1、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 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、

2、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)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球 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。本課題通過對通用機(jī)器人 smart6.50R 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究， 完成對其腕 部的設(shè)計(jì)，并借助CAD/CA歆件完成從建模到運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、應(yīng)力

3、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， 然后對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析， 計(jì)算主要參數(shù)， 并對部分零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝，綜合評價(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

4、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

5、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。 對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件， 以

6、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)。21.2 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)

7、 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。 它能對不同的物件完成多 種動(dòng)作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴?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。 控制點(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

8、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，信號檢測，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)。對一般商用機(jī)器人，

9、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 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)a、B角，然后在a o1與z1組成的垂直平面內(nèi)再向上 轉(zhuǎn)B角得到的?？梢娛怯蒩、B兩角決定了末桿（L）的方向（姿態(tài)）。從理論上 講，如果0°<a < 360°, 0°=B < 360 &

10、#176;,則L在空間可取任意方向。如果 L 的自轉(zhuǎn)角丫也滿足0°< 丫 < 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= a /360 ° +B /360 ° +丫 /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，a、 B的最大值

11、取360 °,而丫值可取的更大一些，如果 擰螺釘，最好丫無上限。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)簡單并有利于小臂對整機(jī)的靜力平 衡。1.3.1 單自由度手腕SCAR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

12、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)鏈輪對稱分配在兩邊。BW200° , 丫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。B >360° , 丫 > 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?。ū。?。兩自由度的另兩種結(jié)構(gòu)。一種是將諧

13、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a. 丫兩自由度運(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)，B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) 手腕相對于小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（用角度參數(shù)a表示）而形成的。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)限 制，即a、B、丫都能在0°360°范圍取值，末端執(zhí)行器的靈活度 dex=1OO%+1OO%+1O0%也就是說具有百分

14、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。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a、B、丫的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)。2）偏置式手腕它是a、B、丫的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，但不匯交于一點(diǎn)。這兩類手腕都是把B、 丫運(yùn)動(dòng)的減速器安裝在手腕上，可簡化小臂結(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a、B、丫的旋轉(zhuǎn)軸線匯 交于一點(diǎn)?？梢钥闯?，電機(jī)（1）經(jīng)錐齒輪副（3, 4）和齒型

15、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）丫的運(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a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， 對小臂乃至整機(jī)的平衡不利， 但可簡化整個(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。

16、 這種布置還可簡化后面三個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 對于平行軸轉(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a(bǔ)、丫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，

17、 以減少臂的尺寸和前部重量， 并與 減速器一起對小臂起平衡作用。如圖 1.4 所示。81.4 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)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)， 而是綜合了人的特長和機(jī)器 特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能 力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力

18、，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 過程是冗長的， 尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)周期更加漫長， 更不用談對市場 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

19、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92 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)量檢測的測量頭，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

20、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a的斜楔前進(jìn)，使夾爪閉合， 夾緊物件，且當(dāng)a小于自鎖角時(shí)，即使B消失，被夾物件也不會滑脫。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 副平移其相對位置，所以通過調(diào)整螺旋可對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

21、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

22、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

23、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

24、。 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10KgI軸± 180°144( ° )/s200N?mn軸± 115°136( ° )/s150N?m川軸± 180°138( ° )/s100N?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

25、，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

26、蘭盤的手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。12圖3.1腕部系統(tǒng)傳動(dòng)簡圖133.2傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算321.選擇電機(jī)假設(shè)手部的末端的持重是10Kg,腕心距機(jī)械輸出借口長度為200mm腕轉(zhuǎn)的旋 轉(zhuǎn)半徑為100mm.I軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)-=2.512rad/s11E01R=100mmF = 10x10 =100NT=F2 RP = F 2 R2 W仁 100x2.512x100=25.12W=1 Cx0.8x0.95x0.99x0.98=0.665-.*I,- OJrrkjQJ-r' I IQJ-_nu-* 二590*a14#所需電機(jī)功率#=25.12 /0.665=37.77Wn軸為腕擺運(yùn)動(dòng)L=200mmF=1

27、00NT=F2 L=20.0N2 mW, = x314Z 18QC=2.372rad/sP=T2 胃=47.44W=MMP 叫 I S* l3=;：ku m 二i.J :=0.665所需電機(jī)功率為=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U軸傳動(dòng)所需電機(jī)6如下：型號功率(KW)轉(zhuǎn)速(r/mi n )轉(zhuǎn)矩(N2 m額定電流(A)額定電壓(V)TYSZ-75 63s0.7530002.43.08220TYSZ-55 63s0.5520002.32.222015322分配系統(tǒng)傳動(dòng)比和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算I軸

28、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)速二二22.67r/min* 掘帖9M系統(tǒng)總的傳動(dòng)臂為= =88.22二 88.22 J-W17電機(jī)6的輸出功率= 0.50KW1帶輪5轉(zhuǎn)速I = 2000r/min匸二；亠 I04.67rad /s* 60=0.50 x 0.95 x 0.98 x 0.99=0.460Kw二m=2.20N2 m帶輪6轉(zhuǎn)速叱y=2000r/min罷血二：=l04.67rad/s=0.460x0.95=0.437 Kw=2.09N2m腕轉(zhuǎn)軸I軸=0.437x0.80x0.95=0.332Kw=22.67r/minh=1.186rad/s=139.85N2 m=24r/

29、min腕擺傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比末端套筒的轉(zhuǎn)速17#系統(tǒng)總的傳動(dòng)比為亠125-二2.5#電機(jī)5的輸出功率=1200r/min-62- /s18=-=0.75 x 0.95 x 0.98 x 0.99 x 0.95=0.656Kw二 一 -=5.22N2 M129B帶輪4轉(zhuǎn)速辿=_ =1200r/min猖L=''=62.8rad/s «119#=0.656x0.95=0.623Kw1200腕擺軸U軸#=0.623x0.80=0.498Kw#=24r/m in#xO.498=198N2 mI軸腕轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)取 =88.22= 1= 1=1二.：i -4建fl 1nr 1ir i腕擺傳

30、動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比片 1站' x 5 :末端套筒的轉(zhuǎn)速 - = 24r/minfn4 £ ft系統(tǒng)總的傳動(dòng)比為30GC125取 =50=2.5204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250280HBS取 m=2.5-=-二 40】一 =45°i= 一=1hd=n2 z=90 mm 乩=論J錐距巨R=：廠-< =63.64mm h-.=2.5 軀=3t=d+2i,m =93.5mm咖=d-2m ' =85.8mmb=10mm:右=d(1-0.5b/R)=83丸二亠=2.7 °R遜血幾h=3.2 

31、6;214.2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 圮“在把分解 為三個(gè)互相垂直的力性，即圓周力.、徑向力忌和軸向力心。錐齒輪5的轉(zhuǎn)矩為_，中點(diǎn)分度圓直徑為：缶，可得：=：匕=328.7N=：二 :cs = =86.7NI=八：“ ：=86.7N(=14.73N2 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=；J：J=1.88=1.6 :品=1.15.=1.02直齒錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件為4601-0,5 DrF)J=666.5M _所

32、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?二二二15(- 一 =45°i= =1hd=n2 z=45mm U=d錐距 R=： "乩=31.8mm虬=3.5 l=4.2E=d+22；=50mm辱d-2, u - =40mm b=10mm 2 產(chǎn)' =5.38 °R匚二：=:J匕：；=6.5 °235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 ,拂曙齒同歩帶、輪選型闔4).000幢井» «»iO.HH財(cái)3 4bd7 WO1 7M i !AO

33、 1/lM1倉越5153M2MHIKI 姬 I1CM>*z200 3d24#圖3.2帶輪 6 的轉(zhuǎn)速-=2000r/min=0.437Kw：=0.209N2 m選擇梯形齒帶輪，帶輪型為L型，帶輪的結(jié)構(gòu)為：#25#I虐豈呂R pAF形AF type圖3.3選擇帶選擇奇龍傳功公司生產(chǎn)輪型號為；32L 050 AF節(jié)距=9.525mmZ=32節(jié)徑 d= 97.02mm夕卜徑幾；=96.26mm檔邊內(nèi)徑=90mm檔邊厚度h=1.5mm檔邊直徑M； =102mm5.2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)速幾?=2000r/min從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速i=2000r/min傳動(dòng)比i=1設(shè)計(jì)功率厝=；?孕P劭=1.5垮=1.5x0.46=0.69Kw節(jié)距=9.525mm帶輪齒數(shù)M=30耳=30帶輪節(jié)圓直徑二-=91.01147 - ='1 I速度 V -=9.52m/s初定軸間距0.7（ I - ） w r 2（縱+詬）127.4 w < 364細(xì)=200mm確定帶長及齒