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摘要：
一個(gè)機(jī)器人臂包括第一和第二個(gè)環(huán)節(jié),第一個(gè)環(huán)節(jié)有一個(gè)近端和遠(yuǎn)端和第二個(gè)鏈接有一個(gè)近端和遠(yuǎn)端。一個(gè)固定的滑輪,圓周表面同心第一樞軸安裝在近端結(jié)束的第一個(gè)鏈接。第二個(gè)鏈接是一個(gè)滑輪固定到第二個(gè)鏈接關(guān)于第二樞軸旋轉(zhuǎn)。一個(gè)末端執(zhí)行器固定在滑輪是末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)大約第三樞軸。第一皮帶傳動也提供和包括一個(gè)或多個(gè)帶連接表面之間的周向固定輪和第二個(gè)鏈接輪這樣的關(guān)聯(lián)第一個(gè)鏈接相對于固定滑輪第一樞軸轉(zhuǎn)動的第二個(gè)鏈接原因第二樞軸相對于第一個(gè)鏈接。一個(gè)或多個(gè)空轉(zhuǎn)滑輪是提供的和是回轉(zhuǎn)安裝到一個(gè)或兩個(gè)鏈接。至少一個(gè)皮帶傳動包括一個(gè)第一次帶接洽第一圓周表面的一個(gè)惰輪和第二皮帶從事第二圓周表面相同的惰輪。
1機(jī)器人臂
本發(fā)明涉及一種機(jī)械臂末端執(zhí)行器有一個(gè)位于遠(yuǎn)程端機(jī)器人的手臂大體相同的方向轉(zhuǎn)動移動無關(guān)的手臂。機(jī)器人的手臂也有至少一個(gè)惰輪位于鏈接,允許的直徑增大關(guān)節(jié),電線或其他細(xì)長的組件可以通過關(guān)節(jié)的內(nèi)部。
發(fā)明的背景
在半導(dǎo)體行業(yè),機(jī)器人手臂通常用來移動半導(dǎo)體晶片從一個(gè)位置到另一個(gè)。這是理想的設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人的手臂在半導(dǎo)體行業(yè)有末端執(zhí)行器保持相同的方向當(dāng)手臂動作徑向出入口。如前所述,例如,在美國拍號。4299533年和5064340年,機(jī)器人手臂都配備了兩個(gè)鏈接和一個(gè)末端執(zhí)行器安裝在一個(gè)末端的第二個(gè)鏈接。年底的近端第一個(gè)鏈接與滑輪安裝同軸,文中提到的“固定”輪。近端結(jié)束第二次鏈接連接到遠(yuǎn)端面積的第一個(gè)鏈接。第一次帶連接固定滑輪,滑輪的第二個(gè)鏈接近結(jié)束的第二個(gè)鏈接,而第二個(gè)皮帶連接一個(gè)住房固定在末端的第一個(gè)鏈接到一個(gè)滑輪末端效應(yīng)器。如果鏈接的長度相等,如果滑輪是這樣的比例選擇旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)結(jié)束有效第二個(gè)鏈接一關(guān)和旋轉(zhuǎn)的比率的第二個(gè)鏈接到旋轉(zhuǎn)的第一個(gè)鏈接是2,末端執(zhí)行器將剩余的固定方向但將徑向旋轉(zhuǎn)時(shí)第一個(gè)鏈接相對于固定滑輪。
雖然這種方法是有效的,它強(qiáng)加了一些嚴(yán)重的設(shè)計(jì)約束。提供所需的比率,一個(gè)相對大的末端執(zhí)行器滑輪是必要的。末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)1/2的旋轉(zhuǎn)第二環(huán)節(jié),滑輪在末端執(zhí)行器必須兩倍大的住房在遠(yuǎn)端第一個(gè)鏈接。當(dāng)輪最后效應(yīng)很大,它增加了重大質(zhì)量末端的機(jī)器人手臂,增加慣性和使它更難以控制精確的運(yùn)動臂。
同時(shí),提供所需的比率,第二個(gè)鏈接輪和住房在末端的第二個(gè)鏈接必須是相對小的直徑,即。、半固定滑輪的直徑。這使得它很難連接電線,氣動管,或其他細(xì)長組件擴(kuò)展從第一到第二個(gè)鄰近的鏈接通過一個(gè)空心孔出口處的第二個(gè)鏈接輪和住房。這樣的電線,管道和其他細(xì)長的組件通常是部分的控制系統(tǒng)控制末端執(zhí)行器。因此,它會期望創(chuàng)建一個(gè)機(jī)器人的手臂與足夠的空間之間的連接鏈接,以便這些電線和管道可以通過中心的聯(lián)合。機(jī)器人手臂的本發(fā)明解決問題提出更完整地描述上面和下面是。
總結(jié)的發(fā)明
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)體現(xiàn),一個(gè)機(jī)器人臂包括第一和第二個(gè)環(huán)節(jié),第一個(gè)環(huán)節(jié)有一個(gè)近端和遠(yuǎn)端和第二個(gè)鏈接有一個(gè)近端和遠(yuǎn)端。近結(jié)束了第一環(huán)節(jié)是連接到一個(gè)基地面積為旋轉(zhuǎn)相對于第一樞軸。近端結(jié)束第二個(gè)鏈接是面積安裝在末端的第一個(gè)鏈接,能夠旋轉(zhuǎn)大約第二樞軸,平行于第一樞軸。一個(gè)末端執(zhí)行器是連接到遠(yuǎn)端面積的第二個(gè)鏈接,能夠旋轉(zhuǎn)大約三分之一樞軸,平行于第一和第二樞軸。一個(gè)固定的滑輪,圓周表面同心第一樞軸安裝在近端結(jié)束的第一個(gè)鏈接。第二個(gè)鏈接是一個(gè)滑輪固定到第二個(gè)鏈接為旋轉(zhuǎn)與第二連接第二樞軸。第二個(gè)鏈接輪有一個(gè)圓周表面同心的第二樞軸。提供住房和固定到第一個(gè)鏈接在其遠(yuǎn)端。住房有一個(gè)圓周表面同心的第二樞軸。一個(gè)末端執(zhí)行器固定在滑輪是末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)大約第三樞軸和末端執(zhí)行器輪有圓周表面同心同第三樞軸。第一皮帶傳動也提供和包括一個(gè)或多個(gè)帶連接表面之間的周向固定滑輪和圓周表面的第二個(gè)鏈接滑輪,這樣旋轉(zhuǎn)的第一個(gè)鏈接相對于固定滑輪第一樞軸轉(zhuǎn)動的第二個(gè)鏈接原因第二樞軸相對于第一個(gè)鏈接。第一個(gè)皮帶傳動是安排提供一個(gè)第一轉(zhuǎn)動之間的比例的第一個(gè)鏈接相對于固定滑輪和旋轉(zhuǎn)的第二個(gè)鏈接相對于固定滑輪。第二個(gè)皮帶驅(qū)動器包括一個(gè)或多個(gè)連接的圓周表面之間的皮帶的住房和圓周表面的末端執(zhí)行器輪,旋轉(zhuǎn)的第二個(gè)鏈接相對于第一個(gè)鏈接,關(guān)于第二樞軸軸,使末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)對第三個(gè)樞軸相對于第二個(gè)鏈接。第二個(gè)皮帶傳動是安排提供第二個(gè)比率第二個(gè)鏈接的旋轉(zhuǎn)相對于第一個(gè)鏈接和旋轉(zhuǎn)的末端執(zhí)行器相對于第二個(gè)鏈接。一個(gè)或多個(gè)空轉(zhuǎn)滑輪提供和安裝是回轉(zhuǎn)中的一種或兩種鏈接。每個(gè)空轉(zhuǎn)滑輪定義一個(gè)第一和第二圓周表面。至少一個(gè)皮帶傳動包括一個(gè)第一次帶接洽第一圓周表面的一個(gè)惰輪和第二皮帶從事第二圓周表面相同的惰輪。
最好是,第一個(gè)比率值為2,旋轉(zhuǎn)的第一環(huán)節(jié),通過一個(gè)角8導(dǎo)致第二個(gè)鏈接輪和第二個(gè)鏈接將通過一個(gè)角的-26就第一個(gè)鏈接。因此,如果第一個(gè)鏈接穿越450年的角,這將導(dǎo)致逆時(shí)針方向第二個(gè)鏈接輪和第二個(gè)鏈接將通過一個(gè)角的900在順時(shí)針方向相對于第一個(gè)鏈接。
它也是首選,第二個(gè)比有價(jià)值的?在第二個(gè)環(huán)節(jié),通過旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度0使末端執(zhí)行器皮帶輪和末端執(zhí)行器將通過一個(gè)角為1 / z0就第二個(gè)鏈接。例如,如果第二個(gè)鏈接將通過一個(gè)角的90
度在順時(shí)針方向,這將導(dǎo)致末端執(zhí)行器皮帶輪和末端執(zhí)行器將通過一個(gè)角的450在逆時(shí)針方向相對于第二個(gè)鏈接。
因?yàn)橐粋€(gè)或更多的皮帶驅(qū)動器包括一個(gè)惰輪和兩個(gè)腰帶,滑輪和住房直徑不需要選擇如上所述在連接與先前技術(shù)皮帶傳動。例如,機(jī)器人臂包括一個(gè)第一導(dǎo)輪安裝在第一個(gè)環(huán)節(jié),第一個(gè)帶第一皮帶傳動嚙合第一圓周表面的惰輪和圓周表面的固定滑輪。第二個(gè)帶第一皮帶傳動嚙合第二圓周表面的第一導(dǎo)輪和圓周表面的第二個(gè)鏈接輪。
也最好,機(jī)器人臂有一個(gè)第二個(gè)導(dǎo)輪安裝在第二個(gè)鏈接。第二個(gè)皮帶傳動合意地包括第一帶擴(kuò)展從圓周年代表面的住房第一圓周表面的第二個(gè)惰輪。第二個(gè)皮帶傳動合意地進(jìn)一步包括一個(gè)第二帶延伸至第二圓周表面的第二個(gè)導(dǎo)輪的末端執(zhí)行器滑輪。最好是,比直徑的第一圓周表面的第二個(gè)惰輪對直徑的圓周表面的第二第二導(dǎo)輪超過1:1的,例如2:1。這個(gè)比率超過1:1在第二個(gè)惰輪允許一個(gè)相對較小的末端執(zhí)行器輪在一個(gè)較小的住房,或兩者,會提供比在沒有第二個(gè)惰輪。最好是,機(jī)器人手臂進(jìn)一步包括細(xì)長元件和第二個(gè)鏈接輪和住房包括一個(gè)內(nèi)部孔。瘦長的組件有魅力地?cái)U(kuò)展從第一個(gè)鏈接通過孔,進(jìn)入第二個(gè)環(huán)節(jié)。這些細(xì)長的組件可能包括電線、光纖或氣動或液壓軟管所需操作機(jī)器人手臂。最后效應(yīng)器滑輪也可能包括一個(gè)內(nèi)部孔,細(xì)長的組件可以擴(kuò)展從第二個(gè)鏈接到末端執(zhí)行器。
最好是,機(jī)器人手臂進(jìn)一步包括一個(gè)基地和第一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動致動器連接到基地的旋轉(zhuǎn)對旋轉(zhuǎn)第一個(gè)鏈接相對于固定滑輪第一樞軸,移動末端執(zhí)行器徑向如上所述。一個(gè)進(jìn)一步的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能提供旋轉(zhuǎn)固定滑輪和第一個(gè)鏈接,整個(gè)手臂擺動對第一樞軸。
設(shè)計(jì)優(yōu)選的描述
如圖所示在圖1,一個(gè)機(jī)器人臂10安裝一基地11和有一個(gè)第一和一個(gè)第二個(gè)鏈接鏈接12 14。第一個(gè)鏈接有一個(gè)近端和遠(yuǎn)端16 18。同樣的,第二個(gè)鏈接14有一個(gè)近端和遠(yuǎn)端結(jié)束20 22。第一個(gè)和第二個(gè)鏈接12和14是最好是中空的,可以由金屬、塑料或其他合適的材料。第一個(gè)鏈接12安裝基地12為旋轉(zhuǎn)相對于基準(zhǔn)的第一樞軸28第一聯(lián)合24在近端16的第一個(gè)鏈接12。一個(gè)固定的滑輪26也安裝的第一旋轉(zhuǎn)樞軸28日在第一聯(lián)合24。固定滑輪26包括一個(gè)圓周表面30(圖3),中心與第一樞軸28。也擴(kuò)展從第一聯(lián)合24是一個(gè)軸固定到第一個(gè)滑輪32和33驅(qū)動皮帶輪固定到第一個(gè)鏈接12。驅(qū)動皮帶輪33是連接到第一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)35所以第一傳動裝置可以驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的第一個(gè)環(huán)節(jié),對軸28。軸32是連接到一個(gè)第二致動器37可以驅(qū)動固定滑輪24在旋轉(zhuǎn)的軸的旋轉(zhuǎn),與此同時(shí)28第一環(huán)12或持有驅(qū)動皮帶輪固定反對這樣的旋轉(zhuǎn)。第一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以包括任何常規(guī)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu),例如一個(gè)步進(jìn)電機(jī),一種傳統(tǒng)的電動機(jī),或喜歡。第二致動器可能包括類似的組件,或可能包括一個(gè)第一制動器連接固定滑輪24至臂12為旋轉(zhuǎn)和第二制動貴重持有固定皮帶輪在固定位置相對于住房。第一和第二致動器是由傳統(tǒng)的指揮控制系統(tǒng)(沒有顯示)。
第一個(gè)和第二個(gè)鏈接鏈接12 14連接在第二個(gè)接頭面積34。第一個(gè)和第二個(gè)鏈接12和14能夠旋轉(zhuǎn)與尊重對方第二樞軸36,平行于第一樞軸28。一個(gè)第二個(gè)鏈接輪38是安裝在第二個(gè)接頭34和有一個(gè)圓周表面40,中心與第二樞軸36。第二個(gè)鏈接的滑輪38是固定的第二個(gè)鏈接14。還提供了一個(gè)住房42在第二個(gè)接頭34和固定到第一個(gè)鏈接12。住房42也有一個(gè)圓周表面44,中心與第二樞軸36。
第三個(gè)接頭46提供了遠(yuǎn)端22的第二個(gè)鏈接14。一個(gè)末端執(zhí)行器是安裝在滑輪48第三聯(lián)合46和能夠旋轉(zhuǎn)大約三分之一樞軸50。最終效應(yīng)有一個(gè)圓周表面輪48 52同心同第三樞軸50。一個(gè)末端執(zhí)行器54附加到末端執(zhí)行器輪48和能夠旋轉(zhuǎn)大約第三樞軸50。最后效應(yīng)器54可能包括手指或其他裝置對持有一個(gè)工件需要移動。
第一導(dǎo)輪56所安裝的第一個(gè)鏈接12之間的固定滑輪26和第二個(gè)鏈接輪38。第一導(dǎo)輪56有第一圓周表面58和第二圓周表面60。第二個(gè)惰輪62安裝第二個(gè)鏈接14和有一個(gè)第一圓周表面64和第二圓周表面66。第一和第二空轉(zhuǎn)滑輪56和62年68年和69年的旋轉(zhuǎn)軸線平行的第一、第二和第三支點(diǎn)軸28,36歲和50。
第一皮帶傳動71在第一個(gè)鏈接12包括一個(gè)第一次帶70參與圓周表面的固定滑輪30和第一圓周表面的第一導(dǎo)輪58,第二帶72擴(kuò)展從第二圓周表面66第一導(dǎo)輪62到圓周表面40第二聯(lián)系滑輪。第二個(gè)皮帶傳動75在第二環(huán)節(jié)包括第一次帶14 74擴(kuò)展從圓周表面44的住房42第一圓周表面64的第二個(gè)惰輪62。第二個(gè)帶76擴(kuò)展從第二圓周表面66的第二個(gè)惰輪62到圓周表面52的末端執(zhí)行器輪48。第一和第二皮帶74和76的第二個(gè)惰輪62形成第二皮帶傳動75的第二個(gè)鏈接。這個(gè)腰帶70、72、74和76是最好帶擁有就算牙齒的類型通常被稱為“同步皮帶”,并舉行緊對滑輪。滑輪有交配的牙齒在圓周表面。它應(yīng)該受到那些熟練的藝術(shù),腰帶可以常規(guī)摩擦傳動皮帶,三角帶或鏈和將會選中相應(yīng)的滑輪。
在操作,將末端執(zhí)行器徑向,第一次執(zhí)行機(jī)構(gòu)35導(dǎo)致第一個(gè)鏈接12旋轉(zhuǎn)第一樞軸28雖然第二致動器37固定滑輪26對旋轉(zhuǎn)。因?yàn)楣潭ɑ?6是固定就第一個(gè)鏈接12,旋轉(zhuǎn)的第一個(gè)鏈接12的結(jié)果在第一導(dǎo)輪56旋轉(zhuǎn)相反的方向作為第一個(gè)鏈接12。最好見圖3,如果例如第一個(gè)鏈接是順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的柜臺,第一導(dǎo)輪56將沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)就第一個(gè)鏈接導(dǎo)致第二個(gè)帶72的第一個(gè)帶驅(qū)動移動。第二個(gè)帶72第一導(dǎo)輪56訂婚的第二個(gè)鏈接輪38,固定在第二個(gè)鏈接14。運(yùn)動的帶72的順時(shí)針運(yùn)動造成第二聯(lián)系皮帶輪38因此第二個(gè)鏈接14旋轉(zhuǎn)第二樞軸36在順時(shí)針方向相對于第一個(gè)鏈接12。運(yùn)動的量的第二個(gè)鏈接相對于第一個(gè)鏈接取決于總體比率提供了第一個(gè)皮帶傳動71在第一個(gè)鏈接。這反過來取決于直徑的比值的固定滑輪26和第二個(gè)鏈接輪38以及直徑的比值,第一圓周表面58和第二圓周表面60第一導(dǎo)輪56。顯示在特定的化身,固定滑輪的直徑26倍直徑的第二個(gè)鏈接輪38。因此,而第一和第二圓周表面58和60第一導(dǎo)輪56有相同的直徑,一個(gè)450旋轉(zhuǎn)的第一個(gè)鏈接12在柜臺順時(shí)針方向?qū)?dǎo)致900旋轉(zhuǎn)的第二個(gè)鏈接14在順時(shí)針方向相對于第一個(gè)鏈接12。
因?yàn)樽》?2是固定在第一個(gè)鏈接12,第二個(gè)鏈接14旋轉(zhuǎn)有關(guān)第一個(gè)鏈接12造成第一個(gè)帶74的第二皮帶傳動75移動相對于第二個(gè)鏈接14。例如,如果第二個(gè)鏈接在順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),第一個(gè)帶74的第二個(gè)惰輪62將,將第二個(gè)惰輪62在柜臺順時(shí)針方向相對于第二個(gè)鏈接。這個(gè)舉動第二帶76,從事第二圓周表面66的第二個(gè)惰輪62年,在反時(shí)針方向。作為第二個(gè)帶76的第二皮帶傳動75是從事與末端執(zhí)行器輪48,運(yùn)動的第二帶76的結(jié)果最終也轉(zhuǎn)向效應(yīng)器54逆時(shí)針方向相對于第二個(gè)鏈接14。
作為最好的顯示在圖3,大量的運(yùn)動結(jié)束安裝工54相對于第二個(gè)鏈接14取決于直徑的圓周表面44的住房42,直徑之比第一和第二圓周表面64和66的第二個(gè)惰輪62和直徑的圓周表面52的末端執(zhí)行器輪48。特別說明的化身,直徑的比值之間的圓周表面44的住房42和64年第一圓周表面的第二個(gè)惰輪62是1:1。因此,第二個(gè)鏈接把900的順時(shí)針方向的結(jié)果在第二個(gè)導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)900在柜臺順時(shí)針方向。
直徑的第二周向表面66第二個(gè)惰輪是1 / z直徑的圓周表面64年第一。一個(gè)900的旋轉(zhuǎn)第一圓周表面64將導(dǎo)致900旋轉(zhuǎn)第二圓周表面66但是線性運(yùn)動的皮帶76只1 / z線性運(yùn)動的皮帶74。進(jìn)一步,該比率的直徑,第二圓周表面66的第二個(gè)惰輪62年到直徑的圓周表面52的末端執(zhí)行器輪48是1 /咱。因此,如果第二個(gè)導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)62到900年,最終只會旋轉(zhuǎn)450效應(yīng)器滑輪。因?yàn)樽罱K的效應(yīng)器54生硬地附加到末端執(zhí)行器輪48,末端執(zhí)行器還旋轉(zhuǎn)450。這種安排將900順時(shí)針運(yùn)動的第二個(gè)鏈接14相對第一個(gè)鏈接成一個(gè)450逆時(shí)針方向運(yùn)動的末端執(zhí)行器54。
通過2之間的比例固定滑輪26和第二個(gè)鏈接輪38和1 / z之間的比例和末端執(zhí)行器住房42輪48保持方向的末端執(zhí)行器在整個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的54個(gè)第一和第二個(gè)鏈接12和14。換句話說,末端執(zhí)行器54就保持其取向基本會在第一和第二個(gè)鏈接是旋轉(zhuǎn)。例如,如果第一個(gè)鏈接12移動450逆時(shí)針方向,第二個(gè)鏈接將900在順時(shí)針方向而末端執(zhí)行器在柜臺54 450旋轉(zhuǎn)順時(shí)針方向。
最終效應(yīng)同樣走向或遠(yuǎn)離第一聯(lián)合24和基地11。
進(jìn)一步利用這個(gè)安排是,住房可以與42相對較大的直徑比末端執(zhí)行器輪48。這是由于第二個(gè)惰輪62創(chuàng)建1 / z比第二圓周表面之間的66和末端執(zhí)行器輪48。建立1 / z比沒有第二個(gè)惰輪需要,末端執(zhí)行器的直徑滑輪48兩倍直徑的圓周表面44的住房。正如上面提到的,它需要一個(gè)相對較小的端效應(yīng)皮帶輪48。一個(gè)相對大的末端執(zhí)行器輪48會產(chǎn)生增加手臂的轉(zhuǎn)動慣性,使精確控制臂10更加困難。而且,相對大直徑的住房42提供額外的空間在中心的住房和第二個(gè)鏈接輪38一孔78可以提供。78年孔允許電線,纖維光學(xué),氣動或液壓軟管或其他細(xì)長元件90通過從第一個(gè)鏈接12到第二個(gè)鏈接沿著室內(nèi)的14個(gè)機(jī)器人臂10。在這些組件90傳遞的內(nèi)部鏈接12和14改善機(jī)械臂的外觀10和消除那些細(xì)長的組件的可能性成為住了什么東西或干擾機(jī)器人手臂的運(yùn)動。一個(gè)額外的孔80中提供了該中心的末端執(zhí)行器輪48。這個(gè)孔80可用于傳輸細(xì)長元件90從第二個(gè)鏈接14到最后效應(yīng)器54。
在進(jìn)一步的操作模式,第一和第二致動器35和37經(jīng)營擺動第一個(gè)鏈接12和固定滑輪24關(guān)于第一樞軸28日在相同的旋轉(zhuǎn)速度。這有悖于整個(gè)摟著第一樞軸,沒有移動末端執(zhí)行器徑向。這個(gè)兩種模式的操作可以組合。因此,執(zhí)行器可以把固定滑輪和第一個(gè)鏈接同時(shí)在不同的速度。
1。一個(gè)機(jī)器人臂組成的基礎(chǔ):
第一個(gè)鏈接和第二個(gè)鏈接。說第一個(gè)鏈接有一個(gè)近端和遠(yuǎn)端,。第二環(huán)節(jié)有一個(gè)近端和遠(yuǎn)端。說近端結(jié)束第一環(huán)面積表示被連接到基地相對另外約一個(gè)第一轉(zhuǎn)動樞軸,。說近端第二環(huán)節(jié)被安裝到遠(yuǎn)端面積表示的說第一個(gè)鏈接為旋轉(zhuǎn)相對另外關(guān)于第二樞軸線平行于第一樞軸說。一個(gè)末端執(zhí)行器連接到遠(yuǎn)端面積的第二環(huán)節(jié)旋轉(zhuǎn)相對另外三分之一樞軸線平行于第一和第二樞軸表示。一個(gè)固定的滑輪可旋轉(zhuǎn)的安裝到說基于說第一樞軸定義一個(gè)圓周表面同心與說第一樞軸;第二個(gè)鏈接輪固定在第二環(huán)節(jié)對第二旋轉(zhuǎn)貴重樞軸,說第二個(gè)鏈接輪有一個(gè)圓周表面同心與第二樞軸。一個(gè)住房固定說第一個(gè)鏈接定義一個(gè)圓周表面同心與第二樞軸;結(jié)束效應(yīng)器滑輪固定說末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)之約說第三樞軸。說末端執(zhí)行器有一個(gè)圓周表面同心輪與說第三樞軸。第一次帶驅(qū)動器包括一個(gè)或多個(gè)帶連接的表面之間說周向固定滑輪和表示說第二個(gè)鏈接滑輪,這樣在旋轉(zhuǎn)的第一個(gè)鏈接,說回轉(zhuǎn)的說固定滑輪約說第一樞軸,說第二個(gè)鏈接將旋轉(zhuǎn)第二樞軸相對說第一個(gè)鏈接,說第一個(gè)皮帶傳動被安排提供一第一比率表示第一個(gè)鏈接的旋轉(zhuǎn)相對于固定滑輪和旋轉(zhuǎn)的說第二環(huán)節(jié)相對于說固定滑輪;第二皮帶驅(qū)動器包括一個(gè)或多個(gè)帶連接的表面之間說圓周說住房和說,在末端執(zhí)行器輪旋轉(zhuǎn)第二環(huán)節(jié)相對于第一個(gè)鏈接說關(guān)于第二樞軸,說末端執(zhí)行器將旋轉(zhuǎn)說第三樞軸相對于第二環(huán)節(jié),說第二皮帶傳動被安排提供第二個(gè)比率的旋轉(zhuǎn)第二環(huán)節(jié)相對于說第一個(gè)鏈接和末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)表示相對于第二聯(lián)系;一個(gè)或多個(gè)空轉(zhuǎn)滑輪rotatably安裝到一個(gè)或兩個(gè)鏈接,每個(gè)表示說空轉(zhuǎn)滑輪定義第一和第二圓周表面,至少一個(gè)包括一個(gè)第一次說皮帶傳動皮帶從事第一圓周表面的一個(gè)惰輪和第二皮帶從事第二圓周表面相同的惰輪。
2。一個(gè)機(jī)器人手臂,圖形在圖示1其中說第一比是2,第一環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度說通過8原因說第二個(gè)鏈接輪和第二環(huán)節(jié)將通過角-26就說第一個(gè)鏈接。
3。一個(gè)機(jī)器人手臂,圖形在圖示1,其中表示第二比例是?/ z,第二環(huán)節(jié),通過旋轉(zhuǎn)角8原因說滑輪,末端效應(yīng)器表示將通過角嗎?/ z6就說第二個(gè)鏈接。
4。一個(gè)機(jī)器人手臂,圖形在圖示1,其中說,第一和第二圓周表面導(dǎo)輪有不同直徑表示
5。一個(gè)機(jī)器人手臂的圖示1,其中表示一個(gè)或多個(gè)空轉(zhuǎn)滑輪包括第一驅(qū)動導(dǎo)輪安裝在說第一個(gè)鏈接,說第一個(gè)皮帶傳動包括說第一驅(qū)動惰輪。
6。一個(gè)機(jī)器人手臂,圖形在圖示5,所述第一皮帶傳動皮帶延伸至包括第一表面說周向固定滑輪來表示說第一圓周表面的說第一導(dǎo)輪。
7。一個(gè)機(jī)器人手臂,圖形在圖示6,所述第一皮帶傳動由第二個(gè)帶延伸至第二周向表面的說第一導(dǎo)輪來表示第二環(huán)節(jié)滑輪。
8。一個(gè)機(jī)器臂作為圖形在圖示7,所述第一和第二圓周表面說第一導(dǎo)輪有1:1直徑比。
9。一個(gè)機(jī)器人手臂,圖形在圖示1,其中表示一個(gè)或多個(gè)空轉(zhuǎn)滑輪包括一第二驅(qū)動導(dǎo)輪安裝在第二環(huán)節(jié)。
10。一個(gè)機(jī)器人手臂,圖形在圖示9,所述第二皮帶傳動皮帶延伸至包括第一表面說圓周說住房說第一圓周表面的說第二驅(qū)動惰輪。
11。一個(gè)機(jī)器人手臂,圖形在圖示10,所述第二皮帶傳動進(jìn)一步包括一個(gè)第二帶延伸至第二周向表面的第二傳動導(dǎo)輪來表示末端執(zhí)行器滑輪。
12。一個(gè)機(jī)器人手臂,圖形在圖示會,其中率的大小表示第一圓周表面說的第二傳動惰輪的直徑在說第二圓周表面說的第二傳動導(dǎo)輪超過1:1。
13。機(jī)器人的手臂圖形在圖示1,其中說,第一個(gè)鏈接,說第二個(gè)鏈接長度相等。
14。機(jī)器人的手臂圖形在圖示1,進(jìn)一步包括細(xì)長的組件,所述第二連接輪包括一個(gè)內(nèi)部孔那里說細(xì)長組件擴(kuò)展從說第一鏈接到第二個(gè)鏈接說。
15。機(jī)器人的手臂圖形在圖示1,進(jìn)一步包括細(xì)長的組件,所述末端執(zhí)行器輪包括一個(gè)內(nèi)部孔那里說細(xì)長組件擴(kuò)展從第二末端執(zhí)行器鏈接說。
16。機(jī)器人的手臂圖形在圖示1,進(jìn)一步包括一個(gè)第一傳動裝置連接到基地,旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)說司機(jī)說第一個(gè)鏈接關(guān)于說第一樞軸。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告
題目：焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別 機(jī)械信息系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2013年3月17日
撰寫內(nèi)容要求：
設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展?fàn)顩r:
本階段的主要任務(wù)是完成了外文文獻(xiàn)的翻譯，對機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了更深層次的分析和理解，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)受力的分析。通過以上分析，基本上完成了機(jī)械手的三維裝配圖，同時(shí)深刻體會到solidworks軟件功能的強(qiáng)大；大概了解了機(jī)械結(jié)構(gòu)在選用過程中所依據(jù)的原則。
1. 在參考了大量文獻(xiàn)資料的情況下，否定了開題報(bào)告中擬采用的諧波齒輪傳動型機(jī)械手。原因是現(xiàn)有的諧波減速器尺寸過大（最小的剛輪直徑為25cm），超過了設(shè)計(jì)要求的工作區(qū)間(0cm-45cm)。因此決定采用另一種結(jié)構(gòu)形式。
2. 由動力型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和前、下兩臂組成。關(guān)節(jié)型機(jī)器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運(yùn)動坐標(biāo)。動作靈活，所占空間小，工作范圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物。
3. 整體效果如圖1
圖1
設(shè)計(jì)整體為4個(gè)自由度。分別為：
焊槍相對于小臂回轉(zhuǎn)；
小臂相對大臂回轉(zhuǎn)；
大臂相對機(jī)架回轉(zhuǎn)；
機(jī)架在水平有一個(gè)腰部回轉(zhuǎn)。
電機(jī)采用伺服電機(jī)。
4. 設(shè)計(jì)的工作原理如下：
5. 首先腰部回轉(zhuǎn)使機(jī)械手和焊點(diǎn)處于同一平面；接著大臂回轉(zhuǎn)，小臂回轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)焊槍和焊點(diǎn)的距離，使焊槍能夠接觸到焊點(diǎn)。最后腕部回轉(zhuǎn)，使焊槍能夠垂直于焊點(diǎn)，以完成焊接作業(yè)。
6. 設(shè)計(jì)出機(jī)械手腕部回轉(zhuǎn)，小臂回轉(zhuǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2。
圖2
左側(cè)為電機(jī)，帶動軸轉(zhuǎn)動，軸和腕部剛性連接，從而帶動腕部回轉(zhuǎn)。軸和小臂殼體之間加一個(gè)深溝球軸承，以抵消徑向力，達(dá)到相對轉(zhuǎn)動的目的；小臂殼體和腕部加一個(gè)角接觸球軸承，以抵消徑向力和軸向力，從而使他們可以產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。
7. 腰部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3
圖3
電機(jī)安裝在底座上，帶動一個(gè)小齒輪，小齒輪帶動大齒輪，大齒輪和殼體剛性連接。殼體和底座間加一個(gè)角接觸球軸承以實(shí)現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動。
存在問題及解決措施:
1. 確定大體參數(shù)。
機(jī)械臂為大臂小臂兩節(jié)，要求工作區(qū)間0cm-45cm，為滿足工作區(qū)間要求，所以需要擴(kuò)大1/3倍。因?yàn)锳2+B2≥2ab。所以當(dāng)c一定時(shí)，a=b機(jī)械臂為最短。602=2A2。即A≈42.43cm，取60cm。
2.大臂相對于腰部回轉(zhuǎn)應(yīng)該采用什么方式傳動？
由于一般的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機(jī)構(gòu)來增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)的一般要求有:
(l)結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時(shí)體積最小，重量最輕。
(2)傳動剛度大，即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)。角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減小整機(jī)的低頻振動;
(3)回差要小，即由止轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度;
(4)壽命長、價(jià)格低。
為了減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。
齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸的運(yùn)動。
齒輪帶的傳動比計(jì)算公式為：
i=N1/N2=Z1/Z2
3.不能熟練的運(yùn)用三維軟件，在做裝配圖過程中總是出現(xiàn)報(bào)警等命令，致使工作無法正常進(jìn)行。
其次，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的理解還不是很到位等。
通過與同學(xué)的探討及老師的指點(diǎn)，使我對自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)有了更深一步的認(rèn)識。我深深明白了設(shè)計(jì)與實(shí)際要緊密結(jié)合，要多動腦，勤思考。平時(shí)要多練習(xí)軟件。
后期工作安排:
1-2周：計(jì)算并核算選型。
3-4周：繪制設(shè)計(jì)相關(guān)的零件圖和裝配圖。
5-6周：撰寫畢業(yè)論文。
7周：準(zhǔn)備答辯。
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
注：1）正文：宋體小四號字，行距20磅，單面打印；其他格式要求與畢業(yè)論文相同。
2）中期報(bào)告由各系集中歸檔保存，不裝訂入冊。
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題目：焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別 機(jī)電信息系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2012 年 12 月 23 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述
背景和研究意義:
機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，既具有類似性，又有其獨(dú)特性。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可看作是一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動關(guān)節(jié)連接起來的開式運(yùn)動鏈。 與一般機(jī)構(gòu)相比，機(jī)器人的開鏈結(jié)構(gòu)型式具有靈巧性和空間可達(dá)性等，但由于開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)際上是一系列懸臂桿件串聯(lián)而成的，機(jī)械誤差和彈性變形的累計(jì)，影響機(jī)器人的剛度和精度。因此，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求，又要考慮剛度和精度。另一方面，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)，是整個(gè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分，無論是結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性，還是在運(yùn)動時(shí)的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能，都比一般機(jī)構(gòu)有更高的要求。
對焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，目的是尋找在不同要求下最優(yōu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以最大效益的滿足生產(chǎn)需要。
國內(nèi)外相關(guān)研究情況:
點(diǎn)焊機(jī)器人雖然有多種結(jié)構(gòu)形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機(jī)器人本體、點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。目前應(yīng)用較廣的點(diǎn)焊機(jī)器人，其本體形式為直角坐標(biāo)簡易型及全關(guān)節(jié)型。前者可具有1～3個(gè)自由度，焊件及焊點(diǎn)位置受到限制；后者具有5～6個(gè)自由度，能在可到達(dá)的工作區(qū)間內(nèi)任意調(diào)整焊鉗姿態(tài)，以適應(yīng)多種形式結(jié)構(gòu)的焊接。
焊接機(jī)器人基本上都屬于電動機(jī)驅(qū)動的工業(yè)機(jī)器人、液壓驅(qū)動的工業(yè)機(jī)器人這兩類工業(yè)機(jī)器人，弧焊機(jī)器人大多采用電動機(jī)驅(qū)動機(jī)器人，因?yàn)楹笜屩亓恳话愣荚?0kg以內(nèi)。點(diǎn)焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過35kg。也有采用液壓驅(qū)動方式的，因?yàn)橐簤候?qū)動機(jī)器人抓重能力大，但大多數(shù)點(diǎn)焊機(jī)器人仍是采用大功率伺服電動機(jī)驅(qū)動，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機(jī)器人是由機(jī)械手、控制器、驅(qū)動器和示教盒 4 個(gè)基本部分構(gòu)成。對于電動機(jī)驅(qū)動機(jī)器人，控制器和驅(qū)動器一般裝在一個(gè)控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動機(jī)器人，液壓驅(qū)動源單獨(dú)成一個(gè)部件，現(xiàn)分別簡述如下：
??機(jī)械手 機(jī)器人機(jī)械手又稱操作機(jī)，是機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動末端操作器。實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動和操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，完全根據(jù)任務(wù)需要而定，其追求的目標(biāo)是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)形式有如下 3 種：
1、機(jī)床式 這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)類似機(jī)床。其達(dá)到空間位置的3個(gè)運(yùn)動。是由直線運(yùn)動構(gòu)成，其末端操作器的姿態(tài)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動構(gòu)成，這種形式的機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動學(xué)模型簡單，控制精度容易提高；缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)較龐大，占地面積大、工作空間小。簡易和專用焊接機(jī)器人常采用這種形式。
2、全關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。這是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手最普遍的結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點(diǎn)是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區(qū)別是手腕關(guān)節(jié)置于小臂的外側(cè)或小臂活動范圍，但其運(yùn)動學(xué)模型要復(fù)雜一些。目前焊接機(jī)器人主要采用全關(guān)節(jié)式機(jī)械手。
3、平面關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是上下運(yùn)動由直線運(yùn)動構(gòu)成，其他運(yùn)動均由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業(yè)，所以被裝配機(jī)器人廣泛采用。
機(jī)器人機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但都是由常用的機(jī)構(gòu)組合而成?，F(xiàn)以美國 PUMA 機(jī)械手為例來簡述其內(nèi)部機(jī)構(gòu)，它是由機(jī)座、大臂、小臂、手腕 4 部分構(gòu)成，機(jī)座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達(dá)到工作空間的任意位置，手腕中又有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實(shí)現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一法蘭，以連接末端操作器。
每個(gè)關(guān)節(jié)都由一臺伺服電動機(jī)驅(qū)動，PUMA機(jī)械手是采用齒輪減速、桿傳動，但不同廠家采用的機(jī)構(gòu)不盡相同，減速機(jī)構(gòu)常用的是4種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動方式有桿傳動、鏈條傳動、齒輪傳動等。其技術(shù)關(guān)鍵是要保證傳動雙向無間隙 ( 即正反傳動均無間隙 ) ，這是機(jī)器人精度的機(jī)械保證，當(dāng)然還要求效率高，機(jī)構(gòu)緊湊。
主要內(nèi)容及研究方案、研究方法或措施
主要內(nèi)容：
本設(shè)計(jì)研究汽車車身焊接的機(jī)械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。
進(jìn)行機(jī)械手的原理方案設(shè)計(jì)，比較并提出系統(tǒng)的總體方案。
根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對焊接機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械手和焊接設(shè)備的機(jī)械接口等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。
技術(shù)要求：
腰部回轉(zhuǎn)最大角度280度；
擺動最大角度120度；
直線位移范圍0-450mm，
研究方案、研究方法或措施：
先把本設(shè)計(jì)模塊化處理，它包含選型（坐標(biāo)型式），腰部回轉(zhuǎn)，手臂俯仰，直線位移，焊槍與手臂結(jié)合5部分。細(xì)化每部分的設(shè)計(jì)思路如下表：
1
2
3
4
坐標(biāo)型式
直角坐標(biāo)式
圓柱坐標(biāo)式
球坐標(biāo)式
關(guān)節(jié)式
腰部回轉(zhuǎn)
齒輪傳動
蝸輪蝸桿
帶傳動
手臂俯仰
齒輪傳動
蝸輪蝸桿
帶傳動
直線位移
齒條傳動
液壓傳動
氣壓傳動
滾珠絲杠副
焊槍手臂結(jié)合
夾持式
吸附式
如圖可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288種
本設(shè)計(jì)研究汽車車身焊接的機(jī)械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。
方案一：直角坐標(biāo)式機(jī)械手，蝸輪蝸桿傳動，直線位移液壓傳動，焊槍手臂結(jié)合吸附式。
方案二：關(guān)節(jié)式機(jī)械手，齒輪傳動，直線位移滾珠絲杠副。焊槍手臂夾持式。
方案三：直角坐標(biāo)式機(jī)械手，齒輪傳動，直線位移齒條傳動，焊槍手臂結(jié)合夾持式。
方案四：球坐標(biāo)式機(jī)械手，齒輪傳動，直線位移氣壓傳動，焊槍手臂結(jié)合吸附式。
本設(shè)計(jì)中要求腰部回轉(zhuǎn)和手臂俯仰，加工范圍較大；盡可能減少機(jī)體空間更優(yōu)；并要求進(jìn)行電焊，因此對位置精度要求較高；焊槍要長時(shí)間工作。
因此選用方案二為最優(yōu)方案。
本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作
重點(diǎn)：
1、原理方案的確定
2、主要參數(shù)的確定
3、機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
難點(diǎn)：
各個(gè)部分的準(zhǔn)確定位；
合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)以滿足設(shè)計(jì)要求；
前期已開展工作：
在對焊接機(jī)械手有足夠的了解之后，對設(shè)計(jì)提出構(gòu)想，初步構(gòu)想如圖：
在設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的關(guān)節(jié)均采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式，每個(gè)關(guān)節(jié)由兩個(gè)箱體所組成。兩個(gè)箱體之間安裝有能夠承受徑向和軸向載荷的深溝球軸承，通過軸承的傳遞實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對轉(zhuǎn)動，即能實(shí)現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)動的自由度。
由于電機(jī)轉(zhuǎn)速過快，需要減速。因此箱體內(nèi)部集成了一個(gè)諧波減速器，電機(jī)安裝在與箱體1相連的連桿A內(nèi)部，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動通過諧波減速器減速傳遞到箱體2，箱體2帶動與其相連的連桿B實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動。
關(guān)節(jié)傳動原理如圖所示：
本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，故關(guān)節(jié)均采用上述的結(jié)構(gòu)，分別為兩種運(yùn)動:俯仰和回轉(zhuǎn)。需要實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動作的關(guān)節(jié)，把連桿安裝在箱體的中軸線上;需要實(shí)現(xiàn)俯仰動作的關(guān)節(jié)，把連桿安裝在箱體的側(cè)壁。
對于直線位移部分：
導(dǎo)軌副的選用：需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。
絲桿螺母副的選用：伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，要滿足定位精度，滑動滑動絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。
完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫）
1-3周：接受設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱相關(guān)資料，了解課題的背景和發(fā)展?fàn)顩r。
4-5周：了解學(xué)習(xí)常用機(jī)械手設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識，初步原理方案的提出。
6周：設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化比較，論證并選擇最優(yōu)方案。
7-8周：機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
9-10周：機(jī)械手搖臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
11-12周：機(jī)械手與焊接設(shè)備的機(jī)械接口設(shè)計(jì)。
13：設(shè)計(jì)機(jī)械手與焊接設(shè)備的接口。
14-15周：繪制相關(guān)設(shè)計(jì)的零件圖和裝配圖。
16-17周：撰寫畢業(yè)論文。
19周：準(zhǔn)備答辯。
5 指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
6 所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題目：焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
2013年5月
焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
本設(shè)計(jì)為焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要研究內(nèi)容：腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；大、小臂和腕部回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)由整體布局入手，參考現(xiàn)有關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的相關(guān)設(shè)計(jì)，初步確定腰部的轉(zhuǎn)動慣量，從而確定電機(jī)的選型，安裝等相關(guān)設(shè)計(jì)。在機(jī)械臂的靈活和精度的前提下完成總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，從而確定本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂各個(gè)主要零部件的設(shè)計(jì)。
在主要零部件的設(shè)計(jì)中，主要包括腰部殼體的設(shè)計(jì)、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸承的選擇、電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算、大小臂的結(jié)構(gòu)和固定等。
本設(shè)計(jì)整體在現(xiàn)有關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)上做了修改，使得它能夠更好的滿足本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、外形尺寸小、設(shè)備費(fèi)用低、運(yùn)轉(zhuǎn)安全、操作方便、便于維修和管理。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；諧波減速器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
II
Structure design of robot arm
Abstract
The design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism； structure design of large, small arm and wrist rotation.
This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the.
The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed.
The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management.
KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design
目 錄
1 緒論 1
1.1 機(jī)器人簡介 1
1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用 2
1.1.2 點(diǎn)焊機(jī)器人介紹及其研究意義 4
1.1.3 機(jī)器人的組成 6
1.2 機(jī)械手的組成 8
1.3 本文主要研究工作 11
2 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 12
2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 12
2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 13
3 機(jī)械手腰部機(jī)座 15
3.1 機(jī)械手腰部機(jī)座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15
3.2 機(jī)械手腰部機(jī)座設(shè)計(jì)的具體采用方案 15
3.3 電動機(jī)的選擇 16
3.4 減速器的選擇 17
3.5 鍵的選擇 18
4 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
4.1 設(shè)計(jì)具體采用方案 21
4.2 大臂電動機(jī)的選擇 21
4.3 大臂減速器的相關(guān)計(jì)算 22
4.4 小臂電動機(jī)的選擇 23
4.5 小臂減速器的相關(guān)計(jì)算 24
5 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 27
5.1 腕部電動機(jī)的選擇 27
5.2 腕部減速器的選擇 27
6 軸承的選用與校核 29
7 結(jié)論 39
參考文獻(xiàn) 40
致謝 41
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 42
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 43
IV
1 緒論
1 緒論
1.1 機(jī)器人簡介
工業(yè)機(jī)器人（英語：industrial robot。簡稱IR）是廣泛適用的能夠自主動作，且多軸聯(lián)動的機(jī)械設(shè)備。它們在必要情況下配備有傳感器，其動作步驟包括靈活的，轉(zhuǎn)動都是可編程控制的（即在工作過程中，無需任何外力的干預(yù)）。它們通常配備有機(jī)械手、刀具或其他可裝配的的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運(yùn)操作與加工制造的任務(wù)。機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)[1]?！?
工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了長期發(fā)展后，已經(jīng)成為制造業(yè)中不可缺少的核心設(shè)備。同時(shí)隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器人也被開發(fā)出來去適應(yīng)制造領(lǐng)域意外的各個(gè)行業(yè)。這些機(jī)器人作為機(jī)器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、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，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，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)域不可缺少的自動化設(shè)備。
39
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用
1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機(jī)器人”這個(gè)詞。
1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個(gè)字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。
1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機(jī)器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。
1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機(jī)器人，并注冊了專利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。
1956年 在達(dá)特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個(gè)定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。
1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”。
1962年—1963年 傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們試著在機(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機(jī)器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個(gè)帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。
1965年 約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀(jì)60年代中期開始，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。
1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機(jī)器人，拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。
1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。
1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。
1984年 英格伯格再推機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。
1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛寶(AIBO)，當(dāng)即銷售一空，從此娛樂機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。
2002年 丹麥iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它能避開障礙，自動設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，還能在電量不足時(shí)，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。
2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球。
機(jī)器人的未來發(fā)展將很快，應(yīng)用范圍更大，如設(shè)計(jì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸、醫(yī)藥、科學(xué)研究等各個(gè)方面。
總的趨勢是提高工作精度和運(yùn)動速度，增加機(jī)構(gòu)的自由度以提高通用性和靈活性。降低結(jié)構(gòu)自重，逐步采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊式組合結(jié)構(gòu)，開發(fā)傳感器技術(shù)和機(jī)器人語言，同時(shí)根據(jù)內(nèi)部信息和環(huán)境信息來控制機(jī)器人，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展正從各個(gè)方面顯露出它的強(qiáng)大勢頭。從近幾年來國際工業(yè)機(jī)器人會議上綜合的情況來看，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)是具有智能的高級機(jī)器人以及低成本、穩(wěn)定可靠的用于自動化生產(chǎn)的機(jī)器人。
空間探索、能源問題和人工智能是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)三大課題。人工智能主要內(nèi)容之一就是關(guān)于智能機(jī)器人的研究。感受外界信息，理解和記憶信息，規(guī)劃行動，人機(jī)對話，是智能機(jī)器人發(fā)展的四個(gè)主要問題。在空間探索領(lǐng)域中，機(jī)器人技術(shù)具有美好的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用價(jià)值，空間自動加工工廠；開發(fā)宇宙空間的高級自治系統(tǒng)；在空間裝配的自重復(fù)系統(tǒng)等。
本世紀(jì)以來，人類開始有計(jì)劃地開發(fā)海洋，開發(fā)食物、能源和物質(zhì)來源。機(jī)器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果之一。人們常常把新出現(xiàn)的技術(shù)用來制造機(jī)器人，再將機(jī)器人應(yīng)用到新技術(shù)領(lǐng)域中去。為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，人們把大部分智能技術(shù)結(jié)合起來，使之向更高級的機(jī)器人——智能機(jī)器人發(fā)展，這已成為機(jī)器人的一個(gè)發(fā)展方向。
相對于人來說，工業(yè)機(jī)器人的工作準(zhǔn)確性高，工作速度高，負(fù)載能力大，耐久力強(qiáng)，重復(fù)性好，所以工業(yè)機(jī)器人獲得了廣泛應(yīng)用，顯示了很好的效能。
從目前情況看，工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和使用者都希望能更加擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，例如：由計(jì)算機(jī)控制的具有適應(yīng)性控制的裝配用機(jī)器人、焊接機(jī)器人、實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人、清理鑄件的機(jī)器人，建筑用機(jī)器人，地下工作機(jī)器人，消防用機(jī)器人，城市垃圾處理機(jī)器人，看護(hù)病人的機(jī)器入，協(xié)助料理殘廢人生活的機(jī)器人，海洋開發(fā)機(jī)器人，空間開發(fā)機(jī)器人等。
目前，智能機(jī)器人已從基礎(chǔ)研究發(fā)展為應(yīng)用研究，今后逐漸推廣應(yīng)用。具有感覺和識別功能（特別是視覺）的機(jī)器人已經(jīng)用于自動檢修和裝配作業(yè)。能在極限作業(yè)環(huán)境中工作的極限作業(yè)機(jī)器人等等都在加緊研究開發(fā)之中。
a. 手部機(jī)構(gòu)的多功能化：日前的工業(yè)機(jī)器人的手大部分只有兩個(gè)手指，相當(dāng)于一種夾持器的功能。機(jī)器人的手將逐漸發(fā)展為多關(guān)節(jié)、多手指并具有人工觸覺的人造手。
b. 采用并行處理的復(fù)合控制：由于微電子技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的性能大幅提高，從而可以利用多個(gè)微處理器對各種感覺(如視覺、觸覺等)信息進(jìn)行并行處理，并控制機(jī)器人多功能的手快速地完成更復(fù)雜的工作。
c. 步行機(jī)的研究，它能使機(jī)器人的車輛方式發(fā)展為多關(guān)節(jié)的步行方式。隨著生物工程的迅速發(fā)展，人類步行控制和動物步行機(jī)理的研究更為深入，引用這些機(jī)理將使步行機(jī)性能顯著提高。
d. 識別功能的提高：從識別物體(或零件)的位置和形狀發(fā)展為識別物體的姿態(tài)和顏色，并達(dá)到實(shí)用，使機(jī)器人能夠快速地識別更復(fù)雜的物體。
1.1.2 點(diǎn)焊機(jī)器人介紹及其研究意義
點(diǎn)焊機(jī)器人（spot welding robot）用于點(diǎn)焊自動作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。世界上第一臺點(diǎn)焊機(jī)于1965年開始使用，是美國Unimation公司推出的Unimate機(jī)器人，中國在1987年自行研制成第一臺點(diǎn)焊機(jī)器人──華宇-Ⅰ型點(diǎn)焊機(jī)器人。點(diǎn)焊機(jī)器人由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、示教盒和點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應(yīng)靈活動作的工作要求，通常電焊機(jī)器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)，一般具有六個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動兩種。其中電氣驅(qū)動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。點(diǎn)焊機(jī)器人按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)焊作業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外部設(shè)備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計(jì)算機(jī)的控制命令進(jìn)行工作。 焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。點(diǎn)焊機(jī)器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時(shí)又具有柔性焊接的特點(diǎn)，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對不同的車型進(jìn)行裝配焊接[2]。
應(yīng)用點(diǎn)焊機(jī)器人，有如下優(yōu)點(diǎn)：a.容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動化；b.對生產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)能力將大大加強(qiáng)；c.可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及質(zhì)量；d.可以明顯改善工作條件。
我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。 工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開始的。原因在于電阻點(diǎn)焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機(jī)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。國際工業(yè)機(jī)器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關(guān)系，向各大型汽車生產(chǎn)企業(yè)提供各類點(diǎn)焊機(jī)器人單元產(chǎn)品并以焊接機(jī)器人與整車生產(chǎn)線配套形式進(jìn)入中國，在該領(lǐng)域占據(jù)市場主導(dǎo)地位。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點(diǎn)焊機(jī)器人是目前汽車焊接中最常用的一種機(jī)器人。2008年9月，機(jī)器人研究所研制完成國內(nèi)首臺165公斤級點(diǎn)焊機(jī)器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經(jīng)過優(yōu)化和性能提升的第二臺機(jī)器人完成并順利通過驗(yàn)收，該機(jī)器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外同類機(jī)器人水平。
工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢 目前國際機(jī)變機(jī)界都在加大科研力度，進(jìn)變機(jī)變機(jī)共性技術(shù)的研究。從機(jī)變機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊安機(jī)變機(jī)和其它工畢機(jī)變機(jī)一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。夾體而言，表現(xiàn)在如定幾個(gè)方面：
機(jī)變機(jī)操動機(jī)結(jié)構(gòu)：與過有限元積析、電態(tài)積析及仿真畢畢等現(xiàn)代畢畢方法的變用，實(shí)現(xiàn)機(jī)變機(jī)操動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化畢畢。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高總載/自重比。
機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)系統(tǒng)：重打研究開放式，電電化機(jī)機(jī)系統(tǒng)。向基于PC機(jī)的開放型機(jī)機(jī)變方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；變件集成度提高，機(jī)機(jī)機(jī)日見小巧，且采用電電化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操動性和可維修性；機(jī)機(jī)系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)軟件伺服和安數(shù)字機(jī)機(jī)；機(jī)機(jī)界面更加友好。
機(jī)變機(jī)傳感技術(shù)：機(jī)變機(jī)中的傳感變動用日益重要，除采用傳統(tǒng)的變置、高度、加高度等傳感變機(jī)，裝配、焊安機(jī)變機(jī)還應(yīng)用了激光傳感變、視覺傳感變和力傳感變，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)機(jī)變物體的自動定變以及精密裝配動畢等，大大提高了機(jī)變機(jī)的動畢性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。
網(wǎng)絡(luò)與光功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)變已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總機(jī)及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)安，使機(jī)變機(jī)由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)變機(jī)由過去的專用畢備向標(biāo)準(zhǔn)化畢備發(fā)展。
虛擬機(jī)變機(jī)技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)變機(jī)中的動用已從仿真、預(yù)演發(fā)展大用于過正機(jī)機(jī)，如使遙機(jī)機(jī)變機(jī)操動者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)安動畢環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)變機(jī)?；诙鄠鞲凶?、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)變機(jī)的虛擬遙機(jī)操動和機(jī)機(jī)三互。
機(jī)變機(jī)性能價(jià)格比：機(jī)變機(jī)性能不斷提高(高高度、高精度、高可靠性、便于操動和維修，而單機(jī)價(jià)格不斷定定。由于微畢子技術(shù)的快高發(fā)展和大規(guī)電集成畢畢的應(yīng)用，使機(jī)變機(jī)系統(tǒng)的可靠性有了很大提高
多智能體調(diào)機(jī)技術(shù)：這是目前機(jī)變機(jī)研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、三互長的與光與磋商機(jī)理，感知與三三方法，建電和規(guī)劃、群體變?yōu)闄C(jī)機(jī)等方面進(jìn)變研究[3]。
1.1.3 機(jī)器人的組成
機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，一般由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、傳感器、和驅(qū)動器等四部分組成。機(jī)械本體是機(jī)器人實(shí)施作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為對本體進(jìn)行精確控制，傳感器應(yīng)提供機(jī)器人本體或其所處環(huán)境的信息，控制系統(tǒng)依據(jù)控制程序產(chǎn)生指令信號，通過控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動坐標(biāo)的驅(qū)動器，使各臂桿端點(diǎn)按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態(tài)達(dá)到空間指定的位置。驅(qū)動器將控制系統(tǒng)輸出的信號變換成大功率的信號，以驅(qū)動執(zhí)行器工作[4]。
a. 機(jī)械本體
機(jī)械本體，是機(jī)器人賴以完成作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是一臺機(jī)械手，也稱操作器、或操作手，可以在確定的環(huán)境中執(zhí)行控制系統(tǒng)指定的操作。典型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體一般由手部（末端執(zhí)行器）、腕部、臂部、腰部和基座構(gòu)成。機(jī)械手多采用關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般具有6個(gè)自由度，其中3個(gè)用來確定末端執(zhí)行器的位置，另外3個(gè)則用來確定末端執(zhí)行裝置的方向（姿勢）。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置可以根據(jù)操作需要換成焊槍、吸盤、扳手等作業(yè)工具。
b. 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是機(jī)器人的指揮中樞，相當(dāng)于人的大腦功能，負(fù)責(zé)對作業(yè)指令信息、內(nèi)外環(huán)境信息進(jìn)行處理，并依據(jù)預(yù)定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，通過驅(qū)動器驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運(yùn)動，完成特定的作業(yè)。從控制系統(tǒng)的構(gòu)成看，有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之分；從控制方式看有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)之分。
c. 驅(qū)動器
驅(qū)動器是機(jī)器人的動力系統(tǒng)，相當(dāng)于人的心血管系統(tǒng)，一般由驅(qū)動裝置和傳動機(jī)構(gòu)兩部分組成。因驅(qū)動方式的不同，驅(qū)動裝置可以分成電動、液動和氣動三種類型。驅(qū)動裝置中的電動機(jī)、液壓缸、氣缸可以與操作機(jī)直接相連，也可以通過傳動機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。傳動機(jī)構(gòu)通常有齒輪傳動、鏈傳動、諧波齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動等幾種類型。
d. 傳感器
傳感器是機(jī)器人的感測系統(tǒng)，相當(dāng)于人的感覺器官，是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器主要用來檢測機(jī)器人本身的狀態(tài)，為機(jī)器人的運(yùn)動控制提供必要的本體狀態(tài)信息，如位置傳感器、速度傳感器等。外部傳感器則用來感知機(jī)器人所處的工作環(huán)境或工作狀況信息，又可分成環(huán)境傳感器和末端執(zhí)行器傳感器兩種類型；前者用于識別物體和檢測物體與機(jī)器人的距離等信息，后者安裝在末端執(zhí)行器上，檢測處理精巧作業(yè)的感覺信息。常見的外部傳感器有力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等[5]。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、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)器人技術(shù)是綜合了計(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)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。
機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，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，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)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備[6]。
機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用[7]。
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用[8]。
60噸沖床自動上料裝置是在一般沖床上改裝沖床曲軸，添加上料機(jī)械手,升料臺和滑道等裝置，是沖床自動連續(xù)工作。該裝置的特點(diǎn)是由上料機(jī)械手來控制沖床動作，能保證沖床有節(jié)奏的，安全的生產(chǎn)[9]。
1.2 機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。
控制系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
位置檢測裝置
圖1.1 機(jī)械手的組成方框圖
a. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。
(1) 手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式，式彈簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
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。
用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式[10]。
(2) 手腕
是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動.一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動在增加一個(gè)上下擺動即可滿足要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)[11]。
(3) 手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動。
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動部件受力狀態(tài)簡單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式[12]。
(4) 立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和升降(或俯仰)運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動，即稱為可移式立柱[13]。
(5) 行走機(jī)構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運(yùn)動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置[14]。
(6) 機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用[15]。
b. 驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動等四種形式[16]。
c. 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號[17]。
d. 位置檢測裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置[18]。
1.3 本文主要研究工作
本文首先確定了機(jī)械手的總體布局，然后提出了各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)方案，主要的設(shè)計(jì)和研究內(nèi)容有：
a. 腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
b. 大臂擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
c. 小臂擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
d. 腕部擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)
2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下:
a. 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
b. 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個(gè)直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。
c. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個(gè)直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。
d. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人[19]。
本題目規(guī)格參數(shù):
腰部回轉(zhuǎn)最大角度280度；
擺動最大角度120度；
工作范圍范圍0-450mm；
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
本機(jī)械手的主要動作是：
首先腰部回轉(zhuǎn)機(jī)械臂和焊點(diǎn)處于同一平面；接著大臂回轉(zhuǎn)，調(diào)整焊槍和焊點(diǎn)的距離；然后小臂回轉(zhuǎn)，使焊槍接觸焊點(diǎn)；最后腕部回轉(zhuǎn)，使焊槍和焊點(diǎn)垂直，達(dá)到焊接的目的。
2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案
具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)楹笜屬|(zhì)量約0.5KG，且考慮到焊接機(jī)械手的加工精度，應(yīng)盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要四種運(yùn)動,腰部回轉(zhuǎn)；大臂回轉(zhuǎn)；小臂回轉(zhuǎn)；腕部回轉(zhuǎn)。綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為四。因此選擇關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。
具體到本設(shè)計(jì)，要求工作區(qū)間0-450mm，擴(kuò)大到0-60mm，為擴(kuò)大1/3倍。因?yàn)锳2+b2≥2ab。所以當(dāng)c一定時(shí)，a=b機(jī)械臂為最短。6002=2a2。A≈424.3，又因?yàn)樾”郾却蟊鄹`活，活動更頻繁，所以初始取a（大臂）=500mm；b（小臂）=400mm；c（腕部）=100mm。
整體布局如圖：
圖2.1 整體尺寸設(shè)計(jì)圖
本設(shè)計(jì)的三維建?；趕olidworks。首先進(jìn)行腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行大臂擺動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行小臂擺動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行腕部的設(shè)計(jì)。在所有設(shè)計(jì)完成之后，整體的效果如下圖所示：
圖2.2 設(shè)計(jì)完成整體圖
3 機(jī)械手腰部機(jī)座
3 機(jī)械手腰部機(jī)座
3.1 機(jī)械手腰部機(jī)座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對機(jī)械手的腰部、大臂、小臂、腕部等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求：
工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則：
a. 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。
b. 腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。
c. 機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)器人末端的運(yùn)動精度影響最大，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。
d. 腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。
e. 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。
f. 為了減輕機(jī)器人運(yùn)動部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成[20]。
3.2 機(jī)械手腰部機(jī)座設(shè)計(jì)的具體采用方案
腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或氣壓缸來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。考慮到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
3.3 電動機(jī)的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，JG4根據(jù)平行軸定理可得繞軸0的轉(zhuǎn)動慣量為：
（3.1）（3.2）
m3=0.5kg；m2=5kg；m1=7kg；m0=7kg；
設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間；
機(jī)座 （3.3）
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為15N.m。
電機(jī)功率可按下式估算
（3.4）
其中：Pm為電動機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；
（3.5）
博美德PL80-100/SM80-013-30LFB；
參數(shù)如下：
表3-1 電機(jī)參數(shù)
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)子慣量
400w
1.3N.m
3000rpm
0.89X10-4kg.m2
電機(jī)結(jié)構(gòu)外形如圖：
圖3.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)外形圖
3.4 減速器的選擇
因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求30r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動比。
（3.6）
減速器選用配套的 博美德PL80-100型，減速比100。
減速器如圖所示：
圖3.2 減速機(jī)安裝圖
參數(shù)如下：
額定輸出扭矩：52～110Nm 轉(zhuǎn)動慣量：0.39～0.77Kgcm2/
故障停止扭矩：104～220Nm 滿載效率：90%
額定輸入速度：4000min-1/ 工作溫度：-25°～+90°
最大輸入速度：6000min-1/ 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑）
安裝方式：任意 防護(hù)等級：IP65
平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R
輸出軸鍵標(biāo)準(zhǔn):圓頭普通平鍵（A型）GB1096-79。
3.5 鍵的選擇
鍵已標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的類型以及尺寸來選擇鍵，然后再進(jìn)行強(qiáng)度校核，鍵的材料按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用抗拉強(qiáng)度的鋼，常用45鋼。
本設(shè)計(jì)中的鍵均為減速器自帶的鍵，即普通圓頭A型。
驗(yàn)證電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量
（3.7）
電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為
所以選取合適 （3.8）
在確定了轉(zhuǎn)動慣量之后，就要進(jìn)行軸的具體尺寸確定：
實(shí)心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力[] = 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120。
此軸傳遞扭矩T1=15N.m n1=30r/min P1=400w
（3.9）
因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于28.5mm。
4 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則：
a. 應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)器人的控制。
b. 機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。
c. 為了提高機(jī)器人的運(yùn)動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。
d. 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。
e. 機(jī)器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小氣缸負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。
f. 機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
4.1 設(shè)計(jì)具體采用方案
機(jī)械手的大臂和小臂均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動。考慮到機(jī)械手的動態(tài)性能及運(yùn)動的穩(wěn)定性，安全性，兩手臂的調(diào)節(jié)采用電機(jī)和諧波減速器配合。
4.2 大臂電動機(jī)的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3根據(jù)平行軸定理可得繞軸0的轉(zhuǎn)動慣量為：
（4.1）
（4.2）
m3=0.5kg；m2=5kg；m1=7kg；
設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間；
大臂 （4.3）
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為13N.m。
電機(jī)功率可按下式估算：
（4.4）
其中：Pm為電動機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；
（4.5）
博美德PL80-80/SM80-013-30LFB；
參數(shù)如下：
表4.1 電機(jī)參數(shù)
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)子慣量
400w
1.3N.m
3000rpm
0.89X10-4kg.m2
電機(jī)結(jié)構(gòu)外形如圖：
圖4.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)外形圖
4.3 大臂減速器的相關(guān)計(jì)算
因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求30r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動比。
（4.6）
減速器選用配套的 博美德PL80-80型，減速比80。
電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
（4.7）
電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為；
（4.8）
所以選取合適。
此軸傳遞扭矩T1=13N.m n1=30r/min；P1=400w；
（4.9）
因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于28.5mm。
4.4 小臂電動機(jī)的選擇
（4.10）
（4.11）
m3=0.5kg；m2=5kg；
設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間；
小臂 （4.12）
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為2N.m。
電機(jī)功率可按下式估算：
（4.13）
其中：Pm為電動機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；
（4.14）
博美德PL40-200/SM42-001-40DCB；
參數(shù)如下：
表4.2 電機(jī)參數(shù)
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)子慣量
30w
0.0625N.m
4000rpm
0.024X10-4kg.m2
圖4.2 電機(jī)安裝圖
4.5 小臂減速器的相關(guān)計(jì)算
因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求20r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動比。
（4.15）
減速器如圖所示：
圖4.3 減速器外形結(jié)構(gòu)圖
減速器選用配套的 博美德PL40-200型，減速比200。
詳細(xì)參數(shù)如下：
額定輸出扭矩：7.5～15.5Nm 轉(zhuǎn)動慣量：0.016～0.029Kgcm2/
故障停止扭矩：15～31Nm 滿載效率：90%
額定輸入轉(zhuǎn)速: 4500min-1/ 工作溫度：-25°C～+90°C
最大輸入速度：10000min-1/ 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑）
安裝方式：任意 防護(hù)等級：IP65
平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R
重量： 0.6Kg 減速機(jī)符合JB1799-76標(biāo)準(zhǔn)
輸出軸鍵標(biāo)準(zhǔn):圓頭普通平鍵（A型）GB1096-79。
鍵已標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的類型以及尺寸來選擇鍵，然后再進(jìn)行強(qiáng)度校核，鍵的材料按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用抗拉強(qiáng)度的鋼，常用45鋼。
本設(shè)計(jì)中的鍵均為減速器自帶的鍵，即普通圓頭A型。
電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
（4.16）
電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為；
所以選取合適 （4.17）
在確定了轉(zhuǎn)動慣量之后，就要對軸進(jìn)行設(shè)計(jì)：
此軸傳遞扭矩T1=2N.m n1=20r/min P1=30w
（4.18）
因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于13.7mm。
5 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
5 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
5.1 腕部電動機(jī)的選擇
（5.1）
（5.2）
m3=0.5kg；
設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間；
腕部 （5.3）
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為1N.m。
電機(jī)功率可按下式估算：
（5.4）
其中：Pm為電動機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；
（5.5）
博美德 PL40-200/SM42-001-40DCB；參數(shù)同上。
5.2 腕部減速器的選擇
因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求20r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動比。
（5.6）
減速器選用配套的 博美德PL40-200型，減速比200。
電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算如下：
（5.7）
電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為；
所以選取合適 （5.8）
確定了轉(zhuǎn)動慣量之后就要對軸進(jìn)行設(shè)計(jì)：
此軸傳遞扭矩T1=1N.m n1=20r/min P1=30w
（5.9）
因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于13.7mm。
6 軸承的選用與校核
6 軸承的選用與校核
為了保證機(jī)械臂的正常運(yùn)行，不僅軸承的制造質(zhì)量良好，而且機(jī)械臂的設(shè)計(jì)必須合理，軸承的裝配和使用必須規(guī)范。軸承的選擇對于機(jī)械臂的正常運(yùn)轉(zhuǎn)十分重要。
a. 軸承類型的選擇
機(jī)座轉(zhuǎn)動軸上的軸承選擇：
推力球軸承，它承載能力較低，額定動載荷比為1，不能承受徑向載荷，只能承受一個(gè)方向的軸向載荷，限制軸和殼在軸向位移。極限轉(zhuǎn)速低。
機(jī)座相對轉(zhuǎn)動處的軸承選擇：
一對圓錐滾子軸承。額定動載荷比1.5~2.5。能承受單向軸向載荷，在徑向載荷作用下會產(chǎn)生附加軸向力，一般成對使用。能限制軸和外殼在一個(gè)方向的軸向位移。313系列具有較大的接觸角，可以承受更大的軸向載荷。
大臂、小臂、腕部轉(zhuǎn)動軸承的選擇：
深溝球軸承，承載能力較小，額定動載荷比為1。主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受一定的軸向載荷。當(dāng)軸承的徑向游隙加大時(shí)，具有角接觸軸承的功能，可承受較大的軸向載荷。允許一定的軸向位移，但軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)。摩擦系數(shù)小，極限轉(zhuǎn)速高。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。工作期間不需要保養(yǎng)。適于高速，應(yīng)用極為廣泛