喜歡這套資料就充值下載吧。資源目錄里展示的都可在線預(yù)覽哦。下載后都有，請放心下載，文件全都包含在內(nèi)，圖紙為CAD格式可編輯，有疑問咨詢QQ:414951605 或 1304139763p 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 目 錄 摘要Ⅰ AbstractⅡ 第1章 緒論1 1.1機器人的研究背景1 1.1.1 制造業(yè)的發(fā)展使機器人“被迫”由科幻走入現(xiàn)實1 1.1.2信息技術(shù)的發(fā)展為機器人的進一步發(fā)展提供了“高速軌道”1 1.1.3高危領(lǐng)域?qū)C器人技術(shù)飛躍提出客觀要求1 1.2 機器人的定義1 1.2.1 世界機器人的定義1 1.2.2 我國機器人的定義2 1.3 機器人的分類3 1.3.1按照機器人從低級到高級的發(fā)展程度分類 3 1.3.2按照機器人所完成的主要功能分類 3 1.3.3 按照機器人的開發(fā)內(nèi)容和目的分類4 1.3.4 按照應(yīng)用領(lǐng)域?qū)C器人進行分類4 1.4 機器人的發(fā)展概況4 1.4.1 機器人在國外的發(fā)展概況5 1.4.2 我國機器人的發(fā)展概況6 1.5 機器人的發(fā)展趨勢8 1.6 設(shè)計的主要內(nèi)容8 第2章 機器人結(jié)構(gòu)方案分10 2.1 機器人系統(tǒng)10 2.1.1 機器人系統(tǒng)的基本組成10 2.1.2 機器人結(jié)構(gòu)簡圖10 2.2 機器人的執(zhí)行機構(gòu)11 2.2.1 腰部結(jié)構(gòu)11 2.2.2 臂部結(jié)構(gòu)12 2.2.3 手腕結(jié)構(gòu)12 2.2.4 手部結(jié)構(gòu)13 2.3機器人的驅(qū)動機構(gòu)13 2.4 控制系統(tǒng)13 2.5 本章小結(jié)14 第三章 四自由度機器人整體及部件設(shè)計15 3.1 四自由度機器人性能要求15 3.2 電機的選擇15 3.2.1 負載功率的估算15 3.2.2 步進電機額定功率的計算16 3.3 同步帶傳動設(shè)計18 3.3.1 已知條件18 3.3.2 設(shè)計計算18 3.4 軸的確定及校核21 3.4.1 腰部軸的確定校核21 3.4.2 手腕軸的確定校核22 3.4.3 大臂聯(lián)接件的確定校核23 3.5 軸承的選用及計算24 3.5.1 手腕處軸承24 3.5.2 大臂聯(lián)接處軸承25 3.5.3 其它部位軸承的選擇25 3.6 四自由度機器人長度尺寸26 3.6.1 腰部總成高度尺寸26 3.6.2 大小臂長度尺寸26 3.7 本章小結(jié)26 第四章 四自由度機器人UG建模27 4.1四自由度機器人零件建模27 4.1.1四自由度機器人底座實體建模27 4.1.2四自由度機器人大臂零件實體建模30 4.1.3四自由度機器人腰部殼體實體建模35 4.1.4四自由度機器人小臂零件建模38 4.1.5死自由度機器人其他零件實體模型41 4.2 本章小結(jié)44 第五章 四自由度機器人實體模型裝配45 5.1 四自由度機器人腰部總成裝配45 5.2 四自由度機器人其他總成52 5.3 爆炸圖52 5.4 四自由度機器人UG建?？傃b配模型53 5.5 本章小結(jié)53 結(jié)論54 參考文獻55 致謝57 附錄58 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 第1章 緒 論 1.1 機器人研究背景 1.1.1 制造業(yè)的發(fā)展使機器人“被迫”由科幻走入現(xiàn)實 以自動化規(guī)模生產(chǎn)為標(biāo)志，世界范圍內(nèi)的制造業(yè)革命于20世紀(jì)50年代拉開帷幕。當(dāng)時生產(chǎn)自動化的概念幾乎是“用機器人代替人”的同義語。機器人就是為適應(yīng)當(dāng)時制造規(guī)?；a(chǎn)的需要而誕生的，其最早應(yīng)用于汽車業(yè)，在解決單調(diào)、繁重、重復(fù)的體力勞動和提高產(chǎn)品質(zhì)量上，發(fā)揮了巨大的作用。 1.1.2 信息技術(shù)的發(fā)展為機器人的進一步發(fā)展提供了“高速軌道” 機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，集成了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)前科技研究的熱點方向。隨著計算機、微電子、信息技術(shù)的快速進步，機器人技術(shù)的開發(fā)速度越來越快，智能度越來越高。 1.1.3 高危領(lǐng)域?qū)C器人技術(shù)飛躍提出客觀要求 由于軍事、空間技術(shù)、核廢料處理以及水下探險等，人類難以介入的高危領(lǐng)域發(fā)展的迫切需要，引起了各國政府對機器人研究的重視，同時也激發(fā)了各國科學(xué)家們的研究熱情[1]。 1.2 機器人的定義 1.2.1 世界機器人的定義 “機器人“是存在于多種語言和文字的新造詞，它體現(xiàn)了人類長期以來的一種愿望，即創(chuàng)造出一種像人一樣的機器或人造人，以便能夠代替人去進行各種工作。 盡管直到三十多年前，“機器人”才作為專有名詞加以引用，然而機器人的概念在人類的想象中卻以存在三千多年了。早在我國西周時代（公元前1066—公元前771年），就流傳有關(guān)巧匠偃師獻給周穆王一個歌舞機器人的故事。我國東漢時期（25—220年），張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機器人雛形。作為第一批自動化動物之一的能夠飛翔的木鳥是在公元前400年至350年間制成的。公元前3世紀(jì)，古希臘發(fā)明家戴達羅斯用青銅為克里特島國王邁若斯塑造了一個守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。在公元前2世紀(jì)出現(xiàn)的書籍中，描寫過一個具有類似機器人角色的機械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進行舞蹈和列隊表演。人類歷史進入近代史之后，出現(xiàn)了第一次工業(yè)革命和科學(xué)革命。隨著各種自動機器、動力機械的問世，制造機器人開始由夢想轉(zhuǎn)入現(xiàn)實，許多機械式控制的機器人，主要是各種精巧的機器人玩具和工藝品應(yīng)用而生。 進入20世紀(jì)后，機器人已躁動于人類社會和經(jīng)濟的母胎之中，人們含有幾分不安的期待著它的誕生。他們不知道即將問世的機器人將是個寵兒，還是個怪物。1920年，捷克劇作家卡雷爾?查培克（Karel Capek）在他的幻想情節(jié)劇《路薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“robot”這個詞。在劇中，他把機器人描述成與人相似但能不知疲倦地工作的機器，最終機器人背叛它們的創(chuàng)造者而消滅了人類。各國對機器人的譯法，幾乎都從斯洛伐克語“robota”音譯為“羅伯特”，只有中國譯為“機器人”。1950年，美國著名科學(xué)幻想小說家阿西莫夫在他的小說《我是機器人》中，提出了有名的“機器人三守則”： （1）機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受害而袖手旁觀； （2）機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類； （3）機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類令它做出犧牲。 這三條守則，給機器人社會賦以新的倫理性，并使機器人概念通俗化，更易于為人類社會所接受。至今，它仍為機器人研究人員、設(shè)計制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導(dǎo)方針。 而現(xiàn)實世界里，機器人在國際學(xué)術(shù)界至今也沒有做出統(tǒng)一的、公認的、文字嚴(yán)格的定義。不同的專家往往給以各有側(cè)重的說法，不同的國家也往往沿用各自習(xí)慣的解釋。 機器人的定義處在不斷的發(fā)展變化之中。美國機器人協(xié)會（RIA）認為，機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能機械手（Manipulator）日本機器人協(xié)會（JIRA）認為工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（End Effector）能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）給出的定義是，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可變程序造作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務(wù)。 1.2.2 我國機器人的定義 關(guān)于我國機器人的定義。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，我國也面臨討論和制定關(guān)于機器人技術(shù)的各項標(biāo)準(zhǔn)問題，其中包括對機器人的定義。蔣新松院士曾建議吧機器人定義為“一種幾人功能的機械電子裝置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我們參考各國的定義，結(jié)合我國情況，對機器人做出統(tǒng)一的定義： 我們認為機器人是一種能自動控制、可重復(fù)編程、多功能，可以代替人完成特定任務(wù)的一種自動化機電裝置[2]。 由此可見對于“機器人”的定義是仁者見仁，智者見智，但被國際普遍接受的是由美國“機器人工業(yè)協(xié)會”（RIA）的一批科學(xué)家于1979年提出的定義：機器人是一種可改編程序的多功能操作機構(gòu)、用以按照預(yù)先編制的能完成多種作業(yè)的動作程序運送材料、零件、工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備。 1.3 機器人的分類 隨著計算機技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，極大的促進了機器人研究水平的提高?？茖W(xué)家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機器人設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)和外形，以便讓他們在特殊條件下出色的完成任務(wù)。但對于龐大的機器人家族，目前尚未有統(tǒng)一的分類方法，常從以下幾個方面進行分類： 1.3.1 按照機器人從低級到高級的發(fā)展程度分類 （1）第一代機器人（20世紀(jì)60年代） 主要指能以“示教—再現(xiàn)”方式工作的機器人，其特征是機器人能夠按照事先教給它們的程序進行重復(fù)工作。示教內(nèi)容為機器人操作機構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。 （2）第二代機器人（20世紀(jì)70年代） 具有一定的感覺功能和自適應(yīng)能力的離線編程機器人，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人做出一定的推理，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智商。 （3）第三代機器人（20世紀(jì)80年代中期以后） 智能機器人，這種機器人帶有多種傳感器，能夠?qū)鞲衅鞯玫降男畔⑦M行融合，能夠有效適應(yīng)環(huán)境變化，具有很強的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能[3]。 1.3.2 按照機器人所完成的主要功能分類 （1）操作機器人 這是目前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的機器人，絕大多數(shù)工業(yè)機器人屬于這一類。其特點是模仿人手和手臂的動作，完成搬運、焊接、噴漆、打磨、拋光、檢測、裝配等工藝操作。 （2）移動機器 人在工業(yè)生產(chǎn)中輪式機器人、履帶式機器人及步行機器人常用來完成運輸及上、下料等任務(wù)。比如管道機器人、水下機器人、采掘機器人等等。這種機器人多半都裝有操作手和攝像系統(tǒng)，以完成操作并對現(xiàn)場進行遠距離監(jiān)視[4]。 （3）信息機器人 這是指以計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能行為模擬裝置。廣義地說，這類機器人包括專家系統(tǒng)、翻譯機、作曲機、圖像識別系統(tǒng)、指紋識別機譯及信息決策系統(tǒng)等。 (4)人機機器人 這類機器人和人之間存在雙向閉環(huán)聯(lián)系，包括聯(lián)肢機械手，裝在人腿上的助行機械足，生物電控或聲控假肢等[4]。 1.3.3 按照機器人的開發(fā)內(nèi)容和目的分類 按照機器人的開發(fā)內(nèi)容和目的分為工業(yè)機器人、操縱型機器人、智能型機器人和特種機器人，習(xí)慣將后三種機器人統(tǒng)稱為先進機器人。 （1）工業(yè)機器人：機器人的本體主要是一只機械手臂，它直接操作的對象是末端執(zhí)行器，它隨操作對象的形狀和材料不同而制成各種各樣。 （2）操縱型機器人：這類機器人是由一類由人操縱進行工作的機器人，由操縱人員在工作中不停地向機器人發(fā)送操縱指令，在智能和適應(yīng)能力方面輔助機器人完成復(fù)雜的作業(yè)，機器人把操作對象和作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)直接地或間接地反饋給操縱人員，操縱人員據(jù)此控制機器人行為。 （3）智能機器人：這類機器人是指本身能認識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，能根據(jù)人給予的指令和“自身”認識外界的結(jié)果來獨立地決定工作方法，利用操作機構(gòu)和移動機構(gòu)實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。這種機器人也就是第三代機器人，它的控制方法是一種“認知—適應(yīng)”的方式。 （4）特種機器人：這類機器人是專門為完成某一項或幾項任務(wù)而制造的，大多數(shù)不具有通用性。這種機器人的開發(fā)和制造，可著眼于基礎(chǔ)研究的立場和面向?qū)嵱没鯷4]。 1.3.4 按照應(yīng)用領(lǐng)域?qū)C器人進行分類 按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為民用機器人和軍用機器人。 民用機器人又分為工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、娛樂機器人、類人機器人和農(nóng)業(yè)機器人。1990年10月，國際機器人工業(yè)人士在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_了一次工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)大會，并在這次大會上通過了一個文件，把工業(yè)機器人分為四類： （1）順序型。這類機器人擁有規(guī)定的程序動作控制系統(tǒng)； （2）驗軌跡作業(yè)型。這類機器人執(zhí)行某種移動作業(yè)，如焊接、噴漆等； （3）遠距離作業(yè)。比如在月球上自動工作的機器人； （4）智能型。這類機器人具有感知、適應(yīng)以及思維和人機通訊機能[5]。 1.4 機器人的發(fā)展概況 在科技發(fā)展史上，科研技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是相輔相成的。在發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)上，國際上存在著兩條不同的技術(shù)路線：一條是日本所走的“需求牽引，技術(shù)驅(qū)動”的路線，他們把美國發(fā)明的機器人和本國工業(yè)發(fā)展的需要相結(jié)合，開發(fā)出一系列特定用途的機器人，如弧焊、點焊、噴漆、裝配、建筑等機器人，從而形成了強大的機器人產(chǎn)業(yè)。而財力雄厚的產(chǎn)業(yè)又提供大量的研究經(jīng)費供科研機構(gòu)進行新的或后續(xù)的研究工作，由此推動了本國機器人技術(shù)的發(fā)展。另一條路線是把機器人作為研究人工智能的載體，即單純從技術(shù)上模仿人的某些智能來研究智能機器人，如美國、英國等許多大學(xué)及研究所的做法[6]。 1.4.1 機器人在國外的發(fā)展概況 1、機器人的誕生之地——美國 美國是工業(yè)革命的誕生地，1959年美國人英格伯格和德沃爾制造出了世界第一臺工業(yè)機器人。此后，精明的他們又創(chuàng)辦了世界上第一家機器人制造工廠，并生產(chǎn)出一批名叫“尤里梅特”的工業(yè)機器人，也因此他們獲得了“世界工業(yè)機器人之父”的殊榮。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，但綜觀其發(fā)展史，并不平坦。 二十世紀(jì)六、七十年代，因擔(dān)心機器人會使失業(yè)率增加，而不予投資，也不組織研制，機器人的發(fā)展基本停滯。七十年代后期雖有所重視，但把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級機器人的開發(fā)上，致使美國在工業(yè)機器人方面喪失領(lǐng)袖地位。 但美國的機器人技術(shù)在國際一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進，適應(yīng)性也很強。其機器人性能可靠，功能全面，精確度高；機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣。視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在行天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等迅速發(fā)展，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面[7]。 2、機器人的冠軍之地——日本 第二次世界大戰(zhàn)后，日本經(jīng)濟高速發(fā)展，而勞動力緊張。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國Unimation公司引進機器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺川崎“尤尼曼特”機器人。到八十年代中期，已一躍成為“機器人王國”，其產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機器人工業(yè)會常務(wù)理事本完二的說法：“日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進入普及提高期?！辈⒄桨?980年定為“產(chǎn)業(yè)機器人的普及元年”，開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。 日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠已價廉的絕對優(yōu)勢進軍號稱“汽車王國”的美國市場，并且向機器人誕生國出口日本產(chǎn)的實用型機器人。此時，日本價廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國市場，這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機器人，增強了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追[8]。 1.4.2 我國機器人的發(fā)展概況 1、我國機器人的發(fā)展 目前我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，先進制造業(yè)已進入一個新的發(fā)展階段。隨著經(jīng)濟全球化和我國加入WTO，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際競爭的局面。如何適應(yīng)快速變化的國內(nèi)外市場需求，如何以高質(zhì)量、低成本、快速反應(yīng)的手段在市場中取得生存和發(fā)展，已是我國企業(yè)不容回避的問題，這些問題為工業(yè)機器人的應(yīng)用提供了大的市場需求，促使中國工業(yè)機器人的應(yīng)用市場日趨成熟。 近幾年來，國外著名的工業(yè)機器人制造廠商紛紛加大了在我國的投資和應(yīng)用技術(shù)的投入，對我國的國產(chǎn)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 我國機器人的研究與應(yīng)用水平與日美相比存在較大差距，主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)。 我國政府非常重視機器人技術(shù)的發(fā)展，從1986年“七五”科技攻關(guān)及實施到1987年863計劃開始，就有計劃地組織和發(fā)展工業(yè)機器人事業(yè)，經(jīng)過20多年的研制和應(yīng)用，目前在工業(yè)機器人的一些機種方面，如噴漆機器人、焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和特種機器人都有了長足的進步，基本掌握了工業(yè)機器人的設(shè)計制造技術(shù)和機器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計、制造技術(shù)，有了一支具有一定水平的技術(shù)隊伍，其中有130多臺套噴漆機器人在20余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用。形成了沈陽自動化研究所的新松機器人公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博實機器人公司、北京機械自動化研究所機器人開發(fā)中心等九個機器人產(chǎn)業(yè)化基地，奠定了我國獨立自主發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。 但是，我國工業(yè)機器人在總體技術(shù)上與國外先進水平相比還有很大差距，僅相當(dāng)于國外九十年代中期的水平。多數(shù)是單件小批生產(chǎn)，關(guān)鍵配套的單元部件和器件始終處于進口狀態(tài)，工業(yè)機器人的性價比較低。我國整體裝備制造水平不高，制約了我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的形成和實現(xiàn)規(guī)?；陌l(fā)展。 盡管中國工業(yè)機器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質(zhì)價廉的工業(yè)機器人商品，目前在我國尚有較長的路程。這主要有以下幾個方面： 首先為了促進中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須在以市場需求為主的前提下，國家在政策上鼓勵企業(yè)在技術(shù)投入和技術(shù)改造方面應(yīng)用國產(chǎn)工業(yè)機器人。同時轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的機制，建立以適應(yīng)市場經(jīng)濟所需的工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)基地。 其次，在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，應(yīng)繼續(xù)對工業(yè)機器人的研究開發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵、基礎(chǔ)部件的研究和產(chǎn)品化給予支持，形成產(chǎn)品和自動化制造裝備同步協(xié)調(diào)發(fā)展的新局面。 第三，結(jié)合我國的國情，加強我國工業(yè)機器人應(yīng)用工程的開發(fā)，使之與國民經(jīng)濟的發(fā)展密切相結(jié)合。經(jīng)過近十年的努力，我國在工業(yè)機器人應(yīng)用工程的開發(fā)方面已具有相當(dāng)?shù)膶嵙?，已有一支了解企業(yè)的需求，能開發(fā)出符合實際使用條件應(yīng)用工程，成本低，服務(wù)及時，具備與國外公司的競爭能力，因此加強工業(yè)機器人應(yīng)用工程的開發(fā)，并圍繞應(yīng)用工程的需要進行工業(yè)機器人新產(chǎn)品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a(chǎn)能力，這樣可以促進我國企業(yè)的技術(shù)進步和提高競爭力，同時工業(yè)機器人的應(yīng)用也可形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)[9]。 21世紀(jì)是人類走向海洋，向海洋要資源的世紀(jì)，我們的系列水下機器人將在海洋資源勘探、海洋石油開采、沉船打撈等諸多領(lǐng)域發(fā)揮其不可替代的作用。臺灣問題、臨海問題一直是非常敏感的問題，要想解決好這些問題，必須有先進的水上、水下裝備，發(fā)展先進的水下機器人可以有效地提高我國的領(lǐng)海保衛(wèi)能力，增強我國的國防實力。 我國機器人的研究與開發(fā)起步晚，始于20世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關(guān)計劃，發(fā)展比較快。在機器人基礎(chǔ)技術(shù)方面：諸如機器人機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內(nèi)外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、遙控機器人的控制技術(shù)等均取得長足進展，并在實際工作中得到應(yīng)用。 2、我國機器人的發(fā)展特點 （1）水下機器人技術(shù)走在世界前列。例如，自主研制成功1000米水下無纜機器人以后，又和俄羅斯合作成功研制了6000米水下無纜自治機器人且實現(xiàn)了工程化[10]。更值得一提是，95年和97年在夏威夷東南太平洋5800米水深處成功地進行了兩次大洋探測試驗，取得了海底錳結(jié)核分布資料，表明我國已成為世界上少數(shù)幾個具有深海探測能力的國家之一。 （2）機器人化機器推動我國工程機械的更新?lián)Q代。相繼完成了無人駕駛的振動式壓路機、具有自動化推平功能的推土機、可編程挖掘機、自動鑿巖機，促進了我國工程機械產(chǎn)品升級換代。 （3）特種機器人的發(fā)展蓬蓬勃勃。繼防核化偵察車、遙控移動機器人及爬壁機器人以后，又開發(fā)出防暴機器人、自動引導(dǎo)車、各種罐體爬壁清掃機器人、玻璃擦掃機器人等。90年代初，研制成功多自由度微操作機器人，并在生物與醫(yī)學(xué)工程取得成功應(yīng)用。在微小空間探測的小機器人研究也有了突破。 （4）工業(yè)機器人系列產(chǎn)品和應(yīng)用工程成為機器人產(chǎn)業(yè)的龍頭。研制出具有國際90年代水平的實用性轉(zhuǎn)配機器人、弧焊機器人、電焊機器人及自動引導(dǎo)引車等一系列產(chǎn)品，并實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)及其應(yīng)用工程[4]。 3、我國機器人研究成果 1980年——研制成功中國第一臺工業(yè)機器人樣機； 1985年——中國第一臺水下機器人首航成功； 1986年——中國第一臺水下機器人深海試驗成功； 1988年——中國第一臺水下機器人投入使用； 1990年——水下機器人首次出口美國； 1992年——國產(chǎn)AGV第一次應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線； 1993年——中國唯一的機器人技術(shù)國家工程研究中心成立； 1994年——中國第一臺五自由度高壓水切割機器人投入使用； 1994年——中國第一臺1000米水下機器人海試成功； 1995年——中國第一臺6000米水下機器人海試成功； 1995年——中國首臺四自由度電焊機器人開發(fā)成功，第一條電焊機器人生產(chǎn)線投入使用； 1995年——自主開發(fā)的機器人技術(shù)——AGV技術(shù)出口韓國； 1997年——具有自主版權(quán)的高性能機器人控制器小批量生產(chǎn)； 1997年——自主開發(fā)的國內(nèi)第一條機器人沖壓自動化線用于一汽大眾生產(chǎn)線； 1998年——國內(nèi)首臺激光加工機器人開發(fā)成功； 1998年——國內(nèi)首臺澆注機器人用于生產(chǎn)； 2000年——中國首臺類人型機器人研制成功[11]； 2001年——我國第一次用機器人完成腦外科手術(shù)； 2003年——我國第一臺管道無損探測機器人研制成功； 2004年——我國首臺自走式兩棲機器人研制成功； 2006年——我國首臺烹飪機器人在深圳誕生。 1.5 機器人的發(fā)展趨勢 隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及人工智能、傳感技術(shù)和仿生材料技術(shù)水平的逐步提高，目前研究熱點主要落在了智能化、擬人化兩方面。 （1）工業(yè)機器人性能追求高速度、高精度、高可靠性的三高境界； （2）機械結(jié)構(gòu)趨向模塊化、可重構(gòu)化； （3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)利用PC機的開放型控制器； （4）機器人中的多傳感器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，便于進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性 [24]； （5）從仿真、預(yù)演發(fā)展到過程控制全程運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)； （6）微型和微小機器人技術(shù)。納米機器人是最具誘惑的項目； （7）遙控機器人系統(tǒng)致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室走入實用化階段； （8）機器人化機械開始崛起。機器人化機械研究開發(fā)包括并聯(lián)機構(gòu)機床（VMT）與機器人化加工中心（RMC）的開發(fā)研究，以及機器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機遙控操作的大型散料輸送設(shè)備的研究開發(fā)[1]。 1.6 設(shè)計的主要內(nèi)容 基于UG四自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是結(jié)合機械設(shè)計與計算機軟件設(shè)計的綜合性設(shè)計?，F(xiàn)今社會，機器人以成為各國競相發(fā)展的行業(yè)。機器人的設(shè)計主要是通過給定的條件運用機械設(shè)計原理，計算其負載功率，選定動力驅(qū)動方式，確定出四自由度機器人的結(jié)構(gòu)形式，確定各個部件的尺寸及對相應(yīng)的部件進行強度計算。 在上述基礎(chǔ)上，運用計算機CAD技術(shù)繪制零件二維圖形，機器人總裝圖形。在運用計算機UG三維軟件技術(shù)對四自由度機器人的所有零件進行三維的實體建模，并運用UG裝配功能將四自由度機器進行三維的模擬組裝，最終完成機器人的模型設(shè)計。 第2章 機器人結(jié)構(gòu)方案分析 2.1 機器人系統(tǒng) 2.1.1 機器人系統(tǒng)的基本組成 一個機器人系統(tǒng)，一般由下列四個互相作用的部分組成：執(zhí)行機構(gòu)、控制器、環(huán)境、任務(wù)，如圖2.1所示[1] 位置、速度反饋 控制算法 工作任務(wù) 模型 控制器（計算機） 執(zhí)行機構(gòu) 關(guān)節(jié)式機械系統(tǒng) 驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置 外感應(yīng)信息 交互作用 計算機 語言 任 務(wù) 外傳感應(yīng)器 環(huán) 境 圖2.1 機器人系統(tǒng)的基本組成 2.1.2 機器人結(jié)構(gòu)簡圖 機器人系統(tǒng)的基本組成圖可簡化為如圖2.2所示[2]。 外傳感信息 環(huán)境 執(zhí)行機構(gòu) 控制器 任務(wù) 外傳感信息 圖2.2 機器人結(jié)構(gòu)簡圖 機械手是具有傳動執(zhí)行裝置的機械，它由臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置（工具等）構(gòu)成，組合為一個互相連接和互相依賴的運動機構(gòu)。機械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(wù)。不同的機械手具有不同的結(jié)構(gòu)類型。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.3。 圖2.3 機械手結(jié)構(gòu)簡圖 2.2 機器人的執(zhí)行機構(gòu) 機器人是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制部分所組成，各部關(guān)系如下框圖2.4。 工作 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu) 位置檢測裝置 圖2.4 機器人組成關(guān)系圖 執(zhí)行機構(gòu)（機械部分）包括手部、腕部、手臂和行走機構(gòu)等運動部件組成[1]。 2.2.1 腰部結(jié)構(gòu) 腰部是直接支撐和傳動手臂的部件，一般實行臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都要安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以設(shè)地面或架空軌道運動，本設(shè)計采用與底座相連的固定式。 機身是直接連接、支撐和傳動手臂及行走機構(gòu)的部件，它是由臂部運動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。 常用的機身結(jié)構(gòu)有： （1）升降回轉(zhuǎn)型； （2）俯仰型； （3）直移型； （4）類人機器人機身結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計采用升降回轉(zhuǎn)型。 2.2.2 臂部結(jié)構(gòu) 手臂部件（簡稱臂部）是機器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。 機器人的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自傳等運動有關(guān)的構(gòu)件，如傳動裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測元件等，此外，還有與腕部或手臂的運動和聯(lián)接支撐等有關(guān)的構(gòu)件配線等。 根據(jù)臂部的運動和布局、驅(qū)動方式、傳動和導(dǎo)向裝置的不同可分為： （1）伸縮臂部結(jié)構(gòu)； （2）轉(zhuǎn)動伸縮型臂部結(jié)構(gòu)； （3）屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu)； （4）其他專用的機械傳動臂部結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計采用屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu)[3]。 手臂有獨立的自由度，可采用： （1） 直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都如直線運動）； （2） 圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運動和左右旋轉(zhuǎn)運動）； （3） 球坐標(biāo)（前后伸縮，上下擺動和左右旋轉(zhuǎn)運動）； （4） 關(guān)節(jié)式（手背能任意伸屈）。 直角坐標(biāo)系占空間大，工作范圍小，所以一般不用；圓柱坐標(biāo)系占空間較小，工作范圍較大，但慣性也較大，且不能抓取底面物體，不予使用；球坐標(biāo)系和關(guān)節(jié)式占空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物件，關(guān)節(jié)式還可以繞障礙物選擇途徑，靈活性較高，廣泛使用。 本設(shè)計因手臂部只有兩個自由度，避免了多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷，使關(guān)節(jié)的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，因此將手臂的結(jié)構(gòu)做成關(guān)節(jié)式，并分為小臂、大臂，小臂用來聯(lián)接手腕和大臂，大臂用來聯(lián)接小臂和底座上的腰部旋轉(zhuǎn)件，各擁有一個自由度。 2.2.3 手腕結(jié)構(gòu) 手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)。 手腕部一般需要三個自由度； （1）臂轉(zhuǎn)，繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)； （2）手轉(zhuǎn)，使手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn)； （3）腕擺，使手部相對手臂進行擺動。 本設(shè)計四自由度機器人腕部采用上下擺動的自由度形式，用步進電機直接驅(qū)動。由于本設(shè)計機器人主要用于搬用中小零件或教學(xué)用機器人，所以承受載荷不很大，結(jié)構(gòu)要求不高，所以這個結(jié)構(gòu)可以使用。為了便于手臂上的位置結(jié)構(gòu)安排，直接驅(qū)動浪費空間，重量分布也不太均勻，所以決定采用同步帶輪傳遞動力。 2.2.4 手部結(jié)構(gòu) 手部是機器人直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的。它具有模仿人手動作的功能并安裝與機器人手臂的前端，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其自由度一般不少于六個，所以本設(shè)計不對抓取部分—手腕 作詳細設(shè)計。 2.3機器人的驅(qū)動機構(gòu) 機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、電動式和機械式四種。 夜動式輸出力大（壓力高，常用液壓為2.5～6.3MPa），臂力可達100公斤以上，且可用電液伺服機構(gòu)，體積較小，可獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；工作平穩(wěn)，可得到較高的位置精度；傳動中力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制，效率高、壽命長。不足處，泄露難克服，易引起燃燒爆炸等危險；液壓元件精度要求高，造價高。 氣動式具有空氣粘度小，易達到高速（1m/s）；可利用空氣壓縮機減少了動力設(shè)備，氣動元件工作壓力低，造價也低，結(jié)構(gòu)簡單。采用點位控制或機械塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在30公斤一下。 電動式可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。 普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。私服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交直流、私服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精確要求不高的場合。 機械式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈敏度低，故不做詳細介紹。 綜上，本次設(shè)計的“四自由度機器人”主要使用于一般的教學(xué)、培訓(xùn)或汽車中小零件的搬運等，故采用電動式，將其簡單高效的特點得以充分發(fā)揮[4]。 2.4 控制系統(tǒng) 機器人控制器具有多種結(jié)構(gòu)形式，包括：非伺服控制、伺服控制位置和速度反饋控制、力（力矩）控制、基于傳感器的控制、非線性控制、滑?？刂?、最優(yōu)控制、自定位控制、遞階控制記憶各種智能控制等。本設(shè)計要求只對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計建模，控制系統(tǒng)不做要求。 2.5 本章小結(jié) 本章對四自由度機器人的常用結(jié)構(gòu)方案進行分析。對機器人的結(jié)構(gòu)組成（腰部、臂部、腕部）進行了詳細的闡述，并最終確定適合本設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案，驅(qū)動方式等。最后簡單介紹了驅(qū)動機構(gòu)與控制機構(gòu)。 第三章 四自由度機器人整體及部件設(shè)計 3.1 四自由度機器人性能要求 表3.1 四自由度機器人性能要求 結(jié)構(gòu)形式 串聯(lián)關(guān)節(jié)式 負載能力 2Kg 重復(fù)定位精度 ±0.1mm 運動范圍 300° 120° 120° 360° 每軸最大運動速度 腰轉(zhuǎn) 45°/S 大臂 45°/S 小臂 30°/S 腕擺 60°/S 最大展開半徑 530mm 高度 957mm 本體重量 操作方式 示教再現(xiàn)/編程 供電電源 單相220V、50Hz 3.2 電機的選擇 在要求輸出力矩和負載較小的情況下，電機的選用一般有:電動伺服電機和步進電機兩種。根據(jù)表3.1及電機的選用條件[13]結(jié)合本設(shè)計的性能要求及結(jié)構(gòu)特點，本設(shè)計決定選用步進電機來驅(qū)動。 步進電機是一種吧電脈沖信號變換成直線位移的執(zhí)行元件，本設(shè)計機器人是用來搬運中小零件的，所以選步進電機符合要求。 在根據(jù)參考文獻[14]，混合式步進電機是一種兼有反應(yīng)式和永磁式兩種步進電機有點的新型電動機。五相及三相混合式步進電動機因其分辨率小，精度高、低頻無振蕩、高頻力矩大而廣泛用于各類機床、切割機、輕工、包裝、醫(yī)療器械、機器人及電腦繡花機等自動控制設(shè)備中。因此，選用混合式步進電動機，系列代號BYG。 3.2.1 負載功率的估算 電動機負載功率是根據(jù)具體生產(chǎn)機械的負載及效率計算的，它可以從機械手冊中查出。 （1）底座處電機負載功率 已知，腰轉(zhuǎn) 450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min 負載功率 [15] PL=G?u?V624.5?ηc kw (3.1) 式中： PL—腰部負載功率，kw； G—傳動件重量，N（根據(jù)任務(wù)書及電機的初選確定）； u—傳動摩擦系數(shù)； V—移動速度，m/s； ηc —傳動機構(gòu)效率。 G=mg(其中已知m≤85kg；g=9.8N/kg)=85×9.8 N=833 N u—查參考資料[11]得u=0.2； ηc—查參考資料[15]得ηc=0.9； V—已知角度450/s，初步確定機器人的底座腰部直徑為150mm，則 V=4503600×π×150×10-3 m/s =0.059 m/s； 所以將以上各值帶入式 3.1得 PL=G?u?V624.5?ηc kw = 833?0.2?0.059 624.5?0.9 kw =0.01749 kw=17.49 w 3.2.2 步進電機額定功率的計算 預(yù)選電機的額定負載功率基本原則是:連續(xù)工作方式下，要求 Pe≥PL,本設(shè)計是從發(fā)熱溫升負度考慮的，不必校核電動機的溫升，只需校核過載能力[15]。 根據(jù)參考資料[16]，步進電機的轉(zhuǎn)速 ne=60?fZR?N r/min (3.2) 式中： f—脈沖頻率，Hz或P/s，本設(shè)計電壓220V，頻率f=50Hz； N—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距的運行拍數(shù)，本設(shè)計選用BYG型步進電機，三相三拍時，N=m（相數(shù)）；三相六拍時N=2m； ZR —轉(zhuǎn)子齒數(shù)，本設(shè)計選用BYG型步進電機，ZR=8； 根據(jù)參考資料[13]步進電機的額定功率 Pe=Te?ωe1000 kw (3.3) 式中： Pe—電機額定功率； Te—電動機轉(zhuǎn)矩 N?m； ωe—電動機角速度 rad/s，ωe= ne； 1、底座電機選擇 根據(jù)參考資料[17]，初選機器人底座處的步進電機為 57BYG4501型。 則根據(jù)提供的參數(shù)可知:Te=0.6N?m；N=2m=2×2=4；將N=4帶入公式 3.2得 ne =60×50/8×4 r/min =93.75 r/min 將ne =93.75 r/min帶入公式 3.3得 Pe=0.6×93.75/1000 kw =0.05625 kw=56.25 w 因Pe=56.25 w>PL=17.89 w，所以所選電機 57BYG4501型能夠勝任本設(shè)計要求。 2、手腕處電機選擇 手腕處負載，根據(jù)設(shè)計要求 PL'=F?vη×10-3 kw[15] (3.4) 式中： PL'—手腕處負載功率； F—額定提升的重量 N； v —額定提升速度 m/s； η—手腕處傳動效率； F根據(jù)設(shè)計要求得 F=2×9.8 N=19.6 N； v 根據(jù)設(shè)計要求v=ω=600/s=6003600/160 rad/min=10 rad/min，或者 v=ω=600/s=6003600?π?d m/s=6003600×3.14×38.81×10-3 m/s=0.02 m/s，（其中d=38.81mm 這將在后邊具體算出）； η 根據(jù)參考文獻[18]得η=0.98；將F、v、η的值帶入公式 3.4得 PL'=（19.6×0.02）/0.98 kw=4.0×10-3 kw (若用公式3.1計算PL'得 PL'=1.28×10-4 kw，這里我選用公式 3.4算得的值)。 所以，手腕處負載較小，經(jīng)計算選用35BYG4501型步進電機。其轉(zhuǎn)速和功率如下計算: ωe= ne = 60?fZR?N = 60?508×2×4 r/min=46.88 r/min Pe= Teωe1000 = 0.05×46.88/10000.05×46.881000 kw =2.344×10-3 kw 3、大臂與腰部旋轉(zhuǎn)體處電機選擇 根據(jù)設(shè)計要求，此處所承受的最大負載大致為G=mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N。 運動速度為450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min，大臂伸展半徑為303mm，所以大臂速度可變換為V =7.5r/min = 7.5×π×2×30360 m/s=0.24m/s。根據(jù)公式3.1可得大臂處負載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=436.1×0.2×0.24624.5×0.9 kw=0.037kw=37w 根據(jù)參考資料[17]選擇步進電機57BYG4501，根據(jù)公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.6×46.881000 = 0.05625 kw=56.25 w 56.25 w>37w，根據(jù)參考資料[17]大臂與旋轉(zhuǎn)體處電機選擇57BYG4501型步進電機。 4、小臂與大臂聯(lián)接處電機選擇 根據(jù)設(shè)計要求，此處所承受的最大載荷為G=mg=（14×85+2）×9.8=227.85N。 運動速度為300/S=3003600/160 r/min =5 r/min，小臂伸展半徑為411.5mm，所以小臂速度可變換為V =5r/min = 5×π×2×411.560 m/s=0.22m/s。根據(jù)公式3.1可得小臂處負載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=227.85×0.2×0.22624.5×0.9 kw=0.0178kw=17.8w 根據(jù)參考資料[17]選擇步進電機42BYG4503，根據(jù)公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.48×46.881000 = 0.0225 kw=22.5 w 22.5 w>17.8w，根據(jù)參考資料[17]小臂與大臂聯(lián)接處電機選擇42BYG4503型步進電機。 3.3 同步帶傳動設(shè)計 3.3.1 已知條件： （1）傳動功率 PL'=4.0×10-4 kw； （2）大小帶輪轉(zhuǎn)速 n1=n2=600/s=10 r/min （n1 為手腕處主動輪，n2為從動輪）； （3）傳動用途、載荷性質(zhì)、原動機種類以及工作制度[13]。 3.3.2 設(shè)計計算 （1）設(shè)計功率 Pd Pd=KA?P (3.5) 式中： Pd—設(shè)計功率； KA —工況系數(shù)，查參考資料[13]得 KA =1.5； P—傳動功率，P= PL'=4.0×10-4 kw； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式 3.5得 Pd=1.5×4.0×10-4 kw =6.0×10-4 kw （2）帶型節(jié)距 Pb 根據(jù)Pd和n1、n2查參考資料[13]初選取XL型同步帶。根據(jù)設(shè)計要求可知，n1= n2=10 r/min。前所選手腕處步進電機35BYG4501轉(zhuǎn)速ωe= ne =46.88 r/min，根據(jù)本設(shè)計整體結(jié)構(gòu)和BYG型電機的選擇，經(jīng)計算比較分析n1= n2=10 r/min與ωe= ne =46.88 r/min相差不是太大，可以使用 35BYG4501型電機。 為使傳動平穩(wěn)，提高帶的柔性以及增加嚙合齒數(shù)，節(jié)距Pb盡可能選取較小值。對模數(shù)制的m也盡可能選取較小值，特別是在高速時。故選取周節(jié)制XL型，Pb=5.080 mm，m=2。 (3) 小帶輪齒數(shù) (3.6) Zmin由參考資料[13]查得 Zmin=10，帶速V和安裝尺寸允許時，Z1盡可能選用較大值，故初選 Z1=24。 (4) 小帶輪節(jié)圓直徑 (3.7) 將mm，代入公式（3.3）中，得 mm 由Z1 =24及XL型號帶查參考資料[13]得節(jié)圓直徑 mm，外徑mm。(5) 帶速 (3.8) 將mm，r/min代入公式（3.8）中，得 m/s 根據(jù)模數(shù)型號與所選同步帶型號，由參考資料[13]查得 m/s 故符合要求。 (6) 傳動比 = n1n2 ≤10 根據(jù)本設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)，大小帶輪轉(zhuǎn)速相同，所以取 =1<10，符合要求。 （7）大帶輪齒數(shù) Z2 Z2=i ?Z1=1×24 （8）大帶輪節(jié)圓直徑 d2 d2 =PbZ2/π =i?d1=1×38.81=38.81 mm （9）初定中心距 a 采用中心距可調(diào)式 (3.9) 將mm，將其帶入公式（3.9）中，得 mm 故取 a=70 mm。 （10）初定帶的節(jié)線長度及其齒數(shù) (3.10) 將mm，mm代入公式（3.10）中，得 mm 根據(jù)參考資料[13]，查表得：mm，Zb =55。 （11）實際中心距 a (3.11) 將mm，mm，mm代入公式（3.11）中，得 mm 將a取整 a=79 mm。 （12）基準(zhǔn)額定功率 P0 (3.12) 式中：—帶寬為bs0的許用工作拉力，N； m—帶寬為bs0的單位長度的質(zhì)量 kg/m； 根據(jù)參考資料[13]查得 Ta=50.17，v=0.02 m/s，m=0.22 kg/m帶入公式（3.12）得 kw （13）帶寬 bs (3.13) 式中： bs0—選定型號的基準(zhǔn)寬度 mm； kz—小帶輪嚙合齒系數(shù)； 根據(jù)參考資料[13]查得bs0 =9.5 mm；kz數(shù)=1.00； 將kw，Pd=6.0×10-4 kw，mm，代入公式（3.13）中，得 mm 則根據(jù)參考資料[13]取bs=9.5 mm。 故選取同步帶 GB/T 11616—1989 110XL037。 （13）作用在軸線上的力 Fr N (3.14) 將Pd=6.0×10-4 kw，m/s代入公式（3.10）中，得 N 本設(shè)計四自由度機器人的機身材料查閱參考資料[19]取 Q235。 3.4 軸的確定及校核 查閱參考資料[13]，本設(shè)計四自由度機器人腰部軸與手腕處軸均選用 45號剛。 3.4.1 腰部軸的確定校核 根據(jù)本設(shè)計要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點，腰部軸的尺寸及形狀最終確定如圖 3.1 圖3.1 底座軸結(jié)構(gòu)尺寸 本設(shè)計腰部軸主要承受轉(zhuǎn)矩，承受的彎矩很小，所以按扭轉(zhuǎn)強度計算。 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa (3.15) 式中： τ—軸的扭切應(yīng)力 MPa； P—傳遞的功率 kw，P=17.49×10-3 kw； T—轉(zhuǎn)矩 N?m； WT—抗扭截面系數(shù) mm3； d—軸的直徑 mm，d=30 mm； n—軸的轉(zhuǎn)速 r/min，n=93.75 r/min； [τ]—許用扭切應(yīng)力 MPa，45號剛 [τ]=30~40 MPa； 將數(shù)以上據(jù)帶入式（3.15）得 τ=9.55×106×17.49×10-3/0.2×303×93.75 =0.329 MPa< [τ] =30~40 MPa 所以本設(shè)計腰部軸的結(jié)構(gòu)安排符合要求。 3.4.2 手腕軸的確定校核 根據(jù)本設(shè)計要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點，手腕軸的尺寸及形狀最終確定如圖3.2 圖3.2 手腕軸結(jié)構(gòu)尺寸 手腕處即受彎矩又受扭矩，也可近似使用公式（3.15）計算，但必須把軸的許用扭切應(yīng)力[τ]適當(dāng)降低以補償彎矩對軸的影響。將減低后的許用應(yīng)力帶入 式3.15，并改寫為設(shè)計公式 d≥39.55×1060.2τ?3Pn≥C3Pn mm （3.16） 手腕處： P=4.0×10-4 kw； [τ]—45號剛 [τ]=30 MP（最小值）；n=10 r/min； C—由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)，查參考資料[18]得C=118~107，取C=100； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.16）得 d≥39.55×1060.2×30?34.0×10-410≥10034.0×10-410 mm d≥7.324≥3.4 mm 本設(shè)計d=8 mm≥3.4 mm，符合要求。 3.4.3 大臂聯(lián)接件的確定校核 根據(jù)本設(shè)計，大臂聯(lián)接件尺寸確定如圖3.3所示。 圖3.3 大臂聯(lián)接件尺寸 根據(jù)本設(shè)計結(jié)構(gòu)安排，大臂聯(lián)接件主要承受扭矩，所以按扭轉(zhuǎn)強度計算。據(jù)公式3.15 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa 此處式中P=37w=37×10-3kw，n=7.5r/min=0.24m/s，d=35mm，帶入式3.15中得， τ= TWT =9.55×106×37×10-3/0.2×353×7.5 MPa ≈5.49 MPa 大臂聯(lián)接件材料為45號剛，[τ]=30~40 MPa，而5.49 MPa ≤[τ]=30~40 MPa，所以大臂聯(lián)接件設(shè)計符合強度要求。 3.5 軸承的選用及計算 3.5.1 手腕處軸承 （1）手腕處軸承的選擇 手腕處根據(jù)工作條件主要承受徑向載荷，同時也承受一定得軸向載荷。故選手腕處軸承為深溝球軸承。 根據(jù)參考資料[13]及其圖 3.2選擇手腕處軸承為 60000型，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動載荷 Cr=4.85 kN，徑向額定靜載荷 C0r=1.98 kN。 （2）軸承當(dāng)量動載荷 P P=（XFr +YFa） (3.17) 式中： X—徑向動載荷系數(shù)； Y—軸向動載荷系數(shù)； Fr—徑向載荷 N，F(xiàn)r =mg=29.8 N=19.6 N，此處考慮到過載、環(huán)境溫度及運動過程中的沖擊等情況可取大點，所以取Fr =100 N； Fa—軸向載荷 N，同F(xiàn)r取為Fa=100 N； 因此 FaC0r = 100 N1980 N =0.051 根據(jù) FaC0r = 0.051查閱參考資料[20]得e 值為0.26； 又 FaFr = 100 N100 N =1>e=0.26 根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.71； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.17）得 P=（0.56×100+1.71×100）N =227 N （3）軸承的基本額定壽命 Lh Lh = 10660n （ftCfpP）ε h (3.18) 式中：Lh—軸的基本額定壽命 小時； —基本額定動載荷 N，C=Cr=4.58103 ×103N； —當(dāng)量動載荷 N，P=P=227 N； —軸承轉(zhuǎn)速r/min； ft—溫度系數(shù)，ft =1[18]； fp—載荷系數(shù)，fp =1.5[18]； ε—壽命指數(shù)[18]，球軸承 ε =3； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.18）得 h 符合要求。 3.5.2 大臂聯(lián)接處軸承 大臂聯(lián)接處根據(jù)工作條件選擇深溝球軸承，根據(jù)參考資料[13]及圖3.3結(jié)構(gòu)選擇軸承6207，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動載荷 Cr=25.5 kN，徑向額定靜載荷 C0r=15.2kN。 （1）軸承當(dāng)量動載荷 P Fr—徑向載荷 N，F(xiàn)r = mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N， Fa—軸向載荷 N，此處軸向載荷較小，故Fa根據(jù)參考資料[20]可為Fa=400 N； X=0.56；Y=1.71 因此， FaC0r = 100 N15200 N =0.026 根據(jù) FaC0r = 0.026查閱參考資料[20]得e 值為0.22； 又 FaFr = 400 N436.1 N =0.91>e=0.22 所以根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.99； 將上邊各值帶入公式3.17得 P=（0.56×436.1+1.99×400）N =1040.216 N （2）軸承的基本額定壽命 Lh 根據(jù)公式3.18 Lh = 10660n （ftCfpP）ε h 得 Lh=10660×7.5×（1×25.5×1031.5×1040.216）3=9.7×106h 符合要求。 3.5.3 其它部位軸承的選擇 同手腕處軸承的選用方法，腰部軸處根據(jù)工作條件及圖3.1結(jié)構(gòu)尺寸選用30206型滾動軸承。 大臂兩端處軸承選用6207型滾動軸承[20]。 注：本設(shè)計其它零件的結(jié)構(gòu)尺寸具體見CAD圖紙和UG三維模型，這里不在贅述。 3.6 四自由度機器人長度尺寸 3.6.1 腰部總成高度尺寸 根據(jù)前邊的選擇，腰部電機57BYG4501，直徑為66.6mm，根據(jù)參考資料[5]，箱座壁厚δ≥8mm，所以取機器人腰部壁厚為15mm，所以機器人腰部總直徑d=66.6+2×15=96.6mm，取整d=97mm。底座直徑比腰部直徑要大些，以便安裝螺栓固定腰部與底座，故取底座直徑d’= 150mm。 底座軸承端蓋厚度根據(jù)參考資料[5]得