BY6机器人腕部结构设计与分析
南京理工大学硕士学位论文BY-6机器人腕部结构设计与分析姓名：干秦湘申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：韩军;魏政平20060306ｒ南京理工大学工程硕士学位论文ＢＹ一６机器人腕部结构设计与分析而且大，电机多布置在臂的后端，以减少臂的尺寸和前部重量，并与减速器一起对小臂起平衡作用。
如图２．７所示，我选用：电机可布置在臂的空腔中。
２．７机器人运动仿真根据以上的基础理论，我们就可以将机器人模型的概念设计进行仿真，达到设计细化、设计验证、试验规划和工作状态再现的目的。
由于该机器人的主要功能是抓持物体并实现堆垛、码放的功能，‘所以将其一种典型工作状态（移动并抓取物体）为例子进行仿真。
２．７．１建立虚拟样机模型（１）设置连杆根据ＡＤＡＭＳ求解器的要求，所有的部件都要被设置为连杆（ＬＩＮＫＳ），以使零件的信息被建立在方程中。
用户可以自己定义物体的质量、惯量、惯性矩、初始化平移速率和初始化旋转速率，也可以使用系统自动计算值。
我在这里使用系统的自动计算值例。
设置结果如图２．８所示：图２．８设置连扦（２）机构约束连杆建立之后，需要通过各种约束限制构件之间的相对运动，并依次将不同的构件连接起来组成一个机械系统。
如果没有约束，系统在进行仿真的时候就得不到正确的结果。
ＡＤＡＭＳ可以处理以下４种类型的约束：常用运动副约束，如：转动副，棱柱副等。
指定约束方向，即：限制某个运动方向，例如：限制一个构件总是沿平行与另一个构件的方向运动。
南京厘工大学工稃硕十学使论文ＢＹ－６机器人臃部结构设计与分析接触约束，定义两构件在运动中发生接触时，是如何相互约束的·约束运动，例如：规定一个构件遵循某个时间函数按指定的轨迹规律运动。
ＡＤＡＭＳ提供了１０种常用的运动副工具。
它们是：铰链副，约束２个旋转３个移动自由度棱柱副，约束３个旋转２个移动自由度圆柱副，约束２个旋转２个移动自由度球行副，约束３个移动自由度平面副，约束２个旋转１个移动自由度万向节副，约束１个旋转３个移动自由度螺旋副，约束２个旋转３个移动自由度固定副，约束３个旋转３个移动自由度齿轮副，由铰链副和棱柱副组成关哦副，由多个运动副组成按机构零件间关系约束，结果如图２．９所示：图２．９机构零件问关系约束如果没有约束，那么仿真的时候就会坍塌，如图２。
ｌＯ所示，仿真错误：ｒ南京理Ｔ大学Ｔ程硕士学位论文ＢＹ＿６机器人腕部结掏设计与分析图２．１０没有约束的仿真（３）施加载荷／运动驱动ＡＤＡＭＳ可以输入４种类型的力：作用力，柔性连接力，特殊力（如重力），和接触力。
在定义力的时候要说明是力还是力矩、力的作用构件和作用点，力的大小和方向。
同定义运动相似，在输入力值的时候，ＡＤＡＭＳ提供了３种输入力值的方法：直接输入力或力矩值；输入ＡＤＡＭＳ提供的函数：输入子程序的传递函数根据设计研究的不同要求，可以输入不同的驱动方式。
为了表现出６自由度机器人的灵活性，我选择了一种所有关节都活动的轨迹作为典型方案来进行仿真瞄】。
设定的运动副驱动如图２．１１所示：图２．１１设定的运动副驱动其中Ｓ轴的运动驱动设置如图２．１２：甫京理工大学Ｔ程磺＋警位建文８ｙ－＇６机器凡藐瓤结掏瑷爷与分析图２．１２其中Ｓ轴的运动驱动设置其他各轴的运动驱动设置与Ｓ轴类似。
Ｌ轴：６０。
／ｓｕ轴：９０。
／ｓＲ轴：４５。
／ｓＢ轴：１２０。
／ＳＴ轴：４５。
／ｓ２．７．２进行仿真选择仿真时间为１秒，步长为１００步。
按确定开始解算。
如图２．１３所示；图２．１３选择仿真时问轨迹追踪如图２．１４所示第３０页图２．１４轨迹追踪该机器人的运动轨迹基本上为一条弧线，预示了它将有一个比较小的速度同时有比较大的法向加速度［２６１。
机器人末端部分的速度、加速度如图２．１５所示：∞仉∞∞８∞．∞∞７∞．㈣６０仉Ｏ∞Ｏ５∞．Ⅲ枷．蝴∞ｍ蝴２∞．蝴１∞．Ⅲ乱ＯＯ∞栅■事莉堪度一∥∥”……’”飞～～．、、～匡互西五巫∞∞Ｉ［ｅｃ．ｈａｎｌ枷Ｓｔｅｐ３ＢＹ一６机器人腕部结构分析３．１腕部结构分析３．１．１选择零件一般的设计计算应该选择系统最薄弱的地方进行。
而腕关节基座（Ｗｒｉｓｔｂａｓｅ）是这个机器人当中比较关键的部分。
它是机器人腕关节和Ｌ轴臂、Ｕ轴臂联系的唯一零件。
它的形状虽然不是很复杂，但是处在机器人的远端，是速度／加速度最大的地方，受到的惯性力是整个机构中最大的。
而且它既能绕ｘ轴旋转，也能绕Ｙ轴旋转，力的分布情况十分复杂。
所以我选择用腕关节基座（Ｗｒｉｓｔｂａｓｅ）来进行分析Ｄ”。
腕关节基座（Ｗｒｉｓｔｂａｓｅ）所处的位置如图３．１所示：图３．１腕关节基座（Ｗｒｉｓｔｂａｓｅ）所处的位置腕关节基座（Ｗｒｉｓｔｂａｓｅ）的着色图，如图３．２所示：图３．２腕关节基座（ｗｒｉｓｔｂａｓｅ）的着色图３．１．２受力分析１．零件所受的力根据ｕＧ的质量属性功能，采用体积近似计算法，得出整个腕关节部分的自重为２６００９。
另外抓举物体的设计质量为４ｋｇ，所以：Ｍ＝２６００＋４０００＝６６００９若取安全系数为３，则零件所受的力：ＦＡ＝３×Ｍｇ＝３×６．６×ＩＯ＝－２００Ｎ２．零件所受的扭矩：根据动力学仿真的结果，要使机器人的腕关节得以自主运动，至少需要２Ｎ·Ｍ的扭矩。
而抓举物体又会对腕关节基座（Ｗｒｉｓｔｂａｓｅ）产生一定的力偶：Ｔｌ＝４ｋｇ×２００ｍｍ＝８Ｎ·Ｍ所以：Ｔ＝ＴＩ＋２Ｎ·Ｍ＝ＩＯＮ·Ｍ若取安全系数为３，零件所受的扭矩：ＴＡ＝３×Ｔ＝３０Ｎ·Ｍ３．１．３载荷分析１、力的加载如图３．３所示，当腕关节自然下垂时，所有力的载荷都施加在最薄图３．３腕关节载荷南京理工大学Ｔ程硕＋学位论文ＢＹ一６机器人腕部结构设计与分析弱的地方。
又因为腕关节基座是通过轴承固定的，所以力应以轴承载荷加在边界上。
另一边属于对称情形，所以和正面进行相同的加载旧。
２、扭矩的加载腕关节基座用于转动的扭矩是由腕关节基座（Ｗｒｉｓｔｂａｓｅ）中的５个传动螺栓传递的。
所以这些扭矩的加载应以力的形式作用在这５个传动孔中。
传动孔中心与中心轴的距离为７．５ｍｍ，所以每个传动孔所受的力应为：Ｆ＝３０Ｎ·Ｍ÷５÷７．５ｍｍ＝８００Ｎ加载形式仍然为轴承载荷，注意力的方向应该与传动孔中心到中心轴方向垂直，并且成逆时针方向。
如图３．４所示：图３．４扭矩的加载３．Ｉ．４边界条件设置以上力及扭矩的加载已经十分类同工作状态了，但是用有限元法还不能直接进行计算，这会使方程产生奇异性，使方程发散而无法得出结果。
因此还须加上边界条件进行固定。
在实际情况中，腕关节基座（Ｗｒｉｓｔｂａｓｅ）是由一对轴承定位的，但是这将和前面力的加载产生矛盾ｆ３３】。
如图３．５所示。
部结构设计与分析图３．５边界条件设置根据作用力和反作用力的原理，我将本来是传递力的螺拴固定，也可以产生同样的效果。
ｒ３·Ｌ５网格划分划分网格本身就是有限元理论的一个重要方面。
网格的形状和细致程度将直接影响到求解的速度和精度。
一般来说网格越密，需要求解的时间就也越长。
为了能够进行对比，我将采用三维四面体网格，同时进行粗，细两种网格的划分来进行比较。
如图３．６、３．７所示；图３．６划分网格全局单元尺寸大小：ｌＯ唧划分方法：中节点：最大雅可比矩阵值：曲面网格大小变化：体积网格大小变化：网格中的单元数网格中的节点数顺序划分混合２０５０％５０％３０７５５６２４图３．７划分细网格全局单元尺寸大小：５ｍ划分方法：顺序划分中节点：混合最大雅可比矩阵值：２０曲面网格大小变化：５０９６体积网格大小变化：５０９６网格中的单元数１３２１５网格中的节点数２１５２４如图３．７所示；我们可以发现，单元尺寸仅仅从１０咖缩小为５ｍｍ，网格中的单元数便从粗网格的３０７５个增加到了细网格的１３２１５个；网格中的节点数从粗网格的５６２４个增加到了细网格的２１５２４个。
都增加了４倍左右。
因此可以得知细网格的计算时间也将是粗网格的４倍【蚓。
图３．８租网格光顺情况的应力云图从图３．８我们可以看出，粗网格划分法所得出的最大应力为５３．６４Ｍｐａ，最小应力约为０．ｉＭｐａ。
其中应力较大的部分（应力云图色彩靠近红色端的部分），基本集中在５个传动孔之间，而且都大于２０Ｍｐａ，说明腕关节上下摆动时传递的应力是相当大的。
固定该基座而产生的轴承力所引起的应力反而不大，基本上小于２０Ｍｐａ。
这些应力远小于材料的许用应力，所以该零件的强度是符合要求的ｐ”。
细网格光顺情况的应力云图如图３．９：图３．９细网格光顺情况的应力云图从图３．９我们可以看出，和粗网格划分法所得出的结果有所不同的是，细网格划分法所得的最大应力为５５．８Ｍｐａ，最小应力约为０．０５Ｍｐａ。
其中应力较大的部分和粗网格划分法的结果相同，都集中在５个传动孔之间，而且都大于２０Ｍｐａ。
固定基座的轴承反力也基本相同，大约２０ｂｌｐａ。
和粗网格划分法的结果一样，这些应力远小于材料的许用应力，所以根据细网格划分的方法该零件的强度也是符合要求的。
粗网格的应力单元值如图３．１０：显示了以粗网格形式表现的每个单元的计算结果。
ｒ果。
图３．１０租网格形式表现的每个单元的计算结果细网格的应力单元值如图３．１ｌ：显示了以粗网格形式表现的每个单元的计算结图３．１１细网格的应力单元值粗网格的等曲面应力值如图３．１２：结构设计与分析图３．１２粗网格划分的情况下的等曲面应力值图３．１２显示了在租网格划分的情况下的等曲面应力值。
这有助于了解零件内部的受力情况。
细网格的等曲面应力值如图３．１３：显示了在细网格划分的情况下的等曲面应力值。
相比粗网格划分的结果，细网格更加精密和细致．法。
图３．１３细网格划分的情况下的等曲面应力值粗网格的轮廓线应力值如图３．１４，这是等曲面应力值的曲面去填充色的表示图３．１４粗网格划分下的轮廓线应力值细网格的轮廓线应力值如图３．１５：ｒ３．２．２位移分析图３．１５细网格的轮廓线应力值粗网格的位移云图如图３．１６：图３．１６粗网格的位移云图用有限元法同样也可以计算出各个单元点位移的情况。
图３．１６表示了在粗网格划分方法下的位移计算情况。
最大的位移是２．８７微米，位置在线条指示处。
可以发现，所受应力最大的部分不是变形最大的地方。
说明该点的载荷产生的影响较大ｌ蚓。
细网格的位移云图如图３．１７．细网格计算的结果与粗网格十分类似，最大位移为３．２微米，位置相同。
图３．１７细网格的位移云图租网格的等曲面位移云图如图３．１８：图３．１８等曲面位移云图通过图３．１８等曲面位移云图，我们可以清楚地发现，变形呈马鞍面分布，基本没有影响到关键的中心输出轴。
所以这个设计是成功的【３７ｌ。
图３．１９所显示的细网格的等曲面位移云图和粗网格的等曲面位移云图几乎完全一样，只是更加细致一些。
工业机器人腕部结构设计 ppt课件
-----驱动部分
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1
目录
一、工业机器人补充资料 二、工业机器人驱动机构 三、工业机器人传动机构
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2
一 、工业机器人补充资料
• 1、自由度
• 2、精度：工业机器人精度是指定位精度和 重复定位精度。定位精度是指机器人手部 实际到达位置与目标位置之间的差异。重 复定位精度是指机器人重复定位其手部于 同一目标位置的能力，可以用标准偏差这 个统计量来表示，它是衡量一列误差值的 密集度，如下图示
气缸的精确位置很难。因此气动装置通常仅用于插入操作 或1/2自由度关节上； • 结构简单，安全可靠，价格便宜；
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液压驱动与气压驱动之对比
液压驱动 • 适于搬运较重的物体 • 不适于高速移动 • 适于确定高精度位置
气压驱动 • 适于搬运较轻的物体 • 适于高速移动 • 不适于确定高精度位置
优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好 （启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。
缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换， 噪音比交流电机大。
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交流电机驱动
AC servomotor
1. 工作原理
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同步电机：定子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子 磁场速度相同。
4.交流电机的控制方式
改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。
伺服电机的精度由编码器的精度决定。
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步进电机驱动
步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控 制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开 环控制，所以精度不高。
第3章3.3 机器人腕部结构
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3.3 机器人腕部结构 3 三自由度手腕
2) 1齿.轮1 链工轮业传机动器三人自由的度基腕本部概念
俯仰 偏转
回转
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❖ 结构特点： ▪ 该机构为 由齿轮、 链轮传动 实现的偏 转、俯仰 和回转三 个自由度 运动的手 腕结构。
轴主动
行星运动
齿轮固 定不动
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3.3 机器人腕部结构
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2 二自由度手腕
俯仰 1.1 工业机器人的基本概念❖思考?
▪ 图中所示的情况，当 S轴不输入，只有B轴 输入时，腕部存在哪
些运动，为什么？
回转
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
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3.3 机器人腕部结构
3 三自由度手腕
6
3.3 机器人腕部结构
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2 腕部的转动
滚转1：.能1 实工现业36机0°器无人障的碍基旋本转的概关念节运动，通常用R来标记。
弯转：转动角度一般小于360°。弯转通常用B来标记。
滚转可以实现腕部的旋转；弯转可以实现腕部的弯曲
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3.3 机器人腕部结构
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3.3.2
1 单1.自1由工度业腕机部器人的基本概念
俯仰
偏转
回转
齿轮链轮传动三自由度手腕原理图
1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴T；7—传动轴S；8—腕架；9—行星架；10、11、22、24—圆
38 柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴；21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B
工业机器人腕部结构分类、结构特点PPT共26页
工业机器人设计
腕部结构特点
• 手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主 要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手 部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围， 并使机械手变的更灵巧，适应性更强。一般机 械手手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动 即可满足工作要求。目前，应用最为广泛的手 腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结 构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 270。）,并且要求严格密封，否则就难保证稳 定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况 下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
(2)远距离传动手腕，图中所示是一种远距离传动的RBR手腕。Ⅲ
轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。Ⅱ轴的转动使手 腕获得俯仰运动，即第二个B关节运动。I轴的转动即第三个R关节 运动。当c轴一离开纸平面后，RBR手腕便在三个自由度轴上输出 RPY运动。这种远距离传动的好处是可以把尺寸、重量都较大的驱 动源放在远离手腕处，有时放在手臂的后端作平衡重量用，不仅减 轻手腕的整体质量，而且改善了机器人整体结构的平衡性。
首先要考虑电源和电动机的调速控制装置等的 组成。
• a、电源 电源为驱动电动机提供电能，电动机 将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或 直接驱动车门机构。目前，应用最广泛的电源 是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展， 铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢， 寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发 展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、 燃料电池、飞轮电池等。
2.按驱动方式分类
(1)直接驱动手腕。
手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧凑， 可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司的 一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、 M2 、M3是液压马达,直接驱动手腕的偏转、俯仰和翻转 三个自由度轴。这种直接驱动手腕的关键是能否选到 尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动电 机或液压驱动马达。
工业机器人腕部结构分类、结构特点-25页精选文档
• 液压缸按其作用方式的不同，分为单作用 式和双作用式两大类。单作用液压缸只利 用液压力推动向一个方向运动，而反向运 动则依靠重力、弹簧力等来实现；双作用 缸正反向的运动都依靠液压力推动来实现。 如果采用液压缸来驱动，则可以实现机械 手的多方位运动。
3．双回转油缸驱动手腕 ：
• 结构特点： – 采用双回转油缸驱动，一个带动手 腕作俯仰运动，另一个油缸带动手 腕作回转运动。 – V-V视图表示的回转缸中动片带动 回转油缸的刚体，定片与固定中心 轴联结实现俯仰运动；L-L视图表示 回转缸中动片与回转中心轴联结， 定片与油缸缸体联结实现回转运动。
• b、驱动电动机 驱动电动机的作用是将电源的 电能转化为机械能，通过传动装直接驱动车轮
和工作装置。目前汽车上广泛采用直流串激电 动机，这种电机具有"软"的机械特性，串激电 动机负载的大小对电动机的转速影响较大,当 负载转矩较大时电动机的转速较低,当负载轻 时,转速又升高；还有一个优点就是启动时的 励磁电流大，所以与汽车的行驶特性非常相符。
为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实 现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、 俯仰和偏转三个自由度，如下图所示。
通常也把手腕的翻转叫做Roll，用R表示：把手腕 的俯仰叫做Pitch，用P表示，把手腕的偏转叫做Yaw， 用Y表示。下图手腕就可实现RPY运动。
腕部结构特点
• 手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主 要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手 部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围， 并使机械手变的更灵巧，适应性更强。一般机 械手手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动 即可满足工作要求。目前，应用最为广泛的手 腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结 构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 270。）,并且要求严格密封，否则就难保证稳 定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况 下，采用齿条传动或链对于高温作业和腐 蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计 时应充分估计环境对腕部的不良影响比如 热膨胀、压力油的粘度和燃点，有关材料 及电控元件的耐热性等。
任务二机器人的手腕结构课件
• 机器人手腕结构的应用与发展趋势 • 机器人手腕结构的优化与创新设计
CHAPTER 01
机器人手腕结构概述
手腕结构的重要性
提高机器人的灵活性
提升机器人的工作效率
手腕结构可以使机器人更准确地控制 末端执行器的姿态和位置，实现更加 精细和复杂的操作。
手腕结构可以扩大机器人的工作范围， 使其能够到达更远的空间位置，提高 工作效率。
详细描述
柔性手腕具有较好的柔性和顺应性，可以适应各种不同的工作需求。由于其结构简单，重量较轻，转动惯量较小， 响应速度快。但是，柔性手腕的刚度较低，承载能力有限，通常用于轻量级、对精度要求不高的机器人中。此外， 柔性手腕的设计需要考虑材料的力学性能和机构的稳定性。
多关节型手腕
总结词
多关节型手腕是一种复杂的手腕结构，由多个关节组 成，可以实现多自由度的运动。
详细描述
机械臂型手腕具有较高的刚度和承载能力，可以用于重负载、高精度的机器人中。由于 其结构复杂，机械臂型手腕的转动惯量较大，响应速度较慢。但是，通过优化设计，可 以减小转动惯量，提高响应速度。此外，机械臂型手腕还可以通过改变关节长度和连杆
结构来实现不同的运动轨迹和姿态。
柔性手腕
总结词
柔性手腕是一种特殊的手腕结构，通过柔性材料或机构实现弯曲和扭转。
机器人手腕结构的应用与发展趋势
工业机器人
工业机器人是手腕结构应用的主要领域之一，它们在生产线上的装配、焊接、搬运 等任务中发挥着重要作用。
工业机器人的手腕结构通常采用关节式或滑槽式设计，具有较高的自由度和灵活性， 能够完成各种复杂的动作。
随着工业自动化的发展，工业机器人将在智能制造、柔性制造等领域发挥更大的作用。
六轴机器人手腕部分的机械结构
六轴机器人手腕部分的机械结构机器人手腕部分是六轴机器人的重要组成部分，它负责控制末端执行器的运动和姿态调整。
机器人手腕通常由几个关节构成，这些关节通过连接杆件和传动装置相互连接，以实现各种运动方式。
机器人手腕的机械结构设计需考虑以下几个方面：关节设计、传动装置、连接杆件和末端执行器。
关节设计是机器人手腕机械结构的核心。
关节的设计应满足机器人运动的要求，包括旋转、倾斜等多种运动方式。
常见的关节设计有球形关节和旋转关节。
球形关节能够实现多个自由度的运动，而旋转关节主要用于单一轴的旋转运动。
传动装置是机器人手腕机械结构的重要组成部分。
传动装置通常采用齿轮、皮带或链条等传动方式，以实现关节的运动。
传动装置应具有高精度、低摩擦和高刚度等特性，以确保机器人手腕的运动精度和稳定性。
连接杆件是机器人手腕机械结构的连接部分，它们连接关节和末端执行器。
连接杆件通常采用刚性材料，如金属或碳纤维复合材料，以确保机器人手腕的刚性和稳定性。
此外，连接杆件的设计应考虑重量和结构强度的平衡，以提高机器人手腕的运动效率和负载能力。
末端执行器是机器人手腕机械结构的重要组成部分。
末端执行器通常是机械手或夹具，用于完成具体的操作任务。
末端执行器的设计应根据具体的应用需求进行，可以是多指夹具、吸盘、焊枪等。
末端执行器的设计要考虑负载能力、精度和稳定性等因素，以确保机器人手腕的工作效果和安全性。
六轴机器人手腕部分的机械结构设计是一个复杂而关键的环节。
它需要考虑关节设计、传动装置、连接杆件和末端执行器等多个方面，以实现机器人手腕的高精度、高效率和高负载能力。
只有合理设计和优化的机械结构，才能确保机器人手腕的正常运行和稳定工作。
六自由度机器人结构设计
六自由度机器人结构设计六自由度机器人是一种具有六个独立自由度的机器人系统，允许其在六个不同的方向上进行平移和旋转运动。
这种机器人系统被广泛应用于工业自动化、医疗、航天航空等领域。
在设计六自由度机器人结构时，需要考虑机器人的运动灵活性、精度和稳定性等因素。
本文将探讨六自由度机器人的结构设计。
1.机械结构设计六自由度机器人的机械结构设计是其最基本的设计要素之一、一般而言，六自由度机器人由底座、连接杆、关节和末端执行器等部分组成。
在设计机械结构时，需要考虑机器人的工作空间要求、重量和刚度等因素。
一种常见的结构设计是将机器人分为两个连杆外部结构和四个内部关节连杆结构，以实现较高的精度和稳定性。
2.关节传动系统设计关节传动系统是六自由度机器人结构中的核心组成部分。
六自由度机器人通常使用直流电动机或步进电动机作为驱动器。
在选择驱动器时，需要考虑其扭矩、精度和响应速度等因素。
同时，传动系统也需要选择合适的减速器、链条或齿轮传动等机械传动装置来实现关节的运动。
3.传感器系统设计传感器系统是六自由度机器人结构中的关键部分，用于实现机器人对外部环境和自身状态的感知。
常用的传感器包括编码器、力/力矩传感器、视觉传感器等。
编码器可用于测量关节的位置和速度，力/力矩传感器用于感知机器人对外部环境的力或力矩作用，视觉传感器用于感知机器人周围的物体和环境。
传感器系统设计需要考虑传感器的精度、可靠性和与其他系统的配合等因素。
4.控制系统设计控制系统设计是六自由度机器人的关键环节，用于实现机器人的运动控制和路径规划。
控制系统通常采用计算机或嵌入式系统来实现。
在控制系统设计时，需要考虑机器人的动力学和运动学模型，以及相应的控制算法和控制器设计。
常见的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等。
5.安全系统设计安全系统设计是六自由度机器人结构设计的重要组成部分，用于保证机器人的运行安全。
安全系统设计包括安全门、急停按钮、碰撞检测装置等。
六自由度机器人腕部设计
机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机器人在很多领域都得到广泛应用。
机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志，因而受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用。
本文的主要任务和要解决的问题，是设计一台六自由度的机器人，在已有的技术资料的基础上，通过分析，确定腕部的传动系统，然后假设腕部末端的结构，确定腕部的输出功率，然后计算出腕部所需的电机。
在确定电机和传动机构的基础上，对锥齿轮和传动中所需的带轮以及同步齿形带进行设计，并且对它们进行校核，确定所设计的腕部结构能够配合机器人的其他结构进行喷漆动作。
并用CAD软件完成从建模到运动学分析、应力分析的全过程。
需要全面理解机械原理、机械设计、机械系统设计以及CAD制图标准等相关的知识，并考虑其可靠性、实用性、经济性等性能。
本课设在已有理论基础上，针对以往研究的不足，根据实际使用要求，确定采用六自由度的关节型机器人结构方案;由于机器人结构复杂，构件繁多，需要用高端软件配合进行建模，装配的工作，而我们现有的材料相当有限，所以本课设只是设计了机器人的腕部结构;并采用CAD绘制了其装备和零件图，并对其中某些零件的强度进行了校核，使腕部的整体结构能够满足工作的要求。
关键词:机器人腕部1绪论 (1)1.1机器人的组成 (2)1.1.1驱动装置 (2)1.1.2控制系统 (2)1.1.3执行机构 (2)1.2机器人分类 (4)1.2.1按用途分类 (4)1.2.2按控制形式分类 (4)1.2.3按驱动方式分类 (4)1.3腕部结构选形 (5)1.3.1单自由度手腕 (6)1.3.2两自由度手腕 (7)1.3.3三自由度手腕 (8)1.3.4装配机器人腕部结构选型 (9)1.4机器人设计 (11)2末端执行器 (12)2.1夹持器 (12)2. 2拟手指型执行器 (13)2. 3吸式执行器 (13)3腕部设计 (15)3.1手腕结构的选择 (15)3.2传动装置的运动和动力参数计算 (17)3.2.1选择电机 (17)3.2.2分配系统传动比和动力参数的设计 (19)4锥齿轮设计 (23)4．1确定锥齿轮的主要技术参数 (23)4．2轮齿的受力分析和强度计算 (24)5.选择带轮和齿形带.............. .. (26)5.1带轮的选择 (26)5.2齿形带的设计 (28)总结 (31)参考文献 (32)1绪论机器人是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造中的一个重要组成部分。
机器人腕部结构
k定义:腕跚是臂跚和手部的连接件，起支承手跚相改变手部姿态的作用。
2、手U的自由度：■为了便手貉能处于空ranfn向，要求腕册能实现对空间三个坐林轴X、Y、Z的废转运动。
迪便是腕笳运动的三个自由度，分别称为制转R(Roll)、ffin P ( Pitch ) 和19 转Y(Yaw)o■并不是所有的手腕邵必须具笛三f自由度，而是根据实际便用的工作性能要求来确定。
手腕的PDWI 手腕的回转3、手H的披廿要*■结构紧凑、虫量轻；■朋作灵活、平稳，定EH青度高；■强8L啊度高；■与臂册及手部的连接81位的合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。
4、手H的分类(门二自由度手H：可以由一个R关节相一fB关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现, 但不能由两个RR关节构戒二自由度手腕，因为两个R关节的功能是車复的，实际上只起到单自由度的作用。
翻转（c）RR手腕（属于单自由厦）（2 ）三自由度手Rh有R £节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型氏，实观甜转、備仰和備转血能。
BBR手腕BRR手腕5. 按手ji的烟动方式分：■直接駆动手Ji：■驰动澹宜接芸在手腕上。
逹种直接驱动手腕的关址是能否设岀尺寸小、車量轻而驱动扭拒夫、驰动性能好的驱动电机或液压马达。
■传动手阖：■有时为了保证貝有足昭大的驰朋力，驱动装置Q不能做得足够小，冋时也为了廠轻手腕的車量，采用远卽离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。
220-偏钱浪压肓接駆动BBR手腕图例远即离传动手腕图例6、典里结构（D g动浪压H 压缸）：■结枳■由缸体、用板、叶片、花邃套等壬要跚件构戒。
貝中叶片7固定在转子上，用花键将转子与驱朋轴连接，用螺栓2將隔极与H体连接。
■工作原理：■在密封的iltt,用板与活动时片之同围应两个油腔，当油亂中的无杆腔和有杆腔。
液压力作用在Siinf片的端面上，对传动轴中心严生力矩使被驱动(2) 单自由SBftg 动手H ：■ 结构箝点：■机器人手部的合是由汽紙驱动的,而手腕的回转运动则由回转液圧幻实现。
【详解】机器人手腕结构图
[详解]机器人手腕结构图机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件,它的作用是调节或改变工件的方位, 因而它具有独立的自由度,以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求.工业机器人一般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态.为了使手部能处于空间任意方向, 要求腕部能实现对空间三个坐标轴x、y、z的转动, 即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度,如图2.31所示.通常也把手腕的翻转叫做Roll, 用R表示; 把手腕的俯仰叫做Pitch, 用P表示; 把手腕的偏转叫Yaw, 用Y表示.图2.31 手腕的自由度<a> 绕z轴转动; <b> 绕y轴转动; <c> 绕x轴转动; <d> 绕x、y、z轴转动手腕的分类1. 按自由度数目来分手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、2自由度手腕和3自由度手腕.<1> 单自由度手腕,如图2.32所示.图<a>是一种翻转<Roll>关节, 它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式.这种R 关节旋转角度大, 可达到360°以上.图<b>、<c>是一种折曲<Bend>关节<简称B关节>, 关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直.这种B关节因为受到结构上的干涉, 旋转角度小, 大大限制了方向角.图<d>所示为移动关节.图2.32 单自由度手腕<a> R手腕；<b> B手腕; <c> Y手腕；<d> T手腕<2> 2自由度手腕,如图2.33所示.2自由度手腕可以由一个R 关节和一个B关节组成BR手腕<见图2.33<a>>,也可以由两个B关节组成BB手腕<见图2.33<b>>.但是, 不能由两个R 关节组成RR手腕, 因为两个R共轴线, 所以退化了一个自由度, 实际只构成了单自由度手腕,见图2.33<c>.图2.33 二自由度手腕<a> BR手腕；<b> BB手腕; <c> RR 手腕<3> 3自由度手腕,如图2.34所示.3自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式.图2.34<a>所示是通常见到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、偏转和翻转运动, 即RPY运动.图2.34<b>所示是一个B关节和两个R关节组成的BRR手腕, 为了不使自由度退化, 使手部产生RPY运动,第一个R关节必须进行如图所示的偏置.图2.34<c>所示是三个R关节组成的RRR手腕,它也可以实现手部RPY运动.图2.34<d>所示是BBB手腕, 很明显, 它已退化为二自由度手腕,只有PY运动,实际上不采用这种手腕.此外, B关节和R 关节排列的次序不同,也会产生不同的效果,同时产生了其它形式的三自由度手腕.为了使手腕结构紧凑, 通常把两个B关节安装在一个十字接头上, 这对于BBR手腕来说,大大减小了手腕纵向尺寸. 图2.34 三自由度手腕<a> BBR 手腕; <b> BRR手腕; <c> RRR手腕; <d> BBB手腕2. 按驱动方式来分手腕按驱动方式来分,可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕.图2.35所示为Moog公司的一种液压直接驱动BBR手腕, 设计紧凑巧妙. M1、M2、M3是液压马达, 直接驱动手腕的偏转、俯仰和翻转三个自由度轴.图2.36所示为一种远距离传动的RBR手腕.Ⅲ轴的转动使整个手腕翻转, 即第一个R关节运动.Ⅱ轴的转动使手腕获得俯仰运动, 即第二个B关节运动.Ⅰ轴的转动即第三个R关节运动.当c轴一离开纸平面后, RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动.这种远距离传动的好处是可以把尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处, 有时放在手臂的后端作平衡重量用,这不仅减轻了手腕的整体重量, 而且改善了机器人的整体结构的平衡性.图2.35 液压直接驱动BBR手腕图2.36 远距离传动RBR手腕手腕的典型结构设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外, 还要求手腕结构简单,紧凑轻巧,避免干涉,传动灵活; 多数情况下,要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上, 使外形整齐; 设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去, 运动传入腕部后再分别实现各个动作.下面介绍几个常见的机器人手腕结构.图2.37所示为双手悬挂式机器人实现手腕回转和左右摆动的结构图. A-A剖面所表示的是油缸外壳转动而中心轴不动, 以实现手腕的左右摆动；B-B剖面所表示的是油缸外壳不动而中心轴回转, 以实现手腕的回转运动.其油路的分布如图2.37所示.图2.37 手腕回转和左右摆动的结构图图2.38所示为PT－600型弧焊机器人手腕部结构图和传动原理图.由图可以看出, 这是一个具有腕摆与手转两个自由度的手腕结构, 其传动路线为: 腕摆电动机通过同步齿形带传动带动腕摆谐波减速器7, 减速器的输出轴带动腕摆框1实现腕摆运动; 手转电动机通过同步齿形带传动带动手转谐波减速器10, 减速器的输出通过一对锥齿轮9实现手转运动.需要注意的是, 当腕摆框摆动而手转电动机不转时, 联接末端执行器的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动, 将产生附加的手转运动, 在控制上要进行修正.图2.38 PT-600型弧焊机器人手腕结构图图2.39所示为KUKA IR-662／100型机器人的手腕传动原理图.这是一个具有3个自由度的手腕结构, 关节配置形式为臂转、腕摆、手转结构.其传动链分成两部分: 一部分在机器人小臂壳内, 3个电动机的输出通过带传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、外套筒上; 另一部分传动链安排在手腕部, 图2.40所示为手腕部分的装配图.图2.39 KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图图2.40 KUKA IR-662/100型机器人手腕装配图其传动路线为:<1> 臂转运动.臂部外套筒与手腕壳体7通过端面法兰联接,外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动.<2> 腕摆运动.臂部中间套通过花键与空心轴4联接, 空心轴另一端通过一对锥齿轮12、13带动腕摆谐波减速器的波发生器16, 波发生器上套有轴承和柔轮14,谐波减速器的定轮10与手腕壳体相联, 动轮11通过盖18和腕摆壳体19相固接, 当中间套带动空心轴旋转时, 腕摆壳体作腕摆运动.<3> 手转运动.臂部心轴通过花键与腕部中心轴2联接, 中心轴的另一端通过一对锥齿轮45、46带动花键轴41, 花键轴的一端通过同步齿形带传动44、36带动花键轴35, 再通过一对锥齿轮传动33、17带动手转谐波减速器的波发生器25, 波发生器上套有轴承和柔轮29, 谐波减速器的定轮31通过底座34与腕摆壳体相联,动轮24通过安装架23与联接手部的法兰盘30相固定, 当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时, 法兰盘作手转运动.柔顺手腕结构在用机器人进行的精密装配作业中, 当被装配零件之间的配合精度相当高, 由于被装配零件的不一致性, 工件的定位夹具、机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时, 会导致装配困难, 因而, 柔顺性装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度出发, 采取各种不同的搜索方法, 实现边校正边装配; 有的手爪还配有检测元件, 如视觉传感器<如图 2.41 所示>、力传感器等, 这就是所谓主动柔顺装配. 另一种是从结构的角度出发, 在手腕部配置一个柔顺环节, 以满足柔顺装配的需要, 这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配.图2.41 带检测元件的手图2.42所示是具有移动和摆动浮动机构的柔顺手腕.水平浮动机构由平面、钢球和弹簧构成,实现在两个方向上进行浮动; 摆动浮动机构由上、下球面和弹簧构成, 实现两个方向的摆动.在装配作业中,如遇夹具定位不准或机器人手爪定位不准时, 可自行校正.其动作过程如图2.43所示, 在插入装配中工件局部被卡住时,将会受到阻力, 促使柔顺手腕起作用, 使手爪有一个微小的修正量,工件便能顺利插入.图2.44所示是另一种结构形式的柔顺手腕, 其工作原理与上述柔顺手腕相似.图2.45所示是采用板弹簧作为柔性元件组成的柔顺手腕,在基座上通过板弹簧1、2联接框架, 框架另两个侧面上通过板弹簧3、4联接平板和轴,装配时通过4块板弹簧的变形实现柔顺性装配.图2.46所示是采用数根钢丝弹簧并联组成的柔顺手腕. 图2.42 移动摆动柔顺手腕图2.43 柔顺手腕动作过程图 2.44 柔顺手腕图 2.45 板弹簧柔顺手腕图2.46 钢丝弹簧柔顺手腕。