毕业论文---机器人五自由度机器人结构设计

第2章 总体设计方案

在确定机器人总体设计方案前，必须对机器人设计基本步骤及其基本原则，使设计的方案更合理

2.1 总体设计的思路

设计机器人大体上可分为两个阶段： 一、系统分析阶段

1、根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。 2、分析机器人所在系统的工作环境。

3、根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。

二、技术设计阶段

1、根据系统的要求的自由度和允许的空间空做范围，选择机器人的坐标形式

2、拟订机器人的运动路线和空间作业图。 3、确定驱动系统的类型。

4、拟订控制系统的控制原理图。

5、选择个部件的具体集体够，进行机器人总装图的设计。 6、绘制机器人的零件图，并确定尺寸。

下面结合本演示系统的基本要求和设计的基本原则确定本系统的方案。

2.2 总体方案的确定

提到总体方案的确定，让我们重复下本课题的要求： 1、它是一个教学用的演示系统。

2、我们希望它不太大，可以安置在实验台沙锅内给学生讲解，即小型化、轻型化。

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3、经费有限，要求成本低。

4、在满足前几点的要求下，尽可能的要造型美观。

2.2.1 坐标形式的选择

有要求可知这是一个演示的系统，即机器人的几个基本的动作的演示，了解机器人的基本结构、控制方式等，加深对工业机器人及其适用的工作环境的了解，综合考虑选用

圆柱型坐标，此坐标的运动特点是各动作直观性强，占用空间小，相对工作范围大，也常用，而关节型、极坐标型机器人的运动直观性差，而直角坐标型占地面积大、工作范围小，灵活性差。

2.2.2 驱动系统的类型选择

因为现有的实验设备中电机控制的优点，基本设想采用电机驱动，使用步进电机和伺服电机驱动。

整体结构布局的确定

在确定整体结构时，考虑到课题的基本要求，觉得采用模块式结构，各部位自成体系，组装方便，根据思想有图的个构想，臂部回转电机1通过减速机构驱动2回转，从 而带动手臂回转，又臂部电机带动丝杠驱动4缩运动，5 固定载上实现腕部的升降，7为控制腕不粉回转的位置传感器，8实现手爪的旋转，如图所示：

综合考虑此设计，可以认为该结构具有线条简洁明快，能使初学者较快的得其要领，理解工作原理，很适合于机器人教学的需要。

2.2.3 各部位传动机构的确定

我们从底座开始，分别的一一 考虑。

首先是臂部的回转，因为臂部的回转带动的部件多、惯性大，所以转速不能太高，考虑到用步进电机，要用减速机构，如选用齿轮传动，体积较大，不适合教学的要求，综合考虑采用蜗轮蜗杆传动比较合理，首先能实现较大

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的传动比；其次体积小，便于安装，其也有传动效率底的缺点，工作过程中有相当一部分的能量要转化成热，在工业生产中要装有散热的装置，由于本系统是为教学演示的，不需要长时间的工作，所以温升不大，不必安装散热装置。

臂部伸缩采用步进电机驱动丝杠螺母传动机构产生直线运动，由螺母带动臂部和腕部机构伸缩是，采用普通丝杠传动（主要考虑到价格）

腕部升降也采用丝杠传动，用步进电机驱动。

腕部回转要求重量轻、机构紧凑，故采用直流电机直接驱动，但要求转速低，故采用长时间工作在堵转状态下的直流力矩伺服电机，位置检测采用光电码盘。手部回转也采用同样的电机驱动，其中各个部分实现连接简单，方便拆卸。

2.2.4 外形尺寸和运动范围的确定

考虑到本系统的小型化的要求，可将外形尺寸及各部分的运动范围确定如下：

1、外形尺寸：600×600×700范围内 2、臂部回转：0～360° 3、臂部伸缩：80mm 4、腕部升降：70 mm 5、腕部回转：0～180° 6、手爪回转：90°

7、手指开合：±5～10° 8、抓重 0.5 Kg

运动速度、控制精度的确定

因为本系统是教学演示用的，为节约资金，对速度和精度要求较低。

2.2.5 控制系统的确定

本系统采用89C51单片机控制，臂部伸缩、回转、腕部升降、手爪开合采用步进电机开环控制；腕部回转和手爪回转采用直流电机闭环控制，

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其中步进电机采用单电压恒流源驱动，，由单片机直接发出控制脉冲信号。腕部的闭环控制采用直流力矩电机加装光电码盘实现，显示部分采用LCD液晶显示模块。

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