北航专业课程设计R机器人

机械设计

专业课程设计

计算说明书

设计题目：3R机器人

机械工程及自动化学院（系）100712班

设计者：杨永真陈翔陈记凡张进张沛指导教师：王伟吴琼老师

2013年11月18日

（北京航空航天大学）

目录

一、设计任务书 (2)

二、国内外研究现状 (4)

三、总体方案设计 (5)

3.1设计思路的确定 (5)

3.2传动方案的确定 (5)

3.3驱动装置的选择 (6)

3.3.1驱动方案的分析 (6)

3.3.2电机选型与计算 (6)

3.4减速器的选择 (7)

四、机械系统的结构及二维图设计 (7)

4.1机械系统的结构设计 (7)

4.2二维图设计 (11)

五、机械臂三维模型设计 (11)

六、控制部分 (14)

6.1交流伺服电机 (14)

6.2驱动器GS0020A (14)

6.3安装和接线 (15)

七、运动仿真分析 (19)

7.1建模 (19)

7.2运动仿真 (19)

7.3数据分析 (20)

7.3.1角速度和角加速度的分析 (20)

7.3.2转矩分析 (22)

八、有限元分析 (23)

8.1建模过程 (23)

8.2网格划分 (27)

8.3有限元分析 (29)

九、项目分工 (36)

十、参考资料 (36)

一、设计任务书

1、设计题目：3R机器人

2、设计要求

（1）设计要求一

（2）设计要求二

3R机器人设计图如下

3、设计任务

（1）完成3R机器人总体方案设计和论证，绘制总体原理方案图。（2）完成主要传动部分的结构设计。

（3）完成装配图一张（用A0图纸），零件图2张（A3）。

（4）编写设计说明书1份。

二、国内外研究现状

自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。

工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使空间位置和姿态调至任意状态，以满足需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。

进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。

然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。

三、总体方案设计

3.1设计思路的确定

为实现总体机构在空间位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题的要求现可以将其设计成关节型机器人。关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取近距离的物体，工艺操作精度高。

3.2传动方案的确定

上图为机械臂传动系统的简图。交流伺服电机1通过减速器与立柱同轴转动，带动整个机械臂做腰转运动；交流伺服电机2通过减速器带动大臂做肩关节的转动；同理，交流伺服电机3带动小臂转动（位置可根据需要调整）。

3.3驱动装置的选择

3.3.1驱动方案的分析

由于驱动方式为交流伺服驱动，所以我们采用的是交流伺服电机配以行星齿轮减速器的方式

交流伺服电机的特点：1.输出功率较大，可满足负载要求；2.电机及电源的投资花费少，使用成本低；3.结构简单。

3.3.2电机选型与计算

J3处电机功率的估算：

P3′=P∙P=PP∙P3∙P=3×9.8×3.14×0.191W=17.63W 考虑之间杆臂上的质量，取系数k=1.2，

P3=17.63×1.2=21.2P

J2处电机功率的估算：

取最大臂长0.5计算；

估算两臂重1.2kg（材料初步定为铝合金，密度估算为2.7g/cm3，长0.5米，宽高皆估为3cm）

P2=P∙P=P‘P∙P2∙P=(3+1.2

2

)×9.8×2.62×0.5W=46.22W

J1处电机功率的估算：

将转动惯量等效至J1轴，等效转动惯量为：

J=∑mr2=3×0.52+1.2×0.252=0.825PP∙P2