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1、毕业设计五自由度移动机械手设计姓 名： XXXXXX 学 号： XXXXXX 班 级： XXXXXXXXXXXX 专 业： 机械工程及自动化（数控技术方向） 所在系： XXXXXXXXXX 指导老师： XXXXXX 指导老师: 段 萍 五自由度移动机械手设计摘要本课题来源于现实生活。近现代以来，机器人领域发生着翻天覆地的变化，尤其在各工业生产制造行业的今天，它变得越来越智能、普及、常见化、平民化，在其他行业它的发展带动了各个领域的发展，对经济的提高带来显著作用。机械手是机器人领域的一个组成部分，研究更为先进智能等优良性能的机械手具有重大意义。当下对机器人领域研究提出了新一代的技术要求：包括性能
2、、质量、生产效率、工作条件以及后期的产品换代升级等方面。要求机械手在原代替工人繁重体力劳动和有害环境下操作的基础上，实现生产的机械化、自动化、精密化和产量化，具有节能环保，使用寿命长，外形设计美观合理和能后续产品质量升级换代的特点，并广泛应用于机械制造、冶金、电子、医疗和能源等领域。此次设计主要研究五自由度机械手的主体结构部分（包括底座、腰部、大臂、小臂、手腕及末端执行结构），其主要通过腰部360度回转、大臂的俯仰，小臂的前后摆动，手腕360回转，末端执行器的摆动来实现空间中的五个自由度的运动。关键词：五自由度；机械手；结构方向；研究价值天津理工大学大学中环信息学院2015届本科毕业设计说明书
3、Mechanical Structure Design for A 5-Degree of Freedom Mobile ManipulatorABSTRACTThis is based on the production practice. In modern times, with the changes in turn the world upside down the field of robotics, more and more intelligent, popular, common, popular in the industrial manufacturing industr
4、y, other industries in the development of various fields, have significant effect on economic increase. Manipulator is a part of the field of robotics, it is very important to study the mechanical hand is more excellent performance of advanced intelligence. The proposed requirements of a new generat
5、ion of technology in robot research field: including performance, quality, production efficiency, working conditions and the product upgrading. The basic requirements of manipulator in the original place of workers heavy manual labor and hazardous environment, achieve the production mechanization, a
6、utomation, precision and production, energy saving and environmental protection, the service life is long, the characteristics of the upgrading of aesthetic design is reasonable and can follow the product quality, and is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, health care an
7、d energy field.The design of the main body structure of manipulator with five degree of freedom (the base part, waist, arm, wrist, arm and end effector structure), mainly through the waist turning, pitching arm, small arm and wrist rotation, swing, swing the end effector to realize five degrees of f
8、reedom of movement in space.Key Word：Five degree of freedom；Robot；Structure direction；The value of search目录第一章绪论11.1 课题研究的意义11.2 机械手发展史及发展现状11.3 产品用途与使用范围21.4 本次毕业设计的主要内容2第二章五自由度移动机械手总体方案设计42.1 移动机械手的结构形式选择42.2 机械手驱动方式选择62.3机械手结构总体布局7第三章机械手工程图的设计及计算83.1 主要技术参数的确定83.1.1机械总体结构参数确定83.1.2直流伺服电机的选择83.2机械
9、手各关节的部件的详细设计103.2.1腰部关节设计113.2.2大臂摆动关节设计133.2.3小臂摆动关节设计143.2.4手腕旋转关节设计153.2.5执行器摆动关节设计163.2.6机械手各臂及支座的结构设计163.2.7重要零件的受力分析与校核计算18第四章基于Pro/ENGINEER的模型建立与运动分析224.1机械手各部件静态模型的建立224.2移动机械手的运动分析254.2.1连杆参数及连杆坐标系的建立254.2.2运动学方程式推导28总结30参考文献31致谢33第一章绪论1.1 课题研究的意义21世纪是知识的世界，也是科学技术的世界，谁掌握了科技的前沿方向，谁就能把握主导权，引领
10、世界潮流，发展经济，带动各行各业的发展。当下科技日益繁荣，在众多领域，机械手能模仿人手的部分动作，按人们给定的程序、预定的轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的功能。它的出现代替人力劳动，改善劳动条件，避免人身事故,提高了产品质量和生产过程中的自动化程度，为社会经济增长带来了显著的效益。众多的优点加速了人们对机械手的进一步关注和研究，一时成为国家工业机器人应用技术的显著标志。研究经济型、实用型、高可靠型的移动机械手，设计相关机械手具有广泛的社会现实意义和经济价值。1.2 机械手发展史及发展现状机械手的发展归功于机器人技术的发展。机械手出现于上世纪，是由国外机床、汽车等制造业的发展而兴起的。最早为
11、一家美国汽车公司为了发展需要，需要减少劳动力经济支出，安装了一条零件加工自动线，专门用于解决自动线、自动机的上下料及工件的传送，采用了为自动机、自动线的附属装置机械手来代替。在之后的生产实践中人们认识到机械手的便利，提高了生产效率，同时质量性能得到了保证，获得了普遍的认同，引起了人们广泛的关注。从此在前苏联、日本和美国为首的一些国家，开启了重点研究和生产高质量机械手的步伐，我国也给与了高度关注。我国较国外研究机械手领的域起步比较晚，同时由于其他各种原因，工业机械手的发展也比较缓慢。目前我国主要还是从国外购买或引进工业机器人（工业机械手）技术，通过引进、仿制、改造、创新等来发展自己的技术。截止到
12、21世纪20年代，我国机械手已发展了三代技术；第一代机械手主要还是工人来控制，是通过降低成本和提高精度来改进；第二代机械手已在研制中，它进一步的智能化，具有视觉、触觉，听觉、思考的综合能力。第三代为未来预计产品，它具有独立和交流互动的能力，结合计算机和电子设备，逐步向柔性制造系统和柔性制造单元发展。国外技术发展的比较早，也比较完善，尤其在与机器人领域技，逐步进入高端领域。发展到如今具有如下几个趋势：1.整体向高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修方向发展，同时单机价格逐渐降低，普及化程度加大。2.机械结构模块化、可重构化。它集和了接口技术系统，使不同的模块组合构成不同需求的功能，扩大了应用范
13、围；3.控制系统在计算机技术发展下，逐步标准化、网络化，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4.过程控制技术虚拟化，通过多传感器的融合，运用了视觉、力觉、听觉、声觉、触觉等传感技术来模拟、仿真及预演环境和控制，可使用遥控机远程控制它工作，突破了传统观念中的现场操作。5.交流与互动，新型机器人不完全追求全自治系统，而是致力于操作者和机器人的人机交互控制，即通过遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使传统智能机器人走出实验室进入实用化阶段。6.节能化，随着新型材料技术的不断进步，新型材料的出现，可以使结构特殊、用自润滑材料制造的无润滑原件得到利用，不仅节省润滑油，无污染，而且系统简
14、单，摩擦性能稳定、成本低、寿命长；7.机电一体化，由“可编程控制器传感器液压元件”组成的控制系统是自动化的重要方面，与电子元件的组合使控制操作步骤得到了简化，方便了操作管理，提高精度要求和反馈。1.3 产品用途与使用范围随着工业发展的需要，在石油化工、染料等行业自动化程度的加高，工艺要求越来越复杂，相比人要求理想化环境和简单化操作提出了挑战，同时这些行业的工作对人类的安全威胁越来越大，随时可能发生的危险让人触手不及，一些工作也不得不要求机器人来完成。针对这一现状，本文主要为化学危险反应器泄露检测和修补领域设计，作一课题，设计一款可以代替人操作的机械手。设计产品分别给底座的运动装置和执行器安装架
15、上安装相应的感应元件和测量装置，用于监控化学反应物可能泄露的地点，移动中通过控制平台控制下的移动装置和机械手各关节运动来实现相关操作，从而达到设计的目的。1.4 本次毕业设计的主要内容 五自由度移动机械手设计包含的主要内容有一下几方面： 1.移动机械手总体结构设计及参数确定 2.移动机械手的传动结构及驱动结构设计 3.各结构零部件的详细设计及计算 4.基于Pro/ENGINEER的机械手模型建立和运动分析 5.五自由度移动机械手的正运动学方程式推导第二章五自由度移动机械手总体方案设计2.1 移动机械手的结构形式选择随着科技的不断进步，机器人机械手领域也延伸出各种各样的机械手。本文设计的五自由度
16、移动机械手以坐标特性结构形式来描述，这些坐标结构包括笛卡尔坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。下面简要介绍几种较为常见的坐标结构机器人。（1）直角坐标型机器人：它的运动方程可以独立处理，是一种比较容易实现计算机控制的坐标形式；它可以实现两端支撑，并且刚性比较大；更为显著的特点是它的定位精度和位置分辨率不随工作场合而变化。缺点是其操作范围为一个长方体空间，有一定局限性，同时占地面积较大，运动速度较低。如图2.1所示图2.1直角坐标型Fig.2.1 Rectangular coordinates（2）圆柱坐标型机器人：这种坐标的机器人的工作范围可以实现扩展，其直线运动可以输出
17、较大的动力，定位精度也比较高。缺点是手臂可以达到的空间会受到一定的限制，不能达到近地面空间；尤其是直线驱动密封性差，工作时，手臂后端会碰到工作范围内其它物体，容易出现危险事故。如图2.2所示（3）球坐标型机器人：由一个移动自由度和两个转动自由度组成。即机械手的工作原理是通过绕坐标系的Z轴的左右旋转，Z轴的水平轴Y上下摆动和X轴的伸合合成，它的中心架附近的工作范围大，覆盖工作空间较广。缺点是其运动和位置的坐标比较复杂，难于控制，同时在直线驱动时，运动装置存在密封和工作死区问题。如图2.3所示 图2.2 圆柱坐标型 图2.3 球坐标型 Fig.2.2 Cylindrical coordinate
18、Fig.2.3 Spherical coordinate type（4）关节型坐标系机器人：该机器人是由三个旋转自由度组成。运动状态类似于人的手臂运动，其手臂部分中大臂、小臂用机架来连接，它的关节全部可以旋转，是工业机器人中最为常见的结构，在控制方式上它也是比较简单的，对于传动装置和驱动装置的要求较低。它的工作范围一般是一个中空的几个不完全球体相贯组成。多关节机械手具有:工作灵活、运动惯性小、通用、能随意抓取机座附近的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作等优点.伴随着生产的需要，对多关节机械手的灵活性，定位精度和作业空间范围等提出越来越高的要求。发展至今，多关节机器人的关节数量由传
19、统的三个发展到十几个甚至更多，其外形多种多样，可根据实际工作需求来改变，它的优点显而易见。如图2.4所示图2.4关节型坐标系Fig.2.4 Articulated coordinate system在充分考虑了移动机器人机械手的工作环境和驱动特点条件下，结合控制装置、密封条件、工作空间、精度和经济性等因素，最终选择关节型坐标结构的机器人。这种机械手的运动轨迹都要求基于某个固定的平面，其运动具有可控性，追踪性。并且它的机械结构简单，操作十分容易。其五个自由度依次为腰部的回转、大臂的俯仰，小臂的前后摆动，手腕转动，以及末端执行器的摆动。最终确定的机构形势如图2.5所示。1-底座，2-腰部，3-大臂
20、，4-小臂，5-手腕，6-末端执行器安装架图2.5 五自由度机械手结构形式Fig.2.5 Five DOF Manipulator Structure2.2 机械手驱动方式选择设计中的机械手，每个关节的运动形式均为旋转运动结构，现实中常用的驱动方式有电气式、液压式、气压式。这几种驱动方式的特点如表2.1所示该机械手主要用于探测和修补等比较精细作业活动，因此要求腰部关节能实现平面的360的旋转，无波动回转；要求肩、肘关节的转动可以实现整个手臂的上下或左右的直线运动，同时满足在整个机器人静止的情况下，不改变手臂的方向和位置，实现正确绕过障碍物和调整手臂的无效位置，使手臂运动具有较高灵活。手腕部位关
21、节的三个自由度能同时操作，运动相互独立，不发生干涉。所以机械手必须要有很好的伺服控制能力运动的平稳性能，再者要求机械手结构紧凑、活动灵活，同时结合工况条件。综合考虑选择电气式驱动。电气式驱动电机一般有动力用电机和控制用电机两大类。本设计为一般常规设计，满足所设计内容即可，选择常规的控制型电机可以达到要求。常规控制型电机又分为步进电机、力矩电机和伺服电机三种。力矩电机只能用于单向连续运转，所以不选用。步进电机不能用于正、反转频繁操作的场合，且其启动和制动性能差，同时不能实行闭环控制，缺乏反馈作用，因此也不选用。而交流伺服电机通常功率较大，常用于高速运动。对于关节1、2、3、4选用maxon型直流
22、伺服电机，其该产品含有与电机相互配合的各种型号的减速箱、编码器及其它附件等，可以更好地实现控制功能。对于关节5、6，由于其负载较小、运动精度较高，则采用微型直流减速电机。表2.1 驱动方式对比Table2.1 comparison ofdriving mode种类特点优点缺点电气式可用商用电源；信号与动力传送方向相同；有交流和直流之分操作简单；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易于与CPU相接瞬时输出功率大；过载差，卡住时易引起事故；易受外部噪音影响液压式要求操作人员技术熟练；液压源压力在一定范围输出功率大，速度快，动作平稳，响应快设备占用空间大；液压源要求高，且易泄露且有污染气压式要求操作人
23、员技术熟练；气压源压力在一定范围气压源方便、成本低；无泄露污染，操作简单，速度快功率小，体积大；工作噪音大，难于伺服控制2.3机械手结构总体布局针对选择的驱动装置和传动装置，对图2.6中的五个关节，大臂摆动和手腕旋转采用直流电机直接驱动，其它三个关节利用锥齿轮传动。拟定的机械手的三维结构示意图如图2.6所示图2.6 机械手三维结构示意图Fig.2.6 Schematic diagram of the three-dimensional structure diagram of manipulator第三章机械手工程图的设计及计算3.1 主要技术参数的确定五自由度机械手主要技术参数包括各关节的尺
24、寸、运动空间角度、电机的型号、运动轴与电机之间连接的连接装置联轴器的型号等。一系列相关参数的选定是设计成功的关键，是评定设计合理与科学的依据。3.1.1机械总体结构参数确定在分析清楚机器人的工作环境和工作方式后，根据工作的需要，工作特点及科学合理评定下进行设计的，所以应该尽可能使机械手具有与人类手臂相识的运动能力，或接近于人类工作方式的特点。从人类身体特点出发，根据解刨学可知，人手臂中小臂和大臂长度分别是人身高的0.206倍和0.22倍。类比人体结构参数，在结合相关机器人的运动参数和优化结果、工作环境的需要，定出该移动机械手的结构参数与运动参数如下：（1）结构尺寸参数: 腰部回转半径：80mm
25、 大臂长:300mm 中臂加小臂长:360mm（2）运动参数: 最高角速度按公式计算，其中角速度，为线速度，为臂的长度； 腰部回转关节1: ，最高角速度120/s 大臂摆动关节2: ， 最高角速度72/s 小臂摆动关节3: ，最高角速度180/s 手腕旋转关节4:， 最高角速度100/s 末端执行器关节5:，最高角速度160/s3.1.2直流伺服电机的选择根据创建的三维模型下的各部件物理参数，根据部件的转动惯量，角速度，从而预估算出各关节传动所需的功率和转矩。选择电动机，根据驱动要求，需符合以下条件：（1）需要的转矩，这一转矩下的速度u；（2）不同负载下的持续工作时间t；（3）需要的加速度a；
26、（4）负载的惯量j。电动机的功率按一下公式估算： (3-1)式中：电动机功率 负载力矩 负载转速 传动装置的效率，初步估计。最终以为准则，由功率守恒和能量守恒定律公式计算，最后把所有参数折算到电机轴上，确定电机型号和功率大小。本系统电机组件全部选用mxaon直流伺服电机。mxaon直流伺服电机是一种高质量高性能的驱动元件，它配有高性能的稀钢，空心杯转子（此机构获得了专利技术）和高精密的齿轮箱。凭借与精密的齿轮箱可以获得更宽的速度范围和转距范围，高分辨率的模数字编码器提供了运动控制的保证。其配合使用的驱动器能和直流电机构成环回路，使电机能达到更为精准的控制。本课题设计的机械手拥有五个自由度，所以
27、共选用了五套mxaon直流电机组件，分别安装在机械手各个关节上，其基本参数如下表3.2所示。机械手在静止状态时，所有的重量都将在机械手的大臂上作用，产生力矩，为了防止机械手在突发情况下发生自运动，即断电情况。需在大臂关节的电机上加上制动器，在机械手运动前使制动器掉电失去作用，当机械手回到零位时，先给制动器上电，然后再关闭机械手电源。而其他关节在掉电后都能处于平衡位置，故不予考虑。根据选取的电机，选择mikipule厂家生产专用的伺服电机精密联轴器，其本体采用碳素钢材质的板弹簧式联轴器, 该联轴器扭转刚性极高, 能准确控制轴的旋转, 可进行高精密控制。常规联轴器的固定方式有四种。其中第一种为定位
28、螺丝固定，该方式可能会损伤轴心而且拆卸困难；第二种为通过夹紧螺丝来固定；第三种为键槽型；第四种为定位螺丝与键槽的复合固定形式，后两种都较为复杂。综合考虑，选择夹紧螺丝的固定方式，该方式满足普通轴、D型轴端的轴、键槽轴（加轮毂套）联接方式，并且有很好的误差补偿能力，可将安放轴的机架和安放电机机架做成两个部件，降低同轴度要求。联轴器结构如图3.1所示。表3.1直流伺服电机选型参数Table3.1 DC servo motor selection parameters电机减速箱关节最高角速度 腰部回转关节RE 35 35mm 90w行星轮齿轮箱GP42A120/s 大臂摆动关节RE 35 35mm
29、90w行星轮齿轮箱 GP42C72/s 小臂摆动关节RE 25 25mm 60w行星轮齿轮箱GP32A180/s 手腕回转关节RE 25 25mm 20w行星轮齿轮箱GP32A100/s 执行器摆动关节RE 25 25mm20w行星轮齿轮箱GP32A160/s注：相关参数选自maxon产品目录08/09高精密驱动系统的顶级提供商图3.1联轴器结构Fig.3.1 Coupling structure3.2机械手各关节的部件的详细设计腰间、小臂、大臂、手腕和末端的执行结构的驱动装置都自带减速装置，从而不必考虑增加减速装置。现代设计学要求一般所设计的传动结构满足结构紧凑、空间占比小、质量轻、运动惯量
30、小、性能稳定、运动位置精度高、制造成本低等特点。满足设计空间结构紧凑、占比小、精度高的机械手传动装置主要有蜗杆传动和齿轮传动两种方式。蜗杆传动一般用于大传动比场合，其重量较大，反行程具有自锁性，但传动效率低，运动中磨损量严重，不予考虑。锥齿轮传动，其轴交角可根据传动要求任意选择，一般为90度。具有安装灵活性大、简单、传动平稳、承载力强等优点。综合考虑，可选择锥齿轮传动。腰间立轴需要能承受较大的轴向力和径向力，选择圆锥滚子轴承可满足使用条件，其余各旋转关节都配以旋转支撑部件，选用一般滚动轴承即可。以下为各部件详细设计及计算：3.2.1腰部关节设计（1）轴的尺寸确定根据传动轴传递的功率大小计算最小
31、轴径，公式如下： （3-2）式中：扭转切应力，MPa；T轴所受到的扭矩，N.；P轴传递的功率，km；N轴的转速，r/min；D轴的直径，mm；许用扭转切应力，MPa.见下表：由式（3-1）得轴的直径 (3-3)其中，材料系数， p=0.09km n=32r/min带入数据求得d=26.7mm,该轴上有一个键槽，相应轴径增加6%，取整d=32mm.设计轴如下图3.2所示。（2）轴上零件的定位根据各种工艺要求，其他部位选择圆锥滚子轴承，考虑到轴系位置调整和轴承游隙调整添加垫片组，腰部转轴以同样方式步骤设计，为增强支撑能力，增加推力球轴承。腰部的最终机构为图3.3，其中转轴与齿轮采用过盈配合。（3）
32、腰间齿轮设计A.材料及热处理按使用条件，本设计中的运动结构属低速运转、轻载荷，重要性和可靠性一般的齿轮传动。选用一般软齿面齿轮可满足要求，需小齿轮的硬度比大齿轮大。小齿轮：45钢，调质处理，硬度为，选取；大齿轮：45钢，正火处理，硬度为1，选取。图3.2 腰部传动轴结构图Fig.3.2 Thestructure diagram oftransmission shaft1-腰部支撑架 2-大齿轮 3-底座 4-轴承座 5-电机座图3.3腰部结构图Fig.3.3Waiststructure diagramB.相关参数设定 初步计算齿轮模数时，按弯曲疲劳强度公式进行计算： （3-4）式中，其他数值分
33、别在机械设计手册中查取： 为重合度系数，为齿形系数，为应力修正系数，电机功率 ，主动轮转数传动比：，转矩： 计算得出模数m6.1，取整数7，按照初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸如下:齿数比u：1.9000 取整2.0大端分度圆直径D：小轮：140.0000 mm 大轮：266.0000mm分锥角：小轮：27.7585 大轮：62.2415外锥距Re：150.2964齿宽系数值e：0.1863中点锥距Rm：136.2964中点模数mm：6.3480内锥距Ri：122.2964小端模数mi：5.6959中点分度圆直径dm：小轮：126.9591 大轮：241.2223小端分度圆直径di：小轮：11
34、3.9182 大轮：216.4446顶隙c：1.4000齿顶高ha：小轮：7.0000 大轮：7.0000齿根高hf：小轮：8.4000 大轮：8.4000小齿轮结构如下图3.4所示，其采用双侧台阶结构，大齿轮和小齿轮类似；确定齿数Z，在保证接触强度的前提下，提高平稳性，减小冲击振荡，小齿轮齿数一般取，此课题设计选取，.图3.4腰部关节小齿轮结构Fig.3.4 Small waist joint gear structure3.2.2大臂摆动关节设计大臂摆动采用电机直接驱动，大臂与轴轴向采用轴肩、双圆螺母固定，周向采用普通平键连接，选用圆锥滚子轴承。按照公式（3-3），初算最小轴径，考虑减速箱
35、输出轴轴直径，初步定最小轴径mm。按照上述轴的结构设计步骤，拟定大臂摆动关节详细结构如图3.5所示。 1-大臂 2-腰部支架 3-腰部驱动电机 4-腰部旋转大齿轮图3.5大臂摆动关节结构图Fig.3.5 The arm swing joint structure3.2.3小臂摆动关节设计小臂摆动关节同样采取经过调制处理的45钢，硬度取，传动部件选软面齿轮。其中设计参数为功率 ，主动轮传动转速，传动比为1，转矩，根据公式（3-4）带入相关数据的模数，取值为1.75，记.齿轮的基本参数如下表3.1所示表3.1齿轮参数值Table3.1 Gear parameters名称公式数值齿数比1分锥角分锥角
36、大端面大端面外锥距齿宽齿顶高齿根高顶隙为了使得机械手结构更为紧凑，设计将小臂摆动的驱动电机放在大臂空腔内，通过锥齿轮换向来实现关节转动。输入轴做出齿轮轴，输出轴与齿轮通过键连接。按照公式（3-2）得出d=26mm，该安装联轴器处轴径最低要求，初选最小轴径12mm，根据转矩和孔径要求选择mikipule厂家生产的伺服电机，型号为SFC-040DA2。联轴器与轴配合长度12mm。小臂摆动关节的最终结构图如图3.6所示。1-小臂 2-大臂 3-小臂摆动驱动电机图3.6 小臂摆动关节结构图Fig.3.6Small arm swinging joint structure3.2.4手腕旋转关节设计手腕转
37、动关节，将驱动电机布置于小臂空腔内，手腕与轴采用轴肩与圆螺母（加止动垫圈）进行轴向固定与定位。按照公式(3-2)，初步最小轴径10mm，初步定最小轴径12mm，为与联轴器连接处直径，。按照a）中设计轴结构步骤，根据转矩和孔径要求选择mikipule厂家生产的伺服电机，型号为SFC-025DA2。联轴器与轴配合长度11mm，最终确定旋转关节结构如图3.7所示。 1-手腕 2-小臂 3-手腕旋转驱动电机 图3.7手腕关节旋转结构 Fig.3.7 The rotating structure of wrist joint3.2.5执行器摆动关节设计执行器摆动转动关节，将驱动电机布置于手腕空腔内，齿轮
38、设计同小臂摆动关节齿轮。按照公式（3-3），初步最小轴径10mm，初步定最小轴径12mm，为与联轴器连接处直径，。按照a）中设计轴结构步骤，根据转矩和孔径要求选择mikipule厂家生产的伺服电机，型号为SFC-025DA2。联轴器与轴配合长度11mm，最终确定轴系结构如图3.8所示。 1-执行器安装架 2-手腕 3-执行器摆动驱动电机 图3.8 执行器安装架摆动关节结构图 Fig.3.8 Actuator mounting rack swing joint structure3.2.6 机械手各臂及支座的结构设计底座采用铸铁HT200铸造而成，各臂材料选用用铝合金。根据总体方案中对结构参数的
39、要求，同时考虑轴承等零件的定位与固定，各臂与底座的结构模型，三维实体模型结构图形如图所示图3.9大臂三维模型Fig.3.9 The 3D model of arm图3.10小臂三维模型Fig.3.10 A 3D figure of small arms图3.11手腕三维实体模型Fig.3.11 The 3D model of the wrist图3.12 底座三维模型Fig.3.12 The 3D model base图3.13 末端执行机构三维模型Fig.3.13 The 3D model of end effector3.2.7重要零件的受力分析与校核计算（1）腰部回转轴的受力分析与校核由
40、Pro/ENGINEER软件中分析数据得出大臂及以上部件总质量为8.2kg腰部回转轴受力如图3.14所示 图3.14 腰部回转轴受力分析Fig.3.14 Stress analysis of rotary shaft waist图3.15 腰部受力弯矩图Fig.3.15 The waist force bending moment diagram轴的转矩为52000N.mm,从而由计算当量弯矩，公式如下： ( 3-4)其中,；T轴所受的扭矩，；M轴所受的弯矩，；W轴的抗弯截面系数，；轴的计算应力，MPa.图3.9中加虚线部位为危险接截面，取=0.6，求出该截面的当量矩为，抗弯截面系数,，求出。
41、从而满足强度要求，安全。（2）对圆锥滚子轴承进行校核 各项数据结果如下： 径向力Fr=0 (N) 轴向力Fa=0 (N) 圆周力 Ft=82 (N) 轴颈直径 d1=80 (mm) 作用点距离 L=80 (mm) Fr与轴承1距离 L1=40 (mm) Fr与轴心线距离 La=400 (mm) 转速 n=3000 (r/min) 要求寿命Lh=4500 (h) 可靠性 S=90 (%) 润滑方式 Grease=油润滑 轴承类型BType=圆锥滚子轴承 轴承型号BCode=32216 轴承列数BCol=0 轴承内径 d=80 (mm) 轴承外径 D=140 (mm) 轴承的宽度B=40 (mm)
42、 基本额定动载荷 C=198000 (N) 基本额定静载荷 Co=278000 (N) 极限转速(脂) nlimz=2600 (r/min) 极限转速(油) nlimy=3400 (r/min) 轴承1径向支反力 Fr1=41 (N) 轴承1轴向支反力 Fa1=33.23 (N) 轴承2径向支反力 Fr2=41 (N) 轴承2轴向支反力 Fa2=33.23 (N) 判断系数 e=0.973 径向载荷系数 X=1 轴向载荷系数 Y=0 接触角 a=10 (度) 负荷系数fp=1.2 当量动载荷 P1=49.2 (N) 当量动载荷 P2=49.2 (N) 当量动载荷 P=49.2 (N) 当量静载
43、荷 P0=2303.46 (N) 轴承工作温度 () 温度系数， 可靠性修正系数 a1=1 材料修正系数 运转条件修正系数 额定动载荷计算值 C= (N) 轴承寿命 =1033868710000 (106 转) 轴承寿命=1343780805 (h) 修正的额定寿命=1033868710000 (h) 最大工作转速(r/min) 寿命系数 E=3.333 验算结果 Test=合格 其它关节采取与1）类似方法与步骤进行轴和轴承的验算。第四章基于Pro/ENGINEER的模型建立与运动分析Pro/ENGINEER软件是美国PTC公司基于单一数据库、参数化、特征、全相关及工程数据再利用等概念的基础上
44、，开发出来的一款包括CAD/CAE/CAM强大功能的的三维绘图软件。Pro/ENGINEER中的机构运动仿真模块可以分析与仿真机械装配模型的运动学，运动仿真结果不但可以以动画形式表现出来，还可以以参数的形式输出，同时判断零件之间是否发生干涉，干涉体积有多大和对仿真结果进行记录。同时还可以对仿真结果创建轨迹曲线与运动包络，在现代设计中运用十分广泛。注：本课题采用的Pro/ENGINEER版本为Wildfire5.0（C0000）4.1机械手各部件静态模型的建立应用Pro/ENGINEER基本特征操作，调用标准库，建立各部件的结构模型，考虑到滚动轴承在运动仿真时有滚子自转运动不易加入驱动，故实体模型中均不加入轴承。下4.1至图图4.1至图4.9为各部件三维实体模型。图4.1 底座三维实体模型结构Fig.4.1 A 3D model of structure图4.2腰部输入关节三维实体模型Fig.4.2 The 3D input waist j