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全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305XX学院毕业设计说明书(论文)作者: 学号：学院(系):专业:题目: 重载搬运机器人本体结构设计【六自由度机械手】2015 年5月全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305毕业设计说明书（论文）中文摘要机械手是一种典型的机电一体化产品，搬运机械手是机械手研究领域的热点。
研究搬运机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。
本文对一种使用在搬运机械手的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。
要求对机械手模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。
其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。
关键词：结构设计，机器臂，关节型机械手，结构分析毕业设计说明书（论文）外文摘要目录1 绪论 (1)1.1 引言 (2)1.2 搬运机械手研究概况 (3)1.2.1 国外研究现状 (3)1.2.2 国内研究现状 (4)1.4 搬运机械手的总体结构 (5)1.5 主要内容 (5)2 总体方案设计 (6)2.1 机械手工程概述 (6)2.2 工业机械手总体设计方案论述 (7)2.3 机械手机械传动原理 (8)2.4 机械手总体方案设计 (8)2.5 本章小结 (10)3 机械手大臂结构设计 (1)3.1 大臂部结构设计的基本要求 (1)3.2 大臂部结构设计 (2)3.3 大臂电机及减速器选型 (2)3.4 减速器参数的计算 (3)3.5承载能力的计算 (7)3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算 (7)3.5.2 柔轮疲劳强度的计算 (7)3.6 轴的计算校核 (8)3.7 大臂的平衡设计 (11)3.7.1 弹簧的受力分析 (11)3.7.2 弹簧的设计计算 (14)4机械手小臂结构设计 (18)4.1 腕部设计 (18)4.2 小臂部结构设计 (31)4.3 小臂电机及减速器选型 (31)4.3.1.传动结构形式的选择 (32)4.3.2.几何参数的计算 (32)4.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算 (33)4.4.1柔轮齿面的接触强度的计算 (34)4.4.2柔轮疲劳强度的计算 (35)4.5 轴结构尺寸设计 (36)4.6 轴的受力分析及计算 (36)4.7 轴承的寿命校核 (37)5机械手机身结构设计.......................................................................... 错误!未定义书签。
六自由度机械手设计说明书设计参数摘要随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。
工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。
机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。
另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。
机械手在工业中的应用十分广泛，如：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
应用前景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。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
3. 电路模块的设计从本课题设计的六自由度机械手结构及各方面因素综合考虑，我们可以在机械手的每个活动关节相配一台舵机提供动力驱动。
与液压、气压驱动相比，其驱动源和系统较为简单，舵机又是配套的通用产品，规格齐全，容易得到，不需要另行设计，在位置精度要求不高的情况下，控制系统方便。
本设计采用AT89S51单片机来控制六个舵机从而分别控制六自由度机械手的旋转或曲摆。
采用Protel99se 画图软件进行电路图的绘制。
其电路主要分为三大模块：电源开关控制模块;USB接口烧写模块及AT89S51单片机模块。
3.1 电源开关控制模块如图3-1所示为本电路的电源控制部分，SW2为外加电源开关，SW3为伺服电机电源选择开关，D1外接电源指示，其用途说明如下：图3-1 电源开关控制电路图一般单台伺服电机工作时，所需要的电压为5V，消耗的电流为200-300mA。
故使用单台伺服电机时，可将SW3切换到5V，也就是将电路板的SW3的1-2脚连接（利用2.54mm排针短路Pin）。
此时所有伺服电机的电源均来自USB接口所提供的5V，若一次同时用到多台伺服，那么USB接口所提供的电流就会不够伺服电机使用，此时就必须以外加电源的方式，来供给伺服电机所需的电压及电流。
所以将SW3切换到外加电源端，也就是将电路板里的SW3的2-3脚连接并在JPW引脚加入伺服电机所需的电源6V,如此方能有足够的电流提供给多台伺服电机使用。
因为本电路使用单片机控制六个伺服电机，所以需要使用外加电源来提供给J1-J6的伺服电机的转动。
3.2 USB烧写接口模块为了给单片机烧录程序，如果设计的电路板上没有烧录模块，就不得不频繁的插拔单片机在开发板上进行程序的擦写，这样容易造成单片机引脚的折断。
为了方便程序擦写，采用了USB-ISP下载线，并在电路板上设计ISP接口模块，然后通过软件Keil uvision2进行程序的擦写。
USB-CHIP下载线基本原理是ATMEGA8芯片进行USB串口协议的软件模块和ISP接口下载。
机电系统课程设计说明书六自由度机械手学院：农业工程与食品科学学院班级：农机0901小组人员：孙海舰邹杨指导老师：程卫东前言在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。
那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。
但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。
机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。
另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。
同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。
可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。
因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录一、方案设计 (4)二、结构设计 (4)三、电机的选择 (5)1.主回转轴电机的选用 (5)2、大臂摆动电机选用 (6)3、大臂转动电机选用 (6)4、小臂摆动电机的选择 (6)四、功能分析 (7)五、基座旋转机构轴的设计及强度校核 (8)六、液压泵俯仰机构零件设计及强度校核 (11)七、左右摇摆机构设计及强度校核 (14)八、连腕部俯仰机构零件设计及强度校核 (16)九、旋转和夹紧的设计及强度校核 (21)1.机械手指部基座与回转体的螺栓连接 (21)2．机械手指部设计及夹紧力计算 (24)十、机构各自由度的连接过程 (25)十一、设计特色 (28)十二、心得体会 (28)一、方案设计方案一：机械手采用气动控制，气压传动，其优点：1）以空气为工作介质，来源放不安，且用后可直接排入大气而不污染环境。
2）空气粘性小，损失小，节能高效。
六自由度机械臂结构1. 引言六自由度机械臂是一种多关节机械系统，具有灵活性和精确度，被广泛应用于工业自动化、医疗手术、空间探索等领域。
其结构设计是实现机械臂运动的关键因素之一。
本文将介绍六自由度机械臂的结构设计原理和常见的构型。
2. 六自由度机械臂的运动六自由度机械臂的运动由六个关节驱动，可以实现在三维空间内的多种运动。
六个关节分别对应机械臂不同自由度的运动，包括旋转和平移运动。
四个旋转关节（Revolute Joint）负责机械臂在空间中的旋转运动，包括基座关节（Base Joint）、肩关节（Shoulder Joint）、肘关节（Elbow Joint）和腕关节（Wrist Joint）。
两个平移关节（Prismatic Joint）负责机械臂在空间中的平移运动，包括手腕平移关节（Wrist Translation Joint）和手腕旋转关节（Wrist Rotation Joint）。
3. 六自由度机械臂的结构六自由度机械臂的常见结构包括直臂式（Straight-arm Configuration）和倾斜臂式（Scara Configuration）两种。
下面将对这两种结构进行介绍。
3.1 直臂式结构直臂式结构是六自由度机械臂最常见的结构之一。
它的特点是各个关节轴线相互平行，形成一个直线状。
这种结构适合进行大范围的空间操作。
直臂式机械臂的关节之间相对固定，不会相互干涉，可以实现高度精确的运动。
3.2 倾斜臂式结构倾斜臂式结构是另一种常见的六自由度机械臂结构。
它的特点是肩关节和肘关节的轴线不平行，形成一个倾斜角。
这种结构适合进行限定范围内的操作，通常用于需要更大的水平独立度。
4. 六自由度机械臂的应用六自由度机械臂广泛应用于许多领域，包括工业自动化、医疗手术、空间探索等。
下面将介绍六自由度机械臂在这些领域的应用示例。
4.1 工业自动化六自由度机械臂在工业自动化中可以实现精确的物体抓取、组装和搬运，提高生产效率和质量。
搬运机器人设计班级：姓名：学号：搬运机器人能够模仿人手部的部分动作，按照设定的程序、轨迹和要求，代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，实现一些人工不可能完成的工作，这不仅可以使人手避免出现可能的危险情况，保障生产安全，还能促进工作线的流水化，提高了工作效率，降低了劳动强度，改善了劳动环境，已经成为现代制造业中不可或缺的一种自动化装置。
本机器人用于生产线上工件的自动搬运，下图为机器人动作示意图，机械手按下述顺序周而复始地工作：根据对机器人的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图所示：一、搬运机械手总体结构设计（1）该机器人采用圆柱坐标型，具有三个自由度，即手臂的伸长、缩短，手臂的上升、下降和整体旋转。
（2）该机器人采用液压驱动，其具有体积小、质量轻、结构紧凑、传动平稳、操作简单、安全、经济、易于实现过载保护且液压元件能够自行润滑等一系列优点。
（3）在控制方式选择上，由于其功能只是在两个传送带之间搬移工件，运动简单，控制要求不高，因此采用点位控制方式。
（4）此搬运机器人是在两个工作台之间搬运工件，其动作比较简单，选用电位器进行定位。
（5）此机器人应用于自动生产线上，因此，它应该能够按照控制程序自动运行,即具有自动运行模式。
二、搬运机械手机械结构设计1、机身设计因为圆柱坐标式机器人把回转与升降两个自由度归属于机身，所以设计回转与升降机身，选用旋转液压缸与升降液压缸单独驱动的回转型机身，如图1所示，升降液压缸在上，旋转液压缸在下。
2、臂部设计采用双导向杆的臂部伸缩结构。
缸体直接固定在升降立柱上，活塞杆与两根导向杆连接一起组成伸缩臂，由于活塞杆与导向杆全部藏在缸体内，油管也从活塞杆内部通过，其特点是结构紧凑，外观整洁。
结构如图2所示。
3、手部腕部设计因为工件的形状为圆柱形，所以带“V”型钳口的手爪，本次设计的搬运机器人手爪采用滑槽杠杆式结构，夹紧缸采用单作用弹簧复位式结构，杠杆端部固定安装着圆柱销，当拉杆向上拉时，圆柱销就在两个钳爪的滑槽中移动，带动钳爪绕两支点回转，夹紧工件；拉杆向下推时，使钳爪松开工件。
目录第一章前言................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1 机器人技术概述………………............................................. 错误！未定义书签。
1.2国外机器人技术发展情况………………............................. 错误！未定义书签。
1.3 设计任务 (4)第二章总体设计 (5)2.1 整体分析 (5)2.2 各部分分析 (5)2.2.1 机械部分 (5)2.2.2 电气部分 (6)第三章机械结构设计 (7)3.1 底部设计 (7)3.2 臂部设计 (8)3.3 腕部设计 (8)3.4 手部设计 (8)第四章电气结构设计 (9)4.1 计算机与AT89S52通信 (9)4.2 AT89S52控制舵机 (10)第五章程序分析 (12)六自由度机械手设计第一章前言1.1 机器人技术概述机器人技术是现代机电一体化技术的最高成果，涉及诸多学科，是当代科学技术发展最为活跃的领域之一。
作为应用最为广泛的机器人技术产物，机械手在工业生产中的应用非常普遍。
近年来，由于劳动力成本上升等因素，我国许多企业已经开始将部分生产交给工业机器人处理，特别是在条件较为恶劣的环境，工业机器人发挥了稳定、高效、适应能力强的特点。
机器人技术是二十世纪的一项重要明，它的问世和应用在减轻劳动强度，提高生产率，把人从危险、恶劣环境下劳动替换出来等方面显示出极大的优越性；并且在宇宙、海洋开发及军事技术上具有重要的应用价值，对各类相关学科的发展也有很大的促进作用。
1.2 国外机器人技术发展情况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1.工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修)，而单机价格不断下降。
六自由度柔性机械手的结构设计毕业设计论文引言本毕业设计论文旨在探讨六自由度柔性机械手的结构设计。
柔性机械手在工业自动化领域有着广泛的应用前景，其灵活性和适应性使其能够完成复杂的任务。
本文将介绍柔性机械手的背景和相关研究，提出一种新的六自由度柔性机械手的结构设计方案，并进行仿真与实验验证。
背景柔性机械手是一种通过柔性结构实现运动的机械手。
与传统的刚性机械手相比，柔性机械手具有更高的自由度和更好的适应性。
柔性机械手可以在狭小空间内灵活操作，适应不规则工件的形状，并具有更好的安全性。
因此，柔性机械手在机械加工、装配和协作机器人等领域有着广泛的应用。
相关研究目前，针对柔性机械手的结构设计已经进行了一些研究。
其中，六自由度柔性机械手的设计更为复杂，在实际应用中具有重要意义。
已有的研究主要集中在柔性机械手的建模与控制算法上，而对于其结构设计方案的研究相对较少。
因此，本文将重点研究六自由度柔性机械手的结构设计。
结构设计方案本文提出了一种新的六自由度柔性机械手的结构设计方案。
该方案采用柔性片作为关节结构，通过调整柔性片的长度和角度来实现机械手的运动。
柔性片具有良好的柔韧性和变形性，能够适应不同运动和工件形状的要求。
通过合理设计柔性片的结构参数，可以实现机械手的精确运动和稳定性。
仿真与实验验证为了验证所提出的结构设计方案的可行性和有效性，本文进行了仿真与实验。
通过建立六自由度柔性机械手的数学模型，利用仿真软件进行运动分析和力学性能评估。
同时，设计制作实物样机，进行实验验证。
通过比较仿真和实验结果，验证了所提出结构设计方案的可行性和性能优势。
结论本毕业设计论文介绍了六自由度柔性机械手的结构设计。
通过提出一种新的结构设计方案，并进行仿真与实验验证，验证了该方案的可行性和性能优势。
该设计方案具有重要的实际应用价值，为柔性机械手的发展和应用提供了有益的参考。
参考文献- 参考文献1- 参考文献2- 参考文献3。
六自由度液压驱动机械手液压及电控系统设计摘要随着科技的不断发展和进步，液压系统在各种领域上得到了广泛的应用。
因为液压系统体积小、重量轻、精度高、响应速度快、驱动力大、调速范围宽、寿命长和易于安全保护等优势，液压系统必然成为工程机械、各种机床和国防尖端产品等领域的主流技术。
所以液压系统的研究和应用也将成为今后科学技术发展的趋势，并有很大的发展空间和需求。
对于六自由度水下机械手的技术分析和对于设计的要求，本文设计了一种液压驱动六自由度机械手的液压与控制系统。
设计时，必须从实际情况出发，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、修理和维护方便的液压传动系统。
本文介绍了国内外水下作业机械、水下作业系统、常用的水下机械手的发展现状，整理并总结了国内外水下机械手的发展状况，提出了水下搬运机械手运行的思路,设计出水下液压机械手的液压传动控制系统，并对主要的技术参数进行了计算和校核。
本论文主要完成了如下工作：（1）六自由度液压驱动机械手的液压系统总体方案的确定与分析设计。
（2）六自由度液压驱动机械手的液压及其电控系统的分析设计。
（3）六自由度液压驱动机械手控制阀箱单向阀、减压阀、液控单向阀和电磁换向阀等元件的选型及分析计算。
（4）液压控制阀箱结构设计及液压控制阀箱零部件及油路块装配体的三维建模及二维图绘制。
（5）PLC控制系统的机型选型及编程。
关键词：六自由度水下液压机械手控制系统第一章前言1.1 选题背景、研究意义选题背景人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。
另一个重要原因是，占地球表面积 49％的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。
但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。
因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。
水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是不言而喻的。
机电系统课程设计说明书六自由度机械手学院：农业工程与食品科学学院班级：农机0901小组人员：孙海舰邹杨指导老师：程卫东前言在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。
那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。
但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。
机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。
另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。
同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。
可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。
因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
前言 0一、方案设计 (2)二、结构设计 (2)三、电机的选择 (3)1.主回转轴电机的选用 (3)2、大臂摆动电机选用 (3)3、大臂转动电机选用 (4)4、小臂摆动电机的选择 (4)5、小臂转动电机选择 (5)四、功能分析 (5)五、基座旋转机构轴的设计及强度校核 (5)六、液压泵俯仰机构零件设计及强度校核 (9)七、左右摇摆机构设计及强度校核 (12)八、连腕部俯仰机构零件设计及强度校核 (15)九、旋转和夹紧的设计及强度校核 (21)1.机械手指部基座与回转体的螺栓连接 (21)2．机械手指部设计及夹紧力计算 (24)十、机构各自由度的连接过程 (25)十一、设计特色 (28)十二、心得体会 (28)一、方案设计方案一：机械手采用气动控制，气压传动，其优点：1）以空气为工作介质，来源放不安，且用后可直接排入大气而不污染环境。
（完整版）六⾃由度机械⼿⽬录摘要 (2)第⼀章绪论 (3)1.1. ⼯业机器⼈概述 (3)1.2机械⼿的组成和分类 (4)1.2.1. 机械⼿的组成 (4)1.2.2. 机械⼿的分类 (5)第⼆章机械⼿的设计⽅案 (7)2.1 机械⼿的“坐标形式”与“⾃由度” (7)2.2 机械⼿的主要参数 (8)第三章⼿部结构的设计 (9)3.1 末端执⾏器的设计 (9)3.1.1蜗杆蜗轮型号选择 (10)3.1.2 驱动电机型号选择 (10)3.1.3联轴器的选择 (11)3.2 ⼿腕回转装置设计 (11)3.2.1 驱动电机的选择 (12)3.2.2 锥齿轮的设计 (13)第四章腕部结构设计 (16)4.1 腕部俯仰结构设计 (16)4.1.1 驱动电机的选择 (16)4.1.2 内啮合齿轮的设计 (17)4.2 ⼿腕左右摆动结构设计 (18)第五章肘部与肩部的设计 (19)5.1 肘部结构设计 (19)5.1.1 驱动电机的选择 (20)5.1.2内啮合齿轮的设计 (21)5.2 肩部结构设计 (22)5.2.1驱动电机的选择 (22)5.2.2 锥齿轮的设计 (23)第六章底座的设计 (23)6.1 驱动电机的选择 (24)6.2 蜗轮蜗杆的选择 (24)第七章：ADAMS 模型的建⽴与仿真 (25)7.1 ⼿部模型的建⽴ (25)致谢 (29)参考⽂献 (29)摘要本次所设计的作品是“六⾃由度机械⼿”。
六⾃由度即：腰部回转、肩部摆动、肘部摆动、腕部左右摆、腕部俯仰摆和腕部回转，最终实现“末端执⾏器”的夹持动作。
⽅案⼀：所有传动均选⽤“齿轮传动”或者“蜗轮蜗杆传动”。
总共需要7个伺服电机来驱动。
⾸先，腰部电机主轴通过联轴器与蜗杆连接，蜗杆旋转带动蜗轮回转，从⽽蜗轮再带动底座实现360度回转。
其次，肩部电机主轴通过联轴器与⼀个锥形齿轮连接，带动另外⼀个锥形齿轮进⾏双向旋转，从⽽实现肩部带动上臂的摆动动作。
机械设计课程设计说明书六自由度机械手上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化设计者：李晶（52）李然（16）潘楷（45）彭敏勤（47）童幸（49）指导老师: 高雪官前言在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。
那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。
但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。
机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。
另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。
同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。
可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。
因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录一.设计要求和功能分析 4二.基座旋转机构轴的设计及强度校核 5三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核8四.左右摇摆机构零件设计和强度校核11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核19七.机构各自由度的连接过程25八.设计特色28九.心得体会28十.参考文献30十一.任务分工31十二.附录（零件及装配图）31设计要求该机械臂用于物流生产线上物品的抓取和易位。
整个机械臂安装在一个回转支座上，回转角度范围为360度；小臂相对于大臂可摆动，摆动范围为60-120度；小臂末端的手腕也可以摆动，摆动范围为-60度到+60度；手腕的末端安装一机械手，机械手具有开闭能力，用于直径30-45mm工件的抓取，工件长度350mm，重量8kg。
功能分析系统共有6个自由度，分别是夹紧、旋转、俯仰（1）、左右摇摆、俯仰（2）及基座的回转。
总717期第十九期2020年7月河南科技Henan Science and Technology六自由度生活搬运机器人设计徐润芳王玉勤张博文罗韬（巢湖学院机械工程学院，安徽巢湖238000）摘要：为提高搬运物体的便利性和智能化，本文设计了一种六自由度生活搬运机器人。
在原有搬运机器人机械臂配置的基础上，融合了更具创新性和应用性的功能模块。
所设计的六自由度机械臂集成了多项创新性技术，将大大提高物品的搬运效率，改善人们的生活品质。
关键词：六自由度生活搬运机器人；驱动装置；移动装置；识别装置中图分类号：TP242.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）19-0008-02 Design of Six Degrees of Freedom Life Handling RobotXU Runfang WANG Yuqin ZHANG Bowen LUO Tao（School of Mechanical Engineering,Chaohu University，Chaohu Anhui238000）Abstract:In order to improve the convenience and intelligence of moving objects,this paper designed a six DOF life moving robot.On the basis of the original manipulator configuration of the handling robot,more innovative and appli⁃cable functional modules were integrated.The six degree of freedom manipulator integrates many innovative technolo⁃gies,which will greatly improve the efficiency of goods handling and improve people's quality of life. Keywords:six degree of freedom life carrying robot；driving device；mobile device；recognition device生活中，经常会遇到需要搬运重物但力量不够的情况，尤其是对于老弱病残群体，由于身体不便，在拿取物品时异常吃力。
六自由度机器人结构设计、 运动学分析及仿真 学 科：机电一体化 姓 名： 袁杰 指导老师：鹿毅 答辩日期： 2012.6 摘要 近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获 得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此 研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义 的。 典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在 生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项 目的要求，设计了一种小型的、固定在AGV 上以实现移动的六自由度串联机器人。 首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择 其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D-H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解；用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析，作出了实际工作空间的轴剖面。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。最后用ADAMS 软件进行了机器人手臂的运动学仿 真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了 经验。 第1 章绪论 1.1 我国机器人研究现状 机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动 作业任务的机械装置。 机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及 人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。 我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993 年研制的喷涂机器人，1995 年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m 机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000 年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。 我国目前拥有机器人 4000 台左右，主要在工业发达地区应用，而全 世界应用机器人数量为83 万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家。在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距。 1.2 工业机器人概述： 在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人一般指在工厂车间 环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。工业机器人的定义为：“一种自动定位控制、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。” 操作机定义为：“具有和人的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。” 一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系 统、传感系统、通讯接口等几部分组成。一般多自由度串联机器人具有4～6 个自由度，其中2～3 个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余2～3 个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。 1.3 研究课题的提出 本研究课题是根据省教育厅《物流机器人操作研究与开发》课题的 需要而提出的。工业机器人在FMS 中的一种典型应用如图1-1 所示。
湖南科技大学毕业设计（论文）题目六自由度工业机器人结构设计作者学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学号指导教师二〇一五年五月三十日湖南科技大学毕业设计（论文）任务书机电工程学院院机械设计制造及其自动化系（教研室）系（教研室）主任:（签名）年月日学生姓名: 学号: 专业: 机械设计制造及其自动化1 设计（论文）题目及专题：六自由度工业机器人结构设计2 学生设计（论文）时间：自 2015 年3 月 1 日开始至 2015 年 5 月 29 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：《工业机器人》、《机器人学》、《机器人运动学基础》、《Solidworks2013从入门到精通》4 设计（论文）应完成的主要内容：（1）介绍工业机器人的发展现状及前景；（2）工业机器人工作空间计算和简单的运动学分析；（3）工业机器人结构设计及关键零部件计算；（4）对关键零部件进行强度校核。
5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：（1）相关的计算、设计框图及仿真图；（2）论文不少于35页；（3）说明书中必须有与设计（论文）内容或专业相关的不少于1500字的外文资料翻译。
6 发题时间： 2015 年 3 月 1 日指导教师：学生：湖南科技大学毕业设计（论文）指导人评语[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]全套图纸，加153893706指导人：（签名）年月日指导人评定成绩：湖南科技大学毕业设计（论文）评阅人评语[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]评阅人：（签名）年月日评阅人评定成绩：湖南科技大学毕业设计（论文）答辩记录日期：学生：学号：班级：题目：提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]答辩委员会主任：（签名）委员：（签名）（签名）（签名）（签名）答辩成绩：总评成绩：摘要六自由度工业机器人是一种高精度的自动化机械，具有高度的灵活性以及平稳性。
2. 六自由度搬运机械手的结构设计 根据机械手的基本要求能快速、准确地拾起-放下搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任一位置都能自动定位等特征。设计原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺、并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对该机械手结构和运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转接和编程控制。本课题设计的是一种小型的多关节式六自由度机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件实现抓取、搬运等一些列动作。 2.1 六自由度搬运机械手的功能分析 该机械手系统共有6个自由度，分别为肩的回转与曲摆，大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转。 该系统中基座固定，与基座相连的肩可以进行360度的回转；与肩相连接的大臂可以进行-90～+90度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进行-90～+90度曲摆，大臂和小臂动作幅度较大，可以满足俯仰要求。手腕可以进行360度的旋转，手腕也可以完成-90～+90度的曲摆，末端的手爪部分可以-90～+90度夹持，手爪部分通过一对齿轮的啮合转动，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。 通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并一直重复进行下去！ 2.2 六自由度搬运机械手的坐标形式和自由度
2.2.1 六自由度搬运机械手的坐标形式 按机械手手臂的不同运动形式及组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。 （1）直角坐标式机械手 直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按照直角坐标形式x、y、z三个方向的直线运动，其工作范围可以是1个直线运动、2个直线运动或3个直线运动。如在x、y、z三个直线运动方向上各有A、B、C 3个回转运动，即构成了6个自由度。如图2-1所示，直角式坐标机械手具有以下优点： ①产量大、节拍短，能满足高速的要求。 ②容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合。 ③适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易改变。 ④定位精度高，可以达到±0.5mm以下，载重变化时不会影响精度。 ⑤易于实行数控，可于开环或闭环数控机械配合使用。 但是，直角坐标式机械手也有自身的缺点，这种机械手作业范围较小
图2-1 直角式坐标机械手 （2）圆柱坐标式机械手 圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好、结构简单、本体占用空间较小的特点。其动作范围可以分为：一个旋转运动、一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，如上图2-2所示： 图2-2 圆柱直角坐标式机械手 ① 圆柱坐标式机械手的基本动作 A. 手臂水平回转。 B. 手臂伸缩。 C. 手臂上下。 D. 手臂回转运动。 E. 手爪夹紧动作。 ② 圆柱坐标式机械手的特征 圆柱坐标式机械手的特征是垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可以做上下直线运动（z）和水平面内做圆弧状的左右摆动（Φ）。 （3）球坐标式机械手 球坐标式机械手是一种自由度较多、用途较广的机械手。它是由x、θ、Φ3个方面的运动组成，如下图2-3所示：
图2-3 球坐标式机械手 图中：X—手臂伸缩 θ—上下俯仰 Φ—水平旋转 θ1—手腕摆动 ω—手腕旋转 球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动、两个旋转运动、两个旋转运动加一个直线运动。 ① 球坐标式机械手的基本动作 A.手臂上下运动，即俯仰运动。 B.手臂左右运动，即回转运动。 C.手臂前后运动，即伸缩运动。 D.手腕上下弯曲。 E.手腕左右摆动。 F.手腕旋转运动。 G.手爪夹紧运动。 H.机械手整体移动。 ② 球坐标机械手的特点 球坐标机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧上下俯仰运动，它的臂可以伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人手的动作相似。它的特点是能自动选择最合理的动作线路，所以工效高。另外，由于上下摆动，它的相对体积小。而动作范围大。以行程为203mm的工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到2450mm。若采用圆柱坐标式则其高度就要达到2450mm。球坐标式机械手作业范围可以达到9m3，较其他形式约大3～5倍。 （4）关节式机械手 关节式机械手是一种适合于靠近机体操作的传动形式。它像人手一样有关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适合于窄空间工作。早在20实际40年代，关节式机械手就在原子能工业中得到应用，随后又应用于海洋开发，有一定的发展前途。 关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动，见下图2-4所示： 图2-4 关节式机械手 关节式机械手具有上肢结构，可以实现近似人手操作的机能，表2-1为关节式机械手与人体上肢动作角度对比： 表2-1： 关节式机械手与人体上肢动作角度对比 肩旋转 上臂曲摆 下臂曲摆 下臂旋转 手腕曲摆 手臂曲摆 手旋转
人体上肢 ±800 ±900 0～-1300 -450～+650 -600～+900 -600～+900 — 关节式机械手 ±1800 ±900 ±900 ±1800 ±800 — ±1800
为具有人手操作的机能，需要研制最合适的结构。关节式机械手的传动机构采用齿轮式、齿条式和摆动式。其传动机构采用哪一种形式，主要根据工件的轻重来决定。特别是靠近关节式前端的关节部位的重量对肩部影响很大。传动机构在承受负荷的同时必须承受自重，因此要合理进行其结构设计。 通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。人从手指到肩部共有27个自由度。而如将机械手的手臂也制成这样多的自由度，既有困难又不必要。从力学的角度分析，物件在空间只有6个自由度。因此为抓取和传送在空间不同位置和方位的物件，传送机构应具有6个自由度，三个沿x、y、z坐标轴的移动和三个沿x、y、z轴的转动。 2.2.2 六自由度搬运机械手的自由度 自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上说具有的独立运动数。它的构成和工作范围概括如下： （1）一个自由度 A.一个直线运动，构成直线。 B.一个旋转运动，构成曲线。 （2）两个自由度 A.两个直线运动，构成平面。 B.一个直线运动加一个在直线运动所在平面的旋转运动，构成平面。 C.一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，构成圆柱曲面。 （3）三个自由度 A.三个直线运动，构成立方体。 B.两个直线运动和一个旋转运动，构成圆柱体。 C.一个直线运动和两个旋转运动构成球体。 D.三个旋转运动，构成球体。 有上述可见，要达到空间任意一点，原则上需要3个运动轴，而把一件工具送到相应工件的一定位置时又需要3个运动轴。因此，一台通用机械手能够达到空间任意点，并将工具送到相对于工件的任意位置，最低限度需要6个运动轴，其中位置自由度为3个，姿态自由度为3个。 综合考虑，本课题设计采用多自由度关节式形式。相应的机械手具有6个自由度，包括：1.肩的旋转 2.大臂的曲摆 3.小臂的曲摆 4.手腕的曲摆 5.手腕的旋转 6.手部的夹持。其整体结构简图，如下图2-5所示： 图2-5 关节式机械手结构简图
2.3 六自由度搬运机械手的手臂结构设计
2.3.1 六自由度搬运机械手的手臂作用 手臂一般有三个运动，包括伸缩、旋转和升降，实现旋转、升降运动主要由横臂和立柱完成。手臂的基本作用是将手爪移动到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂自身的重量。 2.3.2 六自由度搬运机械手的手臂组成 （1）运动元件，如：油缸、气缸、齿条、凸轮等是驱动手臂的主要运动部件。 （2）导向装置，是保证手臂运动的正确方向及承受由于工件的重量说产生的弯矩和扭矩的力矩。 （3）手臂，起着承接外力和连接的作用，手臂上的零部件，如：油缸、导向杆、控制件都安装在手臂上。 2.3.3 六自由度搬运机械手的手臂设计要求 （1）该系统中手臂应承受能力较大，刚性好，自重轻 手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件的平稳性，运动的速度和定位精度。如果刚性差，则会引起手臂在垂直平面内弯曲变形或水平面内的扭转变形，手臂就会产生振动，或工作时工件卡死无法工作。因此，手臂一般都采用硬度高的材质来加大手臂的刚度，各支撑、连接件的刚性也有一定的要求，以保证能承受所需的驱动力。 （2）手臂的运动速度要适当，惯性要小 机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要决定的，但是不要盲目追求高速。手臂由静止状态到达正常运动速度称为启动，由常速到停止不动为制动，其速度变化过程为速度特征曲线。手臂要满足自重轻，自身的惯性矩小，其启动和停止的平稳性就好。 （3）手臂动作要灵活 手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。此外，对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降和支撑中心的偏重力矩。偏重力矩对对手臂的运动不利，偏重力矩过大，会引起手臂的震动，在升降时还会发生一种沉头现象，会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计中要尽量使手臂重心通过回转中心，或者离回转中心尽量接近，以减小偏重力矩。对于双臂同时操作的机械，则应使两臂的分布尽量对称于中心，以达平衡。 （4）通用性强，能够适应多种作业；工艺性好，便于维修调整 以上的种种要求，有时往往相互矛盾，刚性好、载重大，结构往往粗大，增加手臂自重；转动惯量增加，冲击力就大，位置精度就越低。因此，设计手臂时，需要根据机械手抓取速度、自身重量、抓取重量、自由度、工作范围及机械手的整体布局和工作条件等各种因素考虑，以达到动作精准、可靠、灵活、结构紧凑、刚度大、自重小，从而保证一定的位置精度和适应快速动作。此外，对于热加工的机械手，还要考虑热辐射、手臂要较长，远离热源，并须装冷却装置。 综合考虑，确定其大臂和小臂三维模型如下图2-6所示：
