一种吸盘式搬运机械手的设计与研究分析hhqd.docx

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1、商 丘丘 工学院20166-JXX-SJJ0802202-1155本科毕业业设计一种吸盘盘式搬运运机械手手的设计计与研究究学 院机械工程程学院专 业机械设计计制造及及其自动动化学 号4112202004077学生姓名名周成指导教师师张保恒 高威威提交日期期20166 年 05 月月 233 日诚信承 诺 书本人郑重重承诺和和声明:我承诺在在毕业论论文撰写写过程中中遵守学学校有关关规定,恪守学学术规范范,此毕毕业设计计中均系系本人在在指导教教师指导导下独立立完成,没有剽剽窃、抄抄袭他人人的学术术观点、思思想和成成果,没没有篡改改研究数数据,凡凡涉及其其他作者者的观点点和材料料,均作作了注释释,如

2、有有违规行行为发生生,我愿愿承担一一切责任任,接受受学校的的处理,并承担担相应的的法律责责任。毕业设计计作者签签名：年月日摘 要 根据工厂厂的实际际环境和和自动化化设备的的布局，设设计了六六个自由由度的关关节型吸吸盘式搬搬运机械械手，它它基本能能够到达达空间的的任意位位置，实实现物品品的准确确转移。通通过查阅阅相关资资料，结结合各方方面的因因素，确确定了机机械手的的总体设设计方案案，通过过相关的的技术参参数的查查阅，确确定了手手臂、吸吸盘等参参数的标标准化。在在此基础础上通过过采样、分分析、计计算、校校验，确确定了各各部件的的结构尺尺寸，以以及电机机、减速速器规格格的选择择。通过soolidd

3、worrks软软件，根根据相关关尺寸的的大小，绘绘制出机机械手的的三维实实体模型型，并且且绘制出出相应的的工程图图。对吸吸盘机械械手进行行运动学学分析及及手臂的的位移、速速度、加加速度等等运动仿仿真，模模拟出机机械手的的运动轨轨迹，绘绘制出机机械手的的运动参参数曲线线图，并并能够实实现物品品迅速准准确转移移到目的的地的动动作。关键词：吸盘式式关节型型机械手手；机器臂臂结构分分析；结构设设计；三维设设计；运运动学仿仿真1ASTRRACTTAccoordiing to thee laayouut oof tthe acttuall pllantt ennvirronmmentt annd aaut

4、oomattionn eqquippmennt, thee deesiggn oof tthe sixx deegreees of freeedoom aartiicullateed ssucttionn cuup ttypee maanippulaatorr, wwhicch ccan bassicaallyy arrrivve aat aarbiitraary loccatiion in spaace, too reealiize thee acccurratee trranssferr. TThrooughh acccesss tto rreleevannt iinfoormaatioo

5、n, commbinned witth vvariiouss asspeccts of facctorrs, to dettermminee thhe ooverralll deesiggn sscheeme of thee maanippulaatorr, tthrooughh acccesss tto rreleevannt ttechhniccal parrameeterrs tto ddeteermiine thee arrm, staandaardiizattionn off diisk parrameeterrs. On thiis bbasiis, thrrouggh ssamp

6、plinng, anaalyssis, caalcuulattionn annd vvaliidattionn, tto ddeteermiine thee sttruccturre ssizee off eaach commponnentt, aand thee mootorr, ddeceelerratiion devvicee sppeciificcatiion.By SSoliidWoorkss sooftwwaree, aaccoordiing to thee siize rellateed tto tthe sizze oof tthe draaw tthe thrree-dimm

7、enssionnal enttityy moodell off thhe mmaniipullatoor, andd drraw thee coorreespoondiing enggineeeriing draawinngs. Thhe mmaniipullatoor ssuckker forr kiinemmatiics anaalyssis andd arrm oof tthe dissplaacemmentt, vveloocitty aand accceleerattionn off mootioon ssimuulattionn. SSimuulattionn off thhe t

8、trajjecttoryy off thhe mmaniipullatoor ddraww maanippulaatorr mootioon oof pparaamettricc cuurvees, andd caan rreallizee thhe ggoodds qquiccklyy annd aaccuurattelyy trranssferrredd too thhe ddesttinaatioon oof tthe acttionn.Key worrds:Artiicullateed mmaniipullatoor；Roboot aarm strructturee annalyysi

9、ss；Struuctuure dessignn；Threee-ddimeensiionaal ddesiign;Kineematticss siimullatiion目录1 绪论论11.1 引言111.2 关节机机械手研研究概况况21.2.1 国国外研究究现状221.2.2 国国内研究究现状221.3 关节机机械手的的总体结结构31.4 主要内内容41.5 本章小小结52总体方方案设计计62.1 机械手手工程概概述62.2 工业机机械手总总体设计计方案论论述62.3 机械手手机械传传动原理理72.4 机械手手总体方方案设计计82.5 本章小小结93机械手手大臂部部结构设计计103.1 大臂部部

10、结构设设计的基基本要求求103.2 大臂部部结构设设计1003.3 大臂电电机及减减速器选选型1003.4 减速器器参数的的计算1113.5承承载能力力的计算算153.5.1 柔柔轮齿面面的接触触强度的的计算1153.5.2 柔柔轮疲劳劳强度的的计算1163.6 本章小小结2004小臂结结构设计计214.1 腕部设设计2114.1.1 手手腕偏转转驱动计计算2114.1.2 手手腕俯仰仰驱动计计算3224.1.3 电电动机的的选择3324.2 小臂部部结构设设计3444.3 小臂电电机及减减速器选选型3444.3.1传动动结构形形式的选选择3554.3.2几何何参数的的计算3354.4 凸轮波

11、波发生器器及其薄薄壁轴承承的计算算364.4.1柔轮轮齿面的的接触强强度的计计算3774.4.2柔轮轮疲劳强强度的计计算3774.5 轴结构构尺寸设设计3884.6 轴的受受力分析析及计算算394.7 轴承的的寿命校校核4004.8 本章小小结4225机身设设计4335.1 步进电电机选择择435.1.1 计计算输出出轴的转转矩4335.1.2 确确定各轴轴传动比比455.1.3 传传动装置置的运动动和动力力参数4455.2齿齿轮设计计与计算算485.2.1 高高速级齿齿轮设计计与计算算485.2.2 低低速级齿齿轮设计计与计算算525.3 轴的设设计与计计算5555.3.1 输输入轴的的设计

12、与与计算5555.3.2 中中间轴的的设计与与计算5585.3.3 输输出轴的的设计与与计算6615.4 轴承的的校核6635.4.1 输输入轴上上轴承寿寿命计算算635.4.2 中中间轴上上轴承寿寿命计算算645.4.3 输输出轴上上轴承寿寿命计算算655.5 键的选选择和校校核6775.5.1 键键的选择择675.5.2 键键的校核核675.6机机身结构构的设计计685.6.1机身身箱体材材料的选选择6885.6.2 机机身的结结构设计计及制造造工艺6685.7 本章小小结6886基于ssoliidwoorkss的吸盘盘式机械械手的三三维设计计与装配配仿真6696.1基基于sooliddw

13、orrks三三维建模模的介绍绍696.1.1 主主要零件件的三维维实体模模型的创创建及装装配6996.2 基于ssoliidwoorkss运动学学仿真部部分的操操作步骤骤及仿真真结果7726.3 本章小小结74总结与展展望76致 谢谢77参考文献献78951 绪论1 绪绪论1.1 引言机器人，典型的机电一体化产品，多关节型机器人机械手是研究的一个热点领域。在机械、电子、信息理论、人工智能、生物学和计算机等领域中，得到了极大的应用和推广，它具有速度快，效率高，应用范围广等多特点，而且具有广阔的市场和发展空间。19599年，世世界上第第一台工工业机器器人的诞诞生，机机器人开开辟了新新的发展展时代。

14、多多关节机机器人科科学技术术的飞速速发展，研研究和应应用的发发展。世世界著名名的机器器人专家，加加藤一郎郎教授，在早稻田大学说：“一个机器人最大的特点，你有需要它的功能”无论是自动化道路脚下程度有多高，这都是复杂的动态系统。伟大的发明家托马斯爱迪生曾说过这样一句话：“机器人，对环境是有益的。”它有很好的适应性，它具有非常较高的环境要求。可以打开无限广阔的前景，有必要扩大机器人的应用领域。以下主要要是设计计机械手手的原因因和目的的：代替替了人类类劳动，解解放了人人的双手手，提高高了生产产率，而而且它们们是开发发的一种系系统，以以便它可可以在许许多结构构性和非非结构性性相配合合，更重要要的是，使使

15、用这些些功能，像人性化的服务，需要内在的人性化、系统化。在这方面的研究，可以扩大研究机器人的方向和研究机器人的市场，机器人，如智能机器人，可以起到人工智能和服务人类的重要作用。关节机器器人，世世界上没没有统一一的分类类，定义义是不一一样的。对对于近期期标准化化的联合合国国际际组织已已经通过过美国协协会的定定义为关关节机械械手的机机械人：多关节节机器人人，搬运运为主料料，转移移为目的，为为了各种种工作完完成，通通过改变变动作程程序，还还需要再再编程的的多功能能操作装装置。外外国定义义与我们们的关节节型机器器人有不不同的参参考定义义。多关节型型机器人人，独立立的主体体可以放放在任何何地方，动动作的

16、自自由度，程程序可以以灵活地地改变，高度自动化机器人。它可用于汽车喷漆、涂料、和货物搬运、码垛等方面。关节型机机器人的的臂与主主体，相相对于人人，可以以携带重重物，可可以有一一个较快快的移动动速度，有非常高的定位精度，它是自动的，可以执行各种操作，它可以是一个外部信号执行单元。多关节型型机器人人是在计计算机控控制下的的可编程程自动化化的机器。能能够提高高产品的的质量和和劳动生生产率，在生产过程，多关节机器人是自动化的，在通过改进，改善工作条件下，它是降低了劳动强度的有效手段。机器人诞生和发展，虽然只有30多年的历史，但是在一个国家经济领域中，机器人已经应用于民用工程中，显示了强大的生命力，未来

17、的发展不可估量，需要我们进一步努力，开创美好的未来。1.2 关节机机械手研研究概况况1.2.1 国国外研究究现状人类和动动物的运运动原理理的第一一个系统统研究使使迈布里里奇发明明了照相相机跟单单，即设设定的触触发相机机，并在在18777年他他成功地地验证了了他的假假定。后后来，使使用这种种方法的的相机是是用来研研究人体体运动DDemeeny。从从19330年到到19550年，苏苏联也伯伯恩斯坦坦也深入研究究，从人人类和动动物动力力机制的的角度看看，并提提出的理理论非常常形象化化的描述述人类和和动物的的运动机机制。真正研究究机构运运动的大大多是全面研究究，系统统于19960年年推出至至今，比比较

18、完整整的理论论体系的的形成，并并在一些些国家，如如日本，美美国和苏苏联已成成功开发发，可以是是静态或或动态的的多臂枢枢轴原型型得到发发展。在20世世纪600年代和和70年年代，武武装多搬搬运运动动控制理理论产生生三种类类型的控控制方法法这是非常常重要的的，这限限制了国国家控制制，控制制参考模模型和控控制算法法。这三三种控制制的方法法对所有有类型的的搬运机机械手都都是适用用的。国国家控制制是在119611年提出出的模型型的参考考，于19975年年由美国国法恩斯斯沃思南南斯拉夫夫托莫维维奇正式式提出，该该算法是是由著名名的南斯斯拉夫研研究所米米哈伊尔尔罗多搬搬运运动动学专家家鲍宾VVukoobra

19、atovvic博博士在19669 - 19972年年的教堂堂中提出出。这三三种类型型的控制制方法和和他们之之间的存存在内在在关系。有有限状态态控制实实质上是是一个控控制参考考模型，并并且该控控制算法法得到了了证实和和应用。在搜索步步态中，苏联联Besssonnov和和Umnnov定定义“最佳步步态”，Kuugusshevv和美国国Jarro-sshevvskiij定义义自由的的步伐。这这两种步步态不仅仅能适应应，而且且要适应应胳膊多多和腿多的机机器人。在在这些中中，对于于自由路路径的步步骤，有有他的的的条件和和规则。如如果地形形是非常常粗糙的的，所以以运动臂臂多搬运运，下一一步应放放在哪里里脚

20、不能能基于对对步骤序序列来加加以考虑虑，但应应通过步步骤以便便攀登者者去通过过一些优优化标准准来确定定哪个是是所谓的的自由速速度。稳定性研研究手臂臂动作的的多搬运运，美国国Hemmamii，该提提议的稳稳定性和和系统的的控制的的简化模模型作为为振荡器器，反转转（倒立立摆），它它可以被被解释为为在换能能器存在在的问题题中为了了向前运运动。此此外，为为了减少少考虑，HHemaami在在研究手手臂运动动的多搬搬运“减少型型”问题上进行了了复杂性性研究。此前我们们指出了了系统的的Vukkobrratoovicc还能进进行能量量分析，但但它的力力量是有有限的，搬运随随时间的的整个系系统的变变化，并并没有

21、太太多涉及及这个问问题。但但是在他他的研究究中，VVukoobraatovvic得得出一个个有用的的结论，即即平滑的的姿态，人型系统所消耗的功率就越少。随着社会的发展，需求的增加，和实际问题的待解决，国外相继研究出各种机器人，并且已经很好地应用于各个领域，得到了很好地发展。1.2.2 国国内研究究现状国内目前前机器人人起步较较晚，我我国自119800年以来来，在体体育领域域的多臂臂机器人人的共同同研究和和应用下下。 119866年，国国家启动动了“规划纲纲要”的研究究多动搬搬运臂，中中国的高高科技“8633”研究项项目中的的水平运运动臂产产生于119877年。目目前也在在积极研研发，中中国移动

22、动手臂的的研究和和开发主主要与高高校和科科研院所所合作。由于我国国机器人人产业还还很薄弱弱，机器器人研究究仍然任任重而道道远。我我国市场场上机器器人总共共拥有量量近万台台，仅占占全球总总量的00.566%，其其中完全全国产机机器人行行业集中中度仅为为占300%，其其余皆为为从日本本、美国国、瑞典典、德国国、意大大利等220多个个国家引引进。究究其原因因，很大大程度在在于自主主品牌不不够，发发展壮大大自主品品牌及其其自动化化成套装装备产业业成为当当务之急急，由于于机器人人是最典典型的机机电一体体化、数数字化装装备，技技术附加加值很高高，应用用范围很很广，作作为先进进装备制制造业的的支撑技技术和信

23、信息化社社会的新新兴产业业，将对对未来生生产和社社会发展展起着越越来越重重要的作作用。国国外专家家预测，机机器人产产业是继继汽车计算机机之后出出现的一一种新的的大型高高技术产产业。随随着我国国企业自自动化水水平的不不断提高高、人民民生活需需求水平平的提高高，机器器人市场场也会越越来越大大，这就就给机器器人研究究、开发发、生产产者带来来巨大商商机，目目前中科科院常州州中心常常州机械械电子工工程研究究所致力力于机器器人及智智能装备备技术的的开发。我国机器器人市场场竞争越越来越激激烈，中中国制造造业面临临着与国国际接轨轨、参与与国际分分工的巨巨大挑战战，加快快机器人人技术的的研究开开发与生生产是我我

24、们抓住住这个机机遇的机机会。目目前，国国际制造造业中心心正向中中国转移移，用信信息化带带动工业业化、用用高新技技术改造造传统产产业已成成为中国国制造工工业发展展的必由由之路。我国要大力发展制造业，必须科技创新，与时俱进，开创美好的未来，未来机器人的发展是不可估量的，具有非常好的广阔前景。这次研究究的吸盘盘式搬运运机械手手主要由由类似人人的手和和臂组成成，它可代代替人的的繁重劳劳动以实实现生产产的机械械化和自自动化，能能在有害害环境下下操作以以保护人人身安全全，因而而广泛应应用于机机械制造造、冶金金、电子子、轻工工和原子子能等部部门。1.3 关节机机械手的的总体结结构关节机械械手的组组成及各各部

25、分关关系概述述如图所所示：1.3 机械手手的组成成和相互互关系它主要由由机械系系统（执执行系统统，牵引引系统），探探测系统统和智能能控制系系统组成成。1.执行行系统：共用部分分的执行行系统部部门，机机械零件件最全面面的定义义，以必必要的各各种运动动，包括括手，手手腕，来来获得身身体。A.末端端执行用用于执行行，并且且配置的的零件直接接用于执执行动作作。B.手腕腕，手和和臂的连接，具具有安排排作为任任务或工工作的端端部的方方向的改改变。C.臂和和连接的的手匹配配，手腕腕支撑身身体时，执执行负荷荷管理块块，手的的空间位位置，臂臂操作空空间的变变化可以以满足多多个搬运运，基座座里电动动机可以以提供动

26、动力传输输。D：机身身，多铰铰接臂，支支撑辊，由由臂部件件支承，并并具有使使臂转动动，起重重或倾斜斜运动的的特性。2. 驱动系统统：液压压驱动、气气压驱动动、电气气驱动和和机械驱驱动，用用作机械械传动，3. 控制系统统：驱动动控制系系统，根根据该系系统的工工作，可可以把故故障报警警或错误误的信号号通过显显示器显显示出来来，并能能及时作作出反应应控制机机器正常常运行。4. 检测系统统：经由由各种传传感装置置，控制制运动检检测装置置，反馈馈给系统统，保证证运动无无误，实践证明明，该关关节机器器人可以以取代繁繁重的体体力劳动动，可以以显著减减轻劳动动强度，改改善劳动动条件，提提高劳动动生产率率和自动

27、动化水平平，也可可以提高高我们工工业化水水平，并并且符合合我们国国家“工业100.0”的政策策。1.4 主要内内容第1章 绪论 主要介介绍机械械手的相相关知识识和本课课题研究究的任务务和要求求.第2章 总体方方案设计计,介绍绍该机械械手各部部分的相相关知识识和总体体设计.第3章 机械手手各部分分设计的的介绍第4章 机械手手结构设设计第5章 机身合合理参数数的选择择第6章 基sooliddworrks进进行三维维模型设设计及运运动分析析与装配配仿真1.5 本章小小结介绍了国国内外机机器人的的发展史史，阐述述了关节节机器人人的总体体结构。随随时代进进步各国国展开研研究机器器人的浪浪潮，比比如德国国

28、工业44.0，我我国随后后也提出出了符合合我国国国情的“工业110.00”的政策策。2 总体方案设计2 总总体方案案设计2.1 机械手手工程概概述它是一个个技术集集成的学学科，涉涉及计算算机技术术和自动动化技术术等领域域，在机制，机机械，气气动，液液压技术术，检测测技术等等领域有有了发展展。手臂臂多搬运运运动的的设计，例例如系统统工程，应应作为一一个综合合的方法法来设计计系统，共同致力于系统的研发和创新。一个复杂杂机械系系统，可可结合多多个子系系统，它它是一个个不可分分割的整整体。系系统必须须具有以以下特征征：1.完整整的机械系系统由几几个子系系统并且且具有不不同的整整体性能能的特定定功能。2

29、.子系系统之间间要有机联联系，不不可独立立。3.每个个目标系系统必须须具有明明确的目目标和系系统的功功能，结结构，功功能，目目标和手手段，把把系统的的各个子子系统结结合起来来。4.系统统对环境境的适应应在某些些情况下下，我们们必须能能够适应应外部环环境中的的变化。所以，在在设计机机器人时时，不仅仅要注重重搬运机器器人系统统的整个个部件设设计，还还要考虑虑到单个个部件的的设计，要要把他们们紧密联联系起来来。2.2 工业机机械手总总体设计计方案论论述（一）确确定负载载目前，国国内工业业多用运运动搬运运臂，负负载能力力最小额额定负载载5N或或更小范范围，最最多的为为90000N。这次设计的机械手为5

30、公斤负荷。负载的大大小主要要取决于于运动的的作用力力和机械械接口上上多搬运运臂的运运动方向向。下臂臂应该包包括端部部执行器器，根据据相关参参数和计计算得出出，这是是一个小小负荷的的机械手手。（二）驱驱动系统统由于伺服服电机具具有良好好的控制制性能，具有灵活性好，体积小，效率高，适用于运动控制没有影响的精确控制小臂运动的机器人，因此，我采用了伺服电机。（三）传传动系统统臂传递机机构的机械运运动通常常使用齿齿轮，蜗蜗杆，滚滚珠丝杠杠，皮带带，链条条传动，行行星齿轮轮，齿轮轮和谐波波传动等等作为传传动载体体，由于于齿轮传传动具有有效率高高，准确确，结构构紧凑，工工作可靠靠，寿命命长等优优点，因因此选

31、用用齿轮传传动。（四）工工作范围围操作过程程中的工工业手臂臂动作的的工作范范围是与与工作空空间的大大小相关关，其每每个臂的的自由操操纵器公公共轴线线的长度度和所传传动轴的的相适应应。（五）运运动速度度每个铰接接机械臂臂的最大大行程，按按照循环环时间来来确定每每个操作作的时间间的，可可以进一一步确定定每个动动作的速速度，单单位为米米/秒（m/ ss）的，每每个运动动时间分分配考虑虑到许多因因素，如如每个操操作序列列之间的的周期的的总时间间长度。操操作时间间的分配也也必须考考虑惯性性的大小小以及驱动动控制，定定位和精精度要求求。2.3 机械手手机械传传动原理理该方案结结构设计计与分析析该关节机机械

32、手的的本体结结构组成成如图所所示：图2.11 关节节机械手手本体组组成1-底座座 2-大臂 33-小臂臂 4-手腕 5-吸盘 6-工件所描述的的为下列方方式的组组件和功功能:基本单位位：基座构件件包括底底座，齿齿轮传动动件，轴轴承，步步进马达达。基本本作用是是支持构构件，所所述支承承构件旋旋转臂，能够承受的工作负载，所述臂必须具有足够的强度，刚度和负荷能力。此外，该臂也需要一个足够大的安装基础，以确保在工作场所搬运机器人的稳定运行。搬运机器器人臂，通通常会导导致驱动动臂运动动（例如如，液压压，气动动或一个个马达）和和一个驱驱动源（例例如，燃燃料箱，燃燃料箱，齿齿轮齿条条机构，连连杆机构构，螺旋

33、旋机构或或凸轮机机构等各各种运动动臂组成成的组件件）。手臂分为为大臂和和小臂。组成如下：动臂、齿轮件，驱动电机。在臂构件中：臂，驱动轴，皮带等，固定到步进电动机的一端。腕部分：包含壳体，传动齿轮和轴，和所需机械接口。2.4 机械手手总体方方案设计计它是机器器人形结结构，并并调整圆圆柱形结结构，球球面坐标标的结构构，该多多接头结结构和它它们的相相应特征征中的每每一个一一致，如如下所述述。1.直角角坐标结结构 运动空间间直角坐坐标机器器人，它它是落实实到闭环环位置控控制的线线性运动动，由如如图2-1所示示，直角角坐标机机器人可可以达到到非常高高的位置置，实现现各有三三个其他他存在的的垂直的的直线运

34、运动精度度。然而而，直角角坐标机机器人相相对于其其他机器器人的结构，还还算比较较小的。因因此，为为了实现现恒定的的空间运运动，必必须调整整好其内内部架结结构。直角坐标标机器人人的工作作区是矩矩形空间间。直角角坐标机机器人主主要用于于组装和和搬运，直直角坐标标机器人人它具有有悬臂门门，起重重机等类型的的结构。2.圆柱柱坐标结结构如在图22-1（b）中，如图所示，调整直线运动并实现旋转运动。这种机器人的结构相对简单，并且能够在一般精度操作中使用。它的工作空间是圆柱形的空间。3.球坐坐标结构构如图2-1（cc）中，该该空间的的运动是是球形坐坐标机器器人的运动，实现两两个旋转转运动的的。这个个简单的的

35、机器人人结构，成成本低，精精度不高高。但他们的的工作空空间是球球形的空空间。4. 搬搬运型结结构如图2-1（dd）所示示，为了了实现一一个空间间移动搬搬运机器器人包括括三个旋旋转运动动。搬运运机器人人的运动动是灵活活，结构构紧凑，占占地面积积小的运运动方式式。这种种机械手手是广泛泛焊接，涂涂装，搬搬运，组组装，它它是在工工业中使使用。搬运型机机械手结结构，有有水平搬搬运型和和垂直搬搬运型两两种。(a) 直角坐坐标型(b) 圆柱坐坐标型 (c) 球坐坐标型 (d) 关节型型图2-22 四四种机械械手坐标标形式根据任务务书和具具体要求求，我选选择了关关节型（d）。机器人的的工作范范围是很很大的，并

36、并且运动动灵活，通通用性好好，结构构更紧凑凑，其特特征如下下：用途：物物料搬运运自由度数数目：66（腰部部回转、大大臂转动动、小臂臂转动、小小臂回转转、腕部部摆动、腕腕部回转转）坐标形式式：垂直直关节坐坐标型额定负荷荷质量（不不含末端端执行器器）：110kgg(155kg)最大工作作半径114500mm（15000）手臂最大大中心高高12000mmm（10000）本体自重重小于1160kkg（2000）表2-11各关节节回转范范围和最最大工作作转速最大工作作范围（ ）工作转速速r/miinrad/s/s腰部回转转关节1500（3000）101.05560大臂转动动关节1100（1550）101

37、.05560小臂转动动关节+1700，-1150（180）101.05560小臂回转转关节1800（3660）202.1120腕部摆动动关节1300（1220）202.1120腕部回转转关节3600303.1441802.5本本章小结结为了确定定解决方方案，提提出多种种方案并并验证后后，确定了了机器人人系统的的各个部部件，包括：机器人人机身、大臂、小臂、手腕、和和端部的的执行器器，并做了详详细的分分析和设设计。3 机械手大臂部结构设计3 机机械手大大臂部结构设计计3.1 大臂部部结构设设计的基基本要求求臂部件的的主要作作用是联联接着手手，带领领他们腾腾出运动动。我这这次设计计成一般般臂的基基本

38、要求求如下。1.手臂臂，要刚度好好，重量量轻2.在臂臂的速度度高时，也也有小的的惯性为了减小小转动惯惯量，必必须采取取以下措措施。（A）降降低臂的的重量通通过使用用铝等轻轻质高强强度材料料。（B）减减少手臂臂运动部部件的总总体尺寸寸（C）减减少转弯弯半径（D）驱驱动系统统中设有有缓冲装装置3.运动动的臂是是灵活的的。为了运动动平稳，运动臂部件之间的摩擦力尽可能减小。4.位置置精度要要高。为了减少少电机负负载的底底部接头头，减少少了臂的的重量，以以确保它它能够提提高机器器人手臂臂的动态态响应，一一方面，采用薄铝合金构件设计。二是采用砂型铸造设计，“最小厚度可以是”浇铸，取决于不同类型的尺寸和合金

39、铸件，具体见表3-1所示：表3-11 砂型型铸造铸铸件最小小壁厚（mmm）铸件尺寸寸铸钢灰铸铁球墨铸铁铁可锻铸铁铁铝合金铜合金200020005835463533.535200200050005000101124100812268466850005000152201011512220-它是简单单地砂铸铸造结构构设计，铸铸造结构构对应于于每个不不同的铸铸件应根根据各个个特性来来设计。在在这次设设计中，使使用铸铝铝外壳手手臂。具具体尺寸寸，请参参阅总装装图。3.2 大臂部部结构设设计大臂壳体体采用铸铸铝，方方形结构构，质量量轻，强强度大。3.3 大臂电电机及减减速器选选型假设小臂臂及腕部部绕第二二

40、搬运轴轴的重量量：，大臂速度度是100r/mmin ，则旋旋转开始始时的转转矩用以以下式表表达：式子里，TT - 旋转开开始时转转矩 J - 转转动惯量量 - 角加速速度使机械手手大臂从从到需要的的用时：则：(3.44)鉴于机器器人手臂臂的转动动惯量的的摩擦转转矩轴的的各个部部分，开开始转动动为起动转转矩，可可以假设设安全指指数为2，输输出的谐谐波减速速器最小小转矩为为：(3.55)设得谐波波减速器器：型号：（型扁平平式谐波波减速器器）额定输出出转矩：减速比：设谐波减减速器的的的传递递效率为为：，步步进电机机应输出出力矩为为：(3.66)设得反应应式步进进电机型号：静转矩：步距角：3.4 减速

41、器器参数的的计算刚轮、柔柔轮的材材料都是是锻钢，小小齿轮用用45的材质质，硬度2250HHBS。刚轮材料料为455钢（调调质），硬硬度2220HBBS。1.齿数数的确定定柔轮齿数数：刚轮齿数数： 已知知模数：，则柔轮分度度圆直径径：钢轮分度度圆直径径：柔轮齿圈圈处的厚厚度：重载时，为为了增大大柔轮的的刚性， 允许将将1计算值值增加220%，即柔轮筒体体壁厚：为了提高高柔轮的的刚度，取取 轮齿齿宽度：轮毂凸缘缘长度：取柔轮筒体体长度：轮齿过渡渡圆角半半径：为了减少少应力集集中，以以提高柔柔轮抗疲疲劳能力力，取2.啮合合参数的的计算由于采用用压力角角的渐开开线齿廓廓，传动动的啮合合参数请请看以下下

42、式子。因齿轮扭扭矩的因因素，使使齿轮间间隙减小小的值为为： （扭转转弹性模模数G=80GGPa）式子里，：W0mm=0.89810-55Zr2CCnmaaxmm为了消除除在的情情况下进进入啮合合的齿顶顶干涉，则则必须使使最大侧侧隙大于于齿轮扭扭转减小小的侧隙隙，还应应保证存存在有侧侧隙值。 式子里里，：径向变形形系数：则： 径向变形形系数：柔轮的变变位系数数：刚轮的变变位系数数：验算相对对啮入深深度：如果计算算找出的的，继续续计算，设设得2。如如果出现现，为了了传递动动力，应应适当增增加值重重新计算算，使。柔轮齿根根圆直径径：式子里，齿齿顶高系系数;径径向间隙隙系数柔轮齿顶顶圆直径径：式子里，

43、（找找到相应应表格设设出）相对啮入入深度和和轮齿过过渡曲线线深度系系数之和和应符合合两个不不等式验验算公式式。即：刚轮齿顶顶圆直径径：刚轮齿根根圆直径径： 设出插插齿刀齿齿数，插插齿刀变变位系数数，插齿齿刀原始始齿形压压力角，则则刚轮和插插齿刀的的制造啮啮合角：找到渐开开线函数数表和三三角函数数的表格格设出那么刚轮轮和插齿齿刀的制制造中心心距：插齿刀的的齿顶圆圆直径：刚轮齿根根圆直径径：验算刚轮轮齿根圆圆和柔轮轮齿顶圆圆的径向向间隙：即：可见沿波波发生器器长轴,在刚轮轮齿根圆圆与柔轮轮齿顶圆圆之间存存在径向向间隙。 3.凸轮轮波发生生器及其其薄壁轴轴承的计计算滚珠直径径：柔轮齿圈圈处的内内径：

44、那么：轴承外环环厚度：由于工工艺上的的要求，可可将外环环做成无无滚道的的轴承内环环厚度：内环滚道道深度：式子里的的是考虑虑到外环环无滚道道而内环环滚道加加深量。轴承内外外环宽度度：所用用为滚珠珠轴承，近近似等于于齿宽轴承外环环外径：轴承内环环内径：为了便于于制造，采采用双偏偏心凸轮轮波发生生器。则凸轮圆圆弧半径径：式子里，是偏心心距：（-刚轮分分度圆直直径，-柔柔轮分度度圆直径径）则凸轮圆圆弧半径径：凸轮短半半轴：3.5承承载能力力的计算算3.5.1 柔柔轮齿面面的接触触强度的的计算按照柔轮轮直线的的谐波传传动齿轮轮和刚性性轮的特特性。因因此，通通过工作作表面齿齿侧的最最大接触触应力，主主要的

45、负负载能力力的实际际谐波驱驱动的限限制软。因因此，谐谐波传动动齿轮齿齿的软边边，应符符合下列列条件的的接触强强度：接触强度度计算公公式：-输输出转矩矩-柔柔轮节圆圆半径-柔柔轮轮齿齿宽-刚刚轮压力力角-接触系系数（00.40.99）对于一般般双波传传动，轮轮齿宽许许用接触触应力则： 所以满满足齿面面的接触触强度要要求。3.5.2 柔柔轮疲劳劳强度的的计算柔轮材料料采用 调制硬硬度22292269。计算柔轮轮在反复复弹性变变形状态态下工作作时所产产生的交交变应力力幅和平平均应力力为截面处正正应力：切应力：由扭矩产产生的剪剪切应力力：其中：则：验算安全全系数：疲劳极限限应力：应力安全全系数：其中，抗抗拉屈服服极限： 剪剪切应力力集中系系数：则满足疲疲劳强度度条件。轴的计算算校核画轴的受受力分析析图，轴轴的受力力分析图图如图所所示：图3-11轴的受受力分析析图已知：作作用在刚刚轮上的的圆周力径向力轴向力1) 算出垂直直面的支支撑反力