毕业设计（论文）-六自由度工业机器人设计（全套图纸）.pdf

湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 毕毕 业业 设设 计（计（ 论论 文文 ） 题题 目目 六自由度工业机器人六自由度工业机器人 结构设计结构设计 作作 者者 学学 院院 机电工程学院机电工程学院 专专 业业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学学 号号 指导教师指导教师 二一五 年 五 月 三十 日 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 机电工程学院 院 机械设计制造及其自动化 系（教研室） 系（教研室）主任: （签名） 年 月 日 学生姓名学生姓名: 学号学号: 专业专业: 机械设计制造及其自动化 1 设计（论文）题目及专题： 六自由度工业机器人结构设计 2 学生设计（论文）时间：自 2015 年 3 月 1 日开始至 2015 年 5 月 29 日止 3 设计（论文）所用资源和参考资料： 工业机器人、机器人学、机器人运动学基础、Solidworks2013 从入门 到精通 4 设计（论文）应完成的主要内容： （1）介绍工业机器人的发展现状及前景； （2）工业机器人工作空间计算和简单的运动学分析； （3）工业机器人结构设计及关键零部件计算； （4）对关键零部件进行强度校核。 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求： （1）相关的计算、设计框图及仿真图； （2）论文不少于 35 页； （3）说明书中必须有与设计（论文）内容或专业相关的不少于 1500 字的外文资料翻 译。 6 发题时间： 2015 年 3 月 1 日 指导教师： 学 生： 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 毕业设计（论文）指导人评语毕业设计（论文）指导人评语 主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用 性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价 全套图纸，加 153893706 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 指导人：指导人： （签名） 年 月 日 指导人评定成绩：指导人评定成绩： 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 毕业设计（论文）评阅人评语毕业设计（论文）评阅人评语 主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法， 实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价 评阅人：评阅人： （签名）（签名） 年年 月月 日日 评阅人评定成绩：评阅人评定成绩： 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 毕业设计（论文）答辩记录毕业设计（论文）答辩记录 日期：日期： 学生：学生： 学号：学号： 班级：班级： 题目：题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料： 1 设计（论文）说明书设计（论文）说明书 共共 页页 2 设计（论文）图设计（论文）图 纸纸 共共 页页 3 指导人、评阅人评语指导人、评阅人评语 共共 页页 毕业设计（论文）答辩委员会评语：毕业设计（论文）答辩委员会评语： 主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计 （论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价 答辩委员会主任： （签名） 委员： （签名） （签名） （签名） （签名） 答辩成绩： 总评成绩： 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 摘摘 要要 六自由度工业机器人是一种高精度的自动化机械，具有高度的灵活性以及平稳性。 所以在设计中我们应当注意其结构工艺的合理性，在材料选择上应当使其具有高强度 和轻便的特性。本论文主要对搬运工业机器人的驱动方式及各轴的传动方案进行了设 计，并对驱动运动的电动机进行了选型；在对其工作空间分析的基础上，对关键的零 部件进行了受力分析及强度校核；根据其基本结构参数，利用Solidworks2013软件进 行了三维图形的绘制，并用CAD绘制了装配图及部分关键零件图。 关键词关键词： 工业机器人；结构设计；传动方案设计；受力分析；强度校核 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） Abstract Six degree of freedom industrial robot is a kind of automatic machine with high accuracy, with high degree of flexibility and stability. So in the design we should pay attention to the rationality of the structure and technology, in the choice of materials should be so that it has high strength and lightweight, this paper mainly for the handling of industrial robot total drive way and the axis of the transmission scheme design, and the drive motor selection; in work space analysis based on the kinematics calculation, of key parts were stress analysis and strength check; according to the basic structure parameters using software Solidworks2013 of 3D graphics rendering, and mapping with CAD assembly drawing and part of the key parts of the map. KeyWords：Industrial robots; Structural design; Transmission design; Force analysis； Intensity verification 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - i- 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1.1 工业机器人概述1 1.2 课题研究背景及意义1 1.3 国内外研究现状及发展趋势2 1.3.1 国内研究现状3 1.3.2 国外发展趋势4 1.4 工业机器人相关技术5 1.5 本文主要内容5 第二章第二章 总体方案与传动机构设计总体方案与传动机构设计 6 2.1 总体方案设计与分析 6 2.1.1 方案要求 6 2.1.2 机构选型 7 2.1.3 驱动方式选择 8 2.2 传动方案的初步设计 9 2.2.1 腕关节传动机构设计 10 2.2.2 小臂传动机构 10 2.2.3 大臂传动机构 11 2.2.4 腰身传动机构 12 2.3 机器人部分技术参数 10 第三章第三章 工作空间分析及计算工作空间分析及计算 12 3.1 工作空间12 3.2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性12 3.3 分析14 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - ii- 第四章第四章 结构设计结构设计 15 4.1 传动方案的设计 15 4.2 手腕传动 15 4.3 腰部16 4.3.1 腕部的设计要求 16 4.3.2 腕部结构 16 4.4 手臂 17 4.4.1 手臂作用概述 17 4.4.2 电机选择 17 4.5 传动结构设计计算 20 4.5.1 腰部设计 20 4.5.2 大臂设计 21 4.5.3 小臂设计 22 第五章第五章 关键零部件的校核关键零部件的校核24 5.1 腕部中心轴的结构设计与校核24 5.1.1 腕部中心轴的结构设计 25 5.1.2 腕部中心轴的强度校核 25 5.2 连杆传动轴的结构设计与校核 28 5.2.1 连杆传动轴的结构设计 28 5.2.2 连杆传动轴的强度校核 29 5.3 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核 28 5.4 手腕齿轮连接轴 2的结构设计与校核 29 5.5 回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核 29 5.6 部分三维图形的绘制 30 第六章第六章 总结总结 35 参考文献参考文献 36 致谢致谢 37 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 工业机器人工业机器人概述概述 工业机器人是一种高精度的自动化生产装备，它的设计涉及到了多门学科知识， 包括了气动、液压、电路、PLC 以及材料力学，理论力学等等。 它最早出现于 20 世纪，人们通常广义的把机器人认为是能模仿人类动作的机器。 相较于人具有大脑，手足，和眼睛等功能器官，随着机器人的发展，它也拥有了类似 的能力，甚至在功能上远超人类。 工业机器人顾名思义，是用于辅助生产的机器人。早在 20 世纪 20 年代就出现了 一种能够在生产线上，代替人搬送装卸工件的机械手。而在 40 年代则直接出现了可以 由工人操作的机器人。60 年代则出现了可以自动的多操作的机械手。 工业机器人发展迅速，功能越来越多，甚至出现了具有智能的机器人。目前，世 界上把机械手、机器人等也一并称为工业机器人。我国将其定义为：一种能自动控制， 可重复编程、多功能、多自由度的机器人，并能搬运材料工件或者其他工具，用以实 现多种作业。 1.2 课课题题研究背景研究背景及其及其意义意义 工业机器人是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化 装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电 子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速 发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与 机械化和自动化的有机结合。它能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳 动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于 零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更 普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组 成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于 中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工 件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产 品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的 水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接 影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此， 进行机械手的研究设计是非常有意义的。 制造业属于劳动密集型的行业，除了繁重的体力工作外，几乎每个工序都存在着 对人体有害的污染源和潜在的工伤事故:热加工工序烫灼伤的危险，大量易燃易爆燃料 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 2 - 及消耗材料时时刻刻威胁着操作手的安全;铝液除气除渣产生的有毒烟尘，机加工冷却 液的有害蒸汽，以及涂装工序液体漆、粉漆、前处理药液等等都会严重影响工人的健 康;无处不在的轰鸣及刺耳的噪音会使你情绪坏到极点。 针对原有生产线存在的劳动强度高，生产效率低，粗加工加工尺寸不稳定等问题， 通过工业机器人及新的数控加工设备，不仅有效降低了工人的劳动强度，提高生产效 率将近一倍，取得了良好的经济效益。 工业机器人由机器人(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成， 是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化 自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量， 提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应 用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的 自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、 低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的 工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷 漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。 在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人一般指在工厂车间环境中，配合 自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器 人。工业机器人的定义为：“一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由 度的机器人。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”机器人定义为： “具有和人的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。” 一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通 讯接口等几部分组成。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的 一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器 可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进 化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领 域不可缺少的自动化设备。 生产线改造设计是一个实际应用课题。通过本设计可以使学生在实际课题设计中 对生产加工，机械系统设计，机械手及其控制等知识得到切实的锻炼。 1.3 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 1.3.1 国内研究现状国内研究现状及及面临的挑战面临的挑战 1、发展现状发展现状 （1）市场需求快速增长，但严重依赖国外进口市场需求快速增长，但严重依赖国外进口 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 3 - 我国工业机器人市场已呈现出蓬勃发展的态势。从 2010 年开始我国工业机器人需 求量激增，但目前我国新增工业机器人中超过 70%依赖国外进口。 （2）产业化初步取得进展，但程度较低）产业化初步取得进展，但程度较低 近年来，在需求快速扩张及国家自主创新政策作用下，国内一大批企业或自主研 制或与科研院所合作，进入工业机器人研制和生产行列，我国工业机器人进入了初步 产业化阶段。一些产品已开始产业化生产应用，但由于在精度、速度等方面不如进口 的同类产品，因此这些产品产业化应用程度较低，缺乏品牌认知度，市场份额小 （3）掌握了一些先进技术，但整体技术水平仍然较低）掌握了一些先进技术，但整体技术水平仍然较低 我国目前已基本掌握了机器人机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计 技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、 电焊、装配、搬运等机器人。一些产品的技术水平已达到国际先进水平，但在总体技 术上还有很大差距，仅相当于国外 90 年代中期的水平。 2、面临挑战、面临挑战 （1）外资品牌占国内市场绝对份额）外资品牌占国内市场绝对份额 瑞典的 ABB、日本的 FANUC（发那科）、日本的 YASKAWA（安川电机）、德国的 KUKA（库卡）等知名企业产品在中国市场的占有率达到近 90%，仅 FANUC 一家，就在我 国占有 23%的市场份额。 （2）关键核心部件受制于人）关键核心部件受制于人 （3）产业化发展有待规范）产业化发展有待规范 伴随我国工业机器人需求的迅猛增长，实力良莠不齐的企业纷纷进入工业机器人生 产市场，势必造成质低价廉的恶性竞争；虽然我国有近百家从事工业机器人研究生产 的高校院所和企业，但现行的体制造成研究形式上过于独立封闭、内容上较为分散， 难以形成合力，造成重复研究与时间、经费的浪费；多数企业热衷于大而全，一些关 键部件研发生产的企业纷纷转入整机的生产，难以形成研发、生产、制造、销售、集 成、服务等有序、细化的产业链。因此，工业机器人的产业化发展有待规范。 （4）研发及产业化方面的激励政策尚需完善）研发及产业化方面的激励政策尚需完善 尽管“十一五”及“十二五”期间，国家有多个项目涉及机器人领域，但行业仍 未建立起有效的公共技术平台以加强关键共性技术和核心功能部件的研究与突破，产 业化进程也难以推进，研发与产业化方面的激励政策尚需细化完善。图 1.1 为沈阳自 动化研究所研制的雪豹10 排爆机器人。 1.3.2 国外发展趋势国外发展趋势 （1）市场需求呈现快速增长态势）市场需求呈现快速增长态势 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 4 - 受技术快速发展、劳动力资源不断稀缺、生产效率要求近一步提高等因素影响， 全球工业机器人将迎来更为广阔的发展空间和更高的发展速度。在区域分布上，随着 亚洲地区制造业的发展，各项产业对于工业机器人的需求量增加，使得工业机器人市 场需求逐渐由欧美地区转移到亚洲地区。 （2）技术日益智能化、模块化和系统化）技术日益智能化、模块化和系统化 从近几年世界推出的机器人产品来看，新一代工业机器人正在向智能化、模块化 和系统化方向发展。 （3）西方工业化发达国家纷纷进行战略部署）西方工业化发达国家纷纷进行战略部署 美国：推行“再工业化”战略，大力发展工业机器人，希望重振制造业。 日本：日本可以称得上是“机器人大国”。2004 年 5 月发布的“新产业发展战略” 明确了机器人产业等 7 个产业领域为重点发展产业。近两年又开始重新审视机器人产 业政策。 韩国：2009 年公布智能机器人基本计划，2012 年 10 月发布了“机器人未来 战略展望 2022”，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军 海外市场方面。 欧盟：欧盟 2011 年 8 月通过了一份发展制造业计划，提出新工业革命概念，以机 器人和信息技术为支撑，实现制造模式的变革。图 1.2 为德国 KUKA 防爆机器人。 图图 1.1 雪豹雪豹10 排爆排爆机器人机器人 图图 1.2 德德国国 KUKA 防爆防爆机器人机器人 1.4 工业机器人工业机器人相相关关技技术术 工业机器人按坐标系统可分为以下五种： 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 5 - (1)圆柱坐标型圆柱坐标型 这种机器人只有一个转动关节，其余都是移动关节，它的空间定位 较为直观，但其移动副不易防护，手臂伸缩的时候，可能与其他物体相碰撞。 (2)直角坐标型直角坐标型 只 具 有 移 动 关 节 ， 其 运 动 部 分 看 起 来 是 由 三 个 相 互 垂 直 的 直 线 组 成，其工作空间图形为矩形。控制算法简单，没有耦合；占地面积大， 工作空间较小，结构刚度高，操作类似于数控机床。 (3)球坐标型球坐标型 这是有两个转动关节、其余为移动关节的机器人，有着占地面积大， 工作空间大具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。 (4)关节型关节型 具有三个转动关节的机器人，其动作灵活，工作空间大，结构紧凑，占 地面积也小，但是其运动学复杂，计算困难，计算量大 (5)SCARA 型型 平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面垂直平面刚度好，水平面柔顺性 好结构轻便，响应快，适用于平面定位，垂直装配作业 1.5 本本文文主主要要内内容容 （1）通过阅读学习工业机器人的相关书籍和论文，确定了工业机器人使用方式， 完成工作方案的初步设计； （2）设计了腰部、大小臂和腕部的传动方案，并总结出其总体设计方案； （3）运用数学知识，作图计算其工作空间，根据 D-H 对其进行运动学分析，计算 主要结构尺寸要素； （4）设计各轴结构样式，进行三维建模，并利用 Solidworks 软件，选择其驱动 电机类型； （5）对关键的零部件进行校核。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 6 - 第二章第二章 总体方案与传动机构设计总体方案与传动机构设计 2.1 总体方案设计与总体方案设计与分析分析 2.1.1 方案要方案要求求 机器人用于生产车间两条自动装配线中，将产品搬运至输送车上。要求其搬运动 作灵活，手臂工作空间大，被夹持的工件可能具有多种形状，结构紧凑，重量轻便。 动力源采用电动机驱动，假设工件负重为 5公斤，形状为边长 30X30X30cm的立方体盒 状，因此手爪开合范围定为 5mm100mm。两条装配线距离 1000mm，手臂最大伸长量约 为 1300mm；能 360 度转动；底座固定在地面上。 设想的工作方式如图 2.1： 图图 2.1 设设想想的的工作方工作方式式 2.1.2 机构机构选型选型 由第一章可知，工业机器人按坐标系统可分为直角坐标机器人，圆柱坐标机器人， 球面坐标机器人，关节型机器人和 SCARA 机器人，其中关节型机器人使用范围广，用 途多样，其优点如下： （1）工作空间范围大，占地面积小。 （2）灵活性高，能够做到其他种类机器人所无法做到的动作，用途广泛。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 7 - （3）没有移动关节，所以不需要设计导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大 量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。 （4）驱动各轴运动时转矩较小，耗能少 综上所述，我们决定采用关节型机器人关节型机器人。 手臂由动力关节和连接杆件构成，用以调整手腕和末端执行器的位置。由于本设 计要求能达到工作空间的任意位置，因此采用三自由度手臂。机座则采用回转机座。 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。手腕 按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。由于本机器人对 要求的动作多样，灵活性高，故选用三自由度手腕。 三自由度手腕由 B 关节和 R 关节组成，可实现翻转、俯仰和旋转功能。B 关节和 R 关节排列的次序不同，也会产生不同的效果，因此其结构形式也多种多样，如图 2.2 所示 15： 图图 2.2 三三自由度自由度手腕手腕的的几种形式几种形式 B 关节是一种俯仰、摆动关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直，旋转角 度小；R 关节是一种回转关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式，这种关 节旋转角度大，可达到 360以上。BBR 结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加 了，BRR、RBR 与前者相比结构紧凑。工业机器人的自由度越多，灵活性越好，但过多 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 8 - 的自由度也会使得设计与结构复杂化。考虑到本机器人的实际用途，故采用六自由度， 依次为腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕回转，手腕俯仰，手腕侧摆。 2.1.3 驱动方式选择驱动方式选择 工业机器人的驱动方式可以分为气压驱动、液压驱动及电动机驱动等多种类型。 它们各有优缺点，且适应的工作场合也不同。三种驱动方式的特点比较见表 2-1。 表表 2.1 驱动方式比较驱动方式比较 特性 气压驱动 液压驱动 电动机驱动 输出功率和使用 范围 气压较低，输出功 率小，当输出功率 增大时，结构尺寸 将过大。 油压高，可获得较 大的输出功率，适 于重型，低速驱动 适用于运动控制严 格的中、小型机器 人，输出功率较大 控制性能和安全 性 压缩性大，对速度 位置的精确控制困 难，阻尼效果差， 低速不易控制，排 气有噪声，泄漏对 环境无影响 液体不可压缩，压 力、流量易控制， 反应灵敏，可无极 调速，能实现速 度、位置的精确控 制，传动平稳，泄 漏污染环境 控制性能好，控制 灵活性强，可实现 速度、位置的精确 控制，伺服特性 好，控制系统复 杂，对环境无影响 结构性能 结构体积较大，结 构易于标准化，易 实现直接驱动，密 封问题不突出 结构尺寸较气动要 小，易于标准化， 易实现直接驱动， 密封问题显得重要 结构性能好，噪声 低，电动机一般需 配置减速装置，除 DD 电动机外，难 以直接驱动，结构 紧凑，无密封问题 效率和制造成本 效率低（为 0.15 0.2）气源方便，结 构简单，成本低 效 率 中 等 （ 为 0.30.6），管理 结构较复杂，成本 高 成本较高，效率为 0.5 左右 根据上述驱动系统特点，本文最终选择电机驱动的方式。 2.2 传动方案的初步设计 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 9 - 2.2.1 腕关节的传动结构设计腕关节的传动结构设计 图图 2.3 手腕手腕传传动机构动机构 如图 2.3 所示，我们采用的是三自由度手腕，也被叫做万向型手腕，它一部分与 小臂相连，随小臂转动而转动，中间锥齿轮 Z4，Z5 带动手腕做俯仰运动，轴 1 则带动 手爪转动。为了使手腕能实现三个自由度并减轻手腕重量，必须用远距离传动，故将 电动机装在小手臂的关节处。 2.2.2 小臂传动机构小臂传动机构 图图 2.4 小臂小臂结构结构 小臂关节的传动机构简图如图 2.4 所示。小臂做+130至-90范围内的俯仰运动， 从而调节整个腕部的空间位置。其驱动电机装在驱动臂座上，即大手臂的关节处，通 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 10 - 过大臂底部的通孔，使用两根连杆与小手臂座相连。通过连杆的动作，实现小手臂座 的俯仰动作。底部使用平键连接，大臂与底杆则使用涨紧套连接。 2.2.3 大臂传动机构大臂传动机构 图图 2.5 大大臂臂结构结构 如图 2.5 所示，大臂和小臂的俯仰动作将共同决定手腕在平面中的位置，其底部 有通孔，大臂与减速器通过通孔相连，电动机在减速器旁边并列安装。 2.2.4 腰身传动机构腰身传动机构 腰部旋转和大臂小臂的俯仰动作共同决定手腕在空间中的位置。腰部采用力矩电 机来传递转矩，腰部主轴是空心轴，通过键与力矩电机相连。因此，力矩电机带动腰 部主轴旋转，从而使腰部回转盘旋转。 2.3 机器人机器人部分部分技技术参术参数数 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 11 - 表表 2.2 方案信息方案信息 工艺描述 六轴动作顺序 动作范围 最大速度 驱动功率 1 轴（回 转） 360 160/s 2 轴（大臂 俯仰） 130 160/s 3 轴（小臂 俯仰） 220 220/s 4 轴（手腕 回转） 360 500/s 5 轴（手腕 俯仰） 220 330/s 6 轴（手腕 偏转） 220 330/s 该机器人固定于两条自动装配线末端中间，同时负责两条装配线的工件搬运，因 此，该机器人必须具有动作灵活的特点。 本设计中该搬运机器人本体由底座、腰部、大臂小臂、手腕和末端执行器组成。 共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手 腕侧摆。 机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、 不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最广泛的驱动方式。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 12 - 第三章第三章 工作空间分析及计算工作空间分析及计算 3.1 工作工作空间空间 该机器人的结构参数应该根据一定的工作空间要求来确定，工作空间是指机器人 手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合，也叫做工作区域。描述工作空间的手 腕参考点可以选在手部中心、手腕中心或手指指尖，参考点不同，工作空间的大小、 形状也不同。工作空间是机器人的一个重要性能指标，是机器人机构设计要研究的基 本问题之一。当给定机器人结构尺寸时，要研究如何确定其工作空间，而当给定工作 空间时，则要研究机器人应具有什么样结构。本文所讨论的搬运机器人主要用于装配 线末端产品的搬运，本文将用一种根据工件尺寸确定机器人位置机构参数的简便方法 确定该搬运机器人的主要结构参数，包括大小臂的长度尺寸及其极限摆角。 3.2 工作工作空间空间与机器人结构与机器人结构尺寸尺寸的的相相关关性性 工作空间的形状取决于机器人的结构型式，直角坐标型机器人的工作空间为长方 体；圆柱坐标型机器人的工作空间为中空的圆柱体；球坐标型机器人的工作空间为球 体的一部分；关节型机器人的工作空间比较复杂，一般为多个空间曲面拼合的回转体 的一部分。 直角坐标型机器人工作空间的大小取决于沿 X、Y、Z 三个方向机器人行程的大小。 圆柱坐标型机器人工作空间的大小取决于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程，还 取决于水平臂尺寸及水平伸缩行程。球坐标型机器人工作空间的大小取决于工作臂的 尺寸、工作臂绕垂直轴转动的角度及绕水平轴俯仰的角度。关节型机器人工作空间的 大小取决于大小臂的尺寸、大小臂关节转角的角度以及大臂绕垂直轴转动的角度。 图图 3.1 位置简位置简化化模型模型 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 13 - L1：大臂的长度，根据总体方案设定条件确定为 665mm L2：小臂的长度，根据总体方案设定条件确定为 630mm 1：大臂旋转偏离立柱 0 位的角度，顺时针为正，本文定为-90130 2：小臂旋转偏离 0 位的角度，顺时针为正，本文定为-6565 如图 3.1 所示，手端部的运动轨迹简易描述：以 AD、BC、CD、DA 四弧段在 XOZ 面 组成机器人工作空间截面。AB 弧段和 CD 弧段的圆心为大臂的起始点，即坐标原点。E 点为 AD 弧段的圆心，F 点为 BC 弧段的圆心。 各个点的坐标分别为： A 点：大臂负极限值1min、小臂达到负极限值2min XA=L1sin1min+L2cos（1min+2min）=665sin（- 65）+630cos（- 155）=- 1173.67 ZA=L1cos1min- L2sin（1min+2min）=665cos（- 65）+630sin（- 155）=- 547.29 B 点：大臂到达正极限值1max，小臂达到负极限值2min XB=L1sin1max+L2cos（1min+2min）=665sin65+630cos- 155=- 31.72 ZB=L1cos1max- L2sin（1min+2min）=665cos65- 630sin- 155=- 547.29 C 点：大臂到达正极限值1max，小臂达到正极限值2max XC=L1sin1max+L2cos（1max+2max）=665sin65+630cos（- 155）=- - 5.84 ZC=L1cos1max+L2sin（1max+2max）=665cos65+630sin195=- 117.98 D 点：大臂负极限指1min，小臂达到正极限值2max XD=L1sin1min+L2cos（1min+2max）=665sin（- 65）+630cos65=- 336.45 ZD=L1cos1min- L2sin（1min+2max）=665cos（- 65）- 630sin65=- 852.02 E 点： XE=L1sin1min=665sin（- 65）=- 602.29 ZE=L1cos1min=665cos（- 65）=- 281.04 F 点： XF=L1sin1max=665sin65=602.69 ZF=L1cos1max=665cos65=281.04 可 得 坐 标A=(-1173.67,547.29),B=(31.72,547.29),C=(-5.84,117.98),D=(- 336.45,852.02)，E(-602.69,281.04),F(602.69,281.04)，由此可以作出机器人大臂 小臂组成的截面（XZ 面）工作空间，同机器人的安装机座（X,Y,Z 坐标）的高度叠加 后，可以绘制出机器人的截面（XZ 面）工作空间，如图 3.2。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 14 - 图图 3.2 机器人工作空间机器人工作空间 3.3 分析分析 经过上面的计算和分析可证明小臂的末端可达的覆盖范围大于作图空间。由于论 证时的前提条件是把搬运机器人的最大覆盖范围一分为二。所以满足一半覆盖范围时， 必然能够达到搬运机器人搬运工件的范围。所以搬运机器人足可满足要求的最大覆盖 范围，证明方案正确，小臂和大臂的长度和俯仰角度确定的合适。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 15 - 第四章第四章 结构设计结构设计 4.1 传传动方案动方案的的确确定定 根据第二章的总体分析可知，搬运机器人前三个轴的传动机构并不复杂，第一个 用的是蜗轮蜗杆传动，第二轴和第三轴则是用摆线针轮行星齿轮传动。四五六轴皆为 手腕部分，都是采用远距离传动，将电机装在小臂关节处，通过同轴套筒接到手腕关 节处，减轻手腕重量。 蜗轮蜗杆的优点在于传动比较大，结构也紧凑。蜗轮蜗杆传动比 5i70，常用 15i50；摆线针轮行星齿轮传动，11i87，圆锥齿轮传动效率高，一般可达 98%， 两齿轮轴线组成直角的锥齿轮副应用最广泛。由机械设计手册可得，其传动比范围为 2-3， 4.2 手腕传动 手腕是机器人小臂与末端执行器之间的联接部件，其功能是利用自身的活动使末 端执行器能够达到确定的工作空间姿态，因此手腕可以称为机器人的姿态机构，是机 器人中极为重要也是结构最为复杂的部件。手腕的灵活度直接决定了机器人能够完成 任务的种类和复杂程度，对机器人手腕结构的研究有着重要意义。 4.2.1 腕腕部的部的设计要设计要求求 由前文可知，本课题所设计的是一个三自由度的机器人手腕，由法兰固定在机器 人小臂上，分别用三个直流伺服电机对其进行驱动。手腕主要分三部分：一部分是通 过法兰和小臂固结在一起，可实现腕部的回转运动；一部分是围绕轴的摆动；另外一 部分就是手爪的回转运动。 4.2.2 腕腕部部电机电机的的选择选择 由于腕部具有三个自由度，故对应每个自由度都有一个电机。电机 1 带动手爪转 动，电机 2 则带动手腕左右摆动，电机 3 带动整个手腕绕小手臂中心轴线转动。 由前文的总体方案设计可知，工件为 30X30X30cm 的立方体，重为 5kg。 工件的转动惯量为 J= =0.00075kg.m2 已知它的转动速度为 w=330/s 取启动时间为 0.1s， 转动角加速度 =3300/s2 由此计算力矩得：T=J=0.043N.m 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 16 - 功率 P=Tw=2.48 .所以定做的电机额定电压 220V，输出功率至少 3W，输出转矩至少为 1N.m，转 速为 1400r/min，减速箱的减速比为 23。电机输出轴端进行适当的加粗加长。 4.3 腰部腰部 4.3.1 底座底座及及腰腰部部设计要设计要求求 工业机器人底座的设计主要考虑机器人的承重、散热、节省材料及合理装配等。 由于底座基本上承担了工业机器人的所有重量，因此在材料的选取上要选取强度高， 抗震性强，耐疲劳的材料。本文中选用 ZG200 作为底座材料。又考虑到底座为铸件， 为避免铸造过程中出现缩松、缩孔等铸造缺陷，因此可将底座设计成内部中空的结构。 这样既节省了材料，又降低了制造成本。 腰部承受了较大的转矩，在进行校核的时候，要特别注意其抗弯抗扭的能力。因 为回转台同样为铸件，因此其材料选用 ZG200-400，外形设计为薄壁结构，以减少其 自身的重量。 4.3.2 电机电机选择选择 小手臂转动惯量： J3=J0+mp2=0.80+9.5X(15Xcos15)2 =23.43kg.m2 大手臂转动惯量： J2= （a 2+b2+c2+d2）+mp2 = . （0.22+0.12+0.122+0.062）+44.8X0.352 =5.742 kg.m2 两电动机的转动惯量： J电= J电1 +J电2=340.22+8.50.42=2.72 kg.m2 减速箱的转动惯量： J减=150X0.452=30.375 kg.m2 腰部本身的转动惯量： J1=mp2=2500.252=40 kg.m2 所以，总的转动惯量为 J总=23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392 kg.m2 而转动角加速度为 = = . =7.854 /s 2 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 17 - 输出轴的转矩为 M=J总=150.3927.854=1181.179Nm 转换到电机上的转矩为 M电= . = . . . =17.71Nm 根据要求M电M额，选P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服电机型伺服电机，额 定转矩为28.4 Nm 4.4 手臂手臂 4.4.1 手臂作用概述手臂作用概述 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工 具），并带动它们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一 点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。手臂的各种运动通 常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承 受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范 围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 4.4.2 电机选择电机选择 由上可知，自大手臂往后的各轴，其重量都算在大手臂的负荷上。所以，大手臂 的转动惯量也不小。必须仔细计算往后的零部件的转动惯量再来选择电动机。 大手臂的转动惯量; J2= （a 2+b2+c2+d2）+mp2 = . （0.22+0.12+0.122+0.062）+44.80.352 =5.742 kg.m2 电动机转动