机器人手腕的设计与研究.docx

机器人手腕的设计与研究摘要：对于机器人腕部结构进行了设计和优化，取消了传统的带轮结构和单动力输入结构，采用了齿轮传动，回转和俯仰使用不同的电机驱动，从而提高了刚度、效率、灵活性和载重量，减小了空间。关键词：齿轮，回转，俯仰，紧凑 1. 机器人的定义从1920年罗萨姆的万能机器人的剧作中出现机器人这个词以后机器人随着时代的发展其定义也是越来越完善。国际标准化组织（ISO）给出的机器人定义较为全面和准确，其定义如下：1. 机器人的动作机构具有类似人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能。2. 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。3. 机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。4. 机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖人的的干预。这些全面的定义也就决定了机器人领域必定是一个多学科、多领域交叉的领域。其中主要的研究领域有：机器手设计；机器人运动学和动力学；机器人轨迹规划；机器人驱动技术； 机器人传感器；机器人视觉；机器人控制语言与离线编程；机器人本体结构；机器人控制系统；智能机器人等。 涉及的学科范围主要有：力学，主要包括工程力学、弹塑性力学、结构力学等；机器人拓扑学，主要包括结构拓扑学即拓扑结构类型综合与优选；机器人轨迹规划；电子学与微电子学； 控制论；机计算机；生物学；人工智能；系统工程学。2. 腕部的基本形式与特点人类的手是最灵活的肢体部分，能完成各种各样的动作和任务。同样机器人的手部作为末端执行器是完成抓握工件或执行特定作业的重要部件，也需要有多种结构。腕部是臂部与手部的连接部件，起支撑手部和改变手部姿势的作用。从驱动方式上看手腕有两种形式，远程驱动和直接驱动。直接驱动是指驱动器安装在手腕运动关节的附近直接驱动关节运动，因而传动路线短，传动刚度好，但腕部的尺寸和质量大，惯性大，由于现在技术的改进机电和传动原件都趋于小型化，这样的情况都有较大改观。远程驱动方式的驱动安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕部关节运动，因而手腕的机构紧凑，尺寸和质量小，对改善机器人的整体动态性能有好处，但传动设计复杂，传动刚度也降低。在设计腕部时一般要注意一下几点:(1) 结构紧凑，重量轻。(2) 动作灵活、平稳，定位精度高。(3) 强度、刚度高。(4) 合理设计与臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。手腕结构时机器人中最复杂的结构，而且因传动系统相互干扰，更增加了手腕结构的设计难度。对腕部的设计要求是质量轻，满足作业对手部姿态的要求，并留有一定的余量；传动系统结构简单并有利于小臂对整体的静力平衡。3. 手腕的主要结构形式液压传动：采用两个轴线相互垂直的回转油缸的腕部结构齿轮传动：采用齿轮传动机构实现手腕回转和俯仰的二自由度手腕 图二图一在参考了机器人技术基础（116页）的图1最初的设想是将回转和俯转驱动轴做在一起，完成了图二和图三，但这样会使轴偏离手部过远，使传输距离变大，不利于重载传输，且这种机构存在诱导作用。图三图四4. 机构的改进完成的整体效果图参考了国外公司ABB的机械手模型决定采用回转和俯转使用不同独立驱动单元。这样既消除了诱导作用，还可以减小传输轴的长度，使空间更加紧凑也使承载扭矩变大。在最初设计俯转运动的传输采用伞形齿轮驱动带轮传动（图四），但由于带轮宽带过小，传输带的承载能力会不足，改用伞形齿轮驱动渐开线齿轮传动（图五），这样既增加了承载扭矩，使结构紧凑，在相同驱动力矩的情况下使齿轮传动平稳，精度提高，更加符合机械手腕部的要求。截面图五图五（1）图五（2）回转部件采用分体方式组装，将回转部分分为两个部分，将电机和减速器安装入壳体，并且将电机用螺栓（1）轴向固定在壳体上，最后将两部分壳体用螺栓（2）连接在一起。（图六、图七）12图六图七俯转轴采用嵌入式的设计方法，在回转外壳上为电机和减速器安排好嵌入位置，组装时只要按位置放入即可（图八）。为了保持伞形齿轮的轴向固定，减速机到伞形齿轮的传输采用半花键（减少两个键用于加工轴销的孔）加轴销的结构使伞形齿轮既能传动较大的驱动力矩也能保持轴向固定（图九）。图八图九用电动机上的四个螺栓（3）和壳体上的两个螺栓（4）将两个俯转轴壳体固定。（图十）图十43为了使结构显得紧凑，把减速器的轴缩短，将电机的轴直接连接在减速机轴内。（图十一）图十一渐开线齿轮和伞形齿轮使用挡圈固定（5），齿轮盖用三个螺栓（6）固定。（图十二）655. 总结以上对的改进包括采用独立驱动、齿轮传动、花键和螺栓连接、壳体定位等结构从而提高了刚度、效率、灵活性和