【正文】 度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，這類(lèi)機(jī)器人常用在生產(chǎn)設(shè)備方面的上下料，以及高精度的裝配和檢測(cè)作業(yè)等場(chǎng)合。 同時(shí)由于該類(lèi)型機(jī)器人必須采用導(dǎo)軌，也有如下缺點(diǎn)和問(wèn)題： （1）動(dòng)作范圍小，靈活性較差； （2）導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)要求復(fù)雜，維護(hù)起來(lái)比較困難，導(dǎo)軌暴露面過(guò)大，不如轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)密封性好； （3）結(jié)構(gòu)尺寸較大，占地面積較大； （4）移動(dòng)部分慣量較大，增加了對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的要求。 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人簡(jiǎn)圖這種類(lèi)型的機(jī)器人具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 控制精度高，控制較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊；（2） 在腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)可以把手臂縮回去，從而減小了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善了力學(xué)負(fù)載。 球坐標(biāo)機(jī)器人跟圓柱坐標(biāo)機(jī)器人相比，沒(méi)有了豎直方向上的升降運(yùn)動(dòng)，代替它的是機(jī)械臂的上下擺動(dòng)，而其腰部的回轉(zhuǎn)和小臂的伸縮其實(shí)跟圓柱坐標(biāo)機(jī)器人沒(méi)啥兩樣。 這種機(jī)器人模仿人的上肢的三個(gè)關(guān)節(jié)有著三個(gè)都是回轉(zhuǎn)副的關(guān)節(jié)，分別命名為肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。 關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人簡(jiǎn)圖 這類(lèi)機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1） 結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積最小；（2） 靈活性大，手部到達(dá)位置好，具有較好的避障性能；（3） 沒(méi)有移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)密封性能好，摩擦小，慣量?。唬?） 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力小，能耗較低。本次啤酒箱（24裝易拉罐啤酒包裝箱）搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求如下：1. ，工作重量20kg； 2. 設(shè)備裝置有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；3. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)啤酒箱從一個(gè)工位到另一個(gè)工位的搬運(yùn)，至少需要水平轉(zhuǎn)動(dòng)、升降、收縮三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)；要實(shí)現(xiàn)對(duì)啤酒箱的精確抓取，要求末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠有個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的功能，還要保證啤酒箱在搬運(yùn)過(guò)程中不傾斜，需要腕部始終保持豎直向下，再加上手爪需要有個(gè)開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，因此得到啤酒箱搬運(yùn)機(jī)器人如下的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖： 啤酒箱搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖中，1基座，2腰部，3大臂，4小臂，5末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，6肩關(guān)節(jié)，7肘關(guān)節(jié)，8腕關(guān)節(jié)。本機(jī)器人搬運(yùn)對(duì)象為罐裝啤酒箱，負(fù)載不是很大，機(jī)械類(lèi)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而電磁類(lèi)在這里不適用，夾持部分選用真空吸盤(pán)。正確選用機(jī)器人結(jié)構(gòu)件的材料，要在考慮到降低機(jī)器人的成本價(jià)格的問(wèn)題的同時(shí)，更重要的是，還要考慮到材料能否滿(mǎn)足機(jī)器人對(duì)其靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性要求。材料選擇的基本要求：(1) 高強(qiáng)度。(2) 大的彈性模量。要想獲得提高機(jī)器人臂的剛度，除了選擇不同的材料，還得尋找如改變外形尺寸等其他提高構(gòu)件剛度的途徑。機(jī)器人的機(jī)械臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形，很大一部分在很大程度上都是由于自身的慣性力所引起的，而慣性力的大小又與構(gòu)件的質(zhì)量密切相關(guān)，因此材料的密度要盡可能的小。(4) 大阻尼。(5) 材料的經(jīng)濟(jì)性。在這里也是一樣的道理，有些新材料作為機(jī)器人臂的材料是很理想，但就是由于它們價(jià)格昂貴，成本較高，所以很少用，所有的東西都力求最高的性?xún)r(jià)比。這類(lèi)材料具有較好的強(qiáng)度，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度增大了倍，彈性模量大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。這些材料都是輕型材料的典型代表，彈性模量并不大，但是材料密度小，因此，之比仍然可與鋼材相媲美。這類(lèi)合金材料具有非常高的比，也沒(méi)有無(wú)機(jī)復(fù)合材料的那些缺點(diǎn)，唯一的缺點(diǎn)便是價(jià)格昂貴。目前用來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼有很多方法，而這其中最適合機(jī)器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理[25]。機(jī)器人的手臂除了要完成各種運(yùn)動(dòng)，還需要承受載荷沖擊，而且前面的機(jī)械臂對(duì)于后面的機(jī)械比來(lái)說(shuō)是負(fù)載，因此，它應(yīng)是輕型材料；而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此，選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。雖然工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、用途以及用戶(hù)的要求不盡相同，機(jī)器人各生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目也不完全一樣，但是工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)一般都包括：自由度、定位精度和重復(fù)定位精度、工作范圍、速度、承載能力等?？傊还軝C(jī)器人的自由度有多少個(gè)，其在運(yùn)動(dòng)形式上只有兩種，要么是直線運(yùn)動(dòng)（P表示）。（3） 工作范圍 由于機(jī)器人的工作場(chǎng)地的形狀和尺寸是因地而異，多種多樣的，因此為了真實(shí)地反映機(jī)器人的特征和參數(shù)，機(jī)器人的工作范圍是指在不安裝時(shí)的工作區(qū)域。（5） 承載能力 承載能力指的是機(jī)器人在其工作范圍內(nèi)，無(wú)論在哪個(gè)位置都能夠承受的最大質(zhì)量。~180176。~110176。；腕關(guān)節(jié)俯仰角度范圍：90176。手爪水平轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：360176。； 現(xiàn)在在機(jī)器人傳動(dòng)中最常采用的減速器有以下三種，；；。 諧波減速器的應(yīng)用很廣，尤其是在一些重工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、仿生機(jī)械、常用軍械、礦山冶金、交通運(yùn)輸、起重機(jī)械、石油化工機(jī)械等，尤其顯示出采用諧波齒輪傳動(dòng)優(yōu)越性的是，高動(dòng)態(tài)性能的伺服系統(tǒng)。（a) (b) a為諧波減速器實(shí)物圖；b為諧波減速器組成原理圖作為減速器使用，諧波減速器通常都是采用波發(fā)生器接輸入，剛輪固定，柔輪接輸出的形式使用。波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其長(zhǎng)軸頂著薄壁軸承，薄壁軸承繼而頂著柔輪使其變成橢圓形，兩個(gè)長(zhǎng)軸處于鋼輪完全嚙合，而在短軸位置與鋼輪脫開(kāi)，柔輪與鋼輪是的齒數(shù)是不相等的，這就使得柔輪轉(zhuǎn)完一圈后，兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)只有幾個(gè)齒數(shù)，波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，是的進(jìn)入嚙合的區(qū)域不斷地發(fā)生變化，如此周而復(fù)始的轉(zhuǎn)動(dòng)下去，就帶動(dòng)柔輪相對(duì)于鋼輪緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。在這里值得說(shuō)明的是，諧波減速不僅可以用于減速，還可用于增速的場(chǎng)合?！　?2)承載能力高。　　(4)傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)?！　?6)體積小、重量輕。氣壓驅(qū)動(dòng)：由于氣壓驅(qū)動(dòng)以空氣作為介質(zhì)，成本低，不存在污染環(huán)境的問(wèn)題，而且氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，除此，氣壓驅(qū)動(dòng)對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性好，但是由于空氣的壓縮性大，造成氣壓驅(qū)動(dòng)定位精度差。電機(jī)驅(qū)動(dòng)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相對(duì)來(lái)說(shuō)，其工作效率還是比較高的，而且運(yùn)動(dòng)速度、位移的準(zhǔn)確度要超過(guò)氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，除此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)還有污染少、噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有以下幾種： 交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)沒(méi)有了電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)的要求也比較低，定子繞組散熱也是比較方便的，慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性，適應(yīng)于高速大力矩的工作場(chǎng)合。步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)可以直接進(jìn)行數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同時(shí)控制性能良好，而且成本較低，一般不需要反饋就可以對(duì)速度、位移進(jìn)行控制，不存在誤差累積問(wèn)題，除此，步進(jìn)電機(jī)還具有自鎖以及保持轉(zhuǎn)矩的功能，適用于傳動(dòng)效率不大的小型機(jī)器人。 當(dāng)機(jī)器人伸展到極限位置的時(shí)候，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，因此以這個(gè)位置作為參考計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩。 驅(qū)動(dòng)小臂的電機(jī)的選型計(jì)算： 電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程：； （）式中：——伺服電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，； ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩，； ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，； ——負(fù)載的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，； ——角加速度。負(fù)載扭矩，由此得，由于減速器的使用，減速器輸出扭矩要在之上，機(jī)器人工作速度范圍為，轉(zhuǎn)化成角速度，因此選機(jī)型為100，速比為168，輸出扭矩為240，輸入轉(zhuǎn)速為3000，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以降低到，因此選額定輸出容量1000，額定轉(zhuǎn)速3000的型號(hào)的三菱電機(jī)。 腰部驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型參數(shù)：，為了減小腰部回轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之前，先將所有的臂收回，根據(jù)這一條件，求得負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩為： ，選機(jī)型為50，速比為80，輸出扭矩為25，輸入轉(zhuǎn)速3000，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以降低到，因此選額定輸出容量200，額定轉(zhuǎn)速3000的型號(hào)的三菱電機(jī)。3主要零部件強(qiáng)度校核本章強(qiáng)度剛度校核所用到的計(jì)算公式以及相關(guān)的系數(shù)取值均摘自文獻(xiàn)[28]在本次設(shè)計(jì)中，啤酒箱規(guī)格為400130270mm，裝啤酒24罐，總重不到10kg，負(fù)載按10kg計(jì)算。各連接螺栓的標(biāo)準(zhǔn)、受載、： 手部各連接螺栓應(yīng)力值及安全系數(shù) 螺栓代號(hào) 名稱(chēng)數(shù)量安全系數(shù)屈服強(qiáng)度/MPa實(shí)際所受應(yīng)力/MPa許用應(yīng)力/MPaGB/T 8182000螺釘M2x8 8400 286GB/T 螺栓M4x6 4()400（）320（160）GB/T 57822000螺栓M5x30 1()400（）320（160）注：表中螺釘只受拉應(yīng)力，螺栓受擠壓和剪切兩個(gè)應(yīng)力，加括號(hào)的為剪切應(yīng)力。 （）式中，為螺栓受剪切工作面數(shù)；為許用切應(yīng)力（），代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：，，滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。此輸出軸在豎直方向上受整個(gè)手部及負(fù)載的重力，受拉應(yīng)力，而在水平旋轉(zhuǎn)扭矩的驅(qū)動(dòng)作用下受切應(yīng)力，將減速器能輸出的最大扭矩引入計(jì)算，根據(jù)彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算軸的應(yīng)力，相關(guān)的計(jì)算公式如下： （） （） （） （）式中，為軸的計(jì)算應(yīng)力（），為軸的拉應(yīng)力（），為切應(yīng)力（），為軸的許用應(yīng)力（），軸的截面面積（），為軸的抗扭截面系數(shù)，為軸的直徑（），為軸上所開(kāi)孔的直徑（），代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。整個(gè)輸出扭矩是有6個(gè)螺釘靠著承受擠壓與剪切兩個(gè)力來(lái)傳遞扭矩的，代入數(shù)據(jù)計(jì)算如下：，，擠壓強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；，，剪切強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。在這里臺(tái)階軸只受彎矩作用，沒(méi)有扭矩，因此只用彎曲應(yīng)力最為強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)就行，根據(jù)軸的彎曲應(yīng)力計(jì)算公式： （）式中，為軸所受的彎矩（），為軸的抗彎截面系數(shù)（），代入數(shù)據(jù)分別得到兩個(gè)截面的彎曲應(yīng)力為：，腕部的材料為鑄造鋁合金，而這種鑄造鋁合金的抗拉強(qiáng)度為195~245，~，許用應(yīng)力，顯然，上面兩個(gè)危險(xiǎn)截面處彎曲應(yīng)力，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的許用應(yīng)力，因此該零件的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。此零件除了腕部、手部及負(fù)載總的重量對(duì)危險(xiǎn)截面產(chǎn)生的彎矩外，還收到自重對(duì)危險(xiǎn)截面產(chǎn)生彎矩作用，其彎曲應(yīng)力的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程如下：，此零件材料也為鑄造鋁合金，根據(jù)前面的計(jì)算可知彎曲應(yīng)力還是遠(yuǎn)小于許用彎曲應(yīng)力，因此強(qiáng)度滿(mǎn)足條件。減速器的輸出扭矩是通過(guò)軸承內(nèi)圈與小臂零件1的連接螺釘進(jìn)行傳遞的，因此有必要在這里對(duì)該連接螺釘?shù)膹?qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。 大臂相對(duì)于小臂受力較復(fù)雜，除了受到扭轉(zhuǎn)作用力，還有彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用，在這里先按著減速器的最大輸出扭矩求出扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的值為：，彎曲主要是由于大臂以及連接在大臂上的所有構(gòu)件的重力產(chǎn)生的，在這里將作用在兩個(gè)支撐點(diǎn)處的所有的質(zhì)量加起來(lái)有75kg，保險(xiǎn)起見(jiàn)按80kg計(jì)算，大臂兩個(gè)支撐點(diǎn)之間的跨度為190mm，最大彎矩，由此得到彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)的值分別為：，直徑為50mm的臺(tái)階軸由于同時(shí)受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲應(yīng)力兩個(gè)應(yīng)力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》按照彎扭組合應(yīng)力計(jì)算公式： （）在這里由于切應(yīng)力會(huì)隨著機(jī)器人機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，代入數(shù)據(jù)計(jì)算出此時(shí)的彎扭復(fù)合計(jì)算應(yīng)力為：大臂的材料與小臂的材料同為一種鑄造鋁合金，有前面的計(jì)算可知其許用應(yīng)力的值可知強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。在這里用了8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T ，尺寸參數(shù)為M8x25，扭矩是通過(guò)螺釘承受擠壓和剪切兩個(gè)力傳遞，螺釘所受的擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力分別計(jì)算如下：，根據(jù)前面的螺釘強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果可知，在這里螺釘?shù)膹?qiáng)度滿(mǎn)足要求。轉(zhuǎn)盤(pán)連接件（轉(zhuǎn)盤(pán)與基座座的連接件）受到的附加彎矩來(lái)自機(jī)器人好幾個(gè)部位，機(jī)器人關(guān)節(jié)的活動(dòng)直接影響著對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)連接件的附加彎矩的大小，機(jī)器人在不同的工作位置對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)連接件的產(chǎn)生的彎矩便不同，要計(jì)算出轉(zhuǎn)盤(pán)連接件所受到的應(yīng)力，首先得計(jì)算出所有的附加彎矩。機(jī)器人這一工作位置力矩的計(jì)算簡(jiǎn)圖如下所示： 加到轉(zhuǎn)盤(pán)連接件上的所有載荷