摘 要

为了解决传统机械臂负重比小，结构臃肿等缺点，本文设计出了一种六轴轻型机械臂的设计模型，并运用三维软件进行三维建模。之后对关键结构进行有限元分析，以及对整体模型进行运动仿真。

本文以各个关节电机的输出力矩为设计依据。通过对末端关节的力矩进行计算，并依次前推。在轻量化的前提下，依次通过关节外置、合理选材以及同步带轮等方案的使用对各个关节进行优化设计。并对最终模型进行强度校核。

在众多六轴机械臂设计的实例中，基本都采用了铸造件将所有关节均包含在内，本文中通过使用铝合金板料，在材料方面显然比铸铁更轻。而且通过将电机外置不仅能减少材料的使用，以减少机械臂总重，而且在结构的紧凑性和空间利用率方面与传统的轻型机械臂相比有显著提高。

关键词: 轻型机械臂 电机外置 紧凑

Abstract

In order to solve the traditional mechanical arm loading ratio is small. the structure is bloated and so on. In this paper, a design model of six axis light manipulator is designed, and the key structure is analyzed by finite element method, and the whole model is simulated by finite element method.

The to each joint of the motor output torque as the design basis. Through to end joint torque were calculated, and in turn pushed forward. Under the premise of lightweight, sequentially through the joint external and reasonable material and timing belt pulleys, and other programs of every joint of optimization design. And for the final model were strength check.

In many of the six axis manipulator design examples, the basic use of the casting will be all joints are included, this paper through the use of aluminum alloy sheet, in terms of materials obviously than iron lighter. And through the use of an external motor can not only reduce the amount of material, to reduce the mechanical arm weight, and in the structure of the compact and space utilization rate and the traditional light manipulator are improved significantly compared.

Key Words：Light mechanical arm motor external compact

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外轻型机械臂研究现状 1

1.3 设计方案综合比较 2

1.4 本课题的抓哟研究内容 3

第2章 轻型机械臂的结构设计 3

2.1 轻型机械臂结构设计指标 3

2.2 轻型机械臂构型的确定 3

2.2.1 自由度的分配 3

2.2.2 轻型机械臂杆件参数的确定 4

2.3 轻型机械臂的关节设计 5

2.3.1 电机以及减速器的选择 5

2.3.2 关节结构的设计 5

2.4轻型机械臂总体设计 8

2.4.1 关节电机设计计算 8

2.4.2 机械臂整体设计 12

第3章 应力与强度分析 16

3.1关节6结构应力分析 17

3.1.1 6关节套筒应力分析 17

3.1.2 6关节固定板应力分析 18

3.1.3 6关节外伸轴应力分析 19

3.2 关节5及臂2应力分析 21

3.3 关节3、4应力分析 21

3.4 关节2及臂1应力分析 22

3.5 关节1及基座应力分析 22

第4章 机械臂的运动仿真 29

第5章 结论 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 引言

20世纪人工智能领域最大成就就是机器人的诞生和机器人技术的发展与进步，这种技术也意味着人类科学技术取得的重大成果。现代科学与控制技术的交汇引导了机器人技术的发展，在21世纪经济、信息、科技高速发展的大背景下，工业自动化、信息化、集成化生产的发展，极大促进了机器人技术的发展。随着机器人应用领域的延伸，机器人已从传统的制造业进入人们的学习、工作、生活的方方面面，机器人正逐步向高智能化、密切人类社会融洽化、轻型化方向快速发展。

自1962年第一台工业机器人诞生，机器人产业取得了蓬勃的发展[1]。随着目前机器人技术向更广方向的发展，工业机器人从汽车制造[2] 逐渐向其他的制造行业延伸，如深海采矿[3]船舶制造[4]等。但是，由于传统工业机器人本身具有控制模式单一，体积大等缺点。因此，工业生产也对工业机器人技术提出了更高的要求，如增加制造系统的柔性[5]，采用模块化设计[6]等。

十几年来国内外众多的科研机构都研制了一些具有特定功能的轻型机械臂。对于其中的6自由度机械臂，从结构上来看，一般都采用模块化关节。在第5关节处都使用同步带轮传动，降低系统的振动，甚至有的设计对第3、4、5、6关节均采用同步带轮传统，从而可以将电机都布置在大臂中，末端电机自重端臂手的负载。

1.2国内外轻型机械臂的研究现状

国内工业机器人方面的研究起步较晚，最早的轻型机械臂臂是在空间项目中诞生的。之后，国内的一些知名高校和科研院所，如哈尔滨工业大学、国防科技大学、沈阳自动化所、北京航空航天大学等都在进行轻型臂的研制。就目前机械臂的轻型化研究方面，国内的研究方向一部分是单马达多关节联动。如华中科技大学的XN-600-1[7]上海交通大学的马培荪教授也研制过一台单马达驱动的蛇形柔性臂。[8] XN-600-1只有一个直流电机，直流电机输出的动力通过齿轮机构传递给3个模块，形成联动关节，这种弯曲关节理论运动范围是-90°到90°，但由于驱动臂外径的限制，实际运动范围要小于理论值。而蛇形柔性臂也是通过将其划分为3个模块，对每一个模块进行特定运动的分析，然后将运动组合完成其特有的功能。另外一部分的研究方向是将电机、传动机构、传感器、甚至部分电路集成在关节内部，形成机电集成的模块化关节[9]。比如方红根提出采用模块化设计方式和内部走线来构建轻型机械臂[10]及哈尔滨工业大学的闫继宏等人提出的通过研制一种新型机械臂模块化旋转关节[11]，使模块化关节结构更紧凑。这些都是对机械臂进行模块化的研究。

国外机器人起步较早，在轻型化方面取得了很不错的成就。但是就研究方向而言，其实也是模块化研究以及单电机模式（通过长距离传动机构如绳索，齿轮等带动关节转动）两种。在模块化研究比较经典的轻型机械臂有德国宇航中心（DLR）的Ⅰ[12]Ⅱ[13]III[14]型机械臂,其中第一代机器人采用碳纤维材料，重量为14.5kg。第二代机器人在第一代的基础上通过模块化设计，将驱动、减速、制动检测部分集成在关节内部，负载比达到1:2。第三代机器人在模块化设计的基础上进行优化设计，并选用选用体积更小的电机制成。另外像韩国机械与材料研究所Park Chanhun等人也提出利用模块化进行轻型机械臂的设计[15]。在单电机驱动的模式下，比较典型的是美国 Barrett 公司的WAM 轻型机械臂[16]，这种机械臂内部采用了绳轮子传动，并利用这种特性将关节与电机分开。另外蒙特利尔大学的的Hemami Ahmad提出通过一种通过琴弦作为传动机构连接电机与机械臂之间的运动[17]，并研究了这种方案的可行性。以及更多的研究者通过选择更好的材料比如SMA[18]形状记忆合金来代替传统的齿轮、柔性绳传动。