关节式四自由度工业机械手臂的机械结构设计

目 录 摘要………………………………………………………………………………………… i Abstract………………………………………………………………………………………ii 第1章 绪论………………………………………………………………………………3 1.1 选题背景……………………………………………………………………………3 1.2 设计目的……………………………………………………………………………3 1.3 国内外研究现状和趋势……………………………………………………………4 1.4 设计原则……………………………………………………………………………4 第2章 设计方案的论证………………………………………………………………5 2.1机械手的总体设计…………………………………………………………………5 2.1.1 机械手总体结构的类型…………………………………………………………5 2.1.2 设计具体采用方案………………………………………………………………6 2.2机械手腰座结构的设计……………………………………………………………6 2.2.1 机械手腰座结构的设计要求……………………………………………………7 2.2.2 设计具体采用方案………………………………………………………………7 2.3机械手手臂结构的设计……………………………………………………………8 2.3.1 机械手手臂的设计要求…………………………………………………………8 2.3.2 设计具体采用方案………………………………………………………………9 2.4工业机器人腕部的结构……………………………………………………………10 2.4.1机器人手腕结构的设计要求……………………………………………………10 2.4.2设计具体采用方案………………………………………………………………11 2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计…………………………………………11 2.5.1机械手末端执行器的设计要求 …………………………………………………11 2.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式………………………………………………12 2.5.3机器人夹持器的典型结构………………………………………………………12 2.5.4设计具体采用方案………………………………………………………………13 2.6机械手的机械传动机构的设计……………………………………………………13 2.6.1工业机器人传动机构设计应注意的问题………………………………………13 2.6.2工业机器人常用的传动机构形式………………………………………………14 2.6.3 设计具体采用方案………………………………………………………………17 2.7机械手驱动系统的设计……………………………………………………………17 2.7.1机器人各类驱动系统的特点……………………………………………………17 2.7.2工业机器人驱动系统的选择原则………………………………………………18 2.7.3机器人液压驱动系统……………………………………………………………18 2.7.4机器人气动驱动系统……………………………………………………………19 2.7.5 机器人电动驱动系统……………………………………………………………20 2.7.6 设计具体采用方案………………………………………………………………23 2.8机器人手臂的平衡机构设计………………………………………………………23 2.8.1 机器人平衡机构的形式…………………………………………………………23 2.8.2 设计具体采用的方案……………………………………………………………24 第3章 理论分析和设计计算…………………………………………………………25 3.1液压传动系统设计计算……………………………………………………………25 3.1.1 确定液压系统基本方案…………………………………………………………25 3.1.2 确定液压系统的主要参数………………………………………………………25 3.1.3 计算和选择液压元件……………………………………………………………28 3.2电机选型有关参数计算……………………………………………………………29 3.2.1 有关参数的计算………………………………………………………………29 3.2.2 电机型号的选择………………………………………………………………30 结论……………………………………………………………………………………33 参考文献………………………………………………………………………………34 致谢……………………………………………………………………………………36 附录……………………………………………………………………………………37 第2章 设计方案的论证 2.1机械手的总体设计 2.1.1 机械手总体结构的类型 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。 1.直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 2.圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 3. 球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 4. 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

图2-1 四种机器人坐标形式