2010本科毕业设计指导书机器人（刘志强）

机电学院毕业设计指导书

课 题 名 称 教学系、部、室 专 业 指 导 教 师

五自由度机器人结构设计及动态性能仿真

机械制造系 机械设计制造及其自动化

刘志强

一、毕业设计题目

题目名称：五自由度机器人结构设计及动态性能仿真

机器人技术是近40多年来迅速发展起来的一门综合性学科，它综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。

机器人的研究、制造和应用，正受到许多国家的广泛重视，是一个国家科技水平和经济实力的象征。它能够替代人类不知疲倦地完成枯燥繁重的劳动，降低工人的劳动强度，提高劳动生产率。它的环境适应能力强，能够在水下、太空、真空、辐射以及剧毒等任何危险环境中工作，使人类的生命安全和健康得到保障。随着研究的深入，人们不断发现机器人技术的潜力，对它的应用已经逐步渗透到了人们生产和生活的各个领域中。

目前工业生产中应用最广泛的机器人是工业机器人，亦称作工业机械手。各种不同功能的机械手操作系统其机械、电气和控制结构一般也各不相同，但大多数完整的机械手系统都有4个主要部分：1.机械本体机构2.传感系统3.控制系统4.驱动源。

机械本体机构通常是由手臂、手腕和末端执行器组成。它们主要是由一系列旋转关

节或移动关节相连接的多个机械连杆的集合体，从而形成开式运动链的结构。一端装在固定的基座上，另一端在手腕上安装手爪、各种夹持机构或专用工具来完成各种工作。机械手在执行一项任务时，由它的机械结构实现其运动机能，完成规定作业，因此机械结构的布局、类型、传动方法和驱动方式将直接影响机械手的总体性能。传感系统是将有关机械部件的各种工作状态信息传递给机器人的控制系统，控制系统通过这些信息确定机械部件各部分的正确运行轨迹、速度、位置和外部环境，使机械部件的各部分按预定程序在规定的时间开始和结束动作。驱动源是使各种机械部件产生运动的装置，主要包括气动、液压和电动三种形式。他们可直接与臂、腕或手部的机械连杆或关节联接在一起，也可采用齿轮、带、链条等间接传动装置。

本课题研究设计的机器人既可用于教学和科研，也可用于某些工业生产实践。研究成果可以为该型机器人的进一步轨迹规划和控制研究提供必要的参考数据，经改进后也可以应用于类人机器人的上肢体结构设计中。因此，本课题的研究成果具有广泛的实际意义和应用前景。

在确定机器人各部分的外形尺寸时，首先从人类手臂结构角度考虑，采用近似人体手臂的比例确定出手臂的初始尺寸。基于此设计思想，结合机械原理与机械设计理论构建机器人主体装配图，如图1-1所示。各关节回转运动都采用步进电机与谐波齿轮减速装置间接传动方式实现，机械系统主要构件包括基座、基座顶盖、腰部、大臂、小臂、各关节主轴、轴用弹簧挡圈、微型轴键、轴承、轴承端盖、步进电机、谐波减速器等。

图1-1机器人主整体装配图

二、设计参数

其中从基座底部到肩关节轴线高度为395mm，肩关节轴线到肘关节轴线长度为180mm，肘关节轴线到小臂端面距离为200mm，到俯仰腕关节轴线距离为227mm。 三、设计要求

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1、功能性的要求

基座是整个机械手的基础,对全部运动件起支承作用，底面固定在基础上,转筒上安装大臂机构。工作时转筒转动，实现工件转位。要求转位灵活，定位准确，工作协调。

2、适应性的要求

机器人手爪能够到达工作空间的任意位置，动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉小，结构紧凑，占地面积小，同时要结构简单，容易控制。它具有五个自由度，腰部可实现回转，大臂、小臂可以作俯仰运动，手腕可作旋转和俯仰运动，手爪自由度属于局部自由度，不考虑在内。

3、可靠性的要求

可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。

4、寿命的要求

产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。

5、经济的要求

机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。

6、人机工程学的要求

人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。

7、安全保护和自动报警的要求

按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。 四、设计步骤及工作量

(一) 设计步骤

1、明确设计任务，收集分析资料

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认真阅读设计任务书，明确设计任务，查找收集有关资料，进行认真分析研究，了解机器人的结构和工作原理。

2、总体方案设计

参考有关资料，进行方案设计。机器人总体结构设计的主要内容有：确定基本参数，选择运动方式，手臂配置形式，位置检测，驱动和控制方式等。

3、技术设计

根据总体方案的结构形式，进行机器人的结构、运动形式的选择、机械系统设计、机身和臂部设计、手部机构的设计、驱动系统方案设计等。

4、图纸设计

根据总体设计方案和技术设计的结果，进行图纸设计，按国家制图标准完成图纸设计。

5、Pro/E实体造型设计

根据设计要求和技术设计的结果，应用Pro/E实体设计技术，对机械手进行实体造型设计。

6、建立机器人的Pro/E装配模型，将模型导入ADAMS中，对模型进行动态性能仿真研究，分析讨论仿真结果和系统设计合理性。

7、编制技术文件

按规定要求，编制设计计算说明书，准备毕业答辩。 （二） 设计工作量

1、结构设计、绘图，按学院要求，工程绘图量一般不少于折合成图幅为A0号的图纸3张。机械装配图1张，三维实体模型图不少于3张，零件图数量根据设计结果确定，为培养工程素质，要加大绘图量。

2、编制毕业设计说明书，毕业设计说明书正文字数不少于2万字（大约40页以上），查阅相关参考文献10篇以上，翻译与课题有关的英文资料2万个印刷字符以上，约5000个汉字。

五、参考设计方案

1、底座设计方案

根据机械手动作要求，结合已学知识，列出底座动作要求的各种方案，进行对比分析，主要考虑：技术可行，结构布局合理，工艺合理性，经济性好。作为参考，列出液压驱动方案、电机驱动方案、电机直接驱动方案和电机驱动外啮合齿轮方案。

（一） 液压驱动方案 1、传动原理

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