小型轮式搬运机器人设计-第04章腕部及中臂部件设计

1、第04章腕部及中臂部件设计手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改 变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适 应性更强。手腕部件具有独立的自由度。手腕运动有：绕X轴转动成为回转运动；绕 丫转动 称为上下摆动（或俯仰）；绕Z转动称为左右摆动；有的甚至是沿丫轴（或Z轴）的横向 移动。一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动既可满足工作要求，一些动作较简单的专用机械手，为简化结构，可以不设置腕部，而直接由臂部的运动驱使手部搬运 工作。目前，应用最广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回 转角度较小（一般小于270度），

2、并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。 因此要求较大回转角的情况下，采用齿条齿轮传动或链轮以及轮系结构。具体到本机器人的手腕部件的设计， 我们的机器人手腕自由度只要求有一个绕 X 轴的回转运动，且和机器人的中臂壳一体设计。由于本课题设计的机器人是基于塑料 壳体的玩具机器人，因此所需扭矩不大，传动机构采用电机输出轴直接与手部壳体相 连，简化设计。4.1腕部设计的基本要求1 力求结构紧凑、重量轻腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的 结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设 计时，必须力求结构紧凑、重量轻。2 综合考虑，合

3、理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求以 及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局。如何解决好腕部和手部的连 接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。3 必须考虑工作条件对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对 腕部的不良影响。4. 2腕部机械本体的设计思路本机器人的腕部设计如图4-1、图4-2所示图4-1机器人中臂及腕部部件平面图图4-2机器人中臂及腕部部件三维造型直接用电机输出轴驱动实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、尺寸小、灵活等优点而被我们所采用。它采用一个电机实现腕部的旋转运动。从平

4、面图上可以看出， 电机输出轴用两个半十字连接器 5,六个螺钉8和连接器6相连成一体。连接器6坐 落于衬套5内，衬套与中臂壳2, 3为过盈配合。当电机4旋转时，带动连接器6在 衬套7内旋转。从三维造型中可以看到连接器6内凸出两个键，这两个键可以和手部 部件中的两个手臂壳上的凹槽相扣而形成配合。当连接器旋转时，两个键带动手臂壳旋转，从而带动整个手部部件的旋转运动。如图 4-3所示。对于腕部部件的定位问题现阐述如下：手臂壳内径为56mm衬套内径50mm在衬套的两端的手臂壳上设计了内径 48mm和内径45mm勺两个轮状凸起。二手部手臂壳上已有类似凸起，在设计零件长度时是 衬套与两凸起长度相等；连接器6

5、与手部手臂壳长度之和与两凸起长度相等，安装后 正好能使这些零件的轴向都处于两个凸起的约束之中，达到轴向定位的作用。电机左端有凸台使电机轴向定位。图4-3手部壳体3#4.3手腕的驱动力矩的计算驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重 力矩。图4-4所示为手腕受力的示意图。7£图4-4手腕受力的示意图#手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算：(4-1)M驱=M惯+M摩+M偏#M| = L1(M| + MJ = 0.085N I m(4-6)M惯惯性力矩kg cmM偏一一参与转动的零部件的

6、重量（包括工件、手部）对转动轴线所产生的偏重力矩kg cmM摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩kg cmF面以图4-17所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算（1）腕部回转支承处的摩擦力矩 M摩从图4-17中可知ffA/, = -FjZJ += -427 X 0,044 + 377 X 0.044） = 0,077/Vlm22式中Fi、F2支承处支反力，可由静力平衡方程求得；D支承直径，m,其值为0.044 ;f支承的摩擦系数，此处按滑动轴承选f=0.1Gi为工件重量（kg）,G2为手部重量，其中 Gi=0.2，G2=0.3;由静力平衡条件得:142偽 + 76G212142 X 2 -I-

7、76 X 3 =42.7N12130G1 + 64G212130 X 2 -I- 64 X 3 =37-7N12(4-3)(4-4)#M| = L1(M| + MJ = 0.085N I m(4-6)#M| = L1(M| + MJ = 0.085N I m(4-6)由此可知：ffM| = (FD 十 F2D)= -42.7 X 0.044 + 37.7 X 0.044)= 0.077.V I m22（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 M偏(4-5)M 偏=Gie式中e-工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）本例中M偏=0又因为手腕回转部分的转动惯量不是很大， 手腕启动过程所产生的惯性力矩也不大，为了简化计算可以将计算力矩M偏,M摩适当放大，而省略掉M惯，这时又因为我们设计时希望手腕能每 3s转一圈，即3=2.1 rad/s。由下式可得电机功率：P二Ml"0.085X2.1 二 0.18W由以上计算我们选择广州迪豪科技有限公司生产的RF-310G35