慧鱼机器人创新设计报告书

. 目目录录 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：关键词：运动模型、装配、驱动部件、传动机构分析、自由度 1.1.模型的设计分析模型的设计分析 1.11.1 机械模型的装配与构成分析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 1.21.2 驱动部件和传动机构的分析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。 1.2.11.2.1 蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动 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 . 1.2.21.2.2机械手前后运动的传动机构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 1.2.31.2.3 机械手上下运动的传动机构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 1.2.41.2.4 机械手的夹紧放松的传动机构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 . 1.31.3 控制器技术的分析控制器技术的分析 1.3.11.3.1 控制器技术分析控制器技术分析 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。 1.3.21.3.2 运动轨迹的位移、速度、加速度、运动形式等参数的控制运动轨迹的位移、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 2、机器人总体结构设计、机器人总体结构设计 2.12.1 机器人的自由度机器人的自由度 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。 . 图 13机械手自由度 2.22.2机器人机构设计机器人机构设计 通过上面自由度的分析，可以将机器人的机构分成四部分：底座部分、躯干 部分、上臂部分和前臂部分。然后进行四部分的单独设计，最后把他们连接起来 即可。 底座部分，设计如图 2 所示，由底板和蜗轮蜗杆组成。 躯干部分，设计如图 3 所示，由电机、变速箱、齿轮副、滑动副和支架组成。 上臂部分，设计如图4 所示，由电机、变速箱、齿轮副、滑动副、转动副和 支架组成。 前臂部分，设计如图5 所示，由电机、变速箱、齿轮副、滑动副、转动副和 支架组成。 最后总装配如图 1 所示。 3 3三维建模和机器人系统的总调试三维建模和机器人系统的总调试 根据各部分的运动简图和各机构相对关系。用三维建模把模型造出来。如