关节型机器人机械臂结构设计

设计任务

题目： 关节型机器人腰部结构设计 1 一、设计内容

题目来源于生产实际。设计一个用于焊接的关节型机器人，进行机器人的总体

方案设计、腰部结构设计以及其零件设计。

二、设计依据

焊接机器人具有六个自由度，腰关节回转，臂关节俯仰，肘关节俯仰，

腕关节仰腕、摆腕和旋腕，腕部最大负荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空间半径

1500mm。

三、技术要求

1、机器人应能满足工作要求，保证焊接精度；

2、工作可靠，结构简单；

3、装卸方便，便于维修、调整；

4、尽量使用通用件，以便降低制造成本。

2 四.设计物化成果的具体内容及要求

1、图纸工作量及要求

设计图样全部用AutoCAD绘制，总的绘图量达3张A0以上，具体要求：

（1）机器人外形尺寸图一张；

（2）腰部及底座装配图一张；

（3）设计的所有零件的零件图。

主要参考文献：

1、殷际英.何广平.关节型机器人：北京:化学工业出版社，2003.

2、马香峰.工业机器人的操作机设计.北京：冶金工业出版社，1996.

3、费仁元.张慧慧.机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998.

4、周伯英.工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995.

5、蔡自兴.机器人学.北京：清华大学出版社，2000.

6、宗光华,刘海波译.机器人技术手册. 北京：科学出版社，1996.

7、徐卫良，钱瑞明译.机器人操作的数学导论. 北京：机械工业出版社，1998.

8、孙迪生，王炎.机器人控制技术.北京：机械工业出版社，1998.

9、徐灏.机械设计手册.第二版.北京：机械工业出版社，2000.

10、成大先.机械设计手册.第4版. 北京：化学工业出版社，2002.

工业机器人运动学基础篇：运动学构型

本文重点介绍工业机器人常用运动学构形，以下是工业机器人的几种常用结构形式（图），图文描述非常详细，希望能对大家带来帮助！！

1、笛卡尔机械臂

优点：很容易通过计算机控制实现，容易达到高精度。缺陷：妨碍工作,且占地面积大,运动速度低,密封性欠缺。

①焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。

②适用于多种类，批量的柔性化作业，提高产品质量，提高劳动生产效率，改进劳动条件和产品的快速更新换代有着显著作用。

2、铰链型机械臂（关节型）

关节机器人的关节全都是旋转的,相似于人的手臂,工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂。

①汽车零配件、模具、钣金件、塑料产品、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速检测及产品开发。

②车身装配拆卸、通用机械装配拆卸等制造质量控制等的三坐标测量及误差检测。

③古董、艺术品、雕塑、卡通人物造型、人像成品等的制作。④汽车整车现场测量和检测等。

3、SCARA机械臂

SCARA机器人常用于装配拆卸等作业,最显著的特点是它们在x-y平面上的活动具有较大的柔性,而沿z轴具有很强的刚性,因而,它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中取得了较好的使用。①大量用于装配印刷电路板和电子零部件

②搬动和取放物件，如集成电路板等

③普通使用于塑料行业、汽车行业、电子产品行业、药品行业和食品工业等领域.

④搬取零件和装配工作。

4、球面坐标型机械臂

特点：围绕着中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,延伸工作空间较大。但该坐标复杂,难于控制,且直线驱动装置存在密封的缺陷。

5、圆柱面坐标型机械臂

优点：且计算简单;直线部分可使用液压驱动,可输出较大的动力;

能够伸入型腔式机器内部。

缺陷：它的手臂能够延伸的空间遭到限制,不能到达近立柱或近地面的空间;直线驱动部分难以密封、防尘;后臂工作时,手臂后端会碰到运动范围内别的物体。

基于SolidWorks的关节型工业机器人的结构设计与动态仿真

作者：刘慧梅 徐静

来源：《东方教育》2017年第23期

摘要：工业机器人是一种高度自动化的现代制造自动化设备，在SOLIDWORKS软件平台上设计出关节型工业机器人模型，按照机构的结构几何尺寸，创建零件，并进行运动仿真，为工业机器人的实际样机的试制奠定了基础。

关键词：SolidWorks；关节型工业机器人；仿真

1 引言

SolidWorks是法国达索公司最先在Windows系统上开发的一款三维设计软件。其CAD功能方面涵盖了所有的设计类型，实体建模、曲面设计、二维工程图、装配、运动仿真、结构分析等功能一应俱全。本文对关节型工业机器人结构进行设计而并对各部分零件及机械手进行建模仿真，为企业项目要求而进行参数改造和控制系统分析创造条件。

2. 机器人本体结构设计 在SolidWorks的软件中的设计思路一般为：确定好外型尺寸和技术参数的草图后，根据草图规范好的尺寸范围和约束关系来设计零件和总装配体。

2.1 零件设计

在SolidWorks三维设计环境下，机器人的机构设计和造型设计合为一体，在用SolidWorks进行实体建模就会很方便。根据各个部件的结构特点，通过草图约束、实体拉伸和旋转扫描等特征方式建立各个零件的模型并进行装配。下面就是对机械手的主要组成部分进行设计。

2.1.1 基座的设计

基座，是整个机器人的支持部分。基座是整个机器人本体的支撑。为保证机械臂运行的稳定性，采用实心铸铁作支撑。如图1所示，周围采用双排螺母紧固，并在转盘处设计加强筋以增加其刚度，基座后端是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。

2.1.2 腰部的设计

腰部，是连接大臂和基座的部件，通常是回转部件。如图2所示，腰部的回转运动再加上手臂的平面运动，能使手腕空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它的制造误差，运动精度和平稳性，对机器人的定位精度有决定性的影响。

微创手术机器人机械臂结构设计与工作空间分析

摘要：近年来，机器人辅助微创手术技术的运用扩展了术式类别高了手术操作的精度和灵活度，因此引起了广泛关注以及研究。微创外科手术在减轻患者病痛方面具有创口小、出血少和愈合快等特点，手术及护理成本相比开放性手术也具有巨大优势，因此其已广泛应用于传统外科手术领域且在技术上口趋成熟。机器人与人手相比在持续性精度及运动范围上具有无可比拟的优势，而将其运用于腹腔微创手术领域能够在有效提高手术质量的同时提高手术操作的方便性，因此腹腔微创手术机器人系统已成为机器人领域的研究新热点。本文就微创手术机器人机械臂结构设计与工作空间展开探讨。

关键词：新型微创手术机器人；定位机构；远心机构；运动学分析；仿真分析

引言

微创外科手术源于对传统开放式手术的发展，传统手术创口大，切口一般大于100mm，疤痕明显，容易造成患者切口处的组织损伤，引发组织感染并发症。微创手术则改变上述传统手术的诸多问题，它通过体表的微小切口（一般小于10mm），将手术器械及相关的医疗设备探入体内，并在显像技术的引导下施行手术。使得病人的创口很小，恢复时间得以大幅减小。当前微创手术在外科手术的各个领域得到了广泛的运用，如肝胆外科、心胸外科、妇科、泌尿外科。

1国内外（微创手术机器人用）手术器械研究现状

微创手术机器人的控制方式一般为主从式，包括主手系统和从手系统。主手系统包含一个或多个主手（操作杆）和脚踏板，以及一套2D或3D显示系统；从手系统一般由机械臂及其搭载的手术器械构成。医生通过观察显示设备输出的图像来操作主手，通过控制系统的同步比例缩放作用，使从手作用于手术部位完成各种手术动作。

图1主从式微创手术机器人系统结构

手术器械是微创手术机器人系统从手中直接作用于病患部位的部分，它代替传统微创手术中医生直接操作手术工具所具备的所有功能，在腹腔微创手术机器人的机械系统中尤为重要。它包含手术钳、手术剪刀、高频电刀等工具，能够完成抓取、剪切、切割、夹捏等动作。以手术钳为例，它需要具有4个自由度，即1个旋转、1个俯仰及2个末端手爪的开合。相似地，高频电刀需要3个自由度，为1个旋转、1个俯仰及1个电刀头的摆动。