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1、 6自由度机器人机械结构设计及路径规划 摘要 近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、 推广机器人的应用是有现实意义的。典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合任务书的要求，设计了一种小型的实现移动的六自由度串联机器人。首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用 D- H 方法
2、建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解。机器人广泛应用于工业、农业、医疗及家庭生活中，工业机器人主要应用领域有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。总之，工业机器人的多领域广泛应用，其发展前景广阔。关键词：机器人关节，运动学分析，工业机器人，自由度 42 / 45文档可自由编辑打印CONSTRUCTION DESIGN、KINEMATICS ANALYSIS OF SIX DEGREE OF FREEDOM ROBOTABSTRACTIn the past twenty years, the robot technology has been devel
3、oped greatly and used in many different fields. There is a large gap between our country and the developed countries in research and application of the robot technology so that there will be a great value to study , design and applied different kinds of robots, especially industrial robots.Most typi
4、cal industrial robots such as welding robot, painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near the machining equipment when they are working. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project, the author have designed a kind of small-size
5、serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construct a mobile robot.First of all, several kinds of schemes were proposed according to the design demand. The best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. At same time, The kinematics an
6、alysis was conducted, coordinate transformation matrix using D - H method was set up, and the kinematics equation direct solution and inverse solution was deduced, robots are widely used in industry, agriculture, medical and family life, the main application areas of industrial robot are complex ope
7、rations includes welding, spot welding, assembly, handling, painting, inspection, palletizing, grinding polishing and Laser processing etc. In one word, the development prospects of widely used in many fields of industrial robots are broad.KEY WORDS：Robot joints，Kinematics Analysis，Industrial robot，
8、Degree of freedom. 目 录前 言1第1章工业机器人介绍 2 1.1工业机器人概述 .2 1.2 工业机器人的驱动方式3 1.3 工业机器人的分类.3 第2章 工业机器人结构方案确定4 2.1机器人自由度分配和手臂手腕构形4 2.2传动系统布置5 2.3方案描述6 第3章机械设计部分8 3.1底座旋转台设计.8 3.1.1 电机选择9 3.1.2蜗轮蜗杆设计13 3.1.3底座旋转轴设计15 3.2主要零部件的校核18 3.3对驱动臂进行简单的有限元分析20 第4章 机器人运动学分析26 4.1求运动学正解26 4.2求运动学逆解35 结论41参考文献42致谢43 前 言毕业设
9、计是实现培养目标的重要教学环节，是培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神的重要过程。毕业设计在培养大学生探求真理、强化社会意识、进行科学研究基本训练、提高综合实践能力与素质等方面，具有不可替代的作用，也是教育与生产劳动和社会实践相结合的重要体现。毕业设计的目的是使学生进一步巩固和加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。培养学生的独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养学生开发创造能力和独立获取新知识的能力。本次设计完成的主要内容是六自由度工业机器人结构设计，以及初步运动学分析。在设计过程中，我初步参考了网上一些优秀的机器人结构设计理念，
10、后经过老师提供现实产品三维模型的结构参考，完善了本次设计的结构设计。此外，本次毕业设计主要由inventor三维造型完成，它被广泛应用于机械制造行业，通过inventor设计的机器人，可以对其进行应力分析和运动仿真。并使用MATLAB软件求出机器人的正逆解。第1章 工业机器人概况介绍1.1工业机器人概述工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织(ISO)在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件
11、、工具和专用设备，以执行种种任务”。1.2工业机器人驱动方式1.2.1气动式工业机器人【17】 这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。1.2.2 液压式工业机器人 液压压力比气压压力高得多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。1.2.3电动式工业机器人 这是目前用得
12、最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。1.3工业机器人的分类工业机器人按操作机坐标形式分以下几类（坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式）： （1）直角坐标型工业机器人6其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即PPP）组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程
13、计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。 （2）圆柱坐标型工业机器人其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其它工业机器人协调工作。 （3）球坐标型工业机器人又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即RRP,一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或较低位置的协调工件，其位置精度高，位置误
14、差与臂长成正比。 （4）多关节型工业机器人又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR）。 （5）平面关节型工业机器人它采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR），移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)装配机器人。第2章 工业机器人结构方案确定2.1 机器人自由度的分配和手臂手腕的构形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。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至
15、少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图 2-1，本设计要求机器人手臂能达到工作空图2-1手臂的常用构形间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有六个自由度，其中手臂三个自由度。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，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。 旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。这里使用了六个旋转关节，综合各种手臂和手腕构形，最后确定其结构形式如图2-2 图2-2机器人结构形式2.2 传动系统的布置 总体结构方案确定后，作出机器人结构草图。在传动系统的布置方面，尝试了多种不同的方案。主要有以下几种，见图 2- 3。方案 1(图 2- 3a)传动链最短，诱导运动少。但手腕结构尺寸大，重量大，腰部结构复杂。方案 3(图 2- 3c)、方案 4(图 2- 3d)腰部结构简单，便于应用重力进行
