六自由度工业机器人的设计.docx

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摘要

在当今轮毂制造业中，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。

本文设计和研究了一个六自由度的工业机器人，用于生产线的进送料和装配。

首先，本文对生产线布局进行改造设计，提高生产的工作效率，然后，根据设计要求设计了机器人的整体方案和具体的机械结构，选择了合适的传动方式、驱动方式，设计了机器人的底座、大臂、小臂和手部的结构；并且对机器人的传动结构进行设计，机器人为六自由度关节型机器人，全部采用转动关节，关节处采用电机，减速机，齿轮传动机构，蜗轮蜗杆传动机构来实现各个自由度，从而实现所需的运动。

在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，采用PC+DSP运动控制卡的控制方式，确定了控制系统的总体方案，设计了PCI总线接口电路和DSP。

关键词:

六自由度工业机器人；生产线；结构设计；控制系统；

-II-

Abstract

Inthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisespaymoreattentionontheautomationdegreeoftheproductionprocessinordertoenhancetheproductionefficiency,andguaranteetheproductquality.Asanimportantpartoftheautomationproductionline,industrialrobotsaregraduallyapprovedandadoptedbyenterprises.Thetechniquelevelandtheapplicationdegreeofindustrialrobotsreflectthenationalleveloftheindustrialautomationtosomeextent,currently,industrialrobotsmainlyundertakethejopsofwelding,spraying,transportingandstowingetc.,whichareusuallydonerepeatedlyandtakehighworkstrength,andmostoftheserobotsworkinplaybackway.

Inthispaper,IwilldesignanindustrialrobotwithsixDOFs.First,Iwilltransformlinelayoutanddesignthestructureofthebasetoimprovetheworkefficiencyofproduction,andthen,accordingtothedesignrequirements,Idesigntherobotmechanicalstructureoftheoverallplanandspecific,andchosetherightmeansoftransmissionanddrivemode,Then,Idesignthebigarm,thesmallarmandtheendmanipulatoroftherobot,andIdesignthetransmissionstructure,Thisrobotisa6-DOFjointrobot,Thesejointsareallrotaryjoints,jointsusedmotor,reducer,geartransmission,wormgearandwormdrivemechanismtorealizevariousdegreesoffreedom,soastoachievetherequiredmovement.Onthisbasis,thispaperwilldesignthecontrolsystemoftherobot,whichcontrolledbyPCandDSPmotioncontrolcard,anddeterminetheoverallschemeofthecontrolsystem,designDSPandPCIbusinterfacecircuit.

Keywords:

6-DOFindustrialrobot, linelayout, structuredesign, thecontrolsystem

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章绪 论 1

1.1课题背景及研究的目的和意义 1

1.2国内外在该方向的研究现状及分析 2

1.3本文的主要研究内容 4

第2章生产线布局及总体方案的确定 5

2.1生产线布局方案 5

2.1.1机械手 5

2.1.2工作流程 6

2.1.3方案预期达到的目标 6

2.2总体方案的设计 7

2.2.1机构的选型 7

2.2.2驱动方式的选择 7

2.2.3传动方案的选择 8

2.2.4总体结构方案设计 9

2.2.5控制方案的设计 11

2.2.6技术参数列表 12

2.3本章小结 13

第3章结构的设计 14

3.1引言 14

3.2电机力矩的计算以及驱动电机的选择 14

3.3减速器的设计 16

3.4腰部的设计 17

3.5手臂的设计 18

3.5.1手臂的设计基本要求 18

3.5.2大臂和小臂 18

3.5.3连杆 19

3.6手腕部的设计 19

3.7末端执行器的设计 20

3.8本章小结 21

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）

第1章绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

轮毂制造业属于劳动密集型的行业，除了繁重的体力工作外，几乎每个工序都存在着对人体有害的污染源和潜在的工伤事故:

热加工工序烫灼伤的危险，大量易燃易爆燃料及消耗材料时时刻刻威胁着操作手的安全;铝液除气除渣产生的有毒烟尘，机加工冷却液的有害蒸汽，以及涂装工序液体漆、粉漆、前处理药液等等都会严重影响工人的健康;无处不在的轰鸣及刺耳的噪音会使你情绪坏到极点。

[1]

针对原有轮毂生产线存在的劳动强度高，生产效率低，粗加工加工尺寸不稳定等问题，通过工业机器人及新的数控加工设备，不仅有效解决了轮毂大小头轴承孔同轴度，大小头螺孔位置度的质量问题，满足用户图纸的要求，而且降低了工人的劳动强度，提高生产效率将近一倍，取得了良好的经济效益。

[2]

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

[3]它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

[4]生产中应用机械手可以提高生产的自动化水

平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。

在工业领域广泛应用着工业机器人。

工业机器人一般指在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、

-12-

装配等操作的一种机器人。

工业机器人的定义为：

“一种自动定位控制、可重复

编程的、多功能的、多自由度的操作机。

能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。

”操作机定义为：

“具有和人的手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。

”一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

轮毂生产线改造设计是一个实际应用课题。

通过本设计可以使学生在实际课题设计中对生产加工，机械系统设计，机械手及其控制等知识得到切实的锻炼。

1.2国内外在该方向的研究现状及分析

在西方发达国家，企业主为了避免这种强体力高危工种所带来的高额人工费用，早已采用了自动化生产线代替部分人工操作进行铝合金轮毂的生产。

在亚洲，日、韩企业的自动化生产起步较早，形成了鲜明的地域特色。

[1]而在中国大陆，一直没有铝合金轮毂生产厂真正考虑过这个问题，到目前还没有一条像样的轮毂自动化生产线。

中国大陆企业之所以不重视这方面的发展，首先是由于近几十年的惯性思维使然。

过去几十年缺乏资金和技术，拥有的优势就是众多的廉价劳动力，为了促进经济的发展，充分利用这个优势，无论在社会大环境要求还是在经济指标考量上无疑都是正确的。

另外的原因是企业管理者僵化的思维。

随着经济的发展和企业规模的不断扩大，有的企业管理者还把思维定位在旧的发

展模式上，认为搞自动化生产线硬件投入大，得不偿失，而没有综合考虑

自动化生产带来的综合效益。

机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动作业任务的机械装置。

机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自

动控制及人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代

表，是当代科技发展最活跃的领域。

机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。

近十几年来，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。

我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。

1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。

1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。

目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。

最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。

主要研究成果有：

哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993年研制的喷涂机器人，1995年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。

[3]

我国目前拥有机器人4000台左右，主要在工业发达地区应用，而全

世界应用机器人数量为83 万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家。

在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距。

目前，在国内外各种机器人的研究的现状和大体趋势如下：

A.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。

B.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。

C.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决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。

D.关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、

模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

E.焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

其研究的现状，总的来说，大体是两个方向：

其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

1.3本文的主要研究内容

本文设计和研究了一个六自由度的工业机器人，用于生产线的进送料和装配。

首先，本文对生产线布局进行改造设计，提高生产的工作效率，然后，设计机械手及控制系统设计。

第2章生产线布局及总体方案的确定

2.1生产线布局方案

如图2-1所示，采取两车床相临，与加工中心依次排布的布局方式；

2.1.1机械手

图2-1生产线布局图

1.双爪（手指为两个夹持机构）

2.机械手的自由度

（1）机械手手部两个自由度（回转）

（2）手腕一个自由度（两个回转）

（3）手臂一个自由度（回转）

（4）机身两个自由度（两个回转）

2.1.2工作流程

1.工序一：

由机械手将工件从传送带取下，夹持工件外圆，固定到车床一上、夹紧，进行工序一；

2.此时，机械手再次从传送带上取下工件，存放在手上；

3.待工序一完成后车床一防护门打开，由机械手的另一只手将工件取下，将存放手上的工件固定车床一，进行工序一；

4.之后，将从车床一取下的工件调头撑内孔固定到车床二上，进行工序二；

5.重复流程2、3、4；

6.将工序二取下的工件固定到加工中心，进行工序三；

7.工序三完成，机械手将工件取出反转，重新固定，进行工序四；

8.工序四完成后，机械手将成品件从加工中心取出，放到出料传送带上；

9重复流程5~8。

工作流程图如图2-2所示。

图2-2工序流程图

2.1.3方案预期达到的目标：

方案最大的特点是采用了双爪机构（手指为两个夹持机构），在生产流程中，省去了等待工序一加工完才可夹持下一工件的时间和各个工序之间所需的时间间隙，双抓举手实现了生产线的不间歇生产，节省了时间，提高了效率。

2.2总体方案的设计

2.2.1机构的选型

机构的设计非常重要。

我们主要从以下几个方面对其进行研究：

（1）可达空间的范围。

（2）机构的设计。

（3）自由度的选取。

具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达15KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高

可靠度。

关节型机器人可分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、 球坐标型机器人和开链连杆式机器人。

开链连杆式机器人是现在使用最多的一种，其主体结构的三个自由度腰关节、肩关节、肘关节全部采用转动关节，手腕上也采用转动关节来确定末端的姿态，具有优点如下：

[6]

1.结构紧凑，工作范围大而安装占地小。

2.具有很高的可达性。

可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标型的机器人就不行。

3.因为没有移动关节，所以不需要导轨。

转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。

4.所需关节驱动力矩小，能量消耗少。

通过对以上这些进行研究，我们拟采用开链杆式关节型机构。

机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。

共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。

2.2.2驱动方式的选择

机器人的驱动可分为气压驱动、液压驱动及电动机驱动等多种类型。

它们各有优缺点，且适应范围不同。

三种驱动方式的特点见表2-1。

表2-1三种驱动方式的特点对照

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液压驱动

气动驱动

电机驱动

输出功率

很大

大

较大

控制性能

利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制

气体压缩性大，精度低，阻尼效果差低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制

控制精度高，功

，率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂

结构性能及体积

结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。

密封问题较小

结构适当，执行机构可标准化、模拟化，体积小，结构紧凑，密封问题较小

结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题

在工业机器人中应用范围

适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人

适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具

适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、装配机器人等

成本

液压元件成本较高

成本低

成本高

-14-

基于上述驱动系统的特点，本文选用电机驱动的方式对机器人进行驱动。

2.2.3传动方案的选择

传动方式的选择是指选择驱动源以及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。

基本的连接形式和驱动方式见图2-3所示。

（1）直接连接传动。

驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。

（2）远距离连接传动。

驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。

a）直接连接传动，间接驱动； b）直接连接传动，直接驱动c）远距离连接传动，间接驱动；d）远距离连接传动，直接驱动

图2-3各种传动方案

（3）间接驱动。

驱动源经一个速比远大于1的机械传动装置与关节相连。

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（4）直接驱动。

驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。

如果采用远距离连接，则造成传动链太长，结构比较庞大等，所以采用直接连接传动的方式；又因为采用直接连接，所以电机不能选的太大，为了提高机器人的负载能力，必须采用间接驱动的方式，通过减速机构增大电机的输出力矩。

综上所述，本课题采用图2-3中的a）方式，即直接连接传动，间接驱动。

2.2.4总体结构方案设计

机构选型和传动方式完成后，再进行总体的结构设计，具体情况如

下：

要求上部的机械臂底盘要大，重心要低，所以，腰部关节的驱动电机直接选择安装在基座上，如图2-4所示。

整个结构为空间关节型的，本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。

有4个关节，腰关节，肩关节，肘关节，腕关节，共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆，均为转动关节，其中腰关节实现机器人本体除基座以外的机构的转动；肩关节带动大臂、小臂、手腕、手爪进行俯仰转动，以满足机器人工作空间上高度的要求；肘关节实

现带大臂和小臂之间的转动：

大臂、小臂以及手腕均可在允许的范围内运动；腕关节可以实现俯仰以及摆动，可以方便的改变手爪的位姿。

-19-

图2-4六自由度机械臂简图

手爪是机械臂中的比较重要的部件，采用了气动夹持器。

气动夹持器在工业中应用较为普遍。

另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。

机器人的机身、大小臂等都采用空心薄壁机构，硬铝材料，使得零件

的刚性好，而且重量轻。

在连接处，采用高强度的螺栓连接，转动关节处，选用了高精度的轴承，使得运转很灵活，磨损小。

在现代机器人结构中广泛使用着各种机器人轴承，常用的有环形轴承和交叉滚子轴承。

这几种机器人专用轴承具有结构简单紧凑，精度高、刚度大，承载能力强（可承受径向力、轴向力、倾覆力矩）和安装方便等优点。

但考虑到这些轴承价格昂贵，而使用普通的球轴承或滚子轴承也能满足结构的需要，所以在该机器人的结构中仍然全部采用球轴承。

在电机的布置上，考虑尽量将电机放置在相应的操作臂的前端，这样可以减小扭矩，同时也可以起到重力平衡的作用，但同时尽量避免过长的传动链，以简化结构，减少诱导运动。

[11]

各部件组成和功能描述如下：

（1）底座部件：

底座部件包括底座、蜗轮蜗杆，箱体，涡轮轴和步进电机等。

步进电机固定在箱体上。

（2）腰部回转部件：

腰部回转部件包括驱动臂座，摆线针轮减速机和步进电机等。

作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。

在腰部支架上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。

（3）大臂部件:

包括大臂和连杆。

（4）小臂部件:

包括小臂、齿轮箱、传动部件、传动轴等,在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机。

（5）手腕部件：

包括手腕壳体、传动齿轮和机械接口等。

（6）末端执行器：

气动夹持器（两个夹持机构）。

整个结构简单紧凑，基本满足设计要求。

2.2.5控制方案的设计

构建机器人平台的核心是建立机器人的控制系统。

到目前为止，基于PC机控制系统一般包括单PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP运动控制卡的控制模式，PC+数据采集卡的控制模式，

DSP属于精简指令集计算机，增强型哈佛结构，具有独立的程序存储空间和数据存储空间，运算速度极快（超过20MIPS），为系统实时性提供了有力保障，也使复杂算法的实现成为可能，特别是面向电机控制应用的DSP，它通过把一个高性能的DSP内核和常用外围设备集成为一个芯片的方法，将DSP的高速运算特性和优化的控制特性结合起来，成为运动控制系统核心芯片的最佳选择。

基于DSP控制器的运动控制系统实际上是一个单片系统，因为整个电机控制所需的各种功能都可以用DSP控制器来实现，因此可以大幅度减小系统体积，减少外部器件的个数，增加系统可靠性。

因此本文选定PC+DSP运动控制卡的控制方式。

2.2.6技术参数列表

1.抓重:

15kg

2.自由度数:

6个自由度

3.坐标型式:

开链连杆式关节型

4.最大工作半径:

2000mm

5.手臂最大中心高：

900mm

6.最大行程:

手臂旋转：

+160°

手臂进-出：

105o~140o

手臂上