载人三自由度三角形机器人的设计与研究设计.docx

载人三自由度三角形机器人的设计与研究设计.docx

《载人三自由度三角形机器人的设计与研究设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《载人三自由度三角形机器人的设计与研究设计.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

载人三自由度三角形机器人的设计与研究设计

摘要

机器人是一种能够模仿人类动作的机器，它可以完成许多对人类来说危险且单调的工作，机器人让人类从繁重、单调的工作中解脱出来。

它们从事固定而有规律的工作，例如工业生产中的焊接、喷漆等等。

本文主要以电动推杆作为主要执行元件来设计载人三自由度三角形机器人的整体方案。

该机构采用统一动作、协调控制的原则，通过推杆的行程的打开来实现机器人脚的运动，通过中控系统的控制来实现载人三自由度三角形机器人的动作，由于是中控系统控制，所以控制灵活，多样。

人可以坐在机器人上面，通过控制器来控制机器人的动作，实现一些人类靠自己脚力无法完成的功能。

关键词：

机器人；工作；控制；三自由度三角形机器人

ABSTRACT

Arobotisamachinewhichcanimitatehumanactions,itcanfinishalotofhumanriskandmonotonouswork,letthehumanrobotfreeoutfromtheheavy,monotonouswork.Theyengagedinregularwork,suchasindustrialproductionwelding,paintingandsoon.

Theoverallschemeofthispapertotheelectricpushrodasthemaincomponenttodesignmannedthreedegreeoffreedomtriangularrobot.Themechanismadoptstheunifiedaction,thecoordinatedcontrolprinciple,byopeningthetravelofthepushrodtorealizetherobotfootmovement,toachieveamannedwiththreedegreesoffreedomrobotmotioncontrolinthetrianglebycontrolsystem,thecontrolsystemtocontrol,sothecontrolofflexible,multisample.Peoplecansitontherobot,thecontrollerisadoptedtocontroltherobot'smovement,therealizationofsomepeoplerelyontheirowntocompletethefunctionofthelegmuscles.

Keyword:

Robot；cylinder；pneumaticloop；Fourdegreesoffreedom

3.1电动推杆的定义14

3.2电动推杆的主要结构15

3.3电动推杆的设计计算16

3.4连接轴的设计17

4各主要零部件强度的校核18

4.1连接轴轻度的校核19

4.2底板强度的校核19

5.1电动推杆的三维建模23

5.2支板的三维建模24

5.3安全栏的三维建模25

5.4载人三自由度三角形机器人的三维建模25

6三维软件设计总结26

1绪论

机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。

机械产品的生产，包括：

生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。

机械制造企业的经营和管理。

机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。

生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。

销售对象遍及全部产业和个人、家庭。

而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。

因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。

机械产品的应用。

这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。

机械产品的应用。

这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。

研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。

这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。

机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：

按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。

另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。

按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。

机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

机器人的是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机器人作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机器人是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

在现代生产过程中，机器人被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机器人的发展，使得机器人能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机器人虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机器人已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

机器人技术涉及到力学、机械学、电气气技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机器人是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以及可以在各个不同环境中工作。

1.1机器人简史

现代机器人起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

机器人首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。

他的结构是：

机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机器人。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用气驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。

不少球坐标式通用机器人就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产机器人。

1962年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机器人，原意是灵活搬运。

该机器人的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用气驱动，控制系统也是示教再现型。

虽然这两种机器人出现在六十年代初，但都是国外机器人发展的基础。

1978年，美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型机器人，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机器人的可靠性，改进结构，降低成本。

如Unimate公司建立了8年机器人试验台，进行各种性能的试验。

准备把故障前平均时间（注：

故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。

它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机器人，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

德国KnKa公司还生产一种点焊机器人，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机器人，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机器人清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是机器人发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进二种典型机器人后，大力研究机器人的研究。

据报道，1976年从事机器人的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。

1979年120多个大学和国家研究部门用在机器人的研究费用42%。

1979年日本机器人的产值达443亿日元，产量为14535台。

其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。

具有记忆功能的机器人产值约为67亿日元，比1978年增长50%。

智能机器人约为17亿日元，为1978年的6倍。

截止1979年，机器人累计产量达56900台。

在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。

使用机器人最多的是汽车工业，其次是电机、电器。

预计到1990年将有55万机器人在工作。

第二代机器人正在加紧研制。

它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机器人具有感觉机能。

目前国外已经出现了触觉和视觉机器人。

第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系。

并逐步发展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingsystem）和柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。

随着工业机器手（机器人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

1.2应用机器人的意义

随着科学技术的发展，机器人也越来越多的地被应用。

在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。

其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

在机械工业中，应用机器人的意义可以概括如下：

一、以提高生产过程中的自动化程度

应用机器人有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、以改善劳动条件，避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机器人即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机器人代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产

应用机器人代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机器人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机器人，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，有效的应用机器人，是发展机械工业的必然趋势。

各类机器人的图形分别如下所示：

1.3本课题研究的内容

本论文主要研究运用SolidWorks对载人三自由度三角形机器人进行设计。

在设计过程中，了解载人三自由度三角形机器人的结构特征和三维软件的使用要领。

本文的设计目标是设计一种载人三自由度三角形机器人。

该机器人能够载人行驶，能够实现步行，载人载物等等多种功能，其研究内容包括：

（1）功能分析与方案设计；

（2）结构设计与三维造型；

（3）运动仿真；

（4）控制系统设计。

2.1载人三自由度三角形机器人的总体方案图

本次设计的载人三自由度三角形机器人采取的方案是：

在机器人的两侧各布置一组腿，成对称分布，通过电动推杆推动机器人的脚步来实现机器人的步态动作。

根据控制方法的不同，机器人的步态也有所不同。

整机采用成本低廉且经久耐用的碳钢板作为材料，经过喷漆喷塑处理后在外观上面得到了一定的保证。

其具体方案布局图如下：

2.2载人三自由度三角形机器人的工作原理

本次设计的载人三自由度三角形机器人的工作原理为：

通过电动推杆的行程的打开与关闭来实现机器人脚部的运动，通过中控系统的控制来实现载人三自由度三角形机器人的动作规律，由于是中控系统控制，所以控制灵活，多样。

人可以坐在机器人上面，通过控制器来控制机器人的动作，实现一些人类靠自己脚力无法完成的功能。

3.1电动推杆的定义

电动推杆，英文名LinearActuator，、电动缸及线性致动器。

电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。

可用于各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用，以实现远距离控制、集中控制或自动控制。

电动推杆是一种电动执行机构，其工作原理是由电机旋转经涡轮蜗杆或者齿轮改变为直线运动，通过推拉往返，来达到使某一设备装置完成往复动作。

近年来，这种设备广泛应用于各种简单复杂的机械设备制造当中。

 电动推杆的主要构成是：

电机、减速齿轮（涡轮蜗杆）、丝杠。

选配件：

行程开关、电位器、安装支架等。

 电动推杆形式分为普通T型齿和滚珠丝杠两种，普通T型齿适应于工作频率不太高的场合，每小时电动推杆工作在10次左右的，完全可以满足。

T型齿电动推杆可实现完全自锁功能，以保证应用绝对的安全性。

滚珠丝杠推杆可以达到连续不间断工作，以满足高频率应用的需求。

 电动推杆的行程开关用以控制推杆的行程，当行程达到设定值时，电机自动断电，电位器用来显示推杆的运行行程值，可以达到对推杆随时可控可调的自动化目的。

 电动推杆升降机系统负载力最高可达250KN，用以解决高承重的推拉升降装置，并可以实现一拖一，一拖二，一拖四等同步功能。

3.2电动推杆的主要结构

电动推杆由一个电机，驱动减速齿轮，螺杆，螺母，导套，顶杆，滑块，弹簧，壳体与涡轮，微动开关等组成。

电动推杆是一种新的电动执行器，电动推杆是主要由电机，推杆和由一个新的线性执行机构的控制装置，可实现远程控制，集中控制。

电动推杆使一定范围内的行程往复运动一般电动推杆，标准电动推杆电动推杆可根据不同推力负荷不同的应用设计，可达6000N最大推力，空载转速为4mm~35毫米/秒，在24V、12V直流永磁电机为动力源的电动推杆，电机的旋转运动转变为直线往复运动。

促进一套连杆机构完成节流阀，阀门，闸门，挡板开关。

电动推杆作为执行机构，不仅可以减少气源装置及气动执行器所需的辅助设备的使用，还可以减少执行机构的重量。

气动执行器在整个控制过程中需要有一些压力，但消耗量小的放大器可以使用，但日积月累，天然气消费量仍然是巨大的。

执行机构采用电动推杆，你需要提供一个变化的控制，开放，开放时间达到所需的功率不能，因此，从能源的角度来看，电动推杆驱动气动执行器具有明显的节能优势比天然气。

适用于远距离控制，广泛应用于电力，化工，冶金，矿山，轻工业，交通运输，对节流阀，造船等部门，门开闭机构，物料搬运，流量控制，等。

它已被越来越多的部门用它来代替机械手，液压阀，自动减速机构。

3.3电动推杆的设计计算

载人三自由度三角形机器人中机器人的动作主要是靠电动推杆来完成的，由系统工况可知，载人机器人的承重量我们假定为200KG,假定机器人的移动速度为20mm/s,则有下列计算：

F=Mg=200x9.8=1960N.

功率P=FXV=1960x0.3=6533w=6.5kw

电机扭矩T=9550P/n=9550x6.5/1400=44N.m

则推杆扭矩T推=TXiXη=44X1X0.98=43.12N.m.

由式F=2πηT/I可得推杆推力为200N,

其中，η是丝杆传递效率，I是丝杆导程。

3.4连接轴的设计

轴是组成机械的重要零件之一，它是安装各种传动零件，使之绕其轴线转动传动转矩或回转运动，并通过轴承与机座相联接。

轴与其上的零件组成一个组合体—轴系部件，在轴的设计中不能只考虑轴本身，必须和轴系零、不见的整个结构密切联系起来。

由于振动输送所用的轴即传递扭矩又承受弯矩，所以我所设计的阶梯轴为转轴，由于小带轮已经设计好，大带轮的尺寸也就定了，只剩下轴径的确定，轴的初步设计是根据扭转强度，校核弯曲强度，由于轴的材料很多，主要根据轴的使用条件，对轴的强度、刚度、和其他机械性能等的要求，采用热处理方式，同时考虑制造加工工艺并力求经济合理，通过设计计算来选择轴的材料，选用最常见的45#钢作为轴的材料,且其需用切应力为40MPa

轴与其上的零件组合成一个组合体，在轴的设计中不能只考虑轴本身，必须和轴系零部件的整个结构密切联系起来。

轴的结构设计是在初算轴径的基础上进行的。

为满足轴上零件的定位、紧固要求和便于轴的加工和轴上零件的装拆，通常将轴设计成阶梯轴。

轴的结构设计的任务是合理确定阶梯轴的形状和全部结构尺寸。

轴的材料选用45号钢，为保证其力学性能，进行调质或正火处理。

1、初步计算轴的直径

按照扭转强度估算轴的最小直径，写成设计公式，轴的最小直径

mm，查表16.2，c=112,p=20.35,n=851,代入设计公式得

=17.26mm。

考虑到轴上有键槽以及其他因素的影响，应适当增加轴径以补偿键槽对轴强度的削弱。

取轴的直径d为20mm，即最右端装带轮处的直径为20mm。

装有密封元件和滚动轴承处的直径，应与密封元件和轴承的内孔径尺寸保持一致。

轴上两个支点的轴承，应尽量采用相同的型号，便于轴承座孔的加工。

相临轴段的直径不同形成轴肩。

当轴肩用于轴上零件定位和承受轴向力时，应具有一定的高度，轴肩处的直径差一般取5—10mm，这里轴肩出的直径差选择5mm，然后协调各段轴的长度，考虑到要装轴承座和机构的合理性，还有螺钉等的长度及其他各方面的因素，初步确定轴的各段长度。

4各主要零部件强度的校核

4.1连接轴轻度的校核

轴的强度计算一般可分为三种：

1）按扭转强度或刚度计算；2）按弯扭合成强度计算；3）精确强度校核计算。

当轴的支撑位置和轴所受的载荷大小、方向、作用点及载荷种类均已确定，支撑反力及弯矩可求得时，可按照弯曲或者弯扭合成强度进行轴的强度计算。

作用在轴上的载荷一般按集中载荷考虑，如本设计中的带传动对轴的力，其作用点取在轮缘宽度的中点。

计算时，通常把轴当作置于铰链支座上的双支点梁，一般轴的支点近似取为轴承宽度中点。

由于本设计所用轴主要是受弯曲强度，很少的扭转强度，是根据扭转强度设计，应校核轴的弯曲强度，首先分析轴的受力，左端受的是圆锥筛的重力，右端是带轮对轴的力，中间是轴承座的两个支撑力。

左端的作用力包括筛自身的重力、物料的重力、物料旋转产生的离心力。

所以考虑圆锥筛对轴产生作用力时，仅是一个经验数据。

轴径是按扭转强度初步设计的，所以要校核轴的弯曲强度，轴的强度校核也就是找出危险截面，看危险截面是否满足轴径条件，如果危险截面满足，那么别的轴径肯定满足；根据轴的实际尺寸，承受的弯矩、扭矩图考虑应力集中，表面状态，尺寸影响等因素，及轴材料的疲劳极限，计算危险截面的情况是否满足条件。

我所校核的轴是根据许用弯曲应力校核的，即由弯矩产生的弯曲应力

不超过许用弯曲应力

，一般计算顺序是先画出轴的空间受力图，将轴上作用力分解为水平面受力图和垂直面受力图，并求出水平面上和垂直面上的支承点反作用力。

然后作出水平面上的弯矩和垂直面上的弯矩图，作出合成弯矩图和转矩图应用公式

绘出当量弯矩图，式中

是根据转矩性质而定的应力校正系数。

对于不变的转矩，取

；对于脉动的转矩，取

；对于对称循环的转矩取

。

是材料在对称循环应力状态下的许用弯曲应力；

是材料在静应力状态下的许用弯曲应力；

是材料在脉动循环应力状态下的许用弯曲应力；

在锥筛的设计过程中，轴的材料为45#钢，其基本参数为

，

，

，

；应满足下列条件：

或

W为轴的抗弯截面系数；

轴的受力，轴左端是锥筛对轴的力也就是锥筛的重力，右端是带轮对轴的压力。

具体受力情况如下图：

由材料力学的相关知识可得：

解得：

由

得：

可得轴的弯矩图则如下：

轴所受的转矩如下：

转矩图如下：

=

；

所以，

=

所以当量弯矩图为：

可知轴承的危险截面在左边轴承支撑处，根据轴的校核条件可以算出：

；

即：

所以：

根据校核，截面强度足够，其它截面也是足够安全的。

4.2底板强度的校核

载人三自由度三角形机器人中所采用的底板为铁板，根据底板承载力计算公式：

M=Pac/L（M：

弯矩，P集中力，a集中力距支座距离，c集中力距另一支座距离，L跨度，L=a+c）

（仅用于矩形截面）

f=M/W≤材料的许用应力（弹性抗拉强度/安全系数）。

M=Pac/L=11960xL，本次设计初定L为1000mm

则M=13456N.M

，计算W得出

折算后位12Mpa；

查的普通碳素结构钢Q235A的抗拉强度为375~500Mpa，由于12Mpa远远小于375Mpa，所以初定底板满足要求。

5载人三自由度三角形机器人的三维建模

5.1电动推杆的三维建模

5.2支板的三维建模

5.3安全栏的三维建模

5.4载人三自由度三角形机器人的三维建模

6三维软件设计总结

通过本次设计，再次提出了利用三维软件的水平，并吸收了大量的经验，总结出以下几点。

关于图纸的绘制方面，当零件的尺寸已经给出，不考虑图纸尺寸不合适的，基于三维零件图，装配时必须考虑的大小是合适的，因为AutoCAD绘图效果不好，也会引起的尺寸误差，和甚至出现欠定义大小，因此，必须通过在这个时候对零件进行测量，进行修改，直到符合要求。

该工具是方便的输入数据映射，通过选择部分的类型，标准件，可以生成，但有时需要在工具集使用部分可能找不到，所以在这个时候随机应变，其他部分而不是通过修改或满足要求增加组件的使用。

三维地图应该是灵活的，解决问题的方法总比问题多，当一个方法不能正常映射，试试另一种方法，它不仅可以完成零件的生产，而且还可以开发映射一个更好的主意，并打破了新思想的规则。

学习使用一些可以节省时间的命令，如镜像，阵列，能省则省”。

在装配过沉重，曾给了我一个很大的障碍，是要花很多时间去找出为什么。

在一个活跃的子组件，虽然活动范围会产生干扰，可以设置该复合物的活动范围，如先进的范围内，和角度范围，即使在这个范围内不影响母配体，不能设置。

因为一旦设定的范围内，在父组件将被视为完全定义的组件模型，它将冲突分总成，将无法完成装配。

看地图是最重要的任务是理解零件图，图表工具，没有工具是没有法律的零件图，所以不要急着写，想通过零件的结构，并认为通过线图，这是重中之重，映射。

部分建模，一般应的特点进行深入分析，找出零件是由几个特点，摆脱所有的形状特点，它们之间的连接相对位置、表面，然后按主次特征造型的关系，按一定的顺序。

一个复杂的部分，有许多简单的功能，通过切除或重叠相交。

所以部分建模，序列特征是很重要的，虽然不同的建模过程可以构造出相同的实