關節機器人畢業設計說明書(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 測速機、編碼器、減速器及制動器東南 大學學士學位論文 10 組裝在一次加工的殼體中，使得整個電機系統體積小，可靠性和通用性也得到很大提高 。另外，電動機根據運行距離及電機的脈沖當量算出脈沖數，將數據輸入計算機，可達到非常高的位姿準確度，這些都是電機驅動的優點。相對的，液壓與氣壓驅動系統組成機構繁瑣，維護不方便，液壓源和氣壓源裝置體積大，對于關節機器人來說也是一個無 法實現的問題，對于關節機器人操作機械手所要求的位置精度，液壓和氣壓驅動也很難滿足。 綜上所述，本文選擇電機驅動為機械手的驅動方式。 電機 驅動裝置 的對比分析及選擇 通常，機器人驅動方式有以下四種 [3]： ：可直接實現數字控制，控制結構簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制；位置誤差不會積累；步進電機具有自鎖能力（變磁阻式）和保持轉矩（永磁式）的能力，有利于控制系統的定位。但步進電機基本上不具有過載能力，功率偏大者，體積較大，并且其空間分辨率較低；功率較小 者，只適于傳動功率不大的關節或小型機器人。 ：直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術成熟。但其結構復雜，體積偏大，成本較高，而且需要外圍轉換電路與微機配合實現數字控制。若使用直流伺服電機，還要考慮電刷放電對實際工作的影響。 ：交流伺服電機結構較簡單，體積較小，運行可靠，使用維修方便，價格比直流伺服電機便宜，但高于步進電機。隨著可關斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場效應管 MOSFET 等電子器件、脈沖調寬技術和計算機控制技術的發展，交流伺服電機在調速性能方面可以與直流電機媲美。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三環（位置、速度、電流）全數字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現很大的啟動功率，提供很高的響應速度。 ：液壓伺服馬達具有較大的功率 /體積比，運動比較平穩，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產生滑動，從體積、重量及要求的驅動功率這幾項關鍵技術考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，而且其液壓系統經常出現漏油現象，維護不方便。 由于本課題研 究的機器人的額定負載較小，體積和重量均要求較小，綜合分析后，決定采用交流伺服電機混合驅動。腰部、大臂和小臂要求動態特性好、傳動功率較大，采用交流伺服電機驅動；腕部雖然所需傳動功率較小，為了統一也采用交流伺服電機驅動。 東南 大學學士學位論文 11 減速裝置的對比分析與選擇 減速器的類型主要有：漸開線圓柱齒輪減速器、圓錐圓柱齒輪減速器、圓弧圓柱蝸桿減速器、諧波傳動減速器、擺線針輪減速器、行星齒輪減速器。 現在只考慮行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器，現將二者進行對比： 行星齒輪傳動 1. 行星齒輪傳動的優點 行星齒輪傳動與 普通齒輪傳動 相比 ，他具有許多獨特的優點。在各種需要齒輪傳動裝置中，行星齒輪傳動已得到了越來越廣泛的應用。它的最顯著的特點是：在傳遞動力時它可以進行功率分流；同時，輸入軸與輸出軸具有同軸性，即輸出軸與輸入軸均設置在同一主軸線上。所以，行星齒輪傳動現在 已被人們用來代替普通齒輪傳動，而作為各種機械傳動系統中的減速器、 增速器和變速裝置。尤其是對于那些要求體積小、質量小、結構緊湊和傳動效率高的變速器。 2. 行星齒輪傳動的主要特點如下 [17]： （ 1）體積小、質量小、結構緊湊、承載能力大 由于行星齒輪具有功率分流和各 種中心輪購成共軸線式的傳動以及合理地應用內嚙合齒輪副，因此可使其結構非常緊湊。再由于在中心輪的周圍均勻地分布星星輪來共同分擔載荷，從而使得每個齒輪所承受的負荷較小、并允許這些采用較小的模數。此外，在結構充分利用內齒嚙合承載能力大和內齒圈本身的可容體積，從而有利于縮小其外廓尺寸，使其體積小，質量小，結構非常緊湊，且承載能力大。一般，行星齒輪傳動的外廓尺寸和質量約為普通齒輪傳動的 1/2～ 1/3（即在承受相同的載荷條件下）。 （ 2）傳動效率高 由于行星齒輪結構的對稱性，即它具有數個勻稱分布的行星輪，使得作用于中心 輪和轉臂軸承中的反作用力能互相平衡，從而有利于達到提高傳動效率的作用。在傳動類型選擇恰當、其效率值可達 ～ 。 （ 3）傳動比較大 可以實現運動的合成與分解 只要適當選擇行星齒輪傳動類型及配齒方案，便可以用少數幾個齒輪而獲得很大的傳動比。在僅作為傳遞運動的行星齒輪傳動中，其傳動比可達到幾千。應該指出，行星齒輪傳動在其傳動比很大時，仍然可保持結構緊湊、質量小、體積小等許多優點。而且，它還可以實現運動的合成與分解以及實現各種變速的復雜的運動。 （ 4）運動平穩、抗沖擊和振動的能力較強 由于采用了數個 結構相同的行星輪，均與地分布于中心輪的周圍，從而可使行星輪與轉臂的慣性力相互平衡。同時，也使參與嚙合的齒數增多，故星星輪傳動的運動平穩，抵抗沖擊和振動的能力較強，工作可靠。 東南 大學學士學位論文 12 總之，行星齒輪傳動具有質量小、體積小、傳動比大及效率高（類型選用得當）等優點。因此，行星齒輪傳動現已廣泛地應用于各種機械設備。行星齒輪傳動不僅適用于高轉速、大功率，而且在低速大轉矩的裝置上也已獲得了應用。它幾乎可適用于一切功率和轉速范圍，故目前行星傳動技術已成為世界各國機械傳動發展的重點之一。在汽車工業行星齒輪的作用尤其得到體現。 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 1. 諧波齒輪傳動由三個基本構件組成： 一： 諧波發生器（簡稱波發生器） …… 是凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉動，薄壁軸承的外環作橢圓形變形運動（彈性范圍內）。 二： 剛輪 …… 是剛性的內齒輪。 三： 柔輪 …… 是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。 以上三個構件可以任意固定一個，成為減速傳動及增速傳動，或者發生器、剛輪主動， 柔輪從動 ，成為差動機構（即轉動的代數合成）。諧波傳動工作過程如 圖 ： 圖 諧波減速器構件 2. 諧波齒輪傳動的傳動原理： 當波發生器為主動時，凸輪在柔輪內轉動，就近使柔輪及薄壁軸承發生變形（可控的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程中進入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 波發生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內，再將它們裝入柔輪東南 大學學士學位論文 13 內。此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于 完全嚙合狀態，即柔輪的外齒與剛輪的內齒沿齒高嚙合。這是嚙合區，一般有 30%左右的齒處在嚙合狀態；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態，簡稱脫開；在波發生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區段內，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態，稱之為嚙出。 波發生器在柔輪內轉動時，迫使柔輪產生連續的彈性變形，此時波發生器的連續轉動，就使柔輪齒的嚙入 —嚙合 —嚙出 —脫開這四種狀態循環往復不斷地改變各自原來的嚙合狀態。這種現象稱之錯齒運動，正是這一錯齒運動，作為減速器就可將輸入的高速轉動變為輸出的低速 轉動。 對于雙波發生器的諧波齒輪傳動，當波發生器順時針轉動 1/8 周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態而成嚙合狀態，而原來脫開狀態就成為嚙入狀態。同樣道理，嚙出變為脫開，嚙合變為嚙出，這樣柔輪相對剛輪轉動（角位移）了1/4 齒；同理，波發生器再轉動 1/8 周時，重復上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發生器相對剛輪轉動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環一樣，兩者在任何瞬間，在節圓上轉過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節圓周長上少 了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉動，從而實現了減速的目的。 波發生器的連續轉動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節圓的任一點，隨著波發生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為： ―諧波 ‖。 圖 諧波傳動的工作原理 東南 大學學士學位論文 14 3. 傳動特點 ，體積小，重量輕 ； 諧波齒輪傳動的主要構件只有三個：波發生器、柔輪、剛輪。它與傳動比相當的普通減速器比較，其零件減少 50%，體積和重量 均減少 1/3 左右或更多。 ； 單級諧波減速器傳動比可在 50—300 之間，優選在 75—250 之間； 雙級諧波減速器傳動比可在 3000—60000 之間； 復波諧波減速器傳動比可在 200—140000 之間。 ； 雙波諧波減速器同時嚙合的齒數可達 30%，甚至更多些。而在普通齒輪傳動中，同時嚙合的齒數只有 2—7%，對于直齒圓柱漸開線齒輪同時嚙合的齒數只有1—2 對。正是由于同時嚙合齒數多這一獨特的優點，使諧波傳動的精度高，齒的承載能力大，進而實現大速比、小體積。 ； 諧波齒輪傳動同時嚙合齒數多，即承受載荷的齒數多，在材料和速比相同的情況下，受載能力要大大超過其它傳動。其傳遞的功率范圍可為幾瓦至幾十千瓦。 ； 由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運動精度能提高四倍左右。 ，無沖擊，噪聲小 ； 齒的嚙入、嚙出是隨著柔輪的變形，逐漸進入和逐漸退出剛輪齒間的，嚙合過程中齒面接觸，滑移速度小，且無突然變化。 ； 諧波齒輪傳動在嚙合中，柔輪和剛輪齒之間主要取決于波發生器外形 的最大尺寸，及兩齒輪的齒形尺寸，因此可以使傳動的回差很小，某些情況甚至可以是零側間隙。 ； 與相同速比的其它傳動相比，諧波傳動由于運動部件數量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨速比的不同（ u=60250)，效率約在 65—96%左右（諧波復波傳動效率較低），齒面的磨損很小。 ； 諧波齒輪減速器的高速軸、低速軸位于同一軸線上。 ； 采用密封柔輪諧波傳動減速裝置，可以驅動工作在高真空、有腐蝕性及其它東南 大學學士學位論文 15 有害介質空間的機構，諧波傳動這 一獨特優點是其它傳動機構難于達到的。 ； 由于諧波齒輪傳動的效率高及機構本身的特點，加之體積小、重量輕的優點，因此是理想的高增速裝置。對于手搖發電機、風力發電機等需要高增速的設備有廣闊的應用前景。 。 由于諧波齒輪傳動的三個基本構件中，可以任意兩個主動，第三個從動，那么如果讓波發生器、剛輪主動，柔輪從動，就可以構成一個差動傳動機構，從而方便的實現快慢速工作狀況。這一點對許多機床的走刀機構很有實用價值，經適當設計，可以大大改變機床走刀部分的結構性能。 由于自然形成的預加載諧波發生器嚙合齒數較多以及齒的嚙合比較平穩，諧波齒輪傳動的間隙幾乎為零，因此傳動精度高。目前，機器人的旋轉關節有60%70%都是用諧波齒輪，所以本次設計也采用諧波齒輪傳動。 通過各方面的綜合考慮，最后選用 XB2524A。 機器人傳動方案的確定 經過一段時間的查閱，分析了大量的工具書和網絡查詢后，開始了這次的畢業設計 —— 六自由度關節型機器人抓取 /上臂機構設計。總的看來可分兩大部分設計：一是六自由度機械手抓取機構的設計，二是六自由度機械手前臂機構的設計。 取機構的設計 六自由度機械手抓取機構即手部又稱末端執行器，是工業機器人直接進行工作的部分，可以是個中夾持器。也可以是各種加工的刀具等，在這里選用是夾持器。常用的夾持器有：滑槽杠桿式、齒輪齒條式、扇齒齒條式、平行連桿杠桿式、滑塊搖桿式、彈簧外卡式、鋼絲柔性式、柔性材料式、電磁氣動式等，由于此設計是柔性實驗室的教學機械手，且工件最重為 公斤，綜合考慮個夾持器的性能特點及設計要求，參照哈爾濱工業大學機器人研究所的設計，決定采用電磁氣動式夾持器，因為工件小而且氣動夾持器體積小、反應快、易于控制，并且能在市場上買 到。 由于此次設計難度比較大，而且時間比緊迫，沒有時間進行抓取機構的設計，在此采用市場上可以買到的外購件 電磁氣動式夾持器。外形見圖 。 東南 大學學士學位論文 16 圖 電磁氣動夾持器 六自由度機械手前臂機構設計 六自由度機械手前臂機構主要包 括：腕部、小臂和大臂三部分。腕部與手部相連，通常有三個自由度 ，主要功能是帶動手部完成預定姿態，是操作機中結構最為復雜的部分。臂部用以鏈接腰部和手部，通常有兩個臂桿組成，用以帶動腕部做平面運動。 常用的驅動裝置有步進電機、伺服電 機和直流 電機等，根據要求選用伺服電機為驅動裝置。伺服電機體積小、傳動精度高、噪音小。常用的減速方式有很多，最常用的有齒輪減速傳動，它主要包括行星減速器、諧波齒輪減速器兩種。此次設計學用諧波減速器，它傳動功率大比且較平穩、噪聲小。故腕部旋轉傳動方式采用：伺服電機 +諧波減速器。 驅動裝置同上選擇伺服電機進行驅動。段距離的傳動方式有齒