单臂多关节运动是一个典型的机电一体化产品，单臂机制适合于多伸缩缝是单臂运动多关节研究的热点。处理研究机构多关节运动需要机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机等诸多学科的组合，但其发展也促进了这些学科的发展。
在这项工作中，对于在多臂结构衔接的机身设计采用一般安装图纸，并完成零件和设计图纸。要求分析模型的机械手臂的多关节来估计关节选择所需的扭矩和功率，完整的发动机和变速箱。其次，发动机和变速箱连接并固定开始设计通用结构，而重要的连接测试的机构强度。
关键词： 结构设计，单臂多关节运动机构，关节型单臂多关节运动，结构分析
毕业设计说明书（论文）外文摘要
Arm multi-joint movement is a typical mechatronic product, single-arm multi-joint movement mechanism is a single-arm multi-joint movement research hotspot. Handling arm multi-joint movement research requires a combination of mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, and many other disciplines biology and computer knowledge, but its development also contributed to the development of these disciplines.
In this paper, for use in a multi-arm articulation body structure design, and complete and drawing parts drawing of general assembly drawings. Requirements for multi-articulation arm mechanics analysis models to estimate the joint selection of the desired torque and power, complete motor and reducer. Second, from the motor and gearbox connected and fixed starting joint structure design, and the institutional strength of the important connection check.
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Keywords: structural design, single-arm multi-joint movement mechanism, articulated arm multi-joint movement, structural analysis
目 录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 搬运单臂多关节运动研究概况 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 搬运单臂多关节运动的总体结构 4
1.4 主要内容 5
第2章 总体方案设计 6
2.1 技术参考数据 6
2.2 单臂多关节运动工程概述 6
2.3 工业单臂多关节运动总体设计方案论述 7
2.4 单臂多关节运动机械传动原理 8
2.5 单臂多关节运动总体方案设计 9
2.6 本章小结 10
第3章 单臂多关节运动大臂结构 11
3.1 大臂部结构设计的基本要求 11
3.2 大臂部结构设计 12
3.3 大臂电机及减速器选型 12
3.4 减速器参考数据的计算 13
第4章 单臂多关节运动小臂结构设计 17
4.1 腕部设计 17
4.2 手腕偏转驱动计算 17
4.3 轴分析及计算 20
4.4 轴承的寿命校核 21
4.5 轴的强度校核 21
第5章 单臂多关节运动机身设计 23
5.1步进电机选择 23
5.2键的选择和校核 28
5.3 机身结构的设计 28
总结与展望 29
致 谢 30
参 考 文 献 32
第1章 绪论
1.1 引言
单臂多关节运动是一种典型的机电一体化产品，处理多关节的动作是多领域联合研究的热点手臂运动。处理研究机构多关节运动需要机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机等诸多学科的组合，但其发展也促进了这些学科的发展。手臂多关节运动领导的多关节手臂运动。
1959年，世界第一工业臂多关节运动的诞生，开创了新的发展时代手臂的多关节运动。随着科学技术的多关节快速发展的研究和应用操作臂的发展。加藤一郎早稻田大学多伸缩缝的世界知名教授专家的胳膊说：“一个伟大的功能，多关节手臂运动应具备的功能。”事情是这样的，其中高脚自动化程度，动力系统更复杂。伟大的发明家爱迪生曾经说过这样一句话：“上帝创造了人，两条腿是最美妙的杰作。”该系统具有环保要求丰富的动态是非常低的，无论在地面，而且在非结构地形复杂，环境适应性好。为扩大功能与应用的单臂多关节运动开辟无限广阔的发展前景。
研究单臂多关节运动的原因和目的，主要表现在以下几个方面：要发展的机构，使它们能在许多圈子结构性和非结构性的工作，而不是个人或延伸和扩展人类活动的领域;更希望人类有一个内在的理解和认识，并使用这些功能对个人服务，如：假肢。系统动力学与丰富，这方面的研究，扩大机械的研究和手臂运动多的风险;多关节臂的运动可以用来作为多关节臂移动智能播放在人工智能领域的一个重要的角色。
管理多关节臂运动的定义，世界上不仅分类是不一样的。最近通过的联合国国际对美国的手臂运动协会多企业标准化定义在他的手臂多关节运动带来：操作臂多联合演习是一个多功能可编程的操作系统，您可以更改程序动作完成各种工作，特别是对材料处理，传输的工件。参考国外定义，与中国的搬运臂多关节运动的语言组合被定义如下：
操作臂多关节运动是独立的行动，更大的自由，该程序可以灵活改变，它可以放在任何地方，机器自动化的自动化程度高。汽车油漆或其他涂料行业关节臂多关节运动E'可用。
搬运臂运动多关节高刚性作为主臂，相对于其他，可以具有移动速度快，能携带较重的东西，并且定位精度非常高，它可以根据外部信号，自动的各种操作。
处理多关节臂的运动是计算机中的可编程的自动化机器的控制下。使用多联合演习的操作臂是提高产品质量和生产效率的工作，生产过程自动化，提高了劳动条件，减轻劳动强度的有效手段。诞生和多关节手臂运动的发展，虽然只有30多年的历史，但已被应用到国民经济的许多部门，民用技术，应用，具有广阔的发展前景，显示出强大的生命力[1-2]。
1.2 搬运单臂多关节运动研究概况
1.2.1 国外研究现状
人类和动物的运动原理的第一个系统研究是迈布里奇发明了照相机跟单，即设定的触发相机的电源，并在1877年他成功地参加了四足和连续运行的许多照片。后来，这种方法使用的相机是用来研究人体运动Demeny。从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦从深入人类和动物研究的生物动力机制的角度看，并提出??的议案非常形象化的描述。
真正研究机构运动多关节全面，系统于1960年推出至今，联合多月的手臂比较完整的理论体系只有形成，并在一些国家，如日本，美国和“苏联已成功开发出可以是静态或动态的，多臂枢轴原型。在这一节中，我们介绍了1960年至1985年期间，臂多关节实地达到的运动的最重要的进展的团队。
在20世纪60年代和70年代，武装多关节运动控制理论产生三种类型的控制方法是非常重要的，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制的方法对所有类型的单臂多关节运动都是适用的。国家控制是通过在1961年提出的模型的参考检查于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇限制，该算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊尔?罗多关节运动学专家鲍宾控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有这三种类型的控制方法之间的内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法是这种情况[1]的中心。
在搜索步态，苏联Bessonov和Umnov定义“最佳步态”，Kugushev和Jaro-
shevskij定义自由的步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多条腿多企业的动向。在这些中，对于自由路径的步骤的条件的规则。如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多关节，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去步骤通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。
稳定性研究手臂动作的多关节，美国Hemami，该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它可以被解释为在换能器存在的问题的向前运动。此外，减少了控制的考虑，Hemami，谁也研究手臂运动的多关节“减少型”问题的复杂性进行了研究。
此前我们指出了系统的Vukobratovic还人形能量分析，但它的力量是有限的关节和随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，类人型系统所消耗的功率就越少。
1.2.2 国内研究现状
国内单臂多关节运动起步较晚，我国自1980年以来，一个单臂多联合攻关和在体育领域的应用。 1986年，该国在1987年推出了“七五”攻关项目多动关节臂，高新技术中国的“863”水平运动臂包括更多的联合研究和开发。目前，中国移动手臂多企业的研究和应用开发单位主要是高校和科研院所的相关。最初的研究的主要目的进行了单臂多关节运动技术监测先进技术多国际风险运动臂，然后取得了一些成绩。
哈尔滨工业大学1986年他开始研究最关节臂，脚静手臂运动HIT-I和110厘米高，体重70kg多企业，第一个成功开发具有10个自由度，以实现在地面上的进展，该行的左侧和右侧，以及运动，上下楼梯，跨越45厘米，10秒/步，然后速度成功研制出HIT和HIT-II-III，体重42公斤，身高103厘米，它有12个自由度，以实现一个步骤24厘米，每秒2.3分步调。目前在下臂的HI第四多关节运动的发展，主体可以具有52个自由度，这是优异的运动和平衡三个单臂运动多关节[3-7]的速度方面。
国防科技大学于1988年的春天已经成功开发了六自由度平面双足运动臂多关节KDW-1，可以向前，向后和上下楼梯，最大速度为40厘米，每秒4个步骤，在1989年的步伐，先后开发了种类空间KDW-II，拥有10个自由度，最高的69厘米，体重13公斤包括更多的来回，上下楼梯和周围的几乎稳定静态动态。 1990增加了平台??KDW-II的两个垂直缝，在KDW-Ⅲ开发的，具有12个自由度，与函数曲线，以获得一个实验室环境完整。 1995动态步伐，0.8分第二，在步骤20厘米?22厘米，13度的最大倾斜角。发展在2000年底的KDW-III成功的中国的“急先锋”第一类人手臂的多关节运动的基础上，在不确定的环境中动态的，小的偏差，每秒两步周期，高1.4米，体重20公斤，有一个头，眼，颈，身体，手臂，脚，并有一定程度的语言功能[8-13]的。
此外，清华大学正在开发一个人形的手臂多关节运动THBIP-I，高1.7米，体重130公斤，32自由度，与清华大学985项目的支持下，该项目正在推进。航空航天南京大学已开发出8自由度单臂多关节运动的空间，静态函数[13,14]。
本文拟从“首届全国研究生机械创新设计大赛”臂多关节的动作。目前，单臂，多关节运动大多是在车轮的形式来实现功能的阶段。其实模仿人类行走的腿臂与多关节的运动并不多，但有六足，四足臂多关节运动已经出现，但多关节运动的手臂尚不多见。我们的问题，探索设计巧妙只是机械设备和简单的控制系统可以实现模拟人的手臂的多关节的动作。其子功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。
1.3 搬运单臂多关节运动的总体结构
搬运单臂多关节运动的组成及各部分关系概述：
它主要由机械系统（执行系统，牵引系统），检测系统和智能控制系统。
（1）执行系统：执行系统管理臂的通用件，机械零件最全面的清晰度，以获得必要的各种运动，包括手，手腕，机身。
1. 末端执行器：以便执行的工作，并构造成直接涂漆的片。
2.手腕，手和臂的连接元件，其作用是调节或改变工作的端部的方向。
3.臂部 所述臂部分的连接基和手，支持手腕构件，被携带的管理块的负载，改变手的空间位置，以满足臂操作空间多关节运动，每种类型的载荷传递到基座。
(d) 机身：的多关节运动臂基座部分，起到支撑作用，这是支持臂的部件，其作用是使所述臂的转动，起重或倾斜运动。
（2）驱动系统：提供电源到正在运行的系统的各种部件，以及其供应单元装置。常用的机械传动，机械传动和电气，气动和电动。
（3）控制系统：该驱动器的控制系统，使该系统的实施按照工作的要求，发出报警信号时的错误或故障。
（4）检测系统：通过各种传感装置，致动装置的运动检测中的作用，如果需要的话反馈到控制系统与该组相比较，以确保遵守该运动的要求。
实践证明，进组多关节运动可以代替繁重的体力劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化。频繁的处理和工业生产中的长期经常笨重件，单调的操作，使用单臂多联合演习是有效的。此外，它可在高温，低温，深水，宇宙，环境条件和其他放射性毒物污染进行操作，同时也显示出优越性，它具有广阔的发展前景[4-8]。
1.4 主要内容
第1章 绪论 主要介绍单臂多关节运动的相关知识和本课题研究的任务和要求.
第2章 总体方案设计,介绍该单臂多关节运动各部分的相关知识和总体设计.
第3章 单臂多关节运动各部分设计的介绍
第4章 单臂多关节运动结构设计
第2章 总体方案设计
2.1 技术参考数据
课题名称：单臂多关节运动机构
技术参考数据：底座旋转角度正负360度，肩关节旋转角度正负120度，肘关节旋转角度正负105度，腕关节旋转角度正负45度，夹持器开关未开/合状态，加持总重5kg
2.2 单臂多关节运动工程概述
单臂多关节运动是一个技术集成的跨学科，涉及计算机技术和自动化技术的机器，机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域。在科人得到有效解决组合问题综合工程被称为“系统工程”。手臂多关节运动设计，例如，系统工程，应作为一个综合的方法来系统设计对外关系的系统，并从整个有机联系的手臂运动环境的研究，开发和应用根据系统的内部部分多接头。
从复杂机械系统，包括一定的规则的功能系统结合多个子系统，它是一个不可分割的整体。如果你失去了开放的系统，可根据特定的一组。因此，在一个复杂的机械设计，概念启动机器，系统必须具有以下特征：
（1）机械系统完整的完整性机械系统由几个子系统具有不同的整体性能应具有的特定功能。
（2）作用的子系统之间的有机联系，包括有机，相互关联的。
（3）每个目标系统必须具有明确的目标和系统的功能，结构，功能，目标和手段，决策系统的各个子系统结合起来。
（4）系统对环境的适应是适应环境在某些情况下，我们必须能够适应变化的外部环境中。
所以，在设计机器人时，不仅要注意关节运动系统的部件的整个多部件设计臂应根据视工程系统的角度来看，这取决于一个单一的多关节臂的动作的功能要求，子系统，多臂关节，合理，产品的性能，需要在多关节臂的动作的作业的所有组件。一般来说，最复杂的行业手臂关节如下：在操作机器，是最大的，单臂多关节的运动来完成的任务，其中包括基地，手臂，手腕，副作用机构。传输系统，其中包括几个传输零点电源，控制，驱动系统和伺服驱动系统。所述控制系统包括电子控制装置的操作，记忆功能（计算机或其它版本控制装置可编程），操作员接口装置（键盘，学习盒等），数据处理装置和各种传感器，放大离线传输，传感器编程接口设备通??信的I / O 14]内部和外部传感器和其他设备（一般或特别。
特征行业臂多关节运动是普遍的调整，灵活的臂工业多关节运动可有效地用于柔性生产系统关键部件的发送处理单元组件或材料或其它柔性制造系统（例如，机床，锻压，焊接，装配等生产设备），辅助设备，控制系统，多关节臂运动，各种不同形式的运动系统的组建多联技术工艺机械行业其他生产部门。生产，如建筑，开采，生产和输送臂移动多关节是参考系统。。
2.3 工业单臂多关节运动总体设计方案论述
（一）确定负载
目前，国内工业用运动的多关节臂，负载能力，最小额定负载5N或更小范围很大，最多的为9000N。这篇文章5公斤载荷。
负载的大小主要取决于由于运动的沿的作用力和夫妇的机械接口上的多关节臂的运动的方向。其中下臂应该包括端部执行器的更关节运动（重量），和工件的重量或处理对象接缝预定速度和加速度的条件下，产生的惯性力等。该项目的数据参考设计初步估算表明，这一项目可能属于一个小负荷。
（B）驱动系统
由于伺服电机具有良好的控制性能，检查的灵活性，允许速度，位置，环境，体积小，效率高，适用于更为苛刻的运动控制没有影响的精确控制小臂运动多企业等特点，因此，该项目采用的是伺服电机。
（C）传动系统
动臂多关节运动可以紧凑，重量轻，惯性小，传动链条应考虑采取措施缩小差距，提高手臂多的移动和位置创业精密运动控制。臂传递机构机械运动多关节通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，传动齿轮和谐波钢等，由于传动齿轮具有效率高，准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，与大学学习和掌握更扎实的传输，所以这个设计选择的旅行。
（四）工作范围
操作过程中的工业手臂动作的工作范围是多关节的多关节臂的运动取决于所述扇区的操作领域和确定的轨迹，用表示的工作空间。形状和有关该结构的工作空间的大小坐标运动的多关节机械手，其大小和在数量和程度每个臂的自由操纵器公共轴线的长度的变化程度和所选择的关节轴的每个角的
（五）运动速度
每个铰接机械臂更坚定的臂的最大行程，按照循环时间来确定每个操作的时间的运动后，可以进一步确定每个动作的速度，单位为米/秒（°）/ s的，时间每个运动分配考虑在顺序地或同时地等进行许多因素，如每个操作序列之间的周期的总时间长度。表做他们的操作时间，操作时间分配之外的运动进行比较，以考虑分配请求有关的过程，它也必须考虑惯性的行程的大小和驱动和控制，定位和精度要求。
2.4 单臂多关节运动机械传动原理
该方案结构设计与分析
该搬运单臂多关节运动的本体结构组成如图
搬运单臂多关节运动本体组成
各零部件的功能介绍：
底座部件：
底座部件包括底座，齿轮件，轴承，步进电机。基本作用是支撑元件，支撑元件和旋转臂，承担着行李臂运动的多关节和工作量的重量，然后将碱必须具有足够的强度，刚度和负荷能力。此外库也需要大量的安装基础足以保证运动臂运输多关节在工作场所的稳定运行。
搬运单臂多关节运动的手臂通过通常的相位分量（例如气缸，气缸，齿轮齿条机构，连杆机构，螺旋机构和凸轮机构等）以及一个驱动源移动悬臂多关节臂（例如，液压或气动马达的臂致动合作的移动等），以实现各种的臂的运动的
手臂分为大臂和小臂。其中大臂部件是由大臂,齿轮传动部件和驱动电机所构成。小臂部件由小臂、传动轴及同步传动带等组成。手腕部分由手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等所组成。。
2.5 单臂多关节运动总体方案设计
工业单臂多关节运动的结构形式主要是含以下4种:直角坐标结构，圆柱坐标，球面坐标结构，铰接结构为四个。每个结构和相应的特征描述如下[3]。
(1) 直角坐标单臂多关节运动结构
直角坐标单臂多关节运动的空间坐标臂多关节的运动是三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1（a）在闭环位置控制的线性运动是容易实现，所以直角坐标臂多关节运动，可能得到高位置精度（微米级）。然而，对于尺寸多关节臂运动坐标而言的结构的移动相对该单个臂的运动的多关节笛卡尔空间，是比较小的。因此，为了获得运动的一定的自由，结构正交的尺寸协调多个关节臂比其他类型的多关节臂结构尺寸大。
直角坐标臂多关节的矩形空间的工件移动。笛卡尔坐标手臂运动最常见的是主要用于组装和处理操作，笛卡尔坐标多关节臂运动有三种结构悬臂龙门吊型。
(2) 圆柱坐标单臂多关节运动结构
柱面坐标臂的空间运动是两个直线运动和旋转运动的多关节运动来实现的，如图2-1（b）中。多关节单个臂的这种运动是相对简单的，精度可以在处理操作中通常使用的。他的工作空间是一个圆柱形空间。
(3) 球坐标单臂多关节运动结构
可动臂的空间多关节的球形协调运动由两个旋转运动和线性运动来获得，如2-1（c）中。这个简单的单臂运动的多关节结构，成本低，但精度不高。主要用于处理操作。他们的工作空间是一个球形空间。
(4) 关节型单臂多关节运动结构
运动空间关节臂运动多关节由三个旋转运动，以获得，例如2-1（d）所示。关节臂动作多关节运动灵活，结构紧凑，占地面积小。手臂多关节运动相对车身尺寸，其相对较大的工作空间。这样的单臂运动多关节被广泛应用于工业，如焊接，涂装，搬运，组装等作业，被广泛用于在这种类型的单臂多关节运动。
关节型单臂多关节运动结构则是由水平关节型和垂直关节这2种分类。
(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型
图2-1 四种单臂多关节运动坐标形式
根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。
具体到本设计中，因为在该范围内考虑的工件5公斤的处理的设计要求的质量，同时考虑到用数控机床及的多关节臂的动作的具体要求的布局的具体形式过程，以满足系统的要求，尽量简化结构，降低成本和提高可靠性。臂的运动范围的多结，单臂运动，和更高的定位精度，臂要求运动多关节旨在六个自由度，其具有自由的腰的旋转程度，手臂和俯仰臂自由度度手臂和手腕俯仰的旋转和旋转自由度的自由。在这份文件中，设计出臂的结构的大小，因此，需要获得该臂的机构的详细图的旋转自由的一大关节臂俯仰自由。
单臂多关节运动的特点是工作范围比较大，具有灵活性和多功能性，更紧凑的结构，可以抓住基地附近的对象。合作单位提出使用和特性以下技术参考
技术要求：(1) 所设计的单臂多关节运动系统，旨在满足携带沉重的动作周期的多臂关节运动系统短，效率高，速度快，和通用性，灵活性要求和其他性能，同时满足技术结构，经济等方面的要求。 （2）装配图，绘制零件图应严格按照机械设计，尺寸，公差，形位公差国家标准，标注必须是合理的技术要求，规范。 （3）机器人手臂末端与保持器的联接器的端部执行各种方便。 （4）论文书写要求描述清楚，书写规范。
2.6 本章小结
本章主要完成对单臂多关节运动系统设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了单臂多关节运动的总体设计方案后，就要针对单臂多关节运动的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。
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