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。

1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）随着全球能源短缺、环境污染以及温室效应等问题的日益突显。

寻找可持续的能源近年来，工业机器人的应用越来越广泛，种种迹象表明工业自动化时代已经到来，工业机器人极有可能成为下一个迎来爆发式增长的新兴产业。

另一方面，中国工业机器人产业正处于前所未有的机遇期，政策红利、工业转型升级需求释放等机遇叠加，但中国工业机器人产业化发展却不尽如人意，产业化进程发展缓慢。

工业机器人是生产过程中的关键设备，可用于安装、制造、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车及汽车零部件、电气电子、化工、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域广泛。

产业具备加速发展条件，中国工业机器人的规模、分布、技术、应用是产业加速发展的基础和条件。

总体来看，中国工业机器人产业处于起步期，整体规模较小；受产业发展阶段影响，龙头企业多分布在研发集中的东北地区；技术投入虽逐年增长，但核心技术尚未产业化；人力替代需求旺盛，市场应用前景广阔。

国际工业机器人协会统计资料显示，2008~2012年，我国工业机器人平均每年安装量约15000台，2012年新安装量24800台。

工业机器人产业经过20多年发展，基本实现了从试验、引进到自主开发的转变。

中国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。

但我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的差距，主要体现在：产品可靠性、精确度低于国外产品；机器人应用领域较窄，生产线系统技术与国外比仍有差距；自主创新不足，诸多技术方面停留在仿制层面，关键零部件依赖进口，特别是在高性能交流伺服电机和高精密减速器方面的差距尤为明显；在加工工艺方面，国内厂商的热处理技术较弱，直接影响工业机器人的控制精度。

当前，我国的机器人生产品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高，而且质量、可靠性都不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

目前，工业机器人产业发展处于内外部机遇叠加的重要发展期，工业转型升级推动装备产业发展、人口增长趋势有利于释放市场容量、商业模式创新活跃。

同时，工业机器人产业经过初期的技术积累和产品市场规模的不断扩大，正逐步接近产业化快速发展的临界点。

工业机器人是我国制造业转型升级必不可少的高端装备，是我国“十二五”规划中重点发展的七大战略性新兴产业之一，也是其他新兴产业发展的重要基础。

随着我国产业转型升级的逐步推进，对以工业机器人为代表的智能装备的需求，将呈爆发式增长。

工业机器人产业作为战略性新兴产业，其产业化的快速发展与商业模式的创新密不可分。

工业机器人产业已经具备了基础技术条件，足以支撑产业化的快速发展。

商业模式的建立有利于加快形成工业机器人产业体系，改变原有的产业形态。

在信息技术、互联网技术基础上积累的商业模式创新经验，为工业机器人产业的发展提供了可资借鉴的良好经验。

机器人的应用，是从特种作业领域，逐渐向工业装备领域进行大规模市场拓展的，目前在众多领域已呈爆发式增长。

同时，中国工业机器人面临巨大挑战。

产业发展缺乏战略层面规划，难以适应现阶段产业化加速发展的要求；技术创新能力薄弱，关键零部件仍难以走出实验室实现产业化，缺乏核心竞争力；在国外企业垄断全球市场的格局下，传统模仿跟随的发展路径与加速做大总量的现实需求不匹配。

产业发展政策与产业发展阶段不协调。

众多国家级重大项目涉及机器人领域，各地方政府也在大力投资机器人产业。

但目前工业机器人还没有建立起产业体系，管理缺失，导致产业规划、政策研究、标准体系建设等行业重点工作存在缺位。

2手腕结构的确定手腕是联接手臂和末端执行器的部件，处于机器人操作机的最末端，其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个坐标位置的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个自由度。

如下图所示，三个电机成三角形分布。

图2－1 传动原理图3.基本参数的确定空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态的自由度也得到了实现。

表3-2 机器人的主要规格参数4手腕详细设计说明本课题的机器人将采用直流伺服电动机。

因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。

4.1手腕电机的选择4.1.1提腕电机的选择手腕的最大负荷重量kg m 51=，初估腕部的重量kg m 102=，最大运动速度V=3m/s功率W mgV FV p 45031015=⨯⨯===取安全系数为1.2，W p p 5404502.12.1'=⨯== 考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率W p 600＝额。

执行机构的最大转速为 n=286100060=⨯DV πr/min经查表按推荐的传动比合理范围i=408到,电动机转速范围是n=1988到11440r/min选择Z 型并励直流电动机，技术参数如下表4-1 Z 型并励直流电动机技术参数4.1.2摆腕和转腕电机的选择根据设计要求取相同型号的电机，选择Z 型并励直流电动机，型号为Z200/20-400。

4.2传动比的确定4.2.1总传动比的确定转腕传动比的确定由上面算的n=286。

47r/min最后求得总传动比i 总＝'n n ＝47.2862000≈8 取整i 总=8 同理：提腕腕传动比的确定i 总＝'n n ＝1502000≈16摆腕腕的传动比：i 总＝'n n ＝1432000≈144.3传动比的分配a 转腕传动比的分配4,2i 3412==i 低速级高速级传动比为b 提腕传动比的分配4,4i 3412==i 低速级高速级传动比为C 摆腕传动比的分配7,2i 3412==i 低速级高速级传动比为5.齿轮的设计5.1提腕部分齿轮设计A. 第一极圆柱齿轮传动齿轮采用45号钢，锻造毛坯，正火处理后齿面硬度170~190HBS ，齿轮精度等级为7极。

取 。

a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。

b.按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式312112][u u KT Z Z Z d d H E H t +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=φσε（4－1） 其中， 8.0=d φ，2=u ，90.0=εZ ，a E MP Z 8.189=，8.1=H Z ，mm N n P T •=⨯=⨯=1166747.28654.01055.91055.9661 选择材料的接触疲劳极根应力为：MPa H 580lim 1=σ MPa H 560lim 2=σ选择材料的接触疲劳极根应力为：MPa F 230lim 1=σ MPa F 210lim 2=σ 应力循环次数N 由下列公式计算可得at n N 1160= （4-2）168300200060⨯⨯⨯⨯=91023.4⨯=则 99121016.221023.4⨯=⨯==u N N 接触疲劳寿命系数1.11=N Z ,02.12=N Z 弯曲疲劳寿命系数121==N N Y Y接触疲劳安全系数1min =H S ，弯曲疲劳安全系数5.1min =F S ,又0.2=ST Y ，试选3.1=t K 。

求许用接触应力和许用弯曲应力：[][][][]MPaMPa Y S Y MPaMPa Y S Y MPaZ S MPaZ S N F ST F F N F STF F N H H H N H H H 28015.1221067.30615.122306.59102.115806381.115802minlim 221min lim 112minlim 21min lim 11=⨯⨯===⨯⨯===⨯===⨯==σσσσσσσσ将有关值代入（4－1）得：[]mmmm u u T K Z Z Z d d t H E H t 65.452128.0116703.126.5919.08.1898.1123231221=+⨯⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=±Φ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=σε 则s m n d v t /752.4100060200065.45100060111=⨯⨯⨯=⨯=ππs m s m v z /946.0/100752.42010011=⨯=动载荷系数0.1=Kv ；使用系数1=A K ；动载荷分布不均匀系数02.1=βK ；齿间载荷分配系数1=Ka ，则03.10.102.10.101.1=⨯⨯⨯==Ka KvK K K A H β 修正mm K K d d t H t 91.413.103.165.453311=⨯== mm mm z d m 09.22091.4111===取标准模数mm m 2=。