商 丘
工學院
2015-JXLW
專業(yè)代碼-編號
本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
吸盤機械手的設(shè)計
學 院
小三號黑體居中（下同）
專 業(yè)
學 號
學生姓名
指導教師
提交日期
年 月 日
誠 信 承 諾 書
本人鄭重承諾和聲明:
我承諾在畢業(yè)論文撰寫過程中遵守學校有關(guān)規(guī)定,恪守學術(shù)規(guī)范,此畢業(yè)論文(設(shè)計)中均系本人在指導教師指導下獨立完成,沒有剽竊、抄襲他人的學術(shù)觀點、思想和成果,沒有篡改研究數(shù)據(jù),凡涉及其他作者的觀點和材料,均作了注釋,如有違規(guī)行為發(fā)生,我愿承擔一切責任,接受學校的處理,并承擔相應的法律責任。
畢業(yè)論文（設(shè)計）作者簽名：
年 月 日
摘要
機械手技術(shù)是機電一體化產(chǎn)品，吸盤抓取機械手成為一個領(lǐng)先的研究課題，目前應用在不同領(lǐng)域，如機械，電子，信息理論，人工智能，生物學和計算機，知識等諸多領(lǐng)域的發(fā)展機械接頭端的設(shè)計，機械手也導致了這些學科的發(fā)展。關(guān)節(jié)型機械手是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，工藝多關(guān)節(jié)運動的一個熱點手臂運動更多的領(lǐng)域進行合作研究。機械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計算機許多學科，但其發(fā)展的多機構(gòu)銜接所需組合治療也促成了這些學科的發(fā)展。
本文采用在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的關(guān)節(jié)型機械手，并完成圖紙和零件圖總裝配圖。為機械手模型的要求被分析以估計的每個關(guān)節(jié)，充分的選擇電機所需要的轉(zhuǎn)矩和功率。完成關(guān)節(jié)型機械手的程序設(shè)計，總體設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計，運動學模型操盤分析，檢查，分析機械手模型，設(shè)計和生產(chǎn)機械手模型做的過程中強度的關(guān)鍵部件，繪制2D圖，3D圖，完整的運動仿真。
關(guān)鍵詞：機械臂，結(jié)構(gòu)設(shè)計，吸盤關(guān)節(jié)機械手，電機
3
Abstract
Robot technology is a mechanical and electrical integration products, sucker crawling robot into a leading research, the current application in different fields, such as machinery, electronics, information theory, artificial intelligence, biology and computer knowledge, and many other developments in the field of mechanical coupling end design, the robot also led to the development of these disciplines. Articulated robot is a typical mechatronic products, a hot process more articulation arm movement more areas of collaborative research. Many disciplines mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, knowledge and biological and computer, but the development of its multi-agency convergence desired combination therapy also led to the development of these disciplines.
In this paper, the structural design of the articulated robot and complete drawings and part drawings assembly drawing. To require the robot model is analyzed to estimate each joint, full selection of the desired motor torque and power. Complete articulated robot programming, design, structural design, kinematics model Trader analysis, inspection, analysis robot models, key components design and production of the robot model the process of doing strength drawn 2D drawings, 3D maps, complete Motion Simulation.
Key Words： arm, structural design, mechanical hand sucker joints, motor
目 錄
1 緒論 1
1.1引言 1
1.2 吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手研究概況 2
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.3 吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手的總體結(jié)構(gòu) 3
2 總體方案設(shè)計 5
2.1 吸盤關(guān)節(jié)機械手工程概述 5
2.2 工業(yè)吸盤關(guān)節(jié)機械手總體設(shè)計方案論述 5
2.3 吸盤關(guān)節(jié)機械手機械傳動原理 6
2.4 吸盤關(guān)節(jié)機械手總體方案設(shè)計 7
3 機械手大臂部結(jié)構(gòu) 10
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求 10
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
3.3 大臂電機及傳動齒輪選型 11
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 15
4.1 腕部設(shè)計 15
4.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動計算 15
4.1.2 電動機的選擇 21
4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 23
4.3 小臂電機選型 23
4.4 傳動選擇 23
4.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 27
4.6 軸的受力分析及計算 28
4.7 軸承的壽命校核 28
4.9 軸的強度校核 29
4.10 各軸鍵、鍵槽的選擇及其校核 30
5 機身設(shè)計 31
5.1 步進電機選擇 31
5.1.1 計算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 31
5.1.2 確定各軸傳動比 33
5.1.3 傳動裝置的運動和動力參數(shù) 33
5.2 齒輪設(shè)計與計算 35
5.2.1 高速級齒輪設(shè)計與計算 35
5.2.2 低速級齒輪設(shè)計與計算 39
5.3 軸的設(shè)計與計算 42
5.3.1 輸入軸的設(shè)計與計算 42
5.3.2 中間軸的設(shè)計與計算 44
5.3.3 輸出軸的設(shè)計與計算 46
5.4 軸承的校核 48
5.4.1 輸入軸上軸承壽命計算 48
5.4.2 中間軸上軸承壽命計算 49
5.4.3 輸出軸上軸承壽命計算 50
5.5 鍵的選擇和校核 51
5.5.1 鍵的選擇 51
5.5.2 鍵的校核 51
5.6 機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 52
5.6.1 機身箱體材料的選擇 52
5.6.2 機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝 52
總結(jié)與展望 53
致 謝 54
參考文獻 55
1 緒論
1 緒論
1.1引言
關(guān)節(jié)型機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，工藝多關(guān)節(jié)運動的一個熱點手臂運動更多的領(lǐng)域進行合作研究。機械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計算機許多學科，但其發(fā)展的多機構(gòu)銜接所需組合治療也促成了這些學科的發(fā)展。多臂關(guān)節(jié)領(lǐng)導的多關(guān)節(jié)臂運動。
1959年成為世界上第一個工業(yè)多關(guān)節(jié)手臂運動的誕生，創(chuàng)造發(fā)展胳膊的新時代的多關(guān)節(jié)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和運營研究部門的應用多聯(lián)快速發(fā)展。加藤一郎，日本早稻田大學手臂關(guān)節(jié)和更多的世界知名專家，教授說：“一個很大的特點，多關(guān)節(jié)手臂運動應該有工作。”的方式是，在自動化程度高的，電力系統(tǒng)更復雜。偉大的發(fā)明家愛迪生曾經(jīng)說過，“神造人的兩條腿是最美麗的杰作。”該系統(tǒng)具有豐富的動態(tài)環(huán)境的要求非常低，無論是在地面上，而且在非結(jié)構(gòu)化地形復雜，適應性良好的環(huán)境狀態(tài)。為了延長多關(guān)節(jié)型機器人的功能和應用開辟無限廣闊的發(fā)展前景。
研究關(guān)節(jié)型機器人的原因和目的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：機構(gòu)的發(fā)展，使他們對結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性的工作，許多圈子，而不是個人或更新和人類活動的領(lǐng)域擴展;希望更多的人有一個內(nèi)在的理解和認識，并使用這些功能對個人服務(wù)，如假肢。系統(tǒng)動力學與在此領(lǐng)域豐富的研究，其研究和臂運動更加危險的機器的擴展，多關(guān)節(jié)臂的運動可以作為一個多關(guān)節(jié)臂的移動智能播放在人工智能領(lǐng)域的一個重要的角色。
多關(guān)節(jié)臂的運動的定義，世界上唯一的格式是不一樣的。手臂運動協(xié)會與更多的企業(yè)的聯(lián)合國標準化最近在他的手臂采用了國際對美國帶來的多關(guān)節(jié)運動的定義：操作臂多聯(lián)合演習是一個多功能可編程的操作系統(tǒng)，你可以改變該程序的操作完成各種各樣的工作，尤其是對物料輸送，傳動部件。參照國際定義，和語言的組合的中國多臂關(guān)節(jié)的定義如下：
機械手的多關(guān)節(jié)運動是一個獨立的行動，更自由，靈活地改變程序，它可以放置在任何地方，自動化程度高的機器的自動化。汽車油漆或其他涂料行業(yè)鉸接多關(guān)節(jié)運動E'可用。
多關(guān)節(jié)運動臂高剛性臂，與其它可能的相比，必須要快，能夠進行重的東西，且精度非常高，可以基于外部信號，各種自動操作的。
處理的多關(guān)節(jié)臂的運動是一個計算機可編程的自動控制裝置的控制下。使用的多關(guān)節(jié)運動操作臂是提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和工作的生產(chǎn)率，生產(chǎn)過程的自動化，改善了工作條件，并降低了勞動強度的有效手段。誕生和多關(guān)節(jié)手臂運動的發(fā)展，雖然只有30歲，但已經(jīng)應用到國民經(jīng)濟的許多部門，民間的技術(shù)，應用，具有廣闊的發(fā)展前景，顯示出強大的生命力[1-2]。
1.2 吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手研究概況
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
人類和動物的運動原理的第一個系統(tǒng)研究是邁布里奇發(fā)明了照相機跟單，即設(shè)定的觸發(fā)相機的電源，并在1877年他成功地參加了四足和連續(xù)運行的許多照片。后來，這種方法使用的相機是用來研究人體運動Demeny。從1930年到1950年，蘇聯(lián)也伯恩斯坦從深入人類和動物研究的生物動力機制的角度看，并提出??的議案非常形象化的描述。
真正研究機構(gòu)運動多關(guān)節(jié)全面，系統(tǒng)于1960年推出至今，聯(lián)合多月的手臂比較完整的理論體系只有形成，并在一些國家，如日本，美國和“蘇聯(lián)已成功開發(fā)出可以是靜態(tài)或動態(tài)的，多臂樞軸原型。在這一節(jié)中，我們介紹了1960年至1985年期間，臂多關(guān)節(jié)實地達到的運動的最重要的進展的團隊。
在20世紀60年代和70年代，武裝多關(guān)節(jié)運動控制理論產(chǎn)生三種類型的控制方法是非常重要的，這限制了國家控制，控制參考模型和控制算法。這三種控制的方法對所有類型的吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手都是適用的。國家控制是通過在1961年提出的模型的參考檢查于1975年由美國法恩斯沃思南斯拉夫托莫維奇限制，該算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊爾?羅多關(guān)節(jié)運動學專家鮑賓控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有這三種類型的控制方法之間的內(nèi)在關(guān)系。有限狀態(tài)控制實質(zhì)上是一個控制參考模型，并且該控制算法是這種情況[1]的中心。
在搜索步態(tài)，蘇聯(lián)Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義自由的步伐。這兩種步態(tài)不僅能適應，而且要適應胳膊多條腿多企業(yè)的動向。在這些中，對于自由路徑的步驟的條件的規(guī)則。如果地形是非常粗糙的，所以運動臂多關(guān)節(jié)，下一步應放在哪里腳不能基于對步驟序列來加以考慮，但應通過步驟以便攀登者去步驟通過一些優(yōu)化標準來確定哪個是所謂的自由速度。
穩(wěn)定性研究手臂動作的多關(guān)節(jié)，美國Hemami，該提議的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制的簡化模型作為振蕩器，反轉(zhuǎn)（倒立擺），它可以被解釋為在換能器存在的問題的向前運動。此外，減少了控制的考慮，Hemami，誰也研究手臂運動的多關(guān)節(jié)“減少型”問題的復雜性進行了研究。
此前我們指出了系統(tǒng)的Vukobratovic還人形能量分析，但它的力量是有限的關(guān)節(jié)和隨時間的整個系統(tǒng)的變化，并沒有太多涉及這個問題的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一個有用的結(jié)論，即平滑的姿態(tài)，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)前機器人起步較晚，我國自1980年以來，在體育領(lǐng)域的多臂共同研究和應用。 1986年，國家啟動了“規(guī)劃綱要”的研究多動關(guān)節(jié)臂，中國的高科技“863”水平運動臂包括于1987年。目前聯(lián)合研發(fā)，中國移動手臂多企業(yè)的研究和開發(fā)應用單位主要與高校和科研院所。初步調(diào)查多關(guān)節(jié)型機器人技術(shù)的主要目的是更先進的技術(shù)來跟蹤國際風險手臂的運動，然后取得了一些成績。
1986年哈爾濱工業(yè)大學，他開始研究最為關(guān)節(jié)臂，腳靜手臂運動HIT-I和110厘米高，體重70千克多的企業(yè)，率先成功開發(fā)進度有10個自由度，以到達地面上的線，左，右，以及運動，上下樓梯，45厘米左右10秒/步，速度成功研制的HIT和HIT-II-III，重量為42千克，長度103厘米，它是12個自由度，以實現(xiàn)一個步驟每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在開發(fā)第四樂章的下一個多關(guān)節(jié)臂，身體52度的自由，這是一個偉大的運動和速度的平衡三臂，多關(guān)節(jié)運動[3-7]。
在1988年春國防科技大學成功具有六個自由度的平面雙足運動臂多關(guān)節(jié)KDW-1，可以向前，向后和上下樓梯，每秒40厘米，四步開發(fā)的最大速度，在1989年今年的步伐，我們開發(fā)了一種空間KDW-II，具有10個自由度，最高的69厘米，重13公斤，包括更多的來回，上下樓梯和周圍的近靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性。 1990年兩縱縫互聯(lián)網(wǎng)KDW-II，在KDW-Ⅲ開發(fā)的，有12個自由度，并添加函數(shù)曲線，以獲得完整的測試環(huán)境。 1995年在步驟20厘米0.8秒?22厘米，13度的最大角度動態(tài)的步伐。 2000年KDW-III中國的第一個人形的手臂的“排頭兵”的成功結(jié)束的發(fā)展的基礎(chǔ)上，在一個不確定的環(huán)境下微小的變化動態(tài)每秒，兩步周期，1.4男，為20 kg的多關(guān)節(jié)的動作，有頭，眼睛，頸部，身體，手臂，腳，和一定程度的語言功能[8-13]中。
此外，清華大學正在開發(fā)一個人形的手臂培育更多升學銜接THBIP-I，高七米，體重130千克，32自由度的支持清華大學985項目，該項目是。南京航空航天大學有八個自由度機械手關(guān)節(jié)間隙靜態(tài)函數(shù)[13,14]的發(fā)展。
本文從“首屆全國研究生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”多關(guān)節(jié)手臂動作。此時，單臂，多關(guān)節(jié)運動通常在車輪的形式是為了實現(xiàn)功能相。事實上，模仿人類行走手臂和腿部的多關(guān)節(jié)的動作并不多，但也有六條腿，已經(jīng)出現(xiàn)四腿臂多關(guān)節(jié)運動，但多關(guān)節(jié)手臂運動尚不多見。我們的問題，簡單地探索設(shè)計巧妙的機械設(shè)備和簡單的控制來模擬人的手臂的多關(guān)節(jié)的動作。子功能是：替代大步，搖搖頭，擺動手臂，擺臂。
1.3 吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手的總體結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機器人和部分整體關(guān)系的概述：
它主要由機械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)），探測系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。
（1）執(zhí)行系統(tǒng)：公用部分的執(zhí)行系統(tǒng)管理部門，機械零件最全面的定義，以必要的各種運動，包括手，手腕，來獲得身體。
1.末端執(zhí)行用于執(zhí)行，并且配置的工作直接涂漆。
2.手腕，手和連接元件的臂，具有安排作為任務(wù)或工作的端部的方向的改變。
3.臂和連接基團的手的手臂，手腕支撐體時，執(zhí)行負荷管理塊，手的空間位置，臂操作空間的變化滿足多個關(guān)節(jié)，在基座的任何類型的動力傳輸。
D：機身，多鉸接臂基部，支撐輥，由臂部件支承，并具有使所述臂的轉(zhuǎn)動，起重或傾斜運動的任務(wù)。
（2）驅(qū)動系統(tǒng)：提供電力的各種組件的系統(tǒng)是活動的，以及供應單元設(shè)備。通用機械傳動，機械傳動和電氣，氣動，電動。
（3）操作系統(tǒng)：驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的根據(jù)工作，故障報警或錯誤的信號的要求執(zhí)行。
（4）檢測系統(tǒng)：經(jīng)由各種傳感裝置，控制器官運動檢測裝置，保證作用，如果有的話反饋到控制系統(tǒng)相對于該組的運動的要求。
實踐證明，該小組可以取代繁重的體力勞動的多關(guān)節(jié)運動，顯著減輕勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化。經(jīng)常處理和工業(yè)生產(chǎn)在長期內(nèi)往往體積龐大件，單調(diào)的操作，單臂，多聯(lián)合演習是有效的。此外，它可在高溫，低溫，深水，宇宙，環(huán)境條件和其他有毒放射性污染進行操作，同時也表現(xiàn)出優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景[4-8]。
2 總體方案設(shè)計
2 總體方案設(shè)計
2.1 吸盤關(guān)節(jié)機械手工程概述
吸盤關(guān)節(jié)機械手是一個技術(shù)集成的跨學科，涉及計算機技術(shù)和自動化技術(shù)的機器，機制，機械，氣動，液壓技術(shù)，檢測技術(shù)等領(lǐng)域。在科人得到有效解決組合問題綜合工程被稱為“系統(tǒng)工程”。手臂多關(guān)節(jié)運動設(shè)計，例如，系統(tǒng)工程，應作為一個綜合的方法來系統(tǒng)設(shè)計對外關(guān)系的系統(tǒng)，并從整個有機聯(lián)系的手臂運動環(huán)境的研究，開發(fā)和應用根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部部分多接頭。
從復雜機械系統(tǒng)，包括一定的規(guī)則的功能系統(tǒng)結(jié)合多個子系統(tǒng)，它是一個不可分割的整體。如果你失去了開放的系統(tǒng)，可根據(jù)特定的一組。因此，在一個復雜的機械設(shè)計，概念啟動機器，系統(tǒng)必須具有以下特征：
（1）機械系統(tǒng)完整的完整性機械系統(tǒng)由幾個子系統(tǒng)具有不同的整體性能應具有的特定功能。
（2）作用的子系統(tǒng)之間的有機聯(lián)系，包括有機，相互關(guān)聯(lián)的。
（3）每個目標系統(tǒng)必須具有明確的目標和系統(tǒng)的功能，結(jié)構(gòu)，功能，目標和手段，決策系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)結(jié)合起來。
（4）系統(tǒng)對環(huán)境的適應是適應環(huán)境在某些情況下，我們必須能夠適應變化的外部環(huán)境中。
所以，在設(shè)計機器人時，不僅要注意關(guān)節(jié)運動系統(tǒng)的部件的整個多部件設(shè)計臂應根據(jù)視工程系統(tǒng)的角度來看，這取決于一個單一的多關(guān)節(jié)臂的動作的功能要求，子系統(tǒng)，多臂關(guān)節(jié)，合理，產(chǎn)品的性能，需要在多關(guān)節(jié)臂的動作的作業(yè)的所有組件。一般來說，最復雜的行業(yè)手臂關(guān)節(jié)如下：在操作機器，是最大的，單臂多關(guān)節(jié)的運動來完成的任務(wù)，其中包括基地，手臂，手腕，副作用機構(gòu)。傳輸系統(tǒng)，其中包括幾個傳輸零點電源，控制，驅(qū)動系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括電子控制裝置的操作，記憶功能（計算機或其它版本控制裝置可編程），操作員接口裝置（鍵盤，學習盒等），數(shù)據(jù)處理裝置和各種傳感器，放大離線傳輸，傳感器編程接口設(shè)備通??信的I / O 14]內(nèi)部和外部傳感器和其他設(shè)備（一般或特別。
特征行業(yè)臂多關(guān)節(jié)運動是普遍的調(diào)整，靈活的臂工業(yè)多關(guān)節(jié)運動可有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的發(fā)送處理單元組件或材料或其它柔性制造系統(tǒng)（例如，機床，鍛壓，吸附，裝配等生產(chǎn)設(shè)備），輔助設(shè)備，控制系統(tǒng)，多關(guān)節(jié)臂運動，各種不同形式的運動系統(tǒng)的組建多聯(lián)技術(shù)工藝機械行業(yè)其他生產(chǎn)部門。生產(chǎn)，如建筑，開采，生產(chǎn)和輸送臂移動多關(guān)節(jié)是參考系統(tǒng)。
2.2 工業(yè)吸盤關(guān)節(jié)機械手總體設(shè)計方案論述
（一）確定負載
目前，國內(nèi)工業(yè)用運動的多關(guān)節(jié)臂，負載能力，最小額定負載5N或更小范圍很大，最多的為9000N。這篇文章5公斤載荷。
負載的大小主要取決于由于運動的沿的作用力和夫婦的機械接口上的多關(guān)節(jié)臂的運動的方向。其中下臂應該包括端部執(zhí)行器的更關(guān)節(jié)運動（重量），和工件的重量或處理對象接縫預定速度和加速度的條件下，產(chǎn)生的慣性力等。該項目的數(shù)據(jù)參考設(shè)計初步估算表明，這一項目可能屬于一個小負荷。
（二）驅(qū)動系統(tǒng)
由于伺服電機具有良好的控制性能，檢查的靈活性，允許速度，位置，環(huán)境，體積小，效率高，適用于更為苛刻的運動控制沒有影響的精確控制小臂運動多企業(yè)等特點，因此，該項目采用的是伺服電機。
（三）傳動系統(tǒng)
動臂多關(guān)節(jié)運動可以緊湊，重量輕，慣性小，傳動鏈條應考慮采取措施縮小差距，提高手臂多的移動和位置創(chuàng)業(yè)精密運動控制。臂傳遞機構(gòu)機械運動多關(guān)節(jié)通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動，行星齒輪，傳動齒輪和諧波鋼等，由于傳動齒輪具有效率高，準確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點，與大學學習和掌握更扎實的傳輸，所以這個設(shè)計選擇的旅行。
（四）工作范圍
操作過程中的工業(yè)手臂動作的工作范圍是多關(guān)節(jié)的多關(guān)節(jié)臂的運動取決于所述扇區(qū)的操作領(lǐng)域和確定的軌跡，用表示的工作空間。形狀和有關(guān)該結(jié)構(gòu)的工作空間的大小坐標運動的多吸盤關(guān)節(jié)機械手，其大小和在數(shù)量和程度每個臂的自由操縱器公共軸線的長度的變化程度和所選擇的關(guān)節(jié)軸的每個角的
（五）運動速度
每個鉸接機械臂更堅定的臂的最大行程，按照循環(huán)時間來確定每個操作的時間的運動后，可以進一步確定每個動作的速度，單位為米/秒（°）/ s的，時間每個運動分配考慮在順序地或同時地等進行許多因素，如每個操作序列之間的周期的總時間長度。表做他們的操作時間，操作時間分配之外的運動進行比較，以考慮分配請求有關(guān)的過程，它也必須考慮慣性的行程的大小和驅(qū)動和控制，定位和精度要求。
2.3 吸盤關(guān)節(jié)機械手機械傳動原理
該吸盤關(guān)節(jié)機械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖2.1
圖2.1 吸盤關(guān)節(jié)機械手本體組成
各部分部件的作用??：
基座：
基座構(gòu)件包括底座，齒輪，軸承，步進電機。的基本作用是一個構(gòu)件，支撐構(gòu)件和支撐所述樞轉(zhuǎn)臂，支撐比基片的多關(guān)節(jié)臂的運動和行李的工作壓力的重量必須具有足夠的強度，剛度和承載能力。此外，圖書館還需要綽綽有余了實質(zhì)性的安裝基礎(chǔ)，以確保輸送臂在工作場所和穩(wěn)定運行聯(lián)合決議。
通過正相分量關(guān)節(jié)型機器人手臂（例如，一個氣缸，氣缸，齒輪齒條機構(gòu)，連桿機構(gòu)，一個凸輪機構(gòu)，并且螺旋機構(gòu)等）和用于移動所述臂多于一個鉸鏈臂（例如一個驅(qū)動源，液壓或氣動臂誘導固定移動協(xié)作等），以實現(xiàn)不同的臂運動
手臂大臂以及小臂組成。其中所述臂是一棵樹，加速度分量和驅(qū)動馬達的構(gòu)件上形成。由臂，驅(qū)動軸和同步帶等部件臂構(gòu)件。手腕殼體，傳動齒輪和軸，從現(xiàn)有的機械連接的手腕部。
2.4 吸盤關(guān)節(jié)機械手總體方案設(shè)計
在關(guān)節(jié)工業(yè)用機器人的結(jié)構(gòu)的形式，其主要由以下四個：構(gòu)造直角坐標，圓柱坐標，球面坐標的結(jié)構(gòu)，鉸接結(jié)構(gòu)為四。每個結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能列舉如下[3]所述。
（1）直角坐標吸盤關(guān)節(jié)機械手
直角坐標關(guān)節(jié)機器人手臂空間坐標多關(guān)節(jié)運動是實現(xiàn)線性運動的三個相互垂直的方向，如圖2-2（a）在該直線運動的位置控制是容易實現(xiàn)，笛卡爾坐標臂關(guān)節(jié)運動往往是一個高的位置精度要獲得（微米）。對于多關(guān)節(jié)臂的在這方面的尺寸移動結(jié)構(gòu)相對直角坐標，所述一個臂的空間多關(guān)節(jié)運動，是比較小的。為了獲得運動的一定的自由，該結(jié)構(gòu)在垂直于多關(guān)節(jié)臂的尺寸坐標多關(guān)節(jié)臂比其它結(jié)構(gòu)的大小。
工件笛卡爾坐標移動多關(guān)節(jié)臂矩形空間。笛卡爾臂運動最常見的是主要用于收集和處理交易，笛卡爾坐標在三個懸臂龍門式結(jié)構(gòu)的多關(guān)節(jié)臂的運動。
（2）圓柱形的坐標吸盤關(guān)節(jié)機械手
空間運動臂圓柱坐標實現(xiàn)線性和多關(guān)節(jié)運動的旋轉(zhuǎn)運動，如圖2-2（b）中。此多臂關(guān)節(jié)運動是相對簡單的，精度，通?？梢栽谔幚碇惺褂谩Ｋ墓ぷ骺臻g是一個圓柱形空間。
（3）球坐標吸盤關(guān)節(jié)機械手
多運動空間球面坐標關(guān)節(jié)可動臂通過兩個旋轉(zhuǎn)運動和直線運動，如2-1（C）來獲得。這個簡單的手臂的動作的多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，成本低，但精度不高。主要用于加工。他們的工作空間是一個球形的空間。
（4）聯(lián)合多關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)
三個多關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動的空間鉸鏈臂運動的要求，以便獲得，例如，2-2（d）如圖手臂關(guān)節(jié)聯(lián)合行動靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。多關(guān)節(jié)臂相對于所述相對較大的工作空間的主體尺寸。這樣的多關(guān)節(jié)臂的運動被廣泛應用于工業(yè)，如吸附，涂裝,,裝配等行為被廣泛用于這種類型的多關(guān)節(jié)型機器人的。
多關(guān)節(jié)機器人鉸接結(jié)構(gòu)是由兩種格式的水平和垂直關(guān)節(jié)表示。
(a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關(guān)節(jié)型
圖2.2 四種吸盤關(guān)節(jié)機械手坐標形式
根據(jù)任務(wù)書和具體要求，我們選擇（四）普通型。
具體地，對于這樣的設(shè)計，因為在考慮設(shè)計要求，考慮到使用的操作的具體要求的工藝設(shè)計的具體形式，對系統(tǒng)的要求，并作為符合盡可能質(zhì)量工件以簡化結(jié)構(gòu)，成本也降低并提高了可靠性。多結(jié)臂的運動，并且定位的精確度更高，設(shè)計的多關(guān)節(jié)運動到臂的運動的臂范圍需要六個自由度，這是一個程度的腰，臂的旋轉(zhuǎn)自由度和??臂的俯仰臂自由和手腕自由旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)度字段的自由度。本文檔中的得到大關(guān)節(jié)臂，該結(jié)構(gòu)設(shè)計臂的大小將因此該臂機構(gòu)自由轉(zhuǎn)動地音調(diào)的詳圖。
多關(guān)節(jié)機器人的特征在于，相對大尺寸的工作，靈活性和通用性，更為結(jié)構(gòu)緊湊，可以從事基礎(chǔ)對象的附近。合作機構(gòu)提出使用和包括以下的技術(shù)參考
技術(shù)要求：（1）設(shè)計的多關(guān)節(jié)型機器人系統(tǒng)中執(zhí)行，旨在滿足重多臂關(guān)節(jié)運動系統(tǒng)的操作期間是同時滿足技術(shù)結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟等方面的要求短，效率高，速度和多功能性，柔韌性等性能要求。 （2）裝配圖，零件圖按照機械設(shè)計，尺寸，公差，幾何公差的國家標準，標簽嚴格繪制有合理的技術(shù)要求，規(guī)格。簡單不同端部（3），并進行所述機器人手臂與聯(lián)接的端部。 （4）寫的論文要求的明確描述，書寫規(guī)范。
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3 機械手大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計
3 機械手大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求
臂部部件是吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動它們做空間運動。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關(guān)節(jié)，則臂部自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部設(shè)計基本要求:
（1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕
臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工
字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手常采用無縫鋼管作為導向桿，用工字鋼或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。
（2)臂部運動速度要高，慣性要小
在一般情況下，手臂的要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。
為減少轉(zhuǎn)動慣量，應采取以下措施:
(a) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料;
(b) 減少手臂運動件的輪廓尺寸
(c) 減少回轉(zhuǎn)半徑
(d) 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置
(3)手臂動作應靈活。
為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。
(4)位置精度要高。
一般來說，直角和圓柱坐標系吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手位置精度高;關(guān)節(jié)式吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測機構(gòu)，能較好的控制位置精度。
本文采用鋁合金材料設(shè)計成薄壁件，一方面保證機械臂的剛度，另一方面可減小機械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機的載荷，并且提高了機械臂的動態(tài)響應。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表3.1所示：
鑄件尺寸
鑄鋼
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
可鍛鑄鐵
鋁合金
銅合金
＜200×200
200×200~500×500
＞500×500
5~8
10~12
15~20
3~5
4~10
10~15
4~6
8~12
12~20
3~5
6~8
—
3~3.5
4~6
—
3~5
6~8
—
表3.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm）
以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，在特種鑄造方法中，應根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點進行相應的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文機械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計
大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強度大。
3.3 大臂電機及傳動齒輪選型
假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量：
M2=2Kg， M3=4Kg
J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942
=0.16kg.m2
大臂速度為10r/min ，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：
式中：T - 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩 N.m
J – 轉(zhuǎn)動慣量 kg.m2
- 角加速度rad/s2
使機械手大臂從到所需的時間為：則：
(3.4)
若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波傳動齒輪所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
(3.5)選擇
設(shè)傳動齒輪的的傳遞效率為：，步進電機應輸出力矩為：
(3.6)
選擇BF反應式步進電機
型號：55BF003
靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m
步距角：1.5°
軸的計算校核
畫軸的受力分析圖，軸的受力分析圖如圖所示：
圖3.1 軸的受力分析圖
已知：作用在剛輪上的
圓周力
徑向力
法相力
1) 求垂直面的支撐反力：
2) 水平面的支撐反力：
3） F在支撐點產(chǎn)生的反力：
外力F作用方向與傳動的布置有關(guān)，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見（7）的計算
4） 繪垂直面的彎矩圖：
5) 繪水平面的彎矩圖：
6) F產(chǎn)生的彎矩圖：
a-a截面F力產(chǎn)生的彎矩為：
7) 求合成彎矩圖：
考慮最不利的情況，把與直接相加
MA=+MAF=
+41.1=70.1 N.m
M'A=+MAF=
+41.1=62.57 N.m
8) 求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：
N.mm
9) 求危險截面的當量轉(zhuǎn)矩
如圖所示，a-a截面最危險，其當量轉(zhuǎn)矩為：
如認為軸的扭切應力是脈動循環(huán)應變力，取折合系數(shù)a=0.6，帶入上式可得：
10） 計算危險截面處軸的直徑
軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表14-1查得δB=650Mp,由表 14-3查得[δ-1b]=60Mpa,則：
考慮到鍵槽對軸的消弱，將d值加大5%，故：
d=22.8*1.05=24mm<32mm
滿足條件
因a-a處剖面左側(cè)彎矩大，同時作用有轉(zhuǎn)矩
，且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險截面
其彎曲截面系數(shù)為：
抗扭截面系數(shù)為：
彎曲應力為：
扭切應力為：
按彎扭合成強度進行校核計算，對于單向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)處理，故取折合系數(shù)a=0.6則當量應力為：
由表查得45鋼調(diào)質(zhì)處理抗拉強度極限=640Mpa，則由表查得軸的許用彎曲應力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強度滿足要求。
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 腕部設(shè)計
腕部能夠連接機械手的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。
腕部設(shè)計的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結(jié)構(gòu)合理，傳感器和驅(qū)動裝置的合理布局及安裝等。
按自由度分類可將工業(yè)機械手手腕分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必須具備三個自由度，而是根據(jù)工業(yè)機械手實際使用的工作性能要求來確定。本課題所研究設(shè)計的噴漆機械手手腕具有擺動和轉(zhuǎn)動兩個自由度。二自由度的手腕可以由一個R關(guān)節(jié)和一個B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié)實現(xiàn)，或由兩個B關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié)實現(xiàn)，但不能由兩個RR關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因為兩個R關(guān)節(jié)的功能是重復的，實際上只起到單自由度的作用。本次設(shè)計要求腕部實現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)，即BB型手腕，如圖3.1所示。由于現(xiàn)階段國內(nèi)步進電機產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的局限性，無法實現(xiàn)關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動，所以為減輕整個小臂的自重，采取腕部步進電機后置遠距離間接驅(qū)動，將其裝在大臂的底部，固定在機身圓盤上，再通過兩條鏈傳動，一條鏈直接帶動腕部的擺動，另一條鏈傳動帶輪帶動錐齒輪軸通過一級錐齒輪的傳遞帶動腕部的轉(zhuǎn)動，雖然在腕擺時會產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動，但是可以通過控制步進電機來控制干涉。
4.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動計算
手腕的偏轉(zhuǎn)是通過后置于大臂底部一側(cè)的步進電機驅(qū)動，兩級帶輪鏈條傳動，再經(jīng)過錐齒輪嚙合傳動改變方向來實現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動力來自步進電機，首先要計算手腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計算電機的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進電機的型號，從而計算設(shè)計鏈傳動以及錐齒輪傳動的傳動參數(shù)及相關(guān)尺寸。
（1）選擇步進電機
手腕偏轉(zhuǎn)時，需要克服摩擦阻力矩、工件負載阻力矩和腕部啟動時的慣性力矩。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式[15]：
（4.1）
（4.2）
（4.3）
（4.4）
（4.5）
（4.6）
（4.7）
（4.8）
式中：
—手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負載阻力矩（N·m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)啟動時慣性阻力矩（N·m）；
—工件負載對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；
—手腕部分對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；
—手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
—手腕質(zhì)量（kg）；
—負載質(zhì)量（kg）；
—啟動時間（s）；
—手腕部分材料密度（kg/m3）；
—手腕部分外徑和內(nèi)徑（m）；
—手腕的長度（m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數(shù)據(jù)代入計算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因為腕部傳動是通過兩級帶輪和一級錐齒輪實現(xiàn)的，所以查取手冊[15]得：
彈性聯(lián)軸器傳動效率；
滾子鏈傳動效率；
滾動軸承傳動效率（一對）；
錐齒輪傳動效率；
計算得傳動的裝置的總效率。
電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩 N·m （4.9）
根據(jù)計算得出的手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩，結(jié)合北京和利時電機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進電機的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖4.1和圖4.2所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號的步進電機。
圖4.1 90BYG步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)
圖4.2 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進電機矩頻特性曲線
（2）設(shè)計鏈傳動
（a） 計算、分配傳動比
根據(jù)步進電機型號及其對應的矩頻特性曲線，所選步進電機工作轉(zhuǎn)矩為4.5 N·m，對應的轉(zhuǎn)速為r/min。
由于腕部偏轉(zhuǎn)的角速度r/s，已經(jīng)通過計算得出，所以腕部末端偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速r/min，由此推出總的傳動比。
已確定的手腕偏轉(zhuǎn)傳動方式是通過兩級帶輪鏈條傳動和一級錐齒輪傳動，需將總傳動比進行分配。綜合考慮帶輪的尺寸和手臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間，取小臂鏈傳動比，大臂鏈傳動比，錐齒輪傳動比，。
（3）設(shè)計錐齒輪傳動
根據(jù)噴漆機器人的工作要求，將腕部最末端的傳動設(shè)計成標準直齒圓錐齒輪傳動，考慮到可能圓錐小齒輪齒根圓到鍵槽底部的距離，所以將圓錐小齒輪與軸設(shè)計成一體，圓錐大齒輪單獨設(shè)計，材料選用45鋼。由于選用的是閉式硬齒面齒輪，齒輪齒面磨損和彎曲疲勞折斷是主要的失效形式，因此設(shè)計這類齒輪傳動時按彎曲疲勞強度進行設(shè)計計算，宜選取較小的齒數(shù)，可取17～20[15]。
（a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸
齒數(shù),：
齒數(shù)比，所以選擇,則。
齒寬系數(shù)：
，取。齒寬系數(shù)不宜取過大，避免引起小端齒頂過薄，齒根圓角半徑過小，應力集中過大。
根據(jù)手冊[16]，按齒面接觸疲勞強度計算小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)：
（4.10）
式中：
—齒輪傳遞的扭矩；
—工況系數(shù)；
—動載系數(shù)；
—齒寬系數(shù)；
—試驗齒輪的接觸疲勞極限應力；
查手冊[16]得到，,,MPa。
由于 N·m，,。
將數(shù)據(jù)代入得到小齒輪大端分度圓直徑mm。
大端模數(shù)，根據(jù)標準分度圓模數(shù)，取。
圓錐齒輪主要尺寸計算[16]：
（4.11）
（4.12）
（4.30）
（4.13）
（4.14）
（4.15）
（4.16）
式中：
—大端分度圓直徑；
、—節(jié)錐角；
—錐距；
—中點分度圓直徑；
—當量齒數(shù)；
—平均模數(shù)。
齒寬，取mm。
將數(shù)據(jù)代入計算得：mm
mm
mm
mm
mm
根據(jù)大、小臂兩級鏈輪的減速，錐齒輪傳動中主動輪轉(zhuǎn)速r/min。
中點分度圓上的圓周力N。
（b）按齒面接觸疲勞強度進行校核
計算接觸用單位齒寬上的載荷
MPa （4.17）
查[16]手冊，，—齒向載荷分布系數(shù)，==1.2。
計算接觸疲勞應力
MPa （4.18）
計算齒輪的接觸疲勞極限應力
（4.19）
式中：
—壽命系數(shù)；
—潤滑劑系數(shù)；
—齒面光潔度系數(shù)；
—速度系數(shù)；
—工作硬化系數(shù)；
—尺寸系數(shù)。
查手冊[16]得到，，。
所以，MPa。
計算接觸安全系數(shù)
，安全系數(shù)較高。所以，接觸疲勞強度滿足，參數(shù)合理。
（c）按齒根彎曲疲勞強度的校核
計算彎曲用單位齒寬上的載荷
MPa
變位系數(shù)
取，則。
應力集中校正系數(shù)
由及可查表得，由及可查表得。
齒形系數(shù)
由，據(jù)及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。
彎曲計算應力
根據(jù)公式：
（4.20） （4.21）
將數(shù)據(jù)代入計算得：MPa
MPa
取安全系數(shù)
查[16]手冊，得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
查[16]手冊，得彎曲疲勞極限為MPa，MPa。
許用應力：
（4.22）
（4.23）
將數(shù)據(jù)代入計算得：MPa
MPa
因此、，彎曲疲勞強度滿足，參數(shù)合理[17]。
4.1.2 電動機的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為:
（4.24）
、、分別為10kg(包括負載2kg)、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
（4.25）
=
=
同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量:
=
=
式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
—— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下
（4.26）
式中：——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩
——角加速度
使機械手主軸從到/s所需時間為:則：
若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)
開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為
電動機的功率可按下式估算
（4.27）
式中： ——電動機功率 ；
——負載力矩 ；
——負載轉(zhuǎn)速 ；
——傳動裝置的效率，初步估算取0.9；
系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取1.5
估算后就可選取電機，使其額定功率滿足下式
（4.28）
選擇QZD-08串勵直流電動機
表4-2 QZD-08串勵直流電動機技術(shù)數(shù)據(jù)
功率（W）
額定電壓
（V）
額定電流
（A）
額定轉(zhuǎn)速
（r/min）
濾磁方式
絕緣等級
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串勵
B
60
4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計
小臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強度大。
4.3 小臂電機選型
本吸盤吸盤關(guān)節(jié)機械手小臂部兩個自由度是平面旋轉(zhuǎn)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因為將臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生步進電機的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （4.29）
其中：M1，M2，M3分別為負載2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分別其長度。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不計，以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
J1= M1L12+M2L22+M3L32 (4.30)
=4×0.1432+1×0.4452+4×0.5422
=1.46kg.m2
同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量：
M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。
J2=M2L42+M3L52 (4.31)
=1×0.0972+4×0.1942
=0.16kg.m2
設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時間，則同步帶應輸出轉(zhuǎn)矩為：
(4.32)
若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波傳動齒輪所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
(4.33)
4.4 傳動選擇
（1）設(shè)計錐齒輪傳動
根據(jù)噴漆機器人的工作要求，將腕部最末端的傳動設(shè)計成標準直齒圓錐齒輪傳動，考慮到可能圓錐小齒輪齒根圓到鍵槽底部的距離，所以將圓錐小齒輪與軸設(shè)計成一體，圓錐大齒輪單獨設(shè)計，材料選用45鋼。由于選用的是閉式硬齒面齒輪，齒輪齒面磨損和彎曲疲勞折斷是主要的失效形式，因此設(shè)計這類齒輪傳動時按彎曲疲勞強度進行設(shè)計計算，宜選取較小的齒數(shù)，可取17～20[15]。
（a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸
齒數(shù),：
齒數(shù)比，所以選擇,則。
齒寬系數(shù)：
，取。齒寬系數(shù)不宜取過大，避免引起小端齒頂過薄，齒根圓角半徑過小，應力集中過大。
根據(jù)手冊[16]，按齒面接觸疲勞強度計算小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)：
（4.34）
式中：
—齒輪傳遞的扭矩；
—工況系數(shù)；
—動載系數(shù)；
—齒寬系數(shù)；
—試驗齒輪的接觸疲勞極限應力；
查手冊[16]得到，,,MPa。
由于 N·m，,。
將數(shù)據(jù)代入得到