关节型机器人结构设计及仿真分析

机电学院毕业设计指导书
课题名称关节型机器人结构设计及仿真分析教学系、部、室机械设计系
专业
机械设计制造及其自动化
指导教师
一、毕业设计题目
题目名称：关节型机器人结构设计及仿真分析
机器人技术是近40多年来迅速发展起来的一门综合性学科，它综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。

机器人的研究、制造和应用，正受到许多国家的广泛重视，是一个国家科技水平和经济实力的象征。

它能够替代人类不知疲倦地完成枯燥繁重的劳动，降低工人的劳动强度，提高劳动生产率。

它的环境适应能力强，能够在水下、太空、真空、辐射以及剧毒等任何危险环境中工作，使人类的生命安全和健康得到保障。

随着研究的深入，人们不断发现机器人技术的潜力，对它的应用已经逐步渗透到了人们生产和生活的各个领域中。

目前工业生产中应用最广泛的机器人是工业机器人，亦称作工业机械手。

各种不同功能的机械手操作系统其机械、电气和控制结构一般也各不相同，但大多数完整的机械手系统都有4个主要部分：1.机械本体机构2.传感系统3.控制系统4.驱动源。

机械本体机构通常是由手臂、手腕和末端执行器组成。

它们主要是由一系列旋转关节或移动关节相连接的多个机械连杆的集合体，从而形成开式运动链的结构。

一端装在固定的基座上，另一端在手腕上安装手爪、各种夹持机构或专用工具来完成各种工作。

机械手在执行一项任务时，由它的机械结构实现其运动机能，完成规定作业，因此机械结构的布局、类型、传动方法和驱动方式将直接影响机械手的总体性能。

传感系统是将有关机械部件的各种工作状态信息传递给机器人的控制系统，控制系统通过这些信息确定机械部件各部分的正确运行轨迹、速度、位置和外部环境，使机械部件的各部分按预定程序在规定的时间开始和结束动作。

驱动源是使各种机械部件产生运动的装置，主要包括气动、液压和电动三种形式。

他们可直接与臂、腕或手部的机械连杆或关节联接在一起，也可采用齿轮、带、链条等间接传动装置。

本课题研究设计的机器人既可用于教学和科研，也可用于某些工业生产实践。

研究成果可以为该型机器人的进一步轨迹规划和控制研究提供必要的参考数据，经改进后也可以应用于类人机器人的上肢体结构设计中。

因此，本课题的研究成果具有广泛的实际意义和应用前景。

在确定机器人各部分的外形尺寸时，首先从人类手臂结构角度考虑，采用近似人体手臂的比例确定出手臂的初始尺寸。

基于此设计思想，结合机械原理与机械设计理论构建机器人主体装配图，如图1-1所示。

各关节回转运动都采用步进电机与谐波齿轮减速装置间接传动方式实现，机械系统主要构件包括基座、基座顶盖、腰部、大臂、小臂、
各关节主轴、轴用弹簧挡圈、微型轴键、轴承、轴承端盖、步进电机、谐波减速器等。

图1-1机器人主整体装配图
二、设计参数
其中从基座底部到肩关节轴线高度为395mm，肩关节轴线到肘关节轴线长度为
180mm，肘关节轴线到小臂端面距离为200mm，到俯仰腕关节轴线距离为227mm。

三、设计要求
1、功能性的要求
基座是整个机械手的基础,对全部运动件起支承作用，底面固定在基础上,转筒上安装大臂机构。

工作时转筒转动，实现工件转位。

要求转位灵活，定位准确，工作协调。

2、适应性的要求
机器人手爪能够到达工作空间的任意位置，动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉小，结构紧凑，占地面积小，同时要结构简单，容易控制。

它具有五个自由度，腰部可实现回转，大臂、小臂可以作俯仰运动，手腕可作旋转和俯仰运动，手爪自由度属于局部自由度，不考虑在内。

3、可靠性的要求
可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。

工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。

4、寿命的要求
产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。

设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。

因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。

5、经济的要求
机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。

机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。

将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。

6、人机工程学的要求
人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。

本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。

7、安全保护和自动报警的要求
按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。

在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。

四、设计步骤及工作量
(一) 设计步骤
1、明确设计任务，收集分析资料
认真阅读设计任务书，明确设计任务，查找收集有关资料，进行认真分析研究，了解机器人的结构和工作原理。

2、总体方案设计
参考有关资料，进行方案设计。

机器人总体结构设计的主要内容有：确定基本参数，选择运动方式，手臂配置形式，位置检测，驱动和控制方式等。

3、技术设计
根据总体方案的结构形式，进行机器人的结构、运动形式的选择、机械系统设计、机身和臂部设计、手部机构的设计、驱动系统方案设计等。

4、图纸设计
根据总体设计方案和技术设计的结果，进行图纸设计，按国家制图标准完成图纸设计。

5、Pro/E实体造型设计
根据设计要求和技术设计的结果，应用Pro/E实体设计技术，对机械手进行实体造型设计。

6、建立机器人的Pro/E装配模型，将模型导入ADAMS中，对模型进行动态性能仿真研究，分析讨论仿真结果和系统设计合理性。

7、编制技术文件
按规定要求，编制设计计算说明书，准备毕业答辩。

（二）设计工作量
1、结构设计、绘图，按学院要求，工程绘图量一般不少于折合成图幅为A0号的图纸3张。

机械装配图1张，三维实体模型图不少于3张，零件图数量根据设计结果确定，为培养工程素质，要加大绘图量。

2、编制毕业设计说明书，毕业设计说明书正文字数不少于2万字（大约40页以上），查阅相关参考文献10篇以上，翻译与课题有关的英文资料2万个印刷字符以上，约5000个汉字。

五、参考设计方案
1、底座设计方案
根据机械手动作要求，结合已学知识，列出底座动作要求的各种方案，进行对比分析，主要考虑：技术可行，结构布局合理，工艺合理性，经济性好。

作为参考，列出液压驱动方案、电机驱动方案、电机直接驱动方案和电机驱动外啮合齿轮方案。

（一）液压驱动方案
1、传动原理
液压底座采用直线油缸驱动底座动齿圈，带动底座外筒体作旋转运动。

外筒体通过法兰与大臂相连接，并带动大臂转动；齿条油缸固定在机座地基上，通过计算确定的标准油缸型号确定安装方式。

外筒体为旋转件，通过轴承支承在内筒体上。

内筒体安装于基座地基上。

2、液压系统的设计计算
液压控制系统设计要满足液压底座动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足底座回转运动动力要求和运动时间要求，具体设计计算参考《液压传动与控制》相关教材。

3、方案结构设计
方案结构说明：
底座的结构形式采用圆筒状结构，分为内、外筒体两部分。

（1）、内筒体为固定支撑件，固定在地基上，并通过轴承支承外筒体；根据上述计算的结果，对内筒体进行结构设计。

（2）、外筒体为旋转件，通过轴承支承在内筒体上；根据上述计算的结果，对外筒体进行结构设计。

（3）、确定内外筒体的支承方式，选择轴承型号；
（4）、外筒体上安装有驱动齿圈，齿圈与外筒体刚性连接；
（5）、外筒体旋转由齿条油缸与齿圈啮合带动外筒体转动。

外筒体通过法兰与大臂相连接，并拖动大臂转动；
（6）、齿条油缸固定在机座地基上，通过计算确定油缸的直径及行程、安装方式，选择标准油缸型号。

（二）电机驱动动齿圈方案
1、传动原理
采用带减速器的电机驱动底座动齿圈，带动底座外筒体作旋转运动。

外筒体通过法兰与大臂连接，并带动大臂转动；电机固定在机座地基上。

外筒体为旋转件，通过轴承支承在内筒体上。

内筒体安装于基座地基上。

2、传动计算与电机的选择
根据工作要求计算总传动比，计算公式如式（1-1）：
60
25.0⨯=n i 总 （1-1） 1
2z z i i ⨯=电机总 （1-2） 式中n 为电机转速，r/min ；i 总为总传动比；i 电机为电机自带减速器的传动比，Z 2为动齿圈齿数，Z 1为电机齿轮齿数。

驱动电机可选用普通交流电机、力矩电机、步进电机等。

3、方案结构设计
方案结构说明：
底座的结构形式采用圆筒状结构，分为内、外筒体两部分。

（1）、内筒体为固定支撑件，固定在地基上，并通过轴承支承外筒体；根据上述计算的结果，对内筒体进行结构设计。

（2）、外筒体为旋转件，通过轴承支承在内筒体上；根据上述计算的结果，对外筒体进行结构设计。

（3）、确定内外筒体的支承方式，选择轴承型号；
（4）、外筒体上安装有驱动齿圈，齿圈与外筒体刚性连接；
（5）、外筒体旋转由电机齿轮与齿圈啮合带动外筒体转动。

外筒体通过法兰与大臂连接，并带动大臂转动；
（6）、电机固定在机座地基上，电机的中心高度、输出轴形式等要与外筒齿圈协调。

电机运行有惯性，要考虑有效的制动措施，保证定位准确。

可采用电气制动或机械制动，无论采用何种制动方式，必须设计有定位挡块，确保定位准确。

（三）电机直接驱动方案
如图1－2所示，步进电机安装在基座内部，电机输出轴经谐波减速器一级减速后直接带动第一轴输出，实现腰部回转运动。

（四）电机驱动外啮合齿轮方案
图1-2 腰部回转方案图1-3 腰部回转方案如图1－3所示，电机安装在基座外部，电机输出轴首先经谐波减速器一级减速，级减速，然后经一对齿轮传动二级减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部实现回转运动。

2、机械系统设计
机器人机械系统设计主要包括确定机器人驱动方式、关节驱动方式、材料选择、零部件设计几个方面。

2.1机器人驱动方式
机器人驱动方式有电动、液压和气动三种。

一台机器人可以只用一种驱动方式，也可以采用几种方式联合驱动。

选择时主要考虑负载、效率、精度和环境等因素。

大负载通常选用液压驱动，气动系统应用于负载小且精度要求不高的场合，常用于点位控制、抓取、弹性握持和真空吸附。

电动系统适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。

2.2关节驱动方式
关节的驱动方式有直接驱动和间接驱动两种方式，直接驱动机器人也叫作DD机器人(Direct drive robot)，简称DDR。

DD机器人一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接，其特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。

DD机器人与间接驱动机器人相比，有传动精度高、结构刚度好、可靠性高等优点，但大部分机器人关节采用间接驱动。

机器人手臂采用悬臂梁结构，在关节上安装驱动器必定使手臂根部关节驱动器的负荷显著增大，可能导致步进电机的输出力矩大大小于驱动关节所需要的力矩，所以需要选择合适的减速传动装置，将电机轴的转速调整到合适的范围，同时还能获得较大的驱动力矩。

2.3材料的选择
选择机器人本体材料，首先要满足机器人的性能、设计和制作要求。

机器人常用材料有以下几种：
○1碳素结构钢和合金结构钢：这类材料强度好，特别是合金结构钢强度增大了4～5
倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。

○2铝、铝合金及其他轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E／ρ之比仍可与钢材相比。

○3纤维增强合金：纤维增强金属材料具有非常高的E／ρ比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。

○4陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。

○5纤维增强复合材料：这类材料具有极好的E／ρ比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀，以及与金属件连接困难等问题。

这类材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大的优点。

在高速机器人上应用较多。

○6粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。

目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料，对原构件进行约束层阻尼处理。

选择机器人材料时，要综合考虑材料的抗振性、强度、刚度、重量、弹性、外观、价格以及机器人的整体性能等因素。

从设计思想出发，在综合分析机器人的特性和各部分作用的基础上，确定所用材料的特性。

从材料角度看，材料的可控性、结构性、轻质性和可加工性非常重要。

2.4 手部机构的设计
2.4.1手部机构分类
工业机器人的手部机构是机械手直接与工件、工具等接触的部件，通常需要多个驱动器和传感器，它能执行人手的部分功能。

手部机构的动作形式有回转式和移动式（或直进式）两种。

其中回转式为基本形式，它结构简单、制造容易、应用广泛。

而移动式手部机构结构相对比较复杂、庞大等，应用较少。

但移动式手部机构抓取工件时，工件直径的变化对定位精度一般无影响，故宜于工件直径有较大变化时使用。

目前，工业生产中存在多种不同的作业环境，被抓取工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状况的不同，单一的手爪形式不能满足生产要求，手部机构的形式也多种多样，大部分的手部机构都需要根据特定要求而专门设计。

常见的手部机构形式有夹持和吸附形式。

夹持形式包括内撑式和外夹式，二者区别在于夹持工件的部位不同，手爪的动作方向相反。

2.4.2手爪的工作原理
机器人采用二指平动型夹持手爪，它是目前使用最广泛的一种夹持型手爪形式，既可以用手指的内侧面夹持物体的外部，也可以将手指伸入到物体的孔内后，张开手指，用外侧面卡住物体。

平动型夹持手爪在夹紧和松开物体时，手指由平行四杆机构传动，在平动过程中保持姿态不变，当被夹持物体的大小变化时，夹持中心也随之变化，这时须调整手爪的位置才能保持物体的位置不变。

手爪机构设计原理如图1-4所示，电机带动左端丝杠使之向左移动时，其他的杆件运动方向如图所示，此时手爪是处于张开的过程。

反之，当电机带动左端丝杠向右移动时，其他杆件的运动方向与下图相反，实现手爪的张开和闭合运动。

当电机带动左端丝杠向右移动时，手指闭合。

通过作图法可以确定手指运动后停留的具体位置。

图中大写字母表示初始位置，小写字母表示运动后的位置。

由于手爪末端的三角形手指可看作是与连杆AE焊接为一体的刚体，当连杆AE的位置确定后，三角形手指的位置也就确定了，所以图中未画出。

BD杆可看作机架（实际上是手腕部分，手爪在抓取物体前，大臂、小臂与手腕已经到达指定位置而固定不动固定不动），当F移动至f时,以f为圆心，FC为半径作圆弧，交以b为圆心，BC为半径的圆弧于点c。

以c为圆心，CA为半径作圆弧，交以b为圆心，BA为半径的圆弧于点a,从而点e也可以确定。

aedbcfh为移动后手爪的姿态。

图1-4手爪结构示意图
2.4.3手部机构设计时的注意事项
○1钳爪应具有一定的开闭范围。

钳爪为了抓取和松开工件，必须具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，范围太小，将限制手部的通用性，甚至使手部不能完成正常的抓放工作。

○2钳爪应具有适当的夹紧力。

机器人的手部机构靠钳爪夹紧工件后移动位置，由于工件自重以及移动过程中产生的惯性力和振动等，钳爪必须具有足够大的夹紧力，才能防止工件在移动过程中脱落。

一般取G
，G是被抓物体的重量。

2(
N）
3
~
○3保证工件的定位精度。

工件在手指内的定位精度直接影响到工业机器人系统的精度，因此在设计时应当着重考虑。

○4结构紧凑重量轻且满足强度和刚度要求。

手部处于腕和臂部的最前端，运动状态多变，其结构、重量及动力负荷将直接影响到腕和臂的结构。

因此，在设计手部时，必
须力求结构紧凑、重量轻和效率高。

○
5具有一定的通用性和可换性。

2.4.4手爪的设计方案
机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。

硬抓取是指手爪利用最大夹紧力抓取工件，这种方式没有安装传感器，容易对工件表面造成破坏，所以原则上这类工件是不会被夹坏刚体。

软抓取是指利用传感器和反馈使手爪的夹紧力保持在能稳定抓取工件的最小值，并且手爪与工件的接触表面有一层柔性材料，从根本上避免了工件表面的破坏。

采用软抓取方式，手爪内表面安装有性能较为稳定的滑觉传感器。

滑觉传感器（slip sensor ）是一种外部传感器，有滚动式和球式，还有一种通过振动检测滑觉的传感器。

目标在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触，把滑动变成转动。

此种传感器具有手爪在抓取未知属性的物体时自动确定最佳握紧力给定值的功能。

基本原理是在手爪握紧力不足时，自动检测目标和手爪的相对滑动同时输出检测信号，收到该信号后，手爪在不损害物体的前提下，逐渐增大握紧力，直到目标停止滑动，信号消失，握紧力不再变化。

滑觉传感器可实现简单的识别功能，对被抓目标进行表面粗糙度和硬度的判断。

滑觉传感器按被测物体滑动方向可分为三类：无方向性、单方向性和全方向性传感器。

其中无方向性传感器只能检测是否产生滑动，无法判别方向；单方向性传感器只能检测单一方向的滑移；全方向性传感器可检测各个方向的滑动情况。

本文所讨论的机械手爪在抓取方向上没有单一性，选择球式全方向性传感器。

手部机构的动作形式有回转式和移动式，回转型手爪由于其结构简单，在满足工件定位精度要求的条件下，可尽量采用这种结构。

常见的典型结构有：楔块杠杆式回转型手爪、滑槽杠杆式回转型手爪、连杠杠杆式回转型手爪、齿轮齿条平行连杠式平移型手爪和左右旋丝杠平移型手爪。

本次毕业设计中，可采用以下三种方案：
方案（一）楔块杠杆式回转型手爪
抓紧动作：当驱动力推动楔块4前运动时，由于杠杆6的作用，使两手指产生
抓紧动作，由手爪的几何关系求出其夹持力。

放松动作：由弹簧7完成，当驱动力去掉后，楔块4向上移，由弹簧的弹力使
杠杆产生放松动作，从而松开工件。

装在杠杆上的滚子与楔块之间为滚动接触，摩擦力较小，活动灵活，夹紧力F N
和驱动力F P 之间的关系为；
α
sin 2b c F F P N = （1-3）
式中各字母的含义：
c ：滚子至销轴之间的距离；b ：爪至销轴之间的距离；
α：楔块的倾斜角。

由于结构原因，手爪松开的距离不会很大，所以只适用于工件尺寸变化不大的
范围，由于楔块的倾斜角不易太小，太小则夹持范围过小，太大则夹持力变小，故夹紧力不是很大。

但该种结构简单，适用于轻载场合。

方案（二）连杆杠杆式回转型手爪
夹紧和松开动作：当驱动器驱动杆4移动时，由杆4、连杆2、抓和夹持器体3组成四杆机构，使手指完成夹紧和松开动作，
此结构的夹紧方式产生较大的夹紧力，缺点是手抓的张开角小。

夹紧力F N 和驱动力F P 之间的关系为；
α
tan 2b c F F P N = （1-4） 式中各字母的含义：
c ：杠杆上两销轴之间的距离；b ：杠杆上固定销轴至爪间的距离；
α：连杆与夹具体之间的夹角。

方案（三）平动型夹持手爪
2.4.5 手爪夹紧力的分析与计算
如图1-5所示，当电机驱动丝杠向右移动时，手爪开始闭合。

当丝杠产生的驱动力
为P 时，上连杆FC 对于丝杠的作用力为P 1，下连杆产生作用力为P 2，且满足P 1=P 2。

其方向沿连杆两铰链的连线，与竖直方向成α角，根据丝杠的力平衡条件∑=0F 列方程得
αsin 21P P = （1-5）
解得 αsin 221P P P == （1-6） 连杆FC 对三角形支架ABC 的作用力为'1P ，因此连杆为二力杆，所以'1P 与1P 大小相等，方向相反，即1'1P P =。

假设工件对钳爪的反作用力为'N （与夹紧力N 大小相同，方向如图所示），'N 对B 点取矩力臂长为b ，'1P 对B 点取矩力臂长为h ，BC 杆长为c 对B 点列力矩平衡方程0=∑B M 得
b N h P ''1=
'1'P b
h N = 由图易知 αcos c h = N N ='
联合上述力平衡方程可解得手爪夹紧力：P b
c N 2= αctg 。

（1-7） 显然，如果手爪尺寸c 、b 和驱动力一定时，夹紧力N 与α角的余切值成正比。

当α角较小时，可获得较大的夹紧力。

当︒=0α时，使手爪闭合到最小位置，若夹紧力还不能夹紧工件，此时丝杠再向左移动时，手爪会向相反方向松开。

为了避免这种情况的发生，不同形状和尺寸的工件需更换不同尺寸的手爪。

如果工件允许有少量的尺寸变化是，还可以考虑更换调整垫片，调到当手爪夹紧工件时，夹角α总是大于零便满足要求。

否则，需采取其它形式另行设计手爪。

图1-5 手爪受力分析
2.5腕部结构的设计
机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。

它被安装在前臂杆的末端，用于调整末端执行器在工作空间的方向，是机器人不可缺少的重要部件。

它的结。