機械手腕部設計
機械手腕部設計,機械手腕部設計,機械手,腕部,設計
摘要
機器人技術是綜合了許多學科的知識，例如計算機、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，是當今研究領域十分重視的課題，機器人在很多領域都得到廣泛應用。機器人的應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志，因而受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量人力物力加以研究和應用。
本文的主要任務和要解決的問題，是設計一臺六自由度的機器人，在已有的技術資料的基礎上，通過分析，確定腕部的傳動系統(tǒng)，然后假設腕部末端的結構，確定腕部的輸出功率，然后計算出腕部所需的電機。在確定電機和傳動機構的基礎上，對錐齒輪和傳動中所需的帶輪以及同步齒形帶進行設計，并且對它們進行校核，確定所設計的腕部結構能夠配合機器人的其他結構進行噴漆動作。并用CAD軟件完成從建模到運動學分析、應力分析的全過程。需要全面理解機械原理、機械設計、機械系統(tǒng)設計以及CAD制圖標準等相關的知識，并考慮其可靠性、實用性、經濟性等性能。
本課設在已有理論基礎上，針對以往研究的不足，根據(jù)實際使用要求，確定采用六自由度的關節(jié)型機器人結構方案;由于機器人結構復雜，構件繁多，需要用高端軟件配合進行建模，裝配的工作，而我們現(xiàn)有的材料相當有限，所以本課設只是設計了機器人的腕部結構;并采用CAD繪制了其裝備和零件圖，并對其中某些零件的強度進行了校核，使腕部的整體結構能夠滿足工作的要求。
關鍵詞:機器人 腕部
Ⅰ
1緒論
機器人是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造中的一個重要組成部分。機器人顯著地提高了勞動生產率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。因而受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量人力物力加以研究和應用。
機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它的特點是除了具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。它可以靈活運用在工業(yè)上的各個方面，如噴漆、焊接、搬運等。第二類是需要人工操作的，稱為機械機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專用機器人，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外稱為“Mechanical Hand "，它是為主機服務的，由主機驅動;除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，采用機械編程。因此是專用的。
本課題通過對通用機器人smart6.50R 的結構進行分析和研究，完成對其腕部的設計，并借助CAD/CAE軟件完成從建模到運動學分析、應力分析的全過程。最終期望腕部與小臂、手部、大臂能夠協(xié)調工作，能夠完成各種現(xiàn)代工業(yè)加工過程中所要求的動作。
本課題的設計思路是：借助已有的通用機器人的腕部設計思想和方法，綜合考慮腕部機構在機器人運動中所起的作用和機器人的整體技術參數(shù)以及結構特點，然后選擇合理的機構，確定傳動線路，然后對機構進行分析，計算主要參數(shù)，并對部分零件進行設計、組裝，綜合評價腕部系統(tǒng)。
1.1機器人組成
機器人主要由驅動裝置、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構三大部分組成。
1.1.1驅動裝置
工業(yè)機器人的驅動裝置包括驅動器和傳動機構兩部分，它們通常與執(zhí)行機構連成一體。傳動機構常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅動器通常有電機(直流伺服電機，步進電機，交流伺服電機)，液動和氣動裝置，
目前使用最多的是交流伺服電機。
1.1.2控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)一般由控制計算機和驅動裝置伺服控制器組成。后者控制各關節(jié)的驅動器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進行運動。前者則是要根據(jù)作業(yè)要求完成偏差，并發(fā)出指令控制各伺服驅動裝置使各桿件協(xié)調工作，同時還要完成環(huán)境狀況，周邊設備(如電焊機，工卡具等)之間的信息傳遞和協(xié)調工作。
1.1.3執(zhí)行機構
執(zhí)行機構由腰部、基座、手部、腕部和臂部等運動部件組成。
1) 腰部 腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉部件，腰部的回轉運動再加上臂部的平面運動，就能使腕部作空間運動。腰部是執(zhí)行機構的關鍵部件，它的制造誤差，運動精度和平穩(wěn)性，對機器人的定位精度有決定性影響。
2) 基座 基座是整個機器人的支持部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。
3)手部 手部它具有人手某種單一動作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等形式。
夾持式手部是由手指和傳力機構所組成。
手指是直接與物件接觸的機構。常用的手指運動形式有回轉型和平移型。 吸附式手部有負壓吸盤和電磁吸盤兩類。
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生。
4)腕部 腕部與手部相連，通常有3個自由度，多為輪系結構，主要功用是帶動手部完成預訂的姿態(tài)，是操作機中結構最為復雜的部分。
5)臂部 臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿(小臂和大臂)組成，用以帶動腕部作平面運動。
1.2機器人分類
1.2.1按用途分類
1.專用機器人
專用機器人是專為一定設備服務的，簡單、實用，目前在生產中運用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應多種作業(yè)的需要。
2.通用機器人
通用機器人是在專用機器人的基礎上發(fā)展起來的。它能對不同的物件完成多種動作，具有相當?shù)耐ㄓ眯浴Ｋ且环N能獨立工作的自動化裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大都是采用計算機控制系統(tǒng)。
1.2.2按控制形式分類
1.點位控制型機器人
點位控制型機器人的運動軌跡是空間二個點之間的聯(lián)接。控制點數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結構簡單。絕大部分機器人是點位控制型。
2.連續(xù)軌跡控制型機器人
這種機器人的運動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復雜的動作，工作性能完善，但控制部分比較復雜.
1.2.3按驅動方式分類
1.液壓機器人:輸出力大，傳動平穩(wěn)。
2.氣壓機器人:氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結構簡單，成本低。
但工作不太平穩(wěn)，沖擊大。
3.電動式機器人:電力驅動是目前機器人使用的最多的一種驅動方式，其特點是電源方便，響應快，驅動力較大，信號檢測，傳遞，處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。
4.機械式機器人:工作可靠，動作頻率高，結構簡單，成本低。但動作固定不可變。
1.3腕部結構選型
手腕是操作機的小臂(上臂)和末端執(zhí)行器(手爪)之間的連接部件。其功用
是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構。對一般商用機器人，末桿(即與末端執(zhí)行器相聯(lián)結的桿)都有獨立的自轉功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài)(即方向)，可用兩個方位確定。如圖1.1所示
圖1.1 末桿姿態(tài)示意圖
1．大臂 2.小臂 3.末桿(L)
在圖1.1中，末桿L的圖示姿態(tài)可以看作是由處于x1方向的原始位置先繞z1在x1 o1 y1平面內轉α、β角，然后在a o1與z1組成的垂直平面內再向上轉β角得到的?？梢娛怯搔?、β兩角決定了末桿（L）的方向(姿態(tài))。從理論上講，如果0°≤α≤360°，0°≤β≤360°，則L在空間可取任意方向。如果L的自轉角γ也滿足0°≤γ≤360°，我們就說該操作機具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了定量的說明操作機抓取和擺放物體的靈活度，我們定義組合靈活度(dex)為:
dex=α/360°+β/360°+γ/360°=xx%+xx%+xx%
上式取“加”的形式，但一般不進行加法運算，因為分開更能表現(xiàn)結構的特點。
腕結構最重要的評價指標就是dex值。若為3個百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來，α、β的最大值取360°，而γ值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好γ無上限。
腕結構是操作機中最復雜的結構，而且因轉動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結構的設計難度。腕部的設計要求是:重量輕，dex的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量(約5%—10%，轉動系統(tǒng)結構簡單并有利于小臂對整機的靜力平衡。
1.3.1單自由度手腕
SCARA水平關節(jié)裝配機器人多采用單自由度手腕，該類機器人操作機的手腕只有繞垂直軸的一個旋轉自由度。為了減輕操作機的懸臂的重量，手腕的驅動電機固結在機架上。手腕轉動的目的在于調整裝配件的方位。由于轉動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉動不影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調整完全取決于腕傳動的驅動電機。這時確定末端執(zhí)行器方位的角度(以機座坐標系為基準)將是大小臂轉角以及腕轉角之和。
1.3.2兩自由度手腕
兩自由度手腕有兩種結構:
1）匯交式兩自由度 手腕兩自由度手腕的末桿與小臂中線重合，兩個鏈輪對稱分配在兩邊。β≤200° ,γ≥360°, dex= 0+80%+100%，如圖1.3，
2）偏置式兩自由度手腕 手腕的末桿偏置在在小臂中線的一邊。
β≥360°,γ≥360，dex=0+100%+100%優(yōu)點是腕部結構緊湊，小臂橫向尺寸較小(薄)。
兩自由度的另兩種結構。一種是將諧波減速器這置于碗部，驅動器通過齒形帶帶動諧波，或經錐齒輪再帶動諧波使末桿L獲得α. γ兩自由度運動。另一種則是將驅動電機1和諧波減速器連成一體，放于偏置的殼中直接帶動L完成角轉動，β角則是由鏈傳動完成。
如圖1.3匯交式兩自由度
1- 法蘭 2-錐齒輪組 3-錐齒輪 4-彈簧
5、8-鏈輪 6-軸承 7-殼體
1.3.3三自由度手腕
三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在兩自由度的基礎上加一個整個手腕相對于小臂的轉動自由度(用角度參數(shù)α表示)而形成的。當不考慮結構限制，即α、β、γ都能在0°～360°范圍取值，末端執(zhí)行器的靈活度dex=100%+100%+100%，也就是說具有百分之百的靈活度。這就是說手爪可自任意方向接進物體，也可將物體轉到任意姿勢。所以三自由度是“萬向”型手腕，可以完成兩自由度手腕很多無法完成的作業(yè)。近年來，大多數(shù)關節(jié)型機器人都采用了三自由度手腕。主要有兩類:
1)匯交手腕(或稱正交手腕)它是α、β、γ的旋轉軸線匯交于一點。
2)偏置式手腕它是α、β、γ的旋轉軸線互相垂直，但不匯交于一點。
這兩類手腕都是把β、γ運動的減速器安裝在手腕上，可簡化小臂結構，但卻增加了手腕本身的重量和復雜程度。
1.3.4 通用機器人腕部結構選型
如圖1.4所示，是匯交式手腕(或正交手腕)，即α、β、γ的旋轉軸線匯交于一點?？梢钥闯觯姍C(1)經錐齒輪副((3, 4)和齒型帶傳動(9, 10, 13),
再經錐齒輪副(5, 6)和諧波減速器(16)帶動法蘭(17、機械接口)轉動，完成末桿(法蘭)γ的運動。電機2經錐齒輪副(7, 8)和齒型帶傳動(11, 12, 14), 通過諧波減速器帶動腕殼擺動，完成末桿p的運動。整個手腕又由置于小臂后部的電機(上圖未畫)，經過諧波傳動，帶動小臂作繞自身軸線的轉動，即α運
動。
圖1.4 正交式手腕
減速器的配置可以分為前置式和后置式。后置式有利于小臂的平衡。前置式加大了腕部的復雜程度和重量，對小臂乃至整機的平衡不利，但可簡化整個小臂的結構，而且當腕部使用同步齒形帶時，只能采用這種布置，因為齒形帶只能用于高速級。這種布置還可簡化后面三個驅動系統(tǒng)的結構。對于平行軸轉動，減速器前置可以匹配小臂與手腕的幾何尺寸。如圖1.4所示，我選用:減速器的配置為前置式是把α、γ兩自由度的減速器裝在手腕內。
電機配置也可以分為前置式和后置式。前置式有一個電機配置在手腕中，其最大優(yōu)點是大大簡化了小臂的結構和傳動過程的軸線干擾，但加重了腕部。這種結構較適合于小負荷操作機。必須指出，這種結構的手腕也屬于非匯(正)交式，由它構成的六自由度操作機無解析解。電機后置式的驅動電機都布置在腕的后面。對于中小負載的操作機，電機可布置在臂的空腔中，而對于大負載操作機，由于電機重而且大，電機多布置在臂的后端，以減少臂的尺寸和前部重量，并與減速器一起對小臂起平衡作用。如圖1.4所示。
1.4機器人設計
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設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?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物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。:
在傳統(tǒng)的設計與制造過程中，通常要制造樣機進行實驗，有時這些實驗甚至是破壞性的。當通過實驗發(fā)現(xiàn)缺陷時，就要回頭修改設計并再用樣機驗證。這一過程是冗長的，尤其對于結構復雜的系統(tǒng)，設計周期更加漫長，更不用談對市場的靈活反應了。于是運動分析—虛擬樣機技術便應運而生了。它可以使產品設計人員在虛擬環(huán)境中真實地模擬機器人的運動及受力情況，快速分析多種設計方案，進行對物理樣機而言難以進行或根本無法進行的實驗，直到獲得最優(yōu)化的設計方案。這種方法不但可以縮短開發(fā)周期，而且設計質量和效率也得到了很大的提高。
2末端執(zhí)行器
末端執(zhí)行器是裝在機器人操作機的機械接口上，用于使機器人完成作業(yè)任務而專門設計的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機器人的用途密切相關，最常見的有用于抓拿物件的夾持器;用于加工工件的銑刀，砂輪和激光切割器:用于焊接，噴涂用的焊槍，噴具;由于質量檢測的測量頭，傳感器。一般說來，一種新的作業(yè)需要一種新的末端執(zhí)行器，而一種新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)又往往為機器人開辟一種新的應用領域。目前，末端執(zhí)行器的分析和設計已形成了一個專門領域。這里只簡要介紹幾種常用的抓拿物件的末端執(zhí)行器。
2.1夾持器
夾持器通常有兩個夾爪。根據(jù)不同的運動形式，夾爪又可分為回轉式和平移式兩種類型。
1)斜楔杠桿式夾持器。當施以力P時，楔角為α的斜楔前進，使夾爪閉合，
夾緊物件，且當α小于自鎖角時，即使β消失，被夾物件也不會滑脫。當施以相反方向的力時，斜楔后退，夾爪在彈簧的作用下打開。由于夾爪做回轉運動，而回轉軸又是固定的，故當夾持不同直徑的物件時，物件的中心線將沿對稱軸線移動，形成定位誤差。故使用這種夾持器時，機器人的應用程序必須有補償功能。
2)有定位補償?shù)母軛U式夾持器。這種夾持器的夾爪回轉銷軸可借助左右螺旋副平移其相對位置，所以通過調整螺旋可對不同直徑的物體保持中心位置不變。
3)平行移動式夾爪。當施以壓力P時，齒輪在下條上滾動，并以兩倍的移動
速度帶動上齒條移動，兩個齒條分別與兩個夾爪聯(lián)接。帶動夾爪平行地移動，起到夾持物件的作用。
2.2擬手指型執(zhí)行器
人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結構，就能制造出結構最優(yōu)的夾持器。但由于人手自由度較多，驅動和控制都十分復雜，所以到目前為止，只制造出了一些原理樣機，離工業(yè)應用還有一定差距。下面介紹幾種教有特色的擬手指型手抓。
1) UTACH/MIT手抓。它有4個手指，可實現(xiàn)對握，每個手指有3個曲伸關節(jié)和一個擺動關節(jié)，共16個自由度。各關節(jié)采用繩輪驅動，驅動器后置。由于拇指對置，所以4個手指不能實現(xiàn)并掌操作，即4個手指不能放在一側實現(xiàn)全握式的抓拿物體。
2) 3指手爪。第一指相當于拇指，只有一個曲伸關節(jié)，一個擺動關節(jié)和一個開合關節(jié)，其他兩指都有兩個曲伸關節(jié)，故共有11個自由度，也是驅動器后置。
3)雙拇指手爪。每個手指都有3個曲伸關節(jié)。其中，外面兩指有擺動和轉動
自由度，通過轉動，可以和中間指對置，也可與中指處于同側(并掌);中指無轉
動自由度，故該手共有14個自由度。該手可以抓取或握取物件，由于使用了超小型電機和減速器，實現(xiàn)了驅動器前置配置(即驅動器、減速器與手指配在一起)，
結構緊湊，可作為一個部件安裝于機器人的機械接口上。
2.3吸式執(zhí)行器
吸式執(zhí)行器是目前應用較多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬運機器人。該類執(zhí)行器可分磁吸和氣吸兩類。
1)磁吸式手爪。它利用電磁場力和袋裝可變形式磁粉，可以吸住具有任意表
面形狀的磁性物件。
2)氣吸式手爪。它下端有一個橡膠吸盤，上面有彈簧緩沖壓下裝置，靠吸盤
內腔的真空度吸住物件。形成真空的方法通常有兩種。一種靠真空泵，一種靠氣流形成負壓。前者工作可靠，吸盤結構簡單，但成本較高;后者只需壓力為0. 4MPa
的普通工業(yè)氣源，利用伯努利原理(文多利管)，在氣流高速噴射時即可形成所要
求的負壓，時吸盤吸住物體，因不需專用真空泵，故成本較低，目前應用較廣泛。
本課題所選擇的末端執(zhí)行機構為可以回轉的夾持器。通過法蘭盤與夾持器固聯(lián)，利用腕部和小臂的旋轉，以及外部的擺動帶動末端夾持器在空間做任意的運功。
3腕部設計
3.1手腕結構的選擇
Smart 6.50腕部的主要技術參數(shù)為：
自由度
3
最大持重
10Kg
Ⅰ 軸
±180°
144(°)/s
200N?m
Ⅱ 軸
±115°
136(°)/s
150N?m
Ⅲ 軸
±180°
138(°)/s
100N?m
本課題仿制Smart 6.50R 機器人的腕部進行設計，通用機器人的手腕是三自由度的，圖3.1是其傳動原理圖，關節(jié)配置形式為臂轉、腕擺、腕轉結構。其傳動鏈分成二部分，一部分在機器人小臂殼內，三個電機的輸出通過齒形帶傳動分別傳遞到同軸傳動的心軸、中間套、外套筒上。另一部分傳動鏈安排在手腕部。
（1）臂轉運動 臂部外套筒與手腕殼體通過端面法蘭聯(lián)結，外套筒直接帶動整個手腕旋轉完成臂轉運動。
（2）腕擺運動 臂部輸出的空心軸通過一組錐齒輪組（14）和一組同步齒形帶（12、13）以及諧波減速器（11）帶動固定在套筒上的端蓋一起擺動。
（3）手轉運動 如圖3.1,臂部心軸通過鍵聯(lián)結帶動錐齒輪組（3）轉動，然后通過同步齒形帶（4、6）帶動套筒的內部中心軸，中心軸的另一端通過一對錐齒輪組（9）傳動，帶動固定套筒（10）內部的中心軸端面的法蘭盤（8）轉動，實現(xiàn)法蘭盤的手轉運動。
圖3.1腕部系統(tǒng)傳動簡圖
3.2傳動裝置的運動和動力參數(shù)計算
3.2.1.選擇電機
假設手部的末端的持重是10Kg,腕心距機械輸出借口長度為200mm，腕轉的旋轉半徑為100mm.
Ⅰ 軸為腕轉運動
W1=144°180°x3.14 = 2.512rad/s
R=100mm
F = 10x10 =100N
T=F·R
P = F·R·W1=100x2.512x100=25.12W
η總=η錐2η聯(lián)η離η帶η諧
=0.952x0.8x0.95x0.99x0.98
=0.665
η離=0.98 η諧=0.80
η帶=0.95 η聯(lián)=0.99
η錐=0.95
所需電機功率
P電=P/η總
=25.12 /0.665
= 37.77W
Ⅱ 軸為腕擺運動
L=200mm F=100N
T=F·L
=20.0N·m
W2=136°180°x3.14
=2.372rad/s
P=T·W2
=47.44W
η總=η帶2η聯(lián)η離η錐η諧
=0.952x0.99x0.98x0.95x0.80
=0.665
所需電機功率為
P電=P/η總
=47.44/0.665
=671.33W
考慮到系統(tǒng)傳動過程中，同步齒形帶傳動所需的功率，以及要求腕部的結構要求緊湊，所以Ⅰ軸傳動所需電機5和Ⅱ軸傳動所需電機6如下：
型 號
功 率 (KW)
轉 速（r/min）
轉 矩
（N·m）
額定電流
（A）
額定電壓
（V）
ＴＹＳＺ－７５－６３ｓ
0.75
3000
2.4
3.08
220
ＴＹＳＺ－５５－６３ｓ
0.55
2000
2.3
2.2
220
3.2.2分配系統(tǒng)傳動比和動力參數(shù)的計算
Ⅰ 軸為腕轉運動
腕轉傳動系統(tǒng)的傳動比
末端法蘭盤的轉速ｎ法＝１44°ｘ６０３６０°＝22.67r/min
系統(tǒng)總的傳動臂為ｉ總＝200022.67＝88.22
?。橹C＝88.22
ｉ帶１＝1 ｉ錐１＝１ ｉ錐２＝１
電機6的輸出功率Ｐ１＝0.50Kw
帶輪5轉速ｎ5＝2000r/min
W5＝200060ｘ3.14＝104.67rad／s
Ｐ5＝Ｐ１η聯(lián)η離η錐
＝0.50ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99
＝0.460Kw
T5=9.55x1062000x0.460=2.20N·m
帶輪6轉速n6=n5=2000r/min
W6=W5=104.67rad/s
P6=P5η帶
=0.460x0.95
=0.437 Kw
T6=9.55x1062000x0.437=2.09N·m
腕轉軸Ⅰ軸
PⅠ=P6η諧η錐
=0.437x0.80x0.95
=0.332Kw
ｎⅠ=22.67r/min
WⅠ=1.186rad/s
TⅠ=9.55x10622.67x0.332
=139.85N·m
腕擺傳動系統(tǒng)的傳動比
末端套筒的轉速ｎ套＝１36°ｘ６０３６０°＝24r/min
系統(tǒng)總的傳動比為ｉ總＝300024＝125
?。橹C＝50 ｉ帶１＝2.5
ｉ錐１＝１ ｉ帶２＝１
電機５的輸出功率Ｐ１＝0.75Kw
帶輪３轉速ｎ3＝30002.5＝1200r/min
W３＝120060ｘ3.14＝62.8rad／s
Ｐ３＝Ｐ１η聯(lián)η離η錐η帶
＝0.75ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99ｘ0.95
＝0.656Kw
T3=9.55x1061200x0.656=5.22N·M
帶輪4轉速n4=n3=1200r/min
W4=ｗ３=62.8rad/s
P4=P3η帶
=0.656x0.95
=0.623Kw
T4=9.55x1061200x0.623=4.96N·m
腕擺軸Ⅱ軸
PⅠ=P4η諧
=0.623x0.80
=0.498Kw
ｎⅡ=24r/min
WⅡ=2.512rad/s
TⅡ=9.55x10624x0.498
=198N·m
Ⅰ軸腕轉運動
ｉ總＝200022.67＝88.22
?。橹C＝88.22 ｉ帶１＝1 ｉ錐１＝１ ｉ錐２＝１
腕擺傳動系統(tǒng)的傳動比
末端套筒的轉速ｎ套＝１36°ｘ６０３６０°＝24r/min
系統(tǒng)總的傳動比為ｉ總＝300024＝125
?。橹C＝50 ｉ帶１＝2.5
ｉ錐１＝１ ｉ帶２＝１
4錐齒輪設計
4.1確定錐齒輪的主要技術參數(shù)
錐齒輪組3的材料選用40Cr鋼，齒面硬度250～280HBS。
取m=2.5 Z1=Z2=40 δ1=δ2=45°
i=Z2Z1=1
d=m·z=90 mm d1=d2
錐距 R=12d12+d22 =63.64mm
ha=2.5 hf=3
da=d+2hacosδ=93.5mm
df=d-2hfcosδ=85.8mm
b=10mm
dm=d(1-0.5b/R)=83
cotθa=haR θa=2.7°
cotθf=hfR θf=3.2°
4.2輪齒的受力分析和強度計算
忽略齒面間摩擦力，把輪齒上的分布作用力合成為集中法向力Fn,在把分解為三個互相垂直的力Fn，即圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa。錐齒輪5的轉矩為T1，中點分度圓直徑為dm，可得：
Ft=2T1dm=328.7N
Fr=Fttanαcosδ=86.7N
Fa=Fttanαsinδ=86.7N
(T1=14.73N·m)
一般的直齒錐齒輪制造精度低，因而可以認為在嚙合過程中載荷僅由一對相嚙合的齒來承擔，故可以不考慮齒間載荷分配問題，即可以忽略重合度的影響，故載荷系數(shù)
K=KAKvKβ=1.88
KA=1.6 Kβ=1.15 Kv=1.02
直齒錐齒輪齒面接觸疲勞強度條件為
δH=ZHZE2KT1u2+1ubdm2(1-0.5?R)2=460 MPa
δF=2KT1bd1m(1-0.5?R)2)YFaYsa=367.9 MPa
δH=666.5MPa δH≤δH
δF=414 MPa δF≤δF
所以可知此齒輪組能夠滿足運動的要求。
錐齒輪組2的主要技術參數(shù)為
m=3 Z1=Z2=15 δ1=δ2=45°
i=Z2Z1=1
d=m·z=45mm d1=d2=d
錐距 R=12d12+d22 =31.8mm
ha=3.5 hf=4.2
da=d+2hacosδ=50mm
df=d-2hfcosδ=40mm
b=10mm
cotθa=haR θa=5.38°
cotθf=hfR θf=6.5°
5選擇帶輪和齒形帶
5.1帶輪的選擇
根據(jù)所搜集的資料，考慮到整個系統(tǒng)傳動的結構和傳動特性，依據(jù)圖3.2，
圖3.2
帶輪6的轉速 n6=2000r/min P6=0.437Kw
T6=0.209N·m
選擇梯形齒帶輪，帶輪型為L型，帶輪的結構為：
圖3.3
選擇帶選擇奇龍傳功公司生產輪型號為；
32L 050 AF 節(jié)距=9.525mm
Z=32 節(jié)徑 d= 97.02mm
外徑 do= 96.26mm 檔邊內徑 db=90mm
檔邊厚度 h=1.5mm 檔邊直徑 df=102mm
5.2齒形帶的設計
L型同步齒形帶的機構尺寸如圖 ，節(jié)距=9.525mm
帶輪5、6傳動的功率為：P=0.460Kw
主動軸轉速n5=2000r/min
從動軸轉速n6=2000r/min
傳動比i=1
設計功率Pd=KAP KA=1.5
Pd=1.5x0.46
=0.69Kw
節(jié)距Pb=9.525mm
帶輪齒數(shù) Z5=30 Z6=30
帶輪節(jié)圓直徑d1=Z5Pb3.14=91.0
d2=d1
速度V=d1n160x100x3.14=9.52m/s
初定軸間距 0.7(d2+d1)≤ a0≤2(d2+d1)
127.4≤ a0≤364
a0=200mm
確定帶長及齒數(shù)
Lp=2a0+π2(d2+d1)+d2+d1()24a0
=727mm
取標準值L0=723.9mm
節(jié)線長上齒數(shù)Z=80
實際軸間距a=a0+Lp-L02=201.55mm
小齒輪嚙合齒數(shù)Zm=Z52-Pb 20aZ5(Z6-Z5)=15
基本額定功率P0=(Ta-mv2)1000=0.2Kw
帶寬bs=bs01.14PbKsP0=24.5mm
基準寬度bs0=12.7mm
寬度帶上的需用拉力Ta=244.46N·m
嚙合齒數(shù)系數(shù)Ks=1
作用在軸上的力為Fr=1000Pdv=69N
同理得到同步帶輪 38L 050 AF
Z3=38 Z4=38
Z=38 節(jié)徑 d= 115.21mm
外徑 do= 114.45mm 檔邊內徑 db=103mm
檔邊厚度 h=1.5mm 檔邊直徑 df=123mm
同步齒形帶為a0=258mm Zm=19
V=7m/s
L0=876mm
節(jié)線上的齒數(shù)Z=104
p0=0.3kW
bs=25.4mm Fr=44.4N
6總結
經過幾周的綜合設計，我不僅充實利用以前所學的知識并得以鞏固，并得到更深層次的理解，而且使我將書本上的理論知識與實際設計研究過程有了一定的貫通，理解了實際設計研究和理論知識的差別。我通過自己的努力還學習很多以前沒有接觸過的知識，極大地擴展了知識面，同時也經歷了許多從點到面，從粗略到精準的過程。這些曲折對我的設計帶來了許多麻煩，尤其是查各種資料的煩瑣，但從中也體會到了做機械設計中嚴謹、細致的重要性，使我積累了不少經驗，這對我以后的工作和學習會有很大的幫助。
本次課設我從通用機器人的整體結構對機器人腕部進行了分析，綜合考慮了腕部的整體結構。首先確定機器人的整體結構參數(shù)，查找資料，以Smart 6.50R通用機器人為參考，在已有的技術資料的基礎上，通過分析，確定腕部的傳動系統(tǒng)，然后假設腕部末端的結構，確定腕部的輸出功率，然后計算出腕部所需的電機。在確定電機和傳動機構的基礎上，我對錐齒輪和傳動中所需的帶輪以及同步齒形帶進行了詳細設計，并且對它們進行了校核，確定所設計的腕部結構能夠配合機器人的其他結構進行噴漆動作。
最終通過認真計算分析后我認為我所設計的腕部是比較理想的，基本滿足預定的設計要求。
參考文獻
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[2] 成大先.機械設計圖冊 第五卷.第1版.北京：化學工業(yè)出版社.2004年
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[4] 毛昕等.畫法幾何及機械制圖.北京。第3版高等教育出版社.2004年
[5] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理.第7版.北京：高等教育出版社.2006年
30
目錄
1緒論 1
1.1機器人的組成 2
1.1.1驅動裝置 2
1.1.2控制系統(tǒng) 2
1.1.3執(zhí)行機構 2
1.2機器人分類 4
1.2.1按用途分類 4
1.2.2按控制形式分類 4
1.2.3按驅動方式分類 4
1.3腕部結構選形 5
1.3.1單自由度手腕 6
1.3.2兩自由度手腕 7
1.3.3三自由度手腕 8
1.3.4裝配機器人腕部結構選型 9
1.4機器人設計 11
2末端執(zhí)行器 12
2.1夾持器 12
2. 2擬手指型執(zhí)行器 13
2. 3吸式執(zhí)行器 13
3腕部設計 15
3.1手腕結構的選擇 15
3.2傳動裝置的運動和動力參數(shù)計算 17
3.2.1選擇電機 17
3.2.2分配系統(tǒng)傳動比和動力參數(shù)的設計 19
4錐齒輪設計 23
4．1確定錐齒輪的主要技術參數(shù) 23
4．2輪齒的受力分析和強度計算 24
5.選擇帶輪和齒形帶………….. 26
5.1帶輪的選擇 26
5.2齒形帶的設計 28
總結 31
參考文獻 32
2.3機械手手臂結構的設計
按照抓取工件的要求，車床上料機械手的手臂有三個自由度，及手臂的伸縮、左右回轉和降（或俯仰）運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動有氣缸來實現(xiàn)。
2.3.1機械手手臂設計要求
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的運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則；
1.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。
2.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。
3.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。
4.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、便于調整的軸承間隙調整機構。
5.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，這對減小電機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。
6.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。
2.3.2設計具體采用方案
機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質量達30KG，屬中型重量，同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。
因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。
同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。
2.4機械手腕部的結構設計
機器人的手臂運動（包括腰座的回轉運動），給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。
2.4.1機器人手腕結構的設計要求
1.機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。
2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。
3.機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。
4.機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。
5.要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。
6.手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。
2.4.2設計具體采用方案
通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結梁）結構見圖8。
圖8 車床上料機械手手指
2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計
2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求
機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。
搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。
加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。
測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。
在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問題；
1.機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。
2.機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結構緊湊。
3.機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結構上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產的還是那些結構簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結構復雜且造價昂貴。
4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化和積木化。
5.機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。
2.5.2機器人夾持器的運動和驅動方式
機器人夾持器及機器人手爪。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。
機器人夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種
1.氣動驅動方式這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。
2.電動驅動方式電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發(fā)熱。
3.液壓驅動方式液壓驅動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。
2.5.3機器人夾持器的典型結構
1.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。
2.滑槽式手爪
當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。
3.連桿杠桿式手爪
這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
4.齒輪齒條式手爪
這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。
5.平行杠桿式手爪
采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。
2.5.4設計具體采用方案
結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為80--130mm來設計。手爪的具體結構形式如圖9所示：
圖9 手爪的具體結構
2.6機械手的機械傳動機構的設計
2.6.1工業(yè)機器人傳動機構設計應注意的問題
機器人是由多級聯(lián)桿和關節(jié)組成的多自由度的空間運動機構。除直接驅動型機器人以外，機器人各聯(lián)桿及各關節(jié)的運動都是由驅動器經過各種機械傳動機構進行驅動的。機器人所采用的傳動機構與一般機械的傳動機構相類似。常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，應設計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應速度快、傳遞轉矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。
在設計機器人的傳動機構時要注意以下問題：
1.為了提高機器人的運動速度及控制精度，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小。
2.在傳動鏈及運動副中要采用間隙調整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。
3.系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應盡可能小，動摩擦力應是盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。
4.縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機構；絲杠的支承設計采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結構等。
5.選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。
6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。
7.適當?shù)淖枘岜?，機械零件產生共振時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在設計時要使傳動機構的阻尼合適。
2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構形式
1.齒輪傳動機構
在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。
機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設計的一些問題
齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動比應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而輸出則為低轉速，高轉矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉矩小，即在同一驅動功率時，其加速度響應最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.3 manipulator arm structure design
According to the requirement, lathe to grab workpiece material arm has three degrees of freedom of the manipulator arm, and adjustable, turning around and drop (or pitch) movement.Turn and lifting movement of the arm is realized by pillar, column the lateral movement known as the shifting arm. Different campaigns have cylinder arm to realize.
2.3.1 manipulator arm design requirements
The robotic arm role, it is in a certain load and a certain speed, realize the work required in robot in space sport. When designing the robotic arm, follow the following principles;
1. Should as far as possible make the robotic arm each joint axis parallel; Perpendicular axis should as far as possible fellowship in a bit, so can make the robot kinematics inverse robot control simplifies, helps.
2. The robotic arm structure size should satisfy the requirements of robots work space. Working space shapes and sizes and robot arm length, arm joint rotation range have close relationship. But the robotic arm end work space does not consider the space robot wrist gesture requirements, if robot wrist gesture to specific request, it can realize space arms ends to less than the above did not consider the wrist gesture work space.
3. In order to improve the robot movement speed and control accuracy, should keep the robotic arm have enough under the condition of the strength and stiffness, as far as possible on the structure, material manage to reduce the weight of his arm. Strive to choose high intensity of lightweight materials, usually choose high-strength aluminum alloy manufacture a robotic arm. At present, in a foreign country, is also studying with carbon fiber composite materials manufacturing robot arm. Carbon fiber composite materials tensile strength, high ant-vibration sex good, small proportion (its proportion of 1/4 quite to steel, equivalent to aluminum alloy 2/3), but it is expensive, and in the performance stability and manufacturing complex shape workpiece exist problems of technology, it is not in application in practical production. At present more effective method is to use the finite element method for the optimization design of the robotic arm structure. The intensity and stiffness in ensuring the required under the weight of his arm, reduce the robot.
4. The robot of each joint bearing clearance as small as possible, in order to reduce to mechanical clearance error motion caused. Therefore, the joints should have reliable operation, easy adjustment bearing clearance adjustment institutions.
5. The robot arm relative to rotate the joints should as far as possible under the weight of the balance, the mechanical load and enhance decreases the response speed of the robotic arm movement is very favorable. In the design of robot arm, should as far as possible use in the robot of mechanical and electronic components and devices installed the weight of robotic arm to reduce weight, the unbalanced balancing mechanism when necessary to balance design remnants of unbalanced weight arm.
6. The robotic arm on the structure to consider all the joints with certain limit switches and buffering mechanical set blocks, and driving device, transmission mechanism and other components installed.
2.3.2 Design specific using scheme
Manipulator arm (arm) vertical lifting and level of arm (forearm) for linear motion telescopic movement. Linear motion realization is generally pneumatic transmission, hydraulic transmission and motor drive the ball screw to achieve. Considering the weight of carrying workpieces larger, consider the machining quality reaches the 30KG, belong to medium weight of the manipulator, and considering the stability of the dynamic performance and movement of the arm, the stiffness of safety, have higher demand. Comprehensive consideration, two arms driver all choose hydraulic drive mode, through hydraulic cylinder of direct drive, hydraulic cylinder is drive component and executive moving parts, and not to design another executive pieces; And the hydraulic cylinder realizing linear motion control simple, easy to realize the computer control.
For hydraulic system can provide great motivation, so in driving force and structural strength are relatively easy to implement, and the key is manipulator of stability and stiffness of the sports meet. Therefore the arm hydraulic cylinder of design principle is the diameter of the cylinder made great point (in overall structure's permission), then a nuclear strength.
manipulator arm cannot too big, if only by increasing the hydraulic cylinder of cylinder size to increase stiffness, cannot satisfy the system is the rigidity requirement. Therefore, in the design of the additional guide-bar mechanism, forearm add two guide bar, and piston rod together constitute an equilateral triangle section form, try to increase its stiffness; Big arms add four guide bar, a positive quadrilateral layout, to reduce the quality, each guide bar adopts hollow structure. By adding a guide bar, can significantly improve the stability and stiffness of the manipulator movement, good solve structure, reliability problems.
2.4 structure design of robot wrist
Robot arm movement (including the waist of the seat, and gives the rotary motion) robot end actuators in its working space position, which the movement in the end of the installation of robotic arm, then gives the wrist robot end actuators in the motion of its working space gesture. CaoZuoJi robot wrist is the end of the robot, and the robotic arm with exercise, realize the end of installation of wrist of actuators space with movement trajectory posture, finish the homework action needed.
2.4.1 The robot wrist structure design requirements
1. Freedom of robot wrist readings, should according to assignments need to design. The more robot wrist freedom, the number of each joint Angle, the robot wrist the greater flexibility of the robot is higher, the adaptability also rightness homework more strong. However, the increase of freedom, also will make the wrist structure more complex, robot control more difficult, costs will increase. Therefore, the wrist of freedom, should according to actual operation degree is required to determine. In meet operational requirements of the premise, should make free degree as less. General robot wrist freedom for 2 to 3 degree, some needs more freedom, and some robot wrist don't need freedom, with only the movement by the arm and waist can achieve operational requirements of the task. Therefore, to the concrete analysis of multiple layouts, consider robot, sports scheme, choose the simplest satisfy the requirements of the plan.
2. Robot wrist installed in the end of robot arm robot wrist, in the design, should strive to reduce the weight and volume to compact structure. In order to reduce the weight of robot wrist, wrist institutions drive sperating transmission. Wrist drive general installation in the arm, and do not adopt direct drive, and choose high-strength aluminum alloy manufacture.
3. Robot wrist to and end actuators connected, accordingly, want to have the standard connection to facilitate the flange, structure of loading and unloading end actuators.
4. Robot wrist institutions should have enough strength and stiffness, strength and movement to ensure the relay.
5. To have reliable transmission gap adjusting mechanism, to minimize returned empty clearance, improve the transmission precision.
6. The wrist of each joint axis rotation to limited a switch, and set limit to prevent hard out-of-gauge cause mechanical damage.
2.4.2 design specific adopts plan
Through the nc machine tools for feeding and unloading operations, considering the concrete analysis of concrete form CNC machine processing and manipulator up-down material operations in the specific requirements, and technological requirements of meet the system under the premise of improving safety and reliability of the structure of the manipulator, to make as far as possible simple, reduce the difficulty of the design and control of freedom, not to increase his wrist proved it is fully meet operational requirements of the three degrees of freedom, to realize the up-down material completely enough machine. Specific wrist (arms PAWS coupling beam) structure see figure 8.
Figure 8 . Lathe feeding manipulator finger
2.5 manipulator actuators (PAWS) structure designing
2.5.1 manipulator actuator design requirements
Robot end actuator is installed on the robot wrist used for an operation or additional device homework. Robot end, many different kinds of actuators, in order to adapt to the different assignments and operation robot requirements. End actuators can be divided into move use, processing with with and measurement etc.
Move use end actuators refers to all clamping device used to grab or adsorption transported objects.
Processing with end actuators with gun, welding torch is milling cutter, grinding wheel, such as the robot machining tool, used for additional device corresponding processing work.
With end actuator is measured with the additional head or sensors measuring device used to measuring and test operations.
In design robot end actuators, should pay attention to the following questions;
1. The robot end actuator is designed according to the operation requirement robot. A new terminal actuators occurrence, can increase a robotic new application places. Accordingly, according to the needs of the homework with people and create a new robot imagination, will continue at actuators expansion of the application field of robot.
2. The weight of the robot end actuators to grab objects and the sum of weight and operating force the load force. The robot allow Therefore, request the end-effector actuators small volume, light weight, compact structure.
3. The end-effector actuators with specificity is universal sexual paradox. Universal end actuators on the structure is complex, and even harder to achieve, for example, the universal humanoid multisensory dexterous robot hand yet practional utilization. At present, can be used to produce or those simple structure, universal sex not strong robot end actuators. Starting from the industrial application, should focus on the development of special, efficient robot end actuators, plus end actuators, in order to achieve the fast changing device of function, the robot is not advocated homework with a universal end actuators to complete variety of homework. Because this kind of everything the implementation of the structure is complex and expensive.
4. Versatility and universal sex are two concepts, universal sex machine, and refers to the multi-energy refers to the end of generality, limited actuators, suitable for different robots, which requires the end actuators have standard machine interface (such as flange), make end actuators realizes standardization and blocks digestion.
5. The end-effector actuators to facilitate installation and maintenance, easy to realize the computer control. Use computer control the most convenient is electric type actuator. Therefore, the industrial robot actuators mainstream is electric type, followed by the hydraulic and pneumatic type (in driving interface to increase electricity - liquid or electricity - air transform link).
2.5.2 robot grippers sports and drive mode
Robot grippers and machine hand claw. General industrial machine hand for double refers to how claws, PAWS. According to finger movement way, can be divided into back transformation and mobile type, press clamping way to points, within the clip type and supporting type two kinds.
Robot grippers (PAWS) drive mode basically has 3 kinds
1. Pneumatic drive mode this drive system is by electromagnetic valve to control the movement direction of the PAWS, with air regulator to adjust its movement speed. The pneumatic drive system of lower prices, so pneumatic grippers are widely used in industry. In addition, because gas compressibility, contentious hands-on claw grab motion has certain compliant sex, it is very need to grab action.
2. Electric drive mode of electric drive PAWS application also more widely. The PAWS, generally USES the dc servo motor or stepping motor, and need to get enough gear reducer driving force and torque. Electric drive mode can realize the force PAWS with position control. But this cannot be used for driving way under the condition of a explosion-proof requirements, because motor may produce sparks and fever.
3. Hydraulic drive mode hydraulic drive system transmission can achieve great stiffness.wherever continuous position control.
2.5.3 The typical structure robot grippers
1. Leveraged wedge PAWS
Using wedge block and levers to realize the pine, open PAWS, come to grab workpiece.
2. Slide groove PAWS
When the pistons forward movement, sliding channel through the pin PAWS merger, pushing produce clamping action and clamping force, when the pistons backward motion, PAWS loosen. This trip is larger, PAWS switching to grab different sizes of the object.
3. Connecting rod leveraged PAWS
The PAWS in Detroit, connecting rod and leverage thrust PAWS produce clamped to relax) movement, because (the force-magnifying function, leverage the PAWS might produce larger clamping force. Usually use a combination of and the spring.
4. Rack-and pinion type PAWS
The PAWS through the pistons pushing rack, rack driving gear rotating, produce the clamping PAWS with loosen action.
5. Parallel leveraged PAWS
Adopt parallelogram frame, so there is no need to guide can guarantee to keep the two fingers PAWS with parallel movement, the parallel rails than PAWS friction move to smaller.
2.5.4 design specific adopts plan
Combined with concrete works, this design USES the connecting rod of lever PAWS. Driven by piston, piston rod ends move, the middle rack and rack is fan rack makes the fingers open or closed. The minimum opening finger by machining diameter to the setting. This design according to the workpiece diameter of 80-130mm to design. The concrete structure form PAWS shown as shown in figure 9:
Figure 9 The specific structure PAWS
2.6 manipulator mechanical transmission design
2.6.1 industrial robot transmission mechanism design problems should be paid attention to
Robot is by multistage league stem and joint space composed of multi-degree-of-freedom sports organization. In addition to direct drive robot, robot outside each league rod and exercise is of each joint by drive through all kinds of mechanical transmission mechanism driven. Robot adopted the transmission mechanism
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