压电驱动机器人手腕设计
摘要
机器人已经大量应用在工业领域中，特别是在电子工业以及汽车工业上得到广泛应用。现在，机器人的发展进入了一个新的阶段，向着智能化，小型化，微型化方向发展，其中机器人关节的机构尺寸长时期以来都是制约机器人向小型化发展的一个重要因素。
本论文设计了一种压电驱动机器人腕关节结构，利用压电陶瓷的逆压电效应使定子产生超声振动，借助摩擦传递弹性超声振动，使机器人手腕获得驱动力。具有结构小巧、重量轻、低速高转矩、响应快、断电自锁等优点。
论文完成的主要工作包括以下几个方面：综述了机器人的发展趋势、压电驱动器的特点及分类，提出了机器人腕关节驱动的原理方案。应用有限元分析软件ANSYS 对压电驱动振子进行了模态分析及结构设计，确定驱动振子的结构尺寸、工作模态以及为行波型驱动装置。分析了驱动振子几何尺寸及压电陶瓷片对振子模态的影响。设计了机器人手腕结构，实现了手腕俯仰动作。并且，应用UG进行了手腕结构实体造型，进行了运动仿真模拟。
关键词：机器人；腕关节；压电驱动器；有限元分析
Abstract
The robots have been widely applied to the industry, especially in electronic and automotive industry since last century. The developments of robot are in a whole new period with the directions of intelligence, miniaturization and micromation nowadays, the dimensions of robot joint are very important diathesis to restrict its development toward miniaturization in a very long time.
This paper designs a piezoelectric driving robot wrist joint which takes use of converse piezoelectric effect make the stator produce supersonic vibrationand transfer elastic ultrasonic vibration in virtue of use friction, so the wrist joint obtains dynamic. It possesses the following features: compactness in size, tiny weight, high-torque at a low-speed range, fast response, high holding torque when power is off and so on.
The main works accomplished in the paper include: Talk about the development of robot, the features and classifications of the piezoelectric driving machine, and then propose the principle scheme of driving robot wrist joint. With the help of ANSYS, modal and structure of the driving stator have been carried out, and it’s a traveling wave driving machine. The influence of size and piezoelectric ceramics to modal have been analysed. The robot wrist joint is designed which can control and output the rotary angle accurately of the wrist. In addition, make use of Pro/E, 3D solid part models have been carried out for the joint, and also the kinetic simulations for the joints have been finished.
Key words：Robot；Wrist joint；Piezoelectric driving machine；FEM analysis；
目录
1绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.1.1 机器人及其发展史 (1)
1.1.2 机器人的组成 (1)
1.1.3 机器人关节驱动器 (2)
1.2 压电驱动器概述 (3)
1.2.1 基本原理 (3)
1.2.2 分类及特点 (3)
1.3 本论文的主要内容及意义 (4)
1.3.1 本论文的主要内容 (4)
1.3.2 本论文的意义 (4)
2原理方案设计 (6)
2.1压电驱动器原理方案 (6)
2.1.1行波的形成 (6)
2.1.2行波压电驱动器的工作原理 (7)
2.2机器人手腕的方案设计 (9)
2.2.1手腕自由度 (9)
2.2.2手腕的旋转形式 (9)
2.3驱动振子的方案设计 (11)
3压电驱动器分析 (14)
3.1引言 (14)
3.2压电驱动器的模态分析 (14)
3.2.1压电陶瓷片的设计 (14)
3.2.2驱动振子的有限元模态分析 (16)
3.2.3压电陶瓷片对振型的影响 (20)
3.3振子尺寸对谐振频率的影响 (21)
4机器人结构设计 (24)
4.1总体结构设计 (24)
4.2部分零部件设计 (25)
4.2.1压电驱动器结构 (25)
4.2.2机器人腕部托座结构 (25)
4.2.3机器人手部连接件设计 (26)
4.2.4左端盖结构 (27)
4.3三维实体造型 (27)
5结术语 (31)
致谢 (33)
参考文献 (34)
1绪论
1.1引言
1.1.1机器人及其发展史
机器人是近40年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。它是一种能模仿人的某些动作和控制功能，并根据可变的程序、轨迹和其他要求，操纵工具实现多种操作的自动化机械系统]1[。
在制造工业中，各种生产过程的机械化和自动化是现代技术发展的总趋势，随着技术进步和国民经济的发展，应用机器人技术是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。
在20世纪20年代，由于机械制造业的发展而出现了一种附属于自动机、自动线上的可以代替人力传递和装卸工件的专用机械手。40年代开始，为处理危险作业，出现了一种由操作者直接控制的操作机，它可以由操作者直接驱动或由电机驱动，亦可采用遥控操作。
从60年代开始，搬运、喷漆、弧焊机器人相继在生产中得到应用，并且出现了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元（FMC）。在机器人技术上取得了许多进展，制造了不少类型的机器人，并且初步形成了与机器人制造相关的或者是专门从事机器人生产的一些产业部门。
在70年代，机器人技术得到广泛应用，研究重点不局限于对机器人自身结构的设计，还着重从传感器和控制方法研究，开始使用伺服电机驱动机器人各关节]2[。也正是从70年代开始至今，现代机器人技术得到了全面的发展，现在，它已应用到国民经济、军事技术等众多的领域，具有广阔的应用和开发前景，显示出强大的生命力。
1.1.2机器人的组成
机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成，见图1.1。其中，机器人手腕属于机器人的执行系统。它是支撑和调整
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。
移动机械
机座
执行系统手臂
手腕
末端执行器
驱动器
机器人驱动系统减速器
检测元件
控制系统控制装置(计算机等)
检测装置(传感器等)
外部设备
图1.1 机器人的组成
1.1.3机器人关节驱动器
机器人技术发展至今，其关节驱动器的种类也随之发展起来。现在常用的几种关节驱动器有电动、液压、气动以及压电等，它们均具有各自的优缺点。
1)电动驱动器
电动驱动器是目前使用最广泛的驱动器。它的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相连，直接驱动比较困难。
2)液压驱动器
液压驱动功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动有较高的精度，但需要增设液压源，而且容易产生液体泄漏，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。
3)气动驱动器
气动驱动器的能源、结构都比较简单，但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。
4）压电驱动器
压电驱动器是近几年新兴的新原理驱动器，结构紧凑,体积小,低速、大转矩,响应极快,断电自锁、功率密度大(是电磁型3～10倍) 且不受电磁干扰, 是小型机器人关节的理想驱动器]3[。但压电驱动器由于利用了摩擦原理，导致驱动器的寿命不长。1.2压电驱动器概述
虽然机器人的关节驱动器种类繁多，但长期以来人们一直在寻找一种最大限度的满足机器人要求的驱动器。随着压电技术的不断发展，采用压电驱动器直接驱动的机器人, 较之普通电动驱动器省去了复杂的减速装置，可有效避免结构上的复杂性]4[；较之液压驱动器，能源简单，无污染；较之气压驱动器，易于控制，自锁性能好。1.2.1基本原理
压电驱动器是近年来发展起来的一种利用超声频率范围内(20KHz以上)的机械振动作用来驱动的一种新型微驱动器，其主要利用粘贴于弹性体表面的压电陶瓷片的逆压电效应起作用，这种变形量一般为m
级，要使其高效的产生变形，则需将与压电陶瓷片固有频率同频的两相高频驱动电流加于其上，使其产生超声频域的谐振，并在弹性体表面激发出质点的椭圆运动，依靠定子、转子间的摩擦作用使弹性体上面的移动体产生运动]5[。
1.2.2分类及特点
压电驱动器的种类各式各样，由于其结构的灵活性，将会出现越来越多的新型式。目前，根据运动方式，可分为行波型和驻波型；根据结构形式，可分为旋转型和直线型；根据振子振动方式，可分为单一振动模式型和复合振动模式型。
之所以压电驱动器是迄今为止工业界最认可的机器人关节驱动器之一，正是因为它具有如下特点]6[：
（1）体积小、重量轻、功率密度大。高功率密度——是电磁电机的10倍左右。重量和体积——在传递相同功率的情况下——仅为普通电磁电机的1/8至1/5。
（2）结构简单灵活、运动形式多样。
（3）低速下大转矩。与电磁电机相比，最显著的特点就是低速下具有大力矩输出
的特性，因此，无需减、变速机构，可实现直接驱动。
（4）惯性小，响应快。
（5）速度和位置控制性能好，分辨率高。驱动振子的表面振幅一般为微米级，甚至是纳米级，因此，步进驱动可以达到纳米级精度。
（6）断电自锁，静态保持力矩大。依靠摩擦驱动，断电时由于定、转子间静
摩擦力的作用，自然呈现摩擦制动状态。
（7）无磁性扰动。工作时受磁场的干扰极小，可以在较强磁场环境下工作。
（8）可在较苛刻的环境下工作，如真空、低温环境。
（9）低噪声运行，无须润滑。在超声频域工作，而且是直接驱动，故噪声比较低。定、转子间不需润滑油或润滑脂就可保证它的正常工作。
1.3本论文的主要内容及意义
1.3.1本论文的主要内容
1.追溯机器人的发展史，分析各类机器人手腕驱动器的特点，介绍压电驱动器，
提出压电驱动机器人腕关节的原理方案；
2.对实现机器人手腕旋转动作的各类机构进行对比分析，确定本设计的合理旋转
方式，设计机器人手腕结构，确定驱动器的数量和放置位置，实现手腕的俯仰动作；
3.应用有限元分析软件ANSYS 对压电驱动振子进行了模态分析及结构设计，确
定驱动振子的结构尺寸和工作模态，确定驱动器类型，并分析振子模态的影响因素；
4.应用UG对手腕的各个零件进行三维实体造型，整体装配，同时基于装配模型
动态仿真。
1.3.2本论文的意义
机器人手腕的驱动研究已经不是一个新鲜的话题，无论是使用电动式、液压式或气动式都具有自身的优点，同时也存在缺点。但随着工业生产对机器人的广泛应用，对机器人执行器的要求便越来越高。手腕作为执行器的支撑，也要求具有工作精度高,质量轻,体积小,响应速度快,稳定性好等等特点。
目前,机器人中广泛使用的执行器,比如电磁电机虽然结构简单，易于控制，价格低廉，但由于电机转速高，需有减速装置，因而传动机构复杂，体积重量大，且减速器的机械误差也相应带入了系统中，降低了系统精度；液压式的特点是输出力大，传动平稳，但难免油液泄露与挥发，污染工作环境；气动式的特点是结构简单，易于维修，且防火、防暴性好，但响应慢，工作平稳性较差，控制精度不高。它们越来越不能满足人们的要求，压电驱动器的出现带给了工业界一次不小的冲击波，它的结构小巧、重量轻、低速高转矩、响应快、断电自锁等诸多优点促成了其成为小型机器人最理想的驱动器。
本文利用压电驱动器驱动机器人手腕，将实现机器人手腕直接驱动的小型化，解决长时期以来制约机器人向小型化、微型化发展的一个重要环节。
2 原理方案设计
2.1 压电驱动器原理方案
由1.2.2可知,根据运动方式，压电驱动器可分为行波型和驻波型；根据结构形式，压电驱动器可分为旋转型和直线型；根据振子振动方式，压电驱动器可分为单一振动模式型和复合振动模式型]7[。
本文欲实现机器人手腕的旋转，故选择单一振动模式、行波旋转型的压电驱动器。以下简单介绍单一振动模式、行波型的原理。
2.1.1 行波的形成
图2.1 驻波
如文献[8]所述，两个驻波合成一个行波。设两个振动驻波分别为ZB ZA u u 和，
()θωλπ
+???
?
??=t x A u zm ZA sin 2sin （2.1） ()θωλπ+???
?
??=t x A u zm ZB cos 2cos
（2.2）
其中：x ，t 分别是空间和时间坐标；
λ为波长； θ为相位差；
zm
A 为振幅；
ω为角频率，f ?=πω2，f 为梁上质点的驻波振动频率。
2
λ
两个振动驻波叠加就合成一个纯的行波：
???
??--=+=θωλπt x A u u u zm ZB ZA Z 2cos
（2.3） ?
?
?
??++=+=θωλπt x A u u u zm ZB ZA Z 2cos 或 （2.4）
式（2.3）与（2.4）在相位上相差2/π，于是可以改变行波的方向，进而改变电机的转向。
2.1.2 行波压电驱动器的工作原理
本论文选用的压电驱动器的工作原理如图2.2所示。驱动振子为带有齿槽的金属弹性体，在振子的背面贴有一层压电陶瓷，转子与振子的接触表面贴有一层特殊的摩擦材料，其间靠一定的轴向压力紧压在一起。从而通过振子与转子之间的摩擦获得力矩，将电能转化为机械能来带动机械负载工作]
9[。
图2.2 旋转型行波超声电机工作原理
压电陶瓷分为A, B 两区域，如图2.3所示。在这两区域的压电片上，分别施以正弦及余弦交变电压，如图2.4所示。A, B 两区域的压电元件上施加电压后会形成弹性振动驻波，两驻波空间上相差1/4波长，时间上相差90°相角，由2.1.1的叠加原理，将两驻波合成为一个沿振子圆周方向运动的振动行波，使得弹性振动体的表面质点作椭圆运动，弹性体表面质点具有切向速度，带动定子弹性体一起振动，靠振子与转
子间的摩擦材料连续地对转子施加摩擦力，使之产生旋转运动，完成振子与转子间能量传递。在能量传递的过程中，振子表面的粒子做椭圆运动，并且粒子运动到椭圆最高点时的运动方向与行波前进方向相反
]
1110[，。
图2.3 压电陶瓷的结构与极化
图2.4 压电陶瓷的激励示意图
A B
B
A
2.2机器人手腕的方案设计
从关节的驱动方式看，手腕一般有两种形式，即远程驱动和直接驱动。远程驱动的手腕结构简单、紧凑、小巧，但传动设计路线长且复杂，刚度低；直接驱动传动线路短，传动刚度好，只要控制好腕部的尺寸和质量即可。利用压电驱动器驱动的机器人手腕正是直接驱动的最佳选择之一。
2.2.1手腕自由度
机器人手腕的功能是在手臂和腰部实现末端执行器在作业空间的三个自由度的基础上，再由手腕实现末端执行器在作业空间的三个旋转自由度。如图2.5所示，手腕能实现绕空间三个坐标轴的旋转，即自身几何中心与相对运动回转轴线重合的360°旋转运动、几何中心与相对转动轴线垂直的转角小于360°的左右偏摆运动以及和俯仰运动]12[。
图2.5 手腕自由度
手腕的自由度越多，结构越复杂，控制难度越大。由于手腕处于手臂末端，为减轻手臂载荷和应力，要求手腕结构紧凑、体积小。因此，应根据机器人的作业要求来决定其应具有的自由度数目。在多数情况下，手腕具有1—2个自由度即可满足工作要求。本论文中的手腕实现1个旋转自由度。
2.2.2手腕的旋转形式
机器人手腕的运动形式一般分为两种，即直线和旋转。但为了使腕部结构紧凑，
通常采用旋转方式。
根据特点不同，旋转又可分为滚转(R)和弯转(B)，如图2.6所示。
图2.6 手腕的滚转和弯转
图2.7列出了1到3个自由度的旋转手腕的结构示意图]12[。
（a）（b）
（c）
（e）（f）
（h ） （i ）
（g ） （k ）
图2.7手腕的多种旋转形式
单自由度旋转手腕只可能有两种形式，即如上所述的滚转与弯转，见图2.7（a ）和（b ）所示。显然，若是弯转型，则工作时能实现转动的方向和弯转的轴线位置有关。如果弯转轴线处于水平位置，弯转运动在垂直平面内实现俯仰动作；如弯转轴线处于铅直位置，弯转运动在水平面内实现偏摆动作。采取哪一种旋转方式取决于要实现的动作。本论文中的手腕实现俯仰动作。
2.3 驱动振子的方案设计
驱动振子由弹性体和粘贴在其上的压电陶瓷片组成。对其加上两相高频交流电压, 通过压电陶瓷的逆压电效应, 驱动振子表面便可激起行波。如图2.2 所示, 振子表面粒子在行波驱动下作椭圆运动, 通过振子和转子接触处的摩擦耦合, 使转子旋转
]
1413[，。
由于压电驱动器的结构为旋转型，故驱动振子结构形状应该为圆形或圆环型，这里考虑到振子的约束，将其设计成实心圆形，以螺钉固定，当对其振型分析时可以看成内环约束的圆环型。
另外，驱动振子内环约束，外环振幅最大，为了增大外环的振幅，将内外环之间的一段腹板的厚度尽量减小，以减小其刚性。如图2.8所示，图（a）结构较合理。
（a）（b）
图2.8 驱动振子侧视图
实际上，振子上开有槽，形成许多凸齿，如图2.9所示。凸齿的作用是]15[：增大相应振动振幅，提高摩擦传动效率，提高转子转速。
图2.9 驱动振子的主视图
为了能让转子连续转动，一个波长内至少应该有一个齿。通常，一个波长内的齿数不宜过多，过多时易产生干涉；也不宜过少，过少时旋转平稳性下降，一般为6—8个为宜，本论文振子一个波长内有6个凸齿（弯曲振动模态阶数为9，齿数为60）。
3 压电驱动器分析
3.1 引言
在清楚了压电驱动器的工作原理的基础上，需要进行分析计算和结构设计：包括外形、尺寸、材料等。当一个驱动器的初步结构设计出来后，它能否按照预想的原理正常工作，以及它具体的工作状态和工作频率都还是未知。当然，这些技术参数可以靠实验测试的手段来获得。但在初步结构设计阶段，首先是没有用来试验的驱动器，其次是通过实验测试的手段来修正结构显得既费时又费力。所以，在此阶段进行其驱动振子的固有特性计算就显得十分必要。
要在初步设计阶段计算出该压电驱动器的固有特性，主要有用理论简化模型计算和用有限元法计算两种方法]16[。
在实际的设计中，往往多采用有限元法，原因在于：
1、压电驱动器结构多样化的同时有的驱动振子结构复杂，而且在实际工作中，振子总是和压电陶瓷片结合在一起，使得简化模型分析难度加大。
2、对于驱动振子，目前没有成熟的理论模型，所以关于其工作原理的解释大多为定性的，对其固有特性计算使用的大多是简化的模型。
3、目前，有限元法已经比较成熟。无论是有限元理论，还是具体的有限元计算软件，都有较多、较深入的研究和发展。
3.2 压电驱动器的模态分析
3.2.1 压电陶瓷片的设计
如文献[19]所述，驱动振子环的弯曲振动模态的波腹数为2n 时，定义该弯曲振动振型属第n 阶，记为
n
B 0，见图3.1。本论文的陶瓷片为
09
B ，一方面9阶振型，波
腹较多使驱动转子运行平稳，另一方面，能被360°整除，便于划分陶瓷片的极化单元，见图2.3。
驱动振子由于内环约束，外环自由，所以其振幅的大小沿半径方向增大。靠近圆
心的部分，由于没有与转子充分地接触，因此对转子的作用力很小，甚至没有作用力。由于电机的效率与振幅关系密切，而振幅的大小由弹性体的圆周部分决定，因此，本论文将压电片做成内外径之差较大（12mm ）的环状。在图2.3和图2.4中，A, B 两相由一片压电陶瓷环实现；当然也可以用两片压电陶瓷环实现，重叠后空间上相差
/4，分别产生正、余弦电压也可产生行波。
图3.1 04B 与06B 压电陶瓷片阶数示意
对于压电陶瓷片的厚度，它决定了在一定电压下是否能够起振，如果压电片太厚，
大于1.5mm，则在通常电压情况下，不易起振。如果太薄，小于0.3mm，则在高频谐振条件下，由于形变过大而容易发生断裂，而且加大加工难度，在制做中不易实现。另外，压电陶瓷片的厚度对压电振子的固有谐振频率影响较大，通常我们取其厚度为0.5—0.8mm之间，本论文的压电陶瓷片厚度取0.5mm，如图2.3所示。
考虑如此薄的压电陶瓷片，在驱动振子的模态分析中到底有多少影响，本文在对压电驱动器进行模态分析的同时，还对其进行了简单的对比研究。
3.2.2驱动振子的有限元模态分析
本文研究的行波压电驱动器的几何参数如下：
表3.1驱动振子的结构参数
表3.2 驱动振子的材料属性
本文在计算中利用了有限元软件ANSYS进行了模态分析计算。因为驱动振子内环用螺钉固定在左端盖上，所以在创建有限元模型时，可以看作是个在螺钉约束处以里空心的圆环型结构。建立计算模型过程如下]20[：
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)
第二章工业机器人的机械结构和运动控制 章节目录 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机 2.1.2 控制器 2.1.3 示教器 2.2 工业机器人的技术指标 学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习 2.3 工业机器人的运动控制 2.3.1 机器人运动学问题 2.3.2 机器人的点位运动… 2.3.3 机器人的位置控制 课前回顾 何为工业机器人？ 工业机器人具有几个显著特点，分别是什么？ 工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。 学习目标 认知目标 *熟悉工业机器人的常见技术指标 *掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能 *了解工业机器人的运动控制 能力目标 *能够正确识别工业机器人的基本组成 *能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动 导入案例 国产机器人竞争力缺失关键技术是瓶颈 众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。虽然中国机器人产业经过30 年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件——伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内95% 的企业都集中在这个环节上）三个层面。 课堂认知 2.1 工业机器人的系统组成 第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。
工业机器人系统组成 2.1.1 操作机 操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。 关节型机器人操作机基本构造 机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。
一目前机器人的主要驱动方式及其特点 根据能量转换方式，将驱动器划分为液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动装置。在选择机器人驱动器时，除了要充分考虑机器人的工作要求，如工作速度、最大搬运物重、驱动功率、驱动平稳性、精度要求外，还应考虑到是否能够在较大的惯性负载条件下，提供足够的加速度以满足作业要求。 A液压驱动特点 液压驱动所用的压力为5～320kgf/cm2. a）优点 1能够以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩，即获得较大的功率重量比。 2可以把驱动油缸直接做成关节的一部分，故结构简单紧凑，刚性好。 3由于液体的不可压缩性，定位精度比气压驱动高，并可实现任意位置的开停。 4液压驱动调速比较简单和平稳，能在很大调整范围内实现无级调速。 5使用安全阀可简单而有效的防止过载现象发生。 6液压驱动具有润滑性能好、寿命长等特点。 B）缺点 1油液容易泄漏。这不仅影响工作的稳定性与定位精度，而且会造成环境污染。
2因油液粘度随温度而变化，且在高温与低温条件下很难应用。 3因油液中容易混入气泡、水分等，使系统的刚性降低，速度特性及定位精度变坏。 4需配备压力源及复杂的管路系统，因此成本较高。 C)适用范围 液压驱动方式大多用于要求输出力较大而运动速度较低的场合。在机器人液压驱动系统中，近年来以电液伺服系统驱动最具有代表性。 B气压驱动的特点 气压驱动在工业机械手中用的较多。使用的压力通常在0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa。 a）优点 1快速性好，这是因为压缩空气的黏性小，流速大，一般压缩空气在管路中流速可达180m/s，而油液在管路中的流速仅为2.5-4.5 m/s。 2气源方便，一般工厂都有压缩空气站供应压缩空气，亦可由空气压缩机取得。 3废气可直接排入大气不会造成污染，因而在任何位置只需一根高压管连接即可工作，所以比液压驱动干净而简单。 4通过调节气量可实现无级变速。 5由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用。
关节型机器人腕部结构结构设计 1绪论 1.1 选题背景及其意义 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控制系统设计，此课题来源于实际生产，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成都要求高，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力，实现生产过程自动化， 改善劳动条件。题目要求是：动作范围：手腕回转ο150,摆动ο90,旋转ο360。各 轴最大速度要求：s /30ο。额定载荷kg 5，最大速度s m /3。2、腕部最大负荷： 5kg 。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。特别是在20世纪20年代前后,捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。在现实生活中,一些民间工匠根据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。1954年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文,并获得了美国专利。戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起,预定的机械手动作一经编程输入后,机械等就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。 1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 随着全球能源短缺、环境污染以及温室效应等问题的日益突显。寻找可持续
第一章绪论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业,还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 机械手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。机器人显著地提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。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。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,统称为机器人。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除了具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。它可以灵活运用在工业上的各个方面，如喷漆、焊接、搬运等。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外称为“Mechanical Hand "，它是为主机服务的，由主机驱动;除少数外，工作程序一般是固定的，采用机械编程。因此是专用的。 本课题通过对通用机器人smart6.50R 的结构进行分析和研究，完成对其腕部的设计，最终期望腕部与小臂、手部、大臂能够协调工作，能够完成各种现代工业加工过程中所要求的动作。 本课题的设计思路是：借助已有的通用机器人的腕部设计思想和方法，综合考虑腕部机构在机器人运动中所起的作用和机器人的整体技术参数。
工业机器人用电机驱动系统 机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。 对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。 一、机器人对关节驱动电机的主要要求规纳如下 1.快速性 电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。 2.起动转矩惯量比大 在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。 3.控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。 4.调速范围宽。 能使用于1：1000～10000的调速范围。 5.体积小、质量小、轴向尺寸短。 6.能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。 目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机（DD）均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1～10kW。工业机器人驱动系统中所采用的电动机。
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”。 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. 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。 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。 1.1.4人工智能系统
六轴关节机器人机械结构 上图为常见的六轴关节机器人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转,注意观察一、二、三、四轴的结构，关节一至关节四的驱动电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见，空心轴结构的电机一般较大。采用空心轴电机的优点是：机器人各种控制管线可以从电机中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转，即使旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的旋转半径。此种结构较好的解决了工业机器人的管线布局问题。对于工业机器人的机械结构设计来说，管线布局是难点之一，怎样合理的在狭小的机械臂空间中布置各种管线（六个电机的驱动线、编码器线、刹车线、气管、电磁阀控制线、传感器线等），使其不受关节轴旋转的影响，是一个值得深入考虑的问题。 机器人的腕部结构常见有如下几种结构:
在这三种手腕部的结构中,以第一种(RBR型)结构应用最为广泛,它适应于各种工作场合,后两种结构应用范围相对较窄,比如说3R型的手腕结构主要应用在喷涂行业等. 关节设计: 对于国外的工业机器人主要制造国家来说,六轴关节机器人的研发设计及制造已经有好几十年的历史了,整个工业机器人的研发制造体系较为完善,他们的技术相对来说比较成熟,他们在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新,他们的技术对于国内来说,近乎完美.而国内目前这个行业还处在黎明前的黑暗阶段,虽然有不少公司有这个研发意图,或者正在研发途中,不管怎么说,浮出水面公布自己正在研发或者研发成功的公司应该说是极少数,即使宣布自己研发成功,也只是初步试验成功,真正产业化、商品化还有一段相当漫长的路要走.而更多的公司还停留在项目立项、技术评估、投入风险分析的阶段.由于国内做这个行业的很少,相关的结构也没有什么可参考的,技术储备不足,少数的单位或个人有机会能够拆拆别人的机器,拆个一知半解,更多的人只能在旁边看看了(比如说我,想拆都没机会^_^),还好了,网络资源丰富,今搜集到不少机械结构方面的图片,分享给大家参考,希望咱们做机械设计的(我应该也算是个机械工程师啊^_^毕竟我也是做机械的)少走点弯路,做出更好的机器. 六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂,因为在腕部同时集成了三种运动.小型的六轴关节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器.下面的图片较为详细的描述了常见的六轴关节机器人的腕部结构.
1、定义:腕部是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变手部姿态的作用。 2、手腕的自由度： ?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的旋 转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。 ?并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确 定。 腕部坐标系手腕的偏转 手腕的仰俯手腕的回转 3、手腕的设计要求 ?结构紧凑、重量轻； ?动作灵活、平稳，定位精度高； ?强度、刚度高； ?与臂部及手部的连接部位的合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。 4、手腕的分类 （1）二自由度手腕： 可以由一个R关节和一个B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关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。
BR手腕BB手腕 RR手腕（属于单自由度） （2）三自由度手腕： 有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。 BBR手腕BRR手腕 5.按手腕的驱动方式分： ?直接驱动手腕： ?驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕的关键是能否设计和加工出尺寸 小、重量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。 ?远距离传动手腕： ?有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为 了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。
液压直接驱动BBR手腕图例 远距离传动手腕图例 6、典型结构 （1）摆动液压缸（又称回转液压缸）： ?结构： ?由缸体、隔板、叶片、花键套等主要部件构成。其中叶片7固定在转子上， 用花键将转子与驱动轴连接，用螺栓2将隔板与缸体连接。 ?工作原理： ?在密封的缸体内，隔板与活动叶片之间围成两个油腔，相当油缸中的无杆腔 和有杆腔。液压力作用在活动叶片的端面上，对传动轴中心产生力矩使被驱
题目 1、工业串联机器人常用的驱动方式、传动系统、传感器类型 比较 2、智能移动机器人的驱动方式、传动系统、传感器类型 比较 3、现在机器人的控制系统、控制结构 概述 机器人问世已有几十年 但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发 展 另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念 成为一个难以回答的哲学问 题。也许正是由于机器人定义的模糊 才给了人们充分的想象和创造空间。 美国机器人协会 RIA) 一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的 通过程序动作来执行各种任务 并具有编程能力的多功能操作机。 美国家标准局 一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业 任务或动作的机械装置。 1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义 “工业机器人是一种具 有自动控制的操作和移动功能 能完成各种作业的可编程操作机。 日本工业标准局 一种机械装置 在自动控制下 能够完成某些操作或者动 作功能。 英国 貌似人的自动机 具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。 中国 我国科学家对机器人的定义是 “机器人是一种自动化的机器 这种 机器具备一些与人或生物相似的智能能力 如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力 是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 尽管各国定义不同 但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点 (1) 是一种自动机械装置 可以在无人参与下 自动完成多种操作或动作功 能 即具有通用性。 (2)可以再编程 程序流程可变 即具有柔性(适应性 。 机器人是20世纪人类伟大的发明 比尔?盖茨预言 机器人即将重复PC机 崛起的道路 彻底改变这个时代的生活方式。 机器人学集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理 论及人工智能等多学科的最新研究成果 代表了机电一体化的最高成就 是当代 科学技术发展最活跃的领域之一。 概述 驱动方式 现代工业机器人的驱动方式主要有三种 气动驱动、液压驱动和电动驱动。 气动驱动 机器人气动驱动系统以压缩空气为动力源。气动驱动机器人具有气源方便 系统结构简单 动作快速灵活 不污染环境以及维护方便、价格便宜、适合在恶劣工况 高温、有毒、多粉尘 条件下工作等特点。常用于冲床上下料 小零件装配、食品包装及电子元件输送等作业中。由于气体可压缩 遇阻时具有容让性 因此也常用作机器人手爪的驱动源。 气动驱动系统的组成 1 气源 气动机器人可直接使用工厂压缩空气站的气源 或自行设置气源
摘要 为了提高生产效率，满足一些特定的工作要求，本题设计的关节型机器人的手腕用于焊接、喷漆等方面。通过合理的设计计算，拟定了手腕的传动路径，选用直流电动机，合理布置了电机、轴和齿轮，设计了齿轮和轴的结构，实现了摆腕、转腕和提腕的三个自由度的要求。设计中大多采用了标准件和常用件，降低了设计和制造成本。 关键词：自由度，关节型机器人，手腕 ABSRACT In order to improve production efficiency and meet some of the specific requirements, design of ontology of robot wrist joints used for welding, paint, etc. Through the reasonable design calculation, the transmission path, choose the wrist, reasonable decorate a dc motor, gear axle and gear axle, design and realization of the structure, the pendulum wrist, turn the wrist and wrist three degrees of freedom. In the design of the standard and common people, the design and manufacturing cost. Keywords:freedom, Joint robot, The wrist
本科毕业论文 关节型机器人 机械臂结构设计 姓名 学院机械工程学院 专业机械设计制造及其自动化指导教师 完成日期2012年5月
全日制本科生毕业设计（论文）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文）关节型机器人机械臂结构设计是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。 承诺人（签名）： 日期：
关节型机器人机械臂结构设计 摘要 随着现代科学技术的发展，机器人技术越来越受到广泛关注，在工业生产日益现代化的今天，机器人的使用变得越来越普及。因此，对于机器人技术的研究也变得越来越迫切，尤其是工业机器人方面。本论文针对工业机器人的工作领域特点，设计了一款拥有6个自由度的机械人，尤其针对机器人机械臂进行详细的设计，确定了其传动结构图，选择合适的电机，齿轮，液压缸，等各零部件。以及对各关节传动轴的设计和进行齿轮计算和校核完成其设计，该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。 关键词：关节型机器人，6自由度，传动设计，零件计算校核
ARTICULATED ROBOT MANIPULATOR STRUCTURE DESIGN ABSTRACT With the development of modern science and technology, robotics, more and more attention in an increasingly modernized industrial production, the use of robots becoming more and more popular. Therefore, robotics has become increasingly urgent, especially industrial robots. For this area, the authors designed a robot with 6 degrees of freedom,especially for the detailed design of the robot arm,determine the transmission chart,thus select the appropriate motor,gear,hydraulic cylinder,and so on.And the design of the joint drive shaft and gear calculation and verification of completion of its design,the robot has a good rigidity,high positional accuracy and smooth run characteristics. KEYWORDS：articulated robot; 6 degrees of freedom; transmission design; parts calculation checking
毕业设计（论文）开题报告 1 选题背景及其意义 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控制系统设计，此课题来源于实际生产，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成都要求高，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力，实现生产过程自动化，改善劳动条件。题目要求是：动作范围：手腕回转 150,摆动 90,旋转 360。各轴最大速度要求：s /30 。额定载荷kg 5，最大速度s m /3。2、腕部最大负荷：5kg 。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。特别是在20世纪20年代前后,捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。在现实生活中,一些民间工匠根据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。1954年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文,并获得了美国专利。戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起,预定的机械手动作一经编程输入后,机械等就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。 2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 随着全球能源短缺、环境污染以及温室效应等问题的日益突显。寻找可持续的能源近年来，工业机器人的应用越来越广泛，种种迹象表明工业自动化时代已经到来，工业机器人极有可能成为下一个迎来爆发式增长的新兴产业。另一方面，中国工业机器人产
详解机器人手腕结构图
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【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RP Ｙ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
1、定义:腕部就是臂部与手部的连接件,起支承手部与改变手部姿态的作用。 2、手腕的自由度: ?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的旋 转运动。这便就是腕部运动的三个自由度,分别称为翻转R(Roll)、俯仰P(Pitch)与偏转Y(Yaw)。 ?并不就是所有的手腕都必须具备三个自由度,而就是根据实际使用的工作性能要求 来确定。 腕部坐标系手腕的偏转 手腕的仰俯手腕的回转 3、手腕的设计要求 ?结构紧凑、重量轻; ?动作灵活、平稳,定位精度高; ?强度、刚度高; ?与臂部及手部的连接部位的合理连接结构,传感器与驱动装置的合理布局及安装等。 4、手腕的分类 (1)二自由度手腕: 可以由一个R关节与一个B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关节构成二自由度手腕,因为两个R关节的功能就是重复的,实际上只起到单自由度的作用。
BR手腕BB手腕 RR手腕(属于单自由度) (2)三自由度手腕: 有R关节与B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式,实现翻转、俯仰与偏转功能。 BBR手腕BRR手腕 5、按手腕的驱动方式分: ?直接驱动手腕: ?驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕的关键就是能否设计与加工出尺 寸小、重量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。 ?远距离传动手腕: ?有时为了保证具有足够大的驱动力,驱动装置又不能做得足够小,同时也为了 减轻手腕的重量,采用远距离的驱动方式,可以实现三个自由度的运动。
液压直接驱动BBR手腕图例 远距离传动手腕图例 6、典型结构 (1)摆动液压缸(又称回转液压缸): ?结构: ?由缸体、隔板、叶片、花键套等主要部件构成。其中叶片7固定在转子上, 用花键将转子与驱动轴连接,用螺栓2将隔板与缸体连接。 ?工作原理: ?在密封的缸体内,隔板与活动叶片之间围成两个油腔,相当油缸中的无杆腔与 有杆腔。液压力作用在活动叶片的端面上,对传动轴中心产生力矩使被驱动
工业机器人的基本组成结构 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或者多自由度机器人，它的出现是为了解放人工劳动力、提高企业生产效率。工业机器人的基本组成结构则是实现机器人功能的基础，下面一起来看一下工业机器人的结构组成。工业机器人，现代工业机器人大部分都是由三大部分和六大系统组成。 1.机械部分 机械部分是机器人的血肉组成部分，也就是我们常说的机器人本体部分。这部分主要可以分为两个系统： （1）驱动系统 要使机器人运行起来，需要各个关节安装传感装置和传动专治，这就是驱动系统。它的作用是提供机器人各部分、各关节动作的原动力。驱动系统传动部分可以是液压传动系统、电动传动系统、气动传动系统，或者是几种系统结合起来的综合传动系统。 （2）机械结构系统 工业机器人机械结构主要由四大部分构成：机身、臂部、腕部和手部，每一个部分具有若干的自由度，构成一个多自由的机械系统。末端操作器是直接安装在手腕上的一个重要部件，它可以是多手指的手爪，也可以是喷漆枪或者焊具等作业工具。 2.感受部分 感受部分就好比人类的五官，为机器人工作提供感觉，帮助机器人工作过程更加精确。这部分主要可以分为两个系统： （1）感受系统 感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用于获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器可以提高机器人的机动性、适应性和智能化的水准。对于一些特殊的信息，传感器的灵敏度甚至可以超越人类的感觉系统。 （2）机器人-环境交互系统 机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。也可以是多台机器人、多台机床设备或者多个零件存储装置集成为一个能执行复杂任务的功能单元。 3.控制部分 控制部分相当于机器人的大脑部分，可以直接或者通过人工对机器人的动作进行控制，控制部分也可以分为两个系统： （1）人机交互系统 人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，例如，计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信号警报器、示教盒等。简单来说该系统可以分为两大部分：指令给定系统和信息显示装置。 （2）控制系统 控制系统主要是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配的执行机构去完成规定的运动和功能。根据控制原理，控制系统可以分为程序控制
《工业机器人》 一、填空题 1、按坐标形式分类，机器人可分为、、球坐标型 和四种基本类型。 2、作为一个机器人，一般由三个部分组成，分别是、 和。 3、机器人主要技术参数一般有、、、重复定位精度、、承载能力及最大速度等。 4、自由度是指机器人所具有的的数目，不包括 的开合自由度。 5、机器人分辨率分为和，统称为。 6、重复定位精度是关于的统计数据。 7、根据真空产生的原理真空式吸盘可分为、和 等三种基本类型。 8、机器人运动轨迹的生成方式有、、 和空间曲线运动。 9、机器人传感器的主要性能指标有、、、重复性、、分辨率、响应时间和抗干扰能力等。 10、自由度是指机器人所具有的的数目。 11、机器人的重复定位精度是指。 12、机器人的驱动方式主要有、和三种。 13、机器人上常用的可以测量转速的传感器有测速发电机和增量式码盘。 14、机器人控制系统按其控制方式可以分为控制方式、控制方式和控制方式。 15、按几何结构分划分机器人分为：串联机器人、并联机器人。 二、单项选择题(请在每小题的四个备选答案中，选出一个最佳答案。) 1、工作范围是指机器人或手腕中心所能到达的点的集合。 A 机械手 B 手臂末端 C 手臂 D 行走部分。
2、机器人的精度主要依存于、控制算法误差与分辨率系统误差。 A传动误差 B 关节间隙 C机械误差 D 连杆机构的挠性 3、滚转能实现360°无障碍旋转的关节运动，通常用来标记。 A R B W C B D L 4、RRR型手腕是自由度手腕。 A 1 B 2 C 3 D 4 5、真空吸盘要求工件表面、干燥清洁，同时气密性好。 A 粗糙 B 凸凹不平 C 平缓突起 D平整光滑 6、同步带传动属于传动，适合于在电动机和高速比减速器之间使用。 A 高惯性 B 低惯性 C 高速比 D 大转矩 7、机器人外部传感器不包括传感器。 A 力或力矩 B 接近觉 C 触觉 D 位置 8、手爪的主要功能是抓住工件、握持工件和工件。 A 固定 B 定位 C 释放 D 触摸。 9、机器人的精度主要依存于、控制算法误差与分辨率系统误差。 A传动误差 B 关节间隙 C机械误差 D 连杆机构的挠性 10、机器人的控制方式分为点位控制和。 A 点对点控制 B点到点控制 C 连续轨迹控制 D 任意位置控制 11、焊接机器人的焊接作业主要包括。 A 点焊和弧焊 B 间断焊和连续焊 C 平焊和竖焊 D气体保护焊和氩弧焊 12、作业路径通常用坐标系相对于工件坐标系的运动来描述。 A 手爪 B 固定 C 运动 D工具 13、谐波传动的缺点是。 A扭转刚度低 B 传动侧隙小 C惯量低 D 精度高 14、机器人三原则是由谁提出的。（D） A 森政弘 B 约瑟夫·英格伯格 C 托莫维奇 D 阿西莫夫 15、当代机器人大军中最主要的机器人为：（A） A 工业机器人 B 军用机器人 C 服务机器人 D 特种机器人 16、手部的位姿是由哪两部分变量构成的？（B）
题目1、工业串联机器人常用的驱动方式、传动系统、传感器类型比较 2、智能移动机器人的驱动方式、传动系统、传感器类型比较 3、现在机器人的控制系统、控制结构 概述 机器人问世已有几十年但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发 展另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念成为一个难以回答的哲学问 题。也许正是由于机器人定义的模糊才给了人们充分的想象和创造空间。 美国机器人协会RIA)一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的 通过程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能操作机。 美国家标准局一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业 任务或动作的机械装置。 1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义“工业机器人是一种具 有自动控制的操作和移动功能能完成各种作业的可编程操作机。 日本工业标准局一种机械装置在自动控制下能够完成某些操作或者动 作功能。 英国貌似人的自动机具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。 中国我国科学家对机器人的定义是“机器人是一种自动化的机器这种 机器具备一些与人或生物相似的智能能力如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 尽管各国定义不同但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点(1) 是一种自动机械装置可以在无人参与下自动完成多种操作或动作功 能即具有通用性。 (2)可以再编程程序流程可变即具有柔性(适应性。 机器人是20世纪人类伟大的发明比尔?盖茨预言机器人即将重复PC机 崛起的道路彻底改变这个时代的生活方式。 机器人学集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理 论及人工智能等多学科的最新研究成果代表了机电一体化的最高成就是当代 科学技术发展最活跃的领域之一。 概述 驱动方式 现代工业机器人的驱动方式主要有三种气动驱动、液压驱动和电动驱动。 气动驱动 机器人气动驱动系统以压缩空气为动力源。气动驱动机器人具有气源方便系统结构简单动作快速灵活不污染环境以及维护方便、价格便宜、适合在恶劣工况高温、有毒、多粉尘条件下工作等特点。常用于冲床上下料小零件装配、食品包装及电子元件输送等作业中。由于气体可压缩遇阻时具有容让性因此也常用作机器人手爪的驱动源。 气动驱动系统的组成 1气源气动机器人可直接使用工厂压缩空气站的气源或自行设置气源
机电学院毕业设计指导书 课题名称关节型机器人结构设计及仿真分析教学系、部、室机械设计系 专业 机械设计制造及其自动化 指导教师
一、毕业设计题目 题目名称：关节型机器人结构设计及仿真分析 机器人技术是近40多年来迅速发展起来的一门综合性学科，它综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。 机器人的研究、制造和应用，正受到许多国家的广泛重视，是一个国家科技水平和经济实力的象征。它能够替代人类不知疲倦地完成枯燥繁重的劳动，降低工人的劳动强度，提高劳动生产率。它的环境适应能力强，能够在水下、太空、真空、辐射以及剧毒等任何危险环境中工作，使人类的生命安全和健康得到保障。随着研究的深入，人们不断发现机器人技术的潜力，对它的应用已经逐步渗透到了人们生产和生活的各个领域中。 目前工业生产中应用最广泛的机器人是工业机器人，亦称作工业机械手。各种不同功能的机械手操作系统其机械、电气和控制结构一般也各不相同，但大多数完整的机械手系统都有4个主要部分：1.机械本体机构2.传感系统3.控制系统4.驱动源。 机械本体机构通常是由手臂、手腕和末端执行器组成。它们主要是由一系列旋转关节或移动关节相连接的多个机械连杆的集合体，从而形成开式运动链的结构。一端装在固定的基座上，另一端在手腕上安装手爪、各种夹持机构或专用工具来完成各种工作。机械手在执行一项任务时，由它的机械结构实现其运动机能，完成规定作业，因此机械结构的布局、类型、传动方法和驱动方式将直接影响机械手的总体性能。传感系统是将有关机械部件的各种工作状态信息传递给机器人的控制系统，控制系统通过这些信息确定机械部件各部分的正确运行轨迹、速度、位置和外部环境，使机械部件的各部分按预定程序在规定的时间开始和结束动作。驱动源是使各种机械部件产生运动的装置，主要包括气动、液压和电动三种形式。他们可直接与臂、腕或手部的机械连杆或关节联接在一起，也可采用齿轮、带、链条等间接传动装置。 本课题研究设计的机器人既可用于教学和科研，也可用于某些工业生产实践。研究成果可以为该型机器人的进一步轨迹规划和控制研究提供必要的参考数据，经改进后也可以应用于类人机器人的上肢体结构设计中。因此，本课题的研究成果具有广泛的实际意义和应用前景。 在确定机器人各部分的外形尺寸时，首先从人类手臂结构角度考虑，采用近似人体手臂的比例确定出手臂的初始尺寸。基于此设计思想，结合机械原理与机械设计理论构建机器人主体装配图，如图1-1所示。各关节回转运动都采用步进电机与谐波齿轮减速装置间接传动方式实现，机械系统主要构件包括基座、基座顶盖、腰部、大臂、小臂、