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![毕业设计(论文)-五自由度桁架机器人的机械结构设计[管理资料]](https://uimg.taocdn.com/4eb3c31c4afe04a1b171def5.webp)
目录1 绪论 0 0 (1) (1) (1) (1)本文研究主要内容 (2)2 机器人机构总体方案设计 (3) (3) (3) (3) (5) (5) (5)工作范围（工作半径） (6)桁架机器人材料的选择 (6) (7) (7)机构整体设计 (8)3 桁架机器人气爪结构设计 (9) (9) (10) (11) (13) (16)直线滚动导轨副的计算、选择 (27) (29) (29) (32) (33)总结 (44)致谢 (45)参考文献 (46)全套设计请加197216396或401339828机器人是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。
采用机器人是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，减轻劳动强度的一种有效手段。
它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。
机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。
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，采用机器人是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
本课题的主要内容是采用机器人代替人来进行抓取作业，机器人可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。
结合设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题。
并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。
尽力使机器人使用方便，结构简单。
关键词：机器人；结构设计；步进电机；回转1 绪论随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。
它体现了光机电一体化技术的最新成就，机器人作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。
在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机器人的身影。
机器人产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机器人正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。
毕业设计五自由度移动机械手设计姓名： XXXXXX 学号： XXXXXX班级： XXXXXXXXXXXX专业：机械工程及自动化（数控技术方向）所在系： XXXXXXXXXX 指导老师： XXXXXX五自由度移动机械手设计摘要本课题来源于现实生活。
近现代以来，机器人领域发生着翻天覆地的变化，尤其在各工业生产制造行业的今天，它变得越来越智能、普及、常见化、平民化，在其他行业它的发展带动了各个领域的发展，对经济的提高带来显著作用。
机械手是机器人领域的一个组成部分，研究更为先进智能等优良性能的机械手具有重大意义。
当下对机器人领域研究提出了新一代的技术要求：包括性能、质量、生产效率、工作条件以及后期的产品换代升级等方面。
要求机械手在原代替工人繁重体力劳动和有害环境下操作的基础上，实现生产的机械化、自动化、精密化和产量化，具有节能环保，使用寿命长，外形设计美观合理和能后续产品质量升级换代的特点，并广泛应用于机械制造、冶金、电子、医疗和能源等领域。
此次设计主要研究五自由度机械手的主体结构部分（包括底座、腰部、大臂、小臂、手腕及末端执行结构），其主要通过腰部360度回转、大臂的俯仰，小臂的前后摆动，手腕360回转，末端执行器的摆动来实现空间中的五个自由度的运动。
关键词：五自由度；机械手；结构方向；研究价值Mechanical Structure Design for A 5-Degree of Freedom MobileManipulatorABSTRACTThis is based on the production practice. In modern times, with the changes in turn the world upside down the field of robotics, more and more intelligent, popular, common, popular in the industrial manufacturing industry, other industries in the development of various fields, have significant effect on economic increase. Manipulator is a part of the field of robotics, it is very important to study the mechanical hand is more excellent performance of advanced intelligence. The proposed requirements of a new generation of technology in robot research field: including performance, quality, production efficiency, working conditions and the product upgrading. The basic requirements of manipulator in the original place of workers heavy manual labor and hazardous environment, achieve the production mechanization, automation, precision and production, energy saving and environmental protection, the service life is long, the characteristics of the upgrading of aesthetic design is reasonable and can follow the product quality, and is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, health care and energy field.The design of the main body structure of manipulator with five degree of freedom (the base part, waist, arm, wrist, arm and end effector structure), mainly through the waist turning, pitching arm, small arm and wrist rotation, swing, swing the end effector to realize five degrees of freedom of movement in space.Key Word：Five degree of freedom；Robot；Structure direction；The value of search目录第一章绪论 (1)1.1 课题研究的意义 (1)1.2 机械手发展史及发展现状 (1)1.3 产品用途与使用范围 (2)1.4 本次毕业设计的主要内容 (2)第二章五自由度移动机械手总体方案设计 (4)2.1 移动机械手的结构形式选择 (4)2.2 机械手驱动方式选择 (6)2.3机械手结构总体布局 (7)第三章机械手工程图的设计及计算 (8)3.1 主要技术参数的确定 (8)3.1.1机械总体结构参数确定 (8)3.1.2直流伺服电机的选择 (8)3.2机械手各关节的部件的详细设计 (10)3.2.1腰部关节设计 (11)3.2.2大臂摆动关节设计 (13)3.2.3小臂摆动关节设计 (14)3.2.4手腕旋转关节设计 (15)3.2.5执行器摆动关节设计 (16)3.2.6机械手各臂及支座的结构设计 (16)3.2.7重要零件的受力分析与校核计算 (18)第四章基于Pro/ENGINEER的模型建立与运动分析 (22)4.1机械手各部件静态模型的建立 (22)4.2移动机械手的运动分析 (25)4.2.1连杆参数及连杆坐标系的建立 (25)4.2.2运动学方程式推导 (28)总结 (30)参考文献 (31)致谢 (33)第一章绪论1.1 课题研究的意义21世纪是知识的世界，也是科学技术的世界，谁掌握了科技的前沿方向，谁就能把握主导权，引领世界潮流，发展经济，带动各行各业的发展。
五自由度桌面级多功能机械臂设计多功能机械臂是一种能够完成多种任务的机械装置，可以在工业生产线上进行物料搬运、装配、焊接等工作。
为了能够满足不同的应用需求，传统的机械臂设计通常采用六自由度结构，即具有六个独立驱动轴。
随着人工智能和机器学习的发展，对机械臂的要求越来越高，例如执行精确的操作、完成复杂的任务等。
提出了五自由度桌面级多功能机械臂设计的概念。
五自由度桌面级多功能机械臂设计的首要目标是实现紧凑的结构和高精度的控制。
在结构设计上，可以采用轻量化的材料和紧凑的机构布局，以减少整体尺寸和重量。
五个自由度分别包括三个旋转关节和两个平移关节，旋转关节和平移关节可以通过电机驱动和传动装置实现运动。
通过合理的结构设计，可以最大程度地减小机械臂的体积和质量，并且提高机械臂的刚度和稳定性。
在控制系统设计上，可以采用先进的传感器技术和自适应控制算法，以实现高精度的位置控制和力控制。
可以在机械臂的末端装配视觉传感器和力传感器，通过对工作环境的感知和力量反馈，实现对机械臂运动的精确控制。
还可以使用机器学习算法对机械臂进行学习和优化，以适应复杂的工作场景和环境变化。
五自由度桌面级多功能机械臂的设计还应考虑到安全性和人机交互性。
在安全性方面，可以在机械臂的关节和末端装配接近传感器和碰撞检测装置，以及相应的自动停机装置，以确保机械臂在遇到障碍物或危险情况时能够自动停止运动。
在人机交互性方面，可以通过触摸屏等人机界面，实现对机械臂的简单和直观的操作。
五自由度桌面级多功能机械臂设计是一种结合了先进的结构设计、控制系统和人机交互技术的机械臂设计方法。
通过合理的结构设计和精确的控制系统，可以实现高精度、高效率和高可靠性的工作。
还可以根据实际应用需求，对机械臂进行模块化设计和定制化开发，以满足不同行业和领域的需求。
五自由度康复机械手臂的设计探讨摘要：本文基于上肢康复设备与治疗分析，设计了一种比较实用的五自由度康复机械手臂，指出了其工作原理，探讨了其运动特性，验算了其主要部件的承载能力，最后设计选择了其驱动系统。
关键词：上肢康复；机械手臂；设计医用机器人往往是融合了诸多学科的最新研究成果，被广泛应用在康复、医学医疗等医学领域。
其中一项重要应用即恢复因多因素所造成的四肢功能性障碍，使那些遭受四肢残障的患者，在运用各种康复设备的支撑与辅助下，尽早康复。
本文结合上肢康复问题，运用各种康复医学知识，设计了一种以肌电信号控制为基础的五自由度康复机械手臂。
1.提出问题康复机械手臂与工业机器人的手臂存在着较大差异，两者在部分方面尽管有着一些共性，如均用于完成指定的动作，以及均借助外在动力对机构进行驱动等，但对于前者而言，其设计日渐复杂，因而在设计工业机器人的机械手臂时，可把驱动机构置入机械手臂内，且其基体部分的刚性体比较简单，仅起到支撑机械手臂的效果。
而对于康复机械手臂来讲，其则为“穿”在人体上肢上，其内部为空心；在设计运动轨迹时，不能人体与刚性机械部分造成干涉；而对于驱动系统来讲，则尽量置于肢体的外侧；康复机械手臂的重量应越小越好，以此来最大程度减轻自身对身体的重负。
由此可知，康复机械手臂乃是矫形器与机器人技术的共生产物。
在设计机械本体时，还需要将其舒适性考虑在内。
其一为机械机体与上肢之间的完美匹配，其二是以人机工程学为基础的舒适性。
针对前者来讲，其要求禁止比较坚硬的机械机体接触上肢的软组织，在二者结合位置处，专门设置软垫；将机械机体质量考虑在内，为了防止康复治疗过程中质量均压于一个肩上，需要根据实际需要，设计背负机构，以此达到减轻其重量的目的。
而对于后者来讲，其注重的是把人与及其紧密融合在其一，形成先进的人机系统，也就是将人当作整个系统当中的重要构成，将环境、机、人当作一个统一系统来开展设计，其最终目标是使最终设计的产品在实际使用时，可以不对人体健康造成危害，进而更加省力、方便且舒适的为治疗提供服务。
五自由度桌面级多功能机械臂设计
首先，根据机械臂的应用场景和功能要求，设计出符合实际需求的桌面级多功能机械
臂结构。
机械臂由五个自由度构成，由底座、第一臂段、第二臂段、第三臂段和末端执行
器组成。
机械臂的底座为圆形结构，支架采用四分之一弧形分布，底盘结构采用角隅喷锡，漆面光滑。
其次，机械臂关节间的运动需精密匹配，因此关节的结构设计和传动方式至关重要。
机械臂采用直线导轨、直线滑块和吸盘负压结构组成，并配有电机和齿轮传动机构，保证
机械臂动作的精度和稳定性。
可对第三臂段进行旋转运动，以实现更加灵活的抓取和操
作。
再次，机械臂末端执行器是机械臂最关键的组成部分，其设计也决定了机械臂的功能
和适用性。
机械臂末端执行器采用灵活扫描夹爪结构，可以自由旋转并采用吸盘负压结构
抓取物品，可用于实现物品的抓取、搬运和组装等多种功能。
最后，为了提高机械臂的智能化和人机交互能力，机械臂还配备了专用的控制系统和
人机界面。
控制系统采用单片机和传感器等多种技术和元器件，实现了对机械臂的精确控
制和运动规划。
人机界面则采用触摸屏和语音识别系统，方便用户进行指令输入和系统操作。
综上所述，五自由度桌面级多功能机械臂设计涉及到多个方面，需要在结构设计、关
节传动、末端执行器、控制系统和人机界面等方面进行综合考虑和优化设计。
未来，随着
机械臂技术的不断改进和完善，相信桌面级多功能机械臂的应用前景将更加广阔。
Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2014, 3, 178-184Published Online December 2014 in Hans. /journal/met/10.12677/met.2014.34024Design of 5-DOF Manipulator Based onPMAC Motion ControllerJinwei Fan, Yijia Liu, Ling Chen, Xiaolong YiCollege of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology,BeijingEmail: jwfan@, 413087669@, 510023302@, 976100353@Received: Oct. 27th, 2014; revised: Nov. 20th, 2014; accepted: Nov. 29th, 2014Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractFor this step to put the bolt in specified location in the factory, we design 5-DOF manipulator, in-cluding the hardware architecture, software architecture and control system, and the hardware structure of the control system which based on PMAC motion controller. PC system management software is designed by the VC++ platform and the next crew PMAC implements various joint posi-tion servo control, which meet the good efficiency; smooth operation; high reliability; high accu-racy requirements; and a good openess and scalability.Keywords5-DOF Manipulator, Precision, Control System, PMAC基于PMAC的5自由度机械手的设计范晋伟，刘益嘉，陈玲，伊晓龙北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京Email: jwfan@, 413087669@, 510023302@, 976100353@收稿日期：2014年10月27日；修回日期：2014年11月20日；录用日期：2014年11月29日摘要针对于工厂中安放螺栓工步的特征，本文设计了5自由度机械手，并构建了机械结构，硬件结构，软件基于PMAC的5自由度机械手的设计结构和控制系统。
1 绪论1.1 工业机器人简介]1[早在20世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手。
1913年美国福特汽车工业公司安装了第一条汽车零件加工自动线，为了解决自动线、自动机的上下料与工件的传送，采用了专用机械手代替人工上下料及传送工件。
可见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。
“工业机器人”这种自动化装置出现的比较晚。
但是自从世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。
机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。
本课题所指的工业机器人，或称机器人操作臂、机器人臂、机械手等。
从外形来看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。
这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸，上臂和下臂，工业机器人的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。
操作臂的前端装有末端执行器或相应的工具，也常称为手或手爪。
手爪是由两个或多个手指所组成，手指可以“开”与“合”，实现抓去动作和细微操作。
手臂的动作幅度一般较大，通常实现宏观操作。
工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。
主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。
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；圆柱坐标型工业机器人示意图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。
由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。
在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。
液压传动自动上料机械手结构设计液压传动自动上料机械手是一种用于工业生产线的自动化机器人，用于将原材料或零件从一个位置移动到另一个位置。
液压传动自动上料机械手具有强大的承载能力、高速运动和高精度定位的优点，适用于重型工件的搬运和装配。
下面将分析液压传动自动上料机械手的结构设计。
1.机械手的框架结构：2.液压系统：液压传动是液压传动自动上料机械手的核心部分。
液压系统由液压泵、液压缸、液压阀门等组成。
通过液压泵提供的压力，液压缸可以实现各种动作，例如伸缩、旋转、举升等。
液压阀门控制液压传动系统的流量和压力，实现机械手的各种动作和操作。
3.机械手臂的设计：机械手臂是液压传动自动上料机械手的关键组成部分。
机械手臂通常由多个关节连接而成，可以实现多自由度的运动。
机械手臂的关节通过液压缸驱动，使机械手能够完成各种复杂的动作和任务。
机械手臂材质需要具有足够的强度和刚度，同时要求尽量轻量化，以减少能量消耗和摩擦损失。
4.末端执行器的设计：末端执行器是液压传动自动上料机械手的末端装置，用于抓取、搬运或装配工件。
末端执行器通常由夹具、卡盘或吸盘等组成，具有可调节的抓取力和灵活的动作。
末端执行器需要与机械手臂的关节连接，同时能够快速、稳定地完成工件的抓取和释放。
5.控制系统：液压传动自动上料机械手的控制系统由电气控制和液压控制两部分组成。
电气控制系统包含传感器、电机、编码器和控制器等，用于实时监测和控制机械手的运动和状态。
液压控制系统包含液压泵、液压缸、液压阀门等，用于控制机械手的动作和操作。
综上所述，液压传动自动上料机械手的结构设计涉及框架结构、液压系统、机械手臂、末端执行器和控制系统等多个方面。
合理的结构设计可以提高机械手的稳定性、精度和可靠性，从而提高生产效率和产品质量。
圆柱坐标式五自由度机械手引言机器人技术在现代工业中起着至关重要的作用，机械手是机器人中的一种重要设备。
圆柱坐标式五自由度机械手是一种常见的机械手，具有广泛的应用场景。
本文将介绍圆柱坐标式五自由度机械手的基本原理、结构和应用。
基本原理圆柱坐标式五自由度机械手由机座、大臂、小臂、手腕和末端执行器组成。
它的运动原理基于圆柱坐标系，通过控制各个关节的角度来实现机械手在三维空间中的运动。
圆柱坐标式五自由度机械手的自由度主要包括转动自由度和平移自由度。
其中，转动自由度是指机械手各个关节绕自身轴线的旋转，而平移自由度是指机械手在空间中沿某一方向的平移。
结构设计圆柱坐标式五自由度机械手的结构设计需要考虑机械手的稳定性、刚性和灵活性。
通常采用铝合金材料制作机械手的关节和支撑部件，以提高机械手的刚性和稳定性。
机座是机械手的基座，用于固定机械手的各个关节和支撑结构。
大臂和小臂是机械手中两个主要的部件，通过转动关节和平移关节连接在一起。
手腕是机械手的关键部件，它通过转动关节和滑动关节实现机械手的姿态调整。
最后，末端执行器是机械手的工作部件，可以根据具体需求设计为夹持器、吸盘或其他形式。
应用领域圆柱坐标式五自由度机械手具有广泛的应用领域。
其中，最常见的应用是在工业生产线上进行装配、搬运和焊接等工作。
机械手能够高效、准确地完成重复性工作，提高生产线的效率和质量。
此外，圆柱坐标式五自由度机械手还可以应用于医疗领域，例如用于手术辅助、药品分装和病人护理等。
机械手可以实现精确的操作，并减少医护人员的劳动强度。
另外，圆柱坐标式五自由度机械手还可以应用于科学研究领域。
例如，在物理学中，机械手可以用于进行实验样品的处理和测量。
在天文学中，机械手可以用于望远镜的定位和操作。
总结圆柱坐标式五自由度机械手是一种常见的机械手，通过控制各个关节的角度和平移来实现在三维空间中的运动。
它具有稳定性、刚性和灵活性，并在工业生产、医疗护理和科学研究等领域有着广泛的应用。
五自由度机械臂设计摘要本设计主要介绍关于工业机器人的一些知识和原理，包括工业机器人的组成、分类、主要技术性能参数和工业机器人的运动分析。
本设计的总体内容是根据移动机构的移动能力指标，比较现有移动机构的性能特点，确定移动机构的最佳移动方式；设计一个五自由度关节式机械臂，确定五自由度工业机器人的主要技术参数和传动关系，并通过对工业机器人的动力计算为各部位选择合适的驱动电机；确定五自由度工业机器人设计计算机控制系统方案以及为所设计的五自由度工业机器人进行Pro/E建模。
本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合设计的要求，并参考通用型机器人的结构，进行五自由度工业机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。
本文所设计的机械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座组成，同时用Pro/E对其进行了三维建模，可用于搜索、抓取水下管件、缆线等细长物体，也可用于抓取其它形状的物体，具有一定的通用性。
机器人能自动控制，多功能，有五个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
关键词五自由度；工业机器人；三维建模The Design Of Five Degrees Of Freedom OfRbotic ArmAbstractThis design focuses on some knowledge and principles of industrial robots, including the composition of industrial robots, classification, the main technical performance parameters and the motion analysis of industrial robots. The overall content of this design is the ability to move of the moving mechanism based on indicators, comparing the performance characteristics of existing mobile mechanism, to determine the optimal movement mechanism moves; design a joint manipulator of five degrees, to determine five degrees of freedom of an industrial robot main technical parameters and transmission relations and through various parts of the dynamic calculation of industrial robots to choosing the right drive motor; identified the computer control system programs of the design of five degrees of freedom of industrial robots, as well as build a Pro / E model of the design of five degrees of freedom of industrial robots. The authors in reference to large number of documents on the basis,combination of design requirements, and with reference to the structure of general-purpose robot for five degrees of freedom industrial robot design and design the computer control system. The robotic arm of this article is designed mainly by gripper, wrist, forearm, arm and base composition, while using the Pro / E computer program be a three-dimensional modeling,the robotic arm can be used to search for, capture pipe fittings underwater, cables, and other fine or long objects, it can also be other shapes objects for gripping, a certain versatility. Robot can automatically control, multi-functional, there are five degrees of freedom,it can be fixed or moving, for the related automation systems.Keywords Five degrees of freedom；Industrial robot；3D modelling目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 工业机器人的组成 (2)1.3 工业机器人的分类 (2)1.4 工业机器人主要技术性能参数 (3)1.5 课题的总体内容 (4)1.6 本章小结 (4)第2章机械臂的结构设计 (5)2.1 五自由度工业机器人的主要参数 (5)2.2 五自由度工业机器人结构 (5)2.3 五自由度工业机器人的动力计算 (6)2.4 本章小结 (15)第3章机械臂的Pro/E建模 (16)3.1 创建零件 (16)3.2 装配 (18)3.3 制作装配动画 (19)3.4 本章小结 (21)结论 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录A (25)附录B (29)第1章绪论1.1课题背景机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。
1绪论工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，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。
国际标准化组织(ISO)在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务”。
随着科学和技术的不断发展，在过去的几个世纪里，人类在许多方面都取得了重大的进展。
机器人技术作为人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了短短的40年，已取得长足的进步。
工业机器人在经历了诞生、成长、成熟期后，已成为制造业中必不可少的核心装备，而且工业机器人不仅在工厂里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透。
据联合国经济委员会和国际机器人联合会去年关于世界机器人的报告，仅2003年新投入使用的机器人接近10万个，使世界目前使用的机器人总数超过75万。
世界使用机器人最多的国家是日本，约38 .9万；其次为德国(9.1万)、美国 (9万)、意大利(3.9万)、韩国(3.8万)、法国(2.1万)、西班牙(1.3万)和英国(1.2 万)，并且报告估计2004年，全世界使用的机器人总数将超过100万。
我国的工业机器人发展的历史已经有20多年，从“七五”科技攻关开始，正式列入国家计划，在国家的组织和支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破，而且在工业机器人整机方面，己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术，并成功的应用于生产，掌握了相关的应用工程知识。
但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。
我国目前大约有 4000台工业机器人，其中仅有1/5是国产的，其余的则是从40多个国外厂商进口的机器人。
五自由度关节式机械手结构论文摘要：通过Solisworks设计完成五自由度机械手，并将其模型导入ANSYS内进行有限元分析，确保载荷最大状态时机械手工作的安全性，以验证机械手整体设计的正确性，并及时发现不足之处予以优化，同时也为后续控制系统设计打下基础。
关键词：Solidworks 关节型工业机器人 ANSYS 有限元分析随着自动化技术的发展，工业机械手的应用场合不断扩展，在装配、喷涂、焊接等各种危险和单调的重复劳动中发挥重要角色。
这里基于SolidWorks和ANSYS完成了一款五自由度关节式机械手设计及分析。
1 机械手结构方案关节式机器人具有很好的作业适应性，是目前通用工业机器人的主要结构形式。
机械手的驱动形式主要有液压驱动、电驱动、气动等。
液压驱动主要用于承载大、要求快速反应场所；气动具有价格低、适用负载小、结构简单等特点，但其难以实现伺服控制；电驱动由于拥有噪声低、控制方便、精度高等特点而被广泛运用[1]。
本设计中采用伺服电机作为驱动源，通过齿轮、同步带（轮）等进行传动。
腕关节上设计有装配手爪用法兰，可以通过更换手爪来实现不同的作业任务。
五自由度机械手为基本的关节式结构，图1为其结构简图，共拥有5个旋转自由度，分别为：机身旋转关节J1（肩关节）、大臂旋转关节J2（肩关节）、小臂旋转关节J3（肘关节）和手腕仰俯运动关节J4、手腕旋转运动关节J5（腕关节）[2-4]。
其中的2个肩关节协同1个肘关节完成定位操作，2个腕关节进行定向。
两个肩关节分别实现俯仰和绕竖直线方向旋转，两个肩关节的旋转轴线正交，肘关节转动轴线平行于实现俯仰的肩关节J2]。
这种构型拥有动作灵敏准确、占用空间小，作业过程不发生干涉等优点，是通用机械手的常见选型。
2 基于Solidworks的机械手本体设计计算机辅助设计（CAD）在生产中的应用日益广泛。
SolidWorks 作为常用的三维CAD软件之一，可实现CAD/CAE/CAM的集成和数据信息共享，将设计、分析、加工于一体，可以提供三维建模、有限元分析、运动仿真、工程图纸等众多功能[5]。
摘要机械手因其较高灵活性和通用性，在生活、制造等各个领域中都扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物，分拣物品，并能够在在有害环境下操作以保护人身安全，代替人的繁重劳动，因此被广泛应用于机械制造、轻工以及需求物品搬运等各种场所。
本次设计的研究方向是五自由度关节型机器人的结构设计及其仿真分析，在确定了设计方案以后，就开始查阅机器人的相关资料，以便以后的设计能顺利进行。
然后就是对机械手的几大部分进行了相关计算，确定了相关数据以后，二维的CAD、CAXA随即开了运行，而后就是到PRO/E的三维实体设计，机械手的各部分的实体模型也随之而出。
最后进行的便是ADAMS的仿真，将需要的数据输入以后，机械手便可以根据要求运动，同时截取了一些重要的线性图，提高了本次设计的机械手的可行性、科学性。
关键词：机械手；结构；计算；数据；AbstractBecause of its high flexible manipulators and universality, in life, in various fields such as plays a very important role. It can carry goods, articles, and can be sorted in harmful environment to protect personal safety operation, instead of heavy labor, therefore, are widely used in machinery manufacturing, light industry and the demand for handling items.This design research direction is five dof joints of the robot structure design and simulation analysis, in determining the design plan later, began to refer to the related information, so as to make robots after design can be carried out smoothly. Then a few most of manipulator is carried on the related calculation, determine the relevant data later, two-dimensional CAD, CAXA immediately opened run, and then is to PRO/E, the three-dimensional design of the manipulator each part of entity model also subsequently and out. Finally the simulation is conducted, will need to ADAMS after the data input according to requirements, manipulator can exercise, meanwhile intercepting the some important linear figure, improve the design of the manipulator of practical, scientificKeywords：Manipulator, formation，Calculation; data目录摘要 (I)Abstract .................................................... I I 第一章绪论 (1)1.1 机器人的概念 (1)1.2 我国机器人研究现状 (1)1.3 工业机器人概述 (2)1.4 工业机器人研究的现状与意义 (3)1.5 论文研究的主要内容 (3)第2章五自由度机器人方案的设计 (5)2.1 机器人机械设计的特点 (5)2.2 与机器人有关的概念 (5)2.3 设计方案 (6)2.3.1底座设计方案 (6)2.3.2手臂结构方案设计 (6)2.3.3手爪的设计方案 (7)2.3.4腕部结构的设计 (8)第3章五自由度机器人的结构设计 (10)3.1 手爪结构设计 (10)3.1.1手部结构设计的基本要求 (10)3.1.2夹紧力计算 (10)3.1.3驱动力计算 (11)3.1.4楔块等尺寸的确定 (12)3.1.5材料及连接件选择 (12)3.2腕部结构设计计算 (13)3.2.1 腕部回转关节的设计 (13)3.2.2 腕部俯仰关节的设计 (13)3.2.3 腕部材料的选择 (14)3.3 大臂和小臂结构设计 (14)3.3.1小臂的结构设计 (14)3.3.2 大臂的结构设计 (14)3.3.3臂部材料的选择 (15)3.4腰部结构的设计 (15)3.4.1腰部材料的选择 (16)3.5底座结构设计 (16)3.6 轴承的选择 (16)第4章五自由度机器人的三维造型 (17)4.1概述 (17)4.1.1Pro /E的主要功能 (17)4.1.2 主要特征 (19)4.2机器人各部件实体模型的建立 (20)4.2.1 手爪的实体模型 (21)4.2.2 手腕的实体模型 (22)4.2.3 大臂与小臂实体模型建立 (23)4.2.4 底座的实体模型 (26)4.2.5.轴承的实体模型 (30)4.3 机器人的整体实体模型 (31)本章小结 (31)第5章 ADAMS的运动学仿真 (32)5.1 ADAMS基本简介 (32)5.2用户界面模块（ADAMS/View） (33)5.3 求解器模块 (ADAMS/Solver) (35)5.4后处理模块（ADAMS/Postprocessor） (35)5.5设定仿真变量 (36)5.6图表及数据处理 (38)第6章全文总结 (41)参考文献 (42)致谢 (43)第一章绪论1.1 机器人的概念机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。
基于PLC的五自由度搬运机械手控制系统设计与建立[摘要] 机械手是一种能自动进行定位控制的设备。
并可根据实际需要，通过编程来改变运动轨迹的多功能机器，在现代工业生产中占据着举足轻重的位置。
目前工业生产中的机械手，根据实际情况可以采用气压传动、液压传动或者是电机驱动等驱动方式。
主要基于PLC控制的五自由度搬运机械手控制系统设计建立方法。
[关键词] PLC;机械手;控制系统机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。
五自由度机械手即能够实现五个自由度的运动（水平移动、垂直移动、伸出缩回、下降上升和夹紧松开）。
本文采用的可编程控制器是西门子公司生产的S7-200系列PLC，其功能强大、可靠性高、抗干扰能力强、编程简便。
配套人机（HMI）界面可采用SMART700，界面操作简单，内容丰富。
基于以上的特性，使得S7-200系列PLC在中小型工业控制系统中被广泛应用。
本文机械手的水平移动和垂直移动驱动采用步进电机控制方式。
步进电机将PLC输出的高速电脉冲信号转变为电机的角位移。
在通常情况下，电机的启动、停止、转速快慢只取决于输入的电脉冲信号的频率和脉冲数目。
脉冲频率控制电机的转速，脉冲的数量控制电机的角位移。
正是由于脉冲信号的频率和转速之间的这一线性关系，以及步进电机无累计误差这一特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。
机械手的夹紧松开动作由气缸控制完成。
本文设计的五自由度机械手属于电动与气压驱动混合式驱动的机械手，它综合了两种驱动方式优点，既节省了位置开关和PLC的I/O点数，又达到了简便操作和精确定位的目的。
一、机械手的机械结构及运动方式五自由度机械手机械结构主视图如图1所示，机械手水平方向的移动由步进电机（40）通过其上所连接的丝杆实现，垂直方向的移动由步进电机（45）通过其上所连接的丝杆实现，这两个方向的移动通过步进电机的顺时针和逆时针旋转运动实现水平左右移动和垂直上下移动。
五自由度机械手的抓取设计的开题报告一、选题背景机械手在工业生产中广泛应用，作为重要的生产装置之一，抓取装置的设计和优化对于改善生产效率和质量具有重要作用。
机械手的抓取设计涉及到多方面知识，如机械设计、电气控制、运动规划等，因此需要跨学科综合考虑。
本课题旨在研究五自由度机械手的抓取设计，探究有效的抓取方式和优化方案，提高机械手的工作效率和灵活性。
二、选题意义随着人类工业生产的不断发展，机械手在各个领域中使用越来越广泛，例如物流、车间自动化、医疗等领域。
机械手抓取设计是机械手的关键技术之一，其设计优化可直接影响机械手的工作效率和产品质量等方面，在提高生产效益、降低生产成本和改进产品质量等方面均起着至关重要的作用。
因此，本课题的研究内容具有深远的学术意义和实际应用价值。
三、研究内容本课题的研究内容主要包括以下几个方面：1. 五自由度机械手的设计原理和运动学分析。
2. 机械手抓取方式的分析和分类，以及抓取方式的优缺点比较。
3. 基于视觉识别的机械手抓取设计方案研究。
4. 基于机器学习算法的机械手抓取设计方案研究。
5. 抓取力和控制策略的研究和优化。
6. 抓取效果的仿真和测试。
四、研究方法和技术路线本课题采用的研究方法主要包括文献调研、理论分析、仿真试验、实物测试等。
具体技术路线如下：1. 搜集机械手抓取方面的文献，理解机械手的抓取设计原理和相关技术。
2. 对五自由度机械手的运动学进行分析，建立机械手的数学模型。
3. 综合考虑机器视觉、深度学习等技术，在机械手上应用对抓取进行视觉识别，并设计抓取方案。
4. 训练机器学习模型，使用机器学习算法进行抓取优化。
5. 研究机械手的控制策略和控制器的设计，以实现更好的抓取效果和控制精度。
6. 进行仿真和实物测试，分析抓取效果。
五、预期成果通过本课题的研究，预期取得以下成果：1. 研究五自由度机械手的抓取设计，提出有效的抓取方案和优化策略。
2. 设计并实现了机器视觉和机器学习等相关算法，应用于机械手的抓取设计。
第 1 页 共 25 页 五自由度液压机械手设计 摘要 本课题是应用在各种类型的小型机床上，或者配以行走机构大范围的搬运零件的液压机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行工作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著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。 液压传动较其他传动有以下几个优点：液体压力大，能够获得较大的输出力；油的可压缩性小，压力、流量均较易控制，可无极变速；反映灵敏，能实现连续轨迹控制，维修方便，特别实用于高强度作业。 在我的毕业论文中，我主要做了以下几个方面的内容：手部的结构设计、腕部的结构设计、小臂的结构设计、大臂的结构设计、液压系统的设计。并运用CAD等软件进行了绘图。
关键词：机械手；结构设计；液压系统。 第 2 页 共 25 页
Hydraulic Material Handing Robot Design Abstract This topic is used in all types of small Machine Tool, walking or supported by a wide range of agencies handing parts of the hydraulic manipulator.Industrial machinery hands is the inevitable product of industrial production, it is a copy of the upper part of the human body functions,in accordance with the scheduled transfer request Hold the piece of word or tools for the automation technology and equipment, industrial automation and promote the further development of industrial production plays an important Role. So they have strong vitality of the people by the extensive attention and welcome. Practice has proved that the industrial robot canre place the heavy labor, significantly reduced labor intensity and the level of automation. Hydraulic transmission than other rotaion has the following advantages: fluid pressure, to get greater output; oil compressibility small, pressure and flow are easier to control, continuously varible; reflect the sensitive and can achieve continuous Track maintenance for control, especially useful in high-intensity operations. I graduated from a three-month design, I mainly do the following: the structural design of the hand, wrist strutural design, structural design of the arm, the arm of the structural design, hydraulic system design. Use some software to Paint such as CAD.
Keywords: Manipulator; Structural Design; Hydraulic System. 第 3 页 共 25 页
第一章 绪论 1.1课题背景和意义 工业机器人由操作机（机械本体）、 控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的*性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用［1］。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志［2］。 机器人并不是在简单意义上代替要工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化中的过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备［3］。 在我国，汽车制造业中的机器人冲压线，焊接线，涂装线与总装线，家电制造业中的机器人装配线，微电子业中的IC芯片的后封装技术，各种制造业中的自动化物流输送系统，以及信息，食品，制药等行业，对机器人及其生产线放成套技术提供了巨大的市场需求。客户化小量生产是市场的需求，是今后制造业中非常重要的一种生产模式，它对自动化装备提出了新的要求，即要求生产线具有较高的柔性和敏捷性，以适应客户的需求和产品经常变型的需求［4］。生产效率是制造企业的核心问题和永恒追求的目标。它不仅可以降低产品的成本，直接影响产品的性能价格比，而且还间接的影响空间的设备的利用率［5］。现在，我们的工厂虽然有了一些单元自动化。但某些关键岗位仍有人工操作，造成了连续生产线的堵塞，原因是这些工作岗位的操作复杂多变。采用机器人或智能化机器人是大幅度提高生产率的一个很好的解决办法［6］。 中国机器人经过了二十多年的发展，已经作好了产业化的准备。随着中国加入WTO，中国企业将加入国际化的竞争，特别是“十五”计划国家将汽车工业作为重点发展行业，提高生产的自动化水平是快速发展的基础。因此，发展中国的 第 4 页 共 25 页
机器人产业，特别是发展高级信息智能化和生产系统的机器人化。将是中国工业机器人发展的新阶段。我们要抓住这一机遇，迎头赶上去。 人在连接工作几个小时之后，总会感到疲劳或厌倦，机械手只要对它注意维修和检修就能任长时间的单调简单重复劳动。机械手对环境适应性强，能代替人从事危险有害的工作。在长时间工作对人有害的场所，机械手不受影响，只要针对工作环境进行合理设计，选用适当的材料和结构。机械手就可以在异常高温或低温，异常压力或有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、厌火环境下胜任工作［7］。 机械手能持久、耐久，可以把人从繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人手的功能。并且动作准确，可保证稳定和提高产品的质量。同时可避免人为的操作失误。 液压机械手作为机械手的一种有下面几个特点： （1） 液体压力大，能够获得较大的输出力 （2） 油的可压缩性小，压力、流量均较易控制，右无级变速。反映灵敏，能实现连续轨迹控制 （3） 维修方便，特别实用于高强度作业。 1．2国内外研究状况 早在1962年美国机械铸造公司就实验成功了一种叫versatrap的机械手，愿意是灵活搬动。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统是示教再现型。是国外工业机械手的发展基础。联邦德国是从1970年开始把液压机械手用于工业生产，主要用于起重运输、焊接和设备的搬运。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。只1969年冲美国引进二种典型液压机械手后，大力从事研究。1979年从事研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年某个大学和国家研究部门用在机器手的研究费用占总研究费用的42%。1979年日本机械手的产值达433亿日元，其中液压机械手占大部分。苏联自六十年代开始使用发展液压机械手[8]。 国内的液压机械手较国际上起步较晚，但是发展比较迅速。在这方面比较突出的大学有：中国科学技术大学，哈尔滨市工业大学，浙江大学。本报讯日前，由哈工大机器人研究所牵头研制的“863”重点顼目“小型智能飞行机器人系统 第 5 页 共 25 页
空间机械手系统”通过“863”专家组验收[9]。该空间机械手系统在空间站搭建、卫星故障修复、空间舱内科学实验、深空探测等空间作业领域及核工业等危险作业环境方面具有较大的推广应用价值。据了解，为更好地完成该系统的研究，哈工大成功研制了空间机械手系统原型样机。该样机包括6自由度可折叠机械臂、手爪、中央控制器和支撑锁紧机构。关节采用模块化设计方法，集机构、驱动、传感和控制为一体，用用大中心孔设计方法实现机械臂的内部走线，以消除空间环境对导线及其传输信号的影响：空间机器人手爪具有高刚度、大夹持力、快速闭合、大捕范围以及准确的捕获位姿精度等特性。该项目共申请国家发明专利10余项。在工业生产中也有不少企业能自己生产出性能较好的机械手。液压机械手是在吸收国外先进技术的基础上研制开发而成的，主要用于树脂砂脱箱造型砂型的涂料流涂、合型或搬运等操作。具有夹紧、砂型翻转、平衡协调等功能，全液压驱动夹紧力连续可调，动作平稳、可靠。 主要技术规格“ 砂型最大尺寸：1450ｘ1200ｘ800ｍｍ 砂型最小尺寸： 800ｘ600ｘ200ｍｍ 最大提升重量：3000Kg 说明：液压机械手可配升降、行走机构，需根据客户要求现场情况另行非标设计[10]。 1．3课题研究的内容 本课题作为一个实际课题，是关于液压机械手的研制，主要的研究内容有以下几个方面： （1） 手部的结构设计 油缸及其附属的选择和校核、活塞杆校核。 （2） 腕部的结构设计 这是连接手部与臂部的部件，手腕的设计除了要满足启动和传送的过种中所需要的力矩外，还要使手腕的结构简单、紧凑。并且用来调整被抓物体的位置方位，本机械手上下摆动和饶自身轴线的回转二个自由度。 （3） 小臂的结构设计
