机械毕业设计906基于SolidWorks六自由度焊接机械手三维运动模拟

六自由度机械手运动分析六自由度机械手毕业论文专业机械设计制造及其自动化课题多自由度机械手机械设计摘要文中设计了一种六自由度机械手。

该机械手主要由底座，腰部，主板，大手臂，小手臂，手腕，夹爪组成，采用步进电机驱动，单片机控制。

手臂的尺寸与人手臂的大小相当。

手臂的运动主要包括：腰部转动，大手臂摆动，小手臂摆动，手腕摆动，手腕转动，夹爪夹取。

此手臂的空间活动半径0.5m，定位精度为5mm.它能够抓取重量较轻的物体，并放到预定位置。

该机械手有过载保护以及断电空间位置的自锁功能.可以用于教学演示，或者在有放射性的环境中完成特定工作。

文中对机械手进行了正运动学分析, 采用齐次坐标变换法得到了机械手末端位置和姿态随关节夹角之间的变换关系,并完成了总体机械结计、步进电机选型、蜗轮蜗杆及带传动比的确定以及部分重要零件的设计。

关键词：机械手六自由度步进电机同步带。

AbstractA kind of manipulator of six degrees of freedom has been designed in this paper. This manipulator is made up of the foundation, the waist, the big arm, the small arm, the wrist, and the claw; the manipulator is driven by stepper motor, and controlled by single chip. The size of the manipulator is equal in the size to the arms of people. Locomotion of the manipulator includes: waist turning, big arm swung, small arm swung, wrist swung, wrist rotating, claw fetching. The radius of action is 0.5m, and the accuracy is 5 mm. It can pick the light-weight object, and put it to the recalculated position. The manipulator has overload protection function, and space position self-lock function. This arm can be used in teaching, or in radioactive environments. In this paper, robot kinematic analysis is carried out using homogeneous coordinate transformation method was the end manipulator joint position and attitude with the changing relationship between the angle and stepper motor designing, physical construction designing had been completed.Keywords: manipulator, six degrees of freedom, stepper motor, locking band.目录目录 (4)1 绪论 (6)1.1 国内机械手研状 (6)1.2 机械手的构成 (7)1.3 机械手的发展趋势 (9)1.4 本设计课题的背景和意义 (9)2 机械手的总体方案设计 (10)2.1 机械手基本形式的选择 (10)2.2 机械手的主要部件及运动 (11)2.3 驱动机构的选择 (12)2.4 传动机构的选择 (12)3机械手的数学建模 (12)3.1 机器人数学基础 (12)3.2 机器人的运动学方程 (13)4 机械手的整体设计计算 (15)4.1 手部设计基本要求 (15)4.2 典型的手部结构 (16)4.3 机械手手指的设计计算 (16)4.3.1 选择手抓的类型和加紧机构 (16)4.3.2手抓加紧力与驱动力的力学分析 (16)4.4 驱动电机的选择 (17)4.4.1 手指张合电机的选择 (17)4.4.2 手腕电机的选择 (19)4.4.3 大手臂摆动电机的选择 (19)4.4.4 小手臂摆动电机的选择 (20)4.4.5 手腕摆动电机的选择 (20)4.4.6 底座转动电机的选择 (21)4.5 涡轮蜗杆、带轮的选择及传动比的确定 (21)4.5.1 底座电机处涡轮蜗杆的传动的确定 (21)4.5.2 大手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 (22)4.5.3 小手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 (23)4.5.4 手腕摆动电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 (24)4.6 小手臂摆动处轴的校核............................................................25 5 总结与展望 (29)谢辞 (30)[参考文献] (31)附录一科技文献翻译 (32)附录二毕业设计任务书与开题报告 (46)多自由度机械手机械设计1 绪论机械手(manipulator)是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物体(材料、工件、零件或工具等)传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人来进行繁重、危险、重复等手工作业。

《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言随着工业自动化和智能制造的快速发展，六自由度（6-DOF）机械臂因其灵活性和高效性，在工业生产、医疗、军事等领域得到了广泛应用。

本文旨在设计一个六自由度机械臂控制系统，并对其运动学进行仿真分析。

二、六自由度机械臂控制系统设计1. 硬件设计六自由度机械臂控制系统主要由机械臂本体、驱动系统、控制系统和传感器系统等组成。

其中，机械臂本体采用模块化设计，包括基座、大臂、小臂和末端执行器等部分。

驱动系统采用伺服电机和减速器，以提供足够的动力和精度。

控制系统采用高性能的微处理器，实现对机械臂的精确控制。

传感器系统包括位置传感器、力传感器等，以实现对机械臂状态和环境信息的实时感知。

2. 软件设计软件设计包括控制算法和程序设计两部分。

控制算法采用经典的控制策略，如PID控制、模糊控制等，实现对机械臂的精确控制。

程序设计采用模块化设计思想，便于后续的维护和升级。

此外，为了提高系统的鲁棒性和自适应能力，我们采用基于机器视觉的算法，实现机械臂的自主导航和定位。

三、运动学仿真运动学仿真是对六自由度机械臂进行性能评估的重要手段。

本文采用MATLAB软件进行运动学仿真。

1. D-H参数法建模首先，我们采用Denavit-Hartenberg（D-H）参数法对机械臂进行建模。

通过建立连杆坐标系，确定各连杆之间的相对位置和姿态，从而得到机械臂的运动学方程。

2. 正运动学仿真正运动学仿真是指根据关节角度计算末端执行器的位置和姿态。

我们通过MATLAB中的机器人工具箱，输入各关节的角度值，得到末端执行器的位置和姿态。

通过对比仿真结果和实际结果，验证了正运动学模型的正确性。

3. 逆运动学仿真逆运动学仿真是指根据末端执行器的位置和姿态，计算关节角度。

我们通过MATLAB中的优化工具，对逆运动学方程进行求解，得到各关节的角度值。

通过对比不同优化算法的求解结果，选择最优的求解方法。

四、实验与结果分析为了验证六自由度机械臂控制系统的性能，我们进行了实际实验和仿真实验。

《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言随着科技的飞速发展，自动化与机器人技术已广泛应用于各种领域，六自由度机械臂是其中一种重要而常见的自动化工具。

它具备灵活的运动能力与复杂操作功能，能够在高精度的环境中完成一系列作业。

本篇论文旨在介绍六自由度机械臂控制系统的设计与运动学仿真，旨在提升机械臂的性能和可靠性。

二、六自由度机械臂控制系统设计1. 硬件设计六自由度机械臂控制系统主要由机械臂主体、驱动器、传感器和控制单元等部分组成。

其中，机械臂主体由多个关节组成，每个关节由一个驱动器驱动。

传感器用于检测机械臂的位置、速度和加速度等信息，控制单元则负责处理这些信息并发出控制指令。

2. 软件设计软件设计部分主要包括控制算法的设计和实现。

我们采用了基于PID（比例-积分-微分）的控制算法，以实现对机械臂的精确控制。

此外，我们还采用了路径规划算法，使机械臂能够按照预定的路径进行运动。

3. 控制系统架构控制系统采用分层架构，分为感知层、决策层和执行层。

感知层通过传感器获取机械臂的状态信息；决策层根据这些信息计算控制指令；执行层则根据控制指令驱动机械臂进行运动。

三、运动学仿真运动学仿真主要用于模拟机械臂的运动过程，验证控制系统的性能。

我们采用了MATLAB/Simulink软件进行仿真。

1. 模型建立首先，我们需要建立机械臂的数学模型。

根据机械臂的结构和运动规律，我们可以建立其运动学方程。

然后，将这些方程导入到MATLAB/Simulink中，建立仿真模型。

2. 仿真过程在仿真过程中，我们设定了不同的工况和任务，如抓取、搬运、装配等。

通过改变控制参数和路径规划算法，观察机械臂的运动过程和性能表现。

我们还对仿真结果进行了分析，以评估控制系统的性能和可靠性。

四、实验结果与分析我们通过实验验证了六自由度机械臂控制系统的性能。

实验结果表明，该系统能够实现对机械臂的精确控制和灵活操作。

在各种工况和任务下，机械臂都能以较高的速度和精度完成任务。

六自由度机械手设计在工业自动化领域中，六自由度机械手被广泛应用于各种生产线上。

机械手的设计需要考虑到其功能需求、结构设计和控制系统的设计等多个方面。

本文将从这三个角度，详细介绍如何设计一个六自由度机械手。

首先，机械手的功能需求包括其工作范围、负载能力和精度等。

机械手的工作范围决定了其能够覆盖的空间范围，而负载能力决定了其能够携带的物体的重量。

精度则决定了机械手在操作过程中的定位精度和稳定性。

在设计过程中，需要根据具体的应用场景来确定这些参数，并且在满足需求的前提下尽可能最优化。

其次，机械手的结构设计决定了其运动灵活性和稳定性。

六自由度机械手一般由基座、臂、腕和手指等部分组成，每个部分都有自己的运动自由度。

在设计过程中，需要综合考虑各个自由度的运动范围、连杆长度和连接方式等因素。

同时，还需要考虑机械手的整体结构是否牢固，是否方便维护和安装等。

最后，机械手的控制系统设计包括运动控制和感知控制两个方面。

运动控制主要包括运动规划和轨迹控制等，通过对机械手的运动轨迹进行规划和控制，使其能够精确地完成指定的任务。

感知控制主要是通过传感器来获取机械手和外部环境的信息，并根据这些信息来做出相应的调整。

在设计过程中，需要选择合适的传感器，并设计相应的算法来实现感知控制。

综上所述，六自由度机械手的设计需要考虑到功能需求、结构设计和控制系统设计等多个方面。

只有在这三个方面都充分考虑到，并且在满足需求的前提下进行优化，才能设计出一台性能稳定、功能完备的六自由度机械手。

通过不断改进和创新，相信未来的六自由度机械手会在工业自动化领域有着更加广阔的应用前景。

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。

再者，肘部电机通过联轴器与一“内啮合”小齿轮连接，而大齿轮与前臂的端部通过平键来周向连接定位。

2014年第12期47焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。

根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，具有生产效率高且产品品质稳定，劳动力成本低廉，操作环境好等优点，主要用于工业自动化领域。

随着社会的发展，我国已经出现了人口老龄化，劳动力成本不断上升。

随着国内外机械行业竞争的不断加剧，对产品的质量要求更严格，焊接方式也急需由传统的手工焊接逐渐由传统的人工焊接转变向机器人焊接。

国外厂商如FANUC、OTC、ABB和KUKA等对焊接机器人的研究较早，已经形成了系列化产品并投放占领大部分的国内外市场份额。

国内在近几年才开始进行机器人技术的研究，起步较晚，机器人的性能和技术都和国外厂商有一定的差距。

因此，国内市场也需要在借鉴国外同类型焊接机器人优点的基础上，立足于现有的加工制造业水平，从解决实际问题的角度出发，研究开发出满足中小企业实际需要的经济型可靠型焊接机器人。

SOLIDWORKS2014是由美国SOLIDWORKS公司研究开发的基于造型的三维机械设计软件，其特点是易学易用，在企业内部推广成本低，SOLIDWORKS Motion是嵌在SOLIDWORKS中的运动仿真模块，依托其强大的运动分析功能，能比较精确地对焊接机器人进行工件运动位置及运动参数的计算，并以动画的形式计算出虚拟现实的动画演示，能很直观地解决六自由度焊接机器人的运动规律问题。

通过建立虚拟仿真环境进行机器人的仿真实验研究，可以大幅度降低实验成本，提高实验效率，在运动状态下进行运动仿真，能有效地检查机器人本体结构设计的合理性等，对实际样机的设计具有重要的参考和指导价值。

一、机器人本体结构设计1.机器人设计参数根据各种工况，焊接机器人可设定不同的运行程序，在工作状态中兼备高速动态响应和良好的低速稳定性的优点，在控制性能方面可以实现连续轨迹控制和点位控制。

（完整版）六⾃由度搬运机械⼿结构设计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。

《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言六自由度机械臂，因其灵活性与精确性，被广泛应用于现代工业制造、航空航天、医疗卫生等各个领域。

为提高机械臂的控制性能及工作效果，对其控制系统设计与运动学仿真进行深入研究变得尤为重要。

本文旨在详细探讨六自由度机械臂控制系统的设计及运动学仿真的关键技术与实施步骤。

二、六自由度机械臂控制系统设计1. 硬件设计六自由度机械臂控制系统硬件主要包括机械臂本体、传感器、控制器以及驱动器等部分。

其中，机械臂本体采用串联结构，以实现六自由度的灵活运动。

传感器则包括位置传感器、速度传感器以及力/力矩传感器等，用于获取机械臂的运动状态和环境信息。

控制器选用高性能微处理器，实现高速的数据处理和指令控制。

驱动器则采用高性能的伺服电机驱动器，以实现精确的驱动控制。

2. 软件设计软件设计主要包括控制算法的设计和实现。

控制算法包括运动规划、轨迹跟踪、姿态调整等部分。

运动规划根据任务需求，生成机械臂的运动轨迹和姿态。

轨迹跟踪则根据实际传感器数据，对机械臂的运动进行实时调整，确保其按照预定轨迹运动。

姿态调整则根据实际需求，对机械臂的姿态进行精确调整。

此外，为提高系统的稳定性和响应速度，还需设计相应的控制系统优化算法。

三、运动学仿真运动学仿真是对六自由度机械臂运动特性的重要研究手段。

通过建立机械臂的运动学模型，可以模拟其在实际工作环境中的运动状态和性能表现。

具体步骤如下：1. 建立机械臂的运动学模型。

根据机械臂的结构参数和运动特性，建立其运动学方程和模型。

2. 设置仿真环境。

根据实际工作环境，设置仿真环境的参数和条件，如重力、摩擦力等。

3. 输入运动轨迹和姿态调整指令。

根据任务需求，输入机械臂的运动轨迹和姿态调整指令。

4. 运行仿真。

通过计算机软件对运动学模型进行仿真运算，得出机械臂的实时运动状态和性能表现。

5. 分析仿真结果。

根据仿真结果，分析机械臂的运动特性、稳定性和响应速度等性能指标，为优化控制系统提供依据。

六自由度搬运机械手结构设计
在设计六自由度搬运机械手的结构时，需要考虑以下几个方面：
1.功能需求：确定机械手的工作范围、动作速度和负载能力等功能需求。

根据实际应用场景来确定机械手的参数，比如最大负载能力和最大工作范围。

2.结构类型：选择合适的结构类型，常见的有串联式机械手和并联式机械手。

串联式机械手的结构比较简单，但在工作速度和精度上稍逊于并联式机械手。

并联式机械手的结构复杂，但具有更好的工作速度和精度。

3.关节类型：确定各个关节的类型和结构，常见的有旋转关节和直线关节。

旋转关节可以实现物体的旋转运动，而直线关节可以实现物体的平移运动。

根据机械手的运动需求来选择合适的关节类型。

4.传动方式：选择合适的传动方式，常见的有蜗轮蜗杆传动、齿轮传动和带传动等。

传动方式直接影响了机械手的工作精度和稳定性，需要根据实际应用场景选择合适的传动方式。

5.控制系统：配备相应的控制系统和传感器，包括电机驱动系统、编码器和力传感器等。

控制系统可以实现机械手的精确控制和运动规划，提高机械手的工作效率和精度。

6.安全设计：考虑机械手的安全性设计，包括限位开关和安全防护装置等。

这些装置可以保护工作人员的安全，防止机械手在工作过程中发生意外。

总结来说，六自由度搬运机械手的结构设计需要综合考虑功能需求、结构类型、关节类型、传动方式、控制系统和安全设计等多个方面。

通过
合理选择和设计，可以使机械手具备高效、精确和安全的搬运能力，提高生产线的生产效率和质量。