毕业论文移动机器人机械臂结构设计文档格式.docx
- 文档编号:469928
- 上传时间:2023-04-29
- 格式:DOCX
- 页数:31
- 大小:206.82KB
毕业论文移动机器人机械臂结构设计文档格式.docx
《毕业论文移动机器人机械臂结构设计文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业论文移动机器人机械臂结构设计文档格式.docx(31页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
建立操作臂的动力学模型;
根据所建模型确定控制规律或策略,以达到预期的系统响应和性能。
讨论控制规律的分解和相应的控制方案[13]。
1.4目前主要存在的问题
工业机器人是计算机技术出现后发展起来的一种新型机械结构,工作效率和机动性比传统机械高很多[14]。
随之而来的是,机器人的结构设计在减少质量、提高刚度方面比传统机械结构有更高的要求。
在设计工作中,结构的最优化显得更为重要。
如今的机器人手臂存在几个急需解决的问题,首先是机械手臂工作状态下的稳定性。
军用机器人特别是防暴拆弹机器人是用来拆除炸弹,需要用机械臂夹起炸弹,运输到特定的防暴护具中进行引爆。
这就要求在夹起和运输过程中的平稳,稍许的震动也许就会是炸弹被引爆,造成不必要的损失。
其次是机械手臂的适应性[15]。
机械手臂是机器人的核心之一,机器人只有通过机械手臂才能发挥各种作用。
在很多场合,现场条件都很复杂,这就需要机械手臂有很好的适应性,能进入各种复杂的管道或者角落进行作业,或者对障碍物柔性避让。
这就对机械手臂的结构优化有了更大的要求[16]。
1.5我国机器人的发展战略
谈及我国的机器人发展战略,许多有识之士己发表了不少高见。
为了使我国机器人学有更大的发展,首先必须进一步发展对机器人的认识,取得正确和求实的共识。
对于具体的一些思路,则涉及在发展工业机器人的同时,注意开发特种机器人;
培养与发展国内机器人市场;
建立机器人产业集团,形成规模生产;
开展国际合作,打开国际市场,参与国际竞争;
合理选择主攻战略方向,开发有市场有知识产权的新技术;
更加重视基础研究,加大技术储备;
稳定和扩大研究队伍等。
21世纪已经到来,在新世纪里,中国机器人学必将在世界上占有一席之地,并可望发展成机器人大国。
1.6设计的主要内容和要求
全旋转关节小型机器人具有典型的工业机器人的运动特征。
唯有体型较小,可以放在桌面上,适宜于教学实验和作为自动化及控制技术的研究工具。
该课题在调研的基础上完成5自由度步进电机驱动,传动设计和结构设
计。
重点工作是电动机的选择和校核及其关键零部件的强度计算。
2传动系统的设计
2.1传动系统的方案设计
2.1.1各种传动方式的比较
(1)带传动:
带传动具有结果简单、传动平稳、 造价低廉、不需要润滑油及缓冲吸振等特点。
(2)链传动:
链传动具有平均传动比准确、传动效率高、尺寸较紧凑、能在恶劣的条件下工作,但其不能保持瞬间的传动比恒定,工作时有噪声、磨损后易发生跳齿,不适合用于空间,限制要求中心距小及急速反向传动的场合。
(3)齿轮传动:
齿轮传动能保证瞬间传动比的恒定,传动比范围大;
速度和传递的功率的范围大,可用于高速、中速和低速的传动;
但制造的成本比较的高,无过载的保护作用。
综合以上各特点:
因为本机器人用于科研、教学实验、握重3 kg,所以载荷较小,工作也比较的稳定,环境较好。
但要求传动准确,瞬间传动比准确
恒定,且要有较大的传动比。
故本机器人尺寸较小,结构要求紧凑,并且要求传动反应灵活、迅速、准确。
所以,综合考虑选用齿轮传动且多级齿轮传动,以获得较大的驱动力矩;
由于传动比大,也可提高传动精度。
2.1.2机器人轮廓图
图2.1 机器人轮廓图
图2.2 机器人三维图
2.1.3大臂部分的传动方式设计
图2.3 大臂传动结构
齿轮10固定于轴A,。
当齿轮9旋转时,同时齿轮10与A轴不动,则使得
B轴围绕着A轴产生转动。
这A轴为大臂与腰身连接的关节。
初选:
此系统的模数为:
1
Z5=18则d5=18mm;
Z6=99则d6=99mm;
Z7=18则d7=18mm;
Z8=109则d8=109mm;
Z9=18则d9=18mm;
Z10=109则d10=109mm;
步进电机初选:
45BF008;
2.1.4小臂部分的传动方式设计
方案一:
此方案仿大臂部分的传动方式的设计,步进电机安装在小臂上。
图2.4 小臂传动结构方案一
方案二:
这个方案的步进电机是安装在大臂上。
图2.5 小臂传动结构方案二
方案比较:
方案一中因为电机是要安装在小臂上,所以对于机器人来说的转动惯量是比较大的。
方案二因为电机是安装在大臂上,所以对于机器人来说其的转动惯量来说要比较的小,而且使得机器人的重心也比较低。
所以选择方案二:
图2.6 小臂传动结构
此系统模数为:
Z11=18则d11=18mm;
Z12=79则d12=79mm;
Z13=18则d13=18mm;
Z14=79则d14=79mm;
Z15=18则d15=18mm;
Z16=79则d16=79mm;
步进电机为45BF008
2.1.5手腕部分的传动方式设计
图2.7 手腕传动结构
分析:
(1)手腕的仰俯动作(即绕D轴旋转)如图2.8:
图2.8 手腕俯仰动作实行机构(D轴)
若齿轮1和齿轮2以相同的速度(大小和方向)旋转时,此时齿轮3被卡死,则迫使手腕绕着D轴旋转。
所以此时手腕实现了俯仰动作。
(2)手腕的旋转动作(即绕C轴旋转)如图2.9:
图2.9 手腕俯仰动作实行机构(C轴)
若齿轮1和齿轮2以相同大小但不同方向的速度旋转,此时齿轮3也旋转,即绕C轴旋转。
所以此时手腕实现了旋转动作。
1。
因为此系统的左右完全对称,所以我们就只要分析一边就可以了,即我们选择左边。
Z17=18则d17=18mm;
Z18=54 则d18=54mm;
Z19=18则d19=18mm;
Z20=65则d20=65mm;
Z21=18则d21=18mm;
Z22=18则d22=18mm;
注:
Z21,Z22位一对圆锥齿轮。
2.1.6手部夹持器的传动方式设计及其结构设计
(1)传动方式设计
图2.10 手部夹持器的传动结构
此系统模数为1
Z23=18则d23=18mm;
Z24=60则d24=60mm;
直流电动机选择为:
M08-832
(2)机构设计:
方案一:
图2.11单向传动方案
图2.12双向传动方案
因为要满足夹持的物体一直都在手臂的中心线上,所我们应该选择方案二。
2.2各个部分传动比的计算
(1)腰身部分:
由图2.2可知腰身部分采用二级圆柱齿轮,传动比为:
i=Z2´
Z4=120´
120=44.4
Z1 Z3 18 18
(2)大臂部分:
由图2.3可知大臂采用三级圆柱齿轮传动,传动比为:
2
i=Z6´
Z8´
Z10
=99´
109´
109=201.7
Z5 Z7 Z9
18 18 18
(3)小臂部分:
由图2.4可知小臂采用三级圆柱齿轮传动,传动比为:
3
i=Z12´
Z14´
Z16
=79´
79´
79=84.3
Z11 Z13 Z15
(4)手腕部分:
由图2.5可知手腕采用二级圆柱齿轮加上一级的圆锥齿轮传动,传动比为:
4
i=Z18´
Z20´
Z22
=54´
65´
18=10.84
Z17 Z19 Z21
注:
此传动比既是手腕俯仰运动的传动比也是手腕旋转运动的传动比。
(5)手部夹持器部分:
由图2.6可知因为手抓要求自锁,且开合速度不宜过快,所以采用螺旋传动,传动比:
5
i=Z24
Z23
=60=3.33
18
2.3传动系统总图
综合以上的计算和设计可以得到下面的传动系统总图:
图2.13 传动系统总图
3结构设计
由于本机器人多采用齿轮传动机构,而且要保证传动精度,所以齿轮消隙问题要做一定的考虑。
(1)由于大臂、小臂、手腕多处于伸展状态,因重力作用,齿轮的传动能较好保持单齿轮接触状态,传动稳定,不必另加消隙装置。
(2)立柱传动机构因无静力矩作用,而齿轮加工误差会使齿轮啮合不稳定,
啮合齿面变化,从而使立柱有一个较小角度的自由摆动,影响传动定位精度,要加以调整消除。
此处采用了一个偏心轴和一个偏心盘来来调节两对齿轮传动间隙。
可通过座体上端盖板口和底座下口调节。
(见机械总图)
(3)为使控制简化,将小臂板中心线与立柱中心轴线放在同一平面上,以保证手爪的中心线与立柱的中心线在同一平面内,控制,计算都比较的方便。
3.1零件的密度
根据《机械设计手册》查的材料密度如下:
45号钢
r=7.8~7.85g/cm3
取7.85g/cm3
酚醛层压板
r=1.3~1.45g/cm3
取1.4g/cm3
尼龙1010
r=1.04~1.06g/cm3
取1.05g/cm3
20号钢
铝板
r=2.7g/cm3
普通钢板
ZL102铸铝
镀锌铁板
r=7.3g/cm3
丁晴橡胶
r=0.93g/cm3
3.2零件重量列表
计算本零件重量忽略小孔及倒角、圆角,对螺栓作光杆处理,尺寸向较大方向选取。
表3.1零件重量表
零件序号
零件名称
质量(克)
夹持器手指
41.1
螺纹杆
240
齿轮24
53
外壳
124.5
销
13.5
6
外壳边
49.5
7
螺丝钉
2.22
8
2.31
9
卡环
0.74
10
套筒
0.885
11
齿轮23
21.6
12
直流电动机
195
13
外套
37.5
14
螺栓
97.5
15
螺母
1.17
16
齿轮22
25.2
17
轴
40.2
密封器件
7.35
19
齿轮21和20
154.5
20
21
齿轮18和19
22
3.12
23
31.5
24
7.5
25
26
步进电动机
330
27
齿轮17
10.5
28
小臂板
309.75
29
加强筋
46.5
30
186
31
32
齿轮16
321
33
4.76
34
35
36
37
齿轮15和14
271.5
38
39
3.45
40
1.56
41
42
齿轮13和12
257.4
43
44
45
46
47
大臂板
519
48
39.8
49
675
50
齿轮11
29.5
51
齿轮8和9
594
52
54
55
695.4
56
齿轮6和7
471
57
齿轮10
329.4
58
59
60
垫片
61
密封元件
62
1.8
63
64
齿轮5
29.55
大铝盖板:
39.4g;
小铝盖板:
24.9g;
直流电机M28-832:
130g;
步进电动机45BF008:
675g;
步进电动机36BF005:
330g;
3.3机器人受力大小分析
将各个零件作适当的简化集中到各轴线上,得到各点的受力图:
图3.1 机器人受力分析图(取所受力矩最大姿态)
F1=(3000+41.1´
2)´
9.8´
10-3=30205´
10-3N
F2=
(240+53+124.5+13.5+49.5´
2+2.22´
8+2.31´
3+0.74´
2+0.885+21.6+195)
´
10-3=7581´
F3=(37.5+97.5+1.17)´
10-3=1335´
F4=(25.2+40.2+2´
7.35+2´
154.5+2´
1.17)´
10-3=3836´
F5=(124.5´
2+3.12+31.5+7.5´
2+1.17´
10-3=2949´
F6=(2´
330+2´
10.5)´
10-3=6674´
F7=(2´
309+46.5)´
10-3=6512´
F8=(186+7.5+321+4.76´
2+7.5´
2+3+1.17´
10-3=5335´
F9=(271.5+31.5+3.45+1.56+1.17´
10-3=3041´
F10=(257.4+3+30+1.56+1.17´
10-3=2884´
F11=(519´
2+39.8)´
10-3=10562´
F12=(675+29.5)´
10-3=6904´
F13=(594+31.5+7.5´
10-3=6300´
F14=(695.4+471+329.4+15+7.5+18+1.8+7.5)´
10-3=15147´
F15=(675+29.55)´
10-3=6905´
3.4机器人轮廓基本尺寸的设计
要求:
总体尺寸为900mm左右
初步设计比例为:
1.2:
1:
0.5,则可得:
大臂:
小臂:
手爪:
l1=900´
l2=900´
l3=900´
1.2
1.2+1+0.5
0.5
=405 mm
=333 mm
=165 mm
根据机器人受力大小分析和机器人轮廓基本尺寸得设计可以得到机器人受
力分析图(如下页所示),取得为机器人所受力矩最大姿态
3.5静力矩计算
(1)大臂所受重力静力矩
T1=[3000´
903+750´
(405+333+97.5)+130´
(405+333+42)+380´
738+
300´
(738-62.3)+660´
(738-62.3-49.5)+650´
(405+150)+530´
405+300
(405-68.25-72.25´
2)+300´
(405-72.25´
2)+10000´
195+700´
(405-68.25-72.25´
2)
+640´
2)+630´
95.25-700´
83.25]´
10-6=71.18N×
m
(2)小臂所受重力静力矩:
T2=
[3000´
(333+165)+750´
(333+97.5)+130´
(333+42)+380´
333+300´
(333-62.3)+660´
(333-49.5-62.25)+650´
150]´
10-6=22.7N×
(3)手腕俯仰所受重力静力矩:
T=(130´
42+750´
97.5+3000´
165)´
10-6=5.621N×
(4)手腕回转所受重力静力矩:
T4=T3=5.621
N×
4伺服系统的设计和校核
4.1伺服系统的设计
本机器人伺服系统若采用直流伺服电机,则要配大降速比的谐波减速器,还要做闭环控制系统,要加传感器,反馈动作幅度。
而国内谐波减速器在工艺、材料、制造等方面还不够完善,使用效果不够好,且价格较贵;
外加反馈器件也要增加机器人的成本。
所以综合考虑不采用闭环系统,不用直流电动机,而用步进电动机。
步进电动机可通过控制脉冲数和脉冲时间来达到控制动作幅度和速度的目的。
开环控制比较的方便,且总体也便宜,动作精度也能达到所要求的标准。
因为立柱、小臂、大臂所需驱动力相对较大,所以采用45BF008步进电动
机,起最大的静转矩为1.96N×
m;
但因为手腕所受到的力矩较小些,所以采用36BF005步进电动机,起最大的静力矩为0.784N×
夹持器采用螺旋传动机构且无速度要求,因其降速比大,所以采用M28-832直流电机。
4.2机械传动效率概略值
(1)圆柱齿轮传动:
开式传动:
0.94~0.96 取0.96;
单级圆柱齿轮减速器(包括轴承):
0.97~0
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业论文 移动 机器人 机械 结构设计