机械设计制造及其自动化专业——教学机器人的设计与仿真.doc

摘 要

教学机器人作为一种先进技术的实物载体，在教学中的位置越来越重要。

它融合了造型技术、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件等众多先进技

术，可为各相关技术课程教学提供很好的教学平台。

本文在查阅了国内外相关文献资料的基础上，确定了六自由度关节型教

学机器人的总体方案，包括机器人的结构设计方案和控制方案。机器人的结

构设计由机械臂和手爪两部分组成，手爪与机械臂通过法兰盘联接，可以安

装不同的手爪以实现不同的工作任务。设计了机器人装配图和零件图，并对

驱动电机、编码器和减速器等进行了计算选型，设计校核了关键零部件。设

increasingly important. it blends technique， machinery and electronic form，

sensors and computer software ， hardware etc many advanced technology and

related technical courses for individual teaching is a better teaching platform.

In this article for the associated documents and information on the basis of

established six DOF joint type of robot to the general programme, including the

robot's structural design and control scheme. Robot design is compose of the

mechanical arms and hands, Its hand and the mechanical arms attached by flange,

you can install other hand, in order to complete the different task. Designed the

machine's assembly drawing and part drawing. After calculated，choosed the type

of drive motor and coding and gear and so on. Design and check the critical

目　　录

第 1 章 绪论∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1

1.1 课题来源及研究意义........................................................................1

1.2 国内外教学机器人发展概况............................................................1

1.2.1 国外教学机器人的发展现状..................................................2

1.2.2 国内教学机器人的发展现状..................................................3

1.3 本文的主要研究内容........................................................................5

第 2 章 教学机器人的总体方案设计∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙6

2.1 教学机器人基本技术参数的确定....................................................6

2.1.1 教学机器人结构类型的选择...................................................6

2.5 教学机器人的控制方案..................................................................13

2.5.1 控制系统总体结构.................................................................14

2.5.2 本教学机器人的控制方案....................................................14

2.5.3 关节伺服系统设计................................................................15

2.6 本章小结..........................................................................................16

第 3 章 教学机器人的运动分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙17

3.1 机器人的位姿与运动描述..............................................................17

3.2 关节型机器人的广义连杆变换齐次矩阵......................................17

3.3 运动学正解......................................................................................18

3.3.1 连杆坐标系和连杆参数........................................................18

第 4 章 教学机器人的结构设计∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙28

4.1 各关节电机、减速器和传感器选型..............................................28

4.1.1 各关节力矩估算....................................................................28

4.1.2 各关节功率估算....................................................................31

4.1.3 各关节电机、减速器等选型................................................31

4.2 各关节结构设计..............................................................................32

4.2.1 第一关节................................................................................32

4.2.2 第二关节................................................................................32

4.2.3 第三关节................................................................................32

4.2.4 手腕部分(包含小臂).............................................................35

第1章　绪论

1.1　课题来源及研究意义

教学机器人的学习是激发学生创造力的最好办法，他不仅具能示范教学，

能使学生了解机器人的基本结构和功能，更重要的是能开发学生的思维，激

发他们的灵感。在现代教育技术领域内的“教学机器”是指集机械，电子，

光学，计算机，信息技术于一体的现代化设备，比如电脑设备，投影仪，实

验设备等等。教学机器的目的是为了给学生做示范，帮助学生学习的一个辅

助性工具。

目前，随着机器人相关课程教学改革的逐步深入，一些机器人相关的课

程开设，国内一些高校加大了这方面的投入，或购买工业机器人加以改造，

基础教育，如哈尔滨工业大学研发的‘诺宝’机器人，收到了不错的效果。

但是总的来看，规模还不大，而且受到诸多因素的限制，而在这个形势下，

我所研究课题正是开发一个适于大学进行教学使用的机器人。

1.2　国内外教学机器人发展概况

机器人是近 30 年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化

生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改

善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的

一个重要内容。