慧鱼机器人创新设计报告书

目录

摘要 (2)

1. 模型的设计分析 (2)

1.1机械模型的装配构成分析 (2)

1.2驱动部件和传动机构的分析 (5)

1.2.1 蜗轮蜗杆传动 (7)

1.2.2机械手前后运动的传动机构 (6)

1.2.3机械手上下运动的传动机构 (6)

1.2.4机械手的夹紧放松的传动机构 (7)

1.3控制器技术的分析 (9)

1.3.1控制器技术分析 (9)

1.3.2运动轨迹的位移、速度、加速度、运动形式等参数的控制 (9)

2. 机器人总体结构设计 (9)

2.1机器人总体结构设计 (9)

2.2机器人机构设计 (10)

3. 三维建模和机器人系统的总调试 (10)

4. 项目感想 (11)

5. 参考文献 (11)

摘要

采用德国慧鱼（fischertechnik）公司生产的创意教学组合模型来进行实验课程。这些模型通过演示程序控制过程和机械结构中的传动，位研究设计工业自动化设备提供模拟示范。模型有许多形状各异的仿真的机械零部件与电子驱动元件组成，可以进行富有想象力和创造力的装配，从而得到多样式、多功能的模拟机械装置。教学模型具有驱动、感应识别、信息处理等功能。因此还需通过计算机控制软件系统和智能信号接口盒，把几何造型、三维拼装和计算机语言有机结合在一起。借助于设置动态变量参数则可设定机构运动方向并建立运动数学模型。通过系统自带的计算机语言对任务进行编程，使生成的指令数据作用于模型。它是机电一体化的产品，使由一套完整的机械电子系统组成的。

关键词：运动模型、装配、驱动部件、传动机构分析、自由度

1.模型的设计分析

1.1机械模型的装配与构成分析

按照说明书的步骤，进行拼接，得到的机器人模型如图1所示，这种机器人主要由底座（或躯干）、上臂和前臂构成。上臂和前臂可在通过底座的垂直平面上运动。在前臂和上臂间，机械手有个肘关节；而在上臂和底座间有个肩关节。在水平平面上的旋转运动，既可由肩关节进行，也可以绕底座旋转来实现。这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，称为关节式球面机器人。

图1 总模型

机械手的底座部分如图2所示，机械手可以实现180度的大范围旋转。

图2 底座

机械手的躯干部分如图3所示，实现机械手的前后运动。

图3 躯干

机械手的上臂部分如图4所示，通过与底座的“肩关节”实现上下的摆动。

图4 上臂

前臂如图5所示，通过“肘关节”与上臂连接，使“爪子”实现在保持与地面平行的同时也可以上下移动，而通过联轴器和丝杆的作用，实现机械手的夹紧和放松。

图5 前臂

1.2驱动部件和传动机构的分析

该机械手在四个地方需要驱动，分别是底座的蜗轮蜗杆传动、机械手的前后移动、机械手的上下移动和机械手的夹紧和放松。四部分采用的动力源均为直流电机。

1.2.1 蜗轮蜗杆传动

如图6所示，传动部分由电机、变速箱、蜗轮蜗杆组成。传动链为：电机→变速箱→蜗轮蜗杆→整体旋转（负载）。

图6

1.2.2 机械手前后运动的传动机构

如图7所示，该部分的传动链为：电机→变速箱→齿轮传动→丝杆传动→负载。传动简图如图8所示。

图7 躯干部分

图8 机构运动简图

1.2.3 机械手上下运动的传动机构

如图9所示，其传动链为：电机→变速箱→齿轮传动→丝杆传动→连杆。其机构运动简图如图10所示。

图9 上臂

图10 上臂机构运动简图

1.2.4机械手的夹紧放松的传动机构

如图11所示，其其传动链为：电机→变速箱→齿轮传动→联轴器（2个）→丝杆传动（滑动副）→机械手夹紧（放松），运动机构简图如图12所示。

图11 前臂

图12 机械手夹紧（放松）机构运动简图

1.3 控制器技术的分析

1.3.1控制器技术分析

通过计算机LLwine控制软件，按照轨迹规划，编辑模型的指令程序，指令程序实现定时等信号的输出，再经过只能信号接口盒，转变输出较强电信号，足以驱动电机，同时可以控制电机的正反转和通电时间，从而控制机器模型进行正确的运动状态。

1.3.2运动轨迹的位移、速度、加速度、运动形式等参数的控制

该系统电机只需要恒定的速度转动，通过电信号来控制电机实现。加速度不需要控制，正常启动电机即可。在位移控制上，机械手的所有运动都有行程限位开关控制推杆前后移动的极限位移。

2、机器人总体结构设计

2.1机器人的自由度

自由度是机器人的一个重要技术指标，它是由机器人的结构决定的，并直接影响到机器人的机动性。物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（degree of freedom，DOF）。物体所能进行的运动主要有以下几种：

沿着坐标轴ox、oy和oz的三个平移运动T1，T2和T3；

绕着坐标轴ox、oy和oz的三个旋转运动R1，R2和R3。

这意味着物体能够运用三个平移和三个旋转，相对于坐标系进行定向和运动。

一个简单物体有六个自由度。当两个物体间确立起某种关系时，每一物体就对另一物体失去一些自由度。这种关系也可以用两物体间由于建立连接关系而不能进行的移动或转动来表示。

人们期望机器人能够以准确的方位把它的末端执行装置或与它连接的工具移动到给定点。如果机器人的用途是未知的，那么它应当具有六个自由度。不过，如果工具本身具有某种特别结构，那么就可能不需要六个自由度。例如，要把一个球放到空间某个给定位置，有三个自由度就足够了。

结合前面对机器人的工作空间形式的叙述，我们可以得出结论：本次实验所拼接的机械手，由于其具有能在水平面上绕底座转动，机械手能够做里外伸缩移动并在垂直平面上实现摆动。

机器人的自由度如图12所示，有底座转动的自由度、躯干前后移动的自由度、机械手上下运动的自由度机械手夹紧（放松），总共四个自由度，所以需要四个电机进行驱动。