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摘要

机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、控制论、机构学、信息和传感技

术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机

器人在很多领域都得到广泛应用。

本毕业设计概述了工业机器人的分类、历史以及发展趋势。重在设计研制国产搬运机

器人的主臂运动机构，该工业机器人由腰部和大小臂组成，腰部和肩部形成肩关节，大臂

和小臂间形成肘关节，使大臂做回转运动和仰俯运动，小臂做回转运动和仰俯摆动。本文

主要阐述了如何设计机器人腰部、肩部以及肘部这三个主要关节，每一个关节选择合适的

驱动方式、传动方式，通过合适的减速装置最终达到所要求的转速。设计具体包括机器人

关节类型确定，谐波减速器的基本结构、工作原理、主要特性介绍与选用以及其减速比的

确定，各关节伺服电机的选择计算以及重要部件的具体设计及其校核，如齿轮的设计及校

核，轴的设计及校核，轴承的选用及校核。

关键词：工业机器人；搬运；机器人关节；谐波减速器

摘要 ------------------------------------------------------------------------I

Abstract---------------------------------------------------------------------II

第 1 章绪论 ----------------------------------------------------------------1

1.1 工业机器人概述 -------------------------------------------------------1

1.2 工业机器人驱动方式 ---------------------------------------------------1

1.3 工业机器人的分类 -----------------------------------------------------2

1.4 工业机器人的历史 -----------------------------------------------------3

1.5 工业机器人的发展趋势 -------------------------------------------------3

第 2 章工业机器人机构设计 --------------------------------------------------4

2.1 工业机器人的设计内容及要求 -------------------------------------------4

2.2 工业机器人的总体设计 -------------------------------------------------4

2.3 工业机器人的驱动方式选择 ---------------------------------------------6

2.4 谐波减速器介绍 -------------------------------------------------------8

2.4.1 谐波减速器简介 --------------------------------------------------8

2.4.2 谐波减速器基本结构 ----------------------------------------------9

2.4.3 谐波减速器工作原理 ----------------------------------------------9

2.4.4 谐波减速器的主要特性 -------------------------------------------11

2.4.5 谐波减速器的减速比 ---------------------------------------------11

2.5 机器人材料的选择 ----------------------------------------------------12

2.5.1 材料选择的基本要求 ---------------------------------------------12

2.5.2 结构材料介绍 ---------------------------------------------------13

第 3 章机器人腰部关节的设计 -----------------------------------------------15

3.1 机器人传动机构分析 --------------------------------------------------15

3.2 机器人腰部传动方案选择 ----------------------------------------------15

3.3 腰部交流伺服电机的选择 ----------------------------------------------18

3.3.1 机器人材料选用和质量估算 ---------------------------------------18

3.3.2 工业机器人整体受力分析 -----------------------------------------18

3.3.3 腰部交流伺服电机的选择计算 -------------------------------------19

3.4 腰部谐波减速器的选择 ------------------------------------------------21

3.4.1 德国 Harmonic 谐波减速器的特点 ---------------------------------21

3.4.2 腰部谐波减速器的选择计算 ---------------------------------------23

3.4.3 选用谐波减速器具体尺寸的确定 -----------------------------------25

3.4.4 选用谐波减速器性能参数确定 -------------------------------------27

3.4.5 所选谐波减速器传递效率 -----------------------------------------28

3.5 选用谐波减速器输出轴承的确定 ----------------------------------------28

3.5.1 输出轴承参数 ---------------------------------------------------29

3.5.2 输出轴承公差选择 -----------------------------------------------29

3.5.3 推荐装配公差 ---------------------------------------------------30

3.6 齿轮的设计与校核 ----------------------------------------------------32

3.7 轴的设计与校核 ------------------------------------------------------39

3.7.1 轴的设计分析 ---------------------------------------------------39

3.7.2 初步计算轴的直径 -----------------------------------------------39

3.7.3 按弯扭合成强度计算 ---------------------------------------------40

3.8 轴承的设计和校核 ----------------------------------------------------43

第 4 章机器人肩部关节的设计 -----------------------------------------------44

4.1 机器人肩部关节的设计分析 --------------------------------------------44

4.2 肩部传动机构的设计 --------------------------------------------------44

4.3 肩部关节伺服电机的选择 ----------------------------------------------44

4.4 肩部关节谐波减速器的选择 --------------------------------------------44

第 5 章机器人肘部关节的设计 -----------------------------------------------46

5.1 机器人肘部关节设计分析 ----------------------------------------------46

5.2 肘部传动机构的设计 --------------------------------------------------46

5.3 肘部关节伺服电机的选择 ----------------------------------------------46

5.4 肘部关节谐波减速器的选择 --------------------------------------------46

参考文献 -------------------------------------------------------------------48

结束语 ---------------------------------------------------------------------49

致谢 -----------------------------------------------------------------------50

附录 -----------------------------------------------------------------------51

第 1 章绪论

1.1 工业机器人概述

[5]

机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结

构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述

特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是

用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进

行加工。

工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成

材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织(ISO)在对工业机

器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，

这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，

以执行种种任务”。

1.2 工业机器人驱动方式

[2]

（1）气动式工业机器人

这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构

简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源

压力一般只有 6kPa 左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百

余牛顿。

（2）液压式工业机器人

液压压力比气压压力高得多，一般为 70kPa 左右，故液压传动工业机器人具有较大的

抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要

求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。

（3）电动式工业机器人

这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，为工业机器人设计

提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动，

后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是

直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。

1.3 工业机器人的分类

[6]

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