并联六自由度微动机器人机构设计

I 摘 要 为了提高生产效率和焊接质量，满足特定的工作要求，本题设计用于焊接的关节型机器人的手腕和末端执行器。根据机器人的工作要求进行了机器人的总体设计。确定机器人的外形时，拟定了手腕的传动路径，选用直流电动机，合理布置了电机、轴和齿轮，设计了齿轮和轴的结构，并进行了强度校核计算。传动中采用了软轴、波纹管联轴器和行星齿轮机构，实现了摆腕、转腕和提腕的六个自由度的要求。设计中大多采用了标准件和常用件，降低了设计和制造成本。 关键词 ：自由度；焊接；手腕 n to to of of is of of to of s we of of up of C to to to of of of of 录 摘 要 . . 1 章 前言 . 1 机器人的概念 . 1 操作机 . 1 驱动单元 . 2 控制装置 . 2 人工智能系统 . 2 题目来源 . 2 技术要求 . 2 本设计要解决的主要问题及设计总体思路 . 2 第 2 章 国内外研究现状及发展状况 . 4 研究现状 . 4 工业机器人 . 4 先进机器人 . 5 发展趋势 . 7 第 3 章 总体方案设计 . 9 机械结构类型的确定 . 9 圆柱坐标型 . 9 直角坐标型 . 9 球坐标型 . 9 关节型 . 9 平面关节型 . 9 工作空间的确定 . 10 手腕结构的确定 . 11 基本参数的确定 . 11 第 4 章 手腕 的结构设计与计算 . 12 机器人驱动方案的分析和选择 . 12 手腕电机的选择 . 13 提腕电机的选择 . 13 摆腕和转腕电机的选择 . 13 传动比的确定 . 13 提腕总传动比的确定 . 13 转腕和摆腕传动比的确定 . 14 传动比的分配 . 14 齿轮的设计 . 15 提腕部分齿轮设计 . 15 转腕部分齿轮设计 . 22 摆腕部分齿轮设计 . 24 轴的设计和校核 . 26 输出轴的设计 . 26 传动轴的设计 . 26 轴的强度校核 . 29 夹持器的设计 . 33 壳体的设计 . 33 结 论 . 35 致 谢 . 36 参考文献 . 37 1 第 1 章 前言 机器人的概念 机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国 和 日 本 机 器 人 协 会 也 采 用 了 类 似 的 定 义 。 我 国 的 国 家 标 准12643工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业” 。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。 机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。 操作机 操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成： （ 1）末端执行器又称手部 是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。 （ 2）手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方 位和扩大手臂的动作范围，一般有 2 3 个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。 （ 3）手臂 它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。 （ 4）机座 有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受 2 相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。 驱动单元 它是由驱动器、检测单元等组成的部 件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。 控制装置 它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。 人工智能系统 它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策规划智能系统 。 1. 2 题目来源 本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品 质量与劳动生产率、实现生产过程自动化、改善劳动条件。 技术要求 根据设计要达到以下要求； （ 1）工作可靠，结构简单； （ 2） 装卸方便，便于维修、调整； （ 3）尽量使用通用件，以便降低制造成本。 本设计要解决的主要问题及设计总体思路 本设计要解决的问题有以下三个： 3 （ 1）手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少重量和体积； （ 2）提高手腕动作的精确性； （ 3）六个自由度的实现。 针对上述问题有了以下设计思路： （ 1）腕部机构的驱动装置采用分 离传动，将 3 个驱动器安置在小臂的后端。 （ 2）提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于分离传动采用传动轴。 （ 3）驱动电机 1 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体上作偏摆运动。电机 2 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实现手腕的上下摆动。电机 3 经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的回转运动。 4 第 2 章 国内外研究现状及发展状况 研究现状 从机器人诞生到 二十 世纪 80 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的 发展过程 。到 90 年代 ， 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展 ， 机器人技术也得到了飞速发展 1 。除了工业机器人水平不断提高之外 ， 各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展 。 下 面 将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路线分述机器人的最新进展情况 2 。 工业机器人 工业机器人技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的技术为基础融合而成的一种系统技术 3 。 （ 1） 机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。 以德国司为代表的机器人公司 ， 已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的 速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。 （ 2） 并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利 司，日本公司已开发出了此类产品。 （ 3） 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的 6 轴机器人发展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴，并且实现了软件伺服和全数字控制 。 人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 （ 4） 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性 5 能和对环境的适应性。日本 瑞典 国 公司皆推出了此类产品。 （ 5） 网络通信功能：日本 德国 司的最新机器人控制器已实现了与 线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。 （ 6） 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性 般为几千小时，而现在已达到 5 万小时， 几乎 可以满足任何场合的需求 4 。 先进机器人 近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应 用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外 感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向 5 。 （ 1） 水下机器人：美国的 罗斯的 国的水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成 了有缆水下机器人（ 无缆水下机器人（ 大类。 （ 2） 空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国 。 一辆自主移动车，重量为 寸 63048 6 个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关 注。 （ 3） 核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器， 6 加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的 巧手等 （ 4） 地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两 大 类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在 研制中。 （ 5） 医用机器人： 医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（ 研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（ 划、袖珍机器人（ 划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。 （ 6） 建筑机器人：日本已研制出 20 多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器 人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际 应用 。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。 （ 7） 军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务 ， 在战场上具有看、嗅和 触摸 能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功 能。如美国的 主导航车、 自主地面战车，法国的自主式快速运动 侦察车（ 德国 炸物处理机器人等。目前美国 在研制和开发 克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。 可以预见，在 21 世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴 6 。 7 发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展 。 主要研究内容集中在以下 8个方面 7 ： （ 1） 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载 时机构向着模块化、可重构方向发展。 （ 2） 机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于 网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。 （ 3） 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 （ 4） 机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 （ 5） 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。 （ 6） 虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。 （ 7） 多智能体（ 控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 （ 8） 微型和微小机器人技术（ :这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命， 并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响， 8 微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信 技术以及行走技术等方面。 我国对此进行了深入的研究。徐卫平和张玉茹对六自由度微动机构进行了位移分析并为其结构设计提供了计算依据 8 。还有刘辛军 、 高峰和汪劲松研究了微动机器人机构的设计方法，建立了并联六自由度微动机器人的空间模型，并分析了该微动机器人的空间模型，并分析了该微动机器人的机构尺寸与各向同性、刚度等性能指标的关系得到了一系列性能图谱，从各图谱中可以看出各项性能指标在空间模型设计参数空间中的分布规律，这有助于设计者根据性能指标来设计该微动机器人的机构尺寸，是探讨微动机器人机构设计的有效分析工具 9 。 9 第 3 章 总体方案设计 机械结构类型的确定 为实现总体机构在空间的位置提供的 6 个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案 10： 圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。 直角坐标型 直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作 空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差 。 球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。 关节型 关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回 转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。 平面关节型 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、 10 左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简 单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。 对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：关节型机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高 11。 工作空间的确定 根据关节型机器人的结构确定工作空间。工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。此机器人的工作空间为 1500图 3示。 图 3器人的机座坐标系 11 手腕结构的确定 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，即实现六个自由度如图 3示。 - 图 3动原理图 考虑到结构，电机将成三角形布置 。 基本参数的确定 空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态的自由度也得到了实现主要技术参数如表 3示。 表 3机器人的主要规格参数 动作范围 手腕回转 手腕摆动 手腕旋转 120 90 360 30/s 30/s 30/s 额定载荷 4大速度 2m/s 12 第 4 章 手腕的结构设计与计算 机器人驱动方案的分析和选择 通常的机器人驱动方式有以下四种 12: （ 1）步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步 ”现象。 （ 2）直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。 （ 3）交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管 功率晶闸管 场效应管 电力电子器件、脉冲调宽技术（ 计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用 16 位 2 位 环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式码盘 的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。 （ 4）液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率 /体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。 本次设计的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺 服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。 13 手腕电机的选择 提腕电机的选择 手腕的最大负荷重量 m ，初估腕部的重量 4m ，最大运动速度 v=2m/s 功率 p=fv=102=160W 取安全系数为 p=60=192W 考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率 p。 选择 Z 型并励直流电动机，技术参数如表 4示。 摆腕和转腕电机的选择 根据设计要求取相同型号的电机，选择 Z 型并励直流电动机型号为 200/20 表 4Z 型并励直流电动机技术参数 传动比的确定 提腕总传动比的确定 先根据下式求 角速度： =20 r/s 再求实际转速： 1 9 1 . 1 r / m 2 2060260 n 角速度 r/s； 型 号 额定电压 （ V） 额定转矩(N/m) 额定转速 (r/m) 参考功率 (W) 重量 (000 1 2000 400 14 V 运动速度， m/s； R 机械接口到转动轴的距离， m； n 转 速， r/ 最后求得总传动比： 1总i整1总i=10 转腕和摆腕传动比的确定 用同样的方法，可求得： 转腕总传动比2总i 20： 摆腕总传动比3总i 10： 传动比的分配 传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合理 13。 1. 提腕传动比分配 提腕总的传动比1总i=10，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比 11i =2，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比 12i 5。 2. 转腕传动比分配 转腕总的传动比2总i 20，该传动为两级传动，第一极传动为圆锥齿轮传动，传动比 21i 5，第二极传动为圆锥 齿轮传动，传动比 22i 4。 3. 摆腕传动比分配 摆腕总的传动比3总i 10，该传动为两级传动，第一极传动为圆 15 柱齿轮传动，传动比31i 2，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比32i 5。 齿轮的设计 按照上述传动比配对各齿轮进行设计 。 提腕部分齿轮设计 1. 第一极圆柱齿轮传动 2. 齿轮设计 齿轮采用 45 号钢，锻造毛坯，正火处理后齿面硬度170190轮精度等级为 7 极。取 4020220 21 则 。 (1)设计准则 按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 (2)按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度条件的设计表达式： 2 （ 4 其中： ； 2u ； Z； Z 。 61 选择材料的接触疲劳极根应力为： M 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数 N 由下列公式计算可得： 1 60 （ 4 168300200060 16 则 9912 接触疲劳寿命系数 , S ，弯曲疲劳安全系数 S ， 又 Y，试选 。 求许用接触应力和许用弯曲应力： M P m i l i m i l i m i nH l i m i l i 将有关值代入（ 4： t则： m / 0 060 2 0 0 0 060 11 1 动载荷系数 v ；使用系数 1AK ；动载荷分布不均匀系数 17 K ；齿间载荷分配系数 1K ，则： 修正 m 。 （ 3）计算公称尺寸 b ； b （ 4）校核齿根弯曲疲劳强度 复合齿形系数 Y， 校核两齿轮的弯曲强度： （ 4 M P 55 2 P 1M P 1 0 8 所以齿轮完全达到要求。 表 4轮的几何尺寸 名称 符号 公式 分度圆直径 d 齿顶高 ( 齿全高 h fa 齿顶圆直径 1 aa aa 齿根圆直径 1 ff ff 基圆直径 o dd o dd b 齿距 p 齿厚 s 齿槽宽 e 中心距 a ( 21 顶隙 c 19 由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，小齿轮将做成齿轮轴。 2. 第二极圆锥齿轮传动 齿轮采用 45 号钢，调质处理后齿面硬度 180190轮精度等级为 7 极。取 1 0 020520 21 则 。 （ 1）设计准则 按齿面接触疲劳强度设计，再 按齿根弯曲疲劳强度校核 15。 （ 2）按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度的设计表达式 （ 4 其中， ， 5u ；， Z ， 61 选择材料的接触疲劳极根应力为： M 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数 N 由下式计算可得 1 60 （ 4 168300200060 则： 9912 108 4 接触疲劳寿命系数 , S ，弯曲疲劳安全系数 S ,又 Y， 20 试选 。 求许用接触应力和许用弯曲应力： M P m i l i m i l i m i nH l i m i l i 将有关值代入（ 4： 1(3222 t则： m / 0 060 2 0 0 0 060 11 0 0 11 动载荷系数 v ；使用系数 1A K ；K ；齿间载荷分配系数取 1则： 修正 31 21 表 4轮的几何尺寸 符号 公式 分度圆直径 d 01 0 0222 齿顶高 ( f 齿顶圆直径 o aa 2c o s2 齿根圆直径 ff 7co ff 齿顶角 a0 1 9 5 9.0/t a n 根角 f0 2 3 5.0/t 度圆锥角 1 9