通用工业机器人的小臂及手腕设计

1 绪论

本次综合课程设计题目为通用工业机器人的小臂及手腕设计。

工业机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统、传感系统和输入、输出系统接口组成。

执行系统是工业机器人完成握取工具（或工件）实现所需各种运动的机构部件，包括手部、腕部、臂部、机身和行走机构。

驱动系统是向执行系统的各个运动部件提供动力的装置。按照采用的动力源不同，驱动系统分为液压式、气压式、电气式。

控制系统是工业机器人的指挥系统，它控制驱动系统，让执行机构按照规定的要求进行工作。按照运动轨迹，可以分为点位控制和轨迹控制。

传感系统是为了使工业机器人正常工作和与周围环境保持密切联系，包括位置、视觉、力觉、触觉和接近觉等多种类型传感器及传感信号的采集处理系统。 输入、输出系统接口是为了工业机器人与周边系统及相应操作进行联系与应答，包括各种通讯接口和人机通信装置。

通用工业机器人又被称为多用途工业机器人，是用来完成某些辅助操作如装料、卸料、运输、堆垛或在各种工艺用途的装备上完成所需各种形式运动和顺序。通用工业机器人不仅可用于辅助操作的自动化，也可完成基本的工艺过程，如焊接、热处理、喷涂等。

通用工业机器人的结构特点首先由其工艺上可能性所必须的多样化所决定。与此相关，当设计工业机器人时，要保证工作机构有更多的自由度（5～7或更多）。例如夹持器，为了使工业机器人完成各种工艺操作，采用操作机（手臂和手腕）杆件位移坐标系：圆柱坐标、球坐标和组合坐标系。通用工业机器人一般服务在其周围安装的若干个工艺装备单元。这说明需要有足够大的工作空间和较高的机动灵活性。可是随着操作机运动机构中转动副数目的增加，工作机构要达到较大的承载能力和较高的定位精度是困难的。同时机器人的控制也更加复杂。 为增大工作空间，例如多用途机器人在机床组或其它工艺装备上工作时，操作机可以安装在可动基础（小车）上。这种附加移动既保证手臂的行程增大，又

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保持操作机有较大的承载能力。

操作机的手臂可以是单一刚性结构（一般为管截面杆）或是若干个铰接连杆形式。在操作机手臂和手腕结构的某些形式中具有一些铰链链接，这使工业机器人具有较大的机动灵活性。

操作机可以装有带两个夹持器的手腕机构。当手腕绕其纵轴回转180°时，一个夹持器可精确地放置在另一个位置上。手腕有双夹持装置在工艺装备上工作特别有效，例如，当需要在同一位置上取下加工好的零件和装上毛坯时，工业机器人夹持装置一般做成可换的。

为扩大通用工业机器人的应用范围，可以改变其特性，以适应于具体生产条件，与此同时用基本模块形成其变形。工业机器人结构方案可以由标准化单元组成，也可采用仅为完成具体任务而制作的专用部件。 以下根据通用工业机器人的各种要求对题目进行设计。

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2 通用机器人总体设计

该通用机器人以YM160Φ2型通用机器人为基础进行改型设计，该型机器人在生产中广泛应用，各种性能经过实践检验，因此以其为基础额改型设计具有较大可行性，且能够满足课题要求。

该型通用机器人广泛应用于各种工艺要求的成组看管的设备上。其中包括带有数控装置的金属切削机床。工业机器人保证旋转体毛坯的机床装料，以及输送已加工的零件，由机床加工地点顺序的堆放在包装箱、存储仓库或夹具中，将包装箱或存储仓库中的毛坯或零件排列整齐。

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2.1 通用机器人原理设计

该型通用机器人为可移动门架式结构：

手臂承载机构可沿着导轨进行移动，导轨安装与立柱上，位于被看管设备上方。

该机器人共有四个自由度：

1 手臂承载机构沿导轨移动，由安装于承载机构上的电液步进驱动装置，减速器和安装于导轨上的齿条实现；

2 手臂在肩关节中的转动，由安装于承载机构上的电液步进驱动装置，运动传递机构和安装于肩部的滚珠丝杠实现；

3 手臂在肘关节中的转动，由安装于小臂上的电液步进驱动装置，运动传递机构和安装于大臂的滚珠丝杠实现；

4 手腕绕自身轴线的旋转，由安装于手腕机构中的液压缸，齿条，传动机构及不完全齿轮实现。

手腕机体中安装两个液压缸，一个用来使手部旋转，另一个实现手部的夹持动作。

承载机构、手臂的肩和肘部的电液步进驱动装置包括电液伺服步进马达，液压马达和液压扭矩放大器。

依据该机器人的原理设计，绘制出该通用机器人小臂及手腕机构图（图1）。

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图1

以下对通用机器人小臂及手腕进行详细的设计及计算。

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3 小臂设计及计算

手臂是工业机器人执行机构中最重要的部件。它的作用是支承手部和腕部，并改变手部在空间的位置。因此工业机器人的手臂一般有2～3个自由度，即手臂的伸缩、回转和升降（或俯仰）运动；专用机械手的臂部一般具有1～2个自由度，即伸缩、回转或直移。手臂回转和升降运动是通过机座的立柱实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动通常由驱动装置、各种传动装置、导向定位装置、支承连接件和位置检测元件等来实现，因此它受力一般比较复杂，其自重较大，同时直接承受腕部、手部和被抓取工件的静、动载荷，尤其在高速运动时，将产生较大的惯性力，引起冲击，影响定位的准确性。臂部运动部分零部件的重量直接影响着臂部结构的刚度和强度。专用机械手的臂部一般直接安装在主机上；工业机器人的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上，机身可以是固定的，也可以是行走的。

手臂的结构、工作范围、灵活性、抓重大小（即臂力）和定位精度都直接影响机器人的工作性能，所以须根据机器人的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度以及定位精度的要求来设计手臂的结构形式。同时设计师必须考虑到手臂的受力情况，油（气）缸的导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计时应注意手臂的刚度、导向性、偏重力矩、运动平稳性和定位精度等因素。

按手臂的结构形式区分，手臂有单臂、双臂及悬挂式。

按坐标系区分，手臂有圆柱坐标型、极坐标型、直角坐标型和多关节型等。 按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的，如手臂的伸缩、升降及横向移动；有回转运动的，如手臂的左右回转、上下摆动（即俯仰）；有复合运动的，如直线运动和回转运动的组合、两直线运动的组合、两回转运动的组合。

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3.1 小臂设计

本次设计的机器人臂部属于单臂多关节复合运动型手臂。

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臂部有横移、俯仰和前后移动三个运动。横移机构为齿轮齿条缸结构，俯仰和前后采用铰接滚珠丝杠和液压马达驱动。这种机器人手臂结构比较简单，重点体现在控制方面。

机器人臂部导向装置选用滚珠丝杠，手臂移动时带动钢珠滚动并自行循环，实现滚动摩擦代替滑动摩擦。这种结构摩擦阻力小，定位精度高，移动速度快。

小臂设计长度为1000mm，采用铰接方式分别在肘部和腕部铰接大臂与手腕，连接轴在肘部用螺栓与小臂进行连接。铰接部位为减小运动时的摩擦力使用滚动轴承连接。

依照结构图，小臂中部同时铰接回转装置，距肘部150mm，偏离小臂250mm。

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3.2 小臂的载荷分析

3.2.1 小臂静载荷分析

小臂自重50kg，腕部自重35kg，机器人满载，即手部夹取100kg重物。

1、水平位置载荷分析

当小臂处于水平位置时，简将小臂简化为杆，其左端受到手腕及重物的拉力F1，右端受到大臂对其的反力，将该反力分解为沿X轴和沿Y轴方向的分力F2和F3，在滚珠丝杠连接处收到其拉力，可将此拉力移动至小臂上，变为拉力F4和一旋转力矩M，同时还受到小臂自重G影响，根据受力情况分为G1和G2。其受力如图2所示。

M

B

C

F4

F2 D G2

图2

A

E

F1 G1

F3

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取g=9.8m/s2，则图中各载荷：

F1=1323N，G1=416.5N，G2=73.5N，F2，F3，F4，M，待求解；F4与水平方向夹角为θ=37°；AB=BC=425mm，CD=DE=75mm。

由于小臂处于静止状态，故各分力合力为零，由此可列出方程组：

F4SinF1F3G1G20 F4CosF20

№7

F1ACG1BCMG2CDF3CE MF4Cos250mm

解方程组可得：

F2=2824.41N，F3=325.34N，F4=3536.55N，M=1247.25N·m。

2、竖直位置载荷分析

当小臂处于竖直位置时，将小臂简化为杆，其下受到手腕及重物的拉力F1，上端受到大臂对其的反力F2，同时还受小臂自重G。其受力如图3所示。

F2 G

F1

图3

取g=9.8m/s2，则图中各载荷： F1=1323N，G=490N，F2=F1+G。

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F2=1813N

3.2.2 小臂动载荷分析

小臂自重50kg，腕部自重35kg，机器人满载，即手部夹取100kg重物。按照设计要求，小臂摆动速度30°/s，加速时间0.5s，取g=9.8m/s2。

1、竖直状态载荷分析

当小臂处于竖直状态时，将小臂简化为杆，由静止进行加速至摆动速度时，受到腕部及夹取重物重力F1，惯性力F惯，离心力F离，受到丝杠拉力，将丝杠拉力移动至肘部，变为拉力F2，与力偶M，受到肘部水平方向拉力F3，竖直方向拉力F4，及小臂自重G，小臂惯性力G惯，小臂离心力G离。

分析可知在小臂加速至额定摆动速度前一刻，其负载达到最大，故选此刻作动载荷分析，小臂此刻摆动速度可近似为30°/s，设小臂此刻处于竖直位置。其受力如图4所示。

F4 M

F3

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F2

G惯 G,G离

F惯

F1,F离

图4

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F1=1323N，G=490N，小臂长度l=1000mm，则腕部及夹取重物运动速度v=0.52m/s。

F惯F1v13230.52140N， gt9.80.5№9

mv21350.522F离36.50N，

r1将小臂视为匀质直杆，则小臂上每一点的运动速度v臂该点距肘部距离。

Gv臂gt49012R3036026.17N 9.80.52R30m/s，R为360G惯1002R30501mv1360G离13.08N0R02R30

3602G惯对肘部的矩T惯为：

T惯G惯R01490102R30360R1009.80.56R01217.44Nm

F2，F3，F4，M，待求解；F2与水平方向夹角θ=54°，小臂长度1000mm。 列出小臂受力平衡方程组：

F1F2SinF4F离GG离0 F2CosF3F惯G惯0

MF惯RT惯0

M0.29F2Sin解方程组可得：

F2=671.06N，F3=560.61N，F4=1319.68N，M=157.44N·m。

2、水平状态载荷分析

当小臂处于水平状态时，将小臂简化为杆，由静止进行加速至摆动速度时，

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受到腕部及夹取重物重力F1，惯性力F惯，离心力F离，受到丝杠拉力，将丝杠拉力移动至肘部，变为拉力F2，与力偶M，受到肘部水平方向拉力F3，竖直方向拉力F4，及小臂自重G，小臂惯性力G惯，小臂离心力G离。

分析可知在小臂加速至额定摆动速度前一刻，其负载达到最大，故选此刻作动载荷分析，小臂此刻摆动速度可近似为30°/s，设小臂此刻处于水平位置。其受力如图5所示。

M

F离

G离

F3

F2

№10

F1,F惯 G,G惯 图5

F4

F1=1323N，G=490N，小臂长度l=1000mm，则腕部及夹取重物运动速度v=0.52m/s。

F惯F1v13230.52140N， gt9.80.5mv21350.522F离36.50N，

r1将小臂视为匀质直杆，则小臂上每一点的运动速度v臂该点距肘部距离。

Gv臂gt49012R3036026.17N 9.80.52R30m/s，R为360G惯1002R305021mv1360G离13.08N0R02R30

360G惯对肘部的矩T惯为：

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T惯G惯R01№11

490102R30360R1009.80.5610R217.44Nm

F2，F3，F4，M，待求解；F2与水平方向夹角θ=37°，小臂长度1000mm。 列出小臂受力平衡方程组：

F2CosF3F离G离0

F1F2SinF4F惯GG惯0

MF1RF惯RGM0.29F2Sin

RT惯0 2解方程组可得：

F2=9886.42N，F3=7846.07N，F4=3970.63N，M=1725.44N·m。

3.3 小臂上零件的选型及校核

3.3.1 小臂肘部连接轴的外形尺寸确定

小臂与大臂连接轴所受力FFXFY，FX，FY为该轴所受到的水平与竖直方向分力。

当小臂处于静态时，F静1=2843.09N，F静2=1813N。 当小臂处于动态时，F动1=1562.69N，F动2=8793.56N。

F动2>F静1>F静2>F动1，所以取F=F动2，对连接轴受力进行设计。 小臂与大臂连接轴共两根，可认为两轴受力平均，各受力F/2=4396.78N。 该轴选用45钢，调质处理，材料许用剪切应力[τ]=155MPa许用安全系数n=1.5。根据剪切强度条件：

22n可算出连接轴最小截面积A，AFS[] AnFS，带入数值，可得A42.55mm2，即轴的[]沈阳理工大学

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直径D№12

4A7.36mm。

选轴直径D=25mm。

3.3.2 小臂肘部轴承选型

肘部连接轴直径D=25mm，轴受力F=8793.56N，肘部为增加运动柔顺度，使用四个轴承，单个轴承受力为F/4=2198.39N由于该轴承只承受很小的轴向力，故可选用深沟球轴承。

由以上各条件，可选用GB/T 276—1994，02系列，6205型轴承，该轴承d=25mm，额定动、静载荷分别为10.8kN、6.95kN。

单个轴承受力2198.39N，轴承最大转速n=5r/min。 轴承寿命可由下式进行计算：

L10h式中，C—轴承径向载荷；

P—当量动载荷；

106Ch 60nPε—寿命系数。球轴承：ε=3； N—轴承的转速，r/min。

该轴承只承受径向力，故P=2198.39N，将各值带入公式中，得轴承寿命为：

L10h8.77107h

3.3.3 小臂肘部连接轴螺钉选型

小臂肘部连接轴，使用六颗8.8绞制孔螺钉与小臂进行连接，8.8级螺钉屈服强度极限σs=640MPa。螺钉受力F=8793.56N，单个螺钉受力为F/6=1465.59N，螺钉受横向载荷，螺钉收到横向载荷时许用应力

[]SS

S为安全系数，取3.5。[τ]=182.86MPa。

根据剪切强度条件：

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A№13

FS[] AFS[]，带入数值，可得A8.01mm2，由此

可算出螺钉最小截面积Amin，

可算出螺栓最小直径Dmin，D3.19mm。

根据计算结果，选取GB/T 70.1—2000中的M12螺钉。 以下对手腕部分进行设计计算。

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4 手腕设计及计算

手腕是连接手臂和手部的结构部件，起支承手部的作用，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。

腕部实际所具有的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在多数情况下，要确定手部的作业方位，使手部处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X,Y,Z的转动，即具有回转、俯仰和摆动三个自由度。有的腕部为满足特殊要求还有横向移动自由度。

回转：使手部绕自身的轴线旋转。 俯仰：使手部绕与臂垂直的水平轴旋转。 摆动：使手部绕与臂垂直的垂直轴旋转。 手腕结构多为上述三个回转方式的组合。

№14

4.1 手腕设计

本次设计的机器人手腕为带有回转与俯仰运动的手腕。 手腕的回转由液压缸驱动，其结构较紧凑，动作灵活等。

手腕的俯仰由与手腕连接的链轮通过安装于肩部的液压马达通过链传动实现，其结构简单，易于维护保养。同时可保证手腕与夹持装置的位置稳定，在手臂转动时，手腕可以获得附加的摆动，保证其与固定件的角位置保持不变。

手腕机体中安装两个液压缸，一个用来使手部旋转，另一个实现手部的夹持动作。

由于设计为通用机器人，其腕部与手部设计成可分离式，可根据不同的任务与用途选择安装不同的手臂。

设手腕自重35kg，采用铰接方式在腕部铰接小臂，连接轴用螺栓与腕部进行连接。铰接部位为减小运动时的摩擦力使用滚动轴承连接。

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4.2 手腕的载荷分析

4.2.1 手腕静载荷分析

手腕自重35kg，机器人满载，即手部夹取100kg重物，手腕质心可认为位于腕部连接轴的轴线上，且手腕质量分布均匀，重物距腕部轴线400mm，取g=9.8m/s2。

1、水平位置载荷分析

当手腕处于水平位置时，将手腕简化为杆，左端受到重物的拉力F1，右端受到腕部连接轴对其的反力F2，与手腕同轴的链轮上的扭矩M，及手腕的自重G。其受力如图6所示。

№15

F2

M

A

B

F1

G

图6

图中各载荷：

F1=980N，G=343N，F2，M，待求解；AB=400mm。

由于小臂处于静止状态，故各分力合力为零，由此可列出方程组：

F2F1G0 MF1AB0

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解方程组可得： F2=1323N，M=392N·m。

2、竖直位置载荷分析

当手腕处于竖直位置时，将手腕简化为杆，下端受到重物的拉力F1，上端受到腕部连接轴对其的反力F2，及手腕的自重G。其受力如图7所示。

№16

F2 G

F1

图7

图中各载荷：

F1=980N，G=343N，F2待求解。

由于小臂处于静止状态，故各分力合力为零，由此可知

F2F1G0

可得： F2=1323N。

4.2.2 手腕动载荷分析

手腕自重35kg，机器人满载，即手部夹取100kg重物，手腕质心可认为位于腕部连接轴的轴线上，且手腕质量分布均匀，重物距腕部轴线400mm，。按照设计要求，手腕摆动速度90°/s，加速时间0.5s，取g=9.8m/s2。

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1、竖直状态载荷分析

当手腕处于竖直状态时，将手腕简化为杆，由静止进行加速至摆动速度时，受到腕部及夹取重物重力F1，惯性力F惯，离心力F离，受到同轴链轮的扭矩M，受到腕部水平方向拉力F2，竖直方向拉力F3，及手腕自重G，小臂惯性力G惯，由于视手腕质量分布均匀，故手腕离心力G离=0。

分析可知在手腕加速至额定摆动速度前一刻，其负载达到最大，故选此刻作动载荷分析，手腕此刻摆动速度可近似为90°/s，设手腕此刻处于竖直位置。其受力如图8所示。

G惯

F3

M

F2

A G

G惯

№17

B F惯

F1,F离 图8

图中各载荷：

F1=980N，G=343N，AB=400mm，则腕部及夹取重物运动速度v=0.63m/s。

F惯F1v9800.63126N， gt9.80.5

mv21000.632F离99.23N，

r0.4将手腕视为匀质直杆，则手腕上每一点的运动速度v腕2R90m/s，R为360沈阳理工大学

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该点距肘部距离。

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G惯3430.412R903608.79N 9.852R90360R350.4R22.34N·m 09.80.5G惯对腕部的矩T惯为：

T惯G惯R10.43430.41F2，F3，M，待求解。 列出手腕受力平衡方程组：

F1F3F离G0；

F2F惯0； MT惯F惯R0。

解方程组可得：

F2=126N，F3=1422.23N，M=52.74N·m。

2、水平状态载荷分析

当手腕处于水平状态时，将手腕简化为杆，由静止进行加速至摆动速度时，受到腕部及夹取重物重力F1，惯性力F惯，离心力F离，受到同轴链轮的扭矩M，受到腕部水平方向拉力F2，竖直方向拉力F3，及手腕自重G，小臂惯性力G惯，由于视手腕质量分布均匀，故手腕离心力G离=0。

分析可知在手腕加速至额定摆动速度前一刻，其负载达到最大，故选此刻作动载荷分析，手腕此刻摆动速度可近似为90°/s，设手腕此刻处于水平位置。其受力如图9所示。

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F3

M

F离

B

A

F2

G惯

№19

F1,F惯

G惯

G

图9

图中各载荷：

F1=980N，G=343N，AB=400mm，则腕部及夹取重物运动速度v=0.63m/s。

F惯F1v9800.63126N， gt9.80.5mv21000.632F离99.23N，

r0.4将手腕视为匀质直杆，则手腕上每一点的运动速度v腕该点距肘部距离。

2R90m/s，R为360G惯3430.412R903608.79N 9.852R90360R350.4R22.34N·m 09.80.5G惯对腕部的矩T惯为：

T惯G惯R10.43430.41F2，F3，M，待求解。 列出手腕受力平衡方程组：

F1F3F惯G0；

F离F20；

MF1RF惯RT惯0。

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解方程组可得：

F2=99.23N，F3=1449N，M=444.74N·m。

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4.3 手腕上零件的选型及校核

4.3.1 腕部连接轴的外形尺寸确定

腕部连接轴所受力FFXFY，FX，FY为该轴所受到的水平与竖直方向分力。

当手腕处于静态时，F静1=1323N，F静2=1323N。 当手腕处于动态时，F动1=1427.80N，F动2=1452.39N。

F动2>F动1>F静1=F静2，所以取F=F动2，对连接轴尺寸进行设计。 小臂与手腕连接轴共两根，可认为两轴受力平均，各受力F/2=726.20N。 该轴选用45钢，调质处理，材料许用剪切应力[τ]=155MPa许用安全系数n=1.5。根据剪切强度条件：

22n可算出连接轴最小截面积A，AFS[] AnFS，带入数值，可得A7.03mm2，即轴的直[]径D4A2.99mm。

选轴直径D=25mm。

4.3.2 腕部轴承选型

腕部连接轴直径D=25mm，轴受力F=1452.39N，为增加腕部运动柔顺度，使用四个轴承，单个轴承受力为F/4=363.10N由于该轴承只承受很小的轴向力，故可选用深沟球轴承。

由以上各条件，可选用GB/T 276—1994，02系列，6205型轴承，该轴承d=25mm，额定动、静载荷分别为10.8kN、6.95kN。

单个轴承受力363.10N，轴承最大转速n=15r/min。

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轴承寿命可由下式进行计算：

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L10h式中，C—轴承径向载荷；

P—当量动载荷；

106Ch 60nPε—寿命系数。球轴承：ε=3； N—轴承的转速，r/min。

该轴承只承受径向力，故P=363.10N，将各值带入公式中，得轴承寿命为：

L10h2.92107h

4.3.3 腕部连接轴螺钉选型

腕部连接轴，使用六颗8.8绞制孔螺钉与小臂进行连接，8.8级螺钉屈服强度极限σs=640MPa。螺钉受力F=1452.39N，单个螺钉受力为F/6=242.07N，螺钉受横向载荷，螺钉收到横向载荷时许用应力

[]SS

S为安全系数，取3.5。[τ]=182.86MPa。

根据剪切强度条件：

FS[] AA可算出螺钉最小截面积A，算出螺栓最小直径DFS[]，带入数值，可得A1.32mm2，由此可

4A1.30mm。

根据计算结果，选取GB/T 70.1—2000中的M12螺钉。

4.4 手腕俯仰机构设计

手腕的俯仰通过链传动实现，选择GB1243.1—1983中的08A型滚子链，齿

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数z=40。

08A型滚子链基本参数为：节距p=12.7mm，滚子外径d1=7.95mm销轴长度b4=17.8mm，极限拉伸载荷Qmin=13800N。

根据GB1244—1985，计算出滚子链轮的主要尺寸： 分度圆直径：

dp161.87mm，取d=162mm。 180sinz№22

齿顶圆直径：

dmaxd1.25pd1169.80mm

1.6dmind1pd1166.11mm

z取d=168mm。 分度圆弦齿高：

0.8hamax0.623p0.5d14.22mm

zhamin0.5pd12.38mm

取ha=4mm。 齿根圆直径：

dfdd1153.92mm，取df=154mm。

最大齿根距离：

Lxdf154mm。

尺侧凸缘直径：

180dgpcot1.04h22.76145.32mm

z取dg=145mm。

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5 结论

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6 参考文献

《机械设计》 孙志礼、马星国、黄秋波主编 科学出版社

《机械设计课程设计》 巩云鹏、田万禄、张伟华主编 科学出版社 《理论力学》 哈尔滨工业大学理论力学教研室主编 高等教育出版社 《材料力学》 刘鸿文主编 高等教育出版社

《现代工程图学》 杨裕根、诸世敏主编 北京邮电大学出版社 《机器人机械设计》 龚振邦、陈振华、钱晋武主编 电子工业出版社 《工业机器人图册》 [俄]索罗门采夫主编 机械工业出版社

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