摘 要

工业机器人逐步代替了繁重、重复的人工作业，在制造业领域占有越来越重要的地位。但是，传统机器人负载/自重比低、运动速度慢、能耗高，在很多场合都不能适用，因此产生了轻型臂的研究和设计。轻型臂的结构可靠性高，可以快速适应未知环境，这两点也是当前轻型臂技术研究的热点和难题。本文结合当今现有的轻型机械臂类型，设计了一套5自由度的轻型机械臂，同时对关节进行了优化设计和整体的轻量化。

本文结合课题的设计任务，结合国内外先进轻型臂的结构特点，对轻型臂的构型和各连接件进行了优化，并提出了轻型臂关节的结构设计方案，包括:基于模块化关节的整体结构方案，高减速比、大力矩输出的传动机构方案，输入输出轴同轴线的关节结构方案。在此基础上，本文对关节的驱动系统、传动系统进行了选型，详细设计了轻型臂的结构件，并进行了优化和校核。

关键词：轻型机械臂；模块化关节；关节优化；机械臂整体优化

Abstract

Industrial robots gradually replace the heavy, repetitive manual work in the manufacturing sector plays an increasingly important role. However, the conventional robot has a lot of shortcomings like load / weight ratio is low, slow motion and high energy consumption .And it can not be applied in many occasions, resulting in the research and design of light-weigh arms. High reliability structural and quickly adapting to the unknown environment are currently two hot spots and problems. In this paper, a set of 5 degrees of freedom light manipulator is designed based on the domestic and international light manipulator, and carried out on this basis are the optimization of the joint and the overall weight of the manipulator .

In this paper, according to the design index of the subject,the configuration of light-weigh arm and the parameters of the basic parameters are optimized combined with the structural characteristics of the advanced light-weigh arm.And the structure design of the light arm proposed includes the modular joint program based on the overall structure ,high reduction ratio and large torque output transmission scheme and Joint structure scheme of input and output shaft coaxial line.The paper selects joint drive and driving mechanism and on which basis makes a detailed design on optimization and check of the structure .

Key word:light-weigh robots;modular joint;joint optimization;optimization of the light-weigh robots

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2课题研究目的及意义 1

1.3轻型机械臂的国内外研究现状 2

1.3.1国外轻型机械臂的研究现状 2

1.3.2国内轻型机械臂的研究现状 3

1.4本文主要研究内容 4

第2章 轻型机械臂的结构方案选择 5

2.1轻型机械臂的设计指标 5

2.2轻型机械臂的构型方案选择 6

第3章 轻型臂连杆及连接件的设计与优化 8

3.1连杆臂与连接件的设计 8

3.2连杆及连接件的优化 9

第4章 模块化关节的设计与优化 11

4.1模块化关节结构方案 11

4.2模块化关节设计指标确定 12

4.2.1关节负载计算 12

4.2.2关节驱动器的选型 13

4.2.3关节传动机构的选型 15

4.2.4关节结构件的设计 17

4.3关节结构件的校核和优化 19

4.3.1关节结构件的校核 19

4.3.2关节结构件的优化 19

4.4关节输出法兰的设计与校核 20

4.5关节5轴承的选择与校核 22

4.6轴瓦的强度校核 23

4.7本章小结 24

第5章 结论 25

参考文献 27

致 谢 29

绪论

1.1引言

如今，制造业作为世界各国加快发展速度、提高国家综合实力的重要方式，在经济危机后面临着新一轮的产业升级即全面自动化和智能化。世界各国都在加速发展以机器人为核心的智能装备产业，其中工业机器人的研发和应用显得尤为重要，这也是我国工业升级转型的需求。据统计，2012年我国使用的机器人数量为22987台，相比于2011年增长了2%，全国工业机器人累计使用量达96924台，比2011年增长了30%。这组数据是来自于国际机器人协会的官方数据^[1]。由此可见，工业机器人在各行业中占据越来越重要的地位。

1.2课题研究目的及意义

工业机器人在制造业的各个领域得到了广泛的应用，在汽车制造、运输、码头、食物和药物以及电子制造等领域，工业机器人正逐步替代人工从事沉重乏味的安装、包装、运输和搬运等重复性作业^[2]。但是现在工业机器人的主要应用方向是产品的自动安装，但是在自动装配方面却无法满足工业生产的需求，而且传统工业机器人具有运动速度慢、能耗高、负载自重比低等缺点^[3]。除此之外，在一些有着特殊要求的场合如家庭、医院、战场、空间等，传统的工业机器人也不能工作。德宇航中心（DLR）的机器人专家Gerd Hirzinger指出：“轻型机械臂是为了快速、灵活的移动，与未知的环境发生交互作用而特别设计的。这种设计往往要求较高的负载/自重比，需要机电集成、模块化的设计方法，以及灵敏的感知和控制能力^[4]。”因此，轻型机械臂的研发与设计对于解决传统工业机器人的缺点和满足特殊任务要求具有重要的意义。

轻型机械臂不同于传统的工业机器人主要是因为其关节采用了模块化的设计方法，而非传统机器人是应用户要求，单独进行设计，由此造成了产品规格多，零件通用性差的情况，而且质量和可靠性都不稳定。而采用模块化的关节设计方法可以使机械臂关节具有良好的通用性和互换性。另外，机械臂关节模块化设计是集结构、驱动等于一体的机电一体化产品，零件良好的通用性和互换性有助于快速组装出不同机械臂构型。

1.3轻型机械臂的国内外研究现状

轻型机械臂所具有的运动速度快、能耗低、负载自重比高等优点，引起了国内外各大研究机构与公司的重视。近年来，国内外很多公司和研究机构都在致力于研究能够高速运动、负载自重比高、能耗低且甚至具备位置感知、视觉等感知功能的机械关节，而且取得了一定的成果^[5]。下文将对当今世界上几种主流的轻型机械臂的特点进行介绍和分析。

1.3.1国外轻型机械臂的研究现状

目前取得了不错成果的是德国宇航中心（DLR），由他们设计研发的第2代轻型机械臂具有7个自由度（图1-1），该第2代轻型机械臂使用了力矩传感器、位置传感器等多种传感器，有多感知功能。此轻型机械臂关节集驱动器、传动机构、制动装置及检测装置为一体，结构紧凑，占有空间小。在多传感器系统检测下，机械臂可以实现位置控制、力矩控制，也可以实现带有重力补偿和摩擦补偿的关节状态反馈控制等^[6]。