四自由度机器人设计及分析
《精心整理》四自由度机器人毕业设计论文要点
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。
机械设计四自由度机器人
机械设计四自由度机器人机器人在现代工业生产中发挥着重要的作用，它能够替代人工完成一些重复性的、危险性的和精确度高的工作。
在众多机器人中，四自由度机器人是一种常见且广泛应用的机器人，它具有较好的灵活性和适用性，能够适应不同工作任务的需求。
四自由度机器人是指机器人系统具有4个运动自由度，即可以在三维空间内进行四种基本运动：平移运动、旋转运动、摆动运动和夹持运动。
这种设计使得四自由度机器人具有更强的机械臂灵活性和适应性，能够完成更多种类的工作任务。
在四自由度机器人的设计中，需要考虑机器人的结构和运动机构的设计。
机器人的结构是指机器人整体的组成和布局，包括机械臂、末端执行器、控制系统等。
通常，机器人的结构应该具备轻便、稳定和易操作的特点，以保证机器人在工作中具有高效性和可靠性。
在机器人的运动机构设计中，需要选择合适的传动机构和电机驱动系统。
传动机构是机器人运动的关键，影响着机器人的运动精度和可靠性。
常见的传动机构包括直线传动、旋转传动等，可以根据具体的工作任务选择合适的传动机构。
另外，电机驱动系统在机器人运动中起到了关键作用，电机的选择和驱动方式根据工作需求确定。
四自由度机器人广泛应用于各个领域，如工业生产、医疗器械、电子产品等。
它可以完成一些重复性的、危险性的和精确度高的工作，提高工作效率和质量。
以工业生产为例，四自由度机器人能够完成装配、焊接、喷涂等工作，取代人工操作，降低了工作强度和安全风险。
总之，四自由度机器人是一种常见且广泛应用的机器人，它具备较好的灵活性和适应性，能够适应不同工作任务的需求。
在机器人的设计中，需要考虑机器人的结构和运动机构的设计，以保证机器人在工作中具有高效性和可靠性。
四自由度机器人在各个领域发挥着重要的作用，提高了工作效率和质量，推动了现代工业的发展。
毕业设计四自由度机器人
毕业设计四自由度机器人毕业设计题目：四自由度机器人的设计与控制一、引言四自由度机器人是一种常见的工业机器人，其基础结构包括底座、臂部、腕部和末端执行器。
在工业生产线上，四自由度机器人广泛应用于装配、焊接、喷涂等需要精确操作的工艺环节。
本篇毕业设计论文将对四自由度机器人的设计与控制进行研究和分析。
二、机器人的设计1.结构设计：为了实现机器人的灵活和精确操作，我们将设计一个四自由度机器人。
该机器人的结构由底座、臂部、腕部和末端执行器组成。
底座提供了机器人的稳定性和机动性，臂部负责机器人进行大范围的空间运动，腕部通过关节连接臂部和末端执行器，末端执行器完成具体的操作任务。
2.运动学设计：机器人的运动学设计是机器人设计中的重要一环。
我们将采用世界坐标系和本体坐标系的方法，建立逆运动学模型和正运动学模型，以实现机器人的运动控制。
具体设计中，我们将采用符号法推导机器人的运动学方程，通过求解并进行数值模拟验证，实现机器人的精确运动。
三、机器人的控制1.控制系统设计：机器人的控制系统是实现机器人精确操作的核心。
我们将采用开环控制和闭环控制相结合的方法，设计机器人的控制系统。
开环控制系统通过预设关节角度实现机器人的运动，闭环控制系统通过传感器反馈实时监控机器人的运动，并进行误差修正，实现机器人的精确操作。
2.控制算法设计：我们将采用PID控制算法对机器人进行控制。
PID控制算法具有稳定性好、计算简单等优点，适用于工业机器人的控制。
我们将根据机器人的运动学特性，根据机器人的误差信号设计合适的PID参数，以优化机器人的运动轨迹和操作精度。
3.编程与仿真设计：为了验证机器人的设计和控制系统的有效性，我们将使用MATLAB和Simulink进行编程和仿真设计。
通过编写机器人运动学模型和控制算法的代码，并在Simulink中搭建机器人的控制系统，实现机器人精确操作的仿真。
四、总结本篇毕业设计论文对四自由度机器人的设计与控制进行了研究和分析。
四自由度机器人设计及运动学动力学分析
目录摘要............................................................................................................错误!未定义书签。
Abstract ........................................................................................................错误!未定义书签。
1绪论 (4)1.1 引言 (4)1.2机器人研究现状及发展趋势 (5)1.3本课题的主要研究内容和工作安排 (10)1.3.1课题研究的背景及意义 (10)1.3.2课题研究的内容及安排 (12)2四自由度串联机器人本体结构设计 (13)2.1机器人的总体方案设计 (13)2.1.1抓取机器人功能需求分析及其特点 (13)2.1.2机器人驱动方案的确定 (14)2.1.3机械传动方案的确定 (15)2.1.3机器人基本技术参数设计 (15)2.1.4机器人本体的总体结构 (17)2.2机器人本体基本结构设计 (18)2.2.1大臂和小臂机械结构设计 (18)2.2.2腕部机械结构设计 (20)2.2.3直线组件的设计选择 (20)2.2.4支架结构设计 (21)2.2.5步进电机与减速器的计算和选择 (22)2.2.6机器人传动轴的校核 (25)2.2.7机器人本体的三维模型 (26)2.3本章小结 (27)3四自由度抓取机器人运动学分析及仿真 (28)3.1机器人运动学分析 (28)3.1.1奇次坐标变换 (29)3.1.2 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法 (30)3.1.3抓取机器人运动学模型的建立 (32)3.2机器人运动学方程的建立 (33)3.2.1抓取机器人的正运动学分析 (33)3.2.2工业机器人工作空间分析 (35)3.2.3机器人雅可比（Jacobian）关系求解 (38)3.2.4 抓取机器人的逆运动学分析 (41)3.3四自由度串联机器人运动学仿真 (45)3.3.1虚拟样机技术概述 (45)3.3.2本文用到的ADAMS软件模块 (46)3.3.3建立机器人仿真模型 (47)3.3.4机器人位移仿真分析 (49)3.3.5机器人速度仿真分析 (50)3.4 本章小结 (51)4. 轨迹规划及仿真分析............................................................................. 错误!未定义书签。
垂直关节四自由度插件装配机器人设计
摘要随着工业自动化的不断发展，现代机电设备中都存在控制电路板，板上有不少芯片 插件需要在装配时准确插入芯片座。
在中、大批量生产中，电路板生产线上这种取芯片 -插入芯片的装配动作一小时要做数千次，只有装配机器人能满足如此高节奏、高要求 的生产任务。
机器人具有各种关节的形式，电子插件装配机器人在垂直方向上要求手臂 有很高的刚度， 而在水平方向动作灵活。
工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门, 如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。
由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的 繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深 水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。
本课题的目的是构思、 设计一种形体和功率较小， 适合在生产线上按程序指定动作， 以要求的装配精度完成电路板插件装配的小型工业机器人，且具有较好的经济性和性能 /价格比。
本课题所设计的垂直关节四自由度插件装配机器人，也叫 SCARA 机器人，对 于此次机器人设计进行了机械部分设计和控制接口部分的设计。
机械部分的设计，根据SCARA机器人结构的特点，三个旋转关节和一个升降关节， 完成了设计机器人的整体机械传动结构、交流伺服电机的选型和各个零件的设计计算及 校核，并运用AutoCAD 绘制了总体装配图和部分零件图。
控制部分的设计，设计了以单片机为下位机控制机，PC机为上位控制机的二级体系 结构，从而完成对SCARA机器人的闭环控制。
在此控制电路中，下位机系统由单片机、 锁存器、外部扩展EPROM、译码器、伺服驱动器等组成，并完成了控制电路的硬件配线。
下位机和上位机的数据交换，需通过 MAX202CPE 作为中间元件来完成通讯，从而从 PC 机中获得动作指令。
关键词：SCARA 机器人,控制器,单片机,伺服电机ABSTRACTWith the continuous development of industrial automation, the modern electromechanical equipment can exist control circuit board, board has many chip plugins require accurate in assembling a insert the chip. In mass production, circuit board production line this take chipinsert the chip assembly action an hour to do thousands of times, only to meet such a high assembly robot rhythm, high requirement of production tasks. Robot has all kinds of joints in the form of electronic assembly robot in vertical direction plugin required in the arm has very high rigidity, and flexible motion in a horizontal direction. Industrial robot have been widely used in industrial production of various sectors, such as mining, spraying, welding, medical and so on various fields. With the industrial robot appear, it replaced the people's heavy constantly labor, greatly improving the productivity and reduce the labor intensity of the people, in addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, increasingly reflects its superiority.The aim of this project is to conceive, design a kind of form and power smaller, suitable for in the production line in a program specified action to demand the assembling accuracy of complete circuit board assembly of small industrial robots plugins, and has the good efficient and performance/price ratio. This subject is the design of vertical joints 4dof plugin assembly robot, also called SCARA robot, robot design for the mechanical design and control interface part of the design.The design of mechanical part, according to the characteristic of structure of SCARA robot which have three rotating joint and a lift joints, completed the design of robot mechanical transmission structure, the selection of ac servo motors and each part of the design calculation and check, and use AutoCAD mapped the general assembly drawing and part drawing.Control part of the design, design with the single chip microcomputer as the next place machine control machine, the PC for upper secondary system control machine structure, thus completing the SCARA robot closed loop control. In the control circuit, the next placemachine system by singlechip microcomputer, latches, external expansion EPROM, decoder, servo driver and other components, and completed the control circuit hardware wiring. A machine and the upper machine under the data exchange, need to pass MAX202CPE as components to complete the communication among, thus from PCS get motion commands.Key Words: SCARA Robot, Controller, Single Chip, Servo motor目录1. 绪论 (1)1.1 工业机器人的发展及研究现状 (1)1.2 SCARA 机器人概述 (4)1.3 本课题研究意义 (4)1.4 总体方案 (5)2. 机械部分设计 (6)2.1 控制用电机的种类 特点和选型 (6)2.2 伺服电机减速机的配型 (7)2.3升降臂传动的设计及部件的选择与校核计算 (8)2.4大小臂的设计 (17)2.5大小臂关节的设计及校核计算 (17)2.6末端执行器的设计 (18)2.7机器人的传感器 (19)3 机械标准件的选型与校核 (21)3.1 销连接的选型与校核 (21)3.2联轴器的选型与校核 (21)3.3轴承的分类及选用 (23)3.4键的分类及选用 (26)4.系统控制部分设计 (28)4.1控制系统的整体结构 (28)4.2单片机的选型 (28)4.3单片机系统硬件设计 (29)4.4控制系统的硬件安装与配线 (30)4.5单片机控制方案 (31)5.结论 (33)5.1 总结 (33)5.2 展望 (33)参考文献 (34)致谢 (35)1. 绪论1.1 工业机器人的发展及研究现状机器人自诞生之日起，就显示出了其强大的生命力。
一种的4自由度全柔性机构的设计和分析
一种的4自由度全柔性机构的设计和分析作者简介：胡卫华（1969-），男，助工，研究方向：机械制造与机构学。
微动机器人是目前器人研究领域中的热点课题之一。
微动机器人运动精细，可达亚微米甚至纳米级的定位精度，在生物、医疗科学、微细加工、航空航天等领域有着广阔的应用前景。
为此设计分析满足特定要求的新型微动机器人机构就显得尤为重要。
设计一种的4自由度4-RRUR全柔性机构并对其进行了运动学分析、静态结构分析和模态分析。
标签：微动机器人；柔性铰链；4-RRUR全柔性机构；有限元分析1概述柔性机构作为一种高精度的位移传递机构，广泛地应用于各种微位移平台，已成为国内外研究的热点。
而柔性铰链式微位移机构具有结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间、无爬行、机械谐振频率高、抗震动干扰能力强等优点，采用压电陶瓷驱动器进行驱动则很容易实现高分辨率的位移。
全柔性机器人机构是一种具有复杂结构的柔性机构。
它通过用柔性铰链代替所对应的全部传统铰链，并利用柔性铰链的变形产生运动。
该类机构可设计成一体化的结构，进而在降低制造与装配成本的同时还可实现很高的定位精度。
2柔性铰链的选型与设计柔性并联机构是并联微动机器人的主要机构构型之一，在机构学领域，首先要讨论的一个问题就是机构结构即所谓的“型”，具有满足转角最大的椭圆型柔性转动副及相当于轴线相交于一点的两个转动副的虎克铰结构。
其结构图分别如图1和图2。
3一种的4自由度4-RRUR全柔性机构的设计与比较4-RRUR并联机构简图如图3所示。
该并联机构由一个定平台、一个动平台以及四个相同的支链对称放置构成。
其中每条支链有一个转动副和一个万向节并通过转动副分别与定平台和动平台连接，能实现X、Y、Z上移动和绕Z转动4个自由度运动。
图34-RRUR并联机构简图采用替换法将图3简图中的运动副用相应的柔性运动副替换。
柔性转动副采用椭圆弧切口、双轴形运动副及柔性虎克铰来代替简图中的运动副。
考虑使动平台实现4自由度明显运动，在柔性支链与动平台接触较近处的转动副给出两种设计方案如图4所示。
四自由度scara机器人系统机构设计及运动学分析
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ｍｅｔｈｏｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＳＣＡＲＡ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄ￣ｈ ｐａ￣
ｒａｍｅｔｅｒ ｍｅｔｈｏｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ａｔ ｌａｓｔꎬ Ｍａｔｌａｂ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｃａｒ￣
四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现
四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现首先，四自由度多用途气动机器人的结构设计包括机器人的机械结构和气动元件的选择。
机械结构应尽量简单、紧凑，以减少机器人的体积和重量。
同时，机械结构应该能够实现机器人的各种运动，如平移、旋转和弯曲等。
为了实现这些运动，可以采用链式结构或并联结构。
链式结构由多个连接件组成，通过连接件的运动实现机器人的运动。
并联结构由多个执行器和驱动器组成，每个执行器驱动机器人的一个运动自由度。
气动元件的选择应根据机器人的需求和工作环境来确定，常用的气动元件有气缸和气动执行器等。
气动元件具有体积小、重量轻、响应快等优点，适合用于多自由度机器人的驱动。
其次，四自由度多用途气动机器人的控制实现包括机器人的运动规划和运动控制。
机器人的运动规划是指确定机器人在工作空间中的轨迹和姿态。
一般可以通过运动学模型和逆运动学模型来实现机器人的运动规划。
运动学模型描述了机器人的姿态和轨迹之间的关系，逆运动学模型则反过来计算机器人的关节角度和末端姿态。
运动控制是指控制机器人按照规划的轨迹和姿态进行运动。
控制方法可以采用开环控制或闭环控制。
开环控制是通过预先设定的轨迹和姿态来控制机器人的运动，闭环控制则通过传感器反馈来调整机器人的运动。
根据机器人的需求和控制精度要求，可以选择适合的控制方法。
综上所述，四自由度多用途气动机器人的结构设计和控制实现是一个相互关联的过程。
机械结构应能够实现机器人的各种运动，气动元件的选择应根据机器人的需求和工作环境来确定。
机器人的运动规划和运动控制则是必不可少的，可以通过运动学模型和逆运动学模型来实现机器人的运动规划，通过开环控制或闭环控制来实现机器人的运动控制。
通过合理的结构设计和控制实现，四自由度多用途气动机器人可以完成各种任务，具有广泛的应用前景。
四自由度工业机器人的本体结构设计和建模
立柱作升降运动， 获得较大的升降行程。升降过程由 电动机带动螺柱旋转， 与螺柱配合的手臂完成上下往 复的升降运动。 手臂的回转由电动机带动减速器轴上 的齿轮旋转 ， 从而带动了机身的旋转 ， 满足运动的四 个 自由度要求。．手部的结构设计。 Ｉ Ｉ 由于所上的物料 属于小回转体 ， 手部在工作时， 应具有适 当的夹紧力 和合理设计手部的开闭角度， 以保证夹持稳定可 ， 靠 变形小 ， 且不损坏工件的已加工表面。因此采用最常 用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧， 松开时， 用单作用式液压缸。ｌ ２腕部的结构设汁。腕 部是联结手部和臂部的部件， 腕部运动主要用来改变 被夹物体的方位， 腕部具有回转这一个 自由度， 可采 用具有 —个 自由度的 回转缸驱动 的腕部结构 。１ 手 － ３ 臂的结构设计。 手臂是机械手的主要执行部件。 它的 作用是支撑腕部和手部， 并带动它们在空间运动。为 使机器人的运动精准， 在设计手臂的 结构时必须选择 合适的导向装置和定位方式。Ａ Ｉ 升降机构的 计 螺 设 。 杆是机械手的主支承件， 并传动使手臂上下运动。 ２基于Ｓｌ ｗ ｒｓ ｏｉ ｏｋ 的机器人的建模。Ｓｌ ｗｒｓ ｄ ｏｄ ｏｋ ｉ 模型由零件， 装配体和工程图等文件组成， Ｄ， 由２ ３ Ｄ 草图直接生成 ３ Ｄ模形和工程图时， 如果修改了草图 的标注尺寸， ３ 其 Ｄ模形和工程图会同步更新； 相反， 如果修改了工程图的标注尺寸， ３ 其 Ｄ模形和草图也 会同 步更新。 软件使用起来非常方便， 大大减少了 设 计人员的工作量， 提高了工作效率。利用该软件实现 了该四自由度机器人的建模。
一
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科 技论 坛 ｆｆ ｆ
段成燕 王 金 王东胜 刘 喜平 刘 春香
科
四 自由度工业机器人 的本体结构设计和建模
四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计
四自由度圆柱坐标型工业机器人机械设计摘要在现代制造业中，工业机器人已成为不可或缺的核心自动化装备。
工业机器人适应工作环境能力强，可担任各种类型各种强度的生产工作，精度高、速度快、易于控制，可显著提高生产的工业自动化水平。
国内工业机器人起步晚，市场占有率低，许多核心技术还没有掌握，可靠性低，应用范围小，零部件互换性低。
现设计一种四自由度的圆柱坐标型机器人，能实现工件的上下搬运。
该四自由度机器人由两个旋转自由度机构和两个平移自由度机构组成，根据机器人运动参数，选择足够功率的伺服电机，然后，估算驱使机构各自由度运动需要的力及扭矩，选择传动比合适且大小合适的减速器。
通过伺服电机减速器驱动机构的运动，实现机器人腰部旋转，手臂的竖直升降，手臂的水平移动和末端操纵器的旋转。
在机器人辅助系统的设计部分，还考虑了伺服电机导线坦克链的排布，机构零点位置的触发开关及其导线排布的设计。
关键词：四自由度，圆柱坐标，工业机器人，机械设计Mechanical Design of a 4-DOF CylindricalIndustrial RobotAbstractIn modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core technologies have not yet mastered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low.The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is composed of two rotational degrees of freedom and two translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission ratio and suitable reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into consideration.Key Words：4-DOF; Cylindrical coordinates; Industrial Robot; Mechanical design目录摘要 (ⅰ)Abstract (ⅱ)第一章引言 (1)1.1 工业机器人 (1)工业机器人的概念及特点 (1)1.1.2 工业机器人的组成 (1)1.1.3 国内外发展状况 (2)1.2 研究内容 (2)1.2.1 研究方法 (2)1.2.2 研究成果 (2)1.3研究意义 (2)第二章机构结构设计 (4)设计分析及方案拟定 (4)2.1.1 设计要求 (4)2.1.2 设计流程 (5).3 方案拟定 (5)主要结构件设计 (6)2旋转平台结构 (6)滚珠丝杠结构 (7)中间连接器 (9)外壳设计 (11)2.3受载变形校核 (11)第三章传动机构设计 (13)3.1腰部转动 (13)3减速器选择 (13)伺服电机选择 (14)3.1.3传动法兰盘设计 (15)3.2竖直平移 (16)3滚珠丝杠及螺母选择 (16)伺服电机选择 (18)联轴器选择 (19)3.3水平平移 (20)3滚珠螺母丝杠选择 (21)伺服电机选择 (21)联轴器选择 (22)3.4手臂末端操纵器旋转 (23)3伺服电机选择 (23)减速器选择 (24)第四章辅助机构设计 (25)4.1 坦克链线路设计 (25)4.2 机构零点设计 (26)第五章总结与展望 (28)5.1 总结 (28)5.2 展望 (28)参考文献 (30)致谢 (31)附录 (32)第一章引言工业机器人1工业机器人的概念及特点我国专家学者对于工业机器人的概念解释也各有不同，综合各方面的说法，从工业机器人能实现的功能来讲，工业机器人是有以下功能的机器：〔1〕具有执行运动操作的机构；〔1〕具有通用性，可实现多种运动操作；〔2〕有一定程度的智能，能重复编程；〔3〕有一定的独立性，一定程度上不依赖人的操纵。
四自由度工业机器人运动学分析与仿真
《装备制造技术》2021年第2期四自由度工业机器人运动学分析与仿真张洪波1,孟丹1,潘宜斌2,冯宝林1,岳亮亮1,李磊1 (1•常州先进制造技术研究所，江苏常州213164:2.合肥固泰自动化有限公司，合肥230051 )摘要：以高粉尘环境下四自由度工业机器人为研究对象，利用D-H法建立机器人运动学方程，求出其位置的解析解，利用solidworks软件建立机器人的三维虚拟样机，并用recurdyn软件进行了运动学仿真验证关键词：工业机器人;运动学分析；运动学仿真中图分类号：TP242.2 文献标识码:A 文章编号：1672-545X(2021 >02-0017-030引言随着人力成本的逐步提高，搬运码垛等运输工 业的发展遭遇了前所未有的掣肘，高速重载工业机 器人技术的研究已成为我国工业领域亟待解决的问 题。
当前，四自由度码垛机器人多是由两个旋转关节 和两个移动关节组成的混联机器人，而四个旋转关 节机器人具有动作灵活、工作空间大、干涉小、结构 紧凑、易密封防尘等优点l h21。
本文采用双平行四边形 串联机构,增加了机器人本体整体刚度，同时可以维 持末端执行机构的水平姿态；对四自由度工业机器 人的四个旋转关节进行结构分析和运动学分析，在 不考虑力与力矩情况下，将机器人相对于固定参考 坐标系的运动作为时间的函数，研究了关节变量和 机器人末端位姿的关系i3'并用recurdyn进行运动 学仿真，验证了机器人数值计算，同时为机器人后续 的轨迹规划,动力学性能分析提供参考。
1机器人结构设计本文机器人的设计负载250 kg，主要由四个旋 转关节组成：（1)转座通过轴线竖直的旋转关节与底 座相连；（2)转座为机器人本体的支撑机构，其上安 装有平衡缸、大臂和副杆连杆；（3)小臂通过电机、减 速器直驱方式安装在大臂关节处，旋转关节处亦为 副杆连杆支撑点；(4)腕部与小臂通过旋转关节相连, 通过副杆连杆和大、小臂形成的平行四边形机构，使 腕部始终保持水平，同时满足腕部的易控性,腕部结 构为法兰盘形式，根据执行机构的不同，连接特定的执行器|51。
四自由度机械手设计
四自由度机械手设计四自由度机械手是指具有四个独立运动自由度的机械手。
它可以在三维空间内进行灵活的运动和操作，广泛应用于工业制造、医疗护理、服务机器人等领域。
本文将从机械结构设计、运动控制系统、应用领域等方面进行论述，介绍四自由度机械手的设计。
首先，机械结构设计是四自由度机械手设计的关键。
通常，机械手由机械臂、末端执行器、关节驱动装置等组成。
在设计机械臂时，需要考虑结构的刚度、轻量化和尺寸设计等因素。
关节驱动装置可以采用电机驱动、气动驱动或液压驱动等方式，根据具体应用场景选择不同的驱动方式。
末端执行器是机械手最重要的部件之一，其设计要充分考虑操控对象的形状、尺寸和质量等要素。
其次，运动控制系统是确保机械手运动精度和灵活性的关键。
四自由度机械手通常采用闭环控制系统，通过传感器实时反馈机械手的位置、速度和力等信息，通过控制器计算控制命令，控制机械手的运动。
在控制系统设计中，需要考虑传感器的精度、控制器的计算能力和控制算法的设计等因素。
常见的控制算法有PID控制、模糊控制和自适应控制等。
最后，四自由度机械手应用领域广泛。
在工业制造中，机械手可以替代人工完成重复性、危险性和高精度的任务，如焊接、装配和搬运等。
在医疗护理领域，机械手可以用于手术助力、康复训练和辅助生活等。
在服务机器人领域，机械手可以用于家庭服务、餐厅服务和残疾人辅助等。
随着无人驾驶技术的普及，机械手还可以用于车辆维修保养和物流配送等场景。
总之，四自由度机械手的设计涉及机械结构、运动控制系统和应用领域等多个方面。
通过合理设计机械结构，构建高刚性、轻量化的机械手。
运动控制系统的设计保证机械手的运动精度和灵活性。
各个应用领域广泛使用四自由度机械手，提高生产效率和人类生活质量。
随着科技的不断进步，四自由度机械手在未来的应用前景将会更为广阔。
四自由度仿手臂机器人项目报告
目录摘要................................................................................................ 错误!未定义书签。
目录............................................................................................................................ I II 第1章绪论 (5)1.1 本课题现状 (5)1.1.1 综述国内外研究现状 (5)1.2 研究的主要成果 (5)1.2.1 机器人运动学的正解算法 (6)1.2.2 机器人运动学的逆解算法 (8)1.3发展趋势 (11)第2章四自由度仿手臂机器人的建模 (12)2.1机器人三维建模 (12)2.2机器人模型参数确定 (13)第3章机械臂欧拉角选择 (14)3.1求变换矩阵 (14)3.2 欧拉角介绍 (15)3.3欧拉角选择 (16)3.3欧拉角计算 (17)第4章机器人位置正反解 (19)4.1机械臂的正解与工作空间的求解 (19)4.2机械臂的反解 (22)第5章机器人运动雅可比矩阵的求解 (25)5.1微分变换法计算雅可比矩阵 (27)5.2矢量积法计算雅可比矩阵 (28)5.3两种雅可比矩阵的关系 (30)5.4螺旋理论计算雅可比矩阵 (31)5.5小结 (34)第6章机械臂奇异位形的分析 (35)6.1奇异位形的概念 (35)6.2 奇异位形的求解方法 (35)6.3机械臂奇异位形的求解 (36)第7章机械臂工作空间分析 (38)7.1工作空间的概念 (38)7.2工作空间的求解方法 (38)7.3机械臂工作空间的求解 (38)7.3.1 几何法求解工作空间 (38)7.3.2 蒙特卡洛法求解工作空间 (40)7.4小结 (42)第8章机械臂运动学与动力学仿真分析 (43)8.1利用Solidworks中的COSMOS/Motion模块进行运动仿真 (43)8.1.1应用SolidWorks建立三维模型 (43)8.1.2规划机械臂的运动轨迹 (43)8.1.3利用COSMOS/Motion模块进行运动学分析 (44)8.2 利用Matlab中的SimMechanics模块进行运动仿真 (46)8.2.1 利用Solidworks对机器人进行三维建模 (47)8.2.2将三维模型导入Matlab中进行运动学仿真 (47)8.3 在Matlab中进行动力学仿真 (52)第9章机械臂静力学分析 (55)9.1机械臂机构模型建立 (55)9.2 考虑重力时分析机器人机构的静力学 (56)9.2 不考虑重力时分析机器人机构的静力学 (64)第10章机械臂静刚度分析 (67)10.1机构的刚度 (67)10.2机构的刚度矩阵与柔度矩阵 (67)参考文献 (71)附录 (73)第1章绪论1.1 本课题现状1.1.1 综述国内外研究现状随着机器人技术的飞速发展，以及人们对机器人控制本质认识的加深，现在发展了越来越多具有感知、决策、交互行为的机器人，康复机器人、微操作机器人、军用机器人、水下机器人、娱乐机器人等等，这些机器人应用于不同任务和特殊环境下，在很多方面扩展了人类的工作能力，劳动条件也得到改善[2]。
四自由度的工业机器人
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SCARA机器人运动仿真分析说明书
II
四自由度 SCARA 机器人运动仿真分析
目
第一章 绪
录
论................................................................................................... 1
1.1 课题背景 ................................................. 1 1.2 研究意义 ................................................. 2 1.3 机械系统动态仿真技术发展概况 ............................. 2 1.3.1 机械系统动态仿真技术概论 ........................ 2 1.3.2 机械系统动态仿真技术国内外应用现状 .............. 3 1.3.3 ADAM S 在机械系统分析中的应用现状和研究现状 ..... 4 1.4 课题主要研究的内容 ....................................... 5 第二章 四自由度 SCARA 机器人的基本结构及建模 ........................................... 7 2.1 四自由度 SCARA 机器人基本规格 ............................. 7 2.2 三维建模软件的基本介绍 ................................... 8 2.3 基于 UG 的四自由度 SCARA 机器人的建模及装配 ............... 11 2.3.1 四自由度 SCARA 机器人的建模概括 ................ 11 2.3.2 四自由度 SCARA 机器人的建模过程 ................ 12 2.4 基于 UG 的四自由度 SCARA 机器人装配 ....................... 17 2.5 本章小结 ................................................ 19 第三章 四自由度 SCARA 机器人的数学模型及分析 ......................................... 20 3.1 四自由度 SCARA 机器人的 D-H 描述 .......................... 20 3.1.1 四自由度 SCARA 机器人位姿方程的正解 ............. 21 3.1.2 四自由度 SCARA 机器人位姿方程的逆解 ............. 22 3.2 四自由度 SCARA 机器人速度加速度的求解 .................... 23 3.3 基于 matlab 的速度分析 ................................... 24 3.3 本章小结 ................................................ 26 第四章 四自由度 SCARA 机器人动态仿真分析 ................................................ 27 4.1 机械系统动态仿真分析软件介绍 ............................ 27 4.2 四自由度 SCARA 机器人的运动学模拟及仿真 .................. 29 4.2.1 机器人的 ADAMS 模型 ............................. 29 4.2.2 基于 ADAMS 的机器人运动学仿真. .........自由度 SCARA 机器人运动仿真分析
四自由度机器人设计及分析
四自由度机器人设计及分析首先，设计一个四自由度机器人需要考虑机器人的结构和运动方式。
机器人的结构可以采用串联结构或并联结构。
串联结构是将各个旋转关节按照顺序链接起来，形成一个连续链条；而并联结构是通过并联机构将多个旋转关节连接起来，共同作用于机器人的末端执行器。
接下来，需要确定机器人的关节类型和参数。
常见的关节类型包括旋转关节和剪切关节。
旋转关节可以实现绕一些固定轴旋转，而剪切关节可以实现平移和旋转的复合运动。
在确定关节类型后，还需要考虑各个关节的转动范围、转动速度和负载能力等参数。
在进行四自由度机器人的运动分析时，可以采用运动学方法和动力学方法。
运动学方法主要研究机器人的位置、速度和加速度等随时间变化的规律，可以通过矩阵运算和几何推导等方法求解。
动力学方法则关注机器人的力学特性和运动过程中的力、力矩等量，可以通过运动学和力学方程来描述机器人的运动。
在运动学分析中，可以通过正逆运动学求解机器人的位置和姿态。
正运动学是根据关节参数和关节角度求解机器人位姿的问题，可以通过矩阵变换和旋转矩阵等方法求解。
逆运动学则是根据机器人末端执行器的位姿求解各个关节的角度，可以通过三角函数和解方程等方法求解。
在动力学分析中，可以通过运动学和基本力学原理推导出机器人的运动方程。
运动学方程描述机器人各个关节的速度和加速度与末端执行器的位姿之间的关系；动力学方程则描述机器人的力、力矩与关节角度、角速度和角加速度之间的关系。
同时，还可以利用仿真软件对四自由度机器人进行仿真分析。
通过建立机器人的仿真模型，可以模拟机器人的运动轨迹和运动过程，验证设计参数的合理性以及对不同操作条件的响应。
总之，设计和分析四自由度机器人需要考虑机器人的结构和运动方式，确定关节类型和参数，并通过运动学和动力学方法来研究机器人的运动特性。
利用仿真软件可以对机器人进行仿真分析，验证设计参数的合理性。
SCARA工业机器人设计
SCARA工业机器人设计Scara是一种四自由度机器人，用来处理需要水平和垂直运动的任务。
它是一个广泛应用于工业生产线的机器人，具有高精度和高稳定性的特点。
本文将重点介绍SCARA工业机器人的设计。
首先，SCARA机器人由基座、纵臂、横臂和末端执行器组成。
基座是机器人的固定部分，提供了机器人的稳定性和支撑。
纵臂连接在基座上，并可实现竖直方向的运动。
横臂连接在纵臂上，并可实现水平方向的运动。
末端执行器则连接在横臂上，用来完成具体的操作任务。
其次，SCARA机器人的设计需要考虑的因素很多。
首先是机器人的精度要求。
由于SCARA机器人广泛应用于装配和加工领域，因此精度是一个非常重要的考虑因素。
在机器人的设计过程中，需要选择合适的驱动系统和传感器来保证机器人的精度。
其次是机器人的工作范围。
SCARA机器人的工作范围决定了它能够处理的具体任务。
在设计过程中，需要根据实际需求来确定机器人的工作范围，并选择合适的机械结构和控制系统来实现。
此外，机器人的稳定性也是一个重要考虑因素。
特别是在高速运动或负重任务中，机器人的稳定性对于保证机器人的正常工作非常重要。
在设计过程中，需要选择合适的结构和材料来提高机器人的稳定性。
最后，SCARA机器人的设计还需要考虑机器人的控制系统。
机器人的控制系统决定了机器人能够完成的任务和运动方式。
在设计过程中，需要选择合适的控制系统和编程工具来实现机器人的自动化操作。
综上所述，SCARA工业机器人的设计需要考虑精度、工作范围、稳定性和控制系统等多个因素。
在设计过程中，需要综合考虑这些因素，并选择合适的驱动系统、传感器、机械结构和控制系统来实现机器人的设计需求。
随着工业自动化的不断发展，SCARA工业机器人将会在更多领域发挥重要作用。
（机器人）4自由度关节型机器人简介
（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。
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表 4-2 减速器弯矩刚性和轴端尺寸
弯矩刚性 Nm/arc.min.※3
117 372 931 1176 1176 1470 2940 4900 7448
a 17.6 20.1 29.6 33.4 37.4 32.2 47.8 56.4 69.0
尺寸(mm)
b 91.6 113.3 143.7 166.0 166.0 176.6 210.9 251.4 292.7
减速器 RV-20E 满足所有要求规格，因此选定 RV-80E-10。
4
0
3
40 N em 60
tem
8274次
外部负载条件 W1=500 N L1=0.5m W2=2000N L3=0.5m 求出力矩刚度 求出输出轴偏角是否符合要求的规定值
W11 W2 3 M t 103
0.58
（4-9） （4-10）
型式
RV-6E RV-20E RV-40E RV-80E※1 RV-80E※2 RV-110E RV-160E RV-320E RV-450E
50KG 四自由度机器人设计报告
1.1.1 电机选择
码垛机器人腰部由于负重较大，所以要求旋转的速度不宜过快，因此要选择中速或
者低速电机。
设机器人腰部绕其中心轴的转动惯量为 J，根据机器人的静力学分析，取大臂小臂
极限长度 L，可得其转动惯量为：
J ML2 3
（4-1）
其中 M 是腰部所要承受的重量，为 200Kg，L 为 1m，通过计算得其转动惯量为
K
N0 Nm
T0 Tm
3.
41862h 20000h
Tem=3000 Nem=20
tem=0.05
（4-6） （4-7）
（4-8）
2
Lh 远大于 20000 小时
求出输出转速
最大输出转速 10r/min<75r/min（RV-80E 减速器允许最高输出转速）
求出启停转矩
66.7 Kg m 2
电机转矩
T J
（4-2）
回转加速度
2 rad s 2
（4-3）
带入求出力矩： 电机的转动惯量
T J 66.7 2 419 N·m
J J G 2 i2
（4-4）
取减速比 i=153，带入求出电机的转动惯量
JG2
J i2
66.7 1532
T1=1000N·m<1960N·m（RV-80E 减速器的启动时允许转矩）
T3=1000N·m<1960N·m（RV-80E 减速器的停止时允许转矩）
求出紧急制动力矩
Tem=3000N·m<3920N·m（RV-80E 减速器的瞬时最大允许转矩）
求出主轴承承载力
10
C em
775
5
T Tem
1T1
3
t 2 N 2T2 3
t 3 N 3T3 3
t1N 1 t2N 2 t3N 3
求出平均输出转速
510 N·m
Nm
t1N 1 t2N 2 t3N 3 t1 t2 t3
9 r min
暂时选定 RV-80E-10
计算减速机寿命是否满足要求的规格值
10
Lh
式中 MT 为弯矩刚性，查表 4-2，得 MT=1176N·m
3
=0.58(分)<1(分)符合要求。
求出外力矩
2 L b a 0.6326m （b.a 从表 4-2 查得）
（4-11）
Mc
W1L2 W2L3 1000
（4-12）
1316.3N·m 2156N·m (允许弯矩从表 4-3 查得)
1.1.2 减速器的选择
码垛机器人腰部的旋转需要克服的负载转动惯量比较大，所以在负载和驱动电机之 间要用有比较大传动比的减速装置。[2]考虑到码垛机器人体积结构、传动精度和经济性 等要求，本文设计的机器人减速装置采用 RV 减速器。RV 减速器具有传动比较大、结 构简单、体积较小、重量较轻、效率高、运转平稳、过载能力强、使用寿命较长等优点， 能够满足码垛机器人的各种要求。 选减速器所需各种数据如表 4-1 所示
表 4-1 减速器选型条件
启动时（max）
稳定时
停止时（max） 紧急停止冲击时
负载转矩(N·m) 转速(r/min) 时间(sec)
T1=1000 N1=5
t1=0.5
T2=0 N2=10 t2=4.2
T3=1000 N3=5
t3=0.5
确定负载特性 求出平均负载转矩
10
10
10
Tm
10 3
t1N
0.0028
Kg·m2
电机的转矩
Td
T i
（4-5）
带入求出电机转矩
Td
T i
429 153
2.7
N·m
1
根据以上计算结果，可以初步选定伺服电机，根据日本安川伺服电机公司提供的参 数，选取Σ-V 系列的 SGMGV-20A 型电机，额定输出为 1.8KW，额定转矩为 11.5N·m， 瞬时最大转矩为 28.7N·m。
型式
RV-6E RV-20E RV-40E RV-80E※1 RV-80E※2 RV-110E RV-16减速器允许弯矩和允许轴向推力
允许弯矩 Nm 196 882 1666 2156 1735 2940 3920 7056
允许轴向推力 N
1470 3920 5194 7840 7840 10780 14700 19600