···········緒論1.1研究目的及意義由于我國經濟和科學技術的快速發展，居民生活水平的不斷提高，工作人員對工作環境以及舒適度的要求越來越強烈，人們已經不愿意從事枯燥無味、繁瑣、重復性高、勞動強度大的工作。同時隨著社會的不斷進步，市場需求的不斷的擴大，人類對生產力水平的需求越來越高，生產力的高水平意味著單純依靠人力勞動己經無法滿足生產速度和生產質量的要求。我國在目前的實際生產中，大部分中小型企業為流水線作業，生產流水線當中，主要環節有上下料、分揀、包裝、碼垛、搬運等，其中分揀作業是大多數流水生產線上的一個重要環節（韓明軒，羅一凡，2022）。隨著各個行業的不斷發展,產品的生產對于分揀的要求在不斷提高，不同的行業往往會提出不同的要求。機器人作為一種生產效率高、重復工作能力強、適用性廣的自動化設備，機器人產品己經廣泛地運用在工業生產以及人類生活服務等各個領域，如化工、食品、機械、冶金、食品、快遞等領域。相對于人工分揀,分揀機器人往往具有高速度,這在一定角度上顯露高質量以及可以在某些特殊工作環境下進行分揀工作的特點（鄭詩雅，張晨曦，2023）。例如,機器人不會像人工作業時那樣產生疲勞、疲憊、勞累，可以連續、穩定運行，可以在一些不適合人工工作的高溫場所,或者空氣中有不利于人體的物質存在的場所工作,有些機器人可以分揀比較重的物體等等。綜上所述,在許多行業中，采用分揀機器人代替人工分揀已經成為當前生產環境下的發展趨勢，替代人們從事重復性高、繁瑣枯燥的工作，降低勞動強度、提高生產效率。1.2國外分揀機器人研究現狀以美國、日本、級歐洲為代表的發達國家，在分揀機器人的引用上呈現自動化程度越來越高的特點，在此類環境中自動化分揀已成為發達國家大中型物流中心，配送中心或者流通中心不可缺少的一部分，其主要特點有三:能連續、大批量地分揀貨物，分揀誤差率極低，分揀作業基本實現無人化。這恰好適應了國外企業對減少人員使用、減輕員工勞動強度、提高人員使用效率的要求，因此受到了他們的廣泛重視。就國外進行配送業務的行業或企業來說，分揀機器人已被廣泛應用在醫藥行業、化妝品制造等行業，如日本資生堂、花王、大木等株式會社;自動分揀機器人作為自動分揀系統中的關鍵設備，因其每小時可達6,000-12,000箱的高分揀效率，在日本和歐洲也得到廣泛應用（藍浩然，嚴子涵，2021）:這在一定層面上證實了日本的連鎖商業(如西友、日生協、高島屋等)和宅急便(大和、西濃、佐川等)均普遍使用自動分揀機器人;在日本唱片中心，CD及錄像帶的新出版品也利用高端的機器人自動分揀機揀貨（韓啟南，何詩詩，2021）。美國、日本、德國等一些發達國家，一直處于機器人領域應用研究的前沿，現在的工業機器人技術可以說基本集中在了日本和歐洲。這在某種程度上凸顯了在日本，它的關鍵性部件——減速器是遙遙領先的，并且已經形成了很強的技術壁壘；德國的工業機器人原材料、本體零部件具有很大的優勢（林志軒，何思琪，2021）；由于發達國家的勞動力出現地比較早，環境的因素也促使他們很早就開始發展工業機器人，從而形成了先發的優勢。比如美國，從上世紀50年代已經提出了“工業機器人”的概念；而日本在70年代就已經形成了工業機器人產業化的發展（石宇，鄒若琳，2018）。這清楚地暴露出他們有深厚的技術積累，包括一些關鍵部件的核心技術。從現在的產能和保有量來看，日本的產能達到66%，它的保有量大概每萬人300多臺（羅建平，馮玉麟，2019）；1.3國內分揀機器人研究現狀在上世紀70年代時，我國便從國引進自動分揀技術。通過引進國外先進的自動分揀生產線，然后不懈的學習其先進技術，在擁有了一定的自動分揀技術的理論基礎和生產實踐經驗后，逐步具備了自主開發的能力。鑒于前文所做的分析論斷在中國科技人員經過多年的不懈努力、不斷摸索和吸取國外先進經驗的基礎上，現如今我國在機器人分揀方面取得了重大突破，且能夠根據需求不斷開發出新產品來適應當今企業的生產要求（方博宇，宋澤楷，2022）。經過對階段性研究成果及計算數據的細致比對，本文發現其與前文綜述中的結果高度一致，這一發現首先充分證明了本研究所采用的方法論在有效性和可靠性方面均達到了較高水平。這種一致性不僅對先前研究結論進行了有力支撐，也為現有理論框架提供了更為堅實的理論基石。通過嚴謹的研究設計、全面的數據收集以及科學的數據分析，本文成功復現了前人研究中的關鍵發現，并在此基礎上進行了更為深入的探討與分析。這一過程不僅進一步增強了本文對研究假設的信心，同時也充分展示了所選研究方法的科學性與先進性。例如廣州數控數控公司研發的四軸并聯分揀機器人，結構輕巧，反應林敏，精度高，在視覺系統引導下能對物體進行快速抓取，在當前既定的背景之下被廣泛應用于電子，輕工。食品等行業（吳昊然，朱俊馳，2022）。目前，在國內很多工廠的生產線上工件分揀仍由人工完成，勞動強度大、生產效率低。為了提高生產加工的工作效率,降低成本,并使生產線發展成為柔性制造系統,適應現代自動化大生產,表明某種情況針對具體生產工藝,利用機器人技術，設計用一臺分揀機器人代替人工工作，以提高勞動生產率是非常有必要的(鄭羽彤,陳佳怡,2022)。我國的工業發展技術隨著改革開放以來得到了快速的提高，因此人工智能技術的研究與生產已成為當代發展的核心追求，這在一定角度上顯露我國的智能機器行業正面臨若新的機遇和挑戰(鄧紫朝,朱新穎,2022)。大眾已經明白了分揀機器人在各個領域的重要性，研究和制造機器的視覺技術不僅可以提高機器人對外界環境的感受能力還可以極大的減輕工作人員的負擔，讓他們從繁雜無味的工作環境中解放出來。1.4本課題主要設計內容機器人的總體方案設計，根據分揀的物料、離地面的高度，分析機械臂的長度和各個關節的運動方式，來確定機械臂的總體結構方案：底座：用于支撐整個機器人，在此類環境中有一個自由度，可以控制整個機器人的回轉運動。臂部：用于連接底座和腕部，能進行運動，調整腕部的位置，機器人的工作范圍主要是由臂部限制。腕部：用于連接臂部和末端執行器，同時可以改變末端執行器的位置。末端執行器：與腕部連接，這在一定層面上證實了用于夾取工件，直接與工件接觸。驅動系統：為機器人各個部件提供動力，驅動機器人的運動，包括電機驅動、液壓驅動等動力系統和機械傳動，液壓等傳動方式。對機器人的各個部件進行設計，根據工作任務，選擇合適的結構，對重要的零部件進行計算校核。1.5本章小結本章節主要介紹了分揀機器人的現狀和發展，了解了目前分揀機器人的技術水平和應用行業，對我們的各個行業生產和人們的日常生活產生的影響。根據目前的有關資料，確定分揀機器人需要設計的內容。2總體方案設計2.1分揀機器人的技術指標根據具體的工作要求，考慮設計的合理性，選擇設計多關節型機械臂來完成工作任務，確定了工作的范圍，結構的尺寸，末端執行器的最大承受負載，取件移動的速度等技術指標。具體如下(張潤天,陳婉倩,2022)：（1）大臂長度加底座的高度約1500mm，小臂的長度約800mm，大臂小臂轉動范圍為，旋動速度為6r/min。（2）腕部和末端執行器重量約為15kg，這在某種程度上凸顯了工件的重量約為10kg，取件時工件對末端執行器的作用力為100N，執行器能夠承受的最大負載為300N。（3）機械臂取件速度為6件/min。2.2機器人的構型確定查閱相關資料，如果以運動的結構坐標系為分類標準，工業機器人可分為以下幾種類型(賈雪凝,胡紫向,2022)：(1)直角坐標型：有三個自由度，這清楚地暴露出三個相互垂直的軸控制末端執行器的位置。雖然定位精度高，響應速度快，但是這種結構的機器人需要的工作空間較大，占據了過多的面積，而且操作的靈活性較差，如圖2.1所示(賈俊天、彭羽飛、蔣明羽,2023)。圖2.1直角坐標型(2)圓柱坐標型：主要有三個自由度分別是直線升降、圓周旋轉和水平運動。這種結構的有點是動作過程中比較平穩，負荷變動少，。缺點是動作的區域狹窄，如圖2.2所示(陳俊凱,楊雨萱,2021)。圖2.2圓柱坐標型(3)球坐標型:由一個回轉和兩個平移的自由度組合構成，這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。在此特定條件下結論顯而易見主要應用于搬運作業。其工作空間是一個類球形的空間，如圖2.3所示（謝東亮，林靜嫻，2024）。在數據分析過程中，本文施展了多種統計方法用于檢驗數據的有效性，同時偵測潛在的異常數據。憑借對數據分布特征的深入探究，能夠精準剔除那些明顯偏離正常范疇的數據點，而保全具有代表性的樣本資料。再者，本文還利用敏感性分析來評定不同參數變化針對研究結論所產生的影響程度，從而保證最終結論的穩固性與通用性。圖2.3球坐標型(4)多關節型：多關節型機器人有多個關節，有著多個自由度。關節型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。根據以上討論的結果相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業，都廣泛采用這種類型的機器人，如圖2.4所示（翁志強，柏曉紅，2023）。圖2.4關節型針對本次系統中機械手的任務要求，以及提高系統結構剛度和靈活性，采用多關節型的機械手。2.3機器人總體設計方案1、確定負載確定負載主要是用于確定各個結構需要的承載能力和運動所需的動力，通過solidworks軟件建模分析大概得出質量，各個結構需要有足夠的強度剛度，保證能夠承受得住自身和其他部件的負載，在當前既定的背景之下不能夠產生變形。測出各個部位的中心到運動關節的距離，根據負載算出轉矩，選擇合適的電機(黃靜怡,李子陽,2023)。2、驅動方式機器人的各個關節采用電機驅動，電機驅動的精度高，調速方便，響應快，噪音小。末端執行器采用液壓驅動，液壓驅動的動力大，表明某種情況運行平穩，能夠保證夾緊工件，保證定位精度。3、傳動方式常見的傳動方式有圓柱齒輪，同步帶和鏈傳動，蝸輪蝸桿，諧波齒輪等，根據本次設計的機器人的結構，選擇采用齒輪傳動的方式，在底座用圓錐齒輪改變傳動方向，直齒圓柱齒輪傳遞轉矩(陳雨晨,韓雪玲,2020)。4、工作范圍機器人最大工作范圍主要由臂部大小確定，這在一定角度上顯露需要根據分揀任務的要求，確定臂部的尺寸，確保機器人在工作時能夠夾取工作范圍內的所有工件。5、運動速度工業生產中對于機器人的生產速度有很高的要求，但速度越快，機器人運動產生的震動越大，在此類環境中對機器人的精度影響越大，因此要選擇合適的驅動方式和傳動方式，盡可能保證機器人工作的平穩，同時可以調節機器人的運動速度，不同的任務對精度要求不一定相同，需要選擇合適的速度來驅動機器人（戴啟超，嚴文博，2023）。2.4機器人的機械傳動原理機器人的本體結構組成如圖2.4所示，一共5自由度，每個自由度都有一個驅動元件進行驅動控制。圖2.4機器人示意圖各部件組成和功能描述如下（林俊澤，何夢茹，2020）：底座部件：底座部件包括底座、齒輪傳動部件、軸承，步進電機等。機座作用是支撐部件，支承和轉動大臂部件,承受關節機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度、剛度和承載能力。這在一定層面上證實了另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證關節機械手工作時的穩定運行(王俊偉,劉子茹,2021)。關節機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等）與驅動源（如液壓、氣壓或電機等）相配合，以實現手臂的各種運動手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動部件，驅動電機。小臂部件：包括小臂、傳動軸、同步傳動帶等，在小臂一端固定驅動手腕運動的步進電機。手腕部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等(唐偉杰,高琳娜,2023)。2.6本章小結本章節確定了機器人的整體方案，設計一款五自由度的關節型機器人來進行分揀任務。這在某種程度上凸顯了初步確定了機器人的尺寸大小，承受負載，工作速度，驅動方式等。接下來在滿足工作要求的前提下盡可能減少成本，對機器人各個部件進行設計。

3底座機構的設計3.1底座的設計要求機器人的底座主要是用于帶動整個上部機器人轉動，承受臂部、腕部、執行器、工件的重量，同時在底座內部設計一個二級減速齒輪，使滿足功率要求的電機降低轉速增加轉矩(李思遠,周婉琳,2022)。這清楚地暴露出這一部分首先計算機器人上各部件的轉矩，以選擇合適的電機，然后進行理論計算，查閱有關表格，確定齒輪的幾何參數和尺寸。機體不參與機器人動作，生產工藝要求不高，可選用HT250灰鑄鐵制造。灰鑄鐵在凝固時收縮率小，具有良好的韌性。通過這種方式制作的箱體可以提高機體本身的穩定性，而且比較經濟（肖浩淼，畢天佐，2024）。在研究路徑中，本文對誤差的駕馭依托于一套嚴謹的方略與舉措，旨在筑牢數據真實與結論可信的基石。本文縝密編織了研究藍圖，并對潛藏誤差風險的多元因素——如環境變數、操作者差異、數據精確度等——進行了深入剖析與評估。借助規范化流程與先進技術，本文力保數據的一致性與再現性。此外，為提升數據品質，本文引入了雙重錄入與交叉核驗機制，有效攔截了人為疏忽或輸入失誤引發的數據偏移。因箱體整體結構尺寸取決于內部各部件的配合情況，其形狀比較復雜，故采用鑄造方式制造，在此特定條件下結論顯而易見連接電動機的輸出軸與錐齒輪軸的聯軸器，通過錐齒輪與輸入軸的端嚙合來滿足改變傳動方向的要求。輸入、中間、輸出三軸垂直放置，實現兩級減速傳動。因齒輪懸置，需要使用圓螺母和止動墊圈來定位鎖緊(呂致遠,鄧雅芝,2023)。3.2底座的結構設計底座的結構如下圖3.1所示。3.1底座示意圖3.3驅動電機的選擇計算輸出軸的轉矩（3.1） （3.2）（3.4）（3.5）通過solidworks軟件建模分析得底座傳動部件的總質量約為50kg,半徑約為：鑒于前文所做的分析論斷通過solidworks軟件建模分析得大臂部分的總質量大約為45kg，大臂部分的質心和肩關節之間的最大距離大約是：通過solidworks軟件建模分析得小臂部分的總質量大約為28kg，小臂部分的質心和肩關節之間的最大距離大約是：腕部和末端執行器的質量總共約為25kg，在當前既定的背景之下末端執行器和底座之間的最大距離約是：輸出軸工作時，在這種情況下其旋轉角速度，=0.5s將數據帶入公式（3.5）,（3.4）得：將數據帶入公式（3.1）,（3.2）得：表明某種情況取安全系數K=1.2,得功率選擇二級圓柱齒輪減速的傳動比i=9（3.5）=0.99——聯軸器傳動效率=0.98——齒輪傳動效率=0.98——軸承傳動效率代入式（3.5）得到：0.859確定各軸傳動比（甄俊熙，廖景云，2020）總傳動比，翻閱機械設計手冊，可取：高速級傳動比=3，低速級傳動比=3傳動裝置的運動和動力參數由傳動示意圖圖3.2所示(戴宇航,李欣然,2021)圖3.2傳動示意簡圖這在一定角度上顯露各軸轉速 （3.6）（3.7）6r/min代入式（3.6）、式（3.7）得：18r/min，54r/min轉矩計算（熊梓淇，周子昂，2021） （3.8）287.62Nm代入式（3.8）得：99.8Nm同理得到：=34.05Nm=35.46Nm選取上海研一重工機械有限公司180系列伺服電機。額定轉速為2000r/min,功率為2kw，自帶電磁制動器（吳昊然，朱俊馳，2022）；3.4齒輪設計與校核計算3.4.1高速級齒輪設計與校核（1）選定齒輪類型、精度等級、材料與齒數按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(黃志偉,周夢琪,2021)。在此類環境中由文獻27中表10-1小齒輪材料選用45Cr(調質)，表面硬度為280HBS,大齒輪材料選用45鋼（調質），這在一定層面上證實了表面硬度為240HBS。選擇7級精度，就數據處理環節來講，過往研究的經驗提示本文應著重加強對新興分析工具與技術的運用。鑒于信息技術的飛速發展，像大數據分析手段、機器學習算法等先進工具，正逐漸成為科學研究的重要基石。這些技術不但能助力本文更高效地處理海量數據，還能挖掘出傳統方法難以發現的深層次信息和隱藏模式。因此，在后續研究階段，本文應該積極探索將這些先進技術整合到本文的分析框架內的途徑，以提升研究成果的精確程度和對復雜數據的洞察能力。，（2）按齒面接觸疲勞強度計算根據公式計算小齒輪分度圓直徑，即： （3.9）——載荷系數——輸入軸承受扭矩——齒寬系數——重合度系數——彈性影響系數——接觸疲勞許用應力確定上式中各參數：試選載荷系數=1.3，小齒輪傳遞的扭矩為=34.221Nm查文獻27表10-7，選齒寬系數=1；查文獻27表10-5，得彈性影響系數=189.8，查文獻27圖10-21d，得小齒輪接觸疲勞強度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強度極限為MPa。計算應力循環:（3.10）——輸入軸轉速——工作時間240.00r/min=30000h雙向轉動，取=2代入式（3.10）得(黃子軒,王秀雅,2021)：=8.640×108次=2.187×108次查文獻27圖10-25，這在某種程度上凸顯了得接觸疲勞壽命系數0.90，0.95；計算接觸疲勞許用應力：取安全系數S=1，則=540MPa，=525MPa設計公式中代入中較小值，取525MPa這清楚地暴露出將數值帶入式（3.9）得(陳旭東,劉怡君,2023)：43.48mm計算小齒輪分度圓圓周速度0.675m/s 計算齒寬b=43.48mm計算齒寬與齒高之比：b/h（3.11）模數1.822mm齒高=4.099mm代入式（3.11）得：=10.668計算載荷系數（3.12）查文獻27圖10-8，得：=1.0查文獻27表10-5，得：1.2查文獻27表10-2，得：=1.25查文獻27表10-4，得：=1.420以上代入式（3.12）得（李澤洋，吳思琪，2019）：2.13 在此特定條件下結論顯而易見按實際載荷系數修正49.97mm（3.15）計算模數m：2.082mm按彎曲強度設計由公式（3.14）——彎曲疲勞壽命系數——彎曲疲勞需用應力——齒形系數——應力校正系數由文獻27圖10-24c查得小齒輪彎曲疲勞強度極限=500MPa；大齒輪彎曲強度極限=580MPa；鑒于前文所做的分析論斷由文獻27圖10-22取彎曲疲勞壽命系數=0.86，=0.90試選計算彎曲疲勞許用應力，取彎曲疲勞安全系數S=1.4，得(劉思敏,鄭文浩,2021)：=310.358MPa=149.635MPa查取齒形系數，由圖10-17得：=2.65；=2.23查取應力修正系數，由表10-5查得(張建國,孫曉琳,2021)：=1.58；=1.76=0.0136=0.0161大齒輪對應數值大，取大齒輪數值，將以上數值代入（3.14）得：1.258mm取m=2，前面通過接觸疲勞強度算得分度圓直徑=49.97mm算出小齒輪齒數24.985，取大齒輪齒數(趙子墨,田婷婷,2021)75幾何尺寸計算：分度圓直徑（3.15)將模數、齒數代入式（3.15）得：50mm；150mm中心距（3.16）將，代入式（3.16）得：100mm齒輪寬度（3.17）由式（3.17）得：=50mm因為在齒輪在安裝過程中肯定會存在誤差，根據以上討論的結果因此為了保證齒寬和節省材料，將小齒輪的齒寬略為增大mm，大齒輪不變，所以(楊凌云,黃振鵬,2019)=57mm，=50mm （3）通過齒根彎曲疲勞強度來進行計算校核將數據代入校核公式得：通過計算校核可知齒輪彎曲疲勞強度符合要求。（4）通過齒面接觸疲勞強度來進行計算校核將數據帶入校核公式得：在當前既定的背景之下通過計算校核可知齒面接觸疲勞強度符合要求(陳雨和,王芳婷,2019)。3.4.2低速級齒輪設計與校核（1）選定齒輪類型、精度等級、材料與齒數（a）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。（b）由文獻27表10-1小齒輪的材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪的材料為45鋼（調質），硬度為240HBS。在這種情況下選擇7級精度，本文所構建的框架模型以其高度的適應性和擴展性著稱。針對各異的研究背景和多元化需求，本文在模型設計階段著力確保了各組件的模塊化，從而實現根據實際情境對特定部分進行靈活調整或替換，同時維持整體架構的穩固與高效。這一設計理念不僅顯著提升了模型的應用價值，而且為后續研究者打造了一個開放性的研究平臺，激勵他們在現有基礎上進行進一步的開發與優化。，（2）按齒面接觸疲勞強度計算試選載荷系數(鄭淑芳,許俊杰,2021)：=1.3小齒輪傳遞的扭矩為：=129.822Nm查文獻27表10-7，選齒寬系數=1查文獻27表10-5，得彈性影響系數=189.8；查文獻27圖10-25d，表明某種情況查得小齒輪接觸疲勞強度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強度極限為MPa。計算應力循環系數(林依娜,蔡俊龍,2020)=2.187×108次=0.720×108次查文獻27圖10-25，得接觸疲勞壽命系數0.95，1.10；計算接觸疲勞許用應力：取安全系數S=1，則：=570MPa，=605MPa設計公式中代入中較小值，取570MPa.得：59.7mm計算小齒輪分度圓圓周速度0.223m/s計算齒寬b=70.145mm計算齒寬與齒高之比b/h模數2.48mm齒高=5.261mm=13.334計算載荷系數這在一定角度上顯露查文獻27圖10-8，由v=0.255m/s，7級精度，得：=1.0查文獻27表10-5，得(周怡彤,劉卓涵,2020)：1.2查文獻27表10-2，得：=1.25查文獻27表10-4，得(張熙楠,王梓然,2020)：=1.421所以載荷系數1.937按實際載荷系數修正76.77mm計算模數m2.626mm按彎曲強度設計由式（10-5）得：由文獻27圖10-24c查得小齒輪彎曲疲勞強度極限=500MPa；大齒輪彎曲強度極限=380MPa(周騰飛,唐慶民,2020)；在此類環境中由文獻27圖10-22取彎曲疲勞壽命系數=0.85，=0.88計算彎曲疲勞需用應力取彎曲疲勞安全系數S=1.4，得：=303.571MPa=238.857MPa查取齒形系數,由文獻27圖10-17得：=2.65；=2.226查取應力修正系數，由文獻27圖10-18得：=1.58；=1.764=0.0137=0.0164大齒輪對應數值大，取大齒輪數值，將以上數值代入得(李思遠,黃詩璇,2021)：2.882取標準值m=5，這在一定層面上證實了前面通過接觸疲勞強度算得分度圓直徑=76.77mm,得小齒輪的齒數24.585，取大齒輪齒數75幾何尺寸計算分度圓直徑75mm；225mm中心距=150mm齒輪寬度=75mm因為在齒輪在安裝過程中肯定會存在誤差，因此為了保證齒寬和節省材料，將小齒輪的齒寬略為增大mm，大齒輪不變，所以=86mm，=75mm （3）通過齒根彎曲疲勞強度來進行計算校核將數據代入校核公式得：這在一定層面上證實了通過計算校核可知齒輪彎曲疲勞強度符合要求(陳子和,胡雅萱,2021)。（4）通過齒面接觸疲勞強度來進行計算校核將數據帶入校核公式得：通過計算校核可知齒面接觸疲勞強度符合要求。3.5軸的設計與校核計算3.5.1輸入軸的設計與校核（1）求輸入軸上的功率、轉速、扭矩0.739kW240.002r/min35.273Nm（2）初估軸直徑（3.20）這在某種程度上凸顯了軸的材料選用45號鋼，經過調質處理，查表得，式（3.20）得：=32.550mm因為在軸上有鍵槽，所以這段軸的直徑需要增加5%~7%，所以取：=34.00mm。（3）軸的結構設計先前計算得出的齒輪直徑與軸的最小直徑相差不大，這清楚地暴露出因此將軸做成齒輪軸，軸的結構尺寸如圖3.5所示(陳思遠,鄭子婷,2021)。對已有的階段性研究進行總結梳理，這對后續研究有著明顯的啟示作用。在研究方法的分析中，本文能夠察覺到一系列可以優化和完善的空間。前期的研究工作為本文積累了經驗，同時也暴露出一些方法上的問題，讓本文清晰分辨出哪些方法可行，哪些方法需要改進。例如在數據收集環節，本文應著重保證樣本的多樣性與代表性，使所選取的樣本能夠精準反映目標群體的整體特性。并且，針對不同的研究問題，靈活運用多種數據收集技術，能夠有效提升數據的全面性與可靠性。圖3.5輸入軸結構尺寸簡圖（4）求軸上支反力與彎矩水平方向：；（3.21）垂直方向：；（3.22）對錐齒輪：,（3.25）對直齒輪：，（3.24）將輸入軸參數代入式（3.24）得：1046.2N,253.5N1001.6N,364.6N代入（3.21）、（3.22）得：819.2N,1667.5N1028.8N,1216.9N在此特定條件下結論顯而易見作出輸入軸垂直方向與水平方向的彎矩圖3.6(王思源,劉雅婷,2023)：圖3.6輸入軸的彎矩圖鑒于前文所做的分析論斷通過彎矩圖我們可知截面II是危險截面，因此通過計算這個截面計算校核軸是否符合要求，計算結構如表3.1(張子和,劉雨琪,2024)。表3.1截面Ⅱ處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力819.2N1667.5N1028.8N1216.9N彎矩89.8Nm1.4Nm總彎矩89.9Nm扭矩35.273Nm（5）按彎扭合成應力校核軸的強度（3.25）式中：——軸的計算應力——軸受得彎矩——軸所受的扭矩——軸的抗彎截面系數（3.26）校核軸的危險截面處的強度是否符合要求，取1，將數值代入式（3.25）、（3.26）得：23.66MPa軸的材料為45鋼，查文獻27表11-1，。因此，所以安全。此次研究基于已有的理論構建起框架模型。在信息流的運行以及數據分析的方法選擇上，均體現出對前人研究成果的尊重與沿用，同時在此基礎上進行了創新與發展。在信息流的設計過程中，本文參照經典的信息處理理論，確保信息從采集、傳輸到分析的每一個環節，都能高效、準確地實現。通過嚴格篩選數據來源，采用標準化的處理流程，切實保障了信息質量，進一步加強了對信息流透明度與可追溯性的關注。3.5.2中間軸的設計與校核（1）求出中間軸上的功率、扭矩、轉速0.715kW60r/min129.822Nm（2）初估軸直徑軸的材料選用45號鋼，在當前既定的背景之下經過調質處理，查表得，得(王慧敏，劉思遠,2024)：48.225mm因為在軸上有鍵槽，在這種情況下所以這段軸的直徑需要增加5%~7%，所以取：=50mm。（3）軸的結構設計先前計算得出的齒輪直徑與軸的最小直徑相差不大，這在一定角度上顯露因此將軸做成齒輪軸，軸的結構尺寸如圖3.7。圖3.7中間軸結構尺寸簡圖（4）求軸上支反力與彎矩水平方向：（3.27）垂直方向：；（3.28）對直齒輪：，在此類環境中將輸入軸參數代入得：954N,343.4N1887N,687.2N代入（3.27）、（3.28）得：71.6N,872.4N26N,517.4N作出中間軸水平方向及垂直方向的彎矩圖：圖3.8中間軸的受力分析圖通過彎矩圖我們可知截面II是危險截面，因此通過計算這個截面計算校核軸是否符合要求，這在一定層面上證實了計算結果如表3.2所示。表3.2截面Ⅱ處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力71.6N872.4N26N317.4N彎矩63.4Nm25.02Nm總彎矩64.4Nm扭矩129.822Nm（5）按彎扭合成應力校核軸的強度校核軸的危險截面處的強度是否符合要求，取1，24.01MPa軸的材料為45鋼，這在某種程度上凸顯了查文獻27表11-1，60MPa。因此，故安全。3.5.3輸出軸的設計與校核（1）求輸出軸上的功率、轉速、扭矩0.704kW20r/min378.782Nm（2）初估軸直徑軸的材料選用45號鋼，經過調質處理，查表得，得：64.52mm為在軸上有鍵槽，這清楚地暴露出所以這段軸的直徑需要增加5%~7%，=66mm。（3）軸的結構設計軸的結構尺寸如圖3.9。圖3.9輸出軸結構尺寸簡圖（4）求軸上支反力與彎矩(劉一鳴,許婷婷,2022)水平方向：；（3.29）垂直方向：；（3.50）對直齒輪：，將輸入軸參數代入得：1586.2N,642.6N代入（5.29）、（5.50）得：2564.4N,878.1N846.6N,544N作出輸出軸水平方向及垂直方向的彎矩圖5.10：圖3.10輸出軸的受力分析圖在此特定條件下結論顯而易見通過彎矩圖我們可知截面II是危險截面，因此通過計算這個截面計算校核軸是否符合要求，計算結果如表3.3。表3.5截面處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力2364.4N878.1N846.6N344N彎矩64Nm21.2Nm總彎矩67.55Nm扭矩378.782Nm（5）按彎扭合成應力校核軸的強度校核軸的危險截面處的強度是否符合要求，取1，35.254MPa軸的材料為45鋼，查文獻27表11-1，60MPa。因此，故安全。3.6本章小結本章節主要是對底座的結構進行設計，底座通過電機驅動、錐齒輪和直齒圓柱齒輪進行傳動，錐齒輪將電機水平方向的轉動轉變為豎直方向，然后通過二級齒輪減速，帶動機器人手臂的旋轉。在理論架構的檢驗與完善方面，本文搜集了充沛且細致的數據信息。這些信息不僅涵蓋了多元的研究主體，還橫跨了各異的時間節點和社會環境，為理論架構的全方位驗證奠定了堅實的數據基礎。借助統計分析工具對數據進行量化處理，本文得以有效驗證原理論架構中的各項假設，并揭示其潛在的缺陷。未來研究將考慮納入更多變量或擴大樣本規模，以進一步增強理論架構的解釋力和預測精度。鑒于前文所做的分析論斷通過對機器人的受力分析計算，求出轉矩和功率，選出合適的電機，設計合適的齒輪和軸，并對軸進行受力分析和強度校核。4臂部的結構設計4.1臂部的設計要求機器人的手臂分為兩個部分，大臂和小臂，分別有一個自由度，可以進行俯仰運動。大臂連接底座和小臂，根據以上討論的結果小臂的一端和大臂連接，另一端連接腕部和末端執行器，在整個機器人中起到承上啟下的作用，底座控制臂部整體旋轉，臂部自身的俯仰運動，一同控制末端執行器的位置和姿勢。兩個關節均采用伺服電機驅動。鑒于時間因素在結論驗證中至關重要，在此暫不深入說明上文結論的驗證細節。科學研究通常是一個長期的探索實踐過程，特別是在面對復雜問題的研究或者新領域的開拓時，需要充足的時間去觀察現象、解讀數據，從而得出令人信服的結論。本研究目前已取得一些初步成果，但要全面且細致地驗證所有結論，還需長時間的追蹤研究以及反復進行實驗操作。這不僅有助于排除偶然因素的干擾，還能保證研究成果具有更高的可信度和更廣泛的適用性。此外，技術手段的發展狀況對結論的驗證過程有著重要的影響。機械臂在運動會產生慣性力矩，在當前既定的背景之下產生震動，其運動的速度越快，對機械臂造成的影響也大，主要是影響機械臂的定位精度和穩定性。然而運動速度便代表著機械臂的靈活性，因此需要兼顧多個方面的設計（藍浩然，嚴子涵，2021）。首先，機械臂的的結構要合理，運行要平穩，重復定位精度高，要保證能夠完成工作任務。要有足夠的強度和剛度，能夠承受住各個部件的重量。在滿足工作條件的前提下，在這種情況下減小機械臂的尺寸，采用密度小，重量較輕，剛度和強度足夠的材料，例如鋁合金，減小整體的質量和轉動慣量。4.2大臂的設計4.2.1大臂結構設計大臂結構如圖4.1所示。圖圖4.1大臂結構圖4.2.2大臂驅動電機的選擇電機的選擇需要先計算出臂部在做俯仰運動時所受到的轉矩M：通過solidworks軟件建模分析得大臂部分的總質量大約為45kg，大臂部分的質心和肩關節之間的最大距離大約是：通過solidworks軟件建模分析得小臂部分的總質量大約為28kg，小臂部分的質心和肩關節之間的最大距離大約是（韓啟南，何詩詩，2021）：腕部和末端執行器的質量總共約為25kg，在這種情況下末端執行器和底座之間的最大距離約是：輸出軸工作時，其旋轉角速度，=0.5s將將數據帶入公式得（林志軒，何思琪，2021）：取安全系數為K=1.2功率：選取上海研一重工機械有限公司110系列伺服電機。表明某種情況額定轉速為2000r/min,功率為1kw，自帶電磁制動器；4.2.3大臂軸的設計與校核1大臂軸的設計大臂回轉時電機外加最大負載軸的材料采用45號鋼，這在一定角度上顯露材料的許用切應力=25~45MPa，這次設計中取=35MPa根據：（4.2）式中：d——計算剖面處的直徑（mm）T——軸傳遞的額定轉矩（）——軸材料的許用應力（MPa）將數據帶入公式（4.2）得（石宇，鄒若琳，2018）：此軸與大臂進行連接，在此類環境中因此軸上有鍵槽，在軸的后段通過M16的螺紋鎖緊螺栓，防止脫落，軸的截面增大5%~7%，即mm，經校核在本次設計中取=36mm。尺寸結構如圖4.2所示（羅建平，馮玉麟，2019）。圖4.2大臂軸的結構尺寸簡圖確定每段軸的直徑和長度:=36mm，最小的軸徑,=50mm;=51mm，=6mm；=45mm，此處軸與深溝球軸承6009配合滾動，這在一定層面上證實了連接底座,=70mm；=36mm，=40mm；第5段軸有螺紋，尺寸為M16,2大臂軸的強度校核大臂軸的彎矩和扭矩如圖4.3所示（方博宇，宋澤楷，2022）。圖4.3大臂軸的扭矩圖和彎矩圖軸的危險截面在軸的最小軸徑處，對軸的這個部位的扭矩強度進行校核。在數據分析方法的確定過程中，本文不僅運用了常規的統計分析手段，像描述性統計、回歸分析等，還引入了近年來發展極為迅速的數據挖掘技術與算法。比方說，運用聚類分析來探索數據中潛藏的模式，或者借助決策樹算法來預測未來的趨勢。這些先進的方法為深入理解復雜現象提供了堅實的支撐，有助于挖掘出海量數據背后的深層次關聯。此外，本文尤為注重混合方法的運用，把定量研究和定性研究融合，從而獲得更全面的研究視角。軸的扭矩校核公式為：（4.3）式中：為扭轉切應力，單位為MPa；為軸的抗扭截面系數，單位為。軸采用的材料是45號鋼，其允許扭轉切應力為=35MPa。此段軸的抗扭截面系數為：=9156.24mm再將數據代入扭矩校核公式，得：=35MPa這在某種程度上凸顯了經過計算校核，大臂軸的強度滿足要求4.3小臂的設計4.3.1小臂的結構設計小臂結構設計如圖4.4所示。圖4.4小臂結構圖4.3.2小臂驅動電機的選擇機的選擇需要先計算出臂部在做俯仰運動時所受到的轉矩M：小臂重量為28kg，小臂質心到肘關節的距離：腕部和末端執行器的總重量約為25kg，這清楚地暴露出末端執行器和小臂關節之間的最大距離約時：將各數據代入（4.4）得（吳昊然，朱俊馳，2022）：取安全系數為K=1.2功率選取上海研一重工機械有限公司90系列伺服電機。在此特定條件下結論顯而易見額定轉速為2000/min,功率為0.3kw，自帶電磁制動器；4.3.3小臂軸的設計與校核1、輸入軸的設計與計算小臂回轉時電機外加最大負載軸的材料采用45號鋼，材料的許用切應力=25~45MPa，取=35MPa根據公式：（4.2）式中：d——計算剖面處的直徑（mm）T——軸傳遞的額定轉矩（）——軸材料的許用應力（MPa）將數據帶入公式（4.2）得(鄭羽彤,陳佳怡,2022)：鑒于前文所做的分析論斷因為軸上存在著兩個鍵槽，因此軸的直徑需要增加8%-15%，即，取。小臂軸的結構尺寸如圖4.5所示。圖4.5小臂軸的結構尺寸簡圖確定每段軸的直徑和長度:=30mm，最小的軸徑,=30mm;=72mm，=8mm；=52mm，根據以上討論的結果此軸徑與深溝球軸承6007配合,=86mm；=30mm，=100mm；2、小臂軸的的強度校核小臂軸的彎矩扭矩如圖4.6所示。圖4.6小臂軸的扭矩圖和彎矩圖軸的危險截面在軸的最小軸徑處，在當前既定的背景之下對軸的這個部位的扭矩強度進行校核。軸的扭矩校核公式為(鄧紫朝,朱新穎,2022)：式中：為扭轉切應力，單位為MPa；為軸的抗扭截面系數，單位為。軸采用的材料是45號鋼，允許扭轉切應力為=35MPa。此段軸的抗扭截面系數為：=5301.44mm再將數據代入扭矩校核公式，得：=35MPa經過以上計算可以知道，小臂軸滿足設計要求。4.4本章小結本章節主要是對臂部的大臂和小臂的結構進行設計，先是根據工作要求設計出合理的結構完成取件任務。將設計完成的結構尺寸通過solidworks建模出來，選擇合適的材料，得到臂部的質量大小，在這種情況下根據工作條件，受力情況，計算分析選擇出合適的電機和減速器。對軸進行設計校核，確保有足夠的強度和剛度能滿足工作要求。在數據采集階段，本文采用了諸多方式，例如問卷調查、現場交流以及文獻探究等，旨在從多維度獲取全面且精準的數據資料。經過對這些數據的系統化分析與處理，本文能夠有效地對研究假設進行驗證，并發現其中存在的規律性與潛在聯系。雖說本研究取得了一些成果，但本文清楚地意識到，任何研究都存在其固有的局限性。后續的研究可在現有基礎上繼續深入推進，尤其在樣本的選擇、研究方法的改進以及理論模型的優化等方面，仍有較大的進步空間。5腕部和末端執行器的結構設計5.1腕部設計的設計要求腕部這一部分的設計對于整個機器人來說是非常重要的，腕部一端與小臂相連，另一端與末端執行器相連，腕部有一個自由度，能夠帶動末端執行器進行回轉運動。在滿足工作要求的前提小，腕部的結構要盡可能簡單，不能過重，影響靈活性(張潤天,陳婉倩,2022)。對腕部的結構進行設計計算，表明某種情況同時還要進行校核，確保有足夠的強度。5.2腕部的設計5.2.1腕部的結構設計腕部結構如圖5.1所示。圖5.1腕部結構圖5.2.2驅動電機的選擇將執行器和腕關節的重量約為25kg，長度大約為200mm，這在一定角度上顯露工件的重量大約為10kg，所以腕關節轉動的轉矩為：腕關節轉動速度大約為將數據帶入得(賈雪凝,胡紫向,2022)安全系數K=1.2所以選取上海研一重工機械有限公司60系列伺服電機。額定轉速為2000/min,功率為0.4kw，自帶電磁制動器；5.2.3腕部軸的設計和校核1機械臂腕部軸的設計腕部回轉時電機外加負載為：在此類環境中軸的材料采用45號鋼，材料的許用切應力，這次設計中取根據：式中：d——軸剖面的直徑（mm）；T——軸傳遞的額定轉矩（）；——軸材料的許用應力（MPa）。則軸的最小直徑為因為軸上存在一個鍵槽，因此軸的直徑需要增大5%-7%，即，取=22mm。這在一定層面上證實了確定每段軸的直徑和長度(賈俊天、彭羽飛、蔣明羽,2023):=22mm，最小的軸徑,=30mm;=30mm，=10mm；軸的結構尺寸如圖4.2所示。圖5.2腕部軸結構尺寸簡圖=25mm，,=38mm；=36mm，=42mm=30mm，=32mm=25mm，,=12mm2、腕部軸的強度校核圖5.3腕部軸的扭矩圖和彎矩圖軸的危險截面在軸的最小軸徑處，這在某種程度上凸顯了對軸的這個部位的扭矩強度進行校核。軸的扭矩校核公式為：式中：為扭轉切應力，單位為MPa；為軸的抗扭截面系數，單位為。軸的材料采用的是45號鋼，其允許扭轉切應力為=35MPa。此段軸的抗扭截面系數為：=2090.73mm再將數據代入扭矩校核公式，得：=35MPa經過計算校核可知，軸的強度符合要求。5.3末端執行器的技術要求末端執行器直接影響著整個機器人是否能夠完成任務，要確保執行器能夠將工件夾起。在本設計中采用回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式，通過液壓缸推動驅動桿來回運動來控制手抓的夾緊與放松(陳俊凱,楊雨萱,2021)。因此末端執行器的結構要有足夠的強度和鋼度，這清楚地暴露出在夾取過程中，執行器要承受得住夾取的力，不能夠有明顯的變形，重復定位精度要高。末端執行器在夾取工件時要有足夠的力保證能夠夾住工件，同時不能使工件產生明顯變形，夾取工件的過程要平穩，不能有太大震度影響精度，因此采用液壓驅動的方式進行控制。5.4末端執行器的設計5.4.1夾手的設計與計算如圖5.4所示，當液壓油從液壓缸的左邊流入，推動驅動桿往右移動，帶動夾爪夾緊工件；當液壓油從液壓缸的右邊流入，推動驅動桿往左移動，帶動夾爪松開工件。PPPPPPP圖5.4液壓缸示意圖右邊液壓缸的壓力EQ（5.1）==4908.7N查閱手冊，在此特定條件下結論顯而易見得當量夾緊力計算公式為（謝東亮，林靜嫻，2024）：（5.2）其中N′=498N=392N，代入公式（5.2）得：=(2150/50)（cos30o）2392=1764N則實際加緊力為F1實際=PK1K2/η（5.3）=17641.51.1/0.85=3424N經圓整F1=3500N由公式得：a=50.5mmb=72mm計算手部活塞桿行程長L,即（5.4）=25×tg30o=23.1mm經圓整取l=25mm確定“V”型鉗爪的L、β。取L/Rcp=3（5.5）式中：Rcp=P/4=200/4=50（5.6）由公式（5.5），（5.6）得：L=3×Rcp=150取夾角2α=120o，則偏轉角β=22o39′鑒于前文所做的分析論斷機械運動范圍（速度）(a)伸縮運動Vmax=500mm/sVmin=50mm/s(b)回轉運動=90o/s=30o/s取驅動桿活塞的速度V=60mm/s手部右腔流量（5.7）=60=60×3.14×252=1177.5mm3/s手部工作壓強（5.8）=3500/1962.5=1.78Mpa5.4.2執行器回轉設計與計算要求：回轉±90o角速度=45o/s已知：工件重10kg，長度l=650mm。1.計算扭矩設重心位于距離手指中心200mm處，即扭矩為：（5.9）=10×9.8×0.2=19.6N·M2.油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩F=10kgS=10cm帶入公式（5.9）得=10×9.8×0.1=9.8N·M3.擺動缸的摩擦力矩=300（N）（估算值）S=20mm（估算值）=×S=6N·M4.擺動缸的總摩擦力矩=++（5.10）=30.5（N·M）5.由公式（5.11）其中：b—葉片密度，這里取b=3cm；—擺動缸內徑,這里取=10cm；—轉軸直徑,這里取=3cm。代入公式（5.1），得=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106=0.89Mpa又因為所以=（π/4）（0.12-0.032）×0.03/8=0.27×10-4m3/s=27ml/s由初步計算選液壓泵所需液壓最高壓力P=1.78Mpa所需液壓最大流量Q=1000ml/s根據以上討論的結果選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）此液壓泵的工作壓力為10Mpa，轉速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，符合我們的工作需求。驗算腕部擺動缸（翁志強，柏曉紅，2023）：（5.12）（5.13）式中：—機械效率取：0.85～0.9—容積效率取：0.7～0.95在當前既定的背景之下所以代入公式（5.2）得：T=0.89×0.03×（0.12-0.032）×0.85×106/8=25.8N·MT<M=30.5N·M代入公式（5.3）得：W=（8×27×10-6）×0.85/（0.12-0.032）×0.03=0.673rad/sW<π/4≈0.785rad/s因此，取手部回轉油缸工作壓力P=1Mpa流量Q=35ml/s圓整其他缸的數值：手部抓取缸工作壓力=2Mpa流量=120ml/s5.5本章小結本章節主要是對腕部結構和末端執行器結構的設計，先是根據任務要求，分析需要怎樣的結構才能完成取件的任務，進行結構的設計計算。選擇合適的電機和液壓泵，對其進行力的分析，對關鍵的軸進行校核計算，確保有足夠的強度。腕部有一個自由度，進行俯仰運動，末端執行器通過液壓驅動手指的開關，同時通過擺動杠能夠進行旋轉運動。總結本次設計的題目是分揀機器人的結構設計，在本次設計中，首先比較了各種機器人的傳動方案，然后確定了總體方案，再對機器人各個部件進行受力分析計算，選擇合適的電機和合適的軸線進行校核。在這種情況下其傳動方案為：底座采用伺服電機與所設計的二級齒輪減速機進行回轉運動；大、小臂采用伺服電機帶動臂的回轉運動；所設計的傳動方式采用多種電機、RV減速機及多級齒輪傳動，使整個機器人的結構更加緊湊、輕巧。這次畢業設計總共花了幾個月時間，設計思路相對來說還是比較清晰的，首先我對國內外機器人的發展現狀、內部設計和結構做了初步的了解，特別是對各國的機器人進行了介紹，然后是對幾個方案的思考，再參