《7自由度工業(yè)機(jī)器人腕部R、B、T關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《7自由度工業(yè)機(jī)器人腕部R、B、T關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析（47頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析I摘 要隨著人們對(duì)機(jī)器人研究的逐漸深入以及多自由度機(jī)器人本身所固有的優(yōu)勢(shì),其在高速自動(dòng)化的現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著自由度的增加，系統(tǒng)的靈活性也是相應(yīng)的增加，功能也是會(huì)相應(yīng)增加。本文詳細(xì)分析了 7 自由度機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，并分析了一種 7 自由度機(jī)器人的腕部關(guān)節(jié)，確立機(jī)器人為 R 腕部扭轉(zhuǎn)、B 腕部俯仰、T 腕部回轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算各關(guān)節(jié)所需電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩、減速器的減速比和同步帶的要求并進(jìn)行選型計(jì)算，同時(shí)利用 UG NX6.0 繪制機(jī)器人的 R、B、T 關(guān)節(jié)三維模型，并生成二維工程圖，最后基于 ANSYS 對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，仿真結(jié)果表明可以滿足應(yīng)力要求。該機(jī)器人能進(jìn)行較為復(fù)雜的工作，并可以極大拓展機(jī)器手在各個(gè)領(lǐng)域上的應(yīng)用，具有廣泛的實(shí)際意義和應(yīng)用前景，所設(shè)計(jì)的 7 自由度工業(yè)機(jī)器人為后續(xù)的機(jī)器人研究提供了參考依據(jù)，并可以做進(jìn)一步的研發(fā)。關(guān)鍵詞：7 自由度，工業(yè)機(jī)器人，靜力學(xué)分析 7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)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(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析III目 錄摘要 IVABSTRACT V目錄 VI第一章 緒論 11.1 七自由度機(jī)器人綜述 11.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 11.1.2 工業(yè)機(jī)器人腕關(guān)節(jié)的發(fā)展 21.1.3 國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀 41.1.4 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 51.2 課題來源及選題意義 71.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 8第二章 七自由度機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)總體方案設(shè)計(jì) 92.1 MOTOMAN-VA1400 機(jī)器人的特點(diǎn) .92.2 機(jī)器人腕部的設(shè)計(jì)特點(diǎn) .102.3 機(jī)器人腕關(guān)節(jié)技術(shù)要求 .102.4 腕部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案分析 .102.5 腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì) .112.6 腕部關(guān)節(jié)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .112.7 本章小結(jié) .12第三章 腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)電機(jī)，減速器和同步帶的選擇 133.1 R、B、T 關(guān)節(jié)選型計(jì)算 .133.1.1 R 關(guān)節(jié)選型計(jì)算 .133.1.2 B 關(guān)節(jié)選型計(jì)算 .153.1.3T 關(guān)節(jié)選型計(jì)算 193.2 電機(jī)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(jié) .26第四章 腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 274.1 UG 簡(jiǎn)介 277 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)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(shí)體建模模塊 .284.4 UG NX6.0 的裝配模塊 .294.5 腕部關(guān)節(jié)造型圖 .30第五章 七自由度機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)的靜力學(xué)分析 315.1 ANSYS 簡(jiǎn)介 .315.2 前處理模塊 .325.3 后處理模塊 .335.4 載荷 .335.5 分析結(jié)果 .345.6 本章小結(jié) .39第六章 結(jié)論與展望 .406.1 結(jié)論 .406.2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 .406.3 對(duì)進(jìn)一步研究的展望 .41參考文獻(xiàn) .42致 謝 .437 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析1第一章 緒論1.1 七自由度機(jī)器人綜述1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程功能的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具有幾個(gè)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(wù)。20 世紀(jì) 80 年代以來，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人逐漸得到推廣和普及的過程中，下面三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步起著非常重要的作用：（1）驅(qū)動(dòng)方式的改變, 20 世紀(jì) 70 年代后期，日本安川電動(dòng)機(jī)公司研制開發(fā)出了第一臺(tái)全電動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，而此前的工業(yè)機(jī)器人基本上采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。與采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相比，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在響應(yīng)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(qū)動(dòng)的機(jī)器人，成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu)的發(fā)展也功不可沒。近年來，交流伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅(qū)動(dòng)方式，直線電動(dòng)機(jī)等新型驅(qū)動(dòng)方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足發(fā)展。（2）信息處理速度的提高, 機(jī)器人的動(dòng)作通常是通過機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。為了使機(jī)器人完成各種復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人控制器需要進(jìn)行大量計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上向機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，CPU 的計(jì)算能力有了很大提高，機(jī)器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機(jī)器人控制器甚至可以同時(shí)控制 20 多個(gè)關(guān)節(jié)。機(jī)器人控制器性能的提高也進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人本身性能的提高，并擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。近年來，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)共享信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的技術(shù)趨勢(shì)。（3）傳感器技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)發(fā)展初期，工業(yè)機(jī)器人只具備檢測(cè)自身位置、角度和速度的內(nèi)部傳感器。近年來，隨著信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺、力覺、視覺等外部傳感器已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。各種新型傳感器的使用不但提高了工業(yè)機(jī)器人的智能程度，也進(jìn)一步拓寬7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析2了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍 [1]。1.1.2 工業(yè)機(jī)器人腕關(guān)節(jié)的發(fā)展機(jī)器人關(guān)節(jié)是各桿件間的結(jié)合部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副，由于機(jī)器人的種類多，其功能要求不同，關(guān)節(jié)的配置和傳動(dòng)系統(tǒng)的形式都不同。工業(yè)機(jī)器人常見的關(guān)節(jié)形式有移動(dòng)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。應(yīng)用最多的工業(yè)機(jī)器人是多關(guān)節(jié)機(jī)器人，它由多個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和連桿組成，模擬人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)等的作用。其關(guān)節(jié)與仿人機(jī)器人的肩、肘、腰關(guān)節(jié)等不同的是自由度個(gè)數(shù)。通常前者的肩、肘、腰關(guān)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(diào)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(duì)于兩自由度手腕，常見的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)有：匯交式手腕和偏置式手腕。偏置式手腕末桿回轉(zhuǎn)范圍大，結(jié)構(gòu)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(dòng)末桿 Ln 自轉(zhuǎn)（γ ）；鏈輪 2 與殼體 4 相聯(lián)，轉(zhuǎn)動(dòng)后使末桿擺動(dòng)（β），從而形成兩個(gè)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(chǔ)上加一個(gè)整個(gè)手腕相對(duì)于小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度而形成的，有偏置式和匯交式。常用結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸（roll） 162，俯仰驅(qū)動(dòng)軸（pitch）164，偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸（ yaw）166 等組成。圖 1-1 兩自由度手腕結(jié)構(gòu)圖7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析3球形電機(jī)驅(qū)動(dòng)的手腕，通常手腕關(guān)節(jié)是用單自由度電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，使用三自由度的球形電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，可以將關(guān)節(jié)和電機(jī)和為一體，直接驅(qū)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng) [3]。圖 1-2 三自由度手腕結(jié)構(gòu)圖圖 1-3 球型電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三自由度手腕7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析41.1.3 國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀自從20世紀(jì)60年代初人類創(chuàng)造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以后，機(jī)器人就顯示出它極大的生命力，在短短40多年的時(shí)間中，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)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(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用 [4]。 隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的成熟和制造業(yè)對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)的需要，工業(yè)機(jī)器人得到了越來越廣泛的應(yīng)用。（1）按應(yīng)用領(lǐng)域和類型分:雖然ABB、KUKA等歐洲企業(yè)在焊接和噴涂等領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢(shì)，Brooks-PRI在半導(dǎo)體晶圓、液晶面板搬送機(jī)器人方面占有一定市場(chǎng)份額，但總體來看，日本企業(yè)在工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)份額方面占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。（2）按地域和應(yīng)用領(lǐng)域分: 在歐美市場(chǎng)，弧焊、點(diǎn)焊、噴涂等與汽車工業(yè)密切相關(guān)的工業(yè)機(jī)器人的使用臺(tái)數(shù)仍然占有很大份額。但另一方面，在全世界范圍內(nèi)，裝配用直角坐標(biāo)機(jī)器人、SCARA型機(jī)器人、單軸機(jī)器人等面向裝配和檢測(cè)的工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有了很大增長(zhǎng)，所占比例已經(jīng)達(dá)到1/3左右。此外，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在美國和亞洲，用于半導(dǎo)體晶圓和液晶面板搬送的工業(yè)機(jī)器人所占比例也越來越高。進(jìn)入90年代，在國內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)下，確定了特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，實(shí)現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的密切銜接，研制出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，并小批試產(chǎn)，完成了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，建立了9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個(gè)科研基地。我國的高等院所，如長(zhǎng)沙國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽自動(dòng)化研究所等在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及7自由度機(jī)器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)做出了可喜的成績(jī)，正在逐步縮短在機(jī)器人技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平的差距 [5]。中國首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司由中國首鋼總公司、日本株式會(huì)社安川電機(jī)和日本巖谷產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社共同投資組建,三方出資比例分別為 45%、43%和 12%,引進(jìn)日本株式會(huì)社安川電機(jī)最新 UP 系列機(jī)器人生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn) SG—MOTOMAN7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析5機(jī)器人，并設(shè)計(jì)制造應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機(jī)械、化工等行業(yè)的焊接、噴漆、裝配、研磨、切割和搬運(yùn)等領(lǐng)域的機(jī)器人、機(jī)器人工作站等。該公司目前是國內(nèi)最大、最先進(jìn)的機(jī)器人生產(chǎn)基地,年生產(chǎn)能力為 800 臺(tái)。但是，中國的首鋼莫托曼機(jī)器人工業(yè)主要是進(jìn)口日本工業(yè)機(jī)器人，只是在國內(nèi)進(jìn)行組裝而已。沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所為主發(fā)起人投資組建的高技術(shù)公司，是機(jī)器人國家工程研究中心、國家八六三計(jì)劃智能機(jī)器人主題產(chǎn)業(yè)化基地、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃成果產(chǎn)業(yè)化基地、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃成果產(chǎn)業(yè)化基地。該公司是在國內(nèi)率先通過 ISO9001 國際質(zhì)量保證體系認(rèn)證的機(jī)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(chǎn)品包括：rh6 弧焊機(jī)器人、rd120 點(diǎn)焊機(jī)器人及水切割、激光加工、排險(xiǎn)、澆注等特種機(jī)器人。在國外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)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(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。日本素有“機(jī)器人王國”之稱，其工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展令人矚目，無論機(jī)器人的數(shù)量還是機(jī)器人的密度都位居世界第一。日本安川電機(jī)(Yaskawa Electric Co.)自1977年研制出第一臺(tái)全電動(dòng)工業(yè)機(jī)器人以來，已有29年的機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)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(chǎn)13000多臺(tái)機(jī)器人產(chǎn)品，而最近2年生產(chǎn)的機(jī)器人30000多臺(tái)，超過了其他機(jī)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(gè)新的機(jī)器人制造廠，已于2005年11月運(yùn)行，2006年1月達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn)。目前，該公司每月工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)能力達(dá)到2000臺(tái)。安川電機(jī)核心工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品包括：點(diǎn)焊和弧焊機(jī)器人、油漆和處理機(jī)器人、LCD玻璃板傳輸機(jī)器人和半導(dǎo)體晶片傳輸機(jī)器人等。該公司是將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)域的最早廠商之一。2004年該公司機(jī)器人銷售收入為1051億日元，占該公司營(yíng)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(jí)工業(yè)機(jī)器人制造商之一，1973年研制開發(fā)了KUKA的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。該公司工業(yè)機(jī)器人年產(chǎn)量接近10000臺(tái)，至今已在全球安裝了60000臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。這些機(jī)器7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析6人廣泛應(yīng)用在儀器、汽車、航天、食品、制藥、醫(yī)學(xué)、鑄造、塑料等領(lǐng)域 [6]。1.1.4 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)機(jī)器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明，它在提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)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(huì)各層人士的廣泛關(guān)注。在新的世紀(jì)，機(jī)器人工業(yè)必將得到更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。（1）工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 從近幾年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)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(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。 （2）工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì) 據(jù)UNECE/IFR 預(yù)測(cè)，至2007年，全球新安裝裝機(jī)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(zhǎng)7%。其中，日本2003-2007年工業(yè)機(jī)器人的銷售將從2003年的31600增長(zhǎng)至2007年的41000套；歐洲2003-2007年工業(yè)機(jī)器人將從2003年的27100套增長(zhǎng)至2007年的34000套；北美2003-2007年工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)每年平均增長(zhǎng)5.8%，至2007年將增長(zhǎng)到16000套。 日本的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到發(fā)展的主要原因是工業(yè)機(jī)器人在以汽車、電子、電動(dòng)機(jī)等行業(yè)為代表的制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。目前日本的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相當(dāng)成熟，現(xiàn)有行業(yè)中設(shè)備的更新?lián)Q代在其市場(chǎng)中占有很大比例；然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步和機(jī)器人價(jià)格的不斷下降，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也將逐步擴(kuò)展到目前尚沒有大規(guī)模采用工業(yè)機(jī)器人的其他行業(yè)。因?yàn)槌杀痉矫娴脑?，美國和歐洲在工業(yè)機(jī)器人的推廣應(yīng)用方面一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于日本。但是，隨著近年來工業(yè)機(jī)器人價(jià)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(jī)器人。1990-2003年美國制造業(yè)的人員工資與工業(yè)機(jī)器人價(jià)格之間的關(guān)系,制造業(yè)工人的工資增加了大約60%左右。而在考慮了機(jī)器人性能提高的因素后，機(jī)器人的價(jià)格則實(shí)際上下降了大約80%。也就是說，從1990-2003年的13年時(shí)間內(nèi)，在制造業(yè)中引入工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)越性擴(kuò)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(jī)器人的主要原因。同樣，雖然由于人力成本相對(duì)較低，目前發(fā)展中國家采用工業(yè)機(jī)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，許多發(fā)展中國家在不遠(yuǎn)的將來也會(huì)積極采用工業(yè)機(jī)器人 [7]。7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析7機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：（1）工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷將下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)想模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊化中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。（3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)相基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。（4）機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力學(xué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制，多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。（5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已經(jīng)從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。（6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者于機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使之能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。（7）機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域 [8]。1.2 課題來源及選題意義機(jī)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(diǎn)的觸敏元件（如靈敏的彈簧測(cè)力計(jì)）。如果要感知冷暖，還可以裝上熱敏元件。當(dāng)觸及物體時(shí)，觸敏元件發(fā)出接觸信號(hào)，否則就不發(fā)出信號(hào)。在各指節(jié)的連接軸上裝有精巧的電位器（一種利用轉(zhuǎn)動(dòng)來改變電路的電阻因而輸出電流信號(hào)的元件），它能把手指的彎曲角度轉(zhuǎn)換成“外形彎曲信息”。把外形彎曲信息和各指節(jié)產(chǎn)生的“接觸信息”一起送入電子計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算就能迅速判斷機(jī)械手所抓的物體的形狀和大小?，F(xiàn)在，機(jī)器人的手已經(jīng)具有了靈巧的指，腕，肘和肩胛關(guān)節(jié)，能靈活自如的伸縮擺動(dòng)，手腕也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析8的重量，可以說已經(jīng)具備了人手的許多功能。在實(shí)際情況中有許多時(shí)候并不一定需要這樣復(fù)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(dòng)物體的鉗形指。1966 年，美國海軍就是用裝有鉗形人工指的機(jī)器人“科沃”把因飛機(jī)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(cè)者三號(hào)”就把一臺(tái)遙控操作的機(jī)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(duì)樣品進(jìn)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(dāng)了開路先鋒。 與應(yīng)用廣泛、十分常見的六自由度串聯(lián)機(jī)器人相比，七自由度機(jī)械人具有明顯優(yōu)勢(shì),運(yùn)動(dòng)空間增大。它具有以下十分突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這是由于上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)經(jīng)由 7 個(gè)液壓缸的支撐；（2）承載能力強(qiáng)。由于剛度大，較串聯(lián)式機(jī)構(gòu)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(dòng)力性能好。傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)在笛卡兒空間對(duì)機(jī)器人或環(huán)境中用符號(hào)進(jìn)行描述，然后實(shí)施規(guī)劃和控制。其中 7-DOF 并聯(lián)機(jī)器人由于機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作空間大、實(shí)時(shí)控制容易，具有較好的應(yīng)用前景 [9]。1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容本文從實(shí)際工程項(xiàng)目出發(fā)，以日本安川 7 自由度工業(yè)焊弧機(jī)器人 VA1400為研究對(duì)象，針對(duì)其腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容有：（1）調(diào)研首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司，對(duì) MOTOMAN-VA14007 自由度工業(yè)機(jī)器人的腕部 R、B 、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了解與分析；（2）參考 VA1400 產(chǎn)品說明書及使用說明書，了解此款機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)方式及其分配。（3）對(duì) 7 自由度機(jī)器人的腕部關(guān)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)電機(jī)、減速器、同步帶進(jìn)行設(shè)計(jì)、選型和校核；（4）利用 UG NX6.0 軟件建立機(jī)器人腕關(guān)節(jié)系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，為后續(xù)的系統(tǒng)仿真做準(zhǔn)備；（5）利用 ANSYS 軟件對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)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(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析9第二章 七自由度機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)總體方案設(shè)計(jì)2.1 MOTOMAN-VA1400 機(jī)器人的特點(diǎn)由于本課題仿照日本安川公司 MOTOMAN-VA1400 此款機(jī)器人進(jìn)行機(jī)器手臂的設(shè)計(jì)，在此提出其特點(diǎn)，作為設(shè)計(jì)依據(jù)。該機(jī)器人工作范圍大，動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)較緊湊，外形美觀簡(jiǎn)潔，應(yīng)用于弧焊焊接。圖 2-1 MOTOMAM-VA1400 外形圖 2-2 機(jī)器人 MOTOMAN-VA1400 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析102.2 機(jī)器人腕部的設(shè)計(jì)特點(diǎn)手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機(jī)器人操作機(jī)的最末端，其功能是在手臂和腰部實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)坐標(biāo)位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度。一個(gè)好的機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使其機(jī)械系統(tǒng)的持重—自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)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(dòng)態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機(jī)，它的性能是機(jī)器人設(shè)計(jì)追求的目標(biāo) [10]。從機(jī)構(gòu)學(xué)原理分析，人體手臂是一個(gè)典型的串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)合體，肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)一起構(gòu)成串聯(lián)機(jī)構(gòu)形式的人體手臂。串聯(lián)機(jī)構(gòu)仍然是仿人手臂的主要機(jī)構(gòu)形式。本課題設(shè)計(jì)一款串聯(lián) 7 自由度弧焊工業(yè)機(jī)器人的腕部結(jié)構(gòu)，能持重 3kg。2.3 機(jī)器人腕關(guān)節(jié)技術(shù)要求根據(jù)安川公司 MOTOMAN-VA1400 機(jī)器人用于弧焊焊接，及其工作特點(diǎn)，參考其工作、使用說明書提出以下參數(shù)：表 1 機(jī)器人腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)軸 最大運(yùn)動(dòng)范圍最大角速度 轉(zhuǎn)速 各關(guān)節(jié)允許極限力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量R 腕部扭轉(zhuǎn) -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(zhuǎn) -200-+200 610 10.65 2.9 0.037 個(gè)自由度；垂直關(guān)節(jié)型坐標(biāo)形式；精度：-0.08～+0.08；有效載荷：3kg2.4 腕部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案分析機(jī)器人腕部包含 3 個(gè)自由度：R 腕部扭轉(zhuǎn)、B 腕部俯仰和 T 腕部回轉(zhuǎn)。在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)平移關(guān)節(jié)來講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。綜合各種手臂構(gòu)形，最后確定腕部采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)形式7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析11如下圖：2.5 腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三種形式。液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，適合于大負(fù)載的情形。液壓驅(qū)動(dòng)的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)在于它的安全性。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)適合于快節(jié)拍、負(fù)載小且精度要求不高的場(chǎng)合。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)可細(xì)分為以下幾種：（1）交流伺服電動(dòng)機(jī)：包括同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)及反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)：包括小慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)適合于中等負(fù)載，特別適合于動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的各類機(jī)器人 [11]。由于本課題研究機(jī)器人腕關(guān)節(jié)，其額定負(fù)載較小，考慮到工業(yè)機(jī)器人多以交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)關(guān)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(jī)驅(qū)動(dòng)。2.6 腕部關(guān)節(jié)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腕部關(guān)節(jié)與臂部 U 關(guān)節(jié)相連接，將驅(qū)動(dòng) R 關(guān)節(jié)的電機(jī)安裝在 U 臂部里，腕部 R 關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)腕部 B 關(guān)節(jié)俯仰腕部 T 關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)圖 2-3 腕部 R、B 、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析12輸出軸經(jīng)過齒輪傳遞給減速器，由輸出軸帶動(dòng) R 關(guān)節(jié)，完成腕部扭轉(zhuǎn)。在 R 關(guān)節(jié)內(nèi)安裝驅(qū)動(dòng) B 關(guān)節(jié)的電機(jī)，輸出軸連接滑輪，經(jīng)過同步傳動(dòng)帶傳動(dòng)，經(jīng)減速器減速后，由輸出軸帶動(dòng) B 關(guān)節(jié)，完成腕部俯仰。在 B 關(guān)節(jié)內(nèi)部安裝驅(qū)動(dòng) T 關(guān)節(jié)的電機(jī)，輸出軸連接滑輪，經(jīng)同步帶傳送至減速器，減速后輸出軸帶動(dòng) T 關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)。2.7 本章小結(jié)本章首先闡述了所要研究的 MOTOMAN-VA1400 七自由度機(jī)器人腕部的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及要求，其次根據(jù)要求對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，具體包括關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)。其外形則仿照 MOTOMAN-VA1400。交流伺服電機(jī)輸出軸輸出軸減速器同步帶交流伺服電機(jī)輸出軸減速器同步帶交流伺服電機(jī)減速器齒輪B 腕部關(guān)節(jié)R 腕部關(guān)節(jié)U 臂部關(guān)節(jié)圖 2-4 腕部傳動(dòng)設(shè)計(jì)示意圖7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析13第三章 腕部 R、 B、T 關(guān)節(jié)電機(jī)，減速器和同步帶的選擇本章在結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上利用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行理論計(jì)算，包括電機(jī)、減速器和 B、T 關(guān)節(jié)同步帶的選型及理論計(jì)算。3.1 R、B、T 關(guān)節(jié)選型計(jì)算3.1.1 R 關(guān)節(jié)選型計(jì)算腕部回轉(zhuǎn)由電機(jī)通過減速器傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)。已知：R 關(guān)節(jié)質(zhì)量 ，其最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑13.mkg?20Rm?腕部擺動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(3-1)2231 220.13.0.7Jlmkg?????——手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量，約為 ；1mkg——腕部總質(zhì)量，約為 。2 13.k設(shè)機(jī)器人腕部俯仰角速度從 加速到 所需時(shí)間 ，0w?410s?0.217ts?則腕部俯仰角加速度(3-2)21840.7359atrds???當(dāng)末端執(zhí)行器與小臂相互垂直，并且位于水平面內(nèi)時(shí)，其轉(zhuǎn)距最大。腕部俯仰啟動(dòng)慣性矩(3-3)3.02715.86TJaNm??負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩（靜摩擦力矩忽略不計(jì)）7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析14(3-4)139.8024MmglN???靜則腕部俯仰總轉(zhuǎn)矩 38.T?考慮到機(jī)器人的小臂的各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)矩1.k?(3-5)31.84kTNm????按最高轉(zhuǎn)速選擇機(jī)型。R 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角速度 ，由于該關(guān)節(jié)選擇 ，該關(guān)節(jié)總10ws??30innr?傳動(dòng)比 1i(3-6)1360413.9niw????額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；減速比： 。1.4Nmi?取減速器傳動(dòng)的傳動(dòng)效率均取 ，交流伺服電機(jī)應(yīng)輸出的力矩：0.85?(3-7)1.40.8536outTinNm??電機(jī)轉(zhuǎn)速 602nπω ?電機(jī)額定功率 p（3-8 ）.2036.9outTwk???7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析15額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；額定功率 ；額定轉(zhuǎn)速： 。0.63Nm20w30;2rpmV3.1.2 B 關(guān)節(jié)選型計(jì)算腕部擺動(dòng)由交流伺服電機(jī)通過同步帶和減速器機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。已知：手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離 ，腕部當(dāng)量10l?回轉(zhuǎn)半徑 20Rm?腕部俯仰時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(3-9)22212230.3.0.7JlmRkg?????——手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量，約為 ；1mkg——腕部總質(zhì)量，約為 。2 13.k設(shè)機(jī)器人腕部俯仰角速度從 加速到 所需時(shí)間 ，則0w?410s?0.3ts?腕部俯仰角加速度(3-10)21840.37atrds???腕部俯仰啟動(dòng)慣性矩(3-11)2.0715.86TJaNm??負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩（靜摩擦力矩忽略不計(jì)）(3-12)139.8024MglN???靜則腕部俯仰總轉(zhuǎn)矩 28.Tm?考慮到機(jī)器人的各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析16，則減速器所需要的輸出額定轉(zhuǎn)矩1.3k?(3-13)21.384kNm????按最高轉(zhuǎn)速選擇機(jī)型。設(shè)同步帶傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比為 ，B 腕部擺動(dòng)關(guān)節(jié)角速度 ，02i?410ws??由于該關(guān)節(jié)選擇 ，該關(guān)節(jié)總傳動(dòng)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(zhuǎn)矩： ；減速比：1.4Nm2i取同步帶、減速器傳動(dòng)的傳動(dòng)效率均取 ，交流伺服電機(jī)應(yīng)輸出的力0.95??矩：(3-16)1.40.9527outTinNm??電機(jī)轉(zhuǎn)速 260nw??電機(jī)額定功率 p（3-17 ）.207436.8outTwk???額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；額定功率 ；額定轉(zhuǎn)速： 。0.37Nm30;2rpmV從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速： ，主26innr?7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析17動(dòng)輪轉(zhuǎn)速： ，同步帶輸入轉(zhuǎn)矩 ，輸102.68.31.minnir???0.274TNm?入最高工作角速度（主動(dòng)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(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[13]中表 14.1-55 中，查得載荷修正系數(shù) ，1.8AK?因?yàn)槲词褂脧埦o輪，又是減速傳動(dòng)，故附加修正系數(shù)均為零。則，設(shè)計(jì)功率 dp(3-19).183927.04dApKW??根據(jù) 和 ，查機(jī)械手冊(cè)表，由圖 14.1-14 確定為7.0429dP?16ransXL 型，對(duì)應(yīng)節(jié)距為 。5.8bpm根據(jù)帶型 XL 和小帶輪轉(zhuǎn)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(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)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?yàn)?且 ，所以初設(shè)軸距????120120.7dad???0476.46a?。am?帶長(zhǎng)及其齒數(shù)：(3-26)21210 02()()249.38(.39.4)0.36ddLaam???????由表 14.1-51 查得應(yīng)選用帶長(zhǎng)代號(hào)為 120 的 XL 型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線上的齒數(shù) 。304.8PL?0z?實(shí)際軸間距 ：此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整a(3-27)00234.89.616.pLam????7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)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?yàn)?時(shí)， 。09.5sm?6z?6mz?1zk?(3-32)1.49572sb?由表 14.1-52 查得，應(yīng)選帶寬代號(hào)為 037 的 XL 型帶，其 9.5sb?3.1.3T 關(guān)節(jié)選型計(jì)算腕部旋轉(zhuǎn)由電機(jī)通過同步帶和減速器機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。已知：T 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑 ，焊具的總重量20Rm?。3mkg?轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：21230.JmRkg??? （3-33 ）設(shè)機(jī)器人手部角速度 ω 從 0 加速到 所需時(shí)間 ，則其角加速61s?0.1ts?7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析20度(3-34)21806.97watrds???負(fù)載啟動(dòng)慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計(jì)）(3-35)1.039672.TJaNm???考慮到機(jī)器人的各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)矩1.3k?(3-36).1329.7TkMNm???按最高轉(zhuǎn)速選擇機(jī)型。設(shè)同步帶傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比為 ，T 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角速度 ，03i?610ws??由于每一個(gè)關(guān)節(jié)選擇 ，該關(guān)節(jié)總傳動(dòng)比3nnr?1i(3-37)1360129.530iw????減速器減速比 為：i（3-38 ）130i?額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；減速比： 。.7Nm1i?取同步帶、減速器傳動(dòng)的傳動(dòng)效率均取 ，交流伺服電機(jī)應(yīng)輸出的力0.95?矩：1.370.952outTinNm?? (3-39)7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析21電機(jī)轉(zhuǎn)速 260nw??電機(jī)額定功率 p（3-40 ）.20136.4outTwk???額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；額定功率 ；額定轉(zhuǎn)速： 。0.318Nm30;2rpmV從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速： ，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速： ，同267innr?12.5.1inni?步帶輸入轉(zhuǎn)矩可輸入最高工作角速度（主動(dòng)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(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[13]中表 14.1-55 中，查得載荷修正系數(shù) ，2.0AK?因?yàn)槲词褂脧埦o輪，又是減速傳動(dòng)，故附加修正系數(shù)均為零。則設(shè)計(jì)功率：dp(3-42).204178.3dAPKW??根據(jù) 和 ，查機(jī)械手冊(cè)表，由圖 14.1-14 確定為8.43dP?15minrnXL 型，對(duì)應(yīng)節(jié)距為 。.0b根據(jù)帶型 XL 和小帶輪轉(zhuǎn)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(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)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?yàn)?且 ，所以初設(shè)軸距????120120.7dad???054.385.28a?。am?帶長(zhǎng)及其齒數(shù)：(3-49)21210 02()()249.58(.9.4)035.67ddLaam???????由表 14.1-51 查得應(yīng)選用帶長(zhǎng)代號(hào)為 130 的 XL 型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析23，節(jié)線上的齒數(shù) 。30.2PLm?65z?實(shí)際軸間距 ：此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)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?yàn)?時(shí)， 。09.5sm6z?6mz?1zk?(3-54)1.45830sb??由表 14.1-52 查得，應(yīng)選帶寬代號(hào)為 025 的 XL 型帶，其 。6.4sb?7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析243.2 電機(jī)的選型為了保證焊接機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能，要求并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有良好的快速響應(yīng)特性。隨著控制信號(hào)的變化，電機(jī)應(yīng)在較短的時(shí)間內(nèi)完成必須的動(dòng)作。負(fù)載慣量與電機(jī)的響應(yīng)和快速移動(dòng) ACC/DEC 時(shí)間息息相關(guān)。帶大慣量負(fù)載時(shí)，當(dāng)速度指令變化時(shí)，電機(jī)需較長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)這一速度，當(dāng)二軸同步插補(bǔ)進(jìn)行圓弧高速切削時(shí)大慣量的負(fù)載產(chǎn)生的誤差會(huì)比小慣量的大一些。日本安川公司研制的 MOTOMAN-VA1400 選用的電機(jī)是 SGMRV 系列，由于，這個(gè)系列的電機(jī)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(jī)代替，相應(yīng)地改動(dòng) MOTOMAN-VA1400 的外形。根據(jù)計(jì)算綜合考慮：R 關(guān)節(jié)電機(jī)選?。盒吞?hào) SGMPH-02A-YR；額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；額定0.637Nm功率 ；額定轉(zhuǎn)速： 。20w30;2rpmVB 關(guān)節(jié)電機(jī)選?。盒吞?hào) SGMPH-02A-YR；額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；額定.功率 ；額定轉(zhuǎn)速： 。;T 關(guān)節(jié)電機(jī)選?。盒吞?hào) SGMPH-01A-YR；額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；額定0.318功率 ；額定轉(zhuǎn)速： 。1030;2rpV3.3 減速器的選型減速機(jī)是一種相對(duì)精密的機(jī)械，使用它的目的是降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩。它的種類繁多，型號(hào)各異，不同種類有不同的用途。以下是常用的減速機(jī)分類： （1）擺線針輪減速機(jī)；（2）硬齒面圓柱齒輪減速器；（3）行星齒輪減速機(jī)；（4）軟齒面減速機(jī)；（5）三環(huán)減速機(jī)；（6）起重機(jī)減速機(jī)；（7）蝸桿減速機(jī)；（8）軸裝式硬齒面減速機(jī)；（9）無級(jí)變速器。根據(jù)計(jì)算綜合考慮：R 關(guān)節(jié)減速器選?。喊泊C(jī)械手專用減速器，額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；1.4Nm減速比： 。4i?7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析25B 關(guān)節(jié)減速器選取：安川機(jī)械手專用減速器，額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；1.4Nm減速比： 。2i?T 關(guān)節(jié)減速器選?。喊泊C(jī)械手專用減速器，額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；3.7減速比： 。10i3.4 傳送帶的選型同 步 帶 傳 動(dòng) 是 由 一 根 內(nèi) 周 表 面 設(shè) 有 等 間 距 齒 形 的 環(huán) 行 帶 及 具 有 相 應(yīng) 吻 合的 輪 所 組 成 。 它 綜 合 了 帶 傳 動(dòng) 、 鏈 傳 動(dòng) 和 齒 輪 傳 動(dòng) 各 自 的 優(yōu) 點(diǎn) 。 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ， 通過 帶 齒 與 輪 的 齒 槽 相 嚙 合 來 傳 遞 動(dòng) 力 。 同 步 帶 傳 動(dòng) 具 有 準(zhǔn) 確 的 傳 動(dòng) 比 ， 無 滑差 ， 可 獲 得 恒 定 的 速 比 ， 傳 動(dòng) 平 穩(wěn) ， 能 吸 振 ， 噪 音 小 ， 傳 動(dòng) 比 范 圍 大 ， 一 般可 達(dá) 1:10。同 步 帶 的 特 點(diǎn) ：（ 1） 傳 動(dòng) 準(zhǔn) 確 ， 工 作 時(shí) 無 滑 動(dòng) ， 具 有 恒 定 的 傳 動(dòng) 比 ；（ 2） 傳 動(dòng) 平 穩(wěn) ， 具 有 緩 沖 、 減 振 能 力 ， 噪 聲 低 ；（ 3） 傳 動(dòng) 效 率 高 ， 可 達(dá) 0.98， 節(jié) 能 效 果 明 顯 ；（ 4） 維 護(hù) 保 養(yǎng) 方 便 ， 不 需 潤(rùn) 滑 ， 維 護(hù) 費(fèi) 用 低 ；（ 5） 速 比 范 圍 大 ， 一 般 可 達(dá) 10， 線 速 度 可 達(dá) ， 具 有 較 大 的 功 率50ms傳 遞 范 圍 ， 可 達(dá) 幾 瓦 到 幾 百 千 瓦 ；（ 6） 可 用 于 長(zhǎng) 距 離 傳 動(dòng) ， 中 心 距 可 達(dá) 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(jiǎn)稱為單面帶和雙面帶。雙面帶又按齒的排列方式分為對(duì)稱齒型（代號(hào) DA)和交錯(cuò)齒型(代號(hào) 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(jù) ISO 5296 制訂了同步帶傳動(dòng)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11361～ 11362-1989 和 GB/T 11616-1989?；↓X同步帶除了齒形為曲線形外，其結(jié)構(gòu)與梯形齒形同步帶基本相同，帶的節(jié)距相當(dāng)，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(yīng)力分布狀態(tài)較好，平緩了齒根的應(yīng)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(shí)噪聲小，不需潤(rùn)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(yīng)用。本文采用雙面梯形齒型同步帶。根據(jù)計(jì)算綜合考慮：7 自由度工業(yè)機(jī)器人腕部 R、B、T 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析26T 關(guān)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(guān)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(jié)本章對(duì)腕部 R、B 、T 三個(gè)關(guān)節(jié)的減速器、電機(jī)、傳送帶進(jìn)行選型和校核。根據(jù) MOTOMAN-VA1400 的結(jié)構(gòu)圖和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行理論分析并從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)選擇方便使用和購買的型號(hào)。