六自由度机器人

本科毕业设计(论文)

FINAL PROJECT/THESIS OF UNDERGRADUATE

(2014届)

六自由度机器人机械机构设计

学院机械工程学院

专业机械设计制造及其自动化学生姓名**

学号

指导教师***

完成日期2014年5月

承诺书

本人郑重承诺：所呈交的毕业论文“六自由度机器人机械结构设计”是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。

承诺人(签名)：______________________

日期：年月日

六自由度机器人机械结构设计

摘要

机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置，其主要由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等所组成。本论文围绕机器人本体结构设计，进行机器人静力学分析及研究极限位置下关节力矩情况，并以此为依据为机器人机构改进奠定理论基础，主要设计内容如下：（1）阐述六自由度工业机器人当前发展现状，对比现有机械手传动方式及空间布局，分析其技术特点。

（2）根据预期假定机器人工作运动范围及有效负载，参考目前应用较广泛的本体结构，在solidworks环境下先设计简单机器人初期模型。通过静力学分析得出关节所受负载，进行伺服电机、减速机选型以及确定同步齿形带相关参数，完成机械手内部空间整体布局，确定传动方式并能达到相关目标要求完成理论作业。

（3）建立考虑约束及质量等效转换的机械手模型，分析典型工况下各关节的运动情况。对关键零件及手部轴承通过施加约束、负载完成相应应力分析，验证不同电机、减速机选型的合理性，完成机器人结构校核与优化。

关键词：六自由度传动方式静力学分析

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ABSTRACT

Robot arm is to imitate the part of the action of a man's hand，According to the requirements of a given program, track and implement automatic grab, handling or operation of the automatic mechanical device.The main by the actuator, driving mechanism, control mechanism and the position detection device. This paper around the robot body structure design, robot statics analysis and study on joint torque under the limit position, and on this basis the theory basis for robot mechanism, main design content as follows：

（1）Six degrees of freedom of industrial robot the current development status of the existing mechanical transmission way and space layout, analyzes its technical characteristics.

（2）Work according to the forecast assumes that the robot movement range and payload, reference widely used ontology structure, at the beginning of the first solidworks environment design simple robot model. Joint statics analysis of load, type of servo motor, deceleration pause, and related parameters determine the synchronous toothed belt to complete the internal space of the manipulator overall layout, to determine the transmission way and can meet the requirements of relevant target to complete assignments theory.

（3）Set up considering constraints and the mechanical model of equivalent conversion quality, analysis of typical working conditions of each joint movement. On key parts and hand bearing by applying constraint corresponding stress analysis, load is complete, verify the rationality of different type motor, deceleration pause, complete check and optimize the robot structure.

KEY WORDS: Six Degrees 0f Freedom Mode of Drive Statics analysis

六自由度机器人机械结构设计

目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论 ......................................................................... 错误!未定义书签。

1.1 引言............................................................................... 错误!未定义书签。

1.2 国内外工业机器人研究现状....................................... 错误!未定义书签。

1.3 工业机器人划分标准................................................... 错误!未定义书签。

1.3.1 使用范围 ................................................................ 错误!未定义书签。

1.3.2 机器人结构 (3)

1.3.3 控制方式 (4)

1.3.4 驱动方式 (5)

1.4 技术特点 (6)

1.5 课题研究主要内容 (7)

1.6 本章小结 (7)

第2章机器人方案设计 (8)

2.1 机械手结构特点 (8)

2.2 关节参数 (8)

2.3 机械手自由度分配 (9)

2.4 机械手构形简图 (10)

2.5 传动系统布置 (10)

2.6 本章小结 (11)

第3章机器人静力学分析 (12)

3.1 机器人参数及力矩分析计算 (12)

3.2 减速机选型 (13)

3.3 伺服电机选型 (16)

3.4 同步齿形带选型 (17)

3.5 机器人本体结构模型 (18)

3.6 本章小结 (20)

第4章机器人内部结构设计 (21)

4.1 机械手腰部结构设计 (21)

4.2 机械手腕部结构设计 (22)

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4.3 手部结构设计 (23)

4.4 机械手末端操作器结构设计 (24)

4.5 本章小结 (24)

第5章模型力分析 (25)

5.1 腕部中心轴不同环境下力分析比较 (25)

5.1.1 网格划分 (25)

5.1.2 应力结果分析 (26)

5.3 大臂结构优化 (27)

5.4 手臂端部61905轴承力分析 (29)

5.5 本章小结 (29)

第6章总结与展望 (30)

6.1 工作进度总结 (30)

6.2 结构创新点介绍 (31)

6.3 工作展望 (31)

参考文献 (32)

致谢 (34)

六自由度机器人机械结构设计

第1章绪论

1.1标题

工业机器人是机器人学的一个分支，随着工业生产飞跃发展，自动化程度迅速提高，实现工件装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具加工、装配的自动化，已愈来愈引起人们的重视。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣环境中，它能代替人进行正常工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性比较强，通常作为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，使用范围较广的“程序控制通用机械手”。

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，它是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

1.2国内外工业机器人研究现状

工业机器人是近近十年来出现的典型的机电一体化数字装备，应用范围广，附加价值很高，自20世纪下半叶起，国外机器人产业即保持着稳步增长的良好势头，而在国内，我们目前已建立起多条弧焊、装配、喷涂机器人生产线，在技术研发力量上已具备大型机器人的整体工程设计和实施能力。而在机器人基础技术层面上，如机器人运动控制算法、运动学及动力学分析、机器人内部传感器研究测试等也已取得了巨大突破并在实际工作中得到应用。在控制装置方面，目前已开发出具有双CPU、多CPU 等机器人控制平台，主控计算机档次也相应升级。

机械制造领域中以机器人为核心的自动化生产线适应当前多品种、少批次的柔性生产发展方向，其自动化成套装备对提高制造业生产水平、提高产品质量、加快生产效率及在恶劣环境下高强度适应能力起到了重大作用。在结构设计方面，机械手能模仿人体上肢的某些动作，但要像人的手一样完成各种动作是比较困难的，因为手指、手掌、手腕等多关节使得人整条手臂共具27个自由度，我们在设计机械手时首先应确定的

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是手部末端目标预到达位置及运动空间范围，因此在实际生产实践中机械手往往并不需要这么多个自由度。大多数情况下生产加工出的机器人通常少于六个自由度，如专用机械手只有2-4个自由度，通用机械手则一般是3-6个自由度。根据国际标准化组织（ISO ）工业机器人术语的定义，工业机器人是一种多用途、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator ），主要用于工业自动化领域，由三个及三个以上可通过编程控制的轴组成机器人本体结构，为适应不同的工作用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常采用法兰连接末端执行器可实现物体夹持或吸附等功能。

1.3工业机器人划分标准

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构，机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。图1-1表示六自由度机械手基本系统组成及一款点焊机器人基本构成。

图1-1 六自由度机器人系统构成

由于机械手还没有统一的分类标准，我们可暂按使用范围、机器人本体结构、控制系统、驱动方式等进行分类。

1. 3. 1 使用范围

由于不同环境要求，工业机器人需要适用不同工作场合，即衍生出针对特定目标的不同种类六自由度工业机器人，一般主要有：

（1）弧焊机器人：弧焊机器人是采用交流伺服驱动技术、高精度RV 减速机和谐波减速器，可实现高度动态响应及良好的低速稳定性。其可控制机器人和变位机协调运动，保证焊枪和工件相对位姿满足焊接精度要求且避免焊枪和工件发生碰撞。

（2）喷涂机器人：喷涂机器人属于可自行喷漆及喷涂其他涂料的工业机器人。喷漆机器人腕部结构一般采用柔性手腕，通过转动既可向各个方向弯曲，可通过较小孔径伸入工件内部并喷涂其内表面完成喷漆过程。喷漆机器人一般采用液压驱动，动作速度快、防爆性能好，设备利用率较高。

六自由度机器人机械结构设计

（3）上下料机器人：上下料机器人适用于机床、工件转序、生产线的上下料等工作场合。该类机器人系统具有高效率和高稳定性，可满足不同种类产品的生产，能够实现对不规则形状金属杆件等工件的自动上下料过程，运行平稳、刚度较高、结构简单更易于维护，并且节省人力成本，降低产业工人的劳动强度。

（4）点焊机器人：点焊机器人是通过在机械手末端通过加装焊钳或焊枪实现焊接或热喷涂。随着数控及机器人技术的发展，焊接机器人的运用也日趋成熟，该类技术的应用一定程度上降低了对工人操作技术的要求，焊接质量也同样得到有效提高。

（5）激光加工机器人：激光加工机器人是通过高精度作业实现激光柔性加工的过程，实际操作中，系统可通过对加工工件表面自动检测，产生加工模型并生成加工曲线。在控制系统方面，我们即可通过离线方式编程，也可通过示教盒在线操作，其中激光加工机器人系统误差补偿技术可针对高精度要求采用基于模型方法相结合的混合机器人补偿方法完成非几何参数误差补偿。激光加工技术目前常用于工件表面处理、打孔及模具修复等过程。

1. 3. 2 机器人结构

机械手坐标形式的正确拟定，需根据工作现场生产情况、加工精度、安装控件要求并结合各种坐标形式特点分析比较确定，按照机械手手臂不同运动形式及坐标种类，大体可分为以下四类：

（1）直角坐标式：其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿指教坐标系的X轴伸缩，沿Z轴升降，沿Y轴横移。其结构简单，适用于主机位置成行排列或与传动带配合使用的场合，其易实行数控，可用于开、闭环数控机械，但占地面积大，工作空间小，使用范围受限。

（2）球坐标式：该类机械手手臂运动系由两个转动及一个直线运动组成，俯仰运动可抓取地面上物件，为达到手部能适应被抓取物件方位的要求，使手部保持水平位置或其他状态，常设有手腕上下摆动。该类型机械手动作灵活，占地面积较小、工作范围大，但由于本身结构设计复杂，手臂摆角误差会引起手部中心处的误差放大。

（3）圆柱坐标式：手臂运动系由两个直线运动和一个回转运动所组成，及沿X 轴伸缩、沿Z轴升降及沿Z轴回转，其中沿Z轴方向移动的最低位置受结构限制不能够直接抓取地面物件。它同直角坐标式相比较占地面积小而活动范围大，结构简单并能达到较高位置精度，应用较为广泛。

（4）关节式：起手臂的运动类似于人的手臂可作几个方向的转动。它由大小两臂和立柱组成，特点是工作范围大，动作灵活，通用性较强，可抓取靠近机座的物件。各关节均由铰链构成以实现转动，手臂运动系常由三个回转运动构成，即大、小臂俯仰及大臂回转运动。由于本身关节灵活性，该类型机械手可绕过主机及其它障碍物抓取物件，但由于关节机械手的指部定位是依靠各关节相互转角决定，定位精度较差，其控制装置和机械结构较其他形式的机械手也更为复杂。

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如图1-2所示为机械手主要坐标形式运动简图。

图1-2各坐标形式运动简图

上述四种坐标形式实际需根据手臂运动来确定，也可二者组合应用，我们在设计机械手传动机构时，必须首先画出传动示意图以便对现有机械手进行分析，并对新设计的结构方案加以比较确定最佳传动方案，传动示意图中，往往使用简单运动符号表示。图形符号表示机械手手臂、腕部、手部等主要运动关节一定程度上可用来说明机械手的运动情况，也有利于进行初步方案的比较。拟定正确的坐标形式方案还需同现场具体生产情况和安装空间要求相结合考虑进而确定相对合理的装配方案。

1. 3. 3 控制方式

就控制方式而言，我们一般分为两种：

（1）点位控制:它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数越多，则必然增加电气控制系统的复杂性。

（2）连续轨迹控制：它的运动轨迹为空间任意连续曲线，其特点是是设定点为无限的，整个移动过程出于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且适用范围广，但电气控制系统复杂。

其中我们常所提及的通用机械手，它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手，其工作范围大，定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产瓶中的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位方式的不同可分为简易型和伺服型：简易型以“开-关”式控制定位，只能是点位控制；伺服型具有伺服定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，而一般的伺服型通用机械手通常属于数控类型。

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六自由度机器人机械结构设计

1. 3. 4 驱动方式

机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的主要传动装置，不同的驱动方式适用于不同场合，对于加工精度及控制方式要求也有相应区别，常见的机械手驱动方式有以下四种：

（1）气压传动机械手：气压传动即采用压缩空气产生的压力来驱动执行机构，主要特点是劫持来源方便，气动动作迅速，结构简单，成本较低，但稳定性相比其他驱动方式交叉，持重大小较低，一般负载小于30Kg，适用于高速、高温、轻载等恶劣环境作业。

（2）液压传动机械手：通过油液产生的压力驱动机械手，可抓取物体重量大，传动平稳，动作灵敏，其对密封装置要求严格，避免油液泄露对机械手工作性能产生一定影响，且不适宜高、低温工作，对周边工作环境要求较高。机械手采用电液伺服控制系统，通过连续轨迹控制使机械手通用性更高。

（3）电力传动机械手：通过具有特殊结构的感应电动机、直线电机直接驱动执行机构，传动过程中不需要中间转换机构，机械结构更为简单。应用直线电机时，机械手具有更高运行速度，且行程大，维护使用更为方便。

（4）机械传动机械手：通过机械传动机构（如连杆、齿轮齿条、凸轮等）驱动机械手臂，动力主要由工作机械传递，运动频率高、准确可靠，常用于工作主机上、下料，但结构较大，该类型机械手动作程序固定不可更改。

其中在设计和研究机械手的传动机构时，我们必须先作出机械手传动示意图，以便对现有机械手进行分析，并通过分析结果进行优化设计得出切实可行的最佳方案。图1-2表示abb一款机器人中心工作范围及荷重图。

图1-2六自由度机器人中心工作范围及荷重图

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1.4技术特点

作为面向工业领域多自由的机械手，工业机器人可依靠自身控制能力或者按照预先编排程序运行，依据工作用途，大体可分为搬运机器人、焊接机器人、装配机器人、喷涂机器人等。工业机器技术涉及学科领域相当广泛，其正逐步沿具有自我感知能力、对不同作业环境自适应能力方向发展，尤其是在记忆能力、图像识别能力、推理判断等智能方向上的应用。当前，工业机器人所具备的显著特点有以下几个：（1）可编程：为适应不同加工要求和工作环境变化，工业机器人根据实际需求满足可重复性编程，在中小批量零件加工装配过程中可高效率完成作业，达到客户目标要求，可编程性是当前工业机器人在制造加工领域不可或缺的重要组成部分。

（2）通用性：除去适用于大批量自动化生产如上下料机械手等专用工业机械手外，为执行不同的作业任务时工业机器人往往具有较好的通用性。用户往往可通过更换机械手手部末端操作器（钳爪、吸盘等）用于不同环境作业。

（3）拟人化：工业机械手在机械结构方面一定程度上由人手臂仿照而来，运动轨迹模仿人手腕、大臂、小臂及肘关节运动，外部由电脑控制、传感器反馈，类似于人大脑及皮肤和视觉传感，传感器的加入很大程度上提高了机器人对周围环境的自适应能力。

（4）机电一体化：工业机器人涉及学科十分广泛，归纳起来即微电子学同机械结构学的有效结合——机电一体化技术，机器人技术的发展相应带动了其他科学技术同步发展进程，其应用水平也彰显了一个国家或地区的工业技术和科技水平。特别是自第三代智能机器人研究发展以来，各类传感器的成功应用，不断推着机器人技术朝着人工智能方向发展。

工业机器人及自动化成套技术集柔性化、智能化、精密化等先进制造技术一体，是继动力机械、计算机之后，通过对过程实时监测、控制、优化和改良以降低成本、提高质量及减少能源损耗，是实现并体现当前数字化、自动化、网络化领域重要手段之一。经验表明，工业机器人的使用一定程度上降低了生产成本，提高了机床利用率，加快企业科技创新速度，增强企业竞争力。

由于不同机器人间技术参数相互区别，机械手的用途及结构也不尽相同，但整体设计始终围绕的重要因素有：自由度、工作范围、重复定位精度、承载能力、最大工作速度等等。最大工作速度指的是机械手主要自由度的最大运行稳定速度，速度越高对应降速、升速要求越高，不同型号机器人额定运转速度一般在使用时，通常会在技术参数中加以说明。工作范围指的是机器人手臂末端所能到达位置的所有点的集合，工作范围大小决定于现实机械手所要求工作空间大小，例如大型汽车零部件装配时，对其要求则较高。为真实反映机器人特征参数，我们在设计过程中涉及尺寸计算时，将不计入末端操作器尺寸大小。

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六自由度机器人机械结构设计

1.5 课题研究主要内容

本论文主要围绕六自由度内部空间布局及传动方式为中心，参照现有成熟机构，首先对机械手本体外形结构进行设计，通过静力学分析计算，进行伺服电机、减速器、同步齿形带选型，对机械手关键部位进行有限元分析，进一步验证壳体刚强度是否满足要求。

本论文的主要研究内容包括以下几个部分：

（1）Solidworks环境下机器人外部模型确定简历

（2）模型实体结构简化分析弯、扭矩大小确定相关参数

（3）传动比分配及内部传动机构设计

（4）六自由度机器人结构优化及受力分析

1.6 本章小结

本章首先介绍了工业机器人发展研究现状，明确在工业制造技术领域，工业机器人应用发展具有很大前景。依据机械手手臂不同运动形式以及为适应不同工作要求我们对工业机器人种类进行相应合理划分，并针对目前技术特点最终提出本课题应当完成的任务。

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第2章机器人方案设计

2.1机械手结构特点

从机构学角度出发，串联机器人是通过一系列旋转关节相互连接而成的开式运动链，同一般机械设计相比更为复杂，尤其表现在相邻杆件坐标系间的位姿关系及各关节驱动力矩和末端操作器受力之间的联系。机器人运动时每个关节的运动均受到其它关节运动影响，惯性负载也随手臂位置变化而时刻变化，特别是当机器人高速运动时整个系统还存在离心力和哥氏力的影响。开链结构相当于不同杆件互相串联，一定程度上存在机械结构及弹性变形误差叠加现象，因此我们在设计过程中在注意结构紧凑性的同时还需格外留心结构刚强度是否满足特定要求。

2.2关节参数

六自由度机器人对各关节静力学受力分析时，为简化及精确计算，应先从从底座开始，逐级由余下未分析关节装配重心对前一关节受力分析，并求解关节电机最大承受弯矩。初步设定本次六自由度机器人各关节转速参数如下表2.1所示。

表2.1 机器人各关节技术参数

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六自由度机器人机械结构设计

2.3机械手自由度分配

在机械手整体结构设计及自由度分配的过程中，为使手臂前端能达到工作空间的任意位置，手腕设计通常具有三个自由度，三自由度手腕因为灵活度更高，通常也被称作“万向”型手腕，目前已知的手腕构形有以下四种形式，如图2-1所示。

图2-1四种常用的三自由度手腕构形

其中汇交型汇交型手腕相较于偏交型手腕工作空间更小，某些工作空间难以到达，灵活度较差，而偏交型手腕主要表现为手部末端位置偏置于手腕中线一侧，每个关节几乎没有结构上的限制，结构更加紧凑。图中中空偏交型手腕设计中，三转动关节由三条独立运动链传动，每个关节独立连续运动且传动角度均可达到360°，末端操作器可达至任意姿态，动作灵活。

本次设计腕部自由度数为3，通过旋转法兰固定在小臂上，三个中心轴逐级空套，分别控制实现腕部回转运动、手部俯仰运动及手臂前端转动。其中传动比分配符合从小到大原则，通过中心轴传递运动布置，重心位置有效后移。该类设计采用单机齿轮传动，结构简单、运动平稳，驱动模块置于小臂内部，外形布局规范，装机完成后同时适用于搬运、弧焊等应用场合。

根据预先设定的机械手工作范围，在后期尺寸设计过程我们需在确保一定负载状态下，中心轴径向位移变形较小，刚度较大。且由于机器人腕部沿Y轴方向尺寸较大，当手腕沿X轴负方向转动时，自重会产生一定沿Y轴方向的轴向力，因此法兰盘同轴配合设计时，我们同时应考虑轴承载荷，根据中心轴径合理选用双列圆锥滚子轴承有效承受轴向力负载。

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2.4 机械手构形简图

在机构学中，两杆件间运动副一般可分为移动副和转动副，其中转动副相较于移动副结构更为紧凑，重量小，因此本次机械手结构设计采用六个转动关节，手腕选用普通汇交型，综合手臂、手腕结构形式最终确定机器人结构简图如图2-2所示。

图2-2机器人构形简图

2.5 传动系统布置

机器人总体结构方案确定后，根据现有机械手传动系统布置，腰部结构主要分为对称式和偏置式，如图2-3所示。其中电机布置上，我们尽量将电机放置在相应操作臂前端，既可保证重心位置平衡，又可有效减小扭矩。

图2-3（a）对称式传动系统布置

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六自由度机器人机械结构设计

图2-3（b）侧置式传动系统布置

图2-3（a）对称式传动系统布置中机械手传动链较短，但腰部结构复杂，腕部结构尺寸较大，图2-3（b）侧置式传动系统布置相较于前两种方案结构更为紧凑，腕部质量偏小，传动链短，且腰部结构更为简单，综合考虑，本次设计采用侧置式第二种方案。

2.6 本章小结

本章首先分析了现有机械手结构特点，明确本次设计中机器人关节具体参数，并重点对手腕设计类型作细致划分，为增加机械手整理灵活性，腕部决定采用三自由度形式，且各关节使用旋转关节，最终得出机器人初步构形简图。

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第3章机器人静力学分析

本论文机械手设计参数为手部最大负载5Kg，本体结构模型初步成形后，对动力驱动装置即伺服电机和减速器选型并完成整体内部结构设计，同时并设计同电机、减速器相配合传动的其他零件，最后完成整个机械手完整结构设计。在整个设计过程中，驱动模块选择的正确与否是所有流程的第一步，而电机、减速器型号选择本身又受实际本体结构大小及空间布局影响。在明确机械手所需完成目标要求及工作方式后，初步确定各关节重心、轴长、质量等因素后才能选择合理配套的驱动装置。本章节即是在Solidworks环境下初步对六自由度机器人整体外形建模的基础上，进行静力学分析，简化关节模型，求解关节重心对各旋转轴中心的弯扭矩大小，并在此基础上实现对机器人本体结构的设计。

3.1机器人参数及力矩分析计算

由于机械手各关节电机及减速机参数未确定，我们可通过静力学分析初步计算简化模型中各关节受力情况确定选型，由于机械手在运动过程中，电机轴承受弯扭矩大小时刻变化，必须在最大受矩情况下计算分析，机械手承受最大弯扭矩时受力简图如图3-1所示：

图3-1机械手受力简图

底座第一关节绕坐标系Z轴旋转，承受扭矩较小，主要承受弯矩，对第一关节受力分析，以底座中心为原点在solidworks环境下得出前几关节总质量为187.56kg，质心坐标为（310.59，—34.32,281.92）关节电机承受最大弯矩为582.54N*m。

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第二关节受力分析（去除腰部），以第二关节电机轴同第三关节连接面所在面为中心原点，可测得前几关节总质量为79.74kg ，质心坐标为（512.34,99.54,4.98）绕y 轴最大扭矩为408.54N*m ，绕x 轴最大扭矩为79.37N*m 。

第三关节受力分析（去除大臂），以第三关节电机轴同第四关节连接面所在面为中心原点，可测得前几关节总质量为58.58kg ，质心坐标为（150.66,129.05,0）绕y 轴最大扭矩为88.06N*m ，绕x 轴最大扭矩为75.43N*m 。

第四关节受力分析（去除小臂），以第四关节电机轴同第五关节连接面所在面为中心原点，可测得前几关节总质量为14.21kg ，质心坐标为（237.48,0,0）减速器承受最大弯矩为33.72N*m 。

第五关节受力分析（去除手腕），第五关节电机轴同第六关节连接面所在面为中心原点，可测得前几关节总质量为5.92kg ，质心坐标为（58.74,0,0）减速器承受最大扭矩为3.48N*m 。

第六关节受力较小，可不作分析。

3.2 减速机选型

关节Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ选择湖北行星减速机，对应电机初选转速为3000r/min,行星齿轮传动主要分为三种类型：2K-H,3K,K-H-V 三种，其中K 代表中心轮，H 代表转臂，V 代表输出轴，传动比大，利用少数齿轮可实现大传动比。图3-2为湖北行星减速机PL 系列外形图。

图3-2为湖北行星减速机PL 系列外形图

行星减速机同其他齿轮传动装置相比较，体积小、高效率及同轴心等优势，适用于目前机械自动化发展需求。其主要由输出轴、行星轮以及销孔式输出机构组成，行星轮设有转臂轴承输入轴、偏心套以及内圈滚子内齿圈，

转臂轴承外圈同内圈滚子空

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套；输出机构包括带有销盘的输出轴、销轴及销孔，销孔设在销盘上，销轴则由圆形活齿的圆柱形滚子代替，圆柱滚子一端插入销孔内。其中下图3-3为湖北行星减速机型号截图。

图3-3为湖北行星减速机型号截图

Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ轴运行速度分别为25r/min,40r/min, 40r/min 减速比求得对应为120,75,75。故关节Ⅳ对应减速机查阅可选取型号为PL40，参数为减速比120，关节Ⅴ对应减速机查阅可选取型号为PL40，参数为减速比80，输出扭矩为15.5N*m ，满足Ⅴ轴电机所承受最大扭矩3.48N*m ，关节Ⅵ对应减速机查阅可选取型号为PL40，参数为减速比80，由于关节Ⅳ、Ⅵ基本不承受扭矩，故所选择减速器参数也符合要求。

关节Ⅲ对应湖北行星减速机和同步齿形带连用，同步带传动比为1:3，减速机型号为PL80，最大输出扭矩为70N*m ，和同步带连用时符合第三关节电机轴最大承受扭矩88.06N*m 要求。

关节Ⅰ、Ⅱ选择摆线针轮减速机， Ⅰ、Ⅱ轴运行速度为25r/min ，20 r/min ，初选电机转速3000 r/min ，1500r/min （后更换为2000 r/min ）对应减速比为120和75，考虑转矩同传动比关系为： = * *η（效率）。

关节Ⅰ处与一级齿轮传动