机器人转动关节结构设计

安徽工业大学毕业设计（论文）说明书摘要机器人关节是机器人的基础部件，其性能的好坏直接影响机器人的性能。随着电子技术的飞速发展，机器人关节也在飞速发展。关节型机器人可以由多种关节组成，典型模块化关节有转动关节，移动关节，摆动关节，俯仰关节，可分别实现旋转、伸缩、摆动、俯仰运动。本文重点研究转动关节结构优化设计。本文根据机械臂的技术要求，结合工业环境对模块化关节的要求，采用机电一体化的设计思想设计了高集成度和高可靠性的模块化关节。本文主要完成的工作包括提出设计方案前的调研，关节总体方案的提出，关节相关组件的选型，包括电机选择、谐波减速器的选择和制动器选择，关节强度寿命校核，最后利用SOLIDWORKS建立了关节的模型。关键词转动关节结构设计机电一体化三维建模安徽工业大学毕业设计（论文）说明书ABSTRACTROBOTJOINTISTHEBASISOFTHEROBOTPARTS,THESTANDORFALLOFITSPERFORMANCEDIRECTLYAFFECTSTHEPERFORMANCEOFTHEROBOTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGY,THEROBOTJOINTISINRAPIDDEVELOPMENTJOINTTYPEROBOTCANBECOMPOSEDOFMULTIPLEJOINTS,TYPICALMODULARJOINTSHAVEROTATIONALJOINTS,MOVEMENTJOINTS,PITCHJOINTS,LONGITUDINALJOINTS,CANBERESPECTIVELYROTATION,SCALING,SWING,PITCHMOTIONTHISARTICLEFOCUSESONROTATIONALJOINTSTRUCTUREOPTIMIZATIONDESIGNINTHISPAPER,ACCORDINGTOTHEREQUIREMENTSOFTHEMECHANICALARMTECHNOLOGY,COMBINEDWITHTHEINDUSTRIALENVIRONMENTREQUIREMENTFORMODULARJOINTS,ADOPTINGTHEDESIGNIDEASOFELECTROMECHANICALINTEGRATIONTODESIGNMODULARJOINTSWITHHIGHINTEGRATIONANDHIGHRELIABILITYTHISPAPERMAINLYCOMPLETEDWORKINCLUDINGTHERESEARCHBEFOREPROPOSEDDESIGNSOLUTIONOFTHEINVESTIGATION,ANDJOINTSOVERALLSCHEMEPUTTINGFORWARDJOINTSOVERALLSCHEME,ANDTHESELECTIONOFRELATEDCOMPONENTSOFTHEJOINTS,INCLUDINGTHECHOICEOFMOTOR,THECHOICEOFHARMONICGEARREDUCERANDBRAKE,THEJOINTSTRENGTHOFLIFE,FINALLYTHEJOINTMODELWASESTABLISHEDBASEDONSOLIDWORKSKEYWORDSROTATIONALJOINTTHESTRUCTUREDESIGNMECHANICALANDELECTRICALINTEGRATION3DMODELING安徽工业大学毕业设计（论文）说明书目录中文摘要ABSTRACT第1章绪论111前言112研究现状1121国外研究现状1122国内研究现状413主要研究内容6第2章机电一体化转动关节总体方案721回转关节介绍7211电机直接驱动7212减速器传动7213带、链或绳传动8214连杆机构8215万向节式传动922转动关节结构组成方案9221驱动方式选择9222传动方式选择1123功能需求1224总体方案1225本章小结13第3章转动关节结构设计及组件选型1431电机选型14311关节力矩估算14312关节功率估算及电机选型1532减速器选型16321谐波减速器传动原理16322谐波的旋转方向和减速比18323谐波选型1933制动器选型22331电磁制动器22332制动力矩2334关节主要材料选择2535本章小结26第4章关节校核2741谐波减速器强度校核27411柔轮的强度2742波发生器的使用寿命2843本章小结29第5章三维模型建立30安徽工业大学毕业设计（论文）说明书51三维建模软件SOLIDEWORKS介绍30511软件特点30512模型建立3052模型建立过程中相关组件的连接安装问题31521谐波减速器组装注意事项31522谐波减速器组装精度32523伺服电机和谐波减速器连接方式3353本章小结36结论37致谢38参考文献39安徽工业大学毕业设计（论文）说明书1第1章绪论11前言从一战以来，机器人学和飞机、火箭、计算机等一样，也日益发展成为我们日常生活不可或缺的科学技术，机器人的应用广泛，从传统的自动化制造领域，到人类的日常生活，再到茫茫星系的探索，都已经离不开机器人。机器人关节是机器人的基础部件,其性能的好坏直接影响机器人的性能。机器人关节的种类有很多，根据机器人的功能不同，关节的配置和运动系统的形式叶都各不相同。工业机器人关节根据输出运动形式的不同分为移动关节和转动关节根据传动机构的不同可以分为齿轮传动、连杆传动和摆线针轮减速传动；根据驱动器形式的不同可以分为电驱动关节、气压驱动关节、液压驱动关节和特种驱动关节等等。仿人机器人也是当今机器人爱好者研究的热点之一，仿人机器人因为外型类人则其关节可以分为上肢关节和下肢关节。微型机器人则是利用集成电路微细加工，将驱动器，关节传动装臵以及传感器控制器和电源等集成在很小的多晶硅上。总体来看机器人关节呈现出大力矩，高精度，反应灵敏，小型化，标准化和模块化的趋势和发展。12研究现状121国外研究现状国外科研机构对模块机器人的研究起步较早，研宄也比较的深入，取得了很大的研宄成果。美国卡内基梅隆大学（CARNEGIEMELLONUNIVERSITY）机器人研究所于1988年研制了RMMS机器人，国外的研宄机构陆续研制出了多种高性能的、用途多样的、形式不一的模块化机器人。国外第一台可重构机器人为模块化机械手系统（RMMS1，2。RMMS中的各组成部分由系统统一控制，控制方法是分布控制各组成部分硬件。系统中的模块内部包括动力源、传动装置、感知装置和统一的接口等。研制RMMS的目的是想研制出拥有多类型、多用途的可用的机械手模块结构。系统共6种不同类型的模块基座模块、连接模块、一种自旋转关节模块和三种旋转关节模块。其中连接模块和基座模块是固定模块，而关节模块则属于可动模块，每个都仅有一个自由度。如图11为RMMS关节模块实物图。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书2图11RMMS关节模块RMMS能够使模块化机器人在机械结构上可根据不同任务进行重新构型，而且各个模块可以通过接口轻松的连接到其他的模块上。在机械连接建立的一瞬间，电信号也会随之机械连接的建立而建立。链式模块化机器人通过多个模块之间的连接组合成链式或树状结构，可用作机械臂进行操作也可用作生物模拟操作。学者们对这类模块化机器人研究比较多，其中具有代表性的有POLYBOT、CKBOT。POLYBOT型机器人是由美国的PALOALTO研究所（PARC）设计完成的。POLYBOT包含有两种基本模块，分别为主动模块和节点模块。其中主动模块具有两个模块接口。节点模块则是刚性的立方体，它的六个面都具有可连接功能的接口，但是该模块本身却不具备运动能力。模块采用锥形孔式连接机构，利用线圈驱动连接机构内部的旋转卡板旋转锥销上的环形槽来实现模块之间的锁紧和断开操作，通过对这两种模块的连接组合，可以组织成不同机械结构的机器人。POLYBOT还可以搭建不同的实验平台，对不同的机器人技术进行研究。YIM等人在POLYBOT平台的基础上开展了多种机器人技术的研宄，并且取得了显著的研究成果。CKBOT是PENNSYLVANIA大学研制的模块化机器人，该型机器人中的各模块通过CAN总线进行通讯，采用分布式的控制方法，并且配有红外线收发装置。CKBOT具有较强的自组装、容错、构型识别等能力。这两种机器人模块如图12、13所示图12PLOYBOT模块图13CKBOT机器人安徽工业大学毕业设计（论文）说明书3日本的AIST研宄所设计了MTRAN3（MODULARTRANSFORMER机器人属于混合自重构模块化机器人。MTRAN模块化机器人如图14所示图14MTRAN模块化机器人系统的模块由两个半圆柱型的机构连接而成，利用电机来驱动两个机构进行运动，通过形状记忆金属和永磁铁来实现两个模块之间的连接和断幵，在模块内部通过行一个的触电进行通信。模块不具备三维空间的对称性，通过模块之间不同的组合方式进行自重构。模块两端的连接面不相同，因此作用也就不同，导致模块通用性变差。MTRAN模块化机器人如图14所示TORONTO大学的学者们研制出了MRS型模块化机器人4。整个系统中的关节模块包括有转动关节模块、移动关节模块以及腕部关节模块等三种模块。学者们对该系统的运动学模型进行了深入的研宄。学者们还研制了另外一种模块化机械人系统，IRIS机器人系统。该系统是可进行重构的模块化的机器人系统。系统机构包含有2个4自由度机器人，每个机器人均为可通过重构构成新的机器人系统。这些机器人由转动关节构成，每个关节由单独的直流伺服电机驱动，并且配备有力矩、位置等传感器。STUTTGART大学研制出的模块化机械臂由连杆模块和多自由关节模块组成，每个多自由度的关节模块都由交流伺服电机驱动，由差动齿轮进行减速和传动的。由于机械结构的设计，使得模块之间的连接非常简单易行。在数据库文件中存有该型模块化机械臂的构型设计程序，通过选择不同的连杆模块和关节模块，可以组装成特定任务需要的不同的操作臂。TEXAS大学研制出了更加细化的模块化机器人。该机器人系统根据模块的不同作用将模块分成了3种不同的关节模块，分别为肩关节和腕关节模块、肘关节模块以及指关节模块。种模块由于具有不同的作用，因此具有不同的机械结构。肩关节和腕关节模块是为了给机械臂提供全方位动作的能力，因此具有3个自由度。肘关节只需要给机械臂提供一个可以使机械臂收缩和展开功能，所以肘关节具有1个自由度。指关节作为机械臂的末端执行器需要灵活的完成各种动作，因此，指关节具有两个自由度。该机器人采用的基于关节功能的以及元件的设计方法，使得机器人的不同关节的模块在具有不同的机械结构。学者们根据不同的形状以及尺寸，对机械臂的各个连杆模块进行了设计。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书4模块化机械臂在航天领域运用时非常广泛的，多国在轨机械臂都是这一类型。最典型的是国际空间站中美国船段的美国航天局和加拿大航天局联合研制机械臂系统MSS。该系统由一个灵巧的操作臂SPDM和一个空间站遥操作系统SSRMS组成。每个关节都有很强的互换性，可完成在轨更换。关节内部有两套控制系统和驱动系统，可互相备份，每个关节都具有标准的机械和电气接口。如图15所示图15加拿大SSRMS一体化双关节德国宇航中心（GERMANAEROSPACECENTER，DLR），开展了轻型机械臂在轨验证项目ROKVISS的研制，于2005年1月安装在俄罗斯服务舱段的船舱外，ROKVISS系统的核心组件是二自由度的轻型机械臂操作系统。如图16为德国宇航中心DLR的ROKVISS。图16德国宇航中心DLR的ROKVISS122国内研究现状国内在模块化机器人领域的工作起步较晚，现在只有少数的几所高校和科研院所在进行这方面的研究，但是仍然取得了较为重大的成果。具有代表性的是哈安徽工业大学毕业设计（论文）说明书5尔滨工业大学和德国宇航中心联合研制的小型的高集成化的空间机械臂模块化关节以及北京邮电大学空间机器人教育部重点实验室完成的六自由度空间机械臂系统。哈工大与德国宇航局联合研制的小型空间机械臂模块化关节有以下特点（1）驱动传动装置采用的是扭矩大、体积小的直流无刷电机和结构紧凑、传动比较大的谐波减速器；（2）采用实时串行通讯总线进行控制系统与各关节模块之间的通讯；（3）利用模块化设计思路，关节内部核心模块高度集成；（4）内部集成了多种传感器，通过传感器的反馈，使系统感知能力增强；（5）采用内部走线，使设计更加紧凑。北京邮电大学空间机器人教育部重点实验室对空间机械臂进行了深入的研究，相继完成了多个空间机械臂的项目。完成了国家863领域的项目，并研制出了空间机械臂样机，如图17所示，并且取得了丰富的理论与技术的研究成果。图17北京邮电大学空间机械手及关节实物图同时实验室还根据研究自行研制了新型机械臂双关节，在设计中采用了模块化设计思路，如图18所示，且在机械臂的在轨问题等方面的研宄取得了重要的成果。该一体化双关节具有2个自由度，内部的核心模块在很小的空间内高度集成了电机、谐波减速器、旋转变压器、编码器、控制板等元件，从而使得关节结构变得非常紧凑，在体积较小的情况下，得到输出扭矩较大的模块化关节。具有统一的机械接口与电气接口，具有很高的互换性，提高了机械臂的可靠性。图18北京邮电大学六自由度机械臂及一体化双关节实物图综上所述，模块化机械臂在各个领域中都得到了广泛的应用，尤其是在航空航天中，在空间中完成任务不可缺少的机械系统，所以近年来学者们对空间机械安徽工业大学毕业设计（论文）说明书6臂进行了更加深入的研究。空间机械臂正朝着模块化、智能化等方向飞速发展。但是由于空间机械臂本身的限制，现有地面实验系统中的空间机械臂关节存在着输出扭矩较小、内部空间利用不足、装配困难、结构复杂等问题，因此本文根据对实际需求的分析，对机械臂关节进行研宄，研制出新型的空间机械臂关节，将机械臂关节不仅作为机械臂的动力部分，而且作为整个机械臂系统的连接部分，简化机械臂关节整体构型，降低机械臂整体重心，增强系统的稳定性；选用合适的动力源，增大关节输出扭矩、对关节内部进行重新设计布局，重新设计内部走线系统，简化装配过程，增加关节的装配精度，提高关节输出精度。13主要研究内容本文主要讨论了机电一体化机器人转动关节的结构设计，通过对国内外模块化关节研究现状的调研，提出了符合本课题要求的设计方案，利用三维软件并结合方案设计出了机器人转动关节。主要内容如下第一章国内外模块化关节研究现状第二章转动关节方案的提出第三章组件选型第四章强度校核第五章利用SOLIDWORKS建立关节三维模型安徽工业大学毕业设计（论文）说明书7第2章机电一体化转动关节总体方案21回转关节介绍回转关节是连接相邻杆件，如手臂与基座，手臂与手腕并实现相对回转或摆动的关节，由驱动器，回转轴和轴承组成。多数电机能直接产生旋转运动，但常需要各种齿轮、链、皮带传动或其他减速装置，以获取较大的转矩。旋转运动传递和转换方式有以下几种方式211电机直接驱动无减速机构，刚度好，精度高，缺点是在关节处安装电机，关节重量增加。212减速器传动1齿轮传动齿轮传动的特点是响应快，转矩大，刚性好，可实现转向改变和复合传动，轴间距不大。如图21所示的手臂机构中，两个电机输出后，分别经过蜗轮蜗杆和齿轮减速后通过中间齿轮传递运动，中间齿轮上面具有互相垂直的轮齿，可以使臂关节分别绕，XX和，YY转动，是万向的变形，因此又称为万向化关节。图21万向化齿轮传动关节2谐波减速器谐波减速器由波发生器、柔轮和钢轮组成，是一种靠波发生器是柔轮产生可控弹性变形，并靠柔轮与钢轮相啮合来传递运动和动力的。特点是结构紧凑，传动比大，精度、效率高，同轴线，结构简单，缺点是扭转刚性低。目前广泛用于中小型转矩的机器人关节中。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书83RV传动其内齿轮采用带滚针的圆弧齿，与其啮合的外齿轮采用摆线齿。如图22所示，输入轴经齿轮传动给行星齿轮，完成一级减速；与行星轮相连的曲柄是第二减速的输入轴，RV外齿轮支承在曲柄偏心处的滚动轴承上，当行星轮转一周时，曲柄轴和RV齿轮被箱体内侧滚针挤压，受其反作用力作用，RV齿轮逐齿向输入运动的反方向运动。特点是速比大，同轴线、结构紧凑，效率高，振动小，适用于操作机上的第一级旋转关节（如腰关节），在频繁加减速的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。图22摆线针轮（RV）传动213带、链或绳传动包括皮带、钢带、齿形带、链传动等。速比小，转矩小，刚度与张紧装置有关，轴间距大。常和其他传动结合使用。如图23所示绳传动由球面轴承、圆盘和3根绳连接。图23绳传动关节214连杆机构包括平行四边形曲柄连杆机构，滑块连杆机构和丝杆连杆机构，回差小，刚性好，可保持特殊位形。丝杆连杆机构还具有边减速比的特点。如图24所示为丝杆连杆机构，丝杆旋转后，螺母移动，又带动一个扇形齿轮，然后与另一个扇形齿轮啮合产生旋转运动5。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书9图24曲柄连杆机构关节内215万向节式传动如图25所示关节类似于万向节，包括两个可独立旋转的转动轴和轴承，每个转动轴有一个驱动单元，通过操纵杆和轴承进行操纵控制。图25万向节关节22转动关节结构组成方案221驱动方式选择驱动方式液压驱动、气压驱动、电气驱动1液压驱动A）液压驱动特点1）能够以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩，即获得较大的功率重量比。2）可以把驱动油缸直接做成关节的一部分，故结构简单紧凑，刚性好。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书103）由于液体的不可压缩性，定位精度比气压驱动高，并可实现任意位置的开停。4）液压驱动调速比较简单和平稳，能在很大调整范围内实现无级调速。5）使用安全阀可简单而有效的防止过载现象发生。6）液压驱动具有润滑性能好、寿命长B）液压驱动缺点1）油液容易泄漏。这不仅影响工作的稳定性与定位精度，而且会造成环境污染。2）因油液粘度随温度而变化，且在高温与低温条件下很难应用。3）因油液中容易混入气泡、水分等，使系统的刚性降低，速度特性及定位精度变坏。4）需配备压力源及复杂的管路系统，因此成本较高。C）适用范围液压驱动方式大多用于要求输出力较大而运动速度较低的场合。在机器人液压驱动系统中，近年来以电液伺服系统驱动最具有代表性2气压驱动气压驱动在工业机械手中用的较多。使用的压力通常在0406MPA，最高可达1MPA。A）优点1）快速性好，这是因为压缩空气的黏性小，流速大，一般压缩空气在管路中流速可达180M/S，而油液在管路中的流速仅为2545M/S。2气源方便，一般工厂都有压缩空气站供应压缩空气，亦可由空气压缩机取得。3废气可直接排入大气不会造成污染，因而在任何位置只需一根高压管连接即可工作，所以比液压驱动干净而简单。4通过调节气量可实现无级变速。5由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用。6可以把驱动器做成关节的一部分，因而结构简单、刚性好、成本低。B）缺点1因为工作压力偏低，所以功率重量比小、驱动装置体积大。2基于气体的可压缩性，气压驱动很难保证较高的定位精度。3使用后的压缩空气向大气排放时，会产生噪声。4因压缩空气含冷凝水，使得气压系统易锈蚀，在低温下易结冰。3电气驱动电气驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接或经过机械传动去驱动执行机构，以获得机器人的各种运动。因为省去了中间能量转换的过程，所以比液压及气动驱动效率高，使用方便且成本低。电气驱动大致可分为普通电机驱动、步安徽工业大学毕业设计（论文）说明书11进电机驱动和直线电机驱动三类。（A）普通电机驱动的特点普通电机包括交流电机、直流电机及伺服电机。交流电机一般不能进行调速或难以进行无级调速，即使是多速电机，也只能进行有限的有级调速。直流电机能够实现无级调速，但直流电源价格较高，因而限制了它在大功率机器人上的应用。（B）步进电机驱动的特点步进电机驱动的速度和位移大小，可由电气控制系统发出的脉冲数加以控制。由于步进电机的位移量与脉冲数严格成正比，故步进电机驱动可以达到较高的重复定位精度，但是，但是步进电机速度不能太高，控制系统也比较复杂。（C）直线电机驱动的特点直线电机结构简单、成本低，其动作速度与行程主要取决于其定子与转子的长度，反接制动时，定位精度较低，必须增设缓冲及定位根据本课题设计要求，腕关节一般为机械臂末端关节，所需扭矩不大，结构要求简单紧凑，选择谐波传动方式222传动方式选择传动方式的选择是指选择驱动源以及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式6。基本的连接形式和驱动方式如图26所示。1直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。2远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后与关节相连3间接驱动。驱动源经一个速比远大于L的机械传动装置与关节相连。4直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。本课题要求的机器人转动关节小巧灵活，如果采用远距离连接，则造成传动链太长，结构比较庞大等，所以采用直接连接传动的方式；又因为采用直接连接，所以电机不能选的太大，为了提高机器人的负载能力，必须采用间接驱动的方式，通过减速机构增大电机的输出力矩。综上所述，本课题采用图26中的（A）方式，即直接连接传动，间接驱动。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书12A直接连接传动，间接驱动；B直接连接传动，直接驱动；C远距离连接传动，间接驱动；D远距离连接传动，直接驱动图26各种传动方案23功能需求根据总体要求，本课题设计转动关节的目标是实现以下功能1关节运动控制功能2为机械臂提供末端操作负载和大惯量负载驱动能力3关节具有速度、位置闭环控制功能，实现整臂所期望的关节运动速度、位置，从而实现机械臂末端的期望运动轨迹和位姿4模块化设计，能单独使用也能和其他类型关节组合使用5快速拆卸安装功能24总体方案由于机电一体化关节实现了包括传动、驱动、制动、电机驱动控制、制动器驱动控制、位置与速度信号采集、通讯等诸多功能，同时关节的体积、重量要求严格，其机电一体化集成设计的难点表现在A在有限的空间内合理布置众多的元器件实现上述功能；B满足功能性能要求的同时实现关节的轻量化、小型化，并具备良好的可靠性和环境适应性。为克服上述难点，实现机电集成设计，主要步骤如下A在充分调研的基础上，确定关节整体方案，包括关键零部件基本选型、与外部走线方案；B首先根据关节性能参数与功能需求分配零部件性能指标，尤其在尺寸与接口上要保证在所有零部件在关节内部的布置；安徽工业大学毕业设计（论文）说明书13C利用三维建模软件建立关节结构模型，确定各组件的连接方式，优化关节结构D关节的强度校核25本章小结本章对机电一体化转动关节提出了基本设计方案，完成了，驱动和传动方式的选择，并对课题任务顺序进行了安排。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书14第3章转动关节结构设计及组件选型31电机选型对于电机的选择首先要考虑的是电机的类型，现在世面上有很多类型的电机应用到了机械臂关节上，比如工业机器人用的电机以交流伺服电机居多，教学机器臂一般采用舵机，还有一些对精度要求较高的轻便型机械臂，采用简单而且利于控制的直流有刷伺服电机。其次还要考虑的是其对应的关节所承受的最大力矩，以及各个关节的最大角速度。这样就可以估算出需要采用电机的功率，于是电机峰值堵转功率成为电机选择的一个重要参数。对于电机的其他参数就按照最优方式选择，比如根据世面上电源情况选择峰值堵转电压，其次选择电机的长度和厚度也很重要。一般来说电机在低速运动下的力矩很小即使是力矩电机，采用的各种驱动方式，也无法达到机械臂关节所要求的力矩，所以对于每个电机来说都必须加减速器。这样就可以使电机转速在很低的情况下产生很大的力矩本课题设计的腕关节转动机构采用瑞士MAXON公司的ECFALT直流无刷伺服电机使关节结构更紧凑，质量轻，体积小7。311关节力矩估算各关节的动力参数要求是各关节的驱动元件和传动件选型的重要依据。由机器人动力学知识可知，完整的机器人动力学方程具有如下形式,QGQFQQQCQQMQ（31）（31）式中，Q表示关节位置向量，Q表示关节速度向量，Q表示关节加速度向量，M表示惯性张量，C表示与科式加速度和向心加速度有关的量，F表示与粘性摩擦和库仑摩擦有关的量它还与关节转角位置有关，G表示惯性负载,Q表示关节广义力向量。在设计时，机器人的动力参数计算方法主要有两类一是静力学方法，二是动力学方法。对于低速机械，其运动构件因惯性力而引起的动载荷不大，即式31中C项的影响很小，可以忽略不计，同时也可以忽略摩擦力的因素。这种不计动载荷而仅考虑静载荷的计算称为静力计算。对于高速运动，由于其动载荷很大，C项的影响很大，往往大大超过其它静载荷，因此不能忽略不计，且粘滞摩擦也须加以考虑，这种同时涉及静载荷和动载荷的计算称为动力学计算。考虑到机械臂是安装在双轮自平衡机器人上，只要动作协调，并不要求工业机器人那样必须达到很快的移动速度，所以机械臂各个关节的速度比较低，于是采用静力学方法来估算机械臂所需要的力矩。为估算各关节所需力矩，假定各关节的重量集中在关节理论中心点，各连杆重量集中在连杆中间。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书15根据设计要求，假设关节能带动5KG左右的外负载，关节设计长度控制在100MM左右，由机器人动力学方程在静力状态下的变换式可知，关节所受总力矩为MNT9410895312关节功率估算及电机选型由设计要求，关节运动角速度S/80左右，换算成弧度制为SRAD/41，根据功率扭矩角速度，可得WTP964194由于减速机构的存在，必然有效率损失，将计算功率适当放大60，得到估算功率为11W,同时假定减速器的减速比为100，得到驱动部分转速MIN/133860100143241RN根据上述两个参数，查阅瑞士MAXON电机手册，选择ECFLAT429MM,无刷，30W,同时编码器选择厂家推荐的型号，在出厂前和电机集成在一起。具体参数如图31、表31所示,外形尺寸如图32所示图31电机技术参数安徽工业大学毕业设计（论文）说明书16图32EC45FLAT尺寸图表31EC45FLAT主要参数功率（W）额定电压（V）额定转矩（NM）空载转速（R/MIN）3024552290032减速器选型由于谐波传动结构简单紧凑，所以本课题设计的转动关节采用谐波传动321谐波减速器传动原理谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动8。图32表示一种最简单的谐波传动减速器基本结构，图33表示谐波传动工作原理图。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书17图32谐波减速器三大基本结构图33谐波传动原理图它主要由三个基本构件组成（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），它相当于行星系中的中心轮；（2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），它相当于行星齿轮；（3）波发生器H，它相当于行星架波发生器H是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮1的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器H相反方向的缓慢旋转。工作时，固定刚轮，由电机带动波发生器转动，柔轮作为从动轮，输出转动，带动负载运动。在传动过程中，波发生器转一周，柔轮上某点变形的循环次数称为安徽工业大学毕业设计（论文）说明书18波数，以N表示。常用的是双波和三波两种。双波传动的柔轮应力较小，结构比较简单，易于获得大的传动比。故为目前应用最广的一种。322谐波的旋转方向和减速比谐波齿轮传动的柔轮和刚轮的齿距相同，但齿数不等，通常采用刚轮与柔轮齿数差等于波数，即NZZ12（32）式（32）中2Z、1Z分别为刚轮与柔轮的齿数。当刚轮固定、发生器主动、柔轮从动时，谐波齿轮传动的传动比为ZZZI121（33）双波传动中，2ZZ12，柔轮齿数很多。上式负号表示柔轮的转向与波发器的转向相反。由此可看出，谐波减速器可获得很大的传动比。1旋转方向图34表示谐波的旋转方向与输入输出构件有关图34旋转方向2减速比HARMONICDRIVE的减速比由柔轮和刚轮的齿数决定。柔轮的齿数FZ刚轮的齿数CZ当刚轮固定，波发生器输入，柔轮输出时，减速比安徽工业大学毕业设计（论文）说明书19FCFZZZR111I（34）当柔轮固定，波发生器输入，刚轮输出时，减速比CFCZZZR221I（35）323谐波选型1日本HARMONICDRIVE优点1减速比高单级同轴可获得1/301/320的高减速比。结构、构造简单，却能实现高减速比装置。2齿隙小HARMONICDRIVE不同于普通的齿轮啮合，齿隙极小，该特长对于控制器领域而言是不可或缺的要素。3精度高多齿同时啮合，并且有两个180度对称的齿轮啮合，因此齿轮齿距误差和累积齿距误差对旋转精度的影响较为平均，使位置精度和旋转精度达到极高的水准。4零部件少、安装简便三个基本零部件实现高减速比，而且它们都在同轴上，所以套件安装简便，造型简捷。5体积小、重量轻与以往的齿轮装置相比，体积为1/3，重量为1/2，却能获得相同的转矩容量和减速比，实现小型轻量化。6转矩容量高柔轮材料使用疲劳强度大的特殊钢。与普通的传动装置不同，同时啮合的齿数占总齿数的约30，而且是面接触，因此使得每个齿轮所承受的压力变小，可获得很高的转矩容量。7效率高轮齿啮合部位滑动甚小，减少了摩擦产生的动力损失，因此在获得高减速比的同时，得以维持高效率，并实现驱动马达的小型化。8噪音小轮齿啮合周速低，传递运动力量平衡，因此运转安静，且振动极小。由于日本HD公司生产的谐波存在诸多优点，在诸多方面适合本课题，所以本课题设计的机器人转动关节采用HD谐波传动结合HD发展历程，HD的每一代谐波特点都不一样，综合考虑本课题要求关节应结构简单，体积小，重量轻，一体化设计，确定采用HD系列产品中新一安徽工业大学毕业设计（论文）说明书20代的CSD2UF,此款谐波紧凑简洁的设计、中空构造、高静力矩容量、输出侧轴承的负载容量提升，非常适合本课题2型号确定过程一般来讲，伺服系统几乎没有带着一定的负载连续运转的状态。输入转速和负载转矩会发生变化，起动、停止时也会有较大的转矩作用。此外，还会出现无法预期的冲击转矩。通过将这些变动负载转矩换算为平均负载转矩，实施型号的选定。此外，组合型时，外部负载的直接支撑部位（输出法兰部）组装有精密交叉滚子轴承，因此，首先确定最大负载静力矩、交叉滚子轴承的使用寿命以及静态安全系数负载转矩模式可以根据图35来确定图35负载转矩模式选型流程为根据负载转矩模式计算出向HARMONICDRIVE输出侧施加的均负载转矩32211332223111AVNNNNNTNTNTNTTNTTNTTNT（36）根据以下条件暂时选定型号。AVT平均负载转矩的容许最大值计算出平均输出转速NNNTTTTNTNTNRAVN2122110MIN/（37）确定减速比）（R安徽工业大学毕业设计（论文）说明书21RNMAXMAXN0I（38）式（38）中MAXIN会根据电动机等进行限制。根据平均输出转速）（AV0N和减速比）（R计算出平均输入转速）（MIN/RAVNIRAVNAV0IN（39）根据最高输出转速MAX0N和减速比R计算出最高输入转速MAXR/MINNIRNMAXMAXN0I（310）计算过程如下假设的负载为恒负载，忽略动载荷，启停运转时间相同，设计转速近似等于平均转速，最大负载角速度为100/S由（36）式可知M94AVNTT由式（37）可知平均输出侧转速为负载平均转速即MIN/R4130NAVN由式（38）确定减速比）（R171172900MAXMAX0NNI由式（39）确定平均输入转速MIN/R422911714130RAVNAVNI由式（310）确定最高输入转速MIN/290717117MAXMAX0RRNNI综合上面的计算结果再由图36暂定型号UFCSD210014安徽工业大学毕业设计（论文）说明书22图36CSD2UF参数图33制动器选型331电磁制动器电磁制动器是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器，可以据需要自由的结合，切离或制动，因使用电磁力来作动力，称之电磁离合器，制动器，具有响应速度快，结构简单等优点。电磁制动器是使机械中的运动件停止或减速的机械零件。俗称刹车、闸。制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等组成。有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装置。为了减小制动力矩和结构尺寸，制动器通常装在设备的高速轴上，但对安全性要求较高的大型设备如矿井提升机、电梯等则应装在靠近设备工作部分的低速轴上。图37表示电磁制动器基本结构有些制动器已标准化和系列化，并由专业工厂制造以供选用，电磁制动器是现代工业中一种理想的自动化执行元件，在机械传动系统中主要起传递动力和控制运动等作用。具有结构紧凑，操作简单，响应灵敏，寿命长久，使用可靠，易于实现远距离控制等优点。它主要与系列电机配套。广泛应用于冶金、建筑、化工、食品、机床、舞台、电梯、轮船、包装等机械中，及在断电时（防险）制动等场合。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书23图37电磁制动器基本结构332制动力矩使机械运转部件停止或减速所必须施加的阻力矩称为制动力矩。制动力矩是设计、选用制动器的依据，其大小由机械的型式和工作要求决定。制动器上所用摩擦材料（制动件）的性能直接影响制动过程，而影响其性能的主要因素为工作温度和温升速度。摩擦材料应具备高而稳定的摩擦系数和良好的耐磨性。摩擦材料分金属和非金属两类。前者常用的有铸铁、钢、青铜和粉末冶金摩擦材料等，后者有皮革、橡胶、木材和石棉等。1电磁制动器分类电磁制动器可分为电磁粉末制动器和电磁涡流制动器，电磁摩擦式制动器等多种形式。另外还细分为干式单片电磁制动器、干式多片电磁制动器、湿式多片电磁制动器等等。按制动方式电磁制动器又可分为通电制动和断电制动。制动器选型电磁制动器选型应当要考虑适合环境、使用目的的形状以及尺寸等要素。尤其是摩擦式的电磁制动器。虽然有它方便的一面，但如果考虑或者是选择不周则会导致电磁制动器的功能、性能消失下降，反而会引起多方面的故障。（1）使用目的，也就是对电磁制动器的功能要求。如连结、切离、制动、停止、保持、变速、正反旋转、高频度运转、定位、分度、微动等功能。（2）电磁制动器选型对性能方面或者特长方面的要求，如扭矩、响应性能、操作频率、使用寿命、操控精度、工作量等。（3）电磁制动器负载的性质，如负载转矩、负载电枢惯量。负载变动、所用旋转速度等。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书24（4）应以最大转矩要求来选型根据上述原则，结合图38、39台湾唐莹公司生产的FBH干式单板电磁制动器参数表，选择型号FBH06的电磁制动器图38电磁制动器型号与外形安徽工业大学毕业设计（论文）说明书25图39电磁制动器尺寸图34关节主要材料选择机械臂关节的材料是指的机械臂关节结构以及内部零部件所采用的材料。材料性能的好坏决定了各零部件性能的优劣，进而影响着关节整体的性能。在完成机械臂关节设计的过程中，正确地选择所需要的材料是设计的一个很重要的步骤。机械臂关节的材料不仅要能够符合本文提出的设计指标，还要符合实际工业机器人关节的设计要求。这种类型的机械臂关节的设计要求精度高、单级传动比大、重量轻、结构紧凑等，所选择的材料要满足以上的设计要求。铝合金材料密度较小，具有良好的导热性与导电性，加工工艺性能良好，抗腐烛能力强，并且具有较高的刚度以及强度，还具有良好的塑性变形的能力以及良好的机械加工性能，铝合金的价格也比较低廉，符合机械臂关节零部件材料的选择要求。通过分析论证，本研究选用型号为2A12T4的铝合金作为机械臂关节零部件的主要材料2A12T4铝合金属于ALCUMG铝合金系统，该系列可进行热处理来进行强化，强度较高，具有良好的机械加工性能和良好的塑性变形的能力，是在机械制造、航空航天领域中使用的最广泛的错合金材料之一。其中的合金状态的代号T4表示的是需要对2A12型铝合金进行固溶处理加自然失效（淬火自然失效）的处理。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书26经过分析发现机械臂关节的最主要的扭矩的零部件为机械臂关节的传动过程中的零部件。这些零部件包括法兰盘、连接端盖、连接套筒和对外转接口等。机械臂关节中的法兰盘、连接端盖、连接套筒、关节对外接口所选用的材料为硬质铝合金2A12T4。铝合金2A12T4的主要性能指标如表32所示表32硬质铝合金2A12的主要性能指标9屈服极限S（MPA）拉伸强度极限B（MPA）弹性模量E（GPA）泊松比伸长率密度KG/M324544071033102810335本章小结本章根据设计要求，通过一定的计算，确定了转动关节基本组成结构的型号，组件连接件的材料。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书27第4章关节校核41谐波减速器强度校核411柔轮的强度由于柔轮会反复弹性形变，因此HD的传递转矩是以柔轮齿底的疲劳强度为基准进行确定。额定转矩、起动停止时的容许峰值转矩的数值均为柔轮齿底疲劳界限以内的数值。瞬间容许最大转矩（冲击）的数值是柔轮齿底疲劳界限内的极限值，频繁超过瞬间容许至于大转矩时将可能发生疲劳破坏。因此为避免发生疲劳破坏，要对冲击转矩的次数设定限制。根据冲击转矩作用时波发生器的旋转，确定柔轮挠曲次数限制10104（回）根据挠曲次数限制可计算出冲击转矩作用的容许次数，计算公式为TNN60210014（41）公式各参数如表41表41公式（41）各参数含义容许次数N次冲击转矩的作用时间TS此时波发生器的转速NR/MIN波发生器旋转1圈，柔轮挠曲2次施加冲击转矩时最大瞬间转矩为最大负载转矩,时间T015S，由式（41）可知RRSRN4410015117615060100MIN/172101结论满足要求运转中受到过度的冲击转矩作用时，在柔轮等未发生破损的状态下刚轮和柔轮齿轮的啮合会瞬间发生偏移。这种现象被成为棘爪，此时的转矩被称为棘爪扭矩（表42表示CSD2UF每个型号的棘爪扭矩）。如果发生棘爪现象仍继续使其运转，会由于棘爪发生时产生的磨损粉尘导致齿轮发生早期磨耗、缩短波发生器轴承的使用寿命。发生棘爪时可能会出现齿轮啮合不正常、如图41安徽工业大学毕业设计（论文）说明书28所示呈单侧偏移的状态。此时继续运转会发生振动、注意引起柔轮破损，需特别注表42不同型号棘爪转矩图41啮合时发生偏移42波发生器的使用寿命HD的使用寿命取决于波发生器轴承的使用寿命。与普通滚动轴承相同，可以通过转速和负载转矩计算出来，表43是各个型号不同破损率下的的使用寿命。表43使用寿命使用寿命时间系列名称CSF,CSD,SHF,SHD,CSFMINI,CSFGHCSG,SHGL10（10破损率）7000小时10,000小时L50（平均使用寿命）35000小时50,000小时实际运转条件下使用寿命（HL）的计算公式10AVRAVRNHNNTTLL（42）式（42）中各参数含义如表44型号1417253240505088150450980180037001008416050010002100410016045098018003600安徽工业大学毕业设计（论文）说明书29表44式（42）各参数含义NL10L或50L时的使用寿命RT额定转矩RN额定转速AVT输出侧的平均负载转矩AVN平均输入转速下图42表示HD的强度和寿命关系图42HD的强度与使用寿命的关系图根据公式（42），结合表43可知10L70005817742291200094457000301L结论寿命满足要求43本章小结本章对应用相关知识对谐波减速器的强度，主要是柔轮的强度和波发生器的寿命进行了校核，结论是满足使用要求。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书30第5章三维模型建立51三维建模软件SOLIDWORKS介绍SOLIDWORKS软件是世界上第一个基于WINDOWS开发的三维CAD系统，功能强大、易学易用和技术创新是SOLIDWORKS的三大特点广泛应用于机械设计、工业设计、航空航天、机器人技术、制造技术、汽车系统511软件特点SOLIDWORKS软件功能强大，组件繁多。SOLIDWORKS功能强大、易学易用和技术创新是SOLIDWORKS的三大特点，使得SOLIDWORKS成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SOLIDWORKS能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SOLIDWORKS不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用11。对于熟悉微软的WINDOWS系统的用户，基本上就可以用SOLIDWORKS来搞设计了。SOLIDWORKS独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SOLIDWORKS资源管理器是同WINDOWS资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SOLIDWORKS，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SOLIDWORKS是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司DARATECH所评论“在基于WINDOWS平台的三维CAD软件中，SOLIDWORKS是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括WINDOWS风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SOLIDWORKS，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。512模型建立利用SOLIDWORKS建立了如图51、52所示的三维模型安徽工业大学毕业设计（论文）说明书31图51关节模型爆炸图图52关节三维模型52模型建立过程中相关组件的连接安装问题521谐波减速器组装注意事项由于组装时的错误，HARMONICDRIVE在运转时可能发生振动、异响等。请遵守下述注意事项实施组装。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书32波发生器的注意事项1请在组装时避免向波发生器轴承部位施加过度的力。可通过使波发生器旋转顺畅地实施插入2使用无欧氏联轴节结构的波发生器时，请特别注意把中心偏移、歪斜的影响控制在推荐值内（参照图53“组装精度”）刚轮的注意事项1确认安装面的平坦度是否良好，是否有歪斜。2确认螺钉孔部是否隆起、有残余毛边或有异物啮入。3确认是否对壳体组装部实施了倒角加工以及避让加工，以避免与柔轮干涉。4朝安装用螺栓孔插入螺栓时，确认螺栓孔的位置是否正确、是否由于螺栓孔歪斜加工等原因致使螺栓与刚轮发生接触，使螺栓旋转变沉重。5请不要一次性按照规定转矩拧紧螺栓。请先使用约为规定转矩1/2的力实施暂时拧紧，然后再按照规定转矩拧紧。此外，通常请按照对角线顺序依次拧紧螺栓。6向刚轮打销子可能造成旋转精度低下，因此竟可能避免柔轮的注意事项1确认安装面的平坦度是否良好，是否有歪