術(shù)也會(huì)隨著高速發(fā)展，企業(yè)的機(jī)械化，自動(dòng)化程度也將大幅提高，機(jī)器人必定會(huì)成為主要?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)力。近幾十年來，機(jī)器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊，現(xiàn)在，機(jī)器人已被廣泛用于太空開發(fā)，深海探測等高危工作，軍事上機(jī)器人的應(yīng)用更是廣泛。毋庸置疑，未來機(jī)器人的發(fā)展方向?qū)⒊韵氯齻€(gè)方面：(1)與生活緊密結(jié)合，將來人們的生活服務(wù)將全由機(jī)器人來完成；(2)生物與機(jī)械的緊密結(jié)合，將來機(jī)械部件將廣泛用于手術(shù)用來代替人體損壞部份；(3)機(jī)器人將越來越人性化，以后一些簡單的工作將完全交由機(jī)器人處理。物料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)致 謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究與設(shè)計(jì)過程都是在朱啟兵導(dǎo)師的悉心關(guān)懷和直接指導(dǎo)下完成的。朱老師淵博的理論知識(shí)，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和求實(shí)的科學(xué)態(tài)度使我受益匪淺。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高了自己的動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力，為我日后機(jī)械設(shè)計(jì)這一領(lǐng)域的研究作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我收獲頗多，這與朱老師的悉心指導(dǎo)是分不開的。朱老師課程很忙，但是還是經(jīng)常抽時(shí)間來視察學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度，就畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題給予耐心指導(dǎo)，敦敦教誨，身體力行，實(shí)在令學(xué)生欽佩感動(dòng)不已！值此學(xué)業(yè)完成之際，謹(jǐn)向辛勤指導(dǎo)我的導(dǎo)師朱啟兵副教授致以最誠摯的感謝。另外還要感謝幫助過我的很多同學(xué)們，他們在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！參考文獻(xiàn)1 陸祥生，楊秀蓮.機(jī)械手一理論及應(yīng)用M.北京:中國鐵道出版社,1985：6-20.2 謝存禧,張鐵.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005：