4自由度混联机器人静刚度分析

4自由度机械臂结构设计引言机械臂是一种用于完成特定任务的机器人装置，具有广泛的应用领域，例如工业自动化、医疗手术和军事等。

本文将讨论4自由度机械臂的结构设计，以及在不同任务中的应用。

机械臂的自由度机械臂的自由度是指机械臂能够自由运动的独立关节数量。

4自由度机械臂由4个独立的旋转关节组成，使得机械臂可以在3D空间中进行平移和旋转运动。

结构设计关节结构4自由度机械臂的关节结构应具有一定的刚度和承载力，以便支撑机械臂的运动和负载。

通常采用液压或电动驱动的转动关节来实现机械臂的自由度。

每个关节应具有一定的转动范围和精度，以满足不同任务的需求。

运动范围4自由度机械臂的运动范围应能够满足各种任务的需求。

通过合理设计关节的转动范围，可以确保机械臂能够在三维空间中覆盖特定区域。

此外，机械臂的运动范围还应考虑到其在工作空间内的尺寸限制，以及与其他设备或障碍物的碰撞风险。

站立稳定性机械臂的站立稳定性是指机械臂在执行任务时，能够保持平衡和稳定的能力。

站立稳定性取决于机械臂的结构设计和重心位置。

为了确保机械臂的稳定性，可以采用合适的重心位置和支撑结构。

此外，考虑到机械臂运动时的惯性力，还需要设计相应的减振和平衡装置。

控制系统机械臂的控制系统对于实现精准的运动控制和任务执行至关重要。

控制系统包括传感器、执行器和控制算法等。

传感器用于感知机械臂末端的位置和姿态信息，执行器通过控制关节转动实现机械臂的运动，控制算法根据传感器的反馈信息进行计算和控制。

设计高效可靠的控制系统可以提高机械臂的运动精度和工作效率。

应用领域4自由度机械臂由于其灵活性和可定制性，在多个领域具有广泛的应用。

以下是几个典型的应用案例：工业自动化4自由度机械臂在工业生产线上可以完成各种简单重复的操作任务，例如搬运、装配和焊接等。

机械臂的高速度和精度可以提高生产效率和产品质量。

医疗手术4自由度机械臂在医疗手术中可以用于进行精确的手术操作，例如微创手术和精准定位。

四自由度工业机器人毕业设计摘要近二十年来，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。

本文简要介绍了工业机器人的概念，机器人的组成和分类，机器人的自由度和坐标形式，气动技术的特点。

对机器人进行总体方案设计，确定了机器人的坐标形式和自由度，确定了机器人的技术参数。

同时，设计了机器人的夹持式手部结构，设计了机器人的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。

设计了机器人的手臂结构。

设计出了机器人的气动系统，绘制了机器人气压系统工作原理图，对气压系统工作原理图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。

关键词：工业机器人，机器人，气动，单片机控制ABSTRACTIn the past twenty years, robotic technology is developing very fast, all sorts of use robots in various fields can be used widely. Our country in the research and application of robots and industrial countries, there is still a gap compared, therefore, the research and design various USES robots especially industrial robots, promote the use of robots is a realistic significance.This paper briefly introduces the concept of industrial robot, robot, robot composition and classification of freedom and coordinates, the characteristics of pneumatic technology. The general scheme design of robot, robot was determined, and freedom of coordinates the technical parameters of robot was determined. Meanwhile, the design of the robot hand gripping type of the robot structure, design wrist structure, calculated the wrist rotation for driving moment and rotary cylinder driving moment. Design a robot arm structure.Designed a robot pneumatic system, painted robots working principle diagram, pneumatic system of pneumatic system working principle diagram parametric drawing was studied, and greatly improve the efficiency of drawing and drawings quality.Keywords: industrial robot, pneumatic, SCM control第一章绪论随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，工业机器人已成为一种高新技术产业，为工业自动化发挥了巨大作用，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

一种新型四自由度混联机器人的设计与分析
李伟;王权;何兵;管健
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2015(000)005
【摘要】通过对机器人串并联结构的分析,设计了一种新型的四自由度混联机器人,克服了同类机器人腕部俯仰电机不容易被安放在机架上的困难.将控制电机都设计在机架上,大小臂电机不同轴,腕部俯仰电机与大臂电机同轴,通过一种双平行四边形机构实现腕部俯仰动作,结构简单、俯仰角容易控制,俯仰运动不受大小臂运动的影响而发生牵连运动.腕部俯仰驱动的传动件为连杆,与大小臂以并联的形式进行连接,对机器人模型进行静力学分析,分析结果表明这种腕部俯仰机构能够提高机械臂的抗弯刚度.
【总页数】4页(P168-170,174)
【作者】李伟;王权;何兵;管健
【作者单位】郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TP24
【相关文献】
1.一种新型伪四自由度并联机器人的设计与分析 [J], 樊启高;孙璧文;于振中;武亚恒
2.一种新型的五自由度混联抛光机器人的分析 [J], 李提伟;赵一杰;曹凯
3.考虑工作空间与力传递效率的新型五自由度混联机器人设计与分析 [J], 许允斗; 徐郑和; 杨帆; 赵云; 梅有恩; 周玉林; 姚建涛; 赵永生
4.一种新型非对称五自由度混联机器人的尺度综合 [J], 董成林;刘海涛;杨俊豪
5.空间四自由度串并混联下肢康复机器人设计与分析 [J], 史小华;任岭雪;廖梓宇;朱家增;王洪波
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

四自由度机械手（上半部分）作为现代工业制造领域中，机器人与自动化领域的核心产品之一，机械手在制造业中扮演着不可替代的角色。

而四自由度机械手便是机械手领域中的重要成员，本文将对其进行详细介绍。

一、四自由度机械手的概念及基本结构四自由度机械手是指由四个自由度的运动副组成的机械手。

其自由度主要分为旋转自由度和直线自由度两种。

旋转自由度可分为绕x、y、z三个轴向旋转自由度，直线自由度可分为x、y、z三个轴向作直线运动的自由度。

四自由度机械手的基本结构由支撑结构、底座、轴承系统、导轨系统、执行器等组成。

其中，支撑结构设在机械手的底部，通过轴承系统与机械手执行器连接，控制机械手的运动方向和范围。

二、四自由度机械手的优缺点四自由度机械手相对于其他机械手类型具有如下优点：1、机械手可根据特定要求进行定制，能够实现弯曲、旋转、伸缩等多种动作，可以适用于较多的工程需求；2、在承载重量较小的情况下，四自由度机械手的成本较低；3、四自由度机械手具有很高的操作精度，可适用于许多需要高精度的操作领域。

但四自由度机械手也有以下缺点：1、四自由度机械手的承载能力较低，仅适用于承载较小的物品；2、机械手无法实现多种操作综合编程。

三、四自由度机械手的应用四自由度机械手在工业制造和自动化生产中具有广泛的应用领域。

其适用于自动化加工、搬运、堆垛、组装、分拣等方面。

在以下几个方面有具体的应用：1、电子工业：四自由度机械手可用于电子元器件的组装、焊接、拆卸等操作。

2、汽车工业：在汽车制造中，四自由度机械手主要用于焊接、装配、喷漆等自动化生产环节。

3、食品加工业：四自由度机械手可用于食品加工中，如包装、封箱等生产步骤。

4、医疗产业：机械手的高精度使其非常适合在医疗领域中用于外科手术等领域中。

总结：四自由度机械手作为机械手领域的成员之一，可用于电子制造、汽车工业、食品加工和医疗行业等领域中的生产流程，并能根据不同的生产需求进行定制和编程。

同时，由于其相对较低的成本和高精度操作的特性，四自由度机械手在现代制造领域中具有重要的应用价值。

（机器⼈）4⾃由度关节型机器⼈简介四⾃由度关节型机器⼈设计简介摘要本设计内容为四⾃由度关节型机器⼈，主要对关节型机器⼈的操作臂进⾏系统的设计，机器⼈的末端操作器即⼿指是可替换夹具，操作臂有四个⾃由度，可实现在⼯作空间范围内的物体的转移，⼿⽖⼀次可载荷0.5kg.操作臂的动⼒源为舵机，总共有5个舵机，它们分别控制腰部旋转，⼤臂、⼩臂、⼿腕的摆动，以及⼿⽖张合，本⽂设计的四⾃由度关节型机器⼈可⽤于⼩⼯作空间内完成对⼩质量物体的转移⼯作，同时也可以做为教学机器⼈。

关键词：四⾃由度；操作臂；舵机AbstractThis design is the 4-DOF joint robot, mainly designs on the operate arm system.The ender operator of the robot is usually called paw is a exchangeable clamp. the operator has degrees of freedom. which can transform objects in workspace. the paw is able to weigh 0.5kg loads each time.It is servo that is the power of operating arm. There are five servo which are used respectively to control waist rolling、big arm、small arm、hand swing and paw opening and closing, the robot can be well applied to transfer the object with light in limited working space. Meanwhile it’s also used as teaching robot.Key words:4-DOF ；operate arm；servo⼀．概述：1．机器⼈定义机器⼈是近年来快速发展的⾼新技术密集的机电⼀体化产品，通常只按照⼈们预定的程序重复⼀些⼈们看似简单的动作，设计⼈员往往只重视机器⼈的功能。

四自由度机器人手臂设计---工作空间分析050696135 张东红指导老师：刘铁军讲师第1章绪论1．1 机器人的概念我们一直试图为自己的研究对象下一个明确的定义----就象其他所有的技术领域一样----始终未能如愿。

关于机器人的概念，真有点像盲人摸象，仁者见仁，智者见智。

在此，摘录一下有代表性的关于机器人的定义：牛津字典：Automation with human appearance or functioning like human科幻作家阿西莫夫（Asimov）提出的机器人三原则：第一，机器人不能伤害人类，也不能眼见人类受到伤害而袖手旁观；第二，机器人必须绝对服从人类，除非人类的命令与第一条相违背；第三，机器人必须保护自身不受伤害，除非这与上述两条违背；日本著名学者加藤一郎提出的机器人三要件：1．具有脑、手、脚等要素的个体；2．具有非接触传感器（眼、耳等）和接触传感器；3．具有用于平衡和定位的传感器；世界标准化组织（ISO）机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务的机器。

细细分析以上定义，可以看出，针对同一对象+所做的定义，其内涵有很大的区别，有的注重其功能，有的则偏重与结构。

这也就难怪对同一国家关于机器人数量的统计，不同资料的数据会很大差别。

虽然现在还没有一个严格而准确的普遍被接受的机器人定义，但我们还是希望能对机器人做某些本质性的把握。

首先，机器人是机器而不是人，它是人类制造的替代人类从事某种作业的工具，它只能是人的某些功能的延伸。

在某些方面，机器人可具有超越人类的能力，但从本质上说机器人永远不可能全面超越人类。

其次，机器人在结构上具有一定的仿生性。

很多工业机器人模仿人的手臂或躯体结构，以求动作灵活。

海洋机器人则在一定程度上模仿了鱼类结构，以期待得到最小的水流阻力。

第三，现代机器人是一种机电一体化的自动装臵，其典型特征之一是机器人受微机控制，具有（重复）编程的功能。

混联机器人的类型及其分析机械自动化和智能化的高速发展，极大的促进了机器人应用领域扩展，一方面既是对传统的机器人结构等方面提出了更高的要求，另一方面也急需适应性更好的具备新型结构的机器人出现，而混联机器人，结合了串联机器人和并联机器人的优点，成为了机器人发展的热点方向，文章将对混联机器人的类型进行介绍和分析。

标签：混联机器人；结构设计；类型前言自机器人出现以来，随着科技的进步，其发展逐渐呈现两个特点：一是机器人的应用领域不断扩大，机器人的种类日趋增多，正从传统的制造领域向人类工作和生活的各种社会领域扩展；另一方面是在纵向上随着需求范围的扩大，机器人结构和形态多样化，高端系统呈现明显的仿生和智能特征，性能不断提高，功能不断扩展和完善[1]。

然而，不论机器人在上述两个特点的哪方面具备突出性，都不可避免的面临一个机器人设计的基本问题：机器人的结构设计[2]。

从机器人开始出现发展到现在，先后出现了三类典型的机器人结构：串联机器人、并联机器人和混联机器人。

串联机器人具有易于正向运动学求解、运动空间大、控制简单，在工业生产中得到了广泛的应用，是工业机器人的主要形式；并联机构和串联机构相比，整体刚度大，承载能力强，结构简单，但其控制复杂，尤其是涉及不同运动副支链时，其运动解耦性较差。

而混联机器人将串联机器人和并联机器的人结合起来，属于一种机构上的折中，扩大了机器人的应用范围。

因此，在结构方面对混联机器人进行分类和分析，对于混联机器人的结构设计具有重大意义。

1 混联机器人的分类混联机器人在结构上常有三种形式[3]：（1）并联机构通过其他机构串联而成；（2）并联机构直接串联在一起；（3）在并联机构的支链中采用不同的结构。

1.1 并联机构通过其他机构串联而成此类混联机器人在基于在串联机构的某个关节或杆件以并联机构替换，例如在传统的串联机器人的基座端或执行端或中部关节插入具备相应自由度的并联机构，如图1-2；或者在并联结构的基础上串联其他运动副而产生的，例如在并联机构的静平台端或动平台端串接其他移动副或转动副，如图3。

四自由度的工业机器人在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。

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，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。

本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。

首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。

1.1 机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。

化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。

但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。

专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。

机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。

“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。

机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。

机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。

目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。

四自由度搬运物料工业机器人的毕业设计工业机器人搬运物料，是当前自动化生产和智能制造的重要组成部分。

搬运物料是生产线中的关键环节，传统的人工操作存在劳动强度大、效率低、易出错等问题，而工业机器人通过四自由度的灵活操作，可以高效地完成物料的搬运任务。

在这篇毕业设计中，我将探讨四自由度搬运物料工业机器人的设计与实现。

首先，我们需要确定机器人的工作空间和负载能力。

根据物料的尺寸和重量，确定机器人的伸展长度和负载能力。

四自由度机器人通常由一个固定基座和三个旋转关节构成，可以实现物料的水平搬运、转向搬运等多种操作。

接下来，我们需要选择合适的传感器和执行器。

传感器可以用于检测物料的位置、尺寸和重量，以便精确定位和分配搬运任务。

常见的传感器包括视觉传感器、力传感器等。

执行器可以根据传感器的反馈信号，实现机器人的精准控制和动作执行。

然后，我们需要设计机器人的运动规划和控制算法。

运动规划算法可以根据物料的位置和目标位置，计算机器人的最佳运动轨迹，以便实现高效的搬运任务。

控制算法可以根据传感器的反馈信号，实时调整机器人的位置和姿态，以确保搬运任务的精准执行。

最后，我们需要建立机器人的模型并进行仿真测试。

通过计算机辅助设计和仿真软件，可以建立机器人的虚拟模型，并验证设计的合理性和可行性。

通过仿真测试，可以发现设计中存在的问题，并进行必要的改进和优化。

综上所述，四自由度搬运物料工业机器人的毕业设计主要包括确定工作空间和负载能力、选择传感器和执行器、设计运动规划和控制算法以及建立模型进行仿真测试等环节。

通过合理的设计和实现，可以使工业机器人在搬运物料方面发挥出更大的作用，提高生产效率，降低劳动强度，推动智能制造的发展。

四自由度多用途气动机器人（机器手）结构设计及控制实现近几十年，随着全球科学技术的快速发展和信息化水平不断提高，出于解放劳动力、提高生产效率、经济效益和减少生产成本的目的，很多工业领域开始使用工业机器人进行生产运作。

为了加深对机器人从设计到工业应用具体是怎样实现的，文章先对工业机器人的发展背景进行阐述，再对机器人（机械手）的机构设计进行介绍，其中包括手部、手腕、手臂等的设计，最终利用可编程序控制器对机器人（机械手）进行有效控制，使机器人（机械手）能够正常运作，进而出现在在更多生产企业的工作线上。

机器人（Robot）一词最早出现在国外，二十世纪中后期开始才得到人们的广泛关注，并被人们所熟悉，现如今，在国外，甚至国内有些工厂、企业都可以看得机器人的身影。

现代的工业机器人（机器手）主要有可编程、拟人化、通用性、运用广泛这四个特点。

科学技术的提高和不断创新，使得当今的工业机器人逐渐具备行走、感知、交流等多种能力。

目前，美国和日本在机器人的研发方面处于世界领先水平，对全球机器人的发展最具影响。

绝大多数工业机器人都是由主体、驱动系统和控制系统三个部分组成。

其中主机包括臂部、腕部、手部等，大多数机器人有3-6个运动自由度，文章以下以四个自由度为例进行描述。

机器人（机械手）在工业生产过程中能够代替人做些单调、频繁或者重复率强的长时间工作，但是机器人又不是简单意义上的完全复制了人工的劳务，而是在综合了人的工作性能的基础上再结合了机器人其专有的特长。

机械手是模仿人手和手臂的某些功能，在设置的特定程序下抓取、搬运物件或者操作工具的自动操作装置。

机器人的发展历史经历了一系列阶段，其中机械手则是最早出现的工业机器人，机械手在工业生产中的应用能够有效地减省工人、提高生产效率、降低生产成本、提高产品的品质提升工厂形象，尤其是在某些特殊的环境下，如高温高压、有毒有害、易燃易爆、放射性较大等，机器手得到了广泛的运用。

机器人（机器手）结构设计本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，其在工业生产有较为广泛的运用。

电子技术• Electronic Technology116 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】关节机器人 码垛 四自由度1 前言常见的工业机器人按照坐标可以分成极坐标型、圆柱坐标型、直角坐标型、关节坐标型等。

其中关节坐标型虽然具有运动耦合性强，控制较复杂的特点，但因其运动灵活性最好，自身占据空间小，作为一种通用平台获得广泛应用。

关节型机器人与人的手臂非常类似，主要由底座、大臂和小臂三部分构成，大臂、小臂在通过底座的垂平面内运动。

连接大臂和底座间的关节一般称作肩关节；连接大、小臂的关节称肘关节。

要实现水平面上的旋转运动，既可由肩关节完成，也可绕底座旋转实现。

其通常按照给定程序、轨迹及要求模拟人手动作来实现抓取和搬运等特定功能，常应用于物品自动码垛场合。

2 关节机器人结构及运动特性设计的关节机器人结构如图1所示。

其由横向移动的大臂（x 轴）、左右旋转的腰部（y 轴）、上下移动的小臂（z 轴）与可用作夹持器具的腕部（w 轴）四个自由度组成。

其中腰部高245mm ，且绕腰部关节轴心做360°旋转运动；大臂总长480mm ，垂直于腰部轴心，利用电机经丝杆传动做横向运动，伸缩行程为260mm ；小臂臂长为250mm ，由小臂电机经连杆驱动，绕大臂一端做旋转运动；腕部由电机驱动实现360度自由旋转，其上安四自由度关节机器人码垛运动分析与仿真文/戴伟 陈峰 周根荣装不同类型的手抓，可以实现抓取、夹持、吸附等不同的功能，最大承载重量为1.5kg 。

机械臂底座、横杠后端与腕部有四个步进电机顺序安装，配以减速器，用以完成四自由度驱动，周身还设有接近传感器与限位开关，接近传感器可以通过探测特定位置安装的突出螺丝，用来检测关节机器人运动位置，提供给控制器进行决策。

3 码垛运动过程运动规划在物品自动码垛过程中，码垛点往往是事先确定好的，关节机器人只需要在运动过程准确有序的到达即可，对于相邻点位间的运动轨迹可以不需要太精确。

四自由度小型机器人有限元瞬态分析报告四自由度小型机器人是一种常用于工业生产、医疗设备等领域的机器人，其结构复杂，需要进行有限元瞬态分析，以保证其机械性能和稳定性。

在本次研究中，我们进行了四自由度小型机器人的有限元瞬态分析，并得出以下报告：
我们对机器人的结构进行了建模和分析。

根据实际情况，我们将机器人分为多个部分，采用3D建模软件建立了整体结构模型，并对各个部位进行了网格划分和装配。

然后，我们使用ANSYS Workbench软件进行了质量、力学和模态分析，确定了机器人的物理特性和运动特性。

我们进行了机器人的有限元瞬态分析。

在动态分析中，我们考虑了机器人受到外部载荷和惯性力的作用，运用ANSYS Explicit Dynamics技术进行了瞬态分析，得到了机器人的动态响应和强度情况。

通过分析结果，我们发现机器人的结构具有较好的刚度和抗扭性能，在受到外部载荷时仍能保持平衡，稳定性良好。

我们对分析结果进行了验证和优化。

通过对比分析，我们发现瞬态分析结果与实际情况较为接近，证明了分析方法的有效性。

同时，我们也对机器人的结构参数进行了优化，进一步提高了其性能和稳定性。

四自由度小型机器人的有限元瞬态分析是保证机器人稳定性和性能的关键技术之一。

通过合理建模、科学分析和有效优化，可以为机器人的设计和制造提供有力支持。