焊接機械手的結構設計
焊接機械手的結構設計,焊接,機械手,結構設計
摘要：
一個機器人臂包括第一和第二個環(huán)節(jié),第一個環(huán)節(jié)有一個近端和遠端和第二個鏈接有一個近端和遠端。一個固定的滑輪,圓周表面同心第一樞軸安裝在近端結束的第一個鏈接。第二個鏈接是一個滑輪固定到第二個鏈接關于第二樞軸旋轉。一個末端執(zhí)行器固定在滑輪是末端執(zhí)行器的旋轉大約第三樞軸。第一皮帶傳動也提供和包括一個或多個帶連接表面之間的周向固定輪和第二個鏈接輪這樣的關聯(lián)第一個鏈接相對于固定滑輪第一樞軸轉動的第二個鏈接原因第二樞軸相對于第一個鏈接。一個或多個空轉滑輪是提供的和是回轉安裝到一個或兩個鏈接。至少一個皮帶傳動包括一個第一次帶接洽第一圓周表面的一個惰輪和第二皮帶從事第二圓周表面相同的惰輪。
1機器人臂
本發(fā)明涉及一種機械臂末端執(zhí)行器有一個位于遠程端機器人的手臂大體相同的方向轉動移動無關的手臂。機器人的手臂也有至少一個惰輪位于鏈接,允許的直徑增大關節(jié),電線或其他細長的組件可以通過關節(jié)的內(nèi)部。
發(fā)明的背景
在半導體行業(yè),機器人手臂通常用來移動半導體晶片從一個位置到另一個。這是理想的設計一個機器人的手臂在半導體行業(yè)有末端執(zhí)行器保持相同的方向當手臂動作徑向出入口。如前所述,例如,在美國拍號。4299533年和5064340年,機器人手臂都配備了兩個鏈接和一個末端執(zhí)行器安裝在一個末端的第二個鏈接。年底的近端第一個鏈接與滑輪安裝同軸,文中提到的“固定”輪。近端結束第二次鏈接連接到遠端面積的第一個鏈接。第一次帶連接固定滑輪,滑輪的第二個鏈接近結束的第二個鏈接,而第二個皮帶連接一個住房固定在末端的第一個鏈接到一個滑輪末端效應器。如果鏈接的長度相等,如果滑輪是這樣的比例選擇旋轉的旋轉結束有效第二個鏈接一關和旋轉的比率的第二個鏈接到旋轉的第一個鏈接是2,末端執(zhí)行器將剩余的固定方向但將徑向旋轉時第一個鏈接相對于固定滑輪。
雖然這種方法是有效的,它強加了一些嚴重的設計約束。提供所需的比率,一個相對大的末端執(zhí)行器滑輪是必要的。末端執(zhí)行器的旋轉1/2的旋轉第二環(huán)節(jié),滑輪在末端執(zhí)行器必須兩倍大的住房在遠端第一個鏈接。當輪最后效應很大,它增加了重大質量末端的機器人手臂,增加慣性和使它更難以控制精確的運動臂。
同時,提供所需的比率,第二個鏈接輪和住房在末端的第二個鏈接必須是相對小的直徑,即。、半固定滑輪的直徑。這使得它很難連接電線,氣動管,或其他細長組件擴展從第一到第二個鄰近的鏈接通過一個空心孔出口處的第二個鏈接輪和住房。這樣的電線,管道和其他細長的組件通常是部分的控制系統(tǒng)控制末端執(zhí)行器。因此,它會期望創(chuàng)建一個機器人的手臂與足夠的空間之間的連接鏈接,以便這些電線和管道可以通過中心的聯(lián)合。機器人手臂的本發(fā)明解決問題提出更完整地描述上面和下面是。
總結的發(fā)明
根據(jù)本發(fā)明的一個體現(xiàn),一個機器人臂包括第一和第二個環(huán)節(jié),第一個環(huán)節(jié)有一個近端和遠端和第二個鏈接有一個近端和遠端。近結束了第一環(huán)節(jié)是連接到一個基地面積為旋轉相對于第一樞軸。近端結束第二個鏈接是面積安裝在末端的第一個鏈接,能夠旋轉大約第二樞軸,平行于第一樞軸。一個末端執(zhí)行器是連接到遠端面積的第二個鏈接,能夠旋轉大約三分之一樞軸,平行于第一和第二樞軸。一個固定的滑輪,圓周表面同心第一樞軸安裝在近端結束的第一個鏈接。第二個鏈接是一個滑輪固定到第二個鏈接為旋轉與第二連接第二樞軸。第二個鏈接輪有一個圓周表面同心的第二樞軸。提供住房和固定到第一個鏈接在其遠端。住房有一個圓周表面同心的第二樞軸。一個末端執(zhí)行器固定在滑輪是末端執(zhí)行器的旋轉大約第三樞軸和末端執(zhí)行器輪有圓周表面同心同第三樞軸。第一皮帶傳動也提供和包括一個或多個帶連接表面之間的周向固定滑輪和圓周表面的第二個鏈接滑輪,這樣旋轉的第一個鏈接相對于固定滑輪第一樞軸轉動的第二個鏈接原因第二樞軸相對于第一個鏈接。第一個皮帶傳動是安排提供一個第一轉動之間的比例的第一個鏈接相對于固定滑輪和旋轉的第二個鏈接相對于固定滑輪。第二個皮帶驅動器包括一個或多個連接的圓周表面之間的皮帶的住房和圓周表面的末端執(zhí)行器輪,旋轉的第二個鏈接相對于第一個鏈接,關于第二樞軸軸,使末端執(zhí)行器的旋轉對第三個樞軸相對于第二個鏈接。第二個皮帶傳動是安排提供第二個比率第二個鏈接的旋轉相對于第一個鏈接和旋轉的末端執(zhí)行器相對于第二個鏈接。一個或多個空轉滑輪提供和安裝是回轉中的一種或兩種鏈接。每個空轉滑輪定義一個第一和第二圓周表面。至少一個皮帶傳動包括一個第一次帶接洽第一圓周表面的一個惰輪和第二皮帶從事第二圓周表面相同的惰輪。
最好是,第一個比率值為2,旋轉的第一環(huán)節(jié),通過一個角8導致第二個鏈接輪和第二個鏈接將通過一個角的-26就第一個鏈接。因此,如果第一個鏈接穿越450年的角,這將導致逆時針方向第二個鏈接輪和第二個鏈接將通過一個角的900在順時針方向相對于第一個鏈接。
它也是首選,第二個比有價值的?在第二個環(huán)節(jié),通過旋轉一個角度0使末端執(zhí)行器皮帶輪和末端執(zhí)行器將通過一個角為1 / z0就第二個鏈接。例如,如果第二個鏈接將通過一個角的90
度在順時針方向,這將導致末端執(zhí)行器皮帶輪和末端執(zhí)行器將通過一個角的450在逆時針方向相對于第二個鏈接。
因為一個或更多的皮帶驅動器包括一個惰輪和兩個腰帶,滑輪和住房直徑不需要選擇如上所述在連接與先前技術皮帶傳動。例如,機器人臂包括一個第一導輪安裝在第一個環(huán)節(jié),第一個帶第一皮帶傳動嚙合第一圓周表面的惰輪和圓周表面的固定滑輪。第二個帶第一皮帶傳動嚙合第二圓周表面的第一導輪和圓周表面的第二個鏈接輪。
也最好,機器人臂有一個第二個導輪安裝在第二個鏈接。第二個皮帶傳動合意地包括第一帶擴展從圓周年代表面的住房第一圓周表面的第二個惰輪。第二個皮帶傳動合意地進一步包括一個第二帶延伸至第二圓周表面的第二個導輪的末端執(zhí)行器滑輪。最好是,比直徑的第一圓周表面的第二個惰輪對直徑的圓周表面的第二第二導輪超過1:1的,例如2:1。這個比率超過1:1在第二個惰輪允許一個相對較小的末端執(zhí)行器輪在一個較小的住房,或兩者,會提供比在沒有第二個惰輪。最好是,機器人手臂進一步包括細長元件和第二個鏈接輪和住房包括一個內(nèi)部孔。瘦長的組件有魅力地擴展從第一個鏈接通過孔,進入第二個環(huán)節(jié)。這些細長的組件可能包括電線、光纖或氣動或液壓軟管所需操作機器人手臂。最后效應器滑輪也可能包括一個內(nèi)部孔,細長的組件可以擴展從第二個鏈接到末端執(zhí)行器。
最好是,機器人手臂進一步包括一個基地和第一旋轉運動致動器連接到基地的旋轉對旋轉第一個鏈接相對于固定滑輪第一樞軸,移動末端執(zhí)行器徑向如上所述。一個進一步的旋轉運動執(zhí)行機構可能提供旋轉固定滑輪和第一個鏈接,整個手臂擺動對第一樞軸。
設計優(yōu)選的描述
如圖所示在圖1,一個機器人臂10安裝一基地11和有一個第一和一個第二個鏈接鏈接12 14。第一個鏈接有一個近端和遠端16 18。同樣的,第二個鏈接14有一個近端和遠端結束20 22。第一個和第二個鏈接12和14是最好是中空的,可以由金屬、塑料或其他合適的材料。第一個鏈接12安裝基地12為旋轉相對于基準的第一樞軸28第一聯(lián)合24在近端16的第一個鏈接12。一個固定的滑輪26也安裝的第一旋轉樞軸28日在第一聯(lián)合24。固定滑輪26包括一個圓周表面30(圖3),中心與第一樞軸28。也擴展從第一聯(lián)合24是一個軸固定到第一個滑輪32和33驅動皮帶輪固定到第一個鏈接12。驅動皮帶輪33是連接到第一個旋轉運動執(zhí)行機構35所以第一傳動裝置可以驅動旋轉的第一個環(huán)節(jié),對軸28。軸32是連接到一個第二致動器37可以驅動固定滑輪24在旋轉的軸的旋轉,與此同時28第一環(huán)12或持有驅動皮帶輪固定反對這樣的旋轉。第一個執(zhí)行機構可以包括任何常規(guī)旋轉執(zhí)行機構,例如一個步進電機,一種傳統(tǒng)的電動機,或喜歡。第二致動器可能包括類似的組件,或可能包括一個第一制動器連接固定滑輪24至臂12為旋轉和第二制動貴重持有固定皮帶輪在固定位置相對于住房。第一和第二致動器是由傳統(tǒng)的指揮控制系統(tǒng)(沒有顯示)。
第一個和第二個鏈接鏈接12 14連接在第二個接頭面積34。第一個和第二個鏈接12和14能夠旋轉與尊重對方第二樞軸36,平行于第一樞軸28。一個第二個鏈接輪38是安裝在第二個接頭34和有一個圓周表面40,中心與第二樞軸36。第二個鏈接的滑輪38是固定的第二個鏈接14。還提供了一個住房42在第二個接頭34和固定到第一個鏈接12。住房42也有一個圓周表面44,中心與第二樞軸36。
第三個接頭46提供了遠端22的第二個鏈接14。一個末端執(zhí)行器是安裝在滑輪48第三聯(lián)合46和能夠旋轉大約三分之一樞軸50。最終效應有一個圓周表面輪48 52同心同第三樞軸50。一個末端執(zhí)行器54附加到末端執(zhí)行器輪48和能夠旋轉大約第三樞軸50。最后效應器54可能包括手指或其他裝置對持有一個工件需要移動。
第一導輪56所安裝的第一個鏈接12之間的固定滑輪26和第二個鏈接輪38。第一導輪56有第一圓周表面58和第二圓周表面60。第二個惰輪62安裝第二個鏈接14和有一個第一圓周表面64和第二圓周表面66。第一和第二空轉滑輪56和62年68年和69年的旋轉軸線平行的第一、第二和第三支點軸28,36歲和50。
第一皮帶傳動71在第一個鏈接12包括一個第一次帶70參與圓周表面的固定滑輪30和第一圓周表面的第一導輪58,第二帶72擴展從第二圓周表面66第一導輪62到圓周表面40第二聯(lián)系滑輪。第二個皮帶傳動75在第二環(huán)節(jié)包括第一次帶14 74擴展從圓周表面44的住房42第一圓周表面64的第二個惰輪62。第二個帶76擴展從第二圓周表面66的第二個惰輪62到圓周表面52的末端執(zhí)行器輪48。第一和第二皮帶74和76的第二個惰輪62形成第二皮帶傳動75的第二個鏈接。這個腰帶70、72、74和76是最好帶擁有就算牙齒的類型通常被稱為“同步皮帶”,并舉行緊對滑輪?；営薪慌涞难例X在圓周表面。它應該受到那些熟練的藝術,腰帶可以常規(guī)摩擦傳動皮帶,三角帶或鏈和將會選中相應的滑輪。
在操作,將末端執(zhí)行器徑向,第一次執(zhí)行機構35導致第一個鏈接12旋轉第一樞軸28雖然第二致動器37固定滑輪26對旋轉。因為固定滑輪26是固定就第一個鏈接12,旋轉的第一個鏈接12的結果在第一導輪56旋轉相反的方向作為第一個鏈接12。最好見圖3,如果例如第一個鏈接是順時針方向轉動的柜臺,第一導輪56將沿著順時針方向旋轉就第一個鏈接導致第二個帶72的第一個帶驅動移動。第二個帶72第一導輪56訂婚的第二個鏈接輪38,固定在第二個鏈接14。運動的帶72的順時針運動造成第二聯(lián)系皮帶輪38因此第二個鏈接14旋轉第二樞軸36在順時針方向相對于第一個鏈接12。運動的量的第二個鏈接相對于第一個鏈接取決于總體比率提供了第一個皮帶傳動71在第一個鏈接。這反過來取決于直徑的比值的固定滑輪26和第二個鏈接輪38以及直徑的比值,第一圓周表面58和第二圓周表面60第一導輪56。顯示在特定的化身,固定滑輪的直徑26倍直徑的第二個鏈接輪38。因此,而第一和第二圓周表面58和60第一導輪56有相同的直徑,一個450旋轉的第一個鏈接12在柜臺順時針方向將導致900旋轉的第二個鏈接14在順時針方向相對于第一個鏈接12。
因為住房42是固定在第一個鏈接12,第二個鏈接14旋轉有關第一個鏈接12造成第一個帶74的第二皮帶傳動75移動相對于第二個鏈接14。例如,如果第二個鏈接在順時針方向旋轉,第一個帶74的第二個惰輪62將,將第二個惰輪62在柜臺順時針方向相對于第二個鏈接。這個舉動第二帶76,從事第二圓周表面66的第二個惰輪62年,在反時針方向。作為第二個帶76的第二皮帶傳動75是從事與末端執(zhí)行器輪48,運動的第二帶76的結果最終也轉向效應器54逆時針方向相對于第二個鏈接14。
作為最好的顯示在圖3,大量的運動結束安裝工54相對于第二個鏈接14取決于直徑的圓周表面44的住房42,直徑之比第一和第二圓周表面64和66的第二個惰輪62和直徑的圓周表面52的末端執(zhí)行器輪48。特別說明的化身,直徑的比值之間的圓周表面44的住房42和64年第一圓周表面的第二個惰輪62是1:1。因此,第二個鏈接把900的順時針方向的結果在第二個導輪旋轉900在柜臺順時針方向。
直徑的第二周向表面66第二個惰輪是1 / z直徑的圓周表面64年第一。一個900的旋轉第一圓周表面64將導致900旋轉第二圓周表面66但是線性運動的皮帶76只1 / z線性運動的皮帶74。進一步,該比率的直徑,第二圓周表面66的第二個惰輪62年到直徑的圓周表面52的末端執(zhí)行器輪48是1 /咱。因此,如果第二個導輪旋轉62到900年,最終只會旋轉450效應器滑輪。因為最終的效應器54生硬地附加到末端執(zhí)行器輪48,末端執(zhí)行器還旋轉450。這種安排將900順時針運動的第二個鏈接14相對第一個鏈接成一個450逆時針方向運動的末端執(zhí)行器54。
通過2之間的比例固定滑輪26和第二個鏈接輪38和1 / z之間的比例和末端執(zhí)行器住房42輪48保持方向的末端執(zhí)行器在整個旋轉運動的54個第一和第二個鏈接12和14。換句話說,末端執(zhí)行器54就保持其取向基本會在第一和第二個鏈接是旋轉。例如,如果第一個鏈接12移動450逆時針方向,第二個鏈接將900在順時針方向而末端執(zhí)行器在柜臺54 450旋轉順時針方向。
最終效應同樣走向或遠離第一聯(lián)合24和基地11。
進一步利用這個安排是,住房可以與42相對較大的直徑比末端執(zhí)行器輪48。這是由于第二個惰輪62創(chuàng)建1 / z比第二圓周表面之間的66和末端執(zhí)行器輪48。建立1 / z比沒有第二個惰輪需要,末端執(zhí)行器的直徑滑輪48兩倍直徑的圓周表面44的住房。正如上面提到的,它需要一個相對較小的端效應皮帶輪48。一個相對大的末端執(zhí)行器輪48會產(chǎn)生增加手臂的轉動慣性,使精確控制臂10更加困難。而且,相對大直徑的住房42提供額外的空間在中心的住房和第二個鏈接輪38一孔78可以提供。78年孔允許電線,纖維光學,氣動或液壓軟管或其他細長元件90通過從第一個鏈接12到第二個鏈接沿著室內(nèi)的14個機器人臂10。在這些組件90傳遞的內(nèi)部鏈接12和14改善機械臂的外觀10和消除那些細長的組件的可能性成為住了什么東西或干擾機器人手臂的運動。一個額外的孔80中提供了該中心的末端執(zhí)行器輪48。這個孔80可用于傳輸細長元件90從第二個鏈接14到最后效應器54。
在進一步的操作模式,第一和第二致動器35和37經(jīng)營擺動第一個鏈接12和固定滑輪24關于第一樞軸28日在相同的旋轉速度。這有悖于整個摟著第一樞軸,沒有移動末端執(zhí)行器徑向。這個兩種模式的操作可以組合。因此,執(zhí)行器可以把固定滑輪和第一個鏈接同時在不同的速度。
1。一個機器人臂組成的基礎:
第一個鏈接和第二個鏈接。說第一個鏈接有一個近端和遠端,。第二環(huán)節(jié)有一個近端和遠端。說近端結束第一環(huán)面積表示被連接到基地相對另外約一個第一轉動樞軸,。說近端第二環(huán)節(jié)被安裝到遠端面積表示的說第一個鏈接為旋轉相對另外關于第二樞軸線平行于第一樞軸說。一個末端執(zhí)行器連接到遠端面積的第二環(huán)節(jié)旋轉相對另外三分之一樞軸線平行于第一和第二樞軸表示。一個固定的滑輪可旋轉的安裝到說基于說第一樞軸定義一個圓周表面同心與說第一樞軸;第二個鏈接輪固定在第二環(huán)節(jié)對第二旋轉貴重樞軸,說第二個鏈接輪有一個圓周表面同心與第二樞軸。一個住房固定說第一個鏈接定義一個圓周表面同心與第二樞軸;結束效應器滑輪固定說末端執(zhí)行器的旋轉之約說第三樞軸。說末端執(zhí)行器有一個圓周表面同心輪與說第三樞軸。第一次帶驅動器包括一個或多個帶連接的表面之間說周向固定滑輪和表示說第二個鏈接滑輪,這樣在旋轉的第一個鏈接,說回轉的說固定滑輪約說第一樞軸,說第二個鏈接將旋轉第二樞軸相對說第一個鏈接,說第一個皮帶傳動被安排提供一第一比率表示第一個鏈接的旋轉相對于固定滑輪和旋轉的說第二環(huán)節(jié)相對于說固定滑輪;第二皮帶驅動器包括一個或多個帶連接的表面之間說圓周說住房和說,在末端執(zhí)行器輪旋轉第二環(huán)節(jié)相對于第一個鏈接說關于第二樞軸,說末端執(zhí)行器將旋轉說第三樞軸相對于第二環(huán)節(jié),說第二皮帶傳動被安排提供第二個比率的旋轉第二環(huán)節(jié)相對于說第一個鏈接和末端執(zhí)行器的旋轉表示相對于第二聯(lián)系;一個或多個空轉滑輪rotatably安裝到一個或兩個鏈接,每個表示說空轉滑輪定義第一和第二圓周表面,至少一個包括一個第一次說皮帶傳動皮帶從事第一圓周表面的一個惰輪和第二皮帶從事第二圓周表面相同的惰輪。
2。一個機器人手臂,圖形在圖示1其中說第一比是2,第一環(huán)的旋轉角度說通過8原因說第二個鏈接輪和第二環(huán)節(jié)將通過角-26就說第一個鏈接。
3。一個機器人手臂,圖形在圖示1,其中表示第二比例是?/ z,第二環(huán)節(jié),通過旋轉角8原因說滑輪,末端效應器表示將通過角嗎?/ z6就說第二個鏈接。
4。一個機器人手臂,圖形在圖示1,其中說,第一和第二圓周表面導輪有不同直徑表示
5。一個機器人手臂的圖示1,其中表示一個或多個空轉滑輪包括第一驅動導輪安裝在說第一個鏈接,說第一個皮帶傳動包括說第一驅動惰輪。
6。一個機器人手臂,圖形在圖示5,所述第一皮帶傳動皮帶延伸至包括第一表面說周向固定滑輪來表示說第一圓周表面的說第一導輪。
7。一個機器人手臂,圖形在圖示6,所述第一皮帶傳動由第二個帶延伸至第二周向表面的說第一導輪來表示第二環(huán)節(jié)滑輪。
8。一個機器臂作為圖形在圖示7,所述第一和第二圓周表面說第一導輪有1:1直徑比。
9。一個機器人手臂,圖形在圖示1,其中表示一個或多個空轉滑輪包括一第二驅動導輪安裝在第二環(huán)節(jié)。
10。一個機器人手臂,圖形在圖示9,所述第二皮帶傳動皮帶延伸至包括第一表面說圓周說住房說第一圓周表面的說第二驅動惰輪。
11。一個機器人手臂,圖形在圖示10,所述第二皮帶傳動進一步包括一個第二帶延伸至第二周向表面的第二傳動導輪來表示末端執(zhí)行器滑輪。
12。一個機器人手臂,圖形在圖示會,其中率的大小表示第一圓周表面說的第二傳動惰輪的直徑在說第二圓周表面說的第二傳動導輪超過1:1。
13。機器人的手臂圖形在圖示1,其中說,第一個鏈接,說第二個鏈接長度相等。
14。機器人的手臂圖形在圖示1,進一步包括細長的組件,所述第二連接輪包括一個內(nèi)部孔那里說細長組件擴展從說第一鏈接到第二個鏈接說。
15。機器人的手臂圖形在圖示1,進一步包括細長的組件,所述末端執(zhí)行器輪包括一個內(nèi)部孔那里說細長組件擴展從第二末端執(zhí)行器鏈接說。
16。機器人的手臂圖形在圖示1,進一步包括一個第一傳動裝置連接到基地,旋轉旋轉旋轉說司機說第一個鏈接關于說第一樞軸。
西安工業(yè)大學北方信息工程學院
畢業(yè)設計（論文）中期報告
題目：焊接機械手的結構設計
系 別 機械信息系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級 B090201
姓 名 張芮華
學 號 B09020132
導 師 強懷博
2013年3月17日
撰寫內(nèi)容要求：
設計（論文）進展狀況:
本階段的主要任務是完成了外文文獻的翻譯，對機械手結構設計進行了更深層次的分析和理解，包括機械結構的設計和結構受力的分析。通過以上分析，基本上完成了機械手的三維裝配圖，同時深刻體會到solidworks軟件功能的強大；大概了解了機械結構在選用過程中所依據(jù)的原則。
1. 在參考了大量文獻資料的情況下，否定了開題報告中擬采用的諧波齒輪傳動型機械手。原因是現(xiàn)有的諧波減速器尺寸過大（最小的剛輪直徑為25cm），超過了設計要求的工作區(qū)間(0cm-45cm)。因此決定采用另一種結構形式。
2. 由動力型旋轉關節(jié)和前、下兩臂組成。關節(jié)型機器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運動坐標。動作靈活，所占空間小，工作范圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物。
3. 整體效果如圖1
圖1
設計整體為4個自由度。分別為：
焊槍相對于小臂回轉；
小臂相對大臂回轉；
大臂相對機架回轉；
機架在水平有一個腰部回轉。
電機采用伺服電機。
4. 設計的工作原理如下：
5. 首先腰部回轉使機械手和焊點處于同一平面；接著大臂回轉，小臂回轉，調(diào)節(jié)焊槍和焊點的距離，使焊槍能夠接觸到焊點。最后腕部回轉，使焊槍能夠垂直于焊點，以完成焊接作業(yè)。
6. 設計出機械手腕部回轉，小臂回轉的機械結構如圖2。
圖2
左側為電機，帶動軸轉動，軸和腕部剛性連接，從而帶動腕部回轉。軸和小臂殼體之間加一個深溝球軸承，以抵消徑向力，達到相對轉動的目的；小臂殼體和腕部加一個角接觸球軸承，以抵消徑向力和軸向力，從而使他們可以產(chǎn)生相對轉動。
7. 腰部回轉結構設計如圖3
圖3
電機安裝在底座上，帶動一個小齒輪，小齒輪帶動大齒輪，大齒輪和殼體剛性連接。殼體和底座間加一個角接觸球軸承以實現(xiàn)相對轉動。
存在問題及解決措施:
1. 確定大體參數(shù)。
機械臂為大臂小臂兩節(jié)，要求工作區(qū)間0cm-45cm，為滿足工作區(qū)間要求，所以需要擴大1/3倍。因為A2+B2≥2ab。所以當c一定時，a=b機械臂為最短。602=2A2。即A≈42.43cm，取60cm。
2.大臂相對于腰部回轉應該采用什么方式傳動？
由于一般的電機驅動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構來增加力矩，提高帶負載能力。對機器人的傳動機構的一般要求有:
(l)結構緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕。
(2)傳動剛度大，即由驅動器的輸出軸到連桿關節(jié)的轉軸在相同的扭矩時。角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減小整機的低頻振動;
(3)回差要小，即由止轉到反轉時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度;
(4)壽命長、價格低。
為了減小機構運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。
齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸的運動。
齒輪帶的傳動比計算公式為：
i=N1/N2=Z1/Z2
3.不能熟練的運用三維軟件，在做裝配圖過程中總是出現(xiàn)報警等命令，致使工作無法正常進行。
其次，對機械結構的理解還不是很到位等。
通過與同學的探討及老師的指點，使我對自己的畢業(yè)設計有了更深一步的認識。我深深明白了設計與實際要緊密結合，要多動腦，勤思考。平時要多練習軟件。
后期工作安排:
1-2周：計算并核算選型。
3-4周：繪制設計相關的零件圖和裝配圖。
5-6周：撰寫畢業(yè)論文。
7周：準備答辯。
指導教師簽字：
年 月 日
注：1）正文：宋體小四號字，行距20磅，單面打印；其他格式要求與畢業(yè)論文相同。
2）中期報告由各系集中歸檔保存，不裝訂入冊。
畢業(yè)設計（論文）綜述
背景和研究意義:
機器人的機械設計與一般的機械設計相比，既具有類似性，又有其獨特性。從機構學的角度來看，機器人的機械結構可看作是一系列連桿通過旋轉關節(jié)、移動關節(jié)連接起來的開式運動鏈。 與一般機構相比，機器人的開鏈結構型式具有靈巧性和空間可達性等，但由于開鏈式結構實際上是一系列懸臂桿件串聯(lián)而成的，機械誤差和彈性變形的累計，影響機器人的剛度和精度。因此，機器人的機械設計既要滿足強度要求，又要考慮剛度和精度。另一方面，機器人的機械結構，特別是關節(jié)傳動系統(tǒng)，是整個機器人伺服系統(tǒng)中的一個組成部分，無論是結構的緊湊性、靈巧性，還是在運動時的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能，都比一般機構有更高的要求。
對焊接機械手的結構設計進行研究，目的是尋找在不同要求下最優(yōu)的機械結構，以最大效益的滿足生產(chǎn)需要。
國內(nèi)外相關研究情況:
點焊機器人雖然有多種結構形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機器人本體、點焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。目前應用較廣的點焊機器人，其本體形式為直角坐標簡易型及全關節(jié)型。前者可具有1～3個自由度，焊件及焊點位置受到限制；后者具有5～6個自由度，能在可到達的工作區(qū)間內(nèi)任意調(diào)整焊鉗姿態(tài)，以適應多種形式結構的焊接。
焊接機器人基本上都屬于電動機驅動的工業(yè)機器人、液壓驅動的工業(yè)機器人這兩類工業(yè)機器人，弧焊機器人大多采用電動機驅動機器人，因為焊槍重量一般都在10kg以內(nèi)。點焊機器人由于焊鉗重量都超過35kg。也有采用液壓驅動方式的，因為液壓驅動機器人抓重能力大，但大多數(shù)點焊機器人仍是采用大功率伺服電動機驅動，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機器人是由機械手、控制器、驅動器和示教盒 4 個基本部分構成。對于電動機驅動機器人，控制器和驅動器一般裝在一個控制箱內(nèi)，而液壓驅動機器人，液壓驅動源單獨成一個部件，現(xiàn)分別簡述如下：
??機械手 機器人機械手又稱操作機，是機器人的操作部分，由它直接帶動末端操作器。實現(xiàn)各種運動和操作，它的結構形式多種多樣，完全根據(jù)任務需要而定，其追求的目標是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化。現(xiàn)在工業(yè)機器人機械手的主要結構形式有如下 3 種：
1、機床式 這種機械手結構類似機床。其達到空間位置的3個運動。是由直線運動構成，其末端操作器的姿態(tài)由旋轉運動構成，這種形式的機械手優(yōu)點是運動學模型簡單，控制精度容易提高；缺點是機構較龐大，占地面積大、工作空間小。簡易和專用焊接機器人常采用這種形式。
2、全關節(jié)式 這種機械手的結構類似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉運動實現(xiàn)。這是工業(yè)機器人機械手最普遍的結構形式。其特點是機構緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區(qū)別是手腕關節(jié)置于小臂的外側或小臂活動范圍，但其運動學模型要復雜一些。目前焊接機器人主要采用全關節(jié)式機械手。
3、平面關節(jié)式 這種機械手的機構特點是上下運動由直線運動構成，其他運動均由旋轉運動構成。這種結構在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業(yè)，所以被裝配機器人廣泛采用。
機器人機械手的具體結構雖然多種多樣，但都是由常用的機構組合而成。現(xiàn)以美國 PUMA 機械手為例來簡述其內(nèi)部機構，它是由機座、大臂、小臂、手腕 4 部分構成，機座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有 3 個旋轉關節(jié)，以保證達到工作空間的任意位置，手腕中又有 3 個旋轉關節(jié)：腕轉、腕曲、腕擺，以實現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一法蘭，以連接末端操作器。
每個關節(jié)都由一臺伺服電動機驅動，PUMA機械手是采用齒輪減速、桿傳動，但不同廠家采用的機構不盡相同，減速機構常用的是4種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動方式有桿傳動、鏈條傳動、齒輪傳動等。其技術關鍵是要保證傳動雙向無間隙 ( 即正反傳動均無間隙 ) ，這是機器人精度的機械保證，當然還要求效率高，機構緊湊。
主要內(nèi)容及研究方案、研究方法或措施
主要內(nèi)容：
本設計研究汽車車身焊接的機械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。
進行機械手的原理方案設計，比較并提出系統(tǒng)的總體方案。
根據(jù)技術要求進行系統(tǒng)的結構設計，同時對焊接機械手的驅動系統(tǒng)、機械手和焊接設備的機械接口等內(nèi)容進行設計。
技術要求：
腰部回轉最大角度280度；
擺動最大角度120度；
直線位移范圍0-450mm，
研究方案、研究方法或措施：
先把本設計模塊化處理，它包含選型（坐標型式），腰部回轉，手臂俯仰，直線位移，焊槍與手臂結合5部分。細化每部分的設計思路如下表：
1
2
3
4
坐標型式
直角坐標式
圓柱坐標式
球坐標式
關節(jié)式
腰部回轉
齒輪傳動
蝸輪蝸桿
帶傳動
手臂俯仰
齒輪傳動
蝸輪蝸桿
帶傳動
直線位移
齒條傳動
液壓傳動
氣壓傳動
滾珠絲杠副
焊槍手臂結合
夾持式
吸附式
如圖可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288種
本設計研究汽車車身焊接的機械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。
方案一：直角坐標式機械手，蝸輪蝸桿傳動，直線位移液壓傳動，焊槍手臂結合吸附式。
方案二：關節(jié)式機械手，齒輪傳動，直線位移滾珠絲杠副。焊槍手臂夾持式。
方案三：直角坐標式機械手，齒輪傳動，直線位移齒條傳動，焊槍手臂結合夾持式。
方案四：球坐標式機械手，齒輪傳動，直線位移氣壓傳動，焊槍手臂結合吸附式。
本設計中要求腰部回轉和手臂俯仰，加工范圍較大；盡可能減少機體空間更優(yōu)；并要求進行電焊，因此對位置精度要求較高；焊槍要長時間工作。
因此選用方案二為最優(yōu)方案。
本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
重點：
1、原理方案的確定
2、主要參數(shù)的確定
3、機身的結構設計與校核
難點：
各個部分的準確定位；
合理的機械結構以滿足設計要求；
前期已開展工作：
在對焊接機械手有足夠的了解之后，對設計提出構想，初步構想如圖：
在設計中，機械手的關節(jié)均采用轉動關節(jié)的形式，每個關節(jié)由兩個箱體所組成。兩個箱體之間安裝有能夠承受徑向和軸向載荷的深溝球軸承，通過軸承的傳遞實現(xiàn)一個相對轉動，即能實現(xiàn)一個轉動的自由度。
由于電機轉速過快，需要減速。因此箱體內(nèi)部集成了一個諧波減速器，電機安裝在與箱體1相連的連桿A內(nèi)部，電機轉子的轉動通過諧波減速器減速傳遞到箱體2，箱體2帶動與其相連的連桿B實現(xiàn)轉動。
關節(jié)傳動原理如圖所示：
本設計采用模塊化設計，故關節(jié)均采用上述的結構，分別為兩種運動:俯仰和回轉。需要實現(xiàn)回轉動作的關節(jié)，把連桿安裝在箱體的中軸線上;需要實現(xiàn)俯仰動作的關節(jié)，把連桿安裝在箱體的側壁。
對于直線位移部分：
導軌副的選用：需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。
絲桿螺母副的選用：伺服電動機的旋轉運動需要通過絲桿螺母副轉換成直線運動，要滿足定位精度，滑動滑動絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。
完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）
1-3周：接受設計任務，查閱相關資料，了解課題的背景和發(fā)展狀況。
4-5周：了解學習常用機械手設計的基礎知識，初步原理方案的提出。
6周：設計方案的優(yōu)化比較，論證并選擇最優(yōu)方案。
7-8周：機械手腰部回轉結構的設計。
9-10周：機械手搖臂結構的設計。
11-12周：機械手與焊接設備的機械接口設計。
13：設計機械手與焊接設備的接口。
14-15周：繪制相關設計的零件圖和裝配圖。
16-17周：撰寫畢業(yè)論文。
19周：準備答辯。
5 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導教師： 年 月 日
6 所在系審查意見：
系主管領導： 年 月 日
參考文獻
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西安工業(yè)大學北方信息工程學院
本科畢業(yè)設計(論文)
題目：焊接機械手的結構設計
系 別： 機電信息系
專 業(yè)：機械設計制造及其自動化
班 級： B090201
學 生： 張芮華
學 號： B09020132
指導教師： 強懷博
2013年5月
焊接機械手的結構設計
摘 要
本設計為焊接機械手的結構設計，主要研究內(nèi)容：腰部回轉機構的設計；大、小臂和腕部回轉的結構設計。
本設計由整體布局入手，參考現(xiàn)有關節(jié)型機械臂的相關設計，初步確定腰部的轉動慣量，從而確定電機的選型，安裝等相關設計。在機械臂的靈活和精度的前提下完成總體結構的設計，然后根據(jù)總體結構，從而確定本設計的機械臂各個主要零部件的設計。
在主要零部件的設計中，主要包括腰部殼體的設計、軸的結構設計、軸承的選擇、電機的設計計算、大小臂的結構和固定等。
本設計整體在現(xiàn)有關節(jié)型機械臂的結構上做了修改，使得它能夠更好的滿足本設計的設計要求。本設計結構簡單、重量輕、外形尺寸小、設備費用低、運轉安全、操作方便、便于維修和管理。
關鍵詞：機械手；諧波減速器；結構設計
I
Structure design of robot arm
Abstract
The design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism； structure design of large, small arm and wrist rotation.
This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the.
The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed.
The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management.
KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design
目 錄
1 緒論 1
1.1 機器人簡介 1
1.1.1 機器人的發(fā)展及應用 2
1.1.2 點焊機器人介紹及其研究意義 4
1.1.3 機器人的組成 6
1.2 機械手的組成 8
1.3 本文主要研究工作 11
2 機械手的總體結構 12
2.1 機械手總體結構的類型 12
2.2 設計具體采用方案 13
3 機械手腰部機座 15
3.1 機械手腰部機座結構的設計 15
3.2 機械手腰部機座設計的具體采用方案 15
3.3 電動機的選擇 16
3.4 減速器的選擇 17
3.5 鍵的選擇 18
4 機械手手臂的結構設計 20
4.1 設計具體采用方案 21
4.2 大臂電動機的選擇 21
4.3 大臂減速器的相關計算 22
4.4 小臂電動機的選擇 23
4.5 小臂減速器的相關計算 24
5 機械手腕部的結構方案設計 27
5.1 腕部電動機的選擇 27
5.2 腕部減速器的選擇 27
6 軸承的選用與校核 29
7 結論 39
參考文獻 40
致謝 41
畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 42
畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 43
I
1 緒論
1 緒論
1.1 機器人簡介
工業(yè)機器人（英語：industrial robot。簡稱IR）是廣泛適用的能夠自主動作，且多軸聯(lián)動的機械設備。它們在必要情況下配備有傳感器，其動作步驟包括靈活的，轉動都是可編程控制的（即在工作過程中，無需任何外力的干預）。它們通常配備有機械手、刀具或其他可裝配的的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運操作與加工制造的任務。機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)[1]?！?
工業(yè)機器人在經(jīng)歷了長期發(fā)展后，已經(jīng)成為制造業(yè)中不可缺少的核心設備。同時隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機器人也被開發(fā)出來去適應制造領域意外的各個行業(yè)。這些機器人作為機器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿形機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器人等各種用途的特種機器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向實用化邁進。
工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。
38
西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文）
1.1.1 機器人的發(fā)展及應用
1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。
1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。
1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學術界默認的研發(fā)原則。
1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。
1956年 在達特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法：智能機器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。
1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。
1962年—1963年 傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。
1965年 約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。
1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。
1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。
1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。
1984年 英格伯格再推機器人Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。
1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。
2002年 丹麥iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。
2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預言，家用機器人很快將席卷全球。
機器人的未來發(fā)展將很快，應用范圍更大，如設計工業(yè)、農(nóng)業(yè)、運輸、醫(yī)藥、科學研究等各個方面。
總的趨勢是提高工作精度和運動速度，增加機構的自由度以提高通用性和靈活性。降低結構自重，逐步采用標準化的模塊式組合結構，開發(fā)傳感器技術和機器人語言，同時根據(jù)內(nèi)部信息和環(huán)境信息來控制機器人，采用計算機仿真技術以及實現(xiàn)機器人的智能化。工業(yè)機器人的發(fā)展正從各個方面顯露出它的強大勢頭。從近幾年來國際工業(yè)機器人會議上綜合的情況來看，工業(yè)機器人發(fā)展的重點是具有智能的高級機器人以及低成本、穩(wěn)定可靠的用于自動化生產(chǎn)的機器人。
空間探索、能源問題和人工智能是當代科學技術三大課題。人工智能主要內(nèi)容之一就是關于智能機器人的研究。感受外界信息，理解和記憶信息，規(guī)劃行動，人機對話，是智能機器人發(fā)展的四個主要問題。在空間探索領域中，機器人技術具有美好的發(fā)展前景和廣泛的應用價值，空間自動加工工廠；開發(fā)宇宙空間的高級自治系統(tǒng)；在空間裝配的自重復系統(tǒng)等。
本世紀以來，人類開始有計劃地開發(fā)海洋，開發(fā)食物、能源和物質來源。機器人是現(xiàn)代科學技術發(fā)展成果之一。人們常常把新出現(xiàn)的技術用來制造機器人，再將機器人應用到新技術領域中去。為適應時代發(fā)展的需要，人們把大部分智能技術結合起來，使之向更高級的機器人——智能機器人發(fā)展，這已成為機器人的一個發(fā)展方向。
相對于人來說，工業(yè)機器人的工作準確性高，工作速度高，負載能力大，耐久力強，重復性好，所以工業(yè)機器人獲得了廣泛應用，顯示了很好的效能。
從目前情況看，工業(yè)機器人的研究、制造和使用者都希望能更加擴大其應用范圍，例如：由計算機控制的具有適應性控制的裝配用機器人、焊接機器人、實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制的機器人、清理鑄件的機器人，建筑用機器人，地下工作機器人，消防用機器人，城市垃圾處理機器人，看護病人的機器入，協(xié)助料理殘廢人生活的機器人，海洋開發(fā)機器人，空間開發(fā)機器人等。
目前，智能機器人已從基礎研究發(fā)展為應用研究，今后逐漸推廣應用。具有感覺和識別功能（特別是視覺）的機器人已經(jīng)用于自動檢修和裝配作業(yè)。能在極限作業(yè)環(huán)境中工作的極限作業(yè)機器人等等都在加緊研究開發(fā)之中。
a. 手部機構的多功能化：日前的工業(yè)機器人的手大部分只有兩個手指，相當于一種夾持器的功能。機器人的手將逐漸發(fā)展為多關節(jié)、多手指并具有人工觸覺的人造手。
b. 采用并行處理的復合控制：由于微電子技術的發(fā)展，微型計算機的性能大幅提高，從而可以利用多個微處理器對各種感覺(如視覺、觸覺等)信息進行并行處理，并控制機器人多功能的手快速地完成更復雜的工作。
c. 步行機的研究，它能使機器人的車輛方式發(fā)展為多關節(jié)的步行方式。隨著生物工程的迅速發(fā)展，人類步行控制和動物步行機理的研究更為深入，引用這些機理將使步行機性能顯著提高。
d. 識別功能的提高：從識別物體(或零件)的位置和形狀發(fā)展為識別物體的姿態(tài)和顏色，并達到實用，使機器人能夠快速地識別更復雜的物體。
1.1.2 點焊機器人介紹及其研究意義
點焊機器人（spot welding robot）用于點焊自動作業(yè)的工業(yè)機器人。世界上第一臺點焊機于1965年開始使用，是美國Unimation公司推出的Unimate機器人，中國在1987年自行研制成第一臺點焊機器人──華宇-Ⅰ型點焊機器人。點焊機器人由機器人本體、計算機控制系統(tǒng)、示教盒和點焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應靈活動作的工作要求，通常電焊機器人選用關節(jié)式工業(yè)機器人的基本設計，一般具有六個自由度：腰轉、大臂轉、小臂轉、腕轉、腕擺及腕捻。其驅動方式有液壓驅動和電氣驅動兩種。其中電氣驅動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點，因此應用較為廣泛。點焊機器人按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進行點焊作業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外部設備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計算機的控制命令進行工作。 焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經(jīng)驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質量和提高焊接效率。點焊機器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應用大大提高了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質量，同時又具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對不同的車型進行裝配焊接[2]。
應用點焊機器人，有如下優(yōu)點：a.容易實現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動化；b.對生產(chǎn)設備的適應能力將大大加強；c.可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及質量；d.可以明顯改善工作條件。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；應用規(guī)模小，沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)。 工業(yè)機器人在焊接領域的應用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度和重復精度的控制要求比較低。國際工業(yè)機器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關系，向各大型汽車生產(chǎn)企業(yè)提供各類點焊機器人單元產(chǎn)品并以焊接機器人與整車生產(chǎn)線配套形式進入中國，在該領域占據(jù)市場主導地位。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點焊機器人是目前汽車焊接中最常用的一種機器人。2008年9月，機器人研究所研制完成國內(nèi)首臺165公斤級點焊機器人，并成功應用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經(jīng)過優(yōu)化和性能提升的第二臺機器人完成并順利通過驗收，該機器人整體技術指標已經(jīng)達到國外同類機器人水平。
工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 目前國際機變機界都在加大科研力度，進變機變機共性技術的研究。從機變機技術發(fā)展趨勢看，焊安機變機和其它工畢機變機一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。夾體而言，表現(xiàn)在如定幾個方面：
機變機操動機結構：與過有限元積析、電態(tài)積析及仿真畢畢等現(xiàn)代畢畢方法的變用，實現(xiàn)機變機操動機構的優(yōu)化畢畢。探索新的高強度輕質材料，進一步提高總載/自重比。
機變機機機系統(tǒng)：重打研究開放式，電電化機機系統(tǒng)。向基于PC機的開放型機機變方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；變件集成度提高，機機機日見小巧，且采用電電化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操動性和可維修性；機機系統(tǒng)的性能進一步提高，實現(xiàn)軟件伺服和安數(shù)字機機；機機界面更加友好。
機變機傳感技術：機變機中的傳感變動用日益重要，除采用傳統(tǒng)的變置、高度、加高度等傳感變機，裝配、焊安機變機還應用了激光傳感變、視覺傳感變和力傳感變，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)機變物體的自動定變以及精密裝配動畢等，大大提高了機變機的動畢性能和對環(huán)境的適應性。
網(wǎng)絡與光功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機變機機機變已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總機及一些網(wǎng)絡的聯(lián)安，使機變機由過去的獨立應用向網(wǎng)絡化應用邁進了一大步，也使機變機由過去的專用畢備向標準化畢備發(fā)展。
虛擬機變機技術：虛擬現(xiàn)實技術在機變機中的動用已從仿真、預演發(fā)展大用于過正機機，如使遙機機變機操動者產(chǎn)生置身于遠安動畢環(huán)境中的感覺來操縱機變機?；诙鄠鞲凶儭⒍嗝襟w和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術，實現(xiàn)機變機的虛擬遙機操動和機機三互。
機變機性能價格比：機變機性能不斷提高(高高度、高精度、高可靠性、便于操動和維修，而單機價格不斷定定。由于微畢子技術的快高發(fā)展和大規(guī)電集成畢畢的應用，使機變機系統(tǒng)的可靠性有了很大提高
多智能體調(diào)機技術：這是目前機變機研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、三互長的與光與磋商機理，感知與三三方法，建電和規(guī)劃、群體變?yōu)闄C機等方面進變研究[3]。
1.1.3 機器人的組成
機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，一般由機械本體、控制系統(tǒng)、傳感器、和驅動器等四部分組成。機械本體是機器人實施作業(yè)的執(zhí)行機構。為對本體進行精確控制，傳感器應提供機器人本體或其所處環(huán)境的信息，控制系統(tǒng)依據(jù)控制程序產(chǎn)生指令信號，通過控制各關節(jié)運動坐標的驅動器，使各臂桿端點按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態(tài)達到空間指定的位置。驅動器將控制系統(tǒng)輸出的信號變換成大功率的信號，以驅動執(zhí)行器工作[4]。
a. 機械本體
機械本體，是機器人賴以完成作業(yè)任務的執(zhí)行機構，一般是一臺機械手，也稱操作器、或操作手，可以在確定的環(huán)境中執(zhí)行控制系統(tǒng)指定的操作。典型工業(yè)機器人的機械本體一般由手部（末端執(zhí)行器）、腕部、臂部、腰部和基座構成。機械手多采用關節(jié)式機械結構，一般具有6個自由度，其中3個用來確定末端執(zhí)行器的位置，另外3個則用來確定末端執(zhí)行裝置的方向（姿勢）。機械臂上的末端執(zhí)行裝置可以根據(jù)操作需要換成焊槍、吸盤、扳手等作業(yè)工具。
b. 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是機器人的指揮中樞，相當于人的大腦功能，負責對作業(yè)指令信息、內(nèi)外環(huán)境信息進行處理，并依據(jù)預定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應的控制信號，通過驅動器驅動執(zhí)行機構的各個關節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運動，完成特定的作業(yè)。從控制系統(tǒng)的構成看，有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之分；從控制方式看有程序控制系統(tǒng)、適應性控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)之分。
c. 驅動器
驅動器是機器人的動力系統(tǒng)，相當于人的心血管系統(tǒng)，一般由驅動裝置和傳動機構兩部分組成。因驅動方式的不同，驅動裝置可以分成電動、液動和氣動三種類型。驅動裝置中的電動機、液壓缸、氣缸可以與操作機直接相連，也可以通過傳動機構與執(zhí)行機構相連。傳動機構通常有齒輪傳動、鏈傳動、諧波齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動等幾種類型。
d. 傳感器
傳感器是機器人的感測系統(tǒng)，相當于人的感覺器官，是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器主要用來檢測機器人本身的狀態(tài)，為機器人的運動控制提供必要的本體狀態(tài)信息，如位置傳感器、速度傳感器等。外部傳感器則用來感知機器人所處的工作環(huán)境或工作狀況信息，又可分成環(huán)境傳感器和末端執(zhí)行器傳感器兩種類型；前者用于識別物體和檢測物體與機器人的距離等信息，后者安裝在末端執(zhí)行器上，檢測處理精巧作業(yè)的感覺信息。常見的外部傳感器有力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等[5]。
工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。
機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備[6]。
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用[7]。
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用[8]。
60噸沖床自動上料裝置是在一般沖床上改裝沖床曲軸，添加上料機械手,升料臺和滑道等裝置，是沖床自動連續(xù)工作。該裝置的特點是由上料機械手來控制沖床動作，能保證沖床有節(jié)奏的，安全的生產(chǎn)[9]。
1.2 機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖1-1所示。
控制系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機構
位置檢測裝置
圖1.1 機械手的組成方框圖
a. 執(zhí)行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。
(1) 手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛；平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式，式彈簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。
對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式[10]。
(2) 手腕
是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動.一般腕部設有回轉運動在增加一個上下擺動即可滿足要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小，并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉角的情況，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構[11]。
(3) 手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。
導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式[12]。
(4) 立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱[13]。
(5) 行走機構
當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置[14]。
(6) 機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用[15]。
b. 驅動系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式[16]。
c. 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號[17]。
d. 位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置[18]。
1.3 本文主要研究工作
本文首先確定了機械手的總體布局，然后提出了各個部分的具體設計方案，根據(jù)方案，主要的設計和研究內(nèi)容有：
a. 腰部回轉機構的結構設計；
b. 大臂擺動機構的結構設計；
c. 小臂擺動機構的結構設計；
d. 腕部擺動機構的結構設計。
2 機械手的總體設計
2 機械手的總體結構
2.1 機械手總體結構的類型
工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下:
a. 直角坐標機器人結構
直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。
直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。
b. 圓柱坐標機器人結構
圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。
c. 球坐標機器人結構
球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。
d. 關節(jié)型機器人結構
關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人[19]。
本題目規(guī)格參數(shù):
腰部回轉最大角度280度；
擺動最大角度120度；
工作范圍范圍0-450mm；
西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文）
本機械手的主要動作是：
首先腰部回轉機械臂和焊點處于同一平面；接著大臂回轉，調(diào)整焊槍和焊點的距離；然后小臂回轉，使焊槍接觸焊點；最后腕部回轉，使焊槍和焊點垂直，達到焊接的目的。
2.2 設計具體采用方案
具體到本設計，因為焊槍質量約0.5KG，且考慮到焊接機械手的加工精度，應盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要四種運動,腰部回轉；大臂回轉；小臂回轉；腕部回轉。綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為四。因此選擇關節(jié)型機械臂。
具體到本設計，要求工作區(qū)間0-450mm，擴大到0-60mm，為擴大1/3倍。因為A2+b2≥2ab。所以當c一定時，a=b機械臂為最短。6002=2a2。A≈424.3，又因為小臂比大臂更靈活，活動更頻繁，所以初始取a（大臂）=500mm；b（小臂）=400mm；c（腕部）=100mm。
整體布局如圖：
圖2.1 整體尺寸設計圖
本設計的三維建?；趕olidworks。首先進行腰部回轉機構的結構設計，再進行大臂擺動機構的設計，然后進行小臂擺動機構的設計，最后進行腕部的設計。在所有設計完成之后，整體的效果如下圖所示：
圖2.2 設計完成整體圖
3 機械手腰部機座
3 機械手腰部機座
3.1 機械手腰部機座結構的設計
進行了機械手的總體設計后，就要針對機械手的腰部、大臂、小臂、腕部等各個部分進行詳細設計。
機械手腰座結構的設計要求：
工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，球坐標機器人及關節(jié)型機器人的回轉基座。它是機器人的第一個回轉關節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原則：
a. 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。
b. 腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。
c. 機器人的腰座是機器人的第一個回轉關節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。
d. 腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。
e. 腰部結構要便于安裝、調(diào)整。腰部與機器人手臂的聯(lián)結要有可靠的定位基準面，以保證各關節(jié)的相互位置精度。要設有調(diào)整機構，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。
f. 為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成[20]。
3.2 機械手腰部機座設計的具體采用方案
腰座回轉的驅動形式要么是電機通過減速機構來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或氣壓缸來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。考慮到腰座是機器人的第一個回
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轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機通過減速機構驅動來實現(xiàn)腰部的回轉運動。
3.3 電動機的選擇
設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉動慣量分別為JG1、JG2、JG3，JG4根據(jù)平行軸定理可得繞軸0的轉動慣量為：
（3.1）（3.2）
m3=0.5kg；m2=5kg；m1=7kg；m0=7kg；
設輸出軸速度為所需時間；
機座 （3.3）
若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為15N.m。
電機功率可按下式估算
（3.4）
其中：Pm為電動機功率W；
MLP為負載力矩；
為負載轉速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2.5；
（3.5）
博美德PL80-100/SM80-013-30LFB；
參數(shù)如下：
表3-1 電機參數(shù)
額定功率
額定轉矩
額定轉速
轉子慣量
400w
1.3N.m
3000rpm
0.89X10-4kg.m2
電機結構外形如圖：
圖3.1 電機結構外形圖
3.4 減速器的選擇
因為整體最高轉速要求30r/min。伺服電機在額定轉速之下可以調(diào)節(jié)需要轉速并正常工作。所以以最高轉速計算傳動比。
（3.6）
減速器選用配套的 博美德PL80-100型，減速比100。
減速器如圖所示：
圖3.2 減速機安裝圖
參數(shù)如下：
額定輸出扭矩：52～110Nm 轉動慣量：0.39～0.77Kgcm2/
故障停止扭矩：104～220Nm 滿載效率：90%
額定輸入速度：4000min-1/ 工作溫度：-25°～+90°
最大輸入速度：6000min-1/ 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑）
安裝方式：任意 防護等級：IP65
平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R
輸出軸鍵標準:圓頭普通平鍵（A型）GB1096-79。
3.5 鍵的選擇
鍵已標準化，設計時需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的類型以及尺寸來選擇鍵，然后再進行強度校核，鍵的材料按標準規(guī)定采用抗拉強度的鋼，常用45鋼。
本設計中的鍵均為減速器自帶的鍵，即普通圓頭A型。
驗證電機軸上的轉動慣量
（3.7）
電機的轉子慣量為
所以選取合適 （3.8）
在確定了轉動慣量之后，就要進行軸的具體尺寸確定：
實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應力[] = 30MPa，由許用應力確定的系數(shù)為C=120。
此軸傳遞扭矩T1=15N.m n1=30r/min P1=400w
（3.9）
因此與電機相連的軸直徑必須大于28.5mm。
4 機械手手臂的結構設計
4 機械手手臂的結構設計
機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則：
a. 應盡可能使機器人手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。
b. 機器人手臂的結構尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。
c. 為了提高機器人的運動速度與控制精度，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?/4，相當于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結構的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。
d. 機器人各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構。
e. 機器人的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小氣缸負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。
f. 機器人手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。
西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文）
4.1 設計具體采用方案
機械手的大臂和小臂均為回轉運動?？紤]到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，兩手臂的調(diào)節(jié)采用電機和諧波減速器配合。
4.2 大臂電動機的選擇
設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉動慣量分別為JG1、JG2、JG3根據(jù)平行軸定理可得繞軸0的轉動慣量為：
（4.1）
（4.2）
m3=0.5kg；m2=5kg；m1=7kg；
設輸出軸速度為所需時間；
大臂 （4.3）
若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為13N.m。
電機功率可按下式估算：
（4.4）
其中：Pm為電動機功率W；
MLP為負載力矩；
為負載轉速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2.5；
（4.5）
博美德PL80-80/SM80-013-30LFB；
參數(shù)如下：
表4.1 電機參數(shù)
額定功率
額定轉矩
額定轉速
轉子慣量
400w
1.3N.m
3000rpm
0.89X10-4kg.m2
電機結構外形如圖：
圖4.1 電機結構外形圖
4.3 大臂減速器的相關計算
因為整體最高轉速要求30r/min。伺服電機在額定轉速之下可以調(diào)節(jié)需要轉速并正常工作。所以以最高轉速計算傳動比。
（4.6）
減速器選用配套的 博美德PL80-80型，減速比80。
電機軸上的轉動慣量：
（4.7）
電機的轉子慣量為；
（4.8）
所以選取合適。
此軸傳遞扭矩T1=13N.m n1=30r/min；P1=400w；
（4.9）
因此與電機相連的軸直徑必須大于28.5mm。
4.4 小臂電動機的選擇
（4.10）
（4.11）
m3=0.5kg；m2=5kg；
設輸出軸速度為所需時間；
小臂 （4.12）
若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為2N.m。
電機功率可按下式估算：
（4.13）
其中：Pm為電動機功率W；
MLP為負載力矩；
為負載轉速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2.5；
（4.14）
博美德PL40-200/SM42-001-40DCB；
參數(shù)如下：
表4.2 電機參數(shù)
額定功率
額定轉矩
額定轉速
轉子慣量
30w
0.0625N.m
4000rpm
0.024X10-4kg.m2
圖4.2 電機安裝圖
4.5 小臂減速器的相關計算
因為整體最高轉速要求20r/min。伺服電機在額定轉速之下可以調(diào)節(jié)需要轉速并正常工作。所以以最高轉速計算傳動比。
（4.15）
減速器如圖所示：
圖4.3 減速器外形結構圖
減速器選用配套的 博美德PL40-200型，減速比200。
詳細參數(shù)如下：
額定輸出扭矩：7.5～15.5Nm 轉動慣量：0.016～0.029Kgcm2/
故障停止扭矩：15～31Nm 滿載效率：90%
額定輸入轉速: 4500min-1/ 工作溫度：-25°C～+90°C
最大輸入速度：10000min-1/ 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑）
安裝方式：任意 防護等級：IP65
平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R
重量： 0.6Kg 減速機符合JB1799-76標準
輸出軸鍵標準:圓頭普通平鍵（A型）GB1096-79。
鍵已標準化，設計時需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的類型以及尺寸來選擇鍵，然后再進行強度校核，鍵的材料按標準規(guī)定采用抗拉強度的鋼，常用45鋼。
本設計中的鍵均為減速器自帶的鍵，即普通圓頭A型。
電機軸上的轉動慣量：
（4.16）
電機的轉子慣量為；
所以選取合適 （4.17）
在確定了轉動慣量之后，就要對軸進行設計：
此軸傳遞扭矩T1=2N.m n1=20r/min P1=30w
（4.18）
因此與電機相連的軸直徑必須大于13.7mm。
5 機械手腕部的結構方案設計
5 機械手腕部的結構方案設計
5.1 腕部電動機的選擇
（5.1）
（5.2）
m3=0.5kg；
設輸出軸速度為所需時間；
腕部 （5.3）
若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為1N.m。
電機功率可按下式估算：
（5.4）
其中：Pm為電動機功率W；
MLP為負載力矩；
為負載轉速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2.5；
（5.5）
博美德 PL40-200/SM42-001-40DCB；參數(shù)同上。
5.2 腕部減速器的選擇
因為整體最高轉速要求20r/min。伺服電機在額定轉速之下可以調(diào)節(jié)需要
西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文）
轉速并正常工作。所以以最高轉速計算傳動比。
（5.6）
減速器選用配套的 博美德PL40-200型，減速比200。
電機軸上的轉動慣量計算如下：
（5.7）
電機的轉子慣量為；
所以選取合適 （5.8）
確定了轉動慣量之后就要對軸進行設計：
此軸傳遞扭矩T1=1N.m n1=20r/min P1=30w
（5.9）
因此與電機相連的軸直徑必須大于13.7mm。
6 軸承的選用與校核
6 軸承的選用與校核
為了保證機械臂的正常運行，不僅軸承的制造質量良好，而且機械臂的設計必須合理，軸承的裝配和使用必須規(guī)范。軸承的選擇對于機械臂的正常運轉十分重要。
a. 軸承類型的選擇
機座轉動軸上的軸承選擇：
推力球軸承，它承載能力較低，額定動載荷比為1，不能承受徑向載荷，只能承受一個方向的軸向載荷，限制軸和殼在軸向位移。極限轉速低。
機座相對轉動處的軸承選擇：
一對圓錐滾子軸承。額定動載荷比1.5~2.5。能承受單向軸向載荷，在徑向載荷作用下會產(chǎn)生附加軸向力，一般成對使用。能限制軸和外殼在一個方向的軸向位移。313系列具有較大的接觸角，可以承受更大的軸向載荷。
大臂、小臂、腕部轉動軸承的選擇：
深溝球軸承，承載能力較小，額定動載荷比為1。主要承受
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