机器人末端旋转轴机械设计(一)
六自由度机器人腕部设计
摘要
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
目录
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【机器人末端旋转轴机械设计】
4锥齿轮设计 ......................................................................................................................... 23
4．1确定锥齿轮的主要技术参数 ...................................... 23
4．2轮齿的受力分析和强度计算 ...................................... 24
5.选择带轮和齿形带………….. ......................................................................................... 26
5.1带轮的选择 ..................................................... 26
5.2齿形带的设计 ................................................... 28 总结 ......................................................................................................................................... 31
参考文献 ........................................................................................................................ 32
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。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。驱动器通常有电机(直流伺服电机，步进电机，交流伺服电机)，液动和气动装置， 目前使用最多的是交流伺服电机。
1.1.2控制系统
控制系统一般由控制计算机和驱动装置伺服控制器组成。后者控制各关节的驱动器，使各杆按一定的速度，加速度和位置要求进行运动。前者则是要根据作业要求完成偏差，并发出指令控制各伺服驱动装置使各杆件协调工作，同时还要完成环境状况，周边设备(如电焊机，工卡具等)之间的信息传递和协调工作。
1.1.3执行机构
执行机构由腰部、基座、手部、腕部和臂部等运动部件组成。
1) 腰部 腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。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影响。
2) 基座 基座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种。该部件必须具有足够的刚度和稳定性。
3)手部 手部它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等形式。
夹持式手部是由手指和传力机构所组成。
手指是直接与物件接触的机构。常用的手指运动形式有回转型和平移型。
吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。
机器人末端旋转轴机械设计(二)
工业机器人的末端执行器结构分析综述
第 卷 第 期 2012年12文章编号：
大 学 学 报 大 连 交 通
JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY
Vol.1 No.12 Feb. 2012
工业机器人的末端执行器
结构分析综述
姜楚峰,潘传奇,马野,王磊,张芝虎
（大连交通大学 机械工程学院，辽宁大连116028）
摘 要：工业机器人的末端执行器(夹持器机构)是机器人操作机与工件、工具等直接接触并进行作业的装置，是机器人的关键部件之一.末端执行器是直接执行工作的装置，它对扩大机器人的作业功能、应用范围和提高工作效率都有很大的影响，因此对机器人的各种末端执行器结构分析研究有着非常重要的意义.抓取不同特征的物件需要有着不同类型的结构和驱动源..本文就末端执行器的常用结构，根据不同类型的结构特性分类来进行分析各种夹持机构的特点和适用范围.
关键词：末端执行器，夹持器，结构分析，结构特性分类 中图分类号： 文献标识码：A
Review of End-effectors Structure of industrial robot Analysis
Jiang Chu feng，Pan Chuan-qi，Ma Ye，Wang Lei，Zhang Zhi-hu
(College of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)
Abstract: End-effector (the clamping device) of the industrial robot is the robot manipulator is in direct contact with the workpiece, the tool and operating the apparatus, is one of the key components of the robot. End-effector is a direct implementation of the device, it expand miracle job functions, application range and improve work efficiency has a significant impact, and a variety of robot end effector structure analysis of the research has a very important significance. Crawling different characteristics of the object need to have different types of structures and the driving source. In this paper, the common structure of End-effector according to the classification of different types of structure characteristics to carry out analysis of various characteristics of the clamping mechanism and scope.
Key words: End-effector; griper; structure analysis; structure characteristics classification
0引言
“机器人的末端执行器是一个安装在移动设备或者机器人手臂上,使其能够拿起一个对象,并且具有处理、传输、夹持、放置和释放对象到一个准确的离散位置等功能的机构。”的一个定义。【机器人末端旋转轴机械设计】
工业机器人的抓取作业方式是工业生产中的一个重要应用.工业机器人是一种通用性较强的自
收稿日期：2012-12-6
[1]
动化作业设备，末端执行器则是直接执行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。通常，根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用的工具（如焊枪、喷嘴、电磨头等）三类。 [2] 它安装在操作机手腕（如果配置有手腕的话）或手臂的机械接口上。多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门设计的，但也可以设计成一种适用性较大
这是末端执行器
的多用途末端执行器，为了方便的更换末端执行器可设计一分钟末端执行器的接换器来形成操作机上的机械接口。较简单的可用法兰盘可作为机械接口处的转换器，为了实现快速和自动更换末端执行器，可以采用电磁吸盘或者气动缩紧的接换器。
总之,末端执行器机构的种类较多,但是其中有些在技术上尚不成熟。因此,如何在现有的末端执行器机构的性能并从国情出发,研制出能满足各种作业要求,实用可靠,结构简单,造价低廉的末端执行器是我们的主要任务。
2.1 机电结合型末端执行器[4]
如前所述，要扩大机器人应用领域, 要提高机器人效率, 要解决机器人的通用性与专用性矛盾,首先要加强新型夹持器机构的研究，并且把常见结构的要素和优点结合起来，开发出实用和经济的末端执行器。
下面介绍一种爪型的机、电、传感器结合的新
型夹持器。该机构的结构如图1所示。它是由锥形螺杆2、爪指9及爪指滑动导槽10三者组成一螺旋机构。其工作原理是: 当电机驱动锥形螺杆顺时针转动时, 与之旋合的爪指沿其导槽所在的半径方向 向内移动, 夹紧工件, 直至工件上承受的夹紧力达 到设计值时, 指端的压觉和滑觉传感器发出信号, 控制系统控制电机停转; 释放工件时, 由控制系统 发出信号, 使电机带动锥形螺杆反转即可。上述为 抓取实心工件的动作。
该机构还可作为内撑式夹持机构, 如抓取管材时, 爪指的抓放动作与之相反。若用于拧紧螺母时, 首先用该机构将螺母套在螺栓上, 后驱动锥形螺杆顺时针转动, 由于螺母已被夹紧, 故爪指不再向内滑动, 螺母、爪指及壳体连成一体旋转, 拧紧螺母, 直至满足螺栓预紧力的要求, 由指端传感器发出信号, 控制系统迫使电机停转。
.在该机构壳体的圆周方向上除相隔120°布置三个爪指导槽外, 另在与其中一爪指导槽相隔180度处开有另一个爪指导槽, 其目的是根据需要该机
构可由三爪转换成二爪使用。另外在指端还可快速
2
1 末端执行器的设计要求及分类
[2]
1.1 设计要求
(1)不论是夹持或吸附,末端执行器需要有满足作业需要的足够的夹持(吸附)力和所需的夹持位置精度。
(2)应尽可能使末端执行器结构简单和紧凑，质量轻，以减轻手臂负荷。专用的末端执行器结构简单，工作效率高，而能够完成各种作业的“万能”末端执行器可能带来结构复杂，费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器.。下面是末端执行器的要素-特征-参数的联系的示意图：[3]
1.2 结构分类
工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指头爪式，按其手指的运动可以分为平移型和回转型。按照夹持方式来分可以分为外夹式和内撑式.本文是按照结构特性来进行分类的，可分为电动（电磁）式、液压式和气动式，以及他们的组合。下面的内容将对常见的结构进行详细地分析。
[2]
2 常见末端执行器的结构原理分析
更换不同型式的手爪, 以适应不同形状和尺寸的工件要求。
锥形螺杆2是夹持器的关键零件, 其锥角的选取与夹持器所能夹持的工件最大重量和最大尺寸有关。锥角设计得越小, 夹持器所能产生的夹紧力与夹持工件的尺寸范围越大, 但锥角过小会影响爪指沿径向运行的夹持速度, 所以锥角不能设计得太小, 最好取在20°～30°范围内( 推导从略) 。该爪型夹持器的锥角为30°, 所能夹持的工件最大重量为25kg, 工件最大尺寸: 柱类为
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