機(jī)械手-機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)

機(jī)械手-機(jī)械手腕部設(shè)計(jì),機(jī)械手,腕部,設(shè)計(jì) 摘要 機(jī)器人技術(shù)是綜合了許多學(xué)科的知識(shí)，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(tái)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(chǎng)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(hào)操作機(jī)器人來進(jìn)行探測(cè)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(duì)通用機(jī)器人smart6.50R 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，完成對(duì)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(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算主要參數(shù)，并對(duì)部分零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝，綜合評(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)不同的物件完成多種動(dòng)作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨(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?？刂泣c(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(jiǎn)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(jiǎn)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(hào)檢測(cè)，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(jiǎn)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(duì)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(duì)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。可見是由α、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(píng)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(jiǎn)單并有利于小臂對(duì)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(jí)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(duì)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(duì)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(shì)。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(jiǎn)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)。可以看出，電機(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(duì)小臂乃至整機(jī)的平衡不利，但可簡(jiǎn)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(jí)。這種布置還可簡(jiǎn)化后面三個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)的，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期更加漫長(zhǎng)，更不用談對(duì)市場(chǎng)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(duì)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(cè)的測(cè)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(jiǎn)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(duì)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(duì)位置，所以通過調(diào)整螺旋可對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)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(hào) 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 取ｉ諧＝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(duì)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(zhǎng)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(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，極大地?cái)U(kuò)展了知識(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè) 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(cè)》編寫組. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三冊(cè)）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 目錄 1緒論 1 1.1機(jī)器人的組成 2 1.1.1驅(qū)動(dòng)裝置 2 1.1.2控制系統(tǒng) 2 1.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2 1.2機(jī)器人分類 4 1.2.1按用途分類 4 1.2.2按控制形式分類 4 1.2.3按驅(qū)動(dòng)方式分類 4 1.3腕部結(jié)構(gòu)選形 5 1.3.1單自由度手腕 6 1.3.2兩自由度手腕 7 1.3.3三自由度手腕 8 1.3.4裝配機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)選型 9 1.4機(jī)器人設(shè)計(jì) 11 2末端執(zhí)行器 12 2.1夾持器 12 2. 2擬手指型執(zhí)行器 13 2. 3吸式執(zhí)行器 13 3腕部設(shè)計(jì) 15 3.1手腕結(jié)構(gòu)的選擇 15 3.2傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 17 3.2.1選擇電機(jī) 17 3.2.2分配系統(tǒng)傳動(dòng)比和動(dòng)力參數(shù)的設(shè)計(jì) 19 4錐齒輪設(shè)計(jì) 23 4．1確定錐齒輪的主要技術(shù)參數(shù) 23 4．2輪齒的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算 24 5.選擇帶輪和齒形帶………….. 26 5.1帶輪的選擇 26 5.2齒形帶的設(shè)計(jì) 28 總結(jié) 31 參考文獻(xiàn) 32