《五自由度分拣机器人的结构优化设计与仿真验证》16000字

···········绪论1.1研究目的及意义由于我国经济和科学技术的快速发展，居民生活水平的不断提高，工作人员对工作环境以及舒适度的要求越来越强烈，人们已经不愿意从事枯燥无味、繁琐、重复性高、劳动强度大的工作。同时随着社会的不断进步，市场需求的不断的扩大，人类对生产力水平的需求越来越高，生产力的高水平意味着单纯依靠人力劳动己经无法满足生产速度和生产质量的要求。我国在目前的实际生产中，大部分中小型企业为流水线作业，生产流水线当中，主要环节有上下料、分拣、包装、码垛、搬运等，其中分拣作业是大多数流水生产线上的一个重要环节（韩明轩，罗一凡，2022）。随着各个行业的不断发展,产品的生产对于分拣的要求在不断提高，不同的行业往往会提出不同的要求。机器人作为一种生产效率高、重复工作能力强、适用性广的自动化设备，机器人产品己经广泛地运用在工业生产以及人类生活服务等各个领域，如化工、食品、机械、冶金、食品、快递等领域。相对于人工分拣,分拣机器人往往具有高速度,这在一定角度上显露高质量以及可以在某些特殊工作环境下进行分拣工作的特点（郑诗雅，张晨曦，2023）。例如,机器人不会像人工作业时那样产生疲劳、疲惫、劳累，可以连续、稳定运行，可以在一些不适合人工工作的高温场所,或者空气中有不利于人体的物质存在的场所工作,有些机器人可以分拣比较重的物体等等。综上所述,在许多行业中，采用分拣机器人代替人工分拣已经成为当前生产环境下的发展趋势，替代人们从事重复性高、繁琐枯燥的工作，降低劳动强度、提高生产效率。1.2国外分拣机器人研究现状以美国、日本、级欧洲为代表的发达国家，在分拣机器人的引用上呈现自动化程度越来越高的特点，在此类环境中自动化分拣已成为发达国家大中型物流中心，配送中心或者流通中心不可缺少的一部分，其主要特点有三:能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率极低，分拣作业基本实现无人化。这恰好适应了国外企业对减少人员使用、减轻员工劳动强度、提高人员使用效率的要求，因此受到了他们的广泛重视。就国外进行配送业务的行业或企业来说，分拣机器人已被广泛应用在医药行业、化妆品制造等行业，如日本资生堂、花王、大木等株式会社;自动分拣机器人作为自动分拣系统中的关键设备，因其每小时可达6,000-12,000箱的高分拣效率，在日本和欧洲也得到广泛应用（蓝浩然，严子涵，2021）:这在一定层面上证实了日本的连锁商业(如西友、日生协、高岛屋等)和宅急便(大和、西浓、佐川等)均普遍使用自动分拣机器人;在日本唱片中心，CD及录像带的新出版品也利用高端的机器人自动分拣机拣货（韩启南，何诗诗，2021）。美国、日本、德国等一些发达国家，一直处于机器人领域应用研究的前沿，现在的工业机器人技术可以说基本集中在了日本和欧洲。这在某种程度上凸显了在日本，它的关键性部件——减速器是遥遥领先的，并且已经形成了很强的技术壁垒；德国的工业机器人原材料、本体零部件具有很大的优势（林志轩，何思琪，2021）；由于发达国家的劳动力出现地比较早，环境的因素也促使他们很早就开始发展工业机器人，从而形成了先发的优势。比如美国，从上世纪50年代已经提出了“工业机器人”的概念；而日本在70年代就已经形成了工业机器人产业化的发展（石宇，邹若琳，2018）。这清楚地暴露出他们有深厚的技术积累，包括一些关键部件的核心技术。从现在的产能和保有量来看，日本的产能达到66%，它的保有量大概每万人300多台（罗建平，冯玉麟，2019）；1.3国内分拣机器人研究现状在上世纪70年代时，我国便从国引进自动分拣技术。通过引进国外先进的自动分拣生产线，然后不懈的学习其先进技术，在拥有了一定的自动分拣技术的理论基础和生产实践经验后，逐步具备了自主开发的能力。鉴于前文所做的分析论断在中国科技人员经过多年的不懈努力、不断摸索和吸取国外先进经验的基础上，现如今我国在机器人分拣方面取得了重大突破，且能够根据需求不断开发出新产品来适应当今企业的生产要求（方博宇，宋泽楷，2022）。经过对阶段性研究成果及计算数据的细致比对，本文发现其与前文综述中的结果高度一致，这一发现首先充分证明了本研究所采用的方法论在有效性和可靠性方面均达到了较高水平。这种一致性不仅对先前研究结论进行了有力支撑，也为现有理论框架提供了更为坚实的理论基石。通过严谨的研究设计、全面的数据收集以及科学的数据分析，本文成功复现了前人研究中的关键发现，并在此基础上进行了更为深入的探讨与分析。这一过程不仅进一步增强了本文对研究假设的信心，同时也充分展示了所选研究方法的科学性与先进性。例如广州数控数控公司研发的四轴并联分拣机器人，结构轻巧，反应林敏，精度高，在视觉系统引导下能对物体进行快速抓取，在当前既定的背景之下被广泛应用于电子，轻工。食品等行业（吴昊然，朱俊驰，2022）。目前，在国内很多工厂的生产线上工件分拣仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,表明某种情况针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台分拣机器人代替人工工作，以提高劳动生产率是非常有必要的(郑羽彤,陈佳怡,2022)。我国的工业发展技术随着改革开放以来得到了快速的提高，因此人工智能技术的研究与生产已成为当代发展的核心追求，这在一定角度上显露我国的智能机器行业正面临若新的机遇和挑战(邓紫朝,朱新颖,2022)。大众已经明白了分拣机器人在各个领域的重要性，研究和制造机器的视觉技术不仅可以提高机器人对外界环境的感受能力还可以极大的减轻工作人员的负担，让他们从繁杂无味的工作环境中解放出来。1.4本课题主要设计内容机器人的总体方案设计，根据分拣的物料、离地面的高度，分析机械臂的长度和各个关节的运动方式，来确定机械臂的总体结构方案：底座：用于支撑整个机器人，在此类环境中有一个自由度，可以控制整个机器人的回转运动。臂部：用于连接底座和腕部，能进行运动，调整腕部的位置，机器人的工作范围主要是由臂部限制。腕部：用于连接臂部和末端执行器，同时可以改变末端执行器的位置。末端执行器：与腕部连接，这在一定层面上证实了用于夹取工件，直接与工件接触。驱动系统：为机器人各个部件提供动力，驱动机器人的运动，包括电机驱动、液压驱动等动力系统和机械传动，液压等传动方式。对机器人的各个部件进行设计，根据工作任务，选择合适的结构，对重要的零部件进行计算校核。1.5本章小结本章节主要介绍了分拣机器人的现状和发展，了解了目前分拣机器人的技术水平和应用行业，对我们的各个行业生产和人们的日常生活产生的影响。根据目前的有关资料，确定分拣机器人需要设计的内容。2总体方案设计2.1分拣机器人的技术指标根据具体的工作要求，考虑设计的合理性，选择设计多关节型机械臂来完成工作任务，确定了工作的范围，结构的尺寸，末端执行器的最大承受负载，取件移动的速度等技术指标。具体如下(张润天,陈婉倩,2022)：（1）大臂长度加底座的高度约1500mm，小臂的长度约800mm，大臂小臂转动范围为，旋动速度为6r/min。（2）腕部和末端执行器重量约为15kg，这在某种程度上凸显了工件的重量约为10kg，取件时工件对末端执行器的作用力为100N，执行器能够承受的最大负载为300N。（3）机械臂取件速度为6件/min。2.2机器人的构型确定查阅相关资料，如果以运动的结构坐标系为分类标准，工业机器人可分为以下几种类型(贾雪凝,胡紫向,2022)：(1)直角坐标型：有三个自由度，这清楚地暴露出三个相互垂直的轴控制末端执行器的位置。虽然定位精度高，响应速度快，但是这种结构的机器人需要的工作空间较大，占据了过多的面积，而且操作的灵活性较差，如图2.1所示(贾俊天、彭羽飞、蒋明羽,2023)。图2.1直角坐标型(2)圆柱坐标型：主要有三个自由度分别是直线升降、圆周旋转和水平运动。这种结构的有点是动作过程中比较平稳，负荷变动少，。缺点是动作的区域狭窄，如图2.2所示(陈俊凯,杨雨萱,2021)。图2.2圆柱坐标型(3)球坐标型:由一个回转和两个平移的自由度组合构成，这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。在此特定条件下结论显而易见主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间，如图2.3所示（谢东亮，林静娴，2024）。在数据分析过程中，本文施展了多种统计方法用于检验数据的有效性，同时侦测潜在的异常数据。凭借对数据分布特征的深入探究，能够精准剔除那些明显偏离正常范畴的数据点，而保全具有代表性的样本资料。再者，本文还利用敏感性分析来评定不同参数变化针对研究结论所产生的影响程度，从而保证最终结论的稳固性与通用性。图2.3球坐标型(4)多关节型：多关节型机器人有多个关节，有着多个自由度。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。根据以上讨论的结果相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人，如图2.4所示（翁志强，柏晓红，2023）。图2.4关节型针对本次系统中机械手的任务要求，以及提高系统结构刚度和灵活性，采用多关节型的机械手。2.3机器人总体设计方案1、确定负载确定负载主要是用于确定各个结构需要的承载能力和运动所需的动力，通过solidworks软件建模分析大概得出质量，各个结构需要有足够的强度刚度，保证能够承受得住自身和其他部件的负载，在当前既定的背景之下不能够产生变形。测出各个部位的中心到运动关节的距离，根据负载算出转矩，选择合适的电机(黄静怡,李子阳,2023)。2、驱动方式机器人的各个关节采用电机驱动，电机驱动的精度高，调速方便，响应快，噪音小。末端执行器采用液压驱动，液压驱动的动力大，表明某种情况运行平稳，能够保证夹紧工件，保证定位精度。3、传动方式常见的传动方式有圆柱齿轮，同步带和链传动，蜗轮蜗杆，谐波齿轮等，根据本次设计的机器人的结构，选择采用齿轮传动的方式，在底座用圆锥齿轮改变传动方向，直齿圆柱齿轮传递转矩(陈雨晨,韩雪玲,2020)。4、工作范围机器人最大工作范围主要由臂部大小确定，这在一定角度上显露需要根据分拣任务的要求，确定臂部的尺寸，确保机器人在工作时能够夹取工作范围内的所有工件。5、运动速度工业生产中对于机器人的生产速度有很高的要求，但速度越快，机器人运动产生的震动越大，在此类环境中对机器人的精度影响越大，因此要选择合适的驱动方式和传动方式，尽可能保证机器人工作的平稳，同时可以调节机器人的运动速度，不同的任务对精度要求不一定相同，需要选择合适的速度来驱动机器人（戴启超，严文博，2023）。2.4机器人的机械传动原理机器人的本体结构组成如图2.4所示，一共5自由度，每个自由度都有一个驱动元件进行驱动控制。图2.4机器人示意图各部件组成和功能描述如下（林俊泽，何梦茹，2020）：底座部件：底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进电机等。机座作用是支撑部件，支承和转动大臂部件,承受关节机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。这在一定层面上证实了另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证关节机械手工作时的稳定运行(王俊伟,刘子茹,2021)。关节机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。小臂部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等(唐伟杰,高琳娜,2023)。2.6本章小结本章节确定了机器人的整体方案，设计一款五自由度的关节型机器人来进行分拣任务。这在某种程度上凸显了初步确定了机器人的尺寸大小，承受负载，工作速度，驱动方式等。接下来在满足工作要求的前提下尽可能减少成本，对机器人各个部件进行设计。

3底座机构的设计3.1底座的设计要求机器人的底座主要是用于带动整个上部机器人转动，承受臂部、腕部、执行器、工件的重量，同时在底座内部设计一个二级减速齿轮，使满足功率要求的电机降低转速增加转矩(李思远,周婉琳,2022)。这清楚地暴露出这一部分首先计算机器人上各部件的转矩，以选择合适的电机，然后进行理论计算，查阅有关表格，确定齿轮的几何参数和尺寸。机体不参与机器人动作，生产工艺要求不高，可选用HT250灰铸铁制造。灰铸铁在凝固时收缩率小，具有良好的韧性。通过这种方式制作的箱体可以提高机体本身的稳定性，而且比较经济（肖浩淼，毕天佐，2024）。在研究路径中，本文对误差的驾驭依托于一套严谨的方略与举措，旨在筑牢数据真实与结论可信的基石。本文缜密编织了研究蓝图，并对潜藏误差风险的多元因素——如环境变数、操作者差异、数据精确度等——进行了深入剖析与评估。借助规范化流程与先进技术，本文力保数据的一致性与再现性。此外，为提升数据品质，本文引入了双重录入与交叉核验机制，有效拦截了人为疏忽或输入失误引发的数据偏移。因箱体整体结构尺寸取决于内部各部件的配合情况，其形状比较复杂，故采用铸造方式制造，在此特定条件下结论显而易见连接电动机的输出轴与锥齿轮轴的联轴器，通过锥齿轮与输入轴的端啮合来满足改变传动方向的要求。输入、中间、输出三轴垂直放置，实现两级减速传动。因齿轮悬置，需要使用圆螺母和止动垫圈来定位锁紧(吕致远,邓雅芝,2023)。3.2底座的结构设计底座的结构如下图3.1所示。3.1底座示意图3.3驱动电机的选择计算输出轴的转矩（3.1） （3.2）（3.4）（3.5）通过solidworks软件建模分析得底座传动部件的总质量约为50kg,半径约为：鉴于前文所做的分析论断通过solidworks软件建模分析得大臂部分的总质量大约为45kg，大臂部分的质心和肩关节之间的最大距离大约是：通过solidworks软件建模分析得小臂部分的总质量大约为28kg，小臂部分的质心和肩关节之间的最大距离大约是：腕部和末端执行器的质量总共约为25kg，在当前既定的背景之下末端执行器和底座之间的最大距离约是：输出轴工作时，在这种情况下其旋转角速度，=0.5s将数据带入公式（3.5）,（3.4）得：将数据带入公式（3.1）,（3.2）得：表明某种情况取安全系数K=1.2,得功率选择二级圆柱齿轮减速的传动比i=9（3.5）=0.99——联轴器传动效率=0.98——齿轮传动效率=0.98——轴承传动效率代入式（3.5）得到：0.859确定各轴传动比（甄俊熙，廖景云，2020）总传动比，翻阅机械设计手册，可取：高速级传动比=3，低速级传动比=3传动装置的运动和动力参数由传动示意图图3.2所示(戴宇航,李欣然,2021)图3.2传动示意简图这在一定角度上显露各轴转速 （3.6）（3.7）6r/min代入式（3.6）、式（3.7）得：18r/min，54r/min转矩计算（熊梓淇，周子昂，2021） （3.8）287.62Nm代入式（3.8）得：99.8Nm同理得到：=34.05Nm=35.46Nm选取上海研一重工机械有限公司180系列伺服电机。额定转速为2000r/min,功率为2kw，自带电磁制动器（吴昊然，朱俊驰，2022）；3.4齿轮设计与校核计算3.4.1高速级齿轮设计与校核（1）选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动(黄志伟,周梦琪,2021)。在此类环境中由文献27中表10-1小齿轮材料选用45Cr(调质)，表面硬度为280HBS,大齿轮材料选用45钢（调质），这在一定层面上证实了表面硬度为240HBS。选择7级精度，就数据处理环节来讲，过往研究的经验提示本文应着重加强对新兴分析工具与技术的运用。鉴于信息技术的飞速发展，像大数据分析手段、机器学习算法等先进工具，正逐渐成为科学研究的重要基石。这些技术不但能助力本文更高效地处理海量数据，还能挖掘出传统方法难以发现的深层次信息和隐藏模式。因此，在后续研究阶段，本文应该积极探索将这些先进技术整合到本文的分析框架内的途径，以提升研究成果的精确程度和对复杂数据的洞察能力。，（2）按齿面接触疲劳强度计算根据公式计算小齿轮分度圆直径，即： （3.9）——载荷系数——输入轴承受扭矩——齿宽系数——重合度系数——弹性影响系数——接触疲劳许用应力确定上式中各参数：试选载荷系数=1.3，小齿轮传递的扭矩为=34.221Nm查文献27表10-7，选齿宽系数=1；查文献27表10-5，得弹性影响系数=189.8，查文献27图10-21d，得小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环:（3.10）——输入轴转速——工作时间240.00r/min=30000h双向转动，取=2代入式（3.10）得(黄子轩,王秀雅,2021)：=8.640×108次=2.187×108次查文献27图10-25，这在某种程度上凸显了得接触疲劳寿命系数0.90，0.95；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则=540MPa，=525MPa设计公式中代入中较小值，取525MPa这清楚地暴露出将数值带入式（3.9）得(陈旭东,刘怡君,2023)：43.48mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.675m/s 计算齿宽b=43.48mm计算齿宽与齿高之比：b/h（3.11）模数1.822mm齿高=4.099mm代入式（3.11）得：=10.668计算载荷系数（3.12）查文献27图10-8，得：=1.0查文献27表10-5，得：1.2查文献27表10-2，得：=1.25查文献27表10-4，得：=1.420以上代入式（3.12）得（李泽洋，吴思琪，2019）：2.13 在此特定条件下结论显而易见按实际载荷系数修正49.97mm（3.15）计算模数m：2.082mm按弯曲强度设计由公式（3.14）——弯曲疲劳寿命系数——弯曲疲劳需用应力——齿形系数——应力校正系数由文献27图10-24c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=580MPa；鉴于前文所做的分析论断由文献27图10-22取弯曲疲劳寿命系数=0.86，=0.90试选计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得(刘思敏,郑文浩,2021)：=310.358MPa=149.635MPa查取齿形系数，由图10-17得：=2.65；=2.23查取应力修正系数，由表10-5查得(张建国,孙晓琳,2021)：=1.58；=1.76=0.0136=0.0161大齿轮对应数值大，取大齿轮数值，将以上数值代入（3.14）得：1.258mm取m=2，前面通过接触疲劳强度算得分度圆直径=49.97mm算出小齿轮齿数24.985，取大齿轮齿数(赵子墨,田婷婷,2021)75几何尺寸计算：分度圆直径（3.15)将模数、齿数代入式（3.15）得：50mm；150mm中心距（3.16）将，代入式（3.16）得：100mm齿轮宽度（3.17）由式（3.17）得：=50mm因为在齿轮在安装过程中肯定会存在误差，根据以上讨论的结果因此为了保证齿宽和节省材料，将小齿轮的齿宽略为增大mm，大齿轮不变，所以(杨凌云,黄振鹏,2019)=57mm，=50mm （3）通过齿根弯曲疲劳强度来进行计算校核将数据代入校核公式得：通过计算校核可知齿轮弯曲疲劳强度符合要求。（4）通过齿面接触疲劳强度来进行计算校核将数据带入校核公式得：在当前既定的背景之下通过计算校核可知齿面接触疲劳强度符合要求(陈雨和,王芳婷,2019)。3.4.2低速级齿轮设计与校核（1）选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数（a）按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。（b）由文献27表10-1小齿轮的材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料为45钢（调质），硬度为240HBS。在这种情况下选择7级精度，本文所构建的框架模型以其高度的适应性和扩展性著称。针对各异的研究背景和多元化需求，本文在模型设计阶段着力确保了各组件的模块化，从而实现根据实际情境对特定部分进行灵活调整或替换，同时维持整体架构的稳固与高效。这一设计理念不仅显著提升了模型的应用价值，而且为后续研究者打造了一个开放性的研究平台，激励他们在现有基础上进行进一步的开发与优化。，（2）按齿面接触疲劳强度计算试选载荷系数(郑淑芳,许俊杰,2021)：=1.3小齿轮传递的扭矩为：=129.822Nm查文献27表10-7，选齿宽系数=1查文献27表10-5，得弹性影响系数=189.8；查文献27图10-25d，表明某种情况查得小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环系数(林依娜,蔡俊龙,2020)=2.187×108次=0.720×108次查文献27图10-25，得接触疲劳寿命系数0.95，1.10；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则：=570MPa，=605MPa设计公式中代入中较小值，取570MPa.得：59.7mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.223m/s计算齿宽b=70.145mm计算齿宽与齿高之比b/h模数2.48mm齿高=5.261mm=13.334计算载荷系数这在一定角度上显露查文献27图10-8，由v=0.255m/s，7级精度，得：=1.0查文献27表10-5，得(周怡彤,刘卓涵,2020)：1.2查文献27表10-2，得：=1.25查文献27表10-4，得(张熙楠,王梓然,2020)：=1.421所以载荷系数1.937按实际载荷系数修正76.77mm计算模数m2.626mm按弯曲强度设计由式（10-5）得：由文献27图10-24c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa(周腾飞,唐庆民,2020)；在此类环境中由文献27图10-22取弯曲疲劳寿命系数=0.85，=0.88计算弯曲疲劳需用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=303.571MPa=238.857MPa查取齿形系数,由文献27图10-17得：=2.65；=2.226查取应力修正系数，由文献27图10-18得：=1.58；=1.764=0.0137=0.0164大齿轮对应数值大，取大齿轮数值，将以上数值代入得(李思远,黄诗璇,2021)：2.882取标准值m=5，这在一定层面上证实了前面通过接触疲劳强度算得分度圆直径=76.77mm,得小齿轮的齿数24.585，取大齿轮齿数75几何尺寸计算分度圆直径75mm；225mm中心距=150mm齿轮宽度=75mm因为在齿轮在安装过程中肯定会存在误差，因此为了保证齿宽和节省材料，将小齿轮的齿宽略为增大mm，大齿轮不变，所以=86mm，=75mm （3）通过齿根弯曲疲劳强度来进行计算校核将数据代入校核公式得：这在一定层面上证实了通过计算校核可知齿轮弯曲疲劳强度符合要求(陈子和,胡雅萱,2021)。（4）通过齿面接触疲劳强度来进行计算校核将数据带入校核公式得：通过计算校核可知齿面接触疲劳强度符合要求。3.5轴的设计与校核计算3.5.1输入轴的设计与校核（1）求输入轴上的功率、转速、扭矩0.739kW240.002r/min35.273Nm（2）初估轴直径（3.20）这在某种程度上凸显了轴的材料选用45号钢，经过调质处理，查表得，式（3.20）得：=32.550mm因为在轴上有键槽，所以这段轴的直径需要增加5%~7%，所以取：=34.00mm。（3）轴的结构设计先前计算得出的齿轮直径与轴的最小直径相差不大，这清楚地暴露出因此将轴做成齿轮轴，轴的结构尺寸如图3.5所示(陈思远,郑子婷,2021)。对已有的阶段性研究进行总结梳理，这对后续研究有着明显的启示作用。在研究方法的分析中，本文能够察觉到一系列可以优化和完善的空间。前期的研究工作为本文积累了经验，同时也暴露出一些方法上的问题，让本文清晰分辨出哪些方法可行，哪些方法需要改进。例如在数据收集环节，本文应着重保证样本的多样性与代表性，使所选取的样本能够精准反映目标群体的整体特性。并且，针对不同的研究问题，灵活运用多种数据收集技术，能够有效提升数据的全面性与可靠性。图3.5输入轴结构尺寸简图（4）求轴上支反力与弯矩水平方向：；（3.21）垂直方向：；（3.22）对锥齿轮：,（3.25）对直齿轮：，（3.24）将输入轴参数代入式（3.24）得：1046.2N,253.5N1001.6N,364.6N代入（3.21）、（3.22）得：819.2N,1667.5N1028.8N,1216.9N在此特定条件下结论显而易见作出输入轴垂直方向与水平方向的弯矩图3.6(王思源,刘雅婷,2023)：图3.6输入轴的弯矩图鉴于前文所做的分析论断通过弯矩图我们可知截面II是危险截面，因此通过计算这个截面计算校核轴是否符合要求，计算结构如表3.1(张子和,刘雨琪,2024)。表3.1截面Ⅱ处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力819.2N1667.5N1028.8N1216.9N弯矩89.8Nm1.4Nm总弯矩89.9Nm扭矩35.273Nm（5）按弯扭合成应力校核轴的强度（3.25）式中：——轴的计算应力——轴受得弯矩——轴所受的扭矩——轴的抗弯截面系数（3.26）校核轴的危险截面处的强度是否符合要求，取1，将数值代入式（3.25）、（3.26）得：23.66MPa轴的材料为45钢，查文献27表11-1，。因此，所以安全。此次研究基于已有的理论构建起框架模型。在信息流的运行以及数据分析的方法选择上，均体现出对前人研究成果的尊重与沿用，同时在此基础上进行了创新与发展。在信息流的设计过程中，本文参照经典的信息处理理论，确保信息从采集、传输到分析的每一个环节，都能高效、准确地实现。通过严格筛选数据来源，采用标准化的处理流程，切实保障了信息质量，进一步加强了对信息流透明度与可追溯性的关注。3.5.2中间轴的设计与校核（1）求出中间轴上的功率、扭矩、转速0.715kW60r/min129.822Nm（2）初估轴直径轴的材料选用45号钢，在当前既定的背景之下经过调质处理，查表得，得(王慧敏，刘思远,2024)：48.225mm因为在轴上有键槽，在这种情况下所以这段轴的直径需要增加5%~7%，所以取：=50mm。（3）轴的结构设计先前计算得出的齿轮直径与轴的最小直径相差不大，这在一定角度上显露因此将轴做成齿轮轴，轴的结构尺寸如图3.7。图3.7中间轴结构尺寸简图（4）求轴上支反力与弯矩水平方向：（3.27）垂直方向：；（3.28）对直齿轮：，在此类环境中将输入轴参数代入得：954N,343.4N1887N,687.2N代入（3.27）、（3.28）得：71.6N,872.4N26N,517.4N作出中间轴水平方向及垂直方向的弯矩图：图3.8中间轴的受力分析图通过弯矩图我们可知截面II是危险截面，因此通过计算这个截面计算校核轴是否符合要求，这在一定层面上证实了计算结果如表3.2所示。表3.2截面Ⅱ处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力71.6N872.4N26N317.4N弯矩63.4Nm25.02Nm总弯矩64.4Nm扭矩129.822Nm（5）按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴的危险截面处的强度是否符合要求，取1，24.01MPa轴的材料为45钢，这在某种程度上凸显了查文献27表11-1，60MPa。因此，故安全。3.5.3输出轴的设计与校核（1）求输出轴上的功率、转速、扭矩0.704kW20r/min378.782Nm（2）初估轴直径轴的材料选用45号钢，经过调质处理，查表得，得：64.52mm为在轴上有键槽，这清楚地暴露出所以这段轴的直径需要增加5%~7%，=66mm。（3）轴的结构设计轴的结构尺寸如图3.9。图3.9输出轴结构尺寸简图（4）求轴上支反力与弯矩(刘一鸣,许婷婷,2022)水平方向：；（3.29）垂直方向：；（3.50）对直齿轮：，将输入轴参数代入得：1586.2N,642.6N代入（5.29）、（5.50）得：2564.4N,878.1N846.6N,544N作出输出轴水平方向及垂直方向的弯矩图5.10：图3.10输出轴的受力分析图在此特定条件下结论显而易见通过弯矩图我们可知截面II是危险截面，因此通过计算这个截面计算校核轴是否符合要求，计算结果如表3.3。表3.5截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力2364.4N878.1N846.6N344N弯矩64Nm21.2Nm总弯矩67.55Nm扭矩378.782Nm（5）按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴的危险截面处的强度是否符合要求，取1，35.254MPa轴的材料为45钢，查文献27表11-1，60MPa。因此，故安全。3.6本章小结本章节主要是对底座的结构进行设计，底座通过电机驱动、锥齿轮和直齿圆柱齿轮进行传动，锥齿轮将电机水平方向的转动转变为竖直方向，然后通过二级齿轮减速，带动机器人手臂的旋转。在理论架构的检验与完善方面，本文搜集了充沛且细致的数据信息。这些信息不仅涵盖了多元的研究主体，还横跨了各异的时间节点和社会环境，为理论架构的全方位验证奠定了坚实的数据基础。借助统计分析工具对数据进行量化处理，本文得以有效验证原理论架构中的各项假设，并揭示其潜在的缺陷。未来研究将考虑纳入更多变量或扩大样本规模，以进一步增强理论架构的解释力和预测精度。鉴于前文所做的分析论断通过对机器人的受力分析计算，求出转矩和功率，选出合适的电机，设计合适的齿轮和轴，并对轴进行受力分析和强度校核。4臂部的结构设计4.1臂部的设计要求机器人的手臂分为两个部分，大臂和小臂，分别有一个自由度，可以进行俯仰运动。大臂连接底座和小臂，根据以上讨论的结果小臂的一端和大臂连接，另一端连接腕部和末端执行器，在整个机器人中起到承上启下的作用，底座控制臂部整体旋转，臂部自身的俯仰运动，一同控制末端执行器的位置和姿势。两个关节均采用伺服电机驱动。鉴于时间因素在结论验证中至关重要，在此暂不深入说明上文结论的验证细节。科学研究通常是一个长期的探索实践过程，特别是在面对复杂问题的研究或者新领域的开拓时，需要充足的时间去观察现象、解读数据，从而得出令人信服的结论。本研究目前已取得一些初步成果，但要全面且细致地验证所有结论，还需长时间的追踪研究以及反复进行实验操作。这不仅有助于排除偶然因素的干扰，还能保证研究成果具有更高的可信度和更广泛的适用性。此外，技术手段的发展状况对结论的验证过程有着重要的影响。机械臂在运动会产生惯性力矩，在当前既定的背景之下产生震动，其运动的速度越快，对机械臂造成的影响也大，主要是影响机械臂的定位精度和稳定性。然而运动速度便代表着机械臂的灵活性，因此需要兼顾多个方面的设计（蓝浩然，严子涵，2021）。首先，机械臂的的结构要合理，运行要平稳，重复定位精度高，要保证能够完成工作任务。要有足够的强度和刚度，能够承受住各个部件的重量。在满足工作条件的前提下，在这种情况下减小机械臂的尺寸，采用密度小，重量较轻，刚度和强度足够的材料，例如铝合金，减小整体的质量和转动惯量。4.2大臂的设计4.2.1大臂结构设计大臂结构如图4.1所示。图图4.1大臂结构图4.2.2大臂驱动电机的选择电机的选择需要先计算出臂部在做俯仰运动时所受到的转矩M：通过solidworks软件建模分析得大臂部分的总质量大约为45kg，大臂部分的质心和肩关节之间的最大距离大约是：通过solidworks软件建模分析得小臂部分的总质量大约为28kg，小臂部分的质心和肩关节之间的最大距离大约是（韩启南，何诗诗，2021）：腕部和末端执行器的质量总共约为25kg，在这种情况下末端执行器和底座之间的最大距离约是：输出轴工作时，其旋转角速度，=0.5s将将数据带入公式得（林志轩，何思琪，2021）：取安全系数为K=1.2功率：选取上海研一重工机械有限公司110系列伺服电机。表明某种情况额定转速为2000r/min,功率为1kw，自带电磁制动器；4.2.3大臂轴的设计与校核1大臂轴的设计大臂回转时电机外加最大负载轴的材料采用45号钢，这在一定角度上显露材料的许用切应力=25~45MPa，这次设计中取=35MPa根据：（4.2）式中：d——计算剖面处的直径（mm）T——轴传递的额定转矩（）——轴材料的许用应力（MPa）将数据带入公式（4.2）得（石宇，邹若琳，2018）：此轴与大臂进行连接，在此类环境中因此轴上有键槽，在轴的后段通过M16的螺纹锁紧螺栓，防止脱落，轴的截面增大5%~7%，即mm，经校核在本次设计中取=36mm。尺寸结构如图4.2所示（罗建平，冯玉麟，2019）。图4.2大臂轴的结构尺寸简图确定每段轴的直径和长度:=36mm，最小的轴径,=50mm;=51mm，=6mm；=45mm，此处轴与深沟球轴承6009配合滚动，这在一定层面上证实了连接底座,=70mm；=36mm，=40mm；第5段轴有螺纹，尺寸为M16,2大臂轴的强度校核大臂轴的弯矩和扭矩如图4.3所示（方博宇，宋泽楷，2022）。图4.3大臂轴的扭矩图和弯矩图轴的危险截面在轴的最小轴径处，对轴的这个部位的扭矩强度进行校核。在数据分析方法的确定过程中，本文不仅运用了常规的统计分析手段，像描述性统计、回归分析等，还引入了近年来发展极为迅速的数据挖掘技术与算法。比方说，运用聚类分析来探索数据中潜藏的模式，或者借助决策树算法来预测未来的趋势。这些先进的方法为深入理解复杂现象提供了坚实的支撑，有助于挖掘出海量数据背后的深层次关联。此外，本文尤为注重混合方法的运用，把定量研究和定性研究融合，从而获得更全面的研究视角。轴的扭矩校核公式为：（4.3）式中：为扭转切应力，单位为MPa；为轴的抗扭截面系数，单位为。轴采用的材料是45号钢，其允许扭转切应力为=35MPa。此段轴的抗扭截面系数为：=9156.24mm再将数据代入扭矩校核公式，得：=35MPa这在某种程度上凸显了经过计算校核，大臂轴的强度满足要求4.3小臂的设计4.3.1小臂的结构设计小臂结构设计如图4.4所示。图4.4小臂结构图4.3.2小臂驱动电机的选择机的选择需要先计算出臂部在做俯仰运动时所受到的转矩M：小臂重量为28kg，小臂质心到肘关节的距离：腕部和末端执行器的总重量约为25kg，这清楚地暴露出末端执行器和小臂关节之间的最大距离约时：将各数据代入（4.4）得（吴昊然，朱俊驰，2022）：取安全系数为K=1.2功率选取上海研一重工机械有限公司90系列伺服电机。在此特定条件下结论显而易见额定转速为2000/min,功率为0.3kw，自带电磁制动器；4.3.3小臂轴的设计与校核1、输入轴的设计与计算小臂回转时电机外加最大负载轴的材料采用45号钢，材料的许用切应力=25~45MPa，取=35MPa根据公式：（4.2）式中：d——计算剖面处的直径（mm）T——轴传递的额定转矩（）——轴材料的许用应力（MPa）将数据带入公式（4.2）得(郑羽彤,陈佳怡,2022)：鉴于前文所做的分析论断因为轴上存在着两个键槽，因此轴的直径需要增加8%-15%，即，取。小臂轴的结构尺寸如图4.5所示。图4.5小臂轴的结构尺寸简图确定每段轴的直径和长度:=30mm，最小的轴径,=30mm;=72mm，=8mm；=52mm，根据以上讨论的结果此轴径与深沟球轴承6007配合,=86mm；=30mm，=100mm；2、小臂轴的的强度校核小臂轴的弯矩扭矩如图4.6所示。图4.6小臂轴的扭矩图和弯矩图轴的危险截面在轴的最小轴径处，在当前既定的背景之下对轴的这个部位的扭矩强度进行校核。轴的扭矩校核公式为(邓紫朝,朱新颖,2022)：式中：为扭转切应力，单位为MPa；为轴的抗扭截面系数，单位为。轴采用的材料是45号钢，允许扭转切应力为=35MPa。此段轴的抗扭截面系数为：=5301.44mm再将数据代入扭矩校核公式，得：=35MPa经过以上计算可以知道，小臂轴满足设计要求。4.4本章小结本章节主要是对臂部的大臂和小臂的结构进行设计，先是根据工作要求设计出合理的结构完成取件任务。将设计完成的结构尺寸通过solidworks建模出来，选择合适的材料，得到臂部的质量大小，在这种情况下根据工作条件，受力情况，计算分析选择出合适的电机和减速器。对轴进行设计校核，确保有足够的强度和刚度能满足工作要求。在数据采集阶段，本文采用了诸多方式，例如问卷调查、现场交流以及文献探究等，旨在从多维度获取全面且精准的数据资料。经过对这些数据的系统化分析与处理，本文能够有效地对研究假设进行验证，并发现其中存在的规律性与潜在联系。虽说本研究取得了一些成果，但本文清楚地意识到，任何研究都存在其固有的局限性。后续的研究可在现有基础上继续深入推进，尤其在样本的选择、研究方法的改进以及理论模型的优化等方面，仍有较大的进步空间。5腕部和末端执行器的结构设计5.1腕部设计的设计要求腕部这一部分的设计对于整个机器人来说是非常重要的，腕部一端与小臂相连，另一端与末端执行器相连，腕部有一个自由度，能够带动末端执行器进行回转运动。在满足工作要求的前提小，腕部的结构要尽可能简单，不能过重，影响灵活性(张润天,陈婉倩,2022)。对腕部的结构进行设计计算，表明某种情况同时还要进行校核，确保有足够的强度。5.2腕部的设计5.2.1腕部的结构设计腕部结构如图5.1所示。图5.1腕部结构图5.2.2驱动电机的选择将执行器和腕关节的重量约为25kg，长度大约为200mm，这在一定角度上显露工件的重量大约为10kg，所以腕关节转动的转矩为：腕关节转动速度大约为将数据带入得(贾雪凝,胡紫向,2022)安全系数K=1.2所以选取上海研一重工机械有限公司60系列伺服电机。额定转速为2000/min,功率为0.4kw，自带电磁制动器；5.2.3腕部轴的设计和校核1机械臂腕部轴的设计腕部回转时电机外加负载为：在此类环境中轴的材料采用45号钢，材料的许用切应力，这次设计中取根据：式中：d——轴剖面的直径（mm）；T——轴传递的额定转矩（）；——轴材料的许用应力（MPa）。则轴的最小直径为因为轴上存在一个键槽，因此轴的直径需要增大5%-7%，即，取=22mm。这在一定层面上证实了确定每段轴的直径和长度(贾俊天、彭羽飞、蒋明羽,2023):=22mm，最小的轴径,=30mm;=30mm，=10mm；轴的结构尺寸如图4.2所示。图5.2腕部轴结构尺寸简图=25mm，,=38mm；=36mm，=42mm=30mm，=32mm=25mm，,=12mm2、腕部轴的强度校核图5.3腕部轴的扭矩图和弯矩图轴的危险截面在轴的最小轴径处，这在某种程度上凸显了对轴的这个部位的扭矩强度进行校核。轴的扭矩校核公式为：式中：为扭转切应力，单位为MPa；为轴的抗扭截面系数，单位为。轴的材料采用的是45号钢，其允许扭转切应力为=35MPa。此段轴的抗扭截面系数为：=2090.73mm再将数据代入扭矩校核公式，得：=35MPa经过计算校核可知，轴的强度符合要求。5.3末端执行器的技术要求末端执行器直接影响着整个机器人是否能够完成任务，要确保执行器能够将工件夹起。在本设计中采用回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式，通过液压缸推动驱动杆来回运动来控制手抓的夹紧与放松(陈俊凯,杨雨萱,2021)。因此末端执行器的结构要有足够的强度和钢度，这清楚地暴露出在夹取过程中，执行器要承受得住夹取的力，不能够有明显的变形，重复定位精度要高。末端执行器在夹取工件时要有足够的力保证能够夹住工件，同时不能使工件产生明显变形，夹取工件的过程要平稳，不能有太大震度影响精度，因此采用液压驱动的方式进行控制。5.4末端执行器的设计5.4.1夹手的设计与计算如图5.4所示，当液压油从液压缸的左边流入，推动驱动杆往右移动，带动夹爪夹紧工件；当液压油从液压缸的右边流入，推动驱动杆往左移动，带动夹爪松开工件。PPPPPPP图5.4液压缸示意图右边液压缸的压力EQ（5.1）==4908.7N查阅手册，在此特定条件下结论显而易见得当量夹紧力计算公式为（谢东亮，林静娴，2024）：（5.2）其中N′=498N=392N，代入公式（5.2）得：=(2150/50)（cos30º）²392=1764N则实际加紧力为F1实际=PK1K2/η（5.3）=17641.51.1/0.85=3424N经圆整F1=3500N由公式得：a=50.5mmb=72mm计算手部活塞杆行程长L,即（5.4）=25×tg30º=23.1mm经圆整取l=25mm确定“V”型钳爪的L、β。取L/Rcp=3（5.5）式中：Rcp=P/4=200/4=50（5.6）由公式（5.5），（5.6）得：L=3×Rcp=150取夹角2α=120º，则偏转角β=22º39′鉴于前文所做的分析论断机械运动范围（速度）(a)伸缩运动Vmax=500mm/sVmin=50mm/s(b)回转运动=90º/s=30º/s取驱动杆活塞的速度V=60mm/s手部右腔流量（5.7）=60=60×3.14×25²=1177.5mm³/s手部工作压强（5.8）=3500/1962.5=1.78Mpa5.4.2执行器回转设计与计算要求：回转±90º角速度=45º/s已知：工件重10kg，长度l=650mm。1.计算扭矩设重心位于距离手指中心200mm处，即扭矩为：（5.9）=10×9.8×0.2=19.6N·M2.油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩F=10kgS=10cm带入公式（5.9）得=10×9.8×0.1=9.8N·M3.摆动缸的摩擦力矩=300（N）（估算值）S=20mm（估算值）=×S=6N·M4.摆动缸的总摩擦力矩=++（5.10）=30.5（N·M）5.由公式（5.11）其中：b—叶片密度，这里取b=3cm；—摆动缸内径,这里取=10cm；—转轴直径,这里取=3cm。代入公式（5.1），得=8×30.5/0.03×（0.1²-0.03²）×106=0.89Mpa又因为所以=（π/4）（0.1²-0.03²）×0.03/8=0.27×10-4m³/s=27ml/s由初步计算选液压泵所需液压最高压力P=1.78Mpa所需液压最大流量Q=1000ml/s根据以上讨论的结果选取CB-D型液压泵（齿轮泵）此液压泵的工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之间，符合我们的工作需求。验算腕部摆动缸（翁志强，柏晓红，2023）：（5.12）（5.13）式中：—机械效率取：0.85～0.9—容积效率取：0.7～0.95在当前既定的背景之下所以代入公式（5.2）得：T=0.89×0.03×（0.1²-0.03²）×0.85×106/8=25.8N·MT<M=30.5N·M代入公式（5.3）得：W=（8×27×10-6）×0.85/（0.1²-0.03²）×0.03=0.673rad/sW<π/4≈0.785rad/s因此，取手部回转油缸工作压力P=1Mpa流量Q=35ml/s圆整其他缸的数值：手部抓取缸工作压力=2Mpa流量=120ml/s5.5本章小结本章节主要是对腕部结构和末端执行器结构的设计，先是根据任务要求，分析需要怎样的结构才能完成取件的任务，进行结构的设计计算。选择合适的电机和液压泵，对其进行力的分析，对关键的轴进行校核计算，确保有足够的强度。腕部有一个自由度，进行俯仰运动，末端执行器通过液压驱动手指的开关，同时通过摆动杠能够进行旋转运动。总结本次设计的题目是分拣机器人的结构设计，在本次设计中，首先比较了各种机器人的传动方案，然后确定了总体方案，再对机器人各个部件进行受力分析计算，选择合适的电机和合适的轴线进行校核。在这种情况下其传动方案为：底座采用伺服电机与所设计的二级齿轮减速机进行回转运动；大、小臂采用伺服电机带动臂的回转运动；所设计的传动方式采用多种电机、RV减速机及多级齿轮传动，使整个机器人的结构更加紧凑、轻巧。这次毕业设计总共花了几个月时间，设计思路相对来说还是比较清晰的，首先我对国内外机器人的发展现状、内部设计和结构做了初步的了解，特别是对各国的机器人进行了介绍，然后是对几个方案的思考，再参