六自由度工业机器人的初步设计

뫓쓏뿆벼듳톧뇏튵짨볆ꎨ싛컄ꎩI6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CONSTRUCTIONDESIGN、KINEMATICSANALYSISOFSIXDEGREEOFFREEDOMROBOTABSTRACTInthepasttwentyyears,therobottechnologyhasbeendevelopedgreatlyandusedinmanydifferentfields.Thereisalargegapbetweenourcountryandthedeveloped뫓쓏뿆벼듳톧뇏튵짨볆ꎨ싛컄ꎩIIcountriesinresearchandapplicationoftherobottechnologysothattherewillbeagreatvaluetostudy,designandapplieddifferentkindsofrobots,especiallyindustrialrobots.Mosttypicalindustrialrobotssuchasweldingrobot,paintingrobotandassemblyrobotareallfixedontheproductlineornearthemachiningequipmentwhentheyareworking.Basedonlargernumberofrelativeliteraturesandcombinedwiththeneedofproject,theauthorhavedesignedakindofsmall-sizeserialrobotwith6degreeoffreedomwhichcanbefixedontheAGVtoconstructamobilerobot.Firstofall,severalkindsofschemeswereproposedaccordingtothedesigndemand.Thebestschemewaschosenafteranalysisandcomparingandthestructurewasdesigned.Atsametime,Thekinematicsanalysiswasconducted,coordinatetransformationmatrixusingD-Hmethodwassetup,andthekinematicsequationdirectsolutionandinversesolutionwasdeduced,robotsarewidelyusedinindustry,agriculture,medicalandfamilylife,themainapplicationareasofindustrialrobotarecomplexoperationsincludeswelding,spotwelding,assembly,handling,painting,inspection,palletizing,grindingpolishingandLaserprocessingetc.Inoneword,thedevelopmentprospectsofwidelyusedinmanyfieldsofindustrialrobotsarebroad.KEYWORDS：Robotjoints，KinematicsAnalysis，Industrialrobot，Degreeoffreedom.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...............................................................3뫓쓏뿆벼듳톧뇏튵짨볆ꎨ싛컄ꎩIII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.....................................................................................................43뫓쓏뿆벼듳톧뇏튵짨볆ꎨ싛컄ꎩ1前言毕业设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，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、工具和专用设备，以执行种种任务”。뫓쓏뿆벼듳톧뇏튵짨볆ꎨ싛컄ꎩ2§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[6]（）直角坐标型工业机器人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。뫓쓏뿆벼듳톧뇏튵짨볆ꎨ싛컄ꎩ3（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