六自由度CO2保护焊焊接机器人机构设计说明书.docx
六自由度CO2保护焊焊接机器人机构设计含6张CAD图
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六自由度CO2保护焊焊接机器人机构设计含6张CAD图,自由度,CO2,保护,焊接,机器人,机构,设计,CAD
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前 言机器人技术是融合了电子技术、机械技术等多种新兴技术的一种高新技术。工业机器人先后经历了从第一代示教再现机器人、第二代离线编程机器人，到现在的第三代智能机器人三个过程。焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。摘 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。本论文主要对焊接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，并用CAXA2013绘制了装配图及部分关键零件图。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IIIAbstractSix 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; and mapping with CAXA2013 assembly drawing and part of the key parts of the map.Key Words：Industrial robots; Structuraldesign; Transmissiondesign; Force analysis；Intensity verification.IV目 录摘 要II1 绪 论11.1 工业机器人概述11.2 课题研究背景及其意义11.3 国内外研究现状及发展趋势31.3.1 国外发展现状与趋势：31.3.2 国内发展现状与趋势：41.4 工业机器人相关技术51.5 本文主要内容62 总体方案与传动机构设计72.1 总体方案设计与分析72.1.1 驱动方式选择82.2 传动方案的初步设计92.2.1 腕关节的传动结构设计92.2.2 小臂传动机构102.2.3 大臂传动机构102.2.4 腰身传动机构112.3 机器人部分技术参数113.1 工作空间133.2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性133.2 分析154 结构设计164.1 传动方案的确定164.2 手腕传动164.2.1 腕部的设计要求164.2.2 腕部电机的选择164.3 腰部174.3.1 底座及腰部设计要求174.3.2 电机选择174.4 手臂184.4.1 手臂作用概述184.4.2 电机选择184.5 传动结构设计计算195 关键零部件的校核245.1 腕部中心轴的结构设计与校核245.1.1 确定腕部中心轴的材料以及各段直径和长度245.1.2 腕部中心轴的强度校核245.2 腕部中心轴2的结构设计与校核265.2.1 腕部中心轴2的结构设计265.2.2 腕部中心轴2的强度校核275.3 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核275.3.1 手腕齿轮连接轴的结构设计275.3.2 手腕齿轮连接轴的强度校核285.4手腕齿轮连接轴2的结构设计与校核305.5驱动臂座与腰部主轴连接螺钉的校核305.6 部分三维图306 总结33附录34参考文献45VII1 绪 论1.1 工业机器人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 课题研究背景及其意义随着社会发展和科技进步，机器人在社会各个领域的应用日益广泛，应用最广的要属工业机器人。在工业机器人应用中，大部分为焊接机器人，据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有超过一半应用于各种形式的焊接加工领域。焊接机器人就是在自动焊接生产领域从事焊接任务的工业机器人,绝大多数的焊接机器人的结构是在通用的工业机器人的基础上装上某种焊接工具而构成的,视具体焊接方式不同可对个别焊接机器人进行专门设计。焊接机器人发展历史悠久,从上世纪年代工业机器人开始实用化以来,焊接机器人就立刻被投入到点焊和电弧焊领域中并得到了持续的应用。据统计,全世界使用中的焊接机器人数量大约占工业机器人总数量的一半,焊接机器人的研究历程和应用领域几乎等同于工业机器人。焊接机器人的发展历史可以说是代表着工业机器人的发展历史。焊接机器人是工业机器人的典型应用形式之一,主要应用于电焊和电弧焊生产线上。经历了半个多世纪的应用和不断完善,国内外学者对焊接机器人的研究仍然在向前发展,并取得了许多成果。目前学术界正在不断完善机器人共性技术的研究,主要是针对机器人操作机结构、控制系统、传感技术、网络通信技术、遥控和监视技术、虚拟机器人技术、多智能体调控技术等等的研究。未来焊接机器人正在向智能化方向、多传感器信息融合方向、模糊控制方向、群体协调和集成控制的方向发展。焊接机器人广泛应用于汽车及其零部件制造、工程机械和机车车辆等领域,近些年随着焊接机器人技术的不断发展,开始逐渐应用于石油石化、船舶制造、冶金建设和压力容器制造等领域。其中对管道相贯线全位置焊接机器人研究的力度比较大,其关键技术研究主要包括机械机构研究、自动跟踪技术研究和计算机程控技术研究。最初焊接机器人主要应用于汽车、摩托车及工程机械三个主要行业里,而且多数主要应用于汽车及其零部件制造行业中,在摩托车行业和工程机械行业中只占少数,其他像电器、自行车、机车、航空航天等行业也有一些。焊接机器人一开始应用于汽车装配生产线上的电阻点焊,后来随着焊缝轨迹跟踪技术、控制技术和机器视觉技术在工业上的推广应用,又承担起了汽车零部件和装配过程中电弧焊的焊接任务。点焊机器人主要用于汽车及其零部件生产,但是在其他行业中用得却极少。弧焊机器人的分布比点焊机器人要广泛,但主要仍集中于汽车及其零部件生产线中,其余则分布于摩托车及工程机械制造行业中。随着机器人共性技术研究的不断深化,焊接机器人才开始应用于造船、锅炉、重型机械等焊接领域中。这些焊接任务中最常见的就是管道插接空间相贯线焊接,与传统的常规平面焊接任务不同,对焊接机器人技术提出了新的要求。目前使用的机器人中，焊接机器人约占总量的一半。国外对机器人技术的垄断，严重制约着我国技术的发展，要打破垄断，必须自主研制出适合自身发展的机器人，提升自身的科技水平。机器人的本体结构作为焊接机器人的基础，其加工制造精度，装配精度等对机器人工作范围、工作稳定性等方面有直接影响。机器人燥接可以使焊接过程更加稳定，提高焊缝成型质量，改善劳动条件，适应恶劣环境，提高生产效率，明确产品周期，有效控制产量，缩短产品更新换代周期，减小设备投资等，从而满足现代化生产的需要。工业机器人是机电一体化的设备，是包含了多种高新技术的产品，其产品的附加值高。机器人行业虽然是现代社会一个比较新的行业，但是在提高汽车、制造等行业的自动化程度上有不可磨灭的功劳，因此，许多国内外的专业人士都认为它将是一个大规模的高新技术行业。现在人民的生活水平日益提高，对产品的要求也越来越高，这样工业机器人就有了应用的空间，随着我国汽车、制造等行业大量使用工业机器人，我国机器人市场的需求量很大，但在实际应用的机器人中进口占了绝大多数，在目前所使用的工业机器人中，国产仅占20%，其余都是从日本、德国、瑞典等国家引进的，然而由于国外的机器人并不完全适合中国企业的要求，有很大一部分都不能正常使用，因此现在国产机器人的发展既有机遇又有挑战。 以焊接行业为例，因为焊接工作具有工作强度高、危险性大、时间长等特点，现在已经很少有人愿意从事这一行了，这样就迫切需要大量的焊接机器人，目前我国焊接机器人较少，远没有达到饱和，再加上近年来国家政策支持发展国产机器人，这一切都说明工业机器人有很好的发展前景，研发高精度的焊接机器人有助于提高人民的生活质量，提高工业自动化程度，促进我国从制造大国转变为制造强国。1.3 国内外研究现状及发展趋势1.3.1 国外发展现状与趋势：在 1946 年，美国发明家就申请了示教再现控制技术的专利，这种控制技术目前仍然应用在大多数的示教工业机器人中，它其实就是人工把机器人从起始位置到工作目标点的运动路径运行一遍，机器人自身就记录下各个关节的转角等资料，以实现以后工作的再现。到 1959 年，第一台正式用于工业的机器人样机，在美国被设计生产出来了。而且仅仅过了三年，可以用于实际工作的机器人“VERSTRAN”就在美国的AMF公司诞生了，从此就引发了全世界对机器人的研究热潮。许多国家开始积极出台相关政策，首先作为机器人技术发源地的美国，继续加大投入，鼓励机器人的研究和应用；而德国政府则采用强硬手段支持其国内机器人的发展，一些工作岗位被强制规定：必须使用机器人，这样一来就加快了其机器人的研发和实用进程；英国为了弥补一开始的失误，采取加大对其自身机器人的财政补贴、扩大对机器人的宣传等政策，使英国机器人的发展稳步提高；日本对机器人的研发虽然起步较晚，但其凭借与美国的良好关系，从美国引进机器人的成熟、先进技术，再加上政府的大力支持和自身研发者的刻苦钻研，使得日本机器人，在世界机器人行业中有着举足轻重的地位。根据近期的相关统计，目前在各种领域工作的机器人，大概有50%是由日本研发、制造的。因为工业机器人拥有工作时间长、柔性好及适用性强等特点，所以它在汽车制造业、机械工程、医疗器械、食品加工等行业中应用较多，而在这些行业中，汽车行业是应用工业机器人最早，也是最多的，其数量大概占有37%左右。工业机器人的技术在国外的一些国家已经比较成熟，其应用范围也是遍布各行各业。以日本为例来说，当初其微电子行业的发展，使日本的劳动力明显不足，这样工业机器人在公司受到了“救世主”般的欢迎，使日本的工业机器人得到政府和企业的高度重视，从而促使其快速发展，现在日本的各个行业都有机器人的身影。目前不管是从机器人的数量还是机器人的密度来看，日本都位居世界第一。而其它欧美工业发达国家机器人的发展，则更是可见一斑。下面用具体的数字来直观地描述国内外工业机器人的应用情况，从工业机器人的密度(即每万名生产工人占有的机器人数量)来分析，日本和意大利分别达到 1700 台和 1600 台，联邦德国为 1190 台，法兰西共和国有 1130 台，葡萄牙有 980 台，美国为 780 台，瑞典有 650 台，加拿大 620台，我国最多拥有 90 台(汽车行业)。到目前为止，许多工业发达的国家都有自己知名的代表性机器人制造商，这些机器人企业一般被分为两种：欧系和日系。在这些工业机器人的生产厂家中，如发那科、安川、OTC、三菱、那驰不二越等称为日系；而另外一些常见的像史陶比尔、杜尔、ADEPT、意大利的 COMAU 公司以及奥地利的重工 GM 等称为欧系。这些跨国公司，不仅对其各自的国家来说是支柱性企业，而且在国际上也都比较有影响力，几乎垄断了机器人行业。1.3.2 国内发展现状与趋势：我国由于工业基础薄弱，对机器人的研究是从上世纪 70 年代才逐渐开始的，而且还仅仅是研究分析机器人的基础理论，直到 1986 年，国家出台政策，将机器人作为高新技术来研究，并且陆陆续续成立了一些专业的科研院所和公司，这样我国机器人事业才得到了较快的发展。比如说首钢莫托曼，虽然说是目前国内最大、最先进的机器人生产制造公司，但因为是中日合资企业，技术方面主要依靠从日本引进，虽然现在已经开发、生产了多个系列的多种机器人，占有一定的市场份额，但对工业机器人国产化帮助有限。而 2000 年成立的沈阳新松机器人公司，是完全拥有自主知识产权的，同时它也是我国工业机器人的产业基地，隶属于中国科学院，它成功研制了我国第一台工业机器人，从而揭开了国产机器人应用的序幕，并且填补了我国在这一行业的空白。现如今，新松机器人公司生产的机器人种类多样，相关技术已达到国际先进标准，其产品应用在我国的很多自动化行业中，打破了国外的垄断，为促进我国工业自动化做出了较大贡献。随着从 2008 年开始的劳工成本大幅上升，工业机器人就逐渐在我国的制造行业崭露头角，当年我国新增的各种机器人达 7500 台之多，其数量是前 24 年销售总量的三分之一。在不久的未来，机器人将作为一种标准设备而得到广泛应用，并将成为我国工业自动化技术与应用的“生力军”。沈阳新松公司（）在国内率先开展机器人的研巧。其研发的焊接机器人在许多厂商中得到应用，如点焊机器人成功应用于一汽轿车的小红旗、世纪星两种车型的车身姐焊；为大连华克吉莱特汽车公司组建弧焊机器人工作站等。奇瑞汽车有限股份公司主要产品有弧焊、点焊等多种机器人产品系列，但仅用于奇瑞汽车生产线上，适应范围较窄，并且未能完全实现自主研制，其核必部件依然受国外的限制，如奇瑞中的电阻焊接控制器采用日本的电阻焊接控制器，焊巧采用曰本小原的一体化气动焊領。虽然我国在机器人技术方面取得一定的进步，但是受国外技术垄断，国内工业水平较落后等因素的影响，国产机器人占用比还是较低。另外我国研制的焊接机器人在可靠性、定位精度、使用寿命等方面与国外产品相比依然有较大差阻町因此市场竞争力较弱，产品难以打入国际市场。随着现代加工技术要求的提升，为了适应发展要求，焊接机器人技术的研究也在不断的深入，智能化、模块化、物联网化的概念将成为发展的主流，焊接机器人发展方向主要分为智能传感技术、多机器人协作焊接、嵌入式控制技术及开放式机器人控制系统。智能传感技术。焊接机器人的控制是一个多变量的控制过程，控制量的控制结果则是通过传感器反馈回来，传统的传感器采集的是位置、速度、加速度等这些直接控制量，而新型传感器则具备自动识别和调节功能，再结合相关算法能让焊接机器人的控制更具智能化，比如说焊缝的自动识别与跟踪、焊接质量的自动检测、加工工件自动定位等。多机器人协作焊接。单机器人焊接作业虽然能够完成部分的任务，但是在实际生产中随着被加工对象的复杂性和柔性生产线的自动化要求的不断提升，单机器人的焊接系统已经无法满足要求，只有借助多机器人协同焊接才能从根本上解决问题，而多机器人焊接的协调控制也带来了许多全新的难点，但并不阻碍它成为一个研究热点。嵌入式控制技术。物联网技术近几年一直不断的受到热捧，而物联网的核心技术要靠嵌入式系统来得以体现，将嵌入式控制技术应用在焊接机器人控制中是一个全新的突破点，嵌入式控制系统相比基于微处理器的控制具有很高的实时性和网络通讯能力，可以有效保证焊接过程中的实时监测性能和远程监控能力。开放式焊接机器人控制系统。随着机器人技术研究的专业化程度不断深入，焊接机器人控制系统的开放性以及模块化已经不可阻挡，控制系统的标准化和通用性已成为发展趋势，各研究机构与大型组织已经进行一些探索，如今基于PC的开放式控制系统俨然成为了热捧的研究方向。1.4 工业机器人相关技术工业机器人按坐标系统可分为以下五种：(1)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 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 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 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 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，垂直装配作业图1-1 四种坐标类型1.5 本文主要内容（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，选择其驱动电机类型；（5）对关键的零部件进行校核。2 总体方案与传动机构设计2.1 总体方案设计与分析2.1.1机构选型：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。（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。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。 手腕可以确定焊枪空间的姿态，在参考人体手腕的基础上，确定机器人腕有三个自由度，俯仰形式关节为B，旋转形式关节为R，则现存的手腕结构有BBR、BRR、RBR、RRR。1 BBR型手腕减少了手腕纵向尺寸，减小了工作空间，不够灵活。一般来说，旋转 关节与平移关节相比，具有工作空间大、结构紧凑、重量轻以及灵活性好等特点，也更容易做密封防尘。2 RRR手腕构型的工作空间较大，但其结构较复杂，对焊接工作的精度有较大影响，且当其完全伸展时，三根关节轴处于同一平面内，同时有两根旋转轴重合，这样将导致机器人手腕丧失一个自由度，从而使手腕不能到达任意位置姿态，不满足本设计要求。3 RBR构型的手腕不仅很容易实现远距离的传 动和控制，而且其手腕三根关节轴相交于一点，运动学逆问题有封闭解，控制算法简单，其结构紧凑，在同样条件下其末端 运动件更加轻型化，并且RBR完全展开时更适合微调操作 。图2-1 三自由度手腕的几种形式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。2.1.1 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 2-1 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0.150.2）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2.2.1 腕关节的传动结构设计图2-2 手腕传动机构如图所示，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 小臂传动机构图 2.4 小臂结构图2-3小臂关节的传动机构简图如图2-3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 大臂传动机构图2-4 大臂结构如图2-4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 机器人部分技术参数 表 2-2 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）360160/s2轴（大臂俯仰）130160/s3轴（小臂俯仰）220220/s4轴（手腕回转）360500/s5轴（手腕俯仰）220330/s6轴（手腕偏转）220330/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。 3 工作空间分析及计算3.1 工作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 工作空间与机器人结构尺寸的相关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3-1 位置简化模型L1：大臂的长度，根据总体方案设定条件确定为665mmL2：小臂的长度，根据总体方案设定条件确定为630mm1：大臂旋转偏离立柱0位的角度，顺时针为正，本文定为-901302：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2minXA=L1sin1min+L2cos（1min+2min）=665sin（-65）+630cos（-155）=-1173.67ZA=L1cos1min-L2sin（1min+2min）=665cos（-65）+630sin（-155）=-547.29B点：大臂到达正极限值1max，小臂达到负极限值2minXB=L1sin1max+L2cos（1min+2min）=665sin65+630cos-155=-31.72ZB=L1cos1max-L2sin（1min+2min）=665cos65-630sin-155=-547.29C点：大臂到达正极限值1max，小臂达到正极限值2maxXC=L1sin1max+L2cos（1max+2max）=665sin65+630cos（-155）=-5.84ZC=L1cos1max+L2sin（1max+2max）=665cos65+630sin195=-117.98D点：大臂负极限指1min，小臂达到正极限值2maxXD=L1sin1min+L2cos（1min+2max）=665sin（-65）+630cos65=-336.45qqZD=L1cos1min-L2sin（1min+2max）=665cos（-65）-630sin65=-852.02E点：=XE=L1sin1min=665sin（-65）=-602.29ZE=L1cos1min=665cos（-65）=-281.04F点：XF=L1sin1max=665sin65=602.69ZF=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。图 3.2 机器人工作空间3.2 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。4 结构设计4.1 传动方案的确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 腕部的设计要求由前文可知，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 腕部电机的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，腕部前端为焊头，重为5kg。工件的转动惯量为 J=ms26=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4.3.1 底座及腰部设计要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 电机选择小手臂转动惯量：J3=J0+mp2=0.80+9.5(15Xcos15)2 =23.43kg.m2大手臂转动惯量：J2=m12（a2+b2+c2+d2）+mp2 =44.812 （0.22+0.12+0.122+0.062）+44.80.352 =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=1500.452=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=Vt=20.2=7.854 /s2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=1.3Mu=0.31181.17966.67=17.71Nm根据要求M电M额，选P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服电机，额定转矩为28.4 Nm4.4 手臂4.4.1 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=m12（a2+b2+c2+d2）+mp2 =44.812 （0.22+0.12+0.122+0.062）+44.80.352 =5.742 kg.m2电动机转动惯量J电2=8.50.42=1.366 kg.m2摆线减速器转动惯量：J减=1500.452=30.375kg.m2大手臂总惯量：J总=5.742+1.366+30.375=40.602 kg.m2所以电动机的转矩为M电=14.17N.m根据要求M电M额，选P=2.5kw，n=1000r/min 的GY2.5型电机小手臂的转动惯量J3=340.22=1.36 kg.m2电动机转动惯量J电3=1000.52=25 kg.m2摆线减速器转动惯量J减3=1500.452=30.375 kg.m2所以小手臂总的转动惯量为J总=23.43+1.36+25+30.375=80.165 kg.m2对应在电动机上M电=9.45 N.m根据要求M电M额，选P=2.2KW，Y-H系列电机，转速n=800r/min4.5 传动结构设计计算机器人传动方案已经确定为直流力矩电机传动，电动机功率为P=3KW，转速为1000r/min4.5.1 大臂设计因为伺服电机是经过了调速的，所以输出端的速度很低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。小齿轮材料选用了40Cr，调质处理，硬度241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240HBS，精度8级。取小齿轮齿数Z1=20，则Z2=i，Z1=520=100，大齿轮齿数Z2100。根据齿面接触疲劳强度（1）T=9.5510=9.5510(3/75) 0.99=378180Nmm（2）初选载荷系数为=1.4（3）查表取齿宽系数为=1（4）查表取弹性系数为ZE=188.9（5）查表取节点区域系数为=2.5（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为=1120MPa。（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60751525016=2.7大齿轮的应力循环次数N2=N1/5=5.7确定传动尺寸（1） 初算小齿轮分度圆直径d1t，代入【H】中较小值d1t=29.04mm（2）按K值对进行修正由圆周速度v=4.46m/s 查表取动载荷系数为=1.20 查表取齿间载荷分布系数为=1.2 查表取齿向载荷分布系数为=1.07 查表取使用系数为=1.00 所以载荷系数K=1.54 按K值对进行修正 =58.68mm（4）确定模数m以及主要尺寸m=2.93mm ，取整m=3mm。中心距a=m()/2=180mm 分度圆直径=60mm，=300mm齿宽b=60mm，取小齿轮齿宽=70mm，大齿轮齿宽=65mm齿顶高=3mm，齿根高=3.75mm确定各个参数数值（1）查表取弯曲疲劳寿命系数=0.95，=0.98 （2）查表取齿形系数和应力校正系数 （3）查表取齿宽系数为=1 （4）查表取弹性系数为ZE=188.9（5）查表取节点区域系数为=2.5（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为=1120MPa。（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60751525016=2.7大齿轮的应力循环次数N2=N1/5= 小臂设计（1）四杆机构设计计算 搬运机器人的小臂的俯仰动作是通过铰链四杆机构来完成的，安装在驱动力臂上的直流伺服电机通过铰链四杆机构驱动小臂实现俯仰运动。采用铰链四杆机构的目的是把直流伺服电机放到驱动力臂上，减轻小臂的重量，也降低了大臂驱动装置的负载，减少运动过程中产生的动载荷与冲击，提高整个搬运机器人的响应速度。这个铰链四杆机构共有三种设计方案，分别是双曲柄机构、双摇杆机构、曲柄摇对于双曲柄机构来说机架为最短边，又因为大臂为机架而且长度为665mm，如果采用双曲柄机构，其它杆的杆长太长，而且上一章确定小臂的长度为630mm，因此双曲柄机构不符合要求。对于双摇杆机构来说机架为最短边的对边，既大臂与最短杆相对。如果采用双摇杆机构，会导致其他两杆的长度过长，在一定方向上占有的空间太大，而且小臂的俯仰角度不好确定，势必会增加设计难度。综合以上分析，在这里采用曲柄摇杆机构具体如图4-1所示。ab边代表大臂，长度为1000mm，ad边代表底杆,长度为400mm，dc边代表后杆，长度为1000mm，bc边代表小臂长两个连接点间的部分，长度为200mm。ab边为机架，ad边为摇杆，bc边为曲柄。这种结构首先满足了bc边长度小于小臂长度这一条件，而且所占的空间小，底杆和后杆的质量比其他两种方案要小.图 4-1 四杆机构示意图(2)齿轮的设计与校核计算电磁式直流伺服电机经调速后要通过一个齿轮组来传递动力，再通过齿轮带动铰链四杆机构运动，从而实现小臂的俯仰运动。选定材料、热处理方式、精度等级及齿数因为电磁式直流伺服电机是经过调速的，所以输出端的速度较低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。选择小齿轮材料40Cr，调质处理，硬度241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240HBS，精度8级。取小齿轮齿数=24，则=524=120，大齿轮齿数Z2120。按齿面接触疲劳强度设计确定各个参数数值（1）T=9.5510=9.5510(0.4/0.75) 0.99=5.0410Nmm（2）初选载荷系数为=1.4（3）查表取齿宽系数为=1（4）查表取弹性系数为ZE=188.9（5）查表取节点区域系数为=2.5（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为=1120MPa。（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60751525016=2.7大齿轮的应力循环次数N2=N1/5=5.7（8）查表取接触疲劳寿命系数为=1.08，=1.19（9）取安全系数为=1=1242MPa=1332.8MPa确定传动尺寸（1）初算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 =29.04mm（2）按K值对进行修正由圆周速度=2.28m/s 查表取动载荷系数为=1.075 查表取齿间载荷分布系数为=1.2 查表取齿向载荷分布系数为=1.07 查表取使用系数为=1.00 所以载荷系数K=1.38 按K值对进行修正 =29.04=28.9mm（4）确定模数m以及主要尺寸m=1.2mm 为了防止轮齿太小引起的意外折断，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。中心距a=m()/2=216mm 分度圆直径=72mm，=360mm齿宽b=72mm，取小齿轮齿宽=80mm，大齿轮齿宽=75mm齿顶高=3mm，齿根高=3.75mm3、按齿根弯曲疲劳强度校核确定各个参数数值（1）查表取弯曲疲劳寿命系数=0.95，=0.98（2）查表取齿形系数和应力校正系数=2.65，=1.58=2.16，=1.81（3）查表取弯曲疲劳极限=710MPa，=710MPa（4）取弯曲疲劳系数 =1.25可得=539.6MPa =556.64MPa（5）验算齿根弯曲疲劳强度=58.48MPa=54.61MPa弯曲疲劳强度足够了。5 关键零部件的校核5.1 腕部中心轴的结构设计与校核图 5-1 腕部中心轴5.1.1 确定腕部中心轴的材料以及各段直径和长度腕部中心轴的材料为40Cr，调制处理。由于密封箱的壁厚为45mm，孔径为150mm，因为外部还要装端盖，这段轴颈上还要装配轴承，所以ab段的长度为20mm，直径为85mm,装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。固定轴承的轴肩高度为3.5mm。bc段为过渡段，长度为35mm，直径92mm，固定齿轮的轴肩高度为6.5mm。由于大齿轮的齿宽为65mm，轴头的长度应该小于轮毂的长度，所以de段的长度为300mm，直径为90mm。ef段要安装用于齿轮的轴向固定和轴承的轴向固定的轴套，考虑到另一半的密封箱的壁厚和孔径以及大齿轮轮毂比轴头多出的长度，这段轴颈的长度为60mm，直径为85mm。装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。fg段为过渡段，长度为45mm，直径为80mm。gh段与手腕相连，大臂在此处的厚度为39mm，孔径为90mm。因此这段轴的长度为60mm，直径为60mm。胀紧套选用Z2型胀紧套。5.1.2 腕部中心轴的强度校核（1）计算齿轮的受力大齿轮和小齿轮的受力大小相等，方向相反。故在这里只计算小齿轮的受力。转矩T1=9.5510611/Pnh=9.55106(3/75)0.99=378180Nmm圆周力tF=112/Td=12606N径向力rF=tantF=4588.2N（2）计算支撑反力水平面受力图如图5.2(a)所示。1HF+rF=2HFrF138.52=2HF(68.52+138.52)故1HF=1518.46N，2HF=3069.73N垂直面受力图如图5.2(b)所示。1VF+2VF+F=tF1VF(138.52+68.52)-tF68.51-F97.72=0故1VF=4312.14N，2VF=7893.04N（3）画轴弯矩图水平面弯矩图见图5.2(c)HM图。垂直面弯矩图见图5.2(d)VM图。合成弯矩图见图5.2(e)图，合成弯矩M=22VHMM。（4）画转矩图轴受转矩T=T1，转矩图见图5-2(f)1T图。图 5-2 转矩图（5）按弯扭合成应力进行强度校核de段的中间截面为危险截面。取a=0.6。当量转矩T=0.6378180=226908Nmm22/eMTW=10.37MPa，查表知1b=70MPa，所以e1b。因此大轴1的强度满足要求，故安全。5.2 腕部中心轴2的结构设计与校核5.2.1 腕部中心轴2的结构设计腕部中心轴2的材料为40Cr，调制处理。由于密封箱的壁厚为45mm，孔径为150mm，因为外部还要装端盖，这段轴颈上还要装配轴承，所以gh段的长度为41mm，直径为85mm,装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。固定轴承的轴肩高度为3.5mm。fg段为过渡段，长度为80mm，直径92mm，固定齿轮的轴肩高度为6.5mm。由于大齿轮的齿宽为75mm，轴头的长度应该小于轮毂的长度，所以de段的长度为60mm，直径为90mm。为了齿轮的周向定位，这段轴上还要开有键槽，来安装平键。根据这段轴的直径和长度，键槽的宽度为25mm，长度为50mm，键槽的键槽深为7mm。cd段要安装用于齿轮的轴向固定和轴承的轴向固定的轴套，考虑到另一半的密封箱的壁厚和孔径以及大齿轮的轮毂比轴头多出的长度，这段轴颈的长度为45mm，直径为85mm。装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。bc段为过渡段，长度为40.6mm，直径为80mm。ab段与铰链四杆机构的底杆相连，并且穿过大臂末端的通孔，大臂在此处的厚度为39mm，孔径为95mm，底杆的厚度为40mm，孔径为90mm，这段轴与底杆的连接方式是胀紧联结，通过胀紧套使大轴2与底杆连接在一起。根据以上条件这段轴的长度为104.4mm，直径为60mm。胀紧套选用Z2型胀紧套。5.2.2 腕部中心轴2的强度校核腕部中心轴是带动手腕实现俯仰运动的轴，腕部中心轴2是带动手腕旋转运动的轴。从第三章可知腕部中心轴受到的转矩是378180Nmm，而且同时承受大臂和小臂的总重量。腕部中心轴2受到的转矩是50400Nmm，但是只承受底杆的重量。两根轴的主体机构和材料以及热处理方式一样，腕部中心轴2的受力比腕部中心轴的受力小得多，当腕部中心轴满足强度条件时，腕部中心轴2必然满足强度条件。5.3 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核图 5-3 手腕齿轮连接轴5.3.1 手腕齿轮连接轴的结构设计（1）确定手腕齿轮连接轴的材料以及各段直径和长度该轴的材料为40Cr，调制处理。ab段的主要用处是与电机相连，电机输出端的轴径是24mm，再根据凸缘轴器的宽度，ab段的长度为35mm，直径为24mm。这一段由于和联轴器连接，所以开有键槽，具体尺寸和电机输出端的一样。bc段是过渡段，长度为40mm，直径为28mm。由于密封箱的壁厚为45mm，孔径为62mm，因为外部还要装端盖，这段轴颈上还要装配轴承，所以cd段的长度为25mm，直径为30mm，装配的轴承为角接触球轴承，型号是7206C。固定轴承的轴肩高度为4mm。由于小齿轮的齿宽为70mm，轴头的长度应该小于轮毂的长度，为了齿轮的周向定位，这段轴上还要开有键槽，来安装平键。根据这段轴的直径和长度，键槽的宽度为12mm。长度为56mm，键槽的键槽深为5mm。5.3.2 手腕齿轮连接轴的强度校核（1）计算齿轮的受力转矩T=9.5510=9.5510(3/75) 0.99=378180Nmm圆周力=12606N径向力=4588.2N（2）计算支撑反力水平面受力图如图5.5(a)所示。+=153=(67+153)故=-1397.32N，=3190.88N垂直面受力图如图4.5(b)所示。+=(67+153)=67故=3839.10N，=8766.90N（3）画轴弯矩图水平面弯矩图见图5.2(c)图。垂直面弯矩图见图5.2(d)图。合成弯矩图见图4.5(e)图，合成弯矩M=。（4）画轴转矩图轴受转矩T= T，转矩图见图5-2(f)图。（a）（b）（c）（d）（e）（f）图5-4手腕齿轮连接轴的受力分析（5）按弯扭合成应力进行强度校核fg段的中间截面为危险截面。取=0.6。当量转矩=0.6378180=226908 Nmm=60.28MPa，查表知=70MPa，所以 。因此小轴1的强度满足要求，故安全。5.4手腕齿轮连接轴2的结构设计与校核手腕齿轮连接轴2的结构与手腕齿轮连接轴一样，但驱动元件的输出转矩较小。上面校核的手腕齿轮连接轴的强度满足要求，故手腕齿轮连接轴2的强度必然满足要求。5.5驱动臂座与腰部主轴连接螺钉的校核腰部回转所需转矩T=421.63Nm。选取的螺钉材料为Q235，直径为12mm，固定用的螺栓数目为6。取可靠系数C=1.1，结合面摩擦系数f=0.16，ri=65mm。预紧力F0CT/(fri)=421.631031.1/(0.16665)=7432.58N查表取材料屈服极限S=240MPa查表取安全系数S=1.5故需用应力=S/S=160MPa由此螺钉的直径d1.3F0/()4dF=8.77mm所以预选取的螺钉满足强度要求。5.6 部分三维图图5.5 腕部中心轴图5.6 腕部中心轴2图 5.7 手腕齿轮连接轴图5.8 手腕齿轮连接轴26 总结本设计对自动焊接线末端工件的焊接问题，设计了一个六自由度焊接工业机器人，在设计过程中，搜集资料、向导师请教、与同学讨论，为完成设计奠定了基础。所完成的任务有：（1）根据设计要求完成了六自由度工业机器人的总体设计和结构设计。首先，确定了总体的设计方案，选择了合适的传动方式、驱动方式，设计了机器人的腰部、大臂、小臂和腕部的具体结构，并且对机器人的传动结构进行设计。机器人为六自由度关节型机器人，有回转关节，也有摆动关节，在关节处安装减速器和电动机。使用了齿轮传动机构和直流力矩电机来实现各个自由度，从而实现空间任意位置的运动。（2）用CAXA2013绘制出机器人的部分零件，更为直观的了解机器人结构，方便了设计计算。由于本人能力和时间有限，没有做更深入的研究，可以从以下几方面进一步开展工作：（1）进一步优化结构设计，将电动机与减速器合二为一，采用减速电机，简化结构，减轻机器人重量。 附录2011 Ninth International Conference on ICT and Knowledge Engineering工业机器人的应用综述设计Haider A. F. Almurib1, Haidar Fadhil Al-Qrimli1, Nandha Kumar 11Department of Electrical & Electronic Engineering, The University of Nottingham Malaysia Campus Jalan Broga, 43500 Semenyih, Malaysia 43500 Semenyih, Malaysia halqrimli摘要：机器人正处于一个跨越多个工程领域的技术发展阶段。了解机器人及其技术难点需要掌握电气工程，机械工程，工业工程与数学等方面的知识。新的工程领域，如制造工程在应对机器人和工厂自动化方面的复杂性上很有名气。本文将说明世界上许多工业机器人的手臂，并将展示机器人手臂的运动方式和组成部分。其中一部分是要显示的机器人一般的分类，以增加对机器人的更多了解。如执行器类型，应用领域和控制方法。将展示构建机器人手臂的一些设计问题，如移动性，连接性，冗余度和数量。混合动力的特点。讨论了机器人手臂结构以及为什么需要使用混合动力。 关键词混杂，机械臂，并联机器人，串联机械手一、引言由于对机器人手臂使用需求的快速增长，在这个时期对机器人手臂进行了大量的研究。机器人手臂具有很多优点，它比人（员）比更好，因为它能一天24小时不间断的工作，它有助于提高生产效率,缩短生产周期，而且有很好的制造灵活性。此外，它扩大了产品和工作环境的质量，机器人手臂还最小化了占地使用面积，提高了员工的安全。在21世纪，机器人已经被人们所熟悉。然而，机器人一词在几十年前首次被引入我们的语言中。机器人一词源于捷克语“Robot”，意思是“奴隶劳动者”。一个捷克斯洛伐克的剧作家Karel Capak在20世纪20年代初创作的“Rossums Universil Robots”的作品中首次使用机器人这个词，Karel Capak把机器人描述成一个完美的，不知疲倦的只有手臂手臂和腿的工作者。机器人可以很好的帮助和服务人类，但是机器人不能完全取代人类。之后，人们已经广泛的用机器人来描述其他机械系统。到目前为止，机器人还没有明确的定义。机器人是机械控制的，可重复编程的的多用途自动系统，具有多个自由度，可以固定在适当位置或移动。它已经广泛应用在不同的工业应用和许多其他应用领域；医疗，运输，水下和娱乐等。目前，工业机器人的构思和利用，是一种可自动编程和处理的机器。与传统相反的自动转移和装载设备的形式，机器人可以被设计成使它们处理多个完全不同的运动，并且以专用机器的速度和效率来自动运行。本文将介绍一些工业机器人手臂，并对机器人进行一般分类，讨论构建机器人手臂的部件，然后讨论面对任何机器人手臂的设计问题和其它问题。二、工业机器人的历史机器人手臂被称为工业机械手，仿真人类手臂的机械手被称为关节臂，这些关节都是旋转的，人类手臂的运动和关节机器人手臂的运动不同，虽然机器人关节只有较少的自由度，但它们能够以更大的角度移动。例如，关节机器人的肘关节可以向上或者向下弯曲，而一个人的手臂肘部只能在相对于直臂的一个方向上弯曲。在本节中，展示出了几个工业机器人手臂，这些机械臂的规格如下表1所讨论的，如工作空间，机械臂的质量和手臂的有效载荷。表1所示的工业机器人手臂是WAM Arm之一,这是一种非常灵活的可反向驱动的机械手。它是唯一的市售机器人手臂，具有直接驱动能力，由电机和接头之间的透明动力支撑，手臂保持稳定。WAM机械臂在所有的轴上都使用的无刷电动机。可以使用AC或DC操作，球面工作区直径约为2米。手臂中使用的电缆和气缸驱动器需要在维修WAM手臂是进行更换。RV-2A由三菱电机公司制造，该公司开发了工业机器人手臂，如SCARA,铰接臂，自由度为6的手臂很受市场欢迎，并且可以在图书馆和医疗应用中做一些简单处理。编码器用于测量定位系统和交流伺服电机，用于同步带驱动臂。FANUC和Motoman是发展工业机器人手臂的两大公司，图1显示了这些公司开发的机器人手臂，这些手臂可以在许多应用中使用，如在食品工业，材料处理，机床工具和事后处理操作。Staubi(TX40)机器人手臂用于绘画应用。它简单，快捷，有很好的界面，较高的有效载荷，TX40可以获得2.3kg的弹力，机械臂的质量为27kg，长度达到515mm。图1显示了机械臂的界面。IRB120工业机器人手臂是ABB的最新产品，六轴机器人可处理高达3kg的有效载荷，达到580mm的物料搬运应用，它是可以提供一个快速可靠的工作周期，但是很重的机器人。TABLE 1: INDUSTRIAL ROBOTIC ARMS SPECIFICATIONRobot Name MaxPayload (kg) Mass of Robot (kg) DOF Reach (mm) WAM 325 73.5m3RV-2AMitsubishi2376706SIA10D Motoman10607720Am50IC/5L Fanuce5296892TX40 Staubl2276515IRB120 ABB3256700S650 Adept Viper2.5286653KR5 R650 KUKA5286650RS03N Kawasaki3206620一个工业机器人的手臂如表1所示是WAM臂，非常敏捷的回驾驶机器人。它是唯一的商用直接驱动能力的机械臂。 马达和关节之间的nsparent动力学，和手臂是保证稳定。WAM机械臂使用无刷电动机在所有轴。可以使用交流或直流操作和球面工作区。 直径大约在2米 4-5-6 。电缆和气缸驱动中采用了ARM；它需要更换，维修时由WAM臂。rv2a是由三菱电子制造 该公司本公司开发的工业机器人手臂有多种配置的机械臂如SCARA、铰接臂。最大自由度的六自由度；这手臂在加州流行 岭，在实验室和医疗应用的简单处理。编码器用于测量定位系统和交流伺服电机驱动同步带的手臂。FANUC和Motoman是TW大公司，发展工业机器人手臂。图1显示了这些公司的机器人手臂。这些武器的使用在许多的应用即；在食品工业中，物料搬运，马 机床抚育和后处理操作。STUBL（tx40）的机械臂，用于绘画中的应用。它是简单，快速和具有漂亮的界面。之间的空间tx40可以比较 获得2.3公斤和27公斤的手臂质量，它可以达到515毫米。图1显示了武器的接口 7 。工业机器人IRB120是ABB公司最新产品，六轴机器人处理 ES有效载荷可达3kg，以达到580 mm应用材料搬运和装配中的应用。它提供了快速可靠的工作循环，但却是一个非常笨重的机器人 8 。熟练维派 R s650是一种高性能特别设计为装配应用六轴机器人。它是用于材料处理，包装，机器管理，和许多其他业务需要SP 速度和精确的自动化。它可以放在桌上或地板上。它可以达到653毫米，使用编码器位置检测9-10。库卡是一种最常见的和最大的机器人企业 位于德国的世界。他们有不同种类的机器人手臂如小臂，低载荷的怀抱，中等载荷和重型武器。表1显示了一个小库卡的机器人手臂可以放 在地板或天花板上，如图所示，它有6dof 11 。川崎机器人有限公司是一个非常发达的公司，经验在机器人40年来他们有不同种类的机器人手臂等 作为R系列的小型机器人，Z系列是大型武器，M系列是特别大的这些类型的系列通用机械手，和K系列武器用于喘气和重武器、al l这些机器人手臂有6自由度。Figure 1. Industrial robotic arms; WAM, Mitsubishi (RV-2A), Motoman (SIA10D), Fanuce (Am50IC/5L), Staubl (TX40), ABB (IRB120), Adept Viper (S650), KUKA (KR5 R650), Kawasaki (RS03N) 三.机器人的分类机器人可分为几何、运动结构、动力源、关节驱动方式、预期应用范围等多种标准。 控制技术。这样的分类是有价值的，因为它决定了哪个机器人是准确的用于任务。例如，一个液压机器人不适合搬运。 D.有许多类型的机器人现在很难把它们因此有机器人分类不清晰。图2显示了机器人的分类。几何：现在工业机械手有六个或更少的自由度。他们是运动学分类在手臂前三个关节的基础上，手腕被分开描述。他们的主要分为五类：球形铰接，几何，SCARA，圆筒形和直角。这些类型都是串行链接机器人。第六个不同的类由所谓的p组成。 并联机器人。在并联机器人的链接被安排在一个封闭的运动链日。解析几何是由三棱柱关节轴线通常是相互正交的实现 艾尔（图2.23）。笛卡尔结构提供了很好的机械刚度。与高精度相反，由于所有的关节都是棱柱形的，所以结构的灵活性很低。直角坐标机械手 用于物料搬运和装配 14 。圆柱几何不同于笛卡尔，第一柱状节理与转动关节置换。提供圆柱形结构 良好的机械刚度。工作空间是空心圆柱体的一部分。圆柱机器人主要用于搬运物体，甚至大尺寸；在这种情况下，使用水螅。 液压马达是首选，电动马达 14 。球面几何与圆柱，二柱状节理与转动关节置换。机械刚度 低于上述两几何和机械结构更为复杂。球形机器人主要用于加工。电动机通常用于驱动关节 13 。SCARA机器人是一种特殊的几何形状，可以通过设置两个转动关节，在这样一个运动的轴线是平行的 14 一个棱柱形接头实现。铰接几何体 利用三关节；第一关节转动轴的其他两个平行的轴正交的。拟人化的结构是最灵巧的一个，因为所有的T 他关节转动。另一方面，自由度和笛卡尔空间变量之间的对应关系是失去的。关节通常由电动机驱动。工业应用范围 拟人机器人的应用是广泛的 14 。并行几何封闭链的几何形状具有多运动链末端连接底座。基本优势 在开式链机械臂的高刚度结构中。这种结构适用于执行需要较大的垂直力值的操作任务。 方向日。华鹏2008， 15 建立并联机器人的10自由度，可将所有必要的加工工具和焊接末端。并联机器人具有超 末端区域之间的链接和关节（运动部分）为其基。它被证明是比串联机器人更坚硬、更精确，但它提供了一个较小的工作空间的端effactor 活动 16 。关于并行配置的文献很多。许多研究人员都在并联机构具有3dof关心的运动学分析，其中C 在机器人装置中用作手腕 17, 18和19 。由于教育原因，他们已经设计和制作了一个原型 17 。一个名叫Argoswas的三自由度并联机构的现状 ED 44 末端执行器通过三个相同的运动链连接到它的基部。样机已完成。一般来说，工业机械手通常包含六个自由度，首先是由 斯图尔特在1965作为飞机模拟器平台 20 。在小于6DOF并联机器人能够满足精确的任务，以往的文献了，并有提高 减少并发症、设计冗余和价格。执行器：通常，为了使机器人实现运动，它将使用电动机、液压或气动执行器。在所有实现运动的三种方法中都有优点和缺点。 例如液压执行器非常适合用于起重和能够高速运动和快速的响应时间，这一系统的缺点是，它很容易力劲 加里斯2004（21）补充说，机器人和液体相处得不太好。对于气动执行器，这种类型可能是喜怒无常的，而且很难得到一致的平稳运动，因为 空气的可压缩性。今天，大多数运动控制系统都是由他们的电动执行器两种运动旋转和直线最近。电动执行器不需要泵或 空气压缩机，和他们没有软管或管道，泄漏的液压油或空气。这些执行机构设计简单，安装程序 22, 23 。还有其他类型的致动器 如：Solenoids，可以将电流转换为直线运动，和空气肌肉致动器。应用领域：机器人技术现在可以在许多应用中找到，如图所示。 2，我们可以找到它在工业，医疗，军事和许多其他应用。机器人通常分为两种应用：装配和非装配机器人。前者倾向于 小型和电动驱动，因为非装配应用领域迄今为止一直在焊接，材料处理和机器装卸。机器人正在发现越来越多的 在实验室中的应用。他们善于进行重复性的工作，如将试管放入测量仪器，缓解实验室技术人员的繁琐工作。在这个圣 发展的时代，机器人是用来自动执行手动程序的。这些系统的制造商声称他们比手工操作有三个优点：提高生产率，提高效率。 质量控制，减少人体对有害化学物质的接触 3, 23 。控制方法：机器人按控制方法分类为伺服和非伺服机器人。早期的机器人结构 TED是非伺服机器人，这些机器人的有限运动基本上是开环装置，预定的机械停止主要用于材料转移。伺服机器人是有能力的 多功能的由于闭环计算机控制决定其运动的。根据控制器用来引导末端执行器的方法，对它们进行进一步的分级（3, 24）。智能机器人：这些机器人在市场上广泛存在，因为它们含有计算机和传感器。这些机器人的运动是根据定义的程序员进行的，目前正在进行。 在知名行业开拓商机。人工智能（AI）是一个界别分组的计算机科学与工程。它主要集中于将智能化的学科。 机器学习和适应能力的行为。人工智能研究的主要关注点是生产机器来自动完成需要智能行为的任务。因此，人工智能已成为发动机。 工程学科，专注于提供解决实际生活中的问题，应用软件，游戏和策略。参考1 Wendell wallach, colinallen, Moral Machines Teaching Robots Right from Wrong, Oxford University Press, Inc., ISBN 978-0-19537404-9, (2009)2 Wei Wang and Gang Song, Kenzou Nonami, Mitsuo Hirata, Osamu Miyazawa, Autonomous Control for Micro-Flying Robot and Small Wireless Helicopter X.R.B, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing, China, (2006)3 Bruno Siciliano, Oussama Khatib, Springer Handbook of Robotics, ISBN: 978-3-540-23957-4, (2008)4 Brian Rooks, The harmonious robot, Industrial Robot: An International Journal, Vol.33, No. 2 PP.125130, (2006)5 Barrett Technology, Inc., Data Sheet, WAM Arm, . 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Datasheets, Tokyo Head Office/Robot Division World Trade Center Bldg., 4-1, Hamamatsu-cho 2-chome, Phone: +81-3-3435-6908 Minato-ku, Tokyo 105-6116, Japan, Fax: +81-3-3437-9880, (2009), www.khi.co.jp/robot13 Bruno Siciliano, Lorenzo Sciavicco, Luigi Villani, Giuseppe Oriolo, Robotics Modelling, Planning and Control, ISBN 978-184628-641-4, Springer-Verlag London Limited, (2009)14 Mark W. Spong, Seth Hutchinson, and M. 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