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五自由度装配工业机器人（小臂和手部执行器及电气控制） 指导老师： X 设计： XX 主要技术参数：自由度数：N=5 拾取重量：P=125N 手臂俯仰：β=±45o ωβ=30o/s 手臂回转：α= 220o ωα=30o/s 手腕摆动：γ=±90o ωγ=60o/s 手腕回转：ε=300o ωε=120o/s 一. 设计方案的拟定 1.机器人坐标形式 一般机器人分为直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和多关节型。 多关节型可实现多方向的自由度。这种机器人动作较灵活，工作空间大，关节驱动处容易密封，工作条件要求较低，适合电机驱动。这种机器人适合于装配、焊接、喷漆和搬运等工作。因此选用多关节型。根据设计要求，要具要五个自由度，则需要五个关节，即五轴。 ２.传动机构的设计方案 多数普通伺服电机都能直接产生旋转运动，但其输出力矩小，转速比所需要的转速高。因此需要采用各种传动装置或者传动机构，把高转速的回转运动进行转换： （1）把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的转矩； （2）将回转运动转换成直线运动,并获得较大的转矩。 谐波传动属于一种K-H-V少齿差行星传动。其特点是： （1）可实现很大的传动比，并且外廓尺寸小，零件数目少，传动效率高； （2）柔轮与刚轮之间为面接角多齿啮合，滑动速度小，齿面磨损均匀，承载能力较高 （3）由于自然形成的预加载谐波发生器啮合齿数较多以及齿的啮合比较平稳，谐波齿轮传动的齿隙几乎为零，因此传动精度高。 滚珠丝杠副可将回转运动转换成直线运动，其特点是： （1）传运效率高； （2）系统刚度好； （3）传动精度高； （4）使用寿命长。 ３.驱动方法 直流电动机和步进电机是工业中应用最广泛的两种电机。直流电机动本身没有位置控制能力。步进电机是通过脉冲电流实现步进的，因此每给一个脉冲转子便转动一个步距。 目前，直流伺服电机可达到很大的力矩/重量比，远高于步进电机。因为采用闭环伺服控制，所以能实现平滑的控制和产生大的力矩。除了在很大功率情况下，与液压驱动不相上下。直流驱动还能达到高精度，加速讯速，且可靠性高。而且现在直流电动机的发展得益于稀土磁性材料的发展，能产生很强的磁场，改善了电机的起动特性。 由于以上原因，当今大部份机器人都采用了直流伺服电机驱动。所以本设计中各关节都使用了直流伺服电机。 下图给出了机器人本体机械传动系统的简图，其中五个关节分别由五个电机通过传动装置驱动：Ⅰ轴控制机器人腰座旋转，伺服电动机轴上的小齿轮旋动腰部轴承带轮齿的内环完成运动；Ⅱ轴、Ⅲ轴分别控制大小臂的运动，其传动是通过滚珠丝杠螺母副来完成，传动刚度高；Ⅳ、Ⅴ、VI轴控制腕部运动，伺服电动机通过齿形带轮、齿形带轮副、谐波减速器等来完成腕部运动。其中，IV轴控制手部夹紧。 二、传动原理 传动系统简图 三.电机功率的计算公式 电机的选择，首先要考虑电机必须能够提供负载所需要的瞬时转矩和转速。如果要求电机在峰值力矩下以峰值转速驱动负载，则电机功率可按下式估算 式中，P ——电机功率（W）； M ——负载峰值力矩（N·m） ——负载峰值转速（rad/s） ——转动装置的效率，初步估算时间取 =0.85～0.9； 系数1.5～2.5为经验数据，它是考虑到初步估算负载力矩有可能取得不全面或不精确，以及电机有一部分功率消耗在电机转子上而取得的一个系数。 四.丝杠副的计算公式 1.计算载荷的计算 2. 额定动载荷计算 式中， 为载荷系数， 为精度系数， 为硬度系数； 据滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于 的原则 ，即可选择合适的丝杠副。 五.计算机控制系统的设计方案 控制系统框图 电路的组成如下：(1) CPU都用80C51芯片；(2) 主从CPU各扩展程序存储器27256－片，扩展数据存储器 62256－片；(3) 主CPU扩展可编程串行接口芯片8255A五片； (4) 从PID控制芯片LM628五片；D/A转换器DAC0