1、垂直多关节机器人臂部和手部设计摘要:由于关节型机器人具有传动原理简单、结构凑紧、所占空间体积小、相对的工作空间大，还能绕过基座周围的一些障碍物等特点。综合以上几点考虑，以及为了提高生产效率和降低劳动强度，满足特定的工作要求，课题设计的机器人为垂直多关节机器人，采用了直流伺服电机驱动，通过一系列的轴和齿轮传动顺利实现了腕部的旋转与摆动，手爪的自动抓取与放松工件运动。为了使整个机构结构紧凑，合理布置了电动机、轴和齿轮，设计了齿轮和轴的结构，并进行了强度校核计算。由于驱动电机的个数与手臂自由度的个数是紧密联系的，因此减少电机的数量不但能减小机械手臂的重量，而且还会简化整个系统的动力学与运动学的分析。
2、传动中采用了软轴、波纹管联轴器、传动轴和两对齿轮传动。在选材方面,为了使机器人重量较轻,以及腕部能够灵活的运动,故选取轻型材料,我所设计的机器人的材料为铸造铝合金中的铝铜合金。该机器人手臂具有刚性好、传动精度高、重量轻的特点。设计中大多采用了标准件和常用件，降低了设计和制造的成本。关键词:垂直多关节机器人；伺服电机；齿轮传动；手臂The Design of arm and hands for Vertical multi-joint robot Abstract:As the joint coordinates robot with a simple principle, the struct
3、ure together tight, has the small space, compared to the work of a large space, can bypass obstacles around the base some characteristics. As the above considerations, and in order to improve production efficiency and reduce labor intensity, to meet specific work requirements, This designed robot is
4、 vertical multi-joint robot , using a DC servo motor, Through a series of shafts and gears realizated wrist rotation and swinging, and the movement of Auto-Hand crawls and relax. In order to make the entire structure is compact, rational layout the motor shaft and the gear , design the structure of
5、the gear and shaft, and the strength verification. Due to the number of motor-driven and the number of degrees of freedom of arms are closely linked, thus reducing the number of motor not only reduce the weight of the arm, but also it will simplify the analysis of the whole system dynamics and kinem
6、atics. The transmission of the design has used the flexible shaft, bellows couplings, wrist and two pairs of gear drive. In the choice of material, in order to make the robot weight lighter and the wrist can movements Agile. so selection of light materials, I have designed materials of robot is alum
7、inum-copper alloy of cast aluminum alloy . This robots arm has superity of good rigidity, precise transmission and weight lighter. So the design mostly used the standard parts and common parts, reduced the cost of the design and the production. Key words: Vertical multi-joint robot；servo motor ；tran
8、smission of gears ；arm毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版
9、本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文
10、的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录1 前言 .11.1 课题来源 .11.2 技术要求及预期效果 .11.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路 .11.4 国内外研究现状及发展状况 .11.4.1 研究现状 .11.4.2 发展趋势 .22 总体方 案设计 .42.1 机械结构类型的确定 .42.2 传动方案的确定 .42
11、.3 工作空间的确定 .52.4 手腕结构的确定 .52.5 驱动装置的选择 .62.5.1 机器人驱动方案的分析和选择 .62.5.2 手腕电机的选择 .72.5.3 传动比的确定及分配 .83 齿轮的设计 .93.1 齿轮强度的设计与校核 .93.1.1 第一级圆柱齿轮传动设计 .93.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计 .124 轴的设计 .154.1 转腕传动轴的选择 .154.2 摆腕传动轴的设计 .154.2.1 圆柱齿轮轴的设计 .154.2.2 轴的强度校核 .164.2.3 圆锥齿轮轴的设计 .204.2.4 手腕连接轴的设计 .214.2.5 大臂小臂连接轴的设计 .225 轴
12、承的设计 .235.1 轴承的选择 .235.2 轴承的寿命计算 .236 其它零部件 的选用 .256.1 键连接的选用 .256.2 壳体的设计 .256.3 机器人手臂材料的选择 .256.4 机器人臂部连接件的选用 .257 关节型机器人的位姿分析 .278 结论 .31参 考 文 献 .32致 谢 .33附 录 .341 前言 1.1 课题来源本课题设计的是垂直多关节型机器人臂部与手部的设计，主要是臂部和腕部的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际，是针对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，可以实现焊接生产操作的柔性自动化，提高
13、产品质量与劳动生产率，实现生产过程的自动化和改善劳动条件。1.2 技术要求及预期效果根据设计要达到以下要求：a. 最大搬运重量： 5kg；b. 最大工作范围：850mm；c. 标准周期： 0.59sec； d. 重复定位精度： mm；1.0e. 生产纲领：大批大量。此次设计的垂直多关节机器人可以实现大臂小臂的旋转,手腕的旋转与摆动以及手爪的自动抓取与放松工件运动。此装置应用在焊接生产线上将大大提高生产效率和加工质量，降低了工人的劳动强度，能够带来可观的经济效益。1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路本课题要解决的问题有以下三个：a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部的结构紧
14、凑，减少重量和体积；b. 提高手腕动作的精确性；c. 三个自由度的实现。针对上述问题有了以下设计思路：a.对于分离传动采用传动轴。b. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将 2 个驱动器安置在小臂的后端。c. 驱动电机 1 经联轴器与传动轴来驱动小臂壳体的回转运动。驱动电机 2 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动来带动手腕作偏摆运动。d.手部的驱动电机安装在手腕内部，以此来减轻手部的重量，让手爪能够作灵活的运动，此传动装置采用螺旋传动来带动手爪的抓取与放松工件运动。1.4 国内外研究现状及发展状况1.4.1 研究现状 1自上世纪 90 年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛
15、发展，机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的
16、机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。 一般来讲，具有 6 个关节的机器人基本上能满足
17、焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中 3 个自由度 (XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外 3 个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为 6 关节式的。进入 21 世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。 我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。 然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、
18、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。1.4.2 发展趋势 2工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面：A机械结构a. 以关节型为主流，80 年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的 l3(目前世界工业机器人总数约为 75000
19、0 台)，90 年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、360 度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。b. 应 3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接数十米长、l0 吨以上大构件的弧焊机器人群；采取蚂蚁啃骨头的协作机构。c. 己普遍采用 CAD、CAE 等技术用于设计、仿真与制造中。B. 控制技术a. 大多数采用 32 位 CPU，控制轴多达 27 轴，NC 技术和离线编程技术大量采用。b. 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。c. 基于 PC 的开放式结构控制系统由于成本低
20、并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。C. 驱动技术上世纪.80 年代发展起来的 AC 伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。日本 23 家机器人公司于 1998 年生产的 167 种型号机器人产品，其中采用 AC 伺服驱动的有 156 种，占 93.4。直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本 FANUC 公司开发并用于工业机器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。D. 智能化的传感器多有应用在上述 167 种机型中，装有视觉传感器的有 94 种，占 56.3，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口
21、。E. 高速、高精度、多功能化目前所知最快的装配机器人最大合成速度为 16.5m/s;高精度机器人的位置重复性为正负 0.01mm.有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达 80m/s;而另一种并联机构的 NC 机器人，其位置重复性达 l um。90 年代末的机器人一般都具有两、三种功能。最近瑞典 Neos 公司开发出一种高精度、高可靠性的可切割、钻孔、铣削、磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家著名汽车厂和飞机公司。F. 集成化与系统化1998 年 ABB 公司推出 IRbl400 系列小机器人，其循环时间只有 0.4s，控制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣
22、机变换器那样大小。FANUC 公司 2000 年 9 月宣称它的控制器为世界最小。工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造” ，为工业机器人系统化的发展推波助澜。2 总体方案设计2.1 机械结构类型的确定为实现总体机构在空间位置提供的 6 个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题的要求现可以将其设计成关节型机器人。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
23、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。其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取近距离的物体，工艺操作精度高。2.2 传动方案的确定 图 2-1 是机器人小臂与腕部机械传动系统的简图。机械传动系统共有 4 个齿轮，为了实现在同一平面改变传递方向 90,有 2 个齿轮为圆锥齿轮,有利于简化系统运动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构,则必然以空间交叉方式变向,就不利于简化系统运动方程式的结构形式。其中有 2 个齿轮为直齿圆柱齿轮，用于减速。小臂的结构形式是由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶接而
24、成。关节 4电机安装在小臂后面用于带动传动轴与齿轮的旋转来实现手腕的摆动；关节 5 电机也安装在小臂后面，其后紧跟传动轴用于实现手腕的旋转；关节 6 电机安装在手腕里，用螺旋传动来实现手爪的夹紧与放松运动，当电机正转时给杠杆施加一个向上的力来实现放松工件运动，相反，电机反转来实现夹紧工件运动。图 2-1 小臂腕部传动原理图2.3 工作空间的确定 工作空间是机器人学中一个重要的研究领域。但在实际应用中，可以简化这一问题，把工作空间看作是机器人操作机正常运行时，手腕参考点（如定位机构的轴线正交，取交点为参考点）在空间的活动范围，或者说该点可达位置在空间所占有的体积。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。
