六自由度機(jī)器人腕部設(shè)計(jì)

摘要機(jī)器人技術(shù)是綜合了許多學(xué)科的知識，例如計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息 和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)今研究領(lǐng)域十 分重視的課題，機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。 機(jī)器人的應(yīng)用情況，是一個(gè) 國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志，因而受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量人 力物力加以研究和應(yīng)用。本文的主要任務(wù)和要解決的問題，是設(shè)計(jì)一臺六自由度的機(jī)器人，在已 有的技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，通過分析，確定腕部的傳動系統(tǒng)，然后假設(shè)腕部末端的 結(jié)構(gòu)，確定腕部的輸出功率，然后計(jì)算出腕部所需的電機(jī)。在確定電機(jī)和傳動機(jī) 構(gòu)的基礎(chǔ)上，對錐齒輪和傳動中所需的帶輪以及同步齒形帶進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且對它們進(jìn)行校核，確定所設(shè)計(jì)的腕部結(jié)構(gòu)能夠配合機(jī)器人的其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴漆動作。 并用CAD軟件完成從建模到運(yùn)動學(xué)分析、應(yīng)力分析的全過程。需要全面理解機(jī)械 原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及CAD制圖標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)的知識，并考慮其可靠 性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等性能。本課設(shè)在已有理論基礎(chǔ)上，針對以往研究的不足，根據(jù)實(shí)際使用要求，確定 采用六自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案；由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件繁多，需要 用高端軟件配合進(jìn)行建模，裝配的工作，而我們現(xiàn)有的材料相當(dāng)有限，所以本課 設(shè)只是設(shè)計(jì)了機(jī)器人的腕部結(jié)構(gòu)；并采用CAD繪制了其裝備和零件圖，并對其中 某些零件的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，使腕部的整體結(jié)構(gòu)能夠滿足工作的要求。關(guān)鍵詞：機(jī)器人腕部1目錄1緒論.11.1機(jī)器人的組成 21.1.1驅(qū)動裝置 21.1.2控制系統(tǒng) 21.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu) 21.2機(jī)器人分類 41.2.1按用途分類 41.2.2按控制形式分類 41.2.3按驅(qū)動方式分類 41.3腕部結(jié)構(gòu)選形 51.3.1單自由度手腕 61.3.2兩自由度手腕 71.3.3三自由度手腕 81.3.4裝配機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)選型91.4機(jī)器人設(shè)計(jì) 112末端執(zhí)行器122.1夾持器 122. 2擬手指型執(zhí)行器 132. 3吸式執(zhí)行器 133腕部設(shè)計(jì)153.1手腕結(jié)構(gòu)的選擇 153.2傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)計(jì)算 173.2.1選擇電機(jī) 173.2.2分配系統(tǒng)傳動比和動力參數(shù)的設(shè)計(jì) 194錐齒輪設(shè)計(jì)234. 1確定錐齒輪的主要技術(shù)參數(shù) 234. 2輪齒的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算 245. 選擇帶輪和齒形帶：265.1帶輪的選擇 265.2齒形帶的設(shè)計(jì) 28總結(jié)31參考文獻(xiàn)321緒論機(jī)器人是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)， 并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造中 的一個(gè)重要組成部分。機(jī)器人顯著地提高了勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械 化和自動化的步伐。尤其在咼溫、咼壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場 合，應(yīng)用得更為廣泛。因而受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量人力物力加以 研究和應(yīng)用。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人。 它是一種獨(dú) 立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī) 定操作。它的特點(diǎn)是除了具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。它可以靈活運(yùn)用在工業(yè)上的各個(gè)方面， 如噴漆、焊接、搬運(yùn)等。 第二類是需要人工操作的，稱為機(jī)械機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操 作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球 等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。 第三類是專用機(jī)器人，主要附屬 于自動機(jī)床或自動線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。 這種機(jī)器人在國外稱 為“ Mechanical Hand"，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動；除少數(shù)外，工作程序 一般是固定的，采用機(jī)械編程。因此是專用的。本課題通過對通用機(jī)器人smart6.50R的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，完成對其腕 部的設(shè)計(jì)，并借助CAD/CA歆件完成從建模到運(yùn)動學(xué)分析、應(yīng)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(diào)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(shè)計(jì)思路是：借助已有的通用機(jī)器人的腕部設(shè)計(jì)思想和方法， 綜合 考慮腕部機(jī)構(gòu)在機(jī)器人運(yùn)動中所起的作用和機(jī)器人的整體技術(shù)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)，然后選擇合理的機(jī)構(gòu)，確定傳動線路，然后對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算主要參數(shù)， 并對部分零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝，綜合評價(jià)腕部系統(tǒng)。1.1機(jī)器人組成機(jī)器人主要由驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。1.1.1驅(qū)動裝置工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動裝置包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu) 連成一體。傳動機(jī)構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。 驅(qū)動器通常有電機(jī)（直流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，交流伺服電機(jī)），液動和氣動裝置， 目前使用最多的是交流伺服電機(jī)。1.1.2控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)一般由控制計(jì)算機(jī)和驅(qū)動裝置伺服控制器組成。后者控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動 器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進(jìn)行運(yùn)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(qū)動裝置使各桿件協(xié)調(diào)工作， 同時(shí)還要完成 環(huán)境狀況，周邊設(shè)備（如電焊機(jī)，工卡具等）之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。1.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由腰部、基座、手部、腕部和臂部等運(yùn)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(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動 再加上臂部的平面運(yùn)動，就能使腕部作空間運(yùn)動。腰部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件， 它的制造誤差，運(yùn)動精度和平穩(wěn)性，對機(jī)器人的定位精度有決定性影響。2）基座 基座是整個(gè)機(jī)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(jī)構(gòu)所組成。手指是直接與物件接觸的機(jī)構(gòu)。常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。吸附式手部有負(fù)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(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方 式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對于導(dǎo)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。4）腕部 腕部與手部相連，通常有3個(gè)自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是 帶動手部完成預(yù)訂的姿態(tài)，是操作機(jī)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。5）臂部臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個(gè)臂桿 （小臂和大臂）組成，用以帶動腕部作平面運(yùn)動。51.2機(jī)器人分類1.2.1按用途分類1. 專用機(jī)器人專用機(jī)器人是專為一定設(shè)備服務(wù)的， 簡單、實(shí)用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)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(yīng)多種作業(yè) 的需要。2. 通用機(jī)器人通用機(jī)器人是在專用機(jī)器人的基礎(chǔ)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(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨(dú)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1.2.2按控制形式分類1. 點(diǎn)位控制型機(jī)器人點(diǎn)位控制型機(jī)器人的運(yùn)動軌跡是空間二個(gè)點(diǎn)之間的聯(lián)接。控制點(diǎn)數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機(jī)器人是點(diǎn)位控制型。2. 連續(xù)軌跡控制型機(jī)器人這種機(jī)器人的運(yùn)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(fù) 雜的動作，工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜.1.2.3按驅(qū)動方式分類1. 液壓機(jī)器人：輸出力大，傳動平穩(wěn)。2. 氣壓機(jī)器人：氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。 但工作不太平穩(wěn)，沖擊大。3. 電動式機(jī)器人：電力驅(qū)動是目前機(jī)器人使用的最多的一種驅(qū)動方式，其特 點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)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(jī)械式機(jī)器人：工作可靠，動作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動作固定 不可變。1.3腕部結(jié)構(gòu)選型手腕是操作機(jī)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(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對一般商用機(jī)器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)結(jié)的桿）都有獨(dú)立的自轉(zhuǎn)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(dá)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(gè)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(nèi)轉(zhuǎn)a、B角，然后在a o1與z1組成的垂直平面內(nèi)再向上 轉(zhuǎn)B角得到的?？梢娛怯蒩、B兩角決定了末桿（L）的方向（姿態(tài)）。從理論上 講，如果0°<a < 360°, 0°=B < 360 °,則L在空間可取任意方向。如果 L 的自轉(zhuǎn)角丫也滿足0°< 丫 < 360 °，我們就說該操作機(jī)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(jī)抓取和擺放物體的靈活度，我們定義組合靈活度（dex）為：dex= a /360 ° +B /360 ° +丫 /360 ° =xx%+xx%+xx%上式取“加”的形式，但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_更能表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的特 點(diǎn)。腕結(jié)構(gòu)最重要的評價(jià)指標(biāo)就是dex值。若為3個(gè)百分之百，該手腕就是最靈 活的手腕。一般說來，a、B的最大值取360 °,而丫值可取的更大一些，如果 擰螺釘，最好丫無上限。腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因轉(zhuǎn)動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的設(shè)計(jì)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泊10%轉(zhuǎn)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機(jī)的靜力平 衡。1.3.1單自由度手腕SCAR水平關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人多采用單自由度手腕， 該類機(jī)器人操作機(jī)的手腕 只有繞垂直軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。 為了減輕操作機(jī)的懸臂的重量，手腕的驅(qū)動電 機(jī)固結(jié)在機(jī)架上。手腕轉(zhuǎn)動的目的在于調(diào)整裝配件的方位。 由于轉(zhuǎn)動為兩級等徑 輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動不影響末端執(zhí)行器的水平方位， 而該方位的調(diào)整 完全取決于腕傳動的驅(qū)動電機(jī)。這時(shí)確定末端執(zhí)行器方位的角度（以機(jī)座坐標(biāo)系 為基準(zhǔn)）將是大小臂轉(zhuǎn)角以及腕轉(zhuǎn)角之和。1.3.2兩自由度手腕兩自由度手腕有兩種結(jié)構(gòu)：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(gè)鏈輪對稱分配在兩邊。BW200° , 丫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。B >360° , 丫 > 360，dex=0+100%+1001%點(diǎn)是腕部結(jié)構(gòu)緊湊，小臂橫向尺 寸較?。ū。?。兩自由度的另兩種結(jié)構(gòu)。一種是將諧波減速器這置于碗部，驅(qū)動器通過齒形帶帶動諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動諧波使末桿L獲得a. 丫兩自由度運(yùn)動。另一種則是將驅(qū)動電機(jī)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(zhuǎn)動，B角則是由鏈傳動完成。8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(chǔ)上加一個(gè)整個(gè) 手腕相對于小臂的轉(zhuǎn)動自由度（用角度參數(shù)a表示）而形成的。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)限 制，即a、B、丫都能在0°360°范圍取值，末端執(zhí)行器的靈活度 dex=1OO%+1OO%+1O0%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(jìn)物體，也可將物體轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)型機(jī)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a、B、丫的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)。2）偏置式手腕它是a、B、丫的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，但不匯交于一點(diǎn)。這兩類手腕都是把B、 丫運(yùn)動的減速器安裝在手腕上，可簡化小臂結(jié)構(gòu)，但 卻增加了手腕本身的重量和復(fù)雜程度。1.3.4通用機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)選型如圖1.4所示，是匯交式手腕（或正交手腕），即a、B、丫的旋轉(zhuǎn)軸線匯 交于一點(diǎn)?？梢钥闯?，電機(jī)（1）經(jīng)錐齒輪副（3, 4）和齒型帶傳動（9, 10, 13）, 再經(jīng)錐齒輪副（5, 6）和諧波減速器（16）帶動法蘭（17、機(jī)械接口）轉(zhuǎn)動，完成末桿 （法蘭）丫的運(yùn)動。電機(jī)2經(jīng)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(yùn)動。整個(gè)手腕又由置于小臂后部的電機(jī) （上圖未畫），經(jīng)過諧波傳動，帶動小臂作繞自身軸線的轉(zhuǎn)動，即a運(yùn)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(fù)雜程度和重量，對小臂乃至整機(jī)的平衡不利，但可簡化整個(gè)小臂 的結(jié)構(gòu)，而且當(dāng)腕部使用同步齒形帶時(shí)，只能采用這種布置，因?yàn)辇X形帶只能用 于高速級。這種布置還可簡化后面三個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對于平行軸轉(zhuǎn)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a(bǔ)、丫兩自由度的減速器裝在手腕內(nèi)。電機(jī)配置也可以分為前置式和后置式。 前置式有一個(gè)電機(jī)配置在手腕中，其 最大優(yōu)點(diǎn)是大大簡化了小臂的結(jié)構(gòu)和傳動過程的軸線干擾，但加重了腕部。這種結(jié)構(gòu)較適合于小負(fù)荷操作機(jī)。必須指出，這種結(jié)構(gòu)的手腕也屬于非匯（正）交式，由它構(gòu)成的六自由度操作機(jī)無解析解。電機(jī)后置式的驅(qū)動電機(jī)都布置在腕的后 面。對于中小負(fù)載的操作機(jī)，電機(jī)可布置在臂的空腔中，而對于大負(fù)載操作機(jī)， 由于電機(jī)重而且大，電機(jī)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。111.4機(jī)器人設(shè)計(jì)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成， 是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一 體化自動化生產(chǎn)設(shè)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(zhì)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(jī)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(jī)器 特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能 力，又有機(jī)器可長時(shí)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(jī)器的進(jìn)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(wù)性設(shè) 備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。：在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程中，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有時(shí)這些實(shí)驗(yàn)甚至 是破壞性的。當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，就要回頭修改設(shè)計(jì)并再用樣機(jī)驗(yàn)證。 這一 過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期更加漫長，更不用談對市場 的靈活反應(yīng)了。于是運(yùn)動分析一虛擬樣機(jī)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生了。 它可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì) 人員在虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬機(jī)器人的運(yùn)動及受力情況，快速分析多種設(shè)計(jì)方 案，進(jìn)行對物理樣機(jī)而言難以進(jìn)行或根本無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。這種方法不但可以縮短開發(fā)周期，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率也得到了很大的122末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器是裝在機(jī)器人操作機(jī)的機(jī)械接口上， 用于使機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù) 而專門設(shè)計(jì)的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機(jī)器人的用途密切相關(guān)，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(zhì)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(jī)器人開辟 一種新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，末端執(zhí)行器的分析和設(shè)計(jì)已形成了一個(gè)專門領(lǐng)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(gè)夾爪。根據(jù)不同的運(yùn)動形式，夾爪又可分為回轉(zhuǎn)式和平移 式兩種類型。1）斜楔杠桿式夾持器。當(dāng)施以力 P時(shí)，楔角為a的斜楔前進(jìn)，使夾爪閉合， 夾緊物件，且當(dāng)a小于自鎖角時(shí)，即使B消失，被夾物件也不會滑脫。當(dāng)施以相 反方向的力時(shí)，斜楔后退，夾爪在彈簧的作用下打開。由于夾爪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而 回轉(zhuǎn)軸又是固定的，故當(dāng)夾持不同直徑的物件時(shí)，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(shí)，機(jī)器人的應(yīng)用程序必須有補(bǔ)償功能。2）有定位補(bǔ)償?shù)母軛U式夾持器。這種夾持器的夾爪回轉(zhuǎn)銷軸可借助左右螺旋 副平移其相對位置，所以通過調(diào)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(dāng)施以壓力P時(shí)，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(gè)齒條分別與兩個(gè)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(jié)構(gòu)，就能制造出結(jié)構(gòu)最優(yōu)的夾持器。 但由于人手自由度較多，驅(qū)動和控制都十分復(fù)雜，所以到目前為止，只制造出了 一些原理樣機(jī)，離工業(yè)應(yīng)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/M手抓。它有4個(gè)手指，可實(shí)現(xiàn)對握，每個(gè)手指有 3個(gè)曲伸關(guān)節(jié)和一個(gè)擺動關(guān)節(jié)，共16個(gè)自由度。各關(guān)節(jié)采用繩輪驅(qū)動，驅(qū)動器后置。由于 拇指對置，所以4個(gè)手指不能實(shí)現(xiàn)并掌操作，即4個(gè)手指不能放在一側(cè)實(shí)現(xiàn)全握 式的抓拿物體。2）3指手爪。第一指相當(dāng)于拇指，只有一個(gè)曲伸關(guān)節(jié)，一個(gè)擺動關(guān)節(jié)和一 個(gè)開合關(guān)節(jié)，其他兩指都有兩個(gè)曲伸關(guān)節(jié)，故共有 11個(gè)自由度，也是驅(qū)動器后 置。3）雙拇指手爪。每個(gè)手指都有3個(gè)曲伸關(guān)節(jié)。其中，外面兩指有擺動和轉(zhuǎn)動自由度，通過轉(zhuǎn)動，可以和中間指對置，也可與中指處于同側(cè)（并掌）；中指無轉(zhuǎn)動自由度，故該手共有14個(gè)自由度。該手可以抓取或握取物件，由于使用了超 小型電機(jī)和減速器，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動器前置配置（即驅(qū)動器、減速器與手指配在一起）， 結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個(gè)部件安裝于機(jī)器人的機(jī)械接口上。2.3吸式執(zhí)行器吸式執(zhí)行器是目前應(yīng)用較多的一種執(zhí)行器， 特別是用于搬運(yùn)機(jī)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(gè)橡膠吸盤，上面有彈簧緩沖壓下裝置，靠吸盤 內(nèi)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(fù)壓。前者工作可靠，吸盤結(jié)構(gòu)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(shí)即可形成所要 求的負(fù)壓，時(shí)吸盤吸住物體，因不需專用真空泵，故成本較低，目前應(yīng)用較廣泛。本課題所選擇的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為可以回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，以及外部的擺動帶動末端夾持器在空間做任意的運(yùn) 功。3腕部設(shè)計(jì)3.1手腕結(jié)構(gòu)的選擇Smart 6.50腕部的主要技術(shù)參數(shù)為:自由度3最大持重10KgI軸± 180°144( ° )/s200N?mn軸± 115°136( ° )/s150N?m川軸± 180°138( ° )/s100N?m本課題仿制Smart 6.50R機(jī)器人的腕部進(jìn)行設(shè)計(jì)，通用機(jī)器人的手腕是三 自由度的，圖3.1是其傳動原理圖，關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、腕轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其 傳動鏈分成二部分，一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi)，三個(gè)電機(jī)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(zhuǎn)運(yùn)動 臂部外套筒與手腕殼體通過端面法蘭聯(lián)結(jié)，外套筒直接帶動 整個(gè)手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn)動。（2）腕擺運(yùn)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(zhuǎn)運(yùn)動 如圖3.1,臂部心軸通過鍵聯(lián)結(jié)帶動錐齒輪組（3）轉(zhuǎn)動，然 后通過同步齒形帶（4、6）帶動套筒的內(nèi)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(nèi)部的中心軸端面的法蘭盤（8）轉(zhuǎn)動, 實(shí)現(xiàn)法蘭盤的手轉(zhuǎn)運(yùn)動。15圖3.1腕部系統(tǒng)傳動簡圖163.2傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)計(jì)算321.選擇電機(jī)假設(shè)手部的末端的持重是10Kg,腕心距機(jī)械輸出借口長度為200mm腕轉(zhuǎn)的旋 轉(zhuǎn)半徑為100mm.I軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動錯誤！未找到引用源。=2.512rad/sR=100mmF = 10x10 =100NT=F2 RP = F 2 R2 W仁 100x2.512x100=25.12W錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。x0.8x0.95x0.99x0.98=0.665錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。0.95所需電機(jī)功率錯誤！未找到引用源。=P/錯誤！未找到引用源。=25.12 /0.665=37.77Wn軸為腕擺運(yùn)動L=200mmF=100NT=F2 L=20.0N2 m錯誤！未找到引用源。=2.372rad/sP=T2錯誤！未找到引用源。=47.44W錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=0.665所需電機(jī)功率為錯誤！未找到引用源。=P/錯誤！未找到引用源。=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(jié)構(gòu)要求緊湊，所以I軸傳動所需電機(jī) 5和U軸傳動所需電機(jī)6如下:型號功率(KW)轉(zhuǎn)速(r/mi n )轉(zhuǎn)矩(N2 m額定電流(A)額定電壓(V)TYSZ-75 63s0.7530002.43.08220TYSZ-55 63s0.5520002.32.22203.2.2分配系統(tǒng)傳動比和動力參數(shù)的計(jì)算I軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動腕轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)的傳動比末端法蘭盤的轉(zhuǎn)速 錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=22.67r/min 系統(tǒng)總的傳動臂為 錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=88.22 取錯誤！未找到引用源。=88.22錯誤！未找到引用源。=1錯誤！未找到引用源。=1錯誤!未找到引用源。=1電機(jī)6的輸出功率錯誤！未找到引用源。=0.50Kw帶輪5轉(zhuǎn)速錯誤！未找到引用源。=2000r/min19錯誤！未找到引用源。二錯誤！未找到引用源。二104.67rad /s錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=0.50 x 0.95 x 0.98 x 0.99=0.460Kw錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=2.20N2 m帶輪6轉(zhuǎn)速錯誤！未找到引用源 錯誤！未找到引用源。 錯誤！未找到引用源。=0.460x0.95 =0.437 Kw錯誤！未找到引用源。腕轉(zhuǎn)軸I軸 錯誤！未找到引用源。=0.437x0.80x0.95 =0.332Kw錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。=139.85N2 m腕擺傳動系統(tǒng)的傳動比末端套筒的轉(zhuǎn)速 錯誤！未找到引用源。 系統(tǒng)總的傳動比為 錯誤！未找到引用源 取錯誤！未找到引用源。=50 錯誤！未找到引用源。=1電機(jī)5的輸出功率 錯誤！未找到引用源=錯誤！未找到引用源=錯誤！未找到引用源=錯誤！未找到引用源=2000r/min=104.67rad/s=錯誤！未找到引用源=錯誤！未找到引用源=22.67r/min=1.186rad/s=錯誤！未找到引用源=2.09N2 m二錯誤！未找到引用源二錯誤！未找到引用源 錯誤！未找到引用源 錯誤！未找到引用源。=0.75Kw=24r/min=125=2.5=1帶輪3轉(zhuǎn)速錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=1200r/min錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=62.8rad /s錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=0.75 x 0.95 x 0.98 x 0.99 x 0.9521=0.656Kw 錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=5.22N2 M帶輪4轉(zhuǎn)速錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=1200r/min錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=62.8rad/s錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=0.656x0.95=0.623Kw錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=4.96N2 m腕擺軸U軸錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=0.623x0.80=0.498Kw錯誤！未找到引用源。=24r/m in錯誤！未找到引用源。=2.512rad/s錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=198N2 mI軸腕轉(zhuǎn)運(yùn)動錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=88.22取錯誤！未找到引用源。=88.22錯誤！未找到引用源。=1誤！未找到引用源。=1錯誤！未找到引用源。=1腕擺傳動系統(tǒng)的傳動比末端套筒的轉(zhuǎn)速 錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=24r/min 系統(tǒng)總的傳動比為 錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=125 取錯誤！未找到引用源。=50錯誤！未找到引用源。=2.5錯誤！未找到引用源。=1錯誤！未找到引用源。=1224錐齒輪設(shè)計(jì)4.1確定錐齒輪的主要技術(shù)參數(shù)錐齒輪組3的材料選用40Cr鋼，齒面硬度250280HBS取m=2.5 錯誤！未找到引用源。40錯誤！未找到引用源。=45°i=錯誤！未找到引用源。=1d=n2 z=90 mm 錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。錐距R=錯誤！未找到引用源。=63.64mm錯誤！未找到引用源。=2.5 錯誤！未找到引用源。=3錯誤！未找到引用源。=d+2錯誤！未找到引用源。=93.5mm錯誤！未找到引用源。=d-2錯誤！未找到引用源。=85.8mmb=10mm錯誤！未找到引用源。=d(1-0.5b/R)=83錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。=2.7 °錯誤！未找到引用錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源源。=3.2 °4.2輪齒的受力分析和強(qiáng)度計(jì)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 錯誤！未找到 引用源。，在把分解為三個(gè)互相垂直的力 錯誤！未找到引用源。，即圓周力錯誤! 未找到引用源。、徑向力錯誤！未找到引用源。和軸向力錯誤！未找到引用源。 錐齒輪5的轉(zhuǎn)矩為錯誤！未找到引用源。，中點(diǎn)分度圓直徑為 錯誤！未找到引用 源。，可得：錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=328.7N錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=86.7N錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=86.7N（錯誤！未找到引用源。=14.73N2 m）一般的直齒錐齒輪制造精度低，因而可以認(rèn)為在嚙合過程中載荷僅由一對相 嚙合的齒來承擔(dān)，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=錯誤！未找到引用源。=1.88錯誤！未找到引用源。=1.6 錯誤！未找到引用源。=1.15 錯誤！未找到 引用源。=1.02直齒錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件為錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=460 M錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=367.9 M錯誤！未找到引用源錯誤！未找到引用源。=666.5M錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。W錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。=414 M錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。W錯誤！未找到引用源。所以可知此齒輪組能夠滿足運(yùn)動的要求。錐齒輪組2的主要技術(shù)參數(shù)為m=3 錯誤！未找到引用源。15錯誤！未找到引用源。=45°i=錯誤！未找到引用源。=1d=n2 z=45mm 錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=d錐距R=錯誤！未找到引用源。=31.8mm錯誤！未找到引用源。=3.5 錯誤！未找到引用源。=4.2錯誤！未找到引用源。=d+2錯誤！未找到引用源。=50mm錯誤！未找到引用源。=d-2錯誤！未找到引用源。=40mmb=10mm錯誤！未找到引用源。=5.38錯誤！未找到引用源。=6.5錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源255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(gè)系統(tǒng)傳動的結(jié)構(gòu)和傳動特性，依據(jù)圖3.2 ,梯形齒同歩帶、輪選型圈圖3.2帶輪6的轉(zhuǎn)速 錯誤！未找到引用源。=2000r/min錯誤！未找到引用源。=0.437Kw錯誤！未找到引用源。=0.209N2 m選擇梯形齒帶輪，帶輪型為L型，帶輪的結(jié)構(gòu)為：26AF形AF type圖3.3選擇帶選擇奇龍傳功公司生產(chǎn)輪型號為;32L 050 AFZ=32節(jié)距=9.525mm節(jié)徑 d= 97.02mm外徑錯誤！未找到引用源引用源。=90mm檔邊厚度h=1.5mm=96.26mm檔邊內(nèi)徑錯誤！未找到檔邊直徑 錯誤！未找到引用源。=102mm285.2齒形帶的設(shè)計(jì)L型同步齒形帶的機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)速錯誤！未找到引用源。=2000r/min從動軸轉(zhuǎn)速錯誤！未找到引用源。=2000r/min傳動比i=1設(shè)計(jì)功率錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。P錯誤！未找到引用源。=1.5錯誤！未找到引用源。=1.5x0.46=0.69Kw節(jié)距錯誤！未找到引用源。=9.525mm帶輪齒數(shù)錯誤！未找到引用源。=30 錯誤！未找到引用源。=30帶輪節(jié)圓直徑錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=91.0錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。速度V=錯誤！未找到引用源。=9.52m/s初定軸間距0.7（錯誤！未找到引用源。）W錯誤！未找到引用源。2（錯誤！未 找到引用源。+錯誤！未找到引用源。）127.4 W錯誤！未找到引用源。 364錯誤！未找到引用源。=200mm確定帶長及齒數(shù)錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。+錯誤！未找到引用源。（錯誤！ 未找到引用源。）+錯誤！未找到引用源。=727mm取標(biāo)準(zhǔn)值錯誤！未找到引用源。=723.9mm節(jié)線長上齒數(shù)Z=80實(shí)際軸間距a=錯誤！未找到引用源。+錯誤！未找到引用源。=201.55mm小齒輪嚙合齒數(shù) 錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=15基本額定功率錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=0.2Kw帶寬錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=24.5mm基準(zhǔn)寬度錯誤！未找到引用源。=12.7mm 寬度帶上的需用拉力錯誤！未找到引用源。=244.46N2 m嚙合齒數(shù)系數(shù)錯誤！未找到引用源。=1作用在軸上的力為錯誤！未找到引用源。=錯誤！未找到引用源。=69N同理得到同步帶輪38L 050 AF錯誤！未找到引用源。=38錯誤！未找到引用源。=38Z=38節(jié)徑 d= 115.21mm外徑 錯誤！未找到引用源。=114.45mm檔邊內(nèi)徑錯誤！未找到31#引用源。=103mm檔邊厚度h=1.5mm檔邊直徑錯誤！未找到引用源。=123mm同步齒形帶為錯誤！未找到引用源。=258mm錯誤！未找到引用源。=19V=7m/s錯誤！未找到引用源。=876mm 節(jié)線上的齒數(shù)Z=104錯誤！未找到引用源。=0.3kW錯誤！未找到引用源。=44.4N錯誤！未找到引用源。=25.4mm6總結(jié)經(jīng)過幾周的綜合設(shè)計(jì)，我不僅充實(shí)利用以前所學(xué)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(shí)際設(shè)計(jì)研究過程有了一定的 貫通，理解了實(shí)際設(shè)計(jì)研究和理論知識的差別。 我通過自己的努力還學(xué)習(xí)很多以 前沒有接觸過的知識，極大地?cái)U(kuò)展了知識面，同時(shí)也經(jīng)歷了許多從點(diǎn)到面，從粗 略到精準(zhǔn)的過程。這些曲折對我的設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)中嚴(yán)謹(jǐn)、 細(xì)致的重要性，使我積累了不少經(jīng)驗(yàn)， 這對我以后的工作和學(xué)習(xí)會有很大的幫助。本次課設(shè)我從通用機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)對機(jī)器人腕部進(jìn)行了分析，綜合考慮了腕部的整體結(jié)構(gòu)。首先確定機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，查找資料，以Smart 6.50R通用機(jī)器人為參考，在已有的技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，通過分析，確定腕部的傳動系 統(tǒng)，然后假設(shè)腕部末端的結(jié)構(gòu)，確定腕部的輸出功率，然后計(jì)算出腕部所需的電 機(jī)。在確定電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我對錐齒輪和傳動中所需的帶輪以及同步 齒形帶進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且對它們進(jìn)行了校核，確定所設(shè)計(jì)的腕部結(jié)構(gòu)能夠配 合機(jī)器人的其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴漆動作。最終通過認(rèn)真計(jì)算分析后我認(rèn)為我所設(shè)計(jì)的腕部是比較理想的，基本滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。32參考文獻(xiàn)1 孔志禮等機(jī)械設(shè)計(jì).第一版 東北大學(xué)出版社.2000年2 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊 第五卷.第1版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004年3 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第三冊）部件、機(jī)構(gòu)及總體設(shè)計(jì) 第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1986年4 毛昕等.畫法幾何及機(jī)械制圖.北京。第3版高等教育出版社.2004年 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理.第7版.北京：高等教育出版社.2006年更多資料盡在：大學(xué)生部落-大學(xué)生第一門戶社區(qū)33