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1、垂直多关节机器人臂部和手部设计摘要:由于关节型机器人具有传动原理简单、结构凑紧、所占空间体积小、相对的工作空间大，还能绕过基座周围的一些障碍物等特点。综合以上几点考虑，以及为了提高生产效率和降低劳动强度，满足特定的工作要求，课题设计的机器人为垂直多关节机器人，采用了直流伺服电机驱动，通过一系列的轴和齿轮传动顺利实现了腕部的旋转与摆动，手爪的自动抓取与放松工件运动。为了使整个机构结构紧凑，合理布置了电动机、轴和齿轮，设计了齿轮和轴的结构，并进行了强度校核计算。由于驱动电机的个数与手臂自由度的个数是紧密联系的，因此减少电机的数量不但能减小机械手臂的重量，而且还会简化整个系统的动力学与运动学的分析。
2、传动中采用了软轴、波纹管联轴器、传动轴和两对齿轮传动。在选材方面,为了使机器人重量较轻,以及腕部能够灵活的运动,故选取轻型材料,我所设计的机器人的材料为铸造铝合金中的铝铜合金。该机器人手臂具有刚性好、传动精度高、重量轻的特点。设计中大多采用了标准件和常用件，降低了设计和制造的成本。关键词:垂直多关节机器人；伺服电机；齿轮传动；手臂The Design of arm and hands for Vertical multi-joint robot Abstract:As the joint coordinates robot with a simple principle, the struct
3、ure together tight, has the small space, compared to the work of a large space, can bypass obstacles around the base some characteristics. As the above considerations, and in order to improve production efficiency and reduce labor intensity, to meet specific work requirements, This designed robot is
4、 vertical multi-joint robot , using a DC servo motor, Through a series of shafts and gears realizated wrist rotation and swinging, and the movement of Auto-Hand crawls and relax. In order to make the entire structure is compact, rational layout the motor shaft and the gear , design the structure of
5、the gear and shaft, and the strength verification. Due to the number of motor-driven and the number of degrees of freedom of arms are closely linked, thus reducing the number of motor not only reduce the weight of the arm, but also it will simplify the analysis of the whole system dynamics and kinem
6、atics. The transmission of the design has used the flexible shaft, bellows couplings, wrist and two pairs of gear drive. In the choice of material, in order to make the robot weight lighter and the wrist can movements Agile. so selection of light materials, I have designed materials of robot is alum
7、inum-copper alloy of cast aluminum alloy . This robots arm has superity of good rigidity, precise transmission and weight lighter. So the design mostly used the standard parts and common parts, reduced the cost of the design and the production. Key words: Vertical multi-joint robot；servo motor ；tran
8、smission of gears ；arm毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本
9、；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的
10、规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录1 前言11.1课题来源11.2 技术要求及预期效果11.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路11.4 国内外研究现状及发展状况11.4.1 研究现状11.4.2 发展趋势22 总体方案设计42.1 机械结构类型的确定42.2 传动方案的确定42.3 工作空间的确定52.4 手腕结构的确定52
11、.5 驱动装置的选择62.5.1 机器人驱动方案的分析和选择62.5.2 手腕电机的选择72.5.3 传动比的确定及分配83 齿轮的设计93.1齿轮强度的设计与校核93.1.1第一级圆柱齿轮传动设计93.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计124 轴的设计154.1 转腕传动轴的选择154.2 摆腕传动轴的设计154.2.1 圆柱齿轮轴的设计154.2.2 轴的强度校核164.2.3 圆锥齿轮轴的设计204.2.4 手腕连接轴的设计214.2.5 大臂小臂连接轴的设计225 轴承的设计235.1 轴承的选择235.2轴承的寿命计算236 其它零部件的选用256.1 键连接的选用256.2 壳体的设计
12、256.3 机器人手臂材料的选择256.4 机器人臂部连接件的选用257 关节型机器人的位姿分析278结论31参 考 文 献32致谢33附 录341 前言 1.1课题来源本课题设计的是垂直多关节型机器人臂部与手部的设计，主要是臂部和腕部的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际，是针对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程度要求高，因此采用机器人技术，可以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率，实现生产过程的自动化和改善劳动条件。1.2 技术要求及预期效果根据设计要达到以下要求：a. 最大搬运重量：5kg；b. 最大工作范围：850mm；c. 标准周期：0
13、.59sec； d. 重复定位精度：mm；e. 生产纲领：大批大量。此次设计的垂直多关节机器人可以实现大臂小臂的旋转,手腕的旋转与摆动以及手爪的自动抓取与放松工件运动。此装置应用在焊接生产线上将大大提高生产效率和加工质量，降低了工人的劳动强度，能够带来可观的经济效益。1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路 本课题要解决的问题有以下三个：a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部的结构紧凑，减少重量和体积；b. 提高手腕动作的精确性；c. 三个自由度的实现。 针对上述问题有了以下设计思路：a.对于分离传动采用传动轴。b. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将2个驱动器安置在小臂的后
14、端。c. 驱动电机1经联轴器与传动轴来驱动小臂壳体的回转运动。驱动电机2经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动来带动手腕作偏摆运动。d.手部的驱动电机安装在手腕内部，以此来减轻手部的重量，让手爪能够作灵活的运动，此传动装置采用螺旋传动来带动手爪的抓取与放松工件运动。1.4 国内外研究现状及发展状况1.4.1 研究现状自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初
15、的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆
