Puma機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計【六自由度】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文) 題 目 Puma機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 所在單位 教學(xué)部主任 完成日期 摘 要 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而機器人是相對較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。自問世以來，倍受世界各國的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。移動機器人作為機器人學(xué)的一個重要分支，其研究工作始于20世紀60年代。移動機器人的最成功應(yīng)用是動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運，用于完成機床之間、機床與自動倉庫之間的工件工具傳送等點位作業(yè)。 本論文研究的是根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定機器人，利用電機驅(qū)動和三輪全向軸來實現(xiàn)機器人的運動；利用另一臺電機驅(qū)動皮帶，從而使與方塊滑行軸套連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動。與具有同樣功能的固定基座搬運機器人相比，具有更大的工作空間和和負載車重比。 文中首先論述了近年來工業(yè)搬運機器入和移動機器人技術(shù)研究的發(fā)展狀況，接著在此基礎(chǔ)上對三輪全向軸搬運機器人進行了系統(tǒng)分析，然后提出了各個功能模塊的實現(xiàn)方案。這些模塊包括移動載體、操作臂、控制系統(tǒng)、等。最后，用機器人樣機進行了搬運模擬物料的功能實驗，驗證了設(shè)計方案的可行性。 本文對機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行重點研究。通過結(jié)構(gòu)選型分析，并對該載體進行了運動分析，進而確定了機器人系統(tǒng)的控制方案。在這一控制方案中完成了所要求的任務(wù)與要求。 關(guān)鍵字：三輪全向軸 機器人 搬運 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ABSTRACT In industry, automatic control system has a wide range of applications such as industrial automation, machine control, computer systems, robotics. The robot is a relatively new electronic equipment, it is beginning to change the face of modern industry. Since its inception, and has never concerned about the world and is widely used in industries. Mobile robot as an important branch of robotics, the research began in the 20th century 60s. The most successful application of mobile robot is moving production of material handling systems for the complete machine, between machines and automatic warehouse transfer between the workpiece tool such as point and work. Of this thesis is based on the content and design of robot needs to determine, using motor-driven three-axis to achieve omnidirectional robot; use another motor drive belt, so that together with the box, slide the sleeve arm up and down movement to achieve. And has the same functions than the fixed base handling robot, with more work space and weight and the load ratio. The paper first discusses the recent industrial handling machines and mobile robotics research into the development of the situation, and then based on this three-axis handling robot to carry out the whole system analysis, and proposed implementation scheme of the various functional modules. These modules include mobile carriers, operating arm, the control system, and so on. Finally, the robot has conducted a simulation of material handling function experiments demonstrate the feasibility of design. In this paper, the structural design of the robot carry out focused research. Through the selection of structural analysis and dynamic analysis of the vector, and then determine the robot's control program. In the control program completed the required tasks and requirements Keywords: 3-omni-axis robot transportaion structural design 目 錄 1. 課題分析 1 1.1簡介 1 1.2課題意義 2 1.2.1機器人技術(shù)研究的發(fā)展狀況 2 1.2.2搬運機器人經(jīng)歷的三個進程 2 1.2.3三代物料搬運機器人共同特點 2 1.3課題的設(shè)計工作任務(wù)要求 2 2. 機械方案設(shè)計分析 3 2.1 具體設(shè)計要求分析 3 2.1.1總體方案擬定設(shè)計方案 3 2.1.2工作載荷 3 2.1．3運動參數(shù) 3 2.2 工作原理分析 3 2.2.1 運動原理分析 3 2.2.2 力傳遞分析（主動件到執(zhí)行件） 4 3. 設(shè)計組成要素分析選擇 4 3.1 基本組成結(jié)構(gòu) 4 3.2 動力分析 5 3.3 傳動部件分析 6 3.3.1 軸的強度計算 6 3.3.2 電機的選擇 7 3.4 執(zhí)行部件分析 8 4. 機械零件設(shè)計計算 11 4.1機械零件設(shè)計計算 11 4.1.1機器人的組成及各部分關(guān)系概述 11 4.1.2 機器人系統(tǒng)組成 11 4.1.3 機器人結(jié)構(gòu)簡圖和機器人的外形圖 12 4.1．4 機器人主要技術(shù)性能參數(shù) 13 4.2 機器人運動時執(zhí)行件的載荷計算，動力參數(shù)計算 14 結(jié) 論 18 謝 辭 19 參考文獻 20 1. 課題分析 1.1簡介 機器人作為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問世以來，經(jīng)歷40余年的發(fā)展已取得長足的進步。工業(yè)機器人在經(jīng)歷了誕生——成長一一成熟期后，已成為制造業(yè)中不可或缺的重要設(shè)備，世界上有約75萬臺工業(yè)機器人正戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。機器人技術(shù)雖然以工業(yè)機器人起步，但近年來隨著社會的進步和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是在微電子技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)、材料技術(shù)等學(xué)科迅速發(fā)展的支持下，機器人的種類日益繁多，性能不斷地改進，工作領(lǐng)域也在不斷地擴大現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進入80年代以來，機器人技術(shù)的進步以及在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達國家均把機器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入高新技術(shù)發(fā)展計劃，機器人的研究領(lǐng)域和開發(fā)類型也在逐漸拓寬和增多。移動機器人作為機器人學(xué)的一個重要分支，其研究工作始于20世紀60年代。移動機器人的最成功應(yīng)用是動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運，用于完成機床之間、機床與自動倉庫之間的工件工具傳送等點位作業(yè)。點位機器人是一種能夠在傾斜或垂直壁面進行移動作業(yè)的極限點位作業(yè)機器人，也是一種移動機器人。近年來，機器人應(yīng)用從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域擴展。由于這種擴展，機器人在諸如野外作業(yè)、深海探測以及一些人類本身所不能進入的特殊環(huán)境的作業(yè)中，正在發(fā)揮越來越大的作用，近年來機器人研究在多方面都已經(jīng)取得了很大的進展, 研究的成果必將成為各行各業(yè)提高生產(chǎn)力的強有力的工具. 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件、運動學(xué)、和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺配套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 1.2課題意義 1.2.1機器人技術(shù)研究的發(fā)展狀況 近年來工業(yè)搬運機器入和移動機器人技術(shù)研究的發(fā)展狀況，接著在此基礎(chǔ)上對輪式物料搬運機器人進行了系統(tǒng)分析，然后提出了各個功能模塊的實現(xiàn)方案。這些模塊包括移動載體、操作臂、控制系統(tǒng)、無線通訊模塊等。最后，用機器人樣機進行了搬運模擬物料的功能實驗，驗證了設(shè)計方案的可行性。本文對物料搬運機器人的移動載體和控制系統(tǒng)進行了重點研究。 1.2.2搬運機器人經(jīng)歷的三個進程 （1）第一代搬運機器人主要特征是示教再現(xiàn)型，具備各種遙控操作器。 （2）第二代搬運機器人的主要特征是帶有傳感系統(tǒng)，可以離線編程。這種傳感系統(tǒng)使得機器人具有視覺、觸覺等功能，可以完成最精密的元件檢測、裝配、物料的裝卸等。 （3）第三代搬運機器人的主要特征是具各自治能力。它不僅具備感覺功能，而且根據(jù)這些感覺，它還有一定的決策及規(guī)劃能力：能根據(jù)人的命令，按所處環(huán)境自行決策，規(guī)劃出行動。目前尚處于開發(fā)之中。 1.2.3三代物料搬運機器人共同特點： 操作臂的基座被固定在地板上。這就決定了它們只能在有限的工作空間內(nèi)完成操作任務(wù)。另外，由于采用串聯(lián)機構(gòu)作為操作臂，使得負載與機器人機體重量的比值很小，而且運動誤差會通過各個關(guān)節(jié)被不斷累加，導(dǎo)致操作臂精度下降，這些情況極大的限制了物料搬運機器人的應(yīng)用。 1.3課題的設(shè)計工作任務(wù)要求 亞太地區(qū)大學(xué)生機器人競賽是高水平的競賽活動，體現(xiàn)大學(xué)生機械結(jié)構(gòu)、自動控制設(shè)計、制作、性能調(diào)試等綜合能力。2010年大學(xué)生機器人競賽將于9月份在埃及開羅舉行，設(shè)計題目及要求由埃及確定。根據(jù)給定的設(shè)計要求，搬運石塊的機器人結(jié)構(gòu)。 設(shè)計要求：自重<20Kg，底架結(jié)構(gòu)尺寸<1000*1000mm，三輪結(jié)構(gòu)，三個輪分別用電機驅(qū)動，上肢可以相對底架上下、位移量可調(diào)節(jié)控制最大位移量500mm. 1、查閱資料，寫出調(diào)研報告3000字左右，翻譯外文資料（外文字符1萬左右、漢字3000字左右）； 2、結(jié)合設(shè)計參數(shù)要求，確定機器人的工作原理方案及結(jié)構(gòu)幾何尺寸； 3、計算主軸載荷、確定主軸的設(shè)計結(jié)構(gòu)及尺寸； 4、確定主軸的轉(zhuǎn)動功率及控制方式； 5、畫出裝配圖（A0圖紙一張）、主要零部件圖（折合A0圖紙二張）。 6、編寫設(shè)計說明書（1萬字左右） 2. 機械方案設(shè)計分析 2.1 具體設(shè)計要求分析：工作載荷、運動參數(shù)要求 2.1.1總體方案擬定設(shè)計方案 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定機器人，利用電機驅(qū)動和三輪全向軸來實現(xiàn)機器人的運動；利用另一臺電機驅(qū)動皮帶，從而使與方塊滑行軸套連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動 2.1.2工作載荷 （1）車的載荷20kg （2）升降載荷 手臂4kg+載物1kg=5kg （3）車身重15kg 2.1.3運動參數(shù) （1）運行速度 1米/秒 （2）手臂上下速度0.5米/秒 2.2 工作原理分析 2.2.1 運動原理分析 1．全向輪工作原理 全向移動機器人具有全向運動能力的關(guān)鍵在于其全向輪系結(jié)構(gòu)(全向輪系的基本構(gòu)造是大輪邊緣套有側(cè)向小輪!這樣機器人在橫向移動時始終保持與地面為滾動摩擦!大大減少移動阻力(目前!全向輪結(jié)構(gòu)主要有2種’(一種為互補結(jié)構(gòu)!這種結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定!始終有一個小輪的邊緣可以著地!輪子的寬度較寬!承載能力強!但會給空間布局帶來一定影響!另外著地點會內(nèi)外交錯!這樣對機器人的旋轉(zhuǎn)會造成非線性影響!使機器人在運動方向上有所偏移(另外一種是非互補結(jié)構(gòu)!大輪外緣使用較多的小輪!這種結(jié)構(gòu)輪子的寬度可以比較小!并且著地點始終在一個圓上!不會對機器人帶來非線性影響!但是!由于2個小輪之間有間隙!所以輪子的直徑在運動中會有變化!機器人的上下振動會比較大!并且其承載能力不如前一種結(jié)構(gòu)大(其直徑的變化幅度為) (1) 公式中!n 小輪個數(shù)這2種輪系相比較!從控制精確性和結(jié)構(gòu)緊湊角度分析!第2種較好(但考慮到中型組機器人體積大!重量重的特點"對結(jié)構(gòu)緊湊要求不像小型組機器人要求那么高"而對承載能力卻有一定的要求"雖然第1種輪系在機器人旋轉(zhuǎn)時存在非線性影響"但這一點可以通過視覺反饋進行修正。因此我們采用了互補結(jié)構(gòu)的第1種輪系。設(shè)計時"在強度許可的情況下"使相鄰兩小輪的互補重疊區(qū)盡量寬"這樣機器人在運動中更加平穩(wěn)。 2．升降工作原理 電機通過減速箱增大扭矩輸出帶動同步帶轉(zhuǎn)動將重物提升到高處。 3．手臂工作原理 插入重物中心孔來達到目的 2.2.2 力傳遞分析（主動件到執(zhí)行件） 1． 主動件到執(zhí)行件通過彈性聯(lián)軸器實現(xiàn)。 (1).彈性聯(lián)軸器通常由金屬圓棒線切割而成，常用的材質(zhì)有鋁合金、不銹鋼、工程塑料。彈性聯(lián)軸器運用平行或螺旋切槽系統(tǒng)來適應(yīng)各種偏差和精確傳遞扭矩。 (2).彈性聯(lián)軸器通常具備良好的性能而且有價格上的優(yōu)勢，在很多步進、伺服系統(tǒng)實際應(yīng)用中，彈性聯(lián)軸器是首選的產(chǎn)品。 (3).一體成型的設(shè)計使彈性聯(lián)軸器實現(xiàn)了零間隙地傳遞扭矩和無須維護的優(yōu)勢。彈性聯(lián)軸器主要有以下兩個基本的系列：螺旋槽型和平行槽型 2. 主動件到執(zhí)行件通過傳動帶（齒形帶）。 (1)．齒型帶亦稱同步帶，分為單面齒帶和雙面齒帶兩種類型。前者主要用于單軸傳動，后者為多軸或反向傳動，系從1980年以來世界新出現(xiàn)的又一種高效傳動帶。齒型帶根據(jù)齒的形狀又分為梯形和圓弧形兩種，以圓弧形齒的同步帶所承受的扭矩為最大。從所用材料上，齒型帶可區(qū)分為橡膠型和聚氨酯型兩大類，而前者又有普通橡膠(通常為氯丁橡膠)和特種橡膠(多為飽和丁腈橡膠)之分。它們的結(jié)構(gòu)是由鋼簾線或玻璃纖維組成的強力層和以橡膠及尼龍布形成的外包橡膠層或聚氨酯膠層構(gòu)成。 (2)． 齒型帶包括多楔帶，近20年來在工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展極為迅猛，正在不斷地侵蝕傳統(tǒng)的金屬齒輪、鏈條以及橡膠方面的平板帶和三角帶市場。目前，除已大量用于汽車及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之外，并進一步擴大到OA機器(辦公設(shè)備)、機器人等各種精密機械的傳動。由于膠帶內(nèi)側(cè)帶有彈性體的齒牙，能實現(xiàn)無滑動的同步傳動，而且具有比鏈條輕、噪音小的特點，現(xiàn)今歐洲80％以上的轎車、美國40％的轎車都已裝用了這種齒型帶。我國2000年生產(chǎn)汽車200萬輛，齒型帶需要700萬條以上。最近出現(xiàn)的圓齒帶較之方齒帶，更進一步增大了傳動力和肅靜性，作為新一代的環(huán)保帶，其使用范圍更趨廣泛。現(xiàn)在，已開始成為對同步傳動、噪音要求極為嚴格的家用和工業(yè)用縫紉機、打字機、復(fù)印機的使用對象。 3. 設(shè)計組成要素分析選擇 3.1 基本組成結(jié)構(gòu)：對確定的方案進行分析說明組成結(jié)構(gòu)特點。 三輪全向底盤控制的三個階段： 1 .判斷起始位置 包括車身相對于比賽場地的位置和車身自身與初始化時的車體角度。 2 .向目標速度加速的過程 根據(jù)實際情況計算出最終理想速度，三個電機從起始速度加速到目標速度需要一定的時間，而在這個時間內(nèi)三個電機的加速度的值必須成一定的比例，不然車體會出現(xiàn)一定的偏差，針對這個問題需要進行對控制器a的調(diào)節(jié)，和綜合外部反饋進行一定的調(diào)節(jié)，消除已經(jīng)發(fā)生的和即將發(fā)生的誤差。 3 .底盤達到目標速度進行正常的尋跡。 這個過程需要大量的外部反饋和對應(yīng)抵消誤差，以準確的達到預(yù)定位置。這個預(yù)定位置會被作為下次運動的起始位置。 3.2 動力分析 不同動力的適用條件，選定的類型如何使機器人具有良好的運動性能"是進行車體布局及運動機構(gòu)設(shè)計時首先要考慮的因素。其設(shè)計原則主要體現(xiàn)為：減少重量!重心盡量低"降低轉(zhuǎn)動慣量"增加穩(wěn)定性以及增強抗碰撞能力#。減少重量主要從材料上考慮"盡量使用輕型高強度材料"如鋁合金等。增加穩(wěn)定性主要考慮各部件的連接方式。增強抗碰撞能力主要考慮使用防護材料以及減震等。降低轉(zhuǎn)動慣量"是車體布局主要考慮的問題"就是盡量使車體重心位于機器人中心。對于中型組機器人的設(shè)計"由于空間比較大"對于結(jié)構(gòu)緊湊性的要求沒有小型組那么高"由于運動控制復(fù)雜度的原因"盡量采用對稱的布局結(jié)構(gòu)。整個機器人布局分為3層：最上面一層為視覺攝像頭支撐機構(gòu)以及車載筆記本電腦的存放空間"中間一層為電路板及控制器的存放空間"射門機構(gòu)一般也位于這一層"最下層為輪系驅(qū)動機構(gòu)"為了使重心盡量低"可將電池置于最下層?？紤]到體積大的特點"整個結(jié)構(gòu)采用板柱結(jié)構(gòu)"各層用支撐桿以及螺絲連接。機器人布局結(jié)構(gòu)如圖所示電機的性能直接影響著機器人的運動性能"并且對機械結(jié)構(gòu)也會有一定的影響。為了方便控制"可以選擇高電壓’如24V(低電流的直流伺服電機.選擇伺服電機的時候需要考慮功重比!外形尺寸!力矩和轉(zhuǎn)速等多重因素"其中"力矩和轉(zhuǎn)速是主要考慮的因素"它們直接決定著機器人小車的加速度和速度2個最重要的性能指標在設(shè)計時"首先要估算出機器人的質(zhì)量"確定機器人小車的設(shè)計速度和加速度"然后根據(jù)運動學(xué)和動力學(xué)模型"計算出負荷最大以及速度最大全向輪上所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速"作為設(shè)計電機經(jīng)減速器后的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速"進而確定電機的扭矩和額定轉(zhuǎn)速 圖3-1機器人布局結(jié)構(gòu) 3.3 傳動部件分析：傳動要求（傳動比、傳動精度等），選定類型。 3.3.1 軸的強度計算 1.軸的強度計算 圖3-2軸的結(jié)構(gòu)和載荷圖 由圖3-2可知： 合或產(chǎn)矩： M= (3.1) 公式中：———水平面彎矩圖 M———垂直面彎矩圖 M= =706N/m 扭矩：T=1230N/m (3.2) 由公式：d=21.68 (3.3) 公式中：d———軸的直徑（mm） M———軸在計算截面所受彎矩（N /m） T ———軸在計算截面所受扭矩（N /m） ———校正系數(shù) ———軸的需要彎曲應(yīng)力（MPa） d =21.68=51.8 當零件用緊配合裝于軸上時，如果截面上有鍵槽時，應(yīng)將求得的軸徑增大，查手冊可知，當有一個鍵槽時，且軸徑小于60mm時，軸徑增大值為5%，所以實際軸徑應(yīng)為：D=d（1+5%）=54.4 圓整取55mm所以階梯軸的最小直徑合格。 3.3.2 電機的選擇 1． 電機功率：P=FV=mgV (3.4) 公式中： m———車的載荷重量 kg g———重力加速度m/ V———車的運行速度 米/秒 P=20*9.8*0.5=98W 2． 電機轉(zhuǎn)速n=60f/p=235（所給出的已知的設(shè)計參數(shù)） (3.5) 公式中：n——電機的實際轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）； 60——每分鐘（秒）； f——電源頻率（赫芝）； p——電機旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。 我國規(guī)定標準電源頻率為f=50周/秒 極對數(shù)P=1時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=3000； 極對數(shù)P=2時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=1500； 極對數(shù)P=3時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=1000； 極對數(shù)P=4時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=750； 極對數(shù)P=5時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=600 3． 傳動比r=n電/n傳 (3.6) 公式中：n電———電機的實際轉(zhuǎn)速 n傳———電機的轉(zhuǎn)速 r==14 由上面計算得出電機型號：80ZY24-150C，直流24V，150W，轉(zhuǎn)速3300 r/min（僅指電機轉(zhuǎn)速），額定轉(zhuǎn)速2400r/min（僅指電機轉(zhuǎn)速），額定轉(zhuǎn)矩0.6N.m。 3.4 執(zhí)行部件分析：運動要求、適用條件分析，確定類型 一． 三輪全向的目標速度的數(shù)學(xué)模型 圖3-3三輪機器人運動分析圖 選擇固定在車體的坐標系（車體坐標系）XOY,如圖3-3所示： 根據(jù)運動合成與分解原理，車體的運動和驅(qū)動輪的運動之間的運動關(guān)系如下： （3.7） 推導(dǎo)： （3.8） 各參數(shù)： V,V,V : 三組驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的線速度。 : 分別是三組驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動角。 : 機器人平移速度V在機器人車體坐標系下X和Y軸的分量。 ： 機器人自傳的角速度。 ： 分別是車體幾何中心到三組車輪中心的水平距離。 R ： 是車輪的半徑。 （3.9） 改寫成規(guī)范的矩陣形式： （3.10） 由這些公式可以很直觀的分析出機器人做簡單運動時三個驅(qū)動輪速度的大小。 ①任意方向的直線運動： 此時機器人自轉(zhuǎn)角速度，即機器人平動。則： （3.11） 注：以車體為基準的運動方向與X軸的夾角，V為速度合成方向的值。 兩種特殊的情況： I：沿X軸方向是： 理論上Vx0,Vy=0。 迷惑：當車體移動速度為a,兩個輪的線速度才為其一半。這樣不會旋轉(zhuǎn)么？ II：沿Y軸方向是： 理論上Vx=0,Vy0，的值由線速度決定。 （3.12） III:其他方向： 迷惑：是否可以直接使用這個公式推斷 （3.13） ②原地旋轉(zhuǎn)： （3.14） 即： ③切線運動： 在直線運動的基礎(chǔ)上怎么加一定的原地旋轉(zhuǎn)運動就可以合成切線運動。 當?shù)妆P先以 （3.15） 這樣的速度直線運動，當想進行切線運動時，簡單可以直接給各輪增加或減少這些速度。其形成的切線弧度和角速度為 二． 電子器材：控制器，電機末端碼盤，陀螺儀，加速度計(不了解)，光電管，CCD。 1 .（1）控制器：控制器中含有PID控制可以利用，可以限制最大速度。PWM來調(diào)節(jié)速度，可以進行通訊改變最大速度來調(diào)速。 （2）疑惑：PID和PWM的綜合。 2 .電機末端碼盤：供給控制器。 3 .陀螺儀：提供車體與外界坐標的夾角。 4 .光電管：用與數(shù)地面的白線，可以對大錯誤的糾正，可以減小一定量的累積誤差。 5 .CCD：清理累積誤差。 將速度改成角速度： 4. 機械零件設(shè)計計算 4.1機械零件設(shè)計計算 4.1.1機器人的組成及各部分關(guān)系概述 圖4-1機器人的組成圖 4.1.2 機器人系統(tǒng)組成 A 執(zhí)行組成。系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。 (1) 手部：又稱手爪或抓取機構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。 (2) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 (3)臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。 (4)機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。 B. 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。 C. 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 D. 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與擬定進行比較，以保證運動符合要求。 圖 4-2各部件關(guān)系圖 4.1.3 機器人結(jié)構(gòu)簡圖和機器人的外形圖 1． 機器人結(jié)構(gòu)簡圖 圖4-3 機器人結(jié)構(gòu)簡圖 2． 機器人的外形圖 圖4-4 機器人的外形圖 3 方形滑塊 4 升降手臂塊 5 折疊手臂 6 升降電機 7 升降同步帶 8 手臂同步輪 9 方磚 10 金磚 11 金磚手臂 4.1．4 機器人主要技術(shù)性能參數(shù) 機器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標。主要技術(shù)參數(shù)有如下： A.抓取重量：抓取重量是用來表明機器人負荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參數(shù)與機器人的運動速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所承受的重量。 B.抓取工件的極限尺寸：抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計手部的基礎(chǔ)。 C.坐標形式和自由度：說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標系特征。 D.運動行程范圍：指執(zhí)行機構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運動自由度的運動量。根據(jù)運動行程范圍和坐標形式就可確定機器人的工作范圍。 E.運動速度：是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國內(nèi)外機器人的最大直線移動速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為180o/s，一般為50o/s。定位精度和重復(fù)定位精度：定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的一項重要指標。 F.編程方式和存儲容量。 表4-1本設(shè)計中的機器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù) 機械手型類型 金裝手臂 抓取重量 1KG 自由度 6個 機座 1000*1000直流電機驅(qū)動 單片機控制 腰部機構(gòu) 長1.2，升降范圍1米，直流電機驅(qū)動 單片機控制 手臂機構(gòu) 行程開關(guān)控制 末端執(zhí)行器 行程開關(guān)控制 4.2 機器人運動時執(zhí)行件的載荷計算，動力參數(shù)計算 以往兩輪機器人的運動軌跡可以歸結(jié)為直線和圓弧"因此其軌跡規(guī)劃復(fù)雜。而三輪全向移動機器人具有3個驅(qū)動輪"對于機器人的3個參數(shù)’(x，y，z)是無約束.從一點到另一點可以直線運動"并在行進中轉(zhuǎn)向以調(diào)整姿態(tài)角.其軌跡可以歸結(jié)為折線下面將分別從運動學(xué)和動力學(xué)2個方面分析三驅(qū)動輪的控制方法. 系統(tǒng)運動學(xué)分析機器人工作空間為一平面"建立如圖所示 圖4-5 機器人工作空間平面 絕對坐標系和機器人的坐標系其中機器人坐標系原點與機器人中心重合 為與的夾角為輪子與的夾角,L為機器人中心到輪子中心的距離.為輪子i提供沿驅(qū)動方向的速度系統(tǒng)運動學(xué)方程如下: =-+cos（）+L (4.1) =--cos（）+L (4.2) =cos+sin+L (4.3) 根據(jù)機器人坐標系的建立情況及實際結(jié)構(gòu)可知:將其代入并將(4.1)(4.2)(4.3)式寫成矩陣 形式"可得機器人運動學(xué)模型: = (4.4) 令P= (4.5) 則式（4.5）可簡化為： (4.6) 式中 ——全向論線速度矢量 P——變換矩陣 ——機器人期望速度矢量 系統(tǒng)動力學(xué)分析 建立如圖所示的坐標系 圖4-6 機器人動力學(xué)分析 為第i電機提供給機器人的驅(qū)動力。在坐標系下，設(shè)繞機器人中心的轉(zhuǎn)動慣量為I， 根據(jù)牛頓第二運動定律有： F=m,F=my,M=I (4.7) 根據(jù)各驅(qū)動力方向及機器人的姿態(tài)，可寫出具體的動力學(xué)方程如下： m=--+ (4.8) m=-+ (4.9) I=L (4.10) 第個輪子的動力學(xué)模型可描述為： = (4.11) 式中： ——— 常數(shù) ——— 輪子繞其軸線的轉(zhuǎn)動慣量 r ———輪子半徑 ——— 第個輪子的加速度和角加速度 ——— 第個電機的驅(qū)動電壓 （11）中輪子轉(zhuǎn)動慣量很小，相對于所消耗的扭矩很小，在實際問題中化簡計算，式(11)可近似寫為： -= （4.12） 系統(tǒng)動力學(xué)模型方程為： = - (4.13) 當系統(tǒng)運動性能分析地面提供的摩擦力不足以滿足輪子所需的驅(qū)動力時"輪子將與地面發(fā)生相對滑動"造成當前機器人運動狀態(tài)不可控"這種現(xiàn)象稱為*打滑"其原因主要由于機器人加速度過大引起"因此"需要將機器人加速度控制在一定范圍內(nèi)避免此類現(xiàn)象的發(fā)生!要做到這點"需要對系統(tǒng)運動性能做進一步分析!機器人車體可看作剛體"其運動可分解為整體的平動和繞自身中心的轉(zhuǎn)動! 機器人車體可看作剛體"其運動可分解為整體的平動和繞自身中心的轉(zhuǎn)動 。 假設(shè)電機能提供足夠大的扭矩，地面能提供給單個輪子的最低摩擦力為,考慮驅(qū)動力方向，要避免系統(tǒng)“打滑”，則驅(qū)動力， ，都必須控制在范圍內(nèi)。 根據(jù)（4.8）（4.9）（4.10）（其中，=0，=30）加速度矢量空間可由下面線性變換關(guān)系式描述 = (4.14) 定性繪出空間線性變換如圖所示： 圖4-7（a）第一象限的驅(qū)動力空間 （b）上半平面加速度矢量空間 需要指出的是，若電機不能提供足夠大的扭矩，假設(shè)電機輸出最大扭矩為則上述變換中驅(qū)動力的范圍應(yīng)為 系統(tǒng)加速度矢量空間與圖相似，同時，由式（4.13）可知，實際的加速度矢量空間還與機器人的當前狀態(tài)有關(guān)，其范圍要比上述空間偏小，并且當機器人運動狀態(tài)改變時，其加速度空間也會隨之相應(yīng)的改變。另外，對于機器人速度空間分布的分析與加速度空間相似，這里不再贅述。 20 結(jié) 論 本論文研究的是根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定機器人，利用電機驅(qū)動和三輪全向軸來實現(xiàn)機器人的運動；利用另一臺電機驅(qū)動皮帶，從而使與方塊滑行軸套連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動。與具有同樣功能的固定基座搬運機器人相比，具有更大的工作空間和和負載車重比。 1 針對機器人的結(jié)構(gòu)底盤，全面的了解啦三輪全向軸的設(shè)計方案，運行方式，動力來源等 2 通過對彈性聯(lián)軸器，同步帶的選擇了解力的傳動。 3 利用CAD工程軟件繪出裝配圖和零件圖，靈魂的掌握了CAD這個工程軟件。 由于本人能力和精力有限，這一機器人系統(tǒng)尚存很多可以改進之處： (1) 移動載體和操作臂分時操作模式效率不高．若改為兩個部分同時操作的話，～個非完整約束系統(tǒng)和一個空間的開鏈耦合在一起，這極大的增加了系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)分析的復(fù)雜程度，這一部分的工作有待改進。 (2) 搬運機器人樣機系統(tǒng)是一個冗余系統(tǒng)，如何將其進行優(yōu)化，減少系統(tǒng)冗余是一個值得研究的問題。 （3）機器人的應(yīng)用將會越來越深入社會的各個角落,如何規(guī)劃及其使用將會成為一個重要的課題。 謝 辭 畢業(yè)論文結(jié)稿在即，我要感謝在設(shè)計過程中指導(dǎo)我、幫助我的老師和同學(xué)們，如果沒有他們的支持和幫助，我的畢業(yè)設(shè)計不可能圓滿結(jié)束。 我的指導(dǎo)老師是葛宰林老師，他嚴謹、踏實的治學(xué)作風(fēng)，淵博的知識，豐富的經(jīng)驗使我受益匪淺。從畢業(yè)設(shè)計的調(diào)研報告到最后的論文審稿，葛老師多次召集我們開會討論，在老師的耐心指導(dǎo)和幫助下，一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計使我不僅提高了理論水平，而且豐富了實踐經(jīng)驗，讓我把幾年來所學(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深一步了解了所學(xué)的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學(xué)知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料，還使我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。經(jīng)過本次設(shè)計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設(shè)計人員的艱難性。在設(shè)計過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導(dǎo)致的，有的是設(shè)計經(jīng)驗方面不足導(dǎo)致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導(dǎo)老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設(shè)計。 雖然我的設(shè)計存在很多不足的地方，但在這兩個多月的時間里，我學(xué)到了很多有用的知識，也積累了一定的設(shè)計經(jīng)驗，這些對于我即將要走向社會工作崗位，將起到很關(guān)鍵的作用 參考文獻 [1] 丁學(xué)恭.機器人控制研究[M].浙江.浙江大學(xué)出版社.2006. 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