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摘 要
機器人技術(shù)是一門綜合學(xué)科，包含有機械設(shè)計、機械原理、電子設(shè)計、軟件工程、材料科學(xué)、以及仿生學(xué)等一系列基礎(chǔ)學(xué)科。作為現(xiàn)代化高新技術(shù)，其應(yīng)用于各式各樣的場合，尤其突出的是在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。機械制造業(yè)的基本發(fā)展方向是既要增加產(chǎn)品數(shù)量，又要提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時還要降低成本。機器人技術(shù)恰恰能夠較好的處理好制造業(yè)中這幾個方面的問題，它把人類從完成機械重復(fù)的枯燥勞動中解放出來，補充了對簡單勞動各種增長的需要。
本畢業(yè)設(shè)計概述了工業(yè)機器人的分類、歷史、以及發(fā)展趨勢。探討了用于金屬切削機床的M10型工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)和手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)。重點在對于手腕轉(zhuǎn)動組件的分析與設(shè)計，首先是原理分析，其次是其各個部件作用，最后對于其主要零部件進行了設(shè)計，包括計算、結(jié)構(gòu)等方面的問題。例如軸承選用、軸的設(shè)計、蝸桿傳動的選擇。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；機械制造；機器人總體結(jié)構(gòu)；手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)
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Abstract
Robot technology is a comprehensive discipline，it includes mechanical design, mechanical principle, electronics design, software engineering, materials science, and bionics and so on a series of basic subjects.As a modern technology, its application in a wide variety of situations, especially the application in the field of manufacturing.the basic direction of machinery manufacturing industry is to increase the product quantity, and to improve the quality of products, but also reduce the cost.The robot technology can well handle the problems in the manufacturing industry.It freed mankind from the dull work of the mechanical repetition and added the needs of the various growth in simple labor.This graduation design outlines the classification, history, and development trend of industrial robots.The overall structure and wrist institutions of the type M10 industrial robots which used for metal cutting machine tools is discussed.Focuses on the analysis and design for the wrist rotation components, first is the principle analysis, the second is its role in components, finally is the design of the main components, including calculation, structure and other aspects. Such as bearing selection, shaft design, selection of worm drive shaft.
Keywords：Industry robot；Machinery manufacturing；General structure of robot；Wrist institutions.
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計
目 錄
第一章 前言………………………………………………………………………………1
1.1 工業(yè)機器人概述………………………………………………………………………1
1.2 工業(yè)機器人驅(qū)動方式…………………………………………………………………1
1.2.1 氣動式工業(yè)機器人……………………………………………………………1
1.2.2 液壓式工業(yè)機器人……………………………………………………………1
1.2.3 電動式工業(yè)機器人……………………………………………………………2
1.3 工業(yè)機器人的分類……………………………………………………………………2
1.3.1 按承載能力分…………………………………………………………………2
1.3.2 按生產(chǎn)形式分…………………………………………………………………2
1.4 工業(yè)機器人的歷史……………………………………………………………………3
1.5 工業(yè)機器人的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢…………………………………………………5
1.5.1 工業(yè)機器人的技術(shù)現(xiàn)狀………………………………………………………5
1.5.2 工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢………………………………………………………5
第二章 工業(yè)機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………7
2.1 工業(yè)機器人設(shè)計內(nèi)容與要求…………………………………………………………7
2.1.1 工業(yè)機器人在制造領(lǐng)域主要作用……………………………………………7
2.1.2 工業(yè)機器人主要設(shè)計內(nèi)容……………………………………………………7
2.2 工業(yè)機器人的總體設(shè)計………………………………………………………………7
2.2.1 M10型工業(yè)機器人總體結(jié)構(gòu)圖…………………………………………………8
2.2.2 M10型工業(yè)機器人主要設(shè)計參數(shù)………………………………………………8
2.3 工業(yè)機器人的驅(qū)動方式選擇…………………………………………………………9
2.4 工業(yè)機器人的運動學(xué)分析…………………………………………………………12
2.4.1 M10型工業(yè)機器人運動學(xué)簡圖………………………………………………12
2.4.2 M10型工業(yè)機器人運動分析…………………………………………………13
2.4.3 結(jié)合運動學(xué)簡圖和總體結(jié)構(gòu)圖的綜合分析…………………………………13
2.5 工業(yè)機器人的材料選擇……………………………………………………………13
2.5.1 材料選擇的基本要求…………………………………………………………13
2.5.2 結(jié)構(gòu)材料介紹…………………………………………………………………14
第三章 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………16
3.1 工業(yè)機器人手腕介紹………………………………………………………………16
3.1.1 設(shè)計要求………………………………………………………………………16
3.1.2 手腕的結(jié)構(gòu)……………………………………………………………………17
3.2 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)Ⅰ運動分析和電動機的選擇………………………………………19
3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)Ⅰ結(jié)構(gòu)圖………………………………………………………19
3.2.2 運動分析………………………………………………………………………19
3.3 電動機的選擇………………………………………………………………………19
3.3.1 選擇電動機類型………………………………………………………………19
3.3.2 選擇電動機的容量……………………………………………………………20
3.3.3 確定電動機轉(zhuǎn)速………………………………………………………………20
3.4 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)Ⅱ氣動原理和運動結(jié)構(gòu)分析………………………………………21
3.4.1 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)氣動原理圖……………………………………………………21
3.4.2 氣動原理圖分析………………………………………………………………21
3.4.3 結(jié)構(gòu)圖…………………………………………………………………………22
3.4.4 運動分析………………………………………………………………………22
3.5 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)軸承和鍵的選擇……………………………………………………22
3.5.1 常用軸承類型及選擇…………………………………………………………22
3.5.2常用軸承類型及選擇…………………………………………………………23
3.5.3 鍵的選擇………………………………………………………………………28
第四章 典型零件設(shè)計…………………………………………………………………29
4.1 軸的設(shè)計與校核……………………………………………………………………29
4.1.1 軸用途及分類…………………………………………………………………29
4.1.2 軸設(shè)計的主要內(nèi)容……………………………………………………………29
4.1.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………………29
4.1.4 軸的強度校核計算……………………………………………………………30
4.2 蝸桿傳動的選擇……………………………………………………………………35
4.2.1 蝸桿傳動的介紹………………………………………………………………35
4.2.2 蝸桿傳動的類型………………………………………………………………35
4.2.3 蝸桿傳動主要參數(shù)介紹………………………………………………………36
4.2.4 渦輪蝸桿參數(shù)選擇……………………………………………………………38
第五章 結(jié)論……………………………………………………………………………42
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………43
致謝…………………………………………………………………………………………44
第1章 前言
1.1 工業(yè)機器人概述
工業(yè)機器人是一種模擬人手臂、手腕和手功能的機電一體化裝置，其應(yīng)用領(lǐng)域分為很多種類，從常用的機器人系列和市場占有率來看，焊接、裝配、搬運、上料/卸料、鑄造、沖壓和噴漆是主要的工業(yè)機器人品種。
工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈由零部件企業(yè)、本體企業(yè)、系統(tǒng)集成商、代理商、終端客戶構(gòu)成。當(dāng)前，工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域正不斷拓寬，種類更加繁多，功能越來越強，自動化和智能化水平顯著提高。據(jù)國際機器人聯(lián)合會統(tǒng)計，來自汽車整車及零部件工業(yè)的需求，合計占工業(yè)機器人下游總需求的60%左右。在亞洲，電子電氣工業(yè)對工業(yè)機器人的需求僅次于汽車工業(yè)排名第二。
在加速科技進步中機械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用，其任務(wù)是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨立單元轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊a(chǎn)綜合體（自動化工段、生產(chǎn)線和自動化車間），將來甚至實現(xiàn)自動化工廠。這種自動化生產(chǎn)最重要的特點是具有柔性，它能預(yù)料到，在節(jié)省勞力（或無人）情況下，根據(jù)工藝條件調(diào)整設(shè)備，以適應(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。
當(dāng)代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進步的催化劑的機床制造、機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)的加速發(fā)展。工業(yè)機器人是多品種經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動化的通用手段。在機械制造中，工業(yè)機器人既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工業(yè)機器人與傳統(tǒng)自動化手段不同之處，首先在于它在各種生產(chǎn)功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、鍛壓機床、鑄造機械和倉儲設(shè)備上，以完成傳送、裝配和其它操作。工業(yè)機器人和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機器人技術(shù)綜合體-柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。
1.2 工業(yè)機器人驅(qū)動方式
1.2.1氣動式工業(yè)機器人
這類工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅(qū)動操作機，其優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單造價低，無污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性較差，有因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。
1.2.2液壓式工業(yè)機器人
液壓壓力比氣壓壓力高很多，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業(yè)機器人具有較大的抓舉能力，可以達(dá)到上千牛頓。這類工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。
1.2.3電動式工業(yè)機器人
這是目前用的最多的一類工業(yè)機器人，不僅因為電動機品種多，為工業(yè)機器人設(shè)計提供了多種選擇，也因為他們可以運用多種靈活控制方法。早起多采用步進電機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元，目前交流伺服驅(qū)動單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動單元或是直接驅(qū)動操作機，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅(qū)動，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡單。
1.3 工業(yè)機器人的分類
1.3.1按承載能力分
（1）超輕型（1.0kg以下）——0.08；0.16；0.32；0.63
（2）輕型（1.0kg以上~10kg）——1.25；2.5；5.0；10.0
（3）中型（10kg以上~100kg）——20；40；80
（4）重型（100kg以上~1000kg）——160；250；500；1000；
（5）超重型（1000kg以上）——1250；1500；2000；2500；3000；5000；7500；10000；
1.3.2按生產(chǎn)形式分
（1） 鑄造生產(chǎn)中的工業(yè)機器人
工業(yè)機器人在鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是在壓鑄機上、噴砂處理和噴丸處理情理上和鑄件運輸上。
工業(yè)機器人所完成的基本功能是：從機器工作區(qū)域取出鑄件，依次將鑄件移送到檢測位置，進入冷卻裝置，放入切邊機的壓膜中，從壓膜中拿走，分放在包裝箱中，將泥芯放到鑄造砂型中并澆注金屬。
用于鑄造生產(chǎn)中的工業(yè)機器人應(yīng)具有特殊結(jié)構(gòu)形式，以防止周圍介質(zhì)的作用；如控制柜、控制臺、導(dǎo)軌以及摩擦表面的密封，將控制系統(tǒng)布置在獨立單元中等等。
完善用于壓鑄機和熱塑自動機的機器人應(yīng)朝著增加運行的快速性和可靠性方向發(fā)展?？梢灶A(yù)料，簡化結(jié)構(gòu)的專用工業(yè)機器人的生產(chǎn)會增加，同時建造組合模塊原則的工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)也會得到發(fā)展。
（2）鍛壓設(shè)備中的工業(yè)機器人
在鍛壓生產(chǎn)中應(yīng)用的工業(yè)機器人，其功能包括：從規(guī)定位置夾持毛坯，移送到工作位置，從一個位置轉(zhuǎn)放到另一個位置（其中包括轉(zhuǎn)動），取下成品件并將其放到包裝箱中，抓放廢料，發(fā)出控制機器人技術(shù)綜合裝置的指令。鍛壓機用的工業(yè)機器人有：1）用于曲柄壓力機，模壓曲柄彎管機，螺旋壓力機；2）用于熱模壓力機。
（3）金屬切削機床用的工業(yè)機器人
在柔性生產(chǎn)單元、工段和生產(chǎn)線和制造中等批量和單件毛坯生產(chǎn)的自動化相結(jié)合時，采用工業(yè)機器人是最有成效的。
工業(yè)機器人所完成的基本功能是：在機床工作空間內(nèi)安裝事先已定向的毛坯，從機床上取下零件并放入包裝箱中，翻轉(zhuǎn)零件清洗零件和夾具的基準(zhǔn)面，發(fā)出工藝指令，檢測零件。由于采用輔助裝置和機構(gòu)，可以擴大工業(yè)機器人的功能。
新研制的工業(yè)機器人的特點在于其基本組合模塊結(jié)構(gòu)，這樣就能拿得到基本型號的變型機構(gòu)。
（4）裝配用工業(yè)機器人
在裝配生產(chǎn)中工業(yè)機器人即可為自動裝配機服務(wù)，又可直接用來完成裝配作業(yè)。為實現(xiàn)工業(yè)機器人操作必須保證：
1） 在垂直方向上手臂應(yīng)能做直線運動;
2） 結(jié)構(gòu)沿垂直軸方向上要有足夠高的剛度，承受在裝配圖方向上產(chǎn)生相當(dāng)大的作用力；
3） 有補償定位誤差的可能性；
4） 工作機構(gòu)能做高速運動。
考慮到上述要求，裝配機器人合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是帶有在水平面上鉸接的工作手臂和具有垂直行程的工作機構(gòu)。工業(yè)機器人的承載能力不超過40kg，此外，裝配工業(yè)機器人的特點是具有很靈活的操作機和較大的工作空間以及相當(dāng)緊湊的結(jié)構(gòu)。
（5）金屬電鍍車間設(shè)備用的工業(yè)機器人
在電鍍槽上服務(wù)或完成涂漆作業(yè)的工業(yè)機器人可用于工業(yè)各個領(lǐng)域內(nèi)如電鍍法、化學(xué)法、和陽極機械法在零件上涂層。
這類工業(yè)機器人的發(fā)展方向是依靠提高操作機移動速度并研制電傳動的結(jié)構(gòu)來提高勞動生產(chǎn)率，同時還要減少金屬消耗量和所占工作面積。
1.4 工業(yè)機器人的歷史
已知最早的工業(yè)機器人，符合ISO定義是由“條例”格里菲斯P·泰勒于1937年完成并出版的Meccano雜志，1938年3月。幾乎完全是用吊車狀裝置建成的Meccano件和動力由單個電動機。運動五軸是可能的，包括搶而搶旋轉(zhuǎn)。自動化是用穿孔紙帶通電螺線管，這將有利于起重機的控制桿的運動來實現(xiàn)的。該機器人可以在預(yù)先設(shè)定的圖案疊積木。需要為每個所需的運動馬達(dá)的轉(zhuǎn)數(shù)，第一次繪制在坐標(biāo)紙上。然后這個信息被轉(zhuǎn)移到紙帶上，從而也推動了機器人的單個馬達(dá)。1997，克里斯舒特建造的機器人的完整副本。
喬治·迪沃申請了第一個機器人的專利在1954年（1961年授予）。制作機器人的第一家公司是Unimation，由迪沃并成立約瑟夫F. Engelberger于1956年，并且是基于迪沃的原始專利。Unimation機器人也被稱為可編程移機，因為一開始他們的主要用途是從一個點傳遞對象到另一個，不到十英尺左右分開。他們用液壓 執(zhí)行機構(gòu)，并編入關(guān)節(jié) 坐標(biāo)，即在一個教學(xué)階段進行存儲和回放操作中的各關(guān)節(jié)的角度。他們是精確到一英寸的1 / 10,000。Unimation后授權(quán)其技術(shù)，川崎重工和GKN，制造Unimates分別在日本和英國。一段時間以來Unimation唯一的競爭對手是美國辛辛那提米拉克龍公司 的俄亥俄州。這從根本上改變了20世紀(jì)70年代后期，幾個大財團的日本開始生產(chǎn)類似的工業(yè)機器人。
1969年，維克多·沙因曼在斯坦福大學(xué)發(fā)明了斯坦福大學(xué)的手臂，全電動，6軸多關(guān)節(jié)型機器人的設(shè)計允許一個手臂的解決方案。這使得它精確地跟蹤在太空中任意路徑拓寬了潛在用途的機器人更復(fù)雜的應(yīng) 用，如裝配和焊接。沙因曼則設(shè)計了第二臂的MIT 人工智能實驗室，被稱為“麻省理工學(xué)院的手臂?！?沙因曼，接收獎學(xué)金從Unimation發(fā)展他的設(shè)計后，賣給那些設(shè)計以Unimation誰進一步發(fā)展他們的支持，通用汽車公司，后來它上市的可編程的通用機裝配（PUMA）。
工業(yè)機器人在歐洲起飛相當(dāng)快，既ABB機器人和庫卡機器人帶來機器人市場在1973年ABB機器人（原ASEA）推出IRB 6，世界上首位市售全電動微型處理器控制的機器人。前兩個IRB 6機器人被出售給馬格努森在瑞典進行研磨和拋光管彎曲并在1974年1月被安裝在生產(chǎn)同樣是在1973年，庫卡機器人建立了自己的第一個機器人，被稱為FAMULUS，也1第一關(guān)節(jié)機器人具有6機電驅(qū)動軸。
在機器人技術(shù)在20世紀(jì)70年代后期，許多美國公司的興趣增加進入該領(lǐng)域，包括大公司，如通用電氣和通用汽車公司（這就形成合資 FANUC機器人與FANUC日本LTD）。美國創(chuàng)業(yè)公司包括Automatix和嫻熟技術(shù)，公司在機器人熱潮在1984年的高度，Unimation收購了西屋電氣公司107萬美元。西屋出售Unimation以史陶比爾法韋日SCA的法國于1988年，還在進行關(guān)節(jié)型機器人用于一般工業(yè)和潔凈室應(yīng)用，甚至買的機器人事業(yè)部，博世于2004年底。
只有少數(shù)的非日本公司管理，最終在這個市場中生存，其中主要的有：嫻熟技術(shù)，史陶比爾，Unimation，在瑞典 - 瑞士公司ABB阿西亞·布朗Boveri公司，在德國公司的KUKA機器人與意大利公司柯馬。
1.5 工業(yè)機器人的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.5.1工業(yè)機器人的技術(shù)現(xiàn)狀
工業(yè)機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起 著越來越重要的作用。國外專家預(yù)測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)和國際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入20世紀(jì)90年代，機器人產(chǎn)品發(fā) 展速度加快，年增長率平均在10%左右。2004年增長率達(dá)到創(chuàng)記錄的20%。其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，高達(dá)43%。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆 機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。
1.5.2工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢
工業(yè)機器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)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(guān)注。在新的世紀(jì)，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(yīng)用。
（1）工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展趨勢
從近幾年世界機器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機器人技術(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)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實用化；工作環(huán)境設(shè)計的優(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)機器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢
據(jù)UNECE/IFR預(yù)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。
（3）國外機器人領(lǐng)域發(fā)展趨勢
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(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機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(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，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(shù)來進行環(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)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
第2章 工業(yè)機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 工業(yè)機器人的設(shè)計內(nèi)容與要求
2.1.1工業(yè)機器人在制造領(lǐng)域主要作用
工業(yè)機器人在制造領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其主要作用如下 ：
（1） 減輕工人的勞動強度，其最終目的是把工人從簡單、重復(fù)而繁重的勞動中解放出來；
（2） 依靠工藝過程的集約化并保證兩班、三班時設(shè)備正常工作，以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；
（3） 生產(chǎn)組織中達(dá)到進一步質(zhì)的飛躍并向全自動化柔性生產(chǎn)過渡創(chuàng)造條件。
2.1.2工業(yè)機器人主要設(shè)計內(nèi)容
機器人運動機構(gòu)和機器人控制是機器人的核心技術(shù)。M10型專用工業(yè)機器人是用來在金屬切削機床上工作的。例如，車床工段的帶數(shù)控裝置機床的裝料與卸料。這種形式的工業(yè)機器人的特點是保證操作機工作機構(gòu)（夾持器）在球坐標(biāo)系中運動，以及在結(jié)構(gòu)上能直接放置在所工作的工藝裝備中。工業(yè)機器人程序控制裝置使操作機工作機構(gòu)能夠沿六個坐標(biāo)軸定位，其中兩個是四個自由度機構(gòu)所共有的。本畢業(yè)設(shè)計旨在設(shè)計M10型工業(yè)機器人總體結(jié)構(gòu)，手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)，以及工業(yè)機器人中典型零部件的設(shè)計計算等。主要研究內(nèi)容有：
（1） 工業(yè)機器人各個關(guān)節(jié)部分有的選用電動機驅(qū)動，有的采用氣動驅(qū)動，要求機械傳動協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積??；
（2） 完成機械傳動方案選擇設(shè)計和機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求繪制機器人總體結(jié)構(gòu)圖和手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)裝配圖，以及典型零件圖，要求圖紙不少于2.5長A0圖紙；
（3） 理清機器人設(shè)計過程中的運動學(xué)部分；
（4） 保證工藝的柔性，要適應(yīng)生產(chǎn)條件的變化；
（5） 在經(jīng)常變換運輸、裝料和其他輔助裝置的情況下能使不同用途的裝備進行對接；
（6） 運行中工作效率和可靠性要高；
（7） 預(yù)先考慮到進一步發(fā)展和完善的可能性。
2.2 工業(yè)機器人的總體設(shè)計
工業(yè)機器人總體設(shè)計主要包括機械本體、驅(qū)動裝置、行程開關(guān)等。為了實現(xiàn)機械傳動結(jié)構(gòu)簡單、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等要求，整個機器人的結(jié)構(gòu)大致分為機座（包括垂直平面的手臂轉(zhuǎn)動部件）、手臂部件（包括水平或垂直直線移動機構(gòu)和在垂直平面或者水平面的轉(zhuǎn)動機構(gòu)）、手臂、手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)、過渡套筒。各個關(guān)節(jié)之間均采用轉(zhuǎn)動或者移動關(guān)節(jié)，有的采用電動機驅(qū)動有的采用電氣驅(qū)動，實現(xiàn)精密控制。
2.2.1M10型工業(yè)機器人總體結(jié)構(gòu)圖
圖2.1 M10型工業(yè)機器人總體結(jié)構(gòu)圖
2.2.2M10型工業(yè)機器人主要設(shè)計參數(shù)
1.裝有夾持器時的額定承載能力，kg
單夾持器的 10
雙夾持器的 2×5
2.自由度數(shù)（被控運動坐標(biāo)數(shù)） 5
3.X或Z最大線位移，mm 150
4.最大角位移,（°）
A 90
B 120
C 180
α（轉(zhuǎn)動組件-結(jié)構(gòu)形式1） 90或180
α（轉(zhuǎn)動組件-結(jié)構(gòu)形式2） 270
5.角位移速度范圍,（°）/s
A，B及C 1.36～120
α 90
6.X或Z線位移速度范圍,m/s 0.008～0.5
7.最大絕對定位誤差，mm 0.5
8.手臂最大伸距，mm 630
9.夾緊力，N 360～500
10.負(fù)載零件尺寸范圍，mm
按外徑 20～150
按內(nèi)徑 38～168
11.重量，kg 110
驅(qū)動方式：電機或者氣動
安裝方式：掛壁
動作類型：垂直多關(guān)節(jié)型
2.3 工業(yè)機器人的驅(qū)動方式選擇
現(xiàn)代工業(yè)機器人只有三種驅(qū)動方式：氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動。他們的不同特點及使用范圍如表所示：
表2.1 驅(qū)動方式的分類表
驅(qū)動類型
氣動
液壓
電動
傳動性能
適合小功率傳動，可達(dá)較高速度，但高速時有沖擊，氣體具有可壓縮性，阻尼效果差，故平穩(wěn)性較差。
適合中、大功率傳動傳動平穩(wěn)、無沖擊，可達(dá)較高速度，液體不可壓縮，故響應(yīng)性能良好。
適合中、小功率傳動，傳動平穩(wěn)、靈活、速度快。
控制性能
控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)較簡單，高速時要設(shè)置緩沖或者制動裝置，低速不易控制，速度位置控制難以達(dá)到精確值，一般不能用于伺服控制。
控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)較簡單，在高、低速下都可將位置、速度控制到精確值，常用伺服控制。
直流伺服電機控制較簡單，交流伺服電機控制較復(fù)雜，速度、位置都可控制到精確值，常用于伺服控制。
快速響應(yīng)性能
較高
很高
很高
效率
0.15
0.3（節(jié)流調(diào)速）至0.6（容積調(diào)速）
0.5
安全性能
防爆型能好
防爆性能好，液壓油泄漏后有發(fā)生火災(zāi)的危險
交流電機防爆性能好，直流電機電刷產(chǎn)生火花，不防爆
結(jié)構(gòu)性能
執(zhí)行機構(gòu)（直線氣缸、氣壓馬達(dá)）可做成獨立的標(biāo)準(zhǔn)件，易實現(xiàn)直接驅(qū)動；壓力?。ㄒ话阈∮?Mpa），輸出力?。幻芊鈫栴}不突出，泄漏對環(huán)境無污染，需要氣壓供給系統(tǒng)。
執(zhí)行機構(gòu)（直線缸、擺動缸）可做成獨立的標(biāo)準(zhǔn)部件，易實現(xiàn)直接驅(qū)動；相同輸出條件下，體積小、重量輕、慣性??；密封間隙很重要，泄漏影響工作性能和污染環(huán)境；需要油源占地面積大。
電機是標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)性能好，除特殊電機（直接驅(qū)動電機、大力矩電機）外；電機都要減速器，不能直接驅(qū)動，加減速器后體積、慣量變大。
安裝維護
安裝要求不太高，能在高溫、多粉塵條件下工作；無發(fā)熱、爆炸、火災(zāi)等問題；維護簡單；要求過濾水分及注意系統(tǒng)潤滑、防銹等問題。
安裝維護要求高，溫度升高時，油液粘度降低，影響工作性能，需要冷卻裝置；油液要定期過濾、更換；密封件要定期更換；油液的泄漏影響工作性能，易發(fā)生火災(zāi)。
安裝要求隨傳動方式而異無管路系統(tǒng)，維護方面；對直流電機要求定時調(diào)整、更換電刷及注意防爆問題。
成本
低
高
高
應(yīng)用
適用于小載荷（200N左右）的有限點位控制的上下料（搬運）機器人，如沖床上的快道上下料；手爪上應(yīng)用尤其廣泛。
適用于重負(fù)荷（1000N）的搬運、點焊等機器人，以及連續(xù)軌跡伺服控制噴漆機器人（具有防爆性能）等。
適用于中小符合（幾十牛頓到幾千牛頓）的搬運、焊接、噴漆（限交流電機）、裝配、涂膠等各種伺服型機器人。
機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：
（1） 驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；
（2） 反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁的氣動、止動，正、反轉(zhuǎn)切換；
（3） 驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；
（4） 安全可靠；
（5） 操作和維護方便；
本次畢業(yè)設(shè)計所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的運動。為了減小機構(gòu)運動過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。
齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或者將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，主要用于手臂、手腕、腰關(guān)節(jié)的傳動。
齒形帶傳動與原理如圖所示：
圖2.2 齒形帶傳動原理圖
齒形帶傳動運算公式為：
（2.1）
齒輪帶的平均速度為：
（2.2）
根據(jù)任務(wù)書要求：設(shè)計手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)，機器人總體結(jié)構(gòu)圖，進行運動學(xué)分析。通過查上表分析易知在手臂轉(zhuǎn)動，直線移動等機構(gòu)中采用電動機驅(qū)動，在手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)中采用氣動驅(qū)動方式，這樣比較經(jīng)濟合理，降低了成本，并且達(dá)到設(shè)計要求。
2.4 工業(yè)機器人的運動學(xué)分析
2.4.1M10型工業(yè)機器人運動學(xué)簡圖：
圖2.3 M10型工業(yè)機器人運動學(xué)簡圖
2.4.2M10型工業(yè)機器人運動分析
由上述運動學(xué)簡圖可知，轉(zhuǎn)動機構(gòu)（運動B）包括電動機M2，它通過齒形帶驅(qū)動單頭蝸桿轉(zhuǎn)動，與渦輪（=62）嚙合傳動。渦輪裝在輸出軸上。它與操作機手臂機構(gòu)剛性連接。此軸的另一端固定著擋塊的盤，擋鐵作用在回轉(zhuǎn)運動B控制簡圖中的行程開關(guān)上。
X或者Z向的移動是借助于裝在手臂部件中的電動機M1，通過傳動比為2/3的（=16，=24）的傳動齒形帶、錐齒輪副（=15，=30）和導(dǎo)程t=60mm的多頭滾珠絲桿傳動來實現(xiàn)的。在其上裝有轉(zhuǎn)動組件的支架和傳動螺母一起沿滾珠導(dǎo)軌移動。為防止在斷電時支架隨意下降，錐齒輪的軸與電磁制動器相連。位移控制由裝在支架上的擋塊作用于轉(zhuǎn)換開關(guān)上來實現(xiàn)。
在垂直（運動A）或水平（運動C）平面中操作機手臂轉(zhuǎn)動機構(gòu)由電動機M3驅(qū)動，它通過傳動比為2/3（=16，=24）的傳動齒形帶轉(zhuǎn)動蝸桿的軸渦輪（=62）與其嚙合。后者固裝在轉(zhuǎn)動機構(gòu)體中的軸上。由于蝸桿沿固定的渦輪滾動而產(chǎn)生相對于此輪軸的手臂的機體運動A或C。
2.4.3結(jié)合運動學(xué)簡圖和總體結(jié)構(gòu)圖的綜合分析
總體結(jié)構(gòu)部件1和部件3之間的運動形式是:在機座1內(nèi)有一直流電動機，通過齒形帶傳動將運動傳至蝸桿，蝸桿與渦輪嚙合，產(chǎn)生運動B；在主視圖的右側(cè)有一電動機，同樣通過齒形帶將轉(zhuǎn)動傳至錐齒輪，通過錐齒輪的嚙合將運動傳至絲桿通過絲桿的轉(zhuǎn)動帶動手臂直線移動，產(chǎn)生了運動X或者Z；同樣通過電動機運動，在通過渦輪蝸桿嚙合，產(chǎn)生運動A或者C；手腕轉(zhuǎn)動部分是通過氣動馬達(dá)的轉(zhuǎn)動，通過輸出軸的鍵連接與套筒連接，套筒與法蘭連接，將轉(zhuǎn)動傳達(dá)至可換夾持器。
2.5工業(yè)機器人的材料選擇
結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機器人材料系統(tǒng)設(shè)計中的重要問題之一，正確選擇結(jié)構(gòu)材料不僅可以降低工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)成本，更重要的是可適應(yīng)工業(yè)機器人的高速化、高載荷化及高精度化滿足其靜力及動力特性要求。
2.5.1材料選擇的基本要求
與一般機械相比，機器人結(jié)構(gòu)的動力特性是十分重要的這是選擇材料的出發(fā)點。材料選擇的基本要求如下：
（1） 強度高，機器人的手臂是直接受力的構(gòu)建，高強度材料不僅能滿足機器人手臂的強度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量。
（2） 彈性模量大，從材料力學(xué)的公式可知，構(gòu)建剛度（或變形量）與材料的彈性E、G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量的差異比較大，而同一種材料的確沒有多大差別。
（3） 重量輕，在機器人手臂構(gòu)建中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構(gòu)建質(zhì)量有關(guān)。也就是說，為了提高構(gòu)建剛度選用彈性模量E大二密度ρ也大的材料是不合理的，因此提出了選用高彈性模量、低密度的材料要求，可用E/p來衡量下表列出了幾種材料的E、ρ和E/p值。可供參考。
表2.2 典型材料E、ρ和E/p值
材料
鋼、合金鋼
2.10
7.8
2.7
鋁、鋁合金
0.72
2.8
2.6
鈹鋁合金（62%Be）
1.9
2.1
9.1
鋰鋁合金（3.0%Li）
0.82
2.715
3.02
硼纖維增強鋁材
2.9
2.53
11.4
（4） 阻尼大，工業(yè)機器人在選材時不僅要求剛度大、重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機器人的手臂經(jīng)過運動后，要求能平穩(wěn)的停下來?？墒怯捎跇?gòu)建終止運動的瞬時，構(gòu)建會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)建自身有具有彈性因而會產(chǎn)生“殘余振動”。從提高定位精度和傳動平穩(wěn)性來考慮，希望能采用較大阻尼材料或采取增加構(gòu)建阻尼的措施來吸收能量。
（5） 材料價格低。材料價格是工業(yè)機器人成本價格的重要組成部分。有些新材料如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金，用來作為機器人手臂的材料是很理想的，但價格昂貴。
2.5.2結(jié)構(gòu)材料介紹
（1） 碳素合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼：強度好特別是合金結(jié)構(gòu)鋼增加了4到5倍，彈性模量E大，抗變形能力強，是應(yīng)用最廣泛的材料。
（2） 鋁、鋁合金機及其它輕合金材料：這類材料的共同特點是重量輕彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/p值仍然可和鋼材相比。有些稀有貴重的鋁金屬品質(zhì)得到了更加明顯的改善和提高，例如增加了3.2%重量的鋰的鋁合金，彈性模量增加14%，E/p值增加了16%。
（3） 纖維增強合金：如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金其E/p值分別達(dá)到11.4x10和8.9x10。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/p值，而且沒有無機符合材料的缺點，但價格昂貴。
（4） 陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大不易加工成具有長孔的連桿，與金屬零件連接的結(jié)合部分需要特殊設(shè)計。然而，日本已經(jīng)測試了在小型工業(yè)機器人上使用的陶瓷人手臂的樣品。
（5） 纖維增強復(fù)合材料：這類材料具有良好的E/p值，但存在老化、蠕變、高溫膨脹、與金屬件連接困難等問題。這種材料不但重量輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大優(yōu)點，傳統(tǒng)金屬材料不可能有這么大的阻尼。所以，在高速機器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實例越來越多。層疊符合材料的制造工藝還允許用戶進行優(yōu)化，改進疊層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼比。
（6） 粘彈性大阻尼材料：增大機器人連桿件的阻尼是改善機器人動態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是用粘彈性大的阻尼材料來對原構(gòu)建進行約束阻尼處理。實驗表明：機械臂的重復(fù)定位精度在處理前為±0.30mm，處理后為±0.16mm；參與振動時間在阻尼處理前后分別為0.9s和0.5s。
第3章 工業(yè)機器人手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計
3.1 工業(yè)機器人手腕介紹
手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能是通過機械結(jié)構(gòu)連接并支撐末端執(zhí)行器，在手臂和機座實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個坐標(biāo)（自由度）的基礎(chǔ)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)（方位）坐標(biāo)，即實現(xiàn)三個旋轉(zhuǎn)自由度。如圖所示，手腕能實現(xiàn)繞空間三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動，即回轉(zhuǎn)運動（θ）、左右偏擺運動（φ）和俯仰運動（β）。當(dāng)有特殊需要時，還可以實現(xiàn)小距離的橫向移動。手腕的自由度越多，結(jié)構(gòu)和控制越復(fù)雜。因此，應(yīng)根據(jù)機器人的作業(yè)要求來解決其應(yīng)具有的自由度數(shù)目。在多數(shù)情況下，手腕具有一兩個自由度即可滿足作業(yè)要求。
圖3.1 簡單手腕機構(gòu)示例
3.1.1設(shè)計要求
對工業(yè)機器人手腕設(shè)計的要求有：
（1） 由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減小其質(zhì)量和體積。為此腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置多采用分離傳動，將驅(qū)動器安置在手臂的后端。
（2） 手腕部件的自由度愈多，個關(guān)節(jié)的角度范圍雨大，其動作靈活性愈來愈高，機器人對作業(yè)的適應(yīng)能力也越來越強。但增加手腕自由度會使手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動控制難度大。因此，設(shè)計時，不應(yīng)盲目增加手腕的自由度數(shù)。通用目的機器手手腕最多配置三個自由度，某些動作簡單的專用工業(yè)機器人的手腕，根據(jù)作業(yè)實際需要，可以減少其自由度數(shù)甚至可以不要設(shè)置手腕，以簡化結(jié)構(gòu)。
（3） 為提高手腕動作的精確性，應(yīng)該提高傳動的剛度，應(yīng)盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。如齒輪傳動中的齒側(cè)間隙、絲桿螺母中的傳動間隙、聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等。對分離傳動采用鏈、同步齒帶傳動或傳動軸。
（4） 對手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)計限位開關(guān)和機械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。
3.1.2手腕的結(jié)構(gòu)
由于作業(yè)要求的不同手腕的自由度數(shù)及其配置也會有不同，在擬定手腕驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)方面也會有差異，因此手腕的結(jié)構(gòu)形式繁多，下面介紹其中幾種典型結(jié)構(gòu)。
（1）用擺動液壓馬達(dá)驅(qū)動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動的手腕結(jié)構(gòu)
圖3.2 用擺動液壓馬達(dá)驅(qū)動的手腕結(jié)構(gòu)
如圖所示的手腕結(jié)構(gòu)，壓力有從手腕的右下部經(jīng)過管道分別由進油孔3和7進入液壓馬達(dá)，進入的壓力油驅(qū)動動片6做正、反方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)定片5與動片6側(cè)面接觸時，即停止回轉(zhuǎn)。動片的最大回轉(zhuǎn)角度由其接觸位置決定。夾持器的加持動作，則由經(jīng)油路2進入的壓力有驅(qū)動單作用液壓缸的活塞1來完成。腕部回轉(zhuǎn)運動的位置控制可采用機械擋塊定位，用位置檢測器檢測。這種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但最大回轉(zhuǎn)角度小于360°，這種腕部結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)一個腕部自由度。
（2） 具有兩個自由度的機械傳動手腕結(jié)構(gòu)
手腕的驅(qū)動電動機安裝在大臂關(guān)節(jié)上，經(jīng)諧波減速器用兩級鏈傳動，將運動通過小臂關(guān)節(jié)傳遞到手腕軸上的鏈輪，鏈條將運動經(jīng)鏈輪、軸和錐齒輪帶動軸做回轉(zhuǎn)運動，鏈條將運動經(jīng)鏈輪直接帶動手腕殼體實現(xiàn)上下俯仰擺動。當(dāng)鏈條與鏈輪不動時，由于軸不動，轉(zhuǎn)動的殼體將迫使錐齒輪作行星運動，即齒輪隨殼體做公轉(zhuǎn)，同時還繞軸做一附加的自轉(zhuǎn)運動。
（3） 具有三個自由度的機械傳動手腕機構(gòu)
驅(qū)動手腕運動的三個電動機安裝在手臂后端，經(jīng)減速器后傳動軸將運動和力矩傳給三根軸，產(chǎn)生手爪回轉(zhuǎn)、手腕偏轉(zhuǎn)和手腕俯仰三個運動。
（4） 偏置三自由度機械傳動手腕結(jié)構(gòu)
由錐齒輪構(gòu)成的三自由度手腕機構(gòu)簡圖。當(dāng)主動軸1單獨轉(zhuǎn)動時，運動經(jīng)錐齒輪及驅(qū)動機械接口法蘭盤繞軸做回轉(zhuǎn)運動。當(dāng)主動軸2單獨轉(zhuǎn)動時，運動經(jīng)錐齒輪帶動殼體轉(zhuǎn)動，是末端執(zhí)行器繞軸作俯仰運動。由于此時錐齒輪不動，則錐齒輪被迫做行星運動。其自轉(zhuǎn)運動即為末端執(zhí)行器繞軸回轉(zhuǎn)的誘導(dǎo)運動。當(dāng)主動軸3單獨轉(zhuǎn)動時，則帶動整個手腕架繞軸做偏擺運動，從而產(chǎn)生兩個誘導(dǎo)運動。當(dāng)三根主動軸同時轉(zhuǎn)動時，這三個誘導(dǎo)運動將分別對手腕的俯仰運動和回轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生影響。
（5） 三轉(zhuǎn)軸手腕結(jié)構(gòu)
該手腕采用互相疊加套在一起的三個空心傳動軸，分別傳遞由電動機驅(qū)動，經(jīng)齒輪傳動減速的三個運動和力矩?？招膫鲃虞S直接帶動手腕外殼實現(xiàn)繞手腕軸的旋轉(zhuǎn)運動；空心傳動軸經(jīng)錐齒輪，驅(qū)動殼體實現(xiàn)繞軸的選準(zhǔn)運動；空心傳動軸經(jīng)兩對錐齒輪驅(qū)動手腕的機械接口法蘭盤，實現(xiàn)繞軸的旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)手腕的三個自由度。三個旋轉(zhuǎn)運動的軸線相交于一點，因而其運動可看成是一個三自由度的空間球面運動副，具有結(jié)構(gòu)緊湊、手腕轉(zhuǎn)動靈活、簡化運動學(xué)計算和便于控制等特點。
（6） PUMA機器人手腕結(jié)構(gòu)
驅(qū)動手腕運動的三個電動機安裝在小臂后端。這種配置方式可以利用電動機作為配重起平衡作用。三個電動機經(jīng)柔性聯(lián)軸器和傳動軸將運動傳遞到各軸齒輪。電動機經(jīng)傳動軸和兩對圓柱齒輪帶動手腕在殼體上做偏擺運動。電動機經(jīng)傳動軸驅(qū)動圓柱齒輪和錐齒輪，實現(xiàn)手腕的上下擺動運動。電動機經(jīng)傳動軸和兩個錐齒輪傳動帶動軸回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手腕機械接口法蘭盤的回轉(zhuǎn)運動。
3.2手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)Ⅰ運動分析
3.2.1手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)Ⅰ結(jié)構(gòu)圖
圖3.3 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)Ⅰ結(jié)構(gòu)圖
3.2.2運動分析
手腕轉(zhuǎn)動該機構(gòu)Ⅰ由電動機M3驅(qū)動，它通過傳動比為2/3（=16,=24）的傳動齒形帶轉(zhuǎn)動蝸桿的軸，渦輪與其嚙合。后者固裝在轉(zhuǎn)動機構(gòu)機體中的軸上。由于蝸桿沿固定的渦輪滾動，而產(chǎn)生相對輪軸的手腕運動A或C。
3.3電動機的選擇
3.3.1選擇電動機類型
按已知的工作要求和條件，選用三相鼠籠式異步電動機，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓380V，Y型。
3.3.2選擇電動機的容量
電動機所需的工作功率：
（3.1）
（3.2）
因此：
（3.3）
由電動機至輸送鏈的傳動總效率為
（3.4）
式中：分別為軸承、渦輪蝸桿、聯(lián)軸器、齒形同步帶的傳動效率。
式中，由公式（3.4）：
由公式（3.3）：
KW
3.3.3確定電動機轉(zhuǎn)速
工作轉(zhuǎn)速：n=14r/min
查相關(guān)資料，總傳動比為100.75，故電動機轉(zhuǎn)速的可選為：
查下表，在這附近的轉(zhuǎn)速取1430r/min，電動機選Y100L1-4
3.4手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)Ⅱ氣動原理和運動結(jié)構(gòu)分析
3.4.1手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)氣動原理圖
圖3.4 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)氣動原理圖
3.4.2氣動原理圖分析
非整周轉(zhuǎn)動的氣動馬達(dá)使手腕繞縱軸（運動α）的轉(zhuǎn)動組件旋轉(zhuǎn)。工業(yè)機器人的氣動裝備（見氣動原理圖）包括：
（1） 空氣儲存站，它固定在電氣柜的后墻上；
（2） 轉(zhuǎn)動組件（結(jié)構(gòu)形式）的氣動驅(qū)動裝備單元和各種形式可換夾持裝置。
壓縮空氣有工廠網(wǎng)絡(luò)進入儲存站，它包括分水濾氣器，以凈化空氣和分離冷凝水，以及用油飽和空氣的油霧器。
凈化的油飽和空氣進入控制轉(zhuǎn)動單元的氣動裝置。在轉(zhuǎn)動單元（結(jié)構(gòu)形式）中，當(dāng)斷開電磁鐵YA1和YA2時，空氣沿管道1、2和3進入氣動馬達(dá)的兩腔。
在接通氣體分配器P1的電磁鐵YA1時，組件按逆時針方向相對其縱軸（運動α）轉(zhuǎn)動。此時，空氣有氣動馬達(dá)M腔輸出，沿著管道2通過氣體分配器P1到空氣中。在接通氣體分配器P2的電磁鐵YA2，組件以類似情況按順時針方向轉(zhuǎn)動。
3.4.3結(jié)構(gòu)圖
圖3.5 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)Ⅱ結(jié)構(gòu)圖
3.4.4運動分析
操作機手腕轉(zhuǎn)動組件結(jié)構(gòu)如上圖所示。在非整周轉(zhuǎn)動的氣動馬達(dá)1前端固定有過渡套筒2，其內(nèi)軸承上裝著套筒3，它用鍵與氣動馬達(dá)輸出軸相連。可換夾持器（圖中未顯示）固定在套筒3的前法蘭上。在氣動馬達(dá)的另一端，安裝著雙定位控制裝置4，以保證氣體分配器的接通與切斷。手腕在轉(zhuǎn)動90°和180°角時的兩個位置（0°和90°或者0°和180°）由止動爪5來實現(xiàn)。其形式依所需角來選定。在機體內(nèi)具有緩沖器，以減小當(dāng)止動爪5接近擋塊7時的沖擊。該處還裝有終端開關(guān)8，用來控制停止位置。
3.5手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)軸承和鍵的選擇
3.5.1滾動軸承的介紹
滾動軸承時現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉(zhuǎn)動零件的。滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)工廠大量制造及供應(yīng)各種常用規(guī)格