三自由度机械手腕的设计

目录

摘要 ..................................................................................................................... １Abstract ........................................................................................... 错误!未定义书签。1绪论 .. (2)

1.1工业机器人简介 (2)

1.2 工业机器手简介 (2)

2工业机器人手腕的总体设计 (3)

2.1机器人手腕总体设计概述 (3)

2.2腕部的结构特点 (5)

2.2.1 概述 (5)

2.2.2单自由度手腕 (5)

2.2.3二自由度手腕 (6)

2.2.4三自由度手腕 (6)

2.2.5柔顺手腕结构 (7)

2.3 腕部的驱动机构 (8)

2.4设计要求 (9)

3 机器人手腕的机械系统设计 (10)

3.1三个自由度的实现 (10)

3.2传动机构的设计 (12)

3.3手腕内部其他结构的设计 (13)

4三维造型的绘制 (15)

4.1 造型软件简介 (15)

4.2典型零件的绘制 (18)

结论 (44)

摘要

在工业上，机器人有着广泛的应用，尤其是在高温，高压，粉尘，噪音，以及带有放射性和污染的场合。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位。本设计为三自由度工业机器人手腕，可以在两个方向上旋转在一个方向上弯转。三维造型采用的造型软件为Pro/ENGINEER, Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0以其易学易用、功能强大和互连互通的特点，推动了整个产品开发机构中个人效率和过程效率的提高。它既能节省时间和成本，又能提高产品质量。本文是对整个设计工作和造型过程较全面的介绍和总结。

关键词：三自由度，机器人手腕，工业机器人

1绪论

1.1工业机器人简介

工业机械手（以下简称机械手）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生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分的代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温，高压，粉尘，噪音，以及带有放射性和污染的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。

1.2 工业机器手简介

机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手。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。第二类是需要人工操作的，称为操作机。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械手来进行探测月球等。工业中采用的铸造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，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。这种机械手在国外称为‘Mechanical Hand’，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数外，工程程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人手腕是机械手的一部分。手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，为使机器人末端执行器能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R （Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个，2个，或比3个更多。手腕自由度的选用与机器人的通用性，加工工艺性，工件放置方位和定位精度等有关。

2工业机器人手腕的总体设计

2.1机器人手腕总体设计概述

手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，为使机器人末端执行器能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y （Yaw）。根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个，2个，或比3个更多。手腕自由度的选用与机器人的通用性，加工工艺性，工件放置方位和定位精度等有关。

（a）腕部坐标系（b）手腕的俯仰

（c）手腕的偏转（d）手腕的回转

图1 腕部的坐标系

确定末端执行器的作业方法，一般需要3个自由度，由3个回转关节组合而成，组合的方式有多种多样。常用的如图1所示，腕关节配置一般由臂转、腕摆、手转三部分组成。

（1）臂转绕小臂轴线方向的旋转称为臂转。

（2）腕摆使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。

（3）手转使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称为手转。

图2（a）所示的腕部关节配置为臂转、腕摆、手转结构，图2（b）所示的为臂转、双腕摆、手转结构。

英文关键词的每一个字母均小

写，每个关键词之间用半角逗号分

图2 腕部的偏转轴线

手腕的设计除应满足起动和传递过程中所需的输出力矩外，还要求满足以下要求：

（1）由于腕部处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求腕部结构紧凑、减少重量和体积。腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安置在手臂的后端。

（2）手腕部件的自由度越多，各关节的运动范围越大，动作灵活性越高，但会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。因此不应盲目增加手腕的自由度。通用的机器人手腕多配置3个自由度，某些专用工业机器人的手腕，根据实际需要，可减少其自由度。

（3）为提高腕部动作的精确性，应提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。

（4）对手腕各回转关节轴上要设置限位开关，以防止关节超限造成事故。