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毕业设计（论文） 题题 目目: 五自由度教学机器人 专专 业业: 班班 级级: 学学 号号: 姓姓 名名: ××× 指导老师指导老师: ××× 成都工业学院 二 年 月 成都工业学院毕业设计(论文) I 摘 要 随着机器人技术的飞速发展，工业机器人的应用领域正在不断的扩大，对 教育培训部门提出了新的要求，为提高机器人教学的水平，我们研制了一套以 实验教学为目的的机器人教学演示系统。 本文阐述了机器人的发展历程，国内外的应用现状，及其巨大的优越性，提 出具体的机器人设计要求，并根据机器人各部分的设计原则，进行了本教学演示 系统的总体方案设计以及包括机器人的手部、腕部、小臂、大臂、腰部在内的每 个自由度的结构设计。此教学机器人可以在微机的控制下，驱动各步进电机工作， 从而带动各个关节运动，完成教学以及实验的任务。 关键词关键词： 教学机器人 结构设计 五自由度 成都工业学院毕业设计(论文) II Abstract With the development of robot technology, KeywordsKeywords： Teaching Robot Structure Design Five Degree of Freedom 成都工业学院毕业设计(论文) III 目 录 摘 要I ABSTRACT .II 第 1 章 绪 论.1 1.1 机器人概述.1 1.1.1 机器人的诞生和发展.1 1.1.2 国内发展状况.2 1.2 机器人产业对教育、培训的要求及本课题的提出2 第 2 章 总体设计方案.4 2.1 总体设计的思路4 2.2 总体方案的确定4 2.3 坐标形式的选择4 第 3 章 结构设计及计算.6 3.1 手部夹持器的结构设计6 3.1.1 概述.6 3.1.2 手部的结构和手指形状的确定.7 3.1.3 手部驱动力的计算和电机的选择.7 结 论.9 致 谢.10 参考文献.11 附 录 1.12 附 录 2.13 成都工业学院毕业设计(论文) 1 第章 绪 论 1.11.1 机器人概述机器人概述 1.1.1 机器人的诞生和发展 自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了现代机器人的发展。 1.1.2 国内发展状况 我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下， 通过“七五” 、 “八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技 术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人 关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台 喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用， 弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技 术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机 器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用 规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之 四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的 要求， “一客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、 供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化 前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极 推进产业化进程。 1.21.2 机器人产业对教育、培训的要求及本课题的提出机器人产业对教育、培训的要求及本课题的提出 采用机器人会给我们带来很大的方便，机器人和其他自动化装置最主要的区 别在于机器人的功能和任务很容易修改或改变，仅需要改变软件就可以了，同时 机器人比一般自动化装备更复杂，需要更多的软件和硬件知识，故一旦大量采用 机器人就需要专门的培训使用机器人的具有较高水平和技术人员，这无疑对教育 成都工业学院毕业设计(论文) 2 和培训提出新的要求，大多数机器人专家都反复的强调需要制定培训计划以为新 的工作岗位准备合格的劳动力。 第 2 章 总体设计方案 在确定机器人总体设计方案前，我们还要拟定本设计的基本步骤及其要遵循 的一些基本原则，从而使设计方案更合理。 2.12.1 总体设计的思路总体设计的思路 设计机器人大体上可分为： 系统分析阶段 根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。 分析机器人所在系统的工作环境。 2.22.2 总体方案的确定总体方案的确定 提到总体方案的确定，让我们重复一下本课题的要求 2.32.3 坐标形式的选择坐标形式的选择 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构， 关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 第章 结构设计及计算 上一章我们已经确定了机器人的总体设计方案，那么本章将详细设计机器人 系统的具体每个自由度的结构，完成装配图和全部零部件图的设计工作，也将完 成一些标准器件（如电机、轴承）的选型工作。我们将按结构分块，分步进行设 计，阅读本章请参考设计的图纸。 成都工业学院毕业设计(论文) 3 3.13.1 手部夹持器的结构设计手部夹持器的结构设计 3.1.1 概述 工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具的部 件，由于被握持工件的形状，尺寸，重量，材料及表面状态的不同，其手部结构 也是多种多样的，大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按 握持原理的不同，常用的手部夹持器分为如下两类： 在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题； 1机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行 器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们 的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。 2机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容 许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。 3机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构 上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。 目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工 业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以 末端执行器的快速更换装置，以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能 的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。 3.1.2 手部的结构和手指形状的确定 在本系统中，抓重为 2N,手指开合±510°，我们决定选择滑槽杠杆支点 回转手部。这种结构可通过各杆之间的角度或杆长，改变握力的大小及指间的开 闭角。其优点是结构简单，动作灵活，夹持范围大，这种手部的结构比较简单， 工作原理清晰易懂，也是机器人较常用的结构，这些都合乎教学演示的要求，缺 点是工件直径误差会引起夹持后工件的中心发生移动。指端采用 V 块型式，也是 机器人手指形状中较常用的形式，同时手部用法兰与手腕联接，使手部能与腕部 方便地装拆，从而提高通用性。 如图 3-1 所示是本系统的手部结构示意图，具体结构和零部件尺寸参见设计 图纸。 成都工业学院毕业设计(论文) 4 图 3-1 手部结构简图 3.1.3 手部驱动力的计算和电机的选择 1握力计算 由初始设计可知，G=2（N） 握力 N=×G 3 K 其中方位系数，它与手指和工件的形状，以及手指夹持工件的方位 3 K 有关。此处，按手指是水平放置，夹持垂直的工件，V 型指端夹圆形棒料的情况 考虑。 取=2.941 3 K 0.5 f 0.5 0.17 其中 f手指与工件的摩擦系数，取 f=0.17。 所以 N =×G=2.94×5=14.7(N) (3-1) 3 K 成都工业学院毕业设计(论文) 5 结 论 当今世界已有很多机器人，其中有 90%以上都应用于制造业，无论在制造技 术方面，还是在推广使用方面机器人都和工业自动化密切相关 成都工业学院毕业设计(论文) 6 致 谢 我由衷的感谢。 谨向审评本文的各位专家、老师致意！ ××× 2013 年 月 日 成都工业学院毕业设计(论文) 7 参 考 文 献 1 刘德满 尹朝万.机器人智能控制技术.东北大学出版社,2001 2 E.H.尤列维奇.机器人和机械手控制系统.新时代出版社,2001 3 宗伟刚.机器人机械系统原理理论方法和算法.机械工业出版社,2003 4 Shimon Y.Handbook of Industrial RoboticsM.John Wiley and Sons,2000 5 张福学.机器人学-智能机器人传感技术.电子工业出版社,2000 6 刘宝廷 程树康.步进电机的驱动与控制.哈尔滨工业大学出版社,1991 成都工业学院毕业设计(论文) 8 附 录 1 Mechanical design The brief introduction of mechanical design Design process Machine is the combination of organization and other elements , changes, transmits or uses energy and force for beneficial use or sport example has engine, turbine, vehicle, hoist, printing machine, washer and cinecamera .It is not the finished product of genuine machine that a lot of principles that apply to machine design and force laws also apply to , is from the files cupboard and cover of wheel hub to appearance and nuclear pressure vessel. This terminology of“mechanical design “ is more more generalized than“ machine design“, it ,including machine design. For some instruments, if to the problem in the aspect of the hot force as well as fluid that determines hot, floating line and volume will consider alone. However, when mechanical design the problem of consider sport and structural aspect as well as the stipulation of preservation and encapsulation. In mechanical project field as well as other project field application mechanical designs, need to install such as the machineries such as switch, cam, valve, vessel and stirrer. 成都工业学院毕业设计(论文) 9 附 录 2 机械设计机械设计 机械设计简介机械设计简介 设计过程设计过程 机器是机构与其他零件的组合，为了有益的用途而转换、传递或利用能量、 力或者运动实例有发动机、涡轮、车辆、卷扬机、印刷机、洗衣机和电影摄影机， 许多适用于机器设计的原理和力法也适用于不是真正机器的制成品，从轮毂盖和 档案橱柜到仪表和核压力容器。 “机械设计”这一术语比“机器设计”更为广义， 它包括机器设计。而对于某些仪器，如用以确定热、流动线路和体积的热力以及 流体方面的问题要单独考虑。但是，在机械设计时要考虑运动和结构方面的问题 以及保存和封装的规定。在机械工程领域以及其他工程领域应用机械设计，都需 要诸如开关、凸轮、阀门、容器和搅拌器等机械装置 设计始于真正的或想象的需要。现有的仪器可能需要在耐用性、效率、重量、 速度或成本上加以改进。可能需要新的仪器来完成以前由人做的功能，如 t 博. 装配或保养。目标全部或部分地确定后，设计的下一步就是构思能够完成所需功 能的机构及其布置为此，徒手画草图价值极大，它不但作为一个人想法的记录和 与其他人讨论的辅助手段，而且尤其适于与自己的想法交流，作为创造性思路的 兴奋剂还需要有关于部件的广泛知识，因为一台新机器常常由熟知的各类零件重 新安排或替换而成，也许改变了尺寸和材料。无论在构思过程中还是之后，一个 设计者都会进行快速或粗略的计算或分析以确定一般尺寸和可行性。当些关于所 需或可用空间量的想法确定后，可以开始按比例画草图。