《采摘机器人设计中机械臂结构设计案例》

采摘机器人设计中机械臂结构设计案例综述

目录

采摘机器人设计中机械臂结构设计案例综述............................................1

1.1小臂的设计及计算..............................................................1

1.1.1设计时注意的问题.........................................................1

1.1.2小臂结构的设计...........................................................2

I.i.3电机及减速器选型.........................................................3

1.1.4轴的设计.................................................................4

1.1.5轴承的选择...............................................................5

所以..............................................................................5

1.2大臂的设计及计算..............................................................6

1.2.1结构的设计...............................................................6

1.2.2电机选型.................................................................7

1.2.3大臂减速器参数的计算....................................................8

1.2.4轴的设计计算............................................................9

1.2.5轴承的选择..............................................................10

下轴承受径向和轴向载荷...........................................................10

1.3本章小结......................................................错误!未定义书签。

L1小臂的设计及计算

1.1.1设计时注意的问题

（1）机械臂承担着末端执行器及抓取对象的重量，因此，应具有•定的刚

度，满足末端执行器的运动。

（2）机械臂尽量不产生或产生较小的偏重力矩。

（3）为了使机械手在运动过程中保持平稳，机械臂的质量要轻，减小机械

臂在运动过程中的惯性力。

（4）机械臂应具有良好的导向性。

1.1.2小臂结构的设计

脐橙采摘机器人机械臂的小臂部分是连接机城手与机械手手腕部分的部件,

脐橙采摘机器人小臂的长度决定了机械手在水平方向上的工作范围。具体设计如

图4.1所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。.1小臂的设计

如图4.1所示是小臂的模型，它是通过小臂后面的电机通过齿轮传动来带动

小臂进行旋转的，如图4.2所示通过两个电机和两个不同的齿轮相互作用，使得

和齿轮相连接的轴转动，不同的齿轮大小有不同的速度，通过使用不同的电机使

得速度能够有变化，这个对于在生产中，需要根据不同的速度来适应生产，有非

常大的意义，为了能观察清楚这个齿轮传动的结构我们可以通过图4.3所示。相

同的电机通过不同的齿轮进行啮合。

1

图错误!文档中没有指定样式的文字。.2电机和齿轮的分布

图错误!文档中没有指定样式的文字。.3齿轮啮合

把小臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减

轻小臂重量，使其经济、轻巧。

选45号钢。理论重11.261kg/m,叫=9.72cm3,>4=100mm,d=4.5mm,小臂长为

600mmo

校核：G小臂=mg=11.261x0.6x10=73.19(N),取75N

其受力如下图:

jTi命臂

图4.4小臂受力分析图

F=75+5=80(N)

L

M=FixL+G小臂x-=5x0.64-75x0.3=25.5N.m)

乙

M25.5…

5=一=9.72(10-2尸=2.62MPa-㈤=100MPa

按《材料力学》公式：

T=2

hb

其中h为小臂的高度，b为小臂的腰宽，Q为所受的力。所以

Q80「।

T=合=………S33x0.17MPa<T=60MPa

hb100x10-3x4.5x10

所以选45钢合适，小臂设计满足设计要求。

1.1.3电机及减速器选型

初步拟定采摘的果实重量为1kg,脐橙采摘机构中的木端执行器和旋转法兰

组件的整体重量为4kgo进而我们能够根据扭矩与功率的计算公式对其进行计算,

计算步骤如下所示：

P>T，n

9550k叩

拟采用谐波减速器，其减速比初定为K=100,电机转速设定为n=100

小臂的最大转矩可以通过下式进行计算：

TW9550k・〃

并将P=0.4KW代入上述公式进行计算：

TW9550*0.95/1000=1ON/m

若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时

的启动转矩可假定为lON.m,取安全系数为2,则谐波减速器所需输出的最小转

矩为：

Toi=2T=2xl5=20/V.m

选择谐波减速器：

⑴型号：XB3-50-I00

额定输出转矩：20N.m

减速比：il=100

设谐波减速器的的传递效率为：步进电机应输出力矩为：

7。皿=器=焉=0-222吊山

选择BF反应式步进电机

型号：55BF003

静转矩:0.686N.m

步距角：1.5。

1.1.4轴的设计

大轴的直径取20nlm,材料为45号钢。

受力如下图：

-1

图4.5轴受力分析图

验算:

25.5

=255(N)

10x10-2

F_255

T=0.81MPa<[T]=60MPa

Jir2—3.14x(10xIO-3)2

小臂设计满足设计要求。

1.1.5轴承的选择

因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子粕承,

按《机械零件手册》表9-6—1(GB297-84)选7304E,d=20mm,c=31.5kNc0=

V72kN,e=0.3

轴承的校核：

因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久

性的过大的凹坑(即材料发生了不允许的永久变形)，按轴承静载能力选择1勺公

式为：

>S0P0(4.2)

其中尸0为当量静载荷，So为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。

按《机械设计》表3-8作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,S°=1—1.5此处取

SQ=1.5.

上轴承受纯径向载荷

P。=Fi=255(N)(4.3)

所以

S0P0=255x1.5=382.5(N)<Co=17.2(KN)

因此轴承合适.

下轴承受径向和轴向载荷

PQ=X0R+Y0A(4.4)

式中：R为径向载荷；

A为轴向载荷；

X,Y分别为径向载荷系数和轴向载荷系数，其值按《机械设计》表13

—5查取

因为A/R=180/g625=。/87<c=0.3

带入数据得:

Xo=1Yo=0Po=X0R4-Y()A=R=255N

S0P0=255x1.5=382.5(N)<Co=17.2(KN)

因此轴承满足设计要求，小轴承受力很小，所以不用校核。

L2大臂的设计及计算

1.2.1结构的设计

操纵器大臂与肩体之间的身体的腰部和臂的杠杆臂而动作的基础.上假定的

运动可以传递关于肩部过渡中间臂相连。机械臂肩关节之间的连接臂和吊杆操纵

臂如图4.4所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。.4机械臂大臂结构示意图

把大臂的截面设计成上图形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻

大臂重量，使其经济、轻巧。

3

选45钢。理论重16.890kg/m,Wy=16.1cm,□=140mm,d=5.5mni,大臂长为

700mmo

校核：G大臂=mg=16.890x0.7x10=126.675(N)

因此取大臂重量为140N。

其受力如图4.7所示：

LiL2

iFiiG

图4.7受力分析图

F=75+5+140=220IN)

M=Fox(Li4-L2)+G小臂x(冷4-L2)+G大肾x冷

\0.7,

=5x(0.6-0.7)+75x+0.7)+140X—=130.5(N.m)

M130.5

3=—―-=---8--.-1--M-P-a---<[8]=lOOMPa

Wy16.1(10-2)3

按公式(4.1)

其中h为大臂的高度，b为大臂的腰宽，Q为所受的力。

220

所以i=3«0.29MPa<[T]=60MPa

nb140x10-3x5.5x10-3

所以选45钢合适，大臂的设计满足设计要求。

1.2.2电机选型

设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：

Mz=2Kg,M3=4Kg

/2=时2乙4+用3乙5

=2x0.0972+4x0.1942

=0.16kg.m2

大臂速度为10r/min,则旋转开始时的转矩可表示如下：

T=JxO)

式中：

T：旋转开始时转矩N/m

J：转动惯量kg/m2

co：角加速度rad/s

使机械手大臂从外)=。到%=60。/$所需的时间为：At=0.1s则：

T1=J1x^)1=J1x=1.46x皆=7.64/V.m

若考虑绕机械手手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时

的启动转矩可假定为lON.m,取安全系数为2,则谐波减速器所需输出的最小转

矩为：

T01=2T=2x10=20N/m

选择谐波减速器：

⑴型号：XB3-56120(XB3型扁平式谐波减速器)

额定输出转矩：20N/m

减速比：i=12()

设谐波减速器的的传递效率为：乙=90%，步进电机应输出力矩为：

选择BF反应式步进电机

型号：55BF003

静转矩：0.686N.m

步距角：1.5°

1.2.3大臂减速器参数的计算

刚轮、柔轮均为锻钢，小齿轮材料为45钢(调质)，硬度为250HBS

刚轮材料为45钢(调质)，硬度为220HBS。

1.齿数的确定

柔轮齿数：Zr=uxi=2x100=200

刚轮齿数：Zg=u+Zr=2+200=202

已知模数：m=0.5,则

柔轮分度圆直径：

dr=mZr=0.5x200=100mm

钢轮分度圆直径：

dg=mZg=0.5x202=101mm

柔轮齿圈处的厚度：

Zr42004

61=(75+/4)drx10=(75+/4)x100x10=1.25mm

重载时，为了增大柔轮的刚性，允许将31计算值增加20%,即

61=1.25x1.20=1.5mm

柔轮筒体壁厚:

6=0.73=0.7x1.5=1.05mm

为了提高柔轮的刚度，取6=1.2mm

轮为宽度：

B=0.15dr=0.15x100=57nm

轮毂凸缘长度：

C=(0.2〜0.3)B=(0.2-0.3)x15=3~4.57.取C=4mm

柔轮筒体长度：

L=(0.8〜1.2)d「=(0.8〜1.2)x100=80〜120mm,取L=100mm

轮齿过渡圆角半径：

r«m=0.5mm

为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取：

r=3mm

1.2.4轴的设计计算

轴的直径取20mm,材料为45号钢。

其受力如下图：

「2

图4.8轴的受力分析

验算：

=F=v=^^-=932.1N,F=220N

1/2I14X10-2

Fi932.1r।

T=Vnr2=3.1-47xT(