垂直多关节机器人臂部和手部设计

目 录

1 前言 .................................................................................................................................. 1

1.1课题来源 ....................................................................................................................... 1

1.2 技术要求及预期效果 .................................................................................................. 1

1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路 .............................................................. 1

1.4 国内外研究现状及发展状况 ...................................................................................... 1

1.4.1 研究现状 .................................................................................................................... 1

1.4.2 发展趋势 .................................................................................................................... 2

2 总体方案设计 .................................................................................................................. 4

2.1 机械结构类型的确定 .................................................................................................. 4

2.2 传动方案的确定 .......................................................................................................... 4

2.3 工作空间的确定 .......................................................................................................... 5

2.4 手腕结构的确定 .......................................................................................................... 5

2.5 驱动装置的选择 .......................................................................................................... 6

2.5.1 机器人驱动方案的分析和选择 ................................................................................ 6

2.5.2 手腕电机的选择 ........................................................................................................ 7

2.5.3 传动比的确定及分配 ................................................................................................ 8

3 齿轮的设计 ...................................................................................................................... 9

3.1齿轮强度的设计与校核 ............................................................................................... 9

3.1.1第一级圆柱齿轮传动设计 ......................................................................................... 9

3.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计 ...................................................................................... 12

4 轴的设计 ........................................................................................ 错误！未定义书签。

4.1 转腕传动轴的选择 .................................................................... 错误！未定义书签。

4.2 摆腕传动轴的设计 .................................................................... 错误！未定义书签。

4.2.1 圆柱齿轮轴的设计 .................................................................. 错误！未定义书签。

4.2.2 轴的强度校核 .......................................................................... 错误！未定义书签。

4.2.3 圆锥齿轮轴的设计 .................................................................. 错误！未定义书签。

4.2.4 手腕连接轴的设计 .................................................................. 错误！未定义书签。

4.2.5 大臂小臂连接轴的设计 .......................................................... 错误！未定义书签。

5 轴承的设计 .................................................................................... 错误！未定义书签。

5.1 轴承的选择 ................................................................................ 错误！未定义书签。

5.2轴承的寿命计算 ......................................................................... 错误！未定义书签。

6 其它零部件的选用 ........................................................................................................ 25

6.1 键连接的选用 ............................................................................................................ 25

6.2 壳体的设计 ................................................................................................................ 25

6.3 机器人手臂材料的选择 ............................................................................................ 25

6.4 机器人臂部连接件的选用 ........................................................................................ 25

7 关节型机器人的位姿分析 ............................................................................................ 27

8结论 ................................................................................................................................. 31

参 考 文 献 ...................................................................................................................... 32

致 谢 ............................................................................................................................ 33

附 录 ............................................................................................................................ 34

1 前言

1.1课题来源

本课题设计的是垂直多关节型机器人臂部与手部的设计，主要是臂部和腕部的

结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际，是针对目前手工电弧焊接效率低，

操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用机器人技术，可以实现

焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程的自动化

和改善劳动条件。

1.2 技术要求及预期效果

根据设计要达到以下要求：

a . 最大搬运重量：5kg ；

b . 最大工作范围：850mm ；

c . 标准周期：0.59sec ；

d . 重复定位精度：±0. 1mm ；

e . 生产纲领：大批大量。

此次设计的垂直多关节机器人可以实现大臂小臂的旋转, 手腕的旋转与摆动以及

手爪的自动抓取与放松工件运动。此装置应用在焊接生产线上将大大提高生产效率

和加工质量，降低了工人的劳动强度，能够带来可观的经济效益。

1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路

本课题要解决的问题有以下三个：

a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部的结构紧凑，减少重量

和体积；

b. 提高手腕动作的精确性；

c. 三个自由度的实现。

针对上述问题有了以下设计思路：

a. 对于分离传动采用传动轴。

b. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将2个驱动器安置在小臂的后端。

c. 驱动电机1经联轴器与传动轴来驱动小臂壳体的回转运动。驱动电机2经传

动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动来带动手腕作偏摆运动。

d. 手部的驱动电机安装在手腕内部，以此来减轻手部的重量，让手爪能够作灵活

的运动，此传动装置采用螺旋传动来带动手爪的抓取与放松工件运动。

1.4 国内外研究现状及发展状况

1.4.1 研究现状[]

自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，1

机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各

种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开

发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控

制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，

从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。

工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、

多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机

器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手

臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使

焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节

愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学

的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直

角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人

逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往

不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动

的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。

一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制

要求，其中3个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(ABC)

用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。

进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界

各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。 我国是一个

制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民

经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的

制造业基地之一。

然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是

在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等

方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成

套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约

我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。 1.4.2 发展趋势[]

工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第2

二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为

龙头拉动工业机器人技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面：

A ．机械结构

a. 以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占

总量的l ／3(目前世界工业机器人总数约为750000台) ，90年代初开发的适用于窄小

空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。

b. 应3K(炼钢、炼铁、铸锻) 行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机

器人应运而生。如焊接数十米长、l0吨以上大构件的弧焊机器人群；采取蚂蚁啃骨

头的协作机构。

c. 己普遍采用CAD 、CAE 等技术用于设计、仿真与制造中。

B. 控制技术

a. 大多数采用32位CPU ，控制轴多达27轴，NC 技术和离线编程技术大量采

用。

b. 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐

步实现多智能体的协调控制。

c. 基于PC 的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成

为一股潮流。

C. 驱动技术

上世纪.80年代发展起来的AC 伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人

中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号机器人产品，其中采用AC

伺服驱动的有156种，占93.4％。直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。新一代

的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本FANUC 公司开发

并用于工业机器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。

D. 智能化的传感器多有应用

在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3％，不少机器人装有

两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口。

E. 高速、高精度、多功能化

目前所知最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s;高精度机器人的位置重复

性为正负0.01mm. 有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种

并联机构的NC 机器人，其位置重复性达l um 。90年代末的机器人一般都具有两、

三种功能。最近瑞典Neos 公司开发出一种高精度、高可靠性的可切割、钻孔、铣削、

磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家著名汽车厂和飞机公司。

F. 集成化与系统化

1998年ABB 公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有0.4s ，控制器包

括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。

FANUC 公司2000年9月宣称它的控制器为世界最小。

工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机

及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体) 。跨国大集团的垄断和全球化

的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟

制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。

2 总体方案设计

2.1 机械结构类型的确定

为实现总体机构在空间位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据

本课题的要求现可以将其设计成关节型机器人。关节型又称回转坐标型，这种机器

人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和

大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回

转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点是工作空间范围大，动作灵

活，通用性强、能抓取近距离的物体，工艺操作精度高。

2.2 传动方案的确定

图2-1是机器人小臂与腕部机械传动系统的简图。机械传动系统共有4个齿轮，

为了实现在同一平面改变传递方向90°, 有2个齿轮为圆锥齿轮, 有利于简化系统运

动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构, 则必然以空间交叉方式变向, 就不利

于简化系统运动方程式的结构形式。其中有2个齿轮为直齿圆柱齿轮，用于减速。

小臂的结构形式是由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶接而

成。关节4电机安装在小臂后面用于带动传动轴与齿轮的旋转来实现手腕的摆动；

关节5电机也安装在小臂后面，其后紧跟传动轴用于实现手腕的旋转；关节6电机

安装在手腕里，用螺旋传动来实现手爪的夹紧与放松运动，当电机正转时给杠杆施

加一个向上的力来实现放松工件运动，相反，电机反转来实现夹紧工件运动。

图2-1小臂腕部传动原理图

2.3 工作空间的确定

工作空间是机器人学中一个重要的研究领域。但在实际应用中，可以简化这一

问题，把工作空间看作是机器人操作机正常运行时，手腕参考点（如定位机构的轴

线正交，取交点为参考点）在空间的活动范围，或者说该点可达位置在空间所占有

的体积。根据关节型机器人的结构确定工作空间，工作空间是指机器人正常工作运

行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。

图2-2 机器人的工作空间位置图

2.4 手腕结构的确定[] 3

手腕是操作机的小臂（上臂）和末端执行器（手爪）之间的联接部件。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

执行器的姿态。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

末端执行器相联接的杆）都有独立驱动的自转功能，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取任意姿态，即达到完全灵活的境地。对于

任一杆件的姿态（即方向），可用两个方位角确定，如图2-3所示。

图2-3末杆姿态示意图

１-大臂 ２-小臂 ３-末杆

在图2-3中末杆Ln 的图示姿态可以看作是由处于X o 方向的原始位置先绕Z o 在

X o O o Y o 平面内转α角，然后再向上转β角得到的。可见是由αβ两角决定了末杆的

方向（姿态）。从理论上讲，如果00≤α≤3600，00≤β≤3600则末杆在空间取任意

方向。如果末杆的自转角γ（即θn ）也满足00≤γ≤3600，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程度，定义组合灵度（dex) 为：

dex =

α3600+β3600+γ3600=XX %+XX %+XX % (2-1)

上式取加的形式但一般不进行加法运算，因为分开更能表示机构的特点。 腕结构最重要的评价指标就是dex 值。若为三个百分之百，该手腕就是最灵活

的手腕。一般说来α、β的最大值取3600，而γ值可取的更大一些，如果拧螺钉，

最好γ无上限。

腕结构是操作机中最为复杂的结构，而且因传动系统互相干扰，更增加了腕结

构的设计难度。腕部的结构设计要求是：重量轻，dex 的组合值必须满足工作要求并

留有一定的裕量（约5%-10%），传动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。

2.5 驱动装置的选择

2.5.1 机器人驱动方案的分析和选择[] 4

通常的机器人驱动方式有以下三种：

a. 电动驱动

电动驱动器是目前使用最广泛的驱动器。它的能源简单，速度变化范围大，效

率高，但它们多与减速装置相连，直接驱动比较困难。

电动驱动器又分为直流（DC ）、交流（AC ）伺服电机驱动。后者多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。

b. 液压驱动器

液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄露，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。

c. 气动驱动器

气动驱动器的能源，结构都比较简单，但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小（因压力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统 。

通过比较以上三种驱动方式，因此本课题的机器人将采用电动驱动器中的直流伺服电动机与步进电动机。因为直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。而交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。

2.5.2 手腕电机的选择[5]

a. 摆腕电机的选择

手腕的最大负荷重量m 1=5kg 初估腕部的重量m 2=3kg ，最大运动速度V=2m/s，则

功率P =FV =mgV =8⨯10⨯2=160W ;

取安全系数为1.2，P ' =1.2P =1.2⨯160=192W ;

考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率p 额＝200W ;

又因为标准周期T=0.59sec，即n =60÷0. 59=100r /min ；

则所需电机的输入转速为n =100⨯i =100⨯10=1000r /min ；

所以选取宽调速永磁直流伺服电动机其技术参数见表2-1。

该电机具有精度高，响应快，调速范围宽，加速度大，力矩波动小，线性度好，过载能力强等特点。

b. 转腕及腕部内电机的选择

根据设计要求转腕部分的电机后紧跟输出轴和联轴器，直接带动手腕旋转，故在此应选择转速较低的型号电机，又由于要求手腕的重量较轻，便于灵活的实现运动，因此要求腕部内电机较小，故选SH 直流伺服电动机型，其安装尺寸为42mm ，

电机重量仅为0.35Kg ，可容许速度范围为0 —250r/min，详细参数见表2-2。

电枢电阻：Rs=0.5×(Un/In-Pn/In) ×103，求得：Pn=13.8W。

取P=15W, T=9550P/n。

求得n=9550⨯15⨯10-3/1. 2=119.4 r/min 。

2.5.3 传动比的确定及分配

a. 传动比的确定

由电动机的转速可知所需的总传动比为i=10。

b. 传动比的分配

传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合理。因此摆腕传动比分配为：摆腕总的传动比i 总＝10，该传动为两级传动，第一级传动为圆柱齿轮传动，传动比i 1＝2，第二级传动为圆锥齿轮传动，传动比i 2=5。

3 齿轮的设计

3.1齿轮强度的设计与校核[6]

3.1.1第一级圆柱齿轮传动设计

齿轮材料采用45号钢，锻造毛坯，小齿轮调质处理，表面硬度为210HBS ；大齿轮正火处理后齿面硬度为180HBS ，因载荷平稳，齿轮速度不高，初选齿轮精度等级为7级。取z 1=20, 则z 2=2⨯20=40。

a. 设计准则

先按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。

b. 按齿面接触疲劳强度设计

齿面接触疲劳强度条件的设计表达式

2

d 3 Z E ⎫KT 1u +1

1t =2. 32⨯

⎝[σH ]⎪⎪⎭φd u

式中，K t -载荷系数, 取K t =1. 3；

φd -齿宽系数，取φd =0. 8，u =2；

Z E -材料系数，取Z E =189. 8MP a 。

小齿轮传递扭矩 P

T 1=9. 55⨯106

n =9. 55⨯106⨯0. 2/1500=1240N ∙mm

大小齿轮的接触疲劳强度极根应力为：

σH lim 1=580MPa ；σH lim 2=560MPa

选择材料的接触疲劳极根应力为：

σF lim 1=230MPa ；σF lim 2=210MPa

应力循环次数N 由下列公式计算可得

N 1=60n 1jl h

=60⨯1500⨯300⨯8⨯16

=3. 45⨯109

则 N N 143. 45⨯109

2=u =2=1. 73⨯109

接触疲劳寿命系数K H N 1=1. 1, K H N 2=1. 02；

(3-1) （3-3） (3-2)

弯曲疲劳寿命系数Y N 1=Y N 2=1 ；

接触疲劳安全系数S H min =1，弯曲疲劳安全系数S F min =1. 5。

许用接触应力和许用弯曲应力：

σ580[σH 1]=H 1lim Z N 1=⨯1.1=638MPa S H min 1

[σH 2]=

[σF 1]=

[σF 2]=σH 2lim S H min S F min Z N 2=560⨯1.02=592MPa 1σF 1lim Y ST 1230⨯2Y N 1=⨯1MPa =307MPa 1.5Y N 2=210⨯2⨯1MPa =280MPa 1.5 σF 2lim Y ST 2

S F min

将有关值代入（3-1）得：

d 1t =2.32

=2.32 =42mm

π⨯42⨯1500πd 1t n 1计算圆周速度:v 1===3. 3m /s 60⨯100060⨯1000计算载荷系数:动载荷系数Kv=1.0；使用系数K A =1；动载荷分布不均匀系数K β=1. 02；齿间载荷分配系数Ka =1，则K H =K A KvK βKa =1. 01⨯1. 0⨯1. 02⨯1. 0=1. 03 。

修正d 1=d 1t K H 1. 03=41. 3⨯=38mm ； K t 1. 3

m =d 138=mm =1. 9mm ； z 120

取标准模数m =2mm 。

c. 计算基本尺寸

d 1=m z 1=2⨯20=40m m

d 2=m z 2=2⨯40=80m m

40+80a =m ==60m m 22

b =φd d 1=0. 8⨯40=32m m (z 1+z 2)

取 b 1=32mm b 2=22mm

d. 校核齿根弯曲疲劳强度

齿形系数Y FS 1=4. 1，Y FS 2=3. 8，取Y ε=0. 7，校核两齿轮的弯曲强度

σF 1=

=2KT 1φd z 1m 23 Y FS 1Y ε （3-4）2⨯1. 03⨯1592⨯4. 1⨯0. 7MPa 0. 8⨯202⨯23

=3.7MPa

σF 2=σF 1⨯Y FS 23. 8=3. 7⨯MPa =3. 43MPa ≤[σF 2] Y FS 14. 1

所以齿轮完全达到要求。由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，将小齿轮做成齿轮轴。圆柱齿轮的几何参数见表3-1。

3.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计

齿轮材料采用45号钢，小齿轮调质处理表面硬度为210HBS ；大齿轮正火处理后齿面硬度为180HBS ，齿轮精度等级为7级。取z 1=20, 则z 2=5⨯20=100。。。。

a. 设计准则

按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。

b. 按齿面接触疲劳强度设计

齿面接触疲劳强度的设计表达式

2

d Z H Z E ⎫⎪4KT

⎪1

1t = ⎝[σH ]⎭0. 85φ(1-0. 5φR ) 2u (3-5)

R