7自由度工业机器人机械结构毕业设计（全套图纸） .doc

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1、7 自由度工业机器人机械结构设计 摘 要 7自由度工业机器人以工作范围大、动作灵活、结构紧凑、能抓取靠近机座的物体等特点备受设计者和使用者的青睐。由于有一个冗余自由度，很容易在确保最佳焊接姿势的同时，避免工件以及夹具对机器人工作臂的干扰。 本论 文首先根据机器人 持重 3kg 、工作范 围1434mm 、本体 重量150 kg ，确立机器人为 S 腰部回转、L 小臂摆动、E 大臂回转、U 臂部俯仰、R 腕部扭转、B腕部俯仰、T 腕部回转的 7 自由度关节型弧焊机器人的总体结构；分析机器人的各个关节在转动惯量、角速度、加速度等技术指标下的工作状况，确定 7 个关节都采用交流电机驱动、机器人手臂专

2、用减速器传动，同时 B、T 腕部关节还用到同步带传动。通过计算各关节所需电机的功率和转矩、减速器的减速比、同步带的要求并选型；用 UG NX6.0 画出机器人的各关节三维仿真模型，并装配成型。 本课题研究具有广泛的实际意义和应用前景。设计的 7 自由度工业机器人为后续的机器人动力学分析和运动控制提供了参考依据，并可以做进一步的研发。 关键词 ：7自由度，工业机器人，机械结构 I7 自由度工业机器人机械结构设计 Abstract 7 dof industrial robots with large scope of work, flexible, compact structure, can g

3、rab the object near the base are famous among so much designers and users. Because there is a redundant freedom, it is easy to ensure the best welding position at the same time, avoid workpiece and fixture work on the robot arm interference. In this thesis, according to the robot puts up 3kg , the s

4、cope of work is 1434mm , body weight is 150kg ,establish 7 dof joint structure of arc-welding robot including S waist, L arm swing, E arm rotation, U pitching arm, R wrist turn, B wrist pitch, T wrist rotation. Analysis of the various robot joints in moment of inertia, angular velocity, acceleration

5、 and other technical indicators of the work under the conditions identified seven joints driven by AC motor, the robot arm dedicated reducer drive, while B, T wrist joint is also used in synchronous belt drive. Required by calculating the joint motor power and torque, reduction ratio reducer, belt r

6、equirements and selection; robot with UG NX6.0 draw three-dimensional simulation model of each joint, and assembly molding. This research has extensive practical significance and application prospect. 7 dof industrial robots designed for the follow-up dynamics analysis and motion control and provide

7、 a reference, and can do further research and development. Key words: 7 dof, industrial robot, mechanical structure II7 自由度工业机器人机械结构设计 目录 摘 要 . I Abstract.II 目录 . III 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内外工业机器人的发展概况 . 2 1.2.1 国内外工业机器人的发展现状.2 1.2.2 工业机器人的发展趋势.4 1.3 课题来源 . 5 1.4 主要研究内容 . 6 第二章 7 自由度工业机器人总体方案

8、设计 .7 2.1 机器人机械设计的特点 . 7 2.2 与机器人有关的概念 . 7 2.3 机器人的基本技术要求 . 9 2.4 机器人手臂结构型式 . 10 2.5 机器人结构方案的分析 . 12 2.5.1 7 自由度工业机器人的外形结构设计.12 2.5.2 7 自由度工业机器人的关节结构设计.15 2.6 机器人的驱动方式的选择 . 19 2.7 7 自由度机器人的控制系统 . 20 2.7.1 7 自由度工业机器人控制系统硬件部分.20 2.7.2 7 自由度工业机器人控制系统软件部分.21 2.8 本章小结 . 21 第三章 7 自由度工业机器人结构设计 .22 3.1 引言 .

9、 22 3.2 减速器类型选择 . 23 3.3 同步带类型选择 . 24 3.4 机器人结构设计 . 25 3.4.1 T腕部回转关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 .25 3.4.2 B腕部摆动关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 .30 3.4.3 R回转关节交流伺服电机和减速器的选择 .36 3.4.4 U回转关节交流伺服电机和减速器的选择 .38 3.4.5 E回转关节交流伺服电机和减速器的选择 .40 3.4.6 L摆动关节交流伺服电机和减速器的选择 .42 3.4.7 S腰部回转关节交流伺服电机和减速器的选择.44 3.4.8 电机、减速器、同步带选型总表.47 3.5 电

10、机型号 . 48 3.5.1 SGMGH系列 1500 转电机 .48 III7 自由度工业机器人机械结构设计 3.5.2 SGMPH系列 3000 转电机.49 3.6 本章小结 . 51 第四章 7 自由度工业机器人三维结构设计 .52 4.1 机器人各个关节三维图 . 52 4.1.1 底座造型图 .52 4.1.2 S腰部回转关节造型图 .53 4.1.3 L小臂摆动关节造型图 .56 4.1.4 E大臂回转关节造型图 .60 4.1.5 U臂部俯仰关节造型图.60 4.1.6 R腕部扭转关节造型图.61 4.1.7 B腕部俯仰关节造型图.62 4.2 机器人装配图 . 65 4.3

11、本章小结 . 66 第五章 结论和展望 .67 5.1 结论 . 67 5.2 技术经济分析报告 . 68 5.2.1 技术可行性分析 .69 5.2.2 技术优越性分析 .69 5.3 展望 . 69 参考文献 . 71 致 谢 . 73 声 明 . 74 IV7 自由度工业机器人机械结构设计 第一章 绪论 1.1 课题背景 123机器人是典型的机电一体化装备，除了在制造业、农业、医疗、海洋开发、航天工程等方面得到了越来越广泛的应用之外，也渗透到人们生活的各个方面，随着工业机器人向更深、更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大。机器人产品技术附加值很高，应用范

12、围很广，机器人产业是正在快速成长中的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外专家预测机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。在这样的背景下，机器人技术与相关方面人才的需求也迅速增加，各高校也相应加大了对机器人技术人才的培养力度 。 研究并开发机器人是一项极其具有价值的科研工作。 工业机器人 一般需要六个自由度,它是机器人在工 作空间内,达到任意位置和方向所需要的最少的数量。然而，六自由度机器人在跟踪特定位置和方向的能力受到很大的 限制。因此,通 过增加自由度的 办法来提高它 的灵活性，大大 地克服了六自由度机器人受到奇异构形空间、障碍物、关节运动极限和电机的转矩

13、极限等一系列运动学和动力学问题的限制。因此，七自由度冗余手臂是智能化机器人的一个重要主题，而且有资料显示，未来的通用机器人一般应至少具有七个自由度 。 从“七五”科技攻关开始，我国将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，经过研制、生产、应用，实现了中国机器人产业“从无到有”。“十五”期间是我国机器人产业发展的一个关键转折点。经过多年的研究开发，我国的机器人技术已日趋成熟；市场需求在“十五”初期也有了一个“井喷式”的发展，此外我国业已形成了几家具有一定竞争力的机器人公司和产业化基地。 但是，从整体上来说，我国机器人产业还很薄弱，机器人研究仍然任重而道远。我国市场上机器人总共拥有量近万台，仅占

14、全球总量的 0.56%，其中完全国产机器人行业集中度仅占 30%，其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20 多个国家引进。究其原因，很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急 。 由于常年以来发达国家对我国的技术封锁，尤其是对我国的工业技术部门。 因此对能应用于各行各业的 7 自由度工业机器人，我国有必要自主研制和开发。 17 自由度工业机器人机械结构设计 1.2 国内外工业机器人的发展概况 1.2.1 国内外工业机器人的发展现状 机器人是最典型的机电一体化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对 未来生产

15、和社会 发展起越来越重要的作用。据UNECE (联合国欧洲经济委员会)和IFR (国际机器人联合会)统计，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头，进入90年代，机器人产品发展速度加快，年销售量增长率平均在10%左右；2004年增长率达到了创记录的20%，其中,亚洲机器人增长幅度最为突出,增长43%，如图1-1所示。 UNECE估计,2004年全球至少安装了10万台新的工业机器人。其中： 欧盟31100台(比2003年增加15%,但比2001年的记录仅增加1%)； 北美16100台(比2003年增加27%,比2000年的记录高24%)； 亚洲51400台,主要在日本,但中

16、国市场增长迅速(比2003年增长24%)。 图1-1 2003年制造业中每1万名雇员拥有工业机器人的数量 在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的ABB Robotics， 日本 的FANUC、 Yaskawa，德 国的 KUKA Roboter， 美国的 Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，意大利的COMAU，英国的AutoTech Robotics，加拿大的Jcd Intern

17、ational Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。 日本素有“机器人王国”之称，其工业机器人的发展令人瞩目，无论机器人的27 自由度工业机器人机械结构设计 45数量还是机器人的密度都位居世界第一。日本安川电机(Yaskawa Electric Co.)自1977年研 制出第一台全电 动工业机器人 以来，已有29年 的机器人研发生 产的历史,旗下拥有Motoman美国、瑞典、德 国以及Synetics Solutions美国公司等子公司，至今共生产13000 多台机器人产品，而最近2年生产的机 器人30000多台，超过了其他机器人制

18、造 公司。2005年4月,该公司宣布将投资4 亿日元,建造一个新的机器人制造厂，已于200 5年11月运行 ，2006年1月达到满负荷生产。目 前，该公司每月工业机器人生产能力达到2000台。安川电机核心工业机器人产品包括：点焊和弧焊机器人、油漆和处理机器人、LCD玻璃板传输机器人和半导体晶片传输机器人等。该公司是将工业机器人应用到半导体生产领域的最早厂商之一。2004年该公司机器人销售收入为1051亿日元，占该公司营业总收入3096亿日元的34% 。 德国KUKA Roboter Gmbh公司位于德国奥格斯堡,是世界几家顶级工业机器人制造商之一，1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人

19、。该公司工业机器人年产量接近10000台，至今已在全球安装了60000台工业机器人。这些机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等领域。 中国首钢莫托曼机器人有限公司由中国首钢总公司、日本株式会社安川电机和日本岩谷产业株式会社共同投资组建,三方出资比例分别为45%、43%和12%,引进日本株式会社安川电机最新UP系列机器人生产技术生产SGMOTOMAN机器人，并设计制造应用于汽车、摩托车、工程机械、化工等行业的焊接、喷漆、装配、研磨、切割和搬运等领域的机器人、机器人工作站等。该公司目前是国内最大、最先进的机器人生产基地,年生产能力为800台。但是，中国的首钢莫托曼机器人工

20、业主要是进口日本工业机器人，只是在国内进行组装而已。沈阳新松机器人自动化股份有限公司是由中国科学院沈阳自动化所为主发起人投资组建的高技术公司，是机器人国家工程研究中心、国家八六三计划智能机器人主题产业化基地、国家高技术研究发展计划成果产业化基地、国家高技术研究发展计划成果产业化基地。该公司是在国内率先通过ISO9001国际质量保证体系认证的机器人企业,并在福布斯2005年最新发 布的“中国 潜力100榜” 上名列第48位 。其产品包 括：rh6弧焊 机器人、rd120点焊机器人及水切割、激光加工、排险、浇注等特种机器人 。 我国的机器人研究始于二十世纪 70 年代。经过近 20 年努力，特别是

21、经过“七五”攻关、“863”计划，取得了一批重要成果，掌握了机器人控制系统硬件设计、软件设计、机器人语言等技术。 37 自由度工业机器人机械结构设计 6鉴于上述国内外形势，国家七五科技攻关计划将工业机器人和水下机器人的研究和开发列入了计划，由机械部等部门组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的工业机器人的攻关，使中国工业机器人一起步就瞄准了实用化的方向。 1986 年，国家把智能机器人列为高技术发展计划，研究目标是跟踪世界先进水平，工作内容主要是围绕特种机器人进行攻关。 进入 90 年代，在国内市场经济发展的推动下，确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方

22、针，实现了高技术发展与国民经济主战场的密切衔接，研制出有自主知识产权的工业机器人系列产品，并小批试产，完成了一批机器人应用工程，建立了 9 个机器人产业化基地和 7 个科研基地。我国的高等院所，如长沙国防科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、沈阳自动化研究所等在步行机器人、精密装配机器人及 7 自由度机器人研制等前沿领域内做出了可喜的成绩，正在逐步缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距。 综上所述，我国机器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路。今后的任务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展跨过区域交流合作，与国际接轨，早日

23、跻身于世界先进行列 。 1.2.2 工业机器人的发展趋势 机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。当今工业机器人的发展趋势主要有： （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。 （2）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；有关节模块连杆模块用重组方式构造机器人。 （3）工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方

24、向发展，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，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）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，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有47 自由度工业机器人机械结构设计 7成熟应用。 （5）机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的

25、、具有实际动作功能的“智能化系统”。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展 。 1.3 课题来源 7自由度工 业机器人是一种冗余度机器人，冗余度 机器人的一个重要特性是其能够进行自运动，即在使末端操作器位姿保持不变的情况下，各个关节能够沿冗余作业空间运动实现机器人的自调整。不同的自运动可使得机器人有不同的机构位形和运动。冗余度机器人这一特征可使得其在复杂的环境下实现避障。 由于冗余度机器人的重要研究及应用价值( 主要面向空间站、核电站、水下等各种危险复杂的场合)，开 发了一种基于工业 机器人的七自由度仿 人手臂，其外形美观、动作灵活，是一种比较理想的结

26、构形式。显然,为了实现自运动的路径规划，首先需要解决运动学正问题。 早在七十年代，国外发达国家就已开始对冗余自由度机器人进行研究。近几年来这方面研究进展较大，有几个国家已研制出了几种具有冗余自由度的机器人，有的已能应用于实际工作。这几年国内有关单位也相继开始了对冗余自由度机器人的研究，并取得了一些可喜的成果，但水平比国外有较大差距。特别是还没有研制出一台具有冗余自由度的机器人样机。这对冗余自由度机器人的深入研究有很大影响。为此，在高等学校博士生点基金和“863”基金的支持下，从 86 年开始进行冗余自由度机器人的研究，并已研制成功一台七自由度机器人样机。 中国工业机 器人经过“七五”攻关计划、

27、“九五” 攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展，工业机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业，但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有：数控机床关57 自由度工业机器人机械结构设计 8键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空

28、、自动导引车等的工业机器人产品，主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业 。 1.4 主要研究内容 本文的主要研究内容： 本课题以实际工程项目出发，仿照日本安川 7 自由度工业弧焊机器人 VA1400作为研究对象。针对机械系统的结构设计要求，对此机械系统进行机械结构设计，建立三维装配模型，为机器人的机械系统的运动学和动力学仿真提供虚拟样机模型。 （ 1 ） 通 过 调 研 首 钢 莫 托 曼 机 器 人 有 限 公 司 ， 对 7 自 由 度 工 业 机 器 人MOTOMAN-VA1400 有感性认识，并对其机械结构了解和学习。 （2）参考 6 自由度 MOTOMAN-HP6 机器人说明书资料，了解其 6 自由度的分配和实现。 （3）研究 7 自由度机器人与 6 自由度机器人的相同点和异同点，对机械系统进行结构设计，针对电机、减速器、同步带进行设计和选择。 （4）利用 UG NX6.0 软件建立机器人机械系统的三维实体模型，为后续系统的仿真分析工作做好准备。 67 自由度工业机器人机械结构设计 第二章 7 自由度工业机器人总体方案设计 2.1 机器人机械设计的特点 910串联机器人机械设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机构学的角度来看，机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节( 或移