L300MM智能機器小車設(shè)計【11張CAD圖紙】
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寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書所在學院機械與電氣工程學院專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班 級11機自3班 學生姓名江曉平學號1121080317指導教師張薇薇左桂蘭課 題L300MM智能機器小車設(shè)計一、畢業(yè)設(shè)計(論文)工作內(nèi)容與基本要求:(目標、任務(wù)、途徑、方法,應(yīng)掌握的原始資料(數(shù)據(jù))、參考資料(文獻)以及設(shè)計技術(shù)要求、注意事項等)(紙張不夠可加頁)1、目標與任務(wù):(1)對L300MM智能機器小車的進行設(shè)計。(2)完成 L300MM智能機器小車的設(shè)計方案擬定;動力與傳動方案的設(shè)計、計算與分析;動作執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計、計算與分析;其它設(shè)計計算與說明,設(shè)計總結(jié)。(3)用AUTOCAD 或其他軟件繪制 L300MM智能機器小車的三維模型及其主要零件圖、總裝圖。圖紙要符合國家標準。撰寫符合學院規(guī)定的論文一份。(4)完成開題報告、文獻綜述、英文翻譯等其它學院規(guī)定的相關(guān)工作。2、研究途徑與方法:(1)結(jié)合所學專業(yè)課程(如機械原理與設(shè)計,機械制造基礎(chǔ),機械制圖與CAD,微機,Pro/E等),通過查閱相關(guān)資料(查閱文獻資料不少于12篇,其中外文資料不少于2篇),完成畢業(yè)設(shè)計。 (2)查閱與本課題相關(guān)文獻,分析智能小車要完成的動作任務(wù),初步擬定設(shè)計方案, 再進行動力與傳動方案的設(shè)計、計算與分析,完成動作執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計、計算與分析; 以及其它設(shè)計計算與說明,設(shè)計總結(jié)。 3、推薦資料、參考文獻:1 徐炳輝。氣動手冊M,上??茖W技術(shù)出版社,2005.2 明仁雄,等。液壓與氣動傳動 M。國防工業(yè)出版社。2003.3 黃純穎、于曉紅、唐進元等編著,機械創(chuàng)新設(shè)計M,北京:高等教育出版社,2006.51 238.4 陸鑫盛,周洪。氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計M。上??茖W技術(shù)文獻出版社,1999.5 孫恒、陳作模、葛文杰,機械原理M,北京:高等教育出版社,2006.521. 6 陶湘廳、袁銳波、羅景氣,動機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景OL,中國傳動網(wǎng),2008.7 吳宗澤機械零件設(shè)計手冊 M北京:機械工業(yè)出版社, 2004:188199. 8 王孝華,趙中林,等。氣動元件及系統(tǒng)的使用與維修M。機械工業(yè)出版社。1996.9 袁子榮。液氣壓傳動與控制M,重慶大學出版社,2002.10 鄧克, 汪世益. 基于插裝閥的鍛造自動線機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計J. 機械設(shè)計與制造,2007.4:132-133.11 朱梅. 具有五自由度及張合氣爪的液壓機械手. 機床與液壓,2006.1:96-97.12 楊永清, 郭虹, 紀玉杰. 液壓擺動機機械手設(shè)計. 液壓與氣動,2008.1:41-43.13 Jun Wu, Jinsong Wang, Tiemin Li, et al. Dynamic analysis of the 2-DOF planar parallel manipulator of a heavy duty hybrid machine tool. Int J Adv Manuf Technol,(2007) 34:413420.14 Cinzia Amici, Alberto Borboni, Pier Luigi Magnani and Diego Pomi. Kinematic Analysis of a Compliant, Parallel and Three-Dimensional Meso-Manipulator Generated from a Planar Structure. Proceedings of EUCOMES 08:479-495.4、設(shè)計技術(shù)要求:機器小車要求能利用高于地面200mm的獨木橋(寬30mm)通過寬為600mm河道,并能拾起滾動軸承(6306),機器小車在收縮狀態(tài)時,其長寬高均應(yīng)300mm ;展開狀態(tài)時尺寸不限??刹捎镁€控、自動控制、智能控制。機器小車驅(qū)動可采用各種形式的原動機,但不允許使用人力直接驅(qū)動。5、注意事項: 所有文檔及圖紙均要符合學校相關(guān)文件的規(guī)定。二、畢業(yè)論文進度計劃序號起訖日期各階段工作內(nèi)容備注12014年9月10日2014年11月10日檢索并翻譯最新相關(guān)文獻(2篇以上英文文獻),完成文獻翻譯。閱12篇以上參考文獻,完成文獻綜述 和完成開題報告。22014年11月10日2014年12月15日L300MM智能機器小車的設(shè)計方案擬定;動力與傳動方案的設(shè)計、計算與分析;動作執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計、計算與分析。32014年12月15日2015年1月1日其它設(shè)計計算與說明,設(shè)計總結(jié)。用AUTOCAD 或其他軟件繪制 L300MM智能機器小車的三維模型及其主要零件圖、總裝圖42014年12月15日2015年2月1日完成論文初稿和圖紙并交指導老師可以網(wǎng)絡(luò)提交52015年2月1日2015年3月10日完成對論文和圖紙的修改多次修改62015年3月10日2015年4月1日畢業(yè)設(shè)計論文匯編的所有資料整理,規(guī)范化72015年4月1日2015年4月30日畢業(yè)設(shè)計全部資料電子稿提交并打印裝訂,準備答辯。三、專業(yè)(教研室)審批意見:審批人(簽字):年 月 日 工作任務(wù)與工作量要求:原則上查閱文獻資料不少于18篇,其中外文資料不少于2篇;文獻綜述不少于3000字;文獻翻譯不少于2000字;畢業(yè)設(shè)計說明書或論文1篇不少于10000字。 提交相關(guān)圖紙、實驗報告、調(diào)研報告、譯文等其它形式的成果。畢業(yè)設(shè)計(論文)撰寫規(guī)范及有關(guān)要求,請查閱寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計(論文)撰寫規(guī)范。備注:學生一人一題,指導教師對每一名學生下達一份畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書。機器人手臂集成系統(tǒng)的機械和控制問題摘要 在本文中,通過波羅尼亞大學的機械手臂系統(tǒng)的設(shè)計特點,提出一個靈巧的機械手臂操控系統(tǒng)的想法。新的機器人手臂原型,目前在設(shè)置階段。它有詳細的說明,主要是對機器人手臂的傳感設(shè)備,機械一體化和通過控制算法進行的手臂協(xié)調(diào)子系統(tǒng)進行研究,從而獲得其結(jié)構(gòu)和功能的集成。關(guān)鍵詞:機械手臂,整合,傳感設(shè)備,機械一體化,集成引言長期的整合,對定義現(xiàn)代自動化是很有意義的。這次我們的主要目標就是研究和開發(fā)一個新的機器人操作系統(tǒng),即設(shè)計的系統(tǒng)在機械人設(shè)備中實現(xiàn)。這一成就意味著可以給不同的研究領(lǐng)域提供我們的研究成果(如傳感器,執(zhí)行器,手臂的機械設(shè)計,控制理論和計算機科學)。通過新目標的定義導向結(jié)構(gòu)的兼容系統(tǒng)和協(xié)同子系統(tǒng)在子系統(tǒng)中呈現(xiàn)出的藝術(shù)狀態(tài)有很多不錯的地方,(如所闡述的機械手臂里每一種傳感器,快速和精確的機械手臂,智能執(zhí)行器等)。但似乎在這些系統(tǒng)完整并充分發(fā)展的幾個領(lǐng)域上,主機有效利用的技術(shù)解決方案,尚未實現(xiàn)。本文關(guān)注的重點是設(shè)計并實現(xiàn)一個有特定操作任務(wù)的機器人系統(tǒng):一個集成的靈巧手部和臂部的系統(tǒng)。在這種背景下,我們認為“集成”是有兩個不同的概念的:分別是結(jié)構(gòu)集成和功能集成,它們每一個都是開發(fā)過程中的重要組成部分。結(jié)構(gòu)集成中,設(shè)計方面相關(guān)問題里的合成技術(shù)將實現(xiàn)預(yù)期的部分功能。其中主要的問題是結(jié)構(gòu)的連接和協(xié)調(diào)部分,可能需要單獨的構(gòu)思和開發(fā)。為了解決相互兼容的問題,需要特意開發(fā)系統(tǒng)配置,甚至進行部分結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計。關(guān)于機器人手部和臂部的系統(tǒng),想要達到一個令人滿意的結(jié)構(gòu)整合,解決問題的關(guān)鍵是:手臂運動的定義結(jié)構(gòu)中需要最大限度的開發(fā)手靈巧,手臂和手的兼容性的設(shè)計。并安裝復(fù)合,分布式多傳感器系統(tǒng)。最后為了提高試用性,需要安裝驅(qū)動和傳動在機器人手臂上。關(guān)于第一點,主要關(guān)鍵問題是限制工作容積,注意現(xiàn)已實現(xiàn)的手的姿勢和手臂在限制區(qū)域的大小及兼容性。說到第二點,我們認為應(yīng)該更多的關(guān)注開發(fā)實現(xiàn)新傳感器和手指結(jié)構(gòu)設(shè)計所組成的集成。特別是從目前的工藝水平分析,可以得到的一些結(jié)果顯示。具體如下,1)適用與指骨或指尖的傳感器越來越多,但包括變頻元素和空調(diào)電子板中必要的絲束這類傳感器仍然是很有限的,特別是有些高密度觸覺雙曲率墊都需要高度的小型化;2)適用與手指主機分布式的機械結(jié)構(gòu)觸覺差,主要是因為開發(fā)和替代配置腱傳動征收采用了笨重配置,導致缺乏感知設(shè)備和其內(nèi)部空間。關(guān)于第三點,是安裝在手臂上的驅(qū)動的可能性和傳動系統(tǒng),集成可以極大地幫助一些發(fā)展中的執(zhí)行器更適合的被安置在機械臂中,放棄效應(yīng)器可交換性的概念,最終提供一個可以操作普遍效應(yīng)器的靈巧的手。結(jié)構(gòu)集成的加入,可以實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計的手,手腕和手臂的搜索優(yōu)化,考慮的目標不僅包括子系統(tǒng)的內(nèi)在性能,也包括一般系統(tǒng)的兼容性。功能集成的定義,包括兩個不同的方面: 應(yīng)該實現(xiàn)單一的內(nèi)部功能子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)能合作并完成任務(wù)。在單獨的組件或子系統(tǒng)層面,第一步是集成放大。如果可能的話,其活動范圍通過添加新功能那些就可以分配。充分利用其潛在的操作,是應(yīng)用程序的一個使手臂操作概念的例子。它集成了一個在中間的功能鏈接的機械臂與環(huán)境交互的能力。其鏈接并不局限于一個簡單的載體,它極大地擴大了操縱手的功能,并實現(xiàn)了整個手操縱的概念。在系統(tǒng)層面,功能集成意味著給定任務(wù)的執(zhí)行是通過多個子系統(tǒng)的同時合作,不僅僅只有通過他們的交替執(zhí)行不同部分的任務(wù)。非集成的一個典型的例子是,長期以來,機械手都用于操作任務(wù),但最近有一些例外??吹?,4,5,機器人的手,大家普遍認為是一個單獨的設(shè)備, 它只需開關(guān)命令界面的來任務(wù)執(zhí)行,期間沒有任何真正的協(xié)調(diào)。相反,來自自然界的例子展示了功能集成靈活性及其至關(guān)重要的成就:最熟練的操作任務(wù),如寫作、繪畫、縫紉等,都是通過手指和手腕或手臂本身同步協(xié)調(diào)運動來完成的。接下來,本文介紹了采用集成烏蘭巴托(博洛尼亞大學)擬人化機器人手臂的手來解決一些方案。特別是,在論文的第一部分中有關(guān)機械設(shè)計方面的結(jié)構(gòu),闡述了集成在第二個運動控制策略開發(fā),以開發(fā)系統(tǒng)的冗余來獲得合作的手部和臂部完成操作任務(wù)的過程,提出了功能集成這一貢獻及一些關(guān)于現(xiàn)在和未來計劃的活動評論和結(jié)果總結(jié)。 2集成機械設(shè)計結(jié)構(gòu)的烏蘭巴托機的手由于目前的實驗和安裝都是基于以前的經(jīng)驗,來實現(xiàn)靈巧的雙手。在發(fā)展中提出新的系統(tǒng)中自底向上的方法之后,目前的設(shè)計活動主要集中在子系統(tǒng),它使用商用擬人化的機械手, 560年美洲獅的手臂。事實上,我們所知道的第二版本烏蘭巴托的手,在目前設(shè)置階段,大都被認為只是進化的一個中間的步驟,它能逐步實現(xiàn)和驗證工具的集成問題,但不是一個確定的設(shè)計?,F(xiàn)在我們的主要目標是不惜犧牲一些性能限制來實現(xiàn)一個好的水平集成,主要是采用驅(qū)動的概念和技術(shù)。烏蘭巴托的手II已經(jīng)懷孕,在開放一些新的技術(shù),并不斷改進使解決方案變得可行。此外,選擇一些使系統(tǒng)更有吸引力的應(yīng)用程序,也會降低整體的復(fù)雜性和成本,。2.1機械手觸摸的集成設(shè)計長期以來,一個機器人的靈巧手在操縱任務(wù)上的表現(xiàn)和功能是否類似于人類的手和大小兼容性是主要預(yù)期的的條件因素之一,因此,小型化問題必須在設(shè)計階段解決。面向故意設(shè)計的子系統(tǒng)構(gòu)成的手指,必須開發(fā)以達到相應(yīng)的兼容性: 集成的傳感器必須從設(shè)計階段重視起來,計劃將它們添加到前面設(shè)計的手指結(jié)構(gòu)中并不是特困難。事實上,機械設(shè)計中零觸摸的手,可能導致很多時候,分布式傳感器應(yīng)用程序被認為是不可接受的。因為幾個子系統(tǒng)必須集成在一個手,其中涉及許多方面。在設(shè)計階段:如何將機械的鉸接結(jié)構(gòu)加入鏈接,共同驅(qū)動的電力傳輸,本體感受的傳感器,感受外界刺激的傳感器等都是需要注意的。如果有需要,可以用當?shù)氐男盘栒{(diào)節(jié)電路。采用了知覺的系統(tǒng)設(shè)計的配置有顯著的效果。例如,當只有指尖操作是必需的時候,傳感器的安裝發(fā)生在運動鏈,降低問題復(fù)雜性的設(shè)計是結(jié)束住房和相關(guān)電器的傳感設(shè)備。在這種情況下就沒有明顯的約束加到手指結(jié)構(gòu)設(shè)計中。分布式觸摸是必需的,設(shè)計中的問題是增強,提高布線和幾何干涉趾骨結(jié)構(gòu)和內(nèi)部傳播。薄層外皮的分布式觸摸可以人為安排,從而能夠減少外表面的指骨的傳感設(shè)備問題。事實上,沒有結(jié)構(gòu)性的分化必須提供鏈接,只有傳感層可以直接支持的鏈接結(jié)構(gòu)。相反,辯證變成必須采用內(nèi)在觸覺傳感概念。在這種情況下,每個手指指骨需要三個機械元素:內(nèi)部鏈接屬于鉸接結(jié)構(gòu)(框架),外部殼接觸發(fā)生可以作為應(yīng)變傳感器和連接元素。版本二世烏蘭巴托機器人的手,分布式it傳感已獲得通過。對于每個活動鏈接,一個it傳感器已經(jīng)足夠,需要九個傳感模塊分別插入三個手指,五個趾骨和一個手掌。這種感覺的設(shè)備可以滿足整個手操縱需求,即通過聯(lián)系對象執(zhí)行控制操作程序控制可用的鏈接,能找到更好手操作模式的方法。運動架構(gòu),是一種新式設(shè)計維護配置,事實證明是令人滿意的。完整對抗性的拇指在兩個手指上,手掌和手指的相對位置也被證明是有效的。它實現(xiàn)了一個偉大又多樣化的抓取模式。新的手的設(shè)計可以在三個層次進行分析,即it傳感模塊,手指組織和一般的配置的手。每個傳感模塊基本上是由六個組成轉(zhuǎn)矩微型傳感器和一個小板組成,與當?shù)乜照{(diào)電器實現(xiàn)了表面混合電路技術(shù)。傳感器的配置采用的軀體是薄壁圓柱殼,它實現(xiàn)了靈敏度和適用性小型化的優(yōu)勢。圖1:it傳感模塊參考文獻 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智能小車,也稱輪式機器人,是一種以汽車電子為背景,涵蓋控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多科學的科技創(chuàng)意性設(shè)計,一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。研究智能小車對現(xiàn)代機器人技術(shù)是有很大的幫助的。一、國外智能小車的現(xiàn)狀研究智能小車的發(fā)展現(xiàn)狀其實是和機器人的發(fā)展現(xiàn)狀是一樣的,因為機器人大致可以分為兩種,輪式機器人和足式機器人。智能小車就是輪式機器人中的一種。在國外,機器人技術(shù)應(yīng)用最多的就是制造業(yè),并且已取得了較為顯著進展,已成為一種標準設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用,從而也形成了一批在國際上較有影響力的、知名機器人公司。如德國的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。據(jù)專家預(yù)測,機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。美國和日本多年來引領(lǐng)國際機器人的發(fā)展方向,代表著國際上機器人領(lǐng)域的最高科技水平。目前,日本除了比較關(guān)注特種機器人和服務(wù)機器人以外,還注重中間件的研制。然而,近年來日本基本上在做模仿性的工作,突破性技術(shù)比較少。而美國在機器人領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)方面,一直保持著世界領(lǐng)先地位。再有,美國主要做高附加值的產(chǎn)業(yè),比如軍用機器人,目前世界銷售的9000臺軍用機器人之中,有60%來自美國。比如:美國最近研制成功的Big Dog軍用機器人,能負重100公斤,行進速度跟人相當,每小時達到五公里,還能適應(yīng)各種地形,即使是在側(cè)面受到?jīng)_擊時也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。由此可見,機器人領(lǐng)域在國外呈良好的發(fā)展勢頭。二、國內(nèi)智能小車的現(xiàn)狀研究相比于國外,我國的機器人產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)比較少,目前沈陽新松機器人股份有限公司、哈爾濱博實自動化設(shè)備有限責任公司和北京機械工業(yè)自動化研究所工程中心是三家主要生產(chǎn)基地,每家企業(yè)年產(chǎn)值相比國外企業(yè)仍有較大的差距,其中還包括一些機器人外圍產(chǎn)品,沒有形成規(guī)?;a(chǎn),規(guī)模經(jīng)濟并不突出。據(jù)資料顯示,截止2008年底我國制造業(yè)擁有31400臺機器人,國產(chǎn)的不足千臺,而且缺乏整體核心技術(shù)的突破,尤其在自動控制、精加工和材料方面,具有中國知識產(chǎn)權(quán)的機器人很少,不少關(guān)鍵元器件至今尚不能自己生產(chǎn)或者性能不高,這些因素已經(jīng)開始嚴重影響國產(chǎn)機器人做大做強步伐 。但是從制造業(yè)的發(fā)展歷程看,我國正處于工業(yè)化過程中,生產(chǎn)手段必然要經(jīng)歷機械化、自動化、智能化、信息化的變革,工業(yè)制成品也將經(jīng)歷數(shù)量、質(zhì)量、柔性低成本的發(fā)展階段,目前制造業(yè)普遍需要技術(shù)和設(shè)備升級改造,以增強競爭力,提高經(jīng)濟效益,因此,我國機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間很大研究內(nèi)容:(1)對L300MM智能機器小車的進行設(shè)計。(2)完成 L300MM智能機器小車的設(shè)計方案擬定;動力與傳動方案的設(shè)計、計算與分析;動作執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計、計算與分析;其它設(shè)計計算與說明,設(shè)計總結(jié)。(3)用AUTOCAD 或其他軟件繪制 L300MM智能機器小車的三維模型及其主要零件圖、總裝圖。研究方法、手段及步驟:根據(jù)任務(wù)書的要求及收集的資料,本課題的關(guān)鍵問題在于機械手臂的設(shè)計。搭載機械手的移動機器人本體為四輪萬向輪小車,它具備自主導航能力。在遇到物體時,可遠程控制并操作機械手抓取。車載機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)3大部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是機械臂、機械手爪與基座的總稱。驅(qū)動機構(gòu)有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。目前專用機械手采用電氣驅(qū)動方式的較多。手部安裝與手臂前端是用來抓持工件(或工具)的部件,根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式,如夾持型、托持型和吸附型等。手臂的作用是引導手指精確地抓住目標物體,并運送到所需要的位置上去,故手臂的位置需精確定位。手臂由以下幾部分組成:動作元件,帶動手臂運動的動力裝置,在本車載機械手中為兩臺直流無刷伺服電機,驅(qū)動手臂運動;導向裝置,保證手臂的正確方向及承受由于目標物體重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩;手臂,承接和承受外力作用的部件,手臂上的零部件都裝在手臂上。機械手臂的設(shè)計還需要從其自由度出發(fā),結(jié)合材料、動力、抓取的物品的形狀等方面,保證其能在特殊環(huán)境下準確的夾取指定的物品。參考文獻:1 徐炳輝。氣動手冊M,上??茖W技術(shù)出版社,2005.2 明仁雄,等。液壓與氣動傳動 M。國防工業(yè)出版社。2003.3 黃純穎、于曉紅、唐進元等編著,機械創(chuàng)新設(shè)計M,北京:高等教育出版社,2006.51 238.4 陸鑫盛,周洪。氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計M。上海科學技術(shù)文獻出版社,1999.5 孫恒、陳作模、葛文杰,機械原理M,北京:高等教育出版社,2006.521. 6 陶湘廳、袁銳波、羅景氣,動機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景OL,中國傳動網(wǎng),2008.7 吳宗澤機械零件設(shè)計手冊 M北京:機械工業(yè)出版社, 2004:188199. 8 王孝華,趙中林,等。氣動元件及系統(tǒng)的使用與維修M。機械工業(yè)出版社。1996.9 袁子榮。液氣壓傳動與控制M,重慶大學出版社,2002.10 鄧克, 汪世益. 基于插裝閥的鍛造自動線機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計J. 機械設(shè)計與制造,2007.4:132-133.11 朱梅. 具有五自由度及張合氣爪的液壓機械手. 機床與液壓,2006.1:96-97.12 楊永清, 郭虹, 紀玉杰. 液壓擺動機機械手設(shè)計. 液壓與氣動,2008.1:41-43.13 Jun Wu, Jinsong Wang, Tiemin Li, et al. Dynamic analysis of the 2-DOF planar parallel manipulator of a heavy duty hybrid machine tool. Int J Adv Manuf Technol,(2007) 34:413420.Cinzia Amici, Alberto Borboni, Pier Luigi Magnani and Diego Pomi. Kinematic Analysis of a Compliant, Parallel and Three-Dimensional Meso-Manipulator Generated from a Planar Structure. Proceedings of EUCOMES 08:479-495. 12陳伯時 主編,電力拖動自動控制系統(tǒng),第二版,北京:機械工業(yè)出版社,2000年6月指導教師意見:指導教師簽名:智能小車設(shè)計的文獻綜述L300MM智能小車設(shè)計的文獻綜述一 本課題的研究意義智能小車,也稱輪式機器人,是一種以汽車電子為背景,涵蓋控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多科學的科技創(chuàng)意性設(shè)計,一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。研究智能小車對現(xiàn)代機器人技術(shù)是有很大的幫助的。機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生了根本性的變化,讓人類的生產(chǎn)方式從手工業(yè)、機械化,走進到了自動化、智能化的新時代。近十年來移動機器人的研究已經(jīng)十分活躍,其得到快速發(fā)展主要有兩個方面的原因:1)移動機器人有著廣泛的應(yīng)用范圍,以代替人無法適應(yīng)的環(huán)境下工作,這將極大地擴展人類的生活和生產(chǎn)范圍。2)與任何一門現(xiàn)代化技術(shù)分枝一樣,其中一個最直接的因素是計算機技術(shù)的發(fā)展。計算機信息處理,存儲能力的提高,為移動機器人運行更復(fù)雜的實時控制算法創(chuàng)造了條件。這里我們所研究的小車,可以應(yīng)用到多個領(lǐng)域如礦下探測,海底檢測等。這里以礦下探測為例:現(xiàn)在我國的大部分礦產(chǎn)都是采用人工井下作業(yè)的形式進行的,這不但生產(chǎn)效率得不到保證,井下做業(yè)人員的人身安全也經(jīng)常會受到威脅。而如果應(yīng)用機器小車來進行實時的檢測、生產(chǎn)和運輸,必將大大的提高生產(chǎn)效率,其井下的探測功能也可以很大程度的降低安全問題的發(fā)生。二 本課題的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢機器人這個概念其實是最近幾十年才產(chǎn)生的。但是人類對機器人的遐想早在幾千年前就產(chǎn)生了。人類希望制造一種像人一樣的機器,以便代替人類完成各種工作西周時期,我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人,這是我國最早記載的機器人。春秋后期,據(jù)墨經(jīng)記載,我國著名的木匠魯班曾制造過一只木鳥,能在空中飛行“三日不下”,體現(xiàn)了我國勞動人民的聰明智慧。公元前2世紀,亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機器人自動機。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像,它可以自己開門,還可以借助蒸汽唱歌。1800年前的漢代,大科學家張衡不僅發(fā)明了地動儀,而且發(fā)明了計里鼓車。計里鼓車每行一里,車上木人擊鼓一下,每行十里擊鐘一下。后漢三國時期,蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”,并用其運送軍糧,支援前方戰(zhàn)爭。1662年,日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動機器玩偶,并在大阪的道頓堀演出。1738年,法國天才技師杰克戴瓦克遜發(fā)明了一只機器鴨,它會嘎嘎叫,會游泳和喝水,還會進食和排泄。在當時的自動玩偶中,最杰出的要數(shù)瑞士的鐘表匠杰克道羅斯和他的兒子利路易道羅斯。1773年,他們連續(xù)推出了自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等,他們創(chuàng)造的自動玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的。它們有的拿著畫筆和顏色繪畫,有的拿著鵝毛蘸墨水寫字,結(jié)構(gòu)巧妙,服裝華麗,在歐洲風靡一時。由于當時技術(shù)條件的限制,這些玩偶其實是身高一米的巨型玩具?,F(xiàn)在保留下來的最早的機器人是瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶,它制作于二百年前,兩只手的十個手指可以按動風琴的琴鍵而彈奏音樂,現(xiàn)在還定期演奏供參觀者欣賞,展示了古代人的智慧。19世紀中葉自動玩偶分為2個流派,即科學幻想派和機械制作派,并各自在文學藝術(shù)和近代技術(shù)中找到了自己的位置。1831年歌德發(fā)表了浮士德,塑造了人造人“荷蒙克魯斯”;1870年霍夫曼出版了以自動玩偶為主角的作品葛蓓莉婭;1883年科洛迪的木偶奇遇記問世;1886年未來的夏娃問世。在機械實物制造方面,1893年摩爾制造了“蒸汽人”,“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動雙腿沿圓周走動。進入20世紀后,機器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持,一些適用化的機器人相繼問世,1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人“電報箱”,并在紐約舉行的世界博覽會上展出。它是一個電動機器人,裝有無線電發(fā)報機,可以回答一些問題,但該機器人不能走動。1959年第一臺工業(yè)機器人(可編程、圓坐標)在美國誕生,開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元?,F(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期,其技術(shù)背景是計算機和自動化的發(fā)展,以及原子能的開發(fā)利用。自1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來,計算機取得了驚人的進步,向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展,其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機床的誕生。與數(shù)控機床相關(guān)的控制、機械零件的研究又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面,原子能實驗室的惡劣環(huán)境要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下,美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機械手,1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念,并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié),利用人手對機器人進行動作示教,機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人。現(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型(示教再現(xiàn))是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似,但外形特征迥異,主要由類似人的手和臂組成。1965年,MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。1967年日本成立了人工手研究會(現(xiàn)改名為仿生機構(gòu)研究會),同年召開了日本首屆機器人學術(shù)會。1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術(shù)會議。1970年以后,機器人的研究得到迅速廣泛的普及。1973年,辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人,它是液壓驅(qū)動的,能提升的有效負載達45公斤。隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,使機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高,移動機器人和機器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展,推動了機器人概念的延伸。80年代,將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人,這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導了機器人技術(shù)的研究和應(yīng)用,而且又賦予了機器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間,水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世,許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術(shù)(如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等)擴散和滲透到各個領(lǐng)域形成了各式各樣的新機器機器人化機器。當前與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機器人”、“網(wǎng)絡(luò)機器人”的名稱,這也說明了機器人所具有的創(chuàng)新活力。90年代以來,以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性的移動機器人控制技術(shù)和真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標志,開展了移動機器人的更高層次的研究?,F(xiàn)在機器人的應(yīng)用越來越廣,種類也越來越多,但大體上可分為輪式機器人和足式機器人。智能小車就是輪式機器人中的一種,雖然是最基本的機器人雛形,但其中已包含了大部分功能,綜合國內(nèi)外專家解釋,機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置或者叫自動化裝置,它仍然是個機器。它有三個特點:一個是有類人的功能,比如說作業(yè)功能;感知功能;行走功能;還能完成各種動作,它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作,這里一個顯著的特點,就是它可以編程,改變它的工作、動作、工作的對象和工作的一些要求。它是人造的機器或機械電子裝置,所以這個機器人仍然是個機器。但是目前還沒有一個統(tǒng)一的有關(guān)機器人定義,美國工程師協(xié)會認為機器人是計算機控制的可以編程的目前能夠完成某種工作或可以移動的自動化機械,但日本和其他國家也對機器人有不同的看法,他們認為從完整的更為深遠的機器人定義來看,應(yīng)該更強調(diào)機器人智能,所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境,能夠有學習、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。這也將是未來機器人的只要的發(fā)展趨勢。三 本課題研究的關(guān)鍵問題及方法 根據(jù)任務(wù)書的要求及收集的資料,本課題的關(guān)鍵問題在于機械手臂的設(shè)計。搭載機械手的移動機器人本體為四輪萬向輪小車,它具備自主導航能力。在遇到物體時,可遠程控制并操作機械手抓取。車載機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)3大部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是機械臂、機械手爪與基座的總稱。驅(qū)動機構(gòu)有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。目前專用機械手采用電氣驅(qū)動方式的較多。手部安裝與手臂前端是用來抓持工件(或工具)的部件,根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式,如夾持型、托持型和吸附型等。手臂的作用是引導手指精確地抓住目標物體,并運送到所需要的位置上去,故手臂的位置需精確定位。手臂由以下幾部分組成:動作元件,帶動手臂運動的動力裝置,在本車載機械手中為兩臺直流無刷伺服電機,驅(qū)動手臂運動;導向裝置,保證手臂的正確方向及承受由于目標物體重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩;手臂,承接和承受外力作用的部件,手臂上的零部件都裝在手臂上。機械手臂的設(shè)計還需要從其自由度出發(fā),結(jié)合材料、動力、抓取的物品的形狀等方面,保證其能在特殊環(huán)境下準確的夾取指定的物品。參考文獻:1 徐炳輝。氣動手冊M,上??茖W技術(shù)出版社,2005.2 明仁雄,等。液壓與氣動傳動 M。國防工業(yè)出版社。2003.3 黃純穎、于曉紅、唐進元等編著,機械創(chuàng)新設(shè)計M,北京:高等教育出版社,2006.51 238.4 陸鑫盛,周洪。氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計M。上??茖W技術(shù)文獻出版社,1999.5 孫恒、陳作模、葛文杰,機械原理M,北京:高等教育出版社,2006.521. 6 陶湘廳、袁銳波、羅景氣,動機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景OL,中國傳動網(wǎng),2008.7 吳宗澤機械零件設(shè)計手冊 M北京:機械工業(yè)出版社, 2004:188199. 8 王孝華,趙中林,等。氣動元件及系統(tǒng)的使用與維修M。機械工業(yè)出版社。1996.9 袁子榮。液氣壓傳動與控制M,重慶大學出版社,2002.10 鄧克, 汪世益. 基于插裝閥的鍛造自動線機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計J. 機械設(shè)計與制造,2007.4:132-133.11 朱梅. 具有五自由度及張合氣爪的液壓機械手. 機床與液壓,2006.1:96-97.12 楊永清, 郭虹, 紀玉杰. 液壓擺動機機械手設(shè)計. 液壓與氣動,2008.1:41-43.13 Jun Wu, Jinsong Wang, Tiemin Li, et al. Dynamic analysis of the 2-DOF planar parallel manipulator of a heavy duty hybrid machine tool. Int J Adv Manuf Technol,(2007) 34:413420.14 Cinzia Amici, Alberto Borboni, Pier Luigi Magnani and Diego Pomi. Kinematic Analysis of a Compliant, Parallel and Three-Dimensional Meso-Manipulator Generated from a Planar Structure. Proceedings of EUCOMES 08:479-495.5寧XX大學畢業(yè)設(shè)計(論文)L300MM智能機器小車設(shè)計所在學院專 業(yè)班 級姓 名學 號指導老師 年 月 日摘 要現(xiàn)代工業(yè)機器人是由目標機體,控制器系統(tǒng),傳感裝置和控制系統(tǒng)及伺服功率控制系統(tǒng)部件,是人的行動,自動化,多程序設(shè)計中,每個在三維空間中模仿可以完成機電設(shè)備類型每一項工作。工業(yè)機器人,以提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新中起著非常重要的作用。工業(yè)機器人技術(shù)結(jié)合了多學科的知識。包括機構(gòu),計算機,控制論,信息和傳感技術(shù),人工智能,仿生學。它是現(xiàn)代非?;钴S,非常廣泛的應(yīng)用的領(lǐng)域。機器人具有許多人類不具備的功能,包括快速分析環(huán)境的能力;抗干擾能力強,可以長時間,高精密工作的工作。你可以說,機器人是工業(yè)進步的產(chǎn)物,它也扮演著在今天的行業(yè)至關(guān)重要的作用。如今,機器人產(chǎn)業(yè)已成為工業(yè)國家在世界的關(guān)注。隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展,應(yīng)用工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍不斷擴大,新的要求,以提高教學機器人的教育水平,我們開發(fā)了一套實驗教學機器人演示系統(tǒng)的目的。本文介紹的發(fā)展歷史,機器人的應(yīng)用在國內(nèi)外,其很大的優(yōu)勢,提出了具體的機器人設(shè)計要求和總體方案設(shè)計的不同程度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計,計算的自由和行為;在分析了目前國內(nèi)外智能移動機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計了一種新的汽車設(shè)計L300MM智能機,雙電機通過幾個簡單的驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動,使機器人能夠在一個方向的步態(tài)可以實現(xiàn)。在與車輪的運動相結(jié)合,機器人不僅具有一般的輪式機器人動作快,簡單的控制功能,而且還具有良好的功能障礙。在本文中,這種新型的移動機器人障礙的功能進行了分析,該機構(gòu)確實走運動學分析。設(shè)計每個組件的結(jié)構(gòu),以確定每個車輪的要求驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,基于簡化車輪接觸上建立的機器人的準靜態(tài)模型的關(guān)系的地面,準靜態(tài)分析以獲得在步態(tài)狀況每個機器人用武力成員。關(guān)鍵詞:移動機器人,步態(tài),機器人;工業(yè);開車;實力VAbstractIndustrial robot is composed of goal of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, is a kind of to imitate human operation, automatic control, but many programming, to every kind of operation Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial robot to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial robot technology combines multiple subject knowledge. Contains the mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics. It is very active, very broad application of the field.The robot has a lot of people do not have, including rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. The robot can be said is a product of industrial progress, it also plays a vital role in todays industry. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry.With the rapid development of robot technology, is constantly expanding the scope of application of industrial robots, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching education level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system.This paper expounds the developing history of robots, the application status at home and abroad, and its great superiority, proposed the design requirements of concrete and the concrete structure calculation design, overall design and various degrees of freedom;Based on the analysis of domestic and international research status of the intelligent mobile robot, this paper designed a new type of mobile robot structure - the wheel drive system and the movement mechanism of combining in walking, driving the two motors, through some simple transmission mechanism, so that the robot can realize single direction gait. At the same time with the movement of the wheels, the robot not only has the characteristics of mobile speed fast, simple control of wheeled robot obstacle crossing ability, also has the good. This paper analyzes the obstacle function of this new mobile robot, and the walking mechanism kinematic analysis. In order to each component design structure, determine the driving torque of each wheel is required, based on simplifying the wheel and the ground contact relationship, establish the quasi static model of the robot, quasi static analysis is carried out, so as to obtain the stress state of the robot components in the gait motion at.Keywords: mobile robot, gait, the robot industry; transmission; strength目 錄摘 要IAbstractII目 錄IV第1章 緒論11.1 機器人概念11.2 課題研究的背景和意義11.3 國內(nèi)機器人的研究21.4國外研究現(xiàn)狀41.5機器人的發(fā)展及技術(shù)51.5.1 機器人的發(fā)展51.5.2 機器人技術(shù)51.6 本文主要研究內(nèi)容6第2章L300MM智能機器小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計72.1機器人工程概述72.2 工業(yè)機器人車體機構(gòu)方案論述82.3 小型智能移動機器人車體結(jié)構(gòu)機械傳動原理8第3章L300MM智能機器小車各部分設(shè)計113.1 移動機器人車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計113.2 電機的選型與計算123.3 抓取機構(gòu)的設(shè)計143.4 軸的設(shè)計計算193.4.1按扭轉(zhuǎn)強度計算193.4.2按彎扭合成強度計算193.4.3軸的剛度計算概念203.4.4軸的設(shè)計步驟203.5各軸的計算213.6軸的設(shè)計與校核233.7 軸承的設(shè)計及校核243.7.1軸承種類的選擇243.7.2深溝球軸承結(jié)構(gòu)243.7.3軸承計算26第4章 整體車體結(jié)構(gòu)設(shè)計284.1 小車行走結(jié)構(gòu)設(shè)計284.1.1車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇284.1.2小車驅(qū)動電機功率的確定294.2 蝸桿副的設(shè)計計算324.2.1 蝸桿的選型324.2.2 蝸桿副的材料324.2.3 按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計324.2.4 蝸桿和蝸輪的主要計算參數(shù)和幾何尺寸354.2.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度364.3 車輪部位電機選擇364.4 本章小結(jié)37總結(jié)與展望38參 考 文 獻39致 謝40 第1章 緒論第1章 緒論1.1 機器人概念機器人(Robot)是自動執(zhí)行工作的機器裝置。機器人(機械手)的工作,機組自動執(zhí)行。它是一種先進的綜合控制理論,機械,電子,計算機,材料和仿生學的產(chǎn)物。在工業(yè),醫(yī)學,農(nóng)業(yè),建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域具有重要用途。機器人技術(shù)是近50年來迅速發(fā)展的代表,機械和電子控制系統(tǒng),生產(chǎn)工具的自動化程度高。在制造業(yè),工業(yè)用機器人技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。其自動化程度高,改善工作條件,以確保產(chǎn)品質(zhì)量,提高工作效率,起到了非常重要的作用。你可以說他是現(xiàn)代工業(yè)的一次技術(shù)革命。機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品,仿人機器人是機器人研究的熱點領(lǐng)域。研究人形機器人需要機械,電子,信息理論,人工智能,生物學和計算機知識,和許多其他學科的結(jié)合,但其發(fā)展也促進了這些學科的發(fā)展。機器人是一個人形機器人。1959年,世界上第一臺工業(yè)機器人的誕生,一個機器人創(chuàng)建一個新的發(fā)展時代。隨著科學技術(shù)的研究和應(yīng)用類人機器人快速發(fā)展的發(fā)展。世界著名機器人專家,在日本早稻田大學教授加藤一郎說:“其中一個機器人應(yīng)該有能力的最大的特點?!钡姆绞?,其中,腳是自動化程度最高,最復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛迪生曾經(jīng)說過這樣一句話:“上帝創(chuàng)造了人,兩條腿是最美妙的杰作。”系統(tǒng)環(huán)境要求極為豐富的動力是非常低的,無論是在地面上,還對非結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地面上,有一個很好的對環(huán)境的適應(yīng)性。與應(yīng)用拓展機器人功能開辟了無限廣闊的前景。機器人的原因和目的,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:希望開發(fā)出一種機制,使他們能夠在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中工作的人,或延伸和擴展人類活動的領(lǐng)域,而不是;希望有更多的了解和掌握人的特點和使用這些功能的人性化服務(wù),如:假肢。具有豐富的動力系統(tǒng),這方面的研究可以擴大研究力學和機器人;機器人可以用作一個智能機器人玩人工智能中起重要作用。1.2 課題研究的背景和意義由于現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,無論是在工業(yè)生產(chǎn)或人類的生命,機器人技術(shù),已被廣泛使用。智能人形機器人是符合近年來科學家們的工作方向。人形機器人是人類的模式,它可以按照人的各種動作和與人類的外部特征。機器人管家做夢也不會想到未來。根據(jù)不同的機器人的結(jié)構(gòu)時,機器人也可分為不同的類別。輪式移動機器人,履帶機器人,機器人,機器人的行走,等等。值得一提的是,步行機器人,他是近年來的一項重要成果,人形機器的研究。它的動作最喜歡的動物,甚至人類可以談。這是復(fù)雜的運動的自動化程度非常高。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式機器人相比,其對環(huán)境的適應(yīng)性更強。能夠在狹小的空間,如履平地在不平的道路,上下樓梯等工作。不久的將來,這種技術(shù)將被廣泛使用。在機器人研究,生產(chǎn),使用計算機設(shè)計仿真機器人的是一個非常重要的過程。機器人仿真模型包括零件,零件裝配,最終的運動模擬。通過模擬,設(shè)計人員可以很直觀地觀察每個身體運動的情況,知道有沒有出現(xiàn)干擾;可以知道的各種組件的力,繪制各種模擬數(shù)據(jù)。這種方法大大節(jié)省開發(fā)時間和成本。 1.3 國內(nèi)機器人的研究工業(yè)機器人應(yīng)用在很長的歷史在日本。在七十年代時所應(yīng)用的第一臺工業(yè)機器人,再經(jīng)過幾十年的發(fā)展,在八十年代時,工業(yè)機器人已經(jīng)得到普及。他們相應(yīng)年度的工業(yè)產(chǎn)值也已迅速增加。達到一hundred十億日元的1980年,到1990年上升到六百十億日圓。在2004年已達到18500億日元。示出的工業(yè)機器人在提高生產(chǎn)效率方面的重要性。在國際層面,國家已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)機器人的重要性。因此,迅速崛起為工業(yè)機器人的訂單。 2003年的訂單相對量到2002年增長了10。從那時起,對工業(yè)機器人的需求仍在上升。從2001年到2006年,全球訂單增長達9萬多臺。 7的年增長率。國際工業(yè)機器人的發(fā)展方向:機器人涉及到的知識和非常多學科領(lǐng)域。它包括:一臺計算機,電子,控制,人工智能,傳感器,與所述網(wǎng)絡(luò),控制,機械等的通信。機器人的發(fā)展是從這些學科的發(fā)展是分不開的。這是因為相互影響,各學科的綜合集成,以創(chuàng)建自動化和人民高度。隨著科學技術(shù)的進步,機器人必須在應(yīng)用更廣泛的范圍;技術(shù)已經(jīng)越來越多地被提起,更強大?,F(xiàn)在,它是機器人研究的小型化。機器人將更加融入人們的日常生活??偟内厔菔悄K化的開發(fā),標準化,更智能。廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人,以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,保護人員的安全,改善工作環(huán)境,減輕勞動強度,提高生產(chǎn)效率,節(jié)約原材料消耗,降低生產(chǎn)成本,起到了非常重要的作用。工業(yè)機器人被廣泛使用,以體現(xiàn)以人為本的原則,它的出現(xiàn)使人們的生活更加方便,美觀。家用機器人的研制工作起步較晚,我國從上世紀80年代就開始研究并在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用。 1986年,該國在1987年推出了“規(guī)劃綱要”的機器人研究計劃,中國的“863”高科技計劃機器人技術(shù)研究和開發(fā)包括在內(nèi)。目前,中國從事機器人技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)單位主要是高校和科研院所等。我們研究的主要目的原本是機器人是跟蹤國際先進的機器人技術(shù),然后取得了一定的成績。哈爾濱工業(yè)大學自1986年起,開始研究機器人的,靜態(tài)的雙足機器人HIT-I,高110厘米,體重70kg的第一個研制成功,擁有10個自由度,在地面上,以實現(xiàn)前進,左,右側(cè)線以及運動,上下樓梯,邁開45厘米,10秒/步,后來的步伐研制成功的HIT-II和HIT-III,體重42千克,身高103厘米,擁有12個自由度,實現(xiàn)了步長24厘米,2.3每步的步伐。目前正在對HI第四機器人下開發(fā)的,該主體可具有52個自由度,這是在移動速度方面優(yōu)越,以及平衡前四名機器人3-7。國防科技大學于1988年的春天,成功開發(fā)了6-DOF平面雙足機器人KDW-1,它可以前進,后退,上下樓梯,最大步幅40厘米,每秒4步的步伐, 1989年開發(fā)了空間型KDW-II,擁有10個自由度,高69厘米,體重13千克實現(xiàn)退,上下樓梯和周圍的準靜態(tài)穩(wěn)定性動態(tài)。 1990年增加KDW-II平臺兩縱縫,發(fā)展成KDW-III,有12個自由度,具有轉(zhuǎn)彎功能,實現(xiàn)了全面的實驗室環(huán)境。 1995年,實現(xiàn)動態(tài)的,每步的速度0.8,步長20cm22厘米,13度的最大坡度。 KDW-III對中國第一人形機器人“狀元”的成功的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,到2000年底,在不確定的環(huán)境下動態(tài)的,小的偏差,達到每秒兩步周期,高1.4米,重20kg,有一個頭,眼睛,頸部,身體,手臂,腳,并具備一定的語言功能8-13。此外,清華大學正在開發(fā)一種人形機器人THBIP-I,高1.7米,體重130千克,32個自由度,與清華大學的支持下,985計劃,項目進展。南京航空航天大學開發(fā)了一個8-DOF太空機器人,靜態(tài)函數(shù)13,14。本文擬從“首屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”的機器人。目前,主要是在輪式機器人的形式來實現(xiàn)的功能的階段。真正模擬人類的機器人的腿不是很多,雖然有些六足,四足機器人的出現(xiàn),但機器人尚不多見。我們的主題,探索設(shè)計巧妙單獨的機械設(shè)備和簡單的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人機器人的仿真。其子功能:交替步腿,搖搖頭,擺臂,擺臂。1.4國外研究現(xiàn)狀人類和動物的運動原理的第一個系統(tǒng)研究是邁布里奇,他發(fā)明的攝像機,一個獨特的,那就是,一組電觸發(fā)的攝像頭,并于1877年成功地拍了許多照片獸和連續(xù)運行。后來,這種方法已經(jīng)用于研究人體運動使用相機Demeny。從20世紀30年代到50年代,蘇聯(lián)伯恩斯坦還從生物動力機制,人類和動物進行深入研究的角度來看,并就運動非常形象化的描述。真正全面的研究,在系統(tǒng)啟動開展機器人20世紀60年代。到目前為止,只有形成了一套比較完整的機器人系統(tǒng)的理論,并在一些國家,如日本,美國和前蘇聯(lián)成功研制能夠靜態(tài)或動態(tài)的原型機器人。在本節(jié)中,我們介紹了球隊60年1985年這段時期,在實現(xiàn)了機器人領(lǐng)域最重要的進展。在20世紀60年代和70年代,機器人控制理論的研究生產(chǎn)三種非常重要的控制方法,即有限狀態(tài)控制,模型參考控制和算法控制。這三種控制方法適用于各種類型的機器人。國家控制是通過在1961年做出的模型參考控制法恩斯沃思在1975年由美國南托莫維奇限制,而控制算法是南斯拉夫著名米哈伊爾羅馬尼亞研究所機器人鮑賓專家Vukobratovic博士學習要求1969年至1972年主動。有這三種控制方法之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。基本上是參考模型控制的有限狀態(tài)控制采樣,而算法是案件的控制中心1。在步態(tài)的研究,蘇聯(lián)Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”,Kugushev和Jaro-shevskij定義的自由步態(tài)。既步態(tài)不僅適應(yīng)而且適應(yīng)多足機器人。其中,步態(tài)是在步態(tài)的規(guī)則方面相對自由。如果地面很粗糙,所以在機器人,下一步應(yīng)放在哪里的腳,它不能根據(jù)步驟考慮一個固定的順序,但這樣登山,是由一個確定應(yīng)該去步步一定的優(yōu)化準則,這就是所謂的步態(tài)自由。在機器人的穩(wěn)定性的觀點出發(fā),Hemami等人的美國已提出的系統(tǒng)的倒置(倒立擺)的換能器,其可以被解釋為在換能器存在的問題的向前運動的穩(wěn)定性和控制的簡化模型。此外,為了減少的控制的考慮,Hemami,誰也制作的機器人的“降低模式”復(fù)雜的問題進行了研究。早些時候,我們指出Vukobratovic也人形系統(tǒng)能量分析,但他僅限于出口的每一個關(guān)節(jié),隨著時間的推移,整個系統(tǒng)變化的力量,并沒有過多參與優(yōu)化能源消耗的問題。但是在他的研究中,Vukobratovic得出一個有用的結(jié)論,即平滑的姿態(tài),該系統(tǒng)的較少人功耗。1.5機器人的發(fā)展及技術(shù)1.5.1 機器人的發(fā)展1940年代,隨著遠程操縱和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn),對機器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。 20世紀60年代的美國ConsolidatedContr01公司開發(fā)的第一個機器人原型,并成立了Unimation公司,生產(chǎn)為Unimate機器人定型。自1970年以來,工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,機器人技術(shù),逐步發(fā)展成為一家專業(yè)的學校,哈爾濱工程大學碩士論文10。 1970年,在機器人的第一次國際會議在美國召開。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,上百種不同的結(jié)構(gòu),不同的控制系統(tǒng),機器人用于不同的目的已經(jīng)進入了實用階段。目前,雖然機器人的定義是尚未統(tǒng)一,但一般認為,經(jīng)歷了四代機器人,以便從低到高的發(fā)展。第一代機器人,主要是指只對“教 - 再現(xiàn)”的機器人的方式,這要靠人來給定的程序,重復(fù)的各種操作。目前,各種類型的工業(yè)機器人大多屬于第一代機器人。第二代機器人是機器人具有傳感器反饋功能,它可以得到的工作環(huán)境中,簡單的操作對象的信息通過計算機處理,分析,并確保該機器人已按照推理的程序被編程,操作反饋控制,性能低級別的情報。目前,第二代機器人的研究主要集中在實際應(yīng)用和普及。第四代機器人是指環(huán)保意識,并能夠使自主機器人自主決定。它具有多種感知功能,可以是復(fù)雜的邏輯思維,判斷決策,在工作環(huán)境中能夠獨立行動。第四代機器人,也稱為智能機器人,并且機器人已成為學術(shù)研究的焦點,但仍處于探索實驗室階段。機器人技術(shù)已成為焦點和科學技術(shù)研究與應(yīng)用的重點,并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)中逐步發(fā)揮作用顯著。可以預(yù)測,機器人將在21世紀的社會生產(chǎn)和生活中扮演更重要的角色。1.5.2 機器人技術(shù)機器人技術(shù)是一個迅速發(fā)展和高度集成的前沿,在廣泛的領(lǐng)域,專注于機械工程,電氣與電子工程,計算機工程,自動控制工程,生物科學和人工智能等學科的最新研究成果,代表了最新成果在機電一體化。機器人充分體現(xiàn)人與機器的各自的長處,它具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用比常規(guī)機器。機器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會的進步,科學技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工具的必然演變的需要。目前,機器人和自動化裝備的關(guān)注,在國內(nèi)外已成為高新技術(shù)的應(yīng)用,同時也以驚人的速度向海洋,航空,航天,軍工,農(nóng)業(yè),服務(wù),娛樂等的滲透領(lǐng)域。目前,雖然機器人的能力仍然是非常有限的,但它正在迅速增長。隨著各學科和社會需求的發(fā)展,機器人也出現(xiàn)了許多新的方向和趨勢,如網(wǎng)絡(luò)機器人,虛擬機器人,機器人合作,微型機器人和機器人。1.6 本文主要研究內(nèi)容第1章 緒論 主要介紹機器人的相關(guān)知識和本課題研究的任務(wù)和要求.第2章 總體方案設(shè)計,介紹該機器人各部分的相關(guān)知識和總體設(shè)計.第3章 機器人各部分設(shè)計的介紹第4章 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計41第2章L300MM智能機器小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計2.1機器人工程概述從系統(tǒng)功能的觀點考慮來看,將被看作是一個復(fù)雜的機器是一個系統(tǒng),可根據(jù)有機地聯(lián)系在一起的某些規(guī)則它由若干個子系統(tǒng),是一個不可分割的整體。如果系統(tǒng)是一個特定的功能作為一個整體的開放,則損失。因此,在一個更復(fù)雜的機器的設(shè)計中,從機器系統(tǒng)的概念出發(fā),該系統(tǒng)應(yīng)具有以下特征:總共機械系統(tǒng)(1)由多個子系統(tǒng)的整體不同整體性能的應(yīng)具有的特定功能。(2)內(nèi)的相關(guān)系統(tǒng),有機效果子系統(tǒng)之間的有機聯(lián)系,具有一些相互關(guān)聯(lián)的特征。(3)每個系統(tǒng)的目的,應(yīng)具有系統(tǒng)的一個明確的目的和功能,結(jié)構(gòu),各子系統(tǒng)的系統(tǒng)的組合取決于該系統(tǒng)的用途和功能。(4)對環(huán)境的適應(yīng)性存在于任何系統(tǒng)中的一定的環(huán)境中,必須能夠適應(yīng)變化的外部環(huán)境。因此,當機器人的設(shè)計,機器人系統(tǒng)不僅要注意的各種成分的組成,部件的設(shè)計,但是應(yīng)當基于的觀點系統(tǒng)工程一點,根據(jù)機器人的功能要求,將形成的組成部分機器人系統(tǒng)的各種子系統(tǒng),合理部分組合,設(shè)計和適合于機器人的運作需要優(yōu)良性能的產(chǎn)品。在更復(fù)雜的工業(yè)機器人系統(tǒng)通常包括以下內(nèi)容:操作機,它是在完成機器人本體的任務(wù),其中包括基體,手臂,手腕,末端執(zhí)行器和其他的機構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng),它包括一個傳動系作為驅(qū)動的動力源,驅(qū)動單元,伺服驅(qū)動系統(tǒng)由各種傳輸部件及其部件??刂葡到y(tǒng),該系統(tǒng)包括一個電子控制裝置(計算機或其它可編程的編輯控制裝置)具有計算,存儲能力,人 - 來自各種傳感器的放大,傳輸和輸入加工機接口設(shè)備(鍵盤,示教盒等),信息裝置,傳感器,離線編程,設(shè)備I / O通信接口,內(nèi)部和外部的傳感器,以及其它通用或?qū)S玫耐鈬O(shè)備14。工業(yè)機器人的特征在于,它的多功能性在功能和重新調(diào)整柔性,工業(yè)機器人,從而可以有效地應(yīng)用到柔性制造系統(tǒng)來完成的部件或材料,組件或其它操作的轉(zhuǎn)移。在柔性制造系統(tǒng),其基本工藝設(shè)備(如數(shù)控機床,鍛造,焊接,裝配等的生產(chǎn)設(shè)備),輔助設(shè)備,控制設(shè)備和工業(yè)機器人在一起以形成多種不同形式的工業(yè)用機器人技術(shù)來復(fù)雜的工業(yè)機器人系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)生產(chǎn)部門,如生產(chǎn)建筑,采礦,交通運輸和其他參考文獻的機器人系統(tǒng)也是如此。2.2 工業(yè)機器人車體機構(gòu)方案論述負載大小的確定主要是考慮機器人各運動方向確定沿著運動的主要考慮的方向在機器人機械接口力和扭矩載荷的大小。這應(yīng)包括在機器人末端的重量,重量和爬行指定速度和工件或作業(yè)對象,的加速度的條件下實施,例如所產(chǎn)生的慣性力。由設(shè)計參數(shù)的初步估計的設(shè)計表明,這樣的設(shè)計可能屬于一個小的負載。驅(qū)動模式由于伺服電機具有良好的控制性能,控制的靈活性,使的速度,位置的精確控制,存在對環(huán)境,體積小,效率高,適合于高要求的運動控制,以及小機器人等特性沒有影響,所以這種設(shè)計使用一個伺服電機驅(qū)動(D)傳動設(shè)計機器人齒輪盡可能要緊湊,重量輕,慣性和小尺寸的時刻,驅(qū)動鏈應(yīng)考慮采取措施,以消除在為了提高機器人控制精度的運動和位置的間隙。經(jīng)常使用的機器人機械傳動機構(gòu)都因為齒輪具有效率高,傳動比準確,結(jié)構(gòu)緊湊,可靠的齒輪,蝸輪,滾珠絲杠,同步帶傳動,鏈傳動,行星齒輪,諧波傳動齒輪鋼等,使用壽命長等優(yōu)點,學習掌握更扎實的大學,所以這個設(shè)計選擇齒輪。(D)的工作范圍工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)用機器人的操作過程操作范圍和軌跡確定的,以代表的工作空間。工作區(qū)的形狀和尺寸會影響機器人坐標,尺寸和長度的變化范圍的機械結(jié)構(gòu)和度每個操縱臂的自由的數(shù)目和關(guān)節(jié)軸角度選擇的各關(guān)節(jié)軸(V)的速度機器人操作器臂的每一次移動之后最大行程被確定,根據(jù)該周期的定時,以確定每個操作的時間,可以進一步確定每個動作的速度,用米/秒或()/ s的分配給考慮各種因素,諸如循環(huán)時間的每個動作序列之間的總長度的每個動作的時間進行順序地或同時等。每名候選人做時間的作用,通過比較,除了要考慮工藝要求的工作時間分配議案,分配計劃表中,我們還必須考慮慣性和旅行的大小,驅(qū)動和控制,定位和精度要求。2.3 小型智能移動機器人車體結(jié)構(gòu)機械傳動原理四個輪子著地。因為總有四個輪子接觸地面時,甚至行走速度較慢,可以保證整個身體的穩(wěn)定性。此外,所有的四個車輪,在當機器人是在地面上的同時,可以通過一個伺服馬達驅(qū)動并驅(qū)動每個輪上的每個車輪來實現(xiàn)機器人向前,向后和轉(zhuǎn)向。使用驅(qū)動馬達和車輪一體結(jié)構(gòu),即電動車輪結(jié)構(gòu)。在車輪的部分和結(jié)配備轉(zhuǎn)向連桿機構(gòu)用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。中央控制單元被設(shè)置在車體上,以實現(xiàn)電動機操作的控制。因此,第一部分的結(jié)構(gòu)的一個驅(qū)動,減速,驅(qū)動和監(jiān)視在一個位置,從而降低了傳輸鏈路和體重,提高了系統(tǒng)的效率和可靠性的六個輪子。請考慮使用自主導航控制模式和遠程控制相結(jié)合的模式。該車有一個傳感器和視覺系統(tǒng),導航系統(tǒng),控制系統(tǒng),機器人技術(shù)本身具有一定的自主導航能力,自動防撞可以實現(xiàn)的。在同一時間的視覺系統(tǒng)的可視內(nèi)容可以通過一個無線系統(tǒng),遠程控制功能被發(fā)送到遠程設(shè)備。機器人自帶的電池和其他能源設(shè)備,可以自動的能源供應(yīng)一定期限,以保證機器人的情況下,外部電源損耗自動返回出發(fā)。對應(yīng)于人體的肌肉的機器人驅(qū)動元件的作用。為了完成預(yù)定的操作時,機器人必須具有前進驅(qū)動和轉(zhuǎn)向驅(qū)動單元,這是一個關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在所有的驅(qū)動元件中,電機是最常用的機器人驅(qū)動器。目前,很多仿生機器人也很有用液壓元件,氣動元件和一些特殊材料,使驅(qū)動器。在本文中,使用電機作為全新的智能移動機器人的驅(qū)動元件。用于電機,以便精確控制,使機器人的精確移動。目前,該電動機驅(qū)動裝置被主要設(shè)置在以下兩個方面:“(1)重點驅(qū)動器。即,驅(qū)動馬達布置在車體上由驅(qū)動裝置,所述功率輸出到每個車輪,車輪的運動。 EV是一個典型的集中式驅(qū)動器。智能移動機器人,集中驅(qū)動的方式是不恰當?shù)?,主要是由于其難以捉摸的自由轉(zhuǎn)向精確定位人體。(2)集中控制 - 驅(qū)動器的分布。這是每個驅(qū)動輪設(shè)置電機,驅(qū)動器或方向盤運動。馬達被安裝在車體上,由中央控制裝置,以控制其旋轉(zhuǎn)速度。這種結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),有利于發(fā)揮牽頭機構(gòu)的運動性能。目前國家空間探測車都采用這種驅(qū)動器。該方案采用集中控制 - 分布式驅(qū)動。輪轂和前驅(qū)動電機一體成型的結(jié)構(gòu),即電動輪。輪和支架的連接,安裝轉(zhuǎn)向電機,驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。機器人的速度和攀登障礙物能力的輪子的直徑有顯著影響。使用相同的馬達,車輪直徑增大時,速度會增加,而機器人是兩者之間的線性關(guān)系。此外,在根據(jù)車輛的理論分析,車輪直徑增加能顯著提高機器人障礙物的能力。然而,一個較大直徑的輪,而輪表面遭受電動機轉(zhuǎn)矩下降。根據(jù)地面車輛力學,剛性車輪寬度寬,較小的車輪的土壤塌陷的量,土壤板結(jié)的更多的阻力。然而,更寬的后輪,機器人轉(zhuǎn)向阻力也變大。另外,增加的車輪寬度比的增加更有效地減少到壓實的阻力車輪的直徑。因此,你必須設(shè)置的實際情況,輪子直徑和寬度,而不是盲目加大輪直徑和寬度。第3章L300MM智能機器小車各部分設(shè)計3.1 移動機器人車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計在車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計過程中,主要考慮了以下模型,如2.2圖所示。由圖可以看出,模型 a 結(jié)構(gòu)簡單,但是車輪與地面接觸面積小,可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象,且對電機軸形成一個彎矩,容易對電機軸造成破壞。模型 b 采用電機內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu),增大了車輪與地面接觸面積,減小了打滑現(xiàn)象,但電機固定比較困難。綜合兩種模型的優(yōu)缺點,設(shè)計如圖2.3,圖2.4中所示結(jié)構(gòu),將電機內(nèi)嵌在車輪內(nèi)部,既增大車輪與地面的接觸面積,又縮短了整個結(jié)構(gòu)的軸向距離。為了保持輪子受力平衡使整個機構(gòu)可以平穩(wěn)運動,將輪子設(shè)計為兩個一組來實現(xiàn)。 圖2.2 旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖采用了一個深溝球軸承作為徑向支承,一方面避免了車輪對電機產(chǎn)生彎矩;另一方面保證了車輪的剛度。軸承外圈與車輪內(nèi)表面配合,由于內(nèi)圈并不能與電機直接配合,設(shè)計了一個電機殼結(jié)構(gòu),作電機和軸承的連接。 圖2.4 旋轉(zhuǎn)部分機構(gòu)圖3.2 電機的選型與計算a.電機性能的比較在機器人的驅(qū)動器一般采用以下幾種電機:直流電機、步進電機和舵機。幾種電機有關(guān)參數(shù)進行如表 2.1 所示。表2.1 幾種電機比較電機類型優(yōu) 點缺 點直流電機容易購買型號多功率大接口簡單轉(zhuǎn)速太快,需減速器電流較大較難與車輪裝配價格較貴控制復(fù)雜(PWM)步進電機精確的速度控制型號多樣適合室內(nèi)機器人的速度接口簡單價格便宜功率與自重比小電流通常較大外形體積大較難與車輪裝配,負載能力低功率小步進電機作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),得到了越來越廣泛的應(yīng)用,進入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進電機雖然有一些不足,如啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn),停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖,且一般無過載能力,往往需要選取有較大轉(zhuǎn)距的電機來克服慣性力矩。但步進電機點位控制性能好,沒有積累誤差,易于實現(xiàn)控制,能夠在負載力矩適當?shù)那闆r下,以較小的成本與復(fù)雜度實現(xiàn)電機的同步控制。電機的選型與計算對于本課題來說,移動機器人的移動速度最高為 0.5 米/秒,電機轉(zhuǎn)數(shù)最高接近 100 轉(zhuǎn)/分。如果用直流電機,由于受轉(zhuǎn)速和力矩的影響,要配減速器。而如果用步進電機,控制位置精度比較高可以達到 1.8 度。而且不需要減速器避免造成結(jié)構(gòu)冗繁。因此選擇步進電機作為驅(qū)動電機。下面對旋轉(zhuǎn)步進電機型號進行選擇,輪式移動機器人在移動的時候,需要克服兩種阻力:摩擦力和重力。對于平面內(nèi)移動的機器人來講則只需要克服摩擦力。帶有機械臂的全方位移動機器人整體重量在 20Kg左右,地面摩擦系數(shù)按金屬與混凝土之間的取為 0.5,則機器人需要的總功率為:則平均每組車輪提供的功率為25 瓦。對于單個車輪而言: (2-1)車輪直徑為 110mm,則電機需要提供的轉(zhuǎn)矩為: (2-2)因此,選擇了北京和利時公司的 57BYG250E-0152 型號電機。靜轉(zhuǎn)矩為 1.5 NM 。該電機在相近產(chǎn)品中具有在轉(zhuǎn)速變高一定范圍內(nèi)能夠保持平穩(wěn)的力矩。其力矩隨轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下圖2.12所示。 圖2.12 電機轉(zhuǎn)矩圖下面選擇轉(zhuǎn)向電機,機器人對轉(zhuǎn)向速度要求較低,對位置精度比較嚴格,選用步進電機可以滿足設(shè)計要求。轉(zhuǎn)向電機主要是使車輪實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn),克服地面摩擦力,要求的轉(zhuǎn)速不高,因此主要計算電機靜力矩。在這里我們假設(shè)每個車輪與地面的接觸按照理想狀態(tài)即相切線接觸,那么平均每個車輪的摩擦力為: (2-3)由于車輪是零半徑回轉(zhuǎn),所以克服的摩擦力矩為: (2-4)式中單個車輪的寬度設(shè)計車輪與地面接觸總寬度為60mm,即所以克服的力矩為 0.368 。實際上車輪不是與地面呈線接觸,保證一定余量,選擇電機型號為 57BYG250B-SASRM-0152,靜力矩為 1.4 。下面是所選電機的外形尺寸。3.3 抓取機構(gòu)的設(shè)計a.驅(qū)動方式的選擇機械驅(qū)動裝置,并提供了許多方法,如電機驅(qū)動,液壓驅(qū)動,氣動驅(qū)動,各種驅(qū)動模式都有其自身的特點,在液壓和氣動工業(yè)機器人驅(qū)動的應(yīng)用是非常廣泛的,有些是在同一時間使用各種機器人驅(qū)動的,這取決于由所述機器人設(shè)置的特性和要求而有所不同。比較這些驅(qū)動模式中,驅(qū)動模式,用于選擇一對移動機器人。電動機驅(qū)動機器人,以避免壓力能量轉(zhuǎn)換成中間部分,其效率比液壓和氣動驅(qū)動更高。汽車電機系統(tǒng),轉(zhuǎn)速表,編碼器和制動器總成又將在主題處理,使得整個電氣系統(tǒng)體積小,可靠性和多功能性也得到了很大的提高。此外,該馬達是根據(jù)脈沖數(shù)來計算與脈沖等效距離運行馬達,輸入到計算機中的數(shù)據(jù),就可以實現(xiàn)非常高的精度的位置和方向。液壓和氣動驅(qū)動系統(tǒng)機構(gòu)笨重,不便維護,大液壓源和所述源設(shè)備的體積,對于移動機器人的問題也不能為移動機器人手臂動作的位置精度要求的機械,液壓和氣動驅(qū)動也難以滿足。綜上所述,本文選擇以驅(qū)動馬達行駛模式的機器人。b.傳動方式的選擇傳輸方式是實現(xiàn)這兩個能量轉(zhuǎn)移等功效,其主要功能是指:分布和能量轉(zhuǎn)移;運動變化的形式;變化速度。機械傳動的主要傳動裝置,常用的有皮帶傳動,鏈傳動,齒輪和蝸輪傳動等。根據(jù)機器人結(jié)構(gòu)的實際情況選擇齒輪。機械傳動齒輪是最廣泛使用的類驅(qū)動器。其傳動效率高,根據(jù)正常的潤滑效率高達99以上;比常數(shù),具有恒定的瞬時傳動比,它可以應(yīng)用到高速傳輸;緊湊,因為占用的空間小相同的條件下;可靠,使用壽命長。手指設(shè)計會通過把持在這里的對象的平移運動的方式將被一起使用與螺桿軸和齒輪對作為傳輸機制來完成的機制,所要求的功能的前端。使用這兩種結(jié)構(gòu)的整個端體積小,重量輕。c.手指的設(shè)計操作和不同的操作的數(shù)目的復(fù)雜度可以實現(xiàn)為不同的手指,手可至少根據(jù)期望的索引機器人操作必須完成的操作來確定。手指可以推動,滾動或滑動的小物件也可以強制操作開關(guān)等;兩個手指除了完整的一個手指的功能,它可以抓住對象,并可以精確地控制物體的位置和方向;三個手指除了完成兩個手指來完成的功能,它也被重復(fù)在手中把持的物體的功能,如對象到空氣和把握在新的位置的物體;多個指的是具有更大的靈活性,因為可以抓住和操縱多個對象。對于本文的移動機器人,只是能夠把握的對象,控制對象的位置和方向,然后兩個手指就能滿足這一工作的要求,所以結(jié)構(gòu)將是兩指結(jié)構(gòu)。從而兩個手指相對于所述致動器驅(qū)動做關(guān)于螺旋軸平移運動的末端,以打開與合作。經(jīng)過研究和討論,設(shè)計圖中所示的3.4最終結(jié)構(gòu)。最終的機械結(jié)構(gòu)采用超硬合金材料,保證一定的剛性,同時減輕整體重量。手指延長為50mm,開啟和關(guān)閉范圍4-44mm長度。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的,通過一個齒輪傳動齒輪2的驅(qū)動馬達,驅(qū)動螺桿軸3,以使左,右,打開和手指6,7的接近運動。引導軸引導和手指的固定軌跡。 1.電機 2.齒輪 3.左右螺旋軸 4.導向軸 5.齒輪 6.夾持器右指 7.夾持器左指圖3.4 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖手指形狀如圖2.12所示,前段平行處可以夾持形狀規(guī)則(與手指接觸面為平面)的物體,后段為菱形形狀,可以夾持圓形和不規(guī)則形狀的物體。這種設(shè)計可以更好的使機器人完成工作。3.1.3電機的選型與計算本文設(shè)計要求夾持的物體重為 m=300g,設(shè)螺紋為 M8,其中徑 r=3.6mm,螺距 P=1mm,當量摩擦系數(shù) f=0.1,Q為軸向載荷,M為螺紋驅(qū)動力矩。手指材料為鋁合金,表3.1列出了鋁合金與常用材料的磨擦系數(shù), 表3.1 主要工程材料摩擦系數(shù) 摩擦副材料 靜摩擦系數(shù) 鋁合金 黃 銅 0.27 青 銅 0.22 鋼 0.3 膠 木 0.34 鋼 紙 0.32 樹 脂 0.28 硬橡膠 0.25 石 板 0.26從表3.1可以看出鋁合金與不同材料的靜摩擦系數(shù)趨近于0.3,所以取被抓物體和末端執(zhí)行器手指之間的靜摩擦系數(shù),則:(3-1) 螺紋增力比 (3-2)式中 當量摩擦角,= ;螺紋升角,= 帶入數(shù)據(jù),得, 得 (3-3)選用齒輪傳動比 n=1:1,忽略齒輪傳動摩擦及軸承滾動摩擦力矩,根據(jù)上述計算,我們選擇了北京和利時電機公司生產(chǎn)的 28BYG250C-SAFSM-L007 型步進電機,它的保持轉(zhuǎn)矩為 90,滿足設(shè)計要求。.2機械手臂桿件的設(shè)計 本文采用鋁合金材料設(shè)計成薄壁件,一方面保證機械臂的剛度,另一方面可減小機械臂的重量,減小對對基座關(guān)節(jié)電機的載荷,并且提高了機械臂的動態(tài)響應(yīng)。3.2.1腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間,它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的位置,以擴大機械手的動作范圍,并使機械手變的更靈巧,適應(yīng)性更強。本文設(shè)計的手腕結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),它可在空間內(nèi)旋轉(zhuǎn),進而擴大機械手的工作范圍。腕部采用伺服電機驅(qū)動,通過電機伸出軸和末端執(zhí)行器連接,借助軸承來達到力矩的傳遞。通過軸承座將力傳到殼體上,使電機軸只能傳遞力矩而不受其它力的作用。其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。1.末端執(zhí)行器 2.手腕連接件 3.軸承 4.軸承座 5.電機6.殼體 7.桿件A 圖3.5 腕部結(jié)構(gòu)圖3.2.2臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計臂部分是機器人的主要部分。它的作用是支撐手腕和手,帶領(lǐng)他們做的運動空間。該運動的目的是在臂的向空間的運動范圍內(nèi)的任何點的手柄部分。如果改變手(方位角)的姿勢,自由的程度,以通過手腕來實現(xiàn)。臂設(shè)計基本要求:(1)載荷能力,剛度,重量輕即通過彎曲臂通常是(但在一個方向上沒有彎曲),但也由反向,應(yīng)在高彎曲和橫截面形狀的抗扭剛度被使用。所以臂做成中空的,它可以減輕重量,而且也提高了剛度,它可以設(shè)置在各機構(gòu)的內(nèi)部,從而使結(jié)構(gòu)緊湊,外觀整潔。(2)臂速度越高,慣性較小在正常情況下,統(tǒng)一運動的要求,該移動臂,而是在瞬間起動和臂的端部,所述移動是變化的,以減少沖擊,加速度和終止要求之前減速的開始時間是不是太大,否則沖擊和振動。(3)手臂動作應(yīng)靈活。(4)的位置精度越高。這樣的設(shè)計是在搖臂關(guān)節(jié),桿B被設(shè)計成在圖3.6用于轉(zhuǎn)向齒輪組件中所示的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)向自身也參與在這種情況下,包括該桿的,這樣,不僅節(jié)省了材料和設(shè)計的空間,增加了機器人手臂僵硬。 C是支撐桿轉(zhuǎn)向軸設(shè)計,它與形成了轉(zhuǎn)向機器人手臂擺動關(guān)節(jié),無軸承關(guān)節(jié),但相對活躍隨動轉(zhuǎn)向臂與車身共同驅(qū)動器之間實現(xiàn)。 1桿件B 2. 舵機 3.桿件C 圖3.6 桿件B與舵機配合圖桿件A和桿件B通過螺栓連接即可形成一個完整的桿件,通過桿件A和B的組合設(shè)計具有以下幾個優(yōu)點:(1)使關(guān)節(jié)間距可調(diào)。通過調(diào)節(jié)A和B的長度,就可以調(diào)整機械臂中兩關(guān)節(jié)的距離,使機械臂的長度可調(diào)。(2)調(diào)節(jié)機械臂的重心位置:舵機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是未知的,因此其重心可能不在其幾何中心,而調(diào)整兩者之間的距離可以平衡掉重心位置造成的不良影響。通過擺動關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的組合就可以形成完整的機械手臂。3.2.3 機械臂電機的選型與計算人們往往關(guān)心的是機器人的末端位置和姿態(tài),而舵機有非常好的位置可控性,帶有精密的減速器,具有其他同等尺寸的電機無可比擬的輸出力矩,因此我們選擇舵機作為關(guān)節(jié)驅(qū)動器。機械臂的結(jié)構(gòu)如圖3.7所示,其中第1關(guān)節(jié)的舵機需要提供的力矩最大,因此我們對這一關(guān)節(jié)進行計算。圖3.7 機械手臂結(jié)構(gòu)圖機械臂各桿件處于水平時候?qū)Φ谝魂P(guān)節(jié)產(chǎn)生最大的力矩,計算方法是等效的方式,即將末端執(zhí)行器及假想的欲抓取目標單獨計算,其余桿件質(zhì)量集中到機械臂的中點計算: 兩部分一共為2.2 ,從而選用漢揚科技公司生產(chǎn)的舵機,型號為HSR9559,其保持力矩為2353 。滿足設(shè)計要求。3.4 軸的設(shè)計計算3.4.1按扭轉(zhuǎn)強度計算這種方法是只按軸所受的扭矩來計算軸的強度。如果還受不大的彎矩時,則采用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。并且應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況,采取相應(yīng)的計算方法,并恰當?shù)剡x取其許用應(yīng)力。在進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時,通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸,也可作為最后計算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為:強度條件: Mpa 設(shè)計公式: (mm)軸上有鍵槽: 放大:35%一個鍵槽;710%二個鍵槽。并且取標準植式中:許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力(N/mm2),C為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。3.4.2按彎扭合成強度計算通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸上零件的位置以及外載荷和支反力的作用位置均已確定,軸上的載荷(彎矩和扭矩)已可以求得,因而可按彎扭合成強度條件對軸進行強度校核計算。對于鋼制的軸,按第四強度理論,強度條件為:設(shè)計公式:(mm)式中、:e為當量應(yīng)力,Mpa。 d為軸的直徑,mm; 為當量彎矩;M為危險截面的合成彎矩; MH為水平面上的彎矩;MV為垂直面上的彎矩;W為軸危險截面抗彎截面系數(shù);為將扭矩折算為等效彎矩的折算系數(shù)彎矩引起的彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)的變應(yīng)力,而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力往往為非對稱循環(huán)變應(yīng)力與扭矩變化情況有關(guān) 扭矩對稱循環(huán)變化 = 扭矩脈動循環(huán)變化 不變的扭矩,分別為對稱循環(huán)、脈動循環(huán)及靜應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力。對于重要的軸,還要考慮影響疲勞強度的一些因素而作精確驗算。內(nèi)容參看有關(guān)書籍。3.4.3軸的剛度計算概念軸在載荷作用下,將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度,就會影響軸上零件的正常工作,甚至會喪失機器應(yīng)有的工作性能。軸的彎曲剛度是以撓度y或偏轉(zhuǎn)角以及扭轉(zhuǎn)角來度量,其校核公式為:yy; ; 。式中:y、 、 分別為軸的許用撓度、許用轉(zhuǎn)角和許用扭轉(zhuǎn)角。3.4.4軸的設(shè)計步驟設(shè)計軸的一般步驟為:(1)選擇軸的材料 根據(jù)軸的工作要求,加工工藝性、經(jīng)濟性,選擇合適的材料和熱處理工藝。(2)初步確定軸的直徑 按扭轉(zhuǎn)強度計算公式,計算出軸的最細部分的直徑。(3)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 要求:軸和軸上零件要有準確、牢固的工作位置;軸上零件裝拆、調(diào)整方便;軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。盡量避免應(yīng)力集中;根據(jù)軸上零件的結(jié)構(gòu)特點,首先要預(yù)定出主要零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系,它是軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ),擬定裝配方案,應(yīng)先考慮幾個方案,進行分析比較后再選優(yōu)。原則:1)軸的結(jié)構(gòu)越簡單越合理;2)裝配越簡單越合理。3.5各軸的計算(1)查得C=118(低速軸彎矩較大),由公式 取高速軸的直徑d=45mm。(2)求作用在齒輪上的力齒輪分度圓直徑為 齒輪所受的轉(zhuǎn)矩為 齒輪作用力 圓周力 徑向力 軸向力 (3)畫軸的計算簡圖并計算支反力(圖 a)水平支反力 垂直支反力 (4)畫彎矩圖a水平面內(nèi)彎矩圖M(b圖)截面c b垂直面內(nèi)彎矩圖MC(c圖)截面c C合成彎矩(d圖)d 畫扭矩圖(e圖) 又根據(jù) 查得 則 e 繪當量彎矩圖(f圖)3.6軸的設(shè)計與校核初定最小直徑,選用材料45鋼,調(diào)質(zhì)處理。取A0=112(不同)則Rmin=A0=16.56mm最小軸徑處有鍵槽Rmin = 1.07dmin = 17.72mm最小直徑為安裝聯(lián)軸器外半徑,取KA=1.7,同上所述已選用TL4彈性套柱聯(lián)軸器,軸孔半徑R=20mm。 取高速軸的最小軸徑為R=20mm。由于軸承同時受徑向和軸向載荷,故選用6300滾子軸承按國標T297-94 D*d*T=17.25 軸承處軸徑d =36mm高速軸簡圖如下:取L1=38+46=84mm,取擋圈直徑D=43mm,取d2=d4=54mm,d3=67mm,d1=d5=67mm。聯(lián)軸器用鍵:圓頭普通平鍵。B*h=6*6,長L=91 mm齒輪用鍵:同上。B*h=6*6, 長L=10mm,倒角為2*45度3.7 軸承的設(shè)計及校核3.7.1軸承種類的選擇查機械設(shè)計課程設(shè)計手冊第二版 吳宗澤 羅圣國 主編 高等教育出版社出版P62 滾動軸承由于采用兩端固定,采用深溝球軸承。型號為6303和6300。3.7.2深溝球軸承結(jié)構(gòu)深溝球軸承一般都是一對戒指,一組籠子里,一組鋼球。其結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,是生產(chǎn)軸承的最常見和最廣泛的
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