六自由度鑄件取件工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-PUMA 560型機(jī)器人含10張CAD圖
六自由度鑄件取件工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-PUMA 560型機(jī)器人含10張CAD圖,六自由度鑄件取件工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-PUMA,560型機(jī)器人含10張CAD圖,自由度,鑄件,工業(yè),機(jī)器人,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),puma,10,cad
鑄件取件工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)答辯人：XXX指導(dǎo)老師：XXX 1 2 3研究背景簡介機(jī)器人結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)原理機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)目 錄研究背景 隨著科技日新月異的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人越來越多的被應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域。在鑄造業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人的使用逐步涉及到澆注、取件、清理、傳送等各個(gè)工序當(dāng)中。本次設(shè)計(jì)的題目鑄件取件機(jī)器人。設(shè)計(jì)參數(shù)具體結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)原理 1 1 2 2液壓傳動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)手腕及夾持器手腕與夾持器諧波減速器剛輪柔輪轉(zhuǎn)子小 臂大臂小臂大 臂請?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)請?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容回轉(zhuǎn)基座大臂底 座請?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)請?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容回轉(zhuǎn)體底座謝謝老師們的觀看懇請老師們點(diǎn)評指正答辯人：XX指導(dǎo)老師：XX
鑄件取件工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著科技日新月異的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人越來越多的被應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域，正逐步取代人工操作在各個(gè)生產(chǎn)線上，在完成了許多人類難以完成的任務(wù)的同時(shí)也極大地提高了生產(chǎn)率。在鑄造業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人的使用逐步涉及到澆注、取件、清理、傳送等各個(gè)工序當(dāng)中。
本文的設(shè)計(jì)題目為鑄件取件工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所取鑄件是汽車輪轂，主要圍繞取件所用的夾持器及機(jī)器人主要組成部分進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)過程中，參照PUMA 560型機(jī)器人，取六個(gè)自由度，分別為底座的旋轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺、夾持器的夾緊。機(jī)器人總共分為四個(gè)部分，手部、腕部、手臂、底座。對手腕部分的設(shè)計(jì)主要是驅(qū)動(dòng)腕部旋轉(zhuǎn)及夾持器夾緊的液壓系統(tǒng)，具體為液壓擺動(dòng)缸、油路布置、柱塞缸的設(shè)計(jì)，其余回轉(zhuǎn)裝置都采用伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和諧波減速器減速，主要進(jìn)行設(shè)計(jì)的是電動(dòng)機(jī)與相應(yīng)諧波減速器的選擇及支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中的螺栓、軸承、平鍵等都采用標(biāo)準(zhǔn)件，但由于機(jī)器人很多機(jī)構(gòu)尚未制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，這些結(jié)構(gòu)都自行進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
本文還對機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了分析和計(jì)算，得出了各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，這些數(shù)據(jù)可以為機(jī)器人的控制提供支持。
關(guān)鍵詞：六自由度機(jī)器人；鑄件；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)分析
Abstract
With the progress of science and technology, industrial robots are more and more used in produce and manufacture area. They are gradually replacing manpower at each produce line. After finish many tasks which are difficult for human they have enhanced produce efficiency as well. In foundry industrial, industrial robots are gradually used in pouring, fetching, cleaning and transferring etc.
The graduation design title is the mechanical structure design of fetching casting industrial robots, the casting that been fetched is wheel hub. The mainly design is around the holder for casting and integral part of robot.
Referring to the PUMA 560 robot, this design have 6 degree of freedom, they are the rotating of the base, the rotating of the large arm, the rotating of the little arm, the rotating of the wrist, the swing of the wrist and the rotating of the holder. There are 4 parts of the robot—holder, wrist, arm and base. This paper is focus on the design of hydraulic system that drives the wrist and holder in the wrist, especially the design of hydraulic ram, channel for oiling and plunger cam. The other rolling devices are driven by electromotor and speeded out by harmonic reducer. The mainly task of this part is choose electromotor and harmonic reducer and design support frame. Some bolts, bearings, flat keys in this design is standard and some is not, so many structure are designed by myself.
This design is also analysis and calculator the motion of the mechanical arm and receive the relationship about each joint, some data is useful for the control of robot.
Key words: 6 degree of freedom robots; casting; design of structure; analysis of motion
目 錄
引 言 1
第一章 概述 3
1.1 工業(yè)機(jī)器人的組成 3
1.2 工業(yè)機(jī)器人的自由度和坐標(biāo)型式 4
1.3 鑄件取件機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)參數(shù) 5
第二章 末端操作器 7
2.1被加持鑄件 7
2.2 末端操作器 7
2.3 夾持力的計(jì)算 8
第三章 手腕結(jié)構(gòu) 9
3.1 手腕的分類 9
3.2 手腕的運(yùn)動(dòng)情況 10
3.3手腕的計(jì)算 11
3.3.1控制俯仰的液壓缸的選取 11
3.3.2控制翻轉(zhuǎn)的液壓缸的選取 11
3.3.3 控制手部運(yùn)動(dòng)的液壓缸的選取 12
第四章 手臂結(jié)構(gòu) 13
4.1小臂 13
4.1.1 小臂殼體 13
4.1.2 小臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 14
4.1.3電動(dòng)機(jī)與諧波減速器的選取 15
4.1.4電動(dòng)機(jī)軸的設(shè)計(jì)與校核 16
4.2大臂 17
4.2.1 大臂殼體 17
4.2.2 大臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 18
4.2.3電動(dòng)機(jī)與諧波減速器的選取 19
4.2.4電動(dòng)機(jī)軸的設(shè)計(jì)與校核 20
第五章 底座結(jié)構(gòu) 22
5.1底座結(jié)構(gòu) 22
5.1.1電動(dòng)機(jī)與減速器的選擇 23
第六章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析 24
6.1正向運(yùn)動(dòng) 24
6.2逆向運(yùn)動(dòng) 26
結(jié) 論 30
參考文獻(xiàn) 31
謝 辭 32
引 言
工業(yè)機(jī)器人是最近幾十年來出現(xiàn)的一種新的技術(shù)裝備，其可以模仿人類肢體的某些動(dòng)作，可以在生產(chǎn)過程中替代人類進(jìn)行搬運(yùn)物件或者夾持工具進(jìn)行操作。在工業(yè)生產(chǎn)過程中使用機(jī)械手，可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，保證產(chǎn)品質(zhì)量。因此，近年來隨著科技水平的提高，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越普遍，其主要在危險(xiǎn)、易爆、易燃、高壓、高溫、多粉塵、放射性的惡劣環(huán)境中應(yīng)用，在單調(diào)、重復(fù)、笨重的操作環(huán)境中，使用工業(yè)機(jī)器人更可以更大地展示出其優(yōu)越性。所以，工業(yè)機(jī)器人在鍛造、鑄造、沖壓、機(jī)械加工、焊接、裝配、電鍍、熱處理和輕工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等各個(gè)方面正在得到越來越廣泛地應(yīng)用。
鑄造生產(chǎn)的環(huán)境極其惡劣，有諸如粉塵、廢氣、高溫、噪音等嚴(yán)重的環(huán)境問題，在七十年代的初期開始，機(jī)器人在該領(lǐng)域已經(jīng)開始逐步的得到了應(yīng)用。首先是在壓鑄方面，截止到1979年，全世界已經(jīng)有300臺以上的壓鑄機(jī)上應(yīng)用了機(jī)器人，經(jīng)統(tǒng)計(jì)在鑄造行業(yè)使用機(jī)器人可以使勞動(dòng)費(fèi)用節(jié)省一半之多，而生產(chǎn)率可以提高百分之三十。到了八十年代后期，在全世界鑄造業(yè)中，大約已經(jīng)有600～900臺鑄造機(jī)器人正在被使用，這個(gè)數(shù)字僅占機(jī)器人總數(shù)的百分之一左右，應(yīng)用于鑄造業(yè)的機(jī)器人還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他的行業(yè)。此外，機(jī)器人還會被應(yīng)用于制造型芯、澆注、清理等鑄造的各工序中，進(jìn)行鑄件取件、拔取鑄件、鑄件分類傳遞、切割澆冒口、操作工具或鑄件清洗單元進(jìn)行鑄件清理等一系列的任務(wù)。
鑄造業(yè)是一個(gè)古老的行業(yè)，自古以來都是以人工為主，勞動(dòng)力密集，然而最近幾年勞動(dòng)力的成本出現(xiàn)了明顯的上漲趨勢，各大企業(yè)都在尋找更為廉價(jià)的成本，并且隨著工業(yè)機(jī)器人在鑄造各個(gè)工序中的良好應(yīng)用，其在鑄造業(yè)中的廣泛 應(yīng)用將會是今后生產(chǎn)中的主流。
在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，主要參考了《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》、《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》、《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用》等幾本較為基礎(chǔ)的有關(guān)工業(yè)機(jī)器人的書籍，進(jìn)行了機(jī)器人結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)以及功能的計(jì)算和分析設(shè)計(jì)，通過對現(xiàn)有機(jī)器人各部分的研究和改造，設(shè)計(jì)了一臺六自由度關(guān)節(jié)式鑄件取件機(jī)器人，著重設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持機(jī)構(gòu)、手腕手臂機(jī)構(gòu)、底座以及各關(guān)節(jié)之間的連接部分，并通過計(jì)算設(shè)計(jì)了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式，運(yùn)行軌跡分析和計(jì)算。
在具體的設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)和難點(diǎn)主要集中在手臂及手腕的機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)之中，由于有關(guān)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中并未出臺相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)的機(jī)構(gòu)都需要獨(dú)立設(shè)計(jì)，既要考慮結(jié)構(gòu)上的合理性，又要考慮生產(chǎn)制造過程中的可行性，以及材料的節(jié)省、結(jié)構(gòu)的緊湊等等，設(shè)計(jì)中有較大的自由性，正因如此，現(xiàn)有各種出版物中可供參照的圖樣、實(shí)例較少且繪制均為結(jié)構(gòu)簡圖，因此在整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，很多殼類、蓋類、盤類、套類零件的結(jié)構(gòu)均參考了機(jī)械設(shè)計(jì)中箱體、機(jī)架、盤類、套類零件等相似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
第一章 概述
1.1 工業(yè)機(jī)器人的組成
工業(yè)機(jī)器人的主要組成部分為：控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和位置檢測裝置。（如圖1.1）
被抓取工件
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
控制系統(tǒng)
位置檢測裝置
圖1.1 工業(yè)機(jī)器人的主要組成部分
控制系統(tǒng)的作用是通過接收機(jī)器人的指令和傳感器反饋的信號，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成既定的功能和運(yùn)動(dòng)。擁有信息反饋功能的機(jī)器人為閉環(huán)控制，不具備信息反饋功能的則為開環(huán)控制。具體來說，按照控制原理還可分為程序控制系統(tǒng)、普適性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。按照控制運(yùn)動(dòng)的形式還可分為位置點(diǎn)控制和不間斷軌道控制。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的裝置。其主要驅(qū)動(dòng)方式有：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和新型驅(qū)動(dòng)，它們各自的特點(diǎn)如下：
電氣驅(qū)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力大，無環(huán)境污染，信號檢測、處理方便，可以采用多種靈活多變的控制方式，因此是目前使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)一般采用直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。
液壓驅(qū)動(dòng)可以賦予末端的夾持器很大的抓取能力，其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，防爆性好，但是需要提供較好的密封性能，不適于在高溫、低溫現(xiàn)場工作。
氣壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，但是穩(wěn)定性較差，抓取力較小。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)由機(jī)械構(gòu)件與傳動(dòng)部件構(gòu)成，機(jī)械構(gòu)件由機(jī)身、手臂、末端夾持器三部分組成。每一部分都具有若干自由度，由此，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。在鑄件取件機(jī)器人中機(jī)身為底座，固定在地面上，手臂分為大臂和小臂，小臂末端為手腕，連接末端夾持器。
位置檢測裝置是用來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置和姿態(tài)并將其實(shí)時(shí)的位置姿態(tài)反饋給控制系統(tǒng)的裝置，控制系統(tǒng)將實(shí)時(shí)的位置與姿態(tài)與既定任務(wù)中的位置姿態(tài)進(jìn)行比較，調(diào)整后使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一定的精度內(nèi)達(dá)到指定位置。
1.2 工業(yè)機(jī)器人的自由度和坐標(biāo)型式
機(jī)器人的自由度指的是每一個(gè)構(gòu)件相對于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。自由度在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中是一個(gè)主要的參數(shù)，自由度的數(shù)量與機(jī)器人完成動(dòng)作的復(fù)雜性，控制系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度成正比，自由度的數(shù)量越多，機(jī)器人的應(yīng)用范圍也就越廣，但同時(shí)制造及維修費(fèi)用也就越高。
在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，機(jī)器人所采用的自由度是六個(gè)，分別為夾持器的松緊、手腕的旋轉(zhuǎn)、手腕的擺動(dòng)、小臂的擺動(dòng)、大臂的擺動(dòng)以及底座的轉(zhuǎn)動(dòng)。
工業(yè)機(jī)器人的主要坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型。
直角坐標(biāo)型機(jī)器人是由三個(gè)線性關(guān)節(jié)組成，工作原理是通過這三個(gè)關(guān)節(jié)來確定末端操作器在x、y、z軸的具體位置，有時(shí)還會帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)而確定末端夾持器的姿態(tài)，這種機(jī)器人雖然精度高、剛性大，但是其操作范圍小、占地面積大、運(yùn)動(dòng)速度低、密封性能較差。
圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人是通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和兩個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)來確定末端操作器的位置，另外加一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定操作器的姿態(tài)。這種機(jī)器人直線部分可以輸出較大的力，可以深入型腔內(nèi)部，但是工作范圍有限，工作范圍呈圓柱形。
球坐標(biāo)型機(jī)器人由一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定末端操作器的位置，由一個(gè)附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定姿態(tài)，可以覆蓋的工作范圍比較大，但是球坐標(biāo)過于復(fù)雜，難以控制。球坐標(biāo)型機(jī)器人的工作范圍成球缺裝。
關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，是工業(yè)機(jī)器人中最為常見的一類機(jī)器人，位姿確定較為簡單，其工作范圍復(fù)雜且較大。
平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人相對于關(guān)節(jié)型機(jī)器人而言，它只有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，其特點(diǎn)是在x-y平面內(nèi)具有很大的柔性，而且在z軸有很強(qiáng)的剛性，此類機(jī)器人多用于裝配作業(yè)中。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的鑄件取件機(jī)器人采用的是關(guān)節(jié)機(jī)器人，其靈活的工作范圍適用于鑄件搬運(yùn)的環(huán)境中。結(jié)構(gòu)簡圖如下圖（圖1.2）所示：
圖1.2 關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)簡圖
1.3 鑄件取件機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)參數(shù)
表1.1 機(jī)械手的主要參數(shù)
手臂形式
多關(guān)節(jié)
自由度
6
最大負(fù)載能力（kg）
20kg
最大行程
腰部旋轉(zhuǎn)
+180°～-180°
大臂旋轉(zhuǎn)
+90°～-90°
小臂旋轉(zhuǎn)
+90°～-90°
手腕旋轉(zhuǎn)
+90°～+90°
手腕擺動(dòng)
+90°～-90°
手部夾緊
+28°～-28°
最大速度
腰部旋轉(zhuǎn)
240°/s
大臂旋轉(zhuǎn)
240°/s
小臂旋轉(zhuǎn)
240°/s
手腕旋轉(zhuǎn)
180°/s
手腕擺動(dòng)
180°/s
手部夾緊
90°/s
慣量
手腕旋轉(zhuǎn)
24N??m
手腕擺動(dòng)
15N??m
手部夾緊
5N??m
慣性力矩
手腕旋轉(zhuǎn)
0.8kg?m2
手腕擺動(dòng)
1.0kg?m2
手部夾緊
0.4 kg?m2
重復(fù)定位精度
±0.06mm
最大覆蓋范圍
40.183m2
本體體重
300kg
安裝方式
地面式
環(huán)境溫度
0～60℃
驅(qū)動(dòng)方式
電氣與液壓驅(qū)動(dòng)
夾持器控制
液壓控制
第二章 末端操作器
2.1被加持鑄件
被夾持的鑄件選取15×6.5的汽車輪轂，外徑D=381mm，小徑d=340mm，重量G=10.5kg。
末端加持裝置夾持的部位即為輪轂的內(nèi)徑的大小。
2.2 末端操作器
一般我們稱用于工業(yè)上的機(jī)器人的手為末端操作器，機(jī)器人用其直接進(jìn)行抓取、握緊或者吸附專用的工具或工件，它通常安裝在機(jī)器人的前端末梢的地方，因?yàn)楸蛔ト〉墓ぜ蛘吖ぞ叩某叽纭⑿螤?、質(zhì)量、材質(zhì)有所不同，所以末端操作器的設(shè)計(jì)也是千差萬別。
圖2.1 末端操作器結(jié)構(gòu)
1.驅(qū)動(dòng)桿；2.扇形齒輪；3.手指；4.機(jī)架
末端操作器結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，根據(jù)所夾持的鑄件輪轂的重量、形狀和大小，本次設(shè)計(jì)所采用的末端操作器為夾鉗式取料手，其與人手相似，是工業(yè)機(jī)器人經(jīng)常使用的一種手部夾持裝置，由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接裝置與支撐元件組成，其中，手指的類型采用的是自定位式V型指，易于夾持圓柱形工件。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條嚙合直接傳動(dòng)的齒輪杠桿式手部結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)桿1的末端制成雙面齒條，與扇形齒輪2相嚙合，扇形齒輪2與手指3用螺栓連接在一起，并繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)力推著雙面齒條做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由此帶動(dòng)扇形齒輪實(shí)現(xiàn)手指的張開與閉合。
其通過螺栓連接與手腕連接在一起，進(jìn)而可以和手腕一起完成旋轉(zhuǎn)或者上下擺動(dòng)。
2.3 夾持力的計(jì)算
夾鉗式取料手在抓緊物體時(shí)所需要的夾緊力P與被加持物體的重量Q和接觸面之間的摩擦系數(shù)f有關(guān)，P與Q之間的關(guān)系需要滿足以下關(guān)系式：
P>Q2f (2-1)
因?yàn)镼=105N,所以P>105N。取 P=110N，則理論驅(qū)動(dòng)力 F滿足：
F2×40=P×266 (2-2)
得出理論驅(qū)動(dòng)力F=1463N。
計(jì)算驅(qū)動(dòng)力Fe時(shí)還要考慮到運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)、慣性力和傳動(dòng)效率等因素的影響，因此，在計(jì)算驅(qū)動(dòng)力F時(shí)可以按照以下公式計(jì)算：
Fe=K1K2ηF (2-3)
取K1=1.2 K2=1.5 η=0.9 F=1463N，解出Fe=2926N，取實(shí)際驅(qū)動(dòng)力Fe=3000N
第三章 手腕結(jié)構(gòu)
3.1 手腕的分類
機(jī)器人的手腕可以按照自由度來劃分為單自由度手腕、2自由度手腕、3自由度手腕，本次設(shè)計(jì)中采用的手腕為2自由度手腕，由一個(gè)翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（R）和一個(gè)俯仰關(guān)節(jié)（B）組成BR手腕，其運(yùn)動(dòng)簡圖如圖3.1所示。
圖3.1手腕運(yùn)動(dòng)簡圖
按驅(qū)動(dòng)方式來分，手腕可以分為直接驅(qū)動(dòng)手腕和遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕。此次設(shè)計(jì)使用的手腕為液壓直接驅(qū)動(dòng)手腕，通過手腕與小臂連接處和手腕中部的兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)手腕做翻轉(zhuǎn)和俯仰的動(dòng)作。
手腕的具體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：（圖3.2）
圖3.2 手腕的結(jié)構(gòu)
1.轉(zhuǎn)子；2.盤類結(jié)構(gòu)；3.回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；4.盤類機(jī)構(gòu)；
5.軸；6.轉(zhuǎn)子；7.盤類結(jié)構(gòu)；8.手腕中間套
3.2 手腕的運(yùn)動(dòng)情況
參考圖3.2手腕運(yùn)動(dòng)情況如下：
俯仰運(yùn)動(dòng)：手腕與小臂連接處的液壓缸轉(zhuǎn)子1通過螺栓連接與法蘭盤2相連接，法蘭盤2通過螺栓連接與回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)3相連接，回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)3與盤類結(jié)構(gòu)4相連接，而盤類結(jié)構(gòu)4與手腕相接，由此通過液壓缸轉(zhuǎn)子1的擺動(dòng)即可以實(shí)現(xiàn)手腕的俯仰。
翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：軸5與液壓缸轉(zhuǎn)子6通過螺栓連接使得液壓缸能夠帶動(dòng)軸5進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，軸5與盤類結(jié)構(gòu)7通過螺紋連接,盤類結(jié)構(gòu)7與手腕中間套8用螺栓連接，中間套8的另一端與末端操作器相連，這樣，軸5在液壓缸轉(zhuǎn)子6的帶動(dòng)下可以進(jìn)而帶動(dòng)中間套8和末端操作器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。
夾持器的夾緊運(yùn)動(dòng)：參照油路原理圖3.3
圖3.3 油路原理
1.彈簧；2.活塞；3.油路；4.活塞桿；5.扇形齒輪
夾持器張開時(shí)，活塞在最右端，兩個(gè)夾爪位于最大的張角狀態(tài)。做夾緊運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓油沿著油路3進(jìn)入液壓缸內(nèi)部，在一定的壓力下推動(dòng)活塞2左移，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力大于彈簧的彈力，彈簧1壓縮，活塞2帶動(dòng)活塞桿4一起左移，活塞桿另一端的齒條部分與夾爪的扇形齒輪結(jié)構(gòu)5相嚙合，使得夾爪做夾緊動(dòng)作。夾爪松開鑄件時(shí)，液壓缸及油路中的液壓油壓力降低，彈簧彈力大于驅(qū)動(dòng)力，彈簧復(fù)位，推動(dòng)活塞2和活塞桿4向右移動(dòng)，使得夾爪張開，此時(shí)夾爪復(fù)位，準(zhǔn)備下一個(gè)運(yùn)動(dòng)。
3.3手腕的計(jì)算
手腕的計(jì)算部分包括液壓馬達(dá)的選用，手部液壓缸的計(jì)算以及油路的設(shè)計(jì)和計(jì)算。
3.3.1控制俯仰的液壓缸的選取
液壓回路選取開式回路，液壓油選取普通液壓油，系統(tǒng)壓力初定為1.3×107Pa，容積效率和機(jī)械效率均取0.9，最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TLMAX，最大轉(zhuǎn)速為nMAX,液壓缸排量為VM，液壓缸的最大的輸入流量為qM。
由于手腕需要進(jìn)行往返的俯仰運(yùn)動(dòng)，因此選用雙葉片式擺動(dòng)液壓缸，其輸出轉(zhuǎn)矩大，擺動(dòng)角度小。
根據(jù)之前的機(jī)器人主要參數(shù)可知
TLMAX=24N?m (3-1)
VM=2πTLMAX(p-pb)ηMm=2×π×241.2×107×0.9=13.9626×10-6m3/r (3-2)
nMmax=180°/s=30r/min (3-3)
qM=nMmax×VMηMv=13.9626×10-6×300.9=0.4654L/min (3-4)
將液壓缸的流量與液壓缸的輸出速度帶入計(jì)算內(nèi)徑的公式可得：
D=8.74×qvv=8.74×0.4654×60×10-336=0.2434m (3-5)
求得液壓缸內(nèi)徑圓整為240mm。
3.3.2控制翻轉(zhuǎn)的液壓缸的選取
液壓回路選取開式回路，液壓油選取普通液壓油，系統(tǒng)壓力初定為1.3×107Pa，容積效率和機(jī)械效率均取0.9，最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TLMAX，最大轉(zhuǎn)速為nMAX,液壓缸排量為VM，液壓缸的最大的輸入流量為qM。
同控制俯仰運(yùn)動(dòng)的液壓缸相同，選用雙葉片式擺動(dòng)液壓缸，根據(jù)之前所列出的機(jī)器人參數(shù)可得：
TLMAX=15N?m
VM=2πTLMAX(p-pb)ηMm=2×π×151.2×107×0.9=8.7266×10-6m3/r (3-6)
nMmax=180°/s=30r/min (3-7)
qM=nMmax×VMηMv=8.7266×10-6×300.9=0.2909L/min (3-8)
將液壓缸的流量與液壓缸的輸出速度帶入計(jì)算內(nèi)徑的公式可得：
D=8.74×qvv=8.74×0.2909×60×10-380=0.129m (3-9)
求得液壓缸內(nèi)徑圓整為D=130mm。
3.3.3 控制手部運(yùn)動(dòng)的液壓缸的選取
液壓回路選取開式回路，液壓油選取普通液壓油，系統(tǒng)壓力初定為1.3×107Pa，容積效率和機(jī)械效率均取0.9，最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TLMAX，最大轉(zhuǎn)速為nMAX,液壓缸排量為VM，液壓缸的最大的輸入流量為qM。
此處液壓缸由于需要實(shí)現(xiàn)往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，并提供手部的夾緊力，為了使結(jié)構(gòu)更加緊湊、手腕質(zhì)量較小，所以選用單桿活塞式液壓缸。此液壓缸的計(jì)算如下：
Fe=P?A (3-10)
A=πd12-πd224 (3-11)
d2=d1φ-1φ (3-12)
在上一章對夾緊力的計(jì)算中，我們得到驅(qū)動(dòng)力Fe=3000N，系統(tǒng)壓力為P=1.3×107Pa，求得A=9.96×10-4m2；
取φ=2得出d1≈0.7d1，取d1=50mm d2=35mm
夾爪擺動(dòng)的角度為θ=14°，按照S=2πrθ360得出行程S=11mm，取標(biāo)準(zhǔn)行程S=16mm。
根據(jù)液壓缸活塞行程系列選取標(biāo)準(zhǔn)的行程參數(shù)為25mm。
綜上所述，得出活塞液壓缸的各組數(shù)據(jù)為d1=50mm d2=35mm S=16mm。
第四章 手臂結(jié)構(gòu)
手臂在機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中扮演著至關(guān)重要的作用，它起著將抓取后的工件直接運(yùn)送到指定位置的作用，這一系列的動(dòng)作都是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及其他的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成的，所以，手臂不僅僅要承受它所抓取的工件的數(shù)量，還要負(fù)擔(dān)起手腕、末端操作器以及手臂自身的重量。機(jī)器人的性能很大程度上要取決于機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)、靈活性、工作范圍、定位精度和臂力的大小。
機(jī)器人手臂按照結(jié)構(gòu)可以分為單臂式、雙臂式和懸臂式三種。按照其運(yùn)動(dòng)的形式可以直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)。此次設(shè)計(jì)使用的手臂分為大臂和小臂，其形式均為單臂式，大臂和小臂均執(zhí)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.1小臂
小臂由小臂殼體和小臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其主要功能是與大臂相連接，傳遞大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)至手臂及手腕，并進(jìn)行一個(gè)自由度的俯仰運(yùn)動(dòng)。
4.1.1 小臂殼體
小臂的殼體一端與手腕的回轉(zhuǎn)裝置連接，其結(jié)構(gòu)如下圖所示（圖4.1）：
圖4.1 小臂殼體結(jié)構(gòu)
1. 外殼；2.端蓋；3.法蘭盤；4.手腕回轉(zhuǎn)裝置
外殼1厚度為15mm，采用鑄鋁合金，截面為矩形，具有良好的剛度，并且重量較輕。用來支撐、保護(hù)手臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)，防止內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕，增加其使用壽命，小臂結(jié)構(gòu)內(nèi)部留有肋板和通孔，可以用來放置電線及其他電子裝置，端蓋2處加工出的孔有利于回轉(zhuǎn)裝置的安裝，端蓋上加工有孔，用來放置輸送液壓油的油管。
4.1.2 小臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有各種各樣的形式，常見的有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)液壓缸機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)和鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在本次設(shè)計(jì)中，小臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是伺服電動(dòng)機(jī)連接諧波減速器，減速器直接連接小臂的結(jié)構(gòu)，使用諧波減速器可以使結(jié)構(gòu)相應(yīng)的變得緊湊，并且具有精確的減速比，這種設(shè)計(jì)可以使大臂和小臂獲得較大的活動(dòng)范圍，因此諧波減速器在機(jī)器人回轉(zhuǎn)裝置中具有廣泛的應(yīng)用。
具體結(jié)構(gòu)如下圖所示（圖4.2）：
圖4.2 小臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
1.大臂；2.小臂；3.剛輪；4.柔輪；
5.盤類結(jié)構(gòu)；6.轉(zhuǎn)子；7.盤類結(jié)構(gòu)；8.法蘭盤
其中諧波減速器由剛輪3、柔輪4和轉(zhuǎn)子6組成，剛輪3通過盤類結(jié)構(gòu)7與小臂2連接，柔輪4通過盤類結(jié)構(gòu)5間接與大臂1經(jīng)螺栓連接到一起，法蘭盤8通過螺栓連接與大臂1的連接，可以將電動(dòng)機(jī)固定到大臂上。
運(yùn)動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)軸帶動(dòng)諧波減速器的軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，諧波減速器的柔輪與大臂相連固定到一起，于是剛輪做減速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)小臂一起相對大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.1.3電動(dòng)機(jī)與諧波減速器的選取
伺服電機(jī)選用EDSMT-2T130-060B，額定功率1.5kW,額定轉(zhuǎn)速2500r/min，額定力矩6N·m，其安裝尺寸如下圖所示（圖4.3）：
圖4.3 小臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)尺寸
小臂的轉(zhuǎn)速為
n=240°s=23r160min=40r/min (4-1)
可得減速比為
i=250040=62.5 (4-2)
減速器選擇杯型諧波齒輪減速器，選擇減速器的型號為XB-200-80B,減速比為80，模數(shù)為1.25，額定輸出力矩為2000N?m。
4.1.4電動(dòng)機(jī)軸的設(shè)計(jì)與校核
電機(jī)軸通過鍵連接與諧波減速器的轉(zhuǎn)子軸相連接，轉(zhuǎn)子軸材料選用45鋼，此軸兩端有套類結(jié)構(gòu)與大臂、小臂金星連接，所以徑向力均由套類零件所承受，經(jīng)分析軸本身僅受扭矩的作用，按照扭矩強(qiáng)度來確定軸的最小直徑為：
dmin≥39550×1000×P0.2τTn=A0?3Pn=17.3069mm (4-3)
取軸徑為28mm，軸上零件布置如下圖所示（圖4.4）：
圖4.4 小臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸
軸在遠(yuǎn)離電機(jī)的一端裝有滾針軸承，軸承的軸向定位一端采用軸肩定位，另一端采用套杯定位，套杯內(nèi)留有通孔，用以和柔輪相連接?？拷妱?dòng)機(jī)軸的一端裝有深溝球軸承，深溝球軸承外圈由端蓋定位，內(nèi)圈由軸肩定位，內(nèi)圈另一端裝有軸端擋圈進(jìn)行定位。軸中部用平鍵與轉(zhuǎn)子進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)子外圈裝有深溝球軸承，軸承內(nèi)圈兩端分別由轉(zhuǎn)子和擋圈來定位，轉(zhuǎn)子本身用軸肩和另一端的軸端擋圈定位。
通過上文的分析可知軸僅承受扭矩而沒有徑向的彎矩，于是做彎矩圖如下圖所示（圖4.5）：
圖4.5
校核軸上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
τT=TWT=20000.2d3=455.539MPa (4-4)
選取軸材料為45鋼，熱處理方法為調(diào)質(zhì)處理，查得許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：
τ=640MPa
所以
τT<τ
故可知其安全。
4.2大臂
大臂由大臂殼體與大臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，其主要功能是與上肢結(jié)構(gòu)相連接傳遞底座的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)至整個(gè)上肢結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行一個(gè)自由度的俯仰運(yùn)動(dòng)。
4.2.1 大臂殼體
圖4.6 大臂殼體結(jié)構(gòu)
大臂外殼的一端與小臂的回轉(zhuǎn)裝置相連，另一端與大臂的回轉(zhuǎn)裝置相連接，其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示（圖4.6）：
外殼厚度為15mm，采用鑄鋁合金，截面為矩形，具有良好的剛度，采取設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)使大臂外殼重量較輕，由于大臂殼體起到的主要作用是支撐以及傳遞運(yùn)動(dòng)，不需要內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成沒有內(nèi)部空間的結(jié)構(gòu)，上面設(shè)有用來放置電線的孔，通過法蘭盤與固定在底座上的電動(dòng)機(jī)相連接。
4.2.2 大臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
與小臂相同，大臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用的是伺服電動(dòng)機(jī)連接諧波減速器，諧波齒輪減速器直接連接大臂的結(jié)構(gòu)，使用諧波減速器可以使結(jié)構(gòu)相應(yīng)的變得緊湊，并且具有精確的減速比，使大臂獲得較大的活動(dòng)范圍，因此諧波減速器在機(jī)器人回轉(zhuǎn)裝置中具有廣泛的應(yīng)用。
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如下圖所示（圖4.7）
圖4.7 大臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
1.法蘭盤；2.套類零件；3.軸；4.轉(zhuǎn)子；5.剛輪；
6.柔輪；7.軸；8.軸端擋板；9.機(jī)架；10.端蓋
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參照了普通諧波減速器的樣式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，使其與底座的結(jié)構(gòu)相契合，達(dá)到順利安裝且完成既定運(yùn)動(dòng)要求的目的。
其中諧波減速器由剛輪5、柔輪6和轉(zhuǎn)子4組成，剛輪5通過螺栓連接與套類零件2和機(jī)架9相連，與機(jī)架9固定到一起，套類零件2另一段連接著法蘭盤1，電動(dòng)機(jī)通過螺栓連接固定到法蘭盤1上，柔輪6通過螺栓連接與軸7連接到一起，軸7的另一端通過法蘭盤與大臂的外殼相連接。
運(yùn)動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)軸帶動(dòng)諧波減速器的軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，諧波減速器的剛輪與機(jī)架相連固定到一起，于是柔輪做減速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)大臂一起相對機(jī)架做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.2.3電動(dòng)機(jī)與諧波減速器的選取
伺服電機(jī)選用EDSMT-2T130-077B，額定功率2kW,額定轉(zhuǎn)速2500r/min，額定力矩7.7N·m，其安裝尺寸如下圖所示（圖4.8）：
圖4.8 大臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)尺寸
大臂的轉(zhuǎn)速為
n=240°s=23r160min=40r/min (4-5)
可得減速比為
i=250040=62.5
減速器選擇杯型諧波齒輪減速器，選擇減速器的型號為XB-200-80B,減速比為80，模數(shù)為1.25，額定輸出力矩為2000N?m。
4.2.4電動(dòng)機(jī)軸的設(shè)計(jì)與校核
電機(jī)軸通過鍵連接與諧波減速器的轉(zhuǎn)子軸相連接，轉(zhuǎn)子軸材料選用45鋼，此軸兩端有套類結(jié)構(gòu)與大小臂連接，所以徑向力均由套類零件所承受，經(jīng)分析軸本身僅受扭矩的作用，按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來確定軸的最小直徑為：
dmin≥39550×1000×P0.2τTn=A0?3Pn=19.0487mm (4-6)
取軸徑為30mm，軸上零件布置如下圖所示（圖4.9）：
圖4.9
軸的靠近電機(jī)的一端裝有兩個(gè)軸承，左端的軸承軸向定位一端采用端蓋定位，另一端采用套筒定位，右端的軸承一端采用套筒定位，一端通過軸肩定位。軸的另一端通過平鍵與轉(zhuǎn)子連接，轉(zhuǎn)子是一個(gè)輪形的回轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)，其左端通過軸肩定位，右端通過軸端擋板定位，軸端擋板用螺釘固連在軸端。從電動(dòng)機(jī)傳遞過來的扭矩經(jīng)軸傳遞給轉(zhuǎn)子，柔輪做減速運(yùn)動(dòng)后，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到大臂。
通過上文的分析可知軸僅承受扭矩而沒有徑向的彎矩，于是做扭矩圖如下圖所示（圖4.10）：
圖4.10
校核軸上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
τT=TWT=20000.2d3=455.539MPa (4-7)
選取軸材料為45鋼，熱處理方法為調(diào)質(zhì)處理，查得許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：
τ=640MPa
所以
τT<τ
故可知其安全。
第五章 底座結(jié)構(gòu)
5.1底座結(jié)構(gòu)
機(jī)器人的底座可以分為兩種：固定式和行走式。一般的工業(yè)機(jī)器人均為固定式底座，此次設(shè)計(jì)中也選取固定式底座，今后隨著航空航天、海洋科學(xué)以及原子能工業(yè)的發(fā)展，具備行走能力的移動(dòng)式機(jī)器人和步行機(jī)器人將會有更多的應(yīng)用。
設(shè)計(jì)底座的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該注意到，底座會承受一定的彎矩和扭矩，設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該合理的選擇截面的尺寸，底座需要支承整個(gè)取件機(jī)器人的上肢結(jié)構(gòu)，因此需要具備一定的剛度和穩(wěn)定性，并且具備抵抗變形和抵抗沖擊振動(dòng)的能力。
其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示（圖5.1）
圖5.1 底座結(jié)構(gòu)
1.基座；2.伺服電機(jī)；3.諧波減速器；4.旋轉(zhuǎn)外殼
基座1與地面用地腳螺栓連接到一起，接觸面的凸臺高度為35mm，基座上部通過法蘭盤固定伺服電機(jī)2，再通過套杯與諧波減速器3的剛輪相連接，使得剛輪固定，諧波減速器3的柔輪通過螺栓連接與旋轉(zhuǎn)外殼連接，旋轉(zhuǎn)外殼與基座之間是深溝球軸承，內(nèi)徑640mm，軸承的內(nèi)外圈分別由基座和外殼定位。
運(yùn)動(dòng)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)的電機(jī)軸與諧波減速器的轉(zhuǎn)子軸相連，諧波減速器的剛輪與基座固連，柔輪做減速運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外殼相對于基座作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，外殼與大臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連接，從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)功。
5.1.1電動(dòng)機(jī)與減速器的選擇
伺服電機(jī)選用EDSMT-2T130-077B，額定功率2kW,額定轉(zhuǎn)速2500r/min，額定力矩7.7N·m，其安裝尺寸如下圖所示（圖5.2）：
圖5.2 底座結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)尺寸
旋轉(zhuǎn)外殼的轉(zhuǎn)速為
n=240°s=23r160min=40r/min (5-1)
可得減速比為
i=250040=62.5
減速器選擇杯型諧波齒輪減速器，選擇減速器的型號為XB-200-80B,減速比為80，模數(shù)為1.25，額定輸出力矩為2000N?m。
第六章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的是如何控制工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，一開始，需要在機(jī)器人中建立一系列對應(yīng)的坐標(biāo)系，其中笛卡爾坐標(biāo)系被用來描述機(jī)器人的末端位置和姿態(tài)，關(guān)節(jié)坐標(biāo)系被用來描述關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)將這些坐標(biāo)系之間的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，建立起統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
在研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的過程中，存在著兩大類問題，即正向問題與逆向問題。正向問題主要解決的是機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的坐標(biāo)到機(jī)器人末端的位置與姿態(tài)之間的映射，而逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)主要解決的是機(jī)器人末端夾持器的坐標(biāo)位置與姿態(tài)到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的坐標(biāo)之間的映射，正向問題的解唯一且簡單，與之相反，逆向問題的解往往十分的復(fù)雜，在求解這些問題時(shí)會運(yùn)用到高等數(shù)學(xué)以及線性代數(shù)的知識，并且會運(yùn)用到一些技巧和經(jīng)驗(yàn)。
到目前為止，對于工業(yè)機(jī)器人來說，主要考慮的應(yīng)該是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的控制問題，由于機(jī)器人獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)的本質(zhì)，沒有直接的方法可以直接測量出機(jī)器人的位姿，所以只能將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)集成，從而間接的獲取到它的位姿。
6.1正向運(yùn)動(dòng)
通常，我們使用最多的方法是D-H法，以描述相鄰的桿件之間的平移及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系。D-H法是給每個(gè)關(guān)節(jié)處的桿件均建立一個(gè)4×4的齊次變換矩陣方程，來表示這個(gè)關(guān)節(jié)處的桿件與前面桿件坐標(biāo)系的關(guān)系，這樣一來，只要通過逐次變換就可以將用手部坐標(biāo)系表示的末端操作器變換并用基坐標(biāo)表示。
機(jī)器人的每個(gè)桿件都有4個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：決定桿件結(jié)構(gòu)的桿件參數(shù)——連桿長度ai、連桿扭角αi，起到?jīng)Q定相鄰桿件相對位置作用的關(guān)節(jié)參數(shù)——兩連桿距離di和兩連桿夾角θi，通過確定這4個(gè)參數(shù)的正負(fù)號規(guī)則，就可以完全描述機(jī)器人操作臂上每一個(gè)桿件的位姿。
1.連桿長度ai——zi-1軸和zi軸兩軸之間的最短距離，即從zi-1軸和xi軸焦點(diǎn)到第i坐標(biāo)系原點(diǎn)沿xi軸之間的偏置距離。
2.連桿扭角αi——用右手螺旋定則確定，繞xi軸從zi-1軸轉(zhuǎn)向zi軸之間的偏角。
3.兩連桿距離di——從第i-1個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)到zi-1軸和xi軸的交點(diǎn)沿zi-1軸的距離
4.兩連桿夾角θi——按右手定則確定，繞zi-1軸從xi-1轉(zhuǎn)向xi軸的關(guān)節(jié)角。
建立每個(gè)坐標(biāo)系還應(yīng)應(yīng)遵循以下的規(guī)則：
1.xi軸垂直于zi-1軸并指向離開zi-1軸的方向。
2.zi-1軸是沿著第i關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸；
3..x、y、z軸按照右手坐標(biāo)系的要求建立；
根據(jù)設(shè)計(jì)的鑄件取件機(jī)器人的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)繪制由6個(gè)簡化轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的6自由度結(jié)構(gòu)簡圖，將機(jī)械手簡化后的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)分別按照以上的規(guī)則建立坐標(biāo)系，將大臂、小臂及手腕的旋轉(zhuǎn)中心方向標(biāo)x軸，指向底座的方向?yàn)閤軸的正半軸方向，隨后依次標(biāo)明各個(gè)關(guān)節(jié)的z軸方向。
各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的矩陣參數(shù)如下表所示（表6.1）：
表6.1
參數(shù)
1
2
3
4
5
6
αi
-90°
0°
90°
-90°
90°
0°
ai
0
1605
0
0
0
0
θi
θ1
θ2
θ3
θ4
θ5
θ6
di
0
171.715
0
1033.34
0
581
A1=cosθ3-sinθ3sinθ3cosθ30 00 00 00 01 0 0 1 (6-1)
A2=cosθ4-sinθ4000 01171.715-sinθ4-cosθ4000 00 1 (6-2)
A3=cosθ3-sinθ3sinθ3cosθ30 16050 00 00 01 0 0 1 (6-3)
A4=cosθ4-sinθ4000 011033.34-sinθ4-cosθ4000 00 1 (6-4)
A5=cosθ5-sinθ5000 0-1 0sinθ5cosθ5000 00 1 (6-5)
A6=cosθ6-sinθ6000 01 0-sinθ6-cosθ6000 00 1 (6-6)
經(jīng)計(jì)算，得出總的齊次矩陣為：
T6=A1A2A3A4A5A6=nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01 (6-7)
其中，
nx=c1[c23c4c5c6-s4s6-s23s5c6]+s1(s4c5c6+c4s6) (6-8)
ny=s1c23c4c5c6-s4s6-s23s5c6-c1(s4c5c6+c4s6) (6-9)
nz=-s23c4c5c6-s4s6-c23s5c6 (6-10)
ox=c1[c23-c4c5c6-s4s6+s23s5c6]+s1(s4c5c6-c4s6) (6-11)
oy=s1c23-c4c5c6-s4s6+s23s5c6-c1(s4c5c6-c4s6) (6-12)
oz=-s23-c4c5c6-s4s6+c23s5c6 (6-13)
ax=-c1c23c4s5+s23c5-c1s4s5 (6-14)
ay=-s1c23c4s5+s23c5+c1s4s5 (6-15)
az=s23c4s5-c23c5 (6-16)
px=c11605c2-1033.34s23-171.715s1 (6-17)
py=s11605c2-1033.34s23+171.715c1 (6-18)
pz=-1065s2-1033.34c23 (6-19)
6.2逆向運(yùn)動(dòng)
已知機(jī)器人機(jī)械臂的位置和姿態(tài)的情況下，去求機(jī)器人對應(yīng)于這個(gè)位姿下的全部關(guān)節(jié)角的過程叫做求逆向運(yùn)動(dòng)。
逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)用于已知鑄件取件機(jī)器人在某一時(shí)刻的位置和姿態(tài)的情況下，求解機(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)角，求解的過程中會產(chǎn)生多個(gè)結(jié)果，其中只有一個(gè)是正確的，需要根據(jù)具體運(yùn)動(dòng)范圍，結(jié)合周圍的設(shè)備的位置和大小選擇一個(gè)合理的位姿。在求解的過程中還會用到歐拉變換以及解析法。
在求解出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度及其坐標(biāo)之后，便能進(jìn)行下一步的系統(tǒng)控制了。
1.求θ1
用A1-1左乘T6得到矩陣方程6.2.1如下：
A1-1T6=A2A3A4A5A6 (6-20)
令其兩端元素對應(yīng)相等，可得方程6.2.2：
-s1px+c1py=171.715
利用三角代換得出θ1
θ1=actan2py,px-actan2(171.715,±px2+py2+pz2) (6-21)
求得的式子里的正負(fù)號表示θ1有兩個(gè)潛在的解。
2.求θ3
先選擇θ1的一個(gè)解，然后使矩陣方程6.2.1兩端一行三列與三行四列元素分別對應(yīng)相等，可以求出兩個(gè)方程即：
-c1px+s1py=-1033.34s23+1605c2 (6-22)
-px=1033.34c23+1605s2 (6-23)
將此兩個(gè)方程與方程6.2.2求平方和得到式6.2.3：
-1033.34s3=k (6-24)
k=px2+py2+pz2-16052-171.71523210 (6-25)
通過三角代換可以求出θ3：
θ3=actan20,1033.34-actan2(k,±1033.342-k2) (6-26)
求得的式子里的正負(fù)號表示θ3有兩個(gè)潛在的解。
3.求θ2。
在矩陣方程T兩側(cè)左乘逆變換A3-1得出矩陣方程6.2.4：
A3-1T6=A4A5A6 (6-27)
即
c1c23s1s23-c1c23-s1s23s23-1605c3-c21605s3-s1 c10 00-171.71501nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01=A4A5A6 (6-28)
矩陣方程6.2.4兩端的一行四列和二行三列元素分別對應(yīng)相等可得
c1c23px+s1c23py-s23pz-1605c3=0 (6-29)
-c1s23px-s1s23py-c23px+1605s3=1033.34 (6-30)
聯(lián)立求得s23和c23
s23=-1605c3pz+(c1px+s1py)(1605s3-1033.34)pz2+(c1px+s1py)2 (6-31)
c23=1605[s3pz-c1px+s1pyc3]pz2+(c1px+s1py)2 (6-32)
因?yàn)閟23和c23的表達(dá)式分母相等，所以：
θ2+θ3=actan2-1605c3pz+c1px+s1py1605s3-1033.34,1605[s3pz-c1px+s1pyc3] (6-33)
所以θ2=θ23-θ3，θ1對應(yīng)于θ3有四種不同的解，所以θ2也有四種不同的解。
4.求θ4。
使矩陣方程兩端一行三列和三行三列元素相等，得到：
axc1c23+ays1c23-azs23=-c4s5 (6-34)
-axs1+ayc1=s4s5 (6-35)
當(dāng)s5≠0時(shí)，得到θ4的表達(dá)式：
θ4=actan2(-axs1+ayc1,axc1c23+ays1c23-azs23) (6-36)
當(dāng)s5=0時(shí)，機(jī)器人處于奇異形位的狀態(tài)，此時(shí)θ4可以是任意值。
5.求θ5。
求出θ4之后，進(jìn)一步就可以解出θ5來，矩陣方程6.2.4兩端左乘逆變換A4-1
A4-1(θ1,θ2,θ3,θ4)T6=A5A6 (6-37)
因?yàn)樵谥暗挠?jì)算中θ1,θ2,θ3,θ4均已解出，所以
A4-1θ1,θ2,θ3,θ4=
c1c23c4+s1s4s1c23c4-c1s4-c1c23c4+s1s4-s1c23c4-c1s4-s23c4-a2c3c4+171.715s4s23c4a2c3c4+171.715s4-c1s23 -s1s230 0-c23 1605s30 1 (6-38)
令矩陣兩邊的一行三列和三行三列元素相等求出：
axc1c23c4+s1+ay(s1c23c4-c1s4) -azs23c4=-s5 (6-39)
-axc1-ays1s23-azc23=c5 (6-40)
聯(lián)立解出θ5
θ5=actan2(s5,c5) (6-41)
6.求θ6。
矩陣方程6.2.2兩端分別左乘A5-1得
A5-1T6=A6 (6-42)
使其兩端一行三列和三行三列分別相等，得出來：
-nxc1c23s4-s1c4-nys1c23s4+c1c4+nzs23s4=s6 (6-43)
nxc1c23c4+s1s4c5-c1s23s5+nys1c23c2-c1s4c5-s1s23s5 (6-44)
-nz(s23c4c5+c23s5)=c6 (6-45)
求出θ6的解
θ6=actan2(s6,c6) (6-46)
結(jié) 論
鑄件取件機(jī)器人的總高為2656.5mm，活動(dòng)半徑為3576.4mm，占地面積為710613.7mm2?？梢詩A持內(nèi)徑為340mm，重量10.5kg的汽車輪轂鑄件，實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作可以將其從傳送裝置或者型模中取出并放到指定的位置。
主要的設(shè)計(jì)參照對象為PUMA 560型關(guān)節(jié)偏置型機(jī)器人，機(jī)器人的主要組成部分為：底座、大臂、小臂、手腕和末端夾持器，主要驅(qū)動(dòng)方式為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，諧波減速器進(jìn)行減速，部分回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)——手腕的回轉(zhuǎn)和夾持器的夾持動(dòng)作采用液壓驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人的底座、底座回轉(zhuǎn)裝置及大臂小臂的外殼、機(jī)架均為鑄造，底座材料為鑄鐵，手臂結(jié)構(gòu)材料為鑄鋁合金，截面為矩形。設(shè)計(jì)中所采用的軸承、密封圈、螺栓、擋圈、箱壁、液壓缸等均為標(biāo)準(zhǔn)件，由于國家尚未出臺關(guān)于機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，并且考慮到機(jī)器人結(jié)構(gòu)和用途的多樣性，許多部件均采用的是自行設(shè)計(jì)為主，以類似結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)為輔的設(shè)計(jì)思想。
設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為夾持器的設(shè)計(jì)，手腕處結(jié)構(gòu)以及液壓回路的布置，大小臂回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和電動(dòng)機(jī)、減速器的選用，底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電機(jī)減速器的選擇，此外，運(yùn)用了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析計(jì)算，可以得出各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。
設(shè)計(jì)過程中參考了多個(gè)版本的機(jī)械設(shè)計(jì)手冊、液壓工程手冊以及一些與機(jī)器人相關(guān)的書籍和文獻(xiàn)。
最后，設(shè)計(jì)中依然存在一些不足，例如：機(jī)器人整機(jī)尺寸過大，各個(gè)結(jié)構(gòu)之間還可以通過優(yōu)化達(dá)到更加緊湊、有效的布局；機(jī)器人的大臂較長，這在原則上來說會導(dǎo)致機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的不便，對工作環(huán)境的適應(yīng)性較差，重心偏置，對底座的沖擊力不平穩(wěn)；由于時(shí)間的原因沒有做機(jī)器人的控制部分，因此也就無法驗(yàn)證對于具體的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)是否合理；本次設(shè)計(jì)沒用模型繪制軟件繪制模型并仿真，所以具體的結(jié)構(gòu)能否符合合理的裝配條件也需要進(jìn)一步的探究。
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