《精心整理》四自由度机器人毕业设计论文要点

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。

本文简要介绍了工业机器人的概念，机器人的组成和分类，机器人的自由度和坐标形式，气动技术的特点。对机器人进行总体方案设计，确定了机器人的坐标形式和自由度，确定了机器人的技术参数。同时，设计了机器人的夹持式手部结构，设计了机器人的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机器人的手臂结构。

设计出了机器人的气动系统，绘制了机器人气压系统工作原理图，对气压系统工作原理图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。

关键词： 工业机器人，机器人，气动，单片机控制

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ABSTRACT

In the past twenty years, robotic technology is developing very fast, all sorts of use robots in various fields can be used widely. Our country in the research and application of robots and industrial countries, there is still a gap compared, therefore, the research and design various USES robots especially industrial robots, promote the use of robots is a realistic significance.

This paper briefly introduces the concept of industrial robot, robot, robot composition and classification of freedom and coordinates, the characteristics of pneumatic technology. The general scheme design of robot, robot was determined, and freedom of coordinates the technical parameters of robot was determined. Meanwhile, the design of the robot hand gripping type of the robot structure, design wrist structure, calculated the wrist rotation for driving moment and rotary cylinder driving moment. Design a robot arm structure.

Designed a robot pneumatic system, painted robots working principle diagram, pneumatic system of pneumatic system working principle diagram parametric drawing was studied, and greatly improve the efficiency of drawing and drawings quality.

Keywords: industrial robot, pneumatic, SCM control

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第一章 绪 论

随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，工业机器人已成为一种高新技术产业，为工业自动化发挥了巨大作用，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

1.1 工业机器人的介绍

工业机器人是机器人的一种，由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机器人是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机器人被称为“工业机器人”。

1.2 机器人的分类

工业机器人的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

(一)按用途分

机器人可分为专用机器人和通用机器人两种: 1、专用机器人

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它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机器人具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机器人，如自动机床、自动线的上、下料机器人和‘叻口工中心”

2、通用机器人

它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机器人。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机器人的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机器人按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，

一般的伺服型通用机器人属于数控类型。 (二)按驱动方式分 1、液压传动机器人

是以液压的压力来驱动执行机构运动的机器人。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机器人的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机器人采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机器人的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

2、气压传动机器人

是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机器人。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机器人的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动机器人

即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机器人。它是一种附属于工作主机的专用机器人，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动

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作程序不可变。

4、电力传动机器人

即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机器人的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机器人目前还不多，但有发展前途。

(三)按控制方式分 1、点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机器人均属于此类。

2、连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机器人一般采用小型计算机进行控制。

1.3 国内外发展状况

随着科技的不断进步，工业机器人的发展过程可分为三代，第—代，为示教再现型机器人，它主要由机器手控制器和示教盒组成，可按预先引导动作记录下信息重复再现执行，当前工业中应用最多。第二代为感觉型机器人，如有力觉触觉和视觉等，它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力，目前已进入应用阶段。第三代为智能型机器人它具有感知和理解外部环境的能力，在工作环境改变的情况下，也能够成功地完成任务，它尚处于实验研究阶段。 1.3.1 国外工业机器人的的发展

美国是机器人的诞生地，早在1961年，美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过40多年的发展，美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。

日本在1967年从美国引进第一台机器人，1976年以后，随着微电子的快速

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发展和市场需求急剧增加，日本当时劳动力显著不足，工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎，使其日本工业机器人得到快速发展，现在无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一，素有“机器人王国”之称。德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五六年，但战争所导致的劳动力短缺，国民的技术水平较高等社会环境，却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外，在德国规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。目前，德国工业机器人的总数占世界第二位，仅次于日本。

法国政府一直比较重视机器人技术，通过大力支持一系列研究计划，建立了一个完整的科学技术体系，使法国机器人的发展比较顺利。在政府组织的项目中，特别注重机器人基础技术方面的研究，把重点放在开展机器人的应用研究上。而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界得以迅速发展和普及，从而使法国在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地。

英国纪70年代末开始，推行并实施了一系措施列支持机器人发展的政策，使英国工业机器人起步比当今的机器人大国日本还要早，并曾经取得了早期的辉煌。然而，这时候政府对工业机器人实行了限制发展的错误。这个错误导致英国的机器人工业一蹶不振，在西欧几乎处于末位。近些年，意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家由于自身国内机器人市场的大量需求，发展速度非常迅速。目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、 FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的CO毗U及奥地利的工GM公司。 1.3.2 国内工业机器人的发展

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。随着 20世纪70年代世界科技快速发展，工业机器人的应用在世界掀起了一个高潮，在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入20世纪80 年代后，随着改革开放的不断深入，在高技术浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发

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与研究得到了政府的重视与支持，“七五”期间，国家投入资金，对工定机器人及零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷漆，点焊，弧焊和搬运机器人。，国家高技术研究发展计划开始实施，经过几年研究，取得了一大批科研成果。成功地研制出了一批特种机器人。

从2O世纪9O年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步，先后研制了点焊，弧焊，装配，喷漆，切割，搬运，码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批工业机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是与发达国家相比，我国工业机器人还有很大差距。

目前，我国工业机器人公司主要有中国新松机器自动化股份有限公司和首钢莫托曼机器人有限公司。

1.4 工业机器人的应用

随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域工业机器人的应用也越来越多。汽车制造是一个技术和资金高度密集的产业，也是工业机器人应用最广泛的行业，几乎占到整个工业机器人的一半以上。在我国，工业机器人最初也是应用于汽车和工程机械行业中。在汽车生产中工业机器人是一种主要的制动化设备，在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷涂、搬运、涂胶、冲压等工艺中大量使用。据预测我国正在进入汽车拥有率上升时期，在未来几年里，汽车仍将每年15％左右的速度增长。所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，年增幅达到50％左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。

工业机器人除了在汽车行业的广泛应用，在电子，食品加工，非金属加工，日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人的需求也快速增长。在亚洲，2005年安装工业机器人72，600台，与2004年相比，增长了40％，而应用在电子行业的就占了31％左右。在欧洲地区，据统计2005年与 2004年相l：tI业

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机器人在食品加工行业的应用增长了17％左右，在非金属加工行业的应用增长了20％左右，在日用品消费行业增长了32％，在木材家具加工行业增长了18％左右。工业机器人在石油方面也有广泛的应用，如海上石油钻井、采油平台、管道的检测、炼油厂、大型油罐和储罐的焊接等均可使用机器人来完成。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在工业机器人工作领域，这些技术会使工业机器人的应用更为高效，高质，运行成本低。据预测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。

在我国，工业机器人市场份额大部分被国外工业机器人企业占据着。在国际强手面前，国内的工业机器人企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给工业机器人产业发展注入新的动力。

1.5 课题的提出及主要任务

1.5.1课题的提出

进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，本设计的目的就是设计一个气动搬运机器人，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。。

现在的机器人大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:

(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。

(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。

(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。

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(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机器人拟采用气压传动，

气动技术有以下优点:

(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.

（2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。

(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。

(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。

(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机器人，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机器人、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。 1.5.2 课题的主要任务

本课题将要完成的主要任务如下:

(1)机器人为通用机器人，因此相对于专用机器人来说，它的适用面相对较广.

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(2)选取机器人的座标型式和自由度

(3)设计出机器人的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。

(4)气压传动系统的设计

本课题将设计出机器人的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。

(5)对气压传动系统原理图的参数化绘制进行研究，提高绘图效率，改善绘图质量。

(6)机器人的控制系统的设计

本机器人拟采用可编程序控制器(PLC)对机器人进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机器人的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。

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第二章 四度工业机器人方案设计

对气动机器人的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。

2.1 机器人的座标型式与自由度

按机器人手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机器人在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机器人具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度

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图2-1 机器人的运动示意图

机器人主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。

控制系统 驱动系统 执行机构 位置检测装置

图2-2 机器人组成方框图

(一)执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部

即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，

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因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

2、手腕

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机器人的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。

4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机器人的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

5、行走机构

当工业机器人需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机器人的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。

6、机座

机座是机器人的基础部分，机器人执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 (二)驱动系统

驱动系统是驱动工业机器人执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机器人按规定的要求运动的系统。由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机器人采用气压传动方式。

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(三)控制系统

控制系统是支配着工业机器人按规定的要求运动的系统。目前工业机手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予机器人的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机器人的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。考虑到机器人的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机器人进行控制。当机器人的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。 (四)位置检测装置

控制机器人执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.

由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机器人采用气压传动方式。

2.2 机器人的主要参数

1.机器人的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机器人的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤

2.基本参数运动速度是机器人主要的基本参数。操作节拍对机器人速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机器人动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机器人最大移动速度设计为1.0m/s。最大回转速度设计为90/s。平均移动速度为0.8m/s。平均回转速度为60/s。机器人动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机器人设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装

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置为好。根据统计和比较，该机器人手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1400mm。手臂升降行程定为120mm。定位精度也是基本参数之一。该机器人的定位精度为1mm。

2.3 机器人的技术参数列表

一、用途:

用于自动输送线的上下料。 二、设计技术参数:

表1-1 机器人技术参数

机构形态 自由度 负载能力 关节Ⅰ转动 动作范围 关节Ⅱ转动 关节Ⅲ升降 关节Ⅳ转动 关节Ⅰ转动 最大速度 关节Ⅱ转动 关节Ⅲ升降 关节Ⅳ转动 最大展开半径 高度 本体重量 温度 湿度 振动 安装环境 其它 平面关节型 4 5kg -110°～ +110° -90°～ +90° 0 ～ 150mm 0°～ 360° 180 /s 360 /s 150mm /s 360 /s 400mm 680mm 48 kg 0 ～ +45℃ 20 ～ 80％不结露 0.5 G以下 避免易燃、腐蚀性气体、液体 勿溅水、油、粉尘等 勿接近电器噪声源 操作方式 电源容量 示教再现／PLC编程 单相 220V 50Hz 8A ooo

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第三章 运动学模型建设

为整个机器人运动推导一个模型，是一个由底向上的过程。我们必须用相对清晰和一致的参考框架来表达各轮的力和约束，由于移动机器人的独立和移动本质，需要在全局和局部参考框架之间有一个清楚的映射。在整个分析过程中，我们将机器人建模成轮子上的一个刚体，运行在水平面上。

表示机器人最终位姿的建模方法很多！例如可以采用球坐标定位#欧拉角定姿的方法\"但是在 788 年！Denavit和Hartenberg在“ASME Joumal of Applied Mechanic ” 发表了一篇指引后人对机器人进行建模的标准方法Denavit-Hartenberg（D-H）模型是表示对机器人连杆和关节进行建模的一种非常有效的方法 。 2.1.1 D-H坐标系的建立

A） 中间连杆坐标系的建立：

Zi——与关节i+1的轴线重合，方向任意

Oi——关节i和i+1轴线的公垂线与关节i+1轴线的交点。关节i和i+1的轴线相交时，Oi选在交点上；关节i和i+1的轴线平行时，Oi选在使di+1=0处（关节i+1和i+2的公垂线与关节i+1轴线的交点处）。

Xi——与关节i和i+1轴线的公垂线重合，指向为i—>i+1；关节i和i+1的轴线相交时，Xi// （Zi-1 × Zi）；关节i和i+1的轴线平行时，选定Oi，Xi为过点Oi且与关节i和i+1的公垂线重合，指向为i—>i+1

关节iZi-1Xi关节i+1Oi相交时 关节iZi-1关节i+1ZiOiXi关节i+2Zi

平行时 Xi+1Yi——与Zi和Xi构成右手系，即Yi=Zi ×Xi

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图3-1转动连杆参摄及坐标系

3.1 工业机器人运动学

依次写出从基坐标系到手爪坐标系之间相邻两坐标系的齐次变换矩阵，它们依次连乘的结果就是末端执行器（手爪）在基坐标系中的空间描述，即

noapn0R0PnO 01n11T(q1)2T(q2)nT000101上式称为运动方程 已知q1,q2,…,qn，求，已知

称为运动学正解；

，求q1,q2,…,qn，称为运动学反解。

我们所研究的机器人有四个关节组成4个全为旋转关节，为4自由度机器人 ，针对所设计的机器人结构建立基D-H 法则的数学模型 .D-H 法则:用齐次坐标来描述机器人各关节相对于基准坐标系的空间位置变化方程,以及机器人喷枪相对于基准坐标系的空间姿态变化方程.

3.2 运动学正解

对于具有N个关节的机器人 若设坐标系 On-XnYnZn为固定在末端执行器上的坐标系时，则从坐标系On-XnYnZn到基准坐标变换矩阵为T. Ts=A1A2······An （1）

cisicaisicaiaciiscicaicisaiaisi （2） 而 Ai0saicaidi0001在图示机器人运动学图上建立各连杆及D-H坐标系：

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图3-2 四关节机器人结构简图及D-H坐标系

其中Zi坐标沿着i+1关节的运动轴；Xi轴是沿着Zi和Zi-1的公垂线 ：ai是Zi和Zi-1的公垂线段长度：而di为两公垂线ai&$ 和ai-1之间的距离

利用Denavit-Hartenberg法则得到的参数如表1所示： 表1 机器人连杆D-H参数

1 2 3 4 5 得到正运学举证： T4= A1A2 A3

1 2 3 4 d 0 0 0 d4 a 0 0 I2 0 0 90 0 0 C1C23C4S1S4C1S23C1C23S4S1C4C1S23D4C1C2A2S1C23C4C1S4S1S23S1C23S4C1C4S1S23D4S1C2A2 （3） S23C4C23S23S4C23D4S2A20001其中：Si=

；Ci=

；S23=

； C23=

3.3 运动学逆解

运动学的逆解是在给定了已知的满足某工作位置和姿态以及各杆件的参数的情况下，求解对应的各关节转角。而逆运动学求解在机器人运动分析、轨迹规划、

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离线编程、示教编程中占有重要地位。所以逆运动学解是机器人控制的关键环节 又由于：

nxoxaxnyoyayRT4nzozaz000pxpy （4） pz1对式（3）（4）两边都左乘（A1）-1得 （A1）-1R= A2 A3 A4 （5）

c1nxs1nyc1oxs1oyc1axs1ayc1axs1aynzozazpz-1

 （6） 其中：（A1）R=s1nxc1nys1oxc1oys1axc1ays1pxc1py0001c23c4s23c23s4s23d4c2a2c23c4c23s23s4c23d4s2a2 （7） A1A2A3s40c400010令式（6）（7）两式右边矩阵的各项相等，就可得出4自由度机器人的4个转角的逆运动学解。

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第4章 工业机器人的机械系统设计

4.1 机器人的运动概述

工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。

如图3-1所示，为工业机器人机构的简图。

图4-1 机构简图

a．工业机器人的运动自由度

所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。

本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后，上下往复四自由度。

为了使机器人的通用性更强，把机器人的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部:如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构，

4.2夹持式手部结构

夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 4.2.1手指的形状和分类

夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手

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指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。 4.2.2设计时考虑的几个问题 (一)具有足够的握力(即夹紧力)

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二)手指间应具有一定的开闭角

两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三)保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。 (四)具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机器人在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。

(五)考虑被抓取对象的要求

根据机器人的工作需要，通过比较，我们采用的机器人的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。

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4.2.3手部夹紧气缸的设计 1、手部驱动力计算

本课题气动机器人的手部结构如图3-2所示，

图4-2 齿轮齿条式手部

其工件重量G=5公斤，

V形手指的角度2120，b120mmR24mm,摩擦系数为f0.10 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:

p2bN R(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:

N0.5tg()

0.55tg(60542')

25(N)所以

p2bN245(N) R(3)实际驱动力:

p实际pK1K2

因为传力机构为齿轮齿条传动，故取0.94，并取K11.5。若被抓取工件的最大加速度取a3g时，则:K21所以

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a4 gp实际2451.541563(N) 0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。 2、气缸的直径

本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

F1D2P4FtFz

式中: F1 - 活塞杆上的推力，N

Ft - 弹簧反作用力，N Fz- 气缸工作时的总阻力，N

P- 气缸工作压力，Pa

弹簧反作用按下式计算:

FtGf(1s)

GfGd134D1nGd13

4Gf =

8D1n

式中:Gf- 弹簧刚度，N/m

1- 弹簧预压缩量，m

s- 活塞行程，m d1- 弹簧钢丝直径，m D1- 弹簧平均直径，.

n- 弹簧有效圈数.

G- 弹簧材料剪切模量，一般取G79.4109Pa

在设计中，必须考虑负载率的影响，则:

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F1D2p4Ft

由以上分析得单向作用气缸的直径:

D4(F1Ft)

p代入有关数据，可得

79.4109(3.5103) Gf3338(3010)158D1n3677.46(N/m)

Gd144FtGf(1s) 3677.4660103

220.6(N)所以:

D4(F1Ft)pn4(490220.6)

0.510665.23(mm)

查有关手册圆整，得D65mm 由d/D0.20.3,可得活塞杆直径:

d(0.20.3)D1319.5mm

圆整后，取活塞杆直径d18mm校核，按公式F1/(/4d2)[] 有:d(4F1/[])0.5

其中，[]120MPa，F1750N 则:

d(4490/120)0.5

2.2818

3,缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之

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比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

DPp/2[]

式中:6- 缸筒壁厚，mm

D- 气缸内径，mm

Pp- 实验压力，取Pp1.5P, Pa 材料为:ZL3,[]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:

DPp/2[]

656105/(23106)

6.5(mm)取7.5mm，则缸筒外径为:D1657.5280(mm)

4.3 手腕结构设计

考虑到机器人的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 4.3.1手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机器人的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机器人抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。

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4.3.2手腕转动时所需的驱动力矩

4.3.3 回转气缸的驱动力矩计算

在机器人的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:

pb(R2r2)2MM, 或p 222b(Rr) 26

图4-4 四杠汽缸桶图

图中：M=回转汽缸的驱动力矩 P=回转汽缸的工作压力

R=缸体内壁半径 r=输出轴半径 b=动片宽度

4.3.4 手腕回转缸的尺寸及其校核 1.尺寸设计

气缸长度设计为b100mm,气缸内径为D1=96mm,半径R48mm,轴径

D226mmD2=26mm,半径R13mm,气缸运行角速度=90/s，加速度时间

t=0.1s, 压强P0.4MPa,

则力矩

pb(R2r2) M

20.41060.1(0.04820.0262) 232.6(N.m)2.尺寸校核

(1) 测定参与手腕转动的部件的质量m110kg,分析部件的质量分布情况，

质量密度等效分布在一个半径r50mm的圆盘上，那么转动惯量：

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m1r2J

2100.052

20.0125（kg.m2）

工件的质量为5kg,质量分布于长l100mm的棒料上，那么转动惯量

ml2Jc1250.12 120.0042(kg.m2)假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l100mm的棒料来说，最大偏心距

e150mm，其转动惯量为: JJcm1e120.004250.052 0.0167(kg.m2)M惯 (JJ1)t

900.1

(0.01250.0167)26.3(N.m)2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，e10，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线

e350mm,则

M偏G1e1 +G3e3

101005100.05

2.5(N.m)3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承f0.01，对

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于滑动轴承f=0.1，d1 ，d2为手腕转动轴的轴颈直径，d130mm, d220mm,

RA,RB为轴颈处的支承反力，粗略估计RA300N,RB150N,

f(RAd2RBd1) 20.01(3000.021500.03) 2M摩 0.05(N.m)

4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计M封为M摩的3倍，

M封3M摩 30.05 0.15(N.m)

 M驱M惯M偏M摩M封 26.32.50.050.15 29(N.m) M驱〈M

设计尺寸符合使用要求，安全。

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第五章 四自由度工业机器人控制系统

工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，

组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，机器人控制系统也是一个计算机控制系统。

5.1 工业机器人控制基本要求

控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业的要求。在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。对工业机器人的控制功能大致有如下的基本要求和特点。

A、实现对位姿、速度、加速度等的控制功能

在机器人的各类作业中，运动和控制方式主要有两种。

1）点位控制方式（PTP控制） 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定的点上进行操作，因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量要求。而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）则不作任何规定，这种控制方式易于实现，但不易达到较高的定位精度，适用于上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中。

2）连续轨迹控制方式（CP控制） 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速度在一定精度要求内运动，以完成作业要求，这种必须保证机器人各关节连续、同步地实现相应的运动。这种连续轨迹运动，可看成是若干密集轨迹曲线。若设定的点足够密，就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动。

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B、存储和示教功能

要使机器人具有完成预定作业的功能，须先将要完成的作业示教给机器人，这个操作过程称为示教，将示教内容记录下来，称为存储。使工业机器人按照存储的示教内容进行动作，称为再现。所以工业机器人的动作是通过示教—存储—再现的过程实现的。 C、对外部环境的检测和感觉功能。

5.2 计算机控制系统的设计方案

控制系统采用二级计算机控制方式，选用IBM-PC，80C51系列CPU。

第一级机担负管理，示教编程，控制再现，轨迹正逆运算，机器人语言的编辑和编译，通过串行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算，位置检测等工作，根据插补算出的各关节位置增量做位置给定。

一级机与示教盒通讯采用串行RS-232接口，既接收示教盒信息，完成示教动作，又向二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量，驱动伺服控制系统，选用速示教盒发送信息，显示示教情况。还可以连接软驱，CRT终端。 度单元，伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统。

5-1 机器人控制系统框图

5.3 硬件电路的组成

图4-1是采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：

1) 主从CPU都采用8031芯片；

2) 主从CPU各扩展程序存储器27256一片，扩展数据存储器62256一片；

3) 主CPU扩展可编程串行通信接口芯片8251A一片；可编程多功能接口芯片8155一片；

电平转换芯片MAX232一片；

4) 从CPU扩展可编程多功能接口芯片8155六片；D/A转换器DAC0832六片；运算放大

器μA741六片；PWM功率放大器六片；光电编码器六片；

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5) 地址锁存器、译码器各两片； 6) 键盘电路，显示电路； 7) 光电编码电路，功率放大电路； 8) 报警电路，暂停、急停电路，复位电路；

第六章 工业机器人运行时应采取的安全措施

有些国家已经颁布了关于机器人的安全法规和相应的规程,国际标准化协会也有业机器人安全规范(ISO/TC184/SC2/WG3-DP10218)。在工业机器人的生产厂家，有严格的管理规定和详尽的技术保障体系。

在机器人应用工程中，要参照有关规程、规范以及工业机器人的说明资料，注意落实安全措施，杜绝发生机器人伤人或其它事故。

6.1 安全要求

工业机器人能代替人在危险有害的环境中作业。但又给人另一种危险，即机器人伤人事故。这是工业机器人安全管理的最为重要的一条原则。此外，除了通用的工业安全规程外，还要注意工业机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。 对工业机器人应用工程的安全要求有如下几条：

1) 必须为工业机器人和周边设备安装安全护栏，以防止人靠近而造成伤害。工业机器人的

动作范围不能超越护栏。

2) 在护栏出入口的门上必须设置插拔式电接点点开关，其插座有导线与控制系统的电路连

接。只有拔下开关的插头，才能打开对应的门。这时，工业机器人及周边设备停止运转，并且将工业机器人锁定在示教模式。

3) 在距操作者的地方设置紧急停止开关。按下此开关，工业机器人和有关的设备立即停止

运转。

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4) 在人机结合部设置传感器。当操作者在此处上、下料或装卡工作时，控制系统要有相应

的安全对策。

5) 在生产设备旁边的显著位置用大型指示灯箱表示生产系统的当前状态。如运转、调试、

停止等。

6) 设置工业机器人的作业的作业原点，并在生产系统的操作盘上设置相应的指示灯，使操

作者容易判断工业机器人本体的位置状态。

7) 示教作业时应降低工业机器人的运动速度，并且要另有一人专门监护，一但发现异常应

立即停机。

6.2 实施方法

在工业机器人应用工程中，不仅要注意对人员的危险性，而且还要考虑包括工业机器人在内的设备的安全性。为此生产厂家在工业机器人及控制系统的软硬件方面应尽可能地增加有关功能，以确保安全。例如，用软极限的功能可设定工业机器人操作机（本体）的实际动作小于标称最大动作范围。当控制点运动到软极限位置时，工业机器人自动停止并报警，不会超越设定的区间。因此，可以将工业机器人本体的动作限制在实际作业的领域内。又如对于弧焊的应用，生产厂家可提供一种带有碰撞传感器的焊枪把持器及焊枪后，示教作业及再现运动时，一但焊枪撞上工件或其他物体时，工业机器人将立即停机。为了确保工业机器人应用工程中的安全，必须实施确保安全要求的具体措施。

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第七章 结论

在这次毕业设计中，我有很多收获，首先把我几年来所学的知识做了一次系统的复习，更深一步了解了所学的知识，培养了我综合运用所学知识，独立分析问题和解决问题的能力，也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。这对我以后的工作有很大的帮助,今后我会在工作中不断的学习,努力的提高自己的水平。经过本次设计，我切实体会到作为一个优秀的设计人员的艰难性。在设计过程中，我经常遇到各种各样的问题，有的是知识方面的不足导致的，有的是设计经验方面不足导致的。这些问题有时使得我束手无措，不过在指导老师帮助和自己的努力下，终于使得我顺利完成了设计。行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据

虽然我的设计存在很多不足的地方，但在这两个多月的时间里，我学到了很多有用的知识，也积累了一定的设计经验，这些对于我即将要走向社会工作岗位，将起到很关键的作用。

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致 谢

本文是在我尊敬的导师悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。在此，我首先向导师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意!在课题的研究和开发阶段，得到了工程学院老师的大力支持和帮助，在此一并向他们表示衷心的感谢。在日常生活和学习中，工程学院的各位老师，俞国燕教授，以及全体同学给与我大力支持和帮助，在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师和同学们表示衷心的感谢。感谢父母 、家人，感谢所有关心我的朋友和老师，感谢广东海洋大学的学习环境。

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参考文献

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