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本科生毕业论

本科生毕业论文

题目机器人

学院制造学院　

专业机械设计及其自动化　

学生姓名　

学号年级06

指导教师　

教务处制表

二ΟΟ年月日

目录

第一章绪论

摘要………………………………………………………………4

1.1选题意义…………………………………………………………6

1.2机器人的基本概述，作用，分类…………………………………6

1.3国内外机器人的发展现状和趋势…………………………………9

1.4工业机器人机器人发展前景………………………………………10

第二章机器人总体方案

2.1机器人结构概述…………………………………………………12

2.2机器人关节及传动机构…………………………………………15

2.3驱动方式…………………………………………………………16

2.4机器人的制动……………………………………………………17

第三章工业机器人零件选择及计算

4.1谐波减速器的选择………………………………………………19

4.2机器人电机的选择………………………………………………20

第四章臂部和关节连接件设计

3.1机器人臂部的总体设计…………………………………………23

3.2关节连接件总体设计……………………………………………23

3.3绘制过程简介…………………………………………………24

第五章总结

5.1毕业设计过程及所完成的工作………………………………34

5.2毕业设计感想……………………………………………………34

致谢…………………………………………………………………………36

参考文献……………………………………………………………………37

摘要

机器人技术是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等学科领域，是一门新型的综合性技术。

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，为工业自动化水平发挥了巨大作用，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

本文介绍了工业机器人的国内国外的发展状况和应用趋势，以及手臂的绘制过程。

本文的目的和任务是，通过设计，进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图、（其中包括计算机辅助设计）和学习使用设计资料、手册、标准和规范等；通过设计，把有关课程（机械原理、机械设计、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、现代机械设计理论及方法等）中所获得的理论知识在实际中综合的加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切地结合起来；通过设计，提高学生的机构分析与综合的能力，机械结构设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。

设计中应用了CAD,PRO-E等软件，工作任务包括机器人手臂的设计，套筒的设计及三维图的绘制，减速器和电机选择等等。

主题词：

机器人，工业机器人，机器人手臂设计

Abstract

Roboticsisaninterdisciplinaryintegratedtechnology,whichinvolvesmechanical,mechanisms,mechanicaldesign,pneumatictechnology,automaticcontroltechnology,sensortechnologyandcomputertechnologyandotherdisciplines,isanewintegratedtechnology.

Ascomputertechnologycontinuestodevelopinthedirectiontotheintelligence,roboticsapplicationareascontinuetoexpandanddeepen.theindustrialrobothasbecomeahigh-techindustriesandplayedasignificantroleinindustrialautomation,willplayimportantroleinproductionandsocialdevelopmentincreasingly.Thisarticledescribesanindustrialrobotdevelopmentathomeandabroad,andapplicationtrends,andthearmofthedrawingprocess.

Thepurposeandmission：

bydesign，mechanicaldesignofthebasicskillstraining,suchascomputing,graphics,（includingcomputer-aideddesign）andtheuseofdesigninformation,manuals,standardsandnorms;bydesign,tothecourse（mechanicalprinciples,mechanicaldesign,hydraulicandpneumatictechnology,automaticcontroltheory,testtechniques,designtheoryandmethodologyofmodernmachinery,etc.）intheacquiredtheoreticalknowledgetopracticaluseinintegrated,sothattheconsolidationanddevelopmentofknowledge,andtotheoreticalknowledgeandthecloseintegrationofproduction;throughthedesign,improvetheirbody'sabilitytoanalysisandsynthesis,mechanicalstructuredesigncapacities,thedesignofprocessautomationofproductionmethod.

DesignusedCAD,PRO-Eandothersoftware，thetasksincludedthedesignoftherobotarm,sleevedesignandthree-dimensionalmapping,speedreducerandmotorselectionandsoon.

Keywords:

robots,industrialrobots,robotarmdesign

第一章绪论

1.1选题意义

机器人是集机械，电子，计算机，控制，传感器，仿生学和人工智能等多学科理论的技术一体化机器。

随着先进制造技术的不断发展，为实现产品制造的自动化，智能化已成必然的发展趋势。

工业机器人作为一种综合性的高技术产品，不仅可提高产品的质量和产量，而且对保障人身安全（尤其是单调，繁重的体力劳动和危险的工种），减轻劳动强度，改善劳动环境，提高劳动生产率，减少废品，节约原材料消耗以及降低生产成本都有着十分重要的意义，在航空航天，海底等环境恶劣领域的探索也有着很重要的意义，并且随着机器人的智能化，其应用领域也将日益扩大。

可以说，今后凡是人所从事的体力劳动基本上都可以用机器人来完成。

另外，开发一种先进的，带智能的机器人需要其他很多先进的技术的支撑，从而带动其他学科的发展。

现在开发，应用机器人的规模代表的一个国家的科技水平。

综上所述，机器人的研究最直接的三个好处是：

1使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来。

2.使在机器人学中所用到的基础技术科学得到充分的应用和进一步的发展。

3.研究过程中往往产生许多新的研究领域和研究命题，而且极大地促进了新兴学科的发展。

另外，高精度、高可靠、长寿命、大转矩、低能耗、轻量化的高性能机器人，如能实现商品化、产业化、国际化，打破西方工业发达国家对我国的相关技术封锁和垄断，研制出我国具有自主知识产权并达到国际先进水平的高性能机电装备，提供关键科学技术条件，发展成为资源节约与环境友好的高性能机电装备和新的经济增长点，为促进国家安全、经济增长、学科建设与社会发展均能做出重大贡献。

1.2.1机器人的基本概述，分类

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化，智能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，安装等生产是不连续的。

专用机床是大批量生产自动化的一种有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械能比较有效地解决多品种小批量生产自动化。

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，自动化。

机器人的出现及其广泛的应用，为这些作业的机械化，自动化奠定了良好的基础。

工业机器人：

多数是指程序可变（编）的能够独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的机械装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。

简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。

图1-1机器人一般组成

从机器人的用途来分，大致可以分为两类：

军用机器人：

1.空中的机器人--无人机

2.地面上的军用机器人

3.水下机器人

4.太空机器人

民用机器人：

1.娱乐机器人

2.服务机器人

3.农业机器人

4.工业机器

1.2.2工业机器人

工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。

且这种操作机可以固定在一个地方，也可以在往复运动的小车上。

工业机器人是机器人的一种，它由操作机．控制器．伺服驱动系统和检测传感器装置构成，是一种仿人操作自动控制，可重复编程，能在三难空间完成各种作业的机电一体化的自动化生产设备，特别适合于多品种，变批量柔性生产。

它对稳定和提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件的快速更新换代起着十分重要作用。

广泛的应用工业机器人，可以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代。

提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存，提高企业竞争力。

随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用。

从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。

如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。

在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域工业机器人的应用也越来越多。

汽车制造是一个技术和资金高度密集的产业，也是工业机器人应用最广泛的行业，几乎占到整个工业机器人的一半以上。

在我国，工业机器人最初也是应用于汽车和工程机械行业中。

在汽车生产中工业机器人是一种主要的制动化设备，在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷涂、搬运、涂胶、冲压等工艺中大量使用，常见的HP20工业机器人见图1-2。

据预测我国正在进入汽车拥有率上升时期，在未来几年里，汽车仍将每年15％左右的速度增长。

所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，年增幅达到50％左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。

工业机器人除了在汽车行业的广泛应用，在电子，食品加工，非金属加工，日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人的需求也快速增长。

在亚洲，2005年安装工业机器人72，600台，与2004年相比，增长了40％，而应用在电子行业的就占了31％左右。

在欧洲地区，据统计2005年与2004年相l：

tI业机器人在食品加工行业的应用增长了17％左右，在非金属加工行业的应用增长了20％左右，在日用品消费行业增长了32％，在木材家具加工行业增长了18％左右。

工业机器人在石油方面也有广泛的应用，如海上石油钻井、采油平台、管道的检测、炼油厂、大型油罐和储罐的焊接等均可使用机器人来完成。

在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在工业机器人工作领域，这些技术会使工业机器人的应用更为高效，高质，运行成本低。

据预测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。

图1-2工业机器人HP20

1.3国外工业机器人的发展现状和趋势

工业机器人的发展

随着科技的不断进步，工业机器人的发展过程可分为三代，第—代，为示教再现型机器人，它主要由机器手控制器和示教盒组成，可按预先引导动作记录下信息重复再现执行，当前工业中应用最多。

第二代为感觉型机器人，如有力觉触觉和视觉等，它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力，目前已进入应用阶段。

第三代为智能型机器人它具有感知和理解外部环境的能力，在工作环境改变的情况下，也能够成功地完成任务，它尚处于实验研究阶段。

1.国外工业机器人的的发展

美国是机器人的诞生地，早在1961年，美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。

经过40多年的发展，美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。

其技术全面、先进，适应性也很强。

日本在1967年从美国引进第一台机器人，1976年以后，随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加，日本当时劳动力显著不足，工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎，使其日本工业机器人得到快速发展，现在无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一，素有“机器人王国”之称。

德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五六年，但战争所导致的劳动力短缺，国民的技术水平较高等社会环境，却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。

此外，在德国规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。

这为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。

目前，德国工业机器人的总数占世界第二位，仅次于日本。

法国政府一直比较重视机器人技术，通过大力支持一系列研究计划，建立了一个完整的科学技术体系，使法国机器人的发展比较顺利。

在政府组织的项目中，特别注重机器人基础技术方面的研究，把重点放在开展机器人的应用研究上。

而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界得以迅速发展和普及，从而使法国在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地。

英国纪70年代末开始，推行并实施了一系措施列支持机器人发展的政策，使英国工业机器人起步比当今的机器人大国日本还要早，并曾经取得了早期的辉煌。

然而，这时候政府对工业机器人实行了限制发展的错误。

这个错误导致英国的机器人工业一蹶不振，在西欧几乎处于末位。

近些年，意大利、瑞典、西班牙、芬兰等国家由于自身国内机器人市场的大量需求，发展速度非常迅速。

目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。

日系中主要有安川、OTC、松下、FANLUC等公司的产品。

欧系中主要有德国的KUKA、瑞典的ABB、意大利的CO毗U及奥地利的工GM公司。

2.国内工业机器人的发展现状和趋势

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：

70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。

随着20世纪70年代世界科技快速发展，工业机器人的应用在世界掀起了一个高潮，在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

进入20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高技术浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持，“七五”期间，国家投入资金，对工定机器人及零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷漆，点焊，弧焊和搬运机器人。

，国家高技术研究发展计划开始实施，经过几年研究，取得了一大批科研成果。

成功地研制出了一批特种机器人。

从2O世纪9O年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步，先后研制了点焊，弧焊，装配，喷漆，切割，搬运，码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批工业机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

但是与发达国家相比，我国工业机器人还有很大差距。

目前，我国工业机器人公司主要有中国新松机器自动化股份有限公司和首钢莫托曼机器人有限公司。

1.4工业机器人发展前景

工业机器人的发展前景很可能从以下几个方面得以展开：

1．工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。

2．工业机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。

3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

4．工业机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

5．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

6．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

7.开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合。

8.研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。

并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。

第二章机器人总体方案设计

1.机器人结构概述

工业机器人是由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。

主体指的是机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，甚至有的机器人还有行走机构（脚）。

大多数工业机器人（如图2-1,2-2）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（伺服电机）和传动机构（减速器），用来控制执行机构产生相应的动作和产生动作的速度；控制系统的主要功能是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并对其工作过程进行控制。

工业机器人按臂部的运动形式分为四种：

直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。

工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。

点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

这次设计的是HP20系列的工业机器人代表，该系列机器人从小机型到大机型，它的动作速度，精度及可靠性体现了机器人的先进水平。

与其他工业机器人相比，HP系列机器人具有更快的轴动作速度，轻型的机体和具备高轨迹精度控制及振动抑制控制的NX100控制柜的有机结合，减弱了机器人启动和停止瞬间的颤动，从而缩短了机器人的运行周期。

许用扭矩和转动惯量的提高使机器人能在更广阔的应用场合用于点焊和大型工件的搬运。

HP20系列的一些基本参数见表2-1。

同时，HP系列的机器人操作机具有最大的工作半径和最小的干涉半径，工作范围变大，在系统设计上提供了较大的灵活性，机器人后方的工作范围的扩大，可以提供更广泛的应用方案，使夹具，剪丝机等设备可以采用更高效的安装方式。

图2-1机器人主视示意图

图2-2机器人俯视示意图

表2-1机器人的基本参数

2.机器人关节

机器人关节是机器人的基础部件,其性能的好坏直接影响机器人的性能。

机器人关节的功能特点,驱动方式,应用场合和主要结构不同有几种典型的机器人关节结构形式,下面将对工业机器人的关节结构进行了较为详细的介绍;随着数字伺服技术等电子技术的发展,机器人关节也在不断发展。

机器人关节呈现出大力矩、高精度、反应灵敏、小型化,机电一体化,标准化和模块化等趋势,以适应机器人技术发展的需要。

机器人的关节系统包括驱动器、传动器和控制器,属于机器人的基础部件,是整个机器人伺服系统中的一个重要环节,其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影响。

工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人,其关节的分类见图,可以根据输出运动形式,传动机构,驱动器,有无减速器和运动副的不同对机器人关节进行分类。

直接驱动　间接驱动

运动副形式

有无减速器

图2-3关节的分类

工业机器人是多关节机器人,它由多个回转关节和连杆组成,模拟人的肩关节、肘关节和腕关节等的作用。

HP系列机器人采用的是回转关节，回转关节是连接相邻杆件,如手臂与机座,手臂与手腕,并实现相对回转或摆动的关节机构,由驱动器、回转轴和轴承组成。

3.机器人的传动

工业机器人的传动装置与一般机械的传动装置的选用和计算大致相同。

点工业机器人的传动系统要求结构紧凑，重量轻，转动惯量和体积小，要求消除传动间隙，提高其运动精度和位置精度。

工业机器人的传动装置除齿轮传动，蜗杆传动，链传动和行星齿轮传动外，还常用滚珠丝杆，谐波齿轮，钢带，同步齿轮带等。

工业机器人的手臂传动为旋转运动，多数电机能直接产生旋转运动,但常需各种齿轮、链、皮带传动或其他减速装置,以获取较大的转矩。

旋转运动传递和转换方式有上图中的传动机构的几种形式，而大多数的HP系列机器人为了紧凑和轻型的目的采用的减速器是谐波减速器。

4.机器人驱动方式

产业用机器人机构驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动两种。

直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连；间接驱动方式则是把驱动器的动力通过减速器的钢绳、履带及平行连杆机构，等传递给关节。

远距离驱动方式是间接驱动方式的一种。

1.直接驱动方式：

直接驱动方式的优点是驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦等非线性因素的影响，控制性能比较好。

然而，为了直接驱动手臂的关节，驱动器的输出转矩必须很大。

此外，由于不能忽略动力学对手臂运动的影响，因此控制系统还必须考虑到手臂的动力学问题。

2.间接驱动方式：

间接驱动方式中包含带减速器的电机驱动、远距离驱动等几种。

远距离驱动将驱动器与关节分离，目的在于减少关节的体积、减轻他的重量。

一般来说，驱动器的输出力矩都远远小于驱动关节所需要的力