毕业设计论文(4)

图 2-1 几种多自由度机器人手臂构形

手腕的构形也有多种形式。三自由度的手腕通常有以下四种形式： BBR 型、BRR 型、RBR 型和RRR 型四种三自由度手腕构形。

如图2-2 所示

B 表示弯曲结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程

中相互间角度有变化。R 表示转动结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。BBR 结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加了，BRR、RBR 前者相比结构紧凑。

旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节 易于密封防尘。这里使用了六个旋转关节，综合各种手臂和手腕构形， 最后确定其结构形式如图2-3。

图 2-3 该型机器人构形

前三个关节决定了末端执行器在空间的位置，后三关节决定了末端 执行器在空间的姿态。 b 方案描述

该机器人固定在自动引导车（ AGV）上。这种AGV 可以实现水平方向两个自由度的运动，导航方式有多种，如磁导航、激光导航、程序自动轨迹控制等方式，因此，该机器人有运动自由灵活的特点。 机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动 装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、 手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。

机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使

用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。确定这种机器人的6个关节都采用步进电机驱动开环控制。由于大臂俯仰和小臂俯仰运动的力矩很大，分别为 150Nm 和27Nm左右，如果使用电机直接驱动的话，要求电机的输出扭矩很大，因此考虑在大臂关节和小臂关节处使用减速器。常用的减速器有行星减速器和谐波减速器等。谐波减速器具有传动比大、承载能力强、传动平稳、体积小、重量轻的优点，已广泛应用在现代机器人中。因此在大臂和小臂关节处使用了谐波减速器，减速比分别为1:100 和1:50，使用的步进电机输出扭矩分别为3.7Nm和1.0 N m 。 在现代机器人结构中广泛使用着各种机器人轴承，常用的有环形轴 承和交叉滚子轴承。这几种机器人专用轴承具有结构简单紧凑，精度高、刚度大，承载能力强（可承受径向力、轴向力、倾覆力矩）和安装方便等优点。但考虑到这些轴承价格昂贵，而使用普通的球轴承或滚子轴承也能满足结构的需要，所以在该机器人的结构中仍然全部采用球轴承。在电机的布置上，考虑尽量将电机放置在相应的操作臂的前端，这样可以减小扭矩，同时也可以起到重力平衡的作用，但同时尽量避免过长的传动链，以简化结构，减少诱导运动。

参考同类机器人的运动参数，结合工作情况的需要，定出该型机器 人的运动参数如下：

关节 1（ T ）： 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min) 关节 2（ W ）： 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min) 关节 3（ U ）： 60 o/s (1.047 rad/s) (10 r/min) 关节 4（ C ）： 120 o/s (2.094 rad/s) (20 r/min) 关节 5（ B ）： 120 o/s (2.094 rad/s) (20 r/min) 关节 6（ S ）： 180 o/s (3.142 rad/s) (30 r/min) 最大加速度：2 m/s2 各关节转动范围：

关节 1（ T ）： -360 o ～ +360 o 关节 2（ W ）： - 90 o ～ + 90 o 关节 3（ U ）： -60 o ～ +210 o 关节 4（ C ）： -360 o ～ +360 o 关节 5（ B ）： - 90 o ～ + 90 o 关节 6（ S ）： -360 o ～ +360 o

2.4 方案结构设计与分析

该机器人的本体各部件组成和功能描述如下：

(1) 底座部件：底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在自动引导车（AGV）上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。

(2) 腰部回转部件：腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电机、制动器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部

回转运动。在腰部支架上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。 (3) 大臂部件：包括大臂和传动部件。

(4) 小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小 臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机。 (5) 手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等 (6) 末端执行器：为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为0～100mm。考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制，设计了两种手爪：两种手爪都采用电机驱动，平行开合机构。

方案 1： 采用了左右旋螺杆，同一根螺杆一端为左旋螺纹，另一端为螺距相同的右旋螺纹，当螺杆转动时，两只螺母带动左右两个手指同时开合，燕尾导轨定向。

方案 2： 的运动机构采用平行四连杆机构。方案2 比方案1 重量轻， 被夹持物到手腕的高度尺寸大，刚度略差。使用了蜗轮蜗杆机构起到减速和增大扭矩的作用。两种手爪使用同样的与手腕连接的机械接口。

2.5 本章小结

本章从搬运机器人的实用方面入手，提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取圆柱坐标系为本次设计坐标系。同时，就搬运机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部和机座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。最后，给出了设计中所需的技术参数。

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