7自由度工业机器人机械结构设计【毕业论文+SW三维图纸】无CAD图纸

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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  3工作范  围 1434本体  重量 150 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  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   I 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自由度工业机器人机械结构设计   7    is a it to on  In 3 of 1434  1507  S  L E U  R B  T    of   B,  T    G  of   7  a do  7 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自由度工业机器人机械结构设计   目录   摘      要  . I  .目录  . 第一章    绪论  . 1  课题背景  . 1  国内外工业机器人的发展概况  . 2  国内外工业机器人的发展现状 .工业机器人的发展趋势 .课题来源  . 5  主要研究内容  . 6  第二章    7 自由度工业机器人总体方案设计  .机器人机械设计的特点  . 7  与机器人有关的概念  . 7  机器人的基本技术要求  . 9  机器人手臂结构型式  . 10  机器人结构方案的分析  . 12   自由度工业机器人的外形结构设计 . 自由度工业机器人的关节结构设计 .机器人的驱动方式的选择  . 19   自由度机器人的控制系统  . 20   自由度工业机器人控制系统硬件部分 . 自由度工业机器人控制系统软件部分 .本章小结  . 21  第三章    7 自由度工业机器人结构设计  .引言  . 22  减速器 类型选择  . 23  同步带类型选择  . 24  机器人结构设计  . 25   腕部回转关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择  . 腕部摆动关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择  . 回转关节交流伺服电机和减速器的选择  . 回转关节交流伺服电机和减速器的选择  . 回转关节交流伺服电机和减速器的选择  . 摆动关节交流伺服电机和 减速器的选择  . 腰部回转关节交流伺服电机和减速器的选择 .电机、减速器、同步带选型总表 .电机型号  . 48  列  1500 转电机  .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自由度工业机器 人机械结构设计   列  3000 转电机 .本章小结  . 51  第四章    7 自由 度工业机器人三维结构设计  .机器人各个关节三维图  . 52  底座造型图  . 腰部回转关节造型图  . 小臂摆动关节造型图  . 大臂回转关节造型图  . 臂部俯仰关节造型图 . 腕部扭转关节造型图 . 腕部俯仰关节造型图 .机器人装配图  . 65  本章小结  . 66  第五章    结论和展望  .结论  . 67  技术经济分析报告  . 68  技术可行性分析  .技术优越性分析  .展望  . 69  参考文献  . 71  致    谢  . 73  声    明  . 74  文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自由度工业机器人机械结构设计   第一章     绪论   课题背景   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，仅占全球总量的   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。   1 1 2 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自由度工业机器人机械结构设计   国内外工业机器人的发展概况   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  未来生产和社会  发展起越来越  重要的作用。据 联合国欧洲经济委员会 )和 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示。   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 ,但中国 市场增长迅速 (比 2003 年增长 24%)。   图 1003 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   日本  的    国的   美国的  大  利的 国的 拿大的 色  列的 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  2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自由度工业机器人机械结构设计   数量还是机器人的密度都位居世界第一。日本安川电机 (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 国、瑞典、德  国以及 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、 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 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 第一台工业机器人。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 列机器人生产技术生产 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 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： 焊  机器人、 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。   3 4 5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自由度工业机器人机械结构设计   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，早日跻身于世界先进行列   。   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  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  4 6 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自由度工业机器人机械结构设计   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 、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   。   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、“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  5 7 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自由度工业机器人机械结构设计   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、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   。   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  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  感性认识，并对其机械结构了解和学习。   （ 2）参考  6 自由度  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  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。   6 8 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 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   机器人机械设计的特点   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 ( 或移动 关节 )连接  起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆  件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系、末端执  行器的受力和各关节驱动力矩 (或力 )之间的  关系等，都不是一  般机构分析方法能  解决得了的，需要建立一套针对空间开链机构的运动学、静力学方法。末端执行  器的位置、速度、加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要内  容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用在每个  关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化，在高速情况下， 还存在哥  氏力和离心力的影响。因此，机器人是一个多输入多输出的、非线性、强藕合、  位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，因此，即使通过一定的简化，也  需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法   。   一个好的机器人设计应当使其机械系统的持重 自重比尽量大，结构的静动  态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。人类的手  臂是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标    。   本课题要设计一款串联  7 自由度工业机器人，其机械结构合理，能持重  3  用于弧焊技术。   与机器人有关的概念   以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。   （ 1）自由度 (工业机器人一般都为多关节的空间  机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为  转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节  称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。本文设计的机器人是  7器人。   （ 2）工作空间 (工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条  7 9 10 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 自 由度工业机器人机械结构设计   件下所能到达空间的位置集合。由于工作空间的形状和大小反映了机器人工作能  力的大小，因而它对于机器人的应用是十分重要的。   （ 3）机器人的分类，机器人分类方法有多种。   首先，按机器人控制方法的不同，可分为点位控制型 (连续轨迹控制型  (   (a)点位控制型 (机器人受控运动方式为自一个点位目  标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的  轨迹控制。   (b)连续轨迹控制型 (机器人各关节同时做受控运动，  使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动  机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。  本课题设计的机器人属于连续轨迹控制型。   其次，按机器人的结构分类，可分为四类：   (a)直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制  方案与数控机床类似，各关节