并联六自由度微动机器人机构设计毕业设计

1、摘要为了提高生产效率和焊接质量，满 足特定的工作要求，本 题设计 用于焊接的关节型机器人的手腕和末端执行器。根据机器人的工作 要求进行了机器人的总体设计。确定机器人的外形时，拟定了手腕 的传动路径，选用直流电动机，合理布置了电机、轴和齿轮，设计 了齿轮和轴的结构，并进行了强度校核计算。传动中采用了软轴、 波纹管联轴器和行星齿轮机构，实现了摆腕、转腕和提腕的六个自 由度的要求。设计中大多采用了标准件和常用件，降低了设计和制 造成本。关键词：自由度；焊接；手腕AbstractIn order to improve the production efficiency and welding qual

2、ity, to meet the specific requirements of the work, the design of this thesis is used for the wrist of welding articulated robot and the end of the actuator. According to the requirements of the robots work, we makeoverall design of the robot. When determining the shape of the robot, drawing up the

3、transmission path of the wrist, selecting of DC motor, arranging the motor, the shaft and the gear reasonable, and checking the strength. The transmission apply to flexible shafting, bellows coupling and planetary gear mechanism, achieving to put the wrist, turn the wrist and raise the wrist to ment

4、ion the requirements of the six degrees of freedom. The designs mainly use standard parts and common pa rts, reducing the costs of design and manufacturing.矚 慫润 厲钐 瘗睞枥 庑 赖。Keywords : degree of freedom; welding; wrist目录摘 要 I 聞 創 沟 燴 鐺 險 爱 氇 谴 净 。Abstract I 残骛楼 諍 锩瀨 濟 溆塹籟 。第 1 章 前言 11.1 机 器 人 的 概 念 0酽

5、 锕极 額 閉镇 桧 猪訣 锥。1.1.1 操作 机 0彈 贸摄 尔 霁毙 攬 砖卤 庑。1.1.2 驱动 单元 21.1.3 控制 装置 21.1.4 人工 智能 系统 21.2 题目 来 源 1謀 荞抟 箧 飆鐸 怼 类蒋 薔。1.3 技术 要 求 1厦 礴恳 蹒 骈時 盡 继價 骚。1.4 本设计要解决 的主 要问题及 设计总体 思路2 茕 桢广鳓鯡选块网羈 泪。第 2 章 国内外研究现状及发展状况 42.1 研究现状 42.1.1 工业 机器 人 42.1.2 先进 机器 人 52.2 发展趋势 7第 3 章 总体 方案 设计 93.1 机械结构类型 的确 定 93.1.1 圆柱 坐标

6、 型 93.1.2 直角 坐标 型 93.1.3 球坐 标型 93.1.4 关节 型 93.1.5 平面 关节 型 93.2工作空间的确 定 103.3 手腕结构的确 定 113.4 基本参数的确 定 11第 4 章手腕 的结 构设 计与计算 124.1 机器人驱动方 案的 分析和选 择 124.2 手腕电机的选 择 134.2.1 提腕 电机 的选择 13II4.2.2 摆 腕 和转 腕 电 机的 选 择 134.3 传 动 比 的 确定 134.3.1 提 腕 总传 动 比 的确 定 134.3.2 转 腕 和摆 腕 传 动比 的 确 定 144.4 传 动 比 的 分配 144.5 齿

7、轮 的 设 计 154.5.1 提 腕 部分 齿 轮 设计 154.5.2 转 腕 部分 齿 轮 设计 224.5.3 摆 腕 部分 齿 轮 设计 244.6 轴 的 设 计 和校 核 4.6.1 输 出 轴的 设 计4.6.2 传 动 轴的 设 计4.6.3 轴 的 强度 校 核25鹅 娅尽 損 鹌 惨 歷 茏 鴛 賴. 26籟 丛 妈 羥 为 贍 偾 蛏 练 淨. 26預 頌 圣 鉉 儐 歲 龈 讶 骅 籴. 29渗 釤 呛 俨 匀 谔 鱉 调 硯 錦4.7 夹 持 器 的 设计 334.8 壳 体 的 设 计 33结 论 35致 谢 36参考文献37铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡IIICONTEN

8、TSAbstract 错 误 ！ 未定 义 书 签 。擁 締凤 袜 备訊 顎 轮烂 蔷。chapter 1 错 误 ！ 未定 义 书 签 。贓 熱俣 阃 歲匱 阊 邺镓 騷。1.1 the concept of the robot 错 误 ！未 定 义 书签 。 坛摶 乡囂忏 蒌 鍥铃 氈 淚。1.1.1 CaoZuoJi 错误！未定 义 书签 。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。1.1.2 Drive unit 21.1.3 Control device 21.1.4 System of artificial intelligence . 2買 鲷鴯 譖 昙膚 遙 闫撷 凄1. 2 Topic sour

9、ce 错 误 ！ 未定 义 书 签 。綾 镝鯛 駕 櫬鹕 踪 韦辚 糴。1.3 Technical requirements 错误！未 定义 书签 。驅踬髏彦浃绥譎饴憂 锦1.4 This design to solve the main problems of the overall thinking and design 错 误 ！ 未定 义 书 签 。猫 虿驢 绘 燈鮒 诛 髅貺 庑。Chapter 2 research situation and development 4 锹 籁饗 迳 琐筆 襖 鸥娅 薔2.1 research status 42.1.1 industrial ro

10、bots構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.1.1Cylindrical coordinates type . 9凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.1.3Spherical coordinates type 9恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。3.1.5Plane joint type 9鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3.2the determination of work space . 10硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.3the determination of wrist structure .11 阌 擻輳 嬪 諫迁 择 楨秘 騖 。3.4The determination of the basic parameters11

11、氬 嚕 躑 竄 贸 恳 彈 瀘 颔9 识 饒鎂 錕of the wrist structure design and calculation12 釷鹆 資贏 車澩。2.1.2 Advanced robot輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.2 Development trend 9尧 侧閆 繭 絳闕 绚 勵蜆 贅。Chapter 3 overall scheme design3.1 The determination of the mechanical structure types 缢灩筧嚌俨淒4.1robot analysis and choose driving scheme12怂阐譜鯪迳導嘯畫長

12、IVChapter 4 贖孙滅獅赘4.2 The choice of wrist motor 134.2.1 Mention the choice of wrist motor13 4.2.2A wrist and turn wrist motor choice13谚辞調担鈧谄动禪泻類。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機4.3 Determine the transmission ratio of the错 误 ！ 未 定 义 书 签 。4.3.1Mention the transmissionratio of the wrist alwayssure13纣 忧蔣 氳 頑莶 驅 藥悯 骛

13、鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。4.3.2 Turn wrist and a wrist to determine the transmissionratio 错 误 ！ 未定 义 书 签 。颖 刍莖 蛺 饽亿 顿 裊赔 泷。4.4 The transmission ratio of the distribution错 误 ！未 定 义 书 签 。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.5 Gear design 错误！未定 义 书签 。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。4.5.1 Mention wrist part gear design错误！未 定义 书签 。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。4.5.2 Turn wrist part

14、 gear design 22赔 荊紳 谘 侖驟 辽 輩袜 錈 。4.5.3 A wrist part gear design 错误！未定义书签。塤礙籟馐决 穩賽釙冊庫。4.6 Axis of the design and check错 误 ！ 未 定 义 书 签 。 裊 樣 祕 廬 廂 颤谚鍘羋蔺。4.6.1 The design of the output shaft错误！未定义书签。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。4.6.2 The design of the 错 误 ！ 未 定 义 书 签 。 绽 萬 璉 轆 娛 閬 蛏 鬮 绾 瀧。4.6.3 Axis of intensity 错 误！未 定

15、义书签。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡 赙。4.7 Grippers design 334.8 Shell design conclusion thanks And take an examination of the offer 缟馭篩凉。 33 35 36错误！未定义书签。瑣钋濺暧惲锟VI第 1 章 前言1.1 机器 人的 概念机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟 人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器 人。美 国机器 人工 业协 会提出的 工业 机器 人定义为 ：“机器 人 是一种 可重 复编程和 多功 能的 ，用 来搬运材 料、零件、工 具的 操作 机”。英

16、国和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准 GB/T12643-90 将工 业机 器人 定义 为：“ 机器 人是 一种 能自 动 定位 控 制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、 零件 或操 持工 具， 用以 完成 各 种作 业”。而 将操 作 机 定 义为 ：“具 有 和人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”。鎦诗 涇艳损楼紲鯗餳類。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。1.1.1 操 作 机操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作 功能。通常由下列部分组成：（ 1）末

17、端 执行 器又 称手 部 是机器人 直 接执 行工 作的 装置 ，并 可 设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触 以完成作业的机构。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。（ 2）手 腕 是 支承 和调 整末 端执行器 姿态 的 部件，主 要 用 来确 定 和改 变末端执 行器 的方 位和 扩大 手臂 的动 作范 围，一 般 有 23 个 回 转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕 而直接将末端执行器安装在手臂的端部。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。（ 3）手 臂 它 由机 器人 的动 力关节和 连接 杆 件等 构成 ，是 用于 支 承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括

18、肘关节和肩 关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末 端执行器姿态的变化范围和运动范围。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。（ 4 ）机 座 有 时 称 为 立 柱 ，是 工 业 机 器 人 机 构 中 相 对 固 定 并 承 受相应 的力的基 础部 件。可 分固定式 和移 动式 两类。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。1.1.2 驱 动单 元它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部 件提供动力和运动的装置。1.1.3 控 制装 置它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置， 它指挥机器人按规定的要求动作。1.1.4 人 工智 能系 统它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部

19、分为决策规划 智能系统。1. 2 题目来源本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和 手腕的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于目前 手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要 求高，因此采用机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提 高产品质量与劳动生产率、实 现生产过程自动化、改 善劳动条件。则 鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。1.3 技术 要求根据设计要达到以下要求；1）工作 可靠 ，结构简 单；2）装卸 方便 ，便 于维 修、调整 ；3）尽量使用通用件，以便降低制造成本1.4 本设 计要 解决的 主要 问题 及设计 总体 思路本设计要解决的问题有以下三个：

20、（1）手 腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力 求手腕部件的结 构紧凑，减少重量和体积；（ 2）提高 手腕 动作的精 确性；（ 3）六个 自由 度的实现 。针对上述问题有了以下设计思路：（1）腕 部机构的驱动装置采用分离传动，将 3 个驱动器安置在小 臂的后端。（2）提 高传动的刚度，尽 量减少机械传动系统中由于间隙产生的 反转误差，对于分离传动采用传动轴。（ 3）驱 动 电机 1 经传动 轴驱 动一 对圆 柱齿轮和 一对圆锥 齿 轮带 动 手腕 在小臂壳 体上 作偏 摆运 动。电机 2 经传 动轴驱动一 对圆 柱齿 轮 和一 对圆锥齿 轮传 动， 实现 手腕的上 下摆 动。 电机 3 经 传

21、动 轴和 两 对圆 锥齿轮带 动轴 回转 ，实 现手 腕上 机械接口 的回 转运 动。 胀鏝彈奥 秘孫戶孪钇賻。第 2 章 国内外研究现状及发展状况2.1 研究 现状从机器人诞生到二十世纪 80 年代初，机 器人技术经历了一个长 期缓慢的发展过程。到 90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网 络技 术等的快 速发 展，机 器人技术也 得到了 飞 速发展1。除 了工业 机 器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有 了长足的进展。下面将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路 线分 述机器人 的最 新进 展情 况2。鳃躋峽祷紉诵帮废 掃減。2.1.1 工 业机 器人工业机器人技术

22、是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学 科领域的技术为基础融合而成的一种系统技术 3。（1）机 器人操作 机：通过有限 元分 析、 模态 分析及 仿真 设计等 现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国 KUKA 公司 为代 表的 机器人公 司，已将 机器人并联平 行四 边 形结 构 改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的 应用 ，大大提高 了机 器人 的性能。此外 采用 先进 的 RV 减 速器 及交 流 伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。（2）并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精 度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将

23、来实现机 器人和数控技术 一体 化奠 定了 基础 。 意大利 COMAU 公 司，日 本 FANUC 等公司已 开发 出了 此类产品 。（3）控 制系统：控 制系统的性能进一步提高，已 由过去控制标 准的 6 轴机器人发展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴，并且实现了 软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面 也已问世 。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程 已实现实用化。（4）传 感系统：激 光 传感器、视觉 传感 器和 力传感器 在 机器人 系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上 物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业

24、性 能和 对环境的 适应 性。 日本 KAWASAKI 、 YASKAWA 、 FANUC 和 瑞 典 ABB 、 德国 KUKA 、REIS 等公司皆 推出了此 类产品。（5）网 络通信功 能：日 本 YASKAWA 和德国 KUKA 公司 的最 新 机器 人控制器 已实 现了 与 Canbus 、 Profibus 总线及 一些网络 的联 接， 使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器 人由过去的专用设备向标准化设备发展。（6）可 靠性：由 于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的 应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可 靠性 MTBF 一般为几 千小

25、 时， 而现在已 达到 5 万小时， 几乎可以 满 足任 何场合的 需求 4。稟虛 嬪赈维哜妝扩踴粜。2.1.2 先 进机 器人近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域 向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、 农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这 些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定 性，因 而对机器人的要求更高，需 要机器人具有行走功能，对 外 感 知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展 方向 5。（1） 水下 机器 人：美国的 AUSS 、俄罗斯的 MT-88 、法国 的 EPAVLARD 等

26、水下机器人 已用 于海洋石 油开 采， 海底勘查 、 救捞作 业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形 成了 有缆水下 机器 人（ remote operated vehicle ） 和无 缆水 下 机器 人 （ autonomous under water vehicle ） 两 大 类 。（2）空 间机器人：空 间机器人一直是先进机器人的重要研究领 域 。目 前 美 、俄 、加 拿 大 等 国 已 研 制 出 各 种 空 间 机 器 人 。如 美 国 NASA 的空间机器人 Sojanor 等。Sljanor 是一辆自主移动车，重量为 11.5kg ， 尺寸 63048m

27、m ，有 6 个车轮，它 在火星上的成功应用，引 起了全球 的广 泛关 注。（3）核 工业用机 器人：国 外的 研究 主要 集中在 机构 灵巧 ，动 作 准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺 服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国 ORML 基于 机器 人的 放射性储 罐清理系 统、反应 堆用 双臂 操 作器，加拿 来大研制 成功 的辐 射监 测与故障 诊断 系统 ，德国 的 C7 灵巧手 等（4）地 下机器人：地 下机器人主要包括采掘机器人和地下管道 检修机器人两大类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感 器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。

28、目前日、美、德等发 达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机 器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。（5）医用机器人： 医用机器人的主要研究内容包括： 医疗外 科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场 感外 科手术等 。美 国已 开展 临场感外 科（ telepresence surgery ）的 研 究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国 家联合开展了图像引导型矫形外科（ telematics ）计划、袖珍机器人 （ biomed ） 计 划 以 及 用 于 外 科 手 术 的 机 电 手 术 工 具 等 项 目 的 研 究 ， 并

29、已取得一些卓有成效的结果。（6）建筑机 器人：日 本已 研制 出 20 多 种建筑机器 人。如高 层 建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光 机器人、擦 玻璃机器人等，并 已实际应用。美国卡内基梅隆重大学、 麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人 等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法 等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。（7）军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二 代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作 战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和触摸能力，能够自动 跟踪地形和选择道路，并且具

30、有自动搜索、识别和消灭敌方目标的 功能 。如美国 的 Navplab 自主 导航车、SSV 半自主地面 战车，法 国 的自 主式快速 运动 侦 察车（ DARDS ），德 国 MV4 爆炸物 处理机器 人 等 。目 前 美 国 ORNL 正 在 研 制 和 开 发 Abrams 坦 克 、爱 国 者 导 弹 装 电 池用机器人等各种用途的军用机器人。可以预见，在 21 世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活 的各个领域，成 为人类良好的助手和亲密的伙伴6。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿 錟。2.2 发展 趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的 研究 ，并朝着智 能化 和多 样化 方

31、 向发 展。主 要研 究内容集 中在以下 8 个方面7：（1）工 业机器人操作机结构的优化设计技术：探 索新的高强度 轻质 材料，进 一步 提高 负载 .自 重比，同 时机构向 着模块化 、 可重 构 方向发展。（2）机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人 机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制 器的 标准化和 网络化，以及 基于 PC 机 网络 式控 制器 已成 为 研究 热 点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的 实用化将成为研究重点。（3）多 传感系统 ：为 进一步提 高机 器人 的智能和适 应性，多种 传感器的使用是其问题解决的关键。

32、其研究热点在于有效可行的多 传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下 的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。（ 4 ）机 器 人 的 结 构 灵 巧 ， 控 制 系 统 愈 来 愈 小 ，二 者 正 朝 着 一 体 化方向发展。（5）机 器人遥控 及监控技术，机器 人半 自主和自主 技术，多机 器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥 控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。（6）虚 拟机器人 技术：基 于多 传感 器、 多媒 体和虚 拟现 实以及 临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。（7）多 智能体 （ multi-agen

33、t ）调控 制技 术： 这是 目前 机 器人 研 究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通 信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方 面进行研究。（ 8） 微 型 和 微 小 机 器 人 技 术 （ micro/miniature robotics ） : 这 是 机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域 几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革 命， 并且对社会 进步和人 类活 动的 各 个方 面产 生不可估量的 影响 ， 微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方 法、传感技术、通信技术以及行走技术等方

34、面。我国对此进行了深入的研究。徐卫平和张玉茹对六自由度微动 机构进行了位 移分析并 为其结构设计提供了计算依 据。还有 刘辛 军、高峰和汪劲松研究了微动机器人机构的设计方法，建立了并联 六自由度微动机器人的空间模型，并分析了该微动机器人的空间模 型，并分析了该微动机器人的机构尺寸与各向同性、刚度等性能指 标的关系得到了一系列性能图谱，从各图谱中可以看出各项性能指 标在空间模型设计参数空间中的分布规律，这有助于设计者根据性 能指标来设计该微动机器人的机构尺寸，是探讨微动机器人机构设 计的 有效分析 工具 9。沩氣 嘮戇苌鑿鑿槠谔應。第 3 章 总体方案设计3.1 机械 结构 类型的 确定为实现总

35、 体机构在 空间的位置提供的 6 个自由度， 可以 有不 同 的运动组合，根 据本课题可以将其设计成以下五种方案10：钡嵐縣緱虜 荣产涛團蔺。3.1.1 圆 柱坐 标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成 的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相 同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。懨俠劑鈍触乐 鹇烬觶騮。3.1.2 直 角坐 标型 直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移 动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可 在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算， 定位精度高、结构简单，但机体所占空间

36、体积大、灵活性较差。謾饱 兗争詣繚鮐癞别瀘。3.1.3 球 坐标 型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个 回转，一 个俯仰和一个伸缩运动组成，其 工作空间图形为一个球形， 它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有 结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。3.1.4 关 节型 关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似， 其前三个关节都是回转关节，这 种机器人一般由立柱和大小臂组成， 立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作 回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空 间范围大，动作灵活，

37、通用性强、能 抓取靠进机座的物体。 莹谐龌 8蕲賞组靄绉嚴减。3.1.5 平 面关 节型采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、 左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形， 它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回 转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有 柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用 于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。 对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的 动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实 现本课题的动作。结合本课题综

38、合考虑决定采用方案四：关节型机 器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作 精度 高11。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。3.2 工作 空间 的确定根据关节型机器人的结构确定工作空间。工作空间是指机器人 正常工作运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，是机器人 的主要技术参数。此机器人的工作空间为 1500mm ，如图 3-1 所示。 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。图 3-1 机 器 人 的 机 座 坐 标 系3.3 手腕 结构 的确定手腕是联接手臂和末端执行器的部件，处于机器人操作机的最 末端，其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个 坐标位置的基础上，再由手腕来实现末端执行器在

39、作业空间的三个 姿态 坐标，即 实现 六个 自由 度如图 3-2 所 示。 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。10图 3-2 传 动 原 理 图 考虑到结构，电机将成三角形布置。3.4 基本 参数 的确定空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手 腕旋 转三个姿 态的 自由 度也 得到了实 现主 要技 术参 数如 表 3-1 所 示。 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。表 3-1机器人的主要规格参数动作范围手腕回转手腕摆动手腕旋转1209036030/s30/s30/s额定载荷4kg最大速度2m/s第 4 章 手腕的结构设计与计算4.1 机器 人驱 动方案 的分 析和 选择通常的机器人驱动方式有以下四种1

40、2:（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。 但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载 和冲 击震动过 大时 会造 成“ 失步”现 象。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。（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。 其安装维修方便，成本低。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。（3）交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用 维修 方便，与 步 进电 机相比价 格 要贵一些 。随着 可关断晶 闸管 GTO ， 大功 率晶闸管 GT

41、R 和场效 应管 MOSFET 等 电力电子 器 件、脉 冲调 宽 技术（PWM ）和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性11 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。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。(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，

42、其费用较高，其液压系统 经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提 下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。本次设计的机器人将采用直流伺服电动机。因 为它具有体积小、 转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重 量比大，稳定性好等优点。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。4.2 手腕 电机 的选择4.2.1 提 腕电 机的 选择手腕的最大负荷重量 m1 4kg，初估腕部的重量 m2 4kg，最大 运动 速度 v=2m/s功 率 p = fv = mgv =8102=160W 取安全系 数为 1.2， p=1.2 160=192W考虑到传 动损 失和 摩擦，

43、最终的 电机 功率 p额200W 。 选择 Z 型 并励 直流电动 机， 技术 参数 如表 4-1 所示 。4.2.2 摆 腕和 转腕 电机 的选择 根据设计要求取相同型号的电机，选择 Z 型并励直流电动机型 号 为 200/20-400 。表 4-1 Z 型 并 励 直 流 电 动 机 技 术 参 数型 额定电压 额定转矩 额定 转速 参考功率 重量号( V )(N/m) (r/m) (W) (kg)12Z200/20 200-4001 2000 400 5.54.3传动 比的 确定4.3.1 提 腕总 传动 比的 确定V2先根据下 式求 角速 度： =V 2 20 r/s R 0.1再求

44、实际转速 ： n 60 60 20 191.1r/min 22角速 度 r/s；V 运动 速度，m/s；R 机械 接口到转 动轴 的距离， m； n转速 ， r/min 。最后求得总传动比：ni 总1 n2000191.110.4取整 i总1=104.3.2 转 腕和 摆腕 传动 比的确定用同样的方法，可求得：转腕 总传动比 i总2 20：摆腕 总传动比 i总3 10：4.4 传动 比的 分配传 动 比 分 配 时 要 充 分 考 虑 到 各 级 传 动 的 合 理 性 ，以 及 齿 轮 的 结 构13 尺寸，要做到结构合理13。1. 提腕 传动比分 配 提腕总的传动比 i总1 =10 ，该

45、传动为两级传动，第一极传动为圆柱 齿轮传动，传动比 i11=2，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比 i125。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。2. 转腕 传动比分 配转腕总的传动比 i总220，该传动为两级传动，第一极传动为圆 锥齿轮传动，传动比i215，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比 i22 4。 騅憑 钶銘侥 张 礫阵 轸蔼 。3. 摆腕 传动比分 配摆腕总的传动比 i总310，该传动为两级传动，第一极传动为圆 柱齿轮传动，传动比i312，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比 i32 5。 疠骐錾农剎 貯狱颢幗騮。4.5 齿轮 的设 计按照上述传动比配对各齿轮进行设计。4.5.1 提 腕部 分齿 轮设

46、 计1. 第 一 极 圆 柱 齿 轮 传 动2. 齿轮设计齿轮采用 45 号钢，锻造毛坯，正火处理后齿面硬度 170190HBS ，齿轮精度等级为 7 极。取 z1 20，则z2 2 20 40。镞锊 过润启婭澗骆讕瀘。(1)设 计准 则 按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 (2)按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度条件的设计表达式： 其中：d1tZHZEZ H 2KT1 u 1dud 0.8； u 2 ； Z 0.90ZE 189.8 MPa（ 4-1 ）； ZH 1.8 。6 P 6 0.2T1 9.55 1069.55 106 9550N mm1 n 200选择材料的

47、接触疲劳极根应力为：H1lim580 MPaH2lim 560 MPa选择材料的接触疲劳极根应力为：F1lim 230MPa F2lim 210MPa 应力循环次数 N 由下列公式计算可得：N1 60 n1 at4-2）60 2000 300 8 164.23 109N 2 N14.23 10992.16 109u2接触 疲劳寿命 系数 ZN1 1.1, ZN2 1.02弯曲疲劳寿命系数 YN1 YN2 1接触 疲劳安全 系数 SHmin 1，弯曲 疲劳安全 系数 SFmin 1.5，又 YST 2.0 ，试 选 K t 1.3 。求许用接触应力和许用弯曲应力：15H1H1SHminH1lim

48、ZN1580 1.1 638MPa1H2 Hlim ZN2SHmin580 1.02 591.6MPa1F1limYSTSFminYN1230 2 1MPa 306.67MPa1.5F2F2limYSTSFminYN2210 2 1MPa 280MPa1.5将有 关值代入 （4-1） 得：d1tZHZEZ2 2K tT1 u 1H2du591.60.81.8 189.8 0.9 2 2 1.3 9550 2 1241.3mm则：d1tn1v1 60 100041.3 2000 4.32m /s60 1000z1v110020 4.32 m/s 0.86m/s100动载荷系数 Kv 1.0；使用

49、系数 KA 1；动载荷分布不均匀系数K 1.02；齿间载荷分配系数 K1，则：KH K AKvK Ka 1.01 1.0 1.02 1.0 1.03修 正 d1m d138.120mm 1.9mm取标准模数 m 2mm16（ 3 ） 计 算 公 称 尺 寸d1 mz1 2 20 40mmd2 mz2 2 40 80mm z1 z2 40 80a m 60mm22b d d1 0.8 40 32mm取b1 32mm ； b2 22mm（ 4 ） 校 核 齿 根 弯 曲 疲 劳 强 度复合齿形系数 YFS1 4.1， YFS2 3.8 取 Y 0.7 校核两齿轮的弯曲强度：F24-3）F12KT1

50、 YFS1YF1 2 3 YFS1Y dz12m3 2 1.03 95502 1.03 295530 4.1 0.7M P0.8 202 23110.02MPa F1F2 F1 YFS2 110.02 3.8 MPa 101.97MPaF2 F1 YFS14.1所以齿轮完全达到要求。表 4-2 齿 轮 的 几 何 尺 寸名称符号公式分度圆直径dd1 mz1 2 20 40mm d2 mz2 2 40 80mm齿顶高haha ha m 1 2 2mm17齿根高hfhf (ha c )m(1 0.25) 2 2.5mm齿全高h h ha hf 2 2.5 4.5mm齿顶圆直径da1da1 d1 2

51、ha 44mm齿根圆直径df1基圆直径db1齿 距p齿 厚s齿 槽宽e中 心距a顶 隙cda2 d2 2ha 84mm d f1 d1 2hf 35mm df 2 d2 2hf 75mm db1 d1 cos 37.56mm db2 d2 cos 75.17mm p m 3.14 2 6.28mm s m/2 3.14mm e m/2 3.14mm a (d1 d2)/2 60mm c c m 0.25 2 0.5mm由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，小齿轮将做成齿轮轴。2. 第二 极圆锥齿 轮传动齿 轮 采 用 45 号 钢 ， 调 质 处 理 后 齿 面 硬 度 180190HBS ，

52、 齿 轮 精 度等级为 7 极。取 z1 20，则z2 5 20 100。（ 1 ） 设 计 准 则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核 15。（ 2 ） 按 齿 面 接 触 疲 劳 强 度 设 计 齿面接触疲劳强度的设计表达式18d1tZHZHE4KT120.85 R (1 0.5 R )2u4-4)其中，d 0.8， u 5； ZE 189.8 MPa ， ZH 1.8 ，6 P 6 0.2T1 9.55 1069.55 106 9550N mm1 n 200选择材料的接触疲劳极根应力为：H1lim 580 MPaH2lim 560 MPa选择材料的接触疲劳极根应力为：F1li

53、m 230MPa F2lim 210MPa 应力循环次数 N 由下式计算可得N1 60n1at60 2000 300 8 164-5)则：N2N14.23 1094.23 109590.846 109接触 疲劳寿命 系数 ZN1 1.1, ZN2 1.02 弯曲疲劳寿命系数 YN1 YN2 1 接触疲劳安全系数 SHmin 1，弯曲疲劳安全系数 SFmin 1.5,又YST 2.0， 试 选 K t 1.3 。求许用接触应力和许用弯曲应力：19H1limSHminZN1580 1.1 638MPa1H2 Hlim ZN2SHmin580 1.02 591.6MPa1F1F1limYST YN1

54、SFmin230 2 1MPa 306.67MPa1.5F2FS2limYST YN2SFmin210 21.51MPa 280MPa将有 关值代入 （4-4） 得：4KT10.85 R(1 0.5 R )2u21.8 189.8 2 591.64 1.3 955020.85 0.3(1 0.5 0.3)2 2mm则：v1d1tn143.3 2000 4.53m / s1 60 1000 60 100043.3mmz1v1100动载 荷系 数 Kv 1.0；使 用 系 数 KA 120 4.53m/s 0.96m/s100齿向载荷分布不均匀系数K 1.02；齿间 载荷 分配 系数取 Ka 1，则：KH K AKvK Ka 1.01 1.0 1.02 1.0 1.033修 正 d1 d1t43.31.31.0339.1mm表 4-3 齿