为什么最好的机械臂是7个自由度而不是6个自由度

七自由度柔性机械臂机构说明设计目标由于人工成本的不断提升，人们的刚性需求也不断的扩大，生产自动化越来越被人们所重视。

也是社会发展的必然。

让机器人去完成一些高危、肮脏、重复、精度高的工作。

由此，设计一款高精度，高灵活性的机器臂显得更为重要。

设计的目标：高精度仿人工业机器人。

运用先进的仿生理论与柔性设计为基础，设计开发用二次式运动反馈来实现其高精度控制，合理的仿人机构来完成动动。

机械臂整体设计方案一、功能需求：满足实现模仿人类手臂的基本功能，自由度包括手臂的肩部的抬起，摆动，旋转，肘部的弯曲，腕部的旋转，弯曲，摆动共7个自由度。

（图一）图一图二二、优化后确定的构型：自由度包括手臂的肩部的摆动，抬起，大臂旋转，肘部的弯曲，小臂的旋转，腕部的弯曲，摆动共7个自由度。

（图二）三、驱动模块示意设计：（图三）胡克定律是力学基本定律之一。

适用于一切固体材料的弹性定律，它指出：在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比。

这样增加了力的反馈测量。

在弹性材料在弹性限度内形变时，测得其形变量，从而计算出受力与关节下方所处的位置。

1.先进行测试图三四、机械臂的具体设计方案，（图四）五、各关节的受力分析：基本尺寸图（图五）图五L1=426mm，L2=293mm，L3=108mm，L4=442mm。

六、马达的初选谐波减速器的优点：Harmonic减速器结构简单，体积小，重量轻、啮合的齿数多、承载能力大、运动精度高、运动平稳、间隙可以调整、传动效率高、同轴性好、可实现向密闭空间传递运动及动力。

瑞士Maxon电机优点：轴向窜动和径向跳动小、温度范围大、回差小等，并且电机型号全编码器与抱闸与控制器配套全面。

瑞士Maxon电机与日本Harmonic谐波减速器选型需求示例图片：图六马达1：EC90flat 90W扭力：4.67 nm 0.387nm；转速：3190rpm；重量：648g减速器1：CSG-25-160 减速比：1:160；最大扭力：314nm；正常：176nm；重量：420g马达2：EC-4pole max30 200W 扭力：3.18 nm 0.112nm；转速：17000rpm；重量：300g减速器2：CSG-25-160 减速比：1:160；最大扭力：314nm；正常：176nm；重量：420g马达3：EC max40 170W 扭力：2.66nm0.16nm；转速：9840rpm；重量：580g减速器3：CSG-17-120 减速比：1:120；扭力最大：112nm；正常：70nm；重量：150g马达4：EC45flat 70W 扭力：0.82nm0.13nm；转速：4840rpm；重量：110g减速器4：CSG-20-160 减速比：1:160；最大扭力：191nm；正常：120nm；重量：280g马达5：EC-4pole max30 100W 扭力：1.24nm 0.0 63nm；转速：17800rpm；重量：210g减速器5：CSD SHD-17-100 减速比：1:100；最大扭力：71nm；正常：37nm；重量：100g 马达6：EC45flat 70W 扭力：0.13 nm 0.17nm；转速：4840rpm重量：110g减速器6：CSF-11-100 减速比：1:100；最大扭力：25nm；正常：11nm；重量：50g马达7：EC-4pole max30 100W 扭力：1.24nm 0.0 63nm；转速：17800rpm；重量：210g减速器7：CSF-11-100 最大扭力：25nm；正常：11nm；重量：50g说明：EC45flat 70W要更换为EC-I40 70W+MR七、受力分析：有效扭力计算公式：(堵转-连续）*0.3+连续质量分配：设大臂小臂均为，外径D=110mm，假设主体为外壁壁厚为L=5mm的铝壳，长度为H=250mm，则体积为：412cm3，铝的密度2.7g／cm3，外壳质量为1.1kg大臂部分质量有马达3（580g）减速器（150g），外壳（1.1kg）；小臂部分有马达4567（110g，210g，110g，210g），减速器4567（280g，100g，50g，50g），外壳（1.1kg）；手部主要是灵巧手的质量设为1kg；外加假设载荷6kg。

机械臂运动学基础1、机械臂的运动学模型机械臂运动学研究的是机械臂运动,而不考虑产生运动的力。

运动学研究机械臂的位置,速度和加速度。

机械臂的运动学的研究涉及到的几何和基于时间的内容,特别是各个关节彼此之间的关系以及随时间变化规律。

典型的机械臂由一些串行连接的关节和连杆组成。

每个关节具有一个自由度,平移或旋转。

对于具有n个关节的机械臂,关节的编号从1到n,有n +1个连杆,编号从0到n。

连杆0是机械臂的基础,一般是固定的,连杆n上带有末端执行器。

关节i 连接连杆i和连杆i-1。

一个连杆可以被视为一个刚体,确定与它相邻的两个关节的坐标轴之间的相对位置。

一个连杆可以用两个参数描述,连杆长度和连杆扭转,这两个量定义了与它相关的两个坐标轴在空间的相对位置。

而第一连杆和最后一个连杆的参数没有意义,一般选择为0。

一个关节用两个参数描述,一是连杆的偏移,是指从一个连杆到下一个连杆沿的关节轴线的距离。

二是关节角度,指一个关节相对于下一个关节轴的旋转角度。

为了便于描述的每一个关节的位置,我们在每一个关节设置一个坐标系,对于一个关节链, Denavit和Hartenberg提出了一种用矩阵表示各个关节之间关系的系统方法。

对于转动关节i,规定它的转动平行于坐标轴z i-1,坐标轴x i-1对准从z i-1到z i 的法线方向,如果z i-1与z i相交,则x i-1取z i−1×z i的方向。

连杆,关节参数概括如下:●连杆长度a i沿着x i轴从z i-1和z i轴之间的距离;●连杆扭转αi从z i-1轴到zi轴相对x i-1轴夹角;●连杆偏移d i从坐标系i-1的原点沿着z i-1轴到x i轴的距离;●关节角度θi x i-1轴和x i轴之间关于z i-1轴的夹角。

对于一个转动关节θi 是关节变量,d i 是常数。

而移动关节d i 是可变的,θi 是恒定的。

为了统一,表示为ii iq d θ⎧=⎨⎩转动关节移动关节运用Denavit-Hartenberg (DH 方法,可以将相邻的两个坐标系之间的变换关系表示为一个4x4的齐次变换矩阵1cos sin cos sin sin cos sin cos cos cos sin sin 0sin cos 01i i i i i i i i i ii ii i i i iii a a A d θθαθαθθθαθαθαα--⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦上式表示出了坐标系i 相对于坐标系i-1的关系。

七轴工业机器人与六轴相比有什么优势？近年来，跨国机器人巨头们纷纷推出七轴工业机器人，以抢占高端新市场，这引发了我们对于七轴工业机器人的深入思考，它具有哪些独特的技术优势，存在哪些研发难点，近年来国际上发布了哪些工业七轴机器人产品，我国七轴工业机器人的研发及产业化又进入了哪一阶段？工业机器人到底应该有几个轴？目前，工业机器人已经被广泛应用于各行各业，但我们也发现，工业机器人不仅形状各异，其轴数也各不相同。

所谓工业机器人的轴，可以用专业的名词自由度来解释，如果机器人具有三个自由度，那么它可以沿x，y，z轴自由的运动，但是它却不能倾斜或者转动。

当机器人的轴数增加，对机器人而言，就是更高的灵活性。

那么工业机器人应该有几个轴才合理呢？三轴机器人也被称为直角坐标或者笛卡尔机器人，它的三个轴可以允许机器人沿三个轴的方向进行运动，这种机器人一般被用于简单的搬运工作之中。

四轴机器人，可以沿着x，y，z轴进行转动，与三轴机器人不同的是，它具有一个独立运动的第四轴，一般来说SCARA机器人就可以被认为是四轴机器人。

五轴是许多工业机器人的配置，这些机器人可以通过x，y，z三个空间周进行转动，同时可以依靠基座上的轴实现转身的动作，以及手部可以灵活转动的轴，增加了其灵活性。

六轴机器人可以穿过x，y，z轴，同时每个轴可以独立转动，与五轴机器人的最大区别就是，多了一个可以自由转动的轴。

六轴机器人的代表就是优傲机器人，通过机器人身上的蓝色盖子，你可以很清楚的计算出机器人的轴数。

七轴机器人，又称为冗余机器人，相比六轴机器人额外的轴允许机器人躲避某些特定的目标，便于末端执行器到达特定的位置，可以更加灵活的适应某些特殊工作环境。

随着轴数的增加，机器人的灵活性也随之增长。

但是，在目前的工业应用中，用得最多的是三轴、。

聊聊“机械臂”的二三事我们常说的机械臂多指形似人类手臂的串联式多自由度机器人。

它由多个驱动关节通过机器人本体的机械结构依次串联，机器人的末端可以实现空间的多自由度运动。

在末端安装吸盘、机械手、油漆喷嘴等执行器，即可代替人工进行部分高危、高强度的重复工作，现已广泛应用于工业、医疗、教育、娱乐等领域、与我们的生活息息相关。

本文将汇总谈及“机械臂”时必将提到的内容。

一、机械臂的“轴”轴，对应于机械术语中的自由度（Degree of Freedom，DOF），代表了机器人所具有的独立运动坐标轴的数目，通常与机器人使用的电机数量相同。

例如七轴机械臂采用7个电机，通过7个独立运动共同驱动机器人工作。

常见机械臂的“轴”数多为3-7之间，轴数越多，机器人越灵活，但结构越复杂，成本越高。

ABB公司的六轴机械臂（图片来源：ABB）（一）四轴机械臂——SCARA机器人SCARA机器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm），也称水平多关节机器人，于1978年由日本山梨大学牧野洋发明。

该机器人具备4个独立的驱动关节，包括3个轴线相互平行的旋转关节和1个移动关节。

3个旋转关节可让机器人在平面内进行定位和定向，移动关节可使末端完成垂直于平面的直线运动。

SCARA机器人结构相对简单，更易于快速运动，适用于快速分拣；在XOY平面具有柔顺性，在Z轴方向具备较好的刚度，也适用于精密装配。

EPSON公司的SCARA机器人（图片来源：EPSON）（二）六轴机械臂——最常见的工业机器人1959年，George Devol和Joseph F·Engelberger发明了世界上第一台工业机器人，功能和人手臂功能相似，并命名为Unimate，意为“万能自动”。

生活中最常见的六轴机械臂就是一种典型的工业机器人，在自动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场有着广泛的应用。

在机械结构上，该机器人具备6个独立的驱动关节，第一个驱动关节可模拟人类的腰转动作，第二、三个驱动关节分别模拟大臂和小臂动作，最后的第四、五、六驱动关节可实现人类手腕的功能，运动灵活，可在其工作范围内可以完成任意定位和定向。

工业机器人的性能特征-工业机器人主要技术参数工业机器人的性能特征1、自由度自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。

所谓自由度是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动。

每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，因而自由度数越高，机器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但相应地带来的技术难度也越大。

一般情况下，通用工业机器人有3—6个自由度。

2、工作空间是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。

描述工作空间的手腕参考点可以选在手部中心、手腕中心或手指指尖，参考点不同，工作空间的大小、形状也不同。

机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。

工作空间是工业机器人的一个重要性能指标，是设计工业机器人机构的重要指标。

3、承载能力承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所承受的最大重量，承载能力的大小取决于负载的质量、运行的速度和加速度的大小和方向，根据承载能力不同工业机器人大致分为：①微型机器人—承载能力为10N以下；②小型机器人—承载能力为10-50N；③中型机器人—承载能力为50-300N；④大型机器人承载能力为300—500N；⑤重型机器人—承载能力为500N以上。

4、运动速度运动速度影响机器人的工作效率和运动周期，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。

运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将承受着加减速时较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。

就目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000mm／s以下，最大回转速度一般不超过120°/s。

5、位置精度它是衡量机器人工作质量的又一项技术指标。

工业机器人的位置精度包括定位精度和重复定位精度，定位精度取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。

重复定位精度是机器人重复定位某一位置的准确性，典型的工业机器人定位精度一般在土O.02mm～±5mm范围。

国内首台七轴双臂机器人太智能了，任性拒绝撒贝宁求抱！
目前市面上比较传统的机械手臂，一般都具备六个自由度，前三个自由度，负责引导夹具到所需要的位置，而后三个自由度，则用来决定末端执行装置的方向，此款七轴机器人，都比市面上其他的产品表现还要来得更优秀。

通常在三度立体空间内，一般机械手臂执行任务时，最多只需要六个自由度便足够，因为超过六个以上的自由度，会产生多余的自由度，因此一般通常不要求机械手臂具备太多自由度。

这款机器人适用于空间有限、对精度要求高的工厂。

它们可以用来进行精密组装、产品包装、抛光以及装卸。

至于七轴机器人，其又被称为冗余机器人。

相比六轴机器人额外的轴允许其躲避某些特定的目标，便于末端执行器到达特定的位置以更加灵活的适应某些特殊工作环境。

事实上，其多出来的冗余自由度不仅可以通过运动轨迹规划达到良好的运动学特性，而且可以实现最佳的动力学性能。

特别是当工业机器人发生故障时，只要有一关节失效，传统六轴机器人便无法继续完成工作，而七轴机器人则可以通过重新调整故障关节速度（运动学容错）和故障关节力矩（动力学容错）的再分配实现继续正常工作。

国产七轴机器人在逐渐实现真正的产品化过程，也在推进着我我国机器人产品向高端产业化迈进的步伐。

而目前无论从产品角度，还是从应用角度，国内的七轴工业机器人虽还处于初步发展阶段，。

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QQ695939903，如果需要代做也请加上述QQ,代做免费讲解。

AbstractIn 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 high work strength, and most of these robots work in 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 .Keywords: 6-DOF industrial robot, line layout , structure design, the control system目录摘要 (I)Abstract.............................................................................................................. I I第1章绪论 (5)1.1 课题背景及研究的目的和意义 (5)1.2国内外在该方向的研究现状及分析 (6)1.3 本文的主要研究内容 (8)第2章生产线布局及总体方案的确定 (9)2.1 生产线布局方案 (9)2.1.1机械手 (9)2.1.2 工作流程 (10)2.1.3方案预期达到的目标 (10)2.2总体方案的设计 (11)2.2.1机构的选型 (11)2.2.2驱动方式的选择 (11)2.2.3 传动方案的选择 (12)2.2.4 总体结构方案设计 (13)2.2.5控制方案的设计 (15)2.2.6技术参数列表 (16)2.3 本章小结 (17)第3章结构的设计 (18)3.1 引言 (18)3.2 电机力矩的计算以及驱动电机的选择 (18)3.3减速器的设计 (19)3.4 腰部的设计 (20)3.5 手臂的设计 (20)3.5.1手臂的设计基本要求 (20)3.5.2大臂和小臂 (21)3.5.3连杆 (22)3.6手腕部的设计 (22)3.7末端执行器的设计 (22)3.8本章小结 (23)第4章传动系统的设计及校核 (25)4.1腰部蜗轮蜗杆设计及校核 (25)4.2 腕部传动系统设计及校核 (25)4.2.1传动方案 (25)4.2.2齿轮的设计及校核 (25)4.2.2.1齿轮组设计 (25)4.2.2.2 直齿圆锥齿轮的设计 (25)4.2.3 轴的设计 (25)4.3 本章小结 (27)第5章控制系统设计 (29)5.1 引言 (29)5.2 控制系统的设计 (29)5.2.1 控制系统的类型选择 (29)5.2.2 控制系统的硬件电路 (29)5.3 PCI的接口设计 (30)5.4 DSP的设计 (31)5.4.1 DSP概述 (31)5.4.2 DSP硬件电路 (31)5.4.3 DSP软件 (31)5.5本章小结 (32)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (35)第1章绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义轮毂制造业属于劳动密集型的行业，除了繁重的体力工作外，几乎每个工序都存在着对人体有害的污染源和潜在的工伤事故:热加工工序烫灼伤的危险，大量易燃易爆燃料及消耗材料时时刻刻威胁着操作手的安全;铝液除气除渣产生的有毒烟尘，机加工冷却液的有害蒸汽，以及涂装工序液体漆、粉漆、前处理药液等等都会严重影响工人的健康;无处不在的轰鸣及刺耳的噪音会使你情绪坏到极点。

机械手臂设计总结机械手臂是一种用于模仿人体手臂运动的机械装置，广泛应用于各种工业生产和服务领域。

机械手臂的设计主要涉及到结构设计、力学设计、控制系统设计等多个方面。

首先，机械手臂的结构设计是实现各种运动功能的基础。

在结构设计中，需要考虑手臂的长度、关节数量和类型、连接方式等因素。

手臂的长度需要根据具体应用场景来确定，较长的手臂可用于需要远距离操作的场合，而相对较短的手臂则可以实现更高精度的操作。

关节的数量和类型取决于需要实现的运动自由度，通常采用电机驱动的旋转关节来实现手臂的转动。

连接方式包括刚性和柔性连接，刚性连接可用于需要更大的力矩传递的场合，而柔性连接则可用于需要更高的运动灵活性和安全性的场合。

其次，力学设计是机械手臂设计中的重要内容。

力学设计主要涉及到机械手臂的负载能力、刚度和稳定性等问题。

负载能力是指机械手臂能够承受的最大载荷，需要根据具体应用需求来确定。

刚度是指机械手臂在受力时的变形程度，需要使手臂在承受负载时保持足够的刚性，以确保操作精度和稳定性。

稳定性是指机械手臂在运动过程中的抗抖动和抗噪声的能力，需要通过合理的设计和控制算法来实现。

控制系统设计是机械手臂设计中的关键环节。

控制系统设计主要涉及到传感器和执行器的选择、运动规划算法的设计和实现等多个方面。

传感器的选择需要根据具体应用需求来确定，常用的传感器包括位置传感器、力传感器、视觉传感器等。

执行器的选择需要考虑到运动速度、力矩输出和控制精度等因素，通常采用伺服电机或液压缸来实现手臂的运动。

运动规划算法的设计和实现是确保机械手臂能够按照预定路径和姿态进行运动的关键，常用的运动规划算法包括逆运动学算法、轨迹规划算法等。

在机械手臂设计过程中，还需要考虑工作空间、安全性和人机交互等问题。

工作空间是指机械手臂能够到达的区域范围，需要根据具体应用需求来确定。

安全性是指机械手臂在工作过程中对人员和设备的安全保障能力，需要通过设计安全装置和实施安全控制来实现。