水下移动机器人车载机械手的设计

水下移动机器人车载机械手设计

摘要：本课题主要是对在高放射性的水池底部能够水平行走、自由转向，携带不同

的机械执行机构来完成不同作业任务的核电站多功能水下爬行机器人的设计。主要设计内容如下：

1）对水下移动机器人机械手的课题背景进行资料收集，对国内外水下移动机器人机械手的发展现状进行研究，从而建立起对六自由度水下移动机器人机械手臂设计的初步了解。

2）针对设计课题的要求，对机械手臂结构的形式进行选择与优化，力求使机械手臂体积小、动作灵活。同时对机械手臂各关节的驱动形式进行细致的对比和选择，最终选择合适的各类型直流伺服减速电动机。

3）在总体方案确定之后，对机械手臂各关节的主要参数进行了分析计算，确定各关节的结构参数和运动参数。

4）在驱动方式确定之后，选择圆锥齿轮传动的传动方案，使得机械手空间更为紧凑。然后进行总装配图的设计和各零部件的设计与校核计算。

5）在驱动、传动方式确定后，在各关节、底座等相连接处采用合理的密封装置和结构，保证水下机器人手臂处的密封性。

关键词： 水下移动机器人 ，伺服直流电机，直齿轮传动，密封性

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The design of manipulator mechanical mobile underwater

vehicle Abstract

The aim of this paper is to walk, can free steering at the bottom of highly radioactive water, design of climbing robot carrying different mechanical actuator to complete different tasks of multifunctional water nuclear power plant. The main design content is as follows: 1) on the underwater moving background of robot manipulator to collect data,the development status of robot manipulator moving on at home and abroad to study, so as to establish the six degree of freedom underwater moving a preliminary understanding of robotic manipulator design.

2) according to the design requirements of the subject, the selection and optimization of mechanical arm structure form, in order to make the robot arm has the advantages of small volume, flexible action. At the same time driven form of mechanical arm joints for detailed comparison and selection, the final selection of various types of DC servo appropriate gear motor.

3) after determining the overall program, the main parameters on the mechanical arm joint were analyzed, determine the structure parameters and the movement parameters of each joint.

4) after the drive way to determine the transmission scheme. select bevel gear transmission, the manipulator space more compact. Design calculation and checking and then design the assembly and parts

5) in determining the driving, driving mode, at each joint, the base is connected with the sealing device and reasonable structure, ensure the sealing of underwater robot arm.

Keywords： Mobile underwater robot,servo DC motor, straight bevel gear transmission,kinematics

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目 录

1 绪论 ............................................................................................................................ 1

1.1 引言 .................................................................................................................. 1 1.2 我国水下机器人研究现状 .............................................................................. 1 1.3 产品用途与使用范围 ...................................................................................... 3 1.4本次毕业设计的主要内容 ............................................................................... 3 2 水下移动机器人机械手总体方案设计 .................................................................... 3

2.1 移动机械手的结构形式选择 .......................................................................... 3 2.2 机械手驱动方式选择 ...................................................................................... 5 3 工程图的设计 ............................................................................................................ 6

3.1. 主要技术参数确定 ......................................................................................... 6 3.1.1 机械总体结构参数确定 ...................................................................... 6 3.1.2 关节驱动电机选择 .............................................................................. 8 3.1.3 联轴器选型 ........................................................................................ 11 3.2 各关节的主要部件的详细设计 ................................................................... 12 3.2.1 腰部关节传动设计 ............................................................................ 13

3.2.2 肩肘关节传动设计 ............................................................................ 20

3.2.3 手腕回转关节传动设计 .................................................................... 23 3.2.4 手腕摆动关节传动设计 .................................................................... 27 3.2.5 末端执行器回转传动设计 ................................................................ 30 结论 .............................................................................................................................. 34 参考文献 ...................................................................................................................... 35 感谢 .............................................................................................................................. 36

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1 绪论

1.1 引言

随着联合国《21世纪议程》的颁布，其中关于“海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分，也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富。”的言论的出现，为现代探索海洋的发展指明了前进的方向。但是至今，我们对占海洋很大比例的深海和洋底的了解还是极少的，因此在21世纪中全面深入认识海洋、开发利用海洋和保护海洋将具有重大而深远的意义。为了达到上述目标必须研究、开发各种高新技术，而水下移动机器人作为最具有发展前景的课题，一直是近年来最引人注目的领域。

20世纪后半期是水下机器人诞生、发展和走向应用的关键时期，近10年由于先进材料、高效能源、计算机技术和信息技术的促进，各种水下机器人特别是大深度、长航行水下机器人技术也得到了快速发展。因此，作为应用于一般潜水技术不可能达到的深度进行综合考察和研究并能完成多种作业的水下机器人，使海洋开发进入了举世瞩目的新时代。

海洋调研课题的多样性和水下实施作业的多样性使得水下机器人的构造、动作原理、使用目的也变得多样性了。按用途分为作业用、计测用和测量用水下机器人。按照水下机器人与母船之间有无电缆分为有缆水下机器人和无缆水下机器人。按运动方式可分为浮游式、履带式和步行式水下机器人。

21世纪是开发海洋的世纪，随着开发海洋的需要及技术的进步，适应各种需要的水下机器人将会有更大的发展。

1.2 我国水下机器人研究现状：

从上世纪70年代开始较大规模地开展潜水器研制工作,起步较其他发达国家

晚了很多，但是在过去的几十年内，我国水下机器人技术的发展还是取得了很大的进步，并且取得了一些重要的成果。我国先后研制成功以援潜救生为主的7103艇(有缆有人)、I 型救生钟(有缆有人)、QSZ单人常压潜水器(有缆有人)、8A4 水下机器人ROV (有缆无人)和军民两用的HR—01 ROV,RECON IV ROV及 CR- 01A 6000m水下机器人 AUV(无人无缆)等, 使我国潜水器研制达到了国

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际先进水平。2011年7月26日上午，中国载人潜水器“蛟龙”号在第二次下潜试验中成功突破5000米水深大关，最大下潜深度达到5057米，创造了中国载人深潜新的历史，“蛟龙号”载人潜水器 5000 米深潜成功，意味着中国载人深潜水平已位居世界前列。标志着中国具备了到达全球70%以上海洋深处进行作业的能力，极大增强了中国科技工作者进军深海大洋、探索海洋奥秘的信心和决心。

图1.1 ROV型水下机器人

图1.2 AUV型水下机器人

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图1.3 蛟龙号

1．3 产品用途和适用范围

本课题主要设计的是在高放射性的水池底部能够水平行走、自由转向，携带不同的机械执行机构完成不同作业任务的核电站多功能水下爬行机器人的设计。该水下机器人可以采取手动、半自动、及自动作业方式。轻松抓起重物，并在手动及半自动操作过程中，能识别异物是否在抓取盲区，提供反馈，供操作人员采取适当操作缩短抓取异物的时间。

1.4本次毕业设计的主要要求

1）合理设计水下机器人的防水结构、传动系统、驱动系统等。 2）实现手臂机械结构的三自由度和腕部机械结构的三自由度设计。 3）移动机械手总体结构设计及结构参数确定。

4）最大单次使用时间不超过2小时，手腕末端抓取能力为1千克。 5）整体机械结构外形紧凑、小巧。

6）六自由度移动机械手的正运动学方程推导。

2 水下移动机器人车载机械手总体设计

2.1 移动机械手的结构形式选择

工业机器人的典型坐标形式有图2.1 所示四种形式，其特点如下：

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1）直角坐标机器人：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。缺点是其操作范围较小，占地面积较大，运动速度较低，在水下环境里，密封性较差。

2）圆柱坐标型机器人：它的工作范围可以实现扩充，其直线运动可以输出较大的动力。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；后臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内其它物体而易出现作业危险。

3）球坐标型机器人：它的中心架附近的工作范围大，覆盖工作空间较大。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。

4）关节型坐标系机器人：它的关节全部是旋转的，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很低，水下密封性也很好。

在充分考虑了水下移动机器人车载机械手的工作环境和驱动特点，结合控制装置、密封条件、工作空间、精度和经济性等要求，机器人选择关节型坐标型。

a)直角坐标型 b)圆柱坐标型 c)球坐标系型 d)关节型坐标型

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图2.1 工业机器人的坐标形式

因为考虑到该机器人要求拥有六个自由度，所以首先确定其结构形式如同人类手臂的三个自由度，并确定合适位置。后三个自由度确定手腕的三种不同运动和位置姿态，最后确定的机构总体形式如图2.2。六个自由度依次为腰部回转、大臂俯仰，小臂前后摆动，手腕转动，手腕摆动，末端执行器转动。

肘部摇摆关节3 腕部三自由度关节4、5 末端执行器6

肩部俯仰关节2

腰部回转关节1

底座

图2.2 机器人手臂整体布局示意图

2.2 机械手驱动方式选择

因为机械手六个关节的运动形式均为旋转运动，而常用的驱动方式有电气式、液压式、气压式。这三种驱动方式的特点如表2.1 所示

表2.1 驱动方式对比

种类 电气式 特点 可用商用电源；信号与动力传送方向 优点 操作简单；编程容易；能实现定位伺 缺点 瞬时输出功率大；过载差，卡住时5

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书 相同；有交流和直流之分 液压式 要求操作人员技术熟练；液压源压力在一定范围 气压式 要求操作人员技术熟练；气压源压力在一定范围 服；响应快、易于与CPU相接 输出功率大，速度快，动作平稳，响应快 气压源方便、成本低；无泄露污染，操作简单，速度快 易引起事故；易受外部噪音影响 设备占用空间大；液压源要求高，且易泄露且有污染 功率小，体积大；工作噪音大，难于伺服控制

由于水下机械手用于探测和修补等精细作业活动，因此要求腰关节实现平面的360°无波动回转。要求肩、肘关节的转动可以实现整个手臂的直线自运动，能在整个机器人静止的情况下，不改变手臂的方向，实现正确规避障碍物和调整手臂的无效位置，使手臂更加灵活。要求手腕部位的三个自由度不发生干涉，各自运动独立。所以机械手必须要有很好的伺服控制能力且动作应平稳，再者要求机械手结构紧凑、活动灵活，同时结合工况条件，机器人的驱动方式选择电气式驱动。

电气式电动机一般有动力用电机和控制用电机两类。因为水下机器人手臂的工作要求和工作环境，所以要选择控制型电机。常用的控制型电机又有步进电机、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。步进电机不适用于正、反转频繁场合，且其启动和制动性能差，同时也不能实行闭环控制，所以不选用。交流伺服电机通常功率在数百瓦以上，常用于高速运动。

对于关节1、2、3、4选用maxon型直流伺服电机，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，可以更好地可以很好的实现控制功能。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。

3 工程图的设计

3.1 主要技术参数的确定

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3.1.1 机械总体结构参数确定

机械手设计之前，必须真正熟知机器人的工作环境和工作方式。由于机器人是依据人类工作的特点进行设计的，所以应该尽可能使机械手具有接近于或等同于人类手臂的工作方式。

参考相关机器人的运动参数和优化结果，再结合工作环境的需要，定出该移动机械手的结构参数与运动参数如下：

结构参数:各关节传动特征

表3.1 各关节传动关系表 关节 传动级数 第一级 第二级 关节输出轴转速n 1 1 锥齿轮 / N1电 Z1/Z2 2 1 锥齿轮 / N2电 Z3/Z4 3 1 锥齿轮 / N3电 Z5/Z6 4 1 直齿轮 / N4电 Z7/Z8 5 1 锥齿轮 / 7

N5电 Z11/Z12 河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

6 1 直齿轮 / N6 电 Z13/Z14

运动参数: 腰部回转关节：-180°——180°

肩部俯仰关节：0——＋90° 肘部摆动关节：-90°——＋90°

手腕三自由度关节：手腕回转关节 -180°——＋180° 手腕俯仰关节 -90°——＋90° 末端执行器关节 —180°——＋180° 3.1.2关节驱动电机选型

由于水下机器人属于精密装置，所以工作的精度要求高。各个电机的转速要适中和转矩精度要高，借助于精密的齿轮箱可以获得更宽的速度和转距范围。

手腕处的三自由关节处，由于需要配置各种不同功能的机械手爪，所以电机要求质量轻、转速稳、转矩大。

腰关节、肩关节、肘关节分别需要承载前部的载荷，所以其电机的选择要求转速平稳、转矩较大。

各个关节电机选型如下：

关节5、6：12V 120r/min的直流减速电

图3.1 关节5、6电机图

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产品型号:JA12-N20减速马达 电压范围：1.5-12V 电机尺寸如图

图3.2 电机尺寸图

关节1、2、3、4：maxon直流伺服电机如表2.3

表3.2 电机选型表

关节 腰部回转关节1 电机 RE 35 φ35mm 90W 减速箱 行星轮齿轮箱GP42A 肩部俯仰关节2 RE 35 φ35mm 90W 行星轮齿轮箱 GP42C 肘部摆动关节3 RE 30 φ30mm 60W 行星轮齿轮箱GP32A 腕部回转关节4 RE30 φ30mm 60W 行星轮齿轮箱GP32A

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图3.3 MAXON电机

图3.4 GP行星齿轮减速箱

图

3.5

MAXON电机尺10

寸

图

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图3.6 减速箱尺寸图

在机械手臂静止的时候，所有的重量都将在机械手的手臂上产生力矩，为了防止机械手在掉电后发生自运动，在关节1、2、3的电机上加上制动器——电磁制动阀。当机械手臂断电时，关节1、2、3作用产生制动，使手臂保持原有姿势，由于手腕的尺寸和重量较轻，所以关节4、5、6不需要制动阀。

3.1.3联轴器的选型

为保证相互连接两轴的偏斜和轴向补偿，选用弹性万向联轴器——波纹管联轴器。

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图3.7 波纹管联轴器

图3.8 波纹管联轴器结构示意图

这种联轴器由金属整体加工而成，其两端为加紧轴的结构，有两个螺钉，一个用来顶紧轴，防止轴相对转动，一个用来锁紧，防止轴的轴向松动。联轴器的中段为刻有螺旋槽的弹簧式结构，使其在轴向和周向都有很大的柔性，以至于可以朝任意方向弯曲，能补偿两轴不同的轴的偏斜和轴向长度偏差。此外，它还可以起到缓和冲击、衰减振动的作用。

3.2 各关节主要部件的详细设计

旋转关节的驱动装置都自带减速装置，从而不用添加减速装置。工业机器人传动系统系统要求结构紧凑、重量轻、惯量小、体积小，要求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。并且考虑到机械手选用的传动装置主要用于电机直接

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连接轴不便而用于轴线改变，机械手选择的传动装置主要为锥齿轮传动。 各旋转关节都应选用旋转支撑部件，选用滚动轴承即可。除腰部立轴旋转需要推力球轴承增强轴向支撑能力外，其它运动轴均选用能承受轴向力和径向力的圆锥滚子轴承。 3.2.1 腰关节传动设计

图3.9 腰关节机械结构示意图

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锥齿轮实现关节传动，采用滚子轴承。为增强支撑能力，增加一推力球轴承。Maxon直流伺服电机实现驱动，波纹管联轴器实现轴向补偿和缩小配合游隙。

锥齿轮设计：

主动轮转速：n1=59.70rmp 传动比：i=4 转矩：T1=3177.38N·mm

Nmm T载ml15kg8cm120kgcm11760 1）材料及热处理

按使用条件，属低速、轻载，重要性和可靠性精度高的齿轮传动。则可选用硬齿面直齿锥齿轮。

小齿轮：渗氮钢，调质处理，硬度为500~600HBS；大齿轮：渗氮钢，正火处理，硬度为400~500HBS。 2) 确定许用应力

初步计算小锥齿轮分度圆直径，按公式：

de13KT轴1H2 （3-1）

de125.06mm

初步算得小齿轮的分度圆直径为 大端模数：me=

de125.06==1.253mm 故me=1.5mm z120齿数:z1=20 z2=80

分锥角:1=14.0362° 2=75.9638°

大端分度圆直径:de1=mez1=30mm de2=mez2=120mm

R中点分度圆直径：dm1de113010.50.325.25mm

2R dm2de211201-0.50.3102mm

2 外锥距: Re=61.85 齿宽系数: =0.3

齿宽：b=Re=0.361.85=18.55mm 故b=20mm

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中点模数：mm=me10.5R=1.510.50.31.275mm 大端齿顶高： ha1ha21.5mm

大端齿顶圆直径：dae1de12ha1cos13021.5cos14.0362032.91mm

0dae2de22ha2cos212021.5cos75.9638120.73mm

齿顶角：121.667o 顶锥角：

a11a114.0362o1.667o15.7032oa22a275.96381.66777.6308oo0

17=26.28mm 16 当量齿轮分度圆直径：dV1dm121225.5 dV2dm221210217105.14mm 16

当量齿顶轮圆直径： 啮合线长度：gVa12dVa1dV12ha126.2821.529.28mmdVa2dV22ha2105.1421.5108.14mmdVa12dVb12dVa22dVb22aVsinaVt=7.37mm

 当量齿轮基圆齿距：PVbmmcos1.275cos20o3.76mm 端面重合度：VagVa7.371.96mm PVa3.76 齿中部接触线长度：lbm齿轮校核：

2bva1va20mm

按照解除疲劳强度校核： H

中点点分度圆上的径向力：Ft 使用系数：KA1

2T轴121272.38÷21.125=120.46N dm1KAKVKHFt21ZMBZHZEZLsZZKH

dm1lbm（3-2）

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中点节圆线速度：vmdm1nZ160100025.559.706010000.0797m/s

查阅《机械设计手册》得：

动载荷系数KV1.0

KHe1.25 齿向载荷系数：

KH1.5KHe1.51.251.875 端面载荷系数：KH1.0 节点区域系数：ZH2.5 重点区域系数：ZMBtandva12F1dvb121Zv1dva22F21dvb22ZV20.967

其中：

F12NF22va120.961.92N122

弹性系数：ZE189.8N/m

螺旋角系数：因为齿轮为直齿轮，故Z1 锥齿轮系数：ZK0.8 载荷分配系数：ZLs1

由上所得，所计算得接触应力：H351.36MPa 许用接触应力： HHlimSHlimZNZLVRZXZW 其中，Hlim700N/mm2 （3-3）

寿命系数：ZN1

润滑油影响系数：ZLVR0.93 工作硬化系数：ZW1 尺寸系数：ZX1 最小安全系数：SHlim1.2

由上所得，许用接触应力H542.5MPa

故： HH 安全 齿根抗弯疲劳强度校核：

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FKAKVKFKFFtYFsYYKYSsF

bmm（3-4）

由上得：KA1 KV1 KFKH2 KFKH1 Ft249.2N 复合齿形系数：

YFs14.75

YFs23.78符合度系数： Y0.63

lbmb锥齿轮系数：YK0.2510.5

blbm载荷分配系数：YlsZls21 由以上系数得：

齿根弯曲应力计算值：齿根弯曲许用应力： FF129.25MPa

F223.27MPaFsSFlimYNTYδelTYRelTYX （3-5）

齿根弯曲疲劳强度值：Fs200MPa 寿命系数：YNT1

相对齿根圆角敏感系数：YelT1 相对表面状态系数：YRelT1 尺寸系数：YX1YX21 最小安全系数：SFlim2

许用弯曲应力值：F1F2100N/mm2

F1F1由上得： 齿轮安全

F2F2轴的设计：

主动齿轮上的轴的材料选择为45号钢，调制处理。最小处直径为10cm。且此处与波纹管联轴器相配合，此联轴器可以对轴做位置调整和轴承游隙调整，波纹管联轴器型号选择LK6-20，配合长度为8.5cm。对于轴的结构设计，依照《机械设计》书中有关轴的结构设计知识，又考虑到轴向和周向定位，参照金属工艺要求，故选择圆锥滚子轴承，为增加支撑力，在轴的末段增加推力球轴

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承。轴示意图如下：

图3.10 主动轴1

计算危险截面的应力值为：S=4.05S1.32.5 故轴载荷安全 圆锥滚子轴承校核：

径向力:Fr=0N 轴向力：Fa=0N 圆周力:Ft=52N 轴颈直径:d1=30mm 作用点距离: L=20mm Fr与轴承1距离:L1=20mm Fr与轴心线距离:La=15mm 转速: n=15r/min 要求寿命:Lh=4500h 可靠性: S=90% 润滑方式: 油润滑 轴承类型:圆锥滚子轴承

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轴承型号:32216 轴承内径:d=30mm 轴承外径:D=50mm 轴承宽度:B= 8mm 基本额定动载荷:19800N 基本额定静载荷:27800N 轴承1径向支反力:Fr1=41.2N 轴承1轴向支反力:Fa1=33.3N 轴承2径向支反力:Fr2=41.2N 轴承2轴向支反力:Fa2=33.3N 判断系数: e=0.873 径向载荷系数: X=1 轴向载荷系数: Y=0 接触角: a=10° 负荷系数:fp=1.2 当量动载荷:P1=39.2N 当量动载荷:P2=39.2N 当量动载荷: P=39.2N 当量静载荷:P0=2303.46 N 轴承工作温度: T120℃ 温度系:ft=1 可靠性修正系数:a1=1 材料修正系数:a2=1 运转条件修正系数:a3=1 额定动载荷计算值:28800N 轴承寿命:L10=10000rmp 轴承寿命:Lh=13437h 修正的额定寿命:Lna=10330h 最大工作转速:nmax=15rmp

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寿命系数:E=3.33 验算结果:轴承安全

3.2.2 肩、肘关节传动设计

图3.11 肩、肘关节机械结构示意图

两关节所用电机、联轴器、齿轮、轴承、传动轴均相同，故一起表示。 此两个关节均为锥齿轮传动，采用圆锥滚子轴承，maxon直流伺服电机和波纹管联轴器。立柱与肩关节、肘关节和小臂的连接均采用法兰盘连接，用螺钉固定。依照腰关节设计过程得： 锥齿轮设计：

主动轮转速：n1=56.42rmp 传动比：i=4 转矩：T1=2117.16N·mm T载7840Nmm 1）材料及热处理

按使用条件，属低速、轻载，重要性和可靠性精度高的齿轮传动。

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则可选用硬齿面直齿锥齿轮。

小齿轮：渗氮钢，调质处理，硬度为500~600HBS；大齿轮：渗氮钢，正火处理，硬度为400~500HBS。 2) 确定许用应力

初步算得小齿轮的分度圆直径为

de123.67mm

大端模数：me=1.184mm 故me=1.25mm 齿数:z1=20 z2=80

分锥角:1=14.0362° 2=75.9638°

大端分度圆直径:de1=mez1=25mm de2=mez2=100mm 中点分度圆直径：dm121.125mm dm2=84.500mm 外锥距: Re=51.54mm 齿宽系数: =0.3

齿宽：b=15.46mm 故b=16mm 中点模数：mm1.06mm 大端齿顶高： ha1ha21.25mm

大端齿顶圆直径：dae127.43mm

dae2100.61mm 齿顶角：121.0925o 顶锥角：

a115.1287oa277.05630

当量齿轮分度圆直径：dV1=21.78mm dV2384.40mm 当量齿顶轮圆直径：

dVa124.28mm

dVa2350.90mm 啮合线长度：gva=6.36mm

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当量齿轮基圆齿距：PVb3.13mm 端面重合度：Va2.03mm 齿中部接触线长度：lbm16mm

齿轮校核：

按照解除疲劳强度校核：

中点点分度圆上的径向力：Ft21272.38÷21.125=120.46N 使用系数：KA1 中点节圆线速度：vm21.12556.276010000.0622m/s

查阅《机械设计手册》得：

动载荷系数KV1.0 齿向载荷系数：

KHe1.20

KH1.5KHe1.51.201.80 端面载荷系数：KH1.0 节点区域系数：ZH2.5 重点区域系数：ZMB1.042 其中：

F12NF22va121.032.06N122

弹性系数：ZE189.8N/m

螺旋角系数：因为齿轮为直齿轮，故Z1 锥齿轮系数：ZK0.8 载荷分配系数：ZLs1

由上所得，所计算得接触应力：H351.36MPa

700N/mm2 许用接触应力： Hlim 寿命系数：ZN1

润滑油影响系数：ZLVR0.92 工作硬化系数：ZW1 尺寸系数：ZX1

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最小安全系数：SHlim1.1

由上所得，许用接触应力H585.45MPa

故： HH 安全 齿根抗弯疲劳强度校核：

由上得：KA1 KV1 KFKH1 KFKH1.8 Ft120.46N 复合齿形系数：

YFs14.75

YFs23.78符合度系数： Y0.62 锥齿轮系数：YK0.5 载荷分配系数：YlsZls21 由以上系数得：

齿根弯曲应力计算值：齿根弯曲许用应力：

齿根弯曲疲劳强度值：Fs200MPa 寿命系数：YNT1

相对齿根圆角敏感系数：YelT1 相对表面状态系数：YRelT1 尺寸系数：YX1YX21 最小安全系数：SFlim2

许用弯曲应力值：F1F2100N/mm2 由上得：

F118.825MPa

F214.981MPaF1F1 齿轮安全

F2F2 轴与轴承的校核参照腰关节的计算过程，计算后安全可用。

3.2.3 手腕回转关节传动设计

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图3.12 手腕回转关节机械示意图

此关节采用直齿轮实现传动，深沟球轴承与之相配合。采用法兰盘连接整个手腕部，并用螺钉固定。电机与联轴器与上相同。 直齿轮的设计：

主动轮转速：n1=54.31rmp 传动比：i=4 转矩：T1=1004.75N·mm

T载ml5kg8cm40kgcm3920Nmm 1）材料及热处理

按使用条件，属低速、轻载，重要性和可靠性精度高的齿轮传动。则可选用硬齿面直齿轮。

小齿轮：40Cr合金钢，调质处理，硬度为280HBS；大齿轮：45号钢，调制处理，硬度为240HBS。 2) 按照齿面接触强度设计：

初步计算直齿轮分度圆直径，按公式：

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2ZE1KT轴1d1t3 2HH （3-6）

齿数:z1=20 z2=80 试选载荷系数：Kt1.5

材料的弹性影响系数：ZE189.8MPa1/2

解除疲劳强度极限：Hlim1500MPa Hlim450MPa 应力循环次数：N160n1jLh=60300054.31=9775800 N2齿宽系数: =1

接触疲劳系数：KHN10.97 KHN21 失效率：1% 安全系数：S=1 接触疲劳许用应力： H1KHN1lim1KHN2lim485MPa450MPa H2SSN12443950 i由上得：d1t15.36mm 取d1t20mm 齿宽：bdd1t=120=20mm 模数：m1d1t201.00mm Z120动载系数：Kv1

直齿轮系数：KHKF1 使用系数：KA1 布置系数：

KH1.225

KF1.165载荷系数：KKAKVKHKF1.23725 校正分度圆直径：dd1t计算模数：mK19.673mm Ktd119.6730.984mm Z12025

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按照齿根弯曲轻度设计：

YFYS2KT1 m3 （3-7） 2FdZ1MPa 弯曲疲劳强度：FE1500MPa FE2350弯曲疲劳寿命系数：KFN10.95 KFN21 弯曲疲劳安全系数：S=1.4 弯曲疲劳许用应力：H1KFN1KFN2329.29MPa S H2250MPa

载荷系数：KKAKVKFKF11.0111.351.3635 齿形系数：YF12.8 YF22.164 应力校正系数：YS11.55 YS21.806 则：

YF1YS1F10.01279

YF2YS2F20.0156 3计算模数值：m=0.968mm 故取m=1.00mm 齿数：Z120 Z280

分度圆直径：d1Z1m20120mm d2Z2m80180mm 中心距：ad1d250mm 2齿宽：bdd120mm B=25mm

齿顶圆直径：da1Z12ha*m1202122mm da2Z22ha*m1802182mm 齿根圆直径：df1Z12ha*2c*m17.50mm df2Z22ha*2c*77.50mm 齿顶高：ha1ha2ha*a1mm 齿根高：hf1hf21.25mm

轴与轴承参照腰关节设计计算校核方式，校核所得，均安全。

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河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

3.2.4 手腕摆动关节传动设计

图3.13 手腕摆动关节机械示意图

此关节采用锥齿轮传动，传动轴上采用深沟球轴承，大齿轮所在的轴采用圆锥滚子轴承。末端执行器所在部分直接固定在大齿轮上，带动手腕摆动。参照腰关节设计过程得： 锥齿轮设计：

主动轮转速：n1=56.42rmp 传动比：i=4.5 转矩：T1=1917.16N·mm

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T载3920Nmm 1）材料及热处理

按使用条件，属低速、轻载，重要性和可靠性精度高的齿轮传动。则可选用硬齿面直齿锥齿轮。

小齿轮：渗氮钢，调质处理，硬度为500~600HBS；大齿轮：渗氮钢，正火处理，硬度为400~500HBS。 2) 确定许用应力

初步算得小齿轮的分度圆直径为 大端模数：me=

de115.67mm

15.67=0.784mm 故me=0.8mm 20齿数:z1=20 z2=90

分锥角:1=12.5288° 2=77.4712° 大端分度圆直径:de1=16mm de2=72mm 中点分度圆直径：dm1=13.4mm dm260.3mm 外锥距: Re=36.878mm 齿宽系数: =0.3

齿宽：b=11.06mm 故b=12mm 中点模数：mm0.67mm 大端齿顶高： ha1ha20.8mm 大端齿顶圆直径：

dae117.562mm

dae272.347mm 齿顶角：121.4912o 顶锥角：

a114.02oa278.96240

当量齿轮分度圆直径：dV1=13.7mm dV2279.6mm 当量齿顶轮圆直径：

dVa115.3mm

dVa2278.0mm28

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啮合线长度：gVa4.1064mm 当量齿轮基圆齿距：PVb1.9779mm 端面重合度：Va2.076mm 齿中部接触线长度：lbm17.988mm 齿轮校核：

按照解除疲劳强度校核：

中点点分度圆上的径向力：Ft29.11N 使用系数：KA1

中点节圆线速度：vm0.0674m/s 查阅《机械设计手册》得：

动载荷系数KV1.0 齿向载荷系数：

KHe1.32

KH1.5KHe1.51.321.98 端面载荷系数：KH1.0 节点区域系数：ZH2.5 重点区域系数：ZMB1.070 其中：

F12NF22va121.0762.152N122

弹性系数：ZE189.8N/m

螺旋角系数：因为齿轮为直齿轮，故Z1 锥齿轮系数：ZK0.8 载荷分配系数：ZLs1

由上所得，所计算得接触应力：H201.02MPa 许用接触应力：Hlim650N/mm2 寿命系数：ZN1

润滑油影响系数：ZLVR0.92 工作硬化系数：ZW1 尺寸系数：ZX1

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最小安全系数：SHlim1.1

由上所得，许用接触应力H543.64MPa

故： HH 安全

齿根抗弯疲劳强度校核：

由上得：KA1 KV1 KFKH1.98 KFKH1.0复合齿形系数：

YFs14.72Y.2

Fs24符合度系数： Y0.61 锥齿轮系数：YK0.417 载荷分配系数：YlsZls21 由以上系数得： 齿根弯曲应力计算值：F18.606MPa

F27.658MPa齿根弯曲许用应力：

齿根弯曲疲劳强度值：Fs200MPa 寿命系数：YNT1

相对齿根圆角敏感系数：YelT1 相对表面状态系数：YRelT1 尺寸系数：YX1YX21 最小安全系数：SFlim1.4

许用弯曲应力值：F1F2142.86N/mm2 由上得：

F1F1 齿轮安全

F2F2 轴与轴承的校核参照腰关节的计算过程，计算后安全可用。

3.2.5 末端执行器回转传动设计

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Ft29.11N 河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

图3.14 末端执行器回转机械示意图

本关节采用直齿轮传动，轴承分别为深沟球轴承和圆锥滚子轴承。依照手腕回转关节设计过程设计得： 直齿轮的设计：

主动轮转速：n1=96rmp 传动比：i=6 转矩：T1=195.02N·mm

T载1784Nmm 1）材料及热处理

按使用条件，属低速、轻载，重要性和可靠性精度高的齿轮传动。则可选用硬齿面直齿轮。

小齿轮：40Cr合金钢，调质处理，硬度为280HBS；大齿轮：45号

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钢，调制处理，硬度为240HBS。 2) 按照齿面接触强度设计 初步计算直齿轮分度圆直径：

齿数:z1=20 z2=120 试选载荷系数：Kt1.3

材料的弹性影响系数：ZE189.8MPa1/2

解除疲劳强度极限：Hlim1400MPa Hlim300MPa 应力循环次数：N117280000 N2齿宽系数: =1

接触疲劳系数：KHN10.95 KHN21 失效率：1% 安全系数：S=1

0a 接触疲劳许用应力： H1380MPa H235MPN12800000 i由上得：d1t14.36mm 取d1t16mm 齿宽：b=8mm 模数：m10.8mm 动载系数：Kv1

直齿轮系数：KHKF1 使用系数：KA1

KH1.225布置系数：

KF1.165

载荷系数：K1.23725 校正分度圆直径：d15.74mm 计算模数：m0.787mm 按照齿根弯曲轻度设计：

MPa 弯曲疲劳强度：FE1500MPa FE2350弯曲疲劳寿命系数：KFN10.95 KFN21

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弯曲疲劳安全系数：S=1.4

弯曲疲劳许用应力：H1329.29MPa H2250MPa 载荷系数：K1.177

齿形系数：YF12.8 YF22.164 应力校正系数：YS11.55 YS21.806 则：

YF1YS1F10.01279

YF2YS2F20.0156 3计算模数值：m=0.768mm 故取m=0.8mm 齿数：Z120 Z2120

分度圆直径：d116mm d296mm 中心距：a56mm 齿宽：b8mm B=10mm 齿顶圆直径：da117.6mm da297.6mm 齿根圆直径：df114.0mm df294.0mm 齿顶高：ha1ha20.8mm 齿根高：hf1hf21.0mm

轴与轴承参照腰关节设计计算校核方式，校核所得，均安全。

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结论

本文初步对移动机械手的驱动装置、传动装置进行了详细的选择，对机械手构成部分的主要参数进行了计算，并初步完成了总装配图和部分零件图。

在将近三个月的毕业设计过程中，我对机械工程这门学科有了更加深入的认识与理解，同时也对设计开发一个新型的机械产品、构建一个较为完整的机械系统流程有了初步的理解。由于在毕业设计初期对设计一个完整的机械产品缺少完整有效的规划和准备，所以在设计过程中遇到各种各样的难题。而在设计中期，由于计算过程的繁琐和对某些知识点认识的不足，导致浪费了许多设计时间。

由于大学期间的设计多数只进行手工二维图的设计，因此就缺少计算机绘图能力，在本次毕业设计过程中这两方面能力得到很好锻炼和提升，借助于有丰富插件的二维图软件，大大节约了工作时间，提高了设计效率。

对于机械工程这门学科，实践和理论的充分结合才是掌握它的诀窍！

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参 考 文 献

1 郭洪红，贺继林，田宏宇，席巍.工业机器人.西安电子科技大学出版社，2006

2 龚振邦，陈振华，钱晋武.机器人机械设计.电子工业出版社，1995 3 蔡自兴.机器人学.第1版.北京.清华大学出版社，2000 4 张福学.《机器人技术及应用》.电子工业出版社.2000.1

5 科杰.《危险作业机器人发展战略研究.机器人技术及应用》.2003 6 蒋新松.封锡盛.《水下机器人》.2000

7 赵山杉.移动机械手运动学和动力学分析及仿真.优秀硕士论文期刊，2006

8 张瑞波.用于多源信息融合的移动机械手环境感知方法研究.优秀硕士论文期刊，2006

9 陈雷.自由度机械手的运动学和动力学分析.优秀硕士论文期刊，2006

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致 谢

毕业设计是在王雷导师的精心指导下完成的。从课题的解读到方案的确定，从工程图的设计到绘制与修改，从说明书的雏形到撰写完成，每一步都倾注了导师的教导和心血。短短的几个月，老师和蔼的态度、严谨的学风、渊博的知识、开阔的视野和完美的敬业精神每时每刻都在鼓舞和激励着我。在此致以诚挚的敬意和深深的感谢!同时也向帮助过我的其他老师和同学们表示感谢!

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