工业机器人论文

谢辉 厦门大学嘉庚学院 机电工程系 机械设计制造及其自动化 机自2班MDA13071 摘要：作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，机器 人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。机器人的应用越来越广泛,需求越来越大,其技术研究与发展越来越深入，这将提高社会生产率与产品质量,为社会创造巨大的财富。本文将简述机器人的发展史及作用，以及机器人的发展运用和分类。着重叙述机器人的组成和参数及机器人的本体结构设计。并且举例机器人在生活中的实际运用。 关键词 分类 运用 组成 参数 结构

引言：在接触《机器人技术》这门课程之前，对于机器人的理解仅仅局限在动漫和电影里机器战的场面，更现实一些的也是新闻中能有动作的人形机器人。可是一个学期的机器人技术学习让我意识到了机器人不仅仅是科幻中的威武，更融入了生活中的方方面面，与我们的生活息息相关。它的技术发展，实际上契合了我们社会的科学技术的进步史。更要感谢冷兴聚老师的辛勤教导，孜孜不倦引导我走向正途！谢谢老师！

一、绪论

工业机器人发展历程

我国机器人最早体现在鲁班的机械设计杰作——可飞木鸟中，是最早记录的机器人概念的作品。之后的张衡发明的地动仪和指南车，三国时的木牛流马，都体现了我国古代劳动人民的聪明智慧。具有了明显的机器人的功能与结构。自1662年，日本竹田近江发明了机器玩偶，机器人进入了一个较为迅速的发展阶段。1738年，法国技师设计了机器鸭。1768年，瑞士钟表匠设计了写字偶人等作品，采用了巧妙地机械结构。13年，加拿大莫尔设计了能行走的机器人，之后，机器人在各影视作品中广泛出现，并逐渐赢得了科学家的青睐。

我国的工业机器人研制虽然起步晚，起步于70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期；80年代的开发期；90年代的实用化期。而今经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。有着广大的市场潜力，有着众多的人才和资源基础。在机器人技术基础方面，我国开展了机器人运动学、动力学与构型综合研究，机器人运动控制算法及机

器人编程语言的研究，机器人内、外部传感器的研究与开发，多传感器控制系统的研究，离线编程技术、自诊断、安全保护技术等，基本掌握了工业机器人的所有关键技术。在机器人控制装置研制方面，我国已经开发出双处理器、多处理器和分层控制装置，不少装置已经投入实际应用，主控计算机的档次也逐渐升级。在机器人操作器研制方面，我国已经能够设计和生产点焊、弧焊、喷漆、装配等各类机器人，不少机器人拥有自主知识产权。其中，国产自动导引小车市场开拓最为成功，不仅牢牢占据国内市场，而且批量出口海外。在国家的鼓励支持下，在市场经济和国际竞争愈演愈烈的未来，我们一定能够完全自主制造出自己的工业机器人，并且将工业机器人推广应用到制造与非制造等广大的行业中，提高我国劳动力成本，提高我国企业的生产效率和国际竞争力。

而国外因为如前所述，有着较为悠久的研究和发展历史，所以现在也拥有较为高端的机器人技术。如日本和美国，在机器人技术的综合研究水平上处于领先的地位。美国是工业机器人的诞生地，基础雄厚，技术先进。现今美国有着一批具有国际影响力的工业机器人供应商，像Adept Technologe 、American Robot 、Emersom Industrial Automation 等。

德国工业机器人的数量占世界第三，仅次于 日本和美国，其智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。目前在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人经推广应用成为主流安装机型，而第三代智能机器人已占有一定比重并成为发展的方向。

世界上的机器人供应商分为日系和欧系。瑞典的ABB公司是世界上最大机器人制造公司之一。1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。1975年生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，其机器人产品趋于完备。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。

德国的KUKA Roboter Gmbh公司是世界上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。年产量达到一万台左右。所生产的机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业，主要用于材料处理、机床装备、包装、堆垛、焊接、表面休整等领域。

日系是工业机器人制造的主要派系，其代表有FANUC、安川、川崎、OTC、松下、不二越等国际知名公司。FANUC是世界上最大的机器人制造商之一，并研发了较多的数控系统。如我们学校的加工实训中心，加工中心数控车床等都是采用了发那科系统。

到目前，机器人技术已经发展呈全新的综合性交叉学科，涉及了力学，机器人拓扑学，机械学，电子学，生物学等等学科领域。随着机器人的发展也可将机器人发展总结为三个历程：

第一代机器人：只能以示教再现动作的机器人，目前大多现在应用的机器人都是采用这一方式。

第二代机器人：带有可感知环境的装置，具有反馈控制的技术，并越来越多的应用于现在的市场中。

第三代机器人：也是智能机器人，具有复杂的感知功能，可以进行复杂的

逻辑推理。目前推广有一定的技术。这也是未来的机器人技术的发展方向。

1.1工业机器人研究的目的和意义

工业机器人是集机械、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器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统( FMS) 、自动化工厂( FA) 、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。

20世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及的过程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。 1. 驱动方式的改变

20世纪70年代后期，日本安川电动机公司研制开发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液压驱动的机器人，成为工业机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、R V减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。 2. 信息处理速度的提高

机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现的。为了使机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算，并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展，C P U的计算能力有了很大提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制20多个关节。机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高，并扩大了工业机器人的应用范围。近年来，随着信息技术和网络技术的发展，已经出现了多台机器人通过网络共享信息，并在此基础上进行协制的技术趋势。

夹持的特殊要求，采取了多种形式的机械结构来完成对工件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。在针对同样的目标任务，采取多种运动方式相结合的方式来达到预定的目的。驱动方面采用了一台工业机器人多种驱动方式的情况，有液压驱动，气压驱动，步进电机驱动，伺服电机驱动等等。愈来愈多的搬运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式的优点，避免缺点。并且在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。在搬运机械手的控制方面，出现了多种控制方式。如：由原始的电控的机械手，较先进的基于工控机控制的，基于PC控制的，进一步的嵌入式PC控制技术，还有采用PLC可编程控制的。

在物料搬运方面近年来呈现出的趋势就是系统化。无论是我国还是国外，物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备，由单机走向系统。在制造业方面，随着JIT, FMS, CIMS等现代制造技术的发展，对物料搬运系统也提出了新的要求。其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料准时到达要求的地点。这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用。其中采用了机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。

当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领城的扩大和机器人种类的增多。另一方面表现在机器人机械系统性能的提高和控制系统的智能化。前者是指应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高。机器人应用领城的拓宽和性能水平的提高二者相辅相承、相互促进。应用领城的扩大对机器人不断提出断的要求，推动机器人技术水平的提高.反过来，机器人性能与智能水乎的提高，又使扩大机器人应用领域成为可能。

1．工业机器人机械系统性能的提高。

进一步提高业机器人的运动精度。机器人是一种多关节开链式结构，因此，机器人手臂的刚度一般都不高。另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在，以及机器人手臂末端误差的放大作用，使当前机器人的定位与运动还不能达到很高的精度。度大.精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊色。因此，至今工业机器人在精密装配及其它精密作业中的应用仍受到了很大的。除了精密作业要求高精度机器人以外.采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器人要具有足够高的定位精度和运动精度。

进一步提高机器人工作精度的主要办法是：提高机器人的加工精度与装配精度，采用无隙传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定进行机器人的

2．误差补偿，通过实时检侧对机器人运动误差进行实时修正。提高机器人手的灵活度和避障能力:当前常用的机器人手肴的灵活度的都不够高，即手臂末端达到某一工作点时。手臂可能采取的姿态是有限的，有时要有很大的灵活度和很强的避障能力.例如。当用喷涂机器人喷涂车身内表面时，要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷上漆，必须要有高灵活度机器人手有才行。另外，在有限空间及有障碍的复杂环境中作业的机器人，例如在核电站工作的机器人，也要求其具有高灵活度的机器人手臂。为了提工业机器人手臂的灵活度，主要是采用具有冗余自由度的机器人手臂和在机器人手臂机构上采用膨铰关节及可双向弯曲的手臂。

3．提高机器人的运动速度和响应频率：为了提高机器人作业效率，以及提高具有感知功能机器人的反应速度，就必须提高机器人运动速度和响应频率，这一点，对装配机器人来说尤为重要。为此，一方面可以通过采用高强度材料或轻质材料(如碳纤维复合材料)制造机器人手臂，以达到减轻手臂重量和提高手臂动态特性的目的，另一方面，也可以通过采用直接驱动电机或其它高性能驱动电机，从控制和驱动方面提高机器人系统的运动速度与响应频率。

4．提高机器人手爪或手腕的操作能力、灵活性与快速反应能力:为了使机器人能像人一样进行各种复杂作业，如装配作业、维修作业及设备操作，机器

人就必须有一个运动灵活和动作灵敏的手腕和手爪。这一点对装配作业机器人、核工业机器人和在空间站上作业的空间机器人来说是特别重要的。

5．采用模块化组合式机器人结构，提高机器人快速维修性能:根据优化设计，制造出多种不同尺寸和规格的手臂和连接器模块。用少量的模块可组合成多种机器人配置。这种机器人能进行快速维修，可以实现自动修复。所以，这种机器人结构最适用于空间机器人、核工业机器人等。如这种积木结构能推广用于一般工业机器人，将使工业机器人的成本下降、生产周期及维修周期缩短。

1.3工业机器人的分类

（3）对搬运机器人的手爪，，小臂，大臂，的结构设计，绘制各部分的结构草图；

（4）由第2步所给定的条件和第3步的结构特点，选取驱动系统并确定驱动电机的驱动方式和传动方式；

（5）对各结构的质量进行粗估，完成对手爪的夹紧气缸，小臂、大臂丝杠

的驱动电机，以及腰部、腕部的旋转驱动电机的计算选型；

（6）根据电机的外形尺寸及输出轴轴径，以及电机的重量完善结构草图。 （7）通过以确定的结构的质量的分析，验算重要零件的受力情况，绘制最终装配图。

二、总体设计方案确定

2.1结构设计概述

一个机器人系统结构由下列互相作用的部分组成：机械手、环境、任务。 机械手是由具有传动执行装置的机械，它由臂，关节和末端执行装置构成，组合为一个互相连接，互相依赖的运动机构。机械手用于执行指定的作业任务。工业机器人的末端执行器是安装在腕端的附加装置。

机器人的手部可分为夹持式和吸附式两大类。夹持式的是指型手，夹持方式有外夹式和内撑式之分，吸附式的分为空气负压式和电磁式两种，

任务是指机器人要完成的工作。机器人的类型是随着工作任务的特点而决定的。例如：SCARA机器人就非常适合平面上的工件的抓取。

环境是指机器人所处的周围环境。环境不仅由几何条件(可达空间)所决定，而且由环境和它所包含的每一个事物的全部自然特性所决定。 2.2基本设计参数

根据次机械手的应用场合和实地的应用要求，其主要的设计参数要求如下： （1）抓取的重物：2kg； （2）机械手的自由度数：4个； （3）运动参数：

大臂升降： 线速度：0.02m；

s 小臂伸缩： 线速度： 0.02m；

s 手腕俯仰： 角速度：3.14rad；

s 腰部旋转： 角速度：3.14rad；

s（4）运动行程：

大臂升降：300mm 小臂伸缩:300mm 腰部旋转:90 手腕俯仰:90

2.3工作空间分析 2.4传动方案的确定： 2.4.1传动方案分析 <1>方案1：

图2-2 传动方案一

第一、二、自由度均采用伺服电机加减速器的结构形式。大臂的驱动电机和大臂的回转轴共线。小臂的传动方案与大臂的传动方案相同，这样虽然结构上较为简单，但对大臂产生了一定的附加弯矩，对工件的抓取精度产生了一定的不利影响，并且对转矩的计算也会较为麻烦。第三个自由度，即就是升降机构采用电机步进电机加同步齿形带的传动方案。同步齿形带具有传动精度高，结构紧凑，传动比恒定等特点。但对安装的精度要求较高，负载能力也很有限，并且不能实现反向自锁，需要另加断电保护装置。手爪的结构采用较为简单的气动控制直线运动的手爪。 <2>方案二：

图 2-3 传动方案二

第一、二自由度均采用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构可以较为简单。电机轴和小臂的关节轴是同一方向的。这是在充分考虑到小臂的驱动电机对大臂所产生的附加弯矩的条件下，对大臂的结构设计特别做了加强处理。第三个自由度为丝杠螺母的升降运动，采用的传动方式是电机轴经过一级齿轮减速，再驱动滑动丝杠，利用滑动丝杠的大减速比的特点，达到控制上升的速度不至于过快。同时，选择单头的滑动丝杠具有很好的自锁性能，从而在系统突然断电的情况下，不致使此自由度方向上发生运动，从而保证了结构的安全。第四自由度旋转机构也是采用电机加谐波减速器的结构形式。手爪采用目前广泛采用的，而且技术成熟的连杆导杆式气动机械手，这一机械手的造价低廉，结构简单，针对此处所抓取的工件的特点是不易变形的金属工件，所以对夹紧力的要求不是太高，故采用气动机械手爪完全可以达到设计要求。 <3>方案三：

图2-4 传动方案三

如图2-4所示，第一自由度采用步进电机加减速装置的传动模式。大臂与回转关节之间采用谐波减速器传递动力。小臂的驱动电机考虑到它的重量会对大臂造成较大的附加弯矩，则把小臂的驱动电机安装在大臂的回转轴的轴线方向，电机输出轴与小臂的回转轴之间通过同步齿形带相连接，保证了小臂回转的精度。但这样就使得小臂的传动机构很复杂，有多段承受弯矩的轴，并且电机轴也承受了一定的弯矩。第三个自由度采用滚珠丝杠并配以电机加减速器驱动的传动方案，这是利用了滚珠丝杠的传动精度高，并且是把旋转运动转换为直线运动，而不需要中间环节的转化，结构简单。但滚珠丝杠必须附加自锁装置以确保能够做到断电保护。滚珠丝杠的造价较高，重量也较重，因此在滚珠丝杠的材料选择方面要求加工材料要较轻。并且滚珠丝杠需要电机的输出转矩也较大，自身的减速比较小。机器人的手爪部分仍然采用较为常用的气缸配合连杆式气动机械手的结构，其作用与方案一所述的相同。 2.4.2 伺服驱动与步进驱动的比较 1）低频特性不同

歨进电机在低速时容易出现低频振动现象，振动的频率与负载情况以及与驱动器的性能有关。当步进电机工作在低速的时候一般还应采取阻尼技术来克服

低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

2）矩频特性不同

不进电机的输出力矩随转速的升高而降低，而且在较高的转速时会急剧下降所以其最高的工作转速在300~600r。交流伺服电机为恒力矩输出即使在

min额定转速以内都能输出额定的转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 3）过载能力不同

不仅电机一般不具有过载能力，交流伺服电机具有较强的过载能力比进电机因为没有这种过载能力，为了克服启动时较大的惯性力矩，往往要选取具有较大静转矩的电机，而机器人正常工作时又不需要这么大的转矩，所以便出现了力矩浪费的现象。 4）运行性能不同

步进电机的控制一般为开环控制，速度过快或负载过大都会出现失转或堵转现象。交流伺服电机为驱动系统为闭环控制，驱动器可以直接对电动机编码器反馈信号进行采样，在内部构成位置环和速度环，能避免失步或过冲现象。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电动机，所以在一些对位置和速度要求较高的场合，采用交流伺服系统的优势更为明显。此次的搬运机器人队工件的抓取，对其驱动系统的要求就是要能够较为准确的完成对位置和速度的控制，这样选取交流伺服电机就能够很好的满足这一点。

通过对上面的方案的比较，综合分析后我认为方案二有更多的优势，而且结构合理，能够比较好的完成本次的输送线出货台的物料搬运工作。故此次方案二作为本次设计的最终设计方案。

三、搬运机器人的结构设计

3.1驱动和传动系统的总体结构设计 （1）底座

如图所示：电机和谐波减速器通过连轴套筒相连，谐波减速器的输出轴和大臂的回转关节轴直接相连。外壳的材料采用45钢底座的轴承采用角接触轴承，使利用了它既能承受轴向力也能承受一定的径向里的特点。电机和减速器通过

外壳内部的凸台进行安装，这样使得结构简单，加工和安装方便。里面部件的材料采用铝合金,位于底部的电机通过谐波减速器的减速对顶端轴进行驱动，从而带动了大臂回转轴和大臂一起转动，需要注意的是臂回转轴是做成一体的。

图 3-1 机器人的结构设计方案图 （2）传动装置

传动的主要方式是采用交流伺服电机加减速器的传动模式，大臂的轴承选择的是角接触轴承，用此来承受较大的负载产生的弯矩，避免了减速器的输出轴，以及电机轴承受附加载荷，从而保护了减速器和电机。大臂的长度尽可能的做的短一些，这样会在整体结构简单的情况下将小臂回转关节的电机自身重量和减速器的重量极可能多得通过壳体传递到地面，另外对大臂的设计也采用了增加强度的处理，从而尽可能电机和减速器所产生的附加弯矩对机构的影响。小臂回转关节采用了电机减速后直接驱动小臂关节轴旋转，从而带动小臂旋转，这里大、小臂的运动具有性的特点。 （3）升降机构

此处机械手的升降机构是采用电机加一级齿轮减速，传递动力给滑动丝杠，利用滑动丝杠的大的降速比来完成夹持工件的机械手上下移动，这样可以把电机输出的转动转化成丝杠螺母的上下移动，并且整体结构较为简单。同时考虑滑动丝杠的原因也是利用了滑动丝杠的反向自锁的特性，从而实现了断电保护。在滑动丝杠的外螺母上连接导向杆，这样可以对螺母起到导向的作用，同时可以减少负载产生的附加弯矩对滑动丝杠的影响，进一步挺高了机械手抓取时的抓取精度。 （4）旋转机构

如图所示，此处的旋转机构主要是利用步进电机利用键连接来驱动机械手进行旋转来实现抓取工件位姿的调整，这里是考虑到机械手在抓取工件时所需要的位姿来进行设计的，使得机械手的手爪更方便有效的完成工件的抓取。 3.2气动手爪的选型计算 机械手爪受力分析：（如图3-3） P：机械夹持器轴向施加的作用力；

e：夹持器活塞中心至手指支点的距离； R：支点销轴的半径；

：中间连杆对手指的压力角；

：摩擦角；

：构件间的摩擦系数； 角度条件：2；

尺寸条件：ae；ael'；

如图3-2所示，设力P的方向与中间连杆之间的夹角为，作用在中间连杆上的分力为F，

P/2=Fcos+sin （3.1）

图3-2 则作用在连赶上的分力F可以用下面的

P1式子来表示： F= （3.2）

2cos + sin 设中间连杆与手指之间的夹角，即压力角

图 3-2 手爪结构 为，手指支点的反力为R，手指支点轴的半径为r，连接销与手指支点的距离为l'。手指支点到指尖的距离为l.则根据绕手指支点的力矩平衡关系可得到下式：

lQl'Fcosl'sinrR0（3.3） 其中R可根据下式求得：RF2Q22FQcos (3.4) 则将（3.2）（3.3）代入（3.4）中可得如下式子：

l'P(cossin)rR Q （3.5）

2l(cossin)l由于

rRl（/2）+=，可由此改写为/2,则（3.5）式子最终可以改写成：

很小，可以忽略。设手指与手部中心线夹角为，并且注意到

l'P(tg()cossin) （3.6） Q2l

图3-3 手爪受力分析

则最终得到活塞杆的输出力P与夹紧力Q之间的关系为： P=

2lQ （3.7） ‘l(tg()cossin)由于工件夹紧时手指所处的位置，设手指夹紧部分的摩擦系数为f=0.5。则可得到fQG/2，由已知得到工件重4kg 则可推得Q=40N。

由此时手爪所处的位置可得到：0由此（3.7）式子可以简化为： P2lQ （3.8）

l'tg()3 3测得45，又知道15，则tg()=带入（3.8）式则得到：P=

21314078.5× 3=231.2N。

3.3手爪驱动气缸设计计算

手指的理论驱动力为P，选用驱动气缸时应考虑手指与回转轴之间的摩擦以及气缸的活塞与缸壁之间的摩擦。因为回转轴处的效率较低，从工作的安全和动作的可靠性考虑，所取手指的驱动力为N=5P=1156N。 由气缸的输出力计算公式：N=

2DP102 （3.9） 4其中：F：气缸的理论输出力（ kgf） D：气缸的缸径（mm） P：工作压力（kgf/cm2）

气缸的效率一般为85%，则由（3.9）公式可得到气缸的缸径为：

D4N41156==58.86mm。 60.85P1020.853.149.80.51010249.810根据气缸的选型表可以选择的气缸内径为63mm。由气缸气的选型手册可选LG系列气缸。主要的技术参数为：气缸内径63mm，最大行程800mm，工作压力范围0.049—0.98MPa，耐压力1.47MPa，不需要给油。缓冲行程20mm，选择FB后法兰盘结构。

根据所选择的气缸，并计算出在0.5

MPa下的实际输出力F是否满足手指

'f的驱动力的要求。在P=0.5MPa的压力下实际输出力=

0.853.140.5106221063=1323N。 4410故此结果满足要求。 3.4进给丝杠的设计计算：

当机械手爪抓起工件时，丝杠的负载就由以下几个部分组成：工件，手爪，驱动气缸，手爪与气缸的连接套筒，俯仰电机，减速器，丝杠套杯与L型支架等组成。

它们的重量可以做以下粗估：工件40N，手爪20 N，驱动气缸20N，手爪与气缸的连接套筒20N，俯仰电机55N，减速器5N， 丝杠套杯与L型支架40N等组成。考虑到实际的影响因素，可以估计出丝杠的真实负载约为F=230N。

考虑到先前方案分析是提到的丝杠要求反向自锁的特点，先根据其负载情况粗选滑动丝杠的类型为单头梯形丝杠。大径d1=39mm，中径d2 =27mm，小径

d3=23mm,螺距P=6mm。螺杆材料为45钢，螺母的材料为ZCuSn5Pb5Zn5，高度

H=600mm。

对所选的丝杠进行验算：

(1)丝杠螺杆的耐磨性验算：因为工作压强P=F/(d2H1n),式子当中，

H10.5P0.563mm，而n=H/P=600/6100mm。带入上式得:P=

160=0.0063N/㎜2,并且考虑到螺杆升降速度0.04m/s,并且不是

3.14273100连续工作PP=10N/㎜2。可见P< PP。满足耐磨性要求。 （2）螺纹强度校核：根据螺母材料查表，取由螺纹剪切强度公式=

p=35 N/㎜2， bp=50 N/㎜2。

F检验。式子中：b=0.65P=0.65×6=3.9㎜。 D4bnD4=d1+2acd=40㎜.所以=螺纹的弯曲应力b=

160=0.00327 N/㎜2。

3.14403.91003FH131603==0.0075 N/㎜2。 22D4bn3.14×40×3.9 100p则满足：P< PP，<，b<bp。螺纹的强度足够。

（3）自锁性验证：因为是单头螺纹，故导程S=P=6㎜,所以螺纹升角6S=arctg=arctg=4.05。

d23.1427由表面的钢对青铜的摩擦系数f=0.08～0.10,此处可以针对此范围取到f=0.10，

f0.10得=arctg=arctg = 5.75cos(/2)cos7 所以<,故可自锁。 3.5驱动电机的选型计算 3.5.1手爪旋转电机的选型计算

根据惯性匹配公式，折算到伺服电机上的全部负载转动惯量为JL。由公

v式可知：JLJh(h)2mi(i)2kgm2其中：

kiJh：各旋转件的转动惯量（kgm2）；

h：各旋转件的角速度(rad/s)；

：伺服电机的角速度(rad/s)；

mi各直线运动件的质量(kg)；

vi各直线运动件的速度(m/s)；

1)根据旋转机构的特点，可以把工件看成是一个绕电机轴的轴线旋转的圆柱

121体模型，转动惯量：J1m1r1=40.052=0.005kgm2。

22手爪关于电机轴的转动惯量同理得J2=

120.12=0.01kgm2。 2120.22=0.04kgm2。 2气缸手爪连接套筒关于电机轴的转动惯量J3=气缸关于电机轴的转动惯量J4=

140.052=0.005kgm2。 2则总转动惯量为：Jh=J1+J2+J3+J4=0.005+0.01+0.04+0.005=0.06kgm2。并考虑到连杆和减速器的转动惯量，则可扩大使Jh=0.07 kgm2。

又由折算公式：JLJh(kh2v)mi(i)2kgm2来计算JL。根据初始i的条件：h=3.1rad/s，所具有的稳定转速为310rad/s。从而可以确定所用到的谐波减速器的减速比为i=100。由机构本身的特点可知：mi=0，vi=0。

J3.12带入折算公式，则得JL=0.07()=0.07104 kgm2。又根据0.25L1，

JM310由此可以从MINAS 系列电机的型号表中选出电机的转动惯量JM=0.20104 kgm2。由此得总的折算到电机轴上的转动惯量Jr= JL+JM=0.20104+0.07

104=0.27104 kgm2。

2）伺服电机的转矩计算：

电机所需转矩可以用快速空载起动转矩计算

式中，

TamaxTfTTamaxTfTTmaxNm

—空载起动时折算到电机轴上的加速转矩；

—折算到电机轴上的摩擦转矩；

T0—由于丝杠预紧引起的附加转矩； —伺服电机输出转矩的最大值；

Tmax由此又由公式Tamax=

2nmaxJr 60t TmaxTr

其中，nmax—最大快速移动时伺服电机的转速； t—系统的时间常数；

2nmaxJr23.1450000.27104可得到Tamax===0.71Nm。

600.0260t摩擦力矩主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记Tf=0. 2Nm。 此处没有涉及到丝杠预紧，所以T0Nm

又TmaxTr1.8Tr（交流伺服电机1.8），：为电机的过载系数。 所以TTamaxTfTrNm，即TrTamaxTf1.8

0.710.20.51Nm。 1.8至此我们可以选出的电机型号为MINAS系列的电机，其额定功率为0.2KW，额定转矩为0.N，最大静转矩为1.91Nm>Tr=0.51Nm。转子 量匹配原则：0.25JL1可以粗选电机的转动惯量为JM=2.84104 kgmJM2（带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为：Jr=（1.17+2.84）104=4.01104kgm2。 2）伺服电机的转矩计算：

电机所需要的转矩可以用快速空载起动转矩来计算，由此得到TTamaxTfTTmaxNm。

2nmaxJr23.1450004.01104其中Tamax===4.19Nm（取加速度时间

600.0560t为0.05s）。

TfFS1600.50.0060.0095Nm（此处取阻尼系数f0.5） 2i23.140.810此处没有涉及到丝杠预紧，所以T0Nm

又TmaxTr1.8Tr（交流伺服电机1.8）所以TTamaxTfTrNm，即就是TrTamaxTf1.8

4.190.00952.33Nm。

1.82至此所选择的电机的额定功率为1.5KW，额定转矩为4.77Nm，最大转矩为14.3 Nm，电机惯量为2.84104 kgm（带制动器），额定转速为3000r，最高转速为5000r，重量为6.5kg，电机输出轴直径为19mm。 minmin3.5.3小臂驱动电机的选型计算

1）对小臂的负载进行估算：工件40N，手爪20 N，旋转电机重15 N，气缸手爪连接套筒20 N，谐波减速器5 N，支架40 N，丝杠25 N，减速齿轮5 N，丝杠驱动电机65 N，箱体30 N，小臂30 N。根据转动惯量的平行移轴定理

122J(mirimidi)，对各个部分的转动惯量分别进行分析。

2iJ工件J手爪140.1240.521.02kgm2 2120.15220.520.50225kgm2 2120.03220.520.5kgm2 2J气缸J连接套筒J减速器12（0.092-0.062）20.520.5kgm2 210.50.0620.50.520.126kgm2 21J旋转电机1.50.2521.50.520.422kgm2

2J支架J丝杠140.1240.521.02kgm2 212.50.011522.50.1820.081kgm2 2J齿轮减速器10.50.0620.50.1820.09kgm2 22的转动惯量为JM=16.7104 kgm（带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为：Jr=（16.7+6.78）104=23.48104kgm2。

2）小臂伺服电机的转矩计算：

电机所需转矩用快速空载起动转矩计算，得TTamaxTfTTmaxNm。其中

2nmaxJr23.14300023.48104Tamax===3.69Nm（加速度时间0.2s）。

600.260t摩擦力矩主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记为Tf=0.2Nm。 此处没有涉及到预紧，所以T0Nm 又由TmaxTr1.8Tr（交流伺服电机1.8） 所以TTamaxTfTrNm，即TrTamaxTf1.8

3.690.22.16Nm。 1.8至此所选择的电机的额定功率为2KW，额定转矩9.54Nm，最大转矩为28.5 N

2m，电机惯量为16.7104 kgm（带制动器），额定转速为2000r，

min最高转速为3000r，重量为12..5kg，电机输出轴直径为22mm。

min 小臂的谐波减速器的生产厂家是陕西蔡家坡渭河工具厂生产。型号选择为XBW—32—107—8。输入转速3000r，输出转矩6Nm，传动比为107。质

min量为0.5kg。

3.5.4大臂驱动电机的选型计算：

1）：m小臂电机12.5kg，m减速器0.5kg，m大臂10kg，m支架0.5kg。 小臂驱动电机关于大臂驱动轴的转动惯量

J11221m1r1m1d1=12.50.0752+12.50.32=1.16kgm2。 22同理可得小臂减速器关于大臂驱动轴的转动惯量：

J210.50.032+0.50.32=0.045kgm2 2小臂负载关于大臂驱动轴的转动惯量：

J36.67+31.50.32=9.51kgm2

大臂关节轴的转动惯量：

J41100.082=0.032kgm2 2由此可得到总的转动惯量为Jh1.160.0459.510.03210.75kgm2

h2v)mi(i)2kgm2可得折算到电机轴上的各个ki1.52负载的转动惯量为JL10.75()5.57104kgm2。根据伺服电机的惯

208.3J量匹配原则：0.25L1，可以粗选电机的转动惯量为JM=21.1104 kgmJM由折算公式：JLJh(（带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为：Jr=（21.1+5.57）104=26.67104kgm2。 2）大臂伺服电机的转矩计算：

电机所需要的转矩可以用快速空载起动转矩来计算，由此得到

TTamaxTfTTmaxNm。

22nmaxJr23.14300026.67104其中Tamax===1.67Nm（加速度时间为

600.560t0.5s）

摩擦力矩主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记Tf=0.5Nm。 此处由于没有涉及到预紧，所以T0Nm。

又TmaxTr1.8Tr（交流伺服电机1.8）所以TTamaxTfTrNm，即就是TrTamaxTf1.8

1.670.51.21Nm。 1.82至此所选择的电机的额定功率为3KW，额定转矩14.3Nm，最大转矩为42.9 Nm，电机惯量为21.1104 kgm（带制动器），额定转速为2000r，最高转速为3000r，重量为14.7kg，电机输出轴直径为24mm。 minmin 大臂的谐波减速器选型为XBW—80—134—120，传动比为134，输入转速3000r。输出转矩120Nm，质量为10kg，效率为70%—80%。

min3.6手臂强度校核

大小臂主要承受来自臂体自身及臂端部件重量载荷，即臂体要承受均匀载荷和突加载荷。

由材料力学知识知道弯矩最大处发生在左端截面处，

ql2由重力产生弯矩 M1

2突加载荷产生的弯矩 M2Pl

ql2Pl 故左端最大弯矩 M2为计算简便将两臂近似看作等截面长方体。则大小臂必须满足弯曲正应力的强度条件：

maxMmaxW

Zbh2矩形截面积： WZ

6铝合金材料拉压强度[]铝合金=310MPa

Q235材料拉压强度[]Q235=160MPa

大小臂胶合过程如下： (1)大臂强度校核

m小臂电机12.5kg，m减速器0.5kg，m大臂10kg，m支架0.5kg。

大臂受力情况q333Nm，P440N,l0.3m,b0.07m,h0.09m则

bh20.070.092WZ9.45105m3

66ql23330.32Pl4400.3147Nm M22 maxMmaxWZ1479.451051.56MPa[]Q235

所以大臂满足强度要求。

（2）小臂强度校核工件40N，手爪20 N，旋转电机重15 N，气缸手爪连接套筒20 N，谐波减速器5 N，支架40 N，丝杠25 N，减速齿轮5 N，丝杠驱动电机65 N，箱体30 N，小臂30 N。

小臂受力情况q60Nm，P285N,l0.5mm,b0.05mm,h0.07mm

bh20.050.072WZ4.08105m3

66ql2600.52Pl2850.5150Nm M22 maxMmaxWZ1504.081053.68MPa[]铝合金

四、搬运机器人的控制系统

4.1机器人控制系统分类

1.程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。

2.自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。

3.人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。

4．机器人控制系统结构

机器人控制系统按其控制方式可分为两类：

1）集中控制方式：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，其构成框图如图所示。

图4-1集中控制方式

2）主从控制方式：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。

图4-2 主从控制方式

主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图如图3所示。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。 4.2控制系统方案设计 4.2.1控制系统方案分析

控制系统通常是指在复杂的条件下，将预定的控制目标转变为期望的机械运动。控制系统使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的精确综合控制。

搬运机器人的手部、小臂、大臂的动作都是通过控制系统来控制的，所以控制系统是搬运机器人的重要组成部分，控制系统的设计对于机器人的总体设计而言至关重要。目前，搬运机器人的控制方式大多采用可编程序的点位控制(PTP)方式，而在各种控制方式中，可编程序控制器(PLC)因其通用性好、编程方便、成本较低、易于设计和维护等优点而被广为使用，它完全可以取代继电器控制柜，而且可以实现比继电器功能强得多的控制功能。 4.2.2控制系统特点 1. 编程方法简单

可编程控制器的梯形图语言程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图语言程序和调试程序比设计和调试继电器控制系统所花的时间要少得多。 2．控制系统结构简单，通用性强

尽管现在世界各个生产可编程控制器的厂家和公司，有着多种品牌和种类，但其基本结构和工作原理大致相同。配以各种组件就可以灵活的组成各种规模和不同要求的控制系统。 3．抗干扰能力强

可编程控制器采用了一系列硬件和软件的抗干扰干扰能力措施，如滤波、隔离、屏蔽、自诊断、自恢复等，使之具有很浅的抗干扰能力。一般无故障的时间数已经达到数万小时以上，可以应用于有强干扰的工业生产现场。现在可编程控制器已经被公认为最可靠的工业控制设备之一。 4．可靠性高

继电接触器控制系统使用了大量的机械触电，连线复杂，各触点在吸合和断开时容易受到电弧的损伤，所以寿命多，工作可靠性差。而可编程控制器以软件代替硬件，许多继电器的触点和繁杂的连线可以用程序来实现，大量的开关动作可以用无触电的电子电路来完成，因此寿命长，可靠性大大的提高。 5．体积小、结构紧凑，安装、维护方便

可编程控制器体积小、质量小，便于安装。通常可编程控制器都有自诊断、故障报警、故障显示的功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易的通过更

换模块插件来迅速排出故障。它的结构精凑，与硬件连方式简单，接线少，易于维护。

4.3机器人的控制系统方案确定

本次控制系统采用的方案是PLC+交流伺服系统。

交流伺服系统由交流伺服电动机和伺服电动机驱动器组成，它已经成为无刷直流伺服系统的代替品。近年来交流伺服驱动技术有了飞速的发展，它不仅能克服了直流伺服电动机在结构上存在的电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受等缺点，同时又发挥了交流伺服电动机坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。

一个伺服驱动系统并不仅仅是驱动器与电动机的组合，而是一个完整复杂的控制系统。完整的交流伺服驱动系统包括：伺服控制器、伺服驱动器、伺服电动机以及至少一个检测元件，所有这些部件都在一个闭环控制系统中运行：驱动器接受控制控制器的指令信息，然后将电流送给电动机，通过电动机转换成扭矩，然后带动负载；检测元件测量负载的位置（角度、直线位移）、速度、加速度等参数，输入控制器实现指令信息值与实际位置值的比较，然后通过闭环控制使实际位置值和指令信息值保持一致。

4-1 交流伺服系统控制框图

机器人各关节由电机输出动力，通过各种传动方案，带动各关节运动，传感器、编码器将检测记录到的运动部件的运动状况并以开关量形式传递给I/O，PLC接收到这些信号并经过处理后，发出指令，传递给I/O，系统进入下一道命令执行中。

PLC是要对搬运机器人的执行机构进行控制，控制机器人对工件的抓取。对搬运机器人的控制包括PLC通过I/O接口向机器人发出控制指令，以及获取机器人的工作状态信息等内容。PLC接收机器人的各种工作状态信 号、指令及传感系统，包括各指令开关、工件识别传感信号和执行机构的

4-3 机器人控制系统框图 位置信号等，实现PLC对搬运机器人的状态信息的获取。

在机器人控制系统中，提供了搬运工作模式(运行、示教等)设置。机器人伺服系统开启停止、重启、继续和回零等输入控制端口。通过这些控制端口PLC可以对焊接机器人进行上述的控制,同时也提供了搬运机器人所处的运行模式。伺服系统的开、停、就绪和急停等状态输出端口通过读取这些端口的状态。PLC就能获知机器人的搬运基本状态。 4.4 PLC及运动控制单元的选型

针对本次控制系统的方案，选择SYSMAC的CS1系列的PLC ，与之配套的MC单元为MC421，此处注意到MC421能够实现四轴的伺服驱动，分别对应本次SCARA机器人的四个伺服电机的伺服驱动。系统的配置图如4-4所示： MC的控制面板主要有LED指示器、单元号设置开关，X/Y轴和Z/U轴连接器、I/O连接器、示教盒连接器、MPG连接器等组成。各个部分的分布如图4-5所示。 1、单元号设置开关

单元号的设置确定了CPU单元专用I/O单元区的那些字分给MC单元。CS1-MC421占用了50个字。 2、连接器

图4-4 控制系统配置图

图4-5 MC单元控制面板

1) I/O连接器 用于外部输入输出的连接器，包括各轴的限值输入、急停输入、圆点接近输入、外部输入、常规输入。

2）示教盒连接器 用于连接示教盒。

3) MPG连接器 用于MPG（手动脉冲发生器）或同步译码器的连接器。

五、结论与展望

搬运机器人在工业机器人的领域中扮演着非常重要的角色，本次设计的主要目的是围绕实验室的建设，设计与实地环境相符的搬运机器人来实现输送线出货台上的工件到AGV小车上的搬运，从而实现工件的传送和运输这一环节的自动化操作。论文工作总结如下：

（1）根据各种传动方式之间的联系及特点，通过取长补短，主要考虑了结构紧凑简单等原则，确定了机器人的整体设计方案；

（2）各个回转关节的驱动方式均采用电机加减速器的方式的传动设计，大臂的回转关节和大臂做成一体，大臂的截面形状采用等强度处理；

（3）在各个关节的结构设计中，充分考虑到附加载荷对电机轴的影响，回转关节轴的载荷通过固定在其两端的轴承把负载的附加载荷传递到轴承上，从而保护了电机和减速器；

（4）在进给机构的设计中，滑动丝杠自锁性可以很好的保护工件不会在断电的情况下落，造成意想不到的事故；

由于时间有限，本次设计还存在一定的不足，还有待进一步提高，展望如下：

在传动系统的结构设计中，由于考虑到结构的紧凑型和尽量简单的特点，故把小臂驱动电机安装在小臂的回转关节轴上，但这样会造成大臂附加载荷过大，引起一定的不稳定因素，在今后的中可以尽可能选择质量较小在电机的选择和减速器的选择，或尽量减少电机在悬臂梁上的结构。

在手爪的设计中可以把手爪设计成可以替换的具有通用性的手爪，这样可以在搬运不同类型的工件时只需要更换机械手的手指，从而拓展了机器人的应用范围。

六、参考文献

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致谢

我历时将近半个月时间终于把这篇论文写完了，在这段充满奋斗的历程中，带给我的学生生涯无限的激情和收获。在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师给我提供了很多方面的支持与帮助，尤其要强烈感谢我的论文指导老师—冷兴聚老师，没有他在课堂上对我们进行了不厌其烦的指导和帮助，无私的为大家进行论文的修改和改进，就没有我这篇论文的最终完成。在此，我向我的最亲爱的老师表示最衷心的感谢！ 同时，我也要感谢本论文所引用的各位学者的专著，如果没有这些学者的研究成果的启发和帮助，我将无法完成本篇论文的最终写作。至此，我也要感谢我的朋友和同学，他们在我写论文的过

程中给予我了很多有用的素材，也在论文的排版和撰写过程中提供热情的帮助！ 金无足赤，人无完人。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请冷兴聚老师对我进行严格的批评和指正！