工业机器人腕部结构设计

论机械手腕的结构设计【摘要】当今时代，科技飞速发展，各类高科技产品层出不穷。

像机器人这类高科技产品也在不断的进行技术的革新。

对一个机器人而言，手腕是一个很关键的部位，它是连接末端执行器与手臂的关键，是连接手部和臂部的重要部件，具有改变或调整工件方位的作用。

本文对机械手腕的结构设计进行了相关的研究，对整个设计工作和造型的过程进行了介绍和总结。

【关键词】机械手腕；结构设计；自由度；设计要求引言近代自动控制技术领域出现了机械手这样的一项新的技术，这种技术在近代机械制造生产中起着重要的作用。

机械手的迅速发展是基于它的优越性被越来越多的人接受，它讷讷个够大大的改善工人劳动的条件，提高劳动生产率，加快现代工业实现自动化的步伐。

为此这项技术受到了国家的高度重视，国家在这方面投入了很多的资金和科技人才进行研究。

在我国，机器人的设计制造有了很快的发展，取得了可喜的成果，受到了机械工业的亲睐，并逐渐成为一门重要的学科。

1机械手腕的总体设计介绍手腕是连接手臂和末端执行器的重要结构，是联接手部和臂部的部件。

手腕的作用就是调整工件的方向，为此在设计上它具有独立的自由度。

拥有独立的自由度后，可以使机器人的末端执行器能够处于空间中的任意方向，这就要求腕部能够实现空间三个坐标轴的旋转运动。

这三个轴就相当于腕部运动的三个自由度。

根据不同的设计要求，手腕的自由度不一定是三个自由度，可以是一个或者两个及多个。

手腕自由度的设计和选用是和机器人的加工工艺、工件的位置放置、工件定位和其通用性等有密切关系的。

2机械手腕结构设计2.1腕部的结构特点腕部的结构通常采用的是转动方式，有的一些也会采用短距离的平移方式。

这些结构设计是根据转动的特点不同来定的。

用于手腕关节转动的可以分为弯转和滚转两种形式。

2.1.1单自由度手腕单自由度的手腕主要是由两个不同的关节组成的来实现改变工件方位的。

构成单自由度的手腕不能是相同的两个关节，必须是不同的两个关节的组合。

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绪论机器人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。

机器人一般分为三类。

第一类是不需要人工操作的通用机器人。

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，称为机械机。

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。

第三类是专用机器人，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，并借助CAD/CAE软件完成从建模到运动学分析、应力分析的全过程。

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以及结构特点，然后选择合理的机构，确定传动线路，然后对机构进行分析，计算主要参数，并对部分零件进行设计、组装，综合评价腕部系统。

1.1机器人组成机器人主要由驱动装置、控制系统和执行机构三大部分组成。

1.1.1驱动装置工业机器人的驱动装置包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成一体。

详解机器人手腕结构图————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：【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。

机器人手腕的设计要求
手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能是在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标（自由度）的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态（方位）坐标，即实现三个旋转自由度。

通过机械接口，联接并支承末端执行器。

手腕能实现绕空间三个坐标轴的转动，即回转运动、左右偏摆运动和俯仰运动。

当有特殊需要时，还可以实现小距离的横移运动。

手腕的自由度愈多，结构和控制愈复杂。

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个自由度即可满足作业要求。

（1）设计要求
对工业机器人手腕设计的要求有：
①由于手腕处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减少其质量和体积。

为此腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安置在手臂的后端。

②手腕部件的自由度愈多，各关节角的运动范围愈大，其动作的灵活性愈高，机器人对作业的适应能力也愈强。

但增加手腕自由度，会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。

因此，在设计时，不应盲目增加手腕的自由度数。

通用目的机器人手腕多配置3个自由度，某些动作简单的专用工业机器人的手腕，根据作业实际需要，可减少其自由度数，甚至可以不设置手腕以简化结构。

③为提高手腕动作的精确性，应提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。

④对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。