摘 要

在近几十年，机器人技术得到了迅猛发展；目前，在丰富机器人功能的主线上逐渐引发了简化机器人构造、方便生产制造的潮流，于是机器人模块化成为了这方面研究的一个热门。本次研究参照前人的见解对机器人用机电一体化关节模组展开研究和设计。

研究中对机器人用机电一体化关节模组的各个部件做了选型工作，确定各关节部件的尺寸大小，设计关节模组部件在关节内的布局，然后使用solidworks软件建立三维模型，完成了结构的设计。之后在三维模型的基础上，使用有限元分析软件对关节模组做应力应变仿真分析，得到关节模组的变形情况，视具体情况对模型做适当修改以满足工作要求，研究中所给出的结果都是满足要求或者修改后的最终结果。最后是对机器人用机电一体化关节模组的控制系统进行设计，主要是硬件电路部分的设计，包括单片机主要外围电路的电路图，对控制系统流程做了大致说明。

关键词：机器人;关节模组;有限元分析;控制电路模块

Abstract

In recent decades, robot technology has developed rapidly. At present, the main line of enriching robot functions has gradually led to the trend of simplifying robot structure and facilitating production and manufacturing, so the modularization of robot has become a hot topic in this field. In this study, the joint module of electromechanical integration for robot was studied and designed according to previous opinions.

In this study, various parts of the joint module of electromechanical integration for robot were selected to determine the size of each joint component, and the layout of the joint module components in the joint was designed. Then, the solidworks software was used to build a 3d model and have completed the structure design. Then, on the basis of the 3d model, the finite element analysis software was used to conduct the stress and strain simulation analysis on the joint module, and the deformation of the joint module was obtained. The model was modified appropriately according to the specific situation to meet the work requirements. The results given in the study were all the final results that met the requirements or were modified.

Key words: robot; joint module; finite element analysis; control system.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1机器人的研究背景 1

1.1.2模块化关节发展背景 2

1.2 研究的目的及意义 5

1.3研究的基本内容、目标、拟采取的技术方案及措施 5

1.3.1 基本内容 5

1.3.2 研究目标 6

1.3.3 拟解决的关键问题 6

1.3.4 研究的方案及措施 6

1.4 本章小结 7

第2章 关节模组部件选型 8

2.1 电机选型及原理介绍 8

2.2 编码器选型及原理介绍 9

2.3 减速器选型及原理介绍 10

2.4 制动器选型及原理介绍 12

2.5 控制单元 13

2.6 本章小结 14

第3章 关节部件实体建模 15

3.1 solidworks软件简介 15

3.2 部件三维模型 15

3.3.1 电机 15

3.3.2 制动器 16

3.2.3 减速器和编码器 18

3.2.4 辅助件 18

3.3 关节壳体 20

3.4 传动轴 21

3.5 关节模组 21

3.6 本章小结 22

第4章 应力应变仿真分析 23

4.1 ANSYS软件简介 23

4.2 制动器部分 23

4.3 制动器支座 26

4.4关节壳体 27

4.5传动轴 28

4.6 本章小结 30

第5章 关节模组控制系统 31

5.1 控制系统总体框架 31

5.2 单片机 31

5.2 A/D转换电路 33

5.3 PWM发生器 34

5.4 单片机与PC串行通信 35

5.5 本章小结 36

第6章 环境影响与经济性分析 37

6.1 环境影响分析 37

6.2 经济性分析 37

第7章 总结与展望 38

7.1 总结 38

7.2 展望 38

参考文献 40

致谢 42

附录 43

第1章 绪论

1. 1研究背景

1.1.1机器人的研究背景

在我们的印象中，机器人这一词的出现，只是近几十年的事情，但这一思想实际上是可以追溯到很遥远的古代；在古希腊和古代中国以及古代日本的历史文献中就已经有了自动作业机的记录，只是在现在看来这些机械不过是具有一定机巧的自动装置而已^[1]。

现代机器人开始出现是在20世纪50年代，1954年，G.C.Devol提出题为“通用型可重复操作机器人”的提案并后来申请专利，最终在1961年得到授权。同样地，现代机器人的研究起源于20世纪中叶的美国，首先得到开发和研究的是工业机器人。在方案授权之前的1958年，美国著名的机器人专家恩格尔伯格建立了Unimation公司，并运用G.C.Devol的方案于1959年研发出了第一台工业机器人Unimate,如图1.1所示^[2]。从上世纪六十年代末开始，弧焊、搬运、喷漆机器人等相继应用于生产制造中；在七十年代后期，Unimate公司研制出了PUMA型系列机器人，如图1.2所示，这个系列的各关节由伺服电机驱动，并且使用了专门的机器人语言，部分机器人甚至配有机器人视觉和感力系统。工业机器人在六、七十年代蓬勃发展。