1、何HZ詹九學機電學院畢業設計指導書課題名稱關節型機器人結構設計及仿真分析教學系、 部、室機械設計系專業機械設計制造及其自動化指導教師徐輝1、畢業設計題目題目名稱： 關節型機器人結構設計及仿真分析機器人技術是近 4040 多年來迅速發展起來的一門綜合性學科，它綜合了機械學、電 子學、計算機科學、自動控制工程、人工智能、仿生學等多個學科的最新研究成果，代 表了機電一體化的最高成就，是當今世界科學技術發展最活躍的領域之一。機器人的研究、制造和應用，正受到許多國家的廣泛重視，是一個國家科技水平和 經濟實力的象征。它能夠替代人類不知疲倦地完成枯燥繁重的勞動，降低工人的勞動強 度，提高勞動生產率。它的環境

2、適應能力強，能夠在水下、太空、真空、輻射以及劇毒 等任何危險環境中工作，使人類的生命安全和健康得到保障。隨著研究的深入，人們不 斷發現機器人技術的潛力，對它的應用已經逐步滲透到了人們生產和生活的各個領域 中。目前工業生產中應用最廣泛的機器人是工業機器人，亦稱作工業機械手。各種不同 功能的機械手操作系統其機械、電氣和控制結構一般也各不相同，但大多數完整的機械 手系統都有 4 4 個主要部分： 1.1.機械本體機構 2.2.傳感系統 3.3.控制系統 4.4.驅動源。機械本體機構通常是由手臂、手腕和末端執行器組成。它們主要是由一系列旋轉關 節或移動關節相連接的多個機械連桿的集合體，從而形成開式運動

3、鏈的結構。一端裝在 固定的基座上，另一端在手腕上安裝手爪、各種夾持機構或專用工具來完成各種工作。 機械手在執行一項任務時，由它的機械結構實現其運動機能，完成規定作業，因此機械 結構的布局、類型、傳動方法和驅動方式將直接影響機械手的總體性能。傳感系統是將 有關機械部件的各種工作狀態信息傳遞給機器人的控制系統， 控制系統通過這些信息確 定機械部件各部分的正確運行軌跡、速度、位置和外部環境，使機械部件的各部分按預 定程序在規定的時間開始和結束動作。驅動源是使各種機械部件產生運動的裝置，主要 包括氣動、液壓和電動三種形式。他們可直接與臂、腕或手部的機械連桿或關節聯接在 一起，也可采用齒輪、帶、鏈條等間

4、接傳動裝置。本課題研究設計的機器人既可用于教學和科研，也可用于某些工業生產實踐。研究 成果可以為該型機器人的進一步軌跡規劃和控制研究提供必要的參考數據， 經改進后也 可以應用于類人機器人的上肢體結構設計中。因此，本課題的研究成果具有廣泛的實際 意義和應用前景。在確定機器人各部分的外形尺寸時，首先從人類手臂結構角度考慮，采用近似人體 手臂的比例確定出手臂的初始尺寸。基于此設計思想，結合機械原理與機械設計理論構 建機器人主體裝配圖，如圖 1-11-1 所示。各關節回轉運動都采用步進電機與諧波齒輪減速 裝置間接傳動方式實現，機械系統主要構件包括基座、基座頂蓋、腰部、大臂、小臂、各關節主軸、軸用彈簧擋

5、圈、微型軸鍵、軸承、軸承端蓋、步進電機、諧波減速器等。2圖 1-1 機器人主整體裝配圖二、設計參數其中從基座底部到肩關節軸線高度為 395mm395mm 肩關節軸線到肘關節軸線長度為 180mm180mm 肘關節軸線到小臂端面距離為 200mm200mm 到俯仰腕關節軸線距離為227mm三、設計要求1 1、功能性的要求基座是整個機械手的基礎，對全部運動件起支承作用，底面固定在基礎上，轉筒上安 裝大臂機構。工作時轉筒轉動，實現工件轉位。要求轉位靈活，定位準確，工作協調。2 2、適應性的要求機器人手爪能夠到達工作空間的任意位置，動作靈活，工作空間大，在作業空間內 手臂的干涉小，結構緊湊，占地面積小

6、，同時要結構簡單，容易控制。它具有五個自由 度，腰部可實現回轉，大臂、小臂可以作俯仰運動，手腕可作旋轉和俯仰運動，手爪自 由度屬于局部自由度，不考慮在內。3 3、可靠性的要求可靠性是指產品在規定的工作條件下，在預定使用壽命期內能完成規定功能的概 率。工業機械手可自動完成預定工作，廣泛應用在自動化生產線上，因此要求機械手工 作必須可靠。4 4、壽命的要求產品壽命是產品正常使用時因磨損而使性能下降在允許范圍內而且無需大修的連 續工作期限。設計中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤滑 措施、合理設計零件的形面等。因各零部件難以設計成相等壽命，所以易磨損的零件要 便于更換。5 5、

7、經濟的要求 機械產品設備的經濟性包括設計制造的經濟性和使用的經濟性。機械產品的制造成 本構成中材料費、加工費占有很大的比重，設計時必須給予充分注意。將機械設計課程 中學到的基本設計思想貫穿到設計中。6 6、人機工程學的要求 人機工程學也稱為技術美學，包括操作方便宜人，調節省力有效，照明適度，顯示 清晰，造型美觀，色彩和諧，維護保養容易等。本設計中要充分考慮外形設計，各調整 環節的設計要方便人體接近，方便工具的使用。37 7、安全保護和自動報警的要求 按規范要求，采取適當的防護措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設計都必 須考慮的，是必不可少的。在程序設計中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機

8、構卡 死、工件不到位、突然斷電等情況，要設置報警裝置。四、設計步驟及工作量（ 一 ） 設計步驟1 1、明確設計任務，收集分析資料認真閱讀設計任務書，明確設計任務，查找收集有關資料，進行認真分析研究，了 解機器人的結構和工作原理。2 2、總體方案設計參考有關資料， 進行方案設計。機器人總體結構設計的主要內容有： 確定基本參數， 選擇運動方式，手臂配置形式，位置檢測，驅動和控制方式等。3 3、技術設計根據總體方案的結構形式，進行機器人的結構、運動形式的選擇、機械系統設計、 機身和臂部設計、手部機構的設計、驅動系統方案設計等。4 4、圖紙設計根據總體設計方案和技術設計的結果，進行圖紙設計，按國家制圖

9、標準完成圖紙設 計。5 5、 Pro/EPro/E 實體造型設計 根據設計要求和技術設計的結果，應用 Pro/EPro/E 實體設計技術，對機械手進行實體 造型設計。6 6、建立機器人的 Pro/EPro/E 裝配模型，將模型導入 ADAMADAM 中，對模型進行動態性能仿 真研究，分析討論仿真結果和系統設計合理性。7 7、編制技術文件按規定要求，編制設計計算說明書，準備畢業答辯。（二） 設計工作量1 1、結構設計、繪圖，按學院要求，工程繪圖量一般不少于折合成圖幅為A0A0 號的圖紙 3 3 張。機械裝配圖 1 1 張，三維實體模型圖不少于 3 3 張，零件圖數量根據設計結果確定， 為培養工程

10、素質，要加大繪圖量。2 2、編制畢業設計說明書， 畢業設計說明書正文字數不少于 2 2 萬字（大約 4040 頁以上）， 查閱相關參考文獻 1010 篇以上，翻譯與課題有關的英文資料 2 2 萬個印刷字符以上，約 50005000 個漢字。五、參考設計方案1 1、底座設計方案根據機械手動作要求，結合已學知識，列出底座動作要求的各種方案，進行對比分 析，主要考慮：技術可行，結構布局合理，工藝合理性，經濟性好。作為參考，列出液 壓驅動方案、電機驅動4方案、電機直接驅動方案和電機驅動外嚙合齒輪方案。（一） 液壓驅動方案1 1、傳動原理 液壓底座采用直線油缸驅動底座動齒圈，帶動底座外筒體作旋轉運動。外筒體通過 法蘭與大臂相連接，并帶動大臂轉動；齒條油缸固定在機座地基上，通過計算確定的標 準油缸型號確定安裝方式。外筒體為旋轉件，通過軸承支承在內筒體上。內筒體安裝于基座地基上。2 2、液壓系統的設計計算 液壓控制系統設計要滿足液壓底座動作邏輯要求， 液壓缸及其控制元件的選擇要滿 足底座回轉運動動力要求和運動時間要求，具體設計計算參考液壓傳動與控制相關 教材。3 3、方案結構設計方案結構說明： 底座的結構形式采用圓筒狀結構，分為內、外筒體兩部分。（1 1）、內筒體為固定支撐件，固定在地基上，并通過軸承支承外筒體；根據上述計