河北工业大学城市学院
毕业论文
作者：周** 学号：***** 系(专业)：机械系
专业：机械设计与制造及其自动化
题目：全转动副三自由度并联机器人
指导者：李** 教授
(姓名) (专业技术职务)
评阅者：
(姓名) (专业技术职务)
2015 年6月11 日
目录
1 绪论 ........................................................................................................................ - 4 -
1.1 引言 .............................................................................................................. - 4 -
1.2 此次课题研究背景和意义 ........................................................................ - 4 -
1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势 ...................... - 5 -
1. 4 本次毕业设计主要完成工作 ..................................................................... - 6 -
1.4.1 基本内容 ............................................................................................ - 6 -
1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线 ................................................ - 6 -
2 总体方案的设计 .................................................................................................... - 7 -
2．1 总体布局的设计 ....................................................................................... - 7 - 3 由基本参数选定标准件的型号 .......................................................................... - 10 -
3.1 减速机的选择 .......................................................................................... - 10 -
3.2 选择伺服电机并对其检验 ...................................................................... - 12 -
3.3 轴承的选择及校核 .................................................................................... - 15 -
3.4 联轴器的选择 .......................................................................................... - 17 -
4.1 支链尺寸的确定 ........................................................................................ - 19 -
4.2 对主动轴尺寸的确定及校核 .................................................................... - 20 -
4.3 对支链上转动副的设计 ............................................................................ - 22 -
4.4 支链末端设计 ............................................................................................ - 25 -
5 机构的整体布局设计及机架设计 ...................................................................... - 2
6 - 结论 ...................................................................................................................... - 29 - 参考文献 .................................................................................................................... - 31 - 致谢 ............................................................................................................................ - 32 -
1 绪论
1.1 引言
自从Hunt教授提出以Stewart平台结构为基础设计机器人，机器人技术的发展也是日新月异，尤其是工业机器人能够将人从繁重的体力劳动中解放出来具有十分广阔的应用前景，尤其是在工业发展领域，因此工业机器人的发展尤为迅速。并联机器人是机器人种类中一个十分重要的发展方向，但由于受到科学技术等原因的影响，并联机器人的发展在90年代才开始兴起直到现在并联机器人的研发成为机器人发展的一个热点。
机器人种类可以分为很多种，其中并联机器人和串联机器人是机器人大家族中的两类，串联机器人和并联机器人在结构方面有很大的不同，这也导致其性能功能有很大差别，致使并联机器人与串联机器人形成了功能与结构上的互补。并联机器人作为机器人中一种全新的可以和串联机器人媲美的机器人种类，由于自身结构的优势使其具有刚度大、承载能力强、高精度、自重符合比小、优秀的动力性能、易于控制等一系列优点。所以并联机器人应用于工业领域是未来发展的一个必然趋势。
1.2 此次课题研究背景和意义
在文献[1]指出：机器人本身就是高精尖技术的聚集体，并联机器人更是一个尖端知识密集型的机构，并联机器人机构学问题十分复杂，她是属于空间多自由度多环机构学理论学科，此理论是随着对并联机器人的深入研究发展起来的，这本来就是理论对实践的指导，而实践又是完善理论的方法，所以研究并联机器人机构学理论对掌握、研制和控制并联机器人在实际应用和并联机器人的理论发展上都是有着特殊意义。在一切机器人的研究中机器人的机构是关键中的关键，并联机器人所具有的优势关键也在结构上，因此它引起了国内外机器人研究者的广泛关注，他们在此项研究中投入相当大的精力。并联机器人的结构与串联机器人相比具有结构较简、成本低等优势。因此越来越多的将并联机器人的研究与工业领域相结合也使得
并联机器人的研究也越来越深入。
在文献[2]中：主要研究是三自由度并联机器人，这是一种有多变量和本质为非线性组成的复杂机构系统，在并联机器人及液压驱动系统的设计中以运动学分析前提。作者开始时先是采用坐标变化及求导的方法对三自由度并联机器人运动学进行了分析。利用动力学和分析动力学的原理设计出系统的动力机构。作者采用ADMS 技术建立了失误的虚拟样机模型系统，并运用仿真软件对运动学、动力学和控制系统的可行性进行了联合仿真实验分析，采用上述仿真试验验证的方法可以十分真实的模拟实际中的三自由度并联机器人运动过程验证其性能。为研究提供了很好的设计依据。
在文献[3]中：江苏科技大学机械工程学院的王波、李小满、朱振华学者主要针对三自由度平面P-R-R型并联机器人，三位学者的研究成果是：“成功建立了三自由度并联机器人的动力学模型系统，他们在研究中将同步控制技术应用在机器人上在实现了机器人轨迹的精确控制的同也对机器人的运动达到了同步控制，在研究中三位学者提出了一个新概念——同步误差。具体做法是：通过对多个线性闭环控制进行组合，列出同时满足各个闭环控制的控制方程并对其进行求解。之所以采用这种方法是因为此种方法直观、高效，提高了对并联三自由度平面P-R-R型并联机器人轨迹的运动精度，并可以同时满足了多个闭环控制系统的组合控制。
1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势
Hunt教授提出Stewart机构作为机器人，直到现在国内外众多专家学者投入到机器人的研究中。但并联机器人是在90年代才开始成为热门研究方向。并联及其人在许多方面都有重要的应用，如航海航空、机电工业、医疗器械等各个领域。并且并联机器人与串联机器人并不是相互对立排斥的，他们是可以形成互补，使机器人技术变得更全面实用。关于这些机器人的研究都是值得重视的具有现实意义。
根据我查到的资料了解在国内燕山大学的黄真教授并联机构的研究十分出色。通过阅读《基于螺旋理论三自由度并联机器人型综合新方法》[4]中了解到东北大学的罗继曼、蔡光起等学者机器人并联机构研究也比较深入，他们通过合理的选择约束链能够组合出新的并联机器人。
自从1987年，Hunt提出并联机器人结构之后，英国、德国、俄罗斯等一些欧美国家都投入了大量人力物力财力进行并联机器人研究，并且取得了巨大的发展。
日本的田和雄、内山胜等则用并联机构开发航空航天领域机器人。
1. 4 本次毕业设计主要完成工作
1.4.1 基本内容
课程设计方法要求：
（1）设计要求为设计出一台全转动副三自由度并联机器人，提出几种设计方案之后，进行最后研确定最终设计方案和传动方案，之后设计机身与机架零件并对其进行力学分析，材料分析；
（2）设计并联机器人机械结构如转动副及支链等；
（3）最后绘制机械系统装配图和零件图三维装配图；
（4）对整个设计过程进行整理，编写设计说明书，说明设计原理等具体内容。
1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线
课程设计方法要求：
（1）根据任务设计要求，进行机械结构设计和传动结构设计，找到最佳设计方案。
（2）根据最后所确定的设计方案，进行相关分析、计算、检验，对其中关键零件进行强度、刚度、寿命等的计算、校核确定其符合设计要求，对零件组成的结构要保证其合理使用；最后绘制出机器人装配图并根据装配图，画出主要零件的零件图（在说明书说上说明标准件选择原理）。
（3）设计到最后，对整个毕业设计过程进行总结，完成设计说明。
2 总体方案的设计
2．1 总体布局的设计
图2.1方案草图
图2.1是此次设计中所采用的方案草图，此草图中们可以清楚的表达出动静平台及三个运动支链的运动情况。
方案规划：
1.首先利用任务书中所给出的最大平动速度、最大负载、平动范围等数据估算出电机的功率；
2.影响全转动副三自由度并联机器人的运动范围的是平行四边形机构的连架杆的长度及其摆动角度大小，摆动角度的大小会直接影响连架杆末端在平方向上的速度分量，因此在设计时要注意连架杆的长度与其自身的摆动角度之间的古关系以防止支链出现碰撞等冲突；
3.根据任务书所给出的动平台的运动范围，最初选定连架杆的长度及连架杆的摆动角度的最大范围；
4.根据任务书上的要求动平台的最大平动速度为0.4m/s，在动平台整个运动过程中必须有一点能够达到此速度然后选取极限位置进行速度计算，利用公式转换就可以可以求出系统机构中输入轴的速度；
5.任务书要求运动平台的重复精度为＜+/-0.025mm，因为伺服电机编码盘的分辨率可以影响重复定位精度。因此在分析重复精度时，在支链运动轨迹上选取极值点进行运动分析，可以求出机器人系统中输入轴的最小转角，然后依据选出的减速机的减速比转换到电机的输入轴上，最后利用公式换算出所需电机编码盘的分辨率，这也是用来选择电机的一条重要因素；
6.运动副中对轴承的选定，采用运动分析的方法选定，首先分析轴承的轴向与径向的承载情况，再结合转动副的特点选出转动副需要中安装轴承的类别之后再进一步确定型号，最后需要对轴承尽心检验计算；
7.通过减速机输出轴及主轴的直径大小与对机器人支链的主动轴的运动精度要求，还有是否需要考虑轴向移动来选择是需要刚性联轴器还是弹性联轴器，确定之后在选择。
2.2 初步确定机构中的一些基本参数：
图2.2 连架杆在摆动过程的速度分析图
行程mm l s M 220sin /2>=θ；
M l θcos /110>；
进行速度分析，根据任务书要求：s m v x /4.0>；
由图一进行分析得：s mm w l v v M M M x /400cos cos min >??=?=θθθ； 整理得到：M l w θcos /400>?；
M θ的取值可以有多重情况，初步选定值为45°或60°。当M θ取60°时输出角范围为（30°,150°）。
60cos /110cos /110=>M l θ°
220=㎜； 当M θ取45°时输出角范围为（45°,135°）。
45cos /110cos /110=>M l θ°mm 155≈，由此可以初选mm l 160=；
由于考虑到在支撑架上可能还要安装极限开关需要一定的空间，并且为了让整个装置更加紧凑，所以暂时选定M θ取45°。
s mm w /400>÷)45cos (?l =s rad /54.3，通过图一及单位转换可以得出：
rpm s rad 56.67/54.3=。
由于三个支链的结构是相同的，所以设计出一个即可，支链的结构示意图如下：
图2.4 支链的结构示意图
3 由基本参数选定标准件的型号
3.1 减速机的选择
初步确定减速比56.67/3000 i =44.4
选择减速机时要必须保证任务书上的要求，即机构末端的运动平台速度能够达到0.4m/s ，所以减速比通过上式计算出i 必须小于44.4，所以经过圆整选取i=40; 通过查找《机械设计手册》标准系列的减速机。所选减速机的型号为行星减速机构PL60，i=40,2级输出转矩为29N·m;其具体参数如下：
表3-1 减速机型号一览表
选取的减速机是上海爵顺传动机械有限公司生产的，其性能优越。这家公司的减速机机壳材料为高压压铸铝合金，在制作工艺上采取新的生产工艺，大大增强了工件精度。 电机连接板在制作中使用黑色阳极氧化处理的先进工艺，齿轮箱表面经过特殊电解工艺处理增强其强度，增加整个箱体对外部环境抗腐蚀的能力，并且采用此种工艺处理使机身重量更轻，导热性能也有所提高，这样就会使机身内部温度不至于过高使电机烧毁，电机的使用寿命提高；
型号段数 尺寸 外壳直径 键宽 键高 安装孔分布园 安装螺
纹X 深
度 输出轴
径（h6）
PL60 1 60 5 16 52 4XM5X
8 14
定位凸台直径（h7）
中心孔 键到轴端距离 键长 轴长（自定位圆） 躯体长 轴长（自端面） 定位凸台厚度 40 M5X10
2.5
25
30
44.3 59
35
3
速比范围：速比5～10000，此减速器的使实用设计能够使转矩与转速达到完美的匹配；
回差间隙小具有极高的传递精度，因此可以保证在高输入转速下结合介面的同心度能够实现零背隙的动力传递；
采用先进的IP65防护等级的密封设计，密封设计良好，因此不会出现泄漏情况，所以此电机能够实现全部首次注入润滑油后油终生免添加润滑脂润滑，顒可以终生免保养；
对减速机连接板和轴衬的模组化设计为同轴输出，法兰定位标准，结构简单实用；有很高的互换性能；
减速器整体设计紧凑结构，体积小巧，齿轮箱和内环齿轮采是采用一体式的设计，与市场上现有同型号减速器相比，精密度高，体积最小，减速器中对螺旋齿面作齿形及导程的修整，此项工艺可以用来降低齿轮在转动时啮入及啮出的冲击和噪音，因此与同等材质制作的齿轮系相比其使用寿命更高；
此减速器对噪音偶遇严格的控制标准，运转时噪音<60分贝；寿命长，大于20000小时；
综合上述内容，此型号的减速器在同等精度条件下性价比高。
其实物图如下：
图3.1 减速器
其结构尺寸如下：
图3.2 减速器尺寸图
3.2 选择伺服电机并对其检验
)40/3000(rpm w =×3.14/60=3.925s rad /；
=?=w l v max 0.160×
3.9=0.624m/s ； 设机构动平台的加减速时间为0.2s-05s,所以可以计算得到加速度为： a=t v /=0.4/0.2=2m/2s 。
任务书中要求机构最大负载要大于 1.5kg （包括末端操作手），所以计算得载荷阻力：
=max F m×
(a ＋g)=1.5×(2+10)=18N; 因此可计算出系统运转所需的最大驱动功率为： max max max v F P ?==18×
0.624w=11.23w 。 查表选择标准系列的电动机P =32w 的直流伺服电动机。其具体型号为JSF 60-15-30-CF-1000，SFC+。
表3-2 电机参数表
SFC+的配置适用于过载倍数要求高，并且能够承受在单位时间内电机频繁启停，同时也适用于高速重载的场合；由于在此机器人系统机构中，动平台的往复平动是由动力系统提供动力传递至连架杆，有连架杆带动实现往复摆动，而连杆架的往复摆动需要电机频繁的进行正反转交替，所以必须要求电机能够有很好的频繁起停性能，因此选用SFC+的配置电机。
表3-3 JSF系列伺服电机型号说明表
JSF 60 40 30 D F 1000
1 2 3 4 5 6 7
1.JF——表示电机无刷伺服电机
2——表示电机外径，单位：mm、
3——表示电机额定功率，以10w为单位，40表示40×10w=2000w、
4——表示电机运转时额定转速，100rpm为单位，30表示30×100rpm=3000rpm、5——表示电机运转的额定电压，A：24v B：36v；C：48v；D：72、
6——表示装配选项，K—键槽；F—扁平轴；S—光轴；G—减速机适配;P—特殊制作、7——表示电机编码器的分辨率。
JSF系列直流伺服电机的主要特点如下：
（1）调速范围宽；（2）在使用过程中噪音小、功率高、运行平稳，整体性能优越，具有很高的性价比；（3）利用高性能铷硼磁钢材料设计能够提供三倍以上峰值扭矩，可以很好的保障其传动性能。
（1）对所选电机进行转矩及编码盘精度检验校核：
转矩的校核：
机构输入轴的转矩计算
图3.3 转轴受力分析图
当平动速度垂直与连杆时转矩为最大，此时M=l F ?=18×0.16Nm ；
将上述转矩转化为电机的输出轴所承受的转矩载荷：
Nm i M T 072.040/88.2/===，由此，Nm T Nm T N 1.0072.0=<=，股电机的额定转矩合格。
对伺服电机编码盘校核：
易知，在此机构中运动支链在与动平台垂直时对编码盘精度要求最高，所以以动平台与支链垂直的点为检验校核点：mm l x 025.0/-+
?==-
+
025
.0/rad rad x 带入公式计算出伺服电机输出轴角度误差为：24.2056.040=?=??=??θi ； 由上式得出需要编码盘分辨率为16124.2/360=>N ，所选电机分辨率N<1000，所以此型号电机分辨率符合要求。
图3.4 电机尺寸图
3.3 轴承的选择及校核
在此机构中，系统动平台运动为x，y，z三个方向上的平动，在实际设计中需要考虑到动平台和连杆以及转动副的质量，而且在转动中转动副中的轴所受载荷既有径向也有轴向，所以经过对不同种类的轴承进行比较考虑，认为角接触轴承可以符合要求角接触球轴承有单个使用和成对使用之分，在此我们选取单个分装的角接触球轴承。经过查阅《机械设计实用手册》，本设计中选用型号为7002C。其内径为15mm，外径为32mm的一组轴承为转动副连接处所用轴承。
图3.5
图3.6
此图是角接触球轴承在此机器人中的应用。
上图是查找到的角接触球轴承的几种使用情况，用来参考设计。
表3-4 轴承的基本参数
轴承代号d(mm) D B 基本额
定载荷极限转速
（脂）
质量
7002C 15 32 9 6.25kN 17000r/min 0.028kg
7000C 10 26 8 4.92kN 19000r/min 0.018kg
7001C 12 28 8 5.42kN 18000r/min 0.02kg
此表格中为所选用角接触球轴承的基本参数。现在对上述选用的角接触球轴承进行检验校核。
设计任务书中给出最大负载为1.5kg ，在此基础上还要考虑到支链的重量，所以可以假设支链重量为1kg ，在平行四边形机构中一共有两对轴承对支链起到支撑作用，所以每对轴承所承受的径向力r F =2/25.2s m kg ?2÷=12.5N 。轴向载荷为
=?==2/25.1s m kg ma F a 3N ，通过轴承上轴的转速得出轴承转速为n=75r/min ；
求比值：
==5
.123r a F F 0.24<0.68，且工作平稳，所以经过查《机械设计》得=p f 1 ()a r p F F f P 41.167.02+==1*（0.67×12.5+1.41×3）=12.605N
在此给定轴承的预计寿命，假设轴承可以连续工作一年（每年按200个工作日计算），所以轴承的预计寿命：=h L 200×24×1=4800h 。 该轴承所具有的基本额定动载荷C=35.1；
此载荷小于轴承的额定动载荷，所以选择此型号的轴承合格。同理7000C 和7001C 型号的轴承也按此种方法进行检验校核均满足要求，所以所选轴承均合适。
3.4 联轴器的选择
减速器的输出周的轴径为14mm 并且也通过计算主动轴上与减速器轴相连接部分的直径为12mm ，所以选择联轴器为凸缘联轴器，其具体尺寸如下：
表3-5 联轴器尺寸表
型号
公称转矩
)(m N T n ?许用转速
轴孔直径 轴孔长度J D
1
D
b
1b
S
转动惯量I
质量m/kg GY1
25 12000
12,14
27
80 30 26 42 6 0.0008
1.16
对联轴器进行校核，由于此传动刚性联轴器足以满足机构对各方面的要求，所以选择刚性联轴器。
应按联轴器上最大转矩作为工作转矩ca T =T K A 通过在《机械设计》中查工况系数：A K =1.3
选用刚性联轴器即可满足要求：
0.1455kw 0.97kw 15.097.0=?=?=额定电机p p
载荷计算：mm N n p T ca ?=?=??=527.1875
1455.055.91055.96 查A K =1.3
所以得=?=T K T A ca 1.3×18.527=24.0851Nm
ca T ≤25。
4 动平台支链的结构设计及具体尺寸的确定4.1 支链尺寸的确定
为了要达到所需要的动平台运动范围给定支链的尺寸如下：
100
图3.7 支链尺寸图
“工业机器人”设计大作业 作品题目：货物装卸机器人 专业：机械设计制造及其自动化 姓名：班级：学号： 姓名：班级：学号： 姓名：班级：学号： 指导教师：陈明
1 前言 货物装卸作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。货物装卸机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件货物装卸工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的货物装卸机器人愈10 万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛货物装卸、集装箱等的自动货物装卸。部分发达国家已制定出人工货物装卸的最大限度，超过限度的必须由货物装卸机器人来完成。装卸货物装卸是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高 2 设计方案论证 本课题通过对货物装卸机器人工作对象及工作场所的分析研究，深入了解其工作是 如何进行，各部分零部件应该如何运行以及如何紧密配合，先确定其总体结构再对主要 零部件进行设计计算确定其尺寸大小以及确定电机型号。 2.1 基本思想 （1）设计要考虑要求和工作环境的限制。 （2）考虑到货物装卸货物时所需要精确度不是很高，为了简化结构，境地成本，采用 角铁焊接结构。 （3）为了满足设计要求，须设计三个独立的电机驱动系统，各部分之间通过计算 机控制、协调工作。 （4）本次设计只是该题目的机械部分，而对应控制部件的考虑较少。 3 仓库货物装卸机器人的设计计算 3.1 货物装载伸缩装置的设计 3.1.1 确定传动方案 我们所学的传动方式有以下几种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和钢 丝绳传动等，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗轮传动工作的发热 情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有足够的压紧力，故而 在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于大功率传动。带传
机械装备设计制造综合技能大赛 设 计 说 明 书 姓名：孙小平洪耀林徐海昌 指导老师：黄伟玲 2014年9月17日 江西·赣州
摘要 随着计算机技术，人工智能技术的迅速发展以及智能采集器的不断改进和推陈出新，智能信息采集装置已经取得了很大进展。但是对于应用比较复杂通用性较高的全自动信息采集车还没有突破性的进展。智能数据信息采集车的研究将会告别信息相互孤立缺乏联动性的现象，是一个复杂的，面向智能化的，不断发现的过程。近年来，很多关于信息采集的研究和设计，尤其是智能数据信息采集车更是吸引了很多人的眼球。对于智能信息采集车来说，不但要有环境信息获取功能，还要有对信息理解和信息处理的功能。对自动信息采集车的研究是针对环境空间的识别，然后建立相应数据通道，通过雷达和无线装置把获取的数据传送到终端。 智能信息采集车采用了应用范围广，性价比高的基于单片机的多数据通道采集系统，将来自传感器的信号通过转换器转换为数字信号后由单片机采集然后利用SPI通信将数据送到主机进行数据的存储后期处理与显示实现数据处理功能强大的智能化高端信息采集设备。 智能数据信息采集车是一个集自动驾驶、环境感知、规划决策等功能于一体的综合系统。它集中的运用了人工智能、导航、传感器及自动控制等技术；应用了计算机、信息传递、通信交流等现代装备，是典型的高新技术综合体。 关键词：智能信息采集车、智能化、传感器、数据通道、现代装备
第一章绪论 (1) 1.1 信息采集的现状及发展概述 (1) 1.2信息采集车国内外研究现状 (2) 1.3智能信息采集车的背景意义 (4) 1.4 设计要求及内容 (6) 第二章智能信息采集车的结构与工作原理 (6) 2.1 数据获取装置的设计 (6) 2.2 行走方案选择 (7) 2.3基本结构 (9) 2.4工作原理 (11) 第三章智能信息采集车的功能与特点 (12) 3.1 智能信息采集车的功能 (12) 3.2智能信息采集车的特点 (13) 第四章智能信息采集车的设计思路 (15) 4.1 基本工作思路 (15) 4.2动力选择思路 (15) 4.3设计后的调整 (16) 第五章总结与展望 (17) 参考文献 (18)
机器人创新设计作品说明材料学校名称：景德镇高等专科学校 作品名称：探索者机器人创新设计 作品设计成员： 作品设计时间：二零一二年十月十九日
摘要 本文主要介绍了一个基于ARM7 LPC2138，32 位的高性能主控芯片控制的探索者机器人的创新设计，该设计包括C语言编程，声控、振动、触碰、光强、闪动、黑标、白标、近红外等多种传感控制，图形化编程及便携式编程三种编程模式，能满足任何软件水平的用户实现简单或复杂的自动化控制程序及其他功能实现。 在设计中，详细的展现了探索者机器人的各个功能模块、传感器的属性功能工作状况。最后，实现整个实验功能创新设计。
目录 摘要 (1) 第一章引言 (1) 1.1 探索者机器人创新设计概 述 (2) 1.2 探索者机器人创新设计特点 (2) 1.3 探索者机器人创新设计目的 (3) 1.4 探索者机器人创新设计意义和前景 (4) 第二章、主控板 (5) 第三章、红外接收头 (5) 第四章、语音模块 (5) 第五章、LED 模块 (6) 第六章、舵机 (6) 第七章、传感器 (7) 7.1 黑标/白标传感器 (8) 7.2 近红外传感器 (8) 7.3 姿态传感器 (9) 7.4 闪动传感器 (9) 7.5 声控传感器 (10) 7.6 触碰传感器 (10) 7.7 振动传感器 (11) 7.8 触须传感器 (11) 7.9 光强传感器 (11) 第八章、编程手柄说明 (12) 第九章、C 语言编程基础指南 (13) 9.1 安装编程环境 (13) 9.2 第一个ARM 软件 (18) 9.3 烧写程序 (21) 9.4 ARM 主控板端口列表 (22) 9.5 库函数 (24) lib_io.c………………………………….…………………….………… 24
工业机器人课程设计基于Matlab的工业机器人运动学和雅克比运动分析 班级： 学号 姓名：
目录 摘要 ..................................................................................................................................................... - 2 - PUMA560机器人简介 ...................................................................................................................... - 3 - 一、PUMA560机器人的正解 .......................................................................................................... - 4 - 1.1、确定D-H 坐标系 .................................................................................................................... - 4 - 1.2、确定各连杆D-H 参数和关节变量 ........................................................................................ - 4 - 1.3、求出两杆间的位姿矩阵 ......................................................................................................... - 4 - 1.4、求末杆的位姿矩阵 ................................................................................................................. - 5 - 1.5、M A TLAB 编程求解 .................................................................................................................. - 6 - 1.6、验证 ......................................................................................................................................... - 6 - 二、PUMA560机器人的逆解 .......................................................................................................... - 7 - 2.1、求1θ ........................................................................................................................................ - 7 - 2.2、求3θ ........................................................................................................................................ - 7 - 2.3、求2θ ........................................................................................................................................ - 8 - 2.4、求4θ ........................................................................................................................................ - 9 - 2.5、求5θ ........................................................................................................................................ - 9 - 2.6、求 6 θ ...................................................................................................................................... - 10 - 2.7、解的多重性 ........................................................................................................................... - 10 - 2.8、M A TLAB 编程求解 ................................................................................................................ - 10 - 2.9、对于机器人解的分析 ........................................................................................................... - 10 - 三、机器人的雅克比矩阵 ............................................................................................................... - 11 - 3.1、定义 ....................................................................................................................................... - 11 - 3.2、雅可比矩阵的求法 ............................................................................................................... - 11 - 3.3、微分变换法求机器人的雅可比矩阵 ................................................................................... - 12 - 3.4、矢量积法求机器人的雅克比矩阵 ....................................................................................... - 13 - 3.5、M A TLAB 编程求解 ................................................................................................................ - 14 - 附录 ................................................................................................................................................... - 15 - 1、M ATLAB 程序 ........................................................................................................................... - 15 - 2、三维图 ...................................................................................................................................... - 24 -
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势
1引言 1.1设计目的 机器人可以干人不愿意干的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，同时机器人可以干不好干的活，比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳,一天焊几千个点，就重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面机器人干人干不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。 机器人是一个具有有类人的功能，比如说作业功能；感知功能；行走功能；还能完成各种动作，还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是可以编程，改变工作、动作、工作的对象和工作的一些要求。是人造的机器或机械电子装置，所以这种机器人仍然是个机器。但是目前还没有一个统一的有关机器人定义，一般来说认为机器人是计算机控制的可以编程的目前能够完成某种工作或可以移动的自动化机械，这是美国工程师协会定的一个定义，但日本和其他国家也对机器人有不同的看法，从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求，所以要求设计出机器人。 1.2设计背景 首先我介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。 另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。 “迎宾机器人”是一个机电结合的制作。在现实当中，当客人来到门口时，会向客人热情的说一句“欢迎光临”，同时记下进入人数，同样当有客人从门口离
机械制造装备设计说明书 设计日期：2015年6月16日
前言 机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
目录 1、机器人型号.................................................................................. 错误！未定义书签。 2、关节机械原理图 ....................................................................... 错误！未定义书签。 3、各关节运动范围及最快速度 (4) 4、拆装过程 (6) 5、零件明细表 (6) 6、所拆关节减速器工作原理 ....................................................................................... 小结.......................................................................................................................................... 参考文献................................................................................................. 错误！未定义书签。
《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 2014 年10 月1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15)
一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，
搬运机器人结构设计与分析 摘要 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，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。 本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论，对原有的机械结构提出了新的改进方法，并把现在的新技术应用到本课题中，从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状，提出了具体的搬运机器人设计要求，并根据搬运机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以及包括：机器人的手部、腕部、臂部、腰部在的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统，执行元件包括：柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动，进而实现搬运机器人的实际作业。 关键词：搬运机器人；液压系统；机械结构设计；操作
Abstract In the modern large-scale manufacturing industry,enterprises to improve productivity, and,guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment.Through a detailed understanding of the robot in the industrial application,to propose specific handling robot design requirements,and according to the robot design principles of various parts, for the system as well as including:the robot's hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures.The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including:plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc.Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion,And realize the operational handling robot. Keywords：Transfer robot；Hydraulic System；Mechanical Design；Operating
机器人课程设计说明书 指导教师： 院系： 班级：
： 学号：
一、课程设计的容 1、目的和意义 机器人涉及机械、电子、传感、控制等多个领域和学科。本课程设计是在《机器人学》课程的基础上，利用多传感技术、控制技术实现机器人控制系统的综合与应用，达到锻炼学生综合设计能力的目的。让我们把理论与实践结合起来，掌握更多技能。 2、设计容 （一）、机器人硬件 本课程设计使用实验室已有的移动机器人。机器人有两个驱动轮、一个从动轮，驱动轮由舵机直接驱动。机器人控制器为89S52单片机。机器人结构图如图1所示。 图1 机器人结构简图
（二）、设计任务 利用多传感器技术，实现对机器人的轨迹规划及控制。具体为：控制机器人在规定的场地避开障碍物走遍整个场地。 二C51单片机编程环境与机器人智能 1、单片机与C51系列单片机 （一）、单片机 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。 （二）、C51系列单片机 MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称。这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751等，其中8051是最典型的产品，该系列单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的。 本课程设计所用的AT89S52单片机是在此基础上改进而来的。AT89S52是一种高性能、低功耗的8位单片机，含8k字节ISP可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，兼容标准MCS51指令系统及其引脚结
沈阳工程学院 课程设计 设计题目：三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计 系别自控系班级测本081 学生姓名步勇捷学号 2008310110 指导教师祝尚臻职称讲师 起止日期：2012年 1 月 2 日起——至 2012 年 1 月13 日止 - I -
沈阳工程学院 课程设计任务书 课程设计题目：三自由度直角坐标工业机器人设计 系别自动控制工程系班级 学生姓名学号 指导教师职称讲师 课程设计进行地点： F430 任务下达时间： 2011年 12月31日 起止日期：2012 年 1 月2日起——至 2012 年 1 月13日止教研室主任年月日批准 - II -
三自由度直角坐标工业机器人设计 1 设计主要内容及要求 1.1 设计目的： 1了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。 2初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统并应用于工业机器人的设计中。3通过学习，掌握工业机器人的驱动机构、控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。 1.2 基本要求 1要求设计一个微型的三自由度的直角坐标工业机器人； 2要求设计机器人的机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器的种类和数量布局。 3要有控制系统硬件设计电路。 1.3 发挥部分 自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求： 2.1 设计过程的基本要求 （1）基本部分必须完成，发挥部分可任选； （2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份； （3）设计过程的资料保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。 2.2 课程设计论文的基本要求 （1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。 （2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。 3 时间进度安排 顺序阶段日期计划完成内容备注 1 2012.1. 2 讲解主要设计内容，布置任务打分 2 2012.1. 3 检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分 3 2012.1. 4 检查机械结构设计并指出错误及纠正；打分 4 2012.1. 5 继续机械机构和传动机构设计打分 5 2012.1. 6 进行控制系统设计打分 6 2012.1.9 检查控制系统原理图设计草图打分 7 2012.1.10 完善并确定控制系统打分 8 2012.1.11 指导学生进行驱动机构的选择打分 9 2012.1.12 进行传感器的选择和软件流程设计打分 10 2012.1.13 检查任务完成情况并答辩打分 - III -
河南机电高等专科学校 《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号：1534542251 姓名：流星 2014 年10 月1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15)
一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，
目录 1绪论 (2) 1.1机器人的论述 (2) 1.2机器人的历史现状 (4) 1.3机器人的发展趋势 (5) 2搬运机器人的总体设计 (6) 2.1搬运机器人原理设计 (6) 2.2搬运机器人的机械系统设计 (6) 3手臂设计及计算 (9) 3.1搬运机器人臂部的驱动计算 (10) 3.2臂部上零件的选型及其校核 (13) 4结论 (15) 5参考文献 (16)
阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。 （3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。 其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。 1.3机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)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； c)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。
河北工业大学城市学院 毕业论文 作者：周** 学号：***** 系(专业)：机械系 专业：机械设计与制造及其自动化 题目：全转动副三自由度并联机器人 指导者：李** 教授 (姓名) (专业技术职务) 评阅者： (姓名) (专业技术职务) 2015 年6月11 日
目录 1 绪论 ........................................................................................................................ - 4 - 1.1 引言 .............................................................................................................. - 4 - 1.2 此次课题研究背景和意义 ........................................................................ - 4 - 1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势 ...................... - 5 - 1. 4 本次毕业设计主要完成工作 ..................................................................... - 6 - 1.4.1 基本内容 ............................................................................................ - 6 - 1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线 ................................................ - 6 - 2 总体方案的设计 .................................................................................................... - 7 - 2．1 总体布局的设计 ....................................................................................... - 7 - 3 由基本参数选定标准件的型号 .......................................................................... - 10 - 3.1 减速机的选择 .......................................................................................... - 10 - 3.2 选择伺服电机并对其检验 ...................................................................... - 12 - 3.3 轴承的选择及校核 .................................................................................... - 15 - 3.4 联轴器的选择 .......................................................................................... - 17 - 4.1 支链尺寸的确定 ........................................................................................ - 19 - 4.2 对主动轴尺寸的确定及校核 .................................................................... - 20 - 4.3 对支链上转动副的设计 ............................................................................ - 22 - 4.4 支链末端设计 ............................................................................................ - 25 - 5 机构的整体布局设计及机架设计 ...................................................................... - 2 6 - 结论 ...................................................................................................................... - 29 - 参考文献 .................................................................................................................... - 31 - 致谢 ............................................................................................................................ - 32 -