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仲恺农业工程学院《机械系统》课程设计说明书设计题目：工业机械手设计—臂部伸缩指导老师：张日红关秋菊院系：机电工程学院班级：机械072班姓名：蔡钟文学号：200710824224前言 (3)一、设计要求及主要参数： (3)二、机械手臂伸缩机构设计 (4)1、结构初设计 (4)2、结构改进 (5)3、手臂伸缩驱动力计算 (5)4、手臂伸缩液压缸参数计算 (6)三、液压传动与控制系统设计 (9)四、机械手的控制 (11)1、电气控制系统： (11)2、机械手可编程顺序控制 (11)五.总结 (17)六．参考文献 (17)前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品。
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，机械工业所提供的性能，质量和成本，都对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的影响。
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。
工业机械手是工业机器人的一个重要分支。
它能模仿人手的某些动作功能，按照编程来完成各种预期的作业任务。
在某些方面它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，显著地减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。
工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是最有效的。
不仅如此，机械手还能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门，具有强大的生命力。
随着机械手在工业的各个领域地广泛应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展将起着重要的作用。
一、设计要求及主要参数：1、运动简图：2、抓重：50N,100N,150N,200N,250N,300N3、自由度：4个4、臂部运动参数：5、腕部参数：6、定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制；7、手指夹持范围：棒料直径ø50~ø70mm ，长度450～1200mm8、驱动方式：液压（中、低压系统）9、定位精度：+/-3mm10、控制方式：PLC控制此次设计我们以5人为一小组的形式对机械手执行机械进行设计，本人负责的是手臂伸缩机械的设计，下文将就这部分进行说明。
毕业设计四自由度机器人毕业设计题目：四自由度机器人的设计与控制一、引言四自由度机器人是一种常见的工业机器人，其基础结构包括底座、臂部、腕部和末端执行器。
在工业生产线上，四自由度机器人广泛应用于装配、焊接、喷涂等需要精确操作的工艺环节。
本篇毕业设计论文将对四自由度机器人的设计与控制进行研究和分析。
二、机器人的设计1.结构设计：为了实现机器人的灵活和精确操作，我们将设计一个四自由度机器人。
该机器人的结构由底座、臂部、腕部和末端执行器组成。
底座提供了机器人的稳定性和机动性，臂部负责机器人进行大范围的空间运动，腕部通过关节连接臂部和末端执行器，末端执行器完成具体的操作任务。
2.运动学设计：机器人的运动学设计是机器人设计中的重要一环。
我们将采用世界坐标系和本体坐标系的方法，建立逆运动学模型和正运动学模型，以实现机器人的运动控制。
具体设计中，我们将采用符号法推导机器人的运动学方程，通过求解并进行数值模拟验证，实现机器人的精确运动。
三、机器人的控制1.控制系统设计：机器人的控制系统是实现机器人精确操作的核心。
我们将采用开环控制和闭环控制相结合的方法，设计机器人的控制系统。
开环控制系统通过预设关节角度实现机器人的运动，闭环控制系统通过传感器反馈实时监控机器人的运动，并进行误差修正，实现机器人的精确操作。
2.控制算法设计：我们将采用PID控制算法对机器人进行控制。
PID控制算法具有稳定性好、计算简单等优点，适用于工业机器人的控制。
我们将根据机器人的运动学特性，根据机器人的误差信号设计合适的PID参数，以优化机器人的运动轨迹和操作精度。
3.编程与仿真设计：为了验证机器人的设计和控制系统的有效性，我们将使用MATLAB和Simulink进行编程和仿真设计。
通过编写机器人运动学模型和控制算法的代码，并在Simulink中搭建机器人的控制系统，实现机器人精确操作的仿真。
四、总结本篇毕业设计论文对四自由度机器人的设计与控制进行了研究和分析。
摘要随着工业自动化的不断发展，现代机电设备中都存在控制电路板，板上有不少芯片 插件需要在装配时准确插入芯片座。
在中、大批量生产中，电路板生产线上这种取芯片 -插入芯片的装配动作一小时要做数千次，只有装配机器人能满足如此高节奏、高要求 的生产任务。
机器人具有各种关节的形式，电子插件装配机器人在垂直方向上要求手臂 有很高的刚度， 而在水平方向动作灵活。
工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门, 如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。
由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的 繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深 水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。
本课题的目的是构思、 设计一种形体和功率较小， 适合在生产线上按程序指定动作， 以要求的装配精度完成电路板插件装配的小型工业机器人，且具有较好的经济性和性能 /价格比。
本课题所设计的垂直关节四自由度插件装配机器人，也叫 SCARA 机器人，对 于此次机器人设计进行了机械部分设计和控制接口部分的设计。
机械部分的设计，根据SCARA机器人结构的特点，三个旋转关节和一个升降关节， 完成了设计机器人的整体机械传动结构、交流伺服电机的选型和各个零件的设计计算及 校核，并运用AutoCAD 绘制了总体装配图和部分零件图。
控制部分的设计，设计了以单片机为下位机控制机，PC机为上位控制机的二级体系 结构，从而完成对SCARA机器人的闭环控制。
在此控制电路中，下位机系统由单片机、 锁存器、外部扩展EPROM、译码器、伺服驱动器等组成，并完成了控制电路的硬件配线。
下位机和上位机的数据交换，需通过 MAX202CPE 作为中间元件来完成通讯，从而从 PC 机中获得动作指令。
关键词：SCARA 机器人,控制器,单片机,伺服电机ABSTRACTWith the continuous development of industrial automation, the modern electromechanical equipment can exist control circuit board, board has many chip plugins require accurate in assembling a insert the chip. In mass production, circuit board production line this take chipinsert the chip assembly action an hour to do thousands of times, only to meet such a high assembly robot rhythm, high requirement of production tasks. Robot has all kinds of joints in the form of electronic assembly robot in vertical direction plugin required in the arm has very high rigidity, and flexible motion in a horizontal direction. Industrial robot have been widely used in industrial production of various sectors, such as mining, spraying, welding, medical and so on various fields. With the industrial robot appear, it replaced the people's heavy constantly labor, greatly improving the productivity and reduce the labor intensity of the people, in addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, increasingly reflects its superiority.The aim of this project is to conceive, design a kind of form and power smaller, suitable for in the production line in a program specified action to demand the assembling accuracy of complete circuit board assembly of small industrial robots plugins, and has the good efficient and performance/price ratio. This subject is the design of vertical joints 4dof plugin assembly robot, also called SCARA robot, robot design for the mechanical design and control interface part of the design.The design of mechanical part, according to the characteristic of structure of SCARA robot which have three rotating joint and a lift joints, completed the design of robot mechanical transmission structure, the selection of ac servo motors and each part of the design calculation and check, and use AutoCAD mapped the general assembly drawing and part drawing.Control part of the design, design with the single chip microcomputer as the next place machine control machine, the PC for upper secondary system control machine structure, thus completing the SCARA robot closed loop control. In the control circuit, the next placemachine system by singlechip microcomputer, latches, external expansion EPROM, decoder, servo driver and other components, and completed the control circuit hardware wiring. A machine and the upper machine under the data exchange, need to pass MAX202CPE as components to complete the communication among, thus from PCS get motion commands.Key Words: SCARA Robot, Controller, Single Chip, Servo motor目录1. 绪论 (1)1.1 工业机器人的发展及研究现状 (1)1.2 SCARA 机器人概述 (4)1.3 本课题研究意义 (4)1.4 总体方案 (5)2. 机械部分设计 (6)2.1 控制用电机的种类 特点和选型 (6)2.2 伺服电机减速机的配型 (7)2.3升降臂传动的设计及部件的选择与校核计算 (8)2.4大小臂的设计 (17)2.5大小臂关节的设计及校核计算 (17)2.6末端执行器的设计 (18)2.7机器人的传感器 (19)3 机械标准件的选型与校核 (21)3.1 销连接的选型与校核 (21)3.2联轴器的选型与校核 (21)3.3轴承的分类及选用 (23)3.4键的分类及选用 (26)4.系统控制部分设计 (28)4.1控制系统的整体结构 (28)4.2单片机的选型 (28)4.3单片机系统硬件设计 (29)4.4控制系统的硬件安装与配线 (30)4.5单片机控制方案 (31)5.结论 (33)5.1 总结 (33)5.2 展望 (33)参考文献 (34)致谢 (35)1. 绪论1.1 工业机器人的发展及研究现状机器人自诞生之日起，就显示出了其强大的生命力。
1 引言SCARA机器人很类似人的手臂的运动，它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动，在平面内进行定位和定向，是一种固定式的工业机器人。
机器人技术代表了高技术的发展前沿,是当代科技中的前沿和尖端,综合了多学科的发展成果,集计算机技术、通信技术、传感技术、机械技术等于一体,是开展教学的良好载体和教学内容[1]。
模拟工业机器人系统来开发教学机器人实验系统是一个很需要重视的领域，它作为机器人技术、计算机技术和机电一体化技术教育的教学工具，对人才培养和高新技术的推广应用有着重要的意义。
为方便实际教学，研制一种开放式教学机器人，便于学生从机器人的设计、制造、安装、调试和使用等方面对机器人有一个全面的掌握，以适应我国现代化建设的需要[2]。
1.1 研究背景及现状1979年日本山梨大学牧野洋发明了平面关节型SCARA机器人，该型机器人在此后的装配作业中得到了广泛应用。
它有3个转动关节，其轴线相互平行，可在平面内进行定位和定向。
其还有一个移动关节，用于完成手爪在垂直于平面的运动，如图1.1所示[3]。
图1.1SCARA型机器人在国外，教学机器人研究己经受到很大的重视，因为一个国家要大力发展机器人技术，首先就应该从教育起步。
日本是世界上机器人教育水平和机器人文化普及水平最高的国家之一。
培养机器人的兴趣是从幼年开始培训，而且是教育干部系统必须履行的职责之一。
从高中阶段开始深入学习机器人方面的知识，并一直持续到大学。
不仅每所大学具有高水平的机器人研究和教学内容，且每年举行多种不同档次的机器人设计和制作大赛，通过大赛培养了大批机器人技术研究和应用人才，使日本的机器人技术走到了世界前列。
日本牧野洋设计的SCARA机器人己经在教育和工业界普及并形成产业化[4,5]。
国内工业机器人的研究己经取得可喜成绩，不过教育机器人的研究仍处于起步阶段。
率先进行机器人教育的有香港城市大学，他们采用“趣味”机器人—微型电子鼠和乒乓球机器人进行教学。
目录1.设计背景 (2)2.设计思路 (3)3.设计方案 (7)4.循环动作 (8)5.设计心得体会 (9)6.参考文献 (10)随着社会的进步和科技的发展，机器人产品开始进入到生产过程和日常生活中，各种类型的机器人在特定的工作环境下发挥着越来越重要的作用。
但是目前对于移动式机器人多采用轮式移动机构，在适应复杂地形时无法满足路况的要求，由此设计一种灵活的、行走平稳和对路况适应性强的机器人成为解决此类问题的关键. （1)为了对工业生产进一步了解，了解机器人工作原理(2）由于组装复杂要求实践性更强，这样提高学生动手能力在传统实验里，主要是课程中的具体原理或理论的验证性实验，如机械原理中齿轮范成实验，主要是为了验证齿轮的加工原理；再如机械设计中的带传动实验主要是为了验证带传动中的两个重要的现象—-弹性滑动和打滑.这些传统型实验对学生更好的理解课本的理论知识有很大的帮助，具有课本结合性强的特点。
(3）安装过程中应用知识面更广,培养综合素质实验的内容涉及面极广,不仅包括传统机械相关的实验内容，而且还涉及到了电动机、自动控制、软件编程（慧鱼公司自带的编辑软件）等多学科的知识，最重要是它能够把这些很好地知识结合起来，并体现到某个模型中。
（4）组建灵活性大，可以自行设计装配创新性高，增加学生研究性思维而在慧鱼实验中，学生不仅可以对教具所提供的样本模型进行验证式实验(通过这些模型实验可以使学生掌握机械、电子和自动化等的相关知识），而且可以把这些不同模型的特点结合起来，进行自主设计,设计出新的作品来，因此慧鱼实验具有较高的创新性。
该机器人的工作空间形式主要有四个自由度的运动和机械手的夹松运动.1．机械手的夹紧运动（如下图所示)电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到丝杆，通过丝杆的转动转化为手爪的夹紧或松开运动。
传动方式：控制信号—电机—减速箱—丝杆—机械手2．自由度一：机械手基座的旋转运动(如下图所示)电机输出动能，经减速箱调节速度并传递，通过齿轮传动，齿轮转动带动底座进行旋转运动。
四个自由度机器人(4关节机械手)设计任务书成都工业学院毕业设计任务书专业班次学生姓名指导老师设计评分设计（论文）题目四个自由度机器人专题任务开始日期2016 年 4 月22 日任务完成日期2016 年6 月 1 日设计人同组人等人指导老师（签名）教研室主任（签名）系主任（签名）（一）设计（选题）目的（包括原始数据）四个自由度机器人，很类似人的手臂的运动，它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动，是一种固定式的工业机器人。
它具有四个自由度，其中，三个是旋转自由度，一个是移动自由度。
这类机器人结构轻便、响应快，它能实现球面范围内运动。
参数自由度4个抓重 5 Kg 运动参数大臂长700mm120回转角度）。
小臂长600mm100回转角度）。
手腕回转100回转角度）。
手臂升降100mm（升降距离）。
电机驱动。
（二）推荐主要参考资料【1】殷际英何广平编著关节型机器人北京化学工业出版社2003.07 【2】加藤一郎编著机械手图册上海上海科学技术出版社1979.01 【3】陆祥生杨秀莲编机械手理论及应用北京中国铁道出版社1983.03 【4】龚振邦机器人机械设计手册电子工业出版社1995 【5】伊藤洋三机构设计机械工业出版社1990 【6】周开勤机械零件手册高等教育出版社1993 【7】张建民工业机器人北京北京理工大学出版社1987 【8】张黎骅郑严编新编机械设计手册北京人民邮电出版社2008.01 【9】吴振彪主编机电综合设计指导中国人民大学出版社2000.09 【10】李振清主编机械设计简明手册兵器工业出版社1992.12 【11】王晓莉主编机械制图北京科学出版社2004.10.20 （三）设计工作任务及技术指标1、四个自由度机器人装配图2、机器人大臂装配图3、机器人小臂装配图4、机械手装配图5、零件图毕业设计评语指导教师评语。
摘要在中国工业韧带发展中，很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进，比如数控车床和铣床等，还有把几种机床的功能集中在一起的加工中心等。
总之这类CNC机床大大的提高了工作速度，产品的加工精度，降低了工作的劳动强度，所以大受欢迎。
但是这类设备引进费用也是相当的昂贵，所以国内很多企业的技术人员在原先的旧机床上进行改进，来达到提高生产率和降低工人的劳动强度，实现工业自动化，这类改进同样也大受欢迎。
本文所设计的机械手主要用于搬运工件，工件总重不大于10Kg，长150cm，宽150cm，高150cm的立方体。
为了增加本机械手的通用性，在结构尽可能紧凑的情况下，最大限度的是机械手具有较大的抓取范围。
本文主要介绍了搬运机械手的概念、组成和分类，接受的自由度和坐标形式、运动及国内外的发展状况。
对于搬运接受进行总体方案设计，首先机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的坐标像是为圆柱坐标型，自由度数为4，接着确定了机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的主要技术参数。
同时，设计了机械手的手部结构形式为气缸杠杆式手爪、臂部结构形式采用液压缸导向连接的双横臂结构，底座采用电机带动竖臂的旋转。
机身结构形式为升降缸用液压缸的结构形式，计算出夹紧工件所需的驱动力、手爪转动时所需的驱动力矩、手臂的伸缩所需的驱动力手臂的俯仰所需的驱动力、手臂的升降所需的驱动力，和手臂回转所需的驱动力矩。
继而设计了装箱机械手的各部分液压缸的尺寸和结构及各部分之间连接与支承部件的结构与尺寸。
关键词：搬运机械手; 液压驱动;液压缸;自动化AbstractIn China industrial ligament development, a lot of high productivity high precision machining equipments imported from abroad, such as CNC lathes and milling machines, and have several function of machine together in processing center, etc.. In this kind of CNC machine greatly improves the speed of work, product processing precision, reduces the labor intensity of work, so popular. But this kind of equipment is also very expensive, so many domestic enterprises technical personnel in the original old machine is improved, to improve productivity and reduce labor intensity of workers, industrial automation, this kind of improvement is also very popular.The manipulator is designed in this paper is mainly used for handling the workpiece, the workpiece weight is less than 10Kg, length 150cm, width 150cm, high 150cm cube. In order to increase the versatility of manipulator in structure, as far as possible compact case, maximum limit is the manipulator has a large capture range.This paper mainly introduces the concept, composition and classification of the manipulator, freedom and coordinates, movement and development at home and abroad to accept. For the handling of acceptance for the overall program design, first drive manipulator for hydraulic cylinder, and then determine the coordinate manipulator like cylindrical coordinate, the number of degrees of freedom is 4, then the drive manipulator for hydraulic cylinder, and then determined the main technical parameters of the manipulator. At the same time, the structure design of hand manipulator is cylinder lever type hand, arm structure adopts hydraulic cylinder guide connecting double wishbone structure, base the motor driven vertical arm rotation. Fuselage structure for lifting cylinder hydraulic cylinder structure, calculated clamping the workpiece required driving force, the gripper rotation required driving torque, the telescopic arm required driving force arm pitching required driving force, the arm lifting required driving force, driving torque and arm rotation required. Then design the structure and size and the supporting parts of the connection between the parts of the hydraulic cylinder loading manipulator size and structure and components.Key words：Manipulator; hydraulic drive; hydraulic cylinder; automation目录摘要 (I)1绪论 (1)1.1前言 (1)1.2简史 (1)1.3基本型式 (2)1.4机械手分类 (3)1.5应用概况 (5)1.6发展趋势 (9)2装箱机械手的整体设计 (12)2.1机械手的组成 (12)3机械手各部分机构设计 (20)3.1手部结构设计 (20)3.2横臂结构设计 (21)3.3齿轮传动部分设计 (21)3.4销轴设计 (25)3.5底座 (26)4传动系统及其他部分的设计 (28)4.1气缸选择 (28)4.2液压缸选择 (28)4.3电动机选择 (31)4.4联轴器选择 (33)4.5轴承的选择 (35)4.6螺栓螺钉的选择 (37)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (40)附录 (42)1绪论1.1前言机械手是能模仿人手和臂的某种动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具有自动操作装置。
RBT-4T/S02S教学机器人实验指导书哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司目录实验1 机器人的认识 (1)实验2 机器人机械系统 (8)实验3 机器人控制系统 (17)实验4 机器人示教编程与再现控制 (24)实验5 机器人坐标系的建立 (27)实验6 机器人正运动学分析 (32)实验7 机器人逆运动学分析 (36)实验8 机器人关节运动轨迹规划 (40)实验9 机器人PTP(点到点)运动轨迹控制 (45)实验10 机器人CP(连续)运动控制 (49)实验11 机器人的搬运装配实验 (54)实验1 机器人的认识一、实验目的1、了解机器人的组成；2、了解机器人的工作原理；3、了解RBT系列教学机器人的性能指标；4、熟悉机器人的基本功能及示教运动过程二、实验设备1、RBT－4T/S02S教学机器人一台；2、RBT－4T/S02S教学机器人控制系统软件一套；3、RBT－4T/S02S教学机器人控制柜一个；4、装有运动控制卡的计算机一台；5、轴和轴套各一个；6、机器人气动手爪和喷笔装置各一套三、实验原理机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。
图1－1 机器人结构机器人按技术层次分为：固定程序控制机器人，示教再现机器人，智能机器人等。
本课程所使用的机器人为四自由度示教再现式机器人。
整个系统包括四自由度机器人1台，电控柜1台，控制卡1块，实验附件1套（包括轴、套），喷绘装置1套、机器人控制软件1套。
机器人采用串联平面式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节串联连接，如图1－1所示。
各关节轴线相互平行或垂直。
连杆的一端装在固定的支座上(基座)，另一端处于自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。
关节的作用是连接的两连杆产生相对运动。
关节的传动采用模块化结构，由斜齿轮、同步带和谐波减速器等多种传动结构配合实现。
机器人各关节采用伺服电机和步进电机混合驱动，并通过Windows环境下的软件编程和运动控制器实现对机器人的控制，使机器人能够在运动范围内任意位置精确定位。
1 绪论1.1四自由度的工业机器人的概念四自由度的工业机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业四自由度的工业机器人则是在工业生产上应用的四自由度的工业机器人。
美国四自由度的工业机器人工业协会提出的工业四自由度的工业机器人定义为：“四自由度的工业机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。
英国和日本四自由度的工业机器人协会也采用了类似的定义。
我国的国家标准GB/T12643-90将工业四自由度的工业机器人定义为：“四自由度的工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。
能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。
而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。
四自由度的工业机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使四自由度的工业机器人进行作业而要求的外部设备组成。
1.1.1操作机操作机是四自由度的工业机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。
通常由下列部分组成：a.末端执行器又称手部，是四自由度的工业机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业四自由度的工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。
b. 手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。
有些专用四自由度的工业机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。
c. 手臂它由四自由度的工业机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。
手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。
手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。
d. 机座有时称为立柱，是工业四自由度的工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。
可分固定式和移动式两类。
1.1.2驱动单元它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。
1.1.3控制装置它是由人对四自由度的工业机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥四自由度的工业机器人按规定的要求动作。
1.1.4人工智能系统它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。
1.2题目来源本题设计的是一台四自由度的工业四自由度的工业机器人的设计，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及其零件设计。
此课题来源于生产实际。
对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用四自由度的工业机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率、实现生产过程自动化、改善劳动条件。
1.3技术要求根据设计要达到以下要求a.工作可靠，结构简单；b.装卸方便，便于维修、调整；c.尽量使用通用件，以便降低制造成本。
1.4本题要解决的主要问题及设计总体思路本题要解决的问题有以下三个：a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少重量和体积；b. 提高手腕动作的精确性；c. 三个自由度的实现。
针对上述问题有了以下设计思路：a. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将3个驱动器安置在小臂的后端。
b. 提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于分离传动采用传动轴。
c. 驱动电机1经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体上作偏摆运动。
电机2经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实现手腕的上下摆动。
电机3经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的回转运动。
2 国内外研究现状及发展状况2.1研究现状从四自由度的工业机器人诞生到本世纪80年代初，四自由度的工业机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。
到90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，四自由度的工业机器人技术也得到了飞速发展。
除了工业四自由度的工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进四自由度的工业机器人系统也有了长足的进展。
下面将按工业四自由度的工业机器人和先进四自由度的工业机器人两条技术发展路线分述四自由度的工业机器人的最新进展情况。
2.1.1工业四自由度的工业机器人工业四自由度的工业机器人技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的技术为基础融合而成的一种系统技术。
a. 四自由度的工业机器人操作机：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，四自由度的工业机器人操作机已实现了优化设计。
以德国KUKA公司为代表的四自由度的工业机器人公司，已将四自由度的工业机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了四自由度的工业机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了四自由度的工业机器人的性能。
此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使四自由度的工业机器人操作机几乎成为免维护系统。
b. 并联四自由度的工业机器人：采用并联机构，利用四自由度的工业机器人技术，实现高精度测量及加工，这是四自由度的工业机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现四自由度的工业机器人和数控技术一体化奠定了基础。
意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。
c. 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轴四自由度的工业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。
人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。
编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。
d. 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在四自由度的工业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，大大提高了四自由度的工业机器人的作业性能和对环境的适应性。
日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。
e. 网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新四自由度的工业机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使四自由度的工业机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使四自由度的工业机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。
f. 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使四自由度的工业机器人系统的可靠性有了很大提高。
过去四自由度的工业机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。
2.2.2先进四自由度的工业机器人近年来，人类的活动领域不断扩大，四自由度的工业机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。
像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和四自由度的工业机器人化的要求。
这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对四自由度的工业机器人的要求更高，需要四自由度的工业机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是四自由度的工业机器人技术的一个重要发展方向。
a. 水下四自由度的工业机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下四自由度的工业机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下四自由度的工业机器人（remote operated vehicle）和无缆水下四自由度的工业机器人（autonomous under water vehicle）两大类。
b. 空间四自由度的工业机器人：空间四自由度的工业机器人一直是先进四自由度的工业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四自由度的工业机器人。
如美国NASA的空间四自由度的工业机器人 Sojanor等。
Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸630~48mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。
c. 核工业用四自由度的工业机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动四自由度的工业机器人。
已完成的典型系统，如美国ORML基于四自由度的工业机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7 灵巧手等d. 地下四自由度的工业机器人：地下四自由度的工业机器人主要包括采掘四自由度的工业机器人和地下管道检修四自由度的工业机器人两大类。
主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。
目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的四自由度的工业机器人，各种采四自由度的工业机器人及自动化系统正在研制中。
e. 医用四自由度的工业机器人：医用四自由度的工业机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、四自由度的工业机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。
美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。
法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍四自由度的工业机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。
f. 建筑四自由度的工业机器人：日本已研制出20多种建筑四自由度的工业机器人。
如高层建筑抹灰四自由度的工业机器人、预制件安装四自由度的工业机器人、室内装修四自由度的工业机器人、地面抛光四自由度的工业机器人、擦玻璃四自由度的工业机器人等，并已实际应用。
美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设四自由度的工业机器人、内墙安装四自由度的工业机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。
英、德、法等国也在开展这方面的研究。
g. 军用四自由度的工业机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能四自由度的工业机器人。
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。
如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理四自由度的工业机器人等。
目前美国ORNL 正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用四自由度的工业机器人等各种用途的军用四自由度的工业机器人。
可以预见，在21世纪各种先进的四自由度的工业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。
