自动焊接机器人手腕结构设计

摘要：手腕是机器人不可缺少的重要组成部分，其主要功能就是使手部操作装置具有一定的姿态，有利于焊接工作的实现。本文以研究自动焊接机器人手腕结构设计，从结构设计方面，参数选择方面进行优化，为实现机器可在多种场景完成焊接。实现手腕具有灵活的转动姿态、而且具有体积小，重量轻以及可在操作空间较小的位置完成工作等优点。

关键词： 二自由度手腕，自动焊接机器人，紧凑轻量化设计，伺服电机驱动，齿轮传动优化

引 言

随着智能制造进程的推进，工业机器人以工作空间大、灵活性高、成本相对较低等优势，近年来在自动生产加工领域中越来越受到欢迎[1]。对于焊接工作，现有的工件在焊接时，一般采用人工手动焊接方法，工作效率低，且不能够有效地保证焊接精度与质量，后期整形难度较大，难以满足生产需求[2]。

近年来，国内外焊接机器人发展迅速，实现了质的飞跃，目前它的发展已经非常稳定、可靠且高效。焊接机器人在各个工作方面都有广泛的应用，尤其是在一些大型的操作工作时。实现机器人焊接一般需要用到四个部分，手腕，小臂，大臂以及底座。特别是手腕的作用必不可少，机器人手腕的设计一般是可以拆卸的，实现一个精细且灵巧的手腕，对未来的发展有着促进作用。

1斜轴式二自由度手腕结构

本设计主要是面向于手腕设计，Ole.Monlang首次提出球型齿轮手腕机构，刘宪锋等[3]设计了一种易于加工的球齿轮手腕，潘存云等[4]使用一种新型渐开线环形齿设计了另一种球齿轮机构，大大降低了球齿轮的传动误差。此后，研究者开始尝试寻找代替的机构实现和球齿轮手腕相同的功能。Naoki等[5]设计了一种气动肌腱来驱动二自由度球型手腕，周峰[6]利用伞齿轮传动原理，设计的是一个二自由度球形手腕，相较于其他的手腕，其手腕结构更加紧凑，控制也很简单。本文在他们的研究基础之上，进行更优化的二自由度斜轴式手腕设计。

如图1.1所示，两个交流伺服电机固定在手腕最上面的平板上，不会随着手腕的运动而运动，电机轴竖直向下。转动自由度的传动路线：从右边的电机始，经过两个相同的锥齿轮，将动力传递到蜗杆上，通过下面的蜗轮带动手腕的下半部分实现360°的转动，同时实现了减速；摆动自由度的传动路线：从左边的电机始，经过两个完全相同的锥齿轮，将动力传递到上面的蜗轮蜗杆机构，实现减速，竖直轴通过下端的两个完全相同的分度圆锥角为135°的锥齿轮，将动力传递到斜轴上，实现斜轴的360°转动。位置方向：竖直轴线、斜轴线以及“刀具”的“刀尖”相交于一点，这样，手腕的转动和摆动便只会改变“刀尖”的姿态，而不会改变“刀尖”的位置，“刀尖”的位置是通过机器人的大臂、小臂等机构实现的，即手腕只起改变姿态的作用。这样做，可以更好的控制手腕，操作时在不改变机器人小臂、大臂等结构位置，或者在手持式机器人手腕时，只要不是大幅度摆动，轻微的变化，不会影响焊接位置。

2关键零部件选择

自由度会决定机器人的灵活性于运动范围，自由度越高，其越灵活，但对其控制难度也会相应增加，传统式机器人手腕通过使用3个转动关节串联实现roll-pitch-yaw构型[7]，比较灵活，但是三自由的机器人手腕结构相对比较复杂，会致使手腕的体积和重量较大，不利于实现一些精细轻便，且操作空间小的工作。为了可以实现在有限的应用场景中，例如狭小的工作空间内实现操作，或者工作人员手拿式，应该尽可能的使机器人手腕精巧且轻便。所以本实验选择具有两个自由度的方案，手腕的第一自由度（转动自由度）操作空间[-180°～180°]，手腕的第二自由度（摆动自由度）操作空间[-180°～180°]。

2.1选材方面

为了减轻机器人手腕的重量，提高它的系统精度，以及减少维护，所以在它的结构设计中，采用如谐波齿轮减速器及交流伺服电机等精密传动部件，以减少传动环节，在材料选择上，使用新型高强度合金、复合材料，以减轻重量，保证足够的强度和刚度，控制系统方面，采用高性能的控制器和传感器技术使得手腕能够实现更精确的定位和姿态调整。

2.2电机的选择

目前，国内外使用的工业机器人中，其负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9kN[8-9]。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩[10]。根据我们的不同种实验，本实验研究的机器人手腕，最大持重量在20kg，下箱体的重量约为150kg。斜轴转速180°/s，竖直轴转速150°/s。

电机作为机器人装置中最核心的动力部件，不仅为机器人提供着动力源、精确控制运动，而且还提高机器人性能与可靠性，根据实验得出的负载能力，斜轴与竖轴的转速，可以得出电机的功率应该为2KW。所以本实验选择的电机是松下公司的A5伺服电机，型号是：MSME202G1，交流伺服电机的驱动器型号是：MEDHT7364，E型。

2.3锥齿轮几何参数计算

在电机中，齿轮起着至关重要的作用。齿轮不仅可以将电机的旋转运动精确的传递给机器人的各个关节部件，确保机器人的动作准确无误[11]。还可以通过不同大小齿轮的组合，可以实现机器人运动速度的调节，通过速度的调节，在手腕进行焊接的时候，可以控制速度，使其运动速度恰到好处，对于操作者来说降低危险的产生。最重要的是，通过精细的齿轮传动系统，可以使电机的旋转运动转换为线性运动或者其他复杂的运动形式，从而使机器人的结构更加紧凑。通过合理设计齿轮的布局和尺寸，可以在有限的空间内实现多种运动功能，减少机器人的体积和重量[11]。

在不同的工业设计中，实现自动化，少不了大小齿轮的配合。当小齿轮与大齿轮进行配合时，小齿轮可以将大齿轮的低速转为高速，同样的大齿轮配合小齿轮时，可以将告诉转为高速。由于小齿轮的尺寸较小，它的传动速度可以精确进行控制，对于实现微小焊接时，可以精确焊接位置，移动位置幅度小。对于大齿轮来说，由于大齿轮的尺寸较大以及重量较重，其惯性也会更高，相应的在运动时也会更加稳定。在大小齿轮的配合下，机器人实现不同的减速与变速，实现在不同运动的应用场景中，完成不同的运动。

2.3.1小齿轮的计算

小齿轮的计算：两个电机的动力分别从两个电机轴传递到两组锥齿轮上，即整个装置中共有4个小锥齿轮，这四个锥齿轮的几何参是完全相同的。

锥齿轮的材料采用45号钢，齿面硬度为250～280HBS。

3结论

本文介绍了斜轴式二自由度机器人手腕总体设计，从设计方案，选材以及零部件的选择等方面，设计出一款新颖的斜轴式二自由度的手腕，这种设计方案使得焊接机器人手腕机身轻巧，在保证各种作业姿态的同时，还减少焊枪移动，由此可拓展焊接机器人手腕的应用场景，适用于各种工业用途。

参考文献

[1] 夏毅.手腕偏置轮毂磨抛机器人加工位置优选及标定技术研究[D].哈尔滨工业大学，2022.

[2] 杨明钊.基于KUKA机器人工作站的协调运动研究与仿真[D].昆明：昆明理工大学，2017

[3] 刘宪锋，潘存云，杨昂岳，基于球形齿轮传动的柔性手腕动作原理及其运动分析[J].机器人，1996，18（4）：201-205.

[4] 潘存云，温熙森.基于渐开线球齿轮的机器人柔性手腕结构与运动分析[J].机械工程学报，2005， 41（7）： 141-146.

[5] Naoki S， Norihiko S， Toshiyuki S. Development of spherical joint robot using pneumatic artificial muscles[C]. Proc 34th Ann Conf IEEE Indust Electr Soc， 2008： 1614-1619.

[6]周锋.一种二自由度球型手腕的设计及控制分析[J].中国医疗器械杂志，2017，41（05）：334-337.

[7]中国机械工程学会锻压学会．锻压手册：第1 卷锻造[M]．2版．北京：机械工业出版社，2002．

[8]凌钢．WASPALOY合金的晶粒控制及其对力学行为的影响[D]．北京：北京科技大学，1989．

[9] 热锻操作工业机器人手腕结构设计赵锦芝，刘远韬，郝军波，赵则祥，赵惠英

[10]张建民．工业机器人[M]．北京：北京理工大学出版社，1988：23-30．

[11]孟繁华．机器人应用技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989：5-15

项目来源：1.河南省教育厅2024年大学生创新创业训练计划项目（编号：202412746045）； 2.郑州科技学院2024年大学生创新创业训练计划项目”（编号：DC202445）。