关节型机器人腕部结构设计

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。

摘要机械手因其较高灵活性和通用性，在生活、制造等各个领域中都扮演着极其重要的角色。

它可以搬运货物，分拣物品，并能够在在有害环境下操作以保护人身安全，代替人的繁重劳动，因此被广泛应用于机械制造、轻工以及需求物品搬运等各种场所。

本次设计的研究方向是五自由度关节型机器人的结构设计及其仿真分析，在确定了设计方案以后，就开始查阅机器人的相关资料，以便以后的设计能顺利进行。

然后就是对机械手的几大部分进行了相关计算，确定了相关数据以后，二维的CAD、CAXA随即开了运行，而后就是到PRO/E的三维实体设计，机械手的各部分的实体模型也随之而出。

最后进行的便是ADAMS的仿真，将需要的数据输入以后，机械手便可以根据要求运动，同时截取了一些重要的线性图，提高了本次设计的机械手的可行性、科学性。

关键词：机械手；结构；计算；数据；AbstractBecause of its high flexible manipulators and universality, in life, in various fields such as plays a very important role. It can carry goods, articles, and can be sorted in harmful environment to protect personal safety operation, instead of heavy labor, therefore, are widely used in machinery manufacturing, light industry and the demand for handling items.This design research direction is five dof joints of the robot structure design and simulation analysis, in determining the design plan later, began to refer to the related information, so as to make robots after design can be carried out smoothly. Then a few most of manipulator is carried on the related calculation, determine the relevant data later, two-dimensional CAD, CAXA immediately opened run, and then is to PRO/E, the three-dimensional design of the manipulator each part of entity model also subsequently and out. Finally the simulation is conducted, will need to ADAMS after the data input according to requirements, manipulator can exercise, meanwhile intercepting the some important linear figure, improve the design of the manipulator of practical, scientificKeywords：Manipulator, formation，Calculation; data目录摘要 (I)Abstract .................................................... I I 第一章绪论 (1)机器人的概念 (1)我国机器人研究现状 (1)工业机器人概述 (2)工业机器人研究的现状与意义 (3)论文研究的主要内容 (3)第2章五自由度机器人方案的设计 (4)机器人机械设计的特点 (5)与机器人有关的概念 (5)设计方案 (6) (6) (6) (7) (8)第3章五自由度机器人的结构设计 (10)手爪结构设计 (10) (10) (10) (11) (12) (12) (13)腕部回转关节的设计 (13)腕部俯仰关节的设计 (13)腕部材料的选择 (14)大臂和小臂结构设计 (14) (14)大臂的结构设计 (14) (15) (15) (16) (16)轴承的选择 (16)第4章五自由度机器人的三维造型 (17) (17)/E的主要功能 (17)主要特征 (19) (20)手爪的实体模型 (21)手腕的实体模型 (22)大臂与小臂实体模型建立 (23)底座的实体模型 (26)...................................................... 错误!未定义书签。

毕业论文题目关节型工业机械手的结构设计学院机械工程学院专业机械工程及自动化班级机自0917班学生学号20090421170指导教师二〇一三年六月三日摘要关于该关节型工业机械手的具体研究方法。

本次设计工作首先对实体安川机器人进行了细致的研究，了解了其内部的具体结构，安川机器人的结构可分为六个轴系，然后根据六个轴系对其内部结构进行分解，以便了解各个零件之间的配合，这样就对安川机器人有了大体的了解。

下面就进行尺寸的测量，尺寸的测量只需要测量一下大体的外观尺寸，而内部尺寸可根据零件的配合进行合理的设计。

然后，进行计算（包括电机功率的计算，轴的设计，齿轮的参数计算），接着可依据相关资料，选取恰当的电机。

最后，可根据实体与之前所掌握的知识对机械手的结构进行设计分析。

关键词:伺服电机、机械手抓、移动旋转。

ABSTRACTHere is about the research method of the industrial manipulator joints. The design work on the real first AnChuan robot has carried on the detailed research, understand the internal structure of concrete, AnChuan robot structure can be divided into six axis, and then according to the six axis of its internal structure decomposition, in order to understand the cooperation between the various parts of the, thus for AnChuan robot have roughly understanding. Below is the size of the measurement, the size of the measurement only need to measure the general appearance of the size, and the internal dimension can be reasonable according to the parts of the design. Then, computing (including motor power calculation, the design of the shaft, the gear parameter calculation), then can according to relevant data, select the appropriate machine. Finally, according to the entity and prior knowledge on the structure of the manipulator design analysis.Keywords:servo motor rotate, manipulator grabbing and moving.目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 前言 (1)机械手国内外发展现状 (1)多关节型工业机械手概述 (2)机械手组成与分类 (3) (3) (3)2机械手的设计方案 (4) (5)机械手设计方案 (5)方案特点 (6)电机的选型 (7)初步估算机械手的质量 (7) (8)计算电机功率 (10)锥齿轮设计 (10)齿轮精度、材料 (10)按齿面接触疲劳强度设计 (10)按齿根弯曲强度设计 (12)锥齿轮参数计算 (12)同步带轮的设计 (13)同步齿形带传动计算 (13)带轮几何尺寸的计算 (14)减速器的设计 (16)减速器减速比的计算 (16)减速器输出轴径的计算 (16)4 机械手各结构设计 (17)手爪结构的设计 (17)手爪的设计要求 (17)手爪的分类 (18)手部结构形式的确定 (18)手腕结构的设计 (18)手腕的设计要求 (18)手腕结构形式的确定 (19)手臂结构的设计 (19)手臂的设计要求 (19)手臂结构 (19)小臂结构形式的确定 (20)小臂后箱体的结构设计 (20)连接杆件的设计 (21)5 关键轴的校核 (21)腕部输入轴的结构 (21)轴的校核 (22)6 结论 (24)参考文献 (25)致谢 (26)1前言机械手国内外发展现状1962年，美国机械铸造公司试制成一台数控试教机械手。

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人工智能系统它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。

SCARA机器人装配及结构设计摘要Scara 机器人是一种由三个自由度组成的平面关节型机器人，它的主要作用是可以完成精密仪器和物体的搬运和移动。

由于体积小，传动原理简单，被广泛运用于电子电气业，家用电器业，精密机械业等领域。

整个系统由机器手，机器臂，关节，步进电机驱动系统等组成。

通过各自由度步进电机的驱动，完成机器手，机器臂的位置变化。

具体设计内容为：同步齿形带传动设计，丝杠螺母设计，各输出轴和壳体的设计,步进电机的选择等。

在校核满足其结构强度的基础上，我们对scara 机器人的结构进行优化设计。

本论文着重研究scara 机器人的结构设计和运动学分析。

在论文开始首先介绍了机器人的发展及其分类情况。

在论文第二，三章具体叙述了scara 机器人的结构设计和运动学分析的详细过程。

在论文末尾还对scara 机器人进一步改进措施和应用展望进行了阐述。

关键词：scara 机器人，步进电机，结构设计，机器臂Structure Design of SCARA Assembly ManipulatorAbstractA SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedo m. Its mostly function is used to complete transition and motion of exact apparatus es and objects. Because of its small volume and simple drive principle, it is widely used in the field of electronic and electric industry, home-used electric-ware indust ry and exact mechanism. The whole system is composed of manipulator hand, ma nipulator arm, joints and stepper motor driving system. By stepper motor’s driving o f each degree of freedom, it completes location change of manipulator hand and m anipulator arm. The idiographic designing content is designing of in-phase tooth-sha pe strap, designing of silk-bar nut, designing of shell and axis and the choice of st epper motors. On the base of checking its structure intensity, while it satisfied, we optimize designing of the structure of SCARA robots.This paper put its emphases on research of its structure designing and kinematics analysis. At the beginning of this paper, it introduces the development and sort of r obots. In the second and third chapter, it introduces detailed detail among the proc essing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. At the last, this paper gives some measures about improving of SCARA robots, and gives a expectation about its future.Key Words: SCARA robots, stepper motor, structure design, manipulator arm目录Abstract ii第一章绪论 11.1 机器人的特点 11.2 机器人的构成及分类 11.2.1 机器人的构成 11.2.2 机器人的分类 31.3 机器人的应用与发展 41.3.1 机器人的应用 41.4SCARA机器人的研究意义 61.4.1SCARA机器人的研究意义 61.4.2SCARA机器人的特点71.5本文的研究内容8第二章SCARA机器人结构设计92.1 SCARA机器人传动方案的比较及确定9 2.2 各自由度步进电机的选择112.2.1 第一自由度步进电机的选择122.2.2 第二自由度步进电机的选择: 122.2.3 第三自由度步进电机的选择132.3 同步齿形带传动设计142.4 丝杠螺母设计182.4.1 丝杠耐磨性计算182.4.2 丝杠稳定性计算192.4.3 丝杠刚度计算192.4.4 丝杠和螺母螺纹牙强度计算202.4.5 螺纹副自锁条件校核212.5各输出轴的设计212.5.1 机身输出轴设计212.5.2 大臂输出轴设计222.5.3 带轮轴设计: 222.5.4 升降轴设计222.6壳体设计23第三章SCARA机器人运动学分析253.1 引言253.2SCARA机器人正运动学分析253.2.1SCARA机器人连杆坐标系的建立25 3.2.2SCARA机器人正运动学问题273.3 SCARA机器人逆运动学分析293.4 本章小结31第四章总结与展望32参考文献33致谢341.1 机器人的特点机器人最显著的特点有以下几个:1.可编程。

k定义:腕跚是臂跚和手部的连接件，起支承手跚相改变手部姿态的作用。

2、手U的自由度：■为了便手貉能处于空ranfn向，要求腕册能实现对空间三个坐林轴X、Y、Z的废转运动。

迪便是腕笳运动的三个自由度，分别称为制转R(Roll)、ffin P ( Pitch ) 和19 转Y(Yaw)o■并不是所有的手腕邵必须具笛三f自由度，而是根据实际便用的工作性能要求来确定。

手腕的PDWI 手腕的回转3、手H的披廿要*■结构紧凑、虫量轻；■朋作灵活、平稳，定EH青度高；■强8L啊度高；■与臂册及手部的连接81位的合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。

4、手H的分类(门二自由度手H：可以由一个R关节相一fB关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现, 但不能由两个RR关节构戒二自由度手腕，因为两个R关节的功能是車复的，实际上只起到单自由度的作用。

翻转（c）RR手腕（属于单自由厦）（2 ）三自由度手Rh有R £节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型氏，实观甜转、備仰和備转血能。

BBR手腕BRR手腕5. 按手ji的烟动方式分：■直接駆动手Ji：■驰动澹宜接芸在手腕上。

逹种直接驱动手腕的关址是能否设岀尺寸小、車量轻而驱动扭拒夫、驰动性能好的驱动电机或液压马达。

■传动手阖：■有时为了保证貝有足昭大的驰朋力，驱动装置Q不能做得足够小，冋时也为了廠轻手腕的車量，采用远卽离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。

220-偏钱浪压肓接駆动BBR手腕图例远即离传动手腕图例6、典里结构（D g动浪压H 压缸）：■结枳■由缸体、用板、叶片、花邃套等壬要跚件构戒。

貝中叶片7固定在转子上，用花键将转子与驱朋轴连接，用螺栓2將隔极与H体连接。

■工作原理：■在密封的iltt,用板与活动时片之同围应两个油腔，当油亂中的无杆腔和有杆腔。

液压力作用在Siinf片的端面上，对传动轴中心严生力矩使被驱动(2) 单自由SBftg 动手H ：■ 结构箝点：■机器人手部的合是由汽紙驱动的,而手腕的回转运动则由回转液圧幻实现。

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。

目录1 前言 (1)1.1课题来源 (1)1.2技术要求及预期效果 (1)1.3本课题要解决的主要问题及设计总体思路 (1)1.4国内外研究现状及发展状况 (1)1.4.1 研究现状 (1)1.4.2 发展趋势 (2)2 总体方案设计 (4)2.1机械结构类型的确定 (4)2.2传动方案的确定 (4)2.3工作空间的确定 (5)2.4手腕结构的确定 (5)2.5驱动装置的选择 (6)2.5.1 机器人驱动方案的分析和选择 (6)2.5.2 手腕电机的选择 (7)2.5.3 传动比的确定及分配 (8)3 齿轮的设计 (9)3.1齿轮强度的设计与校核 (9)3.1.1第一级圆柱齿轮传动设计 (9)3.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计 (12)4 轴的设计 ........................................................................................... 错误!未定义书签。

4.1转腕传动轴的选择 ....................................................................... 错误!未定义书签。

4.2摆腕传动轴的设计 ....................................................................... 错误!未定义书签。

4.2.1 圆柱齿轮轴的设计 ..................................................................... 错误!未定义书签。

4.2.2 轴的强度校核 ............................................................................. 错误!未定义书签。

4.2.3 圆锥齿轮轴的设计 ..................................................................... 错误!未定义书签。

目录1前言 (1)1.1 设计题目的背景及目的 (1)1.2 概述 (1)1.3. 机械手发展简史 (2)1.5 机械手应用概况 (3)1.6 发展趋势 (4)2 工业机械手设计概述 (5)2.1机械手设计目的及意义 (5)2.2 本次机械手的设计内容 (5)3 设计要求及方案论证 (6)4总体设计及分析 (8)4.1 系统原理介绍 (8)4.2 系统结构论述 (9)4.2.1机械手结构设计的特点 (10)5机械手各部分设计及计算 (10)5.1驱动系统的选择 (10)5.2 机械手基座部分设计 (12)5.2.1机械手基座结构的设计原则 (12)5.2.2 基座部分的设计计算 (13)5.2.3计算传动装置的运动和动力参数 (16)5.2.4主要传动尺寸的确定 (16)5.3 机械手手臂部分设计及计算 (23)5.3.1机械手手臂结构设计的原则： (23)5.3.2机械手手腕部分设计及其计算 (32)6 直接示教轻动化设计 (36)7 总结 (37)参考文献 (38)谢辞 (39)1前言1.1 设计题目的背景及目的机器人是近30年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。

机械手是机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过变成完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其是体现了人的智能和适应性，机器作业的准确性和在各种环境完成作业的能力。

本设计完成了多自由度关节式机械手的运动方案设计和驱动方式选择，并对机座，手臂及末端执行器等机械装置进行了结构设计。

本次设计的内容是多自由度关节式机械手的结构设计，属于工业机械手机械部分设计，本次设计的机械手属于专业机械手，主要附属于某一主机，如自动机床或生产线上，用以解决机床的上下料及工件的传输等任务，动作比较单一，只能完成某些特定的任务。

1.2 概述机器人是一种人类很早就梦想制造的、具有仿生性且处处听命于人的自动化机器，它可以帮助人类完成很多危险、繁重、重复的体力劳动或者进入各种服务领域。

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。

[详解]机器人手腕结构图机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件,它的作用是调节或改变工件的方位, 因而它具有独立的自由度,以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求.工业机器人一般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态.为了使手部能处于空间任意方向, 要求腕部能实现对空间三个坐标轴x、y、z的转动, 即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度,如图2.31所示.通常也把手腕的翻转叫做Roll, 用R表示; 把手腕的俯仰叫做Pitch, 用P表示; 把手腕的偏转叫Yaw, 用Y表示.图2.31 手腕的自由度<a> 绕z轴转动; <b> 绕y轴转动; <c> 绕x轴转动; <d> 绕x、y、z轴转动手腕的分类1. 按自由度数目来分手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、2自由度手腕和3自由度手腕.<1> 单自由度手腕,如图2.32所示.图<a>是一种翻转<Roll>关节, 它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式.这种R 关节旋转角度大, 可达到360°以上.图<b>、<c>是一种折曲<Bend>关节<简称B关节>, 关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直.这种B关节因为受到结构上的干涉, 旋转角度小, 大大限制了方向角.图<d>所示为移动关节.图2.32 单自由度手腕<a> R手腕；<b> B手腕; <c> Y手腕；<d> T手腕<2> 2自由度手腕,如图2.33所示.2自由度手腕可以由一个R 关节和一个B关节组成BR手腕<见图2.33<a>>,也可以由两个B关节组成BB手腕<见图2.33<b>>.但是, 不能由两个R 关节组成RR手腕, 因为两个R共轴线, 所以退化了一个自由度, 实际只构成了单自由度手腕,见图2.33<c>.图2.33 二自由度手腕<a> BR手腕；<b> BB手腕; <c> RR 手腕<3> 3自由度手腕,如图2.34所示.3自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式.图2.34<a>所示是通常见到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、偏转和翻转运动, 即RPY运动.图2.34<b>所示是一个B关节和两个R关节组成的BRR手腕, 为了不使自由度退化, 使手部产生RPY运动,第一个R关节必须进行如图所示的偏置.图2.34<c>所示是三个R关节组成的RRR手腕,它也可以实现手部RPY运动.图2.34<d>所示是BBB手腕, 很明显, 它已退化为二自由度手腕,只有PY运动,实际上不采用这种手腕.此外, B关节和R 关节排列的次序不同,也会产生不同的效果,同时产生了其它形式的三自由度手腕.为了使手腕结构紧凑, 通常把两个B关节安装在一个十字接头上, 这对于BBR手腕来说,大大减小了手腕纵向尺寸. 图2.34 三自由度手腕<a> BBR 手腕; <b> BRR手腕; <c> RRR手腕; <d> BBB手腕2. 按驱动方式来分手腕按驱动方式来分,可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕.图2.35所示为Moog公司的一种液压直接驱动BBR手腕, 设计紧凑巧妙. M1、M2、M3是液压马达, 直接驱动手腕的偏转、俯仰和翻转三个自由度轴.图2.36所示为一种远距离传动的RBR手腕.Ⅲ轴的转动使整个手腕翻转, 即第一个R关节运动.Ⅱ轴的转动使手腕获得俯仰运动, 即第二个B关节运动.Ⅰ轴的转动即第三个R关节运动.当c轴一离开纸平面后, RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动.这种远距离传动的好处是可以把尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处, 有时放在手臂的后端作平衡重量用,这不仅减轻了手腕的整体重量, 而且改善了机器人的整体结构的平衡性.图2.35 液压直接驱动BBR手腕图2.36 远距离传动RBR手腕手腕的典型结构设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外, 还要求手腕结构简单,紧凑轻巧,避免干涉,传动灵活; 多数情况下,要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上, 使外形整齐; 设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去, 运动传入腕部后再分别实现各个动作.下面介绍几个常见的机器人手腕结构.图2.37所示为双手悬挂式机器人实现手腕回转和左右摆动的结构图. A-A剖面所表示的是油缸外壳转动而中心轴不动, 以实现手腕的左右摆动；B-B剖面所表示的是油缸外壳不动而中心轴回转, 以实现手腕的回转运动.其油路的分布如图2.37所示.图2.37 手腕回转和左右摆动的结构图图2.38所示为PT－600型弧焊机器人手腕部结构图和传动原理图.由图可以看出, 这是一个具有腕摆与手转两个自由度的手腕结构, 其传动路线为: 腕摆电动机通过同步齿形带传动带动腕摆谐波减速器7, 减速器的输出轴带动腕摆框1实现腕摆运动; 手转电动机通过同步齿形带传动带动手转谐波减速器10, 减速器的输出通过一对锥齿轮9实现手转运动.需要注意的是, 当腕摆框摆动而手转电动机不转时, 联接末端执行器的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动, 将产生附加的手转运动, 在控制上要进行修正.图2.38 PT-600型弧焊机器人手腕结构图图2.39所示为KUKA IR-662／100型机器人的手腕传动原理图.这是一个具有3个自由度的手腕结构, 关节配置形式为臂转、腕摆、手转结构.其传动链分成两部分: 一部分在机器人小臂壳内, 3个电动机的输出通过带传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、外套筒上; 另一部分传动链安排在手腕部, 图2.40所示为手腕部分的装配图.图2.39 KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图图2.40 KUKA IR-662/100型机器人手腕装配图其传动路线为:<1> 臂转运动.臂部外套筒与手腕壳体7通过端面法兰联接,外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动.<2> 腕摆运动.臂部中间套通过花键与空心轴4联接, 空心轴另一端通过一对锥齿轮12、13带动腕摆谐波减速器的波发生器16, 波发生器上套有轴承和柔轮14,谐波减速器的定轮10与手腕壳体相联, 动轮11通过盖18和腕摆壳体19相固接, 当中间套带动空心轴旋转时, 腕摆壳体作腕摆运动.<3> 手转运动.臂部心轴通过花键与腕部中心轴2联接, 中心轴的另一端通过一对锥齿轮45、46带动花键轴41, 花键轴的一端通过同步齿形带传动44、36带动花键轴35, 再通过一对锥齿轮传动33、17带动手转谐波减速器的波发生器25, 波发生器上套有轴承和柔轮29, 谐波减速器的定轮31通过底座34与腕摆壳体相联,动轮24通过安装架23与联接手部的法兰盘30相固定, 当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时, 法兰盘作手转运动.柔顺手腕结构在用机器人进行的精密装配作业中, 当被装配零件之间的配合精度相当高, 由于被装配零件的不一致性, 工件的定位夹具、机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时, 会导致装配困难, 因而, 柔顺性装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度出发, 采取各种不同的搜索方法, 实现边校正边装配; 有的手爪还配有检测元件, 如视觉传感器<如图 2.41 所示>、力传感器等, 这就是所谓主动柔顺装配. 另一种是从结构的角度出发, 在手腕部配置一个柔顺环节, 以满足柔顺装配的需要, 这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配.图2.41 带检测元件的手图2.42所示是具有移动和摆动浮动机构的柔顺手腕.水平浮动机构由平面、钢球和弹簧构成,实现在两个方向上进行浮动; 摆动浮动机构由上、下球面和弹簧构成, 实现两个方向的摆动.在装配作业中,如遇夹具定位不准或机器人手爪定位不准时, 可自行校正.其动作过程如图2.43所示, 在插入装配中工件局部被卡住时,将会受到阻力, 促使柔顺手腕起作用, 使手爪有一个微小的修正量,工件便能顺利插入.图2.44所示是另一种结构形式的柔顺手腕, 其工作原理与上述柔顺手腕相似.图2.45所示是采用板弹簧作为柔性元件组成的柔顺手腕,在基座上通过板弹簧1、2联接框架, 框架另两个侧面上通过板弹簧3、4联接平板和轴,装配时通过4块板弹簧的变形实现柔顺性装配.图2.46所示是采用数根钢丝弹簧并联组成的柔顺手腕. 图2.42 移动摆动柔顺手腕图2.43 柔顺手腕动作过程图 2.44 柔顺手腕图 2.45 板弹簧柔顺手腕图2.46 钢丝弹簧柔顺手腕。

平面关节型机械手结构设计摘要机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，目前平面关节型机械手被广泛应用于工业领域中。

平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动。

文章中介绍了平面关节型机械手的设计理论与方法，在力学计算的基础上进行结构分析，详尽的讨论了平面关节型机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。

关键词：机械手平面关节型结构设计Plane joint type manipulator structure designAbstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production. Today hydraulic manipulator is widely used in industry field. Planar articulated robot with two rotary joints and a prismatic joint; two rotary joints around, movement control, and move up and down movement joint is achieved.This article system elaboration industry manipulator's design theory and method. Mechanical calculations on the basis of the structural analysis.The comprehensive exhaustive discussion has Planar articulated manipulator's hand, the wrist, the arm ，the fuselage and so on ,which the major structural design computation.Key words: manipulator; Plane joint type; structural design目录1绪论 (8)1.1 机械手的组成 (1)1.1.1 执行机构 (1)1.1.2 驱动机构 (2)1.1.3 控制系统分类 (2)1.2 机械手的分类 (2)2 机械手总体设计 (4)1.1 主要技术参数 (4)3 手部设计 (5)3.1 确定手部结构 (6)3.2 手部受力分析 (6)3.3 手部夹紧力的计算 (7)3.4 手部夹紧缸的设计计算 (8)3.4.1 夹紧缸主要尺寸的计算 (8)3.4.2 缸体结构及验算 (9)3.4.3 活塞杆的设计计算 (9)4 移动关节的设计计算 (11)4.1驱动方式的比较 (11)4.2上下移动升降缸的设计 (12)5 小臂的设计 (14)5.1 设计时注意的问题 (14)5.2 小臂结构的设计 (13)5.3 轴的设计计算 (15)5.4 轴承的选择.................................... 错误!未定义书签。

关节型机器人腕部结构设计摘要：机器人技术一经提出就一直备受关注，在进入21世纪之后，随着全球顶尖科学技术的不断发展，过去只存在在电影中的机器人技术不断地在现实生活中得以应用。

目前现代化程度较高的国家和地区在工业生产应用上都开始逐渐普遍使用机器人技术来提高生产效率，因此进一步的研究机器人技术是非常迫切的。

基于这一背景，本文对工业生产机器人中应用较广的关节型机器人的结构设计做了简单的介绍，其中着重介绍了该机器人的腕部结构设计。

关键词：关节型机器人；腕部结构；设计引言：机器人通常是指一种设备或者是机器通过一些技术具有了空间自由度，并且能够完成相对比较多的拟人行为或者能，按照其功能作用的不同会将其划分成不同种类的机器人，比如工业机器人等。

一般来说，机器人的系统基本都是由操作机、驱动设备、中控装置以及相配对的外部设备这四部分组成。

其中操作机系统又可以细分为末端执行器、手腕、手臂以及机座等，而本文就是针对操作系统中的腕部结构进行简单的介绍。

1.机器人发展趋势机器人技术的发展是一个非常漫长的过程，在实现了诸如计算机技术、电子信息技术、互联网技术以及自动化技术的快速发展之后，才逐渐取得了一些机器人技术的突破，大体上在工业机器人以及先进机器人两大类型上取得了一定的成果。

在工业生产、医用、航空、军用等等重要行业已经开始逐渐普及机器人技术的应用。

相信在各国科学家的不断实验研究中，不远的未来对机器人技术的应用一定会更加多种多样，成为人类最大的助手。

1.机器人结构方案设计1.机械结构类型确定经过查阅文献可以知道，较为常见的机器人主要可以分为五种不同机械结构。

分别是圆柱坐标型、直角坐标型、球坐标型、关节型以及平面关节型。

本文是主要介绍第四种，也就是关节型机器人的结构设计，这种类型的机器人一般具有相对较高的灵活性以及操作精确度，并且占用的空间较少，工作的范围却大，因此，这种类型的机器人在工业生产中是应用最为广泛的。

关节型机器人，外形是仿照人类的手臂进行设计的，其关节都是属于可回转类型的关节，一般是由立柱和大小手臂这两部分组成，其肘关节以及肩关节可以通过灵活的回转进行对大小臂的控制，结构简单、操作灵活，一般在装配工程以及小零件的插接应用中经常可以见到此类机器人的应用。

优秀设计学科门类：单位代码：毕业设计说明书（论文）关节型机器人腕部结构设计学生姓名所学专业班级学号指导教师XXXXXXXXX系二○**年X X月任务书一、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、腕部及执行器结构设计及其零件设计。

二、设计依据焊接关节型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4kg，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。

四. 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.开题报告关节型机器人腕部结构设计摘要：为了提高生产效率和焊接质量，满足特定的工作要求，本题设计用于焊接的关节型机器人的手腕和末端执行器。

根据机器人的工作要求进行了机器人的总体设计。

确定机器人的外形时，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，并进行了强度校核计算。

传动中采用了软轴、波纹管联轴器和行星齿轮机构，实现了摆腕、转腕和提腕的三个自由度的要求。