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南京理工大学
毕业设计说明书(论文)
作
者:
学号： 机械工程学院 机械工程及自动化
全气动多自由度关节型机器人的
结构优化研究
学院(系): 专题
业: 目:
指导者： 评阅者：
(姓名) (姓名)
(专业技术职务) (专业技术职务)
2007 年 6 月
毕业设计说明书（论文）中文摘要
由于气动机器人具有运动速度快、成本低、绿色环保等特点，被广泛应用于各工业生产领域中。相比于直角坐标型机器人而言，关节型机器人具有操作灵活、适用范围广、占地面积小等优点。SMC南京技术中心在前期的研究中，开发了一种全气动多自由度关节型机器人，制作了样机并进行了试验研究。前期的研究发现，该关节型机器人的腰部回转关节存在较大的定位误差，很大程度地影响了该机器人的工作精度和可靠性。为了解决这一问题，论文在分析了原有结构方案的基础上对全气动多自由度关节型机器人的腰部回转关节进行结构优化设计和试验研究，具体完成的工作如下：(1)分析了腰部回转关节原有结构的齿轮齿条传动的缺点以及引起定位振动的原因， 在综合分析了各种传动方式优缺点的基础上，研究了腰部回转关节的总体优化方案。(2)对同步带传动进行了结构设计，并制作了改进结构的实物装置，对装置进行了装配和调试。(3)对改进的同步带传动装置进行了试验研究，结果表明优化后的腰部关节能够有效地减小在定位时的振动，提高了气动机器人的腰部关节的定位精度。 关键词气动机器人 同步带 结构优化 机械设计 本科毕业设计说明书（论文） 毕业设计说明书（论文）外文摘要
Title Research on structural optimization of the multi-DOF articulated pneumatic robot Abstract The pneumatic robot has lots of significant advantages, such as high speed, low cost and no pollution. It has been widely used in industrial manufacture now. Compared with cartesian coordinate pneumatic robot, articulated pneumatic robot has smaller dimension ，but larger workspace, and can meet the need of varies tasks. SMC (Nanjing) pneumatic technology center had developed a pneumatic multi-DOF articulated robot. A prototype had been manufactured and some experimental research had been done. It had been founded that the positioning error at the joint of waist, reduced the precision and reliability of the pneumatic robot. To solve this problem, structural optimization and experimental research have been done for the joint of waist, on the basis of analyzing the previous structure. The main works accomplished in the paper include: (1)The discussion of the shortcomings of gear-rack transmission and the reason for the location vibration. Compared with various transmissions, the scheme of optimum design is presented. (2) The design of the structure of synchronous belt transmission, and the assembly parts of the model. (3)The testing of the optimized structure. The result shows that the optimized joint at the waist can reduce the vibration effectively, and improve the accuracy of the pneumatic robot. Keyword Pneumatic robot Synchronous belt Structural optimization Mechanical design 本科毕业设计说明书（论文）
目 次
1 绪论 .................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究的背景和意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外气动机器人的研究现状 ..................................................................................... 1 1.3 本课题研究的内容 ......................................................................................................... 4 2 全气动关节型机器人的结构优化总体技术方案 ............................................................ 6 2.1 现有系统的结构分析 ..................................................................................................... 6 2.1.1 腰部回转运动原有结构的分析 .................................................................................. 7 2.1.2 直线运动转换为旋转运动的几种形式 ...................................................................... 8 2.1.3 齿侧间隙 .................................................................................................................... 10 2.2 系统结构优化总体技术方案 ....................................................................................... 10 2.2.1 同步带传动 ................................................................................................................ 10 2.2.2 同步带的分类 ............................................................................................................ 11 2.2.3 同步带传动的优点 .................................................................................................... 11 2.2.4 圆弧齿同步带传动 .................................................................................................... 12 3 全气动关节型机器人的优化结构研究 .......................................................................... 14 3.1 圆弧齿同步带传动结构设计 ....................................................................................... 14 3.2 机械结构的设计和计算 ............................................................................................... 16 3.2.1 同步带轮的设计计算 ................................................................................................ 16 3.2.2 机架轴承的选用 ........................................................................................................ 18 3.3 机械结构的强度校核 ................................................................................................... 19 3.3.1 带轮轴的强度校核 .................................................................................................... 19 3.3.2 平键的强度校核 ........................................................................................................ 22 3.3.3 受力较大的螺纹联接强度校核 ................................................................................ 22 4 全气动关节型机器人的腰关节控制方案研究 .............................................................. 25 4.1 ML2B伺服气缸基本特性分析 ..................................................................................... 25 4.2 CEU2专用控制器 ......................................................................................................... 26 4.3 气动机器人腰部关节气动控制回路 ........................................................................... 27 5 全气动关节型机器人优化结构试验研究 ...................................................................... 29 5.1 试验方案 ....................................................................................................................... 29 5.2 实验结果和分析 ........................................................................................................... 30 5.2.1 旋转电位器的标定 .................................................................................................... 30 5.2.2 试验过程和结果分析 ................................................................................................ 30 结论 ...................................................................................................................................... 35 致谢 ...................................................................................................................................... 36 参考文献 .............................................................................................................................. 37 附录 ...................................................................................................................................... 39
本科毕业设计说明书（论文）
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
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机器人技术是集合了诸多学科为一体的一门综合技术，是关键的自动化技术[1]。机器人的应用，延伸和扩大了人的手足和大脑的功能，能代替人从事危险、有毒、有害、高温、高压等恶劣环境下的工作，减少伤亡事故，对提高劳动生产率、提高产品质量、改善劳动条件、改变劳动结构以及促进相关学科的技术进步，均发挥了重大的社会效益和经济效益[2]。因此，机器人尤其是工业机器人的研究与应用越来越受到各国的关注。然而，当前所应用的大多数伺服机器人都是利用电机或液压驱动的，在易燃易爆的环境中不宜使用，所以气动伺服机器人已经成为气动技术领域的热门研究课题。
气压传动作为机器人驱动形式的一种，现在已经被广泛地用于工业生产中。由于气动技术与电子技术的结合，以及周边技术的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、气动机器人的实用性已经充分体现出来。气动伺服定位技术的出现，受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机器人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景[3]。
目前气动机器人的研究多集中在直角坐标型气动机器人上,对关节型气动机器人研究很少。由于关节型机器人具有操作灵活、适用范围广、占地面积小等优点，SMC南京技术中心研究设计了一套全气动多自由度关节型机器人，并对样机进行了试验分析。在前期的试验工作中发现，该气动机器人存在较大的定位误差，尤其是腰部回转关节在定位时存在很大的摆动误差，严重影响了机器人的工作特性。因此需要对气动机器人进行结构分析，通过结构优化设计来提高机器人的定位精度。这将会进一步提高该气动关节型的工作性能，使其能更加适应工业生产的需要。
1.2 国内外气动机器人的研究现状
气动机器人的研究历史并不长，由于机器人需要能快速、准确地定位，实际上对机器人提出了一个基本要求，即它们必须具有高精度、快速反应、一定的承载力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。气压传动由于其工作介质是压缩空气，由于气体存在较大的可压缩性，因此对气动元件进行精确的定位比较困难，这一直是困扰气动机器人发展的技术难题之一。但是气动机器人具有运动