大空间冗余驱动平面5R并联机构虚拟样机设计

2014 届本科生毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 课题研究背景和意义机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能操作器 1。一般来说，机器人是一种能代替人从事多种工作的高度自动化机械，可分为串联机器人和并联机器人。串联机器人具有工作空间大、响应快、操作性能较灵活等优点，在工业中得到了广泛的应用，但它具有承载能力小、位置精度低、动力学性能差、误差累计放大等缺点 2，ST- R6-01 六轴工业机器人（图 1-1）和 RBT-SW-6-210 工业串联机器人（图 1-2）可以作为典型实例。为了克服串联机器人的上述缺点，并联机器人应运而生。图 1-1 ST- R6-01 六轴工业机器人 图 1-2 RBT-SW-6-210 工业串联机器人并联机构是指具有多个运动自由度，其动平台或者末端执行器通过至少两个独立的运动链与静平台相连接，且驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构 2，如 E300 并联机床（图 1-3）。相对于串联机器人，采用并联机构的并联机器人具有以下优点 3：1）刚度大，结构稳定；2）承载能力强；3）精度高；4）运动惯性小，运动积累误差小；5）在位置求解上，并联机构逆解运算较容易。但是，由于其自身结构特点，并联机器人也有其难以克服的缺陷，如较小的工作空间就制约了其性能的充分发挥。2014 届本科生毕业设计说明书2图 1-3 E300 并联机床本毕业设计拟开展的研究工作为教育部博士点基金项目“并联机构广义性能评价指标构建及奇异性分析研究” （项目编号：20120032120003）的部分内容，研究对象为一种可实现较大工作空间的冗余驱动平面 5R 并联机构（图 1-4） 。通过改变其驱动关节的数目/位置，该机构可有效规避奇异位形，实现较大的灵活工作空间。如以该机构为功能模块，可搭建一类高速轻型并联机械手，在轻工业生产中具有重要的应用价值。图 1-4 平面 5R 并联机构目前，关于该机构的运动学和刚体动力学的理论研究已基本完成，亟待开发物理样机，以便开展更加深入的理论和实验研究。根据研究计划，本毕业设计拟借助商用软件，完成该冗余驱动高速并联操作手的虚拟样机设计及原型样机工程图纸绘制等工作。2014 届本科生毕业设计说明书31.2 国内外研究现状目前，国内外关于并联机器人的研究主要集中于结构学、运动学、动力学和控制等领域。其中，结构学与运动学研究主要涉及拓扑结构创新、运动学分析、工作空间与奇异位形分析、运动学设计，以及误差分析、精度设计等；动力学与控制研究主要涉及并联机器人的刚体/弹性动力学建模、模态分析、时 /频域响应求解，以及各种高效控制算法，从而达到期望的控制效果。由于传统平面五杆机构存在奇异性，给其设计与应用带来极大不便。当机构处于奇异位置时，机构会失去控制。因此，一般在设计和应用五杆机构时应避开奇异位形。关于平面 5R 并联机构的奇异性分析，于红英 4从平面铰链五杆机构的位姿和奇异点出发，直观地给出了奇异轨迹的形状与机构尺寸间的关系，给出了避免五杆机构奇异的方法；周双林 5利用混合输入五杆机构的 Jacobian矩阵分析了五杆奇异性出现的条件，并进行了算例验证。Campos 6提出了通过改变运动模式的方法来避免奇异性，从而保证较大工作空间。Gregorio 7也提出了一种分析多自由度机构奇异性的方法。虚拟样机技术通过 CAD/CAM/CAE 等技术手段把产品资料集成到一个可视化环境中，实现产品的仿真、分析。用它来代替物理样机对并联机床进行设计、测试与评估，可以大大缩短设计周期，减少研究经费，提高设计质量，降低研制风险，为实体样机的建造做准备。刘峰 8提出了一种利用 MATLAB 编程对并联机构参数化设计过程进行仿真的方法，利用该方法编制出了基于 GUI 技术的参数化设计仿真程序，并实现了三自由度并联机构的优化设计。张树乾 9应用“自上而下”设计、广义模块化设计和参数化设计等方法，实现了 3-PRRPu 并联机器人机构虚拟样机设计。杨辉 10以 3-TPT 并联机构作为研究对象，建立了该并联机构的运动学正、逆解方程，并利用 Labview 和 MATLAB 软件进行了运动学逆解仿真。Giberti 11于 2012 年从设计需求出发，对虚拟样机的构建及仿真进行了系统性的总结。张明辉 12以 Diamond 并联机构（图 1-5）为研究对象,建立系统的数学模型,并基于 Matlab/Simulink 模块集建立了该并联机构的运动学和动力学仿真模型。田冠男 13对 Diamond 二自由度高速、轻型新型并联机器人进行运动学分析,以此为基础,在基于 I-DEAS 的软件平台上进行虚拟样机建造并对其进行可视化运动学仿真,这一工作对缩短机械手的设计周期提高设计效率有着重要意义,并为其它形式的并联机构设计提供参考依据。冉斌 14也对平面 5R 对称并联机器人机构进行了运动学分析，利用 MATlAB/Simulink 软件进行了建模分析，并以 PMAC 多轴运动控制卡为核心，开发了并联机器人控制系统。孔淑平 15在完成并联机构运动学模型、轨迹规划、实体模型的建造与运动仿真的基础上进行了技术经济分析。2014 届本科生毕业设计说明书4图 1-5 Diamond 并联机构1.3 本文主要研究内容本毕业设计主要借助 Solidworks、AutoCAD 等商用三维、二维制图软件，完成新型冗余驱动平面 5R 并联操作手的虚拟样机设计与原型样机工程图纸绘制工作。主要内容：1确定冗余驱动支链适宜的机械结构，实现原型样机的总体布局设计；2根据运动学分析（奇异性分析） ，并结合工程实践经验，实现原型样机的初步机械结构设计；3借助 Solidworks 软件，实现 冗余驱动平面 5R 并联操作手的虚拟 样机设计；4借助 AutoCAD 软件，绘制原型样机的工程图纸。全文编排如下：第一章 阐述论文的研究背景和意义，综述国内外相关领域的研究现状，提出论文的主要研究内容。第二章 基于已有的对平面 5R 对称并联机器人的运动分析成果，求解该机构的位置正逆解，并对其进行奇异性分析，确定合适的机构布局方案。第三章 进行总体布局设计。先介绍机构原理，说明采用空间层叠结构的原因，然后明确设计要求。按照机构各部分确定的先后顺序，先后说明采用方案。第四章 详细的说明了基座关节的设计方案。包含了电机和减速器的选型以及基座、法兰、轴的设计以及相应的紧固方式选择。第五章 详细的说明了冗余驱动关节的设计方案。包含了电机和减速器的选型，两个关节和轴的设计以及相关标准件的选取。2014 届本科生毕业设计说明书5第六章 详细的说明了末端执行器的设计方案。包含了两个关节和轴的设计细节。第七章 汇总全文，并评估今后改进可行性。第二章 平面 5R 对称并联机器人运动学分析与轨迹规划2.1 概述本设计要完成的目标是平面冗余驱动的 5R 并联机械手，现做一般化分析，研究对象设为平面 5R 对称并联机器人。正向运动学分析和逆向运动学分析是并联机器人运动学分析的两个重要方面。正向运动学分析是指在已知输入构件运动条件下，求解输出构件的运动规律；逆向运动学分析是指已知输出构件运动情况，反向求解输入构件的运动规律。一般机器人运动学分析主要包括位置正逆解分析、速度分析、工作空间分析和奇异性分析等内容53-56 冉斌。本文也将就上述方面展开详细分析。2.2 平面 5R 对称并联机器人介绍本设计所研究机构为平面 5R 并联机构，机构简图如图 2-1 所示。21B1A2A1B2P(X,Y) (r3)R3(r3)yxoR1(r1)R2(r2)图 2-1 平面 5R 对称并联机器人它的 5 根杆通过 5 个转动副首尾相连，其中两个曲柄和驱动平台连接，两根连杆和广义动平台（末端执行器）P 点连接；2 个支链为中心对称结构，由自由度计算公式2014 届本科生毕业设计说明书6(2-1)1(1)giMfdn其中 d 为机构阶数，n 为机构的总杆件数，g 为机构的总运动副数，f i 为第i 个运动副对应的自由度数。对该机构，d=3, n=5, g=5 可以得到，M=5 +3(5-5-1)=2，因此该机构有两个自由度，选取广义参考点 P 作为输出，可知参考点 P 仅有在平面上的 2 个自由度。2.3 平面 5R 对称并联机器人运动学分析在图 2-1 中，建立坐标系 O - xy，设 A1A2 的中心为坐标原点，A 1A2 设定为x 轴的方向， y 轴垂直于 A1A2。由于支链结构对称，故有OA1=OA2，A 1B1=A2B2，B 1P=B2P，每个支链曲柄的长度记为 AiBi=R1(r1)，其他杆 BiP = R2(r2)和 OAi= R3(r3)，这里 Rj (j=1,2,3)是实际杆长尺寸，r j (j=1,2,3)是无量纲尺寸。2.3.1 位置反解在图 2-1 中，从坐标系 O - xy 中，由下面的式子就可以得出参考点 P 的位置，用位置矢量 p 表示：(2-2)Txypbi(i=1,2)为点 Bi 的位置矢量，有和 (2-3)T1131(cossin)rr T212312(cossin)rrb其中 1 和 2 是两个曲柄的输入角度，因此，通过下述约束方程便可求出平面 5R 对称并联机器人的位置反解：(2-4)2,1irpb式(2-4)展开后有(2-5)22131(cos)(sin)xryrr在已知输出点 P 的位置的前提下，通过下式即可求得两个曲柄理论上的输入角度, (2-6)20iiiabc12其中 2arctnii2014 届本科生毕业设计说明书7, (2-7)24iiiibac12其中 221331()()aryxrxr4b221331()()cryxrxr2 2a114byr22331()()cxrxr根据式(2-7)，可知 1 和 2 均有两个解，那么平面 5R 对称并联机器人对任意给定的末端执行器坐标(x,y )，都有 4 组运动学反解，即 1 和 2 两个解的线性组合，这四组运动学反解对应着如图 2-2 所示的 4 中反解组装构型。2014 届本科生毕业设计说明书8xyO xyOxyO xyO(a) “+ -”(b) “- +”(c) “+ +”(d) “- -”图 2-2 四种反解组装构型由上图可知，平面 5R 对称并联机器人的 4 组运动学反解使得机器人的两个分支分别有两种姿态。结合实际装配需求和运动约束考虑，上述反解不可能全部满足。机器人处于其中三组解的位姿时会出现跳变或者卡死，所以这三组解不能用，需舍去，只保留一组(a)用于实际运动控制。2.3.2 位置正解位置正解是指在给定一组驱动比输入角度的前提下，求解机构平台 P 点的输出，把式(2-5)展开(2-8)2 221311331(cos)2sincos0xyrxryrr2014 届本科生毕业设计说明书9(2-9)2 22123121331(cos)sincos0xyrxryrr式(2-8)减去式(2-9)得到(2-10)ef其中 和 ，把式(2-10)代入式(2-1231(sin)2cosrer1321(cos)srfr8)得(2-11)20dygh其中 21de131(cossin)gfrer2 22131)2cohr根据式(2-11)可得(2-12)24gdhy由(2-12)中的“”可知，平面 5R 对称并联机器人有两组运动学正解，基于这两种正解模式，平面机器人对应着两种正解构型，如图 2-3 所示。xyO xyO(a) 式(2-12)取“-”(b) 式 (2-12)取“+”虽然对于任意一组输入，机构对应着两组正解构型，但是在实际动作中，同一时刻只能处于一种位形（上位形或者下位形） 。2.3.3 速度分析式(2-5)相对于时间求导，可以得到2014 届本科生毕业设计说明书10(2-13)A=Bp这里 的是动平台输出速度矢量， 是驱动比输入速度矢量，定义p, (2-14)TyzpT12A 和 B 分别是 2x2 矩阵，分别被表示为(2-15)131 1232cos()sin00cos()sinyxr ryrx (2-16)13122icsrxr平面 5R 对称并联机器人驱动角的逆向 Jacobian 矩阵可以写为：(2-17)1iJAB2.3.4 工作空间分析工作空间可以定义为机器人的末端执行器能够到达的最大区域。严格的说，机器人的工作空间由于姿态问题，不是每个串联分支工作空间的简单交集，但是平面 5R 对称并联机器人没有姿态的概念，所以两个串联分支（即两个平面2R 串联机器人）工作空间的交集就是该机器人末端执行器的工作空间。在动平台广义输出点 P 点把平面 5R 对称并联机器人拆成两部分，即两个平面 2R 串联机器人，做以下定义：(2-18)12lr外边界圆以 l 为半径；继续定义：(2-19)12r内边界圆以 为半径。则平面 2R 串联机器人的工作空间有以下三种情况：当 时，外边界圆存在，内边界圆不存在，其工作空间如图 2-4(a)所示；12r当 时，外边界圆和内边界圆都存在，如图 2-4(b)所示，围成一个圆环；12当 时，与第二种情况相似，如图 2-4(c)所示，工作空间是一个内外圆12r围城的圆环。2014 届本科生毕业设计说明书11(a)(b)(c)0.10.10.10.10.10.1图 2-4 平面 2R 串联机器人理论工作空间对比上述三组图形，可知当 时， = 0，由于没有内边界圆，工作空间12r占机构空间比例最大。为了在机构空间一定的情况下，得到最大的工作空间，故取 。12r又因为两个平面 2R 串联机器人理论工作空间的交集，就是平面 5R 对称并联机器人的理论工作空间。结合上述条件 = 0，根据两个串联机器人机构参数( 、 )和集合位置（ ）不同，平面 5R 对称并联机器人的理论工作空间有 31r23r种类型，如图 2-5 所示：2014 届本科生毕业设计说明书1213r13r13r图 2-5 = 0 时，平面 5R 对称并联机器人理论工作空间2.3.5 奇异位形分析机构奇异位形可以理解为：机构在驱动关节作用下，运动到某一形态时，正好处于死点或极限点，机构就会出现运动失控甚至自由度发生改变，机构此时的位形称为奇异位形。处于奇异位形的机构，其传动能力随着运动学、动力学性能的突然改变而发生异常，甚至机构本体遭到不可逆转的破坏，失去稳定，无法正常工作。下面从串联奇异和并联奇异两个方面分析平面 5R 对称并联机器人的奇异位形。（1）串联奇异 当机构位于串联奇异时，沿着某个方向，动平台广义输出点 P 不能再继续运动下去。例如沿着直线 A1P 和直线 A2P 的方向，实际上所有的这些串联奇异点就组合成了平面 5R 对称并联机器人理论工作空间的边界。图 2-6 所示为平面 5R 对称并联机器人机构的串联奇异物理位形。2014 届本科生毕业设计说明书13PB2B2 B1B1B2PB1A2A1O xyA2A1O xyA2(P)A1O xyB2B1A2A1(P)O xy(a) A1P 完全展开 (b) A1B1 和 B1P 完全折叠(c) A2P 完全展开 (d) A2B2 和 B2P 完全折叠图 2-6 机构串联其以物理位形（2）并联奇异 下面两种情况下，平面 5R 对称并联机器人机构会发生并联奇异：第一种情况是点 B1 和 B2 重合时，此时动平台冠以输出点 P 位置不可确定，这种奇异位形如图 2-7(a)所示；第二种情况是 B1PB2 完全展开时，这种奇异位形如图 2-7(b)所示。对于并联奇异，当 时，点 B1 和 B2 不会完全重13r合，则第一种情况的奇异不存在；当 时，B 1PB2 不能完全展开，则第2二种情况的奇异不存在。2014 届本科生毕业设计说明书14PB1B1B2B2PA2A1 O xyA2A1 Oxy(a) (b)图 2-7 并联奇异物理位形2014 届本科生毕业设计说明书15第三章 总体布局设计3.1 概述上一章探讨了平面对称 5R 并联机构在工作中可能出现的奇异位形，本章重点讲述总体布局设计。初步设计思路为建立空间平面 5R 机构，在机架上分布两个基座，电机来驱动手臂转动。初步结构如图 3-1，但这个结构在验证过程中，连杆会发生干涉，并且会出现奇异位形。为了改进上述结构，避免奇异位形的出现和干涉，将结构改为空间层叠结构，并在从动关节处加两个冗余驱动，每个连杆占据一层空间。本章将详细介绍布局设计的过程。图 3-1 5R 机构验证2014 届本科生毕业设计说明书16图 3-2 总装配体3.2 设计要求使工作空间尽可能最大；机构结构紧凑，惯量与体积尽可能小，以实现高速运动；在此基础上，根据综合性能分析结果，兼顾实际生产工艺，尽量使机构灵活轻巧、外形美观。同时，由模型优化分析结果可知，要求有：（单位均为 mm）平面 5 杆尺寸： ；2805205纵向空间尺寸在满足电机摆放的前提下，尽量小。3.3 方案选择根据设计原理和设计要求可知，主电机和基座相连，冗余驱动电机和小臂关节相连，整体结构对称，为了形成空间结构，一个关节放在机架上，另一个关节放在平台上。根据机构各部分确定的先后顺序，按基座关节、冗余驱动关节、末端执行器、机架四个部分对机构选择方案做详细说明。3.3.1 基座关节方案选择基座关节由固定结构、电机减速器、驱动关节、传动轴几部分组成。考虑到需要将减速器固定在机架上，将减速器与法兰相连，法兰和基座连接，基座与机架用螺钉紧固在一起，见图 3-3。图 3-3由于减速器输出轴较细，拟设计方案为用大的传动轴将其套住，通过键配合来传递力矩。基座关节与轴则通过紧定螺钉实现紧固与传动。基座减速器伺服电机法兰基座关节2014 届本科生毕业设计说明书173.3.2 冗余驱动关节方案选择冗余驱动关节处的电机和减速器直接用螺钉与关节相连，并且根据空间位置不同，配合方向不同。但总的来说，相对配合顺序不变。减速器与传动轴通过内部键连接实现传导力矩，图 3-43.3.3 末端关节方案选择末端关节处只有两个关节通过轴相连，但要给刀具或夹具预留接口。所以轴的一端设计为有螺钉孔，并且便于配合。小臂从动关节小臂驱动关节减速器伺服电机小臂传动轴2014 届本科生毕业设计说明书18图 3-53.3.4 机架方案选择机架结构较为简单，注意到要求结构尽可能紧凑，空间结构尽可能小，同时将结构做成中空，减小质量，长宽保证工作空间即可，高度保证冗余驱动关节与平台有一定间隙，不影响正常工作即可。遂采用如图 3-结构。2014 届本科生毕业设计说明书19第四章 基座关节设计4.1 概述本章将在上一章已提出的方案的基础上对基座关节部分的设计进行详细的机械结构设计，确定各零件的基本尺寸，以及对各零件和整体布局进行进一步优化。基座部分包括驱动部分、基座配合部分以及传动部分。驱动部分包括电机和减速器的选型，基座配合部分包括基座和法兰的设计，传动部分包括轴系结构的设计和基座关节的设计。4.2 驱动部分设计4.2.1 电机选型电机的选择注意考虑其功率和转速是否满足要求，其次考虑其外形要与零件整体尺寸相吻合。已知要求有功率不小于 200W；电机输出扭矩不大于；小惯量，质量尽量选取较小的。结合上述条件，选择如图 4-1 所示的1.5NmPanasonic A5 MSMD 系列电机。该电机精度高，高速性能好；抗过载能力强；低速运动平稳，适用于有高速响应的场合；动态响应时间短；舒适性好。查询产品手册，选择输出功率为 200W 的电机即可满足要求，该电机型号为 MSMD 02 2GCVA。额定输出扭矩为 。0.64Nm图 4-14.2.3 减速器选型减速器的选择注意考虑其输出扭矩和速比是否满足要求，其次考虑其外形要与电机和零件相吻合。已知要求有输出扭矩不小于 ，小惯量，质量尽30Nm量选取较小的。结合上述条件，选择如图 4-2 所示的台达 ZDS60 系列行星减速器。该减速器具有刚性高、输出扭矩高、啮合性好以及传动效率高等优点。查询产品手册，经验算（1）取速比选取 50，二级减速，型号为 ZDS60L2-50。（1）0.6453202014 届本科生毕业设计说明书20图 4-24.3 传动结构设计由上图可知减速器输出轴的结构及尺寸关系，轴内部结构分为 3 部分，减速器输出轴凸台与轴内部的定位配合，减速器输出轴与轴内部孔的轴孔配合，用于传导力矩的键配合。内部结构三维视图见图 4-3(a)。与凸台部位定位配合，根据减速器的结构，设计为深 2 mm，直径为 14 mm，并且有一个 0.5 mm 的倒角，便于安装。与输出轴配合的孔直径取 12 mm，配合为基孔制的过渡配合，选取推荐配合 H7/k6，考虑到轴向游隙，孔深比轴长大 2 mm，孔深取 28 mm。根据减速器选择普通平键 ，于孔内加工出相应尺寸的键槽，便于520m配合。详细尺寸见图 4-4。(a)剖视 (b)整体2014 届本科生毕业设计说明书21图 4-3 基座输出轴图 4-4 基座轴零件图轴的外部结构与减速器输出轴端、法兰和基座关节相关。减速器输出轴端有个定位用的凹槽，所以在轴一端做一个厚 3 mm，直径为 24 mm 的凸台。不仅可以保证定心同轴，也可以对轴承进行定位和夹紧。另一端做成螺纹，通过圆螺母，将轴与关节实现轴向紧固。查手册，尺寸接近的有 的圆螺母。故此段结构加工为 M14 的螺纹。见图 4-4。M14.5同时考虑到此段结构在法兰内，需要轴承把滑动摩擦变位滚动摩擦来降低传动损耗。查询轴承标准件系列，考虑到有一定的轴向载荷，且轴段直径不大于 20 mm，故选取型号为 7003C 的角接触球轴承，内径为 17 mm，宽度为 10 mm，见图 4-5。图 4-5 7003C 角接触球轴承为了夹紧轴承，在两个反装的轴承之间，加一个套筒。套筒外径和轴承外径尺寸相同，为 35 mm，查询手册，由轴承安装尺寸可得，套筒厚度取为 1 mm，长度为 12 mm，见图 4-6。2014 届本科生毕业设计说明书22图 4-6 套筒4.4 基座紧固结构设计基座紧固结构包括电机与减速器的连接紧固、减速器与法兰的连接紧固、法兰与基座的紧固、基座与平台的紧固。其中包含着基座和法兰的设计。查询电机和减速器生产厂商的产品手册，可知电机和减速器用 4 个的开槽圆柱头螺钉连接在一起，减速器和法兰也用 4 个 的开槽M416 M16圆柱头螺钉连接在一起。考虑到基座的壁厚与采购成本，法兰与基座也通过 8个均布的 开槽沉头螺钉连接在一起。法兰的结构需要考虑到电机凸缘的配合以及轴承的配合。其突出部结构尺寸要留一定的余量，取比减速器输出端尺寸大 10 mm，为 mm，同时为80便于安装，边缘棱角加工为 R5 的圆角。在配合端加工一个深度为 3 mm，直径为 50 mm 的孔。内部则为深 34 mm，直径为 35 mm 的孔，余下的为 25 mm 的通孔，留一定的余量实现与轴承的配合以及对轴承的紧固。轴孔配合选择推荐配合 H7/k6。见图 4-7。图 4-72014 届本科生毕业设计说明书23基座结构要与法兰相匹配，壁厚取 10 mm。底部凸台与平台紧固在一起，取 10 mm 的厚度，外形尺寸取为 mm，一侧掏空一部分，便于伺服控140制器引线。于是有结构如图 4-8。图 4-84.5 基座关节设计关节部位的设计包括内部与轴的配合，外部与连杆的配合，以及整体尺寸的确定。轴与关节内部为过渡配合，选取推荐配合 H7/k6。内部孔取 17 mm。另一侧，需要做一个孔，能够使圆螺母与轴拧紧。查手册，得到 M14 的圆螺母的标准尺寸，孔取直径为 40 mm，深度为 15 mm，同时选择配套的圆螺母用止动垫圈。外形尺寸在尽量小的前提下，定为 mm。轴与关节的60传动依靠 3 个紧定螺钉来实现，查手册可得螺钉的长度系列，根据关节厚度，选择 mm 的开槽锥端紧定螺钉。M6252014 届本科生毕业设计说明书24图 4-9 基座关节4.6 本章小结本章讲述了电机和减速器的选型，基座关节的设计，其中包含了基座、法兰、关节、传动轴的详细设计思路，以及紧固件和其他标准件的选择。2014 届本科生毕业设计说明书25第五章 冗余驱动关节设计5.1 概述本章将在之前已提出的方案的基础上对冗余驱动关节部分的设计进行详细的机械结构设计，确定各零件的基本尺寸，以及对各零件和整体布局进行进一步优化。冗余驱动关节部分包括驱动部分、传动部分和两个关节。驱动部分包括电机和减速器的选型，关节部分包括上下两个关节的设计，传动部分包括轴系结构的设计。5.2 驱动部分设计5.2.1 电机选型电机的选择注意考虑其功率和转速是否满足要求，其次考虑其外形要与零件整体尺寸相吻合。已知要求有功率不小于 100W；电机输出扭矩不大于；小惯量，质量尽量选取较小的。结合上述条件，选择如图 5-1 所示的0.5NmPanasonic A5 MSMD 系列电机。该电机精度高，高速性能好；抗过载能力强；低速运动平稳，适用于有高速响应的场合；动态响应时间短；舒适性好。查询产品手册，选择输出功率为 100W 的电机即可满足要求，该电机型号为 MSMD 01 2GCVA。额定输出扭矩为 。0.32Nm图 5-15.2.3 减速器选型减速器的选择注意考虑其输出扭矩和速比是否满足要求，其次考虑其外形要与电机和零件相吻合。已知要求有输出扭矩不小于 ，小惯量，电6.57Nm机与减速器质量和不超过 2 Kg。结合上述条件，选择如图 5-2 所示的台达 ZDT系列行星减速器。该减速器具有刚性高、输出扭矩高、啮合性好以及传动效率高等优点。查询产品手册，经验算（2）取速比选取 25，二级减速，型号为ZDH42L2-25。2014 届本科生毕业设计说明书26考虑到与传动关节的配合，紧固端面做成 mm。方便与关节紧固配60合。（2）0.32587Nm图 5-25.3 传动轴设计由上图可知减速器输出轴的结构及尺寸关系，轴内部结构分为 3 部分，减速器输出轴凸台与轴内部的定位配合，减速器输出轴与轴内部孔的轴孔配合，用于传导力矩的键配合。三维模型见图 5-3。与凸台部位定位配合，根据减速器的结构，设计为深 2 mm，直径为 12 mm，并且有一个 0.5 mm 的倒角，便于安装。与输出轴配合的孔直径取 10 mm，配合为基孔制的过渡配合，选取推荐配合 H7/k6，考虑到轴向游隙，孔深比轴长大 2 mm，孔深取 22 mm。根据减速器选择普通平键 ，于孔内加工出相应尺寸的键槽，便于416m配合。2014 届本科生毕业设计说明书27图 5-3 基座输出轴轴的外部结构与减速器输出轴端和两个关节相关。为了便于和从动关节定位，保证同轴度，在轴的右端做一个定位用的凸台，长 3 mm，直径为 4 mm。同时为了夹紧轴承，长 10 mm 的此段结构加工为M14 的螺纹，选用 的圆螺母。定位轴颈的高度取为 2.5 mm，不仅可以M1.5起到定位轴承的作用，还可以紧固油封圈。根据油封圈的标准系列，选择接近的标准值，取内径 18 mm 的油封圈，见图 5-4。图 5-4同时将轴加工出相配合的轴段，长 4 mm，直径 18 mm。同时考虑到轴段结构在关节内，需要轴承把滑动摩擦变位滚动摩擦来降低传动损耗。查询轴承标准件系列，考虑到有一定的轴向载荷，且轴段直径不大于 20 mm，故选取型号为 7003C 的角接触球轴承，内径为 17 mm，宽度为 10 mm，外径为 35 mm。故其余轴段直径取 17 mm。综上，轴的详细结构见图 5-5。图 5-5 基座轴零件图5.4 冗余驱动关节设计5.4.1 驱动关节设计冗余驱动有两个传动关节，与减速器相连的是驱动关节，另一个是从动关节。2014 届本科生毕业设计说明书28驱动关节部位的设计包括内部与轴的配合，外部与连杆的配合，一端与减速器的连接以及整体尺寸的确定。出于便于加工的目的，整体尺寸取和基座关节相同，为 mm 的604立方体。与连杆的连接做出两个 10 mm 的凸台，对称的打两个 M8 的通孔。与减速器相连的部位，参照法兰与基座减速器相连的结构进行设计。4 个直径为 4 mm 的螺钉孔均布。减速器的子口也设计为 35 mm，与关节孔配合。便于加工。轴与关节内部为过渡配合，选取推荐配合 H7/k6。内部孔取 35 mm。考虑到紧固轴承和油封圈的需要，设计出两个凸台。同时考虑到上述需要，选择内径为 18 mm 的油封圈，外径为 32 mm，此时设计出相应的凸台可同时满足两个功能的需要。如图 5-6油封圈一端靠关节紧固，一端靠轴紧固。图 5-6 小臂驱动关节5.4.2 从动关节设计从关节部位的设计包括内部与轴的配合，外部与连杆的配合。整体尺寸参照驱动关节选取为 mm 的立方体。与连杆的连接做出两个 10 mm 的604凸台，对称的打两个 M8 的通孔。为了保证同轴度，在关节部位加工一个与轴端部配合的，深 3 mm，直径为 4 mm 的孔。配合选取 H7/k6。同时为了实现轴向紧固与定位，在关节上做 4 个直径为 3 mm 的通孔，与轴用开槽圆柱头螺钉连接。为了便于拧紧，将剩余部位挖空，做成 30 mm的孔。具体结构及尺寸见图 5-7。2014 届本科生毕业设计说明书29图 5-7 小臂从动关节5.5 本章小结本章讲述了冗余驱动关节电机和减速器的选型，驱动关节和从动关节的设计，其中包含了、传动轴的详