購買設(shè)計(jì)請充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點(diǎn)開預(yù)覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。。。具體請見文件預(yù)覽，有不明白之處，可咨詢QQ:12401814
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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對錐齒輪和傳動(dòng)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(dòng)作。并用CAD軟件完成從建模到運(yùn)動(dòng)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
Ⅰ
1緒論
機(jī)器人是近代自動(dòng)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(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)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(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(dòng)機(jī)床或自動(dòng)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(dòng);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/CAE軟件完成從建模到運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)裝置
工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)和氣動(dòng)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(dòng)裝置伺服控制器組成。后者控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)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(dòng)再加上臂部的平面運(yùn)動(dòng)，就能使腕部作空間運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)腕部作平面運(yùn)動(dòng)。
1.2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(dòng)作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴Ｋ且环N能獨(dú)立工作的自動(dòng)化裝置。它的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)作，工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜.
1.2.3按驅(qū)動(dòng)方式分類
1.液壓機(jī)器人:輸出力大，傳動(dòng)平穩(wěn)。
2.氣壓機(jī)器人:氣源方便，輸出力小，氣壓傳動(dòng)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(dòng)式機(jī)器人:電力驅(qū)動(dòng)是目前機(jī)器人使用的最多的一種驅(qū)動(dòng)方式，其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)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(dòng)作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動(dòng)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(dòng)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)α、β角，然后在a o1與z1組成的垂直平面內(nèi)再向上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角γ也滿足0°≤γ≤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=α/360°+β/360°+γ/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，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(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因轉(zhuǎn)動(dòng)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%—10%，轉(zhuǎn)動(dòng)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
SCARA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(dòng)電機(jī)固結(jié)在機(jī)架上。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的目的在于調(diào)整裝配件的方位。由于轉(zhuǎn)動(dòng)為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的驅(qū)動(dòng)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。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(diǎn)是腕部結(jié)構(gòu)緊湊，小臂橫向尺寸較小(薄)。
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(dòng)器通過齒形帶帶動(dòng)諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動(dòng)諧波使末桿L獲得α. γ兩自由度運(yùn)動(dòng)。另一種則是將驅(qū)動(dòng)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(dòng)L完成角轉(zhuǎn)動(dòng)，β角則是由鏈傳動(dòng)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(chǔ)上加一個(gè)整個(gè)手腕相對于小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(用角度參數(shù)α表示)而形成的。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)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(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α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)。
2)偏置式手腕它是α、β、γ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β、γ運(yùn)動(dòng)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α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)?？梢钥闯觯姍C(jī)(1)經(jīng)錐齒輪副((3, 4)和齒型帶傳動(dòng)(9, 10, 13),
再經(jīng)錐齒輪副(5, 6)和諧波減速器(16)帶動(dòng)法蘭(17、機(jī)械接口)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成末桿(法蘭)γ的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)2經(jīng)錐齒輪副(7, 8)和齒型帶傳動(dòng)(11, 12, 14), 通過諧波減速器帶動(dòng)腕殼擺動(dòng)，完成末桿p的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)，帶動(dòng)小臂作繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，即α運(yùn)
動(dòng)。
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(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對于平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(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(dòng)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(dòng)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。
1.4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(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)分析—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(dòng)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提高。
2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(dòng)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α的斜楔前進(jìn)，使夾爪閉合，
夾緊物件，且當(dāng)α小于自鎖角時(shí)，即使β消失，被夾物件也不會(huì)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(dòng)，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(dòng)，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(dòng)式夾爪。當(dāng)施以壓力P時(shí)，齒輪在下條上滾動(dòng)，并以兩倍的移動(dòng)
速度帶動(dòng)上齒條移動(dòng)，兩個(gè)齒條分別與兩個(gè)夾爪聯(lián)接。帶動(dòng)夾爪平行地移動(dòng)，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(dòng)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/MIT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(dòng)關(guān)節(jié)，共16個(gè)自由度。各關(guān)節(jié)采用繩輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)
自由度，通過轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)器前置配置(即驅(qū)動(dòng)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(dòng)帶動(dòng)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
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(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(dòng)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(dòng)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(dòng)分別傳遞到同軸傳動(dòng)的心軸、中間套、外套筒上。另一部分傳動(dòng)鏈安排在手腕部。
（1）臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 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(dòng)整個(gè)手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
（2）腕擺運(yùn)動(dòng) 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(dòng)固定在套筒上的端蓋一起擺動(dòng)。
（3）手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 如圖3.1,臂部心軸通過鍵聯(lián)結(jié)帶動(dòng)錐齒輪組（3）轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過同步齒形帶（4、6）帶動(dòng)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(dòng)，帶動(dòng)固定套筒（10）內(nèi)部的中心軸端面的法蘭盤（8）轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)法蘭盤的手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖3.1腕部系統(tǒng)傳動(dòng)簡圖
3.2傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算
3.2.1.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(dòng)
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(jī)功率
P電=P/η總
=25.12 /0.665
= 37.77W
Ⅱ 軸為腕擺運(yùn)動(dòng)
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(jī)功率為
P電=P/η總
=47.44/0.665
=671.33W
考慮到系統(tǒng)傳動(dòng)過程中，同步齒形帶傳動(dòng)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(dòng)所需電機(jī)5和Ⅱ軸傳動(dòng)所需電機(jī)6如下：
型 號
功 率 (KW)
轉(zhuǎn) 速（r/min）
轉(zhuǎn) 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(dòng)比和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算
Ⅰ 軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
腕轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比
末端法蘭盤的轉(zhuǎn)速ｎ法＝１44°ｘ６０３６０°＝22.67r/min
系統(tǒng)總的傳動(dòng)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(jī)6的輸出功率Ｐ１＝0.50Kw
帶輪5轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比
末端套筒的轉(zhuǎn)速ｎ套＝１36°ｘ６０３６０°＝24r/min
系統(tǒng)總的傳動(dòng)比為ｉ總＝300024＝125
?。橹C＝50 ｉ帶１＝2.5
ｉ錐１＝１ ｉ帶２＝１
電機(jī)５的輸出功率Ｐ１＝0.75Kw
帶輪３轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
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(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比
末端套筒的轉(zhuǎn)速ｎ套＝１36°ｘ６０３６０°＝24r/min
系統(tǒng)總的傳動(dòng)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(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(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Fn,在把分解為三個(gè)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(zhuǎn)矩為T1，中點(diǎn)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(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=KAKvKβ=1.88
KA=1.6 Kβ=1.15 Kv=1.02
直齒錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)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(yùn)動(dòng)的要求。
錐齒輪組2的主要技術(shù)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(gè)系統(tǒng)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)特性，依據(jù)圖3.2，
圖3.2
帶輪6的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)為：
圖3.3
選擇帶選擇奇龍傳功公司生產(chǎn)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(nèi)徑 db=90mm
檔邊厚度 h=1.5mm 檔邊直徑 df=102mm
5.2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(dòng)的功率為：P=0.460Kw
主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n5=2000r/min
從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n6=2000r/min
傳動(dòng)比i=1
設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值L0=723.9mm
節(jié)線長上齒數(shù)Z=80
實(shí)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(zhǔn)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(nèi)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(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(huì)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(huì)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我對錐齒輪和傳動(dòng)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(dòng)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。
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
[5] 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
30
2.3機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
按照抓取工件的要求，車床上料機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，及手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)有氣缸來實(shí)現(xiàn)。
2.3.1機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)要求
機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則；
1.應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)器人的控制。
2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。
4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。
5.機(jī)器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。
6.機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。
2.3.2設(shè)計(jì)具體采用方案
機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)?？紤]到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，屬中型重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)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(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。
因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。
同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。
2.4機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。
2.4.1機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
1.機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會(huì)增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機(jī)器人手腕的自由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動(dòng)方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。
2.機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。
3.機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。
4.機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。
5.要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。
6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。
2.4.2設(shè)計(jì)具體采用方案
通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖8。
圖8 車床上料機(jī)械手手指
2.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.5.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求
機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測量用等。
搬運(yùn)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(yùn)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(jī)器人附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。
在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問題；
1.機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)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(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.機(jī)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(jī)器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。
3.機(jī)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(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強(qiáng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。
4.通用性和萬能性是兩個(gè)概念，萬能性是指一機(jī)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(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。
5.機(jī)器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。
2.5.2機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式
機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。
機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種
1.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。
2.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。
3.液壓驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。
2.5.3機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu)
1.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。
2.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)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(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)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(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。
5.平行杠桿式手爪
采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。
2.5.4設(shè)計(jì)具體采用方案
結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，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(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為80--130mm來設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖9所示：
圖9 手爪的具體結(jié)構(gòu)
2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.6.1工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題
機(jī)器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)器人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。機(jī)器人所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類似。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)等。由于傳動(dòng)部件直接影響著機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇滿足傳動(dòng)間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動(dòng)機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求的傳動(dòng)部件。
在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問題：
1.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度，要求機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件的重量要輕，慣量要小。因此，機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。
2.在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中要采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。
3.系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動(dòng)摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負(fù)斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承等。
4.縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計(jì)采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。
5.選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)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(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)間隙、減少支承變形等措施。
7.適當(dāng)?shù)淖枘岜?，機(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，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(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在設(shè)計(jì)時(shí)要使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻尼合適。
2.6.2工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式
1.齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
在機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。
機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一些問題
齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配選擇。齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力矩變換器。齒輪傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會(huì)造成傳動(dòng)死區(qū)（失動(dòng)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(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動(dòng)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