自由度工业机器人结构

三自由度圆柱坐标型工业机器人设计引言工业机器人在现代制造业中起着至关重要的作用。

圆柱坐标型工业机器人是一种具有三个自由度的机器人，它可以在三维空间内进行精确的定位和操作。

本文将着重讨论三自由度圆柱坐标型工业机器人的设计原理和关键技术。

一、设计原理三自由度圆柱坐标型工业机器人的设计原理基于坐标变换。

它由一个立柱状的垂直轴和一个平行于地面的基座组成。

机器人的主要部件包括立柱、支撑臂、关节和末端执行器。

机器人的立柱可以在垂直方向上运动，提供Z轴位移。

支撑臂位于立柱的顶部，可以绕水平方向的Y轴旋转，提供Y轴位移。

末端执行器连接在支撑臂的末端，可以绕垂直方向的Z轴旋转，提供X轴位移。

二、关键技术1.位置传感器：为了实现精确的定位和操作，对机器人的运动进行准确的测量是必不可少的。

位置传感器可以用来测量机器人各个关节的角度以及末端执行器的位置信息。

2.逆运动学：逆运动学是指通过末端执行器的位置和姿态计算出机器人各个关节的角度。

通过逆运动学算法，可以实现机器人在三维空间内的精确定位。

3.控制系统：控制系统是三自由度圆柱坐标型工业机器人的核心。

它接收来自传感器的反馈信息，计算机器人的位姿，并输出相应的指令控制机器人的运动。

控制系统需要具备实时性和稳定性，以确保机器人的运动精度和安全性。

4.动力学分析：动力学分析可以帮助我们理解机器人在运动过程中的力学特性。

通过动力学分析，可以确定机器人在给定任务下所需的扭矩和力，并进行相应的力矩配平和选型。

三、设计步骤1.确定任务需求：在开始机器人设计之前，首先需要明确机器人所要完成的任务和工作环境。

2.选择结构参数：根据任务需求和工作环境，选择机器人的结构参数，包括立柱高度、支撑臂长度和末端执行器负载能力等。

3.逆运动学分析：根据机器人的结构参数和任务需求，进行逆运动学分析，得到机器人各个关节的角度和末端执行器的位姿。

4.控制系统设计：设计机器人的控制系统，选择合适的控制算法和硬件设备，实现机器人的运动控制和姿态调整。

工业机器人自由度一般有几个，自由度越多
越好吗?
机器人机构能够独立运动的关节数目，称为机器人机构的运动自由度，简称自由度。

通常自由度作为机器人的技术指标，能反映机器人动作的灵活性，可用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。

目前工业机器人采用的控制方法是把机械臂上每一个关节都当作一个单独的伺服机构，即每个轴对应一个伺服器，每个伺服器通过总线控制，由控制器统一控制并协调工作。

工业机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能，机器人操作机具有三个或三个以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动，可见工业机器人的轴数是其重要技术指标。

工业机器人自由度一般有几个?大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度;驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作;控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

机器人自由度越多越好吗?一般情况下，机器人的自由度越多，就越接近人手的动作技能，通用性也就越好，但自由度越多，其结构就会更加的复杂，那么对机器人的整体要求就越高，在设计和制造方面就越困难。

虽然随着轴数也就是自由度的增加，机器人的灵活性也随之增长，但在目前的工业应用中，用的较多的也就是三轴、四轴、五轴双臂和六轴的工业机器人，轴数的选择通常取决于具体应用。

这是因为在更加具体的行业应用中，往往并不需机器人具备很高的灵活性，而三轴、四轴机器人具有更高的成本效益，并且在速度上也具有更大的优势。

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。

工业机器人课程作业报告院（系）名称：机电工程学院作业题目：三自由度圆柱坐标工业机器人班级：姓名：学号：目录1.作业要求 (3)1.1作业目的 (3)1.2作业数据 (3)1.3运动功能图符号(本次作业圆柱坐标型) (3)2.总体设计 (4)2.1组成和关系 (4)2.2设计分析 (4)3.机械系统的设计 (5)3.1末端执行机构设计 (5)3.2手臂机构的设计 (6)3.3机座机构的设计 (7)4.附件 (8)4.1总装图 (8)1.作业要求1.1作业目的1：综合运用所学只是，搜集有关资料，独立完成三自由度圆柱坐标工业机器人操作机和驱动但愿的设计工作。

如驱动元、传动机构、腰身、手臂、手腕、手抓、关节、抓钳尺寸、开合力大小等，至少设计两种以上方案。

(注意：此处无需考虑传感器，控制部分和力学计算)1.2作业数据1：自动线上A、B两条输送带之间距离为1.5米，需设计工业机器人将一个零件从A带送到B带。

2：零件尺寸：内孔Φ100、壁厚10、高100。

3：零件材料：45钢1.3运动功能图符号(本次作业圆柱坐标型)表1-1 运动功能图符号(GB/T12643-90)2.总体设计2.1组成和关系工业机器人在GB/T12643-90定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”由执行系统、驱动系统、控制检测系统及检测系统组成。

a)机械系统：是执行完成抓取工件，实现抓取动作的必需的机构。

内容保函如下：手部(末端执行器)：直接抓取工件或夹具机构。

臂部：支承腕部的机构，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。

腕部：连接手部和臂部的机构，作用为调整及改变手部的动作。

机座：是机器人的基础部件支承手臂的部件，并承受相应的载荷，作用是带动臂部转动、升降动作。

b)驱动系统：为执行系统提供动力。

常用传动方式有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。

c)控制系统：控制驱动系统，使执行系统按照产品的要求以及抓取的工件要求进行相应的动作，当发生系统错误或执行故障时发出提示报警信号。

六自由度机器人结构设计六自由度机器人是一种具有六个独立自由度的机器人系统，允许其在六个不同的方向上进行平移和旋转运动。

这种机器人系统被广泛应用于工业自动化、医疗、航天航空等领域。

在设计六自由度机器人结构时，需要考虑机器人的运动灵活性、精度和稳定性等因素。

本文将探讨六自由度机器人的结构设计。

1.机械结构设计六自由度机器人的机械结构设计是其最基本的设计要素之一、一般而言，六自由度机器人由底座、连接杆、关节和末端执行器等部分组成。

在设计机械结构时，需要考虑机器人的工作空间要求、重量和刚度等因素。

一种常见的结构设计是将机器人分为两个连杆外部结构和四个内部关节连杆结构，以实现较高的精度和稳定性。

2.关节传动系统设计关节传动系统是六自由度机器人结构中的核心组成部分。

六自由度机器人通常使用直流电动机或步进电动机作为驱动器。

在选择驱动器时，需要考虑其扭矩、精度和响应速度等因素。

同时，传动系统也需要选择合适的减速器、链条或齿轮传动等机械传动装置来实现关节的运动。

3.传感器系统设计传感器系统是六自由度机器人结构中的关键部分，用于实现机器人对外部环境和自身状态的感知。

常用的传感器包括编码器、力/力矩传感器、视觉传感器等。

编码器可用于测量关节的位置和速度，力/力矩传感器用于感知机器人对外部环境的力或力矩作用，视觉传感器用于感知机器人周围的物体和环境。

传感器系统设计需要考虑传感器的精度、可靠性和与其他系统的配合等因素。

4.控制系统设计控制系统设计是六自由度机器人的关键环节，用于实现机器人的运动控制和路径规划。

控制系统通常采用计算机或嵌入式系统来实现。

在控制系统设计时，需要考虑机器人的动力学和运动学模型，以及相应的控制算法和控制器设计。

常见的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等。

5.安全系统设计安全系统设计是六自由度机器人结构设计的重要组成部分，用于保证机器人的运行安全。

安全系统设计包括安全门、急停按钮、碰撞检测装置等。

三自由度圆柱坐标型工业机器人设计学院：机电工程学院班级：姓名：学号：1.末端执行机构设计采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图。

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.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，就可避免易损零件被抓伤、变形和破损。

3.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。

它的结构如下图。

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。

4.腰部和基座设计1——支座，2——步进电机，3——谐波齿轮，4——转动机座5——支承槽钢梁，6——滚珠丝杠，7——导向柱，8——锥环无键联轴器通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动壳体转动，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。

采用双导柱导向，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，它的结构如上图。

5.驱动方式的选择由上表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，所以本设计采用它来实现机器人的旋转和上下移动。

选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。

由上表知,液压驱动方式反应灵敏,可实现连续轨迹控制,液体压力高，可获得较大的输出力,因此机器人的伸缩运动采用液压驱动方式来实现,从而使机器人容易找准工件。

它的型号为Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如下表6.工业机器人的计算机控制系统概述工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。

六自由度机器人结构设计
六自由度机器人是一种常见的机器人结构，它具有六个自由度，可以在三维空间中进行复杂的运动和操作。

这种机器人结构设计广泛应用于工业生产线、医疗机器人、危险环境处理等领域。

在本文中，将详细介绍六自由度机器人的结构设计及其相关内容。

首先，六自由度机器人的结构设计包括机身结构、关节结构和执行器结构三个方面。

机身结构方面，需要考虑机器人的整体刚度和轻量化设计。

一般采用铝合金或碳纤维等轻质材料制作机身结构，以提高机器人的运动速度和机械臂的载荷能力。

同时，采用模块化设计，使得机身结构可以方便更换和维修。

关节结构方面，关节是机器人运动的关键部件。

六自由度机器人通常采用旋转关节和直线推动关节的组合形式。

旋转关节通过电机驱动实现机械臂的旋转运动，而直线推动关节通过气动或液压系统实现机械臂的伸缩运动。

关节结构的设计需要考虑机械臂的运动范围、精度和承载能力等因素，以满足机器人的工作需求。

除了以上三个方面的设计，还需考虑机器人的运动控制和感知系统等方面。

在六自由度机器人的运动控制方面，通常采用闭环反馈控制系统，通过编码器或传感器等装置实时监测机械臂的位置和姿态，并根据设定的轨迹和工作要求进行控制。

感知系统方面，采用视觉、力觉或力矩感知等技术，使机器人能够感知周围环境和物体特征，实现精确的位置和力量控制。

五自由度机器人机构简图1. 引言五自由度机器人是一种具有五个可以独立运动的自由度的机器人，它由多个连接的连杆和关节构成。

本文将介绍五自由度机器人的机构简图，并对其各部分进行详细描述。

2. 机构构成五自由度机器人的机构主要包含以下几个部分：2.1 基座机器人的基座是整个机器人的支撑结构，它为机器人提供稳定的基础。

基座通常采用坚固的金属材料制成，以保证机器人在工作时的稳定性和承载能力。

2.2 第一关节第一关节是五自由度机器人最基本的部分，它连接基座和第二关节，并负责提供机器人在水平方向上的转动自由度。

第一关节通常采用电动驱动，可以通过电机或液压系统实现转动。

2.3 第二关节第二关节连接第一关节和第三关节，它负责提供机器人在垂直方向上的转动自由度。

第二关节通常由电动驱动器控制，可以实现机器人的上下运动。

2.4 第三关节第三关节连接第二关节和第四关节，它负责提供机器人的第三个转动自由度。

第三关节通常由电动驱动器控制，可以实现机器人的俯仰运动。

2.5 第四关节第四关节连接第三关节和第五关节，它负责提供机器人的第四个转动自由度。

第四关节通常由电动驱动器控制，可以实现机器人的左右旋转。

2.6 第五关节第五关节连接第四关节和机器人的末端执行器，它负责提供机器人的第五个转动自由度。

第五关节通常由电动驱动器控制，可实现机器人末端执行器的旋转。

3. 五自由度机器人的工作原理五自由度机器人通过控制每个关节的运动，可以实现复杂的工作任务。

在实际工作中，机器人通过携带各种工具或末端执行器，如夹具或喷枪等，来完成各种操作。

机器人的工作原理简单概括如下： - 通过操纵机器人的控制系统，控制每个关节的运动。

- 通过控制第一关节的转动，使机器人在水平方向上移动到目标位置。

- 通过控制第二关节的转动，使机器人在垂直方向上移动到目标高度。

- 通过控制第三关节的转动，使机器人在俯仰方向上对目标进行倾斜或调整位置。

- 通过控制第四关节的转动，使机器人在水平方向上对目标进行左右旋转。

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3、工作范围1434、本体重量150，确立kg mm kg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, can grab the object near the base are famous among so much designers and users. Because there is a redundant freedom, it is easy to ensure the best welding position at the same time, avoid workpiece and fixture work on the robot arm interference.In this thesis, according to the robot puts up , the scope of work is ,3kg1434mm body weight is ,establish 7 dof150kg joint structure of arc-welding robot including S waist, L arm swing, E arm rotation, U pitching arm, R wrist turn, B wrist pitch, T wrist rotation. Analysis of the various robot joints in moment of inertia, angular velocity, acceleration and other technical indicators of the work under the conditions identified seven joints driven by AC motor, the robot arm dedicated reducer drive, while B, T wrist joint is also used in synchronous belt drive. Required by calculating the joint motor power and torque, reduction ratio reducer, belt requirements and selection; robot with UG NX6.0 draw three-dimensional simulation model of each joint, and assembly molding.This research has extensive practical significance and application prospect. 7 dof industrial robots designed for the follow-up dynamics analysis and motion control and provide 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。