工业机器人本体机械结构设计专用软件开发.docx

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工业机器人本体机械结构设计专用软件开发

工业机器人本体机械结构设计专用软件开发

摘要

随着科学技术的发展，特别是电子技术的飞速发展和工业自动化的发展，机器人技术在现代工业中的应用越来越广泛，工业机器人的应用，不仅可以减少手工操作的误差，但也一直处于运动状态，一直保持均匀的速度去工作。

现在的工业机器人正逐步取代完成一些复杂的人工，对环境的高精度要求的工作，从而提高精度和效率。

本文主要介绍了机械手，它被广泛应用在工业机器人上，机器手的定位精度高，控制简单，可代替人工处理，局部实现生产的自动化，本文讨论了机械手的机械结构，机械手的结构进行了分析，并根据该机械手的特点及其性能要求，对机械手实现控制设计。

关键词：

工业机器人机械结构专用软件

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,especiallytherapiddevelopmentofelectronictechnologyandthedevelopmentofindustrialautomation,roboticsinmodernindustrymoreandmorewidely,theapplicationofindustrialrobots,notonlycanreducemanualerrors,butithasbeeninmotion,hastoworktomaintainauniformvelocity.Industrialrobotsarenowbeinggraduallyreplacedbythecompletionofsomecomplexmanual,precisionrequirementsfortheworkenvironment,therebyimprovingtheaccuracyandefficiency.

Thispaperdescribesthemechanicalhand,itiswidelyusedinindustrialrobots,robotpositioningaccuracy,simplecontrol,canreplacemanualprocessing,partialrealizationproductionautomation,itdiscussestherobotmechanicalstructure,therobotstructurewasanalyzed,andaccordingtothecharacteristicsoftherobotanditsperformancerequirements,themanipulatortoachievecontroldesigns.

Keywords:

Industrialrobots_mechanicalstructure_dedicatedsoftware

摘要IAbstractII1工业机器人的研究现状11．1国外的研究情况介绍21．2国内的研究情况介绍32工业机器人设计建模32．1UG设计软件的介绍42．2机器人设计坐标系的构建53工业机器人本体设计原理分析63．1工业机器人的控制原理与特点63．2工业机器人动力学分析73．3工业机器人机械设计73．3．1机械臂的设计93．3．2传动机构103．3．3UG模型的设计114工业机器人控制软件开发124．1软件开发环境134．2工业控制方式145结论与展望15致谢16参考文献17

1工业机器人的研究现状

1.1国外的研究情况介绍

机器人是起源于上世纪50年代，第二十一个世纪以来，特别是近年来，机器人技术的发展非常迅速，它的发展主要经历了三个主要阶段，机器人的机器人被称为艾滋病的第一代，其功能主要用于研究与推广；第三代机器人传感功能的第二代；1954，美国是智能机器人，第一通用机械手，由工程师乔治原型设计，机械手采用遥控器杆结构，并结合伺服轴数控铣床，通过编程的方法使机器人实现简单的自动化功能，这在现代工业机器人的发展史上具有里程碑的意义。

第二代的机器人是机器人的感官功能，该机器人配备了许多内部感知传感器，传感器能够感知外界环境和作用对象，将信号反馈给控制器，提过信号分析控制器控制机械手的关节，正是因为机器人这样的性能，可以广泛应用于现代工业生产的各个行业，如汽车制造业，机械加工。

在生产和应用后，出现了多种机器人用于各种目的不同的结构，主要是在直角坐标，极坐标，节点坐标，造船，化工，电子业，主要从事一些比较专业的生产工作，包括处理，焊接，组装，目前，这种机器人占在全世界机器人比例70%，据统计，全球共有80万家企业单位，但在我国仅仅只有3000个单位，智能第三代机器人，该机器人不但能感知和识别外部环境，还具有做决策的能力，上世纪就已经开始研究智能机器人，据专家分析，世界制造业的发展迅速，汽车和电脑和高科技产业促进了它的快速发展，根据国际机器人联合会和联合国欧洲经济委员会的统计，近几十年，机器人技术发展迅猛，特别是进入21世纪后，机器人技术的逐步成熟，产品品种，数量和质量的增长速度，全世界的机器人，每年超过10%的销售增长，特别是在新的世纪，增长率达到20%，在世界所有地区，最著名的亚洲增长，增长率达到43%。

1.2国内的研究情况介绍

我国从上世纪70年代就开始了关于机器人技术的研究，它的发展分为3个阶段：

对70年代初期，80年的快速发展阶段，逐渐普及期90年后，在1972中国开始发展工业机器人的工作，经过努力，国家科研单位和高校发展各类通用机器人几十个，如液压伺服式，组合式，固定的节目类型，并开始研究机器人，80岁的时候，我国获得机器人技术的突破，进入了一个快速发展的时期，到90年代的十九，市场竞争更加激烈，传统的设备已经不能满足现代生产的需要，一些企业已经认识到需要使用机器人和其他自动化设备代替传统的手工操作，实现工业生产自动化，进入新世纪，我国的工业机器人技术的不断成熟，有了越来越广泛的应用。

经过40年的发展，中国的机器人技术有了很大的提高，不仅开发的焊接，装配，运输和其他各种用途的机器人，并通过机器人产业化基地投资兴建的国家资助的，为我们的机器人产业化的实现打下了坚实的基础，国内从事机器人技术研发人才储备丰富，已设计一个大机器人的开发能力，产品性能已达到国际先进水平，再加上我国人力资源丰富，加工成本低，目前中国制造的机器人产品的性价比较高，在市场上，竞争更加激烈，中国机器人技术研究主要体现在以下几个方面：

一是初级教学机器人；二是机械智能化机器人；三是高级智能机器人；四是装配机器人系统的兼容性问题；五是信息融合技术和机器人技术目前，我国有上千家从事研究的相关技术与机器人的单位和企业。

我国的机器人经历了起步和发展阶段，如今机器人技术的发展很快，虽然还不成熟和完善，但是从机器人的研究成果和应用发展的大体上看，我国与发达国家相比，我国的机器人技术及其工程应用水平不占主导地位，除了机器人数量少，其他方面包括性能等都有着一定的差距，21世纪，随着全球经济一体化进程的加快，企业之间，国与国之间的竞争趋于白热化，所有企业，都在努力提高工业自动化和信息化，因此工业机器人的需求变的很大很重要，我国机器人产业面临的发展机遇和巨大的挑战，所以我们需要做的是独立的研究和发展，解决机器人的关键技术问题，促进提升产业化进程机器人，机器人技术，它被广泛应用于工业自动化领域，在中国机器人技术方面我国很多企业都在开展国际交流与合作，争取机器人技术达到国际先进水平。

2工业机器人设计建模

机器人的操作（机械手）实际上是由若干节相互串联空间连杆机构组成的杆连接，通过旋转或形式移动节点而工作。

一端固定在底座上，另一端可在可达空间运动自由移动，它可以连接不同的端部执行器，完全掌握不同的需求，如焊接，组装等。

改变机械手末端姿态满意通过各关节的协调运动，完成特定的任务。

机器人运动学是位移之间的关系的研究，臂之间的链路速度和加速度，是机器人运动规划，轨迹规划的基础上，掌握操作计划和控制的一系列问题，经典的机器人运动学理论提供了必要的基础，关键的机器人运动学的关节变量和的末端执行器位姿关系的研究。

研究了机器人运动学的正运动学和逆运动学问题的两个。

在几何参数是已知的，和机器人手臂的其他成分，正运动学计算是基于关节变量（位置，速度，加速度），解决机器人末端执行器的位置，相对于相反的基准坐标，逆运动学解决根据机器人末端的姿势关节变量存在的姿势，是否只有。

机器人逆运动学问题中发挥的一个重要组成部分的机器人运动学，动力学与控制，直接影响速度和控制精度。

2.1UG设计软件的介绍

UG西门子公司出品的一个辅助制造的CAD系统，提供数字化建模和验证的方法在产品设计和制造的为用户提供过程中，为用户的虚拟产品设计和工艺设计要求，UG提供的解决方案的实践案例，UG很强大，可以构建复杂的实体和其他，随着计算机技术的发展，UG三维设计将成为主流，UG的发展开始于七月1990，是基于C语言的设计具有足够的灵活性，以支持多个离散格式，可以应用在不同的领域，UG的结构设计，子系统的设计和零部件设计三设计水平，企业可以通过利用UGNX数字产品开发系统实现对产品设计开发过程中，工程和制造等全方位的管理软件，主要有以下功能：

工业设计和风格，使用NX建模，工程设计人员能够快速创建和修改复杂的产品模型，你可以使用NX的渲染和可视化技术先进，满足外观设计的审美需求；

NX包括应用模块等产品的设计，具有高性能和机械设计绘图功能，以满足客户对产品的复杂建模的要求，NX包含专业设计模块设计所需的管道设计模块，钣金设计模块，模具设计模块和其他工业领域，仿真和优化，通过UGNX的使用，制造商可以通过仿真证实，和优化的数字产品，通过数字仿真在开发周期的使用，可以有效地提高产品质量，减少和消除施工设计，原型，并在周期变化的关系；

该UG加工模块提供了一个平等，友好的图形窗口环境，用户可以通过图形方式，刀具路径的运动观测修改：

对刀具路径的例子是延伸，缩短或修改，该模块还提供了一个通用的点加工编程功能，可用来钻孔，攻丝和锁孔，这个模块允许接口根据柔性改性需求和定制的用户，也可用于标准化工具库的定义，加工参数模板库进行初加工，半精加工，精加工的标准参数，以减少软件过程和优化的加工时间，UG软件的各个模块可以直接产生的物理模型的过程，并与实体模型保持一致；

UGNX后置处理模块的处理，用户可以很容易地建立他们的处理程序处理后，可以应用于所有当前主流的数控机床和加工中心，多年来在实际应用程序模块已被证明具有很好的适用性，模具设计，注塑模具是软件的一个重要模块，集成了许多模具的设计和测试工具，使设计过程。

误差修正，该设计方法主要是基于主模型设计方法从上到下，和参数化建模和装配技术引入到模具设计过程，使所有的部分模具可交互而设计和更新，还包括一个完整的模具标准件库，标准件库的多个模具标准件标准件}生产，从而节省了大量的模具设计过程中对客户的时间。

2.2机器人设计坐标系的构建

在使用D-H方法建立连杆坐标机械手的运动学分析。

对每个坐标轴的原则，Z轴与轴重合节点i，x轴与连杆连接轴常见的垂直重叠的两端，如果在关节轴两端的交叉口，为X关节轴的张法线方向的两端的方向，除了飞机，活动连杆杆坐标系的杆固定在接头。

该机械手属于关节型机。

下面的设计坐标系统：

表2.2-1设定坐标系

3工业机器人本体设计原理分析

3.1工业机器人的控制原理与特点

工业机器人控制理论是一个领域的机械工程控制论，本质上是工业机器人的机械系统动力学（机操作），具体地说，它是在一定的外部条件的机器人系统的研究（即输入或激励，包括外部控制和外部干扰的影响，从的角度来看）系统的初始状态，通过内部的固有特性的经历（由整个动态过程取决于系统的结构和参数确定的特征；三）对该系统的输入输出之间的动态关系的研究，可以满足工业机器人控制的要求，一定速度下的轨迹跟踪控制（如喷漆，弧焊操作）或点对点（PTP）定位控制（焊接，处理）的精度要求，并在某些任务（如研磨，组装）机器人提供了力/力矩，关节驱动电机的转矩UE命令的激励，所以我们必须设计一些控制算法，以产生适当的激励信号，以达到预期的运动。

现代工业机械的控制系统已在运动控制方面做了一些优化，而且在许多具体的任务，计算机优化算法和机器人运动模型的控制技术已成为过去，近10年来，工业机器人的控制模型，工业机器人的工业生产的要求有较大的灵活性和智能性，特别是对于一些中小企业，需要解决更多的配置，规划和环境的变化，即外部状态的任务定义的需要，反馈和实时处理更复杂的功能。

3.2工业机器人动力学分析

动力学是研究机械臂动力学的力和运动之间的关系，有两个问题需要解决，一是前进的动力，根据关节驱动力矩或力，机械手运动计算（关节的位移，速度，加速度）；另一种是逆动力学问题，即节点位移，速度和轨迹已知相应的加速度，必要的关节驱动力矩或力，机器人动力学求解的各种方法，这些方法都有其自身的特点，主要包括：

拉格朗日方程的方法：

通过动态，潜在的变化和广义力，机器人动力学方程；牛顿欧拉方程：

与旋转的构件的质心相对大规模的机器人运动部件中心的运动和转化，用动态的方法来建立基于欧拉方程的牛顿动力学方程。

动力学逆问题是基于节点位移，所需的关节力矩或力T的速度和加速度，考虑到计算量，改进的N这里使用的方程，在原有基础上的N-E方程的改进算法，所有成员的速度，加速度，惯性矩阵的时刻，质心位置，力和力矩，在杆的坐标系统，使计算更简单，计算时间不规模与机器人关节数线性关节驱动力矩，并与已无关的机器人配置，它是可能的在关节变量空间机器人实时控制算法，该算法是由两部分组成：

首先向外递推计算各连杆的速度和加速度，惯性力和一个式连杆力矩，第二步进递推计算连杆的相互作用力和力矩，和关节驱动F力或力矩。

表3.2-1机械杆受力分析

3.3工业机器人机械设计

在本文中，设计要求：

实用，具有较大的工作空间，机械手的扭腰不低于300度的活动范围，另一接头不小于120度。

不少于5公斤的负载能力，不超过25公斤的重量，与重复定位精度的外观，不超过10mm。

本项目采用了AGV小车的多自由度机械手的组合方式，扩展了移动机器人的工作空间，能够适应复杂的工作环境要求。

5+1自由度机械手模块的设计，包括腰部转动，臂挽着臂投球，投球，投球，小臂和手腕旋转开闭牙。

钢丝绳的牵引传动技术的运动。

1.机械臂的设计

机械臂关节传统常用的电机，减速器，万向节轴三直接连接，该机制要求电机与减速器安装在机器人的关节附近的电机和减速器，成为上关节附加载荷下接头，减少机械臂的外荷载的能力，从而提高整体重量，体积和内部消费。

根据其自身的重量最大负载能力，使所有的机械手的机械结构改进研究，钢丝绳传动机构具有突出的作用。

在机械手的自由结构的多度，可以大大减少机械臂传动的承载能力和减弱驱动组件使用钢丝绳系列负载传动机构执行终结。

虽然弹性降低了结构的刚度具有一定的负面影响，但提供了一个被动的柔性，在一些地区可以提高机械臂的自适应能力。

这一系列的钢丝绳缺陷影响机制的关节运动到下属的关节运动，关节运动的各关节的运动叠加的前端的影响，有运动的耦合问题，提高运动控制解决方案的困难。

为了简化结构的n度的传统系列立式关节的机械手的自由。

本文限定所有关节轴均平行布置，且电机与减速器等驱动件安装在相关关节处。

自由度n的传统串联型垂直关节机械臂的简化结构。

为讨论方便，设定所有关节轴均平行布置，且电机与减速器等驱动件安装在相关关节处。

定义相关参数如下：

每节臂架具有相同长度L（m）与质量m（Kg）；各关节（末端关节记为i=1）的驱动件质量为Mi（Kg），驱动力矩为Ti（Nm）；机械臂末端对外负载为Mout（Kg）。

各个关节的驱动质量与力矩定义为线性关系，M=a*T，a为常量，计算出来的最大力矩为：

T=i*M*g*L+1/2（i*I*m*g*L）。

从上文可知，各个关节承受力的力矩受负载、臂架的质量，随着自由度的增加，力矩随着质量的变化而呈线性关系。

2.传动机构

电机和减速机安装在驱动各关节的基础地位，每个关节的机器人臂通过钢丝绳的受力和力矩的传递，从而实现关节运动。

以下是多关节臂结构分解图的传输。

我的关节钢丝皮带轮固定在我臂，绳子开始环形绕组绕N~i+1个关节自由旋转的驱动轮的驱动构件库的方法，最后固定在我联合带轮，以便从基地到远端封闭传动节臂的力量实现。

通过钢丝绳与滑轮环绕传动结构可大大降低机械手臂的重量，克服了传统多关节负荷的重量比低。

表3.2-1机械臂关节结构分解图

为对比讨论方便，仍假设机械臂每节臂架具有相同长度L（m）与质量m（Kg）；各关节（末端关节记为i=1）的驱动力矩为Ti（Nm），钢丝绳牵引力为iF（N）；机械臂末端对外负载为Mout（Kg）。

同时假定钢丝绳带轮具有相同的半径r（m）。

由于环形缠绕的特点，第i关节的钢丝绳对第i关节产生Ti驱动力矩的同时，对第i+1~n关节处也产生同样大小的附加力矩，存在力矩的叠加。

自由度是机器人的一个重要的技术指标，该机器人结构决定，将直接影响到机器人的灵活性和可控性。

自由意味着机器人相对于参考系统可以独立运动，端部执行器的运动自由度和自由的运动是可以忽略的。

如果该机器人可以达到任何空间位置和姿态的要求，它应该具有6个自由度。

对末端执行器的任意位置可达工作空间，一般的手臂需要至少三个自由度。

虽然六个自由度可以使机器人的位姿，但可以根据不同的实际使用的不同自由度的选择，可以是小于或大于六度的自由。

当连杆机构自由度的机器人定位的需要，出现冗余自由度的自由度机器人，冗余度增加灵活性，避免碰撞和改善系统的动态性能良好，但也增加了编程的难度，并会引起下降的结构刚度和运动精度。

考虑物流系统掌握操作的特点，在大多数情况下，机械手的正抓住物体，不需要横向爬行，所以自由能消除机械手摇摆，只有两个自由度来确定的手势。

这样的设计可以使机器更简单，减少了机械臂的自重。

综合考虑，机器人手臂的设计腰部转动，臂挽着臂投球，投球，投球的手臂，手腕的转动和开闭牙5+1个自由度，包括三个自由度来确定机械臂的位置，两个自由度来确定的手势，一个度叼纸牙开闭自由，重力的方向展开结构整体使用。

3.4UG模型的设计

表3.4-1机械结构图

旋转的齿轮传动腰关节实现。

第一交流电机与蜗轮蜗杆减速器减速和增大输出扭矩连接，动力传递到小齿轮箱输出轴转速，大齿轮和小齿轮与大齿轮，腰部的底盘，和手腕部固定在底盘上，来实现旋转臂上水平面通过这种权力转移。

位置传感器安装在轴上的位置传感器，检测运动与腰围达到极限和零位。

表3.4-2传动腰设计图

在机器人系统的机械结构如图所示，为机器人臂轴主传动轴，所有的机械臂关节电机通过传动轴驱动关节的运动。

大臂，臂小臂，这是通过键和减少连接到电机箱，正确的输出转矩和转速，齿轮箱通过同步带轮将动力传输到关节轴。

大，中，小臂空心管结构，在臂小臂，驱动轴缠绕钢丝绳V螺旋滚筒结构。

在通过锁紧装置固定在臂轴钢丝绳的一端连接结构的行星环，控制臂的运动；随着手臂运动原理的小型武器。

在这种结构中，通过对轴承，相互独立，互不干涉各轴之间运动中的应用，结构紧凑和有效的。

表3.4-3驱动关节设计图

手上有两个自由度，开放和关闭的手腕和手的旋转。

一方面要求的力矩小，一个小的直流电机作为驱动装置，和嵌入式设计（臂圆管）。

直流电机位置检测是通过在齿轮固结线性电位器的电压降低，对直流电机的转角间接测量。

手腕的转动通过电机输出轴通过减速器驱动，通过齿轮减速器的电动机夹持开放带动丝杆转动，滚珠丝杠传动螺母的动作是用螺栓连接，螺母夹爪通过螺栓，弯曲和小臂连接作为一个支点，螺母垂直运动驱动。

集成的嵌入式上臂内侧张紧装置，驱动轴和从动轴之间的钢丝线。

固定块通过螺钉固定在大臂，通过调节螺栓安装在导轨固定块推力杆，可沿。

通过从大臂外旋入固定块滑道孔的调节螺栓的螺纹，连接到一个推力杆。

钢丝绳通过两个推力杆，两端与推力杆上的轮槽，大臂外旋调节螺栓，可使推力杆沿轨道滑动，从而促进了槽轮的滑动，张力调整以实现钢丝绳。

本实用新型具有调整方便，易于操作。

和调整螺栓安装在距离远的推力杆的一端，使钢丝绳张力的张力调整螺栓产生固定块的压力，力的平衡，从而实现内部张力调节装置。

4工业机器人控制软件开发

4.1软件开发环境

WindowsCE是一个压缩的，高效的，可扩展的操作系统，专为嵌入式系统和产品。

它是一个多任务操作系统有优先权，允许多个功能和过程，运行WindowsCE同时系统支持32位同步过程的最大值。

一个进程包括一个或多个线程，每个线程代表的过程的一个单独的部分，一个线程的基本思路是指定的进程，进程可以创建额外的线程数目不详的。

WindowsCE支持各种硬件设备和网络系统，包括串行端口，键盘和鼠标设备，调制解调器，以太网接口，USB设备，音响设备，印刷设备和存储设备。

随着WindowsCE的源代码是开放的，和微软加强在嵌入式领域的实力，定制能力的提高，再加上可用的资源丰富，因此人的前景看。

WindowsCE的结构无关的编程语言，从而保证部件和光盘系统，以充分适应有限的存储空间和各种硬件芯片的要求。

相比其他的嵌入式系统，它具有一系列的优点。

操作系统几乎完全是用C语言写的，具有良好的可移植性；只要硬件支持，WindowsCE内核可以支持任何级别的嵌套中断，避免损失或延迟的高优先级中断，实时；高度模块化；兼容性好，支持Unicode和各种运行时（例如，MFC的ATL，等。

）；人机接口和通信，支持图形和窗口，具有多媒体功能；同时支持多种通信方法，调试简单，开发成本低。

表4.1-1软件设计窗口

4.2工业控制方式

利用计算机控制的机器人控制系统，上位机采用wce-104x控制器，主要用于运动控制命令，运动学，轨迹规划，人机界面，电动机状态监测与显示。

在触摸屏操作控制器，通过操作来控制各关节的运动，机械手末端位置的确定和姿态数据输出。

为安全起见，通常的机械手和移动车不同时移动。

下位机控制系统采用mc6041多轴运动控制卡的机器人各关节，移动平台和机械手的实时控制。

它的主要功能是接受操作员命令数据，每个关节的位置数据采集，获得障碍物信息，终端控制算法的优化和机械手的姿势调整。

在本设计中，采用不同的应用不同的控制策略。

在开放的环境和无障碍，由操作员直接运动的机械手。

实时控制系统包括6个模块：

命令模块，轨迹规划模块，单轴运动规划，传感器采集模块，伺服控制模块和反馈模块。

命令模块用以接收来自PC机命令来决定是否单轴运动的轨迹规划。

路径规划，传感器的采样和伺服控制模块的周期性任务，被用来计算每个轴的目标位置，采样的传感器数据和发送输出信号给伺服驱动器。

使用不同种类的传感器，以提高对环境的适应能力的机器人的传感器系统。

霍尔传感器用于检测各关节的极限位置，运动信息被用于检测手腕，夹持器电位计。

机器人可以使模型的选择，可以选择三种机械手臂的控制模式：

单轴运动模式，终端的运动模式和教学模式的再现。

在一个时刻只能选择一种控制模式。

在单轴运动模型，每一个机械臂电机正控制，速度和可控制电机，通过脉冲指令和单轴转速输入组合指令单轴运动。

在运动模式结束，功能指令是对机械手的端平面，操作直观的运动的直接控制的实现，输入三个轴的速度和位置的命令。

在示教再现方式，在选择教学数据，通过启动按钮启动的演示程序，在需要停止机械臂运动通过停止按钮停止机械手的运