对负载为100kg的四自由度搬运机器人进行机械本体设计

I第1章绪论1.1课题的背景在二十世纪八十年代初，在日本和欧洲国家，在促进处理搬运自动化和智能机器人自动化的一些方向拥有了十分大的进展[1]。在“七八五”这个时间段里，我们国家的一些科研院所和重点的工科院校也对搬运机器人的结构和控制进行了钻研和开发，并且拥有了一些十分可观的成绩。1.1.1国外搬运机器人发展现状国外的工业机器人技术发展的十分的早。日本把机器人的技术用在搬运机的操作上是在上世七十年代初期[2]。到现在为止，世界上的发达国家的机器人公司全都引进可靠性高、性能强、速度快、精度高的搬运机器人，把这类机器人用于各种载荷、运行空间和运动环境。搬运机器人研究开发的市场主要分布在欧洲和日本等工业发达的地区。以ABB作为代表的欧洲搬运机器人企业和以FANUC作为代表的日本搬运机器人企业为主[3]。ABB是世界上机器人研究领先的企业，它在搬运工作上拥有着十分先进的机器人技术方法。上世纪七十年代，ABB研究出了全球第一个电动机控制的工业机器人，随着技术的积累，ABB公司最近开发了IRB460，这是世界上最快的紧凑型四轴搬运机器人[4]。所需要的位置大小十分的小，只有4%的同类机器人。IRB460更适合在工厂狭窄空间内高速运行。根据不同企业的要求，ABB公司也研发了一些特种机器人。IRB360是一种实现高精度装卸作业的并联机器人，其工作范围可达1600mm。这种搬运机器人是一种高速灵活的的工业机器人，可以与可视化软件集成。对于搬运技术的使用，ABB机器人自带有搬运夹具和集成视觉软件程序，机器人工作室，码垛PowerPac该种软件不用任何机器人编程经验就可以进行应用，来满足最终用户对码垛技术实现的所有需求[5]。德国库卡机器人企业是全球最厐大的机器人应用制造企业之一，它涵盖了所有类型的机器人，具有所有的应用和负载水平。泰坦是当前全球市场上一种十分强大的搬运机器人，这种机器人主要是用在包装和筛选货物方面的[6]。它负载能力十分的极大，可以工作的范围为也很大，重复定位精度可达-0.2～+0.2。气势恢宏，荣获世界公认的红点设计奖。当库卡工业机器人长时间不发生运动的时侯，伺服系统会把总电源进行关闭，来节约能量的损失，从而减少工作的成本。日本的FANUC公司在上世纪七十年代成立。世界上有80多家分公司和子公司。FANUC机器人有200多种不同的系列，负载能力有大有小，运动范围从婴儿机器人（r=600mm）靠近人手臂到类似大型起重机的m-2000ia系列。FANUC公司是全球唯一可以制造视觉系统的企业。FANUC把可视化软件安装在工业机器人操作系统中，从而拥有了可靠性十分高的可视化功能[7]。FANUC公司所生产的搬运机器人可以搬运250Kg的重物，工作半径为100米，工作周期为1500个周期/小时。该内密封含有相应的食品生产用油脂，增强了包装食品的排放和处理的防锈专用类型，并将第四轴的速度提高到12.57rad/s的高速机械手腕型。同时，可以选择视觉系统[8]。1.1.2国内搬运机器人发展现状我们国家的工业机器人应用技术的研究在上世纪中期，研发的工业机器人的主要结构方式是直角坐标式工业机器人和关节式工业机器人。近年来，搬运机器人研发实力的各种大型企业层出不穷[9]。上海一家科技企业和上海交通大学共同开发了TPR系列的搬运机器人。TPR系列的工业机器人拥有一种特殊的四连杆机构，和日本FANUC搬运机器人相像。运用了运动控制卡、工业控制机来完成工业机器人的控制[10]。工业控制机进行核心算法的输入，从而使搬运机器人拥有很高的生产能力。清华大学和北京理工大学一起研发的搬运机器人[11]。可以承受较大负载，搬运机器人的结构与其他市面上的机器人的结构不同。用滚珠丝杠在各个关节间驱动。搬运机器人是每个关节的直接驱动方式十分先进。这样驱动方式能降低电动机的功率，并且不用气缸等部件[12]。我们国家的工业机器人应用技术和国外的工业机器人应用技术相比，在产品研究方面和国外的工业机器人仍有十分大的差距。外国公司控制着大部分的技术，国外的自主知识产权的核心技术比国内多[13]。所以，研究拥有核心竞争力和自主知识产权的工业机器人产品，现在已经成为了我们国家的工业机器人产业的一项紧迫任务[14]。1.2课题的目的与意义跟随着我们国家包装和搬运等有关于物流行业的快速发展，当代市场的需求和生产效率之间的矛盾日益加剧。对搬运机器人的生产效率提出的要求更高了[15]。但是当前我们国家的搬运机器人的市场是由国外工业机器人公司所垄断，我们国家内的外国搬运机器人产品的销售已达到5亿元。具有自主知识产权的低成本搬运机器人的研发，已经成为了我国工业机器人领域必须要解决的问题。搬运的自动化功能可以保护工作人员的人身安全，减少搬运产品过程中的毁坏，并且能够快速的把物品放置整齐[16]。搬运机器人可以帮助人们进行人们不愿意做的单调的工作，从而来降低劳动成本，提高搬运产品的速度，提高工人劳动生产率。搬运机器人的研究与分析具备十分辽阔的市场前景。1.3课题研究的主要内容（1）根据任务书中要求的机器人承受载荷、机械臂运动空间和速度，设计出一种四自由度搬运机器人，采用UG、CAD等软件进行设计本体的机械结构。（2）根据末端负载及各机构部件之间的尺寸计算并确定出机器人腕部、机器人腰部、机器人小臂和机器人大臂相对应的减速机、电机、联轴器及轴承的计算和选型。（3）对机器人旋转机构进行设计，对应生产实际要求，进行相关结构和驱动设计。（4）针对搬运机器人的一些平衡问题进行分析，从而选择合理的平衡措施，使搬运机器人在工作运动中时刻位于平衡的状态。

第2章搬运机器人设计方案的确定2.1搬运机器人结构设计本次设计的是一款负载为100kg的四自由度搬运机器人。搬运机器人是一种可以进行自动化搬运作业的工业机器人。其主体分为机器人腰部、机器人大臂、机器人小臂、机器人腕部四部分2.1.1搬运机器人基本参数由于设计要求，初步设定机器人的各种参数如表2-1所示。表2-1搬运机器人的基本参数项目参数项目参数本体构造4自由度最大速度腰部140°/s载荷100kg大臂140°/s重复定位精度+0.5~-0.5mm小臂140°/s动作范围腰部+180°~-180°腕部305°/s大臂+90°~-45°本体重量1700kg小臂+15.5°~-120°末端执行器重量100kg腕部+360°~-360°功率2.1.2搬运机器人整体设计搬运机器人主体由机器人底座、机器人腰部、机器人腕部、机器人大臂和机器人小臂组成。机器人的底座为搬运机器人的整体重量提供承载。机器人底座在地面上固定，为机器人腰部提供支持，机器人腰部可以在底座上进行旋转。机器人腰部为大臂提供支撑，机器人大臂在机器人腰部上进行旋转。机器人小臂在机器人大臂一端进行旋转，机器人腕部在机器人小臂一端旋转。搬运机器人可以用于箱类等物品的搬运。机器人的主要结构如图2-1所示。1-三角保持架2-大臂传动连杆3-小臂传动连杆4-腕部水平保持连杆5-腕部6-大臂7-腰部图2-1机器人整体结构（1）机器人的底座与机器人的腰部相连接，并且垂直于轴线。（2）机器人的腰部安装在机器人的底座上，给机器人的整个机械臂提供足够的支撑。（3）在机器人腕部与和机器人小臂之间设置一个旋转接头，通过串联平行四边形机构将端部接头与臂部重叠，以满足手腕的可控性。为了保持端腕的轴线垂直于地面，搬运机器人采用平行四边形的原理，通过保持水平方向上的两个平行四边形和水平方向的链节来保持手腕的轴线垂直于地面。2.2搬运机器人的驱动方式由于电力驱动有不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较小、起动力矩大等优点而在机器人中广泛选用，目前额定负载在1000N以下的工业机器人中大多采用电力驱动。本次设计研究的抓取机械臂的额定负载一般，体积和重量均要求小。综上所诉，机器人腰部、机器人大臂和机器人小臂要求动力输出稳定、传递的功率大，使用伺服电动机驱动，腕部所需传动功率不大，决定使用步进电动机驱动。因此本次设计所选用的驱动方式是电机驱动。2.4搬运机器人的传动方式因为使用了电机驱动，所以驱动的特点是可以实现无级变速，但是输出的力矩比较小，需要通过传动机构加大力矩达到要求的动力。所以需要一个能够提供比较大的传动比体积越小，重量越轻越好，传动时变形要小，减小振动。在传动时要减小空行程，需要比较好的控制精度，操作精度。需要比较长时间的使用，价格要合适。常见的传动方式有带传动，其应用广泛但精度不高。齿轮传动通过齿轮间的相互啮合传递动能应用最多。链传动由两个齿轮之间通过一条闭合的链条传递动能。蜗杆传动蜗杆与涡轮之间的啮合。螺杆传动通过螺杆螺母实现传动，将回转运动变成直线运动。选用齿轮轮系与电机进行连接，结构紧凑，通过不同的齿轮实现提高力矩加大达到要求的力矩。由于机构运行中的冲击震动比较大，为了提高机械寿命不能直接让电机与连杆传动，为了不影响机械传动的精度，还应该使用齿轮与电动机进行传动。因此此次设计中主要用运用的传动方式为齿轮传动。2.5制动器每个机器都需要一个或多个制动器，常见的制动器类似与汽车的刹车，车床的的停止。能够将运转的机械通过摩擦，电磁等方式进行缓慢或快速的停止运转。制动器一般可分为机械制动器和电气制动器两类。在此次机器人的设计中要考虑到工作完成后停止运作或因为某种原因非常规的停止机器，或者在突然停电时需要防止由于部件下滑所带来的影响。需要选用合适的制动器来控制这些行为的完成。常用制动器可分为机械制动、气压制动、液压制动。2.4.1机械制动器在机器人的设计中制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。目前符合本次设计需要的是电磁制动器。由于选用了伺服电机作为整个机器人的动力系统的动力源，所以电磁制动器比较合适。电磁制动器的原理是用弹簧力制动的盘式制动器，当有电时电流通过线圈，形成磁场与弹簧力平衡，制动器打开，这样就不会进行制动作用，是不起任何作用的，但是当没用电源进行供电时时没有电流从线圈中走过没有磁场与弹簧力形成反作用力所以在弹簧力的作用下处于闭合状态，制动器处于制动状态发挥作用。所以此类制动器也被形象的叫做无励磁动作型电磁制动器。并且这种制动器常常适用于安全制动场合，因此也叫安全制动器。2.4.2电气制动器电动机是通电时电流通过线圈与电动机内的磁场形成作用力进行旋转的装置可以将电能转换成机械能，电气制动设计中由于采用直流伺服电机所以可以采用的是电器抱闸。因机器人的一些部位在他停止转动的时候会自动的下落。在关节的制动上采用电气制动，可以在不附加部件的条件下，只是通过软件就能控制实现电器制动。避免了添加机械制动器所带来的质量增加和成本的增加。是比较好的实现制动目的的方式。在电动机停转时候有一个相反方向的力矩使电机停止转动。有比较好的优势在于停止平稳，能够比较精准的停止，能够在仍然有一定负载时下降速度并停止本章小结本章主要是介绍了搬运机器人的技术要求，提出搬运机器人整体结构的设计方法，选择了搬运机器人的驱动方式和传动方式。为接下来的设计步骤打好了技术理论基础。第3章机器人腰部的详细设计3.1腰部减速器的选型与计算设机器人腰部、机器人大臂、机器人小臂和机器人腕部绕各自中心轴旋转时产生的转动惯量分别为J1、J2、J3和J4。根据平行轴定理可得绕腰部旋转产生的的转动惯量由公式（3-1）（3-1）m1、m2、m3、m4分别为机器人腰部、机器人大臂、机器人小臂及机器人腕部的估算质量。经过查阅相关资料可大致估算出各个部件的质量。机器人腰部的质量不仅仅是机器人本身的质量，也是机器人小臂、机器人大臂和机器人腕部上的电动机和减速器的质量总和。由于机器人大臂、机器人小臂和机器人腕部绕各自重心轴的转动惯量相对较小可以忽略不计，机器人腰部的重心在旋转轴的轴线上。因此，由结构、、估算出的数值分别为300mm、900mm、1900mm。（3-2）等效转矩：研究负载特性：（3-3）计算平均负载转矩：（3-4）因此选择RV减速器作为机器人腰部旋转的减速器最为合适。其基本参数如表3-1所示。表3-1RV减速器基本参数型号RV-500C转动惯量/0.34减速比121最大转速/rpm24额定转矩/Nm5537最大转矩/Nm95003.2腰部电动机的选型与计算由转速和上述计算的机器人腰部在启动阶段加速度初选伺服电机SGMGV-20A。减速机输出端的负载转动惯量换算到电机端后转动惯量由公式（3-5）（3-5）负载的转动惯量与减速器输入轴的转动惯量之和与伺服电动机本身转动惯量之比：（3-6）在启动加速阶段，加速力矩与加速值成正比。（3-7）伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩由公式（3-8）（3-8）伺服电机提供到减速机末端的转速由公式（3-9）（3-9）伺服电机提供给减速器末端的转速大于关节的额定转速。所以电动机基本参数如表3-2所示。表3-2电动机基本参数型号SGMGV-44A额定功率/kw4.4额定转速/rpm1500转动惯量/67.5最大转速/rpm3000额定转矩/Nm28.4最大转矩/Nm71.1本章小结本章主要是介绍了搬运机器人腰部结构的设计，选择搬运机器人腰部旋转的驱动方式为电机驱动，并且选择了搬运机器人腰部运动所需要的电动机和减速器的型号。

第4章机器人机械臂的详细设计4.1机器人小臂的设计机器人小臂是连接机器人大臂和机器人腕部的重要部件之一，其结构需要有良好的刚性和韧性，选择其减速器和电动机的型号应符合机器人结构的设计要求。4.1.1小臂减速器的选型与计算小臂减速器位于搬运机器人的小臂关节处，计算小臂关节的驱动转矩。由平行轴定理可知腰部旋转时腰部轴所产生的转动惯量为：根据查阅相关资料，可以得出各部分重量间的比例关系m1=460kg、m2=130kg、m3=100kg、m4=245kg。等效转矩：研究负载特性，计算平均负载转矩：计算平均负载转矩：满足所有要求规格，因此减速器选择RV减速器，并且选定的RV-160E减速器基本参数如表4-1所示。表4-1RV减速器基本参数型号RV-160E转动惯量/0.25减速比81最大转速/rpm50额定转矩/Nm1774最大转矩/Nm78404.1.2小臂电机的选型与计算由转速和上述计算中机器人小臂在启动阶段加速度初选伺服电机SGMGV-2。机器人小臂减速器输出端的负载转动惯量转换为电机端：负载的转动惯量与减速机输入轴转动惯量之和与伺服电机自身转动惯量的比值为：机器人小臂旋转轴启动加速度成比例的关系的加速阶段，扭矩和加速度值：伺服电机可以被提供给的最大转矩减速器的末端：伺服电机提供到减速机端部的转速为：负载启动所需的起动转矩小于伺服电机可以提供给减速器端部的最大转矩，而伺服电机提供给减速器端部的速度要大于关节的最大返回角速度。电动机的基本参数如表4-2所示。表4-2伺服电机基本参数型号SGMGV-20A额定功率/kw1.8额定转速/rpm1500转动惯量/26最大转速/rpm3000额定转矩/Nm11.5最大转矩/Nm28.74.2机器人大臂的设计机器人大臂是连接机器人小臂和机器人腰部的重要部件之一，其结构需要有良好的刚性和韧性，选择其减速器和电动机的型号应符合机器人结构的设计要求。4.2.1大臂减速器的选型与计算机器人大臂安装的减速器位于搬运机器人的大臂关节处，为了计算机器人大臂旋转关节旋转时产生的驱动力矩，需要机器人整体的尺寸参数，机器人的本体重量为1700kg。根据平行轴定理，可得绕大臂旋转轴的转动惯量为：据查阅相关资料，可以得出各部分重量间的比例关系m1=460kg、m2=130kg、m3=100kg、m4=245kg。等效转矩：研究负载特性：计算平均负载转矩：满足所有要求规格，因此选择RV减速器作为小臂运动的减速器，型号为RV-160E。其基本参数如表4-3所示。表4-3减速器的基本参数型号RV-160E转动惯量/0.25减速比81最大转速/rpm50额定转矩/Nm1774最大转矩/Nm78404.2.2大臂电机的选型与计算由转速和上述计算的小臂在启动阶段加速度初选伺服电机SGMGV-20A。大臂减速机输出端的负载转动惯量转换为电机端：负载的转动惯量与减速机输入轴转动惯量之和与伺服电机自身转动惯量的比值为：在启动加速阶段，加速扭矩与加速度值成正比：伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩为：伺服电机提供到减速机末端的转速为：伺服电机对减速器末端所提供的转速大于关节的额定转速，故所选电机与减速器相适应，所以伺服电机基本参数如表4-4所示。表4-4伺服电机基本参数型号SGMGV-20A额定功率/kw1.8额定转速/rpm1500转动惯量/26最大转速/rpm3000额定转矩/Nm11.5最大转矩/Nm28.7本章小结本章主要是介绍了搬运机器人机械臂的整体设计，分别对机器人大臂和机器人小臂的电动机和减速器进行了选型计算，并完成了机器人机械臂的整体结构设计。第5章机器人腕部详细设计5.1腕部减速器的选型与计算腕部减速器位于搬运机器人的腕部关节处。在机械臂的前端，主要功能是驱动夹具的旋转。端部载荷由夹持器和包装箱两部分组成。将夹持器和包装箱看成一个整体，想象其是一个长方体，长度、宽度和高度分别为A、B和C，可用于计算惯性矩：本文设计的搬运机器人的承受负载为100kg，长方体负载的尺寸为长为1m、宽为0.8m、高为0.5m。代入上式得：机器人腕部旋转轴的速度和加速度分别为其中腕部旋转轴的额定转速为n4，腕部旋转的角加速度为a4。故腕部旋转轴在启动加速阶段的加速力矩为研究负载特性：计算平均负载转矩：因此选择RV减速器作为机器人腕部旋转的减速器，其基本参数如表5-1所示。表5-1RV减速器基本参数型号RV-50C-36.75-A-B转动惯量/1.82减速比90最大转速/rpm50额定转矩/Nm360最大转矩/Nm17655.2腕部电动机的选型与计算由转速和上述计算的机器人腰部在启动阶段加速度初选伺服电机型号为SGMGV-13A。腕部减速器输出惯性力矩转换为电机端：负载的转动惯量与减速机输入轴转动惯量之和与伺服电机自身转动惯量的比值为：伺服电机对减速器端部的最大转矩为：伺服电机提供到减速机末端的转速为：负载启动所需的起动转矩小于伺服电机可提供给减速器端部的最大转矩，而伺服电机提供给减速器端部的速度大于关节的最大返回角速度，因此所选择的伺服电机和减速器是合适的。所以电动机基本参数如表5-2所示。表5-2伺服电机基本参数型号SGMGV-13A额定功率/kw1.3额定转速/rpm1500转动惯量/22最大转速/rpm3000额定转矩/Nm8.34最大转矩/Nm23.35.3联轴器的选型与计算1.联轴器的理论转矩2.联轴器的计算转矩因此联轴器选用A型平键套筒式联轴器。因为联轴器产生的许用扭矩大于计算出的扭矩，机器人腕部减速器输出轴的直径为25mm。所以联轴器基本参数如表5-3所示。表5-3联轴器的具体参数Dh7轴直径/mm许用转矩/N.m平键GB/T10996-2003紧定螺钉GB/T117-2000251258×25M6×10套筒联轴器与轴间的定位靠平键连接，紧定螺钉也起定位作用。套筒联轴器与轴的装配如图5-1所示。图5-1平键套筒联轴器与轴的装配图3.验算套筒的扭矩强度和键的挤压强度套筒的扭转强度：由套筒的材料为45号钢，由《机械设计》表15-3查得，许用切应力为25～45Mpa，则所选套筒满足强度要求。5.4轴承的选型由于机器人腕部旋转不是高速旋转，承受的负荷是轴向负荷，所以选择深沟球轴承，成对使用。由《机械设计课程设计指导手册》，选择轴承型号为3305C，具体参数如表5-4所示：表5-4轴承的具体参数轴承型号dDBa基本额定动载荷/KN额定静载/KN3305C25621713.121.515.8轴承的布置为预紧装置，以提高轴承的旋转精度，增加刚度并减小轴的振动。本章小结本章主要是介绍了搬运机器人腕部的整体设计，对机器人腕部所使用的电动机和减速器进行了选型计算，选择了合适的联轴器和轴承。并完成了机器人腕部的整体结构设计。第6章机器人的平衡分析6.1工业机器人平衡原理及分类工业机器人的平衡对工业机器人的未来发展起着十分重要的作用。机器人能否正常的工作往往取决于平衡系统的质量好坏。选择合适的方式来改变机器人的运动特性平衡、提高机器人的整体性能、提高机器人的操作精度、减轻机器人的重量是非常重要的。工业机器人常用的平衡方法有圆柱、重力、弹簧和弹簧凸轮。其中，工业机器人的重力平衡结构非常简单。如果继电器杆的负载增加，那么所需的驱动扭矩也会增加。重力平衡适用于重量小的臂架结构，通过调整部件可以使机器人平衡。该方法结构简单，重量轻，对环境温度变化不敏感。由于弹簧刚度不可调，在不同的载荷和位置下很难达到完全平衡。此外，因为弹簧平衡受到弹簧大小的限制，因此过程受到限制，通常使用中和小负载的机械臂进行平衡。重力弹簧组合具有一个共同的优点弹簧余量余量余量重力和其克服许多它们的各种缺点，在很大的范围里实现平衡。其平衡结构如图6-1所示。1-弹簧式平衡缸2-基座3-大臂4-机器人大臂旋转轴图6-1平衡缸机构示意图6.2工业机器人平衡系统的主要目的设置平衡系统的主要目的为以下两点。（1）提高精度驱动系统。静态负载平衡系统的合理设计会降低传输系统中，从而降低了摩擦驱动部件，摩擦和变形。尤其在重载大尺寸情况下，传动系统的寿命和精度将显著提高。（2）减轻机器人每个位置部件的重量。所谓偏转力矩，就是抓取物体的自重，以及每根连接杆对不垂直于水平面的各个关节轴的自重。由于偏置力矩的存在，机器人无法保持自身的平衡。此外，由于机器人的各个关节的运动范围相对比较大，机器人在每个位置都有不同的偏移转矩，所以过大的偏移转矩和波动对驱动转矩和驱动功率的影响是非常显著的。6.3工业机器人平衡措施现有的工业机器人平衡方式主要有下述四种。（1）附加弹簧平衡系统。力通过改变弹簧支点的相对位置来储存或施加能量来平衡该法结松简单、保养方便平衡性能较好。然而，当机器人的负载和重量改变时，弹簧刚度系数无法调整。该方法可用于平衡工业机器人的小臂与各种类型的中小型负载。（2）附加平衡重量使机器人臂杆的重心落在驱动轴线上或附近。方法简单可靠并可获得完全平衡。驱动系统和具有驱动手腕自由度的电机可以巧妙地布置。电动机的重量是用来使总质量中心离传动轴不远，然后再加上适当的配重使其完全平衡。然而，这种方法增加了身体的重量和惯性，使动态特性恶化，增加平衡后续吊杆的难度。因此,该类方法主要用于电机驱动的机器人小臂的平衡。（3）除驱动电机外，还有额外的平衡电机，每个万向节的驱动轴都连接到平衡电机上，专门用来平衡其偏压扭矩。该方法效果最佳，但是通过将电机和控制系统加倍，所以这种措施并没有在工业机器人上进行应用。（4）增设气缸平衡系统。该方法的原理类似于弹簧平衡系统。其特点是设计紧凑，容量大，这可根据缸内压力平衡工作负荷进行调整。因此，多数用在重载机器人大臂平衡系统上。本章小结本章介绍了搬运机器人的平衡原理，简单叙述搬运机器人研究平衡系统的目的和意义，并且说明了使搬运机器人在运动时保持平衡的一系列措施。结论本次所设计的搬运机器人是一款负载为100kg的四自由度搬运机器人。搬运机器人是一种可以进行自动化搬运作业的工业机器人。搬运机器人主体由机器人底座、机器人腰部、机器人腕部、机器人大臂和机器人小臂组成。主要对四自由度搬运机器人的各个结构进行设计，并且对各个关节中至关重要的部件进行选型与计算。研究机器人平衡原理，罗列出4项保持搬运机器人平衡的措施。致谢短短的一学期已经过去了，我的毕业设计也已经告一段落了。在设计过程中，我遇到了很多问题，这些问题的解决与我的指导教师霍春燕老师的帮助是分不开的。本文的研究工作是在我的指导教师霍春燕老师的悉心指导和严格要求下完成的。霍春燕老师在学习方法、工作方法和研究思路等方面给予了我许多启迪，同时，她对我的研究工作也提出了宝贵的建议和意见，使我在研究工作中不断取得新的进展。霍春燕老师深厚的专业知识、严谨的治学精神和求实创新的工作作风深深的影响着我。在此，谨向霍春燕老师致以我最崇高的敬意和真挚的感谢！感谢我的家人和朋友对我生活上的关心，学习和工作的支持，这些使得我能够安心的完成我的研究工作。最后，对在我的学习和成长道路上给予帮助的所有老师和朋友们表示深深地感谢。参考文献成大先，王德夫，李长顺．机械设计图册[J]．化学工业出版社，2016李爱成．关节式码垛机器人本体设计与运动学分析[D]．安徽：合肥工业大学，2013黄龙，康建，陈宁新．机器人气缸活塞平衡系统的优化设计[J]．机器人学报，2000李伟．六自由度关节式机器人控制系统开发[D]．上海：华东理工大学，2014朱遂伍，孙杏初．工业机器人平衡系统的研究[D]．北京：北京航空航天大学，2000邹阳．回转式全自动套袋机器人的研制[D]．安徽：合肥工业大学，2014雷培．球坐标测量机器人动态误差分析[D]．陕西：西安理工大学，2009刘燕．棉桶搬运机器人的静力学与动态特性分析[D]．山东：山东科技大学，2017张凯良，杨丽，张铁中．基于机器视觉的关节机器人的研究[J]．农机化研究所，2010南永博．六自由度搬运机器人运动轨迹规划及仿真分析[D]．陕西：西安理工大学，2018[12]黄贤新．工业机器人机械手设计[D]．天津：天津工业大学，2012[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附录11.工业机器人的构成以及类型从构成上分析，工业机器人主要包含三个部分，即本体、驱动以及控制三个系统。从功能上分析，一种机器人的作用体现在对人类手臂的模仿。另外一种更具智能化，有效发挥仿生学的特征，能力更显多样化，自由度更高。在当前的工业领域，之所以选择工业机器人，主要源于其较低的单机价格，便于维修，应用效率较高。2.人工智能时代工业机器人核心技术分析在工业机器人中，关键性结构组成为高精度减速机，涉及多种技术类型。首先，材料成型控制技术十分关键，尤其对减速机减速齿轮的耐磨性与刚性提出更高要求，目的是保证运行的高精度标准。在材料构成方面，要强化对金相组织、材料化学元素以及含量的科学控制。其次，加工技术不容忽视。在减速器中，非标特殊轴承是必不可少的组成部分，结构极具特殊性，需要减速器零件加工尺寸来确认间隙标准，工人技术要求更高。3.工业机器人应用实际准确掌握发展趋势与方向（1）立足工业生产，很多环节与环境保护相矛盾，对从业者身心健康产生不利影响，有些操作人类很难完成，这也成为工业机器人得以推广应用的重要因素。例如，对于真空机器人，其之所以在工业中应用，主要原因是半导体工业中，真空传输晶圆这一环节人类无法完成，而真空机器人的引进实现这一问题的解决。另外，在一些恶劣环境中，如适应无阻运动的蛇形机器人，满足水下作业的仿生鱼机器人等，都处于不断研发之中，备受瞩目。也就是说，在工业机器人的发展进程中，更加关注其仿生性与生物性的特征，能够有效实现对人类行为的模仿与替代，成为新时期工业机器人研发的新动向。（2）在机器人内部，核心构成为控制系统，是发挥功能的重要保障，强化对记忆、示教、通信连接以及坐标设置功能的支持。当前，计算机技术不断升级更新，为工业机器人控制系统的优化与完善提供强大动力，整体控制水平显著提升。具体讲，在控制器方面，由专用封闭式发展为开放式。也就是说，计算机水平的提升使得工业机器人的控制系统突破专供的束缚，更显统一化与标准化的趋势，网络化特征明显。基于此，工业机器人的操作更显便捷性，具备简单的操作常识即可，无需投入人力物力进行培训，在很短的时间内就可以对机器人进行模块功能调整，在根本上使机器人的使用更加方便与快捷，维护管理工作也易于进行。（3）立足信息时代，人工智能的发展势不可挡，智能化成为工业机器人在未来的发展方向。智能化的机器人，即强调机器人对人类模仿的更高层次，需要具备更高层级的仿生，既要能够模仿人类的动作行为，同时，还需要具有人类的思维与神经。基于此，传感器成为智能工业机器人的重要构成部分，尤其是视觉、力觉、触觉传感器的出现，加快工业机器人智能化的发展速度。例如，对于从事电弧焊接的机器人，采用多传感器融合配置，融电弧传感器、视觉传感器以及机器传感器于一体。在视觉传感器的支持下，机器人能够凭借激光视觉扫描功能，获取焊接过程中所需要的焊炬等数据信息，保证电弧焊接的精准性。另外，远距离遥控机器人的出现代表了综合性传感器融合配置技术上了新的台阶。这种技术在机器人未来发展中将得到更大范围的推广与应用，处于不断完善与成熟中。4.我国工业机器人发展存在的不足与凸显的问题首先，我国工业机器人起步较晚，发展时间较短，资金投入方面彰显不足，在技术与经验方面彰显无力性，处于不断摸索与提升阶段，研发力度亟待增强。其次，对于我国机器人的发展，在生产技术与可靠性方面相对薄弱，尤其是机器人很多关键部件需要进口，生产成本大幅增加，机器人市场仍需不断扩大，尤其是过高的成本支出，使得工业机器人在生产研发方面缺乏较高的积极性。再次，工业机器人标准化生产的实现需要以规模优势为前提，但是，我国在生产与研发方面的投入尚未达标，给推广与应用造成巨大阻力。5.如何推动人工智能时代工业机器人的快速发展随着时代的不断进步，智能机器人技术处于不断创新升级中，因此，工业智能机器人在未来的发展要集中做好如下几个方面的工作。首先，从理论研究方面分析，要重视加强指挥制造技术的探究，尤其是针对机器人中相关零部件的生产，要切实提升产品生产质量，有效应对生产难题，借助新型制造技术与制造模式，缩短机器人生产与推广时间。其次，要结合社会需求，合理增加智能机器人科研项目资金投入，设置专项资金，尤其是面对工业转型发展的新阶段，要扩大对机器人及相关产业的投资量，在根本上为工业智能机器人技术的进步创造条件。再次，立足新时期，要对工业机器人相关条例、规则等进行完善，加快核心技术研发速度，同时，做好研发技术与成功经验的总结分析，推动智能机器人工业化发展进程的加快，构建更加完善的标准体系，强化对人机交互准则的合理优化。综上，工业机器人是多学科相互融合与发展的产物，对工业行业的发展意义巨大。因此，要立足信息时代，在人工智能技术的支撑下，准确掌握工业机器人发展趋势，明确技术特征，促使工业机器人生产制造成本的不断降低，性能逐步增强。同时，要重视仿生学在工业机器人领域的研究与应用，强化控制系统功能的不断升级改造，加快多传感器融合配置技术的发展，大幅提升工业机器人的智能化水平，推动整个行业标准化与统一化建设，拓展机器人应用领域，以便更好发挥工业机器人在人工智能时代的价值。

附录21.ThecompositionandtypesofindustrialrobotsFromthecomponentanalysis,theindustrialrobotmainlyconsistsofthreeparts,namely,ontology,driveandcontrolthreesystems.Fromthefunctionalanalysis,arobot'sroleisembodiedintheimitationofhumanarms.Theotherismoreintelligent,effectivelyplaythecharacteristicsofbionics,morediversecapabilities,higherdegreesoffreedom.Inthecurrentindustrialfield,thereasonwhyindustrialrobotsarechosenismainlybecauseoftheirlowsinglemachineprice,easymaintenanceandhighapplicationefficiency.2.AnalysisofcoretechnologyofindustrialrobotinartificialintelligenceeraIntheindustrialrobot,thekeystructureiscomposedofhighprecisionreducer,whichinvolvesavarietyoftechnicaltypes.Firstofall,thematerialformingcontroltechnologyisveryimportant,especiallyforthereducerreducergearwearresistanceandrigidityputforwardhigherrequirements,inordertoensuretheoperationofhigh-precisionstandards.Intheaspectofmaterialcomposition,thescientificcontrolofmetallographicstructure,materialchemicalelementandcontentshouldbestrengthened.Secondly,theprocessingtechnologycannotbeignored.Inthereducer,non-standardspecialbearingisanessentialcomponent,thestructureisveryspecial,needreducerpartsprocessingsizetoconfirmthegapstandard,workershighertechnicalrequirements.3.Theapplicationofindustrialrobotstoaccuratelygraspthedevelopmenttrendanddirection（1）basedonindustrialproduction,manylinksareincontradictionwithenvironmentalprotection,whichhaveanegativeimpactonthephysicalandmentalhealthofworkers,andsomeoperationsaredifficultforhumanbeingstoaccomplish,thishasalsobecomeanimportantfactorinthepopularizationandapplicationofindustrialrobots.Forexample,forthevacuumrobot,themainreasonwhyitisusedinindustryisthatthesemiconductorindustry,VacuumTransportWaferthislinkcannotbecompletedbyhuman,andtheintroductionofvacuumrobottoachievethesolutionofthisproblem.Inaddition,insomeharshenvironments,suchasthesnake-likerobottoadapttotheunimpededmovementandthebionicfishrobottomeettheunderwateroperation,areintheprocessofcontinuousresearchanddevelopment,attractingmuchattention.Inotherwords,inthedevelopmentofindustrialrobots,moreattentiontoitsbionicsandbiologicalcharacteristics,caneffectivelyachievehumanbehaviorimitationandreplacement,asanewtrendofindustrialrobotsinthenewera.（2）insidetherobot,thecoreconstitutesthecontrolsystem,whichisanimportantguaranteeforthefunctionoftherobot,andstrengthensthesupportforthefunctionsofmemory,teaching,communicationconnectionandcoordinatesetting.Atpresent,thecontinuousupgradingandupdatingofcomputertechnologyprovidespowerfulpowerfortheoptimizationandperfectionofindustrialrobotcontrolsystem,andtheoverallcontrollevelhasbeenimprovedsignificantly.Specificallyspeaking,inthecontrolleraspect,developsfromthespecial-purposeclosedtypetotheopentype.Thatistosay,theimprovementofcomputerlevelmakesthecontrolsystemofindustrialrobotbreakthroughtherestrictionofspecialsupply,showthetrendofunificationandstandardization,thenetworkcharacteristicisobvious.Basedonthis,theoperationofindustrialrobotsismoreconvenient,withsimpleoperationcommonsense,noneedtoinvestmanpowerandmaterialresourcestocarryouttraining,inaveryshortperiodoftimecanbeadjustedtothefunctionoftherobotmodule,fundamentally,therobotismoreconvenientandfasttouse,maintenancemanagementisalsoeasytocarryout.（3）basedontheInformationAge,theartificialintelligencedevelopmentisirresistible,theintellectualizationbecomestheindustrialrobotinthefuturedevelopmentdirection.Intelligentrobot,thatistoemphasizeahigherlevelofrobottohumanimitation,needtohaveahigherlevelofbionic,notonlytobeabletoimitatehumanbehavior,butalsoneedtohavehumanthinkingandnerve.Basedonthis,sensorsbecomeanimportantpartofintelligentindustrialrobots,especiallytheappearanceofvision,forcesenseandtouchsensesensors,whichspeedsupthedevelopmentofintelligentindustrialrobots.Forexample,therobotengagedinarcwelding,usingmulti-sensorfusionconfiguration,fusionarcsensors,visualsensorsandmachinesensorsinone.WiththesupportoftheVisionSensor,therobotcanobtaintheweldingtorchandotherdataneededintheweldingprocessbythelaservisionscanningfunctiontoensuretheaccuracyofarcwelding.Inaddition,theappearanceofremotecontrolrobotrepresentsanewstepintheintegratedsensorfusionconfigurationtechnology.Thistechnologywillbepopularizedandappliedinthefuturedevelopmentofrobot,anditisintheprocessofcontinuousimprovementandmaturity.4.DeficienciesandproblemsinthedevelopmentofindustrialrobotsinChinaFirstofall,China'sindustrialrobotsstartlate,thedevelopmenttimeisshort,thelackofcapitalinvestment,technologyandexperience,showingweakness,isinthestageofconstantexplorationandupgrading,R&Deffortsneedtobestrengthened.Secondly,forthedevelopmentofrobotsinChina,theproductiontechnologyandreliabilityarerelativelyweak.Inparticular,manykeypartsofrobotsneedtobeimported,theproductioncosthasincreasedsignificantly,andtherobotmarketstillneedstobecontinuouslyexpanded,inparticular,thehighcostofexpenditure,makingindustrialrobotsintheproductionofR&Dlackofhighenthusiasm.Thirdly,therealizationofthestandardizedproductionofindustrialrobotsshouldbebasedontheadvantageofscale.However,theinvestmentinProductionandR&DinChinahasnotyetreachedthestandard,whichcausesgreatresistancetoitspopularizationandapplication.5.HowtopromotetherapiddevelopmentofindustrialrobotsintheeraofartificialintelligenceWiththecontinuousprogressoftheTimes,intelligentrobottechnologyisinconstantinnovationandupgrading,therefore,industrialintelligentrobotinthefuturedevelopmenttofocusonthefollowingareasofwork.Firstofall,fromtheaspectoftheoreticalresearch,weshouldattachimportancetotheexplorationofcommandmanufacturing