關節(jié)型機器人腕部結構設計

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1、（畢業(yè)論文）關節(jié)型機器人腕部結構設計 學 科 門 類 ： 單位代碼 ： 畢業(yè)設計說明書（論文） 關節(jié)型機器人腕部結構設計 學生姓名 所學專業(yè) 班 級 學 號 指導教師 XXXXXXXXX XXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXX 系 * XX * XX 二 *年 XXXX 月 任務書 一、設計內容 題目來源于生產實際。設計一個用于焊接的關節(jié)型機器人，進行機器人的總體 方案設計、腕部及執(zhí)行器結構設計及其零件設計。 二、設計依據 焊接關節(jié)型機器人具有六個自由度，腰關節(jié)回轉，臂關節(jié)俯仰，肘關節(jié)俯仰， 腕關節(jié)仰腕、擺腕和旋腕，腕部最大負荷4kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑 15

2、00mm。 三、技術要求 1、機器人應能滿足工作要求，保證焊接精度； 2、工作可靠，結構簡單； 3、裝卸方便，便于維修、調整； 4、盡量使用通用件，以便降低制造成本。 四 主要參考文獻：. 1、殷際英何廣平關節(jié)型機器人：北京化學工業(yè)出版社，. . : 2003. 2、馬香峰.工業(yè)機器人的操作機設計.北京：冶金工業(yè)出版社，1996. 3、械設計和分析.北京：北京工業(yè)大學出版社，1998. 4、周伯英工業(yè)機器人設計北京：機械工業(yè)出版社，. . 1995. 5、：清華大學出版社，2000. 6、宗光華,劉海波譯.機器人技術手冊. 北京：科學出版社，1996. 7、徐衛(wèi)良，錢瑞明譯機器人操作的數學導論

3、 北京：機械工業(yè)出版社，. . 1998. 1 8、孫迪生，王炎機器人控制技術北京：機械工業(yè)出版社，. . 1998. 9、.北京：機械工業(yè)出版社，2000. 10、. 北京：化學工業(yè)出版社，2002. 2 關節(jié)型機器人腕部結構設計 關節(jié)型機器人腕部結構設計 關關節(jié)節(jié)型型機機器器人人腕腕部部結結構構設設計計 摘要： 摘要： 摘摘要要：為了提高生產效率和焊接質量，滿足特定的工作要求，本題設計用于焊接的關節(jié)型機 器人的手腕和末端執(zhí)行器。根據機器人的工作要求進行了機器人的總體設計。確定機器人的 外形時，擬定了手腕的傳動路徑，選用直流電動機，合理布置了電機、軸和齒輪，設計了齒 輪和軸的結構，并進行了強

4、度校核計算。傳動中采用了軟軸、波紋管聯(lián)軸器和行星齒輪機構， 實現了擺腕、轉腕和提腕的三個自由度的要求。設計中大多采用了標準件和常用件，降低了 設計和制造成本。 關鍵詞： 關鍵詞： 關關鍵鍵詞詞：自由度；焊接；手腕 3 目 錄 目 錄 目目 錄錄 1 前言1 1.1 機器人的含義1 1.2 題目來源2 1.3 技術要求2 1.4 本題要解決的主要問題和設計思路2 2 國內外發(fā)展狀況及現狀的介紹2 2.1 研究現狀2 2.2 發(fā)展趨勢4 3 總體方案論證5 3.1 機械結構類型的確定5 3.2 工作空間的確定6 3.3 手腕結構的確定7 3.4 基本參數的確定8 4 手腕詳細設計說明8 4.1 機

5、器人驅動方案的分析和選擇8 4.2 手腕電機的選擇9 4. 3 傳動比的確定9 4.4 傳動比的分配10 4.5 齒輪的設計10 4.6 軸的設計和校核18 4.7 夾持器的設計23 4.8 殼體的設計23 5 結論24 參考文獻25 4 1前言 1.1機器人的概念 機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現較多擬人動作和功能的 機器，而工業(yè)機器人則是在工業(yè)生產上應用的機器人。美國機器人工業(yè)協(xié)會提出的 工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種可重復編程和多功能的，用來搬運材料、零件、 工具的操作機”。英國和日本機器人協(xié)會也采用了類似的定義。我國的國家標準 GB/T12643-90 將工業(yè)機器人定

6、義為：“機器人是一種能自動定位控制、可重復編程的、 多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。 而將操作機定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它 操作的機械裝置”。 機器人系統(tǒng)一般由操作機、驅動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求 的外部設備組成。 操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能。通常由下 列部分組成： a.末端執(zhí)行器 又稱手部，是機器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設置夾持器、 工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構。 b. 手腕 是支承和調整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變

7、末端執(zhí) 行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般有23個回轉自由度以調整末端執(zhí)行器的 姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 c. 手臂 它由機器人的動力關節(jié)和連接桿件等構成，是用于支承和調整手腕 和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時包括肘關節(jié)和肩關節(jié)，即手臂與手臂間。手臂 與機座間用關節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。 d. 機座 有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構中相對固定并承受相應的力的基 礎部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深?。 元 它是由驅動器、檢測單元等組成的部件，是用來為操作機各部件提供動力和運 動的裝置。 置 它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行

8、操作的一種裝置，它指揮機器人按 規(guī)定的要求動作。 能系統(tǒng) 1 它由兩部分組成，一部分是感覺系統(tǒng)，另一部分為決策規(guī)劃智能系統(tǒng)。 1.2題目來源 本題設計的是關節(jié)型機器人腕部結構，主要是整體方案設計和手腕的結構設計 及其零件設計。此課題來源于生產實際。對于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境 差，而且對操作員技術熟練程度要求高，因此采用機器人技術，實現焊接生產操作 的柔性自動化，提高產品質量與勞動生產率、實現生產過程自動化、改善勞動條件。 1.3技術要求 根據設計要達到以下要求 a. 工作可靠，結構簡單； b. 裝卸方便，便于維修、調整； c. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 1.4本題要解決的主

9、要問題及設計總體思路 本題要解決的問題有以下三個： a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結構緊湊，減少重 量和體積； b. 提高手腕動作的精確性； c. 三個自由度的實現。 針對上述問題有了以下設計思路： a. 腕部機構的驅動裝置采用分離傳動，將3個驅動器安置在小臂的后端。 b. 提高傳動的剛度，盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產生的反轉誤差，對于 分離傳動采用傳動軸。 c. 驅動電機1經傳動軸驅動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪帶動手腕在小臂殼體 上作偏擺運動。電機2經傳動軸驅動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動，實現手腕 的上下擺動。電機3經傳動軸和兩對圓錐齒輪帶動軸回轉，實現手腕

10、上機械接口的 回轉運動。 2 2國內外研究現狀及發(fā)展狀況 2.1研究現狀 從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。 到90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也 得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機 器人系統(tǒng)也有了長足的進展。下面將按工業(yè)機器人和先進機器人兩條技術發(fā)展路線 分述機器人的最新進展情況。 器人 工業(yè)機器人技術是以機械、電機、電子計算機和自動控制等學科領域的技術為 基礎融合而成的一種系統(tǒng)技術。 a. 機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現代設計方法的運 用，機器人操作機已實

11、現了優(yōu)化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將 機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質鋁 合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服 電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。 b. 并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構，利用機器人技術，實現高精度測量及加工，這 是機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現機器人和數控技術一體化奠定了基礎。 意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產品。 c. 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā) 展到現在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現了軟件伺服和全數字控

12、制。人機界面 更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些 領域的離線編程已實現實用化。 d. 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功 應用，并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè) 等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC 和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產品。 e. 網絡通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現 了與Canbus、Profibus總線及一些網絡的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應用向網絡 化應

13、用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。 f. 可靠性：由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系 統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現在 已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。 器人 近年來，人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發(fā) 展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提 3 出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的 非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外 感 知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是

14、機器人技術的一個重要發(fā)展方向。 a. 水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機器 人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護、 以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（remote operated vehicle）和無纜 水下機器人（autonomous under water vehicle）兩大類。 b. 空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領域。目前美、俄、 加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人 Sojanor等。 Sljanor是一輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸63048

15、mm，有6個車輪，它在火 星上的成功應用，引起了全球的廣泛關 注。 c. 核工業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧，動作準確可靠、反應快、 重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。 已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORML基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應堆用雙臂 操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的C7 靈巧手等 d. 地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩大 類。主要研究內容為：機械結構、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信 及遙控技術。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大 型管道檢修

16、用的機器人，各種采機器人及自動化系統(tǒng)正在研制中。 e. 醫(yī)用機器人： 醫(yī)用機器人的主要研究內容包括：醫(yī)療外科手術的規(guī)劃與仿 真、機器人輔助外科手術、最小損傷外科、臨場感外科手術等。美國已開展臨場感 外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術培訓、解剖教學等。 法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導型矯形外科（telematics）計劃、袖珍 機器人（biomed）計劃以及用于外科手術的機電手術工具等項目的研究，并已取得 一些卓有成效的結果。 f. 建筑機器人：日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、 預制件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人

17、、擦玻璃機器人等，并已實 際應用。美國卡內基梅隆重大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋設機器人、 內墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術和系統(tǒng)自動化施工方法 等基礎研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。 g. 軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。 其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務，在戰(zhàn)場上具有 看、嗅和觸摸能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消 滅敵方目標的功能。如美國的Navplab自主導航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國的自 主式快速運動 偵察車（DARDS），德國MV4爆炸物處理機器人等。

18、目前美國ORNL正 在研制和開發(fā)Abrams坦克、愛國者導彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。 可以預見，在21世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領域，成 為人類良好的助手和親密的伙伴。 4 2.2發(fā)展趨勢 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，并朝著智 能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內容集中在以下10個方面： a. 工業(yè)機器人操作機結構的優(yōu)化設計技術：探索新的高強度輕質材料，進一 步提高負載.自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發(fā)展。 b. 機器人控制技術：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好， 語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器

19、的標準化和網絡化，以及基于 PC 機網絡式控制器已成為研究熱點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外， 離線編程的實用化將成為研究重點。 c. 多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其 問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性 及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實 用化。 d. 機器人的結構靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 e. 機器人遙控及監(jiān)控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操作者之間 的協(xié)調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立 預先顯示

20、進行遙控等。 f. 虛擬機器人技術：基于多傳感器、多媒體和虛擬現實以及臨場感技術，實現 機器人的虛擬遙操作和人機交互。 g. 多智能體（multi-agent）調控制技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領 域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法， 建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 h. 微型和微小機器人技術（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的 一個新的領域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究 的進展將會引起機器人技術的一場革命， 并且對社會進步和人類活動的各個方面產 生不可估量的影響，微小型機器人

21、技術的研究主要集中在系統(tǒng)結構、運動方式、控 制方法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。 我國對此進行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的六自由度微動機構的運 動分析對六自由度微動機構進行了位移分析并為其結構設計提供了計算依據。還 有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的并聯(lián)六自由度微動機器人機構的設計方法研究 了微動機器人機構的設計方法，建立了并聯(lián)六自由度微動機器人的空間模型，并分 析了該微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的機構尺寸與各向同性、剛 度等性能指標的關系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標在 空間模型設計參數空間中的分布規(guī)律，這有助于設計者根據性能指標來設計該微動 機

22、器人的機構尺寸，是探討微動機器人機構設計的有效分析工具。 5 3 3 33總體方案設計 3.1機械結構類型的確定 為實現總體機構在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根 據本課題可以將其設計成以下五種方案： 標型 這種運動形式是通過一個轉動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工 作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占 體積小，而運動范圍大。 標型 直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作 空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性 強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結構簡單，但

23、機體所占空間體積大、 靈活性較差。 型 又稱極坐標型，它由兩個轉動和一個直線移動所組成，即一個回轉，一個俯仰 和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠 抓取地面上或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作空間范圍大的特點，但結構復 雜。 關節(jié)型又稱回轉坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節(jié)都 是回轉關節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關節(jié)，大 臂和小臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺 動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。 節(jié)型 采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉

24、關節(jié)控制前后、左右運動，而移 動關節(jié)則實現上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉體，縱 截面高為移動關節(jié)的行程長，兩回轉關節(jié)轉角的大小決定回轉體橫截面的大小、形 狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多 用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現本課題所要求的動作；方案 二體積大，靈活性差；方案三結構復雜；方案五無法實現本課題的動作。結合本課 6 題綜合考慮決定采用方案四：關節(jié)型機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大， 動作靈活，工藝操作精度高。 .部分章節(jié)已刪除此文章僅供在線閱讀之用。全套資料

25、包含 word+CAD，請聯(lián)系扣Q1：1459919609或者扣Q2：1969043202 ！ 4.8殼體的設計 機座部分采用鑄鋁材料，方形結構，臂厚812mm。機身部分采用鑄鋁材料，圓 筒形結構，臂厚78。大臂外殼和大臂箱體采用鑄鋁材料，方形結構，厚度均為6 8。小臂箱體和小臂外殼采用鑄鋁材料，結構為方形，側面為鑄件其它三面為鑄鋁板 材。手腕外殼和手腕箱體采用鑄鋁材料，結構為方形，兩側面、背面、底面為鑄件， 端面和正面為鑄鋁板材，臂厚58mm。 其它部分具體尺寸由結構決定，詳見圖紙。 7 5結論 本次設計的焊接機器人采用了直流電機驅動，通過一系列的軸和齒輪傳動順利 實現了三個自由度：擺腕、提

26、腕、轉腕。應用于焊接生產線上將大大提高生產效率， 和加工質量，降低工人勞動強度，能夠帶來可觀的經濟效益。 本機器人設計結構合理，通用性強。除了應用于焊接外，還可以應用于噴漆等 工作中。設備制造成本合理，拆裝方便，便于維護。 8 參 考 文 獻 1 劉辛軍,汪勁松,高峰.并聯(lián)六自由度微動機器人機構的設計方法J.清華大學 學報 自然科學版 , 2001,41. 8 :16-20. 2 徐衛(wèi)平,張玉茹,六自由度微動機構的運動分析J.機器人ROBOT,1995,17. 5 :298-302. 3 李明利,楊利華. 磁性輪式球罐焊接機器人機械結構設計與分析J.機械, 2001,28:83-84. 4 潘

27、沛霖,楊宏,高波,吳微光.四自由度折疊式機械手的結構設計與分析J.哈 爾濱工業(yè)大學學報,1994,26. 4 :90-95. 5 殷際英,何廣平.關節(jié)型機器人M.北京:化學工業(yè)出版社, 2003. 6 馬香峰.工業(yè)機器人的操作設計和分析M .北京：冶金工業(yè)出版社, 1996. 7 費仁元,張慧慧.機器人機械設計和分析M.北京：北京工業(yè)大學出版社,1998 8 周伯英.工業(yè)機器人設計M .北京：機械工業(yè)出版社, 1995 9 蔡自興.機器人學M北京：清華大學出版社，2000 10 宗光華,劉海波譯.機器人技術手冊M. 北京：科學出版社, 1996 11 徐衛(wèi)良,錢瑞名譯.機器人操作的數學導論M北京：機械工業(yè)出版社，1998 12 孫迪生,王炎.機器人控制技術M .北京：機械工業(yè)出版社，1998 13 徐錦康.機械設計M .第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2001. 14 徐灝機械設計手冊M .第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2000. 15 成大先機械設計手冊M第四版.北京：化學工業(yè)出版社，2002 16 陳秀寧，施高義.機械設計課程設計M第一版.浙江：浙江大學出版社， 1995 . 9 附件圖紙 夾持器 1 2 圓柱齒輪軸 3 錐齒輪 4 5 6 手腕裝配圖 7 總裝圖 8