5自由度机器人手臂的三维建模及运动分析

15自由度机器人手臂的三维建模及运动分析摘要：本课题主要是对五自由度机器人手臂进行结构分析，并进行三维建模与分析。本课题阐述了机器人的发展历程，国内外的应用现状，及其巨大的优越性，提出具体的机器人设计要求。本课题的主要工作是通过对机器人手臂进行结构分析，对各个关节进行设计，然后根据自己的理解分配各关节的自由度，在了解了各关节的结构的基础上对机器人的各个关节的各个零件进行三维建模，之后再进行各个零部件的装配，完成手臂的三维建模。通过本课题了解五自由度机器人手臂的结构，学习到了如何使用solidworks进行复杂的三维建模。关键词：5自由度，机器人手臂，机构，建模，装配2The3Dmodelingandmotionanalysisof5degreeoffreedomrobotarmAbstract：Themaintaskistoanalyzethestructureoffivedegreeoffreedomrobotarm,and3Dmodelingandanalysis.Thispaperdiscussesthedevelopmenthistoryofrobots,theapplicationstatusathomeandabroad,anditsgreatsuperiority,therobotspecificdesignrequirements.Themainworkofthispaperisthatbyanalyzingthestructureoftherobotarm,designofvariousjoint,Andthenaccordingtotheirownunderstandingofthedistributionofeachjointdegreeoffreedom,three-dimensionalmodelingbasedonunderstandingthestructureofeachjointofeachjointofrobotparts,Aftereachpartsassembly,3Dmodelingcompletedarm.Tounderstandthestructureoffivedegreeoffreedomrobotarmbythesubject,learninghowtouseSolidWorksfor3Dmodelingofcomplex.Keyword：5degreeoffreedomtherobotarmmechanismmodelingassembly目录1前言.11.1机器人手臂的研究背景及意义.11.1.1课题研究背景.11.1.2本课题的研究意义.31.2机器人手臂的发展现状及趋势.41.2.1机械人手臂的发展概况.41.2.2机械手臂的发展趋势.51.3本课题的目的及研究方法.71.3.1专题的内容与要求.71.3.2本课题采用的研究方法.72机器人手臂的基本知识及设计.82.1机器人手臂概述.82.1.1机器人手臂的组成.82.1.2机器人手臂的分类.92.2机器人手臂设计.102.2.1机器人手臂的设计准则.102.2.2机器人手臂结构的设计.103各关节自由度的设置.123.1机器人手臂的自由度.123.1.1自由度.123.1.2工作空间.123.2各关节自由度的分配.123.2.1手臂的自由度.123.2.2臂部的自由度.133.2.3腕部自由度的分配.134机器人手臂三维建模.154.1Solidworks概述.154.1.1solidwork软件介绍.154.2机器人手臂的三维建模.174.2.1零件的三维实体建模.17I4.2.2零件的装配.204.2.3建模及装配过程中应注意的问题.234.2.4再生失败的预防.244.3二维工程图的绘制.255结论.28参考目录.29致谢.30附录.3101前言1.1机器人手臂的研究背景及意义1.1.1课题研究背景机器人技术的发展，应该说是随着时代的发展，随着人们的需要，很自然的，顺应时代潮流而产生的产物人们不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。当今社会人们的生产水平不断的提高，人类可以的发展日新月异，人们会通过不断产生的新技术来实现自己的愿望。机器人的产生，是因为人们发现可以利用科技来实现自己的目的，从而实现生产力的进一步提高，生产效率也随着不断的提高。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。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。比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。美国是现代机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人。在人类大规模地发展工业的时期，自动化设备有了大的进步，开始出现初级机器人装置。当时蒸汽机的大量使用，人们自然想到要控制蒸汽机的运转速度。一台蒸汽机在工作时，负荷会使速度慢下来，这时便需要加大进入汽缸内的蒸汽量，而在空转时，则需要减少。于是产生了调速器。它使蒸汽机的自动化运转程度大大提高。19世纪末和20世纪初，工人们因自动化设备的出现，可以不必一手安放零件，一手调整机器。大约也就是在这种情况下，人们开始产生出更多的梦想，希望有机器来代替人们更多的劳动1。上个世纪60年代前后，随着微电子学和计算机技术的迅速发展，自动化技术也取得了飞跃性的变化。开始出现了现在普遍意义上的机器人。1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，取名尤尼曼特“Unimate”，意为“万能自动”。尤尼曼特的样子像一个坦克炮塔，炮塔上伸出一条大机械臂，大机械臂上又接着一条小机械臂，小机械臂再安装着一个操作器。这三部分都可以相对转动、伸缩，很像是人的手臂了。它的发明人专门研究运动机构与控制信号的关系，可以编制程序让机器记住并模仿、重复进行某种动作。英格伯格和德沃尔认为汽车制造过程比较固定，适合用这样的机器人。于是，这台世界上第一个真正意义上的机器人，就应用在了汽车制造生产中。经过近百年来的发展，机器人已经在很多领域中取得了巨大的应用成绩，其种类也1不2胜枚举，几乎各个高精尖端的技术领域更是少不了它们的身影。在这期间，机器人的成长经历了三个阶段。在第一个阶段，机器人只能根据事先编好的程序来工作，这时它好像只有干活儿的手，不能处理外界的信息。第二个阶段中，机器人有了感觉神经，具有了触觉、视觉、听觉、力觉等功能，这使得它可以根据外界的不同信息做出相应的反馈。第三个阶段时，它不仅具有多种技能，能够感知外面的世界，而且它还能够不断自我学习，用自己的思维来决策该做什么和怎样去做。第一阶段的机器人，人们称它为“示教再现型”机器人；第二阶段的机器人，人们称它为“感觉型”机器人；第三阶段的机器人称为“智能型”机器人。1968年，美国斯坦福研究所研制出世界上第一台智能型机器人。这个机器人可以在一次性接受由计算机输出的无线遥控指令后，自己找到目标物体并实施对该物体的某些动作。1969年，该研究所对机器人的智能进行测定。他们在房间中央放置了一个高台，在台上放一只箱子，同时在房间一个角落里放了一个斜面体。科学家命令机器人爬上高台并将箱子推到地下去。开始，这个机器人绕着台子转了20分钟，却无法登上去。后来，它发现了角落里的斜面体，于是它走过去，把斜面体推到平台前并沿着这个斜面体爬上了高台将箱子推了下去。这个测试表明，机器人已经具备了一定的发现、综合判断，决策等智能。1997年，日本本田公司研制出世界上第一台可以像人一样走步的步行机器人。这是机器人发展史上的一个里程碑。现在的机器人则已经可以跳舞、翻跟头。机器人的手也非常灵巧，它可以握住鸡蛋，也可以拿起一根针。而在电子生产线上的机械手，则快速、精确得远远超过人手。1952年，美国福特汽车公司建造了世界上第一条全自动汽车生产线，42部自动机器可进行500种不同的加工工序，同时对产品进行检验。到了80年代，日本建立了首座无人工厂。工厂有1010台带有视觉的机器人，它们与数控机床等配合，按照程序完成生产任务。1992年，日本研制出一台光敏微型机器人，体积不到3立方厘米，重1.5克。1997年，日本的本田公司制造出高1.6米的机器人。这个机器人有三维视觉，头部能自如转动，双脚能躲开障碍物，能改变方向，在被推撞后可以自我平衡。该机器人由150位工程师历时11年，耗资8000万美元研制而成，可以照料人和完成多种危险及艰苦工作。2004年1月，美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星车先后成功登陆。火星车在火星表面行走、拍摄、钻探，化验，非常精彩地完成了自己的使命。目前，科学家们正在研制更精密的小型机器人。随着纳米技术的成熟，分子级的机器人已经快要出世啦。人们可以想象，比尘埃还要小的机器人漂在空气中，游进人体里为你服务。2008年上映的电影机器人总动员，里面的机器人瓦力就是典型的智能机器人，在设定的程序下，通过电力一直的完成着自己的任务，不管遇到什么情况，就算是人类3已经不存在了。里面的机器人不但是人们的想象，也反映了当今的科技水平可以实现的科技水平，太阳能电板实现能源的补充，还有更加新型的机器人。也许未来的某天，机器人就真的会像电影里的那样有了自己的思想，跟我们人类一样。机器人的制造水平标志着一个国家的综合科技实力，它一直是发达国家的重点研究项目。代表着高精尖科技的新型机器人体现了一个国家的尖端成果，而大量的工业机器人则使传统工业生产发生质的飞跃，其生产速度、生产质量、生产成本都是传统生产形式所望尘莫及的。因此，对机器人的研究及生产就显得尤为重要。同人的手是人身上最精密灵活的部件一样，机器人的手爪也是机器人身上最精彩的部分，它正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，机器人的手指已可以与人手媲美，它能捏住一支花，握住一枚鸡蛋，抓取任意一件东西。机器人的手被称为终端执行器，机器人技术的发展和应用中，机器人的手是最受重视、也是最有用的部分，它的自由度也越来越多。因此机器人手的发展集中体现了人类的智慧。也是人类发展机器人的关键所在。1.1.2本课题的研究意义机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。而目前我国的工业机器人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是非常有意义的。在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：（1）可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、道具的更换以及机器的装备等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率以及降低生产成本。（2）可以改善劳动条件，避免人身事故4在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险的或更本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复、特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲惫或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减少人力，便于有节奏的生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏的进行生产3。随着科学技术的发展，机器人已经由工业领域向服务领域和其它领域拓展，机器人手臂是服务和其它领域机器人的重要组成部分，它可以完成一些类人的操作，比如完成物品的抓取、移动和放置等等。因此，对机器人手臂的研究就显得尤为重要。1.2机器人手臂的发展现状及趋势1.2.1机械人手臂的发展概况专用的机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一门综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。几十年来这项技术的发展和研究一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。早在四十年代，随着原子能工业的发展，已经出现了模拟关节式的第一代机械手，五十至六十年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械后也称第二代机械手。如尤尼曼特（Unimate）机械手，既属于这种类型。一九六八至一九七零年，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即使第二代机械手这一新技术进入到应用到阶段。七十年代机械手可以说是处于发展阶段。七八十年代，随着电子工业的迅速强大，机器人及机器手有了更加广阔的需求市场，从而带动了其向电子智能化的快速的发展。虽然现在的机器手仍有70%应用在工业上，但诸如纳米型机器手、服务型机器手已5经在全球范围内引起更多人的关注。机器手正走向灵活化、智能化。拟人机器人手臂的研制开始于本世纪60年代末，只有30多年的历史。然而，拟人机器人的研究工作进展迅速。国内外许多学者正从事于这一领域的研究，如今已经成为机器人技术领域的主要研究方向之一4。目前，拟人机器人作为机器人学领域的前沿课题，由于科技发展的制约尚处于实验室研究阶段，不过，它的研究空间非常广阔，具有科学技术的综合性和带动性作用。日本、美国、德国等发达国家的机器人学界都在致力于拟人机器人的研发工作，其中日本处于技术领先地位，美国德国紧随其后，并且，上述国家在有关技术上各有侧重，日本在拟人行走机理上独树一帜，德国在拟人作业机理上技术领先，美国则在机器人自主发育、学习方面成果显著。在我国，从1988年国防大学研制成功六关节平面步行双足机器人以来，众多高等学校、科研院所相继开展了拟人机器人技术研究，其中，清华大学正在进行拟人机器人THBIP-1的研究工作。1.2.2机械手臂的发展趋势（1）研制有更多自由度的机械手臂（2）研制带有行走机构的机械手臂，这种机械手臂可以从一个工作地点一到另一个工作地点。（3）研制能自动编制和自动改变程序的机械手臂。（4）研制具有一定“感触”和“智力”的智能机器人。这种的机器人，具有各种传感装置，被配备有计算机。根据仿生学理论，有计算机充当其“大脑”，使它能“思考”、能“分析”、能“记忆”。用电视摄像机、测距仪、纤维光学传感器、导光管或其它光敏元件作为“眼睛”，在其视野范围内能“看”。用听筒和声敏元件等做耳朵能“听”。用扬声器等做“嘴”能说话“说话”进行“应答”。用热电偶和电阻应变仪等做“触觉”能“感触”。用滚轮或双足式的行走机构作“脚”来实现自动移位。这样的智能机器人，可以由人用特殊的语言，（计算机语言甚至口语）队其下达命令、布置任务。受令后的智能机器人，既可根据现场环境的各种条件和信息，独立的“分析”和“判断”并自编或自变程序的进行工作；能够自找（选择）物件的方位，自调握力的大小，自找传动路线以避开障碍物。因此，他将成为“无人化”的系统（由电子计算机实现群控的各种机器设备、辅助装置和机械手等组成的完全自动化生产线或车间）的重要组成环节之一。6图1-1“人造肌肉”机器手英国机器人公司开发的机器手如图1-1所示。采用“人造筋肉”制作的机器手的灵敏度几乎可以与人手媲美。目前，在国外广泛应用的“再现式”通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或在其工作之前由人领动（示教）一次，而后机械手即可按领动的工作内容自行正确的完成再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在的智能机器人就是第三代了。目前在国际空间站上已安装有一部被称为“Canadarm2”的机器人手臂，用于执行空间维修和搬运工作。不过，尽管Canadarm2具有相当的灵活性，其仍然无法照顾到空间站的每一个角落。为此，科学家们正在考虑为空间站再安装一部类似的机器人机械臂-EuropeanRoboticArm(简称ERA)（见图1-2）。如果进展顺利，它将于2007年被运往俄罗斯并在同年11月搭乘俄制宇宙飞船前往国际空间站。7图1-2国际空间站机器人手臂1.3本课题的目的及研究方法1.3.1专题的内容与要求（1）通过广泛调研、查阅文献、参观实习，了解和掌握轮式机器人的重要作用，研究现状、基本类型、设计方法、加工工艺、使用情况等，明确选题的意义。（2）综合运用数学、力学、机械设计、计算机等基础知识和专业知识对轮式机器人进行三维建模。（3）对该机器人手臂运动进行分析。（4）完成机器人总装配图、手臂部件装配图各一张，零件图2张。（5）按时完成毕业论文。要求论文论述清楚、文理通顺、图表规范、数据准确、内容完备。（6）遵守纪律，以严谨的科学作风，按时完成各项任务。1.3.2本课题采用的研究方法研究本课题就是要在完成设计方案的基础上，利用计算机辅助设计软件来完成实体三维建模，同时要对手臂自由度及关节活动能力进行检测。本课题采用solidworks进行三维实体建模，并要用其生成动画演示，来分析可行性。研究流程图如下所示：82机器人手臂的基本知识及设计2.1机器人手臂概述2.1.1机器人手臂的组成机器人手臂是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分代替人的手工劳动。较高形式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。机器手的组成及其相互关系如下图所示。文献检索，实地调研，掌握手臂的工作原理研究现有手臂设计的原理，对其进行改进，熟悉运动方式用Pro/E进行三维实体建模，并进行运动分析进行手臂运动仿真设计，完成专题要求图1-3课题研究流程图9传送机构驱动部分控制部分手部行程检测装置传感装置机体被传送物件图2-1机器人手臂的组成手部（或称抓去机构），包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。传动机构（或称臂部），包括手腕、手臂等，主要起改变物件方位和位置的作用。驱动部分，是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。控制部分，是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。其他部分，如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。（1）机体也称机身，是用以支撑和连接其他零件、部件的基础件。（2）行走机构，是为了扩大机械手的使用空间而设置的。它本身又包括动力源、传动减速机构、滚轮或连杆机构等。但目前大多数的机械手还缺乏行走机构。（3）行程检测装置，是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。（4）传感机构，其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的紧握力是否与物件的重量相适应。2.1.2机器人手臂的分类根据机器人手臂在空间运动范围的不同形状即各种不同坐标型式的臂部运动即运动范围，可以把机器人手臂分为以下四种：（l）直角坐标型由3个移动自由度组合而成，即机器人手臂的运动是沿着直角坐标的X、Y、Z3个轴方向的直线运动组成。其臂部只作伸缩、平移和升降运动，在空间的运动范围一般是一个长方体。（2）圆柱坐标型是由两个移动自由度和一个转动自由度组成。即机器人手臂的运动是通过沿着圆柱坐标系的中心轴Z的上下方向的升降移动和以Z轴为中心的左右旋转内，以及沿与Z轴垂直的X轴方向的伸缩合成的。（3）极坐标由一个移动自由度和两个转动自由度组成。即机器人手臂的运动是通过绕极坐标系的中心轴Z的左右旋转Z和绕着与Z轴垂直的水平轴Y的上下摆动Y，以及沿着X轴的伸缩合成的。（4）关节型由三个旋转自由度组成。机器人的手臂运动类似人的手臂，臂部可分为大臂。小臂。大臂与机座的连接称为肩关节，大、小臂之间的连接称为时关节。手臂运10动由大臂绕肩关节的旋转Z和俯仰Y运动，以及小臂绕肘关节的摆动Y合成1。根据机械手的使用范围，还大致把其分为两类：（1）专用机械手，一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。他从属于某种机器或生产线，用以自动的传送物件或操作某一工具。例如“齿胚上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产场合。（2）通用机械手（也称工业机器人），既指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而能自动的完成传送物件或操作某些工具的机器装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只能是点位控制，故属于程序控制类型；伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手，由于可以调整，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。按机械手的驱动方式分类：（1）液压驱动机械手，以压力油进行驱动。（2）气压驱动机械手，以压缩空气进行驱动。（3）电力驱动机械手，直接用电动机进行驱动。（4）机械驱动机械手，是将主机的动力通过凸轮、连杆、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。除了以上三种常用的分类方式以外，还有按机械手的臂力（既被传送物件的重量）大小分为微型、小型、中型、大型机械手等许多不同的分类方法。2.2机器人手臂设计2.2.1机器人手臂的设计准则（1）机器人手臂的机构和控制系统是紧密相关的，机构是其他部分的载体，其设计的优劣直接影响着控制系统以及软硬件的复杂程度。因此，机构设计的同时必须考虑控制系统和电气系统等功能要求，采用并行设计的方法。即所谓的在设计之初就考虑设计的相关过程，是并行、一体化、系统化的工作模式。（2）机器人手臂尽量与人类相似。这是在机器人手臂各部分长度和自由度设置上重点考虑的问题。（3）模块化设计理念。考虑到不同用途机器人对不同机器人结构方案的开放性要求，运用模块化设计思想，对其结构进行模块化设计，设计中尽量把每个关节设计成一个独11立的模块。采用模块化设计的优点是：降低研发费用，提高产品的适应性；便于安装调试和维护；也提高了产品的互换性。（4）机器人设计采取的原则是：在满足结构强度和电气机载完全安装要求的前提下，尽可能减轻机器人的体积和重量。2.2.2机器人手臂结构的设计在机器人手臂的设计中，驱动系统是其重要的组成部分，对系统的性能及其操作能力有着决定性的作用。在一般的机器人手臂中，驱动系统由驱动器和传动系统两部分组成。驱动器是系统中的核心部件，作用是产生运动和力；传动系统的作用则是将运动和力传递到手臂的每一个关节。手臂驱动器的技术指标主要包括输出力矩、速度、质量、体积、可靠性、控制性和功耗等。常采用的驱动方式有电驱动、电液驱动、气压驱动和形状记忆合金等方式。本课题采用电驱动的方式。因为电驱动是技术最成熟、应用最广泛的一种驱动方式。并且从电机的静态刚度、动态刚度、加速度、线性度、维护性、噪音等技术指标来看，电驱动的综合性能指标要好于气压驱动。电驱动的驱动形式还可以分为旋转型驱动和直线型驱动，符合本课题设计的五自由度手臂的运动方式。机器人手臂传动系统是把驱动器产生的运动和力以一定的方式传递到手臂的每个关节，从而使手臂可以做出规定的运动。但由于电机功率等原因，传动系统中需要用到减速装置。减速装置是一种动力传达机构，它利用齿轮的速度转换器，将马达的原始回转数减速到所要的回转数，并得到较大的转矩。本课题中，机器人手臂的第一关节、第二关节和第四关节采用的均为减速装置是齿轮减速装置。以下是本课题要设计的机器人手臂：图2-2机器人手臂原理图手臂的结构设计主要考虑的问题有三方面：一是驱动力矩；一是运动速度；最后一个是手臂的重量。为了使手臂结构紧凑，体积小型化，设计采用以下措施：12（1）电机元件的安装尽量利用手臂内空间，在轴系设计上采用电机、减速机构、轴和传感器一体化设计。（2）根据负载的要求，小负载关节采用内置齿轮减速器和控制器的舵机。（3）在保证结构强度，安全的前提下，尽量减轻手臂重量，这样可以使手臂控制更简单一些。133各关节自由度的设置3.1机器人手臂的自由度3.1.1自由度工业机器人一般都为多关节的运动结构，其运动服一般有移动副和转动副两种，相应地，以转动副连接的关节是转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节成为主动关节，主动关节的数目成为自由度，本文设计的是5自由度机器人手臂。3.1.2工作空间工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合，由于工作空间的位置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时十分重要的。3.2各关节自由度的分配3.2.1手臂的自由度要使机器人的手臂具有人臂一样的功能，最基本的条件就是要像人一样具有腕、肘及肩关节等类似的动作。人臂从肩部到腕部（不包括手掌及手指）共有7个自由度。另外，处在自由状态下的任何物体都具有6个自由度，即沿着3个直角坐标轴的移动和绕着3个坐标轴的转动。移动决定了物体在空间某一点的位置，转动则决定了该物体在空间某位置上的方向，或称姿态。机器人的上肢主要是为了拿物体，或拿了工具去加工工件。换句话说，只要机器人的手臂能在空间某位置以及与物体方向相吻合的姿态去拿到物体就达到了目的。根据这一原则，机器人的手臂只须有相对应的6个自由度就可以了。目前工业机器人的人口数约占机器人总人口数的7080，而工业机器人的手臂自由度数目前一般最多不超过6个。有时为了降低制造成本，在满足生产要求动作的情况下，反而适当地减少l-2个自由度。从技术观点出发，把机器人手臂的6个自由度分成两部分，即臂部确保3个自由度，腕部为l-3个自由度。这样的分法，符合了的臂部3个自由度决定它在空间的位置，腕部3个自由度决定它的姿态的要求。143.2.2臂部的自由度机器人手臂的6个自由度分配到臂部3个自由度，可以由移动自由度和转动自由度不同型式组合而成，而这种组合型式决定了机器人手臂的运动坐标型式，同时也决定了机器人手臂在空间运动范围的不同形状。这样可以充分的展示机器人臂部的功能，三个自由度可以达到工业机器人手臂的应用需要。3.2.3腕部自由度的分配机器人手腕一般为一至三个自由度，大都是旋转自由度，这是因为它的运动主要是为了决定手的姿态。其配置情况可视实际需要来决定。一个旋转自由度时，一般绕末端臂杆轴线旋转；两个旋转自由度时，则分别绕两个相互垂直的轴转动；三个旋转自由度时，除了各自绕三个相互垂直的轴转动外，也有以其它方式组合的。根据本课题中机器人手臂的功能要求，按照人体运动学原理，从结构仿人和运动功能仿人的这两项要求出发，可以确定出本课题所设计的机器人手臂的自由度数为5个。5自由度的设置如下图所示。图3-1机器人手臂自由度的设计从上图中可以看出，自由度1和自由度2可以完成肩关节的转动和摆动的功能；自由度3完成大臂的自转功能；自由度4完成肘关节的摆动功能；自由度5完成腕关节的摆动功能。自由度1和自由度2、自由度3和自由度4分别两两正交，且自由度1、自由度2和自由度3的轴线相交于一点，符合运动学逆解存在的条件。154机器人手臂三维建模4.1Solidworks概述4.1.1solidwork软件介绍随着计算机软件的发展，在现代设计出其，多采用CAD/CAM软件，模拟设计中的各个部件以及各部件的连接、运动关系，以缩短机械设计、制造周期节省制造成本，同时大大提高设计的可靠性。本设计中所用的软件为solidwork。SolidWorks为达索系统（DassaultSystemesS.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。所涉及的行业包括工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、仿真、制造和数据管理、电路设计、汽车、航天、玩具等。该软件功能丰富，包括三维实体建模、三维曲面建模、模型的空间转换、显示控制和观察、零件装配及干涉检验、平面出图、渲染处理、资料验证、数据转换、文件管理及数据库、机械仿真分析等功能。SolidWorks是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。所谓参数化是指特征之间具有一定的并联关系，这种关系可以通过一定的参数来表示，该参数可以是变量，也可以是关系式，各参数是随着外部变量的变化而变化，设计具有实时性;参数化设计通过尺寸驱动来实现，所谓尺寸驱动就是以模型的尺寸来决定模型的形状，一个模型由一组具有一定关联的尺寸进行定义。工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。另外solidworks还具有的单一数据库功能，所谓单一数据库是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。工程中的资料全部来自一个库，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计快捷方便。另外在本课题的设计中，需要对成型的三16维零件图进行装配，并且对整个机器人手臂进行运动仿真。这些要求solidwork都能够很方便高效的实现。Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。Solidworks是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，基本功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型、三维上色、实体或线框造型、完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动、放大或缩小和旋转）。Solidworks是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、拔模、倒角（Chamfers）、等，采用这种来建立形体，对于工程师来说是更自然、更直观，无需采用复杂的几何设计方式。系统的参数化功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其相关特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。继续改善设计功能：SolidWorks2010大幅改善了工程图绘制功能，尺寸标注的操作将更为简洁。这包括对多段文字可通过拖拽进行合并、多尺寸标注自动实现等间距布局、零件明细表和公差尺寸标注的灵活编辑等。在装配图中，新版本提供了零部件详细信息的可视化功能，重量、材质、是否外购件、价格等参数还可直接导入Excel进行输出。3D建模工具中增加了盆腔中段平面和相切平面的草图绘制功能，简化了高复杂度模型设计。装配环境下允许进行零部件的精确镜面复制、运动干涉检查和参数化应力分析。随上一版本推出的SpeedPak技术也得到进一步增强，该功能可在保持图形完整细节与关联性的同时降低计算机内存使用率，从而无需调用大量内存便可高效地创建和使用大型装配体及工程图。此外，对直接导入的实体模型进行编辑是一个非常重要的新特性，这将大幅减少调用旧有设计时的工作量。用户界面看起来使用了Instant3D技术的标尺，直接拖拽即可修改。编辑工具将修改产生的新特征记录于特征树中，因此能轻而易举地将导入模型恢复成原始状态。174.2机器人手臂的三维建模4.2.1零件的三维实体建模在Solidworks环境下，建立每个零件的3D模型。本课题主要使用了Pro/E零件模块中的拉伸、旋转、镜像、切割、等实体特征,根据以给定的零件平面的电子图板，构造出机器人手臂零件的三维数据模型。在此基础上,完成了机器人手臂的运动分析和仿真设计。在每个零件建模时，首先应该去掉修饰部分(即圆角、倒角以及螺纹等修饰特征)，然后查看零件的对称性及工程图上的剖面图，对零件特征的种类及生成顺序进行系统的规划和分析。针对每个部件的具体特征，确定选用实体特征或是曲面特征。方案确定后，按照既定顺序，采用恰当的手段来生成零件的基本特征，最后再附加一定的修饰特征，完成3D建模。根据所设定好的数据进行画图，选择苏关节轴承盖（1）新建一个零件，取名为“4轴承盖”。（2）点击草绘工具图标，选右视面参照平面，单击草图。如图3-2所示。图3-2草绘图标（3）在窗口中进行草图的绘制。要注意的是四个小圆可以用镜像来画。把四个小圆画好以后便可以进行第一步的拉伸。（4）单击拉伸图标。出现如图33所示页面。设定拉伸长度并单击确定。第一步的拉伸即完成。18图3-3第一步拉伸（5）由于本零件有凸台，所以需要在拉伸一次。先在已拉伸的零件上进行草绘，参考平面选择“使用先前的”，画出凸台的直径22mm的圆。单击图标表示草绘完成现在可以推出草绘。在点击拉伸图标。输入拉伸长度并确定即可。（6）接着要绘制的是直径为19mm的通孔。同样的方法只是在拉伸时注意要选择切除材料最后可以点击图标进行预览，这样可以及时发现错误，使改正更加方便。（7）最后要绘制得便是直径13mm的孔。这次在选择草绘面时要注意，应选择凸台的背面为草绘面。在草绘完进行拉伸时应选择切除按钮，并选择材料切除方向，最后在输入切除深度。如图34所示。19图3-4输入切除深度（8）在腕关节轴承盖的零件绘制完后，对之进行保存。整体零件图如图3-5所示。图3-5腕关节轴承盖的三维实体图其他部分零件的3D模型的形成部分图如下：20图3-6第四关节侧板零件的3D模型图3-7第四关节底座4.2.2零件的装配完成了所有零件的三维实体造型，只是完成了产品结构设计工作的一个部分。各个零件的结构造型是否合理，是否能够满足装配要求，是否能够顺利地组装，都还需要通过装配设计步骤的检验，装配建模的设计方法正是基于这种要求而进行的。在零件的三维实体图绘制完成之后，就该按各个关节的不同情况对零件进行装配了。进行零件的装配时，最重要的步骤就是给定适当的约束条件。一般情况下，大多利用给定的三个约束条件就可以使得两零件成为完全约束的刚体。在复杂的系统中，由于所包含的零件多或形状复杂。使的装配变得复杂并难以给定适当的约束，这时子装配就显得十分有意义。通过将复杂系统进行合理的划分，这种划分的标准可以是零件之间的关系，或是零件装配的难易程度，可以根据实际情况进行分析。形成装配子系统后，再将这些21子系统再进行装配形成最后的装配。分析本课题研究的机器人手臂所包括的零件后，将整个装配系统分成肩关节、肘关节和腕关节等5个子系统，最后在将子系统和其他的系统零件进行装配。solidworks的强大功能使得装配简单易行，但在装配时，为了之后的运动仿真要求，需要分析旋转轴的位置并对其进行销钉形式的装配，其他零件则可以直接按固定刚体形简式装配。首先以第四关节的底板和侧板为例单说明一下装配的过程（1）新建一组件起名为“装配”单击“将元件添加到组件”的图标打开底板，并点击确定。接着如上所述打开第四关节侧板的零件图。此时页面如图3-8所示。图3-8底板和侧板示例(1)（2）接下来就该制定装配时的约束了，首先选择应该对齐的圆并单击，零件便会同轴心对齐。表示此约束已经生效。如图3-9所示。22图3-9底板和侧板示例(2)（3）这两个零件只需要两个圆对齐，接下来就可以进行面的约束了。进行面的约束首先要选定一个面，点击使之呈现蓝色,如图3-10。图3-10底板和侧板示例(3)接着点击与此面对其的面，二者便会自动对齐。但有时两零件的位置正好相反，可以点击中的第二个使之正过来。如图3-11所示。23图3-11底板和侧板示例(4)（4）如此进行底板的约束和面的约束便可以把两个零件装配在一起，依此类推，对每个零件都进行这样的装配便可以把5个关节和机器人手臂的整体三维图装配出来。手臂第四关节装配图如图3-12所示：图3-12第四关节装配图4.2.3建模及装配过程中应注意的问题在solidworks中进行实体建模时，不需要进行单位的设定，因为单位就是mm。在零件绘制的过程中，要注意尺寸，比如在画连续直线的时候，后一段直线的尺寸会影响到前一段直线的尺寸，所以在画图的过程中尽量的不要连续的在直线上分段画。在设计过程中采用自上而下的设计方式，从总体到局部。这样可以方便在设计过程中根据设计目标随时修改零件，而不至于最终无法装配到一起。从而提高设计的效率。零件绘制过程中，尽量根据零件的工艺性，采用和零件的加工过程相似的步骤来建24模。这样更符合机械加工的要求，使我们的思路更加符合实际生产情况，可以减少设计中的缺陷。绘制过程中，尽量避免直线的连续绘制，尤其是一段接着一段的，这样会影响前一段的数据。会使得所画的图尺寸不对。零件设计过程中，有相对运动的部件之间要采用连接装配。装配过程中要选用跟机构运动特性相类似的连接装配关系；这样机构的运动才能符合实际情况。装配过程中，零件装配的主体零件及先后顺序要符合实际装配关系。这样可以有效防止装配过程中的约束冲突及过定位，提高转配的成功率，提高设计的效率。装配时，要采用组件装配，不要把所有零件都装配到一个组件中。尽量根据零部件的功能和运动特