包含有 CAD 圖紙和三維建模及說明書 咨詢 Q401339828 包含有 CAD 圖紙和三維建模及說明書 咨詢 Q401339828 包含有 CAD 圖紙和三維建模及說明書 咨詢 Q401339828 包含有 CAD 圖紙和三維建模及說明書 咨詢 Q401339828 畢業(yè)設(shè)計報告 論文 報告 論文 題目 物料包裝線模型 碼垛推動機構(gòu)的設(shè)計 作者所在系部 作者所在專業(yè) 作者所在班級 作 者 姓 名 作 者 學(xué) 號 指導(dǎo)教師姓名 完 成 時 間 包含有 CAD 圖紙和三維建模及說明書 咨詢 Q401339828 畢業(yè)設(shè)計 論文 任務(wù)書 理工類 學(xué)生姓名 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 職 稱 完成時間 畢業(yè)設(shè)計 論文 題目 物料包裝線模型碼垛推動機構(gòu)的設(shè)計 縱向課題 理論研究 教師科研 課 題 橫向課題 應(yīng)用研究 教師自擬課題 應(yīng)用設(shè)計 題目來源 學(xué)生自擬課題 題目類型 其 他 注 請直 接在所屬 項目括號 內(nèi)打 總體設(shè)計要求及技術(shù)要點 根據(jù)碼垛機器人的末端執(zhí)行器工作的任務(wù) 設(shè)計一款碼垛機器人 并且給出該機 器人的三維模型 計算出該機器人的自由度 熟悉三維設(shè)計軟件能能更好的設(shè)計出來 機器人 1 分析國內(nèi)外現(xiàn)狀 設(shè)計一種碼垛機器人 2 選擇碼垛機器人中的各構(gòu)件的組成材料 選擇電機以及齒輪等參數(shù) 3 繪制碼垛機器人的裝配圖 工作環(huán)境及技術(shù)條件 聯(lián)網(wǎng)計算機一臺 solidworks 軟件 有關(guān)的技術(shù)手冊 工作內(nèi)容及最終成果 1 分析國內(nèi)外現(xiàn)狀 設(shè)計一種碼垛機器人 2 選擇碼垛機器人中的各構(gòu)件的組成材料 選擇電機以及齒輪等參數(shù) 3 繪制碼碼垛機器人的裝配圖 預(yù)期成果 提供一篇設(shè)計論文和給出該機器人的三維模型 包含有 CAD 圖紙和三維建模及說明書 咨詢 Q401339828 時間進度安排 第 1 2 周查閱資料和閱讀參考文獻 了解國內(nèi)外碼垛機器人的發(fā)展?fàn)顩r 了解碼 垛機器人的組成原理 同時完成開題報告 第 3 4 周總體方案確定 確定研究碼垛機器人的組成機構(gòu) 對模型進行總體方案 確定 第 5 12 周得到碼垛機器人的三維圖 第 13 14 撰寫畢業(yè)論文 第 15 周準(zhǔn)備答辯 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日 教研室主任意見 教研室主任簽字 年 月 日 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 原創(chuàng)性及知識產(chǎn)權(quán)聲明 本人鄭重聲明 所呈交的畢業(yè)設(shè)計 論文 物料包裝線模型碼垛推動機構(gòu)的設(shè)計 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下 獨立進行研究工作取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi) 容外 本設(shè)計 論文 不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果 對本 設(shè)計 論文 的研究做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 因本畢 業(yè)設(shè)計 論文 引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān) 本畢業(yè)設(shè)計 論文 成果歸北華航天工業(yè)學(xué)院所有 本人遵循北華航天工業(yè)學(xué)院有 關(guān)畢業(yè)設(shè)計 論文 的相關(guān)規(guī)定 提交畢業(yè)設(shè)計 論文 的印刷本和電子版本 本人同 意北華航天工業(yè)學(xué)院有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計 論文 的印刷本和電子版 并提供目錄檢索與 閱覽服務(wù) 可以采用影印 縮印 數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文 在不以營利為目的 的前提下 可以公布非涉密畢業(yè)設(shè)計 論文 的部分或全部內(nèi)容 特此聲明 畢業(yè)設(shè)計 論文 作者 指導(dǎo)教師 年 月 日 年 月 日 I II III 摘 要 碼垛機是根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和具體的工作環(huán)境要求對其進行設(shè)計的 它可代替人們繁 重勞動 從而提高了生產(chǎn)的效率 本論文主要是根據(jù)碼垛機器人的末端執(zhí)行器工作的任 務(wù)進行分析 設(shè)計出一款碼垛機器人 并且給出該機器人的三維模型 并計算出該機器 人的自由度和傳動比 根據(jù)碼垛機器人的相關(guān)數(shù)據(jù)選用合適的電機 齒輪和軸 并對相 應(yīng)承擔(dān)扭矩的齒輪和軸進行了校核 現(xiàn)在的碼垛機器人可用于代替人的繁重勞動以實現(xiàn) 生產(chǎn)的機械化和自動化 大部分的碼垛機器人都運用了堆疊法 堆疊法是一種強大的機 器學(xué)習(xí)技術(shù) 通過基于交叉驗證的元模型智能地結(jié)合其他方法的預(yù)測結(jié)果 關(guān)鍵詞 碼垛機 軸的扭矩 校核 IV Abstract The palletizing machine is designed according to its structural characteristics and specific working environment requirements which can replace people s heavy labor thus improving the efficiency of production In this paper we mainly analyze the task of the end effector of the palletizing robot design a palletizing robot and give the three dimensional model of the robot to calculate the freedom and transmission ratio of the robot According to the stacking robot Use the appropriate motor gear and shaft for the relevant data And the corresponding commitment to the torque of the gear and shaft were checked Stacking robots can replace people s heavy labor to achieve the mechanization and automation of production but also the use of the stack method stacking method is a powerful machine learning technology based on cross validation of the meta model intelligently combined with other methods of prediction results Keywords palletizing machine shaft torque checking 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 目 錄 摘要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 1 1 碼垛機的研究背景 1 1 2 碼垛機器人在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1 3 碼垛機器人的主要發(fā)展趨勢 3 1 4 本課題研究的主要內(nèi)容 4 第 2 章 碼垛機器人的概要設(shè)計 5 2 1 總體設(shè)計參數(shù) 5 2 2 設(shè)計原理 5 2 3 傳動設(shè)計 5 2 3 1 底座傳動 5 2 3 2 腰關(guān)節(jié)的傳動 6 2 3 3 上臂的傳動 6 2 3 4 夾持裝置的傳動 6 2 4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 第 3 章 傳動裝置的設(shè)計 8 3 1 液壓缸的選擇 8 3 2 確定所使用的電動機 10 3 3 關(guān)鍵軸的計算 11 3 3 1 計算關(guān)鍵軸的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩和輸入功率 11 3 3 2 確定關(guān)鍵軸的具體尺寸 12 3 4 齒輪參數(shù)的確定 15 3 4 1 壓力角 的選擇 16 3 4 2 模數(shù)和齒數(shù)的選擇 16 3 4 3 齒寬系數(shù) 的計算 16b 3 4 4 確定齒輪傳動的精度 16 3 4 5 齒輪的校核 17 第 4 章 總 結(jié) 20 致 謝 21 參考文獻 22 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 1 1 碼垛機的研究背景 碼垛作業(yè)因其工作方式單調(diào) 體力消耗較大 作業(yè)批量化等特點 為碼垛機機器人 的引用提供了充足的理由和絕佳的應(yīng)用場合 1 碼垛機是以機械 電子 仿生學(xué)和計算 機等多種先進學(xué)科技術(shù)為一體的現(xiàn)代化的高新技術(shù)產(chǎn)品 其中機電技術(shù)的日益成熟為工 業(yè)機器人技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了的動力 碼垛機采用 PLC 控制技術(shù) 變頻器技術(shù) 檢測元件和觸摸式人機界面等優(yōu)良控制技術(shù)與控制元件 實現(xiàn)全自動包裝碼垛機對包裝 控制單元的控制要求 2 它現(xiàn)在也作為衡量一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志之一 現(xiàn)在各行各業(yè)都廣泛采用了碼垛機 它不僅可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量與數(shù)量 而且 對于解決勞動力不足 提高勞動生產(chǎn)效率 節(jié)約原材料消耗 降低生產(chǎn)成本和工人勞動 強度 能極大的改善工人的工作環(huán)境等等 3 碼垛機與計算機 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣 碼垛機 的應(yīng)用不但改變著人類的生產(chǎn) 還改變著人類的生活方式 因此推動了許多傳統(tǒng)及新興 科技公司對碼垛機進行研制開發(fā) 至今 碼垛機已經(jīng)取得了巨大成就 并研發(fā)出許多高 性能的碼垛機 由于在各個領(lǐng)域中 人們的工作環(huán)境有時會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì) 甚至有可能會 危害到人們的生命安全 在這樣的情況下碼垛機誕生了 根據(jù)堆垛的形式 重疊式堆垛 縱橫交錯式堆垛和壓縫式堆垛等等 進行開發(fā) 不僅對提高碼垛機的物料搬運裝卸的效 率 而且還能有效節(jié)的節(jié)省存儲的空間 4 它對于保證產(chǎn)品完好 有著十分重要的意義 1 2 碼垛機器人在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 工業(yè)機器人技術(shù)在國外起步較早 最早在搬運行業(yè)中引入工業(yè)機器人的是日本和瑞 典 他們是在 1970 年左右引入的 首次將人類從繁重而枯燥的搬運工作中解放出來 它 是一個非常有發(fā)展前景的行業(yè) 就目前而言 世界各發(fā)達國家的機器人公司主要針對各 種載荷 運行空間和運行環(huán)境進行研制 5 在工業(yè)發(fā)達的國家 已相繼研制出半自動 全自動的碼垛機 后來也在結(jié)構(gòu)和機型方面進行了不斷作改進和完善 國產(chǎn)碼垛機至今 已經(jīng)研制了幾十年的時間 到目前為止 我國生產(chǎn)的碼垛機在性能 機型 品種規(guī)格和 產(chǎn)品質(zhì)量的方面 已經(jīng)有很大的進步 并在許多方面已逐漸接近到國外同類型的碼垛機 現(xiàn)在 基本上可以滿足大中型企業(yè)對產(chǎn)品包裝碼垛機的需求 碼垛機器人是一個有前景的行業(yè) 國外有許多有名的生產(chǎn)碼垛機器人的公司如 發(fā) 那科 FANUC 波士頓動力公司 Fuji KUKA 等 碼垛機器人是對其多方面進行研 究 如對機器人機構(gòu)設(shè)計的研究 運動學(xué)分析 控制系統(tǒng)的研究以及機器人智能化方面 的研究等 針對機器人本體結(jié)構(gòu)的研究 是更好的實現(xiàn)各自的功能 如有 Fuji 的平行 四邊形連桿機構(gòu) Motoman 的多節(jié)機器人等 20 世紀(jì) 80 年代 德國庫卡機器人公司在 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 中國發(fā)展出 KR180PA 和 KR50PA 兩個型號的碼垛機器人 其高剛度 高定位精度 基 于 Windows 界面設(shè)計的控制系統(tǒng)和低廉的使用和維護陳本代表了當(dāng)時機器人技術(shù)的先進 水平 6 經(jīng)過幾十多年的發(fā)展 碼垛機器人的應(yīng)用在制造業(yè)中的各個領(lǐng)域內(nèi) 尤其是在搬運的領(lǐng) 域中 碼垛機器人得到了廣泛的應(yīng)用 如在毛坯制造 沖壓 壓鑄 鍛造等 機械加工 中的焊接 熱處理 裝配 化工及倉庫堆垛等作業(yè)中 還有再物流行業(yè)和電子電氣行業(yè) 等等 人工作業(yè)已經(jīng)漸漸的被機器人代替 7 近年來 大量 機器人員工 已經(jīng)被引入到許多會對人體有害的領(lǐng)域 20 世紀(jì) 60 年代末以來 機器人開始逐步進入工業(yè)領(lǐng)域 從目前看 碼垛機器人的應(yīng)用領(lǐng)域正向電 子信息產(chǎn)業(yè) 橡膠和塑料行業(yè)和物流等領(lǐng)域延伸 中國 印度等國家作為機器人的新興 市場也出現(xiàn)顯著增長 其中出現(xiàn)在一線生產(chǎn)崗位的機器人操作更準(zhǔn)確 而且還降低了生 成本和工人的勞動強度 而且 我國的聚丙烯產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的 10 以上 而長期以來 國內(nèi)聚丙烯產(chǎn)品的包裝卻一直處于人工套袋的半自動包裝狀態(tài) 針對 PP 樹脂的特點 專門設(shè)計了全自動包裝碼垛生產(chǎn)線工藝流程 8 我國對工業(yè)碼垛機器人示教在現(xiàn)技術(shù)進行了研究與改進 提出了一種新的示教再現(xiàn) 方法 按照文中所述方法 任一貨物在碼放放過程中 其碼垛軌跡經(jīng)過的四個空間點只 有一點需要經(jīng)過示教獲得 其余三點均可通過文中提出的算法程序根據(jù)貨物參數(shù)獲得 所建立的示教再現(xiàn)方法原理簡單了 過程靈活精確 結(jié)果簡潔高效 能夠大大提高工業(yè) 碼垛機器人示教再現(xiàn)的效率 9 為了使碼垛機器人完成對不同類型和規(guī)格包裝件的碼垛作業(yè)要求 提出了一種新型 的碼垛機器人多功能末端執(zhí)行器的設(shè)計方案 10 該方案采用氣動驅(qū)動 通過夾持機構(gòu) 抓取機構(gòu)和吸附機構(gòu) 實現(xiàn)各類包裝件和托盤以及墊紙等的夾持 抓取 吸持等動作 11 碼垛機器人還可以將已裝入容器的紙箱 按一定排列碼放在托盤上 進行自動堆碼 可 堆碼多層 然后退出 便于叉車運至倉庫儲存 碼垛機采用 PLC 觸摸屏控制 實現(xiàn)智 能化操作管理 12 專家預(yù)計 未來碼垛機器人年均增速有可能會越來越快點 可能達到百分之三十左 右 用于搬運的移動機器人每年都會有一定的增幅 機器人將成為未來市場至關(guān)重要的 領(lǐng)域 為此世界各國都在搶占先機 希望可以贏在起跑線上 在 1990 年末 我國就已經(jīng)建立起 7 個科研基地和 9 個機器人產(chǎn)業(yè)化基地 它為我國 建設(shè)機器人產(chǎn)業(yè)化帶來了希望 也為我國機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 目前 我國已 基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù) 運動學(xué)仿真和某些典型工業(yè)機器人機構(gòu)分析 軟件方面取得了進步 現(xiàn)在我國已經(jīng)能生產(chǎn)具有國際先進水平的裝配機器人 水下機器 人 服務(wù)機器人 軍用機器人 搬運碼垛機器人等一系列產(chǎn)品 有些機器人已經(jīng)可以實 現(xiàn)了小批量生產(chǎn) 13 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 我國的沃迪機器人智能裝備事業(yè)部源于智能食品裝備發(fā)展趨勢的推動 專注于國產(chǎn) 工業(yè)搬運機器人的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化 事業(yè)部設(shè)有專門的機器人和工程技術(shù)應(yīng)用研究院 包 括機器人技術(shù)工程中心 實驗分析檢測中心 工程試制部等等 承擔(dān)著國家和市級多項 機器人新實驗室 規(guī)劃占地面積為 2000 平方米 具備恒溫和模擬各種各種使用環(huán)境的條 件 擁有完善的測試平臺和檢測設(shè)備 將用于對新型機器人的研發(fā)和驗證 14 其搬運機 器人設(shè)計年產(chǎn)大約為 2000 臺 目前已擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)的 并且是國內(nèi)最具規(guī)模的碼 垛機器人工業(yè)化生產(chǎn)企業(yè) 主要競爭對手為日本 德國及瑞典的國際行業(yè)巨頭 目前國內(nèi)一些科研 設(shè)計和生產(chǎn)單位 已擁有一批專門從事科研 設(shè)計和制造碼垛 機的技術(shù)隊伍 他們通過近 20 年的左右的摸索 研制和生產(chǎn)實踐已積累了較豐富的經(jīng)驗 現(xiàn)在已具備設(shè)計和研制出符合國情和先進水平的碼垛機所必需的條件 在現(xiàn)在日常生活中 我們也能看見機器人身影 如 掃機器人 又叫自動打掃機 憑借一定的人工智能 自動在房間內(nèi)完成對地板的清理工作 早教機器人 顧名思義它就 是專門為兒童早教促進孩子學(xué)習(xí)興趣的電子產(chǎn)品 對孩子的學(xué)習(xí)能力進行全方位的訓(xùn)練 等等 對于機器人來說 中國存在巨大潛的市場 15 由于國內(nèi)有許多汽車制造業(yè) 這為碼 垛機器人的裝配量將會快速增長提供著條件 1 3 碼垛機器人的主要發(fā)展趨勢 碼垛機器人各個生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實踐證明 它在提高生產(chǎn)自動化水平 提高勞動生 產(chǎn)率和降低了生產(chǎn)成本 改善工人勞動條件等方面的作用很大 引起了世界各國的關(guān)注 在新的世紀(jì) 工業(yè)機器人的使用一定會更加廣泛 王衛(wèi)明曾經(jīng)就此發(fā)言 使用機器人最多的是汽車行業(yè) 醫(yī)藥等行業(yè)的對機器人的需 求甚至要達到 100 以上 在 2013 年 機器人在全國的銷量大約為 16 8 萬臺 機器換 人 已經(jīng)是不可避免的了 在未來的 5 到 10 年機器人在中國市場將到達爆發(fā)期 曲道奎 認同這一觀點 作為國內(nèi)領(lǐng)先的機器人制造業(yè)新松機器人自動化股份有限公司的人 他 在會上不斷提醒企業(yè)要意識到該行業(yè)的殘酷性 16 他呼吁 中國應(yīng)在機器人這個高端產(chǎn) 業(yè)里避免處于產(chǎn)業(yè)鏈低端位置 在中國廉價勞動力優(yōu)勢逐漸被機器人所替代 機器換 人 已是大勢所趨 機器人產(chǎn)業(yè)就是誘人的 大蛋糕 中國各地都應(yīng)立即行動起來 機器人企業(yè)和產(chǎn)業(yè)園如雨后春筍層出不窮 積極投身這場 掘金戰(zhàn) 中 從世界各國在堆垛機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程可知 有三種不同的發(fā)展模式 日本模式 歐洲模式和美國模式 1 日本模式 此種模式的特點是 各司其職 分層面完成交鑰匙工程 即機器人制造廠商以開發(fā) 新型機器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為主要目標(biāo) 并由其子公司或社會上的工程公司來設(shè)計 制造各行業(yè)所需要的機器人成套系統(tǒng) 并完成交鑰匙工程 17 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 2 歐洲模式 此種模式的特點是 一攬子交鑰匙工程 即機器人的生產(chǎn)和用戶所需要的系統(tǒng)設(shè)計 制造 全部由機器人制造廠商自己完成 3 美國模式 此種模式的特點是 采購與成套設(shè)計相結(jié)合 美國國內(nèi)基本上不生產(chǎn)普通的堆垛機 器人 企業(yè)需要時機器人通常由工程公司進口 再自行設(shè)計 制造配套的外圍設(shè)備 完 成交鑰匙工程 我國從上世紀(jì) 80 年開始在高校和科研單位全面開展堆垛機器人的研究 近 20 年來 取得不少的科研成果 但是由于沒有和企業(yè)有機地進行聯(lián)合 至今仍未形成具有影響力 的產(chǎn)品和有規(guī)模的產(chǎn)業(yè) 18 目前國內(nèi)除了一家以組裝為主的中日合資的機器人公司外 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機器人尚停留在高校或科研單位組織的零星生產(chǎn) 未能形成氣候 19 近 10 年來 進口機器人的價格大幅度降低 對我國堆垛機器人的發(fā)展造成了一定的影響 特別是我國自行制造的普通堆垛機器人在價格上根本無法與之競爭 特別是我國在研制 機器人的初期 沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè) 使得國內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)的機器人過程中 只能依賴配套進口的零部件 更削弱了我國企業(yè)的價格競爭力 中國的機器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)走什么道路 如何建立自己的發(fā)展模式 確實值得探討 中國 工程院在 2003 年 12 月完成并公開的 我國制造業(yè)焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究總結(jié)報 告 中認為 我國應(yīng)從 美國模式 著手 在條件成熟后逐步向 日本模式 靠近 1 4 本課題研究的主要內(nèi)容 設(shè)計一種主要用于對物體的抓取的碼垛機器人 對機器人的機構(gòu)進行設(shè)計 畫出該 機器人的總裝配圖 給出該碼垛機器人的各種參數(shù) 然后對于主要部件進行強度校核 得到最優(yōu)的碼垛機器人 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 第 2 章 碼垛機器人的概要設(shè)計 2 1 總體設(shè)計參數(shù) 根據(jù)此次設(shè)計的機器人具體應(yīng)用場合和實際應(yīng)用要求 設(shè)計的主要參數(shù)要求如下 1 抓取的重物 15kg 2 機械手的自由度數(shù) 4 個 3 運動參數(shù) 底座旋轉(zhuǎn) 角速度 3 14 rads 支撐桿俯仰 線速度 0m 4 運動行程 底座旋轉(zhuǎn) 6 支撐桿俯仰 9 2 2 設(shè)計原理 本設(shè)計參照美國 ABC 公司某些型號的機器人設(shè)計靈感 結(jié)構(gòu)上運用了圓型好處在 于工作范圍較大 機器人的腰部和手腕都采用了液壓缸 液壓傳動調(diào)速方便且調(diào)速范圍比 較大 可達到 100 1 2000 1 2 3 傳動設(shè)計 2 3 1 底座傳動 底座是要驅(qū)動整個機構(gòu) 因此承受的質(zhì)量和慣量很大 所以因采用較大步進電機驅(qū) 動 驅(qū)動整個機構(gòu) 如圖 2 1 和圖 2 2 所示 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 圖 2 1 基底座傳動內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 2 2 底座傳動內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 電機安裝在基座上方 基座中是二個齒輪 用于提供較大的扭矩 基座是用鍵與大 齒輪固定 電機是通過螺釘與基座固定 大齒輪的轉(zhuǎn)動是通過電機輸出的扭矩產(chǎn)生的 底座基固定在地面上的 從而推動其他部分轉(zhuǎn)動 2 3 2 腰關(guān)節(jié)的傳動 支撐桿的運動就是腰關(guān)節(jié)的傳動 采用回轉(zhuǎn)軸使其與底部電機鏈接 其結(jié)構(gòu)如下圖 2 3 和圖 2 4 所示 圖 2 3 腰關(guān)節(jié)傳動內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 2 4 傳動軸 2 3 3 上臂的傳動 為了減輕整個機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量和重量 上桿不采用電動機 而采用液壓缸可以大大 提高機械手的精度 如圖 2 5 所示 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 圖 2 5 上臂的液壓缸 2 3 4 夾持裝置的傳動 夾持裝置采用液壓缸 通過改變流量和壓力來實現(xiàn)對機械手爪張合的控制 如圖 2 6 圖 2 6 夾持裝置 2 4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 用軟件 solidworks 畫出了碼垛機器人的三維圖如圖 2 7 所示 圖 2 7 總體結(jié)構(gòu)圖 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 第 3 章 傳動裝置的設(shè)計 整個機器人共有 4 個自有度 其中有三個是用液壓缸帶動的 整個機構(gòu)只用了一個 電機來推動整個機構(gòu)的轉(zhuǎn)動 3 1 液壓缸的選擇 1 連桿上的液壓缸 液壓缸輸入是液體的流量和壓力 輸出的是力和直線運動 液壓缸的結(jié)構(gòu)簡單 工 作可靠性好 被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個部門 液壓缸可廣泛的分為通用型結(jié)構(gòu)和專 用型結(jié)構(gòu) 這里選用的是通用型中的拉桿型液壓桿 因為其結(jié)構(gòu)簡單 拆裝簡便 零件 通用化程度較高 制造成本較低 液壓缸的設(shè)計計算于選取 總質(zhì)量 mI 210kg 單杠最大的升起的質(zhì)量 M mI 2 105kg 上升速度等于下降速度 v 0 1m s 液壓上升的最大負載 Fmax Mg 1 05kN 液壓缸的機械效率 0 95 液壓缸的工作壓力由表 3 1 可知 P 0 7MPa 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 表 3 1 不同負載條件下的工作壓力 負載 F KN 50 工作壓力 P MPa 0 8 1 1 5 2 2 5 3 3 4 4 5 5 由公式 D 3 1 pFmax Fmax 1 05kN p 0 7Mpa 0 95 解得 D 0 044837m 根據(jù)表 3 2 可知 圓整成標(biāo)準(zhǔn)值后 得液壓缸內(nèi)徑 D 50mm 表 3 2 液壓缸內(nèi)徑尺寸 D 系列 mm GB T2348 1993 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 450 500 缸筒壁厚和外徑計算 本設(shè)計的內(nèi)徑 D 為 50mm 查液壓設(shè)計手冊液壓缸的外徑 D1 為 60mm 缸壁的厚度 為 6mm 正規(guī)的方法選取液壓缸壁厚都能滿足其強度 活塞桿直徑的計算 活塞桿是液壓缸傳遞動力的主要零部件 他要承受拉力 壓力 彎力和震動沖擊等 多種作用 必須有足夠的強度和剛度 活塞桿直徑的計算 根據(jù)活塞桿受力狀況來確定 一般為受拉力作用時 d 0 3 0 5D 受壓力作用時 P 5MPa 時 0 5 0 55D d 5MPa P7MPa 0 7D 因為 P 0 8MPa D 0 04695m 故 0 02582m 根據(jù)表 3 3 可知活塞桿直徑 28mmd 表 3 3 活塞桿直徑系列 mm GB T2348 1993 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 2 夾持裝置上的液壓缸 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 液壓缸的設(shè)計計算于選取 總質(zhì)量 mI 40kg 單杠最大的升起的質(zhì)量 M mI 40kg 上升速度等于下降速度 v 0 1m s 液壓上升的最大負載 Fmax MgKN4 0 液壓缸的機械效率 0 95 液壓缸的工作壓力由表 3 1 可知 aP1 0 由公式 3 6 95 0 5 111max apKNF 解得 D 0 051774m 根據(jù)表 3 2 可知 圓整成標(biāo)準(zhǔn)值后 得液壓缸內(nèi)徑 D 60mm 缸筒壁厚和外徑計算 本設(shè)計的內(nèi)徑 D 為 60mm 查液壓設(shè)計手冊液壓缸的外徑 D1 為 76mm 缸壁的厚度 為 8mm 正規(guī)的方法選取液壓缸壁厚都能滿足其強度 活塞桿直徑的計算 活塞桿是液壓缸傳遞動力的主要零部件 他要承受拉力 壓力 彎力和震動沖擊等 多種作用 必須有足夠的強度和剛度 活塞桿直徑的計算 根據(jù)活塞桿受力狀況來確定 一般為受拉力作用時 d 0 3 0 5D 受壓力作用時 P 5MPa 時 0 5 0 55dD 5MPa P7MPa 0 7D 因為 P 0 1MPa 0 051774m 故 0 25887md 根據(jù)表 3 3 可知活塞桿直徑 28mmd 3 2 確定所使用的電動機 這里是通過求整個機構(gòu)的慣性量來確定所選用的電機 轉(zhuǎn)動慣量的公式如下 S 則剖面安全 其它軸用相同方法計算 結(jié)果都滿足要求 3 4 齒輪參數(shù)的確定 常用的齒輪材料是各種牌號的優(yōu)質(zhì)碳素鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 鑄鋼和鑄鐵等 一般多采 用鍛件或軋制鋼材 當(dāng)齒輪較大 例如直徑大于 400 600mm 而輪坯不易鍛造時 可采用 鑄鋼 所以根據(jù)所需性能要求 選擇材料為 45 鋼 經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理使硬度 HBS 可達到 229 286 3 4 1 壓力角 的選擇 由機械知識可知 增大 可以增大齒輪的齒厚以及節(jié)點處的齒廓曲率半徑 可以 提高齒輪的 和 此處 可取 20 s H 3 4 2 模數(shù)和齒數(shù)的選擇 對于齒輪的閉式齒輪傳動 齒面接觸疲勞強度決定著齒的接觸疲勞強度 而齒面的 接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的 和 的乘積有關(guān) 因此在滿足 的前提下 宜選擇較小的zmF 和較多的 這樣能使重合度增大 使傳動的平穩(wěn)性得到改善 還能齒高 是隨 的mz hm 減小而降低 從而能使金屬的切削量減小 滑動速度和磨損量減小 提高抗膠合能力 關(guān)鍵軸上的小齒輪的齒數(shù) 取20 大齒輪的齒數(shù) 取100 模數(shù)m 取4 z z 3 4 3 齒寬系數(shù) 的計算b 由強度公式可知 當(dāng) 一定時 齒輪直徑和齒輪圓周速度都將隨著齒寬的增大而減q 小 但是增大齒寬 將使分布在齒面上的 的不均勻性增大 關(guān)鍵軸上的齒輪在嚙合時q 所取的齒寬系數(shù) 為1 0 根據(jù)公式 計算結(jié)果應(yīng)是 5 的整數(shù)倍 作為大齒輪d db 的齒寬 小齒輪齒寬取 bII mm 從使加工和裝配過程中產(chǎn)生的誤差將得到 b 105 補償 3 4 4 確定齒輪傳動的精度 根據(jù) 1988 年的國標(biāo) 10095 中的規(guī)定 齒輪精度共有 12 級 并從 1 級到 12 級逐漸降 低 經(jīng)常從 6 9 級中選取 這里的齒輪選用的精度為 7 級 齒輪嚙合的幾何尺寸 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 17 名稱 公式 分度圓直徑 mzd401 mzd8024 齒頂高 ha 齒根高 5 2 cf 齒全高 fa95 齒頂圓直徑 da4082 hdaa82 齒根圓直徑 mhff 3 mff 70 基圓直徑 b 7cos b1 5cos 齒距 p561 齒厚 26 齒槽寬 me8 中心距 da402 頂隙 c15 3 4 5 齒輪的校核 齒輪所選定用的材料為45 鋼 在加工過程中對齒輪進行滲碳淬火后使其硬度達到 本次設(shè)計的齒輪的精度為7 級 齒輪表面的粗糙度為 并且這一62 5HRC 1 6aR 對的齒輪需要進行校核 齒數(shù)分別為 模數(shù)為 4 傳動比 扭矩21 0 z 5 i mNT 34 設(shè)計準(zhǔn)則 按齒面 設(shè)計 再按齒根 校核 s b b 按齒面 計算H 3 31 mdHSEdt ZuKT 51 93 212 式中 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 用來考慮節(jié)點齒廓形狀對接觸應(yīng)力的影響 取 HZ HZ 2 5 材料系數(shù) 單位為MPa 查表3 5 Z E 189 8 MPa E 重合度系數(shù) 取 0 90 齒寬系數(shù) 查表3 6取 1 d d u 齒數(shù)比 其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比 u 5 表3 5 彈性系數(shù) 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 鑄鋼 鍛鋼 加布膠木 鍛鋼 162 0 181 4 188 9 189 8 56 4 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 18 鑄鋼 161 4 180 5 188 0 球墨鑄鐵 156 6 173 9 灰鑄鐵 143 7 表3 6 齒寬系數(shù) d 吃面硬度 齒輪相對于軸承的位置 軟齒面 硬吃面 對稱布置 0 8 1 4 0 4 0 9 非對稱布置 0 2 1 2 0 3 0 6 懸臂布置 0 3 0 4 0 2 0 25 選擇材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為 1lim580HMPa 2lim560HMPa 選擇齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力為 1li23FF2li1 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 計算可得 mm 3 32 1607 51608nat 64 則 3 33 112 4Ni 103 2 查得接觸疲勞壽命系數(shù)為 12 9 87NZ 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為 NY 查得接觸疲勞安全系數(shù) 1 彎曲疲勞安全系數(shù) 1 5 又 為試驗齒輪minHSminFS STY 的應(yīng)力修正系數(shù) 按國家標(biāo)準(zhǔn)取2 0 試選 3tK 求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力 MPa 3 34 1limn580 92HNZS 3 35 2li1mn6 4H MPa 3 36 1li1Fn302 851 7 5STNY 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 19 3 37 2lim2Fn10 913 47 5STNYMPa 將有關(guān)值帶入公式 3 35 得 mdHSEdt ZuKT 3 673 212 則 3 38 1167 302 5 601tns 3 39 325 z 查圖得 查得 3vK A 查得 取 則17 1 3 40 2513 72 815HVK 修正 331 86 ttdm 1360dmz 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m 2mm 與前面選定的模數(shù)相同 所以m 2mm 符合要求 c 計算幾何尺寸 3 41 32501dmz 42dz 3 42 34 z 2 50 3am d 校核齒根彎曲疲勞強度 查得 取124 0 Y 8 FSFS 0 7Y 校核兩齒輪的彎曲強度 22 35MPA 1 3 43 mzKTFSd321 1F 3 44 6 212FSFMPaY 所以齒輪完全達到要求 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 20 第 4 章 總 結(jié) 碼垛機器人在工業(yè)領(lǐng)域中扮演著重要的角色 本次畢業(yè)設(shè)計的目的是設(shè)計一個四個 自由度的機器人 用于工廠中對貨物的搬運工作 說實話 剛接觸這個課題 有點抓不 著頭腦 不知從何入手 雖然在我們?nèi)ヂ尻枌嵙?xí)時見過實物 但真正要求自己設(shè)計一個 機器人 還是有一定難度的 后來意識到自己的不足 我去學(xué)校的圖書館 查閱了一些 資料 我發(fā)現(xiàn)圖書館關(guān)于這方面的資料確實不多 所以我就到網(wǎng)絡(luò)上找資料 發(fā)現(xiàn)這方 面的東西還真不少 看了幾天資料后 漸漸有點入門了 但有些地方還是不明白 例如 底座如何驅(qū)動腰關(guān)節(jié) 上桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等 我就跑去請教韓老師 在老師的細心指導(dǎo) 下 解決了很多困擾我已久的疑問 在真正動手畫圖之后 我發(fā)覺問題也沒有想象的那 么困難 每當(dāng)不懂的地方 我會去尋求老師和同學(xué)的幫助或者去網(wǎng)絡(luò)查找資料 克服困 難之后也是挺有成就感的 到了校核軸和齒輪的階段 記得以前在學(xué)習(xí)機械設(shè)計的時候 進行過一次減速箱的課程設(shè)計 里面也有軸和齒輪的校核 這次畢業(yè)設(shè)計剛好把學(xué)過的 知識用上了 由于時間有限 本次設(shè)計還存在的許多不足 還需要進一步提高 展望如下 1 本設(shè)計中的桿的設(shè)計還不夠精細 部分零件的結(jié)構(gòu)不夠合理 導(dǎo)致質(zhì)量偏大 轉(zhuǎn)動慣量偏大 因此也只能選擇功率比較大的電動機 可能會比較耗電 2 對于夾持裝置 根據(jù)以前學(xué)習(xí)到的知識 我采用了四桿機構(gòu) 在以后的設(shè)計中 可以設(shè)計成可以替換的具有通用性的手爪 這樣可以在搬運不同類型的工件時只需要更 換機械手的手指 從而拓展了機器人的應(yīng)用范圍 這是很重要的待改進的地方 3 各零件材料的選擇可以更多樣化 根據(jù)不同的性能要求 選擇合適的材料 甚 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 21 至于大膽選用一些新興材料 方向是質(zhì)量輕和強度高 因為機器人本身是一個高新產(chǎn)業(yè) 致 謝 隨著這 2 年大學(xué)生活的即將結(jié)束的腳步 本次畢業(yè)設(shè)計在導(dǎo)我的導(dǎo)師韓書葵老師的 幫助下也接近了尾聲 在我的認識中韓老師是一位治學(xué)嚴(yán)謹 學(xué)識豐富的老師 從開題 開始到論文結(jié)束給我許多指導(dǎo) 雖然韓老師工作繁忙 但她還是對我的倫文進行了多次 修改 這確實是一個艱苦的過程 也是我們對本專業(yè)進行系統(tǒng)學(xué)習(xí)的一次機會 更是一 個感恩和互助的過程 在倫文的完成過程中老師給予了我許多的幫助 在今后的學(xué)習(xí)工 作中 我將銘記恩師對我的教誨和鼓勵 盡自己最大的努力取得更好的成績 在此我要向我的指導(dǎo)老師表示由衷的感謝和深深的敬意 在兩年的大學(xué)學(xué)習(xí)期間 機械教研室的每位老師對我的學(xué)習(xí)和生活都給予了許多的 幫助和關(guān)心 使我在各個方面都得到了很大的提高 衷心感謝參加答辯和論文評閱的各位老師 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 22 參考文獻 1 李金泉 段冰蕾 南倩 TH50 型碼垛機器人動態(tài)靜力學(xué)分析 J 2011 504 508 2 姜永增 姚忠敏 張裕 全自動化肥包裝碼垛機包裝控制單元的設(shè)計 J 農(nóng)機化研究 2013 202 205 3 張曉莉 王幼華 林和榮 鋁錠碼垛機械手示教盒的設(shè)計 J 機械研究與應(yīng)用 2006 20 21 4 王明武 基于 PLC 的全自動鋁錠碼垛機設(shè)計 J 機床與液壓 2012 101 103 5 劉世奎 徐世許 王棟 李玉蘭 線纜卷繞機的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 J 機械制造與自動化 2011 121 123 6 姚猛 韓寶玲 羅慶生 孫樣溪 王斌 工業(yè)碼垛機器人機構(gòu)設(shè)計于運動學(xué)分析 J 2011 05 7 李成偉 朱秀麗 碼垛機器人機構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)研究 J 2008 12 8 王平 黃玉志 基于 PLC 控制的包裝碼垛生產(chǎn)線的設(shè)計 J 電子設(shè)計工程 2011 35 38 9 呂亭強 姚猛 羅慶生 工業(yè)碼垛機器人示教技術(shù)的研究于改進 J 2011 04 10 樊斌 紅外傳感器應(yīng)用時的自動零位跟蹤 J 傳感器技術(shù) 2001 22 23 11 李曉剛 劉晉浩 碼垛機器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 問題及對策 J 包裝工程 2011 96 102 12 朱學(xué)建 馬永 馮渝 曾繁莊 趙偉 直角坐標(biāo)機器人瓶坯裝箱生產(chǎn)線控制系統(tǒng) J 食品 與機械 2012 187 189 13 趙偉 梁楠 朱學(xué)建 熊艷華 基于鹽業(yè)成品箱的碼垛機設(shè)計 J 鹽業(yè)與化工 2013 31 33 14 王坤茜 基于人機工程學(xué)的數(shù)控機床控制面板設(shè)計 J 中國制造業(yè)信息化 學(xué)術(shù)版 2003 32 3 94 96 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 23 15 李剛 工業(yè)用碼垛機器人 J 現(xiàn)代制造 2005 24 40 41 16 QianLiao EdwinA Cowen The Information Contentofa Scalar Plume APlume Tracing Perspective J Environmental Fluid Mechanics 2002 1 2 17 LI Jin quan DING Hong sheng DUAN Bing lei NAN Qian FU Tie Dyamic Analysis and Structural Optimization of a Novel Palletizing Robot J 2010 3 113 115 18 Lau H C Chan T M Tsui W T An AI approach for optimizing multi pallet loading opperations J 2009 3 part 1 19 BLOSS Richard Palletizing Candy Orders and Never gquee zing the Chocolates J Assembly Automation 2010 30 32 35 20 PIRES J Norberto Handling Production Changes Online Example Using a Robotic Palletizing System for the Automobile Glass Industry J Assembly Automation 2004 24 254 263
本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文)
外 文 翻 譯
原 文 標(biāo) 題
Influence of construction mass distribution on the walking robot's gait stability
Synthesis
譯 文 標(biāo) 題
施工質(zhì)量分布對步行機器人步態(tài)穩(wěn)定性的影響
作者所在系別
機電工程學(xué)院
作者所在專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
作者所在班級
作 者 姓 名
作 者 學(xué) 號
指導(dǎo)教師姓名
指導(dǎo)教師職稱
完 成 時 間
譯文標(biāo)題
施工質(zhì)量分布對步行機器人步態(tài)穩(wěn)定性的影響
原文標(biāo)題
Influence of construction mass distribution on the walking robot's gait stability
作 者
H.W.Muller
譯 名
哈維穆勒
國 籍
美國
原文出處
Journal of Mechanism Design,1981,Vol.103.No.1-4
譯文：
摘要：本研究的目的是找出步行機的施工參數(shù)與其穩(wěn)定性之間的聯(lián)系。此外，本文展示了重要的質(zhì)量分布對于正確設(shè)計的步態(tài)生成算法。這項研究是基于在Matlab Simulink開發(fā)的六邊形雙壓電機器人的仿真模型。分析了機器人的腿和軀干之間的可變百分比質(zhì)量分布。
基于結(jié)果，我們可以得出結(jié)論，行走機器人的腿和軀干的重量之間的比例對大多數(shù)步行參數(shù)，如步幅長度和速度，穩(wěn)定姿勢的機器，控制方法和移動性有很大影響。 它對質(zhì)心位置也有巨大的影響，這是行走機器人的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題。 因此，在整個設(shè)計和編程過程中應(yīng)考慮步行機器人的質(zhì)量分布。
關(guān)鍵詞：六邊形雙壓機器人; 昆蟲; 質(zhì)量分布; 質(zhì)心; 步態(tài)穩(wěn)定性
1. 介紹
由身體的重量分布百分比限定的質(zhì)心位置影響所設(shè)計的機器的多個參數(shù)。 首先，它負責(zé)確保其在工作期間和靜止時的穩(wěn)定性。 它還對運動學(xué)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)具有主要影響，尤其包括運動中產(chǎn)生的慣性效應(yīng)。 這使得重量分布分析成為設(shè)計過程的重要部分，特別是在設(shè)計機器人，操縱器和處理設(shè)備時。
關(guān)于機器人的質(zhì)心位置的研究起源于人和動物的運動的生物力學(xué)分析。 這樣的生物模型可以成功地用于機器工程。 當(dāng)代機器人的主要部分基于上述生物模型。 其中最重要的群體是步行機器人，其移動類似于大多數(shù)動物使用步態(tài)循環(huán)組成的步驟[1]。
在當(dāng)前對質(zhì)心（c.o.m.）位置的研究中，重點在于確保機器人的靜態(tài)穩(wěn)定性。 當(dāng)c.o.m.時機器人被認為是靜態(tài)穩(wěn)定的。 投影落在支撐多邊形內(nèi)。 支撐多邊形由所有接觸點定義，在多支腿機器人的情況下是支撐階段中機器人腿的尖端[1-3]。 在雙腿（雙足）機器人的情況下，動態(tài)穩(wěn)定性是分析的因素，并且當(dāng)作用在質(zhì)心上的力矩在運動期間平衡時，機器人被認為是動態(tài)穩(wěn)定的。
在大多數(shù)研究中，作者考慮c.o.m. 相對于機器人姿勢的位置[4]。 在大多數(shù)情況下忽略由機器人設(shè)計限定的結(jié)構(gòu)特性的影響。 它主要被認為是關(guān)于雙足機器人的研究，其重量分布是身體平衡的關(guān)鍵問題[5]。 本研究的重點是重量分布對步行機的靜態(tài)穩(wěn)定性的影響，基于六邊形雙晶機器人。 第2節(jié)提供了分析設(shè)計的簡要描述，包括原型的重量百分比分布。 第3節(jié)描述了本研究中使用的研究方法，第4節(jié)給出了他們獲得的結(jié)果
2. 六邊形雙壓機器人
六邊形雙晶機器人可以從六到四腿構(gòu)型（或相反方向）變換，而不需要改變。 由此，機器人可以在崎嶇的地形中以相對高的速度移動，同時在站立和行走期間保持其操縱功能。 機器人主體（圖1）由三個主干段組成：前段KP，中間段KM和后段KT。 每個段配備有一對三連桿腿，命名為NL2，NP2，NL3，NP3（僅運動）和NP1和NL1（運動和操縱能力）。 作為一個特殊的特點，機器人配備了一個可擴展的重量，可以控制c.o.m. 運動期間的位置[6]。
圖 1.六邊形雙壓機器人示意圖，顯示了原型的重量分布百分比KP-前主干節(jié)段，KM-中間主干節(jié)段，KT-后主干節(jié)段，1P-單軸接頭，2P-雙軸接頭，WM-可擴展配重組件， NP1（NL1） - 右（左）前肢與操縱和運動功能，NP2（NL2） - 右（左）肢具有運動功能，NP3（NL3） - 右（左）后肢具有運動功能。
分析的行走機器人的原型組件的重量在表1中給出?？梢栽诖嘶A(chǔ)上計算總體重的百分比。 腿 - 軀干重量比為38.8％至61.2％。 軀干部分以及連接到它們的肢體的重量以總體重的百分比表示為24.4％/ 38.8％/ 36.8％（KP / KM / KT）
表1.六邊形雙壓機器人的段的重量
3. 研究方法
本文報告的研究是使用在軟件程序Matlab Simulink中開發(fā)的仿真模型進行的。 仿真模型是在六元四元雙機器人的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的，是先前研究的派生分析。 選擇來量化機器人的靜態(tài)穩(wěn)定性的參數(shù)是縱向穩(wěn)定裕度（LSM）。 它被定義為距離c.o.m的最小距離。 投影和支撐多邊形邊緣平行于機器的c.o.m速度矢量測量[7]。
在該研究下進行了兩個分析。 第一個是調(diào)查肢體的重量相對于機器人的總重量和機器人的靜態(tài)穩(wěn)定性之間的關(guān)系。 針對所分析的六邊形雙壓電機器人的三個選定姿勢檢查五個肢體重量比。 比率從30％到70％相差10％。 為了執(zhí)行分析的目的，必須假定身體段之間具有恒定的比率。 選擇最接近實際結(jié)構(gòu)的比率，前部分占總重量的20％，剩余重量在中間和后部分之間平均分配（每個40％）。 注意，在這些分析中，段的重量不包括附接到它們的肢體的重量。
第二項研究的目的是檢查機器人部分中幾個重量分布對其靜態(tài)穩(wěn)定性的影響。 選擇五個重量分布模式，質(zhì)心位于軀干前段（40％/ 30％/ 30％），雙軸關(guān)節(jié)（40％/ 40％/ 20％），軀干中段 （20％/ 40％/ 40％）和軀干后段（20％/ 30％/ 50％）上的平均值（30％/ 40％/ 30％）。 以與研究No.1相同的方式進行分析，即通過讀取用于相同的三個機器人姿勢和每個預(yù)定義的重量分布配置的模擬模型中的質(zhì)心位置，隨后確定 在站立階段的縱向穩(wěn)定裕度。 在這些分析中，假定所有模擬200克單腿重量包括肢體重量。 假定的體重為3000g。
考慮三種特征姿勢，如圖1所示。 姿勢No.1（圖2a）表示機器人在三腳架步態(tài)中行走，其中三個腿（NL1，NP2，NL3）處于向前擺動（轉(zhuǎn)移）階段，而其余的腿（NP1，NL2，NP3） 相。 在姿勢No.2（圖2b）中，失去靜態(tài)穩(wěn)定性的最大風(fēng)險。 在該姿勢中，右腿的后腿和中腿處于站立期，而其他腿處于搖擺階段。 在兩種姿勢中，六邊形雙態(tài)機器人處于六足（即主要）配置。 姿勢No.3表示其中機器人支撐在腿NP2，NP3和NL3上的替代配置（四路）。 在四通道結(jié)構(gòu)中，軀干的前段向上傾斜90度的角度。
圖2.表示六邊形雙壓機器人的分析姿態(tài)的象形圖：a）六足機配置中的三角架步態(tài)，b）六足機構(gòu)配置中的最低穩(wěn)定性情況，c）四足配置。
4. 研究結(jié)果
在站立階段期間肢體的重量相對于機器人的總重量和機器人的穩(wěn)定性之間的關(guān)系在圖1的圖表中呈現(xiàn)。從曲線可以看出，對于三腳架步態(tài)，肢體的重量相對于機器人的總重量的變化對LSM值幾乎沒有影響。軀干和四肢之間的平均重量分布提供了最大的穩(wěn)定性。對于姿勢2和姿勢3，LSM值隨著肢體相對于軀干重量的增加的重量而減小。它是一個或多或少的線性關(guān)系。姿勢2中的肢體的低重量將姿勢穩(wěn)定性的損失改變?yōu)闃O限穩(wěn)定性條件。因此，對于小肢體權(quán)重，廣義坐標(biāo)配置對c.o.m的變化幾乎沒有影響。位置。在姿勢編號3中提升軀干產(chǎn)生較高的LSM值。 65％的值被認為是肢體的極限重量，在該極限重量下機器人不能再在替代QUADRUPED配置中操作。
圖3.相對于機器人的總重量的肢體的重量對于三種不同姿勢的LSM值。
圖1中的條形圖。 下面的圖4表示六邊形雙晶機器人的段之間的重量分布對其靜態(tài)穩(wěn)定性的影響。 虛線表示穩(wěn)定性極限。 從圖中可以看出，在這種情況下，三腳架步態(tài)特征總是具有大的穩(wěn)定性余量。 對于剩余的姿勢，只有當(dāng)c.o.m. 位于單軸接頭或行李箱的后部。
對于完好的功能性，步行機器人應(yīng)當(dāng)能夠以四腿構(gòu)型操作，其要求主干段KP / KM / KT之間的設(shè)計比接近20％/ 40％/ 40％或20％/ 30％/ 50 ％。
圖4.軀干部分相對于機器人的總重量的重量與三種不同姿勢的LSM值的重量。
所分析的六邊形雙壓電機器人的靜態(tài)穩(wěn)定姿勢在圖6的圖中示出。 圖5和圖6。 點表示與地面接觸的腿的尖端的位置，并且圓圈表示轉(zhuǎn)移階段中的腿。 點坐標(biāo)是根據(jù)手足動物的正向運動學(xué)計算的。 質(zhì)心位置用十字標(biāo)記，并且其坐標(biāo)從仿真模型中計算出來。 這種表示方法使得能夠及時驗證靜態(tài)穩(wěn)定性。
圖5.相對于以六足配置（姿勢No.1）在三腳架步態(tài)中行走的機器人的支撐多邊形示出的質(zhì)心位置，軀干部分的重量比為20％/ 40％/ 40％。
圖。6.相對于機器人的支撐多邊形顯示的質(zhì)心位置為四足構(gòu)型（姿勢3），軀干部分的20％/ 30％/ 50％重量比。
5. 結(jié)論
該論文已經(jīng)證明重量分布配置對靜態(tài)穩(wěn)定性以及因此速度，步幅長度，機器人的控制方法和移動性的顯著影響。可以通過使用模擬模型對已經(jīng)在工程階段的步行機器人執(zhí)行這樣的分析。注意，盡管在常規(guī)六足機的情況下可以忽略重量的分布，但在六邊形雙壓電機器人的情況下它是最重要的。由于組件的重量設(shè)計不正確，機器人可能無法使用替代姿勢。在分析的六邊形雙晶機器人的原型的情況下，表示為相對于機器人的總重量的分量權(quán)重的權(quán)重分布接近于使用四極配置的關(guān)鍵值。通過驗證所選擇的配置，這是本研究的主題，我們只能定義可以找到有效重量分布的范圍。為了找到這個參數(shù)，將需要在預(yù)定范圍內(nèi)執(zhí)行更復(fù)雜的分析。因此，這種分析可以包括在滿足初步計算的作用的工程過程中，在下一步設(shè)計的結(jié)構(gòu)特征被定義之后，需要進行檢查檢查。
原文：
Abstract
The goal of this research is to find connections between construction parameters of walking machine and its stability. Further this paper shows how important mass distribution is for properly designed gait generation algorithms. This research was made based on the simulation model of a hexa-quad bimorphic robot developed in Matlab Simulink. The analyses were made for variable percent mass distribution between the legs and trunk of the robot.
Based on the results we can conclude that the ratio between the weight of legs and trunk of the walking robot has a great influence on most of the walking parameters like stride length and speed, stable postures of machine, method of control and mobility. It has also a huge influence on the centre-of-mass position, which is the key issue of static and dynamic stability of walking robots. Therefore, mass distribution of walking robots should be considered throughout the design and programming process.
Keywords: hexa-quad bimorphic robot; hexapod; mass distribution; centre of mass; gait stability;
1.Introduction
The centre-of-mass position defined by the percentage weight distribution of the body influences a number of parameters of the designed machine. First and foremost it is responsible for ensuring its stability both during work and when at rest. It has also a major effect on the kinematic and dynamic parameters, including, inter alia, inertial effects arising in motion. This makes the weight distribution analysis an important part of the design process,especially when designing robots, manipulators and handling equipment.
The studies on the robots' centre-of-mass position originate from biomechanical analyses of the movement of humans and animals. Such biological models can be successfully used in machine engineering. A major portion of contemporary robots are based on the above-mentioned biological models. The most important group among them are walking robots which move similarly to most animals using gait cycle consisting of steps [1].
In the current studies on the centre-of-mass (c.o.m.) position the focus is on ensuring static stability of the robot. A robot is considered statically stable when the c.o.m. projection falls within the support polygon. The support polygon is defined by all the contact points, which in the case of multi-legged robots are the tips of the robot legs in the support phase [1–3]. In the case of two-legged (biped) robots the dynamic stability is the analysed factor and the robot is considered dynamically stable when the moments acting on the centre of mass are balanced during motion.
In most studies the authors consider the c.o.m. position in relation to the robot's posture [4]. The effect of the structural characteristics defined by the robot design is ignored in most cases. It is considered primarily in the studies concerning biped robots for which the distribution of weight is the key issue for body balance [5]. The focus of this study is the influence of the weight distribution on the static stability of the walking machine on the basis of a hexa-quad bimorphic robot. Section 2 provides a brief description of the analysed design including the percentage weight distribution of the prototype. Section 3 describes the research methods used in this study and Section 4presents the results obtained with them.
2. Hexa-quad bimorphic robot
The hexa-quad bimorphic robot can transform from six- to four-legged configuration (or the other way round) without needing change over. Owing to this, the robot can move with a relatively high speed in rough terrain, while maintaining its manipulation functionality during standing and walking. The robot body (Fig. 1) is composed of three trunk segments: front segment KP, middle segment KM and rear segment KT. Each segment is equipped with a pair of three-link legs designated NL2, NP2, NL3, NP3 (locomotion only) and NP1 and NL1 (locomotion and manipulation capability). As a special feature the robot is equipped with an extendable weight enabling control of the c.o.m. position during locomotion [6].
Fig. 1. Schematic of hexa-quad bimorphic robot showing the prototype's percentage weight distribution KP – front trunk segment, KM – middle trunk segment, KT – rear trunk segment, 1P – single axis joint, 2P – biaxial joint, WM – extendable weight assembly, NP1(NL1) – right (left) front limb with manipulation and locomotion function, NP2(NL2) – right (left) limb with locomotion function,
NP3(NL3) – right (left) rear limb with locomotion function.
The weights of the prototype assemblies of the analysed walking robot are given in Table 1. The percentages of the total body weight can be calculated on this basis. The leg-to-trunk weight ratio ranges from 38.8% to 61.2%. The weights of the trunk segments together with the limbs attached to them expressed as a percentage of the total body weight are 24.4%/38.8%/36.8% (KP/KM/KT).
Table 1. Weights of the segments of hexa-quad bimorphic robot
3. Research methods
The research reported in this article was carried out using simulation model developed in the software program Matlab Simulink. The simulation model was developed on the basis of the mathematical model of hexa-quad bimorphic robot, derived analytically for previous studies. The parameter chosen to quantify the static stability of the robot was the longitudinal stability margin (LSM). It is defined as the smallest distance from the c.o.m. projection and the support polygon edge measured parallel to the c.o.m velocity vector of the machine [7].
Two analyses were carried out under the research. The first of them was to investigate the relationship between the weight of limbs relative to the total weight of the robot and the robot's static stability. Five limb-to-weight ratios were checked for three chosen postures of the analysed hexa-quad bimorphic robot. The ratios differed by 10% from 30% to 70%. For the purpose of carrying out the analyses it is necessary to assume a constant ratio between the body segments. The ratio closest to the actual construction was chosen with the front segment making up 20% of the total weight with the remaining weight split equally between the middle and rear segments (40% each). Note that in theseanalyses the weights of segments do not include the weights of limbs attached to them.
The objective of the second study was to examine the effect of a few weight distributions among the robot segments on its static stability. Five weight distribution patterns were chosen with the centre of mass positioned on the front segment of the trunk (40%/30%/30%), on biaxial joint (40%/40%/20%), on middle segment of the trunk (30%/40%/30%), on the single axis joint (20%/40%/40%) and on the rear segment of the trunk (20%/30%/50%). The analysis was carried out in the same way as in study No. 1, namely by reading the centre-of-mass position in the simulation model for the same three robot postures and each of the pre-defined weight distribution configurations followed by determination of the longitudinal stability margin during stance phase. In these analyses the limb weight was included assuming for all simulations 200 g weight of a single leg. The assumed body weight was 3000 g.
Three characteristic postures were considered, as presented in Fig. 2. Posture No. 1 (Fig. 2a) presents the robot walking in a tripod gait with three legs (NL1, NP2, NL3) in forward swing (transfer) phase and the remaining legs (NP1, NL2, NP3) in the stance phase. In Posture No. 2 (Fig. 2b) there is the greatest risk of losing static stability. In that posture the rear legs and the middle leg on the right-hand side are in the stance phase and the other legs are in the sway phase. In both postures the hexa-quad bimorphic robot is in hexapod (i.e. primary) configuration. Posture No. 3 represents the alternative configuration (quadruped) in which the robot is supported on legs NP2, NP3 and NL3. In the quadruped configuration the front segment of the trunk is tilted up by an angle of 90 degrees.
Fig. 2. Pictograms representing the analysed postures of hexa-quad bimorphic robot: a) tripod gait in hexapod configuration, b) the lowest stability situation in hexapod configuration, c) quadruped configuration.
4. Results of research
The relationship between the weight of limbs relative to the total weight of the robot and the robot's stability during the stance phase is presented in the graphs in Fig. 3. From the curves it can be seen that for the tripod gait a change in the weight of limbs relative to the total weight of the robot has little effect on the LSM value. Equal distribution of weight between the trunk and limbs offered the greatest stability. For Posture No. 2 and Posture No. 3 the LSM value decreases with the increasing weight of limbs in relation to the trunk weight. It is a more or less linear relationship. Low weight of limbs in Posture No. 2 changes the loss of postural stability to the limit stability condition. Hence, for small limb weights the generalized coordinates configuration has little effect on the change of c.o.m. position. Raising the trunk in Posture No. 3 produced higher LSM values. The value of 65% is considered the limit weight of limbs at which the robot can no longer operate in the alternative QUADRUPED configuration.
Fig. 3. Weight of limbs relative to the total weight of the robot vs. LSM value for three different postures.
The bar chart in Fig. 4 below represents the influence of the weight distribution between the segments of hexaquad bimorphic robot on its static stability. The dashed line represents the stability limit. As it can be figured out from the graph, also in this case the tripod gait features always a large stability margin. For the remaining postures stability can be achieved only when the c.o.m. is located on the single-axis joint or on the rear segment of the trunk.
For uncompromised functionality the walking robot should be able to operate in four-legged configuration which requires the design ratio between the trunk segments KP/KM/KT to be close to 20%/40%/40% or 20%/30%/50%.
Fig. 4. Weights of trunk segments relative to the total weight of the robot vs. LSM value for three different postures.
The statically-stable postures of the analysed hexa-quad bimorphic robot are illustrated in the graphs in Fig. 5 and Fig. 6. The dots represent the positions of the tips of legs in contact with the ground and the circles represent the legs in the transfer phase. The point co-ordinates were calculated on the basis of pedipulator forward kinematics. The centre-of-mass position is marked with a cross and its co-ordinates were figured out from the simulation model. This method of representation enables prompt verification of static stability.
Fig. 5. Centre-of-mass position shown against the support polygon of a robot walking in tripod gait in hexapod configuration (Posture No. 1),20%/40%/40% weight ratio of the trunk segments.
Fig. 6. Centre-of-mass position shown against the support polygon of a robot in quadruped configuration (Posture No. 3), 20%/30%/50% weightratio of the trunk segments.
5. Conclusions
The paper has demonstrated a significant influence of the weight distribution configuration on the static stability and, in consequence, also the speed, the stride length, the method of control and mobility of the robot. Such analyses can be carried out for walking robots already at the engineering stage by using simulation models. Note that while the distribution of weight can be ignored in the case of conventional hexapods it is of primary importance in the case of the hexa-quad bimorphic robots. With incorrectly designed weights of components it may be impossible for the robot to use the alternative posture. In the case of the analysed prototype of hexa-quad bimorphic robot the weight distribution expressed as the components weights relative to the total weight of the robot is close to the value critical for using the quadruped configuration. By verification of the chosen configurations, which was the subject of this research, we can only define the range in which effective weight distribution can be found. In order to find this parameter more complex analyses would need to be carried out in the pre-determined range. Therefore, such analyses can be included in process of engineering fulfilling the role of preliminary calculations, which need to be followed by check examinations after structural features have been defined in the next step of design.
指 導(dǎo) 教 師 評 語
外文翻譯成績：
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
注：1. 指導(dǎo)教師對譯文進行評閱時應(yīng)注意以下幾個方面：①翻譯的外文文獻與畢業(yè)設(shè)計（論文）的主題是否高度相關(guān)，并作為外文參考文獻列入畢業(yè)設(shè)計（論文）的參考文獻；②翻譯的外文文獻字數(shù)是否達到規(guī)定數(shù)量（3 000字以上）；③譯文語言是否準(zhǔn)確、通順、具有參考價值。
2. 外文原文應(yīng)以附件的方式置于譯文之后。
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