7自由度工業(yè)機器人腕部R、B、T關節(jié)結構設計及靜力學分析

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7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析I摘 要隨著人們對機器人研究的逐漸深入以及多自由度機器人本身所固有的優(yōu)勢,其在高速自動化的現(xiàn)代化工業(yè)領域得到了越來越廣泛的應用。隨著自由度的增加，系統(tǒng)的靈活性也是相應的增加，功能也是會相應增加。本文詳細分析了 7 自由度機器人的發(fā)展狀況，并分析了一種 7 自由度機器人的腕部關節(jié)，確立機器人為 R 腕部扭轉、B 腕部俯仰、T 腕部回轉的關節(jié)結構，通過計算各關節(jié)所需電機的功率、轉矩、減速器的減速比和同步帶的要求并進行選型計算，同時利用 UG NX6.0 繪制機器人的 R、B、T 關節(jié)三維模型，并生成二維工程圖，最后基于 ANSYS 對該機構進行了靜力學分析，仿真結果表明可以滿足應力要求。該機器人能進行較為復雜的工作，并可以極大拓展機器手在各個領域上的應用，具有廣泛的實際意義和應用前景，所設計的 7 自由度工業(yè)機器人為后續(xù)的機器人研究提供了參考依據，并可以做進一步的研發(fā)。關鍵詞：7 自由度，工業(yè)機器人，靜力學分析 7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析IIAbstractWith the gradual research and the inherent advantages, robots have been widely used more and more in high-speed automation modern industry. With the increased freedom, the flexibility and the function of the system are also increased correspond.This article describes the seven degrees of freedom robot development and the analysis of a 7 DOF robot's wrist joint, establishes the robot to reverse R, B wrist pitch, T wrist rotation of the joint structures. This article calculates the joint motor power, torque, reduces ratio reducer and timing belt. This article draws robot R, B, T joint three-dimensional model by UG NX6.0, generates two dimensional drawings, and finally the body was based on ANSYS static analysis. Simulation results show that to meet the stress requirements. The robot can carry out more complex work, and can greatly expand the robot in various fields of application, with a wide range of practical significance and application prospects, the design of the 7 degrees of freedom industrial robot provides a reference basis to follow-up study of a robot, and can do further research and development.Keywords: 7 degrees of freedom, Industrial robots, mechanical analysis7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析III目 錄摘要 IVABSTRACT V目錄 VI第一章 緒論 11.1 七自由度機器人綜述 11.1.1 工業(yè)機器人的發(fā)展 11.1.2 工業(yè)機器人腕關節(jié)的發(fā)展 21.1.3 國內外工業(yè)機器人的應用現(xiàn)狀 41.1.4 工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢 51.2 課題來源及選題意義 71.3 本文的主要研究內容 8第二章 七自由度機器人腕部 R、B、T 關節(jié)總體方案設計 92.1 MOTOMAN-VA1400 機器人的特點 .92.2 機器人腕部的設計特點 .102.3 機器人腕關節(jié)技術要求 .102.4 腕部設計結構方案分析 .102.5 腕部關節(jié)驅動方式設計 .112.6 腕部關節(jié)傳動結構設計 .112.7 本章小結 .12第三章 腕部 R、B、T 關節(jié)電機，減速器和同步帶的選擇 133.1 R、B、T 關節(jié)選型計算 .133.1.1 R 關節(jié)選型計算 .133.1.2 B 關節(jié)選型計算 .153.1.3T 關節(jié)選型計算 193.2 電機的選型 .243.3 減速器的選型 .243.4 傳送帶的選型 .253.5 本章小結 .26第四章 腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計 274.1 UG 簡介 277 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析IV4.2 UG NX6.0 的草圖模塊 .284.2.1 草圖的繪制與編輯 .284.2.2 草圖的約束 .284.3 UG NX6.0 的實體建模模塊 .284.4 UG NX6.0 的裝配模塊 .294.5 腕部關節(jié)造型圖 .30第五章 七自由度機器人腕部 R、B、T 關節(jié)的靜力學分析 315.1 ANSYS 簡介 .315.2 前處理模塊 .325.3 后處理模塊 .335.4 載荷 .335.5 分析結果 .345.6 本章小結 .39第六章 結論與展望 .406.1 結論 .406.2 經濟技術分析 .406.3 對進一步研究的展望 .41參考文獻 .42致 謝 .437 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析1第一章 緒論1.1 七自由度機器人綜述1.1.1 工業(yè)機器人的發(fā)展工業(yè)機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程功能的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置以執(zhí)行各種任務。20 世紀 80 年代以來，工業(yè)機器人技術逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經在工業(yè)生產的許多領域得到應用。在工業(yè)機器人逐漸得到推廣和普及的過程中，下面三個方面的技術進步起著非常重要的作用：（1）驅動方式的改變, 20 世紀 70 年代后期，日本安川電動機公司研制開發(fā)出了第一臺全電動的工業(yè)機器人，而此前的工業(yè)機器人基本上采用液壓驅動方式。與采用液壓驅動的機器人相比，采用伺服電動機驅動的機器人在響應速度、精度、靈活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液壓驅動的機器人，成為工業(yè)機器人驅動方式的主流。在此過程中，諧波減速器、RV 減速器等高性能減速機構的發(fā)展也功不可沒。近年來，交流伺服驅動已經逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅動方式，直線電動機等新型驅動方式在許多應用領域也有了長足發(fā)展。（2）信息處理速度的提高, 機器人的動作通常是通過機器人各個關節(jié)的驅動電動機的運動而實現(xiàn)的。為了使機器人完成各種復雜動作，機器人控制器需要進行大量計算，并在此基礎上向機器人的各個關節(jié)的驅動電動機發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術的不斷發(fā)展，CPU 的計算能力有了很大提高，機器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機器人控制器甚至可以同時控制 20 多個關節(jié)。機器人控制器性能的提高也進一步促進了工業(yè)機器人本身性能的提高，并擴大了工業(yè)機器人的應用范圍。近年來，隨著信息技術和網絡技術的發(fā)展，已經出現(xiàn)了多臺機器人通過網絡共享信息，并在此基礎上進行協(xié)調控制的技術趨勢。（3）傳感器技術的發(fā)展,機器人技術發(fā)展初期，工業(yè)機器人只具備檢測自身位置、角度和速度的內部傳感器。近年來，隨著信息處理技術和傳感器技術的迅速發(fā)展，觸覺、力覺、視覺等外部傳感器已經在工業(yè)機器人中得到廣泛應用。各種新型傳感器的使用不但提高了工業(yè)機器人的智能程度，也進一步拓寬7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析2了工業(yè)機器人的應用范圍 [1]。1.1.2 工業(yè)機器人腕關節(jié)的發(fā)展機器人關節(jié)是各桿件間的結合部分，是實現(xiàn)機器人各種運動的運動副，由于機器人的種類多，其功能要求不同，關節(jié)的配置和傳動系統(tǒng)的形式都不同。工業(yè)機器人常見的關節(jié)形式有移動關節(jié)和轉動關節(jié)。應用最多的工業(yè)機器人是多關節(jié)機器人，它由多個回轉關節(jié)和連桿組成，模擬人的肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)等的作用。其關節(jié)與仿人機器人的肩、肘、腰關節(jié)等不同的是自由度個數(shù)。通常前者的肩、肘、腰關節(jié)的自由度為 1。手腕位于手臂末端，用來支承末端執(zhí)行器并調整其姿態(tài)。按自由度分手腕可以分為單自由度、雙自由度和三自由度 3 種 [2]。對于兩自由度手腕，常見的關節(jié)結構有：匯交式手腕和偏置式手腕。偏置式手腕末桿回轉范圍大，結構緊湊。圖 1-1a 所示為匯交式手腕，鏈輪1 與齒輪 3 相聯(lián)，通過齒輪副帶動末桿 Ln 自轉（γ ）；鏈輪 2 與殼體 4 相聯(lián)，轉動后使末桿擺動（β），從而形成兩個自由度。圖 1-1b 所示為諧波式匯交手腕，1、2 為諧波減速器，3 為齒形帶，4 為錐齒輪。三自由度手腕是在兩自由度手腕基礎上加一個整個手腕相對于小臂的轉動自由度而形成的，有偏置式和匯交式。常用結構如圖 1-2 所示。圖 1-3 所示為三自由手腕，包括外套 120，萬向節(jié) 140，128，146，132，扇形齒輪 136、138、142、148，錐齒輪 168、170、174、178；轉動驅動軸（roll） 162，俯仰驅動軸（pitch）164，偏轉驅動軸（ yaw）166 等組成。圖 1-1 兩自由度手腕結構圖7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析3球形電機驅動的手腕，通常手腕關節(jié)是用單自由度電機驅動實現(xiàn)的，使用三自由度的球形電機來驅動，可以將關節(jié)和電機和為一體，直接驅動。實現(xiàn)三個方向的轉動 [3]。圖 1-2 三自由度手腕結構圖圖 1-3 球型電機驅動的三自由度手腕7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析41.1.3 國內外工業(yè)機器人的應用現(xiàn)狀自從20世紀60年代初人類創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機器人以后，機器人就顯示出它極大的生命力，在短短40多年的時間中，機器人技術得到了迅速的發(fā)展，工業(yè)機器人已在工業(yè)發(fā)達國家的生產中得到了廣泛的應用。目前，工業(yè)機器人已廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領域中。在工業(yè)生產中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用 [4]。 隨著工業(yè)機器人技術的成熟和制造業(yè)對自動生產的需要，工業(yè)機器人得到了越來越廣泛的應用。（1）按應用領域和類型分:雖然ABB、KUKA等歐洲企業(yè)在焊接和噴涂等領域具有一定優(yōu)勢，Brooks-PRI在半導體晶圓、液晶面板搬送機器人方面占有一定市場份額，但總體來看，日本企業(yè)在工業(yè)機器人的市場份額方面占有絕對優(yōu)勢。（2）按地域和應用領域分: 在歐美市場，弧焊、點焊、噴涂等與汽車工業(yè)密切相關的工業(yè)機器人的使用臺數(shù)仍然占有很大份額。但另一方面，在全世界范圍內，裝配用直角坐標機器人、SCARA型機器人、單軸機器人等面向裝配和檢測的工業(yè)機器人的應用有了很大增長，所占比例已經達到1/3左右。此外，隨著信息技術的發(fā)展，在美國和亞洲，用于半導體晶圓和液晶面板搬送的工業(yè)機器人所占比例也越來越高。進入90年代，在國內市場經濟發(fā)展的推動下，確定了特種機器人與工業(yè)機器人及其應用工程并重、以應用帶動關鍵技術和基礎研究的發(fā)展方針，實現(xiàn)了高技術發(fā)展與國民經濟主戰(zhàn)場的密切銜接，研制出有自主知識產權的工業(yè)機器人系列產品，并小批試產，完成了一批機器人應用工程，建立了9個機器人產業(yè)化基地和7個科研基地。我國的高等院所，如長沙國防科技大學、上海交通大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、沈陽自動化研究所等在步行機器人、精密裝配機器人及7自由度機器人研制等前沿領域內做出了可喜的成績，正在逐步縮短在機器人技術方面與世界先進水平的差距 [5]。中國首鋼莫托曼機器人有限公司由中國首鋼總公司、日本株式會社安川電機和日本巖谷產業(yè)株式會社共同投資組建,三方出資比例分別為 45%、43%和 12%,引進日本株式會社安川電機最新 UP 系列機器人生產技術生產 SG—MOTOMAN7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析5機器人，并設計制造應用于汽車、摩托車、工程機械、化工等行業(yè)的焊接、噴漆、裝配、研磨、切割和搬運等領域的機器人、機器人工作站等。該公司目前是國內最大、最先進的機器人生產基地,年生產能力為 800 臺。但是，中國的首鋼莫托曼機器人工業(yè)主要是進口日本工業(yè)機器人，只是在國內進行組裝而已。沈陽新松機器人自動化股份有限公司是由中國科學院沈陽自動化所為主發(fā)起人投資組建的高技術公司，是機器人國家工程研究中心、國家八六三計劃智能機器人主題產業(yè)化基地、國家高技術研究發(fā)展計劃成果產業(yè)化基地、國家高技術研究發(fā)展計劃成果產業(yè)化基地。該公司是在國內率先通過 ISO9001 國際質量保證體系認證的機器人企業(yè),并在《福布斯》2005 年最新發(fā)布的 “中國潛力 100 榜”上名列第 48 位。其產品包括：rh6 弧焊機器人、rd120 點焊機器人及水切割、激光加工、排險、澆注等特種機器人。在國外，工業(yè)機器人技術日趨成熟，已經成為一種標準設備被工業(yè)界廣泛應用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC 、Yaskawa ，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，意大利COMAU，英國的AutoTech Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek 公司，這些公司已經成為其所在地區(qū)的支柱性產業(yè)。日本素有“機器人王國”之稱，其工業(yè)機器人的發(fā)展令人矚目，無論機器人的數(shù)量還是機器人的密度都位居世界第一。日本安川電機(Yaskawa Electric Co.)自1977年研制出第一臺全電動工業(yè)機器人以來，已有29年的機器人研發(fā)生產的歷史,旗下?lián)碛蠱otoman美國、瑞典、德國以及 Synetics Solutions美國公司等子公司，至今共生產13000多臺機器人產品，而最近2年生產的機器人30000多臺，超過了其他機器人制造公司。2005年4月,該公司宣布將投資 4億日元, 建造一個新的機器人制造廠，已于2005年11月運行，2006年1月達到滿負荷生產。目前，該公司每月工業(yè)機器人生產能力達到2000臺。安川電機核心工業(yè)機器人產品包括：點焊和弧焊機器人、油漆和處理機器人、LCD玻璃板傳輸機器人和半導體晶片傳輸機器人等。該公司是將工業(yè)機器人應用到半導體生產領域的最早廠商之一。2004年該公司機器人銷售收入為1051億日元，占該公司營業(yè)總收入3096億日元的34% 。德國KUKA Roboter Gmbh公司位于德國奧格斯堡,是世界幾家頂級工業(yè)機器人制造商之一，1973年研制開發(fā)了KUKA的第一臺工業(yè)機器人。該公司工業(yè)機器人年產量接近10000臺，至今已在全球安裝了60000臺工業(yè)機器人。這些機器7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析6人廣泛應用在儀器、汽車、航天、食品、制藥、醫(yī)學、鑄造、塑料等領域 [6]。1.1.4 工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢工業(yè)機器人在許多生產領域的使用實踐證明，它在提高生產自動化水平，提高勞動生產率和產品質量以及經濟效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用，引起了世界各國和社會各層人士的廣泛關注。在新的世紀，機器人工業(yè)必將得到更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應用。（1）工業(yè)機器人的技術發(fā)展趨勢 從近幾年世界機器人推出的產品來看，工業(yè)機器人技術正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC化和網絡化；伺服驅動技術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網絡化和智能化等方面。 （2）工業(yè)機器人的產業(yè)發(fā)展趨勢 據UNECE/IFR 預測，至2007年，全球新安裝裝機器人的數(shù)量將從2003年的81800套增至2007年的106000套，年平均增長7%。其中，日本2003-2007年工業(yè)機器人的銷售將從2003年的31600增長至2007年的41000套；歐洲2003-2007年工業(yè)機器人將從2003年的27100套增長至2007年的34000套；北美2003-2007年工業(yè)機器人市場每年平均增長5.8%，至2007年將增長到16000套。 日本的機器人產業(yè)得到發(fā)展的主要原因是工業(yè)機器人在以汽車、電子、電動機等行業(yè)為代表的制造業(yè)中得到了廣泛應用。目前日本的工業(yè)機器人產業(yè)已經相當成熟，現(xiàn)有行業(yè)中設備的更新?lián)Q代在其市場中占有很大比例；然而，隨著技術的進步和機器人價格的不斷下降，工業(yè)機器人的應用也將逐步擴展到目前尚沒有大規(guī)模采用工業(yè)機器人的其他行業(yè)。因為成本方面的原因，美國和歐洲在工業(yè)機器人的推廣應用方面一直遠遠落后于日本。但是，隨著近年來工業(yè)機器人價格的不斷下降和人力成本的不斷上升，美國和歐洲也開始積極在制造業(yè)中采用工業(yè)機器人。1990-2003年美國制造業(yè)的人員工資與工業(yè)機器人價格之間的關系,制造業(yè)工人的工資增加了大約60%左右。而在考慮了機器人性能提高的因素后，機器人的價格則實際上下降了大約80%。也就是說，從1990-2003年的13年時間內，在制造業(yè)中引入工業(yè)機器人的優(yōu)越性擴大了大約8倍。這也是近年來歐美國家開始大量采用工業(yè)機器人的主要原因。同樣，雖然由于人力成本相對較低，目前發(fā)展中國家采用工業(yè)機器人的積極性還不是很高，但隨著人力成本的逐漸增加，熟練工人人數(shù)的逐漸減少和對產品質量要求的不斷提高，許多發(fā)展中國家在不遠的將來也會積極采用工業(yè)機器人 [7]。7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析7機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：（1）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修） ，而單機價格不斷將下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。（2）機械結構想模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊化中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)相基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。（4）機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力學等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制，多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。（5）虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已經從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。（6）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者于機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使之能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。（7）機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域 [8]。1.2 課題來源及選題意義機器人的手一般由方形的手掌和節(jié)狀的手指組成。為了使它具有觸覺，在手掌和手指上都裝有帶有彈性觸點的觸敏元件（如靈敏的彈簧測力計）。如果要感知冷暖，還可以裝上熱敏元件。當觸及物體時，觸敏元件發(fā)出接觸信號，否則就不發(fā)出信號。在各指節(jié)的連接軸上裝有精巧的電位器（一種利用轉動來改變電路的電阻因而輸出電流信號的元件），它能把手指的彎曲角度轉換成“外形彎曲信息”。把外形彎曲信息和各指節(jié)產生的“接觸信息”一起送入電子計算機，通過計算就能迅速判斷機械手所抓的物體的形狀和大小?，F(xiàn)在，機器人的手已經具有了靈巧的指，腕，肘和肩胛關節(jié)，能靈活自如的伸縮擺動，手腕也會轉動彎曲。通過手指上的傳感器還能感覺出抓握的東西7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析8的重量，可以說已經具備了人手的許多功能。在實際情況中有許多時候并不一定需要這樣復雜的多節(jié)人工指，而只需要能從各種不同的角度觸及并搬動物體的鉗形指。1966 年，美國海軍就是用裝有鉗形人工指的機器人“科沃”把因飛機失事掉入西班牙近海的一顆氫彈從七百五十米深的海底撈上來。1967 年，美國飛船“探測者三號”就把一臺遙控操作的機器人送上月球。它在地球上的人的控制下，可以在兩平方米左右的范圍里挖掘月球表面四十厘米深處的土壤樣品，并且放在規(guī)定的位置，還能對樣品進行初步分析，如確定土壤的硬度，重量等。它為“阿波羅”載人飛船登月當了開路先鋒。 與應用廣泛、十分常見的六自由度串聯(lián)機器人相比，七自由度機械人具有明顯優(yōu)勢,運動空間增大。它具有以下十分突出的優(yōu)點：（1）剛度大，結構穩(wěn)定。這是由于上運動平臺經由 7 個液壓缸的支撐；（2）承載能力強。由于剛度大，較串聯(lián)式機構在相同的自重或體積的情況下，具有高得多的承載能力；（3）誤差小，位姿精度高；（4）動力性能好。傳統(tǒng)機器人學在笛卡兒空間對機器人或環(huán)境中用符號進行描述，然后實施規(guī)劃和控制。其中 7-DOF 并聯(lián)機器人由于機構簡單、工作空間大、實時控制容易，具有較好的應用前景 [9]。1.3 本文的主要研究內容本文從實際工程項目出發(fā)，以日本安川 7 自由度工業(yè)焊弧機器人 VA1400為研究對象，針對其腕部 R、B、T 關節(jié)進行研究。主要研究內容有：（1）調研首鋼莫托曼機器人有限公司，對 MOTOMAN-VA14007 自由度工業(yè)機器人的腕部 R、B 、T 關節(jié)結構設計進行了解與分析；（2）參考 VA1400 產品說明書及使用說明書，了解此款機器人的實現(xiàn)方式及其分配。（3）對 7 自由度機器人的腕部關節(jié)進行結構設計，針對電機、減速器、同步帶進行設計、選型和校核；（4）利用 UG NX6.0 軟件建立機器人腕關節(jié)系統(tǒng)的三維實體模型，為后續(xù)的系統(tǒng)仿真做準備；（5）利用 ANSYS 軟件對機械系統(tǒng)進行靜力學分析，研究其在力的作用下處于平衡的規(guī)律。7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析9第二章 七自由度機器人腕部 R、B、T 關節(jié)總體方案設計2.1 MOTOMAN-VA1400 機器人的特點由于本課題仿照日本安川公司 MOTOMAN-VA1400 此款機器人進行機器手臂的設計，在此提出其特點，作為設計依據。該機器人工作范圍大，動作靈活，結構較緊湊，外形美觀簡潔，應用于弧焊焊接。圖 2-1 MOTOMAM-VA1400 外形圖 2-2 機器人 MOTOMAN-VA1400 機器人結構圖7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析102.2 機器人腕部的設計特點手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人操作機的最末端，其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個坐標位置的基礎上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，實現(xiàn)三個自由度。一個好的機器人設計應當使其機械系統(tǒng)的持重—自重比盡量大，結構的靜動態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機，它的性能是機器人設計追求的目標 [10]。從機構學原理分析，人體手臂是一個典型的串聯(lián)機構和并聯(lián)機構的結合體，肘關節(jié)和肩關節(jié)、腕關節(jié)一起構成串聯(lián)機構形式的人體手臂。串聯(lián)機構仍然是仿人手臂的主要機構形式。本課題設計一款串聯(lián) 7 自由度弧焊工業(yè)機器人的腕部結構，能持重 3kg。2.3 機器人腕關節(jié)技術要求根據安川公司 MOTOMAN-VA1400 機器人用于弧焊焊接，及其工作特點，參考其工作、使用說明書提出以下參數(shù)：表 1 機器人腕關節(jié)運動參數(shù)軸 最大運動范圍最大角速度 轉速 各關節(jié)允許極限力矩轉動慣量R 腕部扭轉 -150-+150 410 7.16 8.8 0.27B 腕部俯仰 -45-+180 410 7.16 8.8 0.27T 腕部回轉 -200-+200 610 10.65 2.9 0.037 個自由度；垂直關節(jié)型坐標形式；精度：-0.08～+0.08；有效載荷：3kg2.4 腕部設計結構方案分析機器人腕部包含 3 個自由度：R 腕部扭轉、B 腕部俯仰和 T 腕部回轉。在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有大得多的相對空間(手腕可達到的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結構緊湊，同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關節(jié)型機器人的結構。旋轉關節(jié)相對平移關節(jié)來講，操作空間大，結構緊湊，重量輕，關節(jié)易于密封防塵。綜合各種手臂構形，最后確定腕部采用兩個旋轉關節(jié)，結構形式7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析11如下圖：2.5 腕部關節(jié)驅動方式設計機器人驅動分為液壓、氣動和電動三種形式。液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，適合于大負載的情形。液壓驅動的本質優(yōu)點在于它的安全性。氣動驅動適合于快節(jié)拍、負載小且精度要求不高的場合。電動驅動可細分為以下幾種：（1）交流伺服電動機：包括同步型交流伺服電動機及反應式步進電動機等。（2）直流伺服電動機：包括小慣量永磁直流伺服電動機、印制繞組直流伺服電動機、大慣量永磁直流伺服電動機、空心杯電樞直流伺服電動機。（3）步進電動機：包括永磁感應步進電動機。電動驅動適合于中等負載，特別適合于動作復雜、運動軌跡嚴格的各類機器人 [11]。由于本課題研究機器人腕關節(jié)，其額定負載較小，考慮到工業(yè)機器人多以交流伺服電機驅動，根據關節(jié)所受最大力矩、最大角速度及取材的方便綜合分析，決定采用交流伺服電機驅動。2.6 腕部關節(jié)傳動結構設計腕部關節(jié)與臂部 U 關節(jié)相連接，將驅動 R 關節(jié)的電機安裝在 U 臂部里，腕部 R 關節(jié)扭轉腕部 B 關節(jié)俯仰腕部 T 關節(jié)回轉圖 2-3 腕部 R、B 、T 關節(jié)結構形式7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析12輸出軸經過齒輪傳遞給減速器，由輸出軸帶動 R 關節(jié)，完成腕部扭轉。在 R 關節(jié)內安裝驅動 B 關節(jié)的電機，輸出軸連接滑輪，經過同步傳動帶傳動，經減速器減速后，由輸出軸帶動 B 關節(jié)，完成腕部俯仰。在 B 關節(jié)內部安裝驅動 T 關節(jié)的電機，輸出軸連接滑輪，經同步帶傳送至減速器，減速后輸出軸帶動 T 關節(jié)，實現(xiàn)腕部回轉。2.7 本章小結本章首先闡述了所要研究的 MOTOMAN-VA1400 七自由度機器人腕部的設計特點及要求，其次根據要求對機器人的結構設計方案進行分析，具體包括關節(jié)結構設計、驅動設計及傳動設計。其外形則仿照 MOTOMAN-VA1400。交流伺服電機輸出軸輸出軸減速器同步帶交流伺服電機輸出軸減速器同步帶交流伺服電機減速器齒輪B 腕部關節(jié)R 腕部關節(jié)U 臂部關節(jié)圖 2-4 腕部傳動設計示意圖7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析13第三章 腕部 R、 B、T 關節(jié)電機，減速器和同步帶的選擇本章在結構分析的基礎上利用《機械設計手冊》進行理論計算，包括電機、減速器和 B、T 關節(jié)同步帶的選型及理論計算。3.1 R、B、T 關節(jié)選型計算3.1.1 R 關節(jié)選型計算腕部回轉由電機通過減速器傳動驅動。已知：R 關節(jié)質量 ，其最大當量回轉半徑13.mkg?20Rm?腕部擺動的轉動慣量(3-1)2231 220.13.0.7Jlmkg?????——手爪回轉裝置及物體總質量，約為 ；1mkg——腕部總質量，約為 。2 13.k設機器人腕部俯仰角速度從 加速到 所需時間 ，0w?410s?0.217ts?則腕部俯仰角加速度(3-2)21840.7359atrds???當末端執(zhí)行器與小臂相互垂直，并且位于水平面內時，其轉距最大。腕部俯仰啟動慣性矩(3-3)3.02715.86TJaNm??負載靜轉矩（靜摩擦力矩忽略不計）7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析14(3-4)139.8024MmglN???靜則腕部俯仰總轉矩 38.T?考慮到機器人的小臂的各部分的轉動慣量及摩擦力矩，選擇減速器工況系數(shù) ，則減速器所需要的輸出額定轉矩1.k?(3-5)31.84kTNm????按最高轉速選擇機型。R 回轉關節(jié)角速度 ，由于該關節(jié)選擇 ，該關節(jié)總10ws??30innr?傳動比 1i(3-6)1360413.9niw????額定輸出轉矩： ；減速比： 。1.4Nmi?取減速器傳動的傳動效率均取 ，交流伺服電機應輸出的力矩：0.85?(3-7)1.40.8536outTinNm??電機轉速 602nπω ?電機額定功率 p（3-8 ）.2036.9outTwk???7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析15額定輸出轉矩： ；額定功率 ；額定轉速： 。0.63Nm20w30;2rpmV3.1.2 B 關節(jié)選型計算腕部擺動由交流伺服電機通過同步帶和減速器機構驅動。已知：手爪回轉裝置及物體的重心到回轉中心的距離 ，腕部當量10l?回轉半徑 20Rm?腕部俯仰時其轉動慣量(3-9)22212230.3.0.7JlmRkg?????——手爪回轉裝置及物體總質量，約為 ；1mkg——腕部總質量，約為 。2 13.k設機器人腕部俯仰角速度從 加速到 所需時間 ，則0w?410s?0.3ts?腕部俯仰角加速度(3-10)21840.37atrds???腕部俯仰啟動慣性矩(3-11)2.0715.86TJaNm??負載靜轉矩（靜摩擦力矩忽略不計）(3-12)139.8024MglN???靜則腕部俯仰總轉矩 28.Tm?考慮到機器人的各部分的轉動慣量及摩擦力矩，選擇減速器工況系數(shù)7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析16，則減速器所需要的輸出額定轉矩1.3k?(3-13)21.384kNm????按最高轉速選擇機型。設同步帶傳動裝置的傳動比為 ，B 腕部擺動關節(jié)角速度 ，02i?410ws??由于該關節(jié)選擇 ，該關節(jié)總傳動比30nnr?1i(3-14)1360413.9iw????所以，減速器減速比 為i（3-15 ）12i?額定輸出轉矩： ；減速比：1.4Nm2i取同步帶、減速器傳動的傳動效率均取 ，交流伺服電機應輸出的力0.95??矩：(3-16)1.40.9527outTinNm??電機轉速 260nw??電機額定功率 p（3-17 ）.207436.8outTwk???額定輸出轉矩： ；額定功率 ；額定轉速： 。0.37Nm30;2rpmV從動輪轉速： ，主26innr?7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析17動輪轉速： ，同步帶輸入轉矩 ，輸102.68.31.minnir???0.274TNm?入最高工作角速度（主動輪） ，則同步帶傳遞的名義功率 可表42ads?p示為：(3-18).071.83.92PTwW??由文獻《機械設計手冊》[13]中表 14.1-55 中，查得載荷修正系數(shù) ，1.8AK?因為未使用張緊輪，又是減速傳動，故附加修正系數(shù)均為零。則，設計功率 dp(3-19).183927.04dApKW??根據 和 ，查機械手冊表，由圖 14.1-14 確定為7.0429dP?16ransXL 型，對應節(jié)距為 。5.8bpm根據帶型 XL 和小帶輪轉速 ，由表 14.1-56 查得小帶輪的最小齒數(shù) ，1 1min0z?在此處取 。12z?小帶輪的節(jié)圓直徑 ：1d(3-20)125.0819.4bZPm???由表 14.1-60 查得其外徑(3-21)129.4058ad???大帶輪齒數(shù) ：2z(3-22)214zi??7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析18大帶輪節(jié)圓直徑 ：2d（3-23 ）245.083.bzpdm???由表 14.1-60 查得其外徑：(3-24)238.05ad???帶速 ：v(3-25)1609.43.6.1dnvms???因為 且 ，所以初設軸距????120120.7dad???0476.46a?。am?帶長及其齒數(shù)：(3-26)21210 02()()249.38(.39.4)0.36ddLaam???????由表 14.1-51 查得應選用帶長代號為 120 的 XL 型同步帶，其節(jié)線長，節(jié)線上的齒數(shù) 。304.8PL?0z?實際軸間距 ：此結構的軸間距可調整a(3-27)00234.89.616.pLam????7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析19小帶輪嚙合齒數(shù) ：mz(3-28)??121()5.08(42)66.349bpzentate????????????基本額定功率 ：0p(3-29)??201aTmvp?由表 14.1-58 查得 ,5.7aTN?.kg由公式(3-29)得(3-30)??20.10.1390697pkw???所需帶寬 ：sb(3-31)1.40dZsPbK由表 14.1-57 查得 XL 型帶 ， ；因為 時， 。09.5sm?6z?6mz?1zk?(3-32)1.49572sb?由表 14.1-52 查得，應選帶寬代號為 037 的 XL 型帶，其 9.5sb?3.1.3T 關節(jié)選型計算腕部旋轉由電機通過同步帶和減速器機構驅動。已知：T 腕部回轉關節(jié)的最大當量回轉半徑 ，焊具的總重量20Rm?。3mkg?轉動慣量：21230.JmRkg??? （3-33 ）設機器人手部角速度 ω 從 0 加速到 所需時間 ，則其角加速61s?0.1ts?7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析20度(3-34)21806.97watrds???負載啟動慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計）(3-35)1.039672.TJaNm???考慮到機器人的各部分的轉動慣量及摩擦力矩，選擇減速器工況系數(shù)，則減速器所需要的輸出額定轉矩1.3k?(3-36).1329.7TkMNm???按最高轉速選擇機型。設同步帶傳動裝置的傳動比為 ，T 腕部回轉關節(jié)角速度 ，03i?610ws??由于每一個關節(jié)選擇 ，該關節(jié)總傳動比3nnr?1i(3-37)1360129.530iw????減速器減速比 為：i（3-38 ）130i?額定輸出轉矩： ；減速比： 。.7Nm1i?取同步帶、減速器傳動的傳動效率均取 ，交流伺服電機應輸出的力0.95?矩：1.370.952outTinNm?? (3-39)7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析21電機轉速 260nw??電機額定功率 p（3-40 ）.20136.4outTwk???額定輸出轉矩： ；額定功率 ；額定轉速： 。0.318Nm30;2rpmV從動輪轉速： ，主動輪轉速： ，同267innr?12.5.1inni?步帶輸入轉矩可輸入最高工作角速度（主動輪） ，則同步帶傳遞9rads?的名義功率 可表示為：p(3-41).0132.54.7PTwW??由文獻《機械設計手冊》[13]中表 14.1-55 中，查得載荷修正系數(shù) ，2.0AK?因為未使用張緊輪，又是減速傳動，故附加修正系數(shù)均為零。則設計功率：dp(3-42).204178.3dAPKW??根據 和 ，查機械手冊表，由圖 14.1-14 確定為8.43dP?15minrnXL 型，對應節(jié)距為 。.0b根據帶型 XL 和小帶輪轉速 ，由表 14.1-56 查得小帶輪的最小齒數(shù)1，在此處取 。min10Z?12Z?小帶輪的節(jié)圓直徑 ：d(3-43)125.0819.4bZPdm???由表 14.1-60 查得其外徑7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析22(3-44)129.4058adm???大帶輪齒數(shù) ：2z(3-45)2136zi???大帶輪節(jié)圓直徑 ：2d(3-46)2365.08.24bZPd???由表 14.1-60 表查得其外徑(3-47)258.4073adm???帶速 ：v(3-48)1609.4351dnvms???因為 且 ，所以初設軸距????120120.7dad???054.385.28a?。am?帶長及其齒數(shù)：(3-49)21210 02()()249.58(.9.4)035.67ddLaam???????由表 14.1-51 查得應選用帶長代號為 130 的 XL 型同步帶，其節(jié)線長7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析23，節(jié)線上的齒數(shù) 。30.2PLm?65z?實際軸間距 ：此結構的軸間距可調整a(3-50)0023.5.641.8pLam????小帶輪嚙合齒數(shù) :mz(3-51)??121()5.08(362)6bpzentate????????????由表 14.1-58 查得 ,50.17aTN.02mkg由公式(3-29)得(3-52)??205.170.316pkw???所需帶寬 :sb(3-53)1.40dZsPbK?由表 14.1-57 查得 H 型帶 ， ；因為 時， 。09.5sm6z?6mz?1zk?(3-54)1.45830sb??由表 14.1-52 查得，應選帶寬代號為 025 的 XL 型帶，其 。6.4sb?7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析243.2 電機的選型為了保證焊接機械手的運動性能，要求并聯(lián)機構具有良好的快速響應特性。隨著控制信號的變化，電機應在較短的時間內完成必須的動作。負載慣量與電機的響應和快速移動 ACC/DEC 時間息息相關。帶大慣量負載時，當速度指令變化時，電機需較長的時間才能到達這一速度，當二軸同步插補進行圓弧高速切削時大慣量的負載產生的誤差會比小慣量的大一些。日本安川公司研制的 MOTOMAN-VA1400 選用的電機是 SGMRV 系列，由于，這個系列的電機的資料很難得到，市面上并沒有，所以在此選擇安川SGMPH 系列電機代替，相應地改動 MOTOMAN-VA1400 的外形。根據計算綜合考慮：R 關節(jié)電機選?。盒吞?SGMPH-02A-YR；額定輸出轉矩： ；額定0.637Nm功率 ；額定轉速： 。20w30;2rpmVB 關節(jié)電機選?。盒吞?SGMPH-02A-YR；額定輸出轉矩： ；額定.功率 ；額定轉速： 。;T 關節(jié)電機選取：型號 SGMPH-01A-YR；額定輸出轉矩： ；額定0.318功率 ；額定轉速： 。1030;2rpV3.3 減速器的選型減速機是一種相對精密的機械，使用它的目的是降低轉速，增加轉矩。它的種類繁多，型號各異，不同種類有不同的用途。以下是常用的減速機分類： （1）擺線針輪減速機；（2）硬齒面圓柱齒輪減速器；（3）行星齒輪減速機；（4）軟齒面減速機；（5）三環(huán)減速機；（6）起重機減速機；（7）蝸桿減速機；（8）軸裝式硬齒面減速機；（9）無級變速器。根據計算綜合考慮：R 關節(jié)減速器選取：安川機械手專用減速器，額定輸出轉矩： ；1.4Nm減速比： 。4i?7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析25B 關節(jié)減速器選取：安川機械手專用減速器，額定輸出轉矩： ；1.4Nm減速比： 。2i?T 關節(jié)減速器選?。喊泊C械手專用減速器，額定輸出轉矩： ；3.7減速比： 。10i3.4 傳送帶的選型同 步 帶 傳 動 是 由 一 根 內 周 表 面 設 有 等 間 距 齒 形 的 環(huán) 行 帶 及 具 有 相 應 吻 合的 輪 所 組 成 。 它 綜 合 了 帶 傳 動 、 鏈 傳 動 和 齒 輪 傳 動 各 自 的 優(yōu) 點 。 轉 動 時 ， 通過 帶 齒 與 輪 的 齒 槽 相 嚙 合 來 傳 遞 動 力 。 同 步 帶 傳 動 具 有 準 確 的 傳 動 比 ， 無 滑差 ， 可 獲 得 恒 定 的 速 比 ， 傳 動 平 穩(wěn) ， 能 吸 振 ， 噪 音 小 ， 傳 動 比 范 圍 大 ， 一 般可 達 1:10。同 步 帶 的 特 點 ：（ 1） 傳 動 準 確 ， 工 作 時 無 滑 動 ， 具 有 恒 定 的 傳 動 比 ；（ 2） 傳 動 平 穩(wěn) ， 具 有 緩 沖 、 減 振 能 力 ， 噪 聲 低 ；（ 3） 傳 動 效 率 高 ， 可 達 0.98， 節(jié) 能 效 果 明 顯 ；（ 4） 維 護 保 養(yǎng) 方 便 ， 不 需 潤 滑 ， 維 護 費 用 低 ；（ 5） 速 比 范 圍 大 ， 一 般 可 達 10， 線 速 度 可 達 ， 具 有 較 大 的 功 率50ms傳 遞 范 圍 ， 可 達 幾 瓦 到 幾 百 千 瓦 ；（ 6） 可 用 于 長 距 離 傳 動 ， 中 心 距 可 達 以 上 。同步帶分為梯形齒型同步帶和弧齒型同步帶。梯形齒形同步帶，又分單面有齒和雙面有齒兩種，簡稱為單面帶和雙面帶。雙面帶又按齒的排列方式分為對稱齒型（代號 DA)和交錯齒型(代號 DB〕 。梯形齒形同步帶有兩種尺寸制：節(jié)距制和模數(shù)制。我國采用節(jié)距制，并根據 ISO 5296 制訂了同步帶傳動相應標準 GB/T 11361～ 11362-1989 和 GB/T 11616-1989。弧齒同步帶除了齒形為曲線形外，其結構與梯形齒形同步帶基本相同，帶的節(jié)距相當，其齒高、齒根厚和齒根圓角半徑等均比梯形齒大。帶齒受載后，應力分布狀態(tài)較好，平緩了齒根的應力集中，提高了齒的承載能力。故弧齒同步帶比梯形齒形同步帶傳遞功率大，且能防止嚙合過程中齒的干涉。弧齒同步帶耐磨性能好，工作時噪聲小，不需潤滑，可用于有粉塵的惡劣環(huán)境。已在食品、汽車、紡織、制藥、印刷、造紙等行業(yè)得到廣泛應用。本文采用雙面梯形齒型同步帶。根據計算綜合考慮：7 自由度工業(yè)機器人腕部 R、B、T 關節(jié)結構設計及靜力學分析26T 關節(jié)選用同步帶的 130XL025；小帶輪齒數(shù) ，小帶輪的節(jié)圓直徑12z?，其外徑 ；大帶輪 ，大帶輪節(jié)圓直徑19.4dm?19.82adm?236其外徑2582573B 關節(jié)選用同步帶的 120XL037；小帶輪齒數(shù) ，小帶輪的節(jié)圓直徑1z，其外徑 ；大帶輪 ，大帶輪節(jié)圓直徑1.1.a 24?其外徑 。23d?28d?3.5 本章小結本章對腕部 R、B 、T 三個關節(jié)的減速器、電機、傳送帶進行選型和校核。根據 MOTOMAN-VA1400 的結構圖和《機械設計手冊》對每個關節(jié)進行理論分析并從實際應用出發(fā)選擇方便使用和購買的型號。