SCARA机器人装配及结构设计
摘要
Scara 机器人是一种由三个自由度组成的平面关节型机器人，它的主要作用是可以完成精密仪器和物体的搬运和移动。由于体积小，传动原理简单，被广泛运用于电子电气业，家用电器业，精密机械业等领域。整个系统由机器手，机器臂，关节，步进电机驱动系统等组成。通过各自由度步进电机的驱动，完成机器手，机器臂的位置变化。具体设计内容为：同步齿形带传动设计，丝杠螺母设计，各输出轴和壳体的设计,步进电机的选择等。在校核满足其结构强度的基础上，我们对scara 机器人的结构进行优化设计。
本论文着重研究scara 机器人的结构设计和运动学分析。在论文开始首先介绍了机器人的发展及其分类情况。在论文第二，三章具体叙述了scara 机器人的结构设计和运动学分析的详细过程。在论文末尾还对scara 机器人进一步改进措施和应用展望进行了阐述。
关键词：scara 机器人，步进电机，结构设计，机器臂
Structure Design of SCARA Assembly Manipulator
Abstract
A SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedo m. Its mostly function is used to complete transition and motion of exact apparatus es and objects. Because of its small volume and simple drive principle, it is widely used in the field of electronic and electric industry, home-used electric-ware indust ry and exact mechanism. The whole system is composed of manipulator hand, ma nipulator arm, joints and stepper motor driving system. By stepper motor’s driving o f each degree of freedom, it completes location change of manipulator hand and m anipulator arm. The idiographic designing content is designing of in-phase tooth-sha pe strap, designing of silk-bar nut, designing of shell and axis and the choice of st epper motors. On the base of checking its structure intensity, while it satisfied, we optimize designing of the structure of SCARA robots.
This paper put its emphases on research of its structure designing and kinematics analysis. At the beginning of this paper, it introduces the development and sort of r obots. In the second and third chapter, it introduces detailed detail among the proc essing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. At the last, this paper gives some measures about improving of SCARA robots, and gives a expectation about its future.
Key Words: SCARA robots, stepper motor, structure design, manipulator arm
目录
Abstract ii
第一章绪论 1
1.1 机器人的特点 1
1.2 机器人的构成及分类 1
1.2.1 机器人的构成 1
1.2.2 机器人的分类 3
1.3 机器人的应用与发展 4
1.3.1 机器人的应用 4
1.4SCARA机器人的研究意义 6
1.4.1SCARA机器人的研究意义 6
1.4.2SCARA机器人的特点7
1.5本文的研究内容8
第二章SCARA机器人结构设计9
2.1 SCARA机器人传动方案的比较及确定9 2.2 各自由度步进电机的选择11
2.2.1 第一自由度步进电机的选择12
2.2.2 第二自由度步进电机的选择: 12
2.2.3 第三自由度步进电机的选择13
2.3 同步齿形带传动设计14
2.4 丝杠螺母设计18
2.4.1 丝杠耐磨性计算18
2.4.2 丝杠稳定性计算19
2.4.3 丝杠刚度计算19
2.4.4 丝杠和螺母螺纹牙强度计算20
2.4.5 螺纹副自锁条件校核21
2.5各输出轴的设计21
2.5.1 机身输出轴设计21
2.5.2 大臂输出轴设计22
2.5.3 带轮轴设计: 22
2.5.4 升降轴设计22
2.6壳体设计23
第三章SCARA机器人运动学分析25
3.1 引言25
3.2SCARA机器人正运动学分析25
3.2.1SCARA机器人连杆坐标系的建立25 3.2.2SCARA机器人正运动学问题27
3.3 SCARA机器人逆运动学分析29
3.4 本章小结31
第四章总结与展望32
参考文献33
致谢34
1.1 机器人的特点
机器人最显著的特点有以下几个:
1.可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统(FMS)中的一个重要组成部分。
2.拟人化。机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等.传感器提高了机器人对周围环境的自适应能力。
3.通用性。除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。
4.机电一体化。机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。
因此，机器人技术的发展必将带动其它技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。
1.2 机器人的构成及分类
1.2.1 机器人的构成
一个机器人系统，一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。
1.操作机(又称执行系统)
操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。通常由下列部分构成。
(1)末端执行器又称手部，是操作机直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工业对象接触以完成作业的机构。
(2)手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般具有2-3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。
(3)手臂它由操作机的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时不止一条，而且每条手臂，也不一定只有一节(如关节型就可能有多节)，所以，它有时还应包括肘和肩的关节，即手臂和手臂间(靠近末端执行器的一节通常叫小臂，靠近机座的，通常叫大臂)，手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。
(4)机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受响应力的基础部件。可分固定式和移动式两类，移动式机座下部安装了移动机构，它可以扩大机器人的活动范围。
2.驱动单元
它是由驱动器、减速器、检测元件等组成的组件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。驱动器是将电能或流体能等转换成机械能的动力装置，通常是电动机、液压或气动装置。驱动形式不同，传动装置也有所不同。
3.控制装置
它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。控制装置包括检测(如传感器)和控制(如计算机)两部分，可用来控制驱动单元，检测其运动参数是否符合规定要求，并进行反馈控制。这就是闭环控制。如果没有反馈控制，就是较简单的开环控制。
4.人工智能系统
对于智能机器人，还应有人工智能系统。它主要由两部分组成，一部分为感觉系统(硬件)，主要靠各类传感器来实现其感觉功能。另一部分为决策一规划智能系统(软件)，它包括逻辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。
1.2.2 机器人的分类
目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准，大致有以下几种分类方法。
1.按使用范围分类
(1)固定程序的专用机器人(机械手) 通常根据主机的特定要求设计成固定程序(或简单的
可变程序)。这种机器人(机械手)多为气动或液动，用行程开关、机械挡块来控制其工作位置。工作对象单一，动作较少，结构与系统简单，价格低廉。
(2)可编程序的通用机器人工作程序可变，以适应不同的工作对象，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。
2.按使用行业、部门和用途分类
(1)工业机器人它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、检测等机
(2)采掘机器人如海洋探矿机器人等。
(3)军事用途机器人
(4)服务机器人如医疗机器人，家用机器人，教学机器人等。
3.按机械结构、坐标系特点分类
按机械结构坐标系特点可分为直角坐标型;圆柱坐标型;球坐标型;多关节型。
4.按机器人运动控制方式分类
(1)点位控制(PTP)机器人就是由点到点的控制方式，这种控制方式只能在目标点处准确控制机器人末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。目前应用的工业机器人中，很多是属于点位控制方式的，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。
(2)连续轨迹控制(CP)机器人机器人的各关节同时作受控运动，准确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿曲线轨迹上各点的姿态。弧焊、喷漆和检测机器人等均属连续轨迹控制方式。
5.按驱动方式分类
按驱动方式可分为液压驱动式、气动式、电力驱动式(这是目前用得最多的一类)
6.根据机器人的功能水平和技术的先进程度按“代”分类
(1)第一代机器人其特点是采用开关量控制，示教再现控制或数字控制，其作业路径和运动参数需通过示教或编程给定。60年代以来，工业中实际应用的绝大多数工业机器人都属于第一代机器人，它包括可编程序(用于上下料)的工业机器人具有记忆装置的示教再现型机器人，数控型搬运机器人等。
(2)第二代机器人是70年{BANNED}始出现的，其技术特点是采用计算机直接控制，是通过具有视觉、触觉的摄像机和传感器，能“感觉”外界信息并通过计算机进行计算和分析自动地控制操作机进行运动和操作，因此，其控制方式较第一代机器人要复杂得多，目前这类机器人已开始在工业生产、排险救灾等场合应用，并将进入普及阶段。
(3)第三代机器人即智能机器人。这是国内外正在积极研究，开发的高级机器人，其主要特点是具有人工智能。包括: 模式识别能力、规划决策能力、知识库、专家系统、人机交互能力等。这一类机器人目前正在研究开发之中。
1.3 机器人的应用与发展
1.3.1 机器人的应用
在发达国家，机器人己广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。产业部门应用最
多的当推汽车工业和电子工业，在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应用，并逐渐向纤维加。食品工业、家用产品制造等行业发展。
焊接作业包括点焊和弧焊，是机器人用得最多的作业之一。传统的点焊机虽然可以减轻人的劳动强度，焊接质量也较好，但它适宜少品种大批量的生产环境，其夹具和焊枪位置不能随零件的改变而变化，而点焊机器人可通过重新编程来调整空间点位，满足不同零件的需要，故特别适宜于小批量多品种的生产环境。弧焊作业由于其焊缝多为空间复杂曲线，故多由人工完成，连续轨迹控制的机器人可以胜任此任务，故广泛用于各种复杂结构和容器的焊接。Unimate, Motoman, ASEA等都是典型的焊接机器人。
喷漆作业由于环境恶劣，国外大量使用了机器人，挪威生产的Trallfa机器人是目前世界上用得最多的喷漆机器人，该机器人为关节式，6自由度，电液或全电动伺服驱动，采用示教再现方式，既可实行点位控制，也可实行连续轨迹控制。
搬运物料的作业包括为机床上下料，为自动生产线转运工件，搬运机器人和数控机床一起组成柔性加工系统，一条柔性生产线可配置几台至十几台搬运机器人，典型的搬运机器人是T 3和Funac机器人。
机器人用于装配作业是随着视觉系统的发展而发展起来的，电子工业用得最多，主要用在电路板的装配上，还有电动机、发动机部件、阀门等产品的装配。PUMA机器人是一种典型的装配机器人，有6个自由度，关节式，直流伺服电机驱动，微机控制点位或连续轨迹，用VAL语言示教编程，其手腕机构具有顺应性，可克服装配中的误差。
国外的航空航天工业中应用机器人也十分广泛，如铆接装配作业就大量使用了机器人，此外如电气插头的装配，发动机风扇外壳和高压涡轮的焊接，飞机座舱盖和风挡钻孔作业，飞机机身和垂直尾翼钻孔，都采用了机器人。某些飞机机身、机舱的喷漆作业，发动机零部件等离子喷涂也采用了机器人。在空间开发中，航天飞机上收放卫星的机器人是加拿大Spar公司生产的，美国NASA实施的火星测计划，发射了两个火星探测器海盗I和海盗H，它们也是一种机器人，在火星上采集样品，作各种实验，并能将实验结果发回地球。
在海洋开发方面，美国曾用Curv号有缆水下机器人成功地从西班牙附近900米深的海底打捞一颗因B-52轰炸机失事掉入水中的氢弹。
挪威卑尔根公司生产的一种水下机器人，可在水下600米处作业，装有电视摄像机，可收集海底标本，切割石油管道和缆索等。
在放射性环境中，如在核电站里，机器人可用来检查、修复管道、阀门等，如日本东芝公司研制的一种蛇形机器人，具有八个关节，可以在狭小的空间里操作，臂长达2.25米，臂顶端装有电视摄像机。
在军事方面，机器人己用于侦察、布雷、排除爆炸物、装填弹药等。在建筑中，己有一种爬壁机器人可用来修理墙面，擦洗窗户。此外还有摘果实、挤牛奶、剪羊毛、清理垃圾、监护病人的机器人等。
总之，机器人的应用面相当广泛，机器人的工作特点是在计算机控制下离开人的干预进行各项工作。用机器人代替人，可以使人摆脱高温、有毒、粉尘、振动、放射性、强噪音等恶劣环境，而去从事机器人的监控、维护等工作，使工作性质发生了变化，减轻了劳动强度，同时也改善了就业结构。机器人工作抗干扰能力强，一心一意按所编程序工作，动作精度、重复精度高，因此能保证和提高产品质量。解决多品种小批量生产的自动化问题二随着人民生活水平的提高，人们要求提供更丰富更多样的产品。因此，用传统的生产方式难以满足人们的需求，当前柔性制造系统的飞速发展正是适应了这种发展趋势，而机器人是柔性系统中不可缺少的提高劳动生产率的关键设各。与人相比，机器人有一个最大的特点:不知疲倦、不需要休息，在合宜的条件下，可以连续工作，因此可以大大地提高劳动生产率。机器人对于改善劳动条件、减少安全事故，减少人受危险环境的伤害等方面都有显著的效果。
1.4SCARA机器人的研究意义
1.4.1SCARA机器人的研究意义
目前，国外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用，主要类型大致有直角坐标型、圆柱坐标型和关节型三大类。关节型装配机器人又有垂直关节型(即空间关节型)和平面关节型(即SCARA型)两种。拒统计资料介绍，在这些装配机器人中，平面关节型装配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装配机器人。1991年世界上4万余台在生产上应用的装配机器人中，SCARA机器人约占3/4左右。其主要应用领域为电子电气业、家用电器业、精密机械业。从事印刷电路板上电子元器件的插入作业;家用电器及仪器仪表的组装作业:小型电器开关、接触器等电器产品的组装作业。可以说，SCARA型机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手。
随着社会需求的增大和技术的进步，装配机器人将会得到迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，将是推动装配机器人发展的直接动力。近年来计算机、CIMS及柔性自动装配系统等的发展，又为装配机器人的应用和发展提供了良好的可能性。1972年我国开始研制机器人，但发展缓慢，受经济、观念等因素的制约，基本没有什么应用，直到1986年，沈阳机器人研究所成立，中国的机器人才向实用阶段发展。随着国内教育和科技的发展，哈工大等高校出现了专门的机器人机构，研究水平在某些方面己达到国际先进水平。在应用方面，一汽等大型企业己开始使用机器人自动化生产线。但总体来说，国内机器人发展还是趋于落后，特别是在应用方面发展缓慢。究其原因，除了经济因素的制约外，很重要的一点是有关机器人的教育跟不上，知道机器人的人很多，但真正了解、懂机器人的人少而又少，这就使我国的机器人发展缺乏智力支持，加强机器人技术教育，缓解人才危机迫在眉睫。而研制结构简单、成本较低SCARA 机器人用于教学可以提高教育的现代化水平，用于实际生产可以大大提高工作效率，还可以用于科学研究工作，为开发更先进的装配机器人提供有利条件，随着我国经济和科技的发展，我们有能力也有必要进行这方面的研究
1.4.2SCARA机器人的特点
根据工作环境、工作特点等要求，本SCARA机器人应具备以下几个特点:
1.外形美观，适于观察。
如果作为示教用机器人应该让观看者赏心悦目，同时能直观地了解它的构成和动作原理。故机器人的外形应巧妙设计，部分外壳应采用透明材料，内部结构应简单明了，另外，机器人的动作应连续，速度适中。
2.成本低
在满足所要求功能的前提下，尽可能降低成本，这是设计的基本要求.如果作为教学用机器人只要求有一些示范性动作，而对实践的功能要求不高，速度等参数可在一定范围内调整，定位精度要求也不高，故机构尽可能采用规则件、标准件，驱动元件采用便宜的步进电机，而光电码盘等测试校验元件则可不用，其功能由软件部分实现补偿。这样，结构大大简化，成本也随之降低。
3.体积小，重量轻
SCARA机器人要求抓取重量不大，动作范围也很小，故体积很小，展开应在60x80cm2左右。要实现SCARA机器人的四个自由度，内部零件应尽量小巧，结构应尽可能紧凑。重量轻是机器人研制的一个方向，在满足强度和刚度的条件下，零部件越轻越好，故材料要首选铝质轻质材料，零件特别是具有定位功能的壳体定位板应采用板筋结构，各零件的空间分布要合理，减小倾覆力矩。
4.传动原理简单
本SCARA机器人采用步进电机驱动，速度要求不高，故减速比可在一定范围内调整，
只要能满足转矩即可。选择减速方案可根据空间结构要求，跨距转大的传动可选用同步带传动力求一步到位，传动简单。
1.5本文的研究内容
SCARA机器人为平面关节型机器人，一般采用步进电机驱动，控制简单，编程方便。主要应用于电子产品中异形元件装配，小型机电产品如电机、空压机、电器、泵类等的装配工作，是一种小型经济型机器人。该机器人的突出特点是机构承载能力强，具有较好的通用性，重复定位精度高，动作速度快，应用范围广。该论文涉及计算机技术、电子、机械等多学科的知识，主要完成了以下的工作:
1. 在进行充分的课题可行性论证及详细的理论计算之后，用AutoCAD等计算机图形辅助设计软件完成了SCARA机器人的机械本体结构设计。为了满足灵活性强、工作空间大、重量轻及结构紧凑等工作要求，将其设计为具有三个转动关节的机器人。
2．建立了SCARA机器人的运动学数学模型，得到了运动学方程的正解和反解，并在运动学分析的基础上，求得了SCARA 机器人的雅可比矩阵。
第二章SCARA机器人结构设计
2.1 SCARA机器人传动方案的比较及确定
初步确定以下两种可行方案：
方案一：
大臂转动采用谐波减速，小臂转动采用二级同步带减速，升降轴采用丝杠螺母传动，手腕转动采用步进电机直接驱动。这种方案主要考虑了传动链的简化，结构比较简单易行。
方案二：
大臂转动采用齿轮减速，小臂转动采用二级同步带传动，升降轴采用一级齿带传动加齿轮齿条实现升降运动。
方案一具有以下特点:
1.第一个自由度采用谐波减速器，适合结构特点，减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载能力大、噪音小、效率高、定位安装方便，由于使用标准件，价格也不高。
2.第二个自由度采用二级同步齿形带减速，充分利用了大臂的空间，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率较高，但对安装有一定要求，需加调整装置。
3.第三个自由度采用丝杠螺母传动。电机直接驱动丝杠螺母传动的同时兼有减速的作用，一步把旋转运动转变为直线运动，传动精度较高，丝杠有自锁功能，速度不宜过高。
方案二具有以下特点:
1.第一个自由度采用齿轮减速，这是最常用的减速方法，传动比恒定，传动效率高，工作可靠，使用寿命长，结构紧凑，传递功率大，但传动精度低，噪音大，传动比小。齿轮的加工成本比较高，体积和重量都比较大。
2.第三个自由度采用了齿带加齿轮齿条传动，基本具备齿轮传动的特点，传递功率大，传动效率高，精度低，有噪音，传动比小，工作可靠，但需要平衡装置，不能自锁。
3.其它方面与方案一基本相同。
两方案相比较，在传动的实现上，二者都是可行的。方案一结构比较简单，各传动元件的定位比较容易实现;方案二结构较为复杂，各部分定位都需仔细考虑。外观上，方案二显得更好一些。传动精度方面，显然方案一比较高。成本上考虑，方案一采用标准件较多，零部件较少，且比较规则，易于加工，丝杠螺母在精度要求不高的情况下，加工成本也不是很高;方案二用了很多齿轮，需专门设备加工，且各定位部件形状不规则，加工困难，这都使成本增加。故综合考虑，选择方案一。
机器人驱动方案的对比分析及选择:
对机器人驱动装置的一般要求如下:
1.动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高;
2.反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大;
3.动作平滑，不产生冲击;
4.控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小;
5.安全可靠;
6.操作和维护方便;
7.对环境无污染，噪声要小;
8.经济上合理，尤其是要尽量减少占地面积。
通常的机器人驱动方式有以下四种:
1.步进电机:可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉;通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制;位置误差不会积累;步进电机具有自锁能力(变磁阻式)和
保持转矩(水磁式)的能力，这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机器人。
2.直流伺服电机:直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。
3.交流伺服电机:交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。
4.液压伺服马达: 液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。SCARA机器人负载并不大，决定了机器人必须重量轻(10~20Kg)，另外其作业范围也不大，所以机器人必须体积小。对此机器人，这些特点决定了它的驱动方式。又通过以上比较，由于步进电机的诸多优点，初选上述方案中的步进电机方案进行详细的计算和选择，并在此基础上参考同类机器人的驱动方案，最后确定一种适合我国国情的实施方案。
SCARA机器人两个关节均选用步进电机驱动。机器人大臂，小臂均采用了二级齿带传动，升降轴采用一级齿带加齿轮齿条实现升降运动。
2.2 各自由度步进电机的选择
本机器人前两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。下面估算一下绕机器人臂的旋转轴的转动惯量，设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为J G1,JG2,JG3根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为:
J1=JG1+ m1 1 12+JG2+m2 122+ JG3 + m3l32(2-1)
其中，m1, m2, m3分别为大臂，小臂, 腕部的质量为3kg,0.8kg,4kg 。1 1, 12, l3分别为各重心到第一关节处的距离，其值为150mm ,450mm,550mm。
在式(2-1)中，JG1≤m1 1 12，JG2< 所绕第一关节轴的转动惯量为: J1= m1 1 12+ m2122+ m3l32 =3×0.152+0.8×0.452+4×0.552 (2-2) =1.44kg.m2 同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: J2= m2 1 42+ m3 l52 =0.8-0.12+4×0.22 =0.168kg.m2(2-3) 式中：l4 小臂重心距第二关节轴的水平距离mm。 l5 腕部重心距第二关节轴的水平距离mm。 2.2.1 第一自由度步进电机的选择 设大臂速度为ω1=300/s，使机器人大臂从ω0=0到ω1=300/s所需的时间为:△t=0.ls, 则同步带应输出转矩为: （2-4） 设安全系数为2，同步带减速比i=10，同步带传动效率为:η=85% 。则电机所需输出力矩为: T=(2×T1)/i×η2=20 N m（2-5） 选择步进电机 型号：KP8M2-037 步距角：1.80 最大启动力矩:2.68 kg cm 2.2.2 第二自由度步进电机的选择: 设小臂速度为ω2=150/s, 角速度从0到ω2 所需加速度时间△t=0.2s, 则同步带应输出转矩为: T2= J2 ×ω2= 0.22 N m （2-6） 设安全系数为2，同步带减速比i=10，同步带传动效率为:η=85% 。则电机所需输出力矩为: （2-7） 选择步进电机 型号：KP56LMS2-1 步距角：1.80 最大启动力矩:3.33 kg cm 2.2.3 第三自由度步进电机的选择 丝杠螺母传动,实现腕部的升降,设丝杠轴向承载总和为: Q=34.3N。 丝杠基本参数选择: 螺纹牙形: 梯形螺纹，β=300 螺距: P=2mm 公称直径: d=10mm, 中径: d =9.5mm 摩擦系数: f=0.1 螺旋升角为: λ=arctgP/(πd2)=arctg2/(9.5π)=3.8340(2-8) 当量摩擦角为: (2-9) 螺纹阻力矩为: T1=d2/2 Q tg(λ+ρˊ)=9.5/2 ×34.3×tg(3.8340+5.9110)=0.031N m (2-10) 螺纹所受摩擦力矩为: T2≈fc Q Dm/2（2-11） 式中: fc ----摩擦系数，取0.1 Dm---- 支撑面平均直径,此例中取螺母内外径和的一半,即(10+40)/2= 25 mm.带入数据得: T2≈(0.1×34.3×25)/2=0.047N m （2-12） 丝杠所受力矩为阻力矩与摩擦力矩之和,即: T= T1 + T2 =0.031+0.047=0.078 N m （2-13） 安全系数取2,则电机所需最小转矩为: T3=2 T=2×0.078=0.056 N m （2-14） 选择电机型号: KP56LMS2-1 步距角：1.80 最大启动力矩:3.33 kg cm 2.3 同步齿形带传动设计 由2.2.2知,同步带输出转矩为:0.22N m , 输出转速为:ω=150/s,单级传动效率为:η=85%,传动比为:10,取安全系数为k=3,则同步带传递功率为: P=k T ω/η2 =3×0.22×(π/12)/0.852=0.24w (2-15) 设传动比分配为:第一级传动i1=5, 第二级传动i2=2, 带轮依次为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,则： Ⅳ轮转速：n4=150/s=2.5 r/min Ⅱ、III轮转速: n2=n3=i2×n4=2×2.5=5r/min I轮转速: n1=in4=10×2.5=25r/min 设中心距: L1=100mm,L2=250mm (1)求出设计功率Pd 由文献[12]表9.3-11查得载荷修正系数k0=1.6，因为未使用张紧轮,又是减速运动，故文献[12]中表9.3-11的附加修正系数均为零。则: Pd=k0P=1.6×0.24=0.384 w (2)选择带的节距 由Pd=0.384W和n1=25r/min，从[12]图9.3-4中查得带的节距代号为XL,对应的节距为Pd=5.08mm (见表9.3-1-2[1])。 (3)确定带轮直径和带节线长 由表9.3-10[1]，带轮I齿数最小可取10，考虑到制造和安装等因素，取Z1=13。则：Z2=i1Z1=5Z1=65 根据【12]表9.3-6标准系列，取Z2=60 同理可得: Z3=17, Z4=40 重新计算传动比: i1= Z2/ Z1=60/13=4.6 i2= Z4/ Z3=40/17=2.4 i= i1l2=10.8 由表9.3-6可得I,II,III,Ⅳ各带轮的直径: d1=21.02mm,d2=97.02mm d3=27.49mm,d4=64.68mm 由[12]式(15)可得带长计算公式: (2-16) 式中: L---中心距mm Lp---带长mm d1,d2一配合带轮直径mm 代入数据计算可得: 按[12]表9.3-2，选择最接近算值的标准带长: Lp1=406.4mm 齿数80 代号160 Lp2=635 mm 齿数125 代号250 近似计算中心距: (2-17) 式中： L--- 中心距mm Pb---节距,这里为5.080 mm Zb---- 带齿数，这里Zb1=80,Zb2=125 Z2,Z1为配合带轮齿数则: 取整，则L1=103mm 取整，则L2=245mm 进行标准带宽的选择: 小带轮I齿数Z1=13，转速为n=25r/min，由[12]表9.3-12内插法得XL型带的基准额定功率为P0=1.25W 啮合齿数: 则啮合齿数系数为: 由文献[13]表4-20可以查Pb=50.8的XL型同步带的基准宽度为 Bs0=9.5mm, 同步带宽为: 查文献【13]表4-25得带宽的标准值，为安全可靠，带宽bs=7.9mm 带宽系数： 带的许用拉应力查表9.3-11[2]得 Ta=50.17N 带的单位长度质量查表9.3-11[l]得 m=0.022 kg/m 带的圆周速度: 带的工作能力: 额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够。 结果整理如下: 两极同步带类型均为为XL型同步齿型带Pb=5.08 mm,带宽bs=7.9mm 一级同步齿型带齿数: Zp1=80 带长Lp1=402 mm 代号160 二级同步齿型带齿数:Zp2=125带长Lp2=646.71 mm 代号250 各带轮齿数：Z1=13，Z2=60，Z3=17，Z4=40 各带轮节径：d1=21.02 mm ,d2=97.02 mm d3=27.49 mm d4=64.68 mm 传动中心距：L1=103 mm L2=245 mm 图2-1 SCARA机器人大臂结构图 2.4 丝杠螺母设计 设丝杠所受轴向载荷总和为34.3N，由于载荷较小，强度不成问题，根据结构要求，从标准系列中选取以下参数: 螺距: t=2mm，梯形螺纹 导程:s=2mm 头数:Z=1 螺母高度与螺纹中径之比: υ=H/d2=1.5 螺纹牙工作高度: h=1mm 2.4.1 丝杠耐磨性计算 丝杠材料采用钢，螺母材料选用青铜，根据[2]表3-8取许用比压[P]=11N/mm2 对于单头标准梯形螺纹: 式中，P—轴向载荷N 根据标准系列，取丝杠公称直径：d=10mm 2.4.2 丝杠稳定性计算 柔度: λ=μl/i 式中：μ 一长度系数，这里取2 l 一丝杠最大工作长度，取120 mm i 一危险截面惯性半径，i=d1/4=2.25 mm 代入数据得: λ=106.7 丝杠临界压缩载荷: 式中: E一弹性模量, 钢取20.58×104 N/mm2 I一惯性矩, I=1/64 πd14490.9mm4 代入数据得: Pc=17306.8 N 取丝杠稳定安全系数: nw=4 则 Pc/ nw=17306.8/4=4326.7 N 故丝杠稳定. 2.4.3 丝杠刚度计算 一个导程的变形量的最大值: 式中: p一轴向载荷34.3 N s一导程2mm E一弹性模量20.58×104 N/mm2 d1一丝杠小径9 mm M一丝杠传递扭矩, 由2.2.3知, M=T=0.078 N m G一切变模量, 83.3×103 N/mm2 将数据代入得: 1000mm变形量为: δ1000=6.15×10-3/2=3.08um 120mm变形量为: δ120=120δs/2= 0.37 um 由变形量可知，丝杠变形较小，刚度足够。 2.4.4 丝杠和螺母螺纹牙强度计算 螺母所受弯曲应力 式中: b一齿根宽度b=0.65s =1.3mm，其它字母意义同前。 青铜的许用弯曲应力为:[σw]=49N/mm2，故σw <[σw]. 螺母螺纹所受剪切应力: 青铜的许用剪切应力为[τ]=34.3N/mm2，故: τ<[τ] 丝杠螺纹所受弯曲应力 钢的许用弯曲应力为[σ] w=72 N/mm2,故σ<[σ] w 丝杠的螺纹所受的剪切应力 钢的许用剪切强度为[τ]=43 N/mm2,,故τ<[τ]。 以上校核表明，丝杠和螺母的螺纹牙强度足够。 2.4.5 螺纹副自锁条件校核 由[2]表3-10得，此螺纹副的当量摩擦系数fv=0.1。当量摩擦角为 由式(2-6)知，螺旋升角为 λ= 3.8340< ， 故此螺纹副能自锁。 结论:丝杠螺母副公称直径d=10mm，导程p=2mm，刚度、强度、稳定性均合格，且能自锁。 2.5各输出轴的设计 各轴的材料均选用45号钢，由【2]表8-2知轴的许用扭剪应力[τ]=30MPa, 由许用应力确定的系数为C=120。 2.5.1 机身输出轴设计 由2.2.1知，此轴传递扭矩T=20N m，转速ω=300/s，则传递功率为: P= T×w=20×（π/6）=10.5W=0.0105kW n= (w /360)×60=5r/min 减速器的轴颈较大，故d的值可取大一些，这里取d=30mm;轴承部分υ=30mm，轴承选为单列角接触球轴承，轴承型号为7206AC，其余根据结构确定。由于载荷不大，轴承选的较大，强度足够，这里不再详算。 2.5.2 大臂输出轴设计 由2.3知，此轴的设计功率为P=0.382W，转速w=150/s,n= 15×60/360=2.5 r/min则： 最小轴径在两臂连接处，有键槽，且承受一定弯矩，故取d=16mm，轴承部分轴径选用υ1 7，其余按结构确定。，其余按结构确定。轴承选为单列角接触球轴承，轴承型号为7203 C,其余根据结构确定。 2.5.3 带轮轴设计: 此轴传递的扭矩为 此轴的转速为w=300/s，则传递功率为: 由于轴上有键槽，且承受一定弯矩，故取d=15mm，轴承处轴颈取为d=12mm。轴承选为单列角接触球轴承，轴承型号为7301C. 2.5.4 升降轴设计 升降轴上螺母与丝杠配合，故需设计成空心轴，主要承受轴向拉力，取内径d=14mm，外径D=18mm，用两光杠与一直线轴承导向。丝杠采用一对面对面角接触球轴承支撑，轴承型号为7201AC。光杠采用υ5钢棒，与升降轴同一平面平行放置，示意图如下: 图2-2升降轴导向示意图 由2.2.3知丝杠传递扭矩T=0.078N-m，则光杠所受圆周力 则光杠所受径向力为 光杠挠度最大值 式中: 1一光杠长度120mm E一弹性模量200Gpa I一惯性矩πd4/4 将数据代入得: ymax=3.586um 2.6壳体设计 机身部分采用铸铝材料，方形结构，臂厚5-6mm。大臂壳体采用铸铝，U形结构，质量轻，强度大。底板厚度4mm,上壁厚4-5mm。侧面采用透明塑料，厚度为3mm左右。小臂外壳体采用铸铝，U形结构，底板厚度4mm,上壁及筋板厚4-5mm。侧面用塑料，厚度3m m左右。 图2-3SCARA机器人小臂及腕部结构图 图2-4 SCARA机器人总体结构图 第三章SCARA机器人运动学分析 3.1 引言 机器人运动学涉及到机械手相对于固定参考系原点几何关系的分析研究，特别是机械手臂末端执行器位置和姿态与关节空间变量之间的关系。 机器人运动学研究有两类问题: 一类是构型已知，要求计算机器人末端手爪的位置与姿态问题，称为正向运动学;另一类是己知末端手爪的位置与姿态求机器人对应该位姿的全部关节角，称为逆运动学。显然，正问题是简单的，解是唯一的，但逆问题的解是复杂的，而且具有多解性，这给问题求解带来困难，往往需要一些技巧与经验。事实上，逆运动学问题更为重要，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础。 机械手可用一个开环关节链来建模，此链由数个刚体(杆件)串联而成。开链的一端固接在基座上，另一端是自由的。由于机器人末端执行器的位置和姿态是由各杆件运动形成的，采用D-H法来描述和表达机械手各杆件相对于固定参考系的空间几何学关系，从而把运动学问题同齐次变换矩阵联系起来。 3.2SCARA机器人正运动学分析 3.2.1SCARA机器人连杆坐标系的建立 SCARA机器人属于平面关节型机器人，对实际本体及其各连杆坐标系的建立见图。 图3-2 SCARA机器人D-H杆件坐标系 图3-3SCARA机器人D-H杆件坐标系 实际上，为了建模中问题的简化，我们往往按照图3-3所示进行建模。在这里，不同之处主要在Z0和Z5。对于实际问题Zo到Z1的变换矩阵和Z4到Z5的变换矩阵(工具坐标变换)是常量，因此在数学建模时为了方便可以按照图4-3进行建模，最后在分别左乘和右乘两个常数矩阵。本文都是以图3-3为基础进行建模。 相应的连杆参数列于表3-1。其中L1=340 mm, L2= 380 mm , 表中θ1,θ2,d3,θ4为关节变量。 采用Denavit-Hartenberg法为每个关节处的连杆坐标系建立齐次变换矩阵，表示它与前一个连杆坐标系的关系。设与机器人机座相固连的坐标系O0X0Y0Z0为参考坐标系，每个杆件固接一个动坐标系，根据表3-1各杆件间的关系，可以得到相应的位姿变换矩阵(记为“n -1Tn”)，见公式(3-1) “n-1Tn”表示连杆n相对于前一连杆n-1的位置和姿态，其中，n=1~ 4. （3-1） 其中ci---表示cos(θi) Si---表示sin(θi) 表3-1 D-H 参数表 # 关节转角θ连杆偏移d 连杆距离a 连杆扭角α变量范围 1 θ10 l1 0 -150°≤θ1≤150° 2 θ20 l2 π-150°≤θ2 ≤150° 3 0 d3 0 0 0 3.2.2SCARA机器人正运动学问题 机器人运动学只涉及到物体的运动规律，不考虑产生运动的力和力矩。机器人正运动学所研究的内容是:给定机器人各关节的角度，计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。 各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程(正运动学方程)为; 0T4=0T1(θ1)1T2(θ2)2T3(d3)3T4(θ4)=（3-2） 其中;工具坐标系的z向矢量处于夹手指向物体的方向，称之为接近矢量;工具坐标系的y 向矢量的方向从一个指尖指向另一个指尖，处于规定夹手方向上，称为方向矢量;最后一个矢量叫法线矢量，它与矢量和矢量一起构成一个右手矢量集合，由矢量的叉乘规定: 。 公式(3-2)表示了SCARA机器人手臂变换矩阵0T4，它描述了末端连杆坐标系{4}相对于基坐标系{0}的位姿，是机械手运动分析的基础。 把式(3-1)中的值代入式(3-2)可得: nx=c1c2c4-s1s2s4+c1s2s4+s1c2s4=c12-4 ny=s1c2c4+c1s2c4+s1s2s4-c1c2s4=s12-4 nz=0 ox=s1c2c4+ c1s2c4+s1s2s4-c1c2s4=c12-4 oy=-c1c2c4+s1s2s4-c1s2s4-s1c2s4=-c12-4 oz=0 ax=0 ay=0 az=-1 px=c1c2l2-s1s2l2+c1l1=c12l2+c1l1 py=s1c2l2+c1s2l2+s1l1=s12l2+s1l1 pz=-d3 (3-3) 式中：c12-4表示cos(θ1+θ2-θ4) s12-4表示sin(θ1+θ2-θ4) c12表示c os(θ1+θ2) s12表示sin(θ1+θ2 ) 最后得: (3-4) 通过建立各关节的连杆坐标系，然后利用D-H 法建立齐次变换矩阵，就可以直观地进行末端执行器的位姿矩阵的求解,方便,易掌握、便于检查。 3.3 SCARA机器人逆运动学分析 给定机器人终端位姿，求各关节变量，以驱动关节上的电机，从而使手部的位姿符合要求，称为求机器人运动学逆解，也就是机器人逆运动学问题。 从工程应用角度而言，机器人的运动学逆解问题往往更有实际意义，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础。正向运动学的解是唯一的，然而运动学反问题往往具有多重解，如果位于工作空间外也可能没有解。另外，对于运动学逆解而言，还要求计算方法的计算效率、 计算精度等较多要求，最理想的情况是得到封闭解。 运动学逆解的方法有封闭解和数值解两种。封闭解的具体步骤和最终公式，因机器人的具体构形而异，但是，计算速度快，效率高，便于实时控制。数值解不具备这些特点，它是人们寻求位姿逆解的通解而得到的方法，由于计算量大，计算时间往往不能满足实时控制的需要，在多重解的情况下，某些迭代算法不能保证求出所有解，而且非线性方程的数值解法本身还有待研究，因此这一方法目前只具有理论意义。封闭解法有代数解法和几何解法。目前已建立的一种系统化的代数解法为:运用左乘逆矩阵来求解腕的运动学逆解，运用臂终端位置来求臂的运动学逆解，运用臂腕分离法求整个机器人的逆解。常用的是Paul提出的反变换法(也称代数方法)。 机器人正运动学方程为: 0T4=0T1(θ1)1T2(θ2)2 T 3(d3)3T4(θ4)（3-5） (1) 求关节变量θ1 分离变量，对方程两边同时左乘0T1-1(θ1),得 （3-6） 即： (3-7) 令左右矩阵中的第一行第四个元素，第二行第四个元素分别相等。即 cosθ1 px+sinθ1 py-l1=cosθ2 l2(3-8) - sinθ1px+ cosθ1 py=sinθ2 l2(3-9) 由以上两式联立可得: （3-10） 式中 (2) 求关节变量θ2 由公式(3-9)可得: （3-11） 式中 (3) 求关节变量d3 令左右矩阵中的第三行第四个元素相等，可得: Pz=-d3 （3-12） (4)求关节变量θ4 令左右矩阵中的第二行第一个元素相等，即: -sinθ1 nx+cosθ1 ny=sinθ2cosθ4-cosθ2sinθ4（3-13） 由上式可得： θ4=θ2-arcsin(-sinθ1 nx + cosθ1 ny)（3-14） 到此为止，所有的运动学逆解都已求出，其中只进行了一次简单的矩阵逆的运算，用得到的结果计算角度比对矩阵求逆或使用高斯消元法计算要快地多，从而使计算过程大为简化。有利于编程实现。 由公式(3-10)可看出，该逆解有两个解，其实，用代数法和几何法进行位姿逆解时，关节角的解都是多解的。如用几何法，这种多值可以方便的由解图直接判定。比如，大家普遍熟悉的PUMA机器人的反解有8种，分为左手、右手、上臂、下臂以及上下翻腕，即2×2×2种组合方式。对于平面关节型机器人，为了便于控制一般分成左右手的情况，就如同人的左右手在同一平面内的运动。此时，运动学逆解的结果如果在工作空间内，则最后的结果是唯一的。运动学逆解编程时可以加一个条件语句，判断左右手的条件，而离线编程只需输入左右手的标识符就可以。 3.4 本章小结 本章在研究了工业机器人运动学系统理论的基础上，遵循简单实用的原则，针对SCARA 机器人进行了运动学的正解和反解分析。对于运动学正解问题，建立了运动学模型并推导出一组简单实用的计算公式来求解机器人的手部位姿:对于运动学反解问题，针对该种机器人的特殊结构，提出代数法和几何法结合的方式，解决运动学逆问题，并可以得到左右手两种解。在此基础上，用五次多项式插值讨论了SCARA机器人在关节空间轨迹规划的问题。 第四章总结与展望 我国机器人的研究和应用起步较晚，但是随着国内外机器人的快速发展、社会需求的增大和技术的进步，装配机器人得到了迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，是推动装配机器人发展的直接动力。SCARA型机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手。本课题正是在这种背景下提出来的，这是一项具有重要意义的课题。本文主要完成了如下工作: 1．进行了机器人本体的设计 SCARA应该具有外形美观、体积小、重量轻、成本低、传动原理简单等特点，为此机器人设计成具有四自由度的结构，由机身、大臂、小臂、腕部组成。其中第三个自由度为移动关节;其余三个自由度均为旋转关节。SCARA 机器人四个关节均选用价格低廉的步进电机驱动。第一、二个关节采用了同步齿形带的传动结构，充分利用了大臂的空间，结构紧凑;第三个关节采用了丝杠螺母传动，丝杠本身具有自锁功能，传动精度较高:第四关节采用了步进电机直接驱动。 2．进行了运动学分析 在进行完静力学计算的情况下，运用D-H方法建立了杆件坐标系，完成了机器人的运动学分析，包括正运动学方程的推导和逆运动学解的求取。 3．机器人步进电机的控制 由于机器人采用步进电机驱动。通过此实例把本文设计的SCARA机器人机械本体、运动学分析、步进电机的控制等有机的结合在了一起。 本文针对机器人所需完成的任务，进行了三方面的研究基本符合机器人的工作要求。在以后的研究工作中，主要是进一步深入机器人结构方面的设计，使它的结构趋于完美。 参考文献 [1] 蔡自兴.机器人原理及其应用.湖南:中南工业大学出版社，1988 [2] 过三郎等机器人工程学及其应用.北京:国防工业出版社，1989 [3] 付京孙等.机器人学.北京:中国科学技术出版社，1992 [6] 范印越.机器人技术.北京:电子工业出版社，1988 [7] 刘德满、尹朝万.机器人智能控制技术.长春:东北大学出版社，1993 [8] 合田周平等.机器人技术.北京:科学出版社，1983 [9] 昊广玉、姜复兴机器人工程导论.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1990 [10] 孙迪生、王炎.机器人控制技术.北京:机械工业出版社，1998 [11] 杨永才.机械设计新标准应用手册.北京:北京科学技术出版社，1993 [12] 朱宝库.机械设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1994 [13] 淮良贵、纪名刚.机械设计.北京:高等教育出版社，1996 [14] 刘文剑.工业机器人设计与应用.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，1990 [15] 蔡春源等.机械零件设计手册.北京:冶金工业出版社，1994 [16] 索罗门采夫.工业机器人图册.北京:机械工业出版社，1991 [17] 《工业机械手图册》编写组工业机械手图册.北京:机械工业出版社，1978 致谢 这次毕业设计可以圆满的完成，得益于导师李成刚讲师的精心指导。从论文的选题到课题研究工作的展开，论文的撰写与修改，无不凝聚着导师的心血。导师渊博的知识，严谨求实的治学态度，敏锐的学术洞察力，对学术的不断追求和创新使作者终生受益，仅以此对导师表示衷心感谢和诚挚的敬意。 在本课题的研究过程中，同学也给予了有益的提示和帮助，作者在此表示感谢。最后，向所有在大学阶段关心和帮助过我的老师，同学和朋友表示衷心的感谢 智能四足机器人结构设计 摘要 对于我们的未来生活，每个人有不同的构想，但大多数人都相信，在将来的社会，机器人将作为家庭的一员进入我们的生活，与我们每天朝夕相处。可现在普遍存在人们心中的疑问是：将来机器人将以何种身份进入我们的生活，是玩伴还是佣人，智能步行机器人的设计就是为了将来机器人能进入我们中国人的家庭生活，为我们的家庭生活带来欢乐。 本设计采用关节型结构，成功地设计了智能步行机器人的本体结构。本机器人具有前后行、平地侧行等基本行走功能。另外机器人头部还装有CD摄影机，胸腔内部可装备内置电源和智能设备。本设计参考了狗的结构组成，使得机器人结构尽量与狗的本体结构相似，尤其在长度配比方面。本设计的结构比较复杂，关节数目众多，为了力求优化设计，设计者兼顾了关键部件的互换性和结构紧凑的原则。所有的关节都用了2036型的直流伺服电机作为驱动源，充分利用伺服电机的特性。伺服电机的驱动都采用了谐波减速器机构，该减速方案减速比大、效率高，是比较理想的减速方案。 关键词：智能四足机器人；结构设计；谐波传动 Intelligent Four-Foot Robot Frame Design Abstract For our future life，everyone had different ideas，but most people believe that，in future society，the robot as a family into our lives，and we can now daily overnight with the common people's hearts Question is: what will be the future status of robot into our lives，playmates or servants，the design of intelligent walking robot is to the future robot can enter our Chinese people's family lives，for our happy family life. The design of a joint structure，the successful design of intelligent walking robot，the body structure. The robot has before and after the trip，the ground adjacent to the basic operating functions. Another robot is also equipped with CD camera head，chest internal equipment can be built-in power supply，and intelligent. The reference design of the structure of the robot，making the structure as the robot dog，the dog's body similar to the structure，particularly in the area ratio of length. The design of the structure is more complicated，the large number of joints，in an effort to optimize the design，designers take into account the interchangeability of key components of the compact structure and principles. All joints are composed of a 2036-type of DC servo motor as a driver and make full use of servo motor characteristics. Servo motor drives are used harmonic reducer，the slowdown in the programme reduction ratio，high efficiency，The ideal slowdown is a good programme. Keywords：intelligent four-foot robot ; structural design; harmonic drive 轮式移动机器人的结构设计 摘要：随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。本课题是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。 本文介绍了已有的机器人移动平台的发展现状和趋势，分析操作手臂常用 的结构和工作原理，根据选定的方案对带有机械臂的全方位移动机器人进行本 体设计，包括全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计和机器人操作 臂的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，可以快速、有效的到达指定 地点；机械臂操作范围广、运动灵活、结构简单紧凑且尺寸小，可以快速、准 确的完成指定工作。设计完成后要分析全方位移动机构的性能，为后续的研究 提供可靠的参考和依据。 关键字：机器人移动平台操作臂简单快速准确 Structure design of wheeled mobile robots Abstract:with the robot technology in an alien exploration, field survey, military and security new areas to be increasingly widely adopted, robot technology by indoor, outdoor by fixed, to move towards artificial environment, the artificial environment. This topic is the basic link, robot design for the follow-up about robots can provide valuable reference and useful ideas platform. This article summarizes the existing robot mobile platform development status and trends of operating the arm structure and principle of common, According to the selected scheme of mechanical arm with ontology omni-directional mobile robots designed, including the design of all-round wheel rotating mechanism, wheel steering mechanism of design and the design of robot manipulator. Request to change direction, move the omni-directional mobile institution, can quickly and effectively flexible the reaches the specified location; Mechanical arm operation scope, sports flexible, simple and compact structure and size is small, can quickly and accurately completed tasks. The design is completed to analyze the performance of the omni-directional mobile institutions for subsequent research, provide reliable reference and basis. Keywords: Robot mobile platform manipulator simple accurate and quick 1绪论 1.1工业机器人概述 工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，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机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。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、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说它也是机器进化过程的产物，它是工业以及非工业领域的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。工业机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全 生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，由它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，工业机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。工业机械手的结构形式开始比较简单专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。 1.2工业机器人的组成和分类 1.2.1工业机器人的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。各系统相互之间的关系如方框图1.1所示。 图1.1机器人组成系统 （二）简答题 1.智能机器人的所谓智能的表现形式是什么？ 答:推理判断、记忆 2.机器人分为几类？ 答:首先，机器人按应用分类可分为工业机器人、极限机器人、娱乐机器人。 1)工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检验机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。 2)极限机器人主要是指用在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，包括建筑、农业机器人。 3)娱乐机器人包括弹奏机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等。也有根据环境而改变动作的机器人。 其次，按照控制方式机器人可分为操作机器人、程序机器人、示教机器人、智能机器人和综合机器人。 3. 机器人由哪几部分组成？ 机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交换系统、人机交换系统和控制系统。 4. 什么是自由度？ 答:人们把构建相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度。 5. 机器人技术参数有哪些？各参数的意义是什么？ 答:机器人技术参数有:自由度、精度、工作范围、速度、承载能力 1）自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维空间里描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，也可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。 2）精度：工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度（即重复度）。 3）工作范围：是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。 4）速度；速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。 5)承载能力：是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括机器人末端操作器的质量。 6. 机器人手腕有几种？试述每种手腕结构。 答：机器人的手臂按结构形式分可分为单臂式，双臂式及悬挂式按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的。如手臂的伸缩，升降及横向移动，有回转运动的如手臂的左右回转上下摆动有复合运动如直线运动和回转运动的组合。2直线运动的组合2回转运动的组合。手臂回转运动机构，实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片是回转缸，齿轮转动机构，链轮传动和连杆机构手臂俯仰运动机构，一般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现手臂复合运动机构，多数用于动作程度固定不变的专用机器人。 7. 机器人机座有几种？试述每种机座结构。 答：机器人几座有固定式和行走时2种 1)固定式机器人的级左右直接接地地面基础上，也可以固定在机身上 2)移动式机器人有可分为轮车机器人，有3组轮子组成的轮系四轮机器人三角论系统，全方位移动机器人，2足步行式机器人，履带行走机器人 8. 试述机器人视觉的结构及工作原理 答:机器人视觉由视觉传感器摄像机和光源控制计算器和图像处理机组成原理：由视觉传感器讲景物的光信号转换成电信号经过A/D转换成数字信号传递给图像处理器，同时光源控制器和32 摄像机控制器把把光线，距离颜色光源方向等等参数传递给图像处理器，图像处理器对图像数据做一些简单的处理将数据传递给计算机最后由计算器存储和处理。 9. 工业机器人控制方式有几种？ ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 搬运机器人结构设计与分析 摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。 本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论，对原有的机械结构提出了新的改进方法，并把现在的新技术应用到本课题中，从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状，提出了具体的搬运机器人设计要求，并根据搬运机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以及包括：机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统，执行元件包括：柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动，进而实现搬运机器人的实际作业。 关键词：搬运机器人；液压系统；机械结构设计；操作 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ Abstract In the modern large-scale manufacturing industry,enterprises to improve productivity, and,guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment.Through a detailed understanding of the robot in the industrial application,to propose specific handling robot design requirements,and according to the robot design principles of various parts,for the system as well as including:the robot's hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures.The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including:plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc.Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion,And realize the operational handling robot. Keywords：Transfer robot；Hydraulic System；Mechanical Design；Operating 浙江大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书 “四足机器人”设计理论方案 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。 一.装置的原理方案构思和拟定： 随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。 科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。 为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务： 1. 自动寻找地上的目标物。 2. 用机械手拾起地上的目标物。 3．把目标物放入回收箱中。 4. 能爬斜坡。 图一 如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目 标物体，当它发现目标出现在它的感应范围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。 二.原理方案的实现和传动方案的设计： 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 图二 图三 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之内，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目标物有可能正好被障碍物遮住，此时我们会设计相应的程序告诉机器人现在先向右行走一定的距离再进行扫描。又由于尽管已经扫描到了目标物，当机器人走向 绿化植树机器人设计 摘要： 这个机器人是针对大量绿色植树而设计的，利用机械四足作为其活动方式，机器人通过视频识别系统在有限范围内对地形与植被作出判断，然后通过自动行走系统移动到目标地点前面，再通过机械手取出携带的植物幼苗，通过这个可以360度旋转的机械臂进行种植工作，机械臂可以进行种植、培土、等工作。种植完成后还将用一层可分解的塑料薄膜覆盖植物幼苗，保证其在能够自行成长前的安全。 关键词： 绿化植树、四足行走、山坡作业、视频识别、机械臂操作 设计背景： 地球现在正面临着绿色植被在不断减少的危机，而人类也因为这样要面对日益严峻的环境问题。大量植树还原绿色植被是一个相当重要的手段来解决这个难题，但是依靠人力去做的话，效率始终不够高。所以在这里我想设计一个专门用于大作业量的绿化植树机器人。 设计思路： 这个机器人，是需要面对山坡这样的陡峭地形的，由于特殊的使用环境，机器人的活动方式要求能够灵活的应对颠簸不平的土地，机械四足需要能够根据不同的地势调整四足的高度，确保平稳的行走，这种活动方式才能使机器人轻松到达山崖大部分位置。移动起来必须十分的轻巧，以避免对其他植物的伤害。由于这个机器人对视频识别有着较高的要求，所以必须在这方面有所突破，同时当发现有杂草或者有害植物的时候，还可以通过高温蒸汽将其杀死，来保证种植的植物幼苗的生长。360度旋转的机械臂可以保证种植过程的顺利进行。 详细具体设计方案： 一．整体结构： 1.整个机器人分成上下两大部分，上部分是机械手臂，主要实现机器人的整个种植 操作，下部是机器人的机身和四足，包括：植物幼苗存放仓、红外线距离测量 仪、摄像头、电脑处理系统。 2.机器人是通过电力驱动的，所以必须携带储电池，也是安装在机身。 二．中央处理系统： 机器人的机身将安装一个中央处理系统，作为机器人的大脑，它主要调节机器人三 大系统：机械四足行走系统、机器人视觉系统、机械臂控制系统。中央处理系统要 接收和分析红外线距离测量仪、摄像头、机械臂传感器等反馈信息，以及控制四足 的行进系统、机械臂操作等。 三．机械四足行走系统： 1.机械四足的形状： 一开始的时候，我曾经很困惑于如何把握行走稳定与行走速度之间的平衡，后来设 想出仿人类四肢的关节加上圆形的脚盘这个方案，总体感觉可以满足行走的需要。 2.如何实现行进： 参考了机械小狗的设计，将机械四足连接在机器人的中央处理系统而成为一个整 体，接受中央处理系统的控制。每次改变一个机械足的位置，实现整个机器人的行 六自由度工业机器人 对于工业机器人的设计与大多数机械设计过程相同;首先要知道为什么要设计机器人？机器人能实现哪些功能？活动空间（有效工作范围）有多大？了解基本的要求后，接下来的工作就好作了。 首先是根据基本要求确定机器人的种类，是行走的提升（举升）机械臂、还是三轴的坐标机器人、还是六轴的机器人等。选定了机器人的种类也就确定了控制方式，也就有了在有限的空间内进行设计的指导方向。 接下来的要做的就是设计任务的确定。这是一个相对复杂的过程，在实现这一复杂过程的第一步是将设计要求明确的规定下来;第二步是按照设计要求制作机械传动简图，分析简图，制定动作流程表（图），初步确定传动功率、控制流程和方式;第三步是明确设计内容，设计步骤、攻克点、设计计算书、草图绘制，材料、加工工艺、控制程序、电路图绘制;第四步是综合审核各方面的内容，确认生产。 下面我将以六轴工业机器人作为设计对象来阐明这一设计过程： 在介绍机器人设计之前我先说一下机器人的应用领域。机器人的应用领域可以说是非常广泛的，在自动化生产线上的就有很多例子，如垛码机器人、包装机器人、转线机器人;在焊接方面也有很例子，如汽车生产线上的焊接机器人等等;现在机器人的发展是非常的迅速，机器人的应用也在民用企业的各个行业得以延伸。机器人的设计人才需求也越来越大。 六轴机器人的应用范筹不同，设计形式也各不相同。现在世界上生产机器人的公司也很多，结构各有特色。在中国应用最多的如：ABB、Panasonic、FANUK、莫托曼等国外进口的机器人。 既然机器人的应用那么广泛，在我国却没有知名的生产公司。对于作为中国机械工程技术人员来说是一个值得思考的问题！有关机器人技术方面探讨太少了？从业人员还不能成群体？虽然在很多地方可以看到机器的论术，可是却没有真正形成普及的东西。 即然是要说设计，那我就从头一点一点的说起。力求讲的通俗简明一些，讲得不对的地方还请各位指正！ 六轴机器人是多关节、多自由度的机器人，动作多，变化灵活;是一种柔性技术较高的工业机器人，应用面也最广泛。那么怎样去从头开始的设计它呢？工作范围又怎样去确定？动作怎样去编排呢？位姿怎样去控制呢？各部位的关节又是有怎么样的要求呢？等等。。。。。。让我们带着众多的疑问慢慢的往下走吧！ 首先我们设定：机器人是六轴多自由度的机器人，手爪夹持二氧气体保护焊标准焊枪;完成点焊、连续焊等不同要求的焊接部件，工艺要求、工艺路线变化快的自动生线上。最大伸长量：1700mm;转动270度;底座与地平线水平固定;全电机驱动。 好了，有了这样的基本要求我们就可以做初步的方案的思考了。 首先是全电机驱动的，那么我们在考虑方案的时候就不要去考虑液压和气压的各种结构了，也就是传动机构只能用齿轮齿条、连杆机构等机械机构了。 机器人是用于焊接方面的，那么我们就去考察有人工行为下的各种焊接手法和方法。这里就有一个很复杂的东西在里面，那就是焊接工艺;即然焊艺定不下来，我们就给它区分一下，在常用焊接里有单点点焊、连续断点点焊、连续平缝焊接、填角焊接、立缝焊接、仰焊、环缝焊等等。。。。。。 搞清了各种焊方法，也就明白了要实现这些复杂的动作就要有一套可行的控制方式才行;在机械没有完全设计出来之前可以不做太多的控制方案思考，有一个大概的轮廓概念就行了，待机械结构做完，各方面的驱动功率确定下来之后再做详细的程序。 焊枪是用常用的标准的焊枪，也就是说焊枪是随时可以更换下来的，也就要求我们要做到对焊枪的夹持部分进行快速锁定与松开。 焊枪在焊接过程中要进行各种焊接姿态调整，那么机械手腕就要很灵活，在各个方位角度上都可调节。 附件 B： 毕业设计（论文）开题报告 1、课题的目的及意义 1.1课题研究背景目前，机器人的移动主要是轮式、履带式、步行、爬行、蠕动等。然而，地球上大多数的地面都是崎岖的，不能为传统的轮式或履带式到达，而自然界的很多动物却可以在这些地面行走自如、跨越障碍。它们经历了自然界数百万年间的选择，已经进化出适应各种环境的生理特征，给了研究人员很大的启发。步行是大多哺乳动物的移动方式，对环境有很强的适应性，可以灵活的进入相对狭小的空间，可以自由跨越障碍、上下台阶等等。以此，研究步行机器人有着较强的实际意义。现在的步行机器人的足数分别为单足、二足、四足、六足等等。足的数目多时，机器人比较适合重载和慢速运动；二足或者四足机构的机构相对简单，更加灵活。与二足相比，四足机器人的承载能力强、稳定性能更好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等多个领域有很好的应用前景，其研究工作也备受重视[1]。 2005 年，Boston Dynamics 公司首次公开了其历经十余载研究而成的仿生四足机器人Big Dog[2]，在互联网上引起了全球公众的热议。Big Dog 灵活的机动性、强大的抗干扰能力以及优异的环境适应能力成为当今各国四足机器人研究的典型代表。尽管如此，从生物进化的角度来说，四足动物的体型结构和运动方式产生了以载重-适应性和高速-灵活性两大功能异化的分支[3]。Big Dog 则是环境适应能力和运动稳定性方面世界最高水平，然而，对高速运动方面的四足机器人却鲜见研究。高速运动的哺乳动物（尤其是猎豹）以独特的骨骼结构、步态特征、高效的能量转化效率成了仿生四足机器人高速灵活性研究的新方向。在DARPA 的M3 计划支持下4，Boston Dynamics 公司和MIT 仿生机器人实验室均进行了仿猎豹式机器人的研究，并推出了两款样机。尤其Boston Dynamics 公司的机器人还一举打破了足式机器人奔跑的纪录，达46km/h，使仿猎豹机器人成为新的研究热点。 1.2四足机器人研究现状 1.2.1国外研究现状 早在1899 年，Muybridge 最早借助影像设备，进行了有关家猫、狗、骆驼和马等动物的高速运动研究。然而之后的一个世纪人们对四足机器人的研究都仅仅停留在静稳定步态行走的水平上。从早期的GE 四足电控步行车[5]（图1.1）到具有脊柱环节的BISAM 机器人[6]（图1.2），这些机器人在任 φ700mm-φ1000mm管道机器人结构设计 在工农业生产及日常生活中，管道作为一种重要的物料运输手段，其应用范围极为广泛。管道在使用过程中，由于各种因素的影响，会产生各种各样的管道堵塞与管道故障和损伤。如果不及时的管道进行检测、维修及清理就可能产生事故，造成不必要的损失。然而，管道所处的环境往往是不易直接达到或不允许人们直接进入的，检测及清洗难度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道机器人来实现管道内的在线检测、维修和清洗。管道机器人在我国处于发展阶段，具有广阔的市场前景。管道机器人相对于人工操作来说，有无可比拟的优势。管道机器人在计算机控制下，可进行采样、检测等动作。而单片机技术的发展，为管道机器人的方便应用提供了一个良好的基础技术。利用单片机，可以实现管道机器人的控制，是管道机器人设计中较好的选择。 通过对国内外管道机器人研究现状分析，总体看来，国内外已经在管内作业机器人领域取得了大量的成果，主要应用在管道检测、维修及空调通风管道的清洗等方面。但对于金属冶炼厂烟气输送管道中烟灰堆积层的清理这种特殊管内作业的自动化装置研究目前少有报道。因此研制适应于金属冶炼厂烟气管道烟灰清理的管道清灰机器人将具有重大的现实意义。 此次设计的管道机器人主要应用在金属冶炼厂、化工企业等烟气输送管道烟灰堆积层的清理，作为载体，通过安装不同的设备可实现排水管道的监测、清理。 编辑：林冰宁波广强机器人科技有限公司管道检测机器人是由控制器、爬行器、高清摄像头、电缆等组成。在作业的时候主要是由控制器控制爬行器搭载检测设备进入管道进行检测。检测过程中，管道机器人可以实时传输管道内部情况视频图片以供专业维修人员分析管道内部故障问题。 使用管道检测机器人的优势： 1.安全性高。使用广强管道机器人进入管道查明管道内部情况或排除管道隐患，如果是人工作业的话，往往存在较大的安全隐患，而且劳动强度高，不利于工人的健康。广强管道机器人智能作业可有效提高作业的安全性能。 2.节省人工。管道检测机器人小巧轻便，一个人即可完成作业，控制器可装载在车上，节省人工，节省空间。 3.提高效率和品质。广强管道机器人智能作业定位准确，可实时显示出日期时间、爬行器倾角（管道坡度）、气压、爬行距离（放线米数）、激光测量结果、方位角度（选配）等信息，并可通过功能键设置这些信息的显示状态；镜头视角时钟显示（管道缺陷方位定位）。 4.防护等级高，摄像头防护等级IP68，可用于5米水深，爬行器防护等级IP68，可用于10米水深，均有气密保护，材质防水防锈防腐蚀，无需担心质量问题，因为广强只做国内 最好的管道机器人。 5.高精度电缆盘，收放线互不影响，可选配长度。 工业机器人 摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上重要的成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动程度极大的工作，工作方式一般采取示教在线的方式。 本文将设计一台圆柱坐标型的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的大臂、小臂、底座和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台：在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、以及控制元件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 目录 摘要 1绪论 (1) 1.1 工业机器人研究的目的和意义 (1) 1.2 工业机器人在国内外的发展现状与趋势…………………….. 1.3 工业机器人的分类 1.4 本课题研究的主要内容 2 总体方案的确定 2.1 结构设计概述 2.2 基本设计参数 2.3 工作空间的分析 2.4 驱动方式 2.5 传动方式确定 3 搬运机器人的结构设计 3.1 驱动和传动系统的总体结构设计 3.2 手爪驱动气缸设计计算 3.3 进给丝杠的设计计算 3.4 驱动电机的选型计算 3.5 手臂强度校核 4 搬运机器人的控制系统 4.1 机器人控制系统分类 4.2 控制系统方案分析 4.3 机器人的控制系统方案确定 4.4 PLC及运动控制单元选型 5 结论与展望 致谢 大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书 “四足机器人”设计理论方案 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。 一.装置的原理方案构思和拟定： 随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。 科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。 为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务： 1. 自动寻找地上的目标物。 2. 用机械手拾起地上的目标物。 3．把目标物放入回收箱中。 4. 能爬斜坡。 图一 如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目 标物体，当它发现目标出现在它的感应围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。 二.原理方案的实现和传动方案的设计： 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 图二 图三 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目标物 家庭服务机器人系统设计与研究 秦志强，喻品 （深圳中科鸥鹏智能科技有限公司， 深圳， 518067） 摘要 本文着眼于家庭服务机器人的路径规划，在铺满RFID地板的智能家居环境 中，机器人依靠RFID读卡器和电子罗盘，能够准确判断自身位置并在目标位置的 指引下调整前进方向。而依靠红外测距传感器，机器人可以探测周围障碍并在一 定范围内寻找合适路径。机器人实际工作结果表明，在我们的策略下，机器人能 够在智能家居环境中准确地完成各种任务，并体现出较强的自主决策能力。 关键词 服务机器人；路径规划；智能家居；自主决策 The Design and Research on Domestic Service Robot Zhiqiang Qin, Pin Yu (ShenZhen CAS Intelligent Technology Co., Ltd, ShenZhen, 518067) Abstract This article emphasis on path planning of domestic service robot. In a smart home environment that the floor is covered with RFID plate, a robot can determine its own position and adjust its direction with the help of RFID reader and electronic compass. And relying on infrared sensor, it can also detect the barrier within a certain range. As the result of the actual work of the robot shows that it can finish kinds of work in a smart home environment with our strategies, and it shows strong ability of making independent decisions. key words service robot; path planning; smart home environment; making independent decisions 引言 随着人工智能和传感器技术的发展，机器人技术取得了长足的进步。智能服务机器人已经开始影响人们的生活，同时人们也对机器人提出了更高的要求。服务机器人目前尚无严格统一的定义，国际机器人联合会（International Federation of Robotics， IFR）给出的初步定义是：服务机器人是一种半自动或全自动机器人，它能服务于人类或某些设备，但不包括制造业务。IFR的调研结果显示，服务机器人产业的市场在不断扩大，各种专用服务机器人的销售数量都在逐年提升。保守估计2012到2015年间，世界范围内具有专业用途的服务机器人的安装数量将会多达9.38万，而个人使用的机器人的交易数量将会接近1560万[1]。随着全球老龄化的来临，社会和家庭负担都在加重，家庭服务机器人将会扮演越来越重要的角色。当前，大部分的家庭服务机器人都不具备行走功能或只具有简单的避障能力，因此，机器人路径规划成为当前研究的重要课题。 1相关研究 机器人是人们为完成某种特定或一般性任务而设计的机器，所以为人类工作是机器人的使命。自从机器人的概念诞生开始，人们对服务机器人的研究就没有停歇过，并且服务机器人一直在朝着智能化方向发展。肖雄军和蔡自兴系统地归纳了服务机器人的发展现状和发展趋势，并提出了一些发展思路和要点[2]。Fei Lu等构建了一个面向家庭服务机器人的智能空间系统，提出了这一系统的一些关键技术，并详细介绍了家庭服务机器人能够提供的智能而灵活的服务[3]。徐海黎等构建了基于ZigBee技术的无线传感器网络系统，研究了基于RSSI 的无线传感器网络定位方法，家庭服务机器人作为无线定位系统中的盲节点，收集邻近参考节点的坐标和RSSI值，通过CC2431定位引擎计算出自身的坐标，从而实现了移动机器人 摘要 导盲机器人是为视觉障碍者行动提供导航帮助的一种服务机器人，它利用多种传感器对周围环境进行探测，将探测的信息进行处理然后做出相应的反馈提供给驱动装置和视障者，以帮助使用者有效地避开障碍。 世界上视觉障碍者数量众多，而他们只能用60%的感觉来获取经验。因而设计一款实用的导盲机器人来帮助视觉障碍者是十分必要的。 本文在综述国内外现有导盲辅助工具特点的基础上，确定了导盲机器人的总体方案。机器人行走机构采用1个万向轮和2个差动轮的轮式结构，在两个差动轮中，有一个是由驱动电机，从而控制车体行进方向，机器人前进的动力由使用者自身提供。机器人采用西门子S7-200控制，配备射频传感器、红外传感器、超声波传感器等检测环境信息，并具有语音提示功能。机器人的主体控制思想为BP神经网络算法，基于这种算法，机器人可以选择合适的转动角度，确定最优运动路径。 关键词: 导盲机器人；避障；传感器；BP神经网络算法 Abstract As one of serving robots, The blind guiding robot is a novel device designed to help blind or visually impaired users navigate safely. it detects the environment information by the many kinds of sensors. And it sends the information to the blind and robot, and helps him/her know the environment and avoid the obstacle efficiently. Throughout the world, the number of blind is numerous, and the blind have to use 60% abilities of sensory. Designing a sort of practical blind guiding robot to help thevisual impaired persons has great significance. According to the characters in the blind guiding robot at home and abroad, a portable and reasonable general scheme is designed. The walking mechanism of the robot is the wheel-structure. It has one steering wheel and two universal wheels. and one of universal wheels is driven by the motor. The steering wheel controls the marching direction of the robot. The progressive power of robot is provided by the user. A PLC is used to control the behaviors of the robot. And the robot detects the environment with three types of sensors including Ultrasonic Sensor, Infrared Sensor, and a RFID sensor. The main program of robot is based on BP neural network algorithm, And the robot can select the appropriate rotation angle, to determine the optimal motion path. Key words:The blind guiding robot；Avoiding Obstruction；Sensor；BP neural network algorithm智能四足机器人结构设计
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