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1 前言   

1.1课题来源

本课题设计的是垂直多关节型机器人臂部与手部的设计，主要是臂部和腕部的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际，是针对目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用机器人技术，可以实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程的自动化和改善劳动条件。

1.2 技术要求及预期效果

根据设计要达到以下要求：

a. 最大搬运重量：5kg；

b. 最大工作范围：850mm；

c. 标准周期：0.59sec；

d. 重复定位精度： mm；

e. 生产纲领：大批大量。

此次设计的垂直多关节机器人可以实现大臂小臂的旋转,手腕的旋转与摆动以及手爪的自动抓取与放松工件运动。此装置应用在焊接生产线上将大大提高生产效率和加工质量，降低了工人的劳动强度，能够带来可观的经济效益。

1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路

   本课题要解决的问题有以下三个：

a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部的结构紧凑，减少重量和体积；

b. 提高手腕动作的精确性；

c. 三个自由度的实现。

   针对上述问题有了以下设计思路：

a.对于分离传动采用传动轴。

b. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将2个驱动器安置在小臂的后端。

c. 驱动电机1经联轴器与传动轴来驱动小臂壳体的回转运动。驱动电机2经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动来带动手腕作偏摆运动。

d.手部的驱动电机安装在手腕内部，以此来减轻手部的重量，让手爪能够作灵活的运动，此传动装置采用螺旋传动来带动手爪的抓取与放松工件运动。

1.4 国内外研究现状及发展状况

1.4.1 研究现状

自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。

工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。
       一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。

进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。

然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。

1.4.2 发展趋势

工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面：

A．机械结构

      a. 以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的l／3(目前世界工业机器人总数约为750000台)，90年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。

  　  b. 应3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接数十米长、l0吨以上大构件的弧焊机器人群；采取蚂蚁啃骨头的协作机构。

c. 己普遍采用CAD、CAE等技术用于设计、仿真与制造中。

B. 控制技术

a. 大多数采用32位CPU，控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。

b. 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。

 　　c. 基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。

C. 驱动技术

上世纪.80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号机器人产品，其中采用AC伺服驱动的有156种，占93.4％。直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本FANUC 公司开发并用于工业机器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。

D. 智能化的传感器多有应用

在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3％，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口。

E. 高速、高精度、多功能化

目前所知最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s;高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm.有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种并联机构的NC机器人，其位置重复性达l um。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能。最近瑞典Neos公司开发出一种高精度、高可靠性的可切割、钻孔、铣削、磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家著名汽车厂和飞机公司。

F. 集成化与系统化

1998年ABB公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有0.4s，控制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。FANUC公司2000年9月宣称它的控制器为世界最小。

工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。

2 总体方案设计

2.1 机械结构类型的确定

为实现总体机构在空间位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题的要求现可以将其设计成关节型机器人。关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取近距离的物体，工艺操作精度高。

2.2 传动方案的确定 

图2-1是机器人小臂与腕部机械传动系统的简图。机械传动系统共有4个齿轮，为了实现在同一平面改变传递方向90°,有2个齿轮为圆锥齿轮,有利于简化系统运动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构,则必然以空间交叉方式变向,就不利于简化系统运动方程式的结构形式。其中有2个齿轮为直齿圆柱齿轮，用于减速。小臂的结构形式是由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶接而成。关节4电机安装在小臂后面用于带动传动轴与齿轮的旋转来实现手腕的摆动；关节5电机也安装在小臂后面，其后紧跟传动轴用于实现手腕的旋转；关节6电机安装在手腕里，用螺旋传动来实现手爪的夹紧与放松运动，当电机正转时给杠杆施加一个向上的力来实现放松工件运动，相反，电机反转来实现夹紧工件运动。

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