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1、 2014届毕业生 学士学位论文论文题目 五自由度关节式机器人设计 （英 文） Design of fiveDOF articulatedrobot 学 院 机电与建筑工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化姓 名 饶思敏 学 号 201006102115 指导教师 闵 珉 2014年 5月26摘要随着科技与工业的快速发展，自动化生产已成为工业生产中的一大趋势，因此综合运用了力学、机械、控制论、电学等各学科的机器人已在工业中得以广泛的运用。工业中机器人的运用能大大提高社会生产率与产品的质量。本设计为五自由度关节式机器人，包括了机械结构的设计，驱动方式的选择，校核计算，动力学分析及solidwo
2、rks三维建模与运动模拟。经设计与完善，此机器人能适应多种流水线中的上下料动作。关键词工业机械人；五自由度；关节型；结构设计AbstractWith the rapid development of technology and industry，automated production of industrial production has become a major trend，therefore, robot with the integrated use of mechanics, control theory, electrical and other disciplines h
3、ave been widely used in industry. The application of industrial robots can greatly improve productivity and product quality. Our design is a five-DOF articulated robot, including Mechanical structure design, choice-driven approach, checking calculations, dynamic analysis and building 3D model in Sol
4、idWorks. After the design and improvement, this robot can adapt to a variety of loading and unloading action in assembly line.Key WordsIndustrial robots; Five- DOF ; Joint ; Structure Design2目录1 绪论11.1引言11.2 机械人的分类11.1.1 按使用目的分类11.1.2 按发展程度的分类11.1.3 按性能指标的分类21.1.4 按机器人结构形式的分类21.3机器人的技术参数21.4 机器人的发展状
5、况和趋势31.4.1全球机器人的发展31.4.2我国机器人的发展31.4.3机器人发展趋势42 机器人总体方案的确定52.1机器人的基本组成52.2关节型机器人总方案的分析62.2.1设计任务及要求62.2.2机构形式的确定与自由度的分配62.2.3驱动方式的选择92.2.4传动方案的确定102.2.5机器人结构的总体方案113机器人底座及腰关节机构设计133.1立轴的设计133.1.1立轴设计第一方案133.1.2立轴设计第二方案143.2底座与腰部电机的选择153.2.1电动机驱动力矩的计算153.2.2电动机型号的确定163.3齿轮的设计173.4轴承的选用与校核203.4.1轴承的选用
6、203.4.2轴承的校核213.5键连接强度的校核223.6连接腰部和轴的螺钉的设计与校核233.7腰部回转轴的校核254机器人三维建模264.1SolidWorks软件的介绍264.2三维模型的建立265总结28致谢29参考文献301 绪论1.1引言噪音、粉尘等恶劣的环境里人工操作有害工人的健康，劳动成本也在不断的上升，而机器人可代替人工完成工作；并且工业中机器人的运用提高了生产线的自动化程度，缩短了上、下料，工件装夹等时间，避免了工人因疏忽大意或疲劳而产生的不必要的错误，从而提高了生产效率和产品的质量。机器人在工业生产中已占据了无可替代的重要地位。经过30多年的发展，机器人技术已经发展成了
7、一门综合性的学科机器人学。实际上它是机械学、力学、控制理论、计算机、传感器、电子工程等学科的综合。机器人并不是外观像人类，而是能代替人类做一些工作。例如代替工人在生产线中完成焊接、上下料、喷漆等工作，在这些枯燥、危险的工作中他们表现出了很好的可靠性、经济性和灵活性。随着机器进化和科学技术的发展，机器人的出现是一必然结果，经过了50多年的研究与发展，机器人在科学研究，工业生产和各种领域起到了越来越显著的作用，为人们带来了不少便利。今年来机器人更是得到了广泛的应用，如：运用于核工业里的燃料自动交换机；完成火山探险、空间探索等极限作业的机器人；材料搬运机器人、喷涂机器人、装配机器人等。可以看出，机器
8、人的运用给我们人类带来了很多好处，如：提高生产效率，提高产品质量，减少了材料的浪费，消除了恶劣和危险的工作岗位。1.2 机械人的分类1.1.1 按使用目的分类基本可以分为这三类：操纵型机器人（Teleoperator Robot），工业机器人(Industrial Robot)，智能机器人(Intelligent Robot)。1.1.2 按发展程度的分类（1）第一代机器人所谓第一代机器人就是指“示教再现”型机器人，它就是重复所教的操作过程。也分为有线式，无线式和手把手式这三类。这种机器人目前已在工业里得到了广泛的应用。（2）第二代机器人第二代机器人是智能机器人。它可以进行复杂的逻辑思考，具有
9、更多的感知功能，除了完成预设的动作，还可根据环境的变化来改变动作以适应环境。在工业领域也已有所应用。（3）第三代机器人第三代机器人是未来机器人。1.1.3 按性能指标的分类（1）超大型机器人；负载能力107N以上。（2）大型机器人；负载能力106107N，作业空间10m2以上。（3）中型机器人；负载能力105106N，作业空间110m2以上。（4）小型机器人；负载能力1104N，作业空间0.11m2以上。（5）超小型机器人；负载能力1N以下，作业空间0.1m2以下。1.1.4 按机器人结构形式的分类机器人分为关节型与非关节型机器人。关节型机器人是若干连杆由各关节连接起得来的开链式机构。1.3机
10、器人的技术参数（1）自由度数和其类型机器人能独立运用的关节数就是机器人所具有的自由度数，而其类型包括转动关节与直线关节。（2）最大速度机器人的末端及其关节的最高运动速度。（3）工作范围机器人的手臂或末端执行机构安装点所能到达的空间区域（不包括末端执行器本身所能到达的区域）。（4）负载能力负载能力是指机器人在保证一定精度在能承载的最大的重量。（5）定位精度定位精度包括定位精度和重复定位精度。前者是指机械人实际达到的位置和目标理论位置的差异。后者是指机器人经多次循环运动后，到达空间同一位置和姿态的最大的误差范围。1.4 机器人的发展状况和趋势1.4.1全球机器人的发展美国的戴沃尔在1954年最早提
11、出了工业机器人的概念，设计出了现在的示教再现机器人，能完成动作的记录与再现。世界上第一个机器人公司 Unimation公司在1958年创立，其创始人Joseph F. Engel Berger（工业机器人之父）参与设计了第一台Unimate机器人。它是由液压驱动的五轴机器人，能记忆、完成180个工作步骤。同时AMF公司也开始了对工业机器人的研究，即Versatran机器人，也是液压驱动，主要用于物料的运输。它的手臂可围绕底座做回转运动，在垂直方向做升降运动，同时也可以沿径向伸缩运动。它们是最早的两个工业机器人，它们的控制方式与数控机床相仿。随后美国科学家们又相继研制出了负载几十到几百公斤重物的
12、多功能通用大型机器人；PUM机器人，一种全电动的关节型机器人，拥有视觉、触觉。虽然道路曲折，美国现已成为机器人强国之一。他们具有先进且全面的技术；在智能技术上的发展领先，如航天、汽车工业中智能机器人已得到了广泛的运用。拥有“机器人王国”之称的日本，机器人的发展经过了20世纪60年代的短暂的摇篮期，便迅速的进入了70年代的实用化时期和80年代的普及提高期。德国很注重人性化生产，规定有些有毒、有害、危险的工作岗位只能采用机器人来完成。使得机器人在德国得到了广泛的市场，对机器人在德国的发展起到了很大的推动作用。在德国每一万个雇员里就有148个机器人，如除去日本，工业中机器人运用数量最多的就是德国。1
13、.4.2我国机器人的发展我国机器人的发展是从20世纪80年代开始的，经历了1986年的“七五”机器人攻关计划和1987年的“863”高技术计划。目前主要是一些高校和相关研究所在从事机器人的研制及其应用的开发。我国的机器人目前主要用于铸锻、机床加工、热处理等方面，但其数量、品种、性能等各方面都还满足不了工业生产发展的需要。现在国内通过重点发展铸造、热处理方面的机器人，并扩大其应用范围，同时相应的进行通用机器人、示教再现型机器人和组合机器人等的研究。在速度的提高，冲击的减小，定位精度的提高等方面还有很大的进步空间，此外还应加强对伺服型，具有触觉、视觉机器人的研究。1.4.3机器人发展趋势现在很多制
14、造工业生产的产品已从大批量生产转向小批量生产，因为现在更新换代越来越快，人们已不再只是满足于传统单一的产品类型，对同一种产品不同类型的需求日趋月增。因此产品的生产区域小批量化，需要生产具有更大的柔性。相应的工业机器人的也需要更加的灵活，适应性要更强。所以可以说智能化是机器人的主要发展方向。机器人代表了先进的制造技术，是人类制造机器的最高形式，也是许多新高科技的综合运用。具体的主要趋势如下：对机器人的性能要求越来越高，需要更高的精度，更快的速度，可靠性和适应性更好，同时价格却要更低；为了满足智能化，传感器对机器人将越来越重要，不仅其性能指标将越来越高，它的种类将越来越多；控制系统将越来越小巧，集
15、成度不断提高，成为标准的模块化结构。2 机器人总体方案的确定2.1机器人的基本组成工业领域里广泛采用的是重复型机器人，也就是“示教-再现”机器人；人类可以将预先编制好的程序保存在机器人的存储设备里，此类机器人便可根据操作程序来自动完成这重复性的工作，也就是自动化。它的系统结构大概如下：图2-1 机器人组成结构框图工业机器人主要由机械系统、控制系统和智能系统这三大部分组成；机械系统又分为：执行机构和驱动机构。（1） 执行机构执行机构包括机器人的底座、腰部机构、手臂、末端执行机构。根据底座有没有行走机构，底座分为可移动式和固定式这两种，底座主要起支撑机构，和连接的作用。（2） 驱动机构驱动是机器人的动力源，每一个关节都需要一个驱动来实现它的自由度，是它让机器运转起来。驱动方式有液压驱动、气动驱动、电动驱动。（3） 控制系统控制系统对整个机器人来说，就像是大脑之于人，是极其重要的一部分。它
