三自由度机械手腕的设计

目 录

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摘 要 ..................................................................................................................... 1 Abstract ........................................................................................ 错误!未定义书签。 1绪论 ............................................................................................................................ 2

1.1工业机器人简介 .............................................................................................. 2 1.2 工业机器手简介 ............................................................................................. 2 2

工业机器人手腕的总体设计 .......................................................................... 3 2.1机器人手腕总体设计概述 .............................................................................. 3 2.2腕部的结构特点 .............................................................................................. 5

2.2.1 概述 ....................................................................................................... 5 2.2.2单自由度手腕 ........................................................................................ 5 2.2.3二自由度手腕 ........................................................................................ 6 2.2.4三自由度手腕 ........................................................................................ 6 2.2.5柔顺手腕结构 ........................................................................................ 7 2.3 腕部的驱动机构 ............................................................................................. 8 2.4设计要求 .......................................................................................................... 9 3 机器人手腕的机械系统设计 ............................................................................... 10

3.1三个自由度的实现 ........................................................................................ 10 3.2传动机构的设计 ............................................................................................ 12 3.3手腕内部其他结构的设计 ............................................................................ 13 4三维造型的绘制 ...................................................................................................... 15

4.1 造型软件简介 ............................................................................................... 15 4.2典型零件的绘制 ............................................................................................ 18 结 论 ......................................................................................................................... 44

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摘 要

摘 要

在工业上,机器人有着广泛的应用,尤其是在高温,高压,粉尘,噪音,以及带有放射性和污染的场合。而工业机器人是相对较新的电子设备,它正开始改变现代化工业面貌。手腕是连接末端执行器和手臂的关键,是联接手部与臂部的部件,它的作用是调整或改变工件的方位。本设计为三自由度工业机器人手腕,可以在两个方向上旋转在一个方向上弯转。三维造型采用的造型软件为Pro/ENGINEER, Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0以其易学易用、功能强大和互连互通的特点,推动了整个产品开发机构中个人效率和过程效率的提高。它既能节省时间和成本,又能提高产品质量。本文是对整个设计工作和造型过程较全面的介绍和总结。

关键词:三自由度,机器人手腕,工业机器人

1绪论

1绪论

1.1工业机器人简介

工业机械手(以下简称机械手)是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一,它能部分的代替人工操作;其二,它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序,时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三,它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件,显著的提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到各先进工业国家的重视,投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温,高压,粉尘,噪音,以及带有放射性和污染的场合,应用更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。

1.2 工业机器手简介

机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序。以完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能之外,还具备通用机械,记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的,称为操作机。它起源于原子,军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电讯号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的铸造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手,主要附属于自动机床或自动线上,用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为‘Mechanical Hand’,它是为主机服务的,由主机驱动;除少数外,工程程序一般是固定的,因此是专用的。

机器人手腕是机械手的一部分。手腕是连接末端执行器和手臂的关键,是联接手部与臂部的部件,它的作用是调整或改变工件的方位,因而它具有独立的自由度,为使机器人末端执行器能处于空间任意方向,要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度,分别称为翻转R(Roll)、俯仰P(Pitch)和偏转Y(Yaw)。根据使用要求,手腕的自由度不一定是3个,可以是1个,2个,或比3个更多。手腕自由度的选用与机器人的通用性,加工工艺性,工件放置方位和定位精度等有关。

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2 工业机器人手腕的总体设计

2 工业机器人手腕的总体设计

2.1机器人手腕总体设计概述

手腕是连接末端执行器和手臂的关键,是联接手部与臂部的部件,它的作用是调整或改变工件的方位,因而它具有独立的自由度,为使机器人末端执行器能处于空间任意方向,要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度,分别称为翻转R(Roll)、俯仰P(Pitch)和偏转Y(Yaw)。根据使用要求,手腕的自由度不一定是3个,可以是1个,2个,或比3个更多。手腕自由度的选用与机器人的通用性,加工工艺性,工件放置方位和定位精度等有关。

(a)腕部坐标系 (b)手腕的俯仰

(c)手腕的偏转 (d) 手腕的回转

图1 腕部的坐标系

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2 工业机器人手腕的总体设计

确定末端执行器的作业方法,一般需要3个自由度,由3个回转关节组合而成,组合的方式有多种多样。常用的如图1所示,腕关节配置一般由臂转、腕摆、手转三部分组成。

(1) 臂转 绕小臂轴线方向的旋转称为臂转。

(2) 腕摆 使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。

(3) 手转 使末端执行器(手部)绕自身轴线方向的旋转称为手转。 图2(a)所示的腕部关节配置为臂转、腕摆、手转结构,图2(b)所示的为臂转、双腕摆、手转结构。

英文关键词的每一个字母均小写,每个关键词之间用半角逗号分

图2 腕部的偏转轴线

手腕的设计除应满足起动和传递过程中所需的输出力矩外,还要求满足以下要求:

(1) 由于腕部处于手臂末端,为减轻手臂的载荷,应力求腕部结构紧凑、减少重量和体积。腕部机构的驱动装置多采用分离传动,将驱动器安置在手臂的后端。

(2) 手腕部件的自由度越多,各关节的运动范围越大,动作灵活性越高,但会使手腕结构复杂,运动控制难度加大。因此不应盲目增加手腕的自由度。通用的机器人手腕多配置3个自由度,某些专用工业机器人的手腕,根据实际需要,可减少其自由度。

(3) 为提高腕部动作的精确性,应提高传动的刚度,尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。

(4) 对手腕各回转关节轴上要设置限位开关,以防止关节超限造成事故。

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