美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为“机器人是种可重复编程和多功能的，用来搬运材料零件工具的操作机”。英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准将工业机器人定义为“机器人是种能自动定位控制可重复编程的多功能的多自由度的操作机。能搬运材料零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。机器人系统般由操作机驱动单元控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。操作机操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成.末端执行器又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器工具传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。.手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，般有个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。.手臂它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。.机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。驱动单元它是由驱动器检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。控制装置它是由人对机器人的启动停机及示教进行操作的种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。人工智能系统它由两部分组成，部分是感觉系统，另部分为决策规划智能系统。.题目来源本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率实现生产过程自动化改善劳动条件。.技术要求根据设计要达到以下要求.工作可靠，结构简单.装卸方便，便于维修调整.尽量使用通用件，以便降低制造成本。.本题要解决的主要问题及设计总体思路本题要解决的问题有以下三个.手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少重量和体积.提高手腕动作的精确性.三个自由度的实现。针对上述问题有了以下设计思路.腕部机构的驱动装置采用分离传动，将个驱动器安置在小臂的后端。.提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于分离传动采用传动轴。.驱动电机经传动轴驱动对圆柱齿轮和对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体上作偏摆运动。电机经传动轴驱动对圆柱齿轮和对圆锥齿轮传动，实现手腕的上下摆动。电机经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的回转运动。国内外研究现状及发展状况.研究现状从机器人诞生到本世纪年代初，机器人技术经历了个长期缓慢的发展过程。到年代，随着计算机技术微电子技术网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。下面将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路线分述机器人的最新进展情况。工业机器人工业机器人技术是以机械电机电子计算机和自动控制等学科领域的技术为基础融合而成的种系统技术。.机器人操作机通过有限元分析模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。.并联机器人采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术体化奠定了基础。意大利公司，日本等公司已开发出了此类产品。.控制系统控制系统的性能进步提高，已由过去控制标准的轴机器人发展到现在能够控制轴甚至轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在些领域的离线编程已实现实用化。.传感系统激光传感器视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本和瑞典德国等公司皆推出了此类产品。.网络通信功能日本和德国公司的最新机器人控制器已实现了与总线及些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。.可靠性由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性般为几千小时，而现在已达到万小时，几乎可以满足任何场合的需求。先进机器人近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发宇宙探测采掘建筑医疗农林业服务娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的个重要发展方向。.水下机器人美国的俄罗斯的法国的等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查救捞作业管道敷设和检查电缆敷设和维护以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。.空间机器人空间机器人直是先进机器人的重要研究领域。目前美俄加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国的空间机器人等。是辆自主移动车，重量为.，尺寸，有个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。.核工业用机器人国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠反应快重量轻刚度好便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国基于机器人的放射性储罐清理系统反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的灵巧手等.地下机器人地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两大类。主要研究内容为机械结构行走系统传感器及定位系统控制系统通信及遥控技术。目前日美德等发达国家已研制出了地下管道和石油天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。.医用机器人医用机器人的主要研究内容包括医疗外科手术的规划与仿真机器人辅助外科手术最小损伤外科临场感外科手术等。美国已开展临场感外科的研究，用于战场模拟手术培训解剖教学等。法英意德等国家联合开展了图像引导型矫形外科计划袖珍机器人计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得些卓有成效的结果。.建筑机器人日本已研制出多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人预制件安装机器人室内装修机器人地面抛光机器人擦玻璃机器人等，并已实际应用。美国卡内基梅隆重大学麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人内墙安装机器人等型号的研制并开展了传感器移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英德法等国也在开展这方面的研究。.军用机器人近年来，美英法德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察作战和后勤支援等任务，在战场上具有看嗅和触摸能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索识别和消灭敌方目标的功能。如美国的自主导航车半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车，德国爆炸物处理机器人等。目前美国正在研制和开发坦克爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。可以预见，在世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。.发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下个方面.工业机器人操作机结构的优化设计技术探索新的高强度轻质材料，进步提高负载.自重比，同时机构向着模块化可重构方向发展。.机器人控制技术重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。.多传感系统为进步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另问题就是传感系统的实用化。.机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着体化方向发展。.机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。.虚拟机器人技术基于多传感器多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。.多智能体调控制技术这是目前机器人研究的个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划群体行为控制等方面进行研究。.微型和微小机器人技术这是机器人研究的个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构运动方式控制方法传感技术通信技术以及行走技术等方面。我国对此进行了深入的研究。徐卫平和张玉茹发表的六自由度微动机构的运动分析对六自由度微动机构进行了位移分析并为其结构设计提供了计算依据。还有刘辛军高峰和汪劲松发表的并联六自由度微动机器人机构的设计方法研究了微动机器人机构的设计方法，建立了并联六自由度微动机器人的空间模型，并分析了该微动机器人的空间模型，并分析了该微动机器人的机构尺寸与各向同性刚度等性能指标的关系得到了系列性能图谱，从各图谱中可以看出各项性能指标在空间模型设计参数空间中的分布规律，这有助于设计者根据性能指标来设计该微动机器人的机构尺寸，是探讨微动机器人机构设计的有效分析工具。总体方案设计.机械结构类型的确定为实现总体机构在空间的位置提供的个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案圆柱坐标型这种运动形式是通过个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。直角坐标型直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高结构简单，但机体所占空间体积大灵活性较差。球坐标型又称极坐标型，它由两个转动和个直线移动所组成，即个回转，个俯仰和个伸缩运动组成，其工作空间图形为个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑工作空间范围大的特点，但结构复杂。关节型关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强能抓取靠进机座的物体。平面关节型采用两个回转关节和个移动关节两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较