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服务机器人手臂关节结构设计.doc
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2023-07-11
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服务机器人手臂关节结构设计.doc
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摘 要
机械手是一门涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多
个方面的学科,它代表了机电一体化的最高成就。现今,机械手已经运用到各个
领域,特别是在装配作业方面。在装配机械手中,平面关节型装配机械手(即
SCARA 型)是应用最广泛的一种装配机械手。
本课题提出设计一种服务机械手,用于电子元器件等的装配,在分析国内外
SCARA 产品基础上,经过不同方案的比较,在确定了最优方案后通过认真的计算,
仔细的校核,使设计结构简单、运行可靠、经济合理,能满足教学实验等需要,
对于更好地熟悉和掌握相关课程具有重要的意义。
本文设计的是一种小型服务装配机械手,主要对这种机械手进行结构方面的
设计。本文设计的 SCARA 机器人具有以下特点:通用性好、体积小、重量轻、外
形美观、成本低,对其本体的可行方案进行了充分的研究后,设计成具有多个自
由度的结构,由机身、大臂、小臂及手腕组成,谐波减速器、齿轮、丝杠螺母等
组成了机械手简单可靠的传动方案。该电机的多个关节均采用步进电机驱动,具
有控制简单、成本低的特点。
关键词:工业机械手 自由度 机器人
Abstract
Robot is a kind of science related to many other ones such as computer science,
mechanism, electronics, automation control and artificial intelligence. Now, robots are
used in many fields, especially in the aspect of assembly task. It represents the
up-most level of mechatronics. Among assembly, plane articulated assemblyrobot
(SCARA manipulator) is used most widely.
This topic puts forward designing a kind of assemble robot, used for an assemble
electronics component, after analy domestic and international SCARA, the surface of
sphere SCARA etc. Through compare with different project. After making sure
superior project, though the careful calculation and check.Make design with simple
structure,credibility circulate, reasonable cost, can satisfy the teaching experiment
etc..
The presented SCARA manipulator in this paper is a pint-sized assembly robot,
where the structure of SCARA manipulator is designed. The presented SCARA
manipulator in this paper has following characters: good universality, small volume,
light weight, beautiful appearance and low cost, so the structure of robot is fully
considered which has four freedoms and is consisted of comprises base, big arm,
small arm and wrist. The simple reliable transmission scheme of SCARA manipulator
is composed of harmonic deceleration and gear wheel and feed screw. The four joints
are all driven by stepping motors, which has the characters of simple control and low
cost.
Keyword: Industrial robots Freedom Robot
目录
摘 要...............................................................I
Abstract............................................................II
第 1 章 绪论.........................................................1
第 2 章 总体方案设计..................................................3
2.1 工业服务机器手的传动系统设计 .................................3
2.1.1 机械手驱动系统的比较与选择...............................................................3
2.1.2 传动机构的对比与分析..........................................................................5
2.2 机械手总体设计方案的比较确定 .................................6
第 3 章 步进电机的选择及其校核计算...................................11
3.1 主要技术参数确定 ............................................11
3.2 各自由度步进电机的选择 ......................................11
3.2.1 第一自由度步进电机的选择................................................................12
3.2.2 第二自由度步进电机的选择................................................................13
3.2.3 第三自由度步进电机的选择................................................................13
3.2.4 第四自由度步进电机的选择................................................................14
3.2.5 第五自由度步进电机的选择................................................................14
3.3 第一自由度轴传动系统的计算与校核 ............................14
3.3.1 第一自由度轴的等效转动惯量的计算................................................14
3.3.2 步进电机 1 的校核................................................................................15
3.4 第二自由度轴传动系统计算与校核 ..............................15
3.4.1 第二自由度等效转动惯量的计算........................................................15
3.4.2 步进电机 2 的校核................................................................................16
3.5 第三自由度轴传动系统的计算与校核 ............................16
3.5.1 第三自由度等效转动惯量的计算........................................................16
3.5.2 步进电机 3 的校核................................................................................17
第 4 章 系统整体的设计与校核.........................................18
4.1 同步齿形带传动设计 ..........................................18
4.1.1 求出设计功率 ....................................................................................18
4.1.2 选择带的节距.........................................................................................18
4.1.3 确定带轮直径和带节线长.....................................................................18
4.1.4 选择带长 Lp............................................................................................19
4.1.5 近似计算中心距.....................................................................................19
4.1.6 进行标准带宽的选择.............................................................................20
4.2 各输出轴的设计 ..............................................21
4.2.1 机身输出轴设计....................................................................................21
d
P
4.2.2 大臂输出轴设计....................................................................................21
4.2.3 大臂与小臂连接轴设计........................................................................21
4.2.4 带轮轴设计............................................................................................21
4.2.5 升降轴设计............................................................................................22
4.3 滚珠丝杠副校核 ..............................................23
4.3.1 最大工作载荷计算................................................................................23
4.3.2 最大动负载 C 的计算与校核................................................................23
4.3.3 传动效率计算.........................................................................................23
4.3.4 刚度计算.................................................................................................24
4.3.5 丝杠稳定性验算.....................................................................................24
4.4 机械手机身的设计.............................................25
4.5 其他部分结构设计.............................................25
第 5 章 控制系统设计.................................................27
5.1 机器人控制的特点 ............................................27
5.2 机器人控制的分类 ............................................28
5.2.1 点位控制(PTP)机器人:......................................................................28
5.2.2 连续轨迹控制(CP)机器人:................................................................28
结 论...............................................................29
参考文献............................................................30
致谢................................................................31
第 1 章 绪论
机器人一词最早出现于 1920 年捷克作家 Karel Capek 的剧本《罗萨姆的万能
机器人》中,捷克的 Robota 意为“苦力”、“劳役”,是一种人造劳动者,英语 Robot
由此衍生而来。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、
人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术,其本质是感知、决策、行动和
交互四大技术的综合,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用
水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人工业已成为世界各国备受关
注的产业。
本文所述机械手主要指服务机械手,即具有操作机(机械本体)、控制器、伺
服驱动系统和检测传感装置,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三
维空间完成各种作业的自动化生产设备
[2]
。
20 世纪 50 年代,在自动机和自动线上出现了可以代替人力传递和装卸工件
的机械手,随后在某些危险作业领域出现了由操作人员直接控制或遥控的操作机。
工业机器手是在自动操作机基础上发展起来的一种能模仿人手臂的某些动作和
控制功能,并按照可变的预定程序、轨迹和其他要求,操纵工具实现多种操作的
自动化机械系统。
1987 年 ISO(国际标准化组织)采纳了美国机器人协会(RIA)的建议,给
机器人下了定义,即“机器人是一种可反复编程和多功能的,用来搬运材料、零
件、工具的操作机;或者为了执行不同的任务而具有可改编的和可编程的动作的
专门系统。我国国家标准 GB/T12643-97 将工业机器人定义为“ 工业机器人是一
种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机
[5]
。”
工业机械手大体按坐标形式即操作机手臂在运动时所取的参考坐标系的形
式可分为:
(1)直角坐标式 通过沿 x-y-z 三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端
执行器(手部)空间位置的改变,即沿 x 轴的纵向移动,沿 y 轴的横向移动和沿
z 轴的升降。这种机械手的位置精度高,控制无耦合,比较简单,避障性好,但
占空比大(即机器人机构所占空间与动作空间之比),灵活性较差。
(2)圆柱坐标式 通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改
变。这种机械手的位置精度仅次于直角坐标式,控制简单,避障性好,但结构庞
大,两个移动轴的设计较复杂,难与其他机械手协调工作。
(3)球坐标式 又称极坐标式。机械手手臂运动由 1 个直线运动和 2 个转动
所组成,即沿 x 轴方向的伸缩,绕 y 轴的俯仰和绕 z 轴的回转。机械手体积小,
结构紧凑,其位置精度尚可,但避障性差,有平衡问题,位置误差与臂长成正比,
能与其他机械手协调工作。
(4)关节坐标式 又称回转坐标型,分为垂直关节坐标和平面(水平)关
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omyligaga
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