机械手腕部设计(含CAD图纸).doc

1绪论

机器人是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造中

的一个重要组成部分。机器人显著地提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械

化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场

合，应用得更为广泛。因而受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以

研究和应用。

机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除了具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。它可以灵活运用在工业上的各个方面，如喷漆、焊接、搬运等。第二类是需要人工操作的，称为机械机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球

等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机器人，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外称为“ Mechanical Hand " ，它是为主机服务的，由主机驱动 ; 除少数外，工作程序一般是固定的，采用机械编程。因此是专用的。

本课题通过对通用机器人 smart6.50R 的结构进行分析和研究，完成对其腕部的设计，并借助 CAD/CAE软件完成从建模到运动学分析、应力分析的全过程。最

终期望腕部与小臂、手部、大臂能够协调工作，能够完成各种现代工业加工过程

中所要求的动作。

本课题的设计思路是：借助已有的通用机器人的腕部设计思想和方法，综合考虑腕部机构在机器人运动中所起的作用和机器人的整体技术参数以及结构特

点，然后选择合理的机构，确定传动线路，然后对机构进行分析，计算主要参数，并对部分零件进行设计、组装，综合评价腕部系统。

1.1 机器人组成

机器人主要由驱动装置、控制系统和执行机构三大部分组成。

1.1.1驱动装置

工业机器人的驱动装置包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成一体。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。驱动器通常有电机 ( 直流伺服电机，步进电机，交流伺服电机 ) ，液动和气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。

1.1.2控制系统

控制系统一般由控制计算机和驱动装置伺服控制器组成。后者控制各关节的驱动器，使各杆按一定的速度，加速度和位置要求进行运动。前者则是要根据作业要求完成偏差，并发出指令控制各伺服驱动装置使各杆件协调工作，同时还要完成环境状况，周边设备 ( 如电焊机，工卡具等 ) 之间的信息传递和协调工作。

1.1.3执行机构

执行机构由腰部、基座、手部、腕部和臂部等运动部件组成。

1)腰部腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再

加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它

的制造误差，运动精度和平稳性，对机器人的定位精度有决定性影响。

2)基座基座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种。该部件

必须具有足够的刚度和稳定性。

3)手部手部它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不同，

手部有夹持式和吸附式等形式。

夹持式手部是由手指和传力机构所组成。

手指是直接与物件接触的机构。常用的手指运动形式有回转型和平移型。

吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。

对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔

状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁

产生。

4)腕部腕部与手部相连，通常有 3 个自由度，多为轮系结构，主要功用是带动手部完成预订的姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。

5)臂部臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆 ( 小臂和大臂 ) 组成，用以带动腕部作平面运动。

1.2 机器人分类

1.2.1按用途分类

1.专用机器人

专用机器人是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程

序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。

2.通用机器人

通用机器人是在专用机器人的基础上发展起来的。它能对不同的物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用计算机控制系统。

1.2.2按控制形式分类

1.点位控制型机器人

点位控制型机器人的运动轨迹是空间二个点之间的联接。控制点数愈多，性能愈好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机器人是点位控制型。

2.连续轨迹控制型机器人

这种机器人的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作，工作性能完善，但控制部分比较复杂.

1.2.3按驱动方式分类

1.液压机器人 : 输出力大，传动平稳。

2.气压机器人 : 气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。但工作不太平稳，冲击大。

3.电动式机器人 : 电力驱动是目前机器人使用的最多的一种驱动方式，其特

点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测，传递，处理方便，可以采用多

种灵活的控制方案。

4.机械式机器人 : 工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定

不可变。

1.3 腕部结构选型

手腕是操作机的小臂 ( 上臂 ) 和末端执行器 ( 手爪 ) 之间的连接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末

端行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。对一般商用机器人，末杆 ( 即与末端执行器相联结的杆) 都有独立的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境地。对于任一杆件的姿态 ( 即方向 ) ，可用两个方位确定。如图 1.1 所示

图 1.1末杆姿态示意图

1．大臂2.小臂 3.末杆(L)

在图 1.1 中，末杆 L 的图示姿态可以看作是由处于 x1 方向的原始位置先绕 z1 在 x1 o1 y1 平面内转α、β角，然后在 a o1 与 z1 组成的垂直平面内再向上转β

角得到的。可见是由α、β两角决定了末杆（ L）的方向 ( 姿态 ) 。从理论上讲，

如果 0°≤ α≤ 360°，0°≤β≤360°，则 L 在空间可取任意方向。如果 L 的自

转角γ也满足 0°≤γ≤360°，我们就说该操作机具有最大的灵活度，即可自任意方向抓取物体并可把抓取的物体在空间摆成任意姿态。为了定量的说明操作机抓取

和摆放物体的灵活度，我们定义组合灵活度 (dex) 为:

dex=α/360 ° +β /360 ° +γ /360 ° =xx%+xx%+xx%