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本科毕业设计说明书（论文） 第12页 共34页
3. 喷漆机器人小臂系统设计
手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使
它们能在空间运动。臂部的设计要满足刚度高、导向性好、重量轻、运动平稳、
定位精度高等基本要求，而腕部设计的重点则是其大小和质量。在研究制订小臂
系统及腕部结构形式设计的合理方案时，亦需考虑工作空间、负载重量、运动范
围、工作速度和重复定位精度等参数要求。
经选择比较不同的机构运动方式，本次设计拟采用滚珠丝杠螺母机构传动作
为小臂系统的运动机构形式，完成小臂的俯仰运动。手腕部分拟采用链轮和锥齿
轮的传动，实现腕部俯仰和摆动两个自由度，运动灵活，而且结构紧凑，质量较
轻。小臂材料拟采用铝合金，臂体结构采用中空的箱体形式。
喷漆机器人小臂系统设计
手臂是喷漆机器人执行机构中的主要运动部件，用来支承腕关节和末端执行
器，并使它们能在空间运动。为了使喷枪能达到工作空间的任意位置，本课题要
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。
喷漆机器人的小臂系统（包括腕部结构在内），是喷漆机器人的最后一级，不
仅用于实现机器人在空间中的运动，需要具有一定的强度和刚度，而且与喷枪直
接联接，要求具有较高的灵活度。作为喷涂机器人的重要组成部分，小臂系统的
设计具有重要意义。对小臂系统的机械结构、驱动环节、传动环节、平衡环节等
都要进行必要的设计，以满足稳定、精确、灵活、可靠等各方面要求。
3.1 臂长的设计计算
机器人的工作空间，是指机器人末端执行器上参考点所能够达到的空间点的
集合。机器人工作空间的大小代表了机器人的活动范围，它是衡量机器人工作能
力的一个重要的运动学指标，在机器人的设计、控制与应用过程中，工作空间都
是一个必须要考虑的重要问题。
本设计技术要求中对所设计喷漆机器人的工作空间和各部分运动范围有要求，
需通过已知条件，综合反解机器人的臂长这一结构参数。喷漆机器人的工作空间
主视图和俯视图分别如图3-1-a和3-1-b所示：
a.主视图 b.俯视图
图3-1 喷漆机器人工作空间示意图
根据本设计要求所设计喷漆机器人的：
工作空间为 2600 × 1200 × 1500mm3；
大臂运动范围为 θ1max = 30° , θ1min = −10°；
小臂运动范围为 θ2max = 30° , θ2min = −30°；
机身运动范围为 ±120°。
设大臂、小臂长分别为 l1和l2（单位：mm） ，根据工作空间定义及计算方法
列出以下关系式组：
2 l1 sin θ1max + l2 cos θ1max + θ2min ≥ 2600 (3.1)
l1 sin θ1max + l2 cos θ1max + θ2min − l1 sin θ1min − l2 cos θ1min + θ2min ≥ 1200
(3.2)
l1 cos θ1min − l2 sin θ1min + θ2min − l1 cos θ1max + l2 sin θ1max + θ2max ≥ 1500
(3.3)
将θ1max = 30° , θ1min = −10°，θ2max = 30° , θ2min = −30°代入以上关系式