慧魚(yú)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

1、目 錄摘要21. 模型的設(shè)計(jì)分析21.1機(jī)械模型的裝配構(gòu)成分析21.2驅(qū)動(dòng)部件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析51.2.1 蝸輪蝸桿傳動(dòng)71.2.2機(jī)械手前后運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)61.2.3機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)61.2.4機(jī)械手的夾緊放松的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)71.3控制器技術(shù)的分析.91.3.1控制器技術(shù)分析91.3.2運(yùn)動(dòng)軌跡的位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)形式等參數(shù)的控制92. 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)92.1機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)92.2機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)103. 三維建模和機(jī)器人系統(tǒng)的總調(diào)試104. 項(xiàng)目感想115. 參考文獻(xiàn)11摘 要采用德國(guó)慧魚(yú)（fischertechnik）公司生產(chǎn)的創(chuàng)意教學(xué)組合模型來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程。這些模型通過(guò)

2、演示程序控制過(guò)程和機(jī)械結(jié)構(gòu)中的傳動(dòng)，位研究設(shè)計(jì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備提供模擬示范。模型有許多形狀各異的仿真的機(jī)械零部件與電子驅(qū)動(dòng)元件組成，可以進(jìn)行富有想象力和創(chuàng)造力的裝配，從而得到多樣式、多功能的模擬機(jī)械裝置。教學(xué)模型具有驅(qū)動(dòng)、感應(yīng)識(shí)別、信息處理等功能。因此還需通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件系統(tǒng)和智能信號(hào)接口盒，把幾何造型、三維拼裝和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言有機(jī)結(jié)合在一起。借助于設(shè)置動(dòng)態(tài)變量參數(shù)則可設(shè)定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向并建立運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。通過(guò)系統(tǒng)自帶的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言對(duì)任務(wù)進(jìn)行編程，使生成的指令數(shù)據(jù)作用于模型。它是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，使由一套完整的機(jī)械電子系統(tǒng)組成的。關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)模型、裝配、驅(qū)動(dòng)部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析、自由度1.模型的設(shè)計(jì)分析

3、1.1機(jī)械模型的裝配與構(gòu)成分析按照說(shuō)明書(shū)的步驟，進(jìn)行拼接，得到的機(jī)器人模型如圖1所示，這種機(jī)器人主要由底座（或軀干）、上臂和前臂構(gòu)成。上臂和前臂可在通過(guò)底座的垂直平面上運(yùn)動(dòng)。在前臂和上臂間，機(jī)械手有個(gè)肘關(guān)節(jié)；而在上臂和底座間有個(gè)肩關(guān)節(jié)。在水平平面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，既可由肩關(guān)節(jié)進(jìn)行，也可以繞底座旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種機(jī)器人的工作包跡形成球面的大部分，稱為關(guān)節(jié)式球面機(jī)器人。 圖1 總模型機(jī)械手的底座部分如圖2所示，機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)180度的大范圍旋轉(zhuǎn)。圖2 底座機(jī)械手的軀干部分如圖3所示，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的前后運(yùn)動(dòng)。 圖3 軀干機(jī)械手的上臂部分如圖4所示，通過(guò)與底座的“肩關(guān)節(jié)”實(shí)現(xiàn)上下的擺動(dòng)。 圖4 上臂前臂如圖5

4、所示，通過(guò)“肘關(guān)節(jié)”與上臂連接，使“爪子”實(shí)現(xiàn)在保持與地面平行的同時(shí)也可以上下移動(dòng)，而通過(guò)聯(lián)軸器和絲桿的作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的夾緊和放松。 圖5 前臂1.2驅(qū)動(dòng)部件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析該機(jī)械手在四個(gè)地方需要驅(qū)動(dòng)，分別是底座的蝸輪蝸桿傳動(dòng)、機(jī)械手的前后移動(dòng)、機(jī)械手的上下移動(dòng)和機(jī)械手的夾緊和放松。四部分采用的動(dòng)力源均為直流電機(jī)。1.2.1 蝸輪蝸桿傳動(dòng)如圖6所示，傳動(dòng)部分由電機(jī)、變速箱、蝸輪蝸桿組成。 傳動(dòng)鏈為：電機(jī)變速箱蝸輪蝸桿整體旋轉(zhuǎn)（負(fù)載）。 圖61.2.2 機(jī)械手前后運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖7所示，該部分的傳動(dòng)鏈為：電機(jī)變速箱齒輪傳動(dòng)絲桿傳動(dòng)負(fù)載。傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖8所示。 圖7 軀干部分 圖8 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

5、1.2.3 機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖9所示，其傳動(dòng)鏈為：電機(jī)變速箱齒輪傳動(dòng)絲桿傳動(dòng)連桿。其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖10所示。 圖9 上臂圖10 上臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 1.2.4機(jī)械手的夾緊放松的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖11所示，其其傳動(dòng)鏈為：電機(jī)變速箱齒輪傳動(dòng)聯(lián)軸器（2個(gè)）絲桿傳動(dòng)（滑動(dòng)副）機(jī)械手夾緊（放松），運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖12所示。 圖11 前臂 圖12 機(jī)械手夾緊（放松）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1.3 控制器技術(shù)的分析1.3.1控制器技術(shù)分析通過(guò)計(jì)算機(jī)llwine控制軟件，按照軌跡規(guī)劃，編輯模型的指令程序，指令程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)等信號(hào)的輸出，再經(jīng)過(guò)只能信號(hào)接口盒，轉(zhuǎn)變輸出較強(qiáng)電信號(hào)，足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和通

6、電時(shí)間，從而控制機(jī)器模型進(jìn)行正確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。1.3.2運(yùn)動(dòng)軌跡的位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)形式等參數(shù)的控制該系統(tǒng)電機(jī)只需要恒定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電信號(hào)來(lái)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)。加速度不需要控制，正常啟動(dòng)電機(jī)即可。在位移控制上，機(jī)械手的所有運(yùn)動(dòng)都有行程限位開(kāi)關(guān)控制推桿前后移動(dòng)的極限位移。2、 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1機(jī)器人的自由度自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它是由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定的，并直接影響到機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。物體上任何一點(diǎn)都與坐標(biāo)軸的正交集合有關(guān)。物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度（degree of freedom，dof）。物體所能進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)主要有以下幾種：沿著坐標(biāo)軸ox、oy和oz的三

7、個(gè)平移運(yùn)動(dòng)t1，t2和t3；繞著坐標(biāo)軸ox、oy和oz的三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)r1，r2和r3。這意味著物體能夠運(yùn)用三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)，相對(duì)于坐標(biāo)系進(jìn)行定向和運(yùn)動(dòng)。一個(gè)簡(jiǎn)單物體有六個(gè)自由度。當(dāng)兩個(gè)物體間確立起某種關(guān)系時(shí)，每一物體就對(duì)另一物體失去一些自由度。這種關(guān)系也可以用兩物體間由于建立連接關(guān)系而不能進(jìn)行的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)表示。人們期望機(jī)器人能夠以準(zhǔn)確的方位把它的末端執(zhí)行裝置或與它連接的工具移動(dòng)到給定點(diǎn)。如果機(jī)器人的用途是未知的，那么它應(yīng)當(dāng)具有六個(gè)自由度。不過(guò)，如果工具本身具有某種特別結(jié)構(gòu)，那么就可能不需要六個(gè)自由度。例如，要把一個(gè)球放到空間某個(gè)給定位置，有三個(gè)自由度就足夠了。結(jié)合前面對(duì)機(jī)器人的工作空間形式

8、的敘述，我們可以得出結(jié)論：本次實(shí)驗(yàn)所拼接的機(jī)械手，由于其具有能在水平面上繞底座轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手能夠做里外伸縮移動(dòng)并在垂直平面上實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)。機(jī)器人的自由度如圖12所示，有底座轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度、軀干前后移動(dòng)的自由度、機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)的自由度機(jī)械手夾緊（放松），總共四個(gè)自由度，所以需要四個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 圖13 機(jī)械手自由度2.2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)上面自由度的分析，可以將機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分成四部分：底座部分、軀干部分、上臂部分和前臂部分。然后進(jìn)行四部分的單獨(dú)設(shè)計(jì)，最后把他們連接起來(lái)即可。底座部分，設(shè)計(jì)如圖2所示，由底板和蝸輪蝸桿組成。軀干部分，設(shè)計(jì)如圖3所示，由電機(jī)、變速箱、齒輪副、滑動(dòng)副和支架組成。上臂部分，設(shè)

9、計(jì)如圖4所示，由電機(jī)、變速箱、齒輪副、滑動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副和支架組成。前臂部分，設(shè)計(jì)如圖5所示，由電機(jī)、變速箱、齒輪副、滑動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副和支架組成。最后總裝配如圖1所示。3 三維建模和機(jī)器人系統(tǒng)的總調(diào)試 根據(jù)各部分的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖和各機(jī)構(gòu)相對(duì)關(guān)系。用三維建模把模型造出來(lái)。如下圖3.1所示。在建模的過(guò)程中，尤其重要的是做好傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)。模型在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能夠發(fā)生干涉或者各部件不協(xié)調(diào)動(dòng)作。各部件的相對(duì)位置要準(zhǔn)確。電機(jī)、減速器、計(jì)數(shù)器等零件要安放準(zhǔn)確。還有為了達(dá)到前后的平衡，不至于工件過(guò)重時(shí)發(fā)生倒塌現(xiàn)象，把各電機(jī)都安放到尾部。 圖3.1機(jī)器人系統(tǒng)的總調(diào)試在進(jìn)行系統(tǒng)的總調(diào)試之前，先要進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的檢查，保證機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、沒(méi)有卡死現(xiàn)象，各個(gè)開(kāi)關(guān)能正常閉合和松動(dòng)，每個(gè)電機(jī)進(jìn)行通電檢查；然后將控制模塊、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、接口模塊3個(gè)部分連接好進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的總體調(diào)試。這樣做可以提高總調(diào)試的成功率，避免當(dāng)系統(tǒng)不能運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)難以找到故障所在位置。4.項(xiàng)目感想搞項(xiàng)目嘛！沒(méi)說(shuō)的，就注重兩個(gè)字團(tuán)結(jié)！團(tuán)結(jié)就是一個(gè)項(xiàng)目成功的基石。在團(tuán)隊(duì)中，雖然是各負(fù)其職，但還要互幫互助。只有一個(gè)握緊的拳頭了才是最有勁、最有力的！此外，還要盡職盡責(zé)，負(fù)責(zé)好自己的任務(wù)， 堅(jiān)守自己的崗位。 在這次項(xiàng)目中，一來(lái)可以鞏固我們?cè)趯W(xué)校所學(xué)的，二來(lái)我們可以增長(zhǎng)我們的見(jiàn)識(shí)，