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收稿日期: 1998201214作者 男 52岁 工程师 100083 北京 1)高等学校博士生点基金和863高技术计划资助项目BUAA 2RR 七自由度机器人机械结构设计1)钱锡康(北京航空航天大学机电工程系) 摘 要 就BUAA 2RR 七自由度机器人的操作机机构选型、关节结构、零部件设计等提出了一整套设计原则和方法.研制成的BUAA -RR 七自由度机器人,结构紧凑、合理,运动灵活、可靠,达到了避障和避奇异位形等预定目标.关键词 机器人;自由度;结构设计;冗余;奇异分类号 TP 242.2 从理论上讲,具有六个自由度的机器人在其工作空间内可达到任意位置和姿态,但由于奇异位形存在,一些关节运动到相应位置时,会使机器人自由度退化,失去一个或几个自由度;再加上在工作空间可能存在障碍,机器人就无法满足工作要求.具有冗余自由度的机器人就有能够克服奇异位形、避开障碍、克服关节运动限制和改善动态特性的功能.它能充分提高机器人的工作能力,在运动和动态性能方面具有无可比拟的优越性.早在七十年代,国外发达国家就已开始对冗余自由度机器人进行研究.近几年来这方面研究进展较大,有几个国家已研制出了几种具有冗余自由度的机器人,有的已能应用于实际工作.这几年国内有关单位也相继开始了对冗余自由度机器人的研究,并取得了一些可喜的成果,但水平比国外有较大差距.特别是还没有研制出一台具有冗余自由度的机器人样机.这对冗余自由度机器人的深入研究有很大影响.为此,在高等学校博士生点基金和“863”基金的支持下,从86年开始进行冗余自由度机器人的研究,并已研制成功一台七自由度机器人样机.现就这台BUAA -RR 七自由度机器人样机的操作机的机构选型原则、关节结构、零部件设计等作一简单介绍.1 机构选型冗余自由度机器人的操作机的机构选型是个非常重要的问题,因为机构型式的好坏,将直接影响到能否实现预定目标.为此,提出了如下的机构选型原则:1)能避开奇异位形.工作空间内存在奇异位形是不具有冗余度机器人不可避免的,因此添加的自由度必须能够消除工作空间内的奇异位形.2)能方便地避开障碍.有时工作空间内有不可以排除的障碍,冗余自由度机器人应能方便地避开障碍,完成所要求的工作.3)具有最佳的工作空间.为满足各种工作的需要,机器人手部应能非常灵活地到达工作需要的范围内的各个位置和点,在工作需要的范围内没有死区.工作空间越大,其通用性也就越强.4)机构设计要合理.这涉及到运动副型式的合理选择和配置,驱动运动的最佳传递方式和路线,驱动装置的最佳速比和空间配置等.机构设计不合理,可能会出现臂杆运动干涉或驱动装置无法设置,机构不能运动等问题.因此必须考虑机构设计的合理性.5)采用尽量少的自由度.一般来讲,自由度越多,灵活性越好,避障和避奇异功能越强,可操作性越好.但随之将出现机器人操作机机构的复杂化、刚度削弱、控制困难等问题.因此,在能满足前三条选型原则的前提下,采用冗余自由度尽量少的、机构简单的形式.根据这些选型原则,在分析参考了国外几种冗余自由度机器人后,我们选定了一种在6R 关节机器人的二、三关节之间加一转动自由度的冗余自由度机器人机构型式.使其成为一台肩部和腕部各有三个自由度,肘部为一个自由度的人臂型七自由度关节式机器人.其机构如图1.这种机构型式符合仿生学理论.它有类似人臂的功能,可以绕连接肩和腕两球副的直线做自转运动而不改变其手部的位置和姿态.由于具有1998年6月第24卷第3期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics J une 1998Vol.24 No 13d 1=530mm d 2=425mm d 3=148mm d 4=420mm图1 机构简图这种特性,机器人能很方便地避开障碍和完全消除手腕和肩部运动到一定位置所产生的奇异;有能完全满足工作要求的最佳工作空间;附加的冗余自由度最少;关节设置合理,驱动装置容易配置.其原理见图2,外型见图3.图2 避障碍和奇异示意图图3 BUAA 2RR机器人外形图2 结构设计结构设计是在机构选型后进行的,它必须满足机构的运动要求,还要考虑重量轻、刚性好、易制造,所以必须优选一些简单、合理、紧凑、实用的结构型式.工艺性要好,成本要低,安全可靠性好,外观造型要美观大方.尽可能采用标准件,以提高互换性,降低成本.尽可能采用模块式结构,以提高通用性.还要便于装配调整和维修.现就BUAA -RR 七自由度机器人结构设计简述如下:1)肩部结构肩部为由三个关节组成,并且是三个关节的轴线交于一点的球副结构.关节1采用圆桶型空心轴(见图4),用二个圆锥滚子轴承支承,轴承间隙可调.具有结构简单、刚性好、承载能力强、旋转精度高、并可在轴内走线的特点.图4 关节1结构图关节2也采用两端支承的空心轴结构(图5),使电机组的一部分能插入空心轴里,缩短了电机外露长度,减小整机尺寸,外观形状好.同时,还具有支承刚度高、结构简单、运动轻巧灵活的特点.图5 关节2结构图关节3与大臂壳体组合成一个整体,整个电机组安装在大臂壳体内.关节驱动输出轴设计有卸荷结构,即:将与之连接的关节4部件和小臂自重产生的重力矩不作用到驱动输出轴上去,而是利用二个轴承传到大臂壳体上,由大臂壳体去承担,驱动轴只承受扭矩,不承受弯矩.这样的结构553第3期 钱锡康:BUAA -RR 七自由度机器人机械结构设计刚性好、运动灵活可靠、运动精度高;而且结构整体性好,并且有模块式特点,部件之间装拆方便,有利于各部件单独调试和维修.其结构见图6.图6 关节3结构2)手部结构根据机构设计要求,手腕要有三个自由度.因手腕处在机器人操作机的末端,体积不能过大,运动传递方式也要简单、实用、可行.对现有各种三自由度手腕进行分析后,认为采用类似Cincinnati 2T3系列机器人手腕比较合适,因为它结构紧凑体积小,手腕的运动传递方式实用、简单,符合机构设计要求,而且运动范围大.但其结构过于复杂,必须进行简化设计,还要尽可能采用降低零部件的加工难度以解决制造中的困难.图7 三自由度手腕示意图改进后的三自由度手腕,见图7.去掉了平面齿轮,全部采用标准锥齿轮,使齿轮加工容易.零部件结构的简化和调整环节的增加,使加工工艺性改善,装配、调整容易,维修方便.因手腕运动采用套轴传递,驱动装置配置在远离手腕的小臂另一端,起到配重平衡作用.手腕体积小,重量轻,运动惯量小,手部抓持载荷大,能进入小口径空腔作业.它的三个自由度如不加止挡,都能做大于360°的任意转动.三根轴的轴线相交于球心点,这对于位置反解极为方便.3)一体化的驱动装置一般机器人操作机驱动装置中的电机、减速器、制动器等为分立组件,采用联轴器、齿形带等联接起来使用.这样势必造成体积大、环节多、装配调整不方便等问题.如果统一协调电机、减速器、制动器、光电编码器的结构和尺寸,将它们设计成一体化驱动装置组件,就能使结构紧凑、体积小、重量轻,而且外观整齐,整体结构性好,装配调整及维修十分方便.4)平衡由于机器人操作机各臂杆(包括驱动与传动系统)的自重和抓持物体(载荷)的重量,将对不垂直于水平面的各关节轴线产生重力矩,使机器人操作机各臂杆对诸关节不能保持自身的平衡.因机器人操作机各关节运动速度和范围较大,不平衡力矩对机器人操作机的运动和动力性能有很大影响.对机器人操作机的驱动力矩影响也十分显著.另外:由于不平衡力矩的原因,机器人操作机运动时将增大运动部件的摩擦、磨损和变形,尤其在重载的情况下.对传动系统和运动部件的寿命和精度会产生显著影响.因此,在设计机器人操作机时要考虑平衡问题,通常要设计一套适合于该机器人的平衡系统.对常用的配重平衡、弹簧平衡、气缸平衡等方法的分析比较后,采用了小臂用配重平衡,大臂用弹簧平衡的方式.因手腕用套轴传递运动,因此可将手腕的驱动装置配置在手腕的另一端,作为配重.这样无需添加其他零部件和大量的配重,很方便地实现小臂的平衡.在大臂两侧用两根能双向调节弹簧力的拉伸弹簧来实现大臂的平衡,这种方法结构简单,调整、维护方便.考虑到机器人操作机工作时大臂常处于水平向上30°左右,因此以大臂向上30°作为重力平衡计算点.5)齿轮间隙调整结构传动链中齿轮间隙对机器人操作机运动精度有直接影响,所以一般都要设计齿轮间隙调整结构.齿轮调整结构一般有:双齿轮错齿调整法、轴向垫片调整法、予应力轴调整法、偏心套调整法、轴向压簧调整法、周向弹簧调整法等.经分析,采用了偏心套调整法.这种方法结构简单可靠,调整方便,能很好地消除齿轮间隙,明显地提高机器人传动精度.653北京航空航天大学学报 1998年6)保证机器人操作机整体刚度和强度的措施具有冗余度的机器人操作机,因其关节多,结构复杂,容易削弱整体刚度和强度,影响位姿精度.本文在大小臂等零件的结构上采用了空心封闭式薄壁结构型式,使零件刚性好,强度高,而且重量轻.在各联接处采用配合紧密可靠的止口加用高强度螺栓联接的方法,使联接具有整体效果.各转动关节选用间隙小、运动灵活的高精度轴承,各关节有间隙调整结构,有效地消除各运动关节的间隙.采用了以上措施后,机器人操作机整体刚度和强度得到了保证,达到了机器人位置精度要求和运动速度要求.7)材料的选用在保证机器人操作机刚度和强度的前提下,运动件应尽可能轻量化,以利于减小机器人操作机的转动惯量和驱动力矩,提高机器人的动力学性能.为此,大臂、小臂、手腕等大部分运动零件采用铝合金材料,使零件重量比钢材减少三分之二以上,大大减少了运动惯量和驱动力矩.基座部分的零件采用铸铁和钢材,因铸铁具有吸振性好和比重大的特点,所以能提高整机的稳定性,同时也可降低部分材料价格.8)降低成本的措施为了尽量降低研制成本,在设计时就注意到在保证机器人性能要求的基础上,在结构和加工工艺上采取了不少降低成本的措施.例如:球型手腕内因结构限制必须用一种超薄型轴承,国内无此规格,国外订货周期长、价格贵,因此采用了用高精度轴承磨削加工改制的方法,获得了满意的效果.原美国专利球腕内采用的是平面齿轮,加工困难,将它改为标准锥齿轮使加工工艺简化,加工容易.这些措施大大降低了研制成本,减少了加工难度,缩短了加工周期,而且使用效果良好.3 结束语这次研制成的BUAA 2RR 七自由度机器人样机实现了冗余自由度机器人能避开障碍,消除奇异位形的功能.它可“自运动”和克服关节角限制.运动灵活,可靠,达到了预想目标.这表明:机器人的机械结构设计是合理的,总体传动机构是可行的,是比较成功的.参 考 文 献1 Rosheim Mark E.Robot wrist actuators.Canada :JOHN WIL EY&SONS Inc ,19892 吴广玉,姜复兴.机器人工程导论.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19883 张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社,19884 赵占芳.具有冗余自由度机器人的运动学及控制研究:[学位论文].北京:北京航空航天大学机电工程系,19885 马香峰.工业机器人的操作机设计.北京:冶金工业出版社,1996Structure De sign for 72DOF BUAA 2RR ManipulatorQian Xikang(Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Dept.of Mechanical and Electrical Engineering )Abstract In order to avoid obstacles in task space ,overcome interior singularities and improve the performance of manipulators ,redundant manipulators have been thoroughly researched and developed.In the process of designing BUAA 2RR 7degrees of freedom ,a complete set of principles and methods are pro 2posed on design of mechanical structure ,joint and parts.BUAA 2RR 72DOF manipulator is characterized by self 2motion and overcoming joint limitations ,which has a feasible and compact structure.BUAA 2RR oper 2ates dexterously and reliably ,and is able to avoid obstacles and overcome singularity.Practice verifies the feasibility of above principles and methods.Key words robots ;degree of freedom ;structural design ;redundancy ;singularity753第3期 钱锡康:BUAA -RR 七自由度机器人机械结构设计。
工业机器人毕业设计工业机器人是一种能自动执行各种工业操作的机器人，被广泛应用于生产线上的物料搬运、装配、焊接等工作。
本文对一种基于视觉导航的工业机器人进行毕业设计。
设计思路：本设计旨在实现工业机器人的视觉导航功能，使其能够根据预先设置好的路径自动导航到指定位置，并执行任务。
设计内容包括：硬件设计、软件设计和系统测试。
硬件设计：硬件设计主要包括工业机器人的机械结构、电子系统和传感器系统的设计。
机械结构部分需要满足载重要求，同时保证机器人能够自由运动。
电子系统包括主控制器、执行器和电源等组成，需要根据机械结构的要求进行选择和设计。
传感器系统主要用于机器人的感知能力，包括视觉传感器、距离传感器等，用于实现视觉导航。
软件设计：软件设计主要包括机器人的导航算法和控制系统的设计。
导航算法包括路径规划和障碍物避障两个模块。
路径规划模块根据输入的目标位置，通过算法计算出机器人需要经过的路径；障碍物避障模块通过传感器获取周围环境信息，根据算法决定机器人如何绕过障碍物。
控制系统设计主要包括机器人的姿态控制、速度控制和力控制等，确保机器人能够按照设定的路径准确导航。
系统测试：系统测试主要包括对机器人的导航能力、准确性和稳定性进行测试。
导航能力的测试主要是测试机器人能否按照预设的路径准确导航到指定位置；准确性测试主要是测试机器人到达目标位置的偏差；稳定性测试主要是测试机器人在导航过程中的平稳性和抗干扰能力。
预期结果：预期结果是实现一个能够实现视觉导航功能的工业机器人。
工业机器人能够根据设定的路径自动导航到指定位置，并执行任务。
导航能力准确、稳定，能够避免障碍物，执行任务的效率高。
结论：本设计实现了一个能够实现视觉导航功能的工业机器人。
通过硬件设计、软件设计和系统测试，确保机器人的导航能力、准确性和稳定性。
工业机器人技术毕业设计一、引言工业机器人是现代制造业中不可或缺的一种生产设备，其广泛应用于汽车、电子、医疗、航空等行业。
本文将介绍工业机器人的相关技术，并提供一个毕业设计方案。
二、工业机器人的分类1.按照使用领域分类：包括汽车工业、电子工业、医疗行业等。
2.按照结构分类：包括SCARA机器人、直线运动机器人等。
3.按照控制方式分类：包括伺服控制和步进控制等。
三、工业机器人的组成部分1. 机械结构部分：包括轴承、减速器、传动系统等。
2. 传感器部分：包括视觉传感器、力传感器等。
3. 控制系统部分：包括控制板卡和软件系统等。
四、毕业设计方案1. 设计目标：设计一个用于汽车生产线上的SCARA机器人，能够完成零件装配和焊接任务。
2. 设计要求：（1）具有高精度和高速度的定位能力；（2）具有灵活的运动轨迹规划能力；（3）能够适应不同尺寸和形状的零件；（4）具有自动识别和纠正零件位置的能力；（5）具有安全保护机制，能够避免对人员和设备造成伤害。
3. 设计方案：（1）选择适合汽车生产线上使用的SCARA机器人结构，包括机械臂、关节、驱动器等。
（2）选择适合汽车零件装配和焊接任务的传感器，包括视觉传感器、力传感器等。
（3）选择适合汽车生产线上使用的控制系统，包括控制板卡和软件系统等。
（4）进行运动轨迹规划和控制算法设计，并进行仿真验证。
（5）设计安全保护机制，包括安全门、紧急停止按钮等。
五、总结本文介绍了工业机器人的分类、组成部分以及一个用于汽车生产线上的SCARA机器人毕业设计方案。
随着现代制造业的发展，工业机器人将会越来越广泛地应用于各个行业中。
搬运机器人结构设计毕业设计正文1.引言2.机器人结构设计的基本要求机器人的结构设计应满足以下基本要求：2.1运动自由度由于搬运任务的多样性，机器人需要具备足够的运动自由度，以适应各种场景和工作环境。
常见的运动自由度包括平移自由度和旋转自由度。
2.2机器人臂的结构机器人臂是搬运任务的关键组成部分，其设计应具备足够的刚性和精度，以确保搬运过程的稳定性和准确性。
常见的机器人臂结构包括串联和并联结构，选择合适的结构需根据具体应用场景进行考虑。
2.3控制系统好的控制系统能够有效地指挥机器人完成搬运任务，并提高其运行效率和精度。
控制系统应具备良好的实时性和稳定性，能够实现对机器人的精确控制和调节。
3.结构设计方案基于上述要求，本文设计了一种六自由度的搬运机器人结构，以满足不同场景下的搬运需求。
该机器人结构采用并联臂结构，以提高机器人的刚性和精度。
具体结构设计如下：3.1机器人臂结构该机器人采用了六个旋转关节来实现运动自由度，通过控制各关节的角度变化，实现机器人的运动。
在设计时，需要考虑关节的刚性和承载能力，以确保机器人在搬运过程中的稳定性和安全性。
3.2末端执行器机器人的末端执行器可根据具体搬运任务的要求进行设计。
常见的末端执行器包括夹子、吸盘等。
在选择和设计末端执行器时，需要考虑搬运物品的大小、重量和形状等因素，以确保机器人能够有效地完成搬运任务。
3.3控制系统设计机器人的控制系统主要包括传感器、控制器和执行器等组成部分。
传感器用于获取机器人和搬运物品的状态信息，控制器负责对机器人进行控制和调节，执行器将控制信号转化为机器人的实际运动。
在设计控制系统时，需要考虑传感器的选择和布置、控制算法和执行器的响应特性等因素。
4.实验与分析通过搭建原型机进行实验，对所设计的搬运机器人进行性能测试和分析。
实验结果表明，该机器人结构设计合理，具备较好的稳定性和精度，能够有效地完成搬运任务。
5.结论本文对搬运机器人的结构设计进行了研究，并设计了一种六自由度的机器人结构。
工业机器人毕业设计工业机器人毕业设计一、设计背景近年来，随着工业自动化的深入发展，工业机器人已经成为现代工厂不可或缺的设备。
工业机器人可以代替人工完成繁重、危险或重复性高的工作，提高生产效率，降低劳动强度，提升产品质量。
因此，设计一款具有较高智能化水平的工业机器人成为了一个紧迫的需求。
二、设计目标本设计旨在设计一款具有较高智能化水平的工业机器人，具体目标如下：1. 根据任务需求，机器人能够进行自主学习和智能决策。
2. 机器人具有较高的定位精度和抓取能力。
3. 机器人具有较高的自适应能力，能够适应不同的工作环境和工作任务。
4. 机器人具有良好的安全性能，能够及时发现并避免潜在的危险。
三、设计方案本设计采用基于深度学习的视觉识别技术，结合激光雷达传感器实时获取周围环境信息。
同时，使用高精度的位置估计算法，来实现机器人的定位和移动。
设计采用多关节机械臂，配备智能夹具，具备强大的抓取能力。
机器人通过与工厂的监控系统联动，能够自主学习和改进，提高工作效率。
此外，机器人还配备了多种传感器，如红外线传感器和声纳传感器等，以提高机器人在复杂环境下的自适应能力。
四、设计优势相比传统的工业机器人，本设计具有以下优势：1. 使用深度学习技术和激光雷达传感器，提高了机器人的感知和识别能力。
2. 采用高精度的位置估计算法，提高了机器人的定位精度和移动能力。
3. 多关节机械臂和智能夹具的设计，增强了机器人的抓取能力。
4. 运用多种传感器，提升了机器人在复杂环境下的自适应能力。
五、设计预期效果通过本设计，预期可以实现以下效果：1. 提高生产效率，降低劳动强度，减少生产成本。
2. 提升产品质量，减少人为误差，避免质量问题。
3. 减少人工干预，避免工人操作差错带来的安全事故，提高工作场所的安全性。
4. 适应不同的工作环境和工作任务，具备更高的灵活性和适应性。
六、总结本设计旨在设计一款具有较高智能化水平的工业机器人，通过采用深度学习技术、激光雷达传感器和高精度的位置估计算法，实现机器人的自主学习、智能决策、定位和移动。
工业机器人毕业设计仅可以提高生产效率，降低生产成本，还能保障产品质量和员工安全。
因此，工业机器人在现代制造业中扮演着不可或缺的角色。
本文旨在设计一台圆柱坐标型的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。
1.2工业机器人在国内外的发展现状与趋势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，工业机器人在国内外的应用已经非常广泛，尤其是在汽车、电子、机械制造等行业。
随着科技的不断进步和人工智能的发展，工业机器人的智能化、高精度、高速度、高灵活性等方面也在不断提高。
未来，工业机器人将更加普及和应用，成为现代制造业的重要支撑。
2总体方案的确定2.1结构设计概述本文将设计机器人的大臂、小臂、底座和机械手的结构，以实现机器人的高精度、高速度、高灵活性等特点，从而更好地满足冲压设备的物料运输需求。
2.2基本设计参数在设计机器人的结构时，需要考虑到各个部件的尺寸、重量、负载能力等基本设计参数，以确保机器人的稳定性和可靠性。
2.3工作空间的分析机器人的工作空间也是设计中需要考虑的重要因素，需要根据冲压设备的物料运输需求，确定机器人的工作空间范围。
2.4驱动方式机器人的驱动方式是影响其运动精度和速度的重要因素，本文将选择合适的驱动方式，以保证机器人的高精度和高速度。
2.5传动方式确定机器人的传动方式也是影响其运动精度和速度的重要因素，本文将选择合适的传动方式，以确保机器人的高精度和高速度。
3搬运机器人的结构设计3.1驱动和传动系统的总体结构设计本文将设计机器人的驱动和传动系统，以确保机器人的高精度和高速度。
3.2手爪驱动气缸设计计算机器人的手爪驱动气缸是机器人搬运物料的重要部件，本文将进行手爪驱动气缸的设计计算，以确保机器人的高负载能力和稳定性。
3.3进给丝杠的设计计算进给丝杠是机器人运动的重要部件，本文将进行进给丝杠的设计计算，以确保机器人的高精度和高速度。
3.4驱动电机的选型计算驱动电机是机器人驱动系统的核心部件，本文将进行驱动电机的选型计算，以确保机器人的高精度和高速度。
毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：3-DOF工业机器人结构设计II、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：根据对工业3自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，按照下列技术要求，基于Auto CAD软件完成机器人的结构设计。
主要设计要求如下：第一轴：转动角速度为90 /s，转角范围为0～270底座：能够实现第一臂转角(0～270 )转角范围控制I I I、毕业设计(论文)工作内容及完成时间：1. 开题报告，外文资料翻译2周3月1日~3月12日2.机器人本体的组成方案设计2周3月15日~3月26日3.第一臂、底座的结构分析与设计4周3月29日~4月23日4. Auto CAD软件平台上建立各零部件与装配图4周4月26日~5月21日5.毕业论文整理及答辩准备3周5月24日~6月10日Ⅳ、主要参考资料：【1】孙桓等主编.机械原理(第六版) .高等教育出版社，2001【2】马香峰主编.工业机器人的操作机设计. 冶金工业出版社 ,1996【3】宗光华张慧慧译.机器人设计与控制. 科学出版社， 2004【4】郑笑级工业机器人技术及应用[M]. 北京：煤炭工业出版社，2004【5】Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. IEEE Robbtics and Automnation Magzuine,1998,5(2):33～42机械设计制造及其自动化专业 0781052 19班学生（签名）：填写日期：2010 年 3 月 1 日至2010年 6 月10 日指导教师（签名）：助理指导教师(并指出所负责的部分)：专系主任（签名）：。
机械设计制造及自动化毕业论文-3D工业机器人结构设计本章介绍论文的研究背景和目的，概述论文的结构和内容安排。
本文献综述将会综述相关领域的研究成果和进展，并探讨已有研究的不足之处，为本论文的研究提供理论基础。
3D工业机器人的概述介绍3D工业机器人是一种能够在三维空间内进行各种复杂任务的自动化机器人。
它具有高度灵活性和智能化的特点，可以执行多种工作，如装配、搬运、焊接、喷涂等。
3D工业机器人的设计结构非常重要，它直接影响机器人的性能、稳定性和安全性。
工作原理3D工业机器人基于先进的传感器和控制系统，能够通过计算机指令来执行任务。
它的工作原理包括感知环境、处理信息和执行动作。
通过感知环境，机器人能够识别和理解周围的物体、空间和运动方式。
然后，机器人会根据接收到的指令进行信息处理，计算出执行任务所需的动作。
最后，机器人会通过各种执行器和工具来执行具体的操作。
应用范围3D工业机器人在制造业中有着广泛的应用。
它可以代替人力完成繁重、危险和高精度的工作，提高生产效率和产品质量。
在汽车制造、电子制造、食品加工等领域，3D 工业机器人已经成为不可或缺的生产工具。
此外，随着人工智能和机器研究的发展，3D 工业机器人还可以通过研究和优化算法来提高自身的性能和智能化水平。
重要性和发展趋势3D工业机器人在制造业中的重要性不断增加。
它可以提高生产效率、降低成本、减少人力需求，并且可以在危险环境下工作，保证工人的安全。
它还可以实现自动化生产，提高产品质量和一致性。
随着技术的不断发展，3D工业机器人的性能和功能将不断提升，未来还将出现更多的应用场景和机器人类型。
结论3D工业机器人的设计结构对机器人的性能和稳定性具有重要影响。
深入理解3D工业机器人的概念、工作原理和应用范围，对于提高制造业的自动化水平和生产效率具有重要意义。
未来，随着技术的不断进步，3D工业机器人将在制造业中扮演越来越重要的角色。
该论文旨在介绍3D工业机器人结构设计的基本原理和方法，包括选取适合的机构结构、运动学建模、结构分析等内容。
摘要7 自由度工业机器人以工作范围大、动作灵活、结构紧凑、能抓取靠近机座的物体等特点备受设计者和使用者的青睐。
由于有一个冗余自由度，很容易在确保最佳焊接姿势的同时，避免工件以及夹具对机器人工作臂的干扰。
本论文首先根据机器人持重3kg、工作范围1434mm、本体重量150kg，确立机器人为S腰部回转、L小臂摆动、E大臂回转、U臂部俯仰、R腕部扭转、B 腕部俯仰、T腕部回转的7自由度关节型弧焊机器人的总体结构；分析机器人的各个关节在转动惯量、角速度、加速度等技术指标下的工作状况，确定7个关节都采用交流电机驱动、机器人手臂专用减速器传动，同时B、T腕部关节还用到同步带传动。
通过计算各关节所需电机的功率和转矩、减速器的减速比、同步带的要求并选型；用UG NX6.0画出机器人的各关节三维仿真模型，并装配成型。
本课题研究具有广泛的实际意义和应用前景。
设计的7自由度工业机器人为后续的机器人动力学分析和运动控制提供了参考依据，并可以做进一步的研发。
关键词：7自由度，工业机器人，机械结构Abstract7 dof industrial robots with large scope of work, flexible, compact structure, cangrab the object near the base are famous among so much designers and users. Becausethere is a redundant freedom, it is easy to ensure the best welding position at the sametime, avoid workpiece and fixture work on the robot arm interference.In this thesis, according to the robot puts up 3kg, the scope of work is 1434mm,body weight is 150kg,establish 7 dof joint structure of arc-welding robot including Swaist, L arm swing, E arm rotation, U pitching arm, R wrist turn, B wrist pitch, T wristrotation. Analysis of the various robot joints in moment of inertia, angular velocity,acceleration and other technical indicators of the work under the conditions identifiedseven joints driven by AC motor, the robot arm dedicated reducer drive, while B, Twrist joint is also used in synchronous belt drive. Required by calculating the jointmotor power and torque, reduction ratio reducer, belt requirements and selection; robotwith UG NX6.0 draw three-dimensional simulation model of each joint, and assemblymolding.This research has extensive practical significance and application prospect. 7 dofindustrial robots designed for the follow-up dynamics analysis and motion control andprovide a reference, and can do further research and development.Key words: 7 dof, industrial robot, mechanical structure目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)第一章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外工业机器人的发展概况 (2)1.2.1 国内外工业机器人的发展现状 (2)1.2.2 工业机器人的发展趋势 (4)1.3 课题来源 (5)1.4 主要研究内容 (6)第二章7自由度工业机器人总体方案设计 (7)2.1 机器人机械设计的特点 (7)2.2 与机器人有关的概念 (7)2.3 机器人的基本技术要求 (9)2.4 机器人手臂结构型式 (10)2.5 机器人结构方案的分析 (12)2.5.1 7自由度工业机器人的外形结构设计 (12)2.5.2 7自由度工业机器人的关节结构设计 (15)2.6 机器人的驱动方式的选择 (19)2.7 7自由度机器人的控制系统 (20)2.7.1 7自由度工业机器人控制系统硬件部分 (20)2.7.2 7自由度工业机器人控制系统软件部分 (21)2.8 本章小结 (21)第三章7自由度工业机器人结构设计 (22)3.1 引言 (22)3.2 减速器类型选择 (23)3.3 同步带类型选择 (24)3.4 机器人结构设计 (25)3.4.1 T腕部回转关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 (25)3.4.2 B腕部摆动关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 (30)3.4.3 R回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (36)3.4.4 U回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (38)3.4.5 E回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (40)3.4.6 L摆动关节交流伺服电机和减速器的选择 (42)3.4.7 S腰部回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (44)3.4.8 电机、减速器、同步带选型总表 (47)3.5 电机型号 (48)3.5.1 SGMGH系列1500转电机 (48)3.5.2 SGMPH系列3000转电机 (49)3.6 本章小结 (51)第四章7自由度工业机器人三维结构设计 (52)4.1 机器人各个关节三维图 (52)4.1.1 底座造型图 (52)4.1.2 S腰部回转关节造型图 (53)4.1.3 L小臂摆动关节造型图 (56)4.1.4 E大臂回转关节造型图 (60)4.1.5 U臂部俯仰关节造型图 (60)4.1.6 R腕部扭转关节造型图 (61)4.1.7 B腕部俯仰关节造型图 (62)4.2 机器人装配图 (65)4.3 本章小结 (66)第五章结论和展望 (67)5.1 结论 (67)5.2 技术经济分析报告 (68)5.2.1 技术可行性分析 (69)5.2.2 技术优越性分析 (69)5.3 展望 (69)参考文献 (71)致谢 (73)声明 (74)第一章 绪论1.1 课题背景机器人是典型的机电一体化装备，除了在制造业、农业、医疗、海洋开发、航天工程等方面得到了越来越广泛的应用之外，也渗透到人们生活的各个方面， 随着工业机器人向更深、更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人 的应用范围还在不断地扩大。
机器人产品技术附加值很高，应用范围很广，机器 人产业是正在快速成长中的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的 作用。
国外专家预测机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产 业。
在这样的背景下，机器人技术与相关方面人才的需求也迅速增加，各高校也相应加大了对机器人技术人才的培养力度 。
研究并开发机器人是一项极其具有价值的科研工作。
工业机器人 一般需要六个自由度,它是机器人在工作空间内,达到任意位置和方 向所需要的最少的数量。
然而，六自由度机器人在跟踪特定位置和方向的能力受到 很大的 限制。
因此,通 过增加自由度的 办法来提高它 的灵活性，大大地克服了六自 由度机器人受到奇异构形空间、障碍物、关节运动极限和电机的转矩极限等一系列 运动学和动力学问题的限制。
因此，七自由度冗余手臂是智能化机器人的一个重要主题，而且有资料显示，未来的通用机器人一般应至少具有七个自由度 。
从“七五”科技攻关开始，我国将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，经过研制、生产、应用，实现了中国机器人产业“从无到有”。
“十五”期 间是我国机器人产业发展的一个关键转折点。
经过多年的研究开发，我国的机器 人技术已日趋成熟；市场需求在“十五”初期也有了一个“井喷式”的发展，此 外我国业已形成了几家具有一定竞争力的机器人公司和产业化基地。
但是，从整体上来说，我国机器人产业还很薄弱，机器人研究仍然任重而道远。
我国市场上机器人总共拥有量近万台，仅占全球总量的 0.56%，其中完全国 产机器人行业集中度仅占 30%，其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等 20 多个国家引进。
究其原因，很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急 。
由于常年以来发达国家对我国的技术封锁，尤其是对我国的工业技术部门。
因此对能应用于各行各业的 7 自由度工业机器人，我国有必要自主研制和开发。
[1] [2] [3]1.2 国内外工业机器人的发展概况1.2.1 国内外工业机器人的发展现状机器人是最典型的机电一体化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。
据UNECE (联合国欧洲经济委员会)和IFR (国际机器人联合会)统计，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头，进入90年代，机器人产品发展速度加快，年销售量增长率平均在10%左右；2004年增长率达到了创记录的20%，其中,亚洲机器人增长幅度最为突出,增长43%，如图1-1所示。
UNECE估计,2004年全球至少安装了10万台新的工业机器人。
其中：·欧盟31100台(比2003年增加15%,但比2001年的记录仅增加1%)；·北美16100台(比2003年增加27%,比2000年的记录高24%)；·亚洲51400台,主要在日本,但中国市场增长迅速(比2003年增长24%)。
图1-1 2003年制造业中每1万名雇员拥有工业机器人的数量在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。
