六自由度机械手重载搬运机器人本体结构设计(全套cad图纸)大学毕设论文

全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305
XX学院
毕业设计说明书(论文)
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题目: 重载搬运机器人本体结构设计【六自由
度机械手】
2015 年5月
全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305
毕业设计说明书（论文）中文摘要
机械手是一种典型的机电一体化产品，搬运机械手是机械手研究领域的热点。

研究搬运机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。

本文对一种使用在搬运机械手的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。

要求对机械手模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。

其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。

关键词：结构设计，机器臂，关节型机械手，结构分析
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目录
1 绪论 (1)
1.1 引言 (2)
1.2 搬运机械手研究概况 (3)
1.2.1 国外研究现状 (3)
1.2.2 国内研究现状 (4)
1.4 搬运机械手的总体结构 (5)
1.5 主要内容 (5)
2 总体方案设计 (6)
2.1 机械手工程概述 (6)
2.2 工业机械手总体设计方案论述 (7)
2.3 机械手机械传动原理 (8)
2.4 机械手总体方案设计 (8)
2.5 本章小结 (10)
3 机械手大臂结构设计 (1)
3.1 大臂部结构设计的基本要求 (1)
3.2 大臂部结构设计 (2)
3.3 大臂电机及减速器选型 (2)
3.4 减速器参数的计算 (3)
3.5承载能力的计算 (7)
3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算 (7)
3.5.2 柔轮疲劳强度的计算 (7)
3.6 轴的计算校核 (8)
3.7 大臂的平衡设计 (11)
3.7.1 弹簧的受力分析 (11)
3.7.2 弹簧的设计计算 (14)
4机械手小臂结构设计 (18)
4.1 腕部设计 (18)
4.2 小臂部结构设计 (31)
4.3 小臂电机及减速器选型 (31)
4.3.1.传动结构形式的选择 (32)
4.3.2.几何参数的计算 (32)
4.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算 (33)
4.4.1柔轮齿面的接触强度的计算 (34)
4.4.2柔轮疲劳强度的计算 (35)
4.5 轴结构尺寸设计 (36)
4.6 轴的受力分析及计算 (36)
4.7 轴承的寿命校核 (37)
5机械手机身结构设计.......................................................................... 错误!未定义书签。

5.1 步进电机选择 (40)
5.2 齿轮设计与计算 (45)
5.3 轴的设计与计算 (52)
5.4 轴承的校核 (60)
5.5 键的选择和校核 (63)
5.6 机身结构的设计 (64)
6 控制系统硬件设计 (65)
6.1 控制系统模式的选择 (65)
6.2 控制系统的搭建 (65)
7 控制系统软件设计 (69)
7.1 预期的功能 (69)
7.2 实现方法 (69)
总结与展望 (73)
致谢 (74)
参考文献 (75)
1 绪论
1.1 引言
机械手是一种典型的机电一体化产品，搬运机械手是机械手研究领域的热点。

研究搬运机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。

机械手是搬运机械手的一种。

1959年，世界上诞生了第一台工业机械手，开创了机械手发展的新纪元。

随着科学技术的发展，搬运机械手的研究与应用迅猛发展。

世界著名机械手专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机械手应当具有的最大特征之一是功能”。

其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。

伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话：“上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作”。

系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。

功能的具备为扩大机械手的应用领域开辟了无限广阔的前景。

研究机械手的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。

系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机械手的研究方向；机械手可以作为一种智能机械手在人工智能中发挥重要的作用。

，搬运机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。

最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给搬运机械手下的定义：搬运机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。

参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对搬运机械手作如下定义：搬运机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。

是可进行自动喷漆或关节其他涂料的工业机械手。

搬运机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。

搬运机械手是在计算机控制下可编程的自动机器。

采用搬运机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。

机械手的诞生和发展虽只有30多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力[1-2]。

1.2 搬运机械手研究概况
1.2.1 国外研究现状
最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。

后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的运动。

从本世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究，并就运动作了非常形象化的描述。

真正全面、系统地开展机械手的研究是始于本世纪60年代．迄今，不仅形成了机械手一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机械手样机。

这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年这一时期，在机械手领域所取得的最重要进展。

在60年代和70年代，对机械手控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。

这3种控制方法对各种类型的机械手都是适用的。

有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗·鲍宾研究所著名的机械手学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的。

这3种控制方法之间有一定的内在联系。

有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况[1]。

在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaro- shevskij定义了自由步态。

这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机械手。

其中，自由步态是相对于规则步态而言的。

如果地面非常粗糙不平，那么机械手在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。

在机械手的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。

此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就机械手的“降阶模型”问题进行了研究。

前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗
的功率就越少。

1.2.2 国内研究现状
国内机械手的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始机械手领域的研究和应用的。

1986年，我国开展了“七五”机械手攻关计划，1987年，我国的“863”高技术计划将机械手方面的研究开发列入其中。

目前我国从事机械手研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。

最初我国进行机械手技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机械手技术，随后取得了一定的成就。

哈尔滨工业大学自1986年开始研究机械手，先研制成功静态双足机械手HIT-I，高110cm，重70kg，有10个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅45cm，步速为10秒/步，后来又相继研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高103cm，有12个自由度，实现了步长24cm，步速2.3步每秒的。

目前正在研制的HI下IV机械手，全身可有52个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型机械手[3～7]。

国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足机械手KDW-1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为40cm，步速为4步每秒，1989年又研制出空间型KDW-II，有10个自由度，高69cm，重13kg实现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。

1990年在KDW-II的平台上增加两个垂直关节，发展成KDW-III，有12个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。

1995年实现动态，步速0.8步每秒，步长为20cm～22cm，最大斜坡角度达13度。

2000年底在KDW-III的基础上研制成功我国首台仿人形机械手“先行者”，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期达每秒两步，高1.4m，重20kg，有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能[8～13]。

此外，清华大学正在研制仿人形机械手THBIP-I，高1.7m，重130kg，32个自由度，在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。

南京航空航天大学曾研制了一台8自由度空间型机械手，实现静态功能[13,14]。

本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机械手。

目前，机械手大多以轮子的形式实现功能阶段。

真正模仿人类用腿走路的机械手还不多，虽有一些六足、四足机械手涌现，但是机械手还是凤毛麟角。

我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类的机械手。

其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。

1.4 搬运机械手的总体结构
搬运机械手的组成及各部分关系概述：
它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。

(1) 执行系统：执行系统是搬运机械手完成关节工件，实现各种运动所必需
的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。

(a) 末端执行器：机械手为了进行作业而配置的操作机构，直接喷漆工件。

(b) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变末端执行器的工作方位。

(c) 臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，将各种载荷传递到机座。

(d) 机身：机械手的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。

(2) 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。

常用的有
机械传动、机电传动、气压传动和电传动。

(3) 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。

(4) 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。

实践证明，搬运机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。

工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。

此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途[4-8]。

1.5 主要内容
第1章绪论主要介绍机械手的相关知识和本课题研究的任务和要求.
第2章总体方案设计,介绍该机械手各部分的相关知识和总体设计.
第3章机械手各部分设计的介绍
第4章机械手结构设计
2 总体方案设计
2.1 机械手工程概述
机械手工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。

人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为“系统工程学”。

以机械手设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从机械手的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。

从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。

如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。

因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性：
（1）整体性由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。

（2）相关性系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。

（3）目的性每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。

（4）环境适应性任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。

因此，在进行机械手设计时，不仅要重视组成机械手系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据机械手的功能要求，将组成机械手系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的机械手产品。

在比较复杂的工业机械手系统中大致包括如下:操作机，它是完成机械手工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。

驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。

控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人——机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备［14］。

工业机械手的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业机械手能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。

在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、
控制装置和工业机械手等一起形成了各种不同形式地工业机械手技术综合体地工业机械手系统。

在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用机械手系统亦是如此。

2.2 工业机械手总体设计方案论述
（一）确定负载
目前，国内外使用的工业机械手中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9000N。

负载大小的确定主要是考虑沿机械手各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。

其中应包括机械手末端执行器的重量、关节工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。

由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。

（二）驱动方式
由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机械手等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动
（三）传动系统设计
机械手传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机械手的运动和位置控制精度。

在机械手中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。

（四）工作范围
工业机械手的工作范围是根据工业机械手作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。

工作空间的形状和尺寸则影响机械手的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择
（五）运动速度
机械手操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用m/s或（°）/s表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。

应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。

2.3 机械手机械传动原理
该方案结构设计与分析
该搬运机械手的本体结构组成如图
搬运机械手本体组成
各部件组成和功能描述如下：
底座部件：
底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进电机等。

机座作用是支撑部件，支承和转动大臂部件,承受搬运机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。

另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证搬运机械手工作时的稳定运行。

搬运机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。

大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。

小臂部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。

手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。

2.4 机械手总体方案设计
工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。

各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下[3]。

(1) 直角坐标机械手结构
直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)由
于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（μm级）。

但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的。

因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。

直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。

直角坐标机械手主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

(2) 圆柱坐标机械手结构
圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。

这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。

其工作空间是一个圆柱状的空间。

(3) 球坐标机械手结构
球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1(c)。

这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高。

主要应用于搬运作业。

其工作空间是一个类球形的空间。

(4) 关节型机械手结构
关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。

关节型机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小。

相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。

此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手。

关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

(a) 直角坐标型(b) 圆柱坐标型(c) 球坐标型(d) 关节型
图2-1 四种机械手坐标形式
根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。

具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达5KG，同时考虑到数控机床
布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。

该机械手手臂运动范围大,且有较高的定位准确度,要求设计的机械手为六个自由度，其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。

在本论文中，要求设计大小臂结构，所以，需要对实现大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度的机构进行详细设计。

机械手的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，结构较紧凑，能抓取靠近机座的物体。

协作单位根据其用途和特点提出如下技术参数
原始数据：(1) 每一次搬运啤酒11箱、每箱12瓶，搬运重量达150Kg。

(2) 搬运动作的时间周期为：10～12秒/次。

(3) 码垛层数：5层。

技术要求：(1) 所设计的搬运机器人本体结构能够满足一次搬运重量大、动作周期短、高效、快捷，以及通用性、灵活性等性能要求，同时满足结构工艺性、经济性等方面的要求。

(2) 装配图、零件图的绘制应严格按照机械制图国家标准进行，尺寸、公差、形位公差、技术要求等标注应合理、规范。

(3) 在机器人手臂末端便于实现与各种夹持器的配合联接。

(4) 论文书写要求叙述清楚、符合规范，外文翻译正确。

2.5 本章小结
本章主要完成对机械手系统设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了机械手的总体设计方案后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。

3 机械手大臂结构设计
3.1 大臂部结构设计的基本要求
臂部部件是搬运机械手的主要部件。

它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。

臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。

如果改变手部的姿态(方位)关节，则臂部自由度加以实现。

因此，一般来说臂部设计基本要求:
（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻
臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。

很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工
字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。

所以，搬运机械手常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢（如图4.1和4.2所示）或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。

（2)臂部运动速度要高，惯性要小
在一般情况下，手臂的要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。

为减少转动惯量，应采取以下措施:
(a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料;
(b) 减少手臂运动件的轮廓尺寸
(c) 减少回转半径
(d) 驱动系统中设有缓冲装置
(3)手臂动作应灵活。

为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。

(4)位置精度要高。

一般来说，直角和圆柱坐标系搬运机械手位置精度高;关节式搬运机械手的位置最难控制，故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。

本文采用铝合金材料设计成薄壁件，一方面保证机械臂的刚度，另一方面可减小机械臂的重量，减小基座关节电机的载荷，并且提高了机械臂的动态响应。

砂型铸造铸件最小壁厚的设计。

最小壁厚：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同，主要取决于合金的种类和铸件的大小，见表4.1所示：。