毕业设计（论文）-小型码垛机器人的结构设计（全套图纸三维）.pdf

本科毕业论文（设计） 小型码垛机器人的结构设计小型码垛机器人的结构设计 系系 （部）（部） 机械工程系 专专 业业 机械设计制造及其自动化 学学 号号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 提交日期提交日期 2015 年 5 月 17 日 目录目录 目录 摘 要 . I ABSTRACT . I 1 绪论 . 3 1.1 引言 . 3 1.2 码操机器人的特点与分类 . 3 1.2.1 码探机器人的特点 . 3 1.2.2 码圾机器人的分类 . 4 1.3 码躲机器人的国内外研究现状 . 5 1.3.1 国外码垛机器人发展现状 . 5 1.3.2 国内码塊机器人发展现状 . 6 1.4 课题来源与意义 . 6 1.5 本文主要研究内容： . 7 1.6 本章小节 . 7 2 机器人总体结构的设计 . 8 2.1 引言 . 8 2.2 码垛机器人本体的构型分析 . 8 2.2.1 码垛机器人的技术参数 . 9 2.2.2 码操机器人总体设计 . 9 2.3 臂长及参数 . 11 2.3.1 臂的结构 . 11 2.3.2 前臂 . 12 2.3.3 小臂 . 14 2.3.4 l1 (小臂传动杆)的校核. 15 2.3.5 对 l7 (前臂连动杆）进行校核 . 15 2.3.6 对大臂的校核 . 15 2.4 本章小结 . 17 3 腰部及关节的设计 . 17 3.1 电机的种类 . 17 3.2 减速机的种类 . 18 3.3 码躲机器人关节的详细设计 . 21 3.3.1 回转关节 T 轴的设计 . 21 3.3.2 旋转关节轴的设计 . 24 3.3.3 小臂旋转电机的选择 . 27 3.3.4 大臂旋转电机的选择 . 28 3.5 本章小结 . 29 4 手部的设计 . 29 4.1 手部的结构设计 . 29 4.1.1 概述 . 29 4.1.2 设计时应考虑的几个问题 . 30 4.1.3 手部夹紧力的计算 . 31 4.2 气压缸的选择 . 32 4.2.1 气压缸的简介 . 32 4.2.2 气压缸的选择 . 34 4.3 本章小结 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5 结论与展望 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2 展望 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 I 摘 要 本文设计的是一个拥有多个自由度的机器人，用于给生产包装进行码垛。 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。机器人技术是利用 计算机的记忆功能、 编程功能来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务的高新 技术，是当今各国竞相发展的高技术内容之一。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷 涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方 式。 该机器人由手部、手臂、腰身和底座等组成，具备上下料，翻转和转位等多种功能， 并且结构简单，操作方便。驱动方式为电机驱动，采用伺服电机。 关键词：关键词：机器人；工作方式；结构设计；伺服电机 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 2 ABSTRACT This text is to design one robot own four freedom degree, Its used to give blunt press an equipments carrying material In the modern industry, the mechanization of the production line, automation have become outstanding topic. Robot technique is make use of calculator of memory function, plait the distance function come to control operation machine auto completion industry produce medium a certain appointed technique of mission, is all countries nowadays competitively development of high and new technology one of the technique contentses. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the of welding, spraying, transporting and stowing etc , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. .Its robots turn to constitute by the hand, arm, waistline and base etc. and have top and bottom anticipate, inside out with turn etc. variety function, and structure simple, operation convenience. Drive a way to drive for the electrical engineering, adoption step enter electrical engineering. KEY WORDS: robot; work way; structure design; the step enter electrical engineering 3 1 绪论 1.1 引言 机器人技术是一种高新技术，它涉及诸多学科及技术领域，综合了计算机、 机构学、信息和传感技术、控制论、仿生学和人工智能等多学科而形成的。机器 人按照用途可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人，其中工业机器人是目 前应用最多、技术上发展最成熟的一类机器人。 随着我国经济的快速发展和科学技术的突飞猛进， 使得机器人在码操、 喷涂、 挥接、 测量等行业有着相当广泛的应用。码圾机器人是实现物流和包装自动化的 关键装备，可以实现高速、自动、连续、准确的码操任务，满足产品码圾需求。 人工码操是强度大、重复性高的劳动，特别是高粉尘、有毒、有害等物料，基本 不适合人工码设，因此有必要研发一种码操机器人，减低生产过程中对工人的身 心伤害。 工业机器人有多种不同的分类方式， 按照机器人工作空间的坐标系形式可以 分成：直角坐标式机器人、圆柱坐标式机器人、关节式机器人和机器人。关节式 机器人和机器人如图所示。关节式机器人由一个时关节和两个肩关节定位，腕关 节进行定向。关节式机器人的构型动作灵活，工作空间大，占地面积小，结构紧 凑，手臂的干涉最小。按照机器人的用途可以分成：燥接机器人、喷涂机器人、 码躲机器人、装配机器人和专门用途的机器人。 1.2 码操机器人的特点与分类 1.2.1 码探机器人的特点 码操机器人相对于辉接机器人、装配机器人和喷涂等机器人有很大的区别， 主要体现在以下几个方面： 【1】 （1）码操机器人搬运的物料实现水平面内的旋转和空间内的平移，动作难度 较小，无需进行物料的翻转动作。码垛任务只需要四个自由度，关节控制末端位 置，和关节控制末端姿态； (2)码圾机器人利用了“平行四边形”原理，通过两组平行四连杆的传动， 使机器人末端的腕部关节轴线始终与地面垂直， 保证了包装的袋子或者箱子在搬 运过程中的平稳状态； (3)码操机器人减少了两个自由度，结构简单，零部件少，性能更可靠， (4)故障率降低，保养和维护起来方便； 4 (5)集成性较高，占地面积小，方便企业优化配置厂房面积； (6)功率消耗低，大大降低了客户的生产运行成本和能源的消耗； (7)适用性和灵活性高，面对产品的多样性或特定客户的产品的尺寸、形状、 体积及托盘的形状和尺寸发生变化时，只需要在控制器上稍作修改即可满足需 求，不会影响正常的生产，这是传统的码操装备无可比拟的； (8)控制方式和示教方法简便； (9)码圾的任务相对于揮接或装配任务，定位精度要求相对较低。 1.2.2 码圾机器人的分类 码探机器人按照驱动传动和结构的不同可以分成：混联码操机器人，并联码 探机器人和关节式串联码圾机器人。 欧洲和美国主要以关节式串联码操机器人为 主。混联码操机器人主要以日本的机器人为代表。 【2】 并联机器人具有以下特点：无累计误差，精度较高；运动部分重量轻，速度 高，动态响应好，驱动装置可置于固定平台上；结构紧凑，承载能力大；并联机 构的各向同性优异。同时，由于并联机器人工作空间较小，承载能力弱，在现实 的自动化生产线重载环境下， 适用性和灵活性不高， 因此在食品行业和快速分拣、 蹄选行业等轻载环境下，并联机器人突显出它的优势，在高速重载行业，主要是 混联码设机器人和串联关节式码躲机器人。 本节就码躲行业常用的混联码棵机器 人和串联关节式码圾机器人两种机器人做出对比。 两者的区别在于混联码设机器 人四个关节中，两个关节为移动关节，其余为旋转关节，后者的四个关节皆为旋 转关节。两者都经过两个四连杆机构传动，使末端的腕部关节旋转轴线始终与地 面垂直。 混联码操机器人 【3】和关节式串联机器人的第一关节与第四关节同为旋转关 节。 而混联码操机器人的第二关节和第三关节为移动关节， 第二关节为水平移动， 第三关节为垂直移动，两关节部分各有驱动系统，每个电机控制同步带轮的旋转 驱动滚珠丝杠， 从而带动其滑块的运动， 可以实现大臂上下运动， 小臂前后运动。 这样结构的优点是可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。 目前搬运机器人研发方面，均采用四轴旋转的关节式结构，与两个旋转和两 个移动 关节的混联码操机器人比较，具有如下优势： 结构紧凑，外形美观，为目前四轴搬运码操机器人的主流发展方向； 维护方便，故障率低，与滚珠丝杠、精密行星减速机的传动方式相比，减速 机传动简单，易于维护，使用寿命长，前者在润滑与密封方面较后者复杂； 成本基本持平，两者使用相同数量的伺服电机和减速机，混联码操机器人还 5 另外需要滚珠丝杠和导轨； 关节式码操机器人的旋转关节方式定位精度高于混联码圾机器人的直线关 节方式的定位精度； 在机械结构设计方面，混联码操机器人的结构较关节式码操机器人更为复 杂，需要解决伺服电机、同步带传动、滚珠丝杠和导轨的布置问题； 混联码操机器人虽然也有行程放大的机构，但由于外观尺寸的限制，滚珠丝 杠和导轨的长度受限，运动空间小于关节式码探机器人。 1.3 码躲机器人的国内外研究现状 从上世纪八十年代开始，欧美以及日本等国家，在推广搬运码圾的自动化和 机器人化方面取得了很大的进步，在国家“七五”、“八五”期间，我国许多高 校科研院所也研究和开发了码操机器人，并取得了一些成果。 1.3.1 国外码垛机器人发展现状 工业机器人技术在国外起步较早， 第一次将机器人技术应用于码操作业的是 在世纪年代， 由日本提出的。 目前， 世界各发达国家的机器人公司针对各种载荷、 运行空间和运行环境， 不断推出高性能、 高可靠性、 高速、 高精度的码探机器人。 码圾机器人市场主要分为欧系和日系。欧系码操机器人以 ABB 和 KUKA 为代表， 日系码操机器人以 FANUC 和 YASKAWA 为代表。 【4】 ABB 公司是全球领先的工业机器人供应商，在码操作业方面，有着全套 先进的机器人解决方案。1974 年，设计研发了全世界第一台全电控式、微处理 器控制的工业机器人。随着技术积累，最近公司研制了全球速度最快的紧凑型四 轴码操机器人。在工作节拍方面，每小时最快可以达到 2190 次，工作空间的直 径达到 2400mm，在运行速度方面，较相同类型的机器人提升了百分之十五左右， 在占地面积方面，只是同类机器人的五分之四，在工厂狭小空间内的高速作业， 将更加适用。针对不同行业的需求，开发了特殊规格的机器人，是实现高精度拾 放料作业的并联机器人，范围可达 1600mm。 作为全球最大机器人生产商之一的德国 KUKA 机器人公司，涵盖了所有应用 场合和负荷等级的机器人类型， 其中 Iitan 是目前市场上最强悍的工业机器人主 要应用于包装及蹄选，承载能力可以达到 1300Kg，最大作用范围 3202mm，重复 定位精度也能达到0.2mm。凭借矫健的身姿，获得了全球公认的红点设计奖。 机器人在长时间停止时，伺服系统将会自动关闭，节约电力的消耗，减少运行成 本。 同时机器人配有助力弹簧， 用于降低驱动电机负载， 提局机器人的承载能力。 6 【5】 日本安川公司于 1977 年研制出第一台全电动工业机器人，至今在全球已生 产 13 万多台机器人。安川机器人的 MP 系列是专门应用于码操作业的，码操机器 人的负载能力达到了 160kg 重复定位精度达到0.5mm。 1.3.2 国内码塊机器人发展现状 我国工业机器人技术研究与应用开始于上世纪 70 年代，自主研发的码操机 器人主要结构形式有直角坐标式和关节式。近几年，在码圾机器人方面，出现了 一批具有较强研发实力的科研院所和专家企业。 【6】 上海交通大学与上海沃迪科技有限公司研发了 TPR 系列码操机器人。TPR 系 列机器人与日本码操机器人结构相似，具有独特的线性四连杆机构利用工控机、 运动控制卡、PLC 实现机器人的控制，并且可以通过人机交互，核心算法由工控 机完成，控制软件在平台上编写，实现码操机器人生产能力达到 1600 包/小时。 沈阳新松机器人自动化公司是我国工业机器人的产业化基地， 我国第一台工 业机器人样机，就是在该公司研发与制造成功的。在机器人技术方面，新松机器 人优化了机器人控制、操作机设计、工程应用和机器人作业等关键技术难题，解 决了高精度插补、机器人语言、多轴协调和传感器控制等技术，研发了具有我国 自主版权的机器人控制器其应用涵盖搬运、 偉接、 冲压、 喷涂以及机加工等领域。 清华大学陈恳、 杨向东和北京邮电大学李金泉以及北京理工大学付铁共同开 发了 TH50 型码躲机器人，负载 50kg，可搬运 1000 袋小时。HT50 型码操机器人 的结构与 ABB、 KUKA 等机器人不同， 第二关节和第三关节采用滚珠丝杠驱动， HT50 码设机器人是各关节直接驱动方式， 这种驱动方式的好处是可以减小驱动电机和 减速机的功率，不需要平衡气赶、弹賛等元器件。 【7】 相对于国外工业机器人技术， 我国工业机器人技术在产品研发和生产制造方 面与国外还存在一定的差距，大部分技术还是被国外公司掌握，自主产权的核心 技术较少因此，发展自主产权和核心竞争力的工业机器人产品，已成为我国机器 人产业的当务之急。 1.4 课题来源与意义 本课题来源于中国科学院新兴战略产业项目 “面向大型冲压生产线作业 的 锻压机器人幵发与产业化”。随着我国码操、包装等物流产业的迅速发展， 不断 7 增长的市场需求与生产效率之间的矛盾， 对码躲设备的生产效率提出了更高 的 要求，但目前我国的码探机器人市场多为国外机器人公司所垄断，国外码躲 机 器人产品在中国的年产销额已近五亿元， 因此研发具有自主知识产权的低成 本 码探机器人产品己成为我国机器人领域亟待解决的问题。 码操的自动化可以 保 护工人的人身安全，减少产品的破损，快速地将物品码放整齐。码躲机器人 能 够帮助人们从事单调劳累的工作，降低劳动成本、稳定产品质量和提高劳动 生 产率，研究分析码躲机器人具有广阔的市场前景。 1.5 本文主要研究内容： 码垛机器人作为集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电 产品，其结构复杂，因此本课题侧重于对小型码垛机器人的结构设计。力求在既定的课题要 求内完成对小型码垛机器人的驱动机构， 多自由度手臂， 以及码垛机器人的抓取结构的设计， 并进行不断的探索。 对本课题中小型码垛机器人结构设计的主要任务包含如下几个方面： 1.小型码垛机器人的驱动机构设计 2.小型码垛机器人多自由度手臂的结构设计 3.小型码垛机器人的抓取结构设计 1.6 本章小节 本章介绍了工业机器人特点及分类，码躲机器人特点及分类，综述国内外码 塊机器人研究进展，最后阐述了本课题的来源与意义及主要研究内容，同时介绍 了本文的研究内容和各章节的安排。 8 2 机器人总体结构的设计 2.1 引言 码操机器人是码操自动化生产线的重要组成部分， 码探机器人本体是码操机 器人系统的载体与核心， 其设计的科学性与合理性将直接影响码操机器人的制造 与使用，本章将重点研究码操机器人的本体构型和主要技术参数，驱动电机与减 速机的类型，进而通过计算，确定驱动电机和减速机的型号，并建立机器人的三 维模型。 2.2 码垛机器人本体的构型分析 作为机器人结构设计的核心环节， 码垛机器人的机械手臂的设计是至关重要 的。 手臂是机械手的执行部件， 它主要起到对机械手腕部和抓取手部的支撑作用， 并带动它们进行空间的往复，循环等运动。 【8】 码垛机器人臂部设计需要达到的基本目标： （1）手臂自重轻，承载能力大，强度大，刚度好 （2）手臂运动灵活性好 （3）手臂运动速度高，灵敏度好 本设计采用四杆平行机构，双摇杆机构,以使调整器、大臂和上臂组成的双 平行四边形结构能够保证末端执行器始终与水平面平行，如图(1)所示。 为了使码垛机器人轻量化，其操作臂均采用空心薄壁杆件。 9 2.2.1 码垛机器人的技术参数 根据码探机器人项目任务书上的设计要求，机器人要能完成码躲的基本功 能，末端需要连接执行手爪，机器人本体能够灵活运动，能够实现抓取袋状或箱 体的功能。虽然码设机器人的机构构型、用途以及客户的个性化要求各异，国内 外机器人供应商提供的技术参数也不相同，但一般来说，码操机器人的主要技术 参数有：自由度、重复定位精度、工作空间范围、运行速度和末端承载能力。本 文项目要求的码操机器人臂展为 2000mm，末端承载能力达到 50kg， 具有个 4 个自由度的关节分布，重复定位精度为1mm。下表列出了码操机 器人各项参数。 项目 参数 项目 参数 本体构造 关节型（多自由 度） 最大速 度 S 轴（旋转） 90 度每秒 载荷 50kg L 轴（大臂） 85 度每秒 重复定位精度 1mm U 轴（小臂） 85 度每秒 动作范 围 S 轴（旋转） 90 度 T 轴（同转） 210 度每秒 L 轴（大臂） 0 度90 度 本体重量 800kg U 轴（小臂） 135 度180 度 末端执行器重量 60kg T 轴（同转） 360 度 功率 10KW 2.2.2 码操机器人总体设计 码操机器人本体主要由底座、主构架、大臂、小臂、腕部和末端执行器组成 的，具有四个自由度，即四个旋转关节，四个关节分别为：底座与主构架之间， 主构架与大臂之间，大臂与小臂之间以及腕部与末端执行器之间的四个旋转关 节。底座是码操机器人的承重基础部件，固定在地面或支架上，主构架是大臂的 支撑部件，实现机器人的回转功能，主构架可以在底座上进行旋转，大臂是小臂 的支撑部件，大臂的摆动可以改变末端执行器在水平方向上的行程，而、臂的俯 仰则可以实现末端执行器在垂直方向上的位置变换， 腕部的末端执行器旋转关节 可以调整承载目标的旋转角度和位置。 【9】 码探机器人可用于箱状、块状和袋状等物料的码躲搬运，机器人本体结构如 图所示： 1、底座通过一个轴线垂直于地面的旋转关节与主构架联接。 10 1、主构架安装在底座上，为整个臂部提供支撑，其上安装有大臂、小臂和 保持腕部水平的连杆。大臂、小臂与连杆相互构成平行四边形，增加了整个臂部 的刚度。各连杆参数的选择将直接影响码操机器人的工作范围。 3、第三关节的驱动系统采用后置式，即第三关节的驱动伺服电机和减速机 在主构架上，这样将明显改善系统的动态特性和降低系统的运动惯量。 4、腕部与臂部之间有一个转动关节，末端关节通过串联平行四边形机构的 叠加效应，满足腕部的易控性。 码探机器人为了保持末端腕部的轴线与地面垂直，利用了“平行四边形”原 理， 通过水平保持连杆和腕部水平保持连杆组成的两个平行四边形，保证末端腕 部的轴线与地面垂直。其原理是：理是： o 180321=+如图所示，无论码 躲机器人处于何种位置与姿态，1,2 和3 的角度始终不变，并且三个角度 之和等于 180。另外小臂传动连打利用一个四连杆机构，将小臂的动力传递到 支撑小臂，这样的四连打机构具有四个功能： 1、增加整个臂部刚度 平行四边形的相互稱合作用， 增加了整个机器人传动系统的刚度减小了启动 与急停情况下造成的机器人颤动。 2、行程放大功能 见图，线段 BCD 在同一直线上，即 BCD 是同一连杆，OABC 是平行四边形， 线段 OA 和 BC 是等长的，OA 即是小臂，在小臂转动时，驱动连杆 BCD 会绕点转 动，回转的角速度和角加速度相同，而线段 CD 的长度大于线段 BC 的长度，因此 小臂和支撑小臂组成的平行四边形具有行程放大的作用，放大系数为线段 CD 长 度与线段 BC 长度的比值。 3、减小系统惯量 码操机器人第三关节（u 轴）的驱动电机和减速机采用了后置式分布，通过 平行四边形传递动力， 使驱动传动系统可以放置在主构架上， 减小了系统的惯量。 在选择第一关节和第二关节的驱动系统时，对驱动电机可作适当的调整，降低驱 动电机的功率和力矩，节约成本，同时增加了系统的稳定性。 4、码操机器人利用“平行四边形”原理简化了机器人位姿的控制，降低了 过程控制的难度，可以缩短机器人的工作周期和研发设计成本。 11 图 2-1 码垛机器人的本体结构 2.3 臂长及参数 2.3.1 臂的结构 本文设计的机械结构如下图所示： 12 首先确定 l6 /l5 的值。根据经验，比值一般为 26，根据实际需要选取 5。 因此在本设计中取 l6 为 1.5m，l5 =l6 /5=30cm。令 l4 的长度与 l6 的长度相等， 也为 1.5m。调整器为等腰直角三角形，腰长为 15cm。水平保持架连杆 l2 的长度 为 1.5m，小臂 l3 的长为 30cm，小臂连动杆 l1 =l2 =1.5m。l7 =l2 =150cm。因此， l1 ，l3 ，l4 ，l5 组成平行四边形结构，可以保证前臂与小臂一直保持平行。A， B，C，D 也构成平行四边形结构，因此在三角形调整器的调整下，AE 可以一直与 O1 O2 保持平行，C1 B1 也保持平行，从而使得机器人的执行机构一直保持水平。 经过仔细的分析，并在实际需要的基础上，当前臂转动到水平位置，大臂转 动到竖直位置，如图实线所示位置时爪手上升到最高点；当机构处在如图所示虚 线位置时执行机构爪手下降到最低点，此时大臂 l4 与水平面成 45 度角。 2.3.2 前臂 对前臂处于实线位置时进行受力分析，如下： 令前臂 FB 的重量为 600N,手部执行端重量为 40N，货物重量为 500N。 由此时系统平衡可得到： ()=0 Ai MF 由 mg 到 B 的距离为 37cm，前臂连动杆到前臂的距离为 15cm 可知： 2 2 2 2 mg 3715sin4515 2 900 371515 2 3140, sin452220 fF fF FN fFN = = = = o o 故， 又由， 2 35 3 25 2220 2 500 11100 12100 gfBF gfBF FFAGFAfFA FG N =+ =+ =+ = g 取 F 点为坐标原点则， ( )() () () ( ) ( ) ( ) 2 0 6 mg 5 6 00 3810 60 BF BF x MxF xGxFA FA xFA FAxFAG FA xM x xFAM xN m xFAM x = = = = = gg gg g 当 时， 当 时，A点力矩为 当 时，A点力矩为 所以，由以上计算可得到前臂的受力图和弯矩图，如下： 13 前臂的受力图和弯矩图 由于 A 处受力为： 0 12100500900 13600 AGF FfGmg N =+ =+ = 且 A 处承受最大弯矩，很显然，A 处为危险截面。 综上所述，本设计采取 Q235 为前臂的材料。Q235 材料 又知， 2 0 2 2 225,150, =0.7105 d 4 12412.6,=13 s O A MPaMPa n F P MPa AA Ammdmmdmm = = 其中 n取1.5。 所以得，取。 13600 2300 13 3.5 j j j p p MPa Atda amm = 经分析查表知，前臂在 A 处的截面模量为： 14 2 max 1 2 22 23 6 6 = 681600 13600150 544 Z Z Z Ibh W y M M Wbh MPa abab a bmm = = = g g g 所以， 所以， 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Z W 为抗弯截面模量 为压应力 为许用应力 604a bbg又由于显然大于，故 可以小于等于 综上所述，选取 000 20,100,?80,15.amm bmm bbmm dmm= 又由于材料 (1.7 2.0)(178.5 210),200a, j MPaMP = 此处取 3 13600 200 ,68 jj j j P MPa AA Amm = 所以 挤压应力 许用挤压应力 因此综上，最终选择 ： 12 1 2010100 2 ammaaammbmm=， 2.3.3 小臂 有以上数据，换算到小臂的转矩为 12100 0.3 3630 gf MFl N m = =g 小臂 因为小臂的最大转动力矩为 3630Nm 小于大臂危险截面处的力矩 3810Nm，因 此， 为了保证外观的协调性与空心型钢的选择性，将小臂的壁厚设计为与大臂壁 厚相同，即采用的宽度为 100mm,高度为 100mm,壁厚为 10mm。因此其强度显然满 足实验要求。 15 2.3.4 l1 (小臂传动杆)的校核 经分析，当机构转动至如图所示虚线位置时，小臂传动杆只受拉力，且此时 所受拉力最大，为 f1 =12100N。 1 11 1 2 12100 150 82 2010 f ll l P MPa AA Amm ammbmm = = 所以，得 最终选择：， 2.3.5 对 l7 (前臂连动杆）进行校核 由于 l7 只受拉力作用，且受最大力为 2220N, 7 2 22202220 150 5 - - - - - - - l P MPa AAab abmm P A = 由 = 得 拉应力 许用拉应力 拉力 承受面积 8,10amm bmm= 根据实际情况， 最终选择 2.3.6 对大臂的校核 作出手部，前臂，调整器的受力简图，如下图所示（有的力未画出）： 16 11 -sin45450 2ffmgN= o g 又因为， 14 4 2221 - sin45 =90N -900 fABfFB f fffmgN = = o ggg 所以得： 因此，A 点受到竖直向下的合力为： 214 /sin45sin45 900 2+45 2+5001836 fffmg N =+ = oo 合前臂 有因为，大臂自身重量约为 500N 因此，当机构转动至如图所示位置时，U 轴（大臂旋转轴）所受力矩为： 1 =sin45sin45 2 1 1836 1.5 sin45500sin45 2 2124 MfOAmg Nm + =+ oo oo g 合合大臂 所以前臂的受力图及弯矩图如图所示： 17 大臂的受力图和弯矩图 2.4 本章小结 本章根据码操机器人的工况及载荷特点介绍了码操机器人的主要技术参数 和本体构成，对码躲机器人的本体构型进行详细的描述，利用“平行四边形”原 理， 保证末端执行器的轴线始终与地面垂直，初步完成了四自由度码操机器人本 体规划和设计。 3 腰部及关节的设计 3.1 电机的种类 在码圾机器人系统的总体规划与方案设计完成后， 首先要进行机器人驱动与 传动系统的设计计算。除了确定驱动方式外，还需要确定驱动系统的具体参数， 18 例如各个电机的驱动力矩数值和功率等。 电机驱动相对于气压和液压驱动方式，运动速度快，定位精度高，驱动效率 高，对温度变化不敏感，噪声和污染都比较小。根据实际的需要，码操机器人选 用电机驱动方式。 目前，机器人电机主要有以下几种： (1)直流伺服电机：直流伺服电机调速特性好，功率密度大和快速响应