产品概述
RoboArm-II是博创RoboArm小型机械臂的升级产品。它是一套具有6个自由度的典型串联式小型机械臂，并配有小型手爪式电动夹持器，可用于工业机器人原理及应用教学、空间机构学、机器人动力学与运动学教学，并可作为小型机器人的执行器。
RoboArm-II主体采用高强度铝合金结构，具有6个关节自由度，最大伸展长度0.5米，最大负载0.3kg，其各个关节采用数字式伺服电机控制，总线式通讯，各个关节均具有位置、速度、电流反馈。具有完善的加减速控制和PID控制，参数可灵活调整，可轻易完成运动学正解、逆解实验，可进行人工示教。其各个关节采用高速串行总线通讯，通讯速率达1Mbps。
供电系统为12V供电，控制器采用MultiFLEX2-AVR控制器，开发环境基于Windows 和创意之星机器人套件的架构，支持图形化编程、人工示教或C语言编程。配有开发指南和实验教程，可由学生动手操作体验、完成工业机器人相关实训课程。
性能参数 项目
参数 说明 展开尺寸（长宽高）
300x250x650mm 材质
高强度铝合金 重量
机器人本体： 9.0kg (含底座) 控制柜： 5.5kg 末端典型负载
0~0.3kg 关节伺服电机
数字式一体化直流伺服电机 总线式通讯，速率1Mbps 电源容量
12VDC/最大10A 含12V/10A 交流电源适配器 末端执行器
小型电动夹持器 编程调试环境
PC 机， NorthSTAR 图形化机器人开发环境 机器人控制器
MultiFLEX2-AVR 12个I/O ，TTL 电平
8
个A/D 输入，0~5VDC
可扩展额外20个自由度的 UART 总线接口
扩展接口 2个RS-422总线接口
通讯方式 USB 或RS-232接口
文档和技术资料 DVD 光盘一张，含机器人实验指导手册、开发文档、源代码、DEMO 程序、电路图等技术资料
关节参数： 关节 说明 极限运动行程
最高速度 关节分布图 DOF1 腰部旋转 -150?~+150?
200?/s DOF2 肩部俯仰 -90?~+90?
120?/s DOF3 肘部俯仰 -90?~+90?
150?/s DOF4 腕部旋转 -150?~+150?
200?/s DOF5 腕部俯仰 -120?~+120?
180?/s DOF6 腕部倾动 -120?~+120?
180?/s 夹持器 开/合
0~60mm 200mm/s 典型应用领域
l
机电一体化专业教学实验 l
机器人运动学、动力学教学实验 l
小型机器人平台执行器 l 工业机器人入门学习和体验实训
六自由度工业机器人 对于工业机器人的设计与大多数机械设计过程相同;首先要知道为什么要设计机器人机器人能实现哪些功能活动空间（有效工作范围）有多大了解基本的要求后，接下来的工作就好作了。 首先是根据基本要求确定机器人的种类，是行走的提升（举升）机械臂、还是三轴的坐标机器人、还是六轴的机器人等。选定了机器人的种类也就确定了控制方式，也就有了在有限的空间内进行设计的指导方向。 接下来的要做的就是设计任务的确定。这是一个相对复杂的过程，在实现这一复杂过程的第一步是将设计要求明确的规定下来;第二步是按照设计要求制作机械传动简图，分析简图，制定动作流程表（图），初步确定传动功率、控制流程和方式;第三步是明确设计内容，设计步骤、攻克点、设计计算书、草图绘制，材料、加工工艺、控制程序、电路图绘制;第四步是综合审核各方面的内容，确认生产。 下面我将以六轴工业机器人作为设计对象来阐明这一设计过程： 在介绍机器人设计之前我先说一下机器人的应用领域。机器人的应用领域可以说是非常广泛的，在自动化生产线上的就有很多例子，如垛码机器人、包装机器人、转线机器人;在焊接方面也有很例子，如汽车生产线上的焊接机器人等等;现在机器人的发展是非常的迅速，机器人的应用也在民用企业的各个行业得以延伸。机器人的设计人才需求也越来越大。 六轴机器人的应用范筹不同，设计形式也各不相同。现在世界上生产机器人的公司也很多，结构各有特色。在中国应用最多的如：ABB、Panasonic、FANUK、莫托曼等国外进口的机器人。 既然机器人的应用那么广泛，在我国却没有知名的生产公司。对于作为中国机械工程技术人员来说是一个值得思考的问题！有关机器人技术方面探讨太少了从业人员还不能成群体虽然在很多地方可以看到机器的论术，可是却没有真正形成普及的东西。 即然是要说设计，那我就从头一点一点的说起。力求讲的通俗简明一些，讲得不对的地方还请各位指正！ 六轴机器人是多关节、多自由度的机器人，动作多，变化灵活;是一种柔性技术较高的工业机器人，应用面也最广泛。那么怎样去从头开始的设计它呢工作范围又怎样去确定动作怎样去编排呢位姿怎样去控制呢各部位的关节又是有怎么样的要求呢等等。。。。。。让我们带着众多的疑问慢慢的往下走吧！ 首先我们设定：机器人是六轴多自由度的机器人，手爪夹持二氧气体保护焊标准焊枪;完成点焊、连续焊等不同要求的焊接部件，工艺要求、工艺路线变化快的自动生线上。最大伸长量：1700mm;转动270度;底座与地平线水平固定;全电机驱动。 好了，有了这样的基本要求我们就可以做初步的方案的思考了。 首先是全电机驱动的，那么我们在考虑方案的时候就不要去考虑液压和气压的各种结构了，也就是传动机构只能用齿轮齿条、连杆机构等机械机构了。 机器人是用于焊接方面的，那么我们就去考察有人工行为下的各种焊接手法和方法。这里就有一个很复杂的东西在里面，那就是焊接工艺;即然焊艺定不下来，我们就给它区分一下，在常用焊接里有单点点焊、连续断点点焊、连续平缝焊接、填角焊接、立缝焊接、仰焊、环缝焊等等。。。。。。 搞清了各种焊方法，也就明白了要实现这些复杂的动作就要有一套可行的控制方式才行;在机械没有完全设计出来之前可以不做太多的控制方案思考，有一个大概的轮廓概念就行了，待机械结构做完，各方面的驱动功率确定下来之后再做详细的程序。 焊枪是用常用的标准的焊枪，也就是说焊枪是随时可以更换下来的，也就要求我们要做到对焊枪的夹持部分进行快速锁定与松开。
第一章引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
六自由度机械臂控制系统设计 随着世界各地恐怖事件的不断爆发，采用六自由度机械臂实现对爆炸物的排除已成为现如今防恐事业的一项重要手段，机械臂在进行作业的过程中，排爆需要灵活的操作和细致的动作。机械臂的自由度往往在四五个左右，为了满足排爆工程的需求，就需要加强机械臂的操作自由度，因此设计六自由度机械臂就显得尤为重要。 标签：六自由度；机械臂；控制系统设计 1.六自由度机械臂控制系统设计要求 六自由度机械臂的运动控制硬件分别是机械手的运动控制、驱动电路的底层控制、远程通信以及远程控制、视觉传感和辅助传感系统和上层控制的人机交互。 在整个自由度机械臂控制系统中，上位机控制系统的主要功能是给操作者提供良好的人机交互界面，而且机械臂的操作能够通过配套的便携手柄而实现，所以上位机要对手柄所发射的信号进行有机的掌握和控制，对下位机系统的控制还需要上位机系统给出，同时还要将下位机及机械臂运动状态信息能够及时反馈给操作者。操作手柄和下位机作为移动设备而言，上位机控制系统除了能够提供有线的控制，还要提供相应的无线通信系统，其控制的有效距离在100米左右实现控制的指令和运动反馈的信号达成。在移动载体的设计上，除了放置机械手实现对抓取的射线图像检测仪，机械臂和车身上还装置了两台CCD摄像机和两个自由度的云台，并相应地配备录像机以对排爆过程进行全程的记录。这些信息的反馈就是通过无线图像模块实现的。 在机械臂手部的设计过程中，因为机器人的抓手在整个机械臂系统中作为最末端的执行器，在抓取和实现操作工作的时候，其可以根据需要分为钳式和吸附式。在这个层面上我们主要考虑的是机械臂在进行工具抓取的时候，需要采用钳式的爪手，在爪手上的电机，我们选择的是MICRO-STd伺服电机，在电机的尺寸设计上，要保证电力能够在最小的空间占比和最轻的质量占比，从而满足于机械臂的灵活性。在机器人的机械臂设计中，机械臂是由四到五个伺服的电机组成的，对伺服电机的控制能够保障机械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由变化。机械臂的手臂电机在设计过程中为了满足其灵活性，选择的是金属齿轮的伺服电机。在六自由度机械臂的手腕处，我们采用与爪手处相同的伺服电机，为了能够更好地保证对工具的夹持和手腕部的回转设计，六自由度机械臂在其底座的设计上，我们选择合金压铸技艺，从而使得底座能够支撑起整个手臂的重量，保障其在运行过程中的稳定性。对于标准的伺服机而言，其主要有三条引线，分别为电源线VCC、接地线以及控制信号的传播线。 2.控制器的设计 在对六自由度机械臂的控制器的设计上，主要采用单片机作为主控制器，通
目录 摘要 (2) 第一章绪论 (3) 1.1. 工业机器人概述 (3) 1.2机械手的组成和分类 (4) 1.2.1. 机械手的组成 (4) 1.2.2. 机械手的分类 (5) 第二章机械手的设计方案 (7) 2.1 机械手的“坐标形式”与“自由度” (7) 2.2 机械手的主要参数 (8) 第三章手部结构的设计 (9) 3.1 末端执行器的设计 (9) 3.1.1蜗杆蜗轮型号选择 (10) 3.1.2 驱动电机型号选择 (10) 3.1.3联轴器的选择 (11) 3.2 手腕回转装置设计 (11) 3.2.1 驱动电机的选择 (12) 3.2.2 锥齿轮的设计 (13) 第四章腕部结构设计 (16) 4.1 腕部俯仰结构设计 (16) 4.1.1 驱动电机的选择 (16) 4.1.2 内啮合齿轮的设计 (17) 4.2 手腕左右摆动结构设计 (18) 第五章肘部与肩部的设计 (19) 5.1 肘部结构设计 (19) 5.1.1 驱动电机的选择 (20) 5.1.2内啮合齿轮的设计 (21) 5.2 肩部结构设计 (22) 5.2.1驱动电机的选择 (22) 5.2.2 锥齿轮的设计 (23) 第六章底座的设计 (23) 6.1 驱动电机的选择 (24) 6.2 蜗轮蜗杆的选择 (24) 第七章：ADAMS 模型的建立与仿真 (25) 7.1 手部模型的建立 (25) 致谢 (29) 参考文献 (29)
摘要 本次所设计的作品是“六自由度机械手”。六自由度即：腰部回转、肩部摆动、肘部摆动、腕部左右摆、腕部俯仰摆和腕部回转，最终实现“末端执行器”的夹持动作。 方案一：所有传动均选用“齿轮传动”或者“蜗轮蜗杆传动”。总共需要7个伺服电机来驱动。首先，腰部电机主轴通过联轴器与蜗杆连接，蜗杆旋转带动蜗轮回转，从而蜗轮再带动底座实现360度回转。其次，肩部电机主轴通过联轴器与一个锥形齿轮连接，带动另外一个锥形齿轮进行双向旋转，从而实现肩部带动上臂的摆动动作。再者，肘部电机通过联轴器与一“内啮合”小齿轮连接，而大齿轮与前臂的端部通过平键来周向连接定位。从而电机带动小齿轮，小齿轮通过与大齿轮啮合旋转，带动前臂实现摆动动作。在前臂的末端连接手腕处，电机轴与手部直接连接，通过电机的正反转实现手腕的左右摆动。手腕的俯仰动作原理与肘部摆动原理类似，也是通过一对内啮合齿轮连接。腕部的回转与肩部的摆动原理相同，通过一对锥齿轮来实现。末端执行器通过蜗杆与一对扇形蜗轮进行双向旋转实现。 方案二：所有传动都通过“液压缸”来实现，其形式类似于挖掘机或推土机。最终实现“夹持功能”相同。这种方案优点是：可频繁换向，冲击小，可实现无级调速。不过相比第一种方案：需要专门的一套液压装置，结构复杂，容易漏油污染，而且其摆动角度较小。 因此综合考虑，选用第一种方案。
2. 六自由度搬运机械手的结构设计 根据机械手的基本要求能快速、准确地拾起-放下搬运物件，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一位置都能自动定位等特征。设计原则是：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，从而进一步确定对该机械手结构和运行控制的要求；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，并能实现柔性转接和编程控制。本课题设计的是一种小型的多关节式六自由度机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件实现抓取、搬运等一些列动作。 2.1 六自由度搬运机械手的功能分析 该机械手系统共有6个自由度，分别为肩的回转与曲摆，大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转。 该系统中基座固定，与基座相连的肩可以进行360度的回转；与肩相连接的大臂可以进行-90～+90度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进行-90～+90度曲摆，大臂和小臂动作幅度较大，可以满足俯仰要求。手腕可以进行360度的旋转，手腕也可以完成-90～+90度的曲摆，末端的手爪部分可以-90～+90度夹持，手爪 部分通过一对齿轮的啮合转动，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。 通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并一直重复进行下去！ 2.2 六自由度搬运机械手的坐标形式和自由度 2.2.1 六自由度搬运机械手的坐标形式 按机械手手臂的不同运动形式及组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。 （1）直角坐标式机械手 直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机 械手。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按照直角坐标形式x、y、z三个方
小型六自由度的工业机械手的控制设计 1、系统设计目的及意义 工业机器人，又称机械臂，在现代化工业生产中正发挥着越来越重要的作用，它被广泛应用到流水生产线上，代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重的劳动，这不仅大大提高了生产效率，同时也极大地提高了产品的加工精度和产品质量。随着时代的进步，机器臂技术的应用越来越普及，已逐渐渗透到军事、航天、医疗、日常生活及教育娱乐等各个领域，可以说工业机器人的应用对现代工业的发展起到了巨大的推动作用。 论文围绕哈尔滨工程大学自动化学院学生创新实验室购买的教学用小型六自由度机械臂，完成对其关节控制系统的设计开发，开发内容包括硬件系统和软件系统。从而使其能够达到一定的控制精度，为后续的控制算法的研究提供一个完整的平台。 2、主要研究内容 论文的主要内容包括：对机械臂结构的改进、安装合适的控制系统、数学建模、运动学分析，轨迹规划研究、控制算法研究和三维仿真研究等部分。 图2.1 机械臂系统研究内容图 2.1、机械臂结构改造 创新实验室购买的教学用六自由度机械臂存在以下两个明显不足，需要对其
进行较大的改动： （1）原机械臂包括爪子在内共六个自由度，实际上爪子是机械臂的末端执行器，它不影响位置和姿态，不能作为一个独立自由度； （2）原机械臂的关节执行器使用的是6个舵机，各关节处没有任何反馈装置，只能做简单开环控制，生产厂家的技术人员证实了这一点。为了完成本次论文的立题要求，需要至少在一个关节上做成闭环控制。 针对以上两点不足，在不破坏机械臂的前提下，作者对机械臂的结构和控制部分做了以下相应改动： （1）去掉爪部关节，另外增加两个关节，使机械臂达到六个自由度，同时利于建立其数学模型； （2）将底座舵机换成直流减速电机，增加一定的机械结构来安装角度反馈装置，从而使机械臂能够完成一定的闭环控制，满足论文的立题要求。 图2.2改装后的六自由度机械臂实物图 2.2、数学建模 六自由度链式(6R)机器臂是具有六个关节的空间机构，为描述末端执行器在空间的位置和姿态，可以在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位置。一般采用Denavit-HartenBerg法(D-H法)建立坐标系并推导机械臂的运动方程。D-H法是1995年由Denavit和HartenBerg提出的一种建立相对位姿的矩阵方法。利用齐次变换描述各个连杆相对于固定参考坐标系的空间几何关系，用一个4×4的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出末端执行器坐标系相对于基坐标系的等价齐次坐标变换矩阵，建立机械臂的运动方程。依据D-H法，相邻两坐标系之间的关系表示为：
目录 第一章绪论 (5) 第二章总体介绍 (7) 2.1 机械结构的总体介绍 (7) 2.2 电气结构的总体介绍 (8) 第三章机械机构及设计 (9) 3.1 底座的设计 (9) 3.2 屈臂的设计 (9) 3.21 屈臂的组成和作用 (9) 3.22 屈臂设计的基本要求 (10) 3.23 屈臂的常用结构 (10) 3.3 腕部的设计 (11) 3.31 腕部的作用 (11) 3.32 腕部的分类 (11) 3.4 手部的设计 (12) 3.41 手部的特点 (12) 3.42 手部的分类 (12) 第四章电气结构及设计 (14) 4.1 主控制器的选择 (14) 4.2 伺服控制器PSC及电机的选择 (15) 4.21 伺服控制器的选择 (15) 4.22 PSC伺服控制板接口的设计 (15) 4.23 伺服电机的选择 (16) 第五章控制程序及调试 (18) 第六章心得体会 (21) 参考文献 (22)
第一章绪论 在工资水平较低的中国，制造业仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美的跨国公司很早就在他们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是在那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣高，应为他们要面对工人的流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一致性，提高品质。另外，另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如：一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 应用前景 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
电子信息工程《机械电子学》研究报告 六自由度机器臂的机电传动与控制系统设计 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 所在学院： 专业班级： 中国·大庆 2014年12 月
信息技术学院 课程设计任务书 信息工程学院电子信息工程专业级，学号姓名 一、课程设计课题： 六自由度机器臂的机电传动与控制系统设计 二、课程设计工作日自2014 年12 月8 日至2014 年12 月19 日 三、课程设计进行地点：信息馆321 四、程设计任务要求：(详细内容见课程设计文档) 1.课题来源: 教室下发。 2.目的意义: 培养学生文献查阅、系统设计、机电传动与控制系统设计的能力，对机械电子学课程的深入了解，通过机械臂的设计。 3.基本要求: 设计六自由度机器臂。机械臂是一种典型的工业机器人，在自动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场中有广泛的应用。该设计可以采用六关节串联结构，各个关节以“绝对编码器电机+精密谐波减速器”为传动。在小臂处留有安装摄像头、气动工具等外部设备的接口，并提供备用电气接口，方便用户进行功能扩展。在机器臂的控制器可以采用PLC、单片机和工业微型计算机，结合六自由度实现机械臂的运动控制，要求性能可靠，高速高精度。 课程设计评审表 指导教师评语： 成绩：签字：日期：
目录 1 设计任务要求 ...................................................................................... - 1 - 1.1题目.. (1) 1.2设计要求 (1) 1.3规定 (1) 1.4完成时间 (1) 2 焊接机械手系统设计 (1) 3 绪论 (2) 4 正文 (2) 4.1机械手的设计 (3) 4.2传动系统的设计 (4) 4.3驱动系统的确定 (5) 4.4控制系统 (5) 4.5检测系统 (5) 4.6软件系统 (5) 5 结论 (6) 6 致谢 (6) 7 参考文献 (7)
在现代的工厂加工生产线上，有很多的物件需要进行多角度，位置多姿态的进行变化，用人工自然不用说了，但是用人工的话，效率会比较低，而且可能会因为人工的操作失误导致次品率的上升，这就会给工厂带来不小的损失。所以这就会选择效率高，次品率低的机械臂来完成了，而对于那些空间位置和姿势变化较为复杂的物件来说就需要多自由度的机械臂来完成了。那什么是自由度呢？下面就来和大家分享一下。 通常把机械手臂的传送机构机的运动称为自由度。人从手指到肩部共有27个自由度，如果把机械手臂也做成这样多的自由度是很困难的，也是不必要的。从力学的角度分析，物件在空间只有6个自由度，因此为抓取和传送在空间不同位置和方位物件，传送机构最多也设置成6个自由度。常用的机械手传送机构的自由度很多还是少于6个自由度的，一般的专用机械手臂只有2-4个自由度，通用的机械手臂则多数为3-6个自由度。 常见的六轴关节的机械臂，是通过六个伺服电机直接通过减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转。六轴工业机器人一般有六个自由度，常见的六轴工业机器人包含旋转（S轴），下臂（L轴）、上臂（U轴）、手腕旋转（R轴）、手腕摆动（B轴）和手腕回转（T轴）。六个关节合成实现末端的六自由度动作。
六轴机械臂的研发设计及制造已经有好几十年的历史了，整个工业机械臂的研发制造体系较为完善，各研发厂家在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新。大正百恒智能多年来坚持投入研发、生产各类自动化设备，其中包括：双臂回斜式机械手、回斜式机械手、双截单臂回斜式机械手、立式注塑机专用机械手、单臂回斜式机械手、中型一轴伺服横走式机械手、中型两轴伺服横走式机械手、CNC悬挂式全伺服机械手、CNC开放式全伺服机械手。多年来不断推陈出新，研发生产的自动化设备帮助许多企业解决了生产难题，备受企业的喜爱。 芜湖大正百恒智能装备有限公司位于安徽省芜湖市，专业研发、制造、销售注塑机械手，车床、磨床、冲压上下料机械手及周边自动化设备。产品广泛适用于基础工业，汽车零部件，电子通信，环保化粪池，检查井、垃圾桶、托盘、食品包装，PET瓶坯，家电设备，光学制造等。 公司汇聚行业界经验丰富的技术精英及诚信专业销售团队，为您量身打造适
摘要 在当今轮毂制造业中，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。 本文设计和研究了一个六自由度的工业机器人，用于生产线的进送料和装配。首先，本文对生产线布局进行改造设计，提高生产的工作效率，然后，根据设计要求设计了机器人的整体方案和具体的机械结构，选择了合适的传动方式、驱动方式，设计了机器人的底座、大臂、小臂和手部的结构；并且对机器人的传动结构进行设计，机器人为六自由度关节型机器人，全部采用转动关节，关节处采用电机，减速机，齿轮传动机构，蜗轮蜗杆传动机构来实现各个自由度，从而实现所需的运动。在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，采用PC+DSP运动控制卡的控制方式，确定了控制系统的总体方案，设计了PCI 总线接口电路和DSP。 关键词: 六自由度工业机器人；生产线；结构设计；控制系统；
各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版论文、程序、答辩PPT）可加解。
Abstract In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take playback way. In this paper ,I will design an industrial robot with six DOFs.First, I will transform line layout and design the structure of the baseto improve the work efficiency of production ,and then, according to the design requirements ,I design the robot mechanical structure of the overall plan and specific ,and chose the right means of transmission and drive mode,Then ,I design the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot,and I design the transmission structure, This robot is a 6-DOF joint robot,These joints are all rotary joints, joints used motor, reducer, gear transmission, worm gear and worm drive mechanism to realize various degrees of freedom, so as to achieve the required movement.On this basis, this paper will design the control system of the robot, which controlled by PC and DSP motion control card, and determine the overall scheme of the control system, design DSP and PCI bus interface circuit .
SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 课程设计说明书 三自由度机械手臂设计 学院：农业工程与食品科学学院 专业：农业机械化及其自动化 学生姓名：赵国0911034036 学生姓名：李继飞0911034030 学生姓名：程小岩0912034039 指导教师：程卫东 2013 年1 月
摘要 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。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。
目录 第1章绪论 (5) 1.1 机器人概述 (5) 第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计 (6) 2.1自由度及关节 (6) 2.2 基座及连杆 (6) 2.2.1 基座 (6) 2.2.2 机械臂 (6) 2.3 机械手的设计 (6) 2.4 驱动方式 (8) 2.5 传动方式 (9) 2.6 制动器 (10) 第3章控制系统硬件 (11) 3.1 控制系统模式的选择 (11) 3.2 控制系统的搭建 (11) 3.2.1 工控机 (12) 3.2.2 数据采集卡 (12) 3.2.3 伺服放大器 (13) 3.2.4 端子板 (14) 3.2.5电位器及其标定 (15) 3.2.6电源 (16) 第4章控制系统软件 (16) 4.1预期的功能 (16) 4.2 实现方法 (16) 4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 (16) 4.2.2直流电机的伺服控制 (16) 4.2.3电机的自锁 (16) 4.2.4示教编程及在线修改程序 (17) 第5章总结 (18)
机电系统课程设计说明书 六自由度机械手 学院：农业工程与食品科学学院班级：农机0901 小组人员：孙海舰邹杨 指导老师：程卫东
前言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一、方案设计 (4) 二、结构设计 (4) 三、电机的选择 (5) 1.主回转轴电机的选用 (5) 2、大臂摆动电机选用 (6) 3、大臂转动电机选用 (6) 4、小臂摆动电机的选择 (6) 四、功能分析 (7) 五、基座旋转机构轴的设计及强度校核 (8) 六、液压泵俯仰机构零件设计及强度校核 (11) 七、左右摇摆机构设计及强度校核 (14) 八、连腕部俯仰机构零件设计及强度校核 (17) 九、旋转和夹紧的设计及强度校核 (22) 1.机械手指部基座与回转体的螺栓连接 (22) 2．机械手指部设计及夹紧力计算 (25) 十、机构各自由度的连接过程 (26) 十一、设计特色 (28) 十二、心得体会 (29)
VME 运动控制器 六自由度机器人 概 述 六自由度机器人是一种典型的工业机器人，在自动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场中有广泛的应用。固高科技GRB 系列六自由度机器人是固高成熟完备的运动控制技术与先进的设计和教学理念有机结合的产物,既满足工业现场要求，也是教学、科研机构进行运动规划和编程系统设计的理想对象。 该机器人采用六关节串联结构，各个关节以“绝对编码器电机+精密谐波减速器”为传动。在小臂处留有安装摄像头、气动工具等外部设备的接口，并提供备用电气接口，方便用户进行功能扩展。 机器人的控制方面，采用集成了PC 技术、图像技术、逻辑控制及专业运动控制技术的VME 运动控制器，性能可靠稳定，高速高精度。 主要特点 开放式控制实验平台 z 基于VME 总线高性能工业运动控制器的开放式平台，支持用户自主开发； z 通用智能运动控制开发平台，采用VC++或OtoStudio 计算机可编程自动化控 制系统开发工具 z 配备图形示教功能，便于机器人的编程操作和应用培训； z 配套内容详尽的操作手册和学生实验指导书，通过实例演示，引导用户操作并学习如何基于运动控制器开发各种应用软件系统。 工业化设计与制造 z 按照工业标准设计和制造； z 机构设计成6轴串联旋转式关节，各关节采用绝对型编码盘交流伺服电机驱 动，谐波减速器传动； z 模块化结构，简单、紧凑，预留电气与气动标准接口； z 较高的负载、更快的轴动作速度、大的许用扭矩和转动惯量使机器人应用广 泛，可用于搬运，点焊，装配，点胶，切割，喷涂等行业； z 具备最大的工作半径和最小的干涉半径，工作范围大，在系统设计上提供较 大的灵活性，夹具、剪丝机等设备可以采用更高效的安装方式；
产品概述 RoboArm-II是博创RoboArm小型机械臂的升级产品。它是一套具有6个自由度的典型串联式小型机械臂，并配有小型手爪式电动夹持器，可用于工业机器人原理及应用教学、空间机构学、机器人动力学与运动学教学，并可作为小型机器人的执行器。 RoboArm-II主体采用高强度铝合金结构，具有6个关节自由度，最大伸展长度0.5米，最大负载0.3kg，其各个关节采用数字式伺服电机控制，总线式通讯，各个关节均具有位置、速度、电流反馈。具有完善的加减速控制和PID控制，参数可灵活调整，可轻易完成运动学正解、逆解实验，可进行人工示教。其各个关节采用高速串行总线通讯，通讯速率达1Mbps。 供电系统为12V供电，控制器采用MultiFLEX2-AVR控制器，开发环境基于Windows 和创意之星机器人套件的架构，支持图形化编程、人工示教或C语言编程。配有开发指南和实验教程，可由学生动手操作体验、完成工业机器人相关实训课程。
性能参数 项目 参数 说明 展开尺寸（长宽高） 300x250x650mm 材质 高强度铝合金 重量 机器人本体： 9.0kg (含底座) 控制柜： 5.5kg 末端典型负载 0~0.3kg 关节伺服电机 数字式一体化直流伺服电机 总线式通讯，速率1Mbps 电源容量 12VDC/最大10A 含12V/10A 交流电源适配器 末端执行器 小型电动夹持器 编程调试环境 PC 机， NorthSTAR 图形化机器人开发环境 机器人控制器 MultiFLEX2-AVR 12个I/O ，TTL 电平 8 个A/D 输入，0~5VDC 可扩展额外20个自由度的 UART 总线接口 扩展接口 2个RS-422总线接口 通讯方式 USB 或RS-232接口 文档和技术资料 DVD 光盘一张，含机器人实验指导手册、开发文档、源代码、DEMO 程序、电路图等技术资料 关节参数： 关节 说明 极限运动行程 最高速度 关节分布图 DOF1 腰部旋转 -150?~+150? 200?/s DOF2 肩部俯仰 -90?~+90? 120?/s DOF3 肘部俯仰 -90?~+90? 150?/s DOF4 腕部旋转 -150?~+150? 200?/s DOF5 腕部俯仰 -120?~+120? 180?/s DOF6 腕部倾动 -120?~+120? 180?/s 夹持器 开/合 0~60mm 200mm/s 典型应用领域 l 机电一体化专业教学实验 l 机器人运动学、动力学教学实验 l 小型机器人平台执行器 l 工业机器人入门学习和体验实训
.. . .. . . SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 课程设计说明书 三自由度机械手臂设计 学院：农业工程与食品科学学院 专业：农业机械化及其自动化 学生：国0911034036 学生：继飞0911034030 学生：程小岩0912034039 指导教师：程卫东 2013 年 1 月
摘要 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。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。
目录 第1章绪论 (5) 1.1 机器人概述 (5) 第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计 (6) 2.1自由度及关节 (6) 2.2 基座及连杆 (6) 2.2.1 基座 (6) 2.2.2 机械臂 (6) 2.3 机械手的设计 (6) 2.4 驱动方式 (8) 2.5 传动方式 (9) 2.6 制动器 (10) 第3章控制系统硬件 (11) 3.1 控制系统模式的选择 (11) 3.2 控制系统的搭建 (11) 3.2.1 工控机 (12) 3.2.2 数据采集卡 (12) 3.2.3 伺服放大器 (13) 3.2.4 端子板 (14) 3.2.5电位器及其标定 (15)
1.1六自由度机械手的简介六自由度机械手是一种能模仿人的某些动作，用以按固定 程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装臵。广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等行业。六自由度机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来 抓持工件（或工具）的部位，根据被抓持物件的形状、大小、重量、材料和作业要求 而量身定做，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臵。运动机构的升降、旋转等运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位臵和方位的物体，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个自由度即可。机械手的分类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分 为专用机械手和通用机械手；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机 械手等。机械手通常用作其他机器的附加装臵，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臵。不过有些操作 装臵需要由人直接操纵，比如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也可以并 且常称为机械手。 1.2六自由度机械手的发展在工业生产中应用的机械手被称为 工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机 械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的 学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、 传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手正在 向着高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修等性能提高，而价格却像其他电子 类产品一样再不断下降。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、连杆模块用重组方式构造机 器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问市。 工业机械手控制系统向基于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。 2 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位臵、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 臵技术在产品化系统中已有成熟应用。虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生臵身于远端作业环境中的感觉 来操纵机械手。 1.3六自由度机械手的研究意义六自由度自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断发展。普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的