关节机器人毕业设计说明书

东南大学学士学位论文I目录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 机器人的特点 .11.3 机器人的构成与分类 .21.4 国内外机器人技术的发展现状 .21.5 课题研究意义 .41.6 本课题研究的主要内容、基本要求与方法 .6第二章 机器人传动方案设计 .82.1 机器人的工作要求 .82.2 机器人驱动方式的选择 .82.2.1 液压驱动 .82.2.2 气压驱动 .92.2.3 电机驱动 .92.3 机器人电机驱动装置的对比分析及选择 .102.4 减速装置的对比分析与选择 .112.4.1 行星齿轮传动 .112.4.2 谐波减速器 .122.4 机器人传动方案的确定 .152.4.1 六自由度机械手抓取机构的设计 .152.4.2 六自由度机械手前臂机构设计 .16第三章 机器人前臂结构设计计算 .183.1 腕部俯仰关节带传动设计 .183.1.1 伺服电机的选择 .203.1.2 同步齿形带传动设计 .213.2 第一关节轴的设计及校核 .233.2.1 伺服电机的选择 .233.2.2 轴的结构设计计算 .243.2.3 轴的校核 .263.2.4 轴的工作图 .283.3 第一关节轴轴承的计算校核 .293.4 第三关节轴的设计 .303.4.1 伺服电机的选择 .30东南大学学士学位论文II3.4.2 轴的结构设计计算 .303.4.3 轴的校核 .323.4.4 轴的工作图 .343.5 第三关节轴轴承的计算校核 .35第四章 总结 .37致谢 .38参考文献 .39东南大学学士学位论文1第一章 绪论1.1 引言我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力同，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 ”机器人技术是建立在机械、微电子、控制、人工智能技术等基础上的一门机电一体化的高新技术。机器人诞生于二十世纪 50 年代，目前已经发展到第三代智能机器人。纵观机器人发展的历史和高新技术的发展趋势，机器人已经成为现代化工业发展中不可缺少的必备工具。因此各工业发达国家非常重视机器人技术，一个世界范围的机器人研制热潮正方兴未艾。1.2 机器人的特点机器人最显著的特点有以下几个:1.可编程：生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统 (FMS)中的一个重要组成部分 。2.拟人化：机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化机器人还有许多类似人类的 “生物传感器 ”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等.传感器提高了机器人对周围环境的 自适应能力。3.通用性：除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机器人手部末端操作器 (手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。4.机电一体化：机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其它技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平 。东南大学学士学位论文21.3 机器人的构成与分类1.3.1、机器人的构成一个机器人系统，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。1.3.2、机器人的分类目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准，大致有以下几种分类方：1.按使用范围分类(1)固定程序的专用机器人 (机械手)： 通常根据主机的特定要求设计成固定程序 (或简单的可变程序 )。这种机器人 (机械手 )多为气动或液动，用行程开关、机械挡块来控制其工作位置。工作对象单一，动作较少，结构与系统简单，价格低廉。(2)可编程序的通用机器人 ：工作程序可变，以适应不同的工作对象，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。2.按使用行业、部门和用途分类(1)工业机器人 它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂 、装卸、装 配 、检测等机(2)采掘机器人 如海洋探矿机器人等。(3)军事用途机器人(4)服务机器人 如医疗机器人，家用机器人，教学机器人等。3.按机械结构 、坐标系特点分类按机械结构坐标系特点可分为直角坐标型;圆柱坐标型; 球坐标型;多关节型。4.按机器人运动控制方式分类(1)点位控制 (PTP)机器人 如上下料搬运机器人、点焊机器人等。(2)连续轨迹控制 (CP)机器人 如弧焊、喷漆和检测机器人。5.按驱动方式分类按驱动方式可分为液压驱动式、气动式、电力驱动式 (这是目前用得最多的一类)。1.4 国内外机器人技术的发展现状广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻强度，提高生产率，节约材料消耗以及降低生产成本，东南大学学士学位论文3都有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。我国的工业机器人从 20 世纪 80 年代“七五” 科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“ 七五” 、“八五”科技攻关，已基本掌握了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、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在 20 多家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊接线上。目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位 200 多家，拥有量为 3500 台左右，其中国产占 20，其余都是从日本、美国、瑞典等 40 多个国家引进的。2000 年已生产各种类型工业机器人和系统 300 台套，机器人销售额 6.74 亿元，机器人产业对国民经济的年收益额为 47 亿元。专家研究认为，我国工业机器人的市场主要在汽车、摩托车、电器、工程机械、石油化工等行业，企业对技术进步的需求更加强烈，其中主要的机器人用户仍在汽车制造行业、工程机械行业及电机、电子行业。我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。专家预测，在工业机器人的需求上，我国也将同国际市场需求趋势基本一致，即以机器人化的生产系统取代单台机器人，这是因为工业生产所用的机器人大多数是在生产线上使用，组成机器人化的生产系统，单台机器人很少使用。一般企业都不具备将机器人集成到生产系统的能力，因此对机器人的需求也就转化为对机器人及其自动化成套装备的需求综上所述，我国机器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路。今后的任务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展跨过区域交流合作，与国际接轨，早日跻身于世界先进行列。自从机器人在二十世纪五十年代诞生以来，在短短的近 50 年里得到了迅速的发展，它经历了第一代工业机器人的研究、实用化、普及，第二代感知功能机人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。现代工业机器人起源于数控机床和远程控制器。1954 年，美国的 George Devol 首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械手。这种机械手可以通过让其沿一系列点运动，将运动位置以数字形式存贮起来，动作执行时，使伺服系统驱动机械手各关节轴来再现这些位置，从而让机械手完成一些简单的工作。正是由于这个机械手具有了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志 1。在随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关节坐标、极坐标等许多种不同结东南大学学士学位论文4构的机器人。与第一代示教再现型机器人不同，第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人。这种机器人带有传感器，能感知环境和对象的情况，以控制自身动作的变化。在机器人视觉、触觉研究的同时，机器人其他感觉功能的开发也已经开始，对机器人的接近觉、听觉、滑觉以及会话等功能都进行了研究，并取得了一定的成果。这种有感知功能的机器人已被广泛应用于工业生产中的汽车制造、电子、机械等行业从事焊接、油漆、装配、包装、零件加工、搬运等专业性工作。目前，这类工业机器人占总数的 70%以上，全球正在工作的工业机器人共有 74 万，我国有 3000 台左右。智能机器人被人们称为第三代机器人，它是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人。从七十年代后期开始，人们对智能机器人的规划生成系统（问题解决系统，路径搜索等） ，环境的理解系统（感觉智能，包括视觉，触觉等） ，知识获得与利用系统（知识工程和专家系统等） ，人机接口系统，运动系统等问题展开了更加广泛、深入地研究。智能机器人的研究是一个艰巨而又广泛的问题，随着研究的不断深入，相关科学的飞速发展（如第五代智能计算机） ，具有智能的机器人在不久的将来一定会出现。1.5 课题研究意义制造与自己相似的机器人是人类长期以来的梦想。在不同的历史阶段，首先是在神话、小说和剧本中曾出现各种拟人的想象物。英语中的机器人，即:ROBOT，来源于斯拉夫语系，它是捷克作家 K.CaPeK192O 年在他的剧本罗沙姆万能机器人公司中提出的。现代机器实体的诞生大致可以追溯到二十世纪四十年代。当时由于核工业的兴起，为了处理放射性材料采用了机械手，同时期还出现了电子计算机。稍后，控制论、信息论等重大学科相继问世，所有这些科学技术成果都为机器人技术的诞生和发展莫定了基础。现实世界里的机器人并不像文艺作品里描述的那样神通广大，与真人形似到真假难分的地步。就目前的水平而言，机器人一般不具有人的形态，即使那些用于娱乐的似人机器人，其智能程度也远不能与人相比。大多数机器人是用于生产活动，以提高工作效率或产品质量的。因此从这层意义上来讲，机器人是一个通用的自动化装置。机器人是一种可编程的、通用、有操作或移动能力的自动化机器。最近联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给”机器人”所下的定义:”一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件的操作机; 或者为了执行不同的任务而东南大学学士学位论文5具有可改变的和可编程的动作的专门系统” 。机器人的诞生和应用是生产和社会发展的需要。机器人又是在现代生产和科学技术发展的基础上出现的。新一代机器人已经并将在工业生产、资源开发、排险救灾、社会服务和军事技术中发挥愈来愈大的作用。工业机器人己得到广泛应用。由工业机器人与其他设备组成的生产线已经成百倍地提高了企业的劳动生产率，提高了产品质量，大大缩短了产品更新换代的周期.机器人的出现和发展已使传统工业生产的面貌发生了根本性的变化，使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化跨入了智能的新时代。随着机器人技术的飞速发展，多种类型的机器人己相继问世。机器人可以按用途、结构、驱动方法、智能水平等观点进行分类。不管怎样分类，机器人的基本结构都是一样的。机器人是山臂(连杆)、关节和末端执行装置(连接工具)构成。机器人的关节连接了两个相邻的刚体，即连杆，关节提供连杆之间的相对运动。关节即运动副。用简化画法可以将机器人表示成图 1.1 所示的几何模型。一些形状和大小不同的机器人，可能有着相同的几何模型(仅几何参数不同) ，并有相同的运动学分析结果。多关节机械手臂，顾名思义，关节多而长。关节越多，手臂的重最就越大，运动学分析就越复杂，随之而来的问题还有惯性的加大、过冲量的增大而引起动力学分析的复杂化，以及连杆之间的平衡问题等 9。图 1.1 机器人几何模型通常工业上使用的机器人山大臂和作为末端执行器的简单夹持器组成。此类机器人对于要求实现负荷的大范围运动作业是有效的，但却不能实现诸如装配之类要求对负荷进行精细调整的运动作业。因为传统的机器人要实现对被抓取物体的微小运动，机器人臂部各关节的运动就要求很精确。但由于传统机器人臂部各构件尺寸通常较大，通过整个储部的运动不易实现对物体的精确操作.如果能够有效地减小臂部的尺一寸和重量，不难实现对物体的精确操作。在多指机器人手的应用方面，山于多指机器人手通常小于所安装的机器人东南大学学士学位论文6本体，所以可以提高机器人的整体精度。但是多手指的使用使整个系统的复杂性增加，并且由于带有多指机器人手的机器人的自由度很多，因此使得运动学和动力学分析复杂化，同时山于自由度的增加将使抓取规划工作变得困难 6。由于在军事，航空等领域的一些特殊应用，一部分学者长期以来一直在追求实现负载/自重比为 1/2 的轻型机器人，而瓶颈问题始终是驱动单元问题。从过去的经验来看，形状记忆合金，磁至伸缩，气动伸缩驱动单元的应用范围很有限，驱动主体还是电机，而电机的重量又是一个待解决的问题。如果能够有效地减少驱动器的个数，减轻了机械手肴的重量，并且山于炭纤维增强的复合材料的出现及大量关于弹性臂研究成果，因此有可能解决轻型机器人的问题。1.6 本课题研究的主要内容、基本要求与方法1.6.1 主要内容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（包括工件和夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的是把手部送到空间范围内的任一点。 一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右回转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或汽缸）和各种传动机构来实现。此次设计要完成以下内容：机械手前臂的结构设计，包括大臂、小臂及连接处的设计； 1) 根据臂部的运动选择合适的传动机构及传动方案；2) 驱动装置的选择，液压驱动、电机驱动、气动驱动；3) 机械机构的强度校核；关节机器人参考图形：图 1.2 关节型机器人1.6.2 臂部设计的基本要求臀部设计首先要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：1) 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻。东南大学学士学位论文7a:根据受力情况合理选择截面形状和轮廓尺寸；b: 提高支承刚度、合理选择支承间距离；c:合理布置作用力的位置和方向。2) 臂部运动速度要高、惯性要小。3) 臂部运动要灵活： 为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。4) 位置精度要高：关节式机械手的位置最难控制，故精度差，在手臂上加设定位装置和检测机构能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件的间隙。1.6.3 研究方法1) 对现有文献分析，查阅现有国内外有关关节型机器人和机械手的文献资料，深刻理解现有机械手臂的运动原理以及行走方式，设计过程中充分借鉴现有的优良结构，在此基础上进行创新性设计；2) 重视理论分析，掌握基本的机械设计理论机械设计和机械制造；3) 提出并论证新的传动方案，设计新的传动机构，该机械手的传动机构要满足传动平稳、结构紧凑、噪声小、效率高。这个阶段很重要，要时常与指导教师及其他老师共同探讨；4) 理论与实际相结合，力求设计满足经济行和工艺性要求，使设计真正满足教学化的要求。东南大学学士学位论文8第二章 机器人传动方案设计2.1 机器人的工作要求该机器人的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，结构较紧凑，能抓取靠近机座的物体。协作单位根据其用途和特点提出如下技术参数：自由度数目：6 个负载能力：1.5kg高度：1800mm本体重量：200kg最大活动半径：1200mm驱动方式：伺服电机驱动重复定位精度： mm0.1坐标形式：直角坐标关节型运动范围： 000123456/3/18/2/3每轴最大运动速度：腰转- ；大臂- ；小臂- ；S6S6S臂转- ；腕摆- ；腕转- ；0/0/01/2.2 机器人驱动方式的选择目前机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等多种驱动方式 10，各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，从中选出适合关节机械手的驱动方式。2.2.1 液压驱动液压驱动的特点有:1) 驱动力和驱动力矩较大，臂力可达 100 公斤；2) 速度反应性较好。因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化，所以当不考虑油液的温度变化时，被驱动系统的滞后也几乎没有，而且液压机构的重量轻、惯性小，因此它的速度反应性较好；东南大学学士学位论文93) 调速范围较大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；4) 传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向；5) 在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小；6) 定位精度比气动高，但比电机低；7) 液压系统的泄漏对机构的工作稳定性有一定的影响；8) 油液中如果混入气体，将降低传动机构的刚性，影响定位精度 (产生爬行)；9) 油液的温度和粘度变化影响传动性能。液压驱动机械手多用于要求臂力较大而运动速度较低的工作场合。2.2.2 气压驱动气动驱动的特点有：l)通过调节气流，就可实现无级变速；2)由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机械手动作速度快；3)压缩空气可从大气中吸取，故动力源获得方便、价格低廉，而且废气处理方便；4)由于压缩空气粘度小，因此在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一;故压缩空气可以集中供应，远距离输送；5)压缩空气的压缩性较大，因此使机械手的运动平稳性较差，定位精度较低，而且压缩空气排到大气中时噪声较大，另外还须考虑润滑和防锈等；耐压缩空气的工作压力较低，致使机械手结构较大。因此，气压驱动的机械手，常用于臂力小于 30 公斤、运动速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件较恶劣的场合。2.2.3 电机驱动电机驱动系统按电机的功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。各种电机系统的工作原理有很大的区别，性能上也存在着较大的差异。在这里，不对这些电机系统作一一介绍。只是把电机驱动与液压和气压驱动做一个比较，从中得到结论。东南大学学士学位论文10从文献 13可知，电机驱动机械手可避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动要高;电机系统将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次加工的壳体中，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大提高;另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可达到非常高的位姿准确度，这些都是电机驱动的优点。相对的，液压与气压驱动系统组成机构繁琐，维护不方便，液压源和气压源装置体积大，对于关节机器人来说也是一个无法实现的问题，对于关节机器人操作机械手所要求的位置精度，液压和气压驱动也很难满足。综上所述，本文选择电机驱动为机械手的驱动方式。2.3 机器人电机驱动装置的对比分析及选择通常，机器人驱动方式有以下四种 3：1.步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机具有自锁能力（变磁阻式）和保持转矩（永磁式）的能力，有利于控制系统的定位。但步进电机基本上不具有过载能力，功率偏大者，体积较大，并且其空间分辨率较低；功率较小者，只适于传动功率不大的关节或小型机器人。2.直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，体积偏大，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。3.交流伺服电机：交流伺服电机结构较简单，体积较小，运行可靠，使用维修方便，价格比直流伺服电机便宜，但高于步进电机。随着可关断晶闸管 GTO，大功率晶闸管 GTR 和场效应管 MOSFET 等电子器件、脉冲调宽技术和计算机控制技术的发展，交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。4.液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便。由于本课题研究的机器人的额定负载较小，体积和重量均要求较小，综合东南大学学士学位论文11分析后，决定采用交流伺服电机混合驱动。腰部、大臂和小臂要求动态特性好、传动功率较大，采用交流伺服电机驱动；腕部虽然所需传动功率较小，为了统一也采用交流伺服电机驱动。2.4 减速装置的对比分析与选择减速器的类型主要有：渐开线圆柱齿轮减速器、圆锥圆柱齿轮减速器、圆弧圆柱蜗杆减速器、谐波传动减速器、摆线针轮减速器、行星齿轮减速器。现在只考虑行星齿轮减速器和谐波齿轮减速器，现将二者进行对比：2.4.1 行星齿轮传动1. 行星齿轮传动的优点行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，他具有许多独特的优点。在各种需要齿轮传动装置中，行星齿轮传动已得到了越来越广泛的应用。它的最显著的特点是：在传递动力时它可以进行功率分流；同时，输入轴与输出轴具有同轴性，即输出轴与输入轴均设置在同一主轴线上。所以，行星齿轮传动现在已被人们用来代替普通齿轮传动，而作为各种机械传动系统中的减速器、增速器和变速装置。尤其是对于那些要求体积小、质量小、结构紧凑和传动效率高的变速器。2. 行星齿轮传动的主要特点如下 17：（1）体积小、质量小、结构紧凑、承载能力大 由于行星齿轮具有功率分流和各种中心轮购成共轴线式的传动以及合理地应用内啮合齿轮副，因此可使其结构非常紧凑。再由于在中心轮的周围均匀地分布星星轮来共同分担载荷，从而使得每个齿轮所承受的负荷较小、并允许这些采用较小的模数。此外，在结构充分利用内齿啮合承载能力大和内齿圈本身的可容体积，从而有利于缩小其外廓尺寸，使其体积小，质量小，结构非常紧凑，且承载能力大。一般，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮传动的 1/21/3（即在承受相同的载荷条件下） 。（2）传动效率高 由于行星齿轮结构的对称性，即它具有数个匀称分布的行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能互相平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。在传动类型选择恰当、其效率值可达 0.970.99。（3）传动比较大 可以实现运动的合成与分解 只要适当选择行星齿轮传动类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可达到几千。应该指出，行星齿轮传动在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑、质量小、体积小等许多优点。而且，它东南大学学士学位论文12还可以实现运动的合成与分解以及实现各种变速的复杂的运动。（4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强 由于采用了数个结构相同的行星轮，均与地分布于中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故星星轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，工作可靠。总之，行星齿轮传动具有质量小、体积小、传动比大及效率高（类型选用得当）等优点。因此，行星齿轮传动现已广泛地应用于各种机械设备。行星齿轮传动不仅适用于高转速、大功率，而且在低速大转矩的装置上也已获得了应用。它几乎可适用于一切功率和转速范围，故目前行星传动技术已成为世界各国机械传动发展的重点之一。在汽车工业行星齿轮的作用尤其得到体现。2.4.2 谐波减速器谐 波 齿 轮 减 速 器 是 利 用 行 星 齿 轮 传 动 原 理 发 展 起 来 的 一 种 新 型 减 速 器 。谐 波 齿 轮 传 动 （ 简 称 谐 波 传 动 ） ， 它 是 依 靠 柔 性 零 件 产 生 弹 性 机 械 波 来 传 递动 力 和 运 动 的 一 种 行 星 齿 轮 传 动 。1. 谐 波 齿 轮 传 动 由 三 个 基 本 构 件 组 成 ：一 ： 谐波发生器（简称波发生器）是凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内） 。二：刚轮是刚性的内齿轮。三：柔轮是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。以上三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动，或者发生器、刚轮主动，柔轮从动，成为差动机构（即转动的代数合成） 。谐波传动工作过程如图 2.1：图 2.1 谐波减速器构件2. 谐波齿轮传动的传动原理：东南大学学士学位论文13当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形） ，这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有 30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动 1/8 周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了 1/4 齿；同理，波发生器再转动 1/8 周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“ 谐波” 。东南大学学士学位论文14图 2.2 谐波传动的工作原理3. 传动特点1.结构简单，体积小，重量轻；谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少 50%，体积和重量均减少 1/3 左右或更多。2.传动比范围大；单级谐波减速器传动比可在 50300 之间，优选在 75250 之间；双级谐波减速器传动比可在 300060000 之间；复波谐波减速器传动比可在 200140000 之间。 3.同时啮合的齿数多；双波谐波减速器同时啮合的齿数可达 30%，甚至更多些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有 27%，对于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有 12 对。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。 4.承载能力大；谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。 5.运动精度高；由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。 6.运动平稳，无冲击，噪声小；齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。 7.齿侧间隙可以调整；谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。 东南大学学士学位论文158.传动效率高；与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同（u=60-250)，效率约在 6596%左右（谐波复波传动效率较低） ，齿面的磨损很小。 9.同轴性好；谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线上。10.可实现向密闭空间传递运动及动力；采用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构，谐波传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的。 11.可实现高增速运动；由于谐波齿轮传动的效率高及机构本身的特点，加之体积小、重量轻的优点，因此是理想的高增速装置。对于手摇发电机、风力发电机等需要高增速的设备有广阔的应用前景。 12.方便的实现差速传动。由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可以任意两个主动，第三个从动，那么如果让波发生器、刚轮主动，柔轮从动，就可以构成一个差动传动机构，从而方便的实现快慢速工作状况。这一点对许多机床的走刀机构很有实用价值，经适当设计，可以大大改变机床走刀部分的结构性能。由于自然形成的预加载谐波发生器啮合齿数较多以及齿的啮合比较平稳，谐波齿轮传动的间隙几乎为零，因此传动精度高。目前，机器人的旋转关节有60%-70%都是用谐波齿轮，所以本次设计也采用谐波齿轮传动。通过各方面的综合考虑，最后选用 XB25-24A。2.4 机器人传动方案的确定经过一段时间的查阅，分析了大量的工具书和网络查询后，开始了这次的毕业设计六自由度关节型机器人抓取/上臂机构设计。总的看来可分两大部分设计：一是六自由度机械手抓取机构的设计，二是六自由度机械手前臂机构的设计。2.4.1 六自由度机械手抓取机构的设计六自由度机械手抓取机构即手部又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，可以是个中夹持器。也可以是各种加工的刀具等，在这里选用是东南大学学士学位论文16夹持器。常用的夹持器有：滑槽杠杆式、齿轮齿条式、扇齿齿条式、平行连杆杠杆式、滑块摇杆式、弹簧外卡式、钢丝柔性式、柔性材料式、电磁气动式等，由于此设计是柔性实验室的教学机械手，且工件最重为 1.5 公斤，综合考虑个夹持器的性能特点及设计要求，参照哈尔滨工业大学机器人研究所的设计，决定采用电磁气动式夹持器，因为工件小而且气动夹持器体积小、反应快、易于控制，并且能在市场上买到。由于此次设计难度比较大，而且时间比紧迫，没有时间进行抓取机构的设计，在此采用市场上可以买到的外购件-电磁气动式夹持器。外形见图 2.3。图 2.3 电磁气动夹持器2.4.2 六自由度机械手前臂机构设计六自由度机械手前臂机构主要包括：腕部、小臂和大臂三部分。腕部与手部相连，通常有三个自由度，主要功能是带动手部完成预定姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。臂部用以链接腰部和手部，通常有两个臂杆组成，用以带动腕部做平面运动。1.腕部旋转机构设计常用的驱动装置有步进电机、伺服电机和直流电机等，根据要求选用伺服电机为驱动装置。伺服电机体积小、传动精度高、噪音小。常用的减速方式有很多，最常用的有齿轮减速传动，它主要包括行星减速器、谐波齿轮减速器两种。此次设计学用谐波减速器，它传动功率大比且较平稳、噪声小。故腕部旋转传动方式采用：伺服电机+ 谐波减速器。2.腕部摆动机构设计驱动装置同上选择伺服电机进行驱动。段距离的传动方式有齿轮啮合传动、仰东南大学学士学位论文17链轮链条传动、同步带传动等，齿轮啮合传动噪声大，链轮传动比较适合长距离的传动并且噪声也大，而同步带传动适合小距离并且噪声小、传动稳定。因此腕部摆动传动方式采用：伺服电机+同步带。3.臂部旋转机构设计因为其结构与腕部旋转类似，故采用同样的传动方式：伺服电机+谐波减速器。图 2.4 传动方案仰仰仰仰仰仰仰仰仰仰仰东南大学学士学位论文18第三章 机器人前臂结构设计计算3.1 腕部俯仰关节带传动设计（1）.同步带的组成与工作原理带传动是一种常用的、成本较低的动力传动装置。带传动具有运动平稳、清洁（无需润滑） 、噪声低的特点，具有缓冲减振和过载保护作用，并且维护方便。与链传动和齿轮传动相比，带传动的强度较低和疲劳寿命较短。然而，对于带强力层材料的改善，如果用钢丝、尼龙、聚酯纤维峙，带传动也可以用于某些只有链传动才适合的动力传动。 构成：带轮 1、带轮 2、环形带工作原理: 靠带与带轮接触弧间的啮合力传递运动和动力。东南大学学士学位论文19图 3.1 同步带传动图 3.2 同步带截面形状Pb节距 ht齿厚 hs带厚随着人们对齿形应力分布的解析，开发出了传递功率更大的圆弧齿（图3.3b） ，紧接着人们根据渐开线的展成运动，又开发出了与渐开线相近似的多圆弧齿形，使带齿和带轮能更好的啮合（图 3.3c） ，使得同步带传动啮合性能和传动性能得到进一步优化，且传动变得更平稳、精确、噪音更小。三种齿形传递能力、噪音水平、打滑扭矩的比较如图 3.4。a b c图 3.3 同步带齿形的变迁a梯形齿 b圆弧齿 c近似渐开线齿图 3.4 三种齿形比较(2) 同步带传动的优缺点1） 工作时无滑动，有准确的传动比东南大学学士学位论文20有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。2） 传动效率高，节能效果好由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达 0.98。它与三角带传动相比，有明显的节能效果。3） 传动比范围大，结构紧凑同步带传动的传动比一般可达到 l0 左右，而且在大传动比情况下，其结构比三角带传动紧凑。因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减小。所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。4） 维护保养方便，运转费用低由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低得多。5） 恶劣环境条件下仍能正常工作尽管同步带传动与其它传动相比有以上优点，但它对安装时的中心距要求等方面极其严格，同时制造工艺复杂、制造成本高。6）.能缓和载荷冲击；运行平稳，无噪声；制造和安装精度不象啮合传动那样严格；过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件的损坏；可增加带长以适应中心距较大的工作条件。3.1.1 伺服电机的选择腕部俯仰由伺服电机通过同步带机构驱动。手爪回转装置及物体的重心到回转中心的距离 l=80mm，腕部当量回转半径 R=20mm，则腕部俯仰时其转动惯量J1= （3.1）22mlR= 21.508.5029gK式中 m1手爪回转装置及物体总质量，约为 1.5Kg，m2腕部总质量，约为 0.5Kg，东南大学学士学位论文21设机器人腕部俯仰角速度从 =0 加速到 =600/s 所需时间 t =0.2s，则腕部俯仰角加速度：（3.2）2a/.22（ 180t） =6（ 18） =5rad/s腕部俯仰启动惯性矩： 212.95.047Tj