关节型机器人腕部结构设计

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2 国内外研究现状及发展状况
2.1 研究现状
从机器人诞生到本世纪 80 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。 到 90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也 得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机 器人系统也有了长足的进展。下面将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路线 分述机器人的最新进展情况。
a. 水下机器人：美国的 AUSS、俄罗斯的 MT-88、法国的 EPAVLARD 等水下机器 人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、 以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remote operated vehicle）和无缆 水下机器人（autonomous under water vehicle）两大类。
b. 并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这 是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。 意大利 COMAU 公司，日本 FANUC 等公司已开发出了此类产品。
c. 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的 6 轴机器人发 展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面 更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些 领域的离线.北京：机械工业出版社，1998. 9、徐灏.机械设计手册.第二版.北京：机械工业出版社，2000. 10、成大先.机械设计手册.第 4 版. 北京：化学工业出版社，2002.
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关节型机器人腕部结构设计
摘要：为了提高生产效率和焊接质量，满足特定的工作要求，本题设计用于焊接的关节型机
关键词：自由度；焊接；手腕
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目录
1 前言………………………………………………………………………………1 1.1 机器人的含义………………………………………………………………………1 1.2 题目来源……………………………………………………………………………2 1.3 技术要求…………………………………………………………………………2 1.4 本题要解决的主要问题和设计思路……………………………………………2 2 国内外发展状况及现状的介绍……………………………………………………2 2.1 研究现状…………………………………………………………………………2 2.2 发展趋势…………………………………………………………………………4 3 总体方案论证…………………………………………………………………………5 3.1 机械结构类型的确定……………………………………………………………5 3.2 工作空间的确定……………………………………………………………………6 3.3 手腕结构的确定……………………………………………………………………7 3.4 基本参数的确定……………………………………………………………………8 4 手腕详细设计说明………………………………………………………………8 4.1 机器人驱动方案的分析和选择……………………………………………………8 4.2 手腕电机的选择………………………………………………………………9 4.3 传动比的确定………………………………………………………………9 4.4 传动比的分配………………………………………………………………10 4.5 齿轮的设计…………………………………………………………………10 4.6 轴的设计和校核……………………………………………………………18 4.7 夹持器的设计……………………………………………………………………23 4.8 壳体的设计……………………………………………………………………23 5 结论………………………………………………………………………………24 参考文献…………………………………………………………………………25
机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求 的外部设备组成。
1.1.1 操作机
操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下 列部分组成：
a.末端执行器 又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、 工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。
b. 空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、 加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国 NASA 的空间机器人 Sojanor 等。 Sljanor 是一辆自主移动车，重量为 11.5kg，尺寸 630~48mm，有 6 个车轮，它在火 星上的成功应用，引起了全球的广泛关 注。
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1 前言
1.1 机器人的概念 机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的
机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的 工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、 工具的操作机”。英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标 准 GB/T12643-90 将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、 多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。 而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它 操作的机械装置”。
d. 机座 有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基 础部件。可分固定式和移动式两类。
1.1.2 驱动单元
它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运 动的装置。
1.1.3 控制装置
它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按 规定的要求动作。
b. 手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执 行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有 2～3 个回转自由度以调整末端执行器的 姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。
c. 手臂 它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕 和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂 与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。
学科门类：
单位代码 ：
毕业设计说明书（论文）
关节型机器人腕部结构设计
学生姓名
所学专业
班
级
学
号
指导教师
XXXXXXXXX 系
二 ○ **年 XX 月
任务书
一、设计内容
题目来源于生产实际。设计一个用于焊接的关节型机器人，进行机器人的总体 方案设计、腕部及执行器结构设计及其零件设计。
二、设计依据
焊接关节型机器人具有六个自由度，腰关节回转，臂关节俯仰，肘关节俯仰， 腕关节仰腕、摆腕和旋腕，腕部最大负荷 4kg，最大速度 2m/s，最大工作空间半径 1500mm。
根据设计要达到以下要求 a. 工作可靠，结构简单； b. 装卸方便，便于维修、调整； c. 尽量使用通用件，以便降低制造成本。
1.4 本题要解决的主要问题及设计总体思路
本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，力求手腕部件的结构紧凑，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. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将 3 个驱动器安置在小臂的后端。 b. 提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于 分离传动采用传动轴。 c. 驱动电机 1 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体 上作偏摆运动。电机 2 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实现手腕 的上下摆动。电机 3 经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的 回转运动。
c. 核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、 重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。 已完成的典型系统，如美国 ORML 基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂 操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的 C7 灵巧手等
e. 网络通信功能：日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公司的最新机器人控制器已实现 了与 Canbus、Profibus 总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络 化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。
f. 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系 统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性 MTBF 一般为几千小时，而现在 已达到 5 万小时，几乎可以满足任何场合的需求。
1.1.4 人工智能系统
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它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。
1.2 题目来源
本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计 及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于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，实现焊接生产操作 的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率、实现生产过程自动化、改善劳动条件。 1.3 技术要求
d. 地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两大 类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信 及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大 型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。
2.1.1 工业机器人
工业机器人技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的技术为 基础融合而成的一种系统技术。
a. 机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运 用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国 KUKA 公司为代表的机器人公司，已将 机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝 合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的 RV 减速器及交流伺服 电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。