关节型机器人结构设计_带图纸
关节型机器人结构设计[20191210110803]
摘 要
在1978年，日本山梨大学牧野洋发明了一种平面关节型机器人，它是专门应用于工业生产的，即SCARA。由于SCARA具有良好的通用性，能够快速响应，其结构紧凑，而且质量还很轻，所以大多数的生产厂家将其应用在搬运和装配零件上，例如电路板组件和电子元件等。
本文设计的是一种小型服务装配机械手，主要对这种机械手进行结构方面的设计。本文设计的机器人是由机身、大臂、小臂等多个部分组成，在对其设计方案进行了充分的比较研究后，决定将其设计为拥有四个自由度的结构。其中一二自由度都是由步进电机连接谐波减速器驱动大小臂进行转动，第三自由度由同步带带动丝杠螺母完成导出件的上下移动，第四自由度由同步带完成手腕的转动。通过本文的学习，相信使用者会对它的机械系统设计的步骤和方法有一定的了解。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:SCARA机器人谐波减速器同步齿形带丝杠
目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 机器人的国内外发展现状 1
1.3 SCARA机器人简介 1
1.4 课题研究的意义 2
2. 关节型机器人的总体方案设计 3
2.1 主要设计参数及技术指标 3
2.2 零部件的初选 4
2.2.1 机器人驱动装置的初选 4
2.2.2 减速器的选用 5
2.3 传动方案的比较确定 5
2.4 外形尺寸与工作空间 8
3. 机器人关键零部件设计 10
3.1 谐波减速机的设计计算 10
3.2 电机的设计计算 11
3.3 滚珠丝杠的选择与计算 11
3.4 同步齿形带的设计计算 14
4. 机器人机械结构设计 17
4.1 大臂和小臂机械结构设计 17
4.2 腕部机械结构设计 17
4.3 零部件设计 18
结语 20
参考文献 21
致谢 22
1. 绪论
1.1 引言
机器人技术是集控制理论、计算机科学、仿生学机制技术、人工智能等高科技为一体，综合感知、决策、行动和相互作用而形成的，它的研究领域非常广泛。
工业机器人除了具备普通机器的特长外，还具备某些人类的特性，能代替人类做一些困难或危险的工作。因此，它既具有机械本体、控制系统、驱动系统，又必须具备信息检测传感系统，能在一定空间完成特殊工作。除了被广泛应用于汽车制造业外，工业机器人在食品业、制药业、器械、航空航天及金属加工等方面都有着广泛的应用。
机器人的发展趋势从最近几年看来，正在往三个方向发展，分别是模块化、系统化和智能化。例如，伺服电机、减速机、检测系统三个一体化构成了关节模块，再有关节和连杆构建成了机械手。其发展趋势又细分为四点，即：重复高精度、模块化、节能化和机电一体化。
1.2 机器人的国内外发展现状
近年来机器人技术的发展情况大致如下：
(1)随着科学技术的不断发展，机器人技术也响应得到提高，运动精度、可靠度等其性能不断得到提高，功能越来越强大，而单机价格却不断下降。
(2)器件的集成度得到提高，而将关于控制方面的控制柜设计的越来越小；除此之外，机器人还采用了模块化结构，这一突破性发展大大改善了系统的可靠性、操作性和维修性等。
(3)机器人的机械结构的发展越来越趋向于模块化。事实上，模块化的装配机器人早已被生产出来并上市问津。
(4)机器人的正常工作运转还与周围的换进密不可分，传感器的作用更是日益突显，不可或缺，除采用传统传感器外，还有一些机器人采用了多传感器技术，将其融合起来并达到决策控制和环境建模的目的，如遥控机器人等。目前多传感器融合配置技术已发展得越来越稳定，在系统化产品中已有成熟应用。
1.3 SCARA机器人简介
SCARA机器人运动的方式与人的手臂的运动很相似，它的组成部件包括平行的肩关节、肘关节和实现上下移动的腕关节，关节轴线共面，在平面内进行定位和定向，来实现水平和垂直运动，是一种固定式的工业机器人。它具有三个转动副和一个移动副，主要从事搬取零件和装配作业。
SCARA机器人一般在垂直方向上进行装配、码垛、焊接、密封和搬运工作等。其安装方式有地面安装和顶置安装两种，方便安装于各种空间。考虑到工作特点和环境等基本情况，本SCARA机器人的设计特点如下：
1.外形美观，适于观察。
由于设计的为示教用机器人，所以在对其结构设计中应考虑能够除了让观众赏心悦目外，还可以直观地理解其结构及其工作原理，所以应巧妙设计机器人的传动结构和外形。
2.成本低
设计的基本要求是在满足机器人所要求功能的设计前提下，尽可能考虑成本问题。如果该机器人的实际功能要求不高，只需要一定的示范作用，速度等参数在一定范围内可以调节，定位精度不高，可以考虑使用廉价的步进电机驱动装置，采用这种方式的话，结构设计将大大简化，成本也将更低。
3.体积小，重量轻
考虑到机器人负载能力不大，运动范围也很小，在设计结构时应尽量紧凑，内部零件也应尽量使其小巧，以减小倾覆力矩的影响作用。选择机身材料时首选铝质材料，因为此材料较为轻，可以减小零部件的质量，除此之外，还要考虑合理设计传动结构，分布各零件的空间。
4.传动原理简单
SCARA机器人四个关节运转速度不高，在满足转矩要求的前提下可在一定范围内调整减速比。根据空间结构确定最优传动方式，驱动方式选择步进电机，减速传动优先选择标准谐波减速器，传输跨度大的可以使用同步带传动。
1.4 课题研究的意义
目前，市面上很多驱动装置采用伺服电机、传动系统采用RV减速机的成熟SCARA机器人，考虑到由这些部件构成的整机价格昂贵，所以本课题旨在设计一个低成本教学SCARA机器人，虽然采用的步进电机和谐波减速器的精度、运动速度和稳定性要比工业场合用的机器人的要求要低得多，但作为一种成熟的传动技术，谐波传动精度高、传动平稳，而步进电机大可满足SCARA机器人的工作运转，而且成本远比其他驱动装置低得多，因此本课题旨在开发低成本的教学机器人。
2. 关节型机器人的总体方案设计
2.1 主要设计参数及技术指标
设计（论文）的主要任务及目标
主要任务是设计四自由度的关节型机器人的机构，三个转动副和一个移动副。要合理选择四个自由度的传动机构及执行元件。机器人基本参数：
负载能力 1.5kg
自由度数 4
运动精度 关节1 10000000脉冲当量/转
关节2 990000脉冲当量/转
（脉冲当量/转） 关节3 4470 pulse/mm
关节4 1000000脉冲当量/转
末端重复定位精度 ±0.1mm
自由度数 4
每轴最大运动范围 关节1 0～200°
关节2 0～100°
关节3 0～100mm
关节4 0～360°
每轴最大运动速度 关节1 1.57rad/s
关节2 3.14rad/s
高度 ≦550mm
本体重量 ≦50kg
几何尺寸 关节1（长度）200mm
关节2（长度）225mm
关节3（行程）100mm
安装要求： 水平安装
2.2 零部件的初选
2.2.1 机器人驱动装置的初选
目前机器人使的用驱动装置主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和液压伺服马达等。各种电机驱动的特点如下：
（1）液压驱动是指油泵在动力源的驱动下，压力油得到动力后再去驱动液压马达，机器需要的动力由液压马达产生。其优点在于功率密度大，在进行水下作业时无需特别考虑密封问题，很容易实现直线运动，重量轻；体积小；运动惯性小；反应速度快。其缺点是容易发生漏油，如果处理不当，不仅引起环境污染，还有可能导致危险。液压元件要求的精度比较高，所以价格比较昂贵。
（2）直流伺服电动机：它是一种依赖于直流电源，输出转速和扭矩可以通过输入电压或电流控制驱动的功能。它的特点是快速、良好的角落，没有限制，控制精度高，在角落里没有限制，驱动功率较大，在角落里没有限制。具有良好的启动特性，通常用在要求苛刻的生产设备。
（3）交流伺服电动机：交流伺服电动机功能更加强大，不仅拥有直流伺服电动机的全部优点，其构造更加简单，生产和维护业更加便利。它可以进行大范围的调速，具有稳速、精度高等优点，在运行时可以达到更高的功率和转速。在过去，由于控制成本高，在高性能的速度控制的应用限制的要求，但随着相关技术的发展，交流电机和直流电机具有匹配速度性能，在大功率场合大有完全取代直流电机的发展趋势。
（4）步进电动机：步进电机的工作原理是将电脉冲信号转换成机械角位移信号驱动，控制结构简单，控制性能好，成本低；位置误差不会累积，有利于定位控制系统。但是，步进电机基本没有过载能力，启动频率是有限的，需要特殊的电源。功率过大，体积大，和空间分辨率低，适用于关节或小机器人，与伺服电机相比，步进电动机的结构较为简单、价格低廉。
由于本教学SCARA机器人负载不大，相对于工业机器人来说，其运动精度和对功率和转速的要求也不是太高，再与机器人相关设计要求相结合，整个设计方面要求本机重量轻、体积小，又考虑到此次涉及的机器人的特点和传动结构方式，本设计中机器人四个关节驱动装置均选用步进电机驱动。
2.2.2 减速器的选用
目前，机器人的传动系统中的减速装置一般除了采用RV减速器外，也可以采用谐波减速器。传统的减速器一般为摆线针轮式，然后逐渐发展成完全封闭式的摆线针轮RV减速器。与其他减速器相比，谐波减速器不仅传动比范围大，工作效率和运动精度较高，也便于维护，适用于高速重载、精度较高的场合。从成本上考虑，其制造成本相对较低，所以在本设计中选用谐波减速器。谐波齿轮传动的原理和特点如下所述：
（一）传动原理
谐波减速器主要由三个基本构件组成：
（1）带有内齿圈的钢轮——相当于行星系中的中心轮，；
（2）带有外齿圈的柔轮——相当于行星齿轮；
（3）波发生器H——相当于行星架。
柔轮实际上是一种薄壁齿轮，它可以产生较大的弹性变形，波发生器H是一种杆状部件，它可以通过与柔轮的内壁相互挤压而使柔轮发生可控弹性变形。当波发生器作为主动件时，柔轮内的凸轮不断进行转动，迫使柔轮发生可控的弹性变形，柔轮与钢轮不断进行啮入啮出，这样不断周而复始地进行，这样就使柔轮沿着波发生器相对钢轮翻转。
（二）特点
1．承载能力高。
2．传动比大。单级谐波齿轮传动的传动比范围为70～500。
3．体积小、重量轻。
4．传动效率高、寿命长。
5．传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。
6．谐波传动中柔轮会承受较大的交变载荷，所以在选取柔轮材料时要考虑材料的抗疲劳强度，同时对加工和热处理要求较高，工艺复杂。
2.3 传动方案的比较确定
方案一：
图2-1 设计方案一
结构特点如下：
(1)机器人关节均采用步进电动机，相比于伺服电机，虽然它没有过载能力，而且启动频率有限，但由于步进电动机的结构较为简单、价格低廉，根据设计要求，机器人的负载不大，速度较低，所以在满足其操作要求的前提下使系统成本得到大大降低。
摘 要
在1978年，日本山梨大学牧野洋发明了一种平面关节型机器人，它是专门应用于工业生产的，即SCARA。由于SCARA具有良好的通用性，能够快速响应，其结构紧凑，而且质量还很轻，所以大多数的生产厂家将其应用在搬运和装配零件上，例如电路板组件和电子元件等。
本文设计的是一种小型服务装配机械手，主要对这种机械手进行结构方面的设计。本文设计的机器人是由机身、大臂、小臂等多个部分组成，在对其设计方案进行了充分的比较研究后，决定将其设计为拥有四个自由度的结构。其中一二自由度都是由步进电机连接谐波减速器驱动大小臂进行转动，第三自由度由同步带带动丝杠螺母完成导出件的上下移动，第四自由度由同步带完成手腕的转动。通过本文的学习，相信使用者会对它的机械系统设计的步骤和方法有一定的了解。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:SCARA机器人谐波减速器同步齿形带丝杠
目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 机器人的国内外发展现状 1
1.3 SCARA机器人简介 1
1.4 课题研究的意义 2
2. 关节型机器人的总体方案设计 3
2.1 主要设计参数及技术指标 3
2.2 零部件的初选 4
2.2.1 机器人驱动装置的初选 4
2.2.2 减速器的选用 5
2.3 传动方案的比较确定 5
2.4 外形尺寸与工作空间 8
3. 机器人关键零部件设计 10
3.1 谐波减速机的设计计算 10
3.2 电机的设计计算 11
3.3 滚珠丝杠的选择与计算 11
3.4 同步齿形带的设计计算 14
4. 机器人机械结构设计 17
4.1 大臂和小臂机械结构设计 17
4.2 腕部机械结构设计 17
4.3 零部件设计 18
结语 20
参考文献 21
致谢 22
1. 绪论
1.1 引言
机器人技术是集控制理论、计算机科学、仿生学机制技术、人工智能等高科技为一体，综合感知、决策、行动和相互作用而形成的，它的研究领域非常广泛。
工业机器人除了具备普通机器的特长外，还具备某些人类的特性，能代替人类做一些困难或危险的工作。因此，它既具有机械本体、控制系统、驱动系统，又必须具备信息检测传感系统，能在一定空间完成特殊工作。除了被广泛应用于汽车制造业外，工业机器人在食品业、制药业、器械、航空航天及金属加工等方面都有着广泛的应用。
机器人的发展趋势从最近几年看来，正在往三个方向发展，分别是模块化、系统化和智能化。例如，伺服电机、减速机、检测系统三个一体化构成了关节模块，再有关节和连杆构建成了机械手。其发展趋势又细分为四点，即：重复高精度、模块化、节能化和机电一体化。
1.2 机器人的国内外发展现状
近年来机器人技术的发展情况大致如下：
(1)随着科学技术的不断发展，机器人技术也响应得到提高，运动精度、可靠度等其性能不断得到提高，功能越来越强大，而单机价格却不断下降。
(2)器件的集成度得到提高，而将关于控制方面的控制柜设计的越来越小；除此之外，机器人还采用了模块化结构，这一突破性发展大大改善了系统的可靠性、操作性和维修性等。
(3)机器人的机械结构的发展越来越趋向于模块化。事实上，模块化的装配机器人早已被生产出来并上市问津。
(4)机器人的正常工作运转还与周围的换进密不可分，传感器的作用更是日益突显，不可或缺，除采用传统传感器外，还有一些机器人采用了多传感器技术，将其融合起来并达到决策控制和环境建模的目的，如遥控机器人等。目前多传感器融合配置技术已发展得越来越稳定，在系统化产品中已有成熟应用。
1.3 SCARA机器人简介
SCARA机器人运动的方式与人的手臂的运动很相似，它的组成部件包括平行的肩关节、肘关节和实现上下移动的腕关节，关节轴线共面，在平面内进行定位和定向，来实现水平和垂直运动，是一种固定式的工业机器人。它具有三个转动副和一个移动副，主要从事搬取零件和装配作业。
SCARA机器人一般在垂直方向上进行装配、码垛、焊接、密封和搬运工作等。其安装方式有地面安装和顶置安装两种，方便安装于各种空间。考虑到工作特点和环境等基本情况，本SCARA机器人的设计特点如下：
1.外形美观，适于观察。
由于设计的为示教用机器人，所以在对其结构设计中应考虑能够除了让观众赏心悦目外，还可以直观地理解其结构及其工作原理，所以应巧妙设计机器人的传动结构和外形。
2.成本低
设计的基本要求是在满足机器人所要求功能的设计前提下，尽可能考虑成本问题。如果该机器人的实际功能要求不高，只需要一定的示范作用，速度等参数在一定范围内可以调节，定位精度不高，可以考虑使用廉价的步进电机驱动装置，采用这种方式的话，结构设计将大大简化，成本也将更低。
3.体积小，重量轻
考虑到机器人负载能力不大，运动范围也很小，在设计结构时应尽量紧凑，内部零件也应尽量使其小巧，以减小倾覆力矩的影响作用。选择机身材料时首选铝质材料，因为此材料较为轻，可以减小零部件的质量，除此之外，还要考虑合理设计传动结构，分布各零件的空间。
4.传动原理简单
SCARA机器人四个关节运转速度不高，在满足转矩要求的前提下可在一定范围内调整减速比。根据空间结构确定最优传动方式，驱动方式选择步进电机，减速传动优先选择标准谐波减速器，传输跨度大的可以使用同步带传动。
1.4 课题研究的意义
目前，市面上很多驱动装置采用伺服电机、传动系统采用RV减速机的成熟SCARA机器人，考虑到由这些部件构成的整机价格昂贵，所以本课题旨在设计一个低成本教学SCARA机器人，虽然采用的步进电机和谐波减速器的精度、运动速度和稳定性要比工业场合用的机器人的要求要低得多，但作为一种成熟的传动技术，谐波传动精度高、传动平稳，而步进电机大可满足SCARA机器人的工作运转，而且成本远比其他驱动装置低得多，因此本课题旨在开发低成本的教学机器人。
2. 关节型机器人的总体方案设计
2.1 主要设计参数及技术指标
设计（论文）的主要任务及目标
主要任务是设计四自由度的关节型机器人的机构，三个转动副和一个移动副。要合理选择四个自由度的传动机构及执行元件。机器人基本参数：
负载能力 1.5kg
自由度数 4
运动精度 关节1 10000000脉冲当量/转
关节2 990000脉冲当量/转
（脉冲当量/转） 关节3 4470 pulse/mm
关节4 1000000脉冲当量/转
末端重复定位精度 ±0.1mm
自由度数 4
每轴最大运动范围 关节1 0～200°
关节2 0～100°
关节3 0～100mm
关节4 0～360°
每轴最大运动速度 关节1 1.57rad/s
关节2 3.14rad/s
高度 ≦550mm
本体重量 ≦50kg
几何尺寸 关节1（长度）200mm
关节2（长度）225mm
关节3（行程）100mm
安装要求： 水平安装
2.2 零部件的初选
2.2.1 机器人驱动装置的初选
目前机器人使的用驱动装置主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和液压伺服马达等。各种电机驱动的特点如下：
（1）液压驱动是指油泵在动力源的驱动下，压力油得到动力后再去驱动液压马达，机器需要的动力由液压马达产生。其优点在于功率密度大，在进行水下作业时无需特别考虑密封问题，很容易实现直线运动，重量轻；体积小；运动惯性小；反应速度快。其缺点是容易发生漏油，如果处理不当，不仅引起环境污染，还有可能导致危险。液压元件要求的精度比较高，所以价格比较昂贵。
（2）直流伺服电动机：它是一种依赖于直流电源，输出转速和扭矩可以通过输入电压或电流控制驱动的功能。它的特点是快速、良好的角落，没有限制，控制精度高，在角落里没有限制，驱动功率较大，在角落里没有限制。具有良好的启动特性，通常用在要求苛刻的生产设备。
（3）交流伺服电动机：交流伺服电动机功能更加强大，不仅拥有直流伺服电动机的全部优点，其构造更加简单，生产和维护业更加便利。它可以进行大范围的调速，具有稳速、精度高等优点，在运行时可以达到更高的功率和转速。在过去，由于控制成本高，在高性能的速度控制的应用限制的要求，但随着相关技术的发展，交流电机和直流电机具有匹配速度性能，在大功率场合大有完全取代直流电机的发展趋势。
（4）步进电动机：步进电机的工作原理是将电脉冲信号转换成机械角位移信号驱动，控制结构简单，控制性能好，成本低；位置误差不会累积，有利于定位控制系统。但是，步进电机基本没有过载能力，启动频率是有限的，需要特殊的电源。功率过大，体积大，和空间分辨率低，适用于关节或小机器人，与伺服电机相比，步进电动机的结构较为简单、价格低廉。
由于本教学SCARA机器人负载不大，相对于工业机器人来说，其运动精度和对功率和转速的要求也不是太高，再与机器人相关设计要求相结合，整个设计方面要求本机重量轻、体积小，又考虑到此次涉及的机器人的特点和传动结构方式，本设计中机器人四个关节驱动装置均选用步进电机驱动。
2.2.2 减速器的选用
目前，机器人的传动系统中的减速装置一般除了采用RV减速器外，也可以采用谐波减速器。传统的减速器一般为摆线针轮式，然后逐渐发展成完全封闭式的摆线针轮RV减速器。与其他减速器相比，谐波减速器不仅传动比范围大，工作效率和运动精度较高，也便于维护，适用于高速重载、精度较高的场合。从成本上考虑，其制造成本相对较低，所以在本设计中选用谐波减速器。谐波齿轮传动的原理和特点如下所述：
（一）传动原理
谐波减速器主要由三个基本构件组成：
（1）带有内齿圈的钢轮——相当于行星系中的中心轮，；
（2）带有外齿圈的柔轮——相当于行星齿轮；
（3）波发生器H——相当于行星架。
柔轮实际上是一种薄壁齿轮，它可以产生较大的弹性变形，波发生器H是一种杆状部件，它可以通过与柔轮的内壁相互挤压而使柔轮发生可控弹性变形。当波发生器作为主动件时，柔轮内的凸轮不断进行转动，迫使柔轮发生可控的弹性变形，柔轮与钢轮不断进行啮入啮出，这样不断周而复始地进行，这样就使柔轮沿着波发生器相对钢轮翻转。
（二）特点
1．承载能力高。
2．传动比大。单级谐波齿轮传动的传动比范围为70～500。
3．体积小、重量轻。
4．传动效率高、寿命长。
5．传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。
6．谐波传动中柔轮会承受较大的交变载荷，所以在选取柔轮材料时要考虑材料的抗疲劳强度，同时对加工和热处理要求较高，工艺复杂。
2.3 传动方案的比较确定
方案一：
图2-1 设计方案一
结构特点如下：
(1)机器人关节均采用步进电动机，相比于伺服电机，虽然它没有过载能力，而且启动频率有限，但由于步进电动机的结构较为简单、价格低廉，根据设计要求，机器人的负载不大，速度较低，所以在满足其操作要求的前提下使系统成本得到大大降低。
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