物料搬运机器人设计.docx
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物料搬运机器人设计
物料搬运机器人设计
1.前期工作
当今现状：
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。
工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，国外已有工业机器人从事生产的实例，但是在国内，这方面的研究相对较少，并且真正能投入到生产实践中的工业机器人更少
思想启发：
本小组同学在看到吊车等处于施工现场的实例，能够在多个维度里面自由运动。
鉴于这种想法，就想做一个关于能捡物料的机器人，通过在多个自由度里运动，实现机身的灵活转动。
虽然，可能在其中还有更简单的结构，但是作为第一次尝试，只希望这个结构能够顺利的完成预期的工作。
设计难点：
本小组两个同学都是水利水电专业，本身与机械设计了解甚少，并且对于其中的结构最优化也很不善于分析，虽然如此，我们都对机械设计充满热情，从始至终都不曾间断过，虽然我们花费的时间比较长，但是，这其中我们自学了creo2.0，cad两个专业软件，因为在制图过程中，这些软件能够更有效快捷地绘出装配图和零件图。
我们完全是抱着一腔热情来设计的，只能凭一点点生活常识和最基本的力学知识作为基础，其中有不完善的地方，还希望老师同学看完后能够多多指正。
在设计过程中，最费时间的环节就是对creo2.0软件的学习，因为在画零件图和装配图的时候总是遇到问题，这就不得不对已有的实例反复的研究。
另外在设计过程中，难度最大的就是对每个零件尺寸的计算，因为尺寸的不对直接影响到能不能装配的上，对此，我们的前期工作准备了好长时间，大多数时间都花在设计零件的尺寸上。
另外因为时间的原因，内部的齿轮大小及链条都没有画出，因为内不得传动机构要求精度较高，在设计的时候只能做出大概的轮廓，比较粗燥，希望老师能够谅解。
还有一方面，因为我们对自动化一无所知，目前还不能编制程序从而来控制机器人完成人们预定的动作。
因此对机器人的控制方面做得也很不够。
2.机器人的介绍：
整体介绍：
底座应该装在有四个轮子支撑的钢板上，能够带动机身在水平面内二维运动。
机身通过一个电动机带动里面的轴转动，从而带动机身上面的部分运动。
上面的大臂前端部分带有一个功率适当的电动机，从而带动和机身里面的动力轴固结的大臂能够绕竖直方向转动。
大臂的上端固结在小臂电动机的从动轮上，通过小臂上面的电动机带动小臂相对于大臂在竖直方向上转动。
小臂的末端固结在手腕的起始端。
手腕处也有一个电动机，能够带动手腕部的轴转动，而手腕部的轴与手支座连在一起，从而手腕部的电动机能够使手部相对于手腕部180度旋转。
这就实现了机器人整体能够在5个自由度里面运动，从而实现机器人的灵活性能。
机器人整体装配2
同时如果更换不同的机器手，即在不同的工作场合换用不同的机械手，就可以完成不同的工作，这也体现了，该机器人在功能上的兼容性。
目前只处于概念性的设计阶段，如果对其手部进行更加精密的研究设计，就有希望完成理想中工作。
2.机器人机械手的设计
机器人的手是关键部位，他直接影响到能否顺利抓取到物品，直接影响到机器人的效率。
对手的部位我们采用凸轮传动，通过控制手部的电动机正向和反向转动，从而使两个手指能够灵活的张开与闭合。
而手只能在平行于手臂的平面内运动，因此需要改变其他的三个自由度，从而是机器手能够在空间任意平面内转动。
传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。
根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。
我们采用回转型传动机构，其原理图如下（对称结构，此图为侧视图）
在图中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。
通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。
其俯视图如下：
3基座
基座是整个机器人本体的支撑。
为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。
基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。
接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。
该底座由左右对称结果组成，主要起支撑作用。
主视图和俯视图如下:
底座也是机器人的关键部分，它的尺寸大小，直接决定了机器人的大小，决定了上部零件的尺寸，长宽高比例直接影响到机器人的稳定性。
因此本小组在进行试验前，首先对底座进行了设计，因为只是处于试验和探索的目的，机器人的尺寸设计的都相对较小。
4胯部：
胯部由底盘齿轮、竖直齿轮（大）和竖直电机（小）组成，该部分连接基座与大臂电机胯部竖直齿轮外壳，连接大臂竖直齿轮外壳由胯部竖直齿轮（大）连接。
主要作用是电机工作带底盘动齿轮旋转，使得竖直齿轮旋转，从而使得机器人可以水平旋转。
该部分由底盘齿轮与大臂电机组成，不同与基座胯部的是该电机与竖直齿轮相连，由于底座胯部连接的是大臂电机胯部竖直齿轮的外壳，因此该部分电机工作带动的齿轮旋转并不会与基座胯部
使该部分水平旋转相冲突，简单说就是水平旋转并不影响竖直旋转。
该部分底盘齿轮与基座底盘齿轮相同，竖直齿轮与电机相连接，大的为竖直齿轮，小的部分是电机。
5.大臂
大臂的主要作用连接小臂与腰关节的旋转胯部（胯部上有大臂电机，后面有介绍）由胯部旋转带动大臂旋转，从而使小臂也能够旋转，起连接与旋转的作用。
具体尺寸如下：
大臂俯视图
大臂的后面使用螺丝与大臂电机从动轮的轴固结，前面也是用同样的方法与小臂固结在一起。
从而它能够随着大臂电机的转动而转动，他在整个机器人中所起到的仅仅是连接作用，将上下转动机构连在一起。
立体图如下：
6.小臂
小臂连接大臂与机械手腕部，由大臂旋转带动小臂整体转动，大臂是固结在小臂上的，而小臂一段有电动机，内部通过齿轮连接，带动手腕部转动，从而使机械手能够在平面自由旋转，达到夹物体的功能。
具体尺寸如图：
7.机械手指设计
设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。
手指是直接与工件接触的部件。
手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。
手指连接轴将两个手指铰接在一起，并且手指连接轴可以在手支座的水平导槽内运动，这就实现了左右手指的前后移动，而手指超下端又有个水平导槽，正好能使手指做上面轴在手指朝下的水平导槽内运动，这就实现了两个手指之间张角的变化。
该图为右手指图，左手指原理同右手指，只是在设计的过程中形状略有不同，此处不再介绍。
8.手部支座
该构件主要是连接机械手手指与机械手电机上的圆盘，起支座作用。
该机构上部连接法兰盘，手指连接件，同时手指的固定导槽也在其中。
下部安放手部的电动机，中间通过螺丝连接。
法兰盘穿过其中，下部连接电动机，能够使法兰盘绕着该机构的圆孔转动，因此，该机构的作用也是很重要的。
如上图所示，该机构的尺寸是很重要的，其中水平导槽的长度为40mm,这个尺寸更好能够满足手指的张开与闭合。
而圆孔的大小以及每个螺钉的尺寸也都是经过计算且能满足要求的。
同时手支座的厚度以及每个孔之间的距离都是经过严格控制的，他与所夹取得物品大小重量都是相关的。
9.法兰盘
法兰盘功能是作为凸轮，带动手支座上面的连接件运动，使手指轴能够在固定导槽内前后移动，从而使左右手指能够在垂直于法兰盘轴线方向内摆动。
如图，盘的直径是根据手指连接件的长短，以及手指在连接件的作用下摆动的幅度大小而确定的，盘内的四个小孔的直径也是根据连接轴的抗剪强度而确定的。
法兰盘的中心轴与手部电动机的轴固结，因为这里受力较大，因此我们特别加厚了这里的厚度，同时连接轴的中心环与法兰盘的盘面之间通过四个一定厚度筋连接，基加强了中心环与盘面的强度，又节省了材料。
10.小臂电机
小臂处的电机主要是提供小臂相对于大臂转动的动力，从而使小臂在垂直于大臂轴线的平面内转动。
如左图所示，小臂的电机处于末端，其内部的转动轴与电机连在一起，转动轴又通过链条链接从动轮，从动轮位于小臂与大臂的轴线上，保证了小臂电机提供的动力能使小臂绕着大臂转动。
3.驱动传动方式
驱动方式
该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。
首先胯部装有水平的电机带动胯部及以上部分能够水平转动，然后大臂末端也装有电机，带动大臂及以上部分能够绕大臂的轴竖直转动，之后小臂处的电机能够带动小臂及以上部分转动，最后是手腕部的电机能使整个手部绕着手腕处的轴转动。
这样就实现了物料搬运机器人的手部能够在空间内所能够到的任意坐标停留。
进而使机器手能够完成理想中的工作。
传动方式：
由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。
对机器人的传动机构的一般要求有：
（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；
（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；
（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；
（4）寿命长、价格低。
本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。
为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。
齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中腰关节处的胯部电机和肘关节处的小臂电机都是采用齿轮传动。
齿形带传动原理图如下：
齿轮带的传动比计算公式为
齿轮带的平均速度
为：
其中z1是小齿轮的齿数，z2是大齿轮的齿数，t是两个齿之间的距离，n1为小齿轮转动的圈数，n2为大齿轮转动的圈数。
他们之间满足如上所示的关系。
4.制动器及其作用：
制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。
在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下：
①特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施
②停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。
机械制动器：
机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。
其中最典型的是电磁制动器。
在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。
从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。
因此
这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。
又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。
电气制动器
电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。
换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。
但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。
该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。
另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。
采用电气制动器，其优点在于：
在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。
缺点在于：
这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用
4后期预测
本小组设计的机器人如果不出错误的话，在原理上能够完成所有预期的工作，只是可能效率或者工作的精度亟待提高。
另一方面，目前处于概念形成阶段，在运作的过程中，可能还存在问题，如大臂的机构是否为最佳结构，它的形状可能还存在更简洁，更有效的结构，还有对于胯部，小臂处传动机构可能也存在更加有限的传动方式，比如合理运用曲柄连杆机构或许能有意想不到的结果，对于手指地方的夹取可能也存在更简单的机构，或者改进之后可以使手指的夹取效率与精度都能够大大提高，等等。
对于这些问题我们只能从宏观的角度看到，但是真正要解决，就需要后期的实验观测，然后改进。
5.心得体会
前期我们在准备过程中，首先对机器人的功能进行了长达半个月的思考，其中对于目前已经存在的，或者正在被一些发达国家用在工业实践中的机器人都具有较高的复杂性，并且作为非机械专业的学生，对于这种设计有较高的难度。
因此在最终的商议后，我们决定设计一种概念性的搬运机器人，只要求在理论上能够成立即可，而不要求真正能够投入生产实践，并且其中的性能究竟怎样，我们也没有做具体的研究。
终于在这段时间之后，我们决定设计一种搬运物料的机器人
之后真正设计的过程中，对于专业软件的不熟悉，导致了我们在画零件图和装配图的过程中，屡屡受挫，只能够从网上寻找解决问题的方法，或者从图书馆借阅了大量的相关书籍查阅参考，但是结果也不都进入人意。
比如，在进行左右手指零件的制作过程中，如果能利用软件自身带有的复制功能，就能够大大的减少工作量，但是，实际操作过程中，因为左右手指的特征不完全一样，因此复制后就需要对零件进行修改，在改的时候就总是出现问题。
不管怎样，最后我们还是完成了所有零件的制作，并成功完成了装配。
在后期的设计中，因为要研究机器人内部零件的组装，这需要选定合适功率的电动机，合适大小的齿轮以及链条的种类，因为时间的原因，基于零基础的我们，只能放弃这部分的研究，所以在实际过程中，我们都采用实体来代替零件的内部结构。
另外，对于电路设备，我们也没有研究，好多地方也都存在不尽如人意的地方，后期如果有机会，我们会继续把这个课题进行到底。
经过这次的学习，我们收获了对自身能力素质提高有很大帮助的东西，这是书本中所学不到的。
例如我们从一穷二白的境地在仅仅几个月的时间里就对机械制图及其原理有了很大的了解，同时在这么短的时间里我们自学建模软件，并且有很好的成效，这对于我们的自学能力有了很大的提高，另外每次抽空学习的过程中，总需要兼顾其他的课程，这也需要我们不断地适应能力。
虽然我们的作品是粗糙的，但是我们依然在这其中收获了很有价值的东西。
不管作品本身的好坏，这次尝试对以后的工作学习都会有很大的启发意义
这次设计过程共花费了两个月左右的时间，其中每次的学习都是抽空完成的，每次有新思路，或者对现有的机构有改进的时候都会选择某个整块的时间，一起讨论，然后改进。
在其中遇到问题的时候首先是在网上找解决的方法，然后解决不了的话，就到图书馆翻阅相关的书籍，还是不行的话，就去请教机械认识的同学或者老师。
不过由于时间的原因，对于机器人的电路设计和程序设计现在还没有很好的解决。
如果以后有机会的话，我们会继续把这个没有完成的任务完成，也希望老师能够体谅。
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