喷漆机器人设计小臂系统设计+文献综述(5)
驱动方式、传动方式、平衡方式的选择和总体确定。
然后，进行了小臂系统的设计。根据给定的工作空间计算臂长后，设计小臂
壳体形状及尺寸，对小臂系统的驱动环节、传动环节、平衡环节进行结构设计，
并进行相关设计计算，确定小臂系统的设计方案。
最后，设计喷漆机器人的腕部系统。根据设计要求的腕部运动范围，进行系
统结构设计，通过计算选择合适的驱动电机，并对传动系统进行设计计算，确定
腕部系统的设计方案。 本科毕业设计说明书（论文） 第6 页 共34页
2 喷漆机器人总体方案设计
喷漆机器人用于在工业制造中完成表面涂覆工作，要求能固定在底座上实现
手臂在工作空间内的灵活移动。要求动作灵活，具有5个自由度，工作空间为
2600×1200×1500mm3；要求有一定的速度和精度，喷枪最大工作速度≥ 0.8m/s，
重复定位精度±3~ ± 6mm；设计负载为2.5kg，对每一关节都有运动范围要求：
机身运动范围为±120° ，大臂为前俯30° 、后仰10° ，小臂为俯仰±30° ，腕转和腕
摆运动范围皆要求±120° 。要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，
同时要结构简单，容易控制。
2.1 坐标形式的确定
常见的工业机器人坐标形式有：
(1).直角坐标型——通过3个互相垂直的轴线位移来改变手部的空间位置，
三个关节均为移动关节(PPP),如图2-1所示。易于实现高定位精度，空间轨迹易
于求解，但是当工作空间相同时，机体所占空间体积庞大。
(2).圆柱坐标型——通过两个移动一个转动(PRR)来实现手部的空间位置变
化，如图2-2所示。结构简单，便于几何计算，所占用空间体积较小于直角坐标
型，通常用于搬运机器人。
图2-1 直角坐标型机器人 图2-2 圆柱坐标型机器人
(3)．球坐标型——用两个转动和一个移动(RRP)来改变手部空间位置，一般
是腰关节可Z1轴转动，大臂可在Z1—Z3平面内俯仰(摆动)，小臂可伸缩移动，如
图2-3所示。这种机器人结构紧凑，所占空间体积小，但目前应用较少。
图2-3 球坐标型机器人 图2-4关节型坐标机器人
(4)．关节型——模拟人的上臂构成，它的前三个关节是转动关节(RRR)，腰
关节绕Z1轴转动，臂的两个关节绕Z2和Z3轴转动，如图2-4所示。它利用顺序的三
次圆弧运动来改变手腕的空间位置，结构紧凑，所占空间体积小，并且相对其他
三种形式的操作机来说工作空间大，还能绕过基座周围的一些障碍物。这种结构
形式是机器人中使用的最多的一种，很多知名机器人都采用了这种形式。
综合比较以上四种坐标形式，由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非
关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体
外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更
灵活，因此决定采用关节型机器人的结构。
2.2 驱动方式的确定
驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置，机器人的驱动方式有电动、
液压和气动三种方式。
气动马达是以压缩空气为工作介质的原动机，它是采用压缩气体的膨胀
作用，把压力能转换为机械能的动力装置。气动马达的特点是壳体轻，输