五自由度工业机器人结构设计毕业论文(设计)

的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。

旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。这里机器人手臂使用了三个旋转关节，综合各种手臂构形，最后确定其结构形式 为图2－1中的第一种形式，此手臂决定了末端执行器在空间的位置。

关节型机器人手臂有三个转动关节，通常腰关节的转轴是铅垂的，手臂在水平面内可绕腰关节轴转动，肩关节和肘关节的转轴平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面内转动。由三个转动关节构成的关节组联接在小臂杆的端部，模拟人的手腕，决定末端件的姿态。在运动学结构上，这类机器人最像人的手臂，因而结构最紧凑，柔性最好，可达空间最大，它甚至可以绕过障碍物到达目标点，因而是机器人中最有前途的一种。但由于三个关节都是转动的，故臂端的分辨率完全取决于它在工作空间中的位置。另外，位置精度也较差。 2.3.1.2 机器人手臂结构方案的对比分析及选择

参考国内外工业机器人的典型结构[17]～[ 23]，初步对各个回转关节的结构单独分析。 (1) 腰部回转关节

图 2-2 腰部回转示意图 1 图 2-3 腰部回转示意图 2

方案一：如图2－2所示，电机安装在底座下面，其输出轴经谐波减速器减速后，直接带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。

方案二：如图2－3所示，电机安装在底座上面，其输出轴先经谐波减速器减速，再经一对齿轮减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。

两种方案在传动实现上，都是可行的。均采用了减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的谐波减速器。虽然方案二在安装和维

修方面优于方案一，但是方案一的传动结构简单一点，而且少了一对普通直齿轮，其整体结构并不复杂，电机经谐波减速器减速后，速度己经较低，噪音问题不突出。故综合考虑，腰部回转关节选择方案一。

(2) 大臂和小臂回转关节

手爪回转电机及谐波减速器手腕小臂大臂手爪小臂回转电机和EPL减速器手腕回转电机第一关节输出轴主视图左视图大臂回转电机及EPL减速器 图2--4 大臂﹑小臂﹑手腕和手爪回转示意图

大臂和小臂回转都是通过EPL减速器减速后直接带动来实现的，且结构简单，通用性强，成本低，安装方便。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活,结合本课题的实际条件，因此,大臂、小臂手腕和手爪回转关节选择方案是合理的。

3 机器人的结构设计

3.1 整体受力图

3.2 结构设计计算 3.2.1腕部回转关节的设计 步进电机的选择：

腕部旋转由步进电机直接驱动，设手爪及物体的最大当量回转半径R=50mm，手爪及物体的总重量m=2.5kg,则其转动惯量J1?mR22?2.5?0.052/2?0.003125kg?m2

设机器人手部角速度W1从0加速到420/s所需要的时间t=0.4s,则其角加速度

?1??1?180t?420?/180?0.4?7?/1.2rad/s2

负载启动惯性矩（不计静磨擦力矩）T1?J1?1?0.003125?7?/1.2?0.057N?m。

由于步进电机不具有瞬时过载能力，故取安全系数为2（不同），则步进电机输出的启动转矩TOUT?2T1?2?0.057?0.1145N?m。由于Tout必须小于步进电机的最大静转矩，所以选择如下二相步进电机：

型号:42HSM02。最大步距角保持转矩为2.4，步矩角1.8°，质量为0.23kg.

3.2.2 腕部俯仰关节的设计 3.2.2.1 步进电机的选择

腕部俯仰是由步进电机通过同步带机构驱动的，手爪回转装置及物体的重心到回转中心的距离l1?75mm，腕部当量回转半径R?30mm，腕部回转电机到回转中心的距离

l3?57mm，则腕部俯仰时其转动惯量

1111112m1l1?m2R2?m3l32??2.5?0.0752??1?0.032??0.2?0.0571221212212?0.0014?0.00045?0.00095J2??0.00091kg?m2式中，m1——手爪回转装置及物体总质量约为2。5kg;

m2——腕部总质量约为0.1kg;

m3——腕部回转电机的质量。

设机器人腕部俯仰角速度从??0加到??300?/s所需时间t=0.2s,则腕部俯仰角加速度?2???/180t?300?/180?0.2?5?/0.6rad/s2，

腕部俯仰启动惯性矩

T2?J2?2?0.00091?5?/0.6?0.24N?m

负载静转矩（静磨擦力矩忽略不计）。

M静?mgl1?m3gl3?3?9.8?0.075?0.2?9.8?0.057

?1.8375?0.111?1.73N?m由于M静>>T2,故惯性矩忽略不计，则腕部俯仰总转矩T?M静?1.73N?m。 同步带的传动效率??0.95.同步带的传动比为1。则步进电机输出的启动转矩为

Tout?2T/?2i?2?1.73/0.952?2?1.73/0.9025?3.78

所以，选择如下四相混合式步进电机：