喷涂机器人.doc

毕业设计（论文）2012届机械工程与自动化学院机械设计制造及其自动化 专业题 目： 喷 涂 机 器 人 子 题：学生姓名： 徐大鹏 班级学号：0804010403指导教师： 高 腾 职 称：讲 师所在系（教研室）： 机 械 电 子 工 程 系摘 要机器人是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机器人是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机器人是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本课题的主要内容是采用机器人代替人来进行喷漆作业，机器人可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题解决问题.研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。尽力使机器人使用方便，结构简单。关键词：机器人，结构设计，步进电机，回转VAbstractA robot is a mechanical technology and electronic technology, the combination of high technology products. The robot is to improve product quality and labor productivity, and achieve the production process automation, improve working conditions, reduce the labor intensity of an effective means of. It is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the automation technology and equipment. The robot can replace the staff of the heavy labor, significantly reduced labor intensity of workers, improve working conditions, improve labor productivity and production level of automation. Industrial production often appears in the heavy work, frequent handling and long-term, monotonous operation, the robot is effective; in addition, it can be in high temperature, low temperature, water, the universe, radioactive and other toxic, pollution of the environment under the conditions of operation, but also show its superiority, there are broad development prospects.The main content of this paper is the use of robots to paint, robots can take the place of a lot of repetitive manual work, thereby reducing the labor intensity of workers, improve the production efficiency. Combined with the design of the various aspects of knowledge, in the design process to learn how to find problems. To solve the problem of problem. And in the design into their thoughts and ideas, enhance own innovation ability. Try to make the robot has the advantages of convenient use, simple structure.Key Words: Robot, structure design, stepper motor, rotary目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪 论11.1机器人的特点11.2机器人的组成21.2.1执行机构21.2.2驱动机构21.2.3控制机构21.3喷涂机器人31.3 本文研究主要内容3第2章 机器人机构总体方案设计42.1喷涂机器人的基本技术参数确定42.1.1自由度42.1.2坐标形式的选择42.1.3规格参数62.1.4有效负载62.1.4运动特性62.2 喷涂机器人材料的选择72.3机械臂的运动方式82.4喷涂机器人的驱动元件82.5 机构整体设计92.6 立柱回转关节设计10第3章 喷涂机器人结构设计123.1 机器人腰座结构的设计123.2 机器人手臂的结构设计133.3 机器人腕部的结构设计143.4 机器人末端执行器（手爪）的设计153.6 大小臂(关节2和关节3)电机的计算与型号选择153.6.1 电机的计算153.7 主要零件材料的选择与强度校核163.7.1 齿轮系材料的选择163.7.2 齿轮副的强度校核173.8本章小结20第4章 大、小臂部结构204.1 大、小臂部结构设计的基本要求204.2 大、小臂部结构设计22总结与展望26参考文献27致 谢29第1章 绪论第1章 绪 论随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，机器人作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机器人的身影。机器人产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机器人正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机器人是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产效率而出现的。然而由于机器人善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，机器人的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机器人的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势。现在，很多发达国家都追逐着机器人这一发展趋势，积极地进行着机器人的各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新型且实用的机器人或者是机器人。例如：日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝(AIBO)；。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人；美国iRobot公司推出了能避开障碍，自动设计行进路线吸尘器机器人Roomba；上海世博会使用过的福娃机器人等等。由于机器人的迅猛发展，机器人进入学校教学是必然的。三自由度机器人作为是机器人的典型产品，其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。1.1机器人的特点1机器人能进行自动化生产，降低成本。就本次设计的喷涂机器人而言，它能不间断的搬运零件和各种材料的输送。这样既提高了生产率又降低了生产成本。2机器人能使产品品质稳定，减少人工污染。人工生产会使产品质量受工人状态起伏而影响。对于某些高精度产品，人工送取会产生人工污染。3机器人能改善劳动条件，避免各种工伤。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，人工操作会有危险，机器人能代替人工作，改善了人们的劳动条件。4机器人能持久、耐劳，可以把人从繁重的劳动中解放出来，人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，以机器人代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。5机器人的灵活性、通用性强。它能通过更换部件来适应不同产品的生产。并通过改变程序和自由度来达到迅速改变作业的可能性。这样机器人能满足各种各样的零件生产，在生产中发挥重大作用。1.2机器人的组成工业机器人是由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.2.1执行机构一般机器人的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有行走机构组成。1.2.2驱动机构驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机器人能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力0.4-0.6MPa,最高可达1MPa。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂, 很少采用。机械式用于简单的场合。1.2.3控制机构 机器人的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.3喷涂机器人喷涂机器人又叫喷漆机器人（spray painting robot）， 是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 团）发明。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5或6自由度关 节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向 弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特 点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。12 喷涂机器人的主要优点（1）柔性大。工作范围大大。（2）提高喷涂质量和材料使用率。（3）易于操作和维护。可离线编程，大大的缩短现场调试时间。（4）设备利用率高。喷涂机器人的利用率可达90%-95%。1.3 本文研究主要内容通过利用网络工具、图书馆的书籍和各类期刊、杂志查阅了解喷涂机器人的相关知识，确定本设计符合要求，满足需要。具体设计方法如下：1、查阅资料、结合所学专业课程，产生喷涂机器人结构设计的基本思路，2、查阅各类机械机构手册，确定合理的喷涂机器人结构；3根据给定技术参数来选择合适的手部、腕部、臂部等部位4、重点对驱动机构及控制机构进行设计研究；5、通过研究国内外情况，确定本设计课题的重点设计；6、完成2D装配图的设计和绘制，并由此绘制零件图：7、编写设计说明书；8、检查并完善本设计课题。本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案，所运用的资料来源广泛，内容充足。29第2章 本章标题第2章 机器人机构总体方案设计本文的重要任务是完成喷涂机器人的设计，本章内容是围绕喷涂机器人机构设计任务来展开，介绍喷涂机器人执行机构设计思路。2.1喷涂机器人的基本技术参数确定表示机器人特性的基本技术参数主要有自由度、坐标形式的选择、2.1.1自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。喷涂机器人的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着喷涂机器人整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用喷涂机器人有56个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有23个自由度），专用喷涂机器人有12个自由度即可满足使用要求。2.1.2坐标形式的选择喷涂机器人的坐标形式主要可分为：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型另外还有比较复杂的SCARA型和并联型1直角坐标型喷涂机器人：这类喷涂机器人就是如图2-1(a)得直移型，其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直轴线的移动来实现，该形式喷涂机器人具有位置精度高，控制无耦合、简单，壁障性好等特点。但结构较庞大，动作范围小，灵活性差，且移动轴的结构复杂，占地面积大。而且需架空线路。2圆柱坐标型喷涂机器人：这种喷涂机器人如图2-1（b）的回转型喷涂机器人，通过两个移动和一个转动实现手部空间位置的改变，手臂的运动系由垂直立柱平面内的伸缩和沿立柱的升降两个直线运动及手臂绕立柱的转动复合而成。这种喷涂机器人，占地面积小而活动范围较大，结构亦较简单，并能达到较高的定位精度，因而应用范围较广泛。机身采用立柱式，喷涂机器人侧面行走，顺利完成上料、翻转、转位等功能。但是结构也比较庞大，两个移动轴的设计较为复杂。3球坐标型机器人： 这类喷涂机器人如图2-1（c）的俯仰型喷涂机器人，其手臂沿X方向伸缩，绕Y轴俯仰和绕Z轴回转。这类喷涂机器人具有占地面积小、结构紧凑、重量较轻、位置精度尚可等特点，能与其他机器人协调工作，但避障性差，存在着平衡问题，位置误差与臂长有关。4关节坐标型喷涂机器人：如图2-1（d）的屈伸型喷涂机器人，主要由立柱、前臂和后臂组成。机器人的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好，但是位置精度较低，存在平衡以及控制耦合的问题，故比较复杂。 图2. 1喷涂机器人的坐标形式 图2- 2 喷涂机器人基本形式示意图2.1.3规格参数用途：喷漆1、大臂伸缩范围200mm1500mm，回转角270。2、小臂伸缩范围200mm800mm，回转角210。 3、手腕旋转角度150。4、步进电机驱动。 2.1.4有效负载有效负载是指机器人操作臂在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，它表示了喷涂机器人的负载能力。机器人的载荷不仅仅取决于负载的质量，还与机器人运动的速度和加速度的大小及方向有关。为了安全起见，有效负载是指高速运行时的有效负载。2.1.4运动特性速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。它反映了机器人的使用效率和生产水平，喷涂机器人的运动速度越高，则其使用效率越高，生产水平越高。但速度越快产生的冲击和震动也越大，因此提高机器人的加减速速能力，保证机器人加速过程的平稳性是非常重要的。对于本文中的喷涂机器人，在没有负载时可以适当地加快其运动速度;而在其有负载时，末端执行器(手爪)通常要和物体直接接触，为了安全起见，务必要尽量减少手臂的运动速度。总的来说，喷涂机器人的速度在一定范围内要是可调的，这样才能满足在各种不同情况下的使用需要。2.2 喷涂机器人材料的选择机器人手臂的材料应根据手臂的实际工作情况来进行选择，在满足机器人的设计和运动要求前提下。从设计的理论出发，机器人手臂要进行各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料并要求有一定刚度。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生冲击和振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、强度、弹性进行综合考虑，以便有效地提高手臂的运动性能。此外，机器人手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机器人手臂是要受到控制的，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、成本、质量等性质一起考虑。总之，选择机器人手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常用的材料：(l)碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢:这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了很多倍、弹性模量大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料;(2)铝、铝合金及其它轻合金材料:其共同特点是重量轻、弹性模量不大，但是材料密度小，但仍可与钢材相比;(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金属连接的特殊部位。然而，国外已经设计出纯陶瓷的喷涂机器人臂了。从本文设计的喷涂机器人的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件。2.3机械臂的运动方式根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见的机器人的运动形式有五种:直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。考虑到喷涂机器人的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型喷涂机器人。这类喷涂机器人一般由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类喷涂机器人运动学比较复杂，运动学的反解比较困难;确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。图2.4 常见的运动方式2.4喷涂机器人的驱动元件在机器人驱动系统中，电气驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动机器人的关节，来获得动力。电气驱动主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电动机以及最近几年出现的超声波电机和HD电动机等几种。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，每输入一个脉冲，步进电机就进行回转一定的角度，脉冲数与角度数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可在很宽的范围内，通过脉冲频率同步，能够按照脉冲要求进行起动、停止、反转和制动变速，有较强的阻碍偏离稳定的能力。在机器人中位置控制系统中得到了极大的应用。主要有永磁式、反应式、永磁感应子式三种。直流伺服电机是用直流电供电的电动机。其功能是将输入的受控电压/电流能量转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与普通动力用直流电机相同。特点是稳定性好、可控性好、响应迅速、转矩大。一般有永磁式和电磁式，在机器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。.交流伺服电机的使用情况与直流伺服电机相同，但交流伺服电机与直流伺服电机相.比，结构简单、工作可靠、功率大、过载能力强、无电刷、维修方便，因而交流伺服电机是今后机器人用电机的主流。低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率效率比，伺服电机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，若对功率效率比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递信息。HD电动机是一种小型大转矩(大推力)的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑本文喷涂机器人臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用较为广泛的直流伺服电机作为驱动电机。2.5 机构整体设计综合考虑喷涂机器人的作业任务和作业环境，采用了5 个自由度的关节型机器人。整个机构的水平运动采用小车来实现，即整个机构装在一个小车上。整个执行机构是一个4 自由度的串行机构，且大臂与小臂关节的轴线相互平行。这种结构动作灵活，结构紧凑，工作空间大，占地面积小，在作业空间内手臂的干涉最小，关节需要的驱动力矩小，能量消耗较少，关节相对运动部位容易密封防尘。喷涂机器人部件组成由小车、立柱回转部件、大臂、小臂、末端执行器（喷涂头）组成，其结构简图如图1。该机器人的5 个自由度分别为：小车的移动、立柱回转、大臂回转、小臂肘部回转、腕部仰俯（喷涂头部分的仰俯）。 各部分的功能如下：1) 小车是行走机构，是机器人的基础部分，整个执行机构和驱动系统都安装在小车的基座上。2) 立柱是手臂的支撑部分，通过安装在小车底座上的步进电机驱动，立柱可以在机座上转动。3) 手臂包括大臂和小臂，是执行机构中的主要运动部件，以实现空间位置的3 个坐标分量的要求，用来支承腕关节，并使其在工作空间内运动。为了使末端执行器能达到工作空间的任意位置，手臂和腰部的运动设计上具有4 个自由度。4) 腕关节是连接手臂与末端执行器的部件，用于调整末端执行器的方向和姿态。手部一般是夹持装置，主要用来夹紧作业工具喷涂头。2.6 立柱回转关节设计立柱的回转关键由基座、带减速装置的步进电机、回转轴组成，如图2。执行机构在基座上回转。由于机器人为开链结构，整个大臂、小臂、手腕、喷涂头的重量均由肩关节承担，因此肩关节所受的驱动力矩较大。手腕由转轴、壳体部、减速器、电机驱动轴等组成。通过连轴器、驱动轴来带动手腕工作。机器人在整个运动过程中，除了小车的运动和腰部的回转运动外，其他的运动是相互耦合的。大臂和小臂回转关节设计如图3。1、带减速装置的电机；2、联轴器；3、转动轴；4、螺钉连接；5、卡环；6、闷盖；7、键连接；8、轴承连接图3 大臂和小臂回转关节装配图大臂和小臂回转通过带有减速装置的电机直接驱动来实现。除立柱回转关节之外的3 个回转第3章 喷涂机器人结构设计3.1 机器人腰座结构的设计工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量4。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：(1) 腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。(2) 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。(3) 机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。(4) 腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。(5) 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。(6) 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机器人的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动5。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机器人的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。基座是一个铝制的整体铸件，其上装有关节1的驱动电机，在基座内安置了关节1的回转轴及其轴承、轴承座等。3.2 机器人手臂的结构设计机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动6。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；(1) 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。(2) 机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。(3) 为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。(4) 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。(5) 机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的7。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。(6) 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。机器人的俯仰关节手臂（大臂）和俯仰关节手臂（大臂）。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到机器人的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机器人运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机器人的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机器人的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。3.3 机器人腕部的结构设计机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态8。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。 (1) 机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案9。(2) 机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。(3) 机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。(4) 机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。(5) 要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。(6) 手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。3.4 机器人末端执行器（手爪）的设计机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求10。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种12。机器人夹持器电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。3.6 大小臂(关节2和关节3)电机的计算与型号选择3.6.1 电机的计算在确定握力时，考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证夹持安全可靠。另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可以达到非常高的位姿准确度。综上所述，本文选择电机驱动为机械手的驱动方式。假设本文设计携带喷漆物料 m=3Kg，设螺纹为 M8，其中径 r=3.6mm，螺距 P=1mm，当量摩擦系数 f=0.1，Q为轴向载荷，M为螺纹驱动力矩。手指材料为铝合金，铝合金与常用材料的磨擦系数如表3.1所示:表3.1 主要工程材料摩擦系数 摩擦副材料 静摩擦系数 铝合金 黄 铜 0.27 青 铜 0.22 钢 0.3 胶 木 0.34 钢 纸 0.32 树 脂 0.28 硬橡胶 0.25 石 板 0.26从表3.1可以看出铝合金与不同材料的静摩擦系数趋近于0.3，所以取末端执行器手指之间的静摩擦系数，则： (3-1)螺纹增力比 （3-2）式中 当量摩擦角，= ；螺纹升角，= 带入数据,得, 得 （3-3）选用齿轮传动比 n=1:1，忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩，根据上述计算，我们选择了博美德(黄冈)机械有限公司公司生产的 SM40-001-30LFB 型伺服电机，它的保持转矩为 100，满足设计要求。3.7 主要零件材料的选择与强度校核3.7.1 齿轮系材料的选择对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿心要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可以采用软齿面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于350HBS，热处理方法为调制或正火，常用材料有45号钢和40Cr等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度一般为8级。本文设计的齿轮副速度要求不高，所以设计选用40Cr为材料，软齿面即可满足传动要求。3.7.2 齿轮副的强度校核 轮齿在受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。对于制造精度较低的传动齿轮，由于制造误差大，实际上多由在齿顶处咬合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。本文设计的是直齿圆柱齿轮，齿数Z=30，模数=1 mm，齿宽b=4mm,节圆直径，齿形角度，齿轮副的传动比u=1:1。电机传动的转矩T=90。那么齿轮所受的圆周力 （3-4）对于齿轮的校核将从两方面来计算：1) 齿面接触疲劳强度的校核齿面接触疲劳强度的校核公式为； （3-5）式中： 为区域系数，标准直齿轮=2.5； K为载荷系数，此处取K=1.8； 为弹性影响系数，查得=188； 为接触疲劳许用应力