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范文一：仿犬机器人结构设计
河北工业大学本科毕业设计任务书
毕业设计（论文）题目：仿犬机器人结构设计
适用专业： 机械设计制造及其自动化
学生信息：学号：105433 姓名：张晓佟 班级：机设C102
指导教师信息：张建华 副教授
下达任务日期：2014-1-9
一、内容要求
当代机器人研究的领域，已经从结构环境下的定点作业中走出来向航空航天、星际探索、军事侦察、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展。未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里为人类工作，人们要求机器人不仅适应原来结构化的已知的环境，更要适应未来发展中的非结构化的未知的环境，除了传统的设计方法，人们也把目光对准了生物界，力求从丰富多彩的动植物身上获得灵感将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机理和控制的研究中。
仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。本课题拟以犬为生物原型，基于仿生学与机器人学，提出一种仿犬机器人机构，并完成相应的机械设计。本课题要求在了解仿生机器人现状的基础上，分析各种机器人的结构特点，拟定总体方案，进行仿生机器人进行结构设计。利用三维软件绘制仿生机器人。 绘制机器人零件图，总装图，撰写设计计算说明书。
主要要求：
1.综合运用所学知识解决实际工程设计和试验研究课题；
2.能独立设计运算、分析、绘图、实验、数据处理、撰写技术报告；
3.掌握工程设计和科学研究的基本方法，学会调查研究，查阅技术文献、资料、手
册、工具书等；
4.机构设计 从机构学角度研究其机构特性。
5.结构设计 依据机械设计方法和提出的机器人移动机构，进行机械设计，完成三维虚拟样机。
6.运动仿真 依据设计的三维虚拟样机，完成运动学分析
二、研究方法
研究的主要方法是：
1． 查阅国内外相关资料（不一定和题目完全一致，只要动作或功能相似都可以。）写
出文献综述和开题报告并确定详细的研究进度。
2． 确定总体方案。
3． 绘制装配图。
4． 绘制零件图。
5． 撰写设计说明书。
三、过程要求
1．工作进度
1-2周：查阅资料，撰写文献综述和开题报告；
3周：确定总体设计方案；
4-9周：绘制二维装配图，零件图
10-12周：绘制三维图，及其三维仿真装配；
13周：撰写设计说明书；
14周：毕业答辩。
2．成果要求
1）装配图和主要零件的零件图：总图量不少于折合A0图纸3张（不包括示意图）， 其中结构图（装配图）不少于折合A0图纸1张。
2）设计说明书：说明书必须包括计算等内容，说明书字数不少于10000字。
3）使用UG进行三维画图。
参考资料：
[1] 李谋.位置检测与数显技术.机械工业出版社，1993.7.
[2] 王鸿钰.步进电机控制技术入门.同济大学出版社，1990.9 .
[3] 何希才.传感器应用及其接口电路.科学技术文献出版社，1996.5.
[4] 工业机械手设计基础.天津科学技术出版社，1980.8．
[5] 周伯英工业机器人设计.机械工业出版社，1995.8.
[6] 机械设计手册（上、中、下）.机械工业出版社．
[7] [苏]E.и.尤列维奇等 . 机器人和机械手控制系统.新时代出版社 ，1985.4.
三、编辑和打印
PDF文本、5号宋体、1.5倍行距、首行缩进2字符。A4纸双面打印。
范文二：喷漆机器人结构设计
学 号___________
密 级___________
喷漆机器人结构设计
Construction Design of Painting Robot
学生姓名 ：xx
所在学院 ：xxxxxxxx
所在专业 ：xxxxxxxxxxxxxx
指导教师 ：xxxxxxxxxxxxxx
职 称 ：xxxxxxxxx
所在单位 ：xxxxxxxxxxxxxx
论文提交日期 ：xxxx年x月xx日
论文答辩日期 ：xxxx年x月xx日
学位授予单位 ：xxxxxxxxxxxxxxx
摘 要
由于目前使用的油漆大多含有苯，笨是一种极易挥发，并且能致癌的化学物质。在没有任何防护的情况下进行喷漆作业对工人的危害极大的，因此各种各样的喷漆机器人应运而生。
本文设计了一种关节式喷漆机器人，具有六个自由度，其中手腕关节具有三个自由度，其它的关节各具有一个自由度，各个关节采用电机驱动。
本文设计的喷漆机器人采用了类似于铰链四杆机构的结构形式。驱动小臂运动的电机安装在腰部回转盘的上面，通过带动铰链四杆机构间接驱动小臂实现俯仰运动，这样避免了把电机直接安装在大臂和小臂的连接处，从而减小了小臂自身的重量，同时减小了驱动大臂和腰关节的电机所需要的功率与力矩，这种铰链四杆机构还使小臂实现自身的重力平衡从而减小了静力矩。喷漆机器人的主体采用了铝合金材料，减轻了自身的重量。喷漆机器人的整体动态性能也因此提高。
关键词：喷漆机器人；关节式；结构设计
Abstract
Nowadays most paint contains benzene．The benzene is very volatile，toxic and carcinogenic．It does harm to the workers heavily when the protection is absent．So different kinds of painting robots appeared and developed greatly．
A joint type painting robot was designed in this paper．It had six degrees of freedom．The wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedom．The painting robot’s joints were driven by motors．
Parallelogram structure was used in the robot．The motor which was installed on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structure．The structure avoided installing the motor directly on the joint to reduce the forearm’s weight．So the burden of the motors which drive the upper arm and the waist were reduced．Also this structure made the forearm realize balance itself and reduce the static torque．Aluminum alloy was used greatly in the robot，so the weight of the robot was reduced．Also the dynamic performance was improved．
Keywords：painting robot；joint；structure design
目 录
摘 要 .................................................................................................................. I
ABSTRACT ............................................................................................................ I
第1章 绪论 ......................................................................................................... 1
1.1 机器人的研究发展现状 ......................................................................... 1
1.2 机器人发展趋势 ..................................................................................... 1
1.3 国内外喷漆机器人的研究概况 ............................................................. 4
1.3.1 国外喷漆机器人的研究概况 ..................................................... 4
1.3.2 国内喷漆机器人的研究概况 ..................................................... 4
1.4 本文研究主要内容以及背景和意义 ..................................................... 6
第2章 总体结构设计 ......................................................................................... 7
2.1 确定驱动系统 ......................................................................................... 7
2.1.1 驱动系统 ..................................................................................... 7
2.1.2 确定驱动机型和自由度 ............................................................. 7
2.2 喷漆机器人的运动参数 ......................................................................... 8
2.3 各个关节的结构形式和平衡方式 ......................................................... 8
2.3.1 腕关节的传动机构 ..................................................................... 9
2.3.2 小臂的传动机构 ........................................................................ 10
2.3.3 大臂的传动机构 ....................................................................... 10
2.3.4 腰部的传动机构 ....................................................................... 11
2.4 本章小结 ............................................................................................... 11
第3章 喷漆机器人机构设计 ........................................................................... 13
3.1 喷漆机器人数学模型的建立与分析 ................................................... 13
3.2 腕部设计 ............................................................................................... 16
3.2.1 电机的选择 ............................................................................... 16
3.3 小臂的设计 ........................................................................................... 17
3.3.1 小臂设计的总体要求 ............................................................... 17
3.3.2 铰链四杆机构的设计 ............................................................... 17
3.3.3 电机的选择 ............................................................................... 18
3.3.4 齿轮的设计与校核计算 ........................................................... 21
3.4 大臂的设计 ........................................................................................... 24
3.4.1 大臂设计的总体要求 ............................................................... 24
3.4.2 电机的选择 ............................................................................... 24
3.4.3 齿轮的设计与校核计算 ........................................................... 26
3.5 腰关节的设计 ....................................................................................... 28
3.5.1 腰关节设计的总体要求 ........................................................... 28
3.5.2 电机的选择 ............................................................................... 28
3.6 传感器的选择 ....................................................................................... 29
3.7 本章小结 ............................................................................................... 30
第4章 轴、螺钉的设计与校核 ....................................................................... 31
4.1 大轴1的结构设计与校核 ................................................................... 31
4.1.1 大轴1的结构设计 ................................................................... 31
4.1.2 大轴1的强度校核 ................................................................... 32
4.2 大轴2的结构设计与校核 ................................................................... 34
4.2.1 大轴2的结构设计 ................................................................... 34
4.2.2 大轴2的强度校核 ................................................................... 35
4.3 小轴1的结构设计与校核 ................................................................... 35
4.3.1 小轴1的结构设计 ................................................................... 35
4.3.2 小轴1的强度校核 ................................................................... 36
4.4 小轴2的结构设计与校核 ................................................................... 39
4.5 回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核 ............................................... 39
4.6 本章小结 ............................................................................................... 39
结 论 ................................................................................................................... 39
参考文献 ............................................................................................................... 40
攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果 ........................................... 42
致 谢 ................................................................................................................... 43
第1章 绪论
1.1 机器人的研究发展现状
机器人有50至60年的发展历史。1959年美国的发明家英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台机器人，机器人第一次出现在人们的视野中。英格伯格在大学时攻读的伺服电机理论，伺服电机理论是一种研究机构如何能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔于1946年发明了一种可以“重演”记录的运动的机器。德沃尔又于1954年获得可编程机械手专利，这种机械手臂能够按程序进行工作，同时也可以根据不同的工作需要以及工作对象编制不同的控制程序，因此在实际工作中具有很好通用性和灵活性。英格伯格和德沃尔都是研究机器人的著名发明家，他们都认为汽车工业是最适于用机器人的行业，因为汽车制造行业是用重型机器进行工作的，而且生产过程比较固定。英格伯格和德沃尔又于1959年联手制造出第一台工业机器人。这种机器人外形类似于坦克炮塔，基座上安装有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂的末端又可以伸出一个小机械臂，它相对大臂可以做伸缩运动。小臂的末端装有一个手腕，可绕小臂的轴线旋转。手腕的末端装有机械手。
这台工业机器人成为世界上第一台真正可以用于实际工作的工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了尤尼梅逊公司，进而创办了世界上第一家机器人制造工厂。他们因此被称为机器人之父。1962年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。这两家公司制造的工业机器人成为了世界上最早的而且至今仍在使用的工业机器人。
近六十年来机器人的发展史，大致经历了三个重要的阶段。第一阶段为简单个体类机器人， 第二阶段为群体劳动类机器人，第三阶段为类似人类的智能机器人。机器人发展是向着有知觉、有思维、能与人对话的方向发展的。
到了二十世纪九十年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术的迅速发展，机器人技术也有了质的飞跃。除了工业机器人的性能不断提高之外，各种各样的用于其他行业的机器人也有了巨大的进展。
工业机器人的发展非常迅速，下面对几个重要的研究的方向做简单的介绍。
机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。
并联机器人：主体采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。
控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。
传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。
网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。
先进机器人的发展也异常迅速。近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。下面就几个研究热点做一简单的介绍。
水下机器人：目前主要用于海洋石油开采、海底勘查、落水人员救捞、管道铺以及电缆的铺设和维护。主要有有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。
空间机器人：空间机器人技术一直是机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人等。美国NASA的空间机器人是一辆自主移动车，重量为11.5kg，外型尺寸630~ 48mm，有6个车轮，它在火星探测上的成功应用，引起了全球范围内的广泛关注。
核工业用机器人：国外的研究方向主要集中在机构灵巧、动作准确可靠、响应速度快、重量轻、刚度和强度良好、装有便于装卸与维修的高性能伺服机械手以及能半自主和自主移动到任意位置。
地下机器人：地下机器人主要有挖掘机器人和地下管道检修机器人两大类。目前日、美、德等发达国家已研制出了用于石油、天然气输送管道检修的地下机器人。各种挖掘机器人以及自动化系统也正在研制当中。
医用机器人：主要用于医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。
建筑机器人：如用于高层建筑的抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、用于擦玻璃的机器人等，并已经应用于实际生活中。
军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和
触摸等能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能[1]。
可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。
1.2 机器人发展趋势
目前国际上各国都在加大机器人的研究力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。研究内容主要有以下10个方面：
1、工业机器人的操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步增强负载/自重比。向着模块化、可重构的方向发展。
2、机器人控制技术：重点研究开放式和模块化控制系统，人机界面更加清楚明朗，语言、图形编程界面还正在研制当中。机器人控制器向着标准化和网络化的方向发展，基于PC机网络式的控制器已成为当今世界研究的热点。对于编程技术，除了进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。
3、多传感系统：为进一步提高机器人的智能性和适应性，多种传感器的使用是这个问题解决的关键。其研究热点在于研制出有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一个问题就是传感系统的实用化。
4、机器人的结构越来越灵巧，控制系统也越来越小，二者正朝着一体化的方向发展。
5、机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。
6、虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥感操作和人机交互。
7、多智能体调控制技术：这是目前机器人研究领域中的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。
8、微型和微小机器人技术：这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去该领域的研究几乎是空白的，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的
研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。
9、软机器人技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人在设计是没有考虑与人紧密共处，因此其所用材料多为金属或硬性材料。软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的。
10、仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究[2-5]。
1.3 国内外喷漆机器人的研究概况
1.3.1 国外喷漆机器人的研究概况
在国外喷漆机器人的设计与制造是一项十分成熟的技术，已经有三十年以上的发展历史。喷漆机器人最早是由挪威Trallfa公司（后并入ABB集团）于1969年发明的。最早运用该技术的是美国的Minhit公司、德国的Hatel公司、英国的Fudge公司等，对机器人和印刷业的发展产生过深远的影响。当时使用的是MK的h16机器人，采用的是气体和液体相结合的流量控制系统。80年代初期Hatel公司在h16机器人上首次采用气压控制的流量控制系统，同时装备了带有抽吸装置的内置阀，可避免初始污染。90年代初首次在Bergerlahr机器人自动喷涂设备上试装了涂料流量控制装置，使喷涂质量有了巨大的飞跃。随着喷涂机器人的设计与制造技术的不断创新，喷漆机器人的喷涂精度得到了巨大的提高，使得喷漆机器人在世界发达国家得到了广泛的应用。
1.3.2 国内喷漆机器人的研究概况
国内的喷涂机器人的研究始于二十世纪八十年代。最早的喷涂机器人的研究是由北京机械工业自动化研究所机器人中心所进行的，从七十年代初就开始了工业机器人的制造技术及其应用方面的研究。改革开放以来由于国内的汽车制造业和大型的机械制造业的发展和需求，国内的许多汽车制造厂家和大型机械的制造公司也正在开发和研究适合自己企业实际生产状况的喷涂机器人。同时许多国外的知名喷涂机器人制造厂家也纷纷与国内的企业合作或者是在国内设立分公司。如日本的安川Motoman公司与国内首钢合作，生产和研发多种用途的工业机器人；ABB公司也在上海和北京设立分公司，主要销售用于喷涂和非用于喷涂的两类工业机器人。到目前为止，喷涂机器人己成为国内市场上数量最多的工业机器人之一，但国内生产厂家自主研发和生产的喷涂机器人一般
性能不够稳定、重复定位精度低、使用寿命短、喷涂质量不好，至今还未成功地应用于汽车车身涂装生产线或者是其他需要包装机械的生产线。国内使用喷涂机器人进行汽车车身涂装的汽车制造厂家基本上是采用国外喷漆机器人制造商的喷涂机器人和生产线，但是普遍存在故障排除困难、兼容性差、维修困难、升级困难等问题，从而难以真正发挥设备本身的作用。绝大部分中小型企业还是采用人工喷涂，绝大多数喷涂产品的质量不太理想，同时喷漆的浪费比较大，工人劳动强度大，工作时间短，而且涂料内的挥发物质对人体健康有很大的损害，因而开发研究和制造生产适合于国内厂家生产实际状况的高精度的喷涂机器人是十分必要的。
1.4 本文研究主要内容以及背景和意义
随着改革开放和我国加入世贸组织，近几年来我国的汽车制造业高速发展起来。汽车制造业在自身发展的同时也促进了机械制造业的发展，其中对工业机器人发展的促进作用尤为显著。在汽车制造生产过程中，汽车车身的涂装是最主要的生产工艺之一。涂装质量的高低决定了汽车表面的耐腐蚀能力的强弱、使用寿命的长短、汽车是否美观，而且人们在购买汽车时，对于汽车产品最直接的评价就来源于汽车的外观，因此喷涂质量的高低直接影响了一个汽车产品在市场中的竞争能力和生产厂家的经济效益。
喷漆机器人具有轨迹灵活、柔性大、操作简单、维修方便、利用率高等特点。所以在汽车制造业中喷漆机器人应该是首选的涂装设备。然而我国的工业机器人的起步较晚、技术比较落后，间接导致了我国自行生产的喷漆机器人在控制精度、轨迹运行精度、喷涂质量、工作稳定性、使用寿命、性价比等方面上与发达国的喷漆机器人存在着较大的差距。目前我国的部分汽车生产厂家还在使用轨迹灵活度较低、柔性差的自动喷涂机来进行汽车车身的涂装，少数企业虽然采用了外国设备制造商的喷漆机器人，但是仍然存在着价格昂贵、维护费用高、兼容性低等问题，从而导致了竞争力和经济效益的下降。因此实现高质量的喷漆机器人的国产化，对于我国工业机器人的发展和汽车制造业的发展具有十分重要的意义。
本文以用于汽车车身的喷漆机器人为研究对象，对喷漆机器人的结构设计进行了研究。全文主要内容如下：
1.阅读工业机器人和包装机械的相关书籍，确定了各个关节的传动方案。根据设计要求里的工作空间的要求，通过简单的计算方法，确定了两个手臂的长度。
2.初步设计了传动部分的结构和连接形式，并用CAD绘制出了主要零部件的零件图和一张总装图以及腰部回转部分的部装图与腕部回转部分的部装图。
范文三：工业机器人结构设计
第２５卷第６期２０１２年１１月
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ
机电产品开发与钏新
ｏｆ
ＶＯＩ．２５，ＮＯ．６Ｎｏｖ．，２０１２
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ
文章编号：１００２—６６７３（２０１２）０６—０１３—０３
工业机器人结构设计
朱同波，蔡凡，刘伟
（闽南理工学院，福建泉州３６２７００）
摘
要：在了解工业机器人在国内外现状的基础上．根据工业机器人内部结构和５－．作原理，对机器人腕部
进行结构设计。为工业上机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考，为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。
关键词：机器人；结构设计；专用轴承；动力布置中图分类号：ＴＢ４７，ＴＰ２４２
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－６６７３．２０１２．０６．００５
ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＲｏｂｏｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎ
ＺＨＵＴｏｎｇ－Ｂｏ．ＣＡＩ
Ｆａｎ，ＬＩＵＷｅｉ
（ＭｉｎｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ
ａｔ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＱｕａｎｚｈｏｕＦｕｊｉａｎ３６２７００，Ｃｈｉｎａ）
ｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ａｎｄ
ｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔｉｎｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｓｉｔｕａｔｉｏｎ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ｔＯ
ｔＯｉｎｔｅｒｎａｌ
ａｎｄ
ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗｒｉｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ．Ｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｆｏｒｉｎｄｕｓｔｒｙ
ｗｉｔｈ
ｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，
ｄｅｓｉｇｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄａｔａｆｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｄｅｓｉｇｎｅｒｓｄｅｓｉｇｎ
ｔｈｅｏｒｙａｎｄｄｅｓｉｇｎ
ｐｒａｃｔｉｃｅ
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ；ｓｐｅｃｉａｌｂｅａｒｉｎｇ；ｐｏｗｅｒａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ
０引言
机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值高，应用范围广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。从２０世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，到２０１５年中国机器人市场的容量约达十几万台套。
２工业机器人结构系统
２．１工业机器人构造
从功能角度分析可将机器人分解成四个部分：操作机、末端执行器、传感系统、控制器。
操作机：是由机座、手臂和手腕、传动机构、驱动系统等组成．其功能是使手腕具有某种工作空间，并调整手腕使末端执行器实现作业任务要求的动作。
末端执行器：也叫工业机器人的手部，它是安装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。
感器系统：是指要机器人与人一样有效的完成工作。必须对外界状况进行判断的感觉功能。与机器人控制最紧密相关的是触觉。视觉适合于检测对象是否存在，检测其大概的位置、姿势等状态。相比之下，触觉协助视觉．能够检测出对象更细微的状态。
控制器：机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。主要是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。在机器人中采用的控制系统有：点位的和轮廓的；同步的和异步的；数字的和模拟的。可根据机器人的技术与经济要求及工艺任务的特点来选择控制系统的具体方案。
１工业机器人的基本工作原理
工业机器人是一种生产装备，其基本功能是提供作业所须的运动和动力．其基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动．自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。因此在基本功能及基本工作原理上，工业机器人与机床有相同之处：二者的末端执行器都有位置变化要求，而且都是通过坐标运动来实现末端执行器的位置变化要求。当然机器人也有其独特的要求，是按关节形式运动为主，同时机器人的灵活性要求很高，其刚度、精度要求相对较低。
收稿日期：２０１２—１０一０９
作者简介：朱同波（１９８６－），男，教师。研究方向：机械设计制造；蔡凡（１９８６一），女，教师。研究方向：电子通信工程。
１３
万方数据
?开发与创新?
２．２主要结构尺寸
根据ＡＩＩ—Ｖ６Ｌ型工业机器人的主要参数进行设计。主要结构尺寸如图Ｉ所示。机器人的工作范围见图２。
选择型号为ＳＧＭＡＨ－０ＩＡ，额定功率为ＩＯＯＷ，额定转矩为０．３１８Ｎ?ｍ。额定转速为３０００ｒｌｍｉｎ，重量为０．７ｋｇ的交流伺服电动机。
（２）Ｂ轴和Ｔ轴电机的选择。根据设计要求取相同型
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号的电机．选择型号为ＳＧＭＡＨ－０１Ａ交流伺服电动机。
３．４传动比的确定
（１）Ｒ轴总传动比的确定。角速度∞－－４００。／ｓ。即∞＝６．９８ｒ／ｍｉｎ。再求实际转速ｎ７：
一
ｎ，－婴：下６０ｘ６．９８：６６．６９ｒ／ｍｉｎ
ｎ７为转速（ｒ／ｒａｉｎ）。最后求得总传动比：
图１主要结构尺寸
圈２工作范围
ｉ辩了ｎ＝揣ｍ１４．９９（取整ｉ”１５）
（２）用同样的方法，可求得：Ｂ轴总传动比ｉ总２＝１５；Ｔ轴总传动比ｉ总３＝１０。
（３）传动比的分配。传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性以及齿轮的结构尺寸．要做到结构合理。
３腕部设计
在设计中为减轻机器人本体的重量选用铸铝材料。
３．１手腕结构的确定
手腕是联接手臂和末端执行器的部件，其功能是在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标（自由度）的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态（方位）坐标，即实现三个旋转自由度。通过机械接口，联接并支承末端执行器。根据机器人的作业要求来决定其应具有的自由度数目。
①Ｒ轴传动比分配：Ｒ轴总的传动比ｉ尊。＝１５，该传动经谐波减速器直接驱动小臂回转；②Ｂ轴传动比分配：Ｂ
轴总的传动比ｉ总：＝１５，该传动先经谐波减速器减速，再经两级传动，第一极传动为圆锥齿轮传动，传动比
ｉ：ｌ＿ｌ，第二极传动为同步齿形带传动，传动比ｉ：Ｉ＿１；③
Ｔ轴传动比分配：Ｔ轴总的传动比ｉ息３－－１０，该传动经谐波减速器减速再经三级传动。第一极传动为圆锥齿轮传动，传动比ｉ３ｌ－ｌ，第二极传动为同步带传动。传动比
３．２基本参数的确定
确定了空间结构和手腕结构后，可确定手腕回转、手腕摆动及手腕旋转三个姿态的自由度。其参数见表ｌ
（参数来于ＳＳＡ２０００工业机器人）。
表１机器人的主要规格参数
手腕回转（Ｒ轴）
±１５００４０００／ｓ
ｉ萨ｌ，第三极传动为圆锥齿轮传动，传动比ｉ”＝１．３５。３．５谐波减速器的选择
谐波齿轮减速器是一种新型的机械传动变速机构。
手腕摆动（Ｂ轴）
＋ｌｇＯｏｌ－４５。４０００／ｓ
手腕旋转（Ｔ轴）
±３６０。６ｃＩｏ？／ｓ
±１５００
额定载最大速度Ｉ（ｍｌｓ）
１．４
荷，Ｉ【ｇ
３
与普通齿轮传动相比，具有体积小，重量轻，结构简单．
它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少５０％。体积和重量均减少ｌ，３左右或更多。传动比范围大（单级传动比为４０～３５０，多级传动比可达１６００～１０００００），传
动效率高（单级传动效率饥≥８５％），传动精度高．承载能力强等特点。
根据所选择的电机．选择型号为ＳＧＭＡＨ—ＯＩＡ。额定功率为ｌｏｏＷ，额定转矩为０．３１８Ｎ?ｍ，额定转速为
３０００ｄｒａｉｎ的交流伺服电动机。同时选择ＸＢｌ谐波减速
手腕回转（Ｒ轴）
动作范围
手腕摆动（Ｂ轴）手腕旋转（Ｔ轴）
额定载荷最大速度
４嫡Ｐｌｓ
＋１８００，—４５。
±３６０９
枷。，ｓ
６∞ｏ，ｓ
３ｋｇ
１．４ｍ／ｓ
机，机型为２５，减速比为４０，输出力矩为１．０Ｎ?ｍ，输入转速为３０００ｒ／ｍｉｎ。为了订货和维修方便，三轴均采用同一种减速器。
３．６壳体的设计
机座部分采用铸铝材料，方形结构，臂厚５～１２ｍｍ。机身部分采用铸铝材料，圆筒形结构，臂厚－８ｍｍ。大臂外壳采用铸铝材料．厚度均为６－Ｓｍｍ。小臂箱体和小臂外壳采用铸铝材料，结构为方形，侧面为铸件其它三面为铸铝板材。手腕外壳和手腕箱体采用铸铝材料，结
１４
?开发与创新?
构为方形，两侧面、背面、底面为铸件，端面和正面为铸铝板材。臂厚５－８ｒａｍ。其它部分具体尺寸由结构决定．见图３。
或隔离件的结构形式。为１．保持策２．内圈３．＊１＂１１便于装配。交叉滚子轴承ｓ．滚动体外因或内圈采用双半结
４．密封圈
圈４薄整四点接艟球轴承
构，用螺钉连接，内、外因滚道与轴承轴线呈４５０角，滚道之间交替放置互成９００的圆柱滚子。滚子直径一般
应大于滚子长度，可承受径向载荷及两个方向的轴向载
圈３腕部结构
荷以及倾覆力矩．相当于两套接触角ｃｔ－＿４５０的角接触轴
承背靠背安装的组配。特别适合安装在工业机器人的腰部、肩部等关节部位。
４机器人轴承设计
球轴承是机器人和机械手机构中最常用的轴承。它能承受径向和轴向载荷。摩擦较小。其机器人专用轴承四点接触式设计以及高精度加工。这种轴承比同等轴径的常规中系列四点接触轴承轻２５倍。它的内圈（或外
５结束语
各种工业机器人可以以单机形式使用，也可以作为生产系统中的一种构成部分使用。随着社会需求发展的变化，工业生产多品种小批量方向发展，对制造系统的柔性要求越来越高。工业机器人灵活性好。因此在柔性
圈）由两个半圈精确拼配而成，而其整体外围（或内圈）
的沟曲率半径较小，使钢球与内、外圈在四个“点”上接触。既加大了径向负荷能力．又能以紧凑的尺寸承受很的两个方向的轴向负荷，并且有很好的两个方向的轴向限位能力，因为它的轴向游隙相对较小。而其接触角（一般取为３５。）又较大。
工业机器人专用薄壁四点接触球轴承通常有带密封圈和不带密封圈的结构形式（见图４）。其主要由内圈、外围、保持架、钢球或非接触式密封圈组成。内、外圈均为整体结构。钢球与内、外因沟道呈四点接触．保持架
制造系统内各种应用越来越多。
参考文献：
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２００７．
（上接第２４页）滤器、高压板式过滤器，从３号口出。位和滤清器堵塞报警指示。两者的通讯连接关系如图３所示。
回到装备主油路，实现利用装备动力的滤油功能；（Ｄ内
部动力过滤：电磁阀Ｄ２得电。传动油从吸油过滤器进
州ｎＵ
Ｃ二ｊ
４＾抛＾Ｏ
入油泵，经强磁过滤器、高压板式过滤器回到清洗机内部油箱，实现对滤清机油箱的滤油功能；④外油进清洗
机：电磁阀Ｄｌ得电，外部传动油经Ｉ号口、吸油过滤器进入油泵。经强磁过滤器、高压板式过滤器。进入清
６结束语
工程装备传动油滤清机集多种功能于一体，按系统提示操作，通过连接不同的管路。可实现传动系统的压力清洗、动力加油、废油
图３ＰＬＣ与ｌｎⅡ通讯连接关
系示意圈
Ｆｉｇ．３
Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
洗机内部油箱。实现滤清机油箱的补油功能；（勖向装备内加油：电磁阀Ｄ２、Ｄ５得电。传动油从吸油过滤器进
入油泵，从３号口出去，到达装备加油口，实现装备加油、补油功能。
（３）控制原理：选用可编程序控制器（ＰＬＣ）作为清洗设备电气控制系统的主控单元；选用液晶显示的人机界
ｅｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ
ｂｅｔｗｅｅｌｌＰＬＣａｎｄ
Ｉ姗
收集，利用被保养装备动力进行传动油过滤，传动油液
过滤精度可达到１０ｐＬｍ。所有滤清过程可以实现定时作业，所有补油、加油可以实现定量操作。极大地简化了
面控制系统（ＨＭＩ）作为显示、操作单元。把ＰＬＣ和ＨＭＩ
二者有机结合。实现控制过程中流量和时间的设定、液
使用人员的操作难度，提高了传动系统保养的效率。
１５
工业机器人结构设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
朱同波， 蔡凡， 刘伟， ZHU Tong-Bo， CAI Fan， LIU Wei闽南理工学院,福建泉州,362700
机电产品开发与创新
Development & Innovation of Machinery & Electrical Products2012,25(6)2次
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3.黄继昌;徐巧鱼 实用机构图册 20084.日本机器人学会 新版机器人技术手册 2007
1.方启程,周俊,戴文静,李金波 基于Petri网的柔性制造系统中工业机器人故障诊断[期刊论文]-上海工程技术大学学报 2015(3)2.黄世亮 基于RR&PRR机构的五自由度混联机械臂的研究[学位论文]硕士 2013
引用本文格式：朱同波.蔡凡.刘伟.ZHU Tong-Bo.CAI Fan.LIU Wei 工业机器人结构设计[期刊论文]-机电产品开发与创新 2012(6)
范文四：工业机器人结构设计
1绪论
1.1工业机器人概述
工业机器人由操作机(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进化过程的产物，它是工业以及非工业领域的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手是模仿人手的部分动作，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械手被称为“工业机械手”。工业机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全
生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，由它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，工业机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。工业机械手的结构形式开始比较简单专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。
1.2工业机器人的组成和分类
1.2.1工业机器人的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。各系统相互之间的关系如方框图1.1所示。
图1.1机器人组成系统
1、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，可分为夹持式手部和吸附式手部。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)和传动机构所构成。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。平移型手指应用较少，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，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。而传动机构则是向手指传递运动和动力。传动机构型式较多常用的有: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
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。工业机械手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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
(5)行走机构
当工业机械手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，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式分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
机座是机械手的基础部分，机械手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。
2、驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手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。现在工业机械手的驱动系统大多采用液压传动。
3、控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械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，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(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，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
4、位置检测装置
控制机械手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。
1.2.2机械手的分类
工业机械手的种类很多，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。
1、按用途分
驱动系统是驱动工业机械手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。现在工业机械手的驱动系统大多采用液压传动。
3、控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械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，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(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，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
4、位置检测装置
控制机械手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。
1.2.2机械手的分类
工业机械手的种类很多，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。
1、按用途分
(1)专用机械手
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。专用机械手具有动作少、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械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。
(2)通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在其性能范围内，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。通用机械手的工作范围大、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。通用机械手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；伺服型可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
2、按驱动方式分
(1)液压传动机械手
液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。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，否则液压油的泄漏对机械手的工作性能有很
大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，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)气压传动机械手
气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：介质源极为方便，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械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
(3)机械传动机械手
机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，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，动作程序不可变。
(4)电力传动机械手
电力传动机械手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机械手，因为不需要中间的转换机构，故
机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，很有发展前途。
3、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械手均属于此类。
(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。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。
1.3国内外发展状况
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化。由关节模块、连杆模块重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问市。
(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化。器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自动化系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品，机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水
下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种。在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。
1.4课题的提出及主要任务
1.4.1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械手，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。
现在的机械手大多采用液压传动，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。
(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，采用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，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，因此降低了气动元件、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械手，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，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。
1.4.2课题的主要任务
本课题将要完成的主要任务如下:
(1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。
(2)选取机械手的座标型式和自由度
(3)设计出机械手的各执行机构，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。
2机械手的设计方案
对气动机械手的基本要求是能快速、准确地抓-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。设计气动机械手的原则是:
(1)充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求。
(2)尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动强度大和操作单调频繁的生产场合。
2.1机械手的座标型式与自由度
按机械手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。由于本机械手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
机械手具有立柱转动，立柱上下升降运动，手臂前后伸缩运动，和手腕回转运动四个自由度。
图2.1机械手的运动示意图
2.2机械手的手部结构方案设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手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;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。
2.3机械手的手腕结构方案设计
考虑到机械手的通用性，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。
2.4机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有两个自由度，即手臂的伸缩、左右回转运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。
2.5机械手的驱动方案设计
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，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。
2.6机械手的主要参数
1、机械手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，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为10公斤
2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.0m/s。最大回转速度设计为90o/s。平均移动速度为0.8m/s。平均回转速度为60o/s。机械手动作时有启动、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。大部分机械手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置为好。根据统计和比较，该机械手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。该机械手的定位精度为±1mm。
2.7机械手的技术参数列表
1、用途:
用于自动输送线的上下料。
2、设计技术参数:
(1)抓重：10Kg
(2)自由度数：4个自由度
(3)座标型式：圆柱座标
(4)最大工作半径：1400mm
(5)手臂最大中心高：1250mm
(6)手臂运动参数：
伸缩行程600mm
伸缩速度400mm/s
升降行程120mm
升降速度250mm/s
回转范围0o-180o
回转速度90o/s
(7)手腕运动参数：
回转范围0o-180o
回转速度90o/s
(8)手指夹持范围：
棒料: φ80mm-150mm
(9)定位方式：行程开关或可调机械挡块等
(10)定位精度：±1mm
(11)驱动方式：气压传动
3 手部结构设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手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，
3.1 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。
3.1.1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。
3.1.2设计时考虑的几个问题
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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，还受到机械手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。
(5)考虑被抓取对象的要求
根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手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3.1所示。
3.1.3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，其工件重量M=10kg，根据被夹持工件的直径80~150mm，选定V形手指的角度
2θ=120°b=120mm>R=24mm
摩擦系数为υ=0.3
图3.1 齿轮齿条式手部
(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:
P=b/R N
(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力N计算公式:
2N·sinθ·υ=1/2Mg
N=Mg/(4sinθ·υ)
=10x9.8/(4xsin60ox0.3)=94.3(N)
所以：
P=b/R N=9120x94.3/24=471.5(N)
(3)实际驱动力:
P实际≥pK1K2/η
式中：η—齿轮齿条传动效率，取η=0.94
K1—安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常在1.2~2.0，取
1.5；
K2—工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，若被抓取工件的最大加速度取a=g 时，则: K2=1+a/g
所以：
P实际=471.5x1.5x2/0.94=1504.8(N)
夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1504.8(N)。
2、气缸的直径
本气缸属于预缩型单作用气缸。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=πD2P/4-Ft
式中: F1- 活塞杆上的推力/N
Ft - 弹簧反作用力/N
P - 气缸工作压力，选为0.4MPa
弹簧反作用按下式计算:
Ft=Gf(l+s)
Gf=Gd14/8d13n
式中: Gf- 弹簧刚度，N/m
l- 弹簧预压缩量/mm
s- 活塞行程/mm
d1- 弹簧材料直径/mm
D1- 弹簧中径/mm
n- 弹簧有效圈数
G- 弹簧材料剪切模量，一般取G=79.4x109Pa
查《机械设计手册—弹簧》，此处选用材料直径为3.5mm，中径为30mm，有效圈数为15的弹簧，可得：
Gf=Gd14/8d13n
=79.4x109x(3.5x10-3)4/8x(3.5x10-3)3x15
=3677.46(N/m)
Ft=Gf(l+s)
=3677.46×60×10
=220.6（N）
有公式:
F1=πD2Pβ/4-Ft
分析得单向作用气缸的直径:
查《机械设计手册—气压传动》圆整，得D=75mm
由d/D的范围在0.2~0.3之间,可得活塞杆直径:
d=(0.2~0.3)D=(15~22.5)mm
取活塞杆直径d=18mm校核，按公式4F1/πd2≤[σ]有:
其中，[σ]=120MPa，F1=1504.8N则:
=4.0<>
因此符合要求
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。缸体材料选用铝合金2Al2其σb=120MPa。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:
δ=DPp/2σp
式中:δ- 缸筒壁厚，mm
D- 气缸内径，mm
Pp- 实验压力，取Pp=1.5P=0.6MPa
σp -缸体材料许用应力，Pa，其计算公式为：
σp=σb/n
n—安全系数，一般取n=6~8
σp =120/8=15 MPa
代入己知数据，则壁厚为:
δ=DPp/2σp
=75x0.6x106/(2x15x106)
=1.5(mm)
由于计算所得的壁厚很薄不易加工，故查《机械设计手册—气压传动》选用壁厚为3.5mm，则：
缸筒外径为:D1 = 75 + 3.5 ′ 2= 82(mm)
4 手腕结构设计
考虑到机械手的通用性，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。
4.1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，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手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。
4.2手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩
手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.下图为手腕受力的示意图。
图4.1 1.工件2.手部3.手腕
手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:
M驱 =M惯 +M偏 +M摩 +M封
式中: M驱—驱动手腕转动的驱动力矩（N·cm）;
M惯—惯性力矩（N·cm）;
M偏—参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩（N·cm）;
M摩—转动轴与支承孔处产生的摩擦阻力矩（N·cm）;
M封—手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩（N·cm）;
下面以图2-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:
(1)手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦 若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为 ω，起动过程所用的时间为 Δt，则
M 惯=(J+J1)ω/Δt(N·cm)
式中: J- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量( N.cm.s2); J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量
若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:
J1=Jc+G1e12/g
式中:Jc—工件对过重心轴线的转动惯量( N.cm.s2)
G1— 工件的重量(N)
e1—工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
(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M偏 M偏= G1e1+ G3e3 (N×cm)
式中：G3—手腕转动件的重量(N);
e3—手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
当工件的重心与手腕转动轴线重合时， G1e1=0
(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封
M封=f(RAd2+RBd1)/2(N·cm)
式中: d1，d2- 转动轴的轴颈直径(cm);
f- 摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01,对于滑动轴承f=0.1
根据∑MA(F)=0得
RBl+G3l3=G2l2+G1l1
RB=(G1l1+G2l2-G3l3)/l
同理根据∑MB(F)=0得
RA=(G1(l+l1)+G2(l+l2)+G3(l-l3))/l
式中:G2—转动轴的重量(N)
l1,l2,l3,l4— 如图4.1所示的长度尺寸(cm).
(4)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。
4.2.2回转气缸的驱动力矩计算
在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是叶片回转气缸，它的原理如图2-2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:
图2-2 回转气缸简图
M=Pb(R2-r2)/2或P=2M/(b (R2-r2 ))
式中：M—回转气缸的驱动力矩（N·cm）
P—回转气缸的工作压力（Pa）
R—缸体内壁半径（cm）
r—输出轴半径（cm）
b—动片宽度（cm）
上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应为工作压力P1与背压P2之差。
4.2.3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=110mm，半径R=55mm，轴径D2=26mm,半径r=13mm，气缸运行角速度ω=90 o/s，加速时间Δt=0.1s，压强P=0.4MPa，则力矩：
M=Pb(R2-r2)/2
=0.4x106x0.1x(0.0552-0.0132)/2
=57.12(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：
J=m1r2/2
=10x0.052/2
=0.0125(kg·m2)
工件的质量为10kg,质量分布于长l=100mm的棒料上，那么转动惯量 Jc=ml2/12
=10x0.12/12
=0.0083(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
=0.0083+10x0.052
=0.0333(kg·m2)
M惯=（J+J1）ω/Δt
=(0.0125+0.0333)x90/0.1
=41.22(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=50,则：
M偏=G1e1+G3e3
=10x9.8x0+10x9.8x0.05
=4.9(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,则：
M磨=f(RAd2+RBd1)/2
=0.01x(300x0.02+150x0.03)/2
=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磨的3倍，则：
M封=3xM磨=3x0.05=0.15(N·m)
所以：M驱=M惯+M偏+M磨+M封
=41.22+4.9+0.05+0.15
=46.32(N·m)
M驱=46.32<>
?设计尺寸符合使用要求，安全。
5 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核5.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核5.1.1手臂伸缩气缸的尺寸设计
手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为φ100/63。
5.1.2尺寸校核
(1)在校核尺寸时，只需校核气缸内径D1=63mm，半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强P=0.4MPa，则驱动力： F=P·π·R2
=0.4x106x3.14x0.03152
=1246(N)
(2)测定手腕质量为50kg,设计加速度a=10(m/s2)，则惯性力： F1=ma
=50x10
=500(N)
(3)考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k=0.2,
Fm=k·F1
=0.2x500=100(N)
所以，总受力：
F0=F1+Fm
=500+100
=600(N)
F0=600N＜F=1246N
所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。
5.1.3.导向装置
气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增
加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。
5.1.4平衡装置
在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取 物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。
5.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核5.2.1尺寸设计
气缸运行长度设计为 l=118mm,气缸内径为D1=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间Δt=0.1s,压强P=0.4MPa,则驱动力 G0=P·π·R2
=0.4x106x3.14x0.0552
=3799(N)
5.2.2尺寸校核
(1)测定手腕质量为80kg,则重力
G=mg=80x10=800(N)
(2)设计加速度a=5(m/s2)，则惯性力
G1=mg=80x5=400(N)
(3)考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k=0.1，
Gm=k·G1=0.1x400=40(N)
所以：总受力Gq=G+G1+Gm=800+400+400=1240N
Gq=1240N<>
所以设计尺寸符合实际使用要求。
5.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核5.3.1尺寸设计
气缸长度设计为b=120mm,气缸内径为D1=210mm,半径R=105mm,轴径D2=40mm，半径r=20mm,气缸运行角速度ω=90 o/s,加速时间Δt=0.5s，压强P=0.4MPa，则力矩：
M=Pb(R2-r2)/2
=0.4x106x0.12x(0.1052-0.02-)/2
=255(N·m)
5.3.2尺寸校核
(1)测定参与手臂转动的部件的质量m1=120kg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=200mm的圆盘上，那么转动惯量：
J=m12r2/2
M惯=Jω/Δt=0.6x90/0.5=108(N·m)
考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数k=0.2, M莫=k·M惯=0.2x105=54(N·m)
总驱动力矩:
M驱=M惯+M磨=108+5.4=113.4(N·m)
M驱=113.4<>
设计尺寸满足使用要求。
范文五：清扫机器人结构设计
毕业设计（论文）
中文题目： 清扫机器人结构设计
学习中心（函授站）： 江阴
专 业： 机械设计及自动化
姓 名： 夏 成
学 号：
指导教师： 孙 菊
南京航空航天大学
2016年5月
目录
中文摘要 ......................................................... I ABSTRACT ........................................................ II
第一章 绪论.........................................................1
第一节 研究的目的和意义 ..........................................1
第二节 设计的重点和难点 ..........................................1
第三节 家庭清扫机器人的关键技术 ..................................1
第四节 论文主要完成工作 ......................................... 2
第二章 总体结构设计 ................................................3
第一节 整体结构布局 ..............................................3
第二节 驱动部分 ..................................................4
第三节 吸尘部分 ..................................................6
第四节 电源部分 ................................................. 6
第五节 路径规划算法 ..............................................6
第六节 仿真结果 ..................................................8
第三章 硬件控制部分设计 ............................................9
第一节 AT89系列单片机简介........................................9
第二节 外围电路 ..................................................9
结论 ..............................................................11
致谢 ..............................................................12
参考文献 ..........................................................13
题目：清扫机器人结构设计
中文摘要
摘 要:清扫机器人属于服务机器人的一种，世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛使用服务机器人。如果清扫机器人的性价比足够高，那么清扫机器人的市场将会被看好。
本文介绍了清洁机器人在国内外发展现状和应用情况，侧重研究了清洁机器人的避障控制系统。结合实验室实际条件，设计了机器人样机。其主要工作内容包括:小车机械本体设计、控制理论的介绍、AT89C51单片机控制系统硬件电路及检测电路设计、控制系统软件设计和机器人避障性能测试试验。
通过实验表明所设计的机器人样机能够实现自主避碰的功能,达到设计要求。 关键词:清洁机器人 避障 AT89C51单片机
Abstract
Cleaning robot is one part of the serving robot..Serving robot is beingresearched and developed in the countries all over the world,and which is beingused widely in the west developed countries.
If the rate of quality and price of thecleaning robot is highly enough ,the market of the cleaning robot would beprospered.
The paper studies the applications and developments of cleaning robot athome and abroad, and researches the control system of the cleaning robot avoidinga obstacle mainly.
The model is designed under the actual condition of the lab. The main work of the paper is as follows.
The mechanical design of cleaning robot,thetheory of the control system, the design of control system of hardware circuit andsoftware based on AT89C51 SCM, the design of inspective circuit and theexperiment of performance of the cleaning robot avoiding a obstacle.
The result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoiding a obstacle, so it fills the demand of the task.
KEY WORD:cleaning robot avoid a obstacle AT89C51 SCM.
绪论
第一章 第一节 研究的目的和意义
清扫机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现室内环境（地面）的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到国内外的研究人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智能化清扫机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，清扫机器人将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便宜，全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫机器人。使它可以替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类服务。
第二节 设计的重点和难点
由前面的设计家庭清洁机器人的工作内容和要求，在宽400高100的体积下如何设计和布置好清扫机构，行走机构，吸尘机构和储存垃圾机构。
路径方式的选择，以及如何用软件控制实现其避障功能。
第三节 家庭清扫机器人的关键技术
家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成:移动机构、感知系统、控制系统和吸尘系统。
移动机构是吸尘机器人的主体,决定了吸尘器的运动空间,一般采用轮式机构。 感知系统一般采用超声波测距仪、接触和接近传感器、红外线传感器等。
随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展,清扫机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。
清扫机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的,因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。用传感器探测环境、分析信号,以及通过适当的建模方法来理解环
境,具有特别重要的意义。
目前展较快、对清扫机器人发展影响较大的关键技术是:传感技术、智能控制技术、路径规划技术、吸尘技术、电源技术等。
传感技术 为了让吸尘机器人正常工作,必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控,还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息,使得吸尘机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。
第四节 论文主要完成工作 课题主要完成的工作包括清洁机器人结构设计，驱动电机选择，传感器的选择，控制算法的研究，硬件电路设计和软件编程及试验。
一.机械结构部分 包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择
二.避障系统控制方案 包括机器人障碍检测系统、定位系统的确定和控制算法的选择
三.控制系统硬件部分 包括AT89C51单片机控制系统硬件电路设计、电机驱动电路设计和传感器检测硬件电路设计
四.控制系统软件部分 包括AT89C51单片机控制系统系统软件设计
第二章 总体结构设计 第一节 整体结构布局
整个机器人的结构由车体,吸尘装置,传感部分,控制部分组成。
传感部分包括车身两侧的光电传感器和前面的碰板和光电开关组成的接触式传感器。 机器人前轮为随动轮,后轮采用差动式驱动,光电编码器装在前随动轮上,与随动轮同轴。
当发生碰撞时,碰板带动光开关移动产生信号变化。光电传感器对车体侧面进行探测，判断左右转弯是否可行。如结构简图2所示：
图2.1 清扫机器人结构示意图
考虑到机构和控制的复杂性,本清扫机器人采用圆形车体,圆形车体的最大优点是运动灵活,控制简单,不会发生卡死的现象。
车体前端是一个碰板系统由一套机械装置和光电开关组成,用于检测运动前方的障碍物。
左右二个后轮独立驱动,每个轮子都有电机、光电传感器,各自是一个独立的系统,只接受控制系统的控制信号和反馈给控制系统运动信息。
中间镂空的部分是清扫系统,包括二个电机驱动的一个清扫装置和一个吸尘装置。 车体左右二侧装有二个光电传感器,用于对小车转弯可行性判断。
前轮的支撑部分是一个垂直方向可滑动杆,中间有弹簧做缓冲(运动的时候也有减震的作用)。
本机器人没有采用阵列式碰撞传感器。而是独立设计了一块碰板和光电开关组成,它可以检测到车体前方的一切障碍物,不存在任何盲点。
弧形的碰板通过2个连杆和车体铰接在一起,连杆和碰板连接的部分可以沿碰板外径方向滑动,
而和车体连接的部分可以旋转,碰板二端和光电开关相连,当碰撞引发碰板移动后,通过光电开关的变化把信号反馈给控制系统。
碰板可以把障碍物的位置分为3类:正前方,前方,右前方。通过2个光电开关的组合状态给出,如果2个光电开关的初始状态是0。
如表1所示。
表2.1 碰撞检测对照表
整个清扫系统通过后方的圆孔和车体相铰接,可以作很小幅度的摆动,这样的设计将使机器人对地面的适应性有很大提高,整个清扫系统又可以分为清扫部分和吸尘部分,每部分各有1个电机提供动力,清扫部分在前端,由电机带动2个旋转方向不同的滚刷转动,从而把纸片等大块垃圾清扫进后面的灰尘箱。
后面的吸尘系统类似一个吸尘器,橡胶制成的吸尘端口与地面相接。这样双选择性的清扫比一般地单一清扫方式效果要好的多。
第二节 驱动部分
驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。
步进电机带动两驱动轮，后轮， 从而推动吸尘器运动。前轮不再采用传统的双轮结构, 而采用了应用非常广泛的平面轴承, 这既减小了结构复度, 又提高了转弯的灵活性
图2.2 驱动结构
通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率, 可以对步进电机实现较高精度的调速。
同时在对两电机分别施相同或不同脉冲信号时, 通过差速方式, 可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。
这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下, 以任意速度实现转弯, 甚至当两后轮相互反向运动时, 实现零转弯半径绕轴中点原地施转动。
同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节。
根据所需的驱动力矩和其它结构要求，驱动电机选用北京四通集团公司的57BYG250E-SAFRML-0152型两相混合式步进电动机。其参数如表2.2所示
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第三节 吸尘部分
吸尘部分是由封闭在壳体中的小型吸尘器完成的。
包括气泵，吸室，吸道和吸嘴。在吸尘器爬行的过程中，通过底盘上开的吸嘴将扫过的地面上的灰尘吸入吸室。
第四节 电源部分
由于智能吸尘器是以自主方式工作的，因而所用的电源不是一般脱线方式，而是采用随身携带的蓄电池，这样不但可实现无人控制，而且工作时比较灵活。
一次充电可以连续工作几个小时。
第五节 路径规划算法
在本算法中,机器人的路径大体分为两类:
①面覆盖的过程,机器人走直线,相当于一个”迂回推进”的过程;
②从当前点到目标点的寻径过程,从定位的准确性考虑,路径段也为直线。 开始的时候机器人选择房间的一个角落
( 2座墙壁的交接点,便于机器人定位)作为初始点,坐标为(0, 0) ,即机器人上的p点坐标为(0, 0)
(本文中的坐标都是指p点坐标) ,沿一侧墙的方向建立X轴,第一次清扫沿X 轴的方向,完成后,返回原点,沿Y轴方向进行第二次清扫。
这样既保证了清洁质量,又在很大程度上避免了1次清扫所带来的死角问题。 而且由于2个方向的互补性,并不需要为了遍历的完整性而采用更为烦杂的算法, 通过2次数据融合就可以得到较为精确的环境信息机器人的路径为迂回前进的路径段,
每个路径段的间隔为机器人清洁机构的清扫直径,碰到障碍物后,机器人的转向90°并且侧移20cm ,在转向90°，
这个动作由控制系统做好保存,直接调用,记为micro1 。
(在前进过程中,发生碰撞时,机器人的转向所采取的方向,取值可以为”左”或者”右”,由碰撞次数的奇偶性决定。
前可行的方法就是—通过建立被控制对象的模糊模型来实现模糊控制器。
所谓建立被控制对象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式来描述 被控对象的动态特性。
一条“如果—那么”表达式就是一条控制规则，因此被控制对象的模型是由多条控制规则组成的，这样通过该模型就可以从输入推理得出输出。
具体到本课题，模糊规则设定如下:
规则1:如果机器人前方为阶梯（沿X轴方向遍历），那么它应该左转一前行一再左转；(把此类型障碍物当作墙来处理)
规则2:如果机器人前方有障碍物（沿X轴方向遍历），同时左侧也有障碍物，那么它应该原地转弯180度；（记为左转为不可行）
规则3:如果机器人悬空，那么它应该执行电源关操作
规则4:如果机器人前方为阶梯（沿Y轴方向遍历），那么它应该从右转一前行一再右转；(把此类型障碍物当作墙来处理)
规则5:如果机器人前方有障碍物（沿Y轴方向遍历），同时右侧也有障碍物，那么它应该原地转弯180度；（记为右转为不可行）
规则6:如果机器人右前方没有障碍物，那么它应该直线前行；
规则7:如果机器人沿X轴方向遍历完成，那么执行沿Y轴方向的遍历；（完成与否的判定根据是否有连续两次转弯不可行）
规则8:如果机器人完成了沿X轴和Y轴方向的遍历，那么小车执行回充电插座充电。
第六节 仿真结果
由于只是表达路径规划的算法,为了描述清晰及简便,采用矩形环境边缘,障碍物也选用边缘规则的矩形,U型等,而实际上由于采用碰撞作为边缘触发条件。
经过机器人路径的规划设计对机器人的路径以达到清扫能到达的角落，不留清扫盲区。
第三章 硬件控制部分设计
在实际应用中，机器人车体下部需安装吸尘或清扫等辅助机构，故控制 系统安装在小车底板的上面。
控制系统硬件主要包括AT89C51单片机控制系 统及其外围电路、电机驱动电路和传感器检测电路。
第一节 AT89系列单片机简介
机器人的控制系统采用的是AT89C51单片机。AT89系列单片机是 ATMEL公司的系列产品。
其主要特点如下: 1.与MCS-51'”产品兼容 2.1000次重复编程/擦写
3.具有2. 7V低电压型号
第二节 外围电路
一．电源 AT89C51单片机正常工作时，其40脚(Vcc)接+SV电源，20脚(VSS接地。 AJMP LOOP1 DLY： MOV R4，#M
通过改变M,M1的值调整转速 DLY1：MOV A，#M1 LOOP2: DEC A JNZ LOOP2 DJNZ R4，DLY1 RET
二、左轮控制程序： ZLKZ: PUSH A ；保护现场 MOV A，@R0 MOV P1.3，A ；
输出控制脉冲 ACALL DLY ；调用延时程序 INC R0 ；
控制字存储地址增1 MOV A，#00H ORL A，@R0 ；
是结束标志转移 JZ TPL LOOP1： DJNZ R3，LOOP ； 步数不为0，转移 POP A ZLKZ: PUSH A ；
保护现场 MOV A，@R0 MOV P1.3，A ；
输出控制脉冲 ACALL DLY ；调用延时程序 INC R0 ；
控制字存储地址增1 MOV A，#00H ORL A，@R0 ；
是结束标志转移 JZ TPL LOOP1： DJNZ R3，LOOP ； 步数不为0，转移 POP A RET TPL： MOV A，R0 ；
恢复控制字首址 SUBB A，#06H MOV R0，A AJMP LOOP1 DLY： MOV R4，#M
通过改变M,M1的值调整转速 DLY1：MOV A，#M1 LOOP2: DEC A JNZ LOOP2 DJNZ R4，DLY1 RET
结论
虽然清扫机器人的研究已经取得了很大进步,进入了实用阶段,但是自主能力、工作效率方面还不理想,需要在技术上解决传感器技术、定位和环境建模技术.
在此基础上,自主吸尘机器人可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发展。 清扫机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。
因此,只要生产成本兼顾到日用电器批量大、价格低的特点, 清扫机器人将具有诱人的市场前景,有关资料也预测清扫机器人是未来几年需求量最大的服务机器人。
特别是日用清洁电器不论是在市场上或者是在产品的创新上,绝对是所有小家电产品中最活跃的,未来仍有相当大的成长空间。
致谢
随着毕业设计的完成，我的大学生涯很快就要划上句号。
临近毕业，更多的是眷恋与不舍，三年，一段不短的时间，让我从青涩走向成熟。 回顾这一程求学路，给我帮助的人太多太多，在此学业即将完成之际对他们献上我诚挚的谢意。
饮其流时思其源，成吾学时念吾师。值此论文完成之际，谨向我尊敬的论文指导老师唐老师及辅导员包老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
论文期间，老师们不顾教务的繁忙，设身处地的为我们找资料，查文献，解决我们遇到的很多问题，力争让我们的论文做到完美。“授人以鱼，不如授之以渔”您教会我们的更重要的是学习的方法。
您还教会我们待人接物和为人处世的道理：您的勤奋，让我明白天道酬勤要坚持始终；您的博学，让我知道学海无涯仍需努力；您的朴实，让我明白善良的价值。
生活中，您还教我们如何真诚做人、做事不拖沓。老师平易近人的人格魅力，严谨进取的治学精神和乐观向上的生活态度，将是我今后生活工作中的指路航标。
桃李不言，下自成蹊；师恩深厚，不敢言报。唯有今后以百倍热情工作、学习，力争有所建树，以报师恩于万一。临别之际，真诚的祝各位老师：身体健康，生活顺心！
最后向评审论文及参加本人论文答辩的各位老师献上诚挚的谢意！您们辛苦了！
参考文献
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