工业机器人

三自由度圆柱坐标型
工业机器人设计分析
学院：机电工程学院
专业：机械设计制造及其自动化
班级：
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三自由度圆柱坐标型工业机器人设计
1.简介
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工
作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。

主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。

工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重
的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。

2.工业机器人的总体设计
它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制、检测系统及智能系统组成。

（1）执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需
的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。

①手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具；
②腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位；
③臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置；
④机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动；
（2）驱动机构：把驱动元件的运动传递到机器人的关节和动作部位，按时限运动方式，驱动机构可分为直线驱动机构和旋转驱动机构两种。

（3）控制系统：根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。

（4）感知系统：有内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。

3.工业机器人的设计分析
（1）设计要求
原始数据：自动线上有Ａ，Ｂ两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。

零件尺寸：内孔￠100，壁厚 10，高 100。

零件材料：45钢。

（2）机器人各部件分析
圆柱坐标型机器人具有2个移动关节和1个转动关节，工作范围为圆柱形状的
①旋转驱动机构：齿轮链、同步皮带、谐波齿轮、摆线针轮传动减速器
②直线驱动机构：齿轮齿条装置、普通丝杠、滚珠丝杠、液压缸、气压缸
③回转与升降机身：①摆动油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上②摆动油缸
驱动，回转油缸在下，升降油缸在上③链条链轮传动机构
④回转与俯仰机身：液压（气）缸与连杆机构
⑤手臂回转运动机构：叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸、
连杆机构等
⑥手臂直线运动机构：液压缸、气压缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构、连杆机
构
⑦三自由度手腕：BBR、RRR、BRR、RBR形式
⑧机械前爪式手部：齿轮齿条移动式手抓、重力式钳爪、平行连杆式钳爪、拨杆
杠杆式钳爪、自动调整式钳爪、特殊形式手指
⑩驱动方式：液压驱动、气压驱动、电气驱动
机器人外形图
4.工业机器人的运动系统分析
工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。

如图所示，为工业机器人机构的简图。

所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。

本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。

5.工业机器人的执行机构设计
（1）末端执行机构设计
工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。

手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。

采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸1工作时，推动推杆2向下运动，使两钳爪3向外撑开，从而带动弹性爪4夹紧工件。

该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。

（2）手臂机构的设计
本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。

选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。

（3）腰部和基座设计
通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。

采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。

支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料。

（4）弹性爪的结构设计
这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹性片两端。

当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。

由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等
7.总体方案
在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。

这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。

本次设计就是在这一思维下展开的。

根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。