五自由度工业机器人结构

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。五自由度工业机器人结构1 绪论五自由度工业机器人结构设计1 绪论 工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织(ISO)在 对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务” 。 随着科学和技术的不断发展，在过去的几个世纪里，人类在许多方面都取得了重大的进展。机器人技术作为人类最伟大

2、的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了短短的40年，已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生、成长、成熟期后，已成为制造业中必不可少的核心装备，而且工业机器人不仅在工厂里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透。据联合国经济委员会和国际机器人联合会去年关于世界机器人的报 告，仅2003年新投入使用的机器人接近10万个，使世界目前使用的机器人总数超过75万。世界使用机器人最多的国家是日本，约38 .9万；其次为德国(9.1万)、美国 (9万)、意大利(3.9万)、韩国(3.8万)、法国(2.1万)、西班牙(1.3万)和英国(1.2

3、 万)，并且报告估计2004年，全世界使用的机器人总数将超过100万。 我国的工业机器人发展的历史已经有20多年，从“七五”科技攻关开始，正式列入国家计划，在国家的组织和支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破，而且在工业机器人整机方面，己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术，并成功的应用于生产，掌握了相关的应用工程知识。但总的看来，我国的工业机器人 技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。我国目前大约有 4000台工业机器人，其中仅有1/5是国产的，其余的则是从40多个国外厂商进口的机器人。总之

4、，各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志，在未来社会中，机器人的广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。相信在不远的将来，机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便，为人类的文明和发展带来更大的机会。 1.1 工业机器人的发展过程及其应用 20世纪50年代是工业机器人的萌芽时期，1954年美国戴沃尔发表了“通用重复 型机器人”的专利论文，第一次提出了“工业机器人”的概念。1958 年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型。1959 年美国 UNIMATION 公司推出第一台工业机器人。美国是机器人的故乡。 20世纪60年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人

5、进入发展期，机器人开始向适用化发展，并被用于电焊和喷涂作业。20世纪70年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入适用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施。其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。 20世纪80年代工业机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。工业机器人的应用满足了人们特性化的要求，产品的批量越来越大，品种越来越多，而且产品的一致性也大大提高，为商家占有了更多的市场份额，获得了更多的市场利润。20世纪90年代初期，工业机器人的生产与需求达到了一个高峰期。1990年世界上新装备工

6、业机器人80943台，1991年装备了76443台，到1991年底世界上己有53万台工业机器人工作在各条战线上15。目前工业机器人主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、金属加工以及金属制品业等。在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用。随着生产的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益扩大，其应用范围已不限于制造业，还用于农业、林业、交通运 输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。在工业领域广泛应用着工业机器人。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

7、能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。一般多自由度串联机器人具有46个自由度，其中23个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余23个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。本文设计的机器人具有三个自由度，也就是机器人的整个手臂部分，来决定了末端执行器在空间的位置。 1.2 工业机器人研究的现状与意义 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器

8、人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术(RT) 概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和

9、分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 现代科学技术的迅速发展，尤其是进入20世纪80年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设了介绍机器人技术的有关课程。为了培养机器人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。 本课题为教师自拟课题。本文主要针对五自由度工业机器人进行结构设计。 1.3 国内外机器人研究现状 1.3.1 国外机器人研究现状 国外

10、目前机器人研究的重点主要有以下几个方面78: (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，机器人操作机己实现了优化设计。以德国 KUKA 公司为代表的机器人公司，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。 (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

11、现在能够控制21轴甚至27轴机器人，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、

12、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有了发展。 (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一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。 1.3.2 国内机器人研究现状 随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。从20世纪80年代末到20世纪90年代，国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器

13、人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主。这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益912。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研

14、究开发者带来巨大商机。但是，无论从工业机器人的数量上还是技术上，我们都是比较落后的。而我国作为一个工业大国，不能寄希望从其他国家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。如何在 21世纪加速我国机器人的发展，使我国早日进入机器人大国行列，已成为当务之急。由于目前我国机器人的基础数量太低，以工业机器人为例，到了2010年我国机器人拥有量只能达到世界拥有量1.38%2%，这与我国作为21世纪前半叶世界主要制造国的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机器人来弥补，其巨大损失不是可以用货币损失来计算的。可见，无论从资金方面

15、考虑，还是从长远利益考虑，我们有必要自主地对机器人进行研究和开发。 但是由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距，虽然计划开发的机器人基本上采用的是在国外基木成熟的技术，但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在文献上或局部技术上。所以我们应该从基本做起，有必要研制少数型号的机器人和开展一批基础技术研究作为机器人课题的主要研究与开发内容。 1.3.3 工业机器人运动学系统研究现状 运动学正问题的研究目前主要是利用齐次坐标变换矩阵方法将位置和姿态统一描述，该法思路清晰，但运算速度较慢，随着机器人机构自由度的增加对运动学逆问题的讨论带来很多不便。运动学逆问题比正问题复杂的多，主要表现在逆解

16、的存在性和唯一性，存在性决定机器人的操作空间，逆解一般来说非唯一。目前对具有特殊形状的机器人机构如球形手腕机器人机构，其逆解是封闭的，但并不唯一。对一般的机器人机构逆解必须使用数值计算方法，因而数值解的计算速度和精度受到人们的关注，同时机器人机构中常见的奇异状态(不可解状态)在数值解中如何避免也是讨论三维问题之一13 。 工业机器人运动学方程的计算过程需要解多元非线性方程组，数学上尚无完备的方法求其解析解，机构学研究者采用数值分析的方法，取得了一系列进展。但是多数或者算法不稳定，或者过分依赖初值，且计算量大，求解速度慢。工业机器人机构位置正解的神经网络解法也开始进行探讨。利用神经网络对于非线性

17、映射的强大的逼近能力，采用 BP 网络，利用位置逆解结果作为训练样本，通过大量样本的训练学习，实现机器人从关节变量空间到工作变量空间的非线性映射，从而取得并联机器人运动学正解，避免了求位置正解时公式推导和编程计算等的繁杂性14。 运动学方程的建立与求解是一个机器人系统的关键技术，一直受到广泛的关注，但仍然是当今的一个研究热点，有着一定的发展空间。 1.3.4 工业机器人轨迹规划研究的现状与意义 机器人轨迹规划属于机器人底层规划，是在机械手的运动学的基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动过程中的轨迹规划和轨迹生成方法。所谓轨迹是指机械手在运动过程中的位移、速度和加速度。而轨迹规划是根据作

18、业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。首先对机器人的任务、运动路径和轨迹进行描述。例如，用户给出手部的目标位姿，规划所要完成的任务是:确定到该目标的路径点、持续时间、运动速度等轨迹参数，并在计算机的内部描述所要求的轨迹，即选择习惯给定及合理的软件数据结构。最后，对内部描述的轨迹，实时计算机器人运动的位移、速度和加 速度，生成运动轨迹。 轨迹规划既可在关节空间也可在直角空间进行，但是所规划的轨迹函数都必须连 续和平滑，使得操作臂的运动平稳。用户根据作业给出的各个路径点后，路径规划的任务包含: 解变换方程(运动学正解)、进行运动学反解和插值运算等；在关节空间进行规划时，大量工作是对关节变量的插值运算

19、。因此，对于插值算法的研究是机器人 轨迹规划的一个重要方面15。 1.4 本文研究的意义及主要内容 我们所设计的五自由度工业机器人，可以为进一步研究工业机器人的工作原理和工作过程奠定一定的基础。将其作为机器人学 、机器人技术基础及机电一体化系统设计课程及机械电子工程专业等机电结合的综合教学实验设备，不仅可以使学生在轻松愉快的氛围中充分理解相关课程的专业知识，而且可以激发学生的专业学习兴趣，树立系统的工程概念，培养其独立开展科学研究的能力。因此，本机器人的研制成功，对机电一体化专业教学及科研有着十分重要的意义。 学习了机器人技术知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有

20、了比较详细的了解。在此基础上，结合本人的设想，和设计工作中需要解决的任务，本文主要研究机器人总体结构进行设计，主要进行以下工作: 本体结构设计，本机器人手臂结构方案确定后要运用AutoCAD和Pro/Engineer软件把其平面装配图及其立体图做出。 2 机器人本体结构方案的设计 2.1 机器人的工作要求主要设计参数如下自由度数目：5个机械机构形式：立式关节型作业半径：650mm负荷能力：2kg重复定位精度：+/-0.5mm驱动电机：步进电机最大重量: 40kg2.2 机器人机械设计的特点 2.2.1 机器人独特的结构特点 (1) 关节型工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个

21、开式连杆系。为实现要求的坐标运动，在大多数工作时间内，连杆系末端是无法加以支撑的，因而操作机的结构刚度差，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。 (2) 在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。这和普通的连杆系不同，在普通连杆系中，所有的连杆运动都出自同一驱动源，各连杆间的运动是互相制约的。由于操作机连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而操作机的运动更为灵活。 (3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化是非常复杂的，且和执行件反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。本文所用的三个关节驱动

22、是步进电机驱动，属于开环控制型。 (4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其它不稳定现象。 从以上特点可见，一个好的机器人设计应当使其机械系统的抓重自重比尽量大，结构的静动态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。人类的手臂是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标16。 2.2.2 与机器人有关的概念 以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。 (1) 自由度(Degrees Of Freedom , DOF)：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关

23、节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。本文设计的机器人是5-DOF机器人。 (2) 工作空间(Work Space)：工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。由于工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小，因而它对于机器人的应用是十分重要的。 (3) 机器人的分类,机器人分类方法有多种。 首先，按机器人控制方法的不同，可分为点位控制型(PTP)，连续轨迹控制型(CP)： (a) 点位控制型(Point to Point Control)：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一

24、个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。本文的机器人就属于PTP型。 (b) 连续轨迹控制型(Continuous Path Control)：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。 其次，按机器人的结构分类，可分为四类： (a) 直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。 (b) 圆柱坐标型：该型机器人前三个

25、关节为两个移动关节和一个转动关节，以, r, z为坐标，位置函数为P=f (, r, z)，其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向的位移，是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。 (c) 球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以,y 为坐标，位置函数为P =f (,y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。 (d)关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型(SCARA 型)机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活、工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。本文设计的机器人为关节坐标型。 第三，按驱动方式分类可分为：(a) 气压驱动；(b) 液压

26、驱动；(c) 电气驱动。 电气驱动是20世纪90年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。本文设计的机器人三个关节均使用电气驱动。 第四，按用途分类可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。 本文的机器人为实验演示用途的机器人。 2.3 机器人手臂结构方案设计 手臂的总体设计是工业机器人设计的首要问题，主要有包括总体方案设计和基本技术参数设计。 2.3.1 方案功能设计与分析 2.3.1.1 机器人手臂自由度的分配和构形 手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行

27、器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图21所示。 图 2-1 几种多自由度机器人手臂构形 本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有五个自由度，其中手臂三个自由度，手爪部分二个自由度，由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。 旋转

28、关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。这里机器人手臂使用了三个旋转关节，综合各种手臂构形，最后确定其结构形式 为图21中的第一种形式，此手臂决定了末端执行器在空间的位置。 关节型机器人手臂有三个转动关节，通常腰关节的转轴是铅垂的，手臂在水平面内可绕腰关节轴转动，肩关节和肘关节的转轴平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面内转动。由三个转动关节构成的关节组联接在小臂杆的端部，模拟人的手腕，决定末端件的姿态。在运动学结构上，这类机器人最像人的手臂，因而结构最紧凑，柔性最好，可达空间最大，它甚至可以绕过障碍物到达目标点，因而是机器人中最有前途的一种。但由于三个关节都是

29、转动的，故臂端的分辨率完全取决于它在工作空间中的位置。另外，位置精度也较差。 2.3.1.2 机器人手臂结构方案的对比分析及选择 参考国内外工业机器人的典型结构17 23，初步对各个回转关节的结构单独分析。 (1) 腰部回转关节 图 2-2 腰部回转示意图 1 图 2-3 腰部回转示意图 2 方案一：如图22所示，电机安装在底座下面，其输出轴经谐波减速器减速后，直接带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。 方案二：如图23所示，电机安装在底座上面，其输出轴先经谐波减速器减速，再经一对齿轮减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。 两种方案在传动实现上，都是可行的。均采用了减速比大、

30、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的谐波减速器。虽然方案二在安装和维修方面优于方案一，但是方案一的传动结构简单一点，而且少了一对普通直齿轮，其整体结构并不复杂，电机经谐波减速器减速后，速度己经较低，噪音问题不突出。故综合考虑，腰部回转关节选择方案一。 (2) 大臂和小臂回转关节 图2-4 大臂小臂手腕和手爪回转示意图大臂和小臂回转都是通过EPL减速器减速后直接带动来实现的，且结构简单，通用性强，成本低，安装方便。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，

31、同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活,结合本课题的实际条件，因此,大臂、小臂手腕和手爪回转关节选择方案是合理的。3 机器人的结构设计3.1 整体受力图3.2 结构设计计算3.2.1腕部回转关节的设计步进电机的选择：腕部旋转由步进电机直接驱动，设手爪及物体的最大当量回转半径R=50mm，手爪及物体的总重量m=2.5kg,则其转动惯量设机器人手部角速度W1从0加速到420/s所需要的时间t=0.4s,则其角加速度 负载启动惯性矩（不计静磨擦力矩）。由于步进电机不具有瞬时过载能力，故取安全系数为2（不同），则步进电机输出的启动转矩。由于必须小于步进电机的最大静转矩，所以选择如下二相步进电机：型号:42

32、HSM02。最大步距角保持转矩为2.4，步矩角1.8°，质量为0.23kg.3.2.2 腕部俯仰关节的设计3.2.2.1 步进电机的选择腕部俯仰是由步进电机通过同步带机构驱动的，手爪回转装置及物体的重心到回转中心的距离，腕部当量回转半径，腕部回转电机到回转中心的距离，则腕部俯仰时其转动惯量式中，手爪回转装置及物体总质量约为2。5kg;腕部总质量约为0.1kg;腕部回转电机的质量。 设机器人腕部俯仰角速度从加到所需时间t=0.2s,则腕部俯仰角加速度，腕部俯仰启动惯性矩负载静转矩（静磨擦力矩忽略不计）。由于>>,故惯性矩忽略不计，则腕部俯仰总转矩。同步带的传动效率同步带的传

33、动比为1。则步进电机输出的启动转矩为所以，选择如下四相混合式步进电机：型号：86HS38；最大静转矩：步矩角：1.8°质量：2。6kg.3.2.2.2 同步带和轮的设计腕部俯仰关节是通过二级同步带传动的，第一级同步带的轴矩为300mm，第二级为150mm.求设计功率，由于前面已考虑到了安全系数，所以，。选择带的节矩从文献8，图36。122可知带的第一级节矩代号为L，对应节矩=9.525mm.第二级节矩代号为XL，对应节矩=5.08mm.确定带轮直径和带节线长由表面36，1-73知，带轮最小许用齿数考虑到制造和安装等因素，取Z1=12，两级传动比都为1，带轮的直径则带长L可表示为由表面

34、化36.1-70选取标准节线长及其齿数：代号285，齿数为76。，带长代号为210，齿数为56。实际轴间矩取=305。取=155。啮合齿数，则啮合齿数。带宽计算同上，查表得，050。型号为037。 结论第一级同步带类型:节矩代号为L;宽度型号为050. 代号285，齿数为76。带轮齿数.轴间矩.第二级同步带类型:节矩代号为XL;宽度型号为050. 代号160，齿数为80。带轮齿数.轴间矩.3.2.3 小臂关节的设计3.2.3.1 小臂回转关节步进电机和减速器的选择 当小臂与末端执行器均处于水平状态时，各部分对回转中心产生的静转矩最大，其代数和为选择减速器如下：型号为：EPL040007。则步进

35、电机输出的启动转矩为。所以，选择如下四相混合式步进电机；型号：86HS38；最大静转矩：；步矩角；1.8°质量：2.6kg.3.2.3.2 小臂的同步带的设计计算 小臂的减速器输出功率为，设小臂的角速度为250°/s,则则，所以初设轴矩为求设计功率，由于前面已考虑到了安全系数，所以=P=97。4。选择带的节矩从文献8，图36。122可知带的节矩代号为XL，对应节矩=5.08mm.由文献8图36，1-22可知：XL型带，当主动带轮速度时，带轮最小许用齿数Z=10，考虑到制造和安装等因素，取，所以大小带轮的节圆直径则带长可以表示为根据表36。1-66选取标准节线长及其齿数Z，得

36、带长代号180，实际轴间矩 取a=165mm啮合齿数，则啮合系数为。带宽 ，由8表功6。1-74可得XL型同步带的基准宽度为。为基本额定功率查得=7.1w.所以，则取，型号为037结论同步带类型为XL，型号为037。带轮Z1=20，Z2=30，d1=32.26,d2=48.535带宽bs=9.5,节线上齿数：Zb=90,带长寿457.2.轴间矩取整a=165mm.3.2.4 大臂回转关节步进及减速器的选择 当大臂与小臂，末端执行器均处于水平状态时，各部分对回转中心产生的静转矩最大，其代数和选择减速器如下：EPL064007则步进电机输出的启动转矩为所以，选择如下四相步进电机：型号：86HS85

37、；额定转矩：；步矩角：°。质量：3.8kg.3.2.5 腰部回转关节步进电机及减速器的选择腰部回转关节由步进电机通过减速器来驱动。当腰部回转体与大臂，小臂，末端执行器处于水平状态时，各部分对回转中心产生的转动惯量最大，其代数和为初步规定机器人腰部回转角速度从加速到所需要的时间为，则腰部回转角加速度则腰部回转启动惯性矩选择减速器为EPL64016，其传动效率为85%。则步进电机输出的启动转矩为：所以，选择如下四相步进电机：型号：86HS85；额定转矩：；步矩角：1.8°质量3.8kg。3.2.6 气爪的选择计算夹持力：n个手指的总夹持力产生的摩擦力必须大于夹持工件的重力mg

38、，考虑到搬运工件的加速度及冲击力等，必须设定一个安全系数，故因满足既式中摩擦系数，橡胶与铸铁的摩擦系数为，安全系数，取=3。所以，。所以，选择平行型气爪6310系列产品，型号为夹持力为45N，因为45N>F,所以是合格的。4 总体装配图的设计 4.1 三维总装配图4.2 腰部装配图设计经过前面的设计计算,主要传动部件已经选择完毕,下一部该做的就是怎样把这些主要零部件连接起来,首先设计腰部回转关节,腰部回转关节的输出轴是由步进电机通过EPL减速器来驱动的,首先把电机固定在电机连接筒上,电机连接筒在通过内六角柱头螺钉固定在腰筒上,减速器的一端要和电机连接,一端固定在减速器连接筒上,减速器连接

39、筒再通过内六角柱头螺钉固定在电机连接筒上,这样连接就实现了腰部电机的输出,由于腰部输出轴要驱动整个装置转动,所以腰部输出轴上还得通过一个旋转筒连接支撑肋板,这样腰部的装配设计就完成了,其三维装配图如下:其平面装配图如下:4.3 三维主要零件图其它各部分的设计如上,以下为三维总体装配的主要零件图：连大臂轴连接减速器板第二关节轴第二关节连电机筒第三关节连接大臂筒第三关节连接电机筒第三关节一轴第四关节连接电机筒第四关节支撑大臂轴第四关节轴小臂一轴小臂第五关节连接筒大臂小臂二轴6 总结 经过两个月的艰苦努力，最终完成了我的毕业设计。在这两个多月的设计过程中,在高金则老师的指导，同学的帮助和自己的努力下

40、，自己学到了很多的专业知识，在做毕业设计之前自己对Pro/ENGINE的操作不是很熟练，而现在能熟练操作Pro/ENGINE的基本指令了，也极大的提高了自己独查各种机械手册的能力，从开始设计到最最终完成设计的整个过程，训练了自己的设计能力，对自己的思维能力也是有极大的提高。虽然取得了一些成绩，但在整个设计过程中遇到的问题也是很多的，但是在高金刚老师的细心的指导下以及和同学们相互的探讨学习中,很多的问题都已经解决了，由于有的问题需要很多的时间去解决，这些问题将是我以后的学习目标，总之，这次毕业设计的经历将在我以后的工作和学习中将起到很重要的作用，它使我对机器人的工作原理及机械机构有了更加清晰的深

41、入的了解,对大学所学的知识有了更加综合的复习和应用,提高了研究设计能力。本毕业设计根据五自由度工业机器人的用途，从机器人本体结构和驱动方案对比分析入手，初步确定了该机器人的整体结构方案，依据所确定的方案，分别在AutoCAD和Pro/ENGINEE里绘制出该机器人的总体模型图。并详细论述了驱动电机和传动装置的选择过程。 参考文献 1 刘进长,辛健成.机器人世界M.郑州:河南科学技术出版社,2000 2 诸静.机器人与控制技术M.杭州:浙江大学出版社,1991 3 吴广玉,姜复兴.机器人工程导论M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1988 4 McDonald.Robot Technology:

42、Theory, Design and ApplicationM.Prentic-Hill,1985 5 周远清,张再兴.智能机器人系统M.北京:清华大学出版社,1989 6 付京孙.机器人学M.合肥:中国科学技术出版社,1992 7 白民,刘远江.从2004中国国际机器人展览看中国机器人产业的现状和未来J:机器人技术与应用.2005.(1):20-24 8 王坤兴.机器人技术的发展趋势J:机器人技术与应用.1999.(6):10-12 9 国家 863 计划智能机器人专家组,机器人博览M.合肥:中国科学技术出版社,2001 10 陈佩云.我国工业机器人发展状况J:机器人技术与应用.2001,

43、(1):2-5 11 刘进长.我国机器人发展战略研究J:机器人技术与应用.2000, (3): 2-5 12 马颂德.基础技术研究与队伍建设J:机器人技术与应用.2001, (5) : 2-513 刘成良，张为公. RV12L6R 焊接机器人运动正解及计算机仿真系统J:东南大学学报.2003, 21(6):63-68 14 王启智,徐心和. PUMA机械手逆运动方程的推导方法及求解J:机器人.1998,3:81-87 15 蔡自兴.机器人学M.北京:清华大学出版社,2000 16 费仁元,张慧慧.机器人机械设计和分析M.北京:北京工业大学出版社,1998 17 . 索罗门采夫.工业机器人图册M.于东英,安永辰译.北京:机械工业出版社,1991 18 周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,1995 19 徐灏.机械设计手册(第 5 卷) M.第三版.北京:机械工业出版社,1993 20 机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册M.北京:机械工业出版社,1999 21 K