第1章绪论
1.1 引言
工业机器人的出现和高速发展是社会、经济发展的必然，是为提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人替人们干那些人们不愿干、干不了、干不好的工作。我国对于工业机器人的定义为：“一种自动化的机器，所不同的这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。
20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图0.2所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年，美国发明家英格伯格与德沃尔制造出世界上第一台工业机器人Unimate以来，从此工业机器人在现代化社会工业生产的环节中的占比与日俱增。同时伴随着新一轮工业革命及科技革命的到来，各国对于工业现代化都提出了更高的要求，德国提出了“工业4.0”美国提出了“先进制造业国家战略计划”，并采取多种措施“吸引制造业回流”，英国提出了“高价值制造业战略”，日本提出了“产业复兴计划”、法国提出了“新工业法国”等。中国作为全球制造业中心，更要做好充分准备，提升中国制造业的国际竞争新优势，打造中国的工业现代化、做大做强中国制造，对此，我国提出了“中国制造2025”战略。在这场全球聚焦的科技革命中，机器人由于其安全，高效，智能，高精度及稳定性必将在这场革命中发挥巨大的作用。
1.2 机器人特点及分类
1.2.1 工业机器人机器人特点
工业机器人主要具有四个显著特点：
1）具有特定的机械结构
2）具有通用性
3）具有不同程度的智能
4）具有独立性
1.2.2 工业机器人机器人分类
关于机器人的分类，国际上没有统一的标准，由于机器人技术除主要应用在工业领域外同时也已经广泛地应用在农业、医疗、服务、娱乐、空间等各个领域。
1.按照机器人的技术等级划分
（1）示教再现机器人第一代工业机器人是示教再现型。这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。
（2）感知机器人第二代工业机器人具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化，目前已进入应用阶段。
（3）智能机器人第三代工业机器人称为智能机器人，具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力，尚处在实验研究阶段。
2.按照机器人的机构特征划分
工业机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按照基本动作结构，工业机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等类型。
（1）直角坐标机器人直角坐标机器人具有空间上相互独立的多个直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人的结构较为简单，定位精度较高，空间轨迹容易求解，但同时其活动范围较小，设备的空间因数低，机体本身的体积较大。
直角坐标机器人柱面坐标机器人
（2）柱面坐标机器人柱面坐标机器人的空间位置机构主要有旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个水平自由度，活动空间为圆柱形。柱面坐标机器人的结构简单、刚性好，但同时也存在空间利用率低的缺点。
（3）球面坐标机器人球面坐标机器人的空间位置由旋转、摆动和平移3个自由度确定，空间动作轨迹形成一部分球面。结构紧凑，所占空间面积较球面坐标和直角坐标机器人少，但仍多于多关节机器人。
（4）多关节型机器人由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作和人相仿，对喷涂，装配、焊接等多种工位具有良好的适应性，应用范围较广。摆动方向主要为铅垂和水平方向，这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。
多关节机械手垂直多关节机械手
1）垂直多关节机器人模拟人的手臂部分，由垂直于地面的腰部旋转轴、肘部旋转轴及小臂前端的手腕等构成。手腕通常由2～3个自由度构成。动作空间类似一个球体，所以也称为多关节球面机器人。其优点是可以自由的实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂形状的轨迹，动作范围较宽，但其结构刚度及绝对位置精度较低。
2）水平多关节机器人结构上具有串联
配置的两个能在平面内旋转的关节，根据用途
自由度可选择2～4个，动作空间为圆柱体。其
在铅垂方向上的刚性较好，具有较好的二维平
面动作能力，普遍用于装配行业。
水平多关节机械手
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究现状
我国机器人产业的研究可追溯到上世纪80年代，当时科技部将工业机器人列入了科技攻关计划，原机械工业部牵头组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等类型的工业机器人攻关，其他部委对此也积极立项支持，迎来了中国工业机器人产业发展的第一次高潮。其后，由于国内市场需求不大，机器人研发和产业化长期处于止步不前的状态。2010年以后，我国机器人产量逐年递增，开始着眼于机器人全产业链发展。《中国制造2020》中，规划大力推动机器人重点领域的发展。针对汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人，以及医疗、服务、娱乐等类型服务机器人的需求，积极研发新型产品，促进机器人标准化、模块化发展，扩大市场应用。突破机器人本体、控制器、伺服电机、减速器、传感器与驱动器等关键部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。
目前，由于工业机器人产业的发展对工业基础及相关科研水平有较高要求。目前我国工业机器人产业主要位于中于东北、京津冀和长三角地区。东北作为老工业基地，对工业机器人的发展投入较早；京津冀由于其优秀的科研水平，在工业机器人及其自动化生产线、工业机器人集成应用、工业机器人技术咨询等产品和服务涉猎较多；长三角地区集中了中国大多数汽车制造及电子产业，因而与之配套的机器人产业发展也较为迅速。近年来我国工业机器人产业在相关政策与市场需求的双重作用下，正在快速增长，企业产业化能力不断提升，同时越来越多的新企业也积极投身于机器人产业当中。据统计，2015年中国工业机器人产量15600台，同比增长29.5%。
2013-2015年中国工业机器人产量与增长
我国机器人数量少但增幅较快，未来工业机器人市场潜力巨大，市场需求将逐步增大并保持井喷趋势。2015年8月4日，美的公布了机器人产业战略并与日本安川电机合资设立两家子公司。两家子公司将分别研究工业机器人和服务类机器人。2016年5月18日，2016年5月18日，美的集团宣布将以不超过292亿元人民币收购德国库卡公司。同时，国内的沈阳新松机器人、广州数控、南京埃斯顿、埃夫特、新时代、李群等机器人品牌也正在逐步发展，如沈阳新松在工博会上首次展出的主
动视觉系统的柔性7轴复合机器人及双臂协作机器人，南京埃斯顿机器人有限公司推出了钣金柔性智能制造生产线，这些均说明国内机器人产业的蓬勃发展和进步。
但不可否认的是我国在机器人产业的发展仍有很长的一段路要走，目前中国设计机器人的企业不少于800家，其中约有200家是机器人本体制造企业，这些企业大多是组装和代加工，产业集中度较低，总体规模很小。此外，本土机器人企业制造高端产品能力较弱，六轴以上的机器人中外资品牌占有率高达85%，70%的机器人配套零部件依赖从国外进口。面对这些挑战，我们更要持之以恒，大力发展制造业，打响中国创造的品牌力量。
1.3.2 国外研究现状
国际上的工业机器人主要品牌为瑞士的ABB，德国的KUKA，日本的FANUC及YASKAWA。工业机器人的主要产销国家为日本、韩国和德国，这三国的机器人保有量和年度新增量居于全球前列。
日本、韩国和德国的机器人密度和保有量处于全球领先水平。据IFR统计，2014年日本每万名工人拥有323台工业机器人，韩国为437台，德国为282台；2013年日本的机器人保有量为30.4万台，韩国为15.6万台，德国为16.8万台。
2014年，日本、韩国、德国三国的机器人市场新增量占全球的30.9%，市场规模分别为2.9万台、2.1万台、2万台。由于全球制造业转型升级，2014年三国工业机器人市场份额占全球的30.9%，相对减少6.6%。日本机器人市场成熟，其制造商国际竞争力强，FANUC、NACHIN、YASKAWA,OTC等品牌在微电子技术、功率电子技术领域持续领先。韩国的半导体、传感器、自动化生产等高端技术为机器人快速发展奠定了基础。德国工业机器人在人机交互、机器视觉、机器互联等领域处于领先水平，德国本土的库卡公司是世界工业机器人四大制造商之一，年产量超过1.8万台。
2014年全球工业机器人市场分布情况
目前全球推出的机器人产品向模块化、智能化和系统化方向发展。第一，模块化改变了机器人的传统构型适用范围有限的问题，工业机器人的研发采用组合式、模块化的产品设计思路，重构模块化帮助用户解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。例如，关节模块中伺服电机、减速机和检测系统的三位一体化，由关节、连杆模块重组的方式构造机器人整机。第二，机器人产品向智能化发展的过程中，工业机器人控制系统向开放性控制系统集成方向发展，伺服驱动技术向非结构化、多移动机器人系统改变，机器人协作已经不仅是控制的协调，而是机器人系统的组织与控制方式的协调。第三，工业机器人技术不断延伸，目前的机器人产品正在嵌入工程机械、食品机械、实验设备、医疗器械等传统装备之中。同时，下一代机器人将更加智能，对外界的感知能力进一步增强，同时灵活性及协作能力也会得到进一步提高。
1.4 本文研究的主要内容
本文研究的主要内容为圆柱坐标型水平多关节机械手。水平多关节机器人(选择顺应性装配机器手臂)是一种水平多关节机器人，具有四个轴和四个运动自由度:X,Y,Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度。也称SCARA-Selective Copmliance Assembly Robot Arm, 中文译名：选择顺应性装配机器手臂。 SCARA 是一种水平多关节机器人，具有四个轴和四个运动自由度：X,Y,Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度。在X,Y方向上具有顺从性，而在Z轴方向上具有良好的刚度，大臂和小臂是串联的两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限的空间中进行作业，然后收回。它的第一，二，四轴具有转动特性，第三轴具有线性移动特性，并且第三和第四可以根据工作需要的不同，制造成相应多种不同的形态。
这类机器人的结构轻便、响应快，例如Adept1型SCARA机器人运动速度可达10m/s，比一般关节式机器人快数倍。SCARA机器人可以被制造成各种大小，最常见的工作半径在100毫米至1000毫米之间，此类的SCARA机器人的净载重量在1千克至200千克之间。是一种应用于装配作业的机器人手臂。其作为工业机器人家族中的一员，自1978年由日本山梨大学牧野洋发明以来，由于结构紧凑、动作灵活，速度快、位置精度高等优点，正广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。
第2章 SCARA机器人的总体方案设计
2.1 SCARA机器人的坐标形式和自由度
机器人的坐标系分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、极坐标型及关节坐标型机器人。本文设计的SCARA机器人属于关节型机器人。
2.2 SCARA机器人的总体传动方案
水平多关节机械手在平面内能够实现准确定位，对机械手的结构及稳定性有较高要求。本文中SCARA机械手主要为取放微型手机振动马达。目前工业机器人的驱动方式主要分为液压驱动、气动驱动及电机驱动三种。液压驱动的体积较大、抓举力较大，适合重负载场合。气压驱动的结构较为简单，但因空气压缩具有不稳定性，适用于对精度要求不高的场所。电机驱动体积较小，稳定性及精度较高，但同时其造价也较液压驱动及气压驱动方式昂贵。因本文主要设计针对微型手机振动马达的SCARA取放机械手，负载较小，且同时对精度及稳定性有较高要求，故采用电机驱动。
2.2.1 SCARA机器人的电机选择
电机用于驱动机器人的关节，要求是要有最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性，并且有较大的短时过载能力。机器人对关节驱动电机的要求非常严格主要分为以下几点
1）快速响应性，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好。
2）起动转矩惯量比大，在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电机的起动转矩大，转动惯量小。
3）控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比，调速范围宽，能使用于1：1000～10000的调速范围。
4）体积小、质量小、轴向尺寸短，以配合机器人的体形。
5）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受数倍过载。
针对以上要求现今市场上的电机主要分为三种，直流伺服电机、交流伺服电机及步进电机。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷直流伺服电机——电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便(换碳刷)，会产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷直流伺服电机——电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。具有无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低、定子绕组散热比较方便、惯量小，易于提高系统的快速性、适应于高速大力矩工作状态等优点。
步进电机而言必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步距角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。三相步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度，需要48 个脉冲完成，步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性，改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。但同时由于步进电机如果控制不当容易产生共振、难以运转到较高的转速、难以获得较大的转矩、在体积重量方面没有优势，能源利用率低及超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声等缺点，步进电机在机器人行业的占比正逐渐减少。
其中交流伺服驱动器因其具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。综合各伺服电机特点，针对本文中SCARA机器人的应用各关节选用伺服交流电机。
2.2.2 SCARA机器人各传动配套装置的选择
目前由于工业机器人的发展要求趋于高速、精确、机身结构紧凑、提高刚性及响应速度快等特点，故对机器人各关节的的传动系统有较高要求，目前市场上主要应用的为RV减速器及谐波减速器，其中以日本的HarmonnicDrive公司的谐波减速器及纳博特斯克的RV减速器市场占用率最高，国内的也有所建树。其中国内外减速器市场占有率如图所示：
减速器的类型特点
谐波减速器该减速器的结构较为紧凑，传动比大，精度、效率高，同轴线，结构简单，造价较低，但其扭转刚性低，目前，广泛用于中小转矩的
机器人。
RV减速器该减速器速比大，同轴线，结构紧凑，效率高，刚性较好，转动惯量小，固有频率较高，运行平稳，但其造价较为高昂。
综上所得，大臂及小臂旋转关节选用谐波减速器。
对于SCARA机器人手部升降及旋转关节目前主要有两大类传动方式，分别为解传动方式传动原理传动特点
解耦式
3轴与4轴的驱动是分
离的，分花键轴、滚珠丝
杆各一根，由两个电机分
别驱动升降与旋转两个自
由度
设计相对简单，价格
对比便宜，缺点是对花键
轴与滚珠丝杆的平行度要
求很高，装配比较困难
耦合式
3轴与4轴的驱动的耦
合的，相互影响的，由一
根滚珠丝杆花键轴实现。
单个电机无法实现单独的
旋转或升降，必须两个电
机同时驱动才能实现
耦合式的结构优点是
设计紧凑，重量较轻，缺
点是滚珠丝杆花键轴价格
高昂，厂家极少，基本属
于垄断
基于以上分析，本文中采用解耦式。对于手部的上下直线运动，采用同步齿形带加丝杠的传动方式。对于手部的旋转运动采用同步齿形带加花键。
综合以上各关节传动方案，SCARA机械手的总传动方案为：
大臂：交流伺服电机—谐波减速器—大臂
小臂：交流伺服电机—谐波减速器—小臂
手部直线运动：交流伺服电机—同步齿形带—丝杠—主轴
手部旋转运动：交流伺服电机—同步齿形带—花键—主轴
2.3 SCARA机器人的基本技术参数
初定SCARA机器人的基本技术参数
（1）自由度：四自由度
（2）负载能力：≤1kg
（3）重复定位精度：±0.1mm
（4）各关节运动范围
大臂：±130°
小臂：±135°
手部直线运动：150mm
手部旋转运动：±180°
（5）各关节运动速度
大臂：360°/s
小臂：300°/s
手部旋转运动：720°/s
手部直线运动：1000mm/s
（6）最大运动半径：450mm
（7）高度：450mm
（8）自重：20kg
（9）几何尺寸：
关节1：216mm
关节2：234mm
关节3：150mm
第3章 SCARA 机器人的各关节机构设计
3.1 SCARA 机器人的各关节电机的计算
机械手总重为20kg,暂定机械手基座为7kg,大臂为6kg ，小臂为5kg,末端执行器为2kg,对于第一个伺服电机，假设大臂、小臂及手爪各自的重心转动惯量为1J 、2J 、3J 。大臂、小臂及手爪的质量分别为1m 、2m 、3m 。大臂小臂及手爪的重心到基座的直线距离为1d 、2d 、3d 已知1d =108mm, 2d =333mm, 3d =450mm 。
3.2.1 SCARA 机器人大臂关节电机的计算及选型 对于大臂关节，其角速度0=2/rad s ωπ，而则根据转动惯量的平行移轴定理：
221()2i i i i i
J m r m d =+∑ 由于2212i i i i m r m d =，故在此只估算2i i m d 的值，即基座轴的转动惯量为2i i i J m d =∑ 2221112233L J m d m d m d =++=6x0.108^2+5x0.333^2+2x0.45^2=1.0292kg m g 由于大臂的角速度为360°/s ，假设其启动时间为1t =1s, 现假定其减速器传动比80r N =其负载折合到电机轴的转动惯量：
212
21-1411.029=1.6110801kg m L M L r J J N →?????== ???
? ???g 电机端回转速度：=60/min 804800/min M r N N N r r =?=l g 负载的角加速度为：0112==2=6.28/1
L ad s t r πωω
α→ 负载加速度转矩：111 1.029 6.28=m =6.46L L L T J N α=?g
通过减速器增加负载所引起的电机的角加速度为：
1112=6.2880=502.4/M L r rad s N αα?=
根据伺服电机选型条件：
○1负载加速度转矩1
L T ≤电机最大转矩 ○2电机端回转速度M
N ≤电机最大速度 ○
3负载惯量<3—5倍电机转子惯量 选取安川SGM7A08A 型交流伺服电机，其主要参数为：
额定功率：P=750W
额定转矩：T=2.39m N g
瞬时最大转矩：Tmax=8.36m N g
电机转子转动惯量：2-410.0775kg m M J =?g
3.2.2 SCARA 机器人小臂关节电机的计算及选型 对于小臂关节，其角速度0=1.67/rad s ωπ，则根据转动惯量的平行移轴定理：
221()2i i i i i
J m r m d =+∑ 由于2212i i i i m r m d =，故在此只估算2i i m d 的值，即基座轴的转动惯量为2i i i
J m d =∑ 2222233L J m d m d =+=5x0.333^2+2x0.45^2=0.9592kg m g 由于小臂的角速度为300°/s ，假设其启动时间为1t =0.8s, 现假定其减速器传动比80r N =其负载折合到电机轴的转动惯量：
222
-41111=1.501010.959k 80g m L M L r J J N →?????== ???
? ???g 电机端回转速度：=50/min 804000/min M r N N N r r =?=l g 负载的角加速度为：0211 1.67=6.56/0.==8L rad s t π
ωωα→
负载加速度转矩：111=0.95 6.56=6.299m L L L T J N α=?g
通过减速器增加负载所引起的电机的角加速度为：
1112=1.6780=419.7/M L r d N ra s ααπ?=
根据伺服电机选型条件：
○1负载加速度转矩1
L T ≤电机最大转矩 ○2电机端回转速度M
N ≤电机最大速度 ○
3负载惯量<3—5倍电机转子惯量 选取安川SGM7A08A 型交流伺服电机，其主要参数为： 额定功率：P=750W
额定转矩：T=2.39m N g
瞬时最大转矩：Tmax=8.36m N g
电机转子转动惯量：2-410.0775kg m M J =?g
3.2.3 SCARA 机器人手爪回转关节电机的计算及选型 对于手爪回转关节，其角速度0=1.67/rad s ωπ，则根据转动惯量的平行移轴定理：
221()2i i i i i
J m r m d =+∑ 由于2212i i i i m r m d =，故在此只估算2i i m d 的值，即基座轴的转动惯量为2i i i
J m d =∑
2222233L J m d m d =+=5x0.333^2+2x0.45^2=0.9592kg m g 由于小臂的角速度为300°/s ，假设其启动时间为1t =0.8s, 现假定其减速器传动比80r N =其负载折合到电机轴的转动惯量：
222
-41111=1.501010.959k 80g m L M L r J J N →?????== ???
? ???g 电机端回转速度：=50/min 804000/min M r N N N r r =?=l g 负载的角加速度为：0211 1.67=6.56/0.==8L rad s t π
ωωα→
负载加速度转矩：111=0.95 6.56=6.299m L L L T J N α=?g
通过减速器增加负载所引起的电机的角加速度为：
1112=1.6780=419.7/M L r d N ra s ααπ?=
根据伺服电机选型条件：
○1负载加速度转矩1
L T ≤电机最大转矩 ○2电机端回转速度M
N ≤电机最大速度 ○
3负载惯量<3—5倍电机转子惯量 选取安川SGM7A08A 型交流伺服电机，其主要参数为： 额定功率：P=750W
额定转矩：T=2.39m N g
瞬时最大转矩：Tmax=8.36m N g
电机转子转动惯量：2-410.0775kg m M J =?g
关节型搬运机器人设计 摘要 随着现代工业机器人技术的发展，工业机器人的使用迅速增长。本文通过对国内外工业机器人的分析，并结合搬运所需要的条件，设计出了工厂自动化生产和生产线使用的搬运机器人。 本文着重对搬运机器人的总体设计方案、机构及控制系统从理论上进行了详细的分析和设计。在搬运机器人总体设计中，采用了应用最为广泛的平面关节型；在机构设计中，主要设计了搬运机器人末端执行器、手腕、手臂和腰的机械结构；在末端执行器设计上采用了一种具有接近觉、接触觉及滑动觉的初级智能机械手；在控制系统的设计中，采用可编程控制器（PLC）进行控制，并对控制系统的硬件原理做了分析，对PLC 的程序也进行了编译；在驱动系统设计中，采用了气动和电机两种驱动方式，主要动作采用电机驱动。 关键词：搬运机器人，三感觉机械手，可编程序控制器 Design of the joint transporting robot Abstract Under the development of the modern industrial robot’s technology , the use of industrial robot increases rapidly. Through analyzing the domestic and foreign industrial robots, combing the conditions of the transportation, the transporting robot for the factory automation produce and the production line is designed in this article. The emphasis on this article is to analyze and design the transporting robot in theory. The analytical objects include the total scheme, the mechanism design, and the control system design. In the total scheme design, the most wildly applied plane joint type is chosen. In the mechanism, the transporting robot’s end-effector, the wrist, the arm and the waist are mainly designed. A kind of the approaching sense, the contact sense and the skidding sense primary intelligence manipulator is adopted in the end-effector; In the control system, the programmable controller (PLC) is used, the principle of hardware is analyzed and the programs in PLC are compiled. In the actuating system, two driving types are used which include the pneumatic operation and the motor. The main movement is driven by the motor. Key words: Transporting robot, three feelings manipulators, programmable controller （PLC）
平面关节型机械手设计 设计任务书 一、通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。 有关资料：上下料搬运机械手，个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径；高,厚,（只能从内孔夹持工件），材料钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，（两输送线距离为,高度差）。 要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。 二、图纸： .机械手机构简图 .工作空间投影图 .机械手传动原理图 .机械手装配图 .零件图 三、实习： .本校机械实验室组装各类机械手模型。 .学习工业机械人设计方面知识。 五、进度： 月日到月日实习，拟订设计方案 月日到月日机械手传动原理图 月日到月日机械手装配图
月日到月日零件图 月日到月日写说明书 引言 平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。其中比较突出的是美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片，它具有位的位置、速度和加速度寄存器，内置算法，其参数可以修改；支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器能够自动生成速度曲线，平稳地加速、减速；支持增量式光电码盘的倍频输入；芯片的主频为和。 一机械手结构 本文设计的平面关节型机械手的实物照片如图所示，其主要包括两个旋转关节（分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合）和一个移动关节（控制手腕伸缩），图为机械手简化模型。各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。直流电机的运动控制采用自行开发的基于和构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及关节联动控制。由于机械手个关节电机的控制系统基本类似，因此在下文中，笔者将以单个关节电机为例向读者介绍平面关节型机械手的控制系统设计过程。
摘要 随着微处理器、计算机、数字通信技术的迅速发展，计算机控制已广泛的应用在各种工业控制领域，为了满足生产设备和自动化的必须有高度可靠性和灵活性的要求，可编程控制器的出现满足了这一要求，它是以微处理器为基础的通用工业装置。 可编程控制器,简称PLC，它的应用广泛，功能强大，使用方便，已成为当今工业自动化的重要支柱之一，在工业生产的所有领域中得到充分的利用。 PLC已广泛的应用在各种生产设备和生产过程自动控制过程中，PLC在其他领域，例如在民用或家用的自动化设备中的到迅速的发展。 关键词：PLC机械臂旋转传感器梯形图 目录 摘要 (1) 1.多关节机械手简介 (2) 2.多功能机械手控制系统的功能要求 (2) 3.硬件系统配置 (4) 3.1. PLC选型 (4) 3.2. PLC的I/O资源配置 (5) 4.软件系统设计 (6) 4.1. 总体流程设计 (6) 4.2. 梯形图设计 (6) 4.3. 主程序初始化梯形图 (6) 4.4. 机械手运转过程梯形图 (8) 4.5. 步进电机脉冲程序梯形图 (11) 5.总结 (13) 6.致谢 (14) 7.参考文献 (14)
多关节机械手控制系统 1.多关节机械手简介 在工业生产和其他领域的木屑工作中，人们经常那个处于高温或有毒等对人体有伤害的环境中从事重复的劳动，这样生产成本不但高，而且会危及人们的生命安全。随着工业自动化的发展、生产效率的提高和劳动强度的增大，机械手的出现使得这些问题得到很好的解决，把人们从繁重的劳动中解放出来，处理更加复杂的生产过程，既能提高产品质量，又可以使人们受到跟小的伤害。机械手一般由耐高温、耐腐蚀的材料制成，多用于恶劣的生产环境，以及要求精度较高的工作场合。 机械手的出现和发展已经使传统工业发生了根本的变化，从手工。机械式的生产跨越到自动化、智能化的生产。一般的工业机器人指的就是一个机械臂带动一个简单的夹紧机构组成，此类机器人用来完成大范围的工件转移或者加工，且不能实现精细操作的功能，同时由于传统机器人的各个不见的尺寸通常较大，其运动定位的精度就不高，所以无法进行装备及微小操作。普通机械手手抓结构多为夹钳式、托持式、吸附式等，只能用来抓握形状规则而且固定的工件，其抓握能用性非常有限。而多关节机械手则利用关节连接两个相连的杆体，即连杆，关节提供连杆之间的相对运动，在这个机构中关节多是其中一个特点，正是由于关节多，所以抓握功能远远强于传统的夹钳式等机械手。它可以完成对不同形状。不规则工件的抓握 2.多功能机械手控制系统的功能要求 传统的机械手用继电器控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺点，无法免租机械手的控制需求。可编程控制器（PLC）的出现使得这一问题得到解决，PLC控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改造方便的特点。传统的机械手无法完成精确的操作工作，所以PLC控制的多关节机械手的应用逐渐广泛起来，并且能够完成动作要求精度高的工作。 在机械行业中，大部分产品的装备不是采用工人装备的形式就是采用传统的继电器控制系统，工人劳动强度大，产品质量得不到保证，同时继电器经过长期使用后，容易发生故障，维修工作量大，而且生产控制灵活性差、控制过程复杂、控制过程不易改变。在装备线上采用PLC控制可以完成精确定位的要求，提高产品质量、降低工人工作量。此外由于PLC编程简单、组合灵活、可靠性高、控制灵活度高，可根据控制流程的不同，方便的改变控制顺序来满足工艺要求。 其动作过程为：
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势
设计要求 一、通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。 有关资料：上下料搬运机械手，3个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径50mm；高150mm,厚10mm,（只能从内孔夹持工件），材料40钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，（两输送线距离为2.5m,高度差0.4m）。 要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。翻译一篇有关外文资料。 二、图纸： 1.机械手机构简图 2.工作空间投影图 3.机械手传动原理图 4.机械手装配图 5.零件图 三、实习： 1.本校机械实验室组装各类机械手模型。 2.学习工业机械人设计方面知识。 四、参考书： 1. 《工业机器人设计》周伯英机械工业出版社 1995 2. 《机器人机械设计》龚振帮电子工业出版社 1995 3. 《机构设计》（日）藤森洋三机械工业出版社 1990 4. 《机械手图册》（日）加藤一郎上海科技出版社 1989 5. 《机械设计图册》（5）成大先化学工业出版社 1999 五、进度： 3月24日到4月25日实习，拟订设计方案 4月264日到5月3日机械手传动原理图 5月4日到5月17日机械手装配图 5月18日到5月24日零件图 5月25日到6月1日写说明书
平面关节型机械手设计 [摘要]平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。关键词:机械手轴承汽缸 [Abstract]Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section . Key words:manipulator axletree cylinder 第1章机械手总体设计 工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。 平面关节型机器人又称SCARA型装配机器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。 总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。
第1章绪论 1.1 引言 工业机器人的出现和高速发展是社会、经济发展的必然，是为提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人替人们干那些人们不愿干、干不了、干不好的工作。我国对于工业机器人的定义为：“一种自动化的机器，所不同的这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。 20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图0.2所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年，美国发明家英格伯格与德沃尔制造出世界上第一台工业机器人Unimate以来，从此工业机器人在现代化社会工业生产的环节中的占比与日俱增。同时伴随着新一轮工业革命及科技革命的到来，各国对于工业现代化都提出了更高的要求，德国提出了“工业4.0”美国提出了“先进制造业国家战略计划”，并采取多种措施“吸引制造业回流”，英国提出了“高价值制造业战略”，日本提出了“产业复兴计划”、法国提出了“新工业法国”等。中国作为全球制造业中心，更要做好充分准备，提升中国制造业的国际竞争新优势，打造中国的工业现代化、做大做强中国制造，对此，我国提出了“中国制造2025”战略。在这场全球聚焦的科技革命中，机器人由于其安全，高效，智能，高精度及稳定性必将在这场革命中发挥巨大的作用。
任务书 学院：专业：班级：学生情况指导教师情况题目类型 姓名学号姓名职称单位理论研究□科研开发□ 机电工程学院工程设计√论文□ 题目电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真 主要内容以及目标(毕业设计应完成的主要内容，设计任务达到的目标) 主要内容: （1）完成调研报告和开题报告； （2）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计； （3）建立该机械手的三维虚拟模型并对其进行运动仿真； （4）中英文摘要各200字，设计说明书不少于15000字； （5）外文资料翻译不少于5000字。 目标: （1）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计，其中包括装配图及关键的零件图；（2）对机械手进行三维建模、虚拟装配与仿真。 成果形式（毕业设计完成具体工作量；成果形式；验收方式）（1）3张A0图纸，包括装配图、零件图； （2）调研报告、开题报告以及设计计算说明书；（3）机械手的三维虚拟模型以及运动仿真的录像。 基本要求（对完成设计任务方面的具体要求：设计技术参数、数据及来源、调试所用仪器设备） 设计技术参数： 手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.） 运动轴数： 数据来源： 北京机械工业自动化研究所、上海发那科机器人有限公司 实习调研要求（对部分有实习环节的专业，提出实习或调研的具体要求，包括调研提纲、实习时间、地点和具体内容要求） （1）了解国内外工业机器人的现状、水平和发展趋势； （2）了解工业机器人的各个组成部分； （3）掌握电动式关节型机器人机械手的组成机构及其工作原理； （4）分析现有各种类型工业机器人的特点，如运动方式、驱动方式、控制方式等；（5）总结出本设计课题的基本实现方法及结构，分析其技术关键及难点； （6）做出本设计课题的设计安排，如技术线路、研究方法、设计工具、时间安排等。
摘要：随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要 出现了特殊的生产工具——机械手。与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高 危险的，对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程 度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并 且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 机械手是模仿着人手部的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。本文对多关节工业液压机械手的结构进行了详细研究。关键词：三自由度，机械手，PLC 系统 Abstract ：As society and the development of science and technology ，Industrial production operation mode has also undergone a revolutionary change, from manual mill of labor, gradually evolved into automatic and intelligent mode of production and human also gradually unable to complete some production process, so in order to adapt to the needs of the production of the appeared special production tools - manipulator.Meanwhile also appeared a few new production activities in these production activities, some are belong to high risk, to human body harm is larger, some areas not suitable for human work is just, manipulator to meet this kind of work. In today's large-scale manufacturers, enterprises to improve production efficiency and ensure product quality, universal attention production process automation degree, industrial robots as an important member of automatic production line, gradually the enterprise recognizes and adopted. Industrial robot technology level and USES degree in a certain extent reflect a nation industrial automation level, at present, the industrial robot main bearing welding, spraying, handling and stacking repeatability and the intensity of labor etc greatly, work normally take the reappearance of the demonstration teaching way. Manipulator is imitating the people hand movement, according to a given part of the program, track and requests to realize the acquirement, handling and operation of automatic mechanical device. In this paper, three doff industrial hydraulic structure of the manipulator are studied. Keywords: three doff, manipulator, PLC system
第８卷第６期２００８年１１月 潍坊学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｅｉｆａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ０１．８ＮＯ．６ ＮＯＶ．２００８关节型搬运机械手设计。 蔡卫国 （大连水产学院，辽宁大连１１６０２３） 摘要：对一类搬运机械手的机构及控制系统进行了分析和设计。在机构设计中，采用了平面关节型机械手，能够实现对工件的夹紧、提升和转动；在控制系统的设计中，采用可编程控制器（ＰＬＣ）对机构进行控制，完成了软件的编程，并对控制系统的硬件原理做了分析。 关键词：关节型；搬运机械手；可编程序控制器 中图分类号：ＴＨｌ６５文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—４２８８（２００８）０６—００６３一０２ 工业机械手是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从１９６２年美国研制出世界上第一台工业机械手以来，机械手技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（ＦＭＳ）、自动化工厂（ＦＡ）、计算机集成制造系统（Ｃ１ＭＳ）的自动化工具。工业机械手作为现代制造业主要的自动化设备。已经广泛应用于汽车、工程机械、电子信息、家电等各个行业，进行焊接、装配、搬运、加工等复杂作业。在日本、欧美等国得到广泛的应用。我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离．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，进行系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程［１ｑ］。从近几年国外机械手推出的产品来看，机械手技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、ＰＣ化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；系统的网络化和智能化等方面［４‘５］。 ｌ搬运机械手机构设计 工业机械手由操作机（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。本设计的搬运机械手机构主要由机座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部等六个部分组成。（见图１） 机械手具有四个自由度，分别是腰部转动、臂部的伸缩运动及手腕的回转和俯仰运动。手部，亦称末端执行器，功能是用来直接抓取工件，其结构有吸盘式、手爪抓取式、卡钳式等多种形式，本设计选择卡钳式的平移型抓取方式，由齿轮齿条作为传动机构，适用于不规则工件和非金属工件的抓取；手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能取决于自由度的多少，自由度越多则其动作越灵活，但随着自由度的增多，结构和控制也越复杂，在本次设计中，手腕应该具有两个自由度，即能实现手腕的回转和俯仰运动；手臂结合了ＰＵＭＡ机械手结构并进行了改进，臂部的结构形式需根据机械手的运动形式、抓取重量、运动自由度、运动精度等因素来确定，为了实现伸缩运动的平稳和动作的精确，采用了谐波减速器，利用一个构件可控制的弹性变形实现机械运动的传动；回转机座又叫机械手的腰座，除了对机械手起到固定和支撑作用外，还要确保机械手腰部的回转运动。 １．机座２．腰部３．大臂４．小臂５．腕部６．手部 圈１搬运机械手结构简图 ＊收稿日期：２００８一０４—２０ 作者简介：蔡卫国（１９７０一），男，内蒙古赤峰人，大连水产学院理学院副教授，硕士。 一６３—万方数据
机电液综合课程设计 ——简易机械手的设计 学校： 学院：机械与动力工程学院 班级：机制09-1班 指导教师: 组员： 组长：
目录 第1章绪论 (1) 1.1机械手概述 (1) 1.2机械手的设计目的 (4) 1.3机械手的设计内容 (5) 1.4机械手的分类及其在生产中的应用 (6) 1.5机械手的应用意义 (9) 1.6机械手的技术发展方向 (10) 第2章设计方案的论证 (11) 2.1机械手的总体设计 (11) 2.2机械手腰座结构的设计 (12) 2.3机械手手臂结构的设计 (12) 2.4工业机器人腕部的结构 (14) 2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计 (15) 2.6机械手的机械传动机构的设计 (17) 2.7机械手驱动系统的设计 (18) 第3章理论分析和设计计算 (26) 3.1液压传动系统设计计算 (26) 3.2电机选型有关参数计算 (35) 第4章控制系统的设计 (38) 4.1单片机控制系统选择 (38)
4.2单片机控制程序 (39) 4.3机械手的工艺流程 (41) 第5章机械手总成及零件图 (42) 总结 (44) 参考文献 (45)
第1章绪论 1.1机械手的概述 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 机械手通常常机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代
1 前言 1.1 国内外发展概况]1[ 机械手首先是美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院研究Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于喷涂、起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种喷涂机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展和应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。 目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。
本科毕业设计 题目：关节型机械手的机构设计 学院：工学院 姓名： 学号： 20100962 专业： 班级： 指导教师： 2014年5月 摘要 本说明书所设计的关节型机械手应用圆柱坐标式整体机构，能够实现夹取、安放、搬运棒形工件等功能。这个机械手主要由手爪、手腕、手臂、腰部和机座等部
分组成，主要的活动功能体现在整个机械手的四个自由度以及手爪的闭合。其中四个自由度包括腰部的回转，腰部的升降，手臂的伸缩，手腕部的回转。这个机械手的整体规模一般，适用于小巧型工业零件的抓取和搬运，如电子加工业等。 该机械手主要就是靠液压缸的油压变化来实现4个自由度和手爪的夹取。在油路的布置和规划中应用了液压传动的原理以及机械制造的原理，使得油路能够更加的符合机械设计过程中的合理性和可靠性，安全性和经济性。充分利用好机构的相互配合关系，合理布置零件间的空间结构，使本设计更加的合理完善。 关键字：关节型机械手圆柱坐标液压缸四自由度 Abstract
This explanation is designed articulated robot application type cylindrical coordinates overall organization, to achieve gripping, put the rod work piece handling functions. The robot gripper mainly by the wrists, arms, waist and base and other components, the main event features embodied in the entire four degrees of freedom and the robot gripper closure. Four degrees of freedom, including rotation, waist lifting, telescopic arm, wrist rotation of the waist. The overall size of the robot is generally suitable for compact industrial parts crawl and handling, such as electronic processing industry. The robot is mainly by hydraulic cylinders to achieve change gripping four degrees of freedom and a gripper. In the oil circuit layout and planning of the application of the principles and the principles of hydraulic transmission machinery manufacturing, making the oil to be more in line with the mechanical design process rationality and reliability, safety and economy. Take full advantage of a good relationship with each other agencies, rational arrangement of space between the structural components, making the design more reasonable and perfect. Keywords: articulated manipulator cylindrical coordinates cylinder four degrees of freedom 目录 摘要 (1) 目录 (3) 1.1研究目的 (5)
?２８?《机床与液压》２００４．Ｎｏ．７ 多关节机器人实用通信系统的构建＋ 徐开芸，饶华球 （南京工程学院，江苏南京２１００１３） 摘要：介绍了多关节机器人实用通信系统的设计过程，采用主从控制方式，实现三级计算机结构多ｃＰｕ并行工作。利用Ｖｃ＋＋６．０中Ｍｓｃｏｍｍ控件（Ｍｉｃｍｓｏｆｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｔｒ０１）实现第一级（Ｐｃ机）与第二级（８９ｃ５１单片机）之间的串行通信，利用汇编语言通过内部总线实现第二级与第三级（８９ｃ２０５１单片机）之间的并行通信，从而完成整个机器人系统的通信控制。经自行研制的教学工业两用型机器人（ＮＧＲ０１）实际使用表明，该通信系统能够长时间可靠、稳定运行。 关键词：机器人；通信系统；Ｖｃ＋＋；单片机 中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ｂ文章编号：１００１—３８８ｌ（２００４）７—０２８—４ Ｃｏ施ｔｒＩｌｃｔｉｏｎｏｆＰｍｃｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＵｓｅｄｆｏｒＭｕｍ一．ｉｏｉｎｔＲｏｂｏｔ ＸＵＫａｉ—ｙｕｎ，ＲＡＯＨｕａ—ｑｉｕ （ＡｕｔｏｍａｔｉｃＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＮａｎｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ７ｒｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｕｓｅｄｆｏｒｍｕｌｔｉ—ｊｏｉｎｔＴｏｂｏｔｗａｓｉｎｔｍｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｍｐｌｏｙｓｍａｉｎ—ｓｌａｖｅｃｏｎｔｍｌｍｏ（１ｅ，ａｎｄｔｈｒｅｅ１ｅｖｅｌｃｏｍｐｕｔｅｒｓｗｏｒｋｓｐａｒａｌｌｅＩｌｙ．Ｔｈｅｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｉｒｓ卜ｌｅｖｅｌｃｏｍｐｕｔｅｒ（ＰＣ）ａｎｄｔｈｅｓｅｃｏｎｄ—ｌｅｖｅｌｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ（８９Ｃ５１）ａｄｏｐｔｓｔｈｅＭＳＣｏｍｍｏｆＶＣ＋＋６．０．Ｔｈｅｉｎｔｅｍａｌｐａｒａｌｌｅｌｂｕｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅ—ｔｗｅｅｎｔｈｅｓｅｃｏｎｄ—ＩｅｖｅｌａＩｌｄｔｈｅｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ（８９Ｃ２０５１）ｕｓｅｓｔｈｅａｓｓｅｍｂｌｙｌａｎｇｕａｇｅ．Ｔｈｅａｂｏｖｅｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｓｔｌｌｅｗｈｏｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｔｍｌ，ｗｈｉｃｈｉｓ印ｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｍｂｏｔＮＧＲ０１ｕｓｅｄｆｏｒｅｄｕｃａｔｉｏｎａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｙ．７１１ｌｅ１１ｌｎｎｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｓｔａｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｏｂｏｔ；Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ＶＣ＋＋；Ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐｍｉｃｍｃｏｍｐｕｔｅｒ ０引言直平面内运动时，可以通过肩关节和肘关节旋转来实机器人作为一种能够进行编程并在自动控制下执现，它们复合在一起可以改变机器人手指的位置，而行操作和移动作业任务的机械装置，它是一个典型的其姿态可以通过手腕（摆腕和旋腕）的运动来实现。高技术密集型机电一体化产品。从２０世纪６０年代问由于这种机器人的工作空间形成球面的大部分，故也世以来，已发展成为自动化领域的一大分支。特别是称之为关节式球面机器人。 进入上世纪８０年代以后，在信息技术、控制技术、 人工智能和传感技术的支持下，机器人己远远超出了 服务于制造业的范围，并被广泛地应用于非制造业。 我国将后者称之为特种机器人，而国外一般称为先进 机器人（ａｄｖａｎｃｅｄｒｄｂｏｔ）。也就是说，非制造业机器 人与结构化环境下作业的工业机器人相比，前者与环 境的交互作用更加复杂、控制更加困难，要求的智能 程度更高，是更先进的机器人。 显然，随着机器人复杂程度的提高，其控制技术 难度也越来越大，目前较多采用了多ｃＰｕ并行工作 方式，这样它们之间的通信问题就变得非常重要了。下面结合我们自行研制的多关节教学工业两用型机器人¨。一ＮＧＲ０１来介绍一种实用通信系统体系结构，并重点说明三级计算机之间的通信实现方法。 １ＮＧＲ０１型机器人 如图１所示ＮＧＲ０１型机器人外形，它由腰、肩、肘、摆腕、旋腕共五个关节和一个电动手指组成，全部采用铝材加工而成，通过谐波齿轮减速和同步齿形带传动。这样，当要求机器人在水平面上运动时，可以通过腰关节绕底座旋转来实现，当要求机器人在垂 图ｌＮＧＲ０ｌ型机器人外形结构 ＮＧＲ０１型机器人采用了间接驱动方式，除腰关节电动机安装在底座内以外，其余电动机均安装在机器人肩关节旁边，然后通过传动链将力矩传递到相应的关节，这样可以减轻机器人本身负载重量及惯性，改善其动态性能，同时还可以通过结构优化设计美化外观。考虑到目前主要将该机器人用于教学场合验证有关原理和演示工作过程，必须兼顾生产成本和动、静态指标等因素。因此，各关节选用了日本三洋公司生产的混合式步进电动机驱动系统。如果选用交流伺 ＋基金项目：江苏省高校自然科学研究计划项目（９９ｌ（ＪＢ４６０００６）资助 万方数据
江苏城市职业学院 毕业设计（论文） （ 2011 届） 设计（论文）题目平面关节型机械手设计 办学点（系）张家港办学点（工程系） 专业机械设计与制造 班级11机械（普） 学号110404350532 学生姓名邵强 指导教师杜微娜职称助教
摘要 (3) 一、概论 (4) 1、机械手的工作原理及设计思想 (4) 2、机械手应用及应用中容易出现的误区 (5) 3、机械手的发展及发展前景 (6) 二、机械手的总体设计 (7) 三、手指设计 (9) 1、设计时应注意的问题 (10) 2、零件的计算 (10) 3、手指夹紧力的计算 (11) 四、移动关节的设计计算 (12) 1、驱动方式的比较 (12) 2、汽缸的设计 (13) 五、小臂的设计 (14) 1、结构的设计 (14) 2、轴的设计计算 (15) 3、轴承摩擦力矩的计算 (15) 4、驱动的选择 (16) 六、大臂的设计 (16) 1、结构的设计 (17) 2、轴的设计计算 (17) 3、轴承摩擦力矩的计算 (18) 4、伺服系统的选择 (18) 七、机身的设计 (17) 1、设计时应注意的问题 (17) 2、设计的效果说明 (18) 结论 (20) 致谢 (21) 参考文献 (22)
平面关节型机械手设计 [摘要] 平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左 右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。 关键词: 机械手轴承汽缸 [Abstract] Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back l eft and right . the move joints control the moving of up and down . the wor k room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section . Key words: manipulator axletree cylinder