軸式組合機械臂的機械結構設計與模擬設計

摘要移動機器人作為機器人學發展中的一個重要分支，是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能於一體的綜合系統。機械臂是機器人的重要組成部分，他是機器人的執行機構，組合式機械臂是由若干一維機械臂以不同夾角組合而成，可實現機械臂的直線伸縮，或在X-Y平面移動，或在X-Y-Z空間定位等功能，以滿足不同場合下的需要。本文針對移動機器人組合式機械臂進行設計，首先進行總體的設計方案，擬定螺旋傳動副為一維機械臂傳動方案，對方案進行特點分析，然後針對關鍵傳動件設計，選擇電動機，對重要零件進行強度校核，對軸和軸承的壽命進行計算校核，最後對重要零部件進行結構設計，包括材料的選擇、尺寸的確定、結構工藝性的滿足、以及與其他零件的配合的要求等。關鍵詞：一維機械臂，組合機械臂，移動機器人，X-Y平面AbstractMobile robot is an important branch of robotics development, is a comprehensive system including environment detecting, a variety of dynamic decision and planning, action control and execution in one. Manipulator is an important part of the robot, he is the executive body of the robot, the combined mechanical arm is composed of several one-dimensional manipulator with different angle combination, linear expansion can realize mechanical arm, or move on the X-Y plane, or function in X-Y-Z space positioning, to meet different occasions.In this paper, the mobile robot combined mechanical arm design, firstly, the overall design scheme, make the spiral transmission pair transmission scheme of one-dimensional mechanical arm, characteristics analysis of the scheme, then the motor selection for key transmission parts, design, strength check of important parts, the life of the shaft and bearings are calculated, finally the structural design of the main parts, including material selection, determine the size, structure, and meet the demand for cooperating with other parts etc..Key Words: One-dimensional mechanical arm, mechanical arm, mobile robot, X-Y plane目錄摘要... IAbstract.. II目錄... III第1章緒論... 11.1常見電池型號及尺寸... 11.2機構... 21.3包裝機的作用... 21.4中國包裝機械的發展... 31.5本課題研究目的和要求... 4第2章整體方案設計... 52.1設計參數與技術要求... 52.2 電池包裝機的傳動原理... 5第3章傳動設計與計算... 73.1電動推桿設計計算... 73.1.1 伺服電機的選擇... 73.1.2 滑動螺旋副的計算... 103.1.3 聯軸器的選用... 133.2膠輥設計... 143.2.1微型電機選擇... 143.2.2微型皮帶輪傳動設計... 15第4章主要零部件結構設計... 174.1機架設計... 174.1.1機架設計準則... 174.1.2 機座主體設計... 184.2 包裝袋托架設計... 184.3 集料槽設計... 194.4軸承選擇與校核... 204.4.1 軸承校核的概念及方法... 204.4.2電動推桿處軸承校核... 21第5章安裝檢驗及使用維修... 225.1檢驗規則... 225.2 包裝機安裝... 225.3 設備調整... 225.4使用操作... 225.5維修保養和故障排除... 22總結... 23參考文獻... 24致謝... 25第1章緒論1.1 機器人的發展史機器人的歷史並不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾製造出世界上第一台工業機器人，機器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學攻讀伺服理論，這是一種研究運動機構如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾曾於 1946 年發明了一種系統，可以“重演”所記錄的機器的運動。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手臂按程序進行工作，可以根據不同的工作需要編製不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機器人，認為汽車工業最適於用機器人幹活，因為是用重型機器進行工作，生產過程較為固定。

1959 年，英格伯格和德沃爾聯手製造出第一台工業機器人。它成為世界上第一台真正的實用工業機器人。此後英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機器人製造工廠。第一批工業機器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬能自動”。他們因此被稱為機器人之父。 1962 年美國機械與鑄造公司也製造出工業機器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動”。”尤尼梅特”和“沃爾薩特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業機器人。近百年來發展起來的機器人，大致經歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機器人，第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人，它的未來發展方向是有知覺、有思維、能與人對話。第一代機器人屬於示教再現型 , 第二代則具備了感覺能力 , 第三代機器人是智能機器人 , 它不僅具有感覺能力 , 而且還具有獨立判斷和行動的能力。英格伯格和德沃爾製造的工業機器人是第一代機器人，屬於示教再現型，即人手把著機械手，把應當完成的任務做一遍，或者人用“示教控制盒”發出指令，讓機器人的機械手臂運動，一步步完成它應當完成的各個動作。

20世紀70年代，第二代機器人開始有了較大發展，第二代機器人則對外界環境實用階段，並開始普及。第三代機器人是智能機器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力，並具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加複雜的動作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機器人的手完成作業，腳完成移動，機器人能夠用自然語言與人對話。智能機器人在發生故障時，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，並能自我修復。到了90 年代, 隨著計算機技術、微電子技術、網路技術等的快速發展, 機器人技術也得到了迅猛發展。目前工業機器人已廣泛地用於汽車工業、機械加工工業、電子工業及塑料製品工業等領域中。在工業生產中, 弧焊機器人、點焊機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業機器人都已被大量採用。隨著科學與技術的發展, 工業機器人的應用領域也隨之不斷擴大。現在工業機器人的應用已開始擴大到核能、採礦、冶金、石油、化學、航空、航天、船舶、建築、紡織、制衣、醫藥、生化、食品等工業領域中。除了工業機器人水平不斷提高之外, 各種用於非製造業的先進機器人系統也有了很大的進展。

1.2 我國機器人發展狀況我國的工業機器人從20世紀80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，已基本掌握了機器人的設計製造技術、控制系統硬體和軟體設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多台套噴漆機器人在20多家企業的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規模應用，弧焊機器人已應用在汽車製造廠的焊接線上。目前，我國從事機器人研發和應用工程的單位200多家，擁有量為3500台左右，其中國產佔20％，其餘都是從日本、美國、瑞典等40多個國家引進的。2000年已生產各種類型工業機器人和系統300台套，機器人銷售額6.74億元，機器人產業對國民經濟的年收益額為47億元。據專家對國內542家用戶以及汽車、電子電器、工程機械３個行業的部分用戶進行統計分析，就全國而言，弧焊、點焊、裝配、噴塗機器人應用的最多；其次是搬運、上下料（衝壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等用的大多是上下料機器人）；再次是包裝、碼垛、拆垛機器人和密封塗膠機器人，其他機器人用量很少。就行業而言，汽車行業以焊接、噴塗、塗膠作業較多，衝壓、搬運、裝配次之；電子電器行業集中在裝配，如大連華錄一家就用了近300台，其次是搬運和噴塗；工程機械行業集中用於弧焊，噴塗其次。此外包裝、碼垛、拆垛機器人目前主要用於石化、輕紡和煙草行業。

1.3移動機器人概述移動機器人的研究始於60年代末期，斯坦福研究院(SR)I的NiISSen和CharleSRosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移動機器人。目的是研究應用人工智慧技術，在複雜環境下機器人系統的自主推理、規劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機器人也研製成功，從而開始了機器人步行結構方面的研究，以解決機器人在不平整地域內的運動問題，設計並研製出了多足步行機器人。70年代末，隨著計算機的應用和感測器技術的發展，移動機器人研究又出現了新高潮。特別是在80年代中期，設計和製造機器人的浪潮席捲全世界，一大批世界著名的公司開始研製移動機器人平台，這些移動機器人主要作為大學及研究機構的移動機器人實驗平台，從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現。90年代以來，以研製高水平的環境信息感測器和信息處理技術，高適應性的移動機器人控制技術，真實環境下的規劃技術為標誌，開展了移動機器人更高層次的研究。移動機器人的系統結構：目前研究的移動機器人都是帶有智能的機器人:機器人本身能認識工作環境、工作對象及其狀態，它根據人給予的指令和“自身”認識外界的結果來獨立的決定工作方法，利用操作機構和移動機構實現任務目標，並能適應工作環境的變化。這些具有智能的機器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動;有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動裝配和產品檢驗;有的具有自主控制和決策能力。不僅能夠應用各種反饋感測器，而且還能夠應用人工智慧中的各種學習、推理和決策技術。移動機器人一般由硬體系統和軟體系統兩部分構成。據研製目的不同，移動機器人硬體系統的構成也不盡相同，比較完整的典型結構如圖1.1所示。移動機器人的軟體系統，就相當於機器人的“大腦”，智能機器人之所以能夠代替人做大量的工作，就是因為它具有和人類的大腦思維能力相仿的智能控制系統。而這個智能控制系統其實就是機器人的軟體系統，是人工智慧主要技術對於機器人的綜合運用。這種特殊結構的機器人在工業裝配、無人惡劣環境中工作(如滅火、外星球探測和各類危險的科學研究)以及室內服務工作(如運送、導遊和巡邏)等方面具有一定研究價值。

1.4本課題研究目的和要求通過對移動機器人組合式機械臂進行設計，進一步鞏固與深化學生對理論課程及實踐性教學環節中所學知識的理解，培養學生綜合運用所學基礎知識、基本理論和基本技能來分析和解決相關專業問題，以及收集、整理、分析、利用資料的能力，使學生受到工程師工作能力的綜合訓練，提高學生的獨立工作能力與綜合素質。........