机械5

1引言 小型机器人主要用于代替人工作业，批量生产成本一般较低。由于上述特点，它大都用于简单、重复、繁重的工作，如上、下料，搬运等，以及工作环境恶劣的场所，如喷漆、焊接、清砂和清理核废料等。它使传统的工业生产面貌发生了根本性的变化,使人类的生产方式从手工作业、自动化跨入了智能化的时代。 1.1本课题研究内容及意义 本课题以小型地面移动机器人的转台为研究对象，综合运用所学基础理论知识,根据给定的总体结构尺寸、重量及运动特性指标，进行结构选型、机构设计。通过本课题的研究，通过对设计要求、工作原理和机构动作的分析和理解，构思机构运动方式和传动布局，并进行机构、零部件设计计算等环节的实践，培养设计、计算、制图及计算机应用能力，以提高分析与解决工程实际问题的能力。 1.2国内外发展现状 随着生活水平的提高，科技的发展，人们将大量简单繁重的工作交给机器人，机器人仆人将大量出现。如汽车司机长时间驾驶容易疲劳，汽车将有安全的自动驾驶模式。现在自动驾驶车能对前方车辆实行避让超车，但对小动物或人不知避让，这要待更聪明的传感器出现或图像处理更精细些。在医疗领域，能进入人体的微型机器人将大显身手。它们进入血管、肠道等地方进行清理、探查、保健预警等。工业机器人在国外发达国家用的很普遍，随着新兴产业的出现，相应的工业机器人必将会研制出来。国际形势虽无世界大战之虑，但局部冲突时有发生，反恐形势依然严峻。美国和许多欧洲国家以及日本都投入大量人力物力研发军用机器人。大型的无人坦克冲锋陷阵，小型的昆虫机器人“间谍”到处爬行，少量的作战人员在安全的信息中心运筹帷幄。2004年我国中国科学院沈阳自动化研究所也自行研制出“灵蜥”系列反恐防暴机器人。 1.3本文所做的工作 本次设计主要完成两个运动，转台的旋转与升降系统。转台系统有回转和俯仰两个自由度。为使俯仰运动满足自锁的要求，拟采用棘轮机构，因其工作时有较大的冲击和噪声，而且运动精度较差，故放弃。考虑使用螺旋机构，其优点是能获得很大的减速比，还可有自锁性。它的主要缺点是机械效率一般较低，特别是具有自锁性时效率将低于50转台的回转运动可考虑使用蜗轮蜗杆机构，其优点是传动平稳，啮合冲击小，由于蜗杆的头数少，故单级传动可获得较大的传动比，且结构紧凑。 蜗轮蜗杆有如下特点： （1）传动平稳、振动、冲击和噪声均很小； （2）能以单级获得较大的传动比，结构紧凑，传动比范围大，5 i 70 ,其中一般要大于15； （3）摩擦损耗较大，传动效率较低。 蜗轮蜗杆传动分为三大类比：圆柱蜗杆、环面蜗杆、锥面蜗杆。 圆柱蜗杆又分为普通圆柱蜗杆和圆弧圆柱蜗杆两种。 按蜗杆齿廓曲线的形状，普通圆柱蜗杆可以分为： （1）阿基米德圆柱蜗杆，简称ZA蜗杆； （2）法向直廓圆柱蜗杆，即称为延展渐开线蜗杆，简称ZN蜗杆； （3）渐开线圆柱蜗杆，简称ZI蜗杆； （4）锥面包络圆柱蜗杆，简称ZK蜗杆； 对于如此大的传动比，如果用一般的齿轮进行减速设计，则需要很多级才可以实现，这样的话，无论是体积还是重量都不可能达到课题所限制的数值，考虑到移动机器人的工作特点，本文选用的是ZA蜗杆。 4.2传动比的设置 多级减速器各级传动比的分配，直接影响减速器的承载能力和使用寿命，还会影响基本体积、重量和润滑。一般的分配原则： （1）使各级传动承载能力大致相等； （2）使减速器的尺寸与质量较小； （3）使各级齿轮圆周速度较校 低速级大齿轮直接影响加速器的尺寸和重量，减小低速级传动比，即减小了低速级大齿轮及包容它的机体的尺寸和重量。增大高速级传动比，即增大高速级大齿轮的尺寸，减小了与低速级大齿轮的尺寸差，有利于各级齿轮同时润滑，同时降低了高速级后面各级齿轮的尺寸差，有利于降低噪声和振动，提高传动的平稳性。但是又不能使一、二级传动比差距过大，这里我选择作为一级传动比，作为二级传动比。 4.3回转系统的动力分析与计算 由于已知系统的总体尺寸为：长宽高=250mm 250mm 80mm，转台转动范围为360度，旋转速度为10～15rpm，而且系统自重要不大于8kg，载重量为20kg。 4.3.1转动惯量的计算 控制系统 小型机器人的控制系统的主要任务是控制小型机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及运动的时间等项目[12]。控制系统的典型部件有传感器、控制系统的硬件和软件等。其控制方式有点位式、轨迹式、力（力矩）控制方式和智能控制方式四种[13]。 （1）点位式能准确的控制末端执行器的工作位置，而路径无关紧要，比较简单。 （2）轨迹式能让机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动。 （3）力（力矩）控制方式除了准确定位之外，还能控制力或力矩进行工作。 其中应用比较广泛的是PLC系统，可编程序控制器(PLC)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。它是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置，它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点;气动技术也是实现工业自动化的重要手段，并且已广泛地应用于各工业部门，在机械产品自动化、工业自动化及企业技术改造方面占有重要的地位。