彭宏邈- 六自由度工业机器人设计说明书

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）

湖 南 科 技 大 学

毕 业 设 计（ 论 文 ）

题 目 作 者 学 院

六自由度工业机器人

结构设计

彭宏邈 机电工程学院

专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 指导教师

二〇一五 年 五 月 三十 日

1103010608 胡小平

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）

湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）任务书

机电工程学院 院 机械设计制造及其自动化 系（教研室） 系（教研室）主任:（签名） 年月日

学生姓名:彭宏邈学号:1103010608专业:机械设计制造及其自动化

1 设计（论文）题目及专题： 六自由度工业机器人结构设计 2 学生设计（论文）时间：自 2015 年 3 月 1 日开始至 2015 年 5 月 29 日止 3 设计（论文）所用资源和参考资料：

《工业机器人》、《机器人学》、《机器人运动学基础》、《Solidworks2013从入门到精通》

4 设计（论文）应完成的主要内容：

（1）介绍工业机器人的发展现状及前景；

（2）工业机器人工作空间计算和简单的运动学分析； （3）工业机器人结构设计及关键零部件计算； （4）对关键零部件进行强度校核。

5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求： （1）相关的计算、设计框图及仿真图； （2）论文不少于35页；

（3）说明书中必须有与设计（论文）内容或专业相关的不少于1500字的外文资料翻

译。

6 发题时间： 2015 年 3 月 1 日

指导教师：

学 生：

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湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）指导人评语

[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]

指导人评定成绩：

指导人： （签名）

年 月 日

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湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）评阅人评语

[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]

评阅人评定成绩：

评阅人： （签名）

年 月 日

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湖 南 科 技 大 学 毕业设计（论文）答辩记录

日期：

学生：学号：班级： 题目：

提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：

1 设计（论文）说明书 共 2 设计（论文）图 纸 共 3 指导人、评阅人评语 共

毕业设计（论文）答辩委员会评语：

[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]

页 页 页

答辩委员会主任： （签名）

委员： （签名）

（签名） （签名） （签名）

答辩成绩：

总评成绩：

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摘 要

六自由度工业机器人是一种高精度的自动化机械，具有高度的灵活性以及平稳性。所以在设计中我们应当注意其结构工艺的合理性，在材料选择上应当使其具有高强度和轻便的特性。本论文主要对搬运工业机器人的驱动方式及各轴的传动方案进行了设计，并对驱动运动的电动机进行了选型；在对其工作空间分析的基础上，对关键的零部件进行了受力分析及强度校核；根据其基本结构参数，利用Solidworks2013软件进行了三维图形的绘制，并用CAD绘制了装配图及部分关键零件图。

关键词：工业机器人；结构设计；传动方案设计；受力分析；强度校核

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Abstract

Six degree of freedom industrial robot is a kind of automatic machine with high accuracy, with high degree of flexibility and stability.. So in the design we should pay attention to the rationality of the structure and technology, in the choice of materials should be so that it has high strength and lightweight, this paper mainly for the handling of industrial robot total drive way and the axis of the transmission scheme design, and the drive motor selection; in work space analysis based on the kinematics calculation, of key parts were stress analysis and

strength check; according to the basic structure parameters using software Solidworks2013 of 3D graphics rendering, and mapping with CAD assembly drawing and part of the key parts of the map.

KeyWords：Industrial robots; Structural design; Transmission design; Force analysis；Intensity verification

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目 录

第一章 绪论?????????????????????????????? 1

1.1工业机器人概述??????????????????????????1 1.2 课题研究背景及意义????????????????????????1 1.3 国内外研究现状及发展趋势?????????????????????2 1.3.1 国内研究现状?????????????????????????3 1.3.2 国外发展趋势?????????????????????????4 1.4工业机器人相关技术????????????????????????5 1.5本文主要内容???????????????????????????5

第二章 总体方案与传动机构设计??????????????????? 6

2.1 总体方案设计与分析???????????????????????? 6

2.1.1 方案要求?????????????????????????? 6 2.1.2 机构选型?????????????????????????? 7 2.1.3 驱动方式选择???????????????????????? 8 2.2 传动方案的初步设计???????????????????????? 9 2.2.1 腕关节传动机构设计????????????????????? 10 2.2.2 小臂传动机构???????????????????????? 10 2.2.3 大臂传动机构???????????????????????? 11 2.2.4 腰身传动机构???????????????????????? 12 2.3 机器人部分技术参数 ??????????????????????? 10

第三章 工作空间分析及计算????????????????????? 12

3.1工作空间????????????????????????????12 3.2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性????????????????12 3.3分析??????????????????????????????14

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第四章 结构设计?????????????????????????? 15

4.1 传动方案的设计????????????????????????? 15 4.2 手腕传动???????????????????????????? 15 4.3 腰部??????????????????????????????16 4.3.1 腕部的设计要求??????????????????????? 16 4.3.2 腕部结构?????????????????????????? 16

4.4 手臂?????????????????????????????? 17 4.4.1 手臂作用概述???????????????????????? 17 4.4.2 电机选择?????????????????????????? 17

4.5 传动结构设计计算???????????????????????? 20 4.5.1 腰部设计?????????????????????????? 20 4.5.2 大臂设计?????????????????????????? 21

4.5.3 小臂设计?????????????????????????? 22

第五章 关键零部件的校核???????????????????????24

5.1 腕部中心轴的结构设计与校核????????????????????24 5.1.1 腕部中心轴的结构设计 ???????????????????? 25 5.1.2 腕部中心轴的强度校核 ???????????????????? 25

5.2 连杆传动轴的结构设计与校核 ??????????????????? 28 5.2.1 连杆传动轴的结构设计???????????????????? 28 5.2.2 连杆传动轴的强度校核???????????????????? 29

5.3 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核????????????????? 28 5.4 手腕齿轮连接轴2的结构设计与校核???????????????? 29 5.5 回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核???????????????? 29 5.6 部分三维图形的绘制??????????????????????? 30

第六章 总结 ????????????????????????????? 35 参考文献 ??????????????????????????????? 36 致谢 ?????????????????????????????????37

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第一章 绪论

1.1 工业机器人概述

工业机器人是一种高精度的自动化生产装备，它的设计涉及到了多门学科知识，包括了气动、液压、电路、PLC以及材料力学，理论力学等等。

它最早出现于20世纪，人们通常广义的把机器人认为是能模仿人类动作的机器。相较于人具有大脑，手足，和眼睛等功能器官，随着机器人的发展，它也拥有了类似的能力，甚至在功能上远超人类。

工业机器人顾名思义，是用于辅助生产的机器人。早在20世纪20年代就出现了一种能够在生产线上，代替人搬送装卸工件的机械手。而在40年代则直接出现了可以由工人操作的机器人。60年代则出现了可以自动的多操作的机械手。

工业机器人发展迅速，功能越来越多，甚至出现了具有智能的机器人。目前，世界上把机械手、机器人等也一并称为工业机器人。我国将其定义为：一种能自动控制，可重复编程、多功能、多自由度的机器人，并能搬运材料工件或者其他工具，用以实现多种作业。

1.2 课题研究背景及其意义

工业机器人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。它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。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。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。

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

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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。

针对原有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。

工业机器人由机器人(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。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。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、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、多自由度的机器人。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”机器人定义为：“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。

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。

1.3 国内外研究现状及发展趋势

1.3.1 国内研究现状及面临的挑战 1、发展现状

（1）市场需求快速增长，但严重依赖国外进口

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我国工业机器人市场已呈现出蓬勃发展的态势。从2010年开始我国工业机器人需求量激增，但目前我国新增工业机器人中超过70%依赖国外进口。 （2）产业化初步取得进展，但程度较低

近年来，在需求快速扩张及国家自主创新政策作用下，国内一大批企业或自主研制或与科研院所合作，进入工业机器人研制和生产行列，我国工业机器人进入了初步产业化阶段。一些产品已开始产业化生产应用，但由于在精度、速度等方面不如进口的同类产品，因此这些产品产业化应用程度较低，缺乏品牌认知度，市场份额小 （3）掌握了一些先进技术，但整体技术水平仍然较低

我国目前已基本掌握了机器人机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、电焊、装配、搬运等机器人。一些产品的技术水平已达到国际先进水平，但在总体技术上还有很大差距，仅相当于国外90年代中期的水平。 2、面临挑战

（1）外资品牌占国内市场绝对份额

瑞典的ABB、日本的FANUC（发那科）、日本的YASKAWA（安川电机）、德国的KUKA（库卡）等知名企业产品在中国市场的占有率达到近90%，仅FANUC一家，就在我国占有23%的市场份额。 （2）关键核心部件受制于人 （3）产业化发展有待规范

伴随我国工业机器人需求的迅猛增长，实力良莠不齐的企业纷纷进入工业机器人生产市场，势必造成质低价廉的恶性竞争；虽然我国有近百家从事工业机器人研究生产的高校院所和企业，但现行的体制造成研究形式上过于独立封闭、内容上较为分散，难以形成合力，造成重复研究与时间、经费的浪费；多数企业热衷于大而全，一些关键部件研发生产的企业纷纷转入整机的生产，难以形成研发、生产、制造、销售、集成、服务等有序、细化的产业链。因此，工业机器人的产业化发展有待规范。 （4）研发及产业化方面的激励政策尚需完善

尽管“十一五”及“十二五”期间，国家有多个项目涉及机器人领域，但行业仍未建立起有效的公共技术平台以加强关键共性技术和核心功能部件的研究与突破，产业化进程也难以推进，研发与产业化方面的激励政策尚需细化完善。图1.1为沈阳自动化研究所研制的雪豹－10排爆机器人。 1.3.2 国外发展趋势

（1）市场需求呈现快速增长态势

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受技术快速发展、劳动力资源不断稀缺、生产效率要求近一步提高等因素影响，全球工业机器人将迎来更为广阔的发展空间和更高的发展速度。在区域分布上，随着亚洲地区制造业的发展，各项产业对于工业机器人的需求量增加，使得工业机器人市场需求逐渐由欧美地区转移到亚洲地区。 （2）技术日益智能化、模块化和系统化

从近几年世界推出的机器人产品来看，新一代工业机器人正在向智能化、模块化和系统化方向发展。

（3）西方工业化发达国家纷纷进行战略部署

美国：推行“再工业化”战略，大力发展工业机器人，希望重振制造业。

日本：日本可以称得上是“机器人大国”。2004年5月发布的“新产业发展战略”明确了机器人产业等7个产业领域为重点发展产业。近两年又开始重新审视机器人产业政策。

韩国：2009年公布《智能机器人基本计划》，2012年10月发布了“机器人未来战略展望2022”，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军海外市场方面。

欧盟：欧盟2011年8月通过了一份发展制造业计划，提出新工业革命概念，以机器人和信息技术为支撑，实现制造模式的变革。图1.2为德国KUKA防爆机器人。

图 1.1雪豹－10排爆机器人图1.2 德国KUKA防爆机器人

1.4 工业机器人相关技术

工业机器人按坐标系统可分为以下五种：

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(1)圆柱坐标型这种机器人只有一个转动关节，其余都是移动关节，它的空间定位较为直观，但其移动副不易防护，手臂伸缩的时候，可能与其他物体相碰撞。

(2)直角坐标型 只具有移动关节，其运动部分看起来是由三个相互垂直的直线组成，其工作空间图形为矩形。控制算法简单，没有耦合；占地面积大，工作空间较小，结构刚度高，操作类似于数控机床。

(3)球坐标型 这是有两个转动关节、其余为移动关节的机器人，有着占地面积大，工作空间大具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。

(4)关节型 具有三个转动关节的机器人，其动作灵活，工作空间大，结构紧凑，占地面积也小，但是其运动学复杂，计算困难，计算量大

(5)SCARA型 平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面垂直平面刚度好，水平面柔顺性好结构轻便，响应快，适用于平面定位，垂直装配作业

1.5 本文主要内容

完成工作方案的初步设计；

（1）通过阅读学习工业机器人的相关书籍和论文，确定了工业机器人使用方式，（2）设计了腰部、大小臂和腕部的传动方案，并总结出其总体设计方案； （3）运用数学知识，作图计算其工作空间，根据D-H对其进行运动学分析，计算主要结构尺寸要素；

（4）设计各轴结构样式，进行三维建模，并利用Solidworks软件，选择其驱动电机类型；

（5）对关键的零部件进行校核。

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第二章 总体方案与传动机构设计

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第三章 工作空间分析及计算

3.1 工作空间

该机器人的结构参数应该根据一定的工作空间要求来确定，工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合，也叫做工作区域。描述工作空间的手腕参考点可以选在手部中心、手腕中心或手指指尖，参考点不同，工作空间的大小、形状也不同。工作空间是机器人的一个重要性能指标，是机器人机构设计要研究的基本问题之一。当给定机器人结构尺寸时，要研究如何确定其工作空间，而当给定工作空间时，则要研究机器人应具有什么样结构。本文所讨论的搬运机器人主要用于装配线末端产品的搬运，本文将用一种根据工件尺寸确定机器人位置机构参数的简便方法确定该搬运机器人的主要结构参数，包括大小臂的长度尺寸及其极限摆角。

3.2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性

工作空间的形状取决于机器人的结构型式，直角坐标型机器人的工作空间为长方体；圆柱坐标型机器人的工作空间为中空的圆柱体；球坐标型机器人的工作空间为球体的一部分；关节型机器人的工作空间比较复杂，一般为多个空间曲面拼合的回转体的一部分。

直角坐标型机器人工作空间的大小取决于沿X、Y、Z三个方向机器人行程的大小。圆柱坐标型机器人工作空间的大小取决于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程，还取决于水平臂尺寸及水平伸缩行程。球坐标型机器人工作空间的大小取决于工作臂的尺寸、工作臂绕垂直轴转动的角度及绕水平轴俯仰的角度。关节型机器人工作空间的大小取决于大小臂的尺寸、大小臂关节转角的角度以及大臂绕垂直轴转动的角度。

图 3.1 位置简化模型

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L1：大臂的长度，根据总体方案设定条件确定为665mm L2：小臂的长度，根据总体方案设定条件确定为630mm

θ1：大臂旋转偏离立柱0位的角度，顺时针为正，本文定为-90o~130o θ2：小臂旋转偏离0位的角度，顺时针为正，本文定为-65o~65o

如图3.1所示，手端部的运动轨迹简易描述：以AD、BC、CD、DA四弧段在XOZ面组成机器人工作空间截面。AB弧段和CD弧段的圆心为大臂的起始点，即坐标原点。E点为AD弧段的圆心，F点为BC弧段的圆心。

各个点的坐标分别为：

A点：大臂负极限值θ1min、小臂达到负极限值θ2min

XA=L1sinθ1min+L2cos（θ1min+θ2min）=665×sin（-65）+630×cos（-155）=-1173.67 ZA=L1cosθ1min-L2sin（θ1min+θ2min）=665×cos（-65）+630×sin（-155）=-547.29 B点：大臂到达正极限值θ1max，小臂达到负极限值θ2min

XB=L1sinθ1max+L2cos（θ1min+θ2min）=665×sin65°+630×cos-155°=-31.72 ZB=L1cosθ1max-L2sin（θ1min+θ2min）=665×cos65°-630×sin-155°=-547.29 C点：大臂到达正极限值θ1max，小臂达到正极限值θ2max

XC=L1sinθ1max+L2cos（θ1max+θ2max）=665×sin65°+630×cos（-155°）=--5.84 ZC=L1cosθ1max+L2sin（θ1max+θ2max）=665×cos65°+630×sin195°=-117.98 D点：大臂负极限指θ1min，小臂达到正极限值θ2max

XD=L1sinθ1min+L2cos（θ1min+θ2max）=665×sin（-65°）+630×cos65°=-336.45??????

ZD=L1cosθ1min-L2sin（θ1min+θ2max）=665×cos（-65°）-630×sin65°=-852.02 E点： ?

XE=L1sinθ1min=665×sin（-65°）=-602.29 ZE=L1cosθ1min=665×cos（-65°）=-281.04 F点：

XF=L1sinθ1max=665×sin65°=602.69 ZF=L1cosθ1max=665×cos65°=281.04

可得坐标A=(-1173.67,547.29),B=(31.72,547.29),C=(-5.84,117.98),D=(-336.45,852.02)，E(-602.69,281.04),F(602.69,281.04)，由此可以作出机器人大臂小臂组成的截面（XZ面）工作空间，同机器人的安装机座（X,Y,Z坐标）的高度叠加后，可以绘制出机器人的截面（XZ面）工作空间，如图3.2。

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图 3.2 机器人工作空间

3.3 分析

经过上面的计算和分析可证明小臂的末端可达的覆盖范围大于作图空间。由于论证时的前提条件是把搬运机器人的最大覆盖范围一分为二。所以满足一半覆盖范围时，必然能够达到搬运机器人搬运工件的范围。所以搬运机器人足可满足要求的最大覆盖范围，证明方案正确，小臂和大臂的长度和俯仰角度确定的合适。

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第四章 结构设计

4.1 传动方案的确定

根据第二章的总体分析可知，搬运机器人前三个轴的传动机构并不复杂，第一个用的是蜗轮蜗杆传动，第二轴和第三轴则是用摆线针轮行星齿轮传动。四五六轴皆为手腕部分，都是采用远距离传动，将电机装在小臂关节处，通过同轴套筒接到手腕关节处，减轻手腕重量。

蜗轮蜗杆的优点在于传动比较大，结构也紧凑。蜗轮蜗杆传动比5≤i≤70，常用15≤i≤50；摆线针轮行星齿轮传动，11≤i≤87，圆锥齿轮传动效率高，一般可达98%，两齿轮轴线组成直角的锥齿轮副应用最广泛。由机械设计手册可得，其传动比范围为2-3，

4.2 手腕传动

手腕是机器人小臂与末端执行器之间的联接部件，其功能是利用自身的活动使末端执行器能够达到确定的工作空间姿态，因此手腕可以称为机器人的姿态机构，是机器人中极为重要也是结构最为复杂的部件。手腕的灵活度直接决定了机器人能够完成任务的种类和复杂程度，对机器人手腕结构的研究有着重要意义。 4.2.1 腕部的设计要求

由前文可知，本课题所设计的是一个三自由度的机器人手腕，由法兰固定在机器人小臂上，分别用三个直流伺服电机对其进行驱动。手腕主要分三部分：一部分是通过法兰和小臂固结在一起，可实现腕部的回转运动；一部分是围绕轴的摆动；另外一部分就是手爪的回转运动。 4.2.2 腕部电机的选择

由于腕部具有三个自由度，故对应每个自由度都有一个电机。电机1带动手爪转动，电机2则带动手腕左右摆动，电机3带动整个手腕绕小手臂中心轴线转动。

由前文的总体方案设计可知，工件为30X30X30cm的立方体，重为5kg。 工件的转动惯量为 J==0.00075kg.m2 已知它的转动速度为w=330°/s 取启动时间为0.1s， 转动角加速度β=3300°/s2 由此计算力矩得：T=Jβ=0.043N.m 功率P=Tw=2.48

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.所以定做的电机额定电压220V，输出功率至少3W，输出转矩至少为1N.m，转速为1400r/min，减速箱的减速比为23。电机输出轴端进行适当的加粗加长。

4.3 腰部

4.3.1 底座及腰部设计要求

工业机器人底座的设计主要考虑机器人的承重、散热、节省材料及合理装配等。由于底座基本上承担了工业机器人的所有重量，因此在材料的选取上要选取强度高，抗震性强，耐疲劳的材料。本文中选用ZG200作为底座材料。又考虑到底座为铸件，为避免铸造过程中出现缩松、缩孔等铸造缺陷，因此可将底座设计成内部中空的结构。这样既节省了材料，又降低了制造成本。

腰部承受了较大的转矩，在进行校核的时候，要特别注意其抗弯抗扭的能力。因为回转台同样为铸件，因此其材料选用ZG200-400，外形设计为薄壁结构，以减少其自身的重量。 4.3.2 电机选择 小手臂转动惯量：

J3=J0+mp2=0.80+9.5X(15Xcos15°)2 =23.43kg.m2

大手臂转动惯量：

J2=（a2+b2+c2+d2）+mp2 = （0.22+0.12+0.122+0.062）+44.8X0.352 =5.742

kg.m2

两电动机的转动惯量：

J电= J电1 +J电2=340.22+8.50.42=2.72 kg.m2

减速箱的转动惯量：

J减=150X0.452=30.375 kg.m2

腰部本身的转动惯量：

J1=mp2=2500.252=40 kg.m2

所以，总的转动惯量为

J总=23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392 kg.m2

而转动角加速度为

ε===7.854 °/s2

输出轴的转矩为

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M=J总ε=150.392×7.854=1181.179N·m

转换到电机上的转矩为

M电===17.71N·m

根据要求M电

4.4 手臂

4.4.1 手臂作用概述

手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 4.4.2 电机选择

由上可知，自大手臂往后的各轴，其重量都算在大手臂的负荷上。所以，大手臂的转动惯量也不小。必须仔细计算往后的零部件的转动惯量再来选择电动机。 大手臂的转动惯量;

J2=（a2+b2+c2+d2）+mp2 = （0.22+0.12+0.122+0.062）+44.8×0.352 =5.742

kg.m2

电动机转动惯量

J电2=8.5×0.42=1.366 kg.m

摆线减速器转动惯量：

J减=150×0.452=30.375kg.m

大手臂总惯量：

J总=5.742+1.366+30.375=40.602 kg.m

所以电动机的转矩为

M电=14.17N.m

根据要求M电

2

22

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湖南科技大学本科生毕业设计（论文）

J3=34×0.2=1.36 kg.m

电动机转动惯量

J电3=100×0.52=25 kg.m

摆线减速器转动惯量

J减3=150×0.452=30.375 kg.m

所以小手臂总的转动惯量为

J总=23.43+1.36+25+30.375=80.165 kg.m 对应在电动机上

M电=9.45 N.m

根据要求M电

2

22

22

4.5 传动结构设计计算

机器人传动方案已经确定为直流力矩电机传动，电动机功率为P=3KW，转速为1000r/min 4.5.1 大臂设计

因为伺服电机是经过了调速的，所以输出端的速度很低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。 小齿轮材料选用了40Cr，调质处理，硬度241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240HBS，精度8级。

取小齿轮齿数Z1=20，则Z2=i，Z1=5×20=100，大齿轮齿数Z2＝100。 根据齿面接触疲劳强度

6×mm （1）T1=9.55×106?P1/n1??=9.55×10×(3/75) ×0.99=378180N

（2）初选载荷系数为Kt=1.4 （3）查表取齿宽系数为φd=1

（4）查表取弹性系数为ZE=188.9MP （5）查表取节点区域系数为ZH=2.5

（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为?Hlim1=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为?Hlim2=1120MPa。

（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制

小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×108

1

2a

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大齿轮的应力循环次数N2=N1/5=5.7×107 确定传动尺寸

（1） 初算小齿轮分度圆直径d1t，代入【δH】中较小值

d1t=29.04mm

（2）按K值对d1t进行修正

??56.85?15004.46m/s 由圆周速度v= ?dn??60?100060?1000

查表取动载荷系数为Kv=1.20 查表取齿间载荷分布系数为K?=1.2 查表取齿向载荷分布系数为K?=1.07 查表取使用系数为KA=1.00

所以载荷系数K=KA?Kv?K??K?=1.54 按K值对d1t进行修正

K1.543d?d?31t56.85? 1==58.68mm Kt1.4（4）确定模数m以及主要尺寸 m=d1/Z1=2.93mm，取整m=3mm。

中心距a=m(Z1?Z2)/2=3??20?100?/2=180mm 分度圆直径d1=m?Z1=60mm，d2=m?Z2=300mm

齿宽b=?d.d1=60mm，取小齿轮齿宽b1=70mm，大齿轮齿宽b2=65mm

???c??.m=3.75mm 齿顶高ha1=ha2=ha?m=3mm，齿根高hf1=hf2=?ha确定各个参数数值

（1）查表取弯曲疲劳寿命系数YN1=0.95，YN2=0.98 （2）查表取齿形系数和应力校正系数 （3）查表取齿宽系数为φd=1

（4）查表取弹性系数为ZE=188.9MPa2

（5）查表取节点区域系数为ZH=2.5

（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为?Hlim1=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为?Hlim2=1120MPa。

（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制

小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×108

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大齿轮的应力循环次数N2=N1/5=5.7×107 4.5.2 小臂设计 （1）四杆机构设计计算

搬运机器人的小臂的俯仰动作是通过铰链四杆机构来完成的，安装在驱动力臂上的直流伺服电机通过铰链四杆机构驱动小臂实现俯仰运动。采用铰链四杆机构的目的是把直流伺服电机放到驱动力臂上，减轻小臂的重量，也降低了大臂驱动装置的负载，减少运动过程中产生的动载荷与冲击，提高整个搬运机器人的响应速度。

这个铰链四杆机构共有三种设计方案，分别是双曲柄机构、双摇杆机构、曲柄摇对于双曲柄机构来说机架为最短边，又因为大臂为机架而且长度为665mm，如果采用双曲柄机构，其它杆的杆长太长，而且上一章确定小臂的长度为630mm，因此双曲柄机构不符合要求。对于双摇杆机构来说机架为最短边的对边，既大臂与最短杆相对。如果采用双摇杆机构，会导致其他两杆的长度过长，在一定方向上占有的空间太大，而且小臂的俯仰角度不好确定，势必会增加设计难度。综合以上分析，在这里采用曲柄摇杆机构具体如图4.1所示。ab边代表大臂，长度为1000mm，ad边代表底杆,长度为400mm，dc边代表后杆，长度为1000mm，bc边代表小臂长两个连接点间的部分，长度为200mm。ab边为机架，ad边为摇杆，bc边为曲柄。这种结构首先满足了bc边长度小于小臂长度这一条件，而且所占的空间小，底杆和后杆的质量比其他两种方案要小.

图 4.1 四杆机构示意图

(2)齿轮的设计与校核计算

电磁式直流伺服电机经调速后要通过一个齿轮组来传递动力，再通过齿轮带动铰链四杆机构运动，从而实现小臂的俯仰运动。

选定材料、热处理方式、精度等级及齿数

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因为电磁式直流伺服电机是经过调速的，所以输出端的速度较低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。

选择小齿轮材料40Cr，调质处理，硬度241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240HBS，精度8级。

取小齿轮齿数Z1=24，则Z2?i1Z1=5×24=120，大齿轮齿数Z2＝120。 按齿面接触疲劳强度设计

确定各个参数数值

6（1）T1=9.55×106×?P1/n1??=9.55×10×(0.4/0.75)

×mm ×0.99=5.04×104N

（2）初选载荷系数为Kt=1.4 （3）查表取齿宽系数为φd=1 （4）查表取弹性系数为ZE=188.9 （5）查表取节点区域系数为ZH=2.5

（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为?Hlim1=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为?Hlim2=1120MPa。

（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制

小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×108 大齿轮的应力循环次数N2=N1/5=5.7×107

（8）查表取接触疲劳寿命系数为ZN1=1.08，ZN2=1.19 （9）取安全系数为SH=1

??H?1=??H?2=

?Hlim1.ZN1?Hlim2.ZN2SH=1242MPa =1332.8MPa

SH确定传动尺寸

（1）初算小齿轮分度圆直径d1t，代入??H?中较小的值

42?1.4?5.04?105?1?188.9?2.5?d1t?3????=29.04mm

15?1242?2

（2）按K值对d1t进行修正 由圆周速度 v?

?dn60?1000???29.04?1500=2.28m/s

60?1000- 16 -

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查表取动载荷系数为Kv=1.075 查表取齿间载荷分布系数为K?=1.2 查表取齿向载荷分布系数为K?=1.07 查表取使用系数为KA=1.00

所以载荷系数K=KA?Kv?K??K?=1.38 按K值对d1t进行修正

1.38k=29.04?3=28.9mm

1.4kt（4）确定模数m以及主要尺寸 d1=d1t?3m=d1/Z1=1.2mm为了防止轮齿太小引起的意外折断，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。

中心距a=m(Z1?Z2)/2=3??24?120?/2=216mm 分度圆直径d1=m?Z1=72mm，d2=m?Z2=360mm

齿宽b=?d.d1=72mm，取小齿轮齿宽b1=80mm，大齿轮齿宽b2=75mm

???c??.m=3.75mm 齿顶高ha1=ha2=ha?m=3mm，齿根高hf1=hf2=?ha3、按齿根弯曲疲劳强度校核

K.Ft.YF.YS???F? bm确定各个参数数值

?F?（1）查表取弯曲疲劳寿命系数YN1=0.95，YN2=0.98 （2）查表取齿形系数和应力校正系数

YF1=2.65，YS1=1.58 YF2=2.16，YS2=1.81

（3）查表取弯曲疲劳极限?Flim1=710MPa，?Flim2=710MPa （4）取弯曲疲劳系数SF =1.25 可得??F?1=(?Flim1.YN1)/SF=539.6MPa

??F?2=(?Flim2.YN2)/SF=556.64MPa

（5）验算齿根弯曲疲劳强度

?F1=K?Ft?YF1?YS1/?bm?=2K?T1?YF1?YS1/?bmd1?=58.48MPa???F1?

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?F2=?F1?YF2?YS2/?YF1?YS1?=54.61MPa???F2?

弯曲疲劳强度足够了。

第五章 关键零部件的校核

5.1 腕部中心轴的结构设计与校核

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图 5.1 腕部中心轴

5.1.1 确定腕部中心轴的材料以及各段直径和长度 腕部中心轴的材料为40Cr，调制处理。

由于密封箱的壁厚为45mm，孔径为150mm，因为外部还要装端盖，这段轴颈上还要装配轴承，所以ab段的长度为20mm，直径为85mm,装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。固定轴承的轴肩高度为3.5mm。

bc段为过渡段，长度为35mm，直径92mm，固定齿轮的轴肩高度为6.5mm。 由于大齿轮的齿宽为65mm，轴头的长度应该小于轮毂的长度，所以de段的长度为300mm，直径为90mm。

ef段要安装用于齿轮的轴向固定和轴承的轴向固定的轴套，考虑到另一半的密封箱的壁厚和孔径以及大齿轮轮毂比轴头多出的长度，这段轴颈的长度为60mm，直径为85mm。装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。

fg段为过渡段，长度为45mm，直径为80mm。

gh段与手腕相连，大臂在此处的厚度为39mm，孔径为90mm。因此这段轴的长度为60mm，直径为60mm。胀紧套选用Z2型胀紧套。 5.1.2 腕部中心轴的强度校核 （1）计算齿轮的受力

大齿轮和小齿轮的受力大小相等，方向相反。故在这里只计算小齿轮的受力。 转矩T1=9.55×10611/Pn?=9.55×106×(3/75) ×0.99=378180N×mm 圆周力tF=112/Td=12606N 径向力rF=tantF=4588.2N （2）计算支撑反力

水平面受力图如图5.2(a)所示。

1HF+rF=2HF rF×138.52=2HF×(68.52+138.52) 故1HF=1518.46N，2HF=3069.73N

垂直面受力图如图5.2(b)所示。 1VF+2VF+F=tF 1VF×(138.52+68.52)-tF×68.51-F×97.72=0 故1VF=4312.14N，2VF=7893.04N （3）画轴弯矩图

水平面弯矩图见图5.2(c)HM图。垂直面弯矩图见图5.2(d)VM图。合成弯矩图见

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图5.2(e)图，合成弯矩M=22VHMM。 （4）画转矩图

轴受转矩T= T1，转矩图见图5.2(f)1T图。

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图 5.2 转矩图

（5）按弯扭合成应力进行强度校核

de段的中间截面为危险截面。取a=0.6。

当量转矩T=0.6×378180=226908N×mm22/eMTW=10.37MPa，查表知1b=70MPa，所以e<1b。因此大轴1的强度满足要求，故安全。

5.2 腕部中心轴2的结构设计与校核

5.2.1 腕部中心轴2的结构设计

腕部中心轴2的材料为40Cr，调制处理。

由于密封箱的壁厚为45mm，孔径为150mm，因为外部还要装端盖，这段轴颈上

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还要装配轴承，所以gh段的长度为41mm，直径为85mm,装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。固定轴承的轴肩高度为3.5mm。

fg段为过渡段，长度为80mm，直径92mm，固定齿轮的轴肩高度为

6.5mm。 由于大齿轮的齿宽为75mm，轴头的长度应该小于轮毂的长度，所以de段的长度为60mm，直径为90mm。为了齿轮的周向定位，这段轴上还要开有键槽，来安装平键。根据这段轴的直径和长度，键槽的宽度为25mm，长度为50mm，键槽的键槽深为7mm。

cd段要安装用于齿轮的轴向固定和轴承的轴向固定的轴套，考虑到另一半的密封箱的壁厚和孔径以及大齿轮的轮毂比轴头多出的长度，这段轴颈的长度为45mm，直径为85mm。装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。

bc段为过渡段，长度为40.6mm，直径为80mm。

ab段与铰链四杆机构的底杆相连，并且穿过大臂末端的通孔，大臂在此处的厚度为39mm，孔径为95mm，底杆的厚度为40mm，孔径为90mm，这段轴与底杆的连接方式是胀紧联结，通过胀紧套使大轴2与底杆连接在一起。根据以上条件这段轴的长度为104.4mm，直径为60mm。胀紧套选用Z2型胀紧套。 5.2.2 腕部中心轴2的强度校核

腕部中心轴是带动手腕实现俯仰运动的轴，腕部中心轴2是带动手腕旋转运动的轴。从第三章可知腕部中心轴受到的转矩是378180N×mm，而且同时承受大臂和小臂的总重量。腕部中心轴2受到的转矩是50400N×mm，但是只承受底杆的重量。两根轴的主体机构和材料以及热处理方式一样，腕部中心轴2的受力比腕部中心轴的受力小得多，当腕部中心轴满足强度条件时，腕部中心轴2必然满足强度条件。

5.3 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核

图 5.3 手腕齿轮连接轴

5.3.1手腕齿轮连接轴的结构设计

（1）确定手腕齿轮连接轴的材料以及各段直径和长度

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该轴的材料为40Cr，调制处理。

ab段的主要用处是与电机相连，电机输出端的轴径是24mm，再根据凸缘轴器的宽度，ab段的长度为35mm，直径为24mm。这一段由于和联轴器连接，所以开有键槽，具体尺寸和电机输出端的一样。

bc段是过渡段，长度为40mm，直径为28mm。

由于密封箱的壁厚为45mm，孔径为62mm，因为外部还要装端盖，这段轴颈上还要装配轴承，所以cd段的长度为25mm，直径为30mm，装配的轴承为角接触球轴承，型号是7206C。固定轴承的轴肩高度为4mm。

由于小齿轮的齿宽为70mm，轴头的长度应该小于轮毂的长度，为了齿轮的周向定位，这段轴上还要开有键槽，来安装平键。根据这段轴的直径和长度，键槽的宽度为12mm。长度为56mm，键槽的键槽深为5mm。 5.3.2 手腕齿轮连接轴的强度校核

（1）计算齿轮的受力

6×转矩T1=9.55×106?P1/n1??=9.55×10×(3/75) ×0.99=378180Nmm

圆周力Ft=2T1/d1=12606N 径向力Fr=Ft?tan?=4588.2N （2）计算支撑反力

水平面受力图如图5.5(a)所示。

FH1+Fr=FH2

Fr×153=FH2×(67+153)

故FH1=-1397.32N，FH2=3190.88N 垂直面受力图如图4.5(b)所示。

FV1+FV2=Ft

FV1×(67+153)=Ft×67

故FV1=3839.10N，FV2=8766.90N （3）画轴弯矩图

水平面弯矩图见图5.2(c)MH图。垂直面弯矩图见图5.2(d)MV图。合成弯矩图

22?MH见图4.5(e)图，合成弯矩M=MV。

（4）画轴转矩图

轴受转矩T= T1，转矩图见图5.2(f)T1图。

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（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

（f）

图5.4 手腕齿轮连接轴的受力分析

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（5）按弯扭合成应力进行强度校核 fg段的中间截面为危险截面。取?=0.6。

×mm 当量转矩?T=0.6×378180=226908 N

?e?M2???T?/W=60.28MPa，查表知???1b?=70MPa，所以?e

2轴1的强度满足要求，故安全。

5.4 手腕齿轮连接轴2的结构设计与校核

手腕齿轮连接轴2的结构与手腕齿轮连接轴一样，但驱动元件的输出转矩较小。上面校核的手腕齿轮连接轴的强度满足要求，故手腕齿轮连接轴2的强度必然满足要求。

5.5 驱动臂座与腰部主轴连接螺钉的校核

腰部回转所需转矩T=421.63N·m。

选取的螺钉材料为Q235，直径为12mm，固定用的螺栓数目为6。 取可靠系数C=1.1，结合面摩擦系数f=0.16，ri=65mm。

预紧力F0≥CT/(f·∑ri)=421.63×103×1.1/(0.16×6×65)=7432.58N 查表取材料屈服极限S=240MPa 查表取安全系数S=1.5 故需用应力=S/S=160MPa

由此螺钉的直径d≥1.3F0/()4dF=8.77mm 所以预选取的螺钉满足强度要求。

5.6 部分三维图

图5.5 腕部中心轴

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图5.6 腕部中心轴2

图 5.7 手腕齿轮连接轴

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图5.8 手腕齿轮连接轴2

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第六章 总结

本设计对自动装配线末端工件的搬运问题，设计了一个六自由度搬运工业机器人，在设计过程中，搜集资料、向导师请教、与同学讨论，为完成设计奠定了基础。

所完成的任务有：

（1）根据设计要求完成了六自由度工业机器人的总体设计和结构设计。首先，确定了总体的设计方案，选择了合适的传动方式、驱动方式，设计了机器人的腰部、大臂、小臂和腕部的具体结构，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，有回转关节，也有摆动关节，在关节处安装减速器和电动机。使用了齿轮传动机构和直流力矩电机来实现各个自由度，从而实现空间任意位置的运动。

（2）用SolidWorks绘制出机器人的部分零件，更为直观的了解机器人结构，方便了设计计算。

由于本人能力和时间有限，没有做更深入的研究，可以从以下几方面进一步开展工作：

（1）进一步优化结构设计，将电动机与减速器合二为一，采用减速电机，简化结构，减轻机器人重量；

（2）可以做运动仿真，运用Matlab软件和Adams软件对机器人系统进行运动学仿真；

（3）用Ansys软件进行有限元分析。

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参 考 文 献

[1] 张铁，谢存禧.机器人学[M].广州：华南理工大学出版社,2005 [2] 肖银玲.机械制图 [M].北京:高等教育出版社,2007 [3] 潘存云.机械原理 [M].长沙:中南大学出版社,2012. [4] 乔兰东.机械手-理论与应用[M].中国铁道出版社,1985

[5] 郭宇光. 机器人发展的历史·现状·趋势[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1989 [6] 李月景. 工业机械手设计基础[M].天津：天津人民出版社,1980

[7]（日）藤森洋三. 机构设计实例构思图册[M].北京：机械工业出版社,1985 [8] 高志，黄纯颖.机械创新设计 [M].北京：高等教育出版社,2010 [9] 王三民.机械设计计算手册[J].北京：化学工业出版社，2012 [10] 高为国. 机械工程材料[M].长沙:中南大学出版社,2012

[11]熊腊森,彭振国,陈一坚,曹东杰．IR761/125型点焊机器人在平头驾驶室总装生产线上的应用

[J]．电焊机，1998，（5）:11—13,36.

[12]杨宜明,章云,林汉荣,柯燕娇．MR—2型微机器人的研究[J]．高技术通讯，1995，（4） ：13-14.

[13]汤祥州,谢存禧,于江．SMA微型机器人的结构设计与分析[J]．机械科学与技术, 1997, 16(6):992-996.

[14]徐锦康,群涛,刘启芬．XZ—I型弧焊机器人[J]．机械工业自动化,1994, 16(3):24-27. [15] 关慧贞，冯辛安.机械制造装备设计 [M].北京:机械工业出版社,2014

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致 谢

在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写整个过程中，得到了胡小平老师的耐心指导，使得本设计得以顺利完成，其中无不饱含着老师的汗水和心血。胡老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。他在本设计的构思、框架和理论运用等方面，给予了我们深入的指导和帮助，使得设计得以顺利完成。在此谨向尊敬的胡老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。

这次毕业设计，使我们的理论知识与实际相结合，巩固和深化了我们的专业理论知识。在设计的过程中我不断探索、不断学习，并自学了许多相关的内容，请教了专业老师，在图书馆以及网络查阅了大量的相关资料，丰富了我的专业知识。

通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。再一方面也加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。这次毕业设计，大大的提高了我们的自主学习和认真思考的能力，增强了我们对学术态度严谨性的认识。我相信在以后的学习和工作过程中，我们一定会牢记老师的教诲，努力提升自己的能力，以适应工作和社会激烈的竞争。

再次感谢所有支持和帮助过我的老师、同学们。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ec07.html