三自由度机械手腕的设计.docx
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三自由度机械手腕的设计
三自由度机械手腕的设计
摘要.................................................................................................................,Abstract......................................................................................................................21绪论........................................................................................................................3
1.1工业机器人简介...........................................................................................3
1.2工业机器手简介..........................................................................................32工业机器人手腕的总体设计........................................................................4
2.1机器人手腕总体设计概述............................................................................4
2.2腕部的结构特点...........................................................................................6
2.2.1概述....................................................................................................6
2.2.2单自由度手腕.....................................................................................6
2.2.3二自由度手腕.....................................................................................7
2.2.4三自由度手腕.....................................................................................7
2.2.5柔顺手腕结构.....................................................................................8
2.3腕部的驱动机构..........................................................................................9
2.4设计要求.....................................................................................................103机器人手腕的机械系统设计.............................................................................11
3.1三个自由度的实现.....................................................................................11
3.2传动机构的设计.........................................................................................13
3.3手腕内部其他结构的设计..........................................................................144机器人手腕的机械传动装置设计计算.............................................................16
4.1锥齿轮12，13的设计计算........................................................................16
4.1.1选材料并确定初步参数...................................................................16
4.1.2齿面接触疲劳强度计算...................................................................16
4.1.3齿根抗弯疲劳强度验算...................................................................17
4.1.4主要几何尺寸计算...........................................................................18
4.2锥齿轮17，16的设计................................................................................18
4.2.1选材料并确定初步参数....................................................................18
I
4.2.2齿面接触疲劳强度计算...................................................................19
4.2.3齿根抗弯疲劳强度验算...................................................................20
4.2.4主要几何尺寸计算...........................................................................21
4.3同步带传动设计........................................................................................22
4.3.1设计功率.....................................................................................22Pd
4.3.2带轮的基本尺寸...............................................................................235三维造型的绘制..................................................................................................24
5.1造型软件简介............................................................................................24
5.2典型零件的绘制.........................................................................................27结论.....................................................................................................................53致谢.....................................................................................................................54参考文献.................................................................................................................55
II
摘要
摘要
在工业上，机器人有着广泛的应用，尤其是在高温，高压，粉尘，噪音，以及带有放射性和污染的场合。
而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。
手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位。
本设计为三自由度工业机器人手腕，可以在两个方向上旋转在一个方向上弯转。
三维造型采用的造型软件为Pro/ENGINEER,Pro/ENGINEERWildfire野火版2.0以其易学易用、功能强大和互连互通的特点，推动了整个产品开发机构中个人效率和过程效率的提高。
它既能节省时间和成本，又能提高产品质量。
本文是对整个设计工作和造型过程较全面的介绍和总结。
关键词:
三自由度，机器人手腕，工业机器人
Abstract
Abstract
Industrially,Industrialrobotsarefoundinnumerousapplications,especiallyintheplacewherehightemperature,highpressure,dust,noises,radioativityandinfectant.Industrialrobotsarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry.Wrististhekeyofelemetwhichconnectarmandfinalimplement.Adjusttheworkpieceisitsfunction.Thisschemeintroducedaindustrialrobotwristwiththreedegreeoffreedom.Itiscomposedofonebendaxisandtworotaryaxes.UsePro/ENGINEERWildfiredrawing3Dmodel.Thesoftwarethatthe3DshapeadoptisPro/ENGINEER,thePro/ENGINEERWildfireversion2.0withiteasytolearneasilyuseofcharacteristics,pushedtheexaltationofpersonalefficiencyandtheprocessefficiencyinthewholeproductdevelopmentorganization.Itsincecansavetimeandcost,andthenraiseproductquality.Thispaperismorecomprehensiveintroductionandsumming-upfortheforthewholedesignworkandthedrawingof3Dmodel.
KeyWords:
threedegreesoffreedom,robotwrist,Industrialrobot
2
1绪论
1绪论
1.1工业机器人简介
工业机械手（以下简称机械手）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生产系统中的一个重要组成部分。
机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:
其一，它能部分的代替人工操作;其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。
从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。
尤其在高温，高压，粉尘，噪音，以及带有放射性和污染的场合，应用更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
1.2工业机器手简介
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。
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。
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械手来进行探测月球等。
工业中采用的铸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。
这种机械手在国外称为‘MechanicalHand’，它是为主机服务的，由主机驱动;除少数外，工程程序一般是固定的，因此是专用的。
机器人手腕是机械手的一部分。
手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，为使机器人末端执行器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的旋转运动。
这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。
根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个，2个，或比3个更多。
手腕自由度的选用与机器人的通用性，加工工艺性，工件放置方位和定位精度等有关。
3
2工业机器人手腕的总体设计
2工业机器人手腕的总体设计
2.1机器人手腕总体设计概述
手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，为使机器人末端执行器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的旋转运动。
这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。
根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个，2个，或比3
与机器人的通用性，加工工艺性，工件放置方位和定位个更多。
手腕自由度的选用
精度等有关。
（a）腕部坐标系（b）手腕的俯仰
（c）手腕的偏转（d）手腕的回转
图1腕部的坐标系
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2工业机器人手腕的总体设计
确定末端执行器的作业方法，一般需要3个自由度，由3个回转关节组合而成，组合的方式有多种多样。
常用的如图1所示，腕关节配置一般由臂转、腕摆、手转三部分组成。
（1）臂转绕小臂轴线方向的旋转称为臂转。
（2）腕摆使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。
（3）手转使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称为手转。
图2（a）所示的腕部关节配置为臂转、腕摆、手转结构，图2（b）所示的为臂转、双腕摆、手转结构。
英文关键词的每一个字母均小
写，每个关键词之间用半角逗号分
开，最后一个关键词后不打标点符
号。
不用此信息时，删除此框。
图2腕部的偏转轴线
手腕的设计除应满足起动和传递过程中所需的输出力矩外，还要求满足以下要求:
（1）由于腕部处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求腕部结构紧凑、减少重量和体积。
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）手腕部件的自由度越多，各关节的运动范围越大，动作灵活性越高，但会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。
因此不应盲目增加手腕的自由度。
通用的机器人手腕多配置3个自由度，某些专用工业机器人的手腕，根据实际需要，可减少其自由度。
（3）为提高腕部动作的精确性，应提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。
（4）对手腕各回转关节轴上要设置限位开关，以防止关节超限造成事故。
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2工业机器人手腕的总体设计
2.2腕部的结构特点
2.2.1概述
腕部结构通常只采用转动方式，但也有的腕部可作短距离平移。
根据转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为弯转（用B来标记）和滚转（用R来标记），分别如图3中（a）和（b）所示。
图3腕部的运动形式
2.2.2单自由度手腕
可以由一个R关节和一个B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关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。
相邻关节的转轴具有平行或垂直关系的手腕称为简单手腕，是目前工业机器人用的最多的手腕结构。
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2工业机器人手腕的总体设计
图4单自由度手运动形式
2.2.3二自由度手腕
可以由一个R关节和一个B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关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。
相邻关节的转轴具有平行或垂直关系的手腕称为简单手腕，是目前工业机器人用的最多的手腕结构。
图5二自由度手腕运动形式
2.2.4三自由度手腕
有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。
其中BBR型的手腕最为流行。
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2工业机器人手腕的总体设计
（c）（d）
（e）（f）
图6三自由度手腕运动形式
2.2.5柔顺手腕结构
在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件之间的配合精度相当高，工件的定位夹具，机器人手部的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难，因此就提出了装配动作的柔顺性要求。
柔顺性装配技术分为两种:
（1）主动柔顺装配:
从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。
一般手爪要配有检测元件如视觉传感器、力传感器等。
如图
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2工业机器人手腕的总体设计
（2）被动柔顺装配（RemoteCenterCompliance）:
从结构的角度在手腕配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。
两种柔顺手腕的比较:
主动柔顺手腕:
（1）需要装配一定功能的传感器，价格较贵;由于反馈控制响应能力的限制，装配速度较慢。
（2）可以在较大范围内进行对中校正，装配间隙可少至几个微米，通用性强。
被动柔顺手腕:
（1）允许的校正补偿量受到限制，轴孔间隙不能太小。
（2）结构比较简单，价格便宜，装配相对速度快。
2.3腕部的驱动机构
腕部关节可以采用远程驱动或直接驱动。
由于作业要求的不同，手腕的自由度数及其配置也会有不同，因此手腕的驱动机构大体分为两类:
（1）直接驱动手腕:
驱动源直接装在手腕上。
这种直接驱动手腕的关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。
图7手腕驱动机构
（2）远距离传动手腕:
有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。
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2工业机器人手腕的总体设计
图8手腕的传动机构
2.4设计要求
本课题所设计的是一个三自由度的机器人手腕，由法兰固定在机器人小臂上，分别用三个直流伺服电机对其进行驱动。
手腕主要分三部分:
一部分是通过法兰和小臂固结在一起，可实现腕部的回转运动;一部分是围绕轴的摆动;另外一部分就是手爪的回转运动。
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3机器人手腕的机械系统设计
3机器人手腕的机械系统设计
3.1三个自由度的实现
第一个自由度是绕图中所示的轴线的旋转运动，该自由度的实现是由臂部带动整个腕部转动实现的。
如图9
图9第一个自由度的轴线
第二个自由度是手部的旋转，绕图中所示的轴线旋转。
如图10
第三个自由度为手腕沿图示轴线腕部的弯转实现的。
如图11
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3机器人手腕的机械系统设计
图10第二个自由度的轴线
图11第三个自由度的实现
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3机器人手腕的机械系统设计
3.2传动机构的设计
初步设计拟定如下图的设计方案。
本手腕可以实现两个方向上的旋转和一个方向上的弯转。
第一个自由度是由电机M1带动齿型带带动空心轴5，实现整个腕部的旋转。
第二个自由度是由电机M2带动齿型带带动空心轴6，通过斜齿轮8和18的啮合传动，再通过谐波减速器10带动机体旋转实现的。
第三个自由度是由电机M3带动齿型带带动芯轴7，通过斜齿轮16，17的啮合传动，再通过14，15之间的带传动，再经由12，13啮合，通过谐波减速器11实现的。
图12传动机构平面图
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3机器人手腕的机械系统设计
图13传动机构三维图
3.3手腕内部其他结构的设计
腕部的弯转关结内部轴承采用两个圆锥滚子轴承背靠背布置得结构，这种布局主要是因为此部分将承受较大的轴向力，当手腕旋转到此部分朝下的方向时，整个手腕包括手部的轴向负载都将作用在此对轴承上。
所以本手腕采用了两个圆锥滚子轴承背靠背布置的结构如图14。
图14腕部垂直剖面图
当手腕处于垂直位置时，腕部与手联结的部分也将承受较大的轴向力，故采用了相似的结构。
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3机器人手腕的机械系统设计
图15腕部水平剖面图
传动过程中采用的是圆弧形齿形带传动，它具有很多优点:
传动比准确;传动效率高达98%;传动平稳，能吸收振动，噪声小;结构紧凑，速度可达50m/s。
传动功率可达300kw;维护保养方便，能在高温、灰尘、水及腐蚀截至的恶劣环境中工作，不需润滑。
该腕部结构具有以下特点:
（1）传动比分配采取先小后大的原则，谐波减速器放在最末一级，减少了传动零件的尺寸和重量;
（2）对大质量零件均采用铝材，从而大大减轻了腕部的自重。
为解决铝件和钢螺纹连接问题，设计采用了压入钢螺母法。
因此，该手腕设计结构简单，紧凑轻巧，
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