关节型搬运机器人设计
关节型机器人机械臂结构设计
关节型机器人机械臂结构设计关节连接是机械臂结构设计的核心之一、通常使用球面接头或者转动关节进行连接，以实现机械臂关节的灵活运动。
球面接头由一个球型部件和一个杯形部件组成，通过球面接触面的滚动实现相对转动。
转动关节采用轴承来实现关节的转动功能。
关节连接的设计需要考虑机械臂的负载情况和运动自由度，以确保机械臂的运动灵活性和稳定性。
材料选择是机械臂结构设计的另一个重要方面。
机械臂的材料选择需要考虑机械强度、刚度和重量等因素。
一般来说，机械臂的结构部件采用铝合金或者钛合金等轻质材料，以减轻机械臂自身的重量，提高其运动速度和操作效率。
传动装置是机械臂结构设计中的关键部分。
传动装置通常采用电机和减速器来实现力矩的传递和控制。
电机的选择需要考虑机械臂的负载情况和运动速度等因素。
减速器的选择需要根据机械臂关节的转速和力矩需求来确定。
常见的传动装置有直线传动装置、伺服驱动装置和液压驱动装置等。
力传感器是机械臂结构设计中的关键装置之一、力传感器用于测量机械臂末端执行器受到的力和力矩，以实现机械臂的力控制。
力传感器的设计需要考虑其精度、稳定性和可靠性。
常见的力传感器有应变片式传感器、电容传感器和电磁感应传感器等。
动力源是机械臂结构设计中必不可少的部分。
机械臂通常使用电动机作为动力源，通过电池或者外部电源提供能量。
电动机的选择需要考虑机械臂的负载情况、运动速度和动力需求等因素。
另外，为了满足机械臂的长时间工作需求，还需要考虑机械臂的节能性和散热性。
综上所述，关节型机器人机械臂结构设计需要考虑关节连接、材料选择、传动装置、力传感器以及动力源等方面。
合理的结构设计可以提高机械臂的运动灵活性、稳定性和控制精度，从而满足不同应用领域的需求。
四轴立式关节机器人机械手设计
目录一、机械部分 (3)1、四轴立式关节机器人的总体机械结构设计 (3)2、腰部底座的结构设计 (7)3、手臂及关节处的结构设计 (7)4、腕部的结构设计 (9)5、机械手末端执行器的结构设计 (10)二、电气与PLC部分 (11)1、电机主电路 (11)2、电气元件的选型与确定 (12)3、PLC的I/O口分配 (14)4、PLC的外围接线图 (15)三、参考文献 (16)一、机械部分概述：本次设计的是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以吸取机床上下料和工件传送。
这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。
除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
四轴立式关节机器人其结构形式为关节型机器人，其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，也是目前机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。
1、四轴立式关节机器人的总体机械结构设计下表为本机器人的主要技术参数2、腰部底座的结构设计该机器人腰座是圆柱坐标机器人的回转基座。
它是机器人的第一个回转关节。
机器人的运动部分全部安装在腰座上它承受了机器人的全部重量。
腰座有足够大的安装面，保证了机器人在工作时整体的稳定性。
3、手臂及关节处的结构设计该机器人手臂的作用是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。
机械手的大臂旋转和小臂的旋转运动是通过齿轮传动来实现。
因为考虑到搬运工件的重量不大，属小型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性、安全性、对手臂的刚度有较高的要求。
因此综合考虑两手臂的驱动均选择齿轮驱动方式。
大臂关节处的结构设计如图所示：小臂关节处的结构设计如图所示4、腕部的结构设计该机器人的手臂运动包括腰座的回转运动给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。
关节型搬运机械手设计
工业机械手是集机械、 电子、 控制、 计算机、 传感 器、 人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造 业重要的自动化装备。自从 1962 年美国研制出世 界上第一台工业机械手以来 , 机械手技术及其产品 发展很快 , 已成为柔性制造系统( F M S) 、 自动化工厂
( FA) 、 计算机集成制造系统 ( CIMS) 的自动化工具。 连接手臂和末端执行器的部件, 其功能取决于自由 工业机械手作为现代制造业主要的自动化设备 , 已 度的多少, 自由度越多则其动作越灵活, 但随着自由 度的增多, 结构和控制也越复杂 , 在本次设计中 , 手 经广泛应用于汽车、 工程机械、 电子信息、 家电等各 腕应该具有两个自由度 , 即能实现手腕的回转和俯 个行业 , 进行焊接、 装配、 搬运、 加工等复杂作业。在 仰运动 ; 手臂结合了 P UM A 机械手结构并进行了改 日本、 欧美等国得到广泛的应用 , 我国的工业机械手 进, 臂部的结构形式需根据机械手的运动形式、 抓取 技术及其工程应用 的水平和国外 比还有一定的 距 重量、 运动自由度、 运动精度等因素来确定 , 为了实 离, 因此迫切需要解决产业化前期的关键技术, 对产 现伸缩运动的平稳和动作的精确, 采用了谐波减速 品进行全面规划 , 进行系列化、 通用化、 模块化设计 , 积极推进产业化进程 [ 1- 3] 。从近几年国外机械手推 出的产品来看, 机械手技术正在向智能化、 模块化和 系统化的方向发展, 其发展趋势主要为: 结构的模块 化和可重构化; 控制技术的开放化、 PC 化和网络化 ; 伺服驱动技术的数字化和分散化; 系统的网络化和 智能化等方面
第 8 卷第 6 期 2008 年 11 月
潍坊学院学报 Jo ur nal of Weifang U niv ersity
关节型机器人腕部结构设计
设计任务
关节型机器人腕部结构设计一、设计内容题目来源于生产实际。
设计一个用于焊接的关节型机器人 进行机器人的总体方案设计、腕部及执行器结构设计及其零件设计。
二、设计依据焊接关节型机器人具有六个自由度 腰关节回转 臂关节俯仰 肘关节俯仰 腕关节仰腕、摆腕和旋腕 腕部最大负荷4kg 最大速度2m/s 最大工作空间半径1500mm。
三、技术要求1、机器人应能满足工作要求 保证焊接精度 2、工作可靠 结构简单
3、装卸方便 便于维修、调整
4、尽量使用通用件 以便降低制造成本。
四. 主要参考文献
1、殷际英.何广平.关节型机器人 北京:化学工业出版社 2003.
2、马香峰.工业机器人的操作机设计.北京 冶金工业出版社 1996.
3、费仁元.张慧慧.机器人机械设计和分析.北京 北京工业大学出版社 1998.
4、周伯英.工业机器人设计.北京 机械工业出版社 1995.
5、蔡自兴.机器人学.北京 清华大学出版社 2000.
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7、徐卫良 钱瑞明译.机器人操作的数学导论. 北京 机械工业出版社 1998.
8、孙迪生 王炎.机器人控制技术.北京 机械工业出版社 1998.
9、徐灏.机械设计手册.第二版.北京 机械工业出版社 2000.
10、成大先.机械设计手册.第4版. 北京 化学工业出版社 2002.。
关节型机器人腰部结构设计
1前言1.1 题目来源与分析题目《关节型机器人腰部结构设计》来源于生产实践中。
要求设计的机器人具有6个自由度：①腰关节回转；②臂关节俯仰；③肘关节俯仰；④腕关节仰腕；⑤摆腕；⑥旋腕。
其中要详细地设计机器人基座和腰部的结构。
整体机器人要实现腕部最大负荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空间半径1500mm 。
机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。
在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。
自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。
特别是在20世纪20年代前后,捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。
在现实生活中,一些民间工匠根据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。
然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。
美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。
1954年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文,并获得了美国专利。
戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起,预定的机械手动作一经编程输入后,机械等就可以离开人的辅助而独立运行。
这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。
示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。
因此，这种机器人的主要技术就是“可编程”以及“示教再现”。
1.2 研究目的焊接机器人是最大的工业机器人应用领域,它占工业机器人总数的25%左右。
电动式关节型机器人机械手的结构设计
电动式关节型机器人机械手的结构设计电动式关节型机器人机械手的结构设计考虑到了机器人的运动能力、精度和稳定性，以下是该结构设计的一般要点：1.关节布局：电动关节机械手由多个关节连接组成，每个关节可以实现自由度的运动。
关节的布局应根据机械手的工作空间和运动需求来确定。
通常，机械手具有旋转关节和直线关节，旋转关节用于实现绕轴的旋转，而直线关节则用于实现沿直线的平移运动。
2.传动系统：机械手关节的运动通常由电机和传动系统驱动。
传动系统可能采用齿轮传动、带传动、蜗轮蜗杆传动等不同的机构形式。
在设计传动系统时，需要考虑到运动范围、速度要求、负载能力和精度要求。
3.传感器与反馈控制：为了保证机械手运动的准确性和稳定性，通常需使用传感器来获取关节位置、力矩和速度等反馈信息。
这些传感器可以包括编码器、力传感器、陀螺仪等。
反馈信息可以用于控制算法中，以校正位置误差、维持力平衡和实现闭环控制。
4.结构材料与强度：机械手在运动过程中要承受各种力和负载，因此需要采用足够强度和刚度的结构材料。
常见的材料包括铝合金、碳纤维复合材料和钢等。
在结构设计中，还应考虑到材料的质量与性能要求的平衡，以及机械手的重量和成本等因素。
5.控制系统：电动关节机械手还需要配备一个控制系统，用于运动规划和控制。
该控制系统可以包括传感器接口、运动控制器、通信模块等。
它可以接收来自传感器的反馈信息，根据预设的任务要求制定运动规划，并通过控制算法控制各个关节的运动。
总而言之，电动式关节型机器人机械手的结构设计需要综合考虑机械手的运动能力、精度和稳定性等因素。
从关节布局、传动系统、传感器与反馈控制、结构材料和强度、控制系统等多个方面进行设计，以满足具体应用的要求。
关节型机器人设计课程设计
关节型机器人设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解并掌握关节型机器人的基本结构、工作原理及设计方法。
2. 学生能够了解机器人在工业、医疗、服务等领域的应用，认识到关节型机器人的重要性。
3. 学生能够掌握至少三种关节型机器人的运动学、动力学分析方法。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计简单的关节型机器人结构，并进行仿真分析。
2. 学生能够运用编程软件对关节型机器人进行简单的运动控制。
3. 学生能够通过小组合作，完成关节型机器人的设计与制作，提高动手实践能力。
情感态度价值观目标：1. 学生对关节型机器人产生浓厚兴趣，培养主动探索科学技术的热情。
2. 学生在课程学习中，树立团队协作意识，培养沟通、交流、合作的能力。
3. 学生能够认识到科技发展对社会进步的重要意义，增强创新意识和责任感。
课程性质：本课程为实践性较强的课程，结合理论教学和动手实践，注重培养学生的创新能力和实践能力。
学生特点：初三学生具备一定的物理、数学基础，对新技术具有好奇心，有一定的动手能力，但需加强团队协作能力的培养。
教学要求：教师应结合课本内容，注重理论与实践相结合，引导学生通过小组合作、动手实践等方式，达到课程目标。
在教学过程中，关注学生个体差异，鼓励学生积极参与，充分调动学生的主观能动性。
同时，注重评估学生的学习成果，及时给予反馈，指导学生不断提高。
二、教学内容1. 关节型机器人的基本概念与结构- 介绍关节型机器人的定义、分类及结构特点。
- 分析课本第三章关于机器人结构的内容，结合实际案例进行讲解。
2. 关节型机器人的工作原理与设计方法- 探讨关节型机器人的运动原理、动力学原理。
- 引导学生学习课本第四章关于机器人设计原理的内容，掌握设计方法。
3. 关节型机器人的应用领域- 分析关节型机器人在不同领域的应用案例，如工业、医疗、服务等。
- 指导学生查阅课本第五章相关内容，了解应用现状和发展趋势。
4. 关节型机器人的运动学、动力学分析- 教授至少三种关节型机器人的运动学、动力学分析方法。
关节型机器人腕部结构及控制系统设计
摘要工业中为提高生产效率，满足一些和特定的工作要求，本课题设计的关节型机器人的腕部用于焊接、喷漆、等方面。
通过合理的设计计算，拟定选择了手腕的传动路径，选用直流电动机，合理的布置电机、轴和齿轮，设计了齿轮和轴的传动结构，实现了对摆腕、转腕和提腕的三个自由度的要求。
设计中的PLC控制部分可以实现对三个电机的分别控制，完成工作要求。
设计中大多采用了标准件和常用件，以便降低设计和制造成本。
关键词：自由度、关节型机器人、手腕ABSRACTIn order to improve production efficiency and meet some of the specific requirements, design of ontology of robot wrist joints used for welding, paint, etc. Through the reasonable design calculation, the transmission path, choose the wrist, reasonable decorate a dc motor, gear axle and gear axle, design and realization of the structure, the pendulum wrist, turn the wrist and wrist three degrees of freedom. In the design of the standard and common people, the design and manufacturing cost.Keywords:freedom, Joint robot, The wrist目录1 绪论……………………………………………………………………………………………错误！未定义书签。
1.1 选题背景及意义----------------------------- 错误！未定义书签。
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关节型搬运机器人设计摘要随着现代工业机器人技术的发展，工业机器人的使用迅速增长。
本文通过对国外工业机器人的分析，并结合搬运所需要的条件，设计出了工厂自动化生产和生产线使用的搬运机器人。
本文着重对搬运机器人的总体设计方案、机构及控制系统从理论上进行了详细的分析和设计。
在搬运机器人总体设计中，采用了应用最为广泛的平面关节型；在机构设计中，主要设计了搬运机器人末端执行器、手腕、手臂和腰的机械结构；在末端执行器设计上采用了一种具有接近觉、接触觉及滑动觉的初级智能机械手；在控制系统的设计中，采用可编程控制器（PLC）进行控制，并对控制系统的硬件原理做了分析，对PLC 的程序也进行了编译；在驱动系统设计中，采用了气动和电机两种驱动方式，主要动作采用电机驱动。
关键词：搬运机器人，三感觉机械手，可编程序控制器Design of the joint transporting robotAbstractUnder the development of the modern industrial robot’s technology , the use of industrial robot increases rapidly. Through analyzing the domestic and foreign industrial robots, combing the conditions of the transportation, the transporting robot for the factory automation produce and the production line is designed in this article.The emphasis on this article is to analyze and design the transporting robot in theory. The analytical objects include the total scheme, the mechanism design, and the control system design. In the total scheme design, the most wildly applied plane joint type is chosen. In the mechanism, the transporting robot’s end-effector, the wrist, the arm and the waist are mainly designed. A kind of the approaching sense, the contact sense and the skidding sense primary intelligence manipulator is adopted in the end-effector; In the control system, the programmable controller (PLC) is used, the principle of hardware is analyzed and the programs in PLC are compiled. In the actuating system, two driving types are used which include the pneumatic operation and the motor. The main movement is driven by the motor.Key words: Transporting robot, three feelings manipulators, programmable controller（PLC）1．引言本课题研制的搬运机器人，是一种综合了人和机器特长的拟人机械电子装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
它能够感应工件并能按规定抓取，升高，转动一定的角度，向前移动，把料准确放入指定的工位。
为了便于设计，工件设为60*60*60的立方体，重为3kg。
本文对一类搬运机器人的总体设计、结构设计、控制系统设计等从理论上进行了较为全面的研究。
在机械手设计上采用了一种具有接近觉、接触觉及滑动觉的初级智能机械手。
2．总体方案与机械本体设计由工业机器人的构成及其运动系统，进行机械本体、驱动系统、控制系统的方案比较与选择，基于总体方案的设计，选定基本技术参数。
2.1手部（末端执行器）的结构设计与计算分析手部的功能与分类，根据其设计要求，在本次设计中可使用的末端执行器有以下几种：（1）吸附式（2）电磁吸盘式（3）多关节多指手爪（4）夹钳持式手爪本设计选用的是夹钳式手部的齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器。
结构如图2-1所示：图2-1 齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器夹钳式手部应具有适当的的夹紧力和驱动力，手部方案计算包括：夹紧力、夹紧缸驱动力的计算。
受力示意如图：图2-2 受力示意图2.2手腕的结构设计与计算分析手腕的功能与分类，手腕设计应该具有两个自由度，即能实现手腕的回转和俯仰运动，由手腕设计要求，在本次设计中可采用的设计方案有以下几种结构：方案一传动示意图2-3如下：图2-3方案一传动示意图方案二传动示意图如图2-4所示：图2-4 摆动液压缸驱动手腕方案三传动示意图如图2-5所示：在方案三中充分考虑到手腕回转所需力矩小所以使用的电动机和谐波减速机构都质量和体积都很小，可以之间将其直接放在手腕前端，这样就减少了小臂前端的质量和体积，所以在本次设计中使用第三方案。
图2-5方案三传动示意手腕回转、俯仰时，需要克服腕部的摩擦阻力力矩、工件重心偏置力矩和腕部启动时的惯性阻力力矩。
手腕设计方案的计算包括：（一）手腕回转驱动力的计算（二）手腕俯仰力矩的计算2.3手臂的结构设计与计算分析手臂的功能与分类，根据其设计要求，本次设计可供选择的结构主要有以下几种：（一）液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构（二）电动机驱动机械传动援助坐标型机器人手臂（三）PUMA机器人手臂结构（四）SPINE机器人多节柔性手臂（五）带谐波减速器的机器人手臂关节结构图2-6 PUMA560机器人小臂传动图本设计是采用PUMA机器人手臂结构结合设计需要进行改进：一、小臂的示意图如下：图2-7 小臂的示意图二、大臂示意图如下：图2-8 大臂示意图其大臂和小臂均用高强度的铝合金材料制成的薄壁框形结构，大臂的肘关节处的传动与别处不同，为了实现运动的平稳和动作的精确，以及结构简单，质量小，所以采用谐波减速器。
设计计算截面尺寸和手臂长度，使其在满足强度、刚度和尺寸要求的前提下，得到最优尺寸和最小质量，实现结构优化设计。
大臂肘关节处的传动示意图为：图2-9 大臂肘关节处传动示意图2.4机座的结构设计与计算分析机座的功能与分类，根据其设计要求，在本次设计中可供选择的腰座有以下几种：方案一：采用环形轴承作支撑结构的机器人腰座图2-10 采用环形轴承作支撑结构的机器人腰座方案二：采用普通轴承作支撑结构的机器人腰座图2-11 采用普通轴承作支撑结构的机器人腰座本方案是采用普通轴承做支承元件的腰座支承结构，这种结构制造简单，成本低、安装调整方便等优点，虽然存在腰座尺寸过大的缺点，但是却可以增加稳定性。
本次设计即采用这种腰部。
方案三：PUMA机器人腰座经过对减速器和电动机选择及相关计算，搬运机器人机械本体效果图如下：图2-12 搬运机器人机械本体效果图3．控制系统设计3.1 PLC控制系统的设计通过对PLC的分析，本机采用三菱公司生产的FX2N-40MR PLC。
机器人搬运操作方式分为手动和自动操作方式。
自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。
（1）机器人搬运示意图3-1 机器人搬运示意图原位（零点）位置：机器人的小臂停在下限位置出，钳抓放松，即物体抓取出，不需要通过仰俯运动来调整钳抓的角度，输送带和物料台同一高度。
（2）机器人搬运系统输入和输出点分配表表3-1 I/O分配表名称代号输入名称代号输入名称代号输出启动SB1 X0 手动操作SB6 X10 电磁阀上升YV1 Y0上升限位SQ1 X1 连续操作SB7 X11 电磁阀左移YV2 Y1左移限位SQ2 X2 单步上升SB7 X12 电磁阀下降YV3 Y2下降限位SQ3 X3 单步下降SB8 X13 输送带A转动YV4 Y3工件检测SQ4 X4 单步左移SB9 X14 抓取YV5 Y4 抓限位SB2 X5 单步右移SB10 X15 电磁阀右移YV6 Y5 右移限位SB3 X6 夹紧SB11 X16 原点指示EL Y6 停止SB4 X7 放松SB12 X17 输送带B转动YV7 Y7 回原点SB5 X20 输送带转动SB13 X21（3）PLC输入，输出连接电路图图3-2 PLC输入，输出连接电路图（4）操作系统操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序。
图3-3 机械手操作程序图其原理是：X20接通，系统自动回原点，Y6驱动指示灯亮。
X10接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ 为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。
之后，由于X11常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。
如果置于自动位置，（既X10常闭闭合、X11常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。
（5）回原位程序图3-4 回原位状态转移图（6）手动单步操作程序图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。
图3-5 手动单步操作程序图（7）自动操作程序图3-6 自动操作状态转移图3.2 传感器的选择在本设计中，传感器主要用来检测手腕、手臂、腰部的转动角度，还有确定手爪对工件的抓取。
在机械手设计上采用了一种具有接近觉、接触觉及滑动觉的初级智能机械手。
工作原理如下：接近觉传感器、接触觉传感器、滑动觉传感器位于手指上接近觉传感器是由红外发射器、红外探测器及其信号处理电路构成。
接触觉传感器、滑动觉传感器是一个传感器。
是由聚偏氟乙烯膜，铜箔电极和绝缘橡胶表皮保护层构成。
图3-7 初级智能机械手结构图4．结论与建议4.1结论本文对一类搬运机器人的总体方案上进行了研究，并对其机械本体结构、控制系统和驱动系统进行了设计。
(1)通过相关方案的选择、计算及校核，从理论上验证了本设计的可行性和正确性。
(2)编写了PLC程序，并进行了机器人搬运工件模拟实验，在模拟实验中机器人能够很好的完成设计好的动作，证实了机器人控制系统的正确性。