7自由度工业机器人腕部R、B、T关节结构设计及静力学分析

7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 I 摘 要 随着人们对机器人研究的逐渐深入以及多自由度机器人本身所固有的优势, 其在高速自动化的现代化工业领域得到了越来越广泛的应用。随着自由度的增 加，系统的灵活性也是相应的增加，功能也是会相应增加。 本文详细分析了 7 自由度机器人的发展状况，并分析了一种 7 自由度机器 人的腕部关节，确立机器人为 R 腕部扭转、B 腕部俯仰、T 腕部回转的关节结构， 通过计算各关节所需电机的功率、转矩、减速器的减速比和同步带的要求并进 行选型计算，同时利用 UG NX6.0 绘制机器人的 R、B、T 关节三维模型，并生成 二维工程图，最后基于 ANSYS 对该机构进行了静力学分析，仿真结果表明可以 满足应力要求。该机器人能进行较为复杂的工作，并可以极大拓展机器手在各 个领域上的应用，具有广泛的实际意义和应用前景，所设计的 7 自由度工业机 器人为后续的机器人研究提供了参考依据，并可以做进一步的研发。 关键词：7 自由度，工业机器人，静力学分析 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 II Abstract With the gradual research and the inherent advantages, robots have been widely used more and more in high-speed automation modern industry. With the increased freedom, the flexibility and the function of the system are also increased correspond. This article describes the seven degrees of freedom robot development and the analysis of a 7 DOF robots wrist joint, establishes the robot to reverse R, B wrist pitch, T wrist rotation of the joint structures. This article calculates the joint motor power, torque, reduces ratio reducer and timing belt. This article draws robot R, B, T joint three-dimensional model by UG NX6.0, generates two dimensional drawings, and finally the body was based on ANSYS static analysis. Simulation results show that to meet the stress requirements. The robot can carry out more complex work, and can greatly expand the robot in various fields of application, with a wide range of practical significance and application prospects, the design of the 7 degrees of freedom industrial robot provides a reference basis to follow-up study of a robot, and can do further research and development. Keywords: 7 degrees of freedom, Industrial robots, mechanical analysis 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 III 目 录 摘要 IV ABSTRACT V 目录 VI 第一章 绪论 1 1.1 七自由度机器人综述 1 1.1.1 工业机器人的发展 1 1.1.2 工业机器人腕关节的发展 2 1.1.3 国内外工业机器人的应用现状 4 1.1.4 工业机器人的发展趋势 5 1.2 课题来源及选题意义 7 1.3 本文的主要研究内容 8 第二章 七自由度机器人腕部 R、B、T 关节总体方案设计 9 2.1 MOTOMAN-VA1400 机器人的特点 .9 2.2 机器人腕部的设计特点 .10 2.3 机器人腕关节技术要求 .10 2.4 腕部设计结构方案分析 .10 2.5 腕部关节驱动方式设计 .11 2.6 腕部关节传动结构设计 .11 2.7 本章小结 .12 第三章 腕部 R、B、T 关节电机，减速器和同步带的选择 13 3.1 R、B、T 关节选型计算 .13 3.1.1 R 关节选型计算 .13 3.1.2 B 关节选型计算 .15 3.1.3T 关节选型计算 19 3.2 电机的选型 .24 3.3 减速器的选型 .24 3.4 传送带的选型 .25 3.5 本章小结 .26 第四章 腕部 R、B、T 关节结构设计 27 4.1 UG 简介 27 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 IV 4.2 UG NX6.0 的草图模块 .28 4.2.1 草图的绘制与编辑 .28 4.2.2 草图的约束 .28 4.3 UG NX6.0 的实体建模模块 .28 4.4 UG NX6.0 的装配模块 .29 4.5 腕部关节造型图 .30 第五章 七自由度机器人腕部 R、B、T 关节的静力学分析 31 5.1 ANSYS 简介 .31 5.2 前处理模块 .32 5.3 后处理模块 .33 5.4 载荷 .33 5.5 分析结果 .34 5.6 本章小结 .39 第六章 结论与展望 .40 6.1 结论 .40 6.2 经济技术分析 .40 6.3 对进一步研究的展望 .41 参考文献 .42 致 谢 .43 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 1 第一章 绪论 1.1 七自由度机器人综述 1.1.1 工业机器人的发展 工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能操作机， 这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和 专用装置以执行各种任务。 20 世纪 80 年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前 已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及的过 程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用： （1）驱动方式的改变, 20 世纪 70 年代后期，日本安川电动机公司研制开 发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动 方式。与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速 度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液压驱动的 机器人，成为工业机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、RV 减 速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代 替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有 了长足发展。 （2）信息处理速度的提高, 机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱 动电动机的运动而实现的。为了使机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需 要进行大量计算，并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的 控制指令。随着信息技术的不断发展，CPU 的计算能力有了很大提高，机器人 控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制 20 多个 关节。机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高， 并扩大了工业机器人的应用范围。近年来，随着信息技术和网络技术的发展， 已经出现了多台机器人通过网络共享信息，并在此基础上进行协调控制的技术 趋势。 （3）传感器技术的发展,机器人技术发展初期，工业机器人只具备检测自 身位置、角度和速度的内部传感器。近年来，随着信息处理技术和传感器技术 的迅速发展，触觉、力觉、视觉等外部传感器已经在工业机器人中得到广泛应 用。各种新型传感器的使用不但提高了工业机器人的智能程度，也进一步拓宽 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 2 了工业机器人的应用范围 1。 1.1.2 工业机器人腕关节的发展 机器人关节是各杆件间的结合部分，是实现机器人各种运动的运动副，由 于机器人的种类多，其功能要求不同，关节的配置和传动系统的形式都不同。 工业机器人常见的关节形式有移动关节和转动关节。应用最多的工业机器人是 多关节机器人，它由多个回转关节和连杆组成，模拟人的肩关节、肘关节和腕 关节等的作用。其关节与仿人机器人的肩、肘、腰关节等不同的是自由度个数。 通常前者的肩、肘、腰关节的自由度为 1。 手腕位于手臂末端，用来支承末端执行器并调整其姿态。按自由度分手腕 可以分为单自由度、双自由度和三自由度 3 种 2。 对于两自由度手腕，常见的关节结构有：汇交式手腕和偏置式手腕。 偏置式手腕末杆回转范围大，结构紧凑。图 1-1a 所示为汇交式手腕，链轮 1 与齿轮 3 相联，通过齿轮副带动末杆 Ln 自转（ ）；链轮 2 与壳体 4 相联， 转动后使末杆摆动（），从而形成两个自由度。 图 1-1b 所示为谐波式汇交手腕，1、2 为谐波减速器，3 为齿形带，4 为锥 齿轮。 三自由度手腕是在两自由度手腕基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动 自由度而形成的，有偏置式和汇交式。常用结构如图 1-2 所示。 图 1-3 所示为三自由手腕，包括外套 120，万向节 140，128，146，132， 扇形齿轮 136、138、142、148，锥齿轮 168、170、174、178；转动驱动轴 （roll） 162，俯仰驱动轴（pitch）164，偏转驱动轴（ yaw）166 等组成。 图 1-1 两自由度手腕结构图 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 3 球形电机驱动的手腕，通常手腕关节是用单自由度电机驱动实现的，使用 三自由度的球形电机来驱动，可以将关节和电机和为一体，直接驱动。实现三 个方向的转动 3。 图 1-2 三自由度手腕结构图 图 1-3 球型电机驱动的三自由度手腕 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 4 1.1.3 国内外工业机器人的应用现状 自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出 它极大的生命力，在短短40多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，工 业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。目前，工业机器人已 广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及 塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器 人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业 机器人都已被大量采用 4。 随着工业机器人技术的成熟和制造业对自动生产的需要，工业机器人得到 了越来越广泛的应用。 （1）按应用领域和类型分:虽然ABB、KUKA等欧洲企业在焊接和喷涂等 领域具有一定优势，Brooks-PRI在半导体晶圆、液晶面板搬送机器人方面占有 一定市场份额，但总体来看，日本企业在工业机器人的市场份额方面占有绝对 优势。 （2）按地域和应用领域分: 在欧美市场，弧焊、点焊、喷涂等与汽车工业 密切相关的工业机器人的使用台数仍然占有很大份额。但另一方面，在全世界 范围内，装配用直角坐标机器人、SCARA型机器人、单轴机器人等面向装配和 检测的工业机器人的应用有了很大增长，所占比例已经达到1/3左右。此外，随 着信息技术的发展，在美国和亚洲，用于半导体晶圆和液晶面板搬送的工业机 器人所占比例也越来越高。 进入90年代，在国内市场经济发展的推动下，确定了特种机器人与工业机 器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，实现了 高技术发展与国民经济主战场的密切衔接，研制出有自主知识产权的工业机器 人系列产品，并小批试产，完成了一批机器人应用工程，建立了9个机器人产业 化基地和7个科研基地。我国的高等院所，如长沙国防科技大学、上海交通大学、 北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、沈阳自动化研究所等在步行机器人、精 密装配机器人及7自由度机器人研制等前沿领域内做出了可喜的成绩，正在逐步 缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距 5。 中国首钢莫托曼机器人有限公司由中国首钢总公司、日本株式会社安川电 机和日本岩谷产业株式会社共同投资组建,三方出资比例分别为 45%、43%和 12%, 引进日本株式会社安川电机最新 UP 系列机器人生产技术生产 SGMOTOMAN 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 5 机器人，并设计制造应用于汽车、摩托车、工程机械、化工等行业的焊接、喷 漆、装配、研磨、切割和搬运等领域的机器人、机器人工作站等。该公司目前 是国内最大、最先进的机器人生产基地,年生产能力为 800 台。但是，中国的首 钢莫托曼机器人工业主要是进口日本工业机器人，只是在国内进行组装而已。 沈阳新松机器人自动化股份有限公司是由中国科学院沈阳自动化所为主发起人 投资组建的高技术公司，是机器人国家工程研究中心、国家八六三计划智能机 器人主题产业化基地、国家高技术研究发展计划成果产业化基地、国家高技术 研究发展计划成果产业化基地。该公司是在国内率先通过 ISO9001 国际质量保 证体系认证的机器人企业,并在福布斯2005 年最新发布的 “中国潜力 100 榜” 上名列第 48 位。其产品包括：rh6 弧焊机器人、rd120 点焊机器人及水切割、 激光加工、排险、浇注等特种机器人。 在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛 应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包 括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC 、Yaskawa ，德国的KUKA Roboter， 美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，意大利COMAU，英国的AutoTech Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek 公司，这些公司已经成为其所在 地区的支柱性产业。 日本素有“机器人王国”之称，其工业机器人的发展令人瞩目，无论机器 人的数量还是机器人的密度都位居世界第一。日本安川电机(Yaskawa Electric Co.)自1977年研制出第一台全电动工业机器人以来，已有29年的机器人研发生 产的历史,旗下拥有Motoman美国、瑞典、德国以及 Synetics Solutions美国公司等 子公司，至今共生产13000多台机器人产品，而最近2年生产的机器人30000多台， 超过了其他机器人制造公司。2005年4月,该公司宣布将投资 4亿日元, 建造一个新 的机器人制造厂，已于2005年11月运行，2006年1月达到满负荷生产。目前，该 公司每月工业机器人生产能力达到2000台。安川电机核心工业机器人产品包括： 点焊和弧焊机器人、油漆和处理机器人、LCD玻璃板传输机器人和半导体晶片 传输机器人等。该公司是将工业机器人应用到半导体生产领域的最早厂商之一。 2004年该公司机器人销售收入为1051亿日元，占该公司营业总收入3096亿日元 的34% 。 德国KUKA Roboter Gmbh公司位于德国奥格斯堡,是世界几家顶级工业机器 人制造商之一，1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。该公司工业机 器人年产量接近10000台，至今已在全球安装了60000台工业机器人。这些机器 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 6 人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等领域 6。 1.1.4 工业机器人的发展趋势 工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平， 提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令 世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪， 机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。 （1）工业机器人的技术发展趋势 从近几年世界机器人推出的产品来看， 工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要 为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动 技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和 作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 （2）工业机器人的产业发展趋势 据UNECE/IFR 预测，至2007年，全球新 安装装机器人的数量将从2003年的81800套增至2007年的106000套，年平均增长 7%。其中，日本2003-2007年工业机器人的销售将从2003年的31600增长至2007 年的41000套；欧洲2003-2007年工业机器人将从2003年的27100套增长至2007年 的34000套；北美2003-2007年工业机器人市场每年平均增长5.8%，至2007年将 增长到16000套。 日本的机器人产业得到发展的主要原因是工业机器人在以汽车、电子、电 动机等行业为代表的制造业中得到了广泛应用。目前日本的工业机器人产业已 经相当成熟，现有行业中设备的更新换代在其市场中占有很大比例；然而，随 着技术的进步和机器人价格的不断下降，工业机器人的应用也将逐步扩展到目 前尚没有大规模采用工业机器人的其他行业。因为成本方面的原因，美国和欧 洲在工业机器人的推广应用方面一直远远落后于日本。但是，随着近年来工业 机器人价格的不断下降和人力成本的不断上升，美国和欧洲也开始积极在制造 业中采用工业机器人。1990-2003年美国制造业的人员工资与工业机器人价格之 间的关系,制造业工人的工资增加了大约60%左右。而在考虑了机器人性能提高 的因素后，机器人的价格则实际上下降了大约80%。也就是说，从1990-2003年 的13年时间内，在制造业中引入工业机器人的优越性扩大了大约8倍。这也是近 年来欧美国家开始大量采用工业机器人的主要原因。同样，虽然由于人力成本 相对较低，目前发展中国家采用工业机器人的积极性还不是很高，但随着人力 成本的逐渐增加，熟练工人人数的逐渐减少和对产品质量要求的不断提高，许 多发展中国家在不远的将来也会积极采用工业机器人 7。 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 7 机器人领域发展近几年有如下几个趋势： （1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和 维修） ，而单机价格不断将下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的 6.5万美元。 （2）机械结构想模块化、可重构化发展。例如关节模块化中的伺服电机、 减速机、检测系统三位一体化；由关节模块用重组方式构造机器人整机；国外 已有模块化装配机器人产品问市。 （3）工业机器人控制系统相基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准 化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，大大提 高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 （4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度 等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力学等传感器，而遥控机器人 则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策 控制，多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 （5）虚拟现实技术在机器人中的作用已经从仿真、预演发展到用于过程控 制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 （6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操 作者于机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操 作系统，使之能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索 杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 （7）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这 种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域 8。 1.2 课题来源及选题意义 机器人的手一般由方形的手掌和节状的手指组成。为了使它具有触觉，在 手掌和手指上都装有带有弹性触点的触敏元件（如灵敏的弹簧测力计）。如果 要感知冷暖，还可以装上热敏元件。当触及物体时，触敏元件发出接触信号， 否则就不发出信号。在各指节的连接轴上装有精巧的电位器（一种利用转动来 改变电路的电阻因而输出电流信号的元件），它能把手指的弯曲角度转换成 “外形弯曲信息”。把外形弯曲信息和各指节产生的“接触信息”一起送入电 子计算机，通过计算就能迅速判断机械手所抓的物体的形状和大小。 现在，机器人的手已经具有了灵巧的指，腕，肘和肩胛关节，能灵活自如 的伸缩摆动，手腕也会转动弯曲。通过手指上的传感器还能感觉出抓握的东西 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 8 的重量，可以说已经具备了人手的许多功能。 在实际情况中有许多时候并不一定需要这样复杂的多节人工指，而只需要 能从各种不同的角度触及并搬动物体的钳形指。1966 年，美国海军就是用装有 钳形人工指的机器人“科沃”把因飞机失事掉入西班牙近海的一颗氢弹从七百 五十米深的海底捞上来。1967 年，美国飞船“探测者三号”就把一台遥控操作 的机器人送上月球。它在地球上的人的控制下，可以在两平方米左右的范围里 挖掘月球表面四十厘米深处的土壤样品，并且放在规定的位置，还能对样品进 行初步分析，如确定土壤的硬度，重量等。它为“阿波罗”载人飞船登月当了 开路先锋。 与应用广泛、十分常见的六自由度串联机器人相比，七自由度机械人具有 明显优势,运动空间增大。它具有以下十分突出的优点： （1）刚度大，结构稳定。这是由于上运动平台经由 7 个液压缸的支撑； （2）承载能力强。由于刚度大，较串联式机构在相同的自重或体积的情况 下，具有高得多的承载能力； （3）误差小，位姿精度高； （4）动力性能好。 传统机器人学在笛卡儿空间对机器人或环境中用符号进行描述，然后实施 规划和控制。其中 7-DOF 并联机器人由于机构简单、工作空间大、实时控制容 易，具有较好的应用前景 9。 1.3 本文的主要研究内容 本文从实际工程项目出发，以日本安川 7 自由度工业焊弧机器人 VA1400 为研究对象，针对其腕部 R、B、T 关节进行研究。主要研究内容有： （1）调研首钢莫托曼机器人有限公司，对 MOTOMAN-VA14007 自由度工 业机器人的腕部 R、B 、T 关节结构设计进行了解与分析； （2）参考 VA1400 产品说明书及使用说明书，了解此款机器人的实现方式 及其分配。 （3）对 7 自由度机器人的腕部关节进行结构设计，针对电机、减速器、同 步带进行设计、选型和校核； （4）利用 UG NX6.0 软件建立机器人腕关节系统的三维实体模型，为后续 的系统仿真做准备； （5）利用 ANSYS 软件对机械系统进行静力学分析，研究其在力的作用下 处于平衡的规律。 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 9 第二章 七自由度机器人腕部 R、B、T 关节总体方案设计 2.1 MOTOMAN-VA1400 机器人的特点 由于本课题仿照日本安川公司 MOTOMAN-VA1400 此款机器人进行机器手 臂的设计，在此提出其特点，作为设计依据。 该机器人工作范围大，动作灵活，结构较紧凑，外形美观简洁，应用于弧 焊焊接。 图 2-1 MOTOMAM-VA1400 外形 图 2-2 机器人 MOTOMAN-VA1400 机器人结 构图 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 10 2.2 机器人腕部的设计特点 手腕是联接手臂和末端执行器的部件，处于机器人操作机的最末端，其功 能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个坐标位置的基础上，再 由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，实现三个自由度。 一个好的机器人设计应当使其机械系统的持重自重比尽量大，结构的静 动态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。人类 的手臂是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标 10。 从机构学原理分析，人体手臂是一个典型的串联机构和并联机构的结合体， 肘关节和肩关节、腕关节一起构成串联机构形式的人体手臂。串联机构仍然是 仿人手臂的主要机构形式。 本课题设计一款串联 7 自由度弧焊工业机器人的腕部结构，能持重 3kg。 2.3 机器人腕关节技术要求 根据安川公司 MOTOMAN-VA1400 机器人用于弧焊焊接，及其工作特点， 参考其工作、使用说明书提出以下参数： 表 1 机器人腕关节运动参数 轴 最大运动范 围 最大角速度 转速 各关节允许 极限力矩 转动惯量 R 腕部扭转 -150-+150 410 7.16 8.8 0.27 B 腕部俯仰 -45-+180 410 7.16 8.8 0.27 T 腕部回转 -200-+200 610 10.65 2.9 0.03 7 个自由度；垂直关节型坐标形式；精度：-0.08+0.08；有效载荷：3kg 2.4 腕部设计结构方案分析 机器人腕部包含 3 个自由度：R 腕部扭转、B 腕部俯仰和 T 腕部回转。在 同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间(手腕 可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑， 同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的 结构。旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易 于密封防尘。综合各种手臂构形，最后确定腕部采用两个旋转关节，结构形式 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 11 如下图： 2.5 腕部关节驱动方式设计 机器人驱动分为液压、气动和电动三种形式。 液压系统具有较大的功率体积比，适合于大负载的情形。液压驱动的本质 优点在于它的安全性。 气动驱动适合于快节拍、负载小且精度要求不高的场合。 电动驱动可细分为以下几种： （1）交流伺服电动机：包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。 （2）直流伺服电动机：包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺 服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。 （3）步进电动机：包括永磁感应步进电动机。 电动驱动适合于中等负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机 器人 11。 由于本课题研究机器人腕关节，其额定负载较小，考虑到工业机器人多以 交流伺服电机驱动，根据关节所受最大力矩、最大角速度及取材的方便综合分 析，决定采用交流伺服电机驱动。 2.6 腕部关节传动结构设计 腕部关节与臂部 U 关节相连接，将驱动 R 关节的电机安装在 U 臂部里， 腕部 R 关节 扭转 腕部 B 关节 俯仰 腕部 T 关节 回转 图 2-3 腕部 R、B 、T 关节结构形式 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 12 输出轴经过齿轮传递给减速器，由输出轴带动 R 关节，完成腕部扭转。在 R 关 节内安装驱动 B 关节的电机，输出轴连接滑轮，经过同步传动带传动，经减速 器减速后，由输出轴带动 B 关节，完成腕部俯仰。在 B 关节内部安装驱动 T 关 节的电机，输出轴连接滑轮，经同步带传送至减速器，减速后输出轴带动 T 关 节，实现腕部回转。 2.7 本章小结 本章首先阐述了所要研究的 MOTOMAN-VA1400 七自由度机器人腕部的设 计特点及要求，其次根据要求对机器人的结构设计方案进行分析，具体包括关 节结构设计、驱动设计及传动设计。其外形则仿照 MOTOMAN-VA1400。 交流 伺服 电机 输 出 轴 输 出 轴 减 速 器 同 步 带 交流 伺服 电机 输 出 轴 减 速 器 同 步 带 交流 伺服 电机 减 速 器 齿 轮 B 腕部关节R 腕部关节U 臂部关节 图 2-4 腕部传动设计示意图 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 13 第三章 腕部 R、 B、T 关节电机，减速器和同步带的选择 本章在结构分析的基础上利用机械设计手册进行理论计算，包括电机、 减速器和 B、T 关节同步带的选型及理论计算。 3.1 R、B、T 关节选型计算 3.1.1 R 关节选型计算 腕部回转由电机通过减速器传动驱动。 已知：R 关节质量 ，其最大当量回转半径13.mkg20Rm 腕部摆动的转动惯量 (3-1) 2231 220.13.0.7Jlmkg 手爪回转装置及物体总质量，约为 ；1mkg 腕部总质量，约为 。2 13.k 设机器人腕部俯仰角速度从 加速到 所需时间 ，0w410s0.217ts 则腕部俯仰角加速度 (3-2)2 1840.7359atrds 当末端执行器与小臂相互垂直，并且位于水平面内时，其转距最大。 腕部俯仰启动惯性矩 (3-3) 3.02715.86TJaNm 负载静转矩（静摩擦力矩忽略不计） 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 14 (3-4) 139.8024MmglN静 则腕部俯仰总转矩 38.T 考虑到机器人的小臂的各部分的转动惯量及摩擦力矩，选择减速器工况系 数 ，则减速器所需要的输出额定转矩1.k (3-5) 31.84kTNm 按最高转速选择机型。 R 回转关节角速度 ，由于该关节选择 ，该关节总10ws30innr 传动比 1i (3-6) 1360413.9niw 额定输出转矩： ；减速比： 。1.4Nmi 取减速器传动的传动效率均取 ，交流伺服电机应输出的力矩：0.85 (3-7) 1.40.8536outTinNm 电机转速 602n 电机额定功率 p （3-8 ） .2036.9outTwk 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 15 额定输出转矩： ；额定功率 ；额定转速： 。0.63Nm20w30;2rpmV 3.1.2 B 关节选型计算 腕部摆动由交流伺服电机通过同步带和减速器机构驱动。 已知：手爪回转装置及物体的重心到回转中心的距离 ，腕部当量10l 回转半径 20Rm 腕部俯仰时其转动惯量 (3-9) 22212230.3.0.7JlmRkg 手爪回转装置及物体总质量，约为 ；1mkg 腕部总质量，约为 。2 13.k 设机器人腕部俯仰角速度从 加速到 所需时间 ，则0w410s0.3ts 腕部俯仰角加速度 (3-10)2 1840.37atrds 腕部俯仰启动惯性矩 (3-11) 2.0715.86TJaNm 负载静转矩（静摩擦力矩忽略不计） (3-12) 139.8024MglN静 则腕部俯仰总转矩 28.Tm 考虑到机器人的各部分的转动惯量及摩擦力矩，选择减速器工况系数 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 16 ，则减速器所需要的输出额定转矩1.3k (3-13) 21.384kNm 按最高转速选择机型。 设同步带传动装置的传动比为 ，B 腕部摆动关节角速度 ，02i410ws 由于该关节选择 ，该关节总传动比30nnr1i (3-14) 1360413.9iw 所以，减速器减速比 为i （3-15 ） 12i 额定输出转矩： ；减速比：1.4Nm2i 取同步带、减速器传动的传动效率均取 ，交流伺服电机应输出的力0.95 矩： (3-16) 1.40.9527outTinNm 电机转速 260nw 电机额定功率 p （3-17 ） .207436.8outTwk 额定输出转矩： ；额定功率 ；额定转速： 。0.37Nm30;2rpmV 从动轮转速： ，主26innr 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 17 动轮转速： ，同步带输入转矩 ，输102.68.31.minnir0.274TNm 入最高工作角速度（主动轮） ，则同步带传递的名义功率 可表42adsp 示为： (3-18) .071.83.92PTwW 由文献机械设计手册13中表 14.1-55 中，查得载荷修正系数 ，1.8AK 因为未使用张紧轮，又是减速传动，故附加修正系数均为零。则，设计功 率 dp (3-19) .183927.04dApKW 根据 和 ，查机械手册表，由图 14.1-14 确定为7.0429dP16rans XL 型，对应节距为 。5.8bpm 根据带型 XL 和小带轮转速 ，由表 14.1-56 查得小带轮的最小齿数 ，1 1min0z 在此处取 。12z 小带轮的节圆直径 ：1d (3-20) 125.0819.4bZPm 由表 14.1-60 查得其外径 (3-21) 129.4058ad 大带轮齿数 ：2z (3-22) 214zi 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 18 大带轮节圆直径 ：2d （3-23 ） 245.083.bzpdm 由表 14.1-60 查得其外径： (3-24) 238.05ad 带速 ：v (3-25) 1609.43.6.1dnvms 因为 且 ，所以初设轴距120120.7dad0476.46a 。am 带长及其齿数： (3-26) 21210 02()()249.38(.39.4)0.36ddLaam 由表 14.1-51 查得应选用带长代号为 120 的 XL 型同步带，其节线长 ，节线上的齿数 。304.8PL0z 实际轴间距 ：此结构的轴间距可调整a (3-27) 00234.89.616.pLam 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 19 小带轮啮合齿数 ：mz (3-28) 121()5.08(42)66.349bpzentate 基本额定功率 ：0p (3-29) 201aTmvp 由表 14.1-58 查得 ,5.7aTN.kg 由公式(3-29)得 (3-30) 20.10.1390697pkw 所需带宽 ：sb (3-31)1.40dZsPbK 由表 14.1-57 查得 XL 型带 ， ；因为 时， 。09.5sm6z6mz1zk (3-32) 1.49572sb 由表 14.1-52 查得，应选带宽代号为 037 的 XL 型带，其 9.5sb 3.1.3T 关节选型计算 腕部旋转由电机通过同步带和减速器机构驱动。 已知：T 腕部回转关节的最大当量回转半径 ，焊具的总重量20Rm 。3mkg 转动惯量： 21230.JmRkg （3-33 ） 设机器人手部角速度 从 0 加速到 所需时间 ，则其角加速61s0.1ts 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 20 度 (3-34)2 1806.97watrds 负载启动惯性矩（静摩擦力矩忽略不计） (3-35) 1.039672.TJaNm 考虑到机器人的各部分的转动惯量及摩擦力矩，选择减速器工况系数 ，则减速器所需要的输出额定转矩1.3k (3-36) .1329.7TkMNm 按最高转速选择机型。 设同步带传动装置的传动比为 ，T 腕部回转关节角速度 ，03i610ws 由于每一个关节选择 ，该关节总传动比3nnr1i (3-37) 1360129.530iw 减速器减速比 为：i （3-38 ） 130i 额定输出转矩： ；减速比： 。.7Nm1i 取同步带、减速器传动的传动效率均取 ，交流伺服电机应输出的力0.95 矩： 1.370.952outTinNm (3-39) 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 21 电机转速 260nw 电机额定功率 p （3-40 ） .20136.4outTwk 额定输出转矩： ；额定功率 ；额定转速： 。0.318Nm30;2rpmV 从动轮转速： ，主动轮转速： ，同267innr12.5.1inni 步带输入转矩可输入最高工作角速度（主动轮） ，则同步带传递9 rads 的名义功率 可表示为：p (3-41) .0132.54.7PTwW 由文献机械设计手册13中表 14.1-55 中，查得载荷修正系数 ，2.0AK 因为未使用张紧轮，又是减速传动，故附加修正系数均为零。则设计功率 ：dp (3-42) .204178.3dAPKW 根据 和 ，查机械手册表，由图 14.1-14 确定为8.43dP15min rn XL 型，对应节距为 。.0b 根据带型 XL 和小带轮转速 ，由表 14.1-56 查得小带轮的最小齿数1 ，在此处取 。min10Z12Z 小带轮的节圆直径 ：d (3-43) 125.0819.4bZPdm 由表 14.1-60 查得其外径 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 22 (3-44) 129.4058adm 大带轮齿数 ：2z (3-45) 2136zi 大带轮节圆直径 ：2d (3-46) 2365.08.24bZPd 由表 14.1-60 表查得其外径 (3-47) 258.4073adm 带速 ：v (3-48) 1609.4351dnvms 因为 且 ，所以初设轴距120120.7dad054.385.28a 。am 带长及其齿数： (3-49) 21210 02()()249.58(.9.4)035.67ddLaam 由表 14.1-51 查得应选用带长代号为 130 的 XL 型同步带，其节线长 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 23 ，节线上的齿数 。30.2PLm65z 实际轴间距 ：此结构的轴间距可调整a (3-50) 0023.5.641.8pLam 小带轮啮合齿数 :mz (3-51) 121()5.08(362)6bpzentate 由表 14.1-58 查得 ,50.17aTN.02mkg 由公式(3-29)得 (3-52) 205.170.316pkw 所需带宽 :sb (3-53) 1.40dZsPbK 由表 14.1-57 查得 H 型带 ， ；因为 时， 。09.5sm6z6mz1zk (3-54) 1.45830sb 由表 14.1-52 查得，应选带宽代号为 025 的 XL 型带，其 。6.4sb 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 24 3.2 电机的选型 为了保证焊接机械手的运动性能，要求并联机构具有良好的快速响应特性。 随着控制信号的变化，电机应在较短的时间内完成必须的动作。负载惯量与电 机的响应和快速移动 ACC/DEC 时间息息相关。带大惯量负载时，当速度指令 变化时，电机需较长的时间才能到达这一速度，当二轴同步插补进行圆弧高速 切削时大惯量的负载产生的误差会比小惯量的大一些。 日本安川公司研制的 MOTOMAN-VA1400 选用的电机是 SGMRV 系列，由 于，这个系列的电机的资料很难得到，市面上并没有，所以在此选择安川 SGMPH 系列电机代替，相应地改动 MOTOMAN-VA1400 的外形。 根据计算综合考虑： R 关节电机选取：型号 SGMPH-02A-YR；额定输出转矩： ；额定0.637Nm 功率 ；额定转速： 。20w30;2rpmV B 关节电机选取：型号 SGMPH-02A-YR；额定输出转矩： ；额定. 功率 ；额定转速： 。; T 关节电机选取：型号 SGMPH-01A-YR；额定输出转矩： ；额定0.318 功率 ；额定转速： 。1030;2rpV 3.3 减速器的选型 减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。它 的种类繁多，型号各异，不同种类有不同的用途。以下是常用的减速机分类： （1）摆线针轮减速机； （2）硬齿面圆柱齿轮减速器； （3）行星齿轮减速机； （4）软齿面减速机； （5）三环减速机； （6）起重机减速机； （7）蜗杆减速机； （8）轴装式硬齿面减速机； （9）无级变速器。 根据计算综合考虑： R 关节减速器选取：安川机械手专用减速器，额定输出转矩： ；1.4Nm 减速比： 。4i 7 自由度工业机器人腕部 R、B、T 关节结构设计及静力学分析 25 B 关节减速器选取：安川机械手专用减速器，额定输出转矩： ；1.4Nm 减速比： 。2i T 关节减速器选取：安川机械手专用减速器，额定输出转矩： ；3.7 减速比： 。10i 3.4 传送带的选型 同 步 带 传 动 是 由 一 根 内 周 表 面 设 有 等 间 距 齿 形 的 环 行 带 及 具 有 相 应 吻 合 的 轮 所 组 成 。 它 综 合 了 带 传 动 、 链 传 动 和 齿 轮 传 动 各 自 的 优 点 。 转 动 时 ， 通 过 带 齿 与 轮 的 齿 槽 相 啮 合 来 传 递 动 力 。 同 步 带 传 动 具 有 准 确 的 传 动 比 ， 无 滑 差 ， 可 获 得 恒 定 的 速 比 ， 传 动 平 稳 ， 能 吸 振 ， 噪 音 小 ， 传 动 比 范 围 大 ， 一 般 可 达 1:10。 同 步 带 的 特 点 ： （ 1） 传 动 准 确 ， 工 作 时 无 滑 动 ， 具 有 恒 定 的 传 动 比 ； （ 2） 传 动 平 稳 ， 具 有 缓 冲 、 减 振 能 力 ， 噪 声 低 ； （ 3） 传 动 效 率 高 ， 可 达 0.98， 节 能 效 果 明 显 ； （ 4） 维 护 保 养 方 便 ， 不 需 润 滑 ， 维 护 费 用 低 ； （ 5） 速 比 范 围 大 ， 一 般 可 达 10， 线 速 度 可 达 ， 具 有 较 大 的 功 率50ms 传 递 范 围 ， 可 达 几 瓦 到 几 百 千 瓦 ； （ 6） 可 用 于 长 距 离 传 动 ， 中 心 距 可 达 以 上 。 同步带分为梯形齿型同步带和弧齿型同步带。 梯形齿形同步带，又分单面有齿和双面有齿两种，简称为单面带和双面带。 双面带又