关节型机器人腕部结构设计
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、转腕和提腕的三个自由度的要求。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
目 录
1 前言………………………………………………………………………………1
1.1机器人的含义………………………………………………………………………1
1.2题目来源……………………………………………………………………………2
1.3技术要求…………………………………………………………………………2
1.4 本题要解决的主要问题和设计思路……………………………………………2
2国内外发展状况及现状的介绍……………………………………………………2
2.1 研究现状…………………………………………………………………………2
2.2 发展趋势…………………………………………………………………………4
3总体方案论证…………………………………………………………………………5
3.1 机械结构类型的确定……………………………………………………………5
3.2 工作空间的确定……………………………………………………………………6
3.3 手腕结构的确定……………………………………………………………………7
3.4 基本参数的确定……………………………………………………………………8
4 手腕详细设计说明………………………………………………………………8
4.1 机器人驱动方案的分析和选择……………………………………………………8
4.2手腕电机的选择………………………………………………………………9
4.3传动比的确定………………………………………………………………9
4.4 传动比的分配………………………………………………………………10
4.5 齿轮的设计…………………………………………………………………10
4.6 轴的设计和校核……………………………………………………………18
4.7 夹持器的设计……………………………………………………………………23
4.8 壳体的设计……………………………………………………………………23
5结论………………………………………………………………………………24
参考文献…………………………………………………………………………25
附录………………………………………………………………………………26
1前言
1.1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GB/T12643-90将工业机器人定义为：“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。
1.1.1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：
a.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。
b. 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。
c. 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。
d. 机座 有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。
1.1.2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。
1.1.3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。
1.1.4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。
1.3技术要求
根据设计要达到以下要求
a. 工作可靠，结构简单；
b. 装卸方便，便于维修、调整；
c. 尽量使用通用件，以便降低制造成本。
1.4本题要解决的主要问题及设计总体思路
本题要解决的问题有以下三个：
a. 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；
b. 提高手腕动作的精确性；
c. 三个自由度的实现。
针对上述问题有了以下设计思路：
a. 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。
b. 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。
c. 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。
2国内外研究现状及发展状况
2.1研究现状
从机器人诞生到本世纪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。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。
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