弧焊机器人本体探究（三）

HEATS

 2.手腕

    机器人的手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其主要功能是当手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标后，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。通过机械接口，联接并支撑末端执行器。

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    MOTOMAN-YR-K6型机器人手腕回转轴部分根据整个手腕所受载荷和结构的特点，采用了空心薄壁矩形框体的结构，提高了抗弯刚度和抗扭刚度，减轻了自身的重量。而摆动轴部分根据手腕处的负载和动作灵活性，采用分离传动，将伺服电机安置在手腕回转轴空心结构的内部，减少了自身的重量和体积。整个手腕部分选用高强度、轻质合金材料，提高了传动刚度，减小了转动惯量。由于整个手腕部分结构紧凑，减少了因间隙引起的运动误差，提高了手腕动作的精确性（如图2）。

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图2 具有三个旋转自由度（4，5，6轴）的手腕结构
1、3、4—伺服电机；2、5—传动带；
6、7—谐波减速器；8—手腕壳体；9、13—回转轴；10—带轮；11—摆动轴；12—圆锥齿轮

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    工作原理：伺服电机1通过装在手腕壳体8上的减速器2，带动回转轴9进行回转运动（4轴运动）；伺服电机3、4实现手腕回转，伺服电机4通过带轮，传动带5及减速器6，带动摆动轴11进行往复摆动，实现手腕摆动（5轴运动）；伺服电机3通过带轮10，传动带，圆锥齿轮12，减速器7，带动回转13进行回转运动，实现手腕扭转（6轴运动）。

    通过对MOTOMAN-YR-K6型机器人本体的分析，了解到其在本体设计及选型应用时遵循以下几个原则：

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    （1）最小运动惯量原则：由于机器人本体运动部件较多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动。采用最小运动惯量原则，尽量减小运动部件的质量，可增加本体运动平稳性，提高本体动力学特性。

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    （2）尺寸优化原则：当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺寸优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于本体刚度的提高，使运动惯量进一步降低。

    （3）高强度材料选用原则：由于机器人本体从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量，减少运转的动载荷与冲击，减小驱动装置的负载，提高运动部件的响应速度是十分必要的。

     （4）刚度设计的原则：要使刚度最大，必须恰当地选择杆件截面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。

     （5）可靠性原则：机器人本体因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。

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    （6）工艺性原则：机器人本体是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。

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    弧焊机器人在国内和国外的应用场合较多，在奇瑞汽车有限公司也应用广泛，像车身焊装，底盘焊装等均用到弧焊机器人。通过对MOTOMAN-YR-K6型机器人本体的分析，深入了解机器人的机械结构和工作原理，为以后的应用研发和二次开发做好铺垫，并为掌握机器人技术提供帮助。

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