2. 皮带传动与链传动
皮带和链传动用于传递平行轴间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。机器人中的皮带和链传动分别通过皮带或链轮传递回转运动，有时还用来驱动平行轴之间的小齿轮。
由于齿形带具有在传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴承不易过载。因无滑动，它除了用做动力传动外还适用于定位。齿形带属于低惯性传动，适合于马达和高速比减速器之间使用。皮带上面安上滑座可完成与齿轮齿条机构同样的功能。并且惯性小，且有一定的刚度等优点，所以适合于机器人的机械传动。因此，在本次的设计中采用齿形带传动。
2.2.3驱动电机的选择
直流电机便于调速，且具有较好的机械特性，所以很早就用于机床主传动系统，以实现无级调速。但一般的直流电动机转动惯量过大，而且输出转矩相对过小，动态特性较差，尤其在低速运转条件下更为突出，因此不是很理想的伺服电机。
70年代研制成的大惯量调速伺服电动机，它在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩，改善了动态特性，它既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配，能较好地满足伺服驱动的要求，因此在数控机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛的应用。
大惯量宽调速直流伺服电动机的特点： 1、电动机输出力矩大 2、电动机过载能力大 3、动态响应性能好 4、低速运转平稳 5、易于调试
由于直流伺服电机具有以上优点，因此在本次的设计中采用直流伺服电机作为驱动电机。
第3章 装配机器人各部分的结构设计
3.1 基本设计参数
1、结构形式：关节式 2、自由度数：6
3、驱动方式：直流伺服电机
4、各轴运动范围、 速度、 功率、 转矩（图2-1） 1轴：±135? 70?/s 0.604KW 125.82Nm 2轴：±60? 80?/s 0.647KW 134.86Nm
6
3轴：±110? 102?/s 1.2KW 249.76Nm 4轴：±180? 110?/s 0.65KW 142.77Nm 5轴：±100? 100?/s 6.4KW 1534.22Nm 6轴：±180? 100?/s 5.53KW 1200.25Nm 5、最大持重：100Kg 6、环境温度：0～50?C
7、电源： 3相；380V/50Hz
3.2 载荷的初步确定
根据机器人的工作条件和工作对象，经对多种车辆前挡风玻璃的实际测量，和设计的通用性原则，取玻璃为矩形结构，其长a=1500mm，宽b=1000mm，厚度h=70mm，密度 ?=2.64g/cm3。由质量的计算公式：
m?abh? （3-1）
?100?150?0.7?2.64?30kg
因此，确定机器人的工作载荷为30kg
3.3手部结构的设计
3.3.1手部的分类及工作原理
手部按夹持原理分手指式和吸盘式，手指式和吸盘式按不同发方式又可进行分类：
1.手指式手爪
手指式手爪按夹持方式分外夹持式、内撑式、内夹持式。手指按运动形式可分为：回转型、平动型和平移型。
（1）回转型：
当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓取物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。
（2）平动型：
手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动和回转型手爪一样，夹持中心随被夹物体直径的大小而改变。
（3）平移型：
当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。
2.吸盘式手爪
它由吸盘、吸盘架及气路系统组成。可用于吸附平整光滑、不漏气的各种板材和薄壁零件，如玻璃、陶瓷等制品。
当吸盘内抽成负压时，吸盘外部的大气压力将把吸盘紧紧地压在被吸附的物体上。吸盘负压的产生方法有如下方法：
（1）挤压排气式
靠外力将吸盘皮碗压向被吸物体表面，吸盘内腔空气被挤压出去，形成内
7
腔负压，吸盘从而吸住物体。这种方式所形成的吸力不大，而且也不可靠。
（2）真空泵排气式
当控制阀将吸盘与真空泵联通时，真空泵将盘内空气抽出，形成吸盘内腔负压，吸盘吸住物体，当控制阀将吸盘与大气联通时，吸盘失去吸力，被吸物体脱离吸盘。
（3）气流负压式
控制阀将来自气泵的压缩空气接通至喷嘴，压缩空气通过形成高速射流，吸盘腔内的空气被带走，在吸盘内腔形成负压，吸盘吸住物体。当控制阀切断通往喷嘴的压缩空气，并使吸盘内腔与大气相通，吸盘便释放物体。吸盘的吸力F要大于被吸附物体的重力，其所需吸盘的面积S，可用一个吸盘或数个吸盘实现。
3.3.2末端执行器的设计要求
机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用于进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。在设计机器人末端执行器时，应该注意事项：
1、 机器人的末端执行器是根据机器人的作业要求来设计的。根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断扩大机器人的应用领域。
2.、机器人末端执行器的重量，被抓取物体的重量及操作力的总合不应超过机器人允许的负荷力。因此，要求机器人末端器重量轻、结构紧凑。
3、 机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。从工业实际出发，应着重开发各种各样专用的、高效的末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人的多种多样的作业功能。
4、 通用性和完能性是两个概念，万能性是指一机多能的概念，而通用性是指功能有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器有标准的机械接口。
3.3.3吸盘吸力的计算
在本次设计中，末端执行器采用吸盘式手爪，吸盘采用喷气式吸盘，吸盘的吸力是由吸盘皮碗的内、外压力差造成的吸盘的吸力F可根据下式求得：
S1F?(P0?P) （3-2）
K1K2K3 f式中：P0 ——大气压力 N/cm2
P ——内腔压力 N/cm2
S ——吸盘负压腔在工件表面上的吸附面积 cm2 K1——安全系数，一般取K1=1.2--2 K2——工作情况系数，一般取K2=1—3 K3——姿态系数：
当吸盘表面处于水平位置时，取1
8
1 f f为吸盘与被吸取物体的摩擦系数，
玻璃和橡胶的摩擦系数f=0.53。
已知载荷的重量G=300N，大气的压力为P0=1.01?105Pa，内腔压力在0.15—1Mpa之间，取P=0.2MPa。由以上条件计算吸盘的吸附面积S。
由公式（3-2）得：
1GK1K2K3?S
f(P0?P)1即： S?GK1K2K3
f(P0?P)11 ??300?1.5?2?0.53?(10?2)0.53 =400.5cm2
初步选定由四个吸盘完成玻璃的吊装，因此，所需每个吸盘的面积为 S=100.1 cm2，考虑到工作环境的变化，取每个吸盘的面积S=120 cm2。因此吸盘的直径D=12.36cm。取D=13.00cm，即D=130mm。
当吸附表面处于垂直位置时，取
3.3.4吸盘式手爪结构的确定
吸盘式手爪与机器人的连接采用标准法兰盘结构，支撑架与法兰盘的连接采用焊接结构。末端执行器的结构：图（3-1）
图3-1 末端执行器的结构
3.3.5手部及载荷总体质量的确定
考虑到在计算中的误差和工作中的不确定因素，机器人手爪和载荷的总体质量载荷的设定在100Kg。
9
3.4腕部的结构设计
3.4.1腕部的概况及设计要求
腕部是臂部与手部的连接部件，起支撑手部和改变手部姿态的作用。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标X、Y、Z的转动，即具有偏转、俯仰和回转三个自由度。手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现机器人手腕上安装的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。
手腕按自由度个数可分为但自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。采用几个自由度的手腕应根据机器人的工作性能来确定。在有些情况下，腕部具有二个自由度：回转和俯仰或回转和偏转。一些专用机器人甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要求还有横向移动的自由度。其设计要求如下：
1、结构紧凑、重量轻。
2、动作灵活、平稳，定位精度高。 3、强度、刚度高。
4、设计合理的与臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。
5、机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。
6、机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。并选用高强度铝合金制造。
7、机器人手腕要与末端执行器相连，因此，要有标准的连接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。
8、机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。 9、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减少空回间隙，提高传动精度。 10、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机器损坏。
3.4.2腕部结构的确定
在本次设计中，腕摆和腕转均采用齿形带传动和谐波减速器传动。腕部驱动电机与腕部分别安置在小臂关节轴的两端，使小臂达到质量平衡。
小臂和腕关节为4R机构，具有4个自由度，三个驱动电机均集中布置在小臂的后端，在其三个自由度的运动传动过程中，均采用了谐波减速器，其动力轮与传动轴和回转套联在一起，带动腕部的转动。这种传动方案的优点是：1、腕部尺寸较小，重量较轻；2、由于腕部属于3R球腕机构，故便于调整姿态，进行编程；3、因腕关节的两个驱动电机均放在小臂后端，有利于小臂自身的重力平衡；4、有利于迅速制动，保证安全。腕关节二个自由度的驱动电机为司服电机，为保证制动迅速，在电机输出轴上均装有电磁制动器；当电机不转动时，可保证关节轴牢固不动，以避免控制系统出错时发生危险。腕部结构图如下：图（3-2）
10