六自由度机器人机械结构设计及路径规划毕业设计论文

毕业设计论文

6自由度机器人机械结构设计及路径规划

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

评阅教师评阅书

河南科技大学毕业设计（论文）

教研室（或答辩小组）及教学系意见

V

河南科技大学毕业设计（论文）

摘要

近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。

典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合任务书的要求，设计了一种小型的实现移动的六自由度串联机器人。

首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D- H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解。

机器人广泛应用于工业、农业、医疗及家庭生活中，工业机器人主要应用领域有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。总之，工业机器人的多领域广泛应用，其发展前景广阔。

关键词：机器人关节，运动学分析，工业机器人，自由度

V

河南科技大学毕业设计（论文）CONSTRUCTION DESIGN、KINEMATICS ANALYSIS OF SIX DEGREE OF FREEDOM ROBOT

ABSTRACT

In the past twenty years, the robot technology has been developed greatly and used in many different fields. There is a large gap between our country and the developed countries in research and application of the robot technology so that there will be a great value to study , design and applied different kinds of robots, especially industrial robots.

Most typical industrial robots such as welding robot, painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near the machining equipment when they are working. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project, the author have designed a kind of small-size serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construct a mobile robot.

First of all, several kinds of schemes were proposed according to the design demand. The best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. At same time, The kinematics analysis was conducted, coordinate transformation matrix using D - H method was set up, and the kinematics equation direct solution and inverse solution was deduced, robots are widely used in industry, agriculture, medical and family life, the main application areas of industrial robot are complex operations includes welding, spot welding, assembly, handling, painting, inspection, palletizing, grinding polishing and Laser processing etc. In one word, the development prospects of widely used in many fields of industrial robots are broad.

KEY WORDS：Robot joints，Kinematics Analysis，Industrial robot，Degree of freedom.

I

河南科技大学毕业设计（论文）

目录

前言 (1)

第1章工业机器人介绍 (2)

§1.1工业机器人概述. (2)

§1.2 工业机器人的驱动方式 (3)

§1.3 工业机器人的分类. (3)

第2章工业机器人结构方案确定 (4)

§2.1机器人自由度分配和手臂手腕构形 (4)

§2.2传动系统布置 (5)

§2.3方案描述 (6)

第3章机械设计部分 (8)

§3.1底座旋转台设计. (8)

§3.1.1 电机选择................................ 错误！未定义书签。

§3.1.2蜗轮蜗杆设计 (13)

§3.1.3底座旋转轴设计 (15)

§3.2主要零部件的校核 (18)

§3.3对驱动臂进行简单的有限元分析 (20)

第4章机器人运动学分析 (26)

§4.1求运动学正解 (26)

§4.2求运动学逆解 (35)

结论 (41)

参考文献 (42)

致谢 (43)

X

前言

毕业设计是实现培养目标的重要教学环节，是培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神的重要过程。毕业设计在培养大学生探求真理、强化社会意识、进行科学研究基本训练、提高综合实践能力与素质等方面，具有不可替代的作用，也是教育与生产劳动和社会实践相结合的重要体现。

毕业设计的目的是使学生进一步巩固和加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。培养学生的独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养学生开发创造能力和独立获取新知识的能力。

本次设计完成的主要内容是六自由度工业机器人结构设计，以及初步运动学分析。在设计过程中，我初步参考了网上一些优秀的机器人结构设计理念，后经过老师提供现实产品三维模型的结构参考，完善了本次设计的结构设计。

此外，本次毕业设计主要由inventor三维造型完成，它被广泛应用于机械制造行业，通过inventor设计的机器人，可以对其进行应力分析和运动仿真。并使用MATLAB软件求出机器人的正逆解。

第1章工业机器人概况介绍

§1.1工业机器人概述

工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，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。国际标准化组织(ISO)在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务”。

§1.2工业机器人驱动方式

§1.2.1气动式工业机器人【17】

这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。

§1.2.2 液压式工业机器人

液压压力比气压压力高得多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。

§1.2.3电动式工业机器人

这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。

§1.3工业机器人的分类

工业机器人按操作机坐标形式分以下几类（坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式）：

（1）直角坐标型工业机器人[6]

其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即PPP）组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。

（2）圆柱坐标型工业机器人

其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空

间图形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其它工业机器人协调工作。

（3）球坐标型工业机器人

又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即RRP,一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或较低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。

（4）多关节型工业机器人

又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR）。

（5）平面关节型工业机器人

它采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR），移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)装配机器人。

第2章工业机器人结构方案确定

§2.1机器人自由度的分配和手臂手腕的构形

手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2-1，本设计要求机器人手臂能达到工作空

图2-1手臂的常用构形

间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有六个自由度，其中手臂三个自由度。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。这里使用了六个旋转关节，综合各种手臂和手腕构形，最后确定其结构形式如图2-2

图2-2机器人结构形式

§2.2传动系统的布置

总体结构方案确定后，作出机器人结构草图。在传动系统的布置方面，尝试了多种不同的方案。主要有以下几种，见图2- 3。方案1(图2- 3a)传动链最短，诱导运动少。但手腕结构尺寸大，重量大，腰部结构复杂。方案3(图2- 3c)、方案4(图2- 3d)腰部结构简单，便于应用重力进行力矩平衡，但大、小臂结构复杂，传动链长，诱导运动多，方案2(图2- 3b) 传动链短，手腕重量轻，结构紧凑。综合考虑，最后确定方案 2 为较优方案，根据该方案进

行机械结构设计。

图2-3 传动系统方案图

§2.3方案描述

该机器人固定在自动引导车（AGV）上。这种AGV 可以实现水平方向两个自由度的运动，导航方式有多种，如磁导航、激光导航、程序自动轨迹控制等

方式，因此，该机器人有运动自由灵活的特点。

机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。

机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电。电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。确定这种机器人的 6 个关节都采用步进电机驱动，开环控制。

由于大臂俯仰和小臂俯仰运动的力矩很大，分别为150Nm 和27Nm左右，如果使用电机直接驱动的话，要求电机的输出扭矩很大，因此考虑在大臂关节和小臂关节处使用减速器。常用的减速器有行星减速器和谐波减速器等。谐波减速器具有传动比大、承载能力强、传动平稳、体积小、重量轻的优点，已广泛应用在现代机器人中。因此在大臂和小臂关节处使用了谐波减速器，减速比分别为1:100 和1:50 ，使用的步进电机输出扭矩分别为3.7Nm 和1.0 N m 。在现代机器人结构中广泛使用着各种机器人轴承，常用的有环形轴承和交叉滚子轴承。这几种机器人专用轴承具有结构简单紧凑，精度高、刚度大，承载能力强（可承受径向力、轴向力、倾覆力矩）和安装方便等优点。但考虑到这些轴承价格昂贵，而使用普通的球轴承或滚子轴承也能满足结构的需要，所以在该机器人的结构中仍然全部采用球轴承。参考同类机器人的运动参数，结合工作情况的需要，定出该型机器人的运动参数如下：

结构形式：垂直关节

自由度：6

负载;6kg

腕部摆动角度：120°大臂摆动角度：160°

大臂摆动角度：160°腕部转动角度：360°

腰部转动角度：360°小臂回转角度：360°

第三章机械设计部分

§3.1底座旋转台设计

§3.1.1、电机选择

机器人手臂手腕由底座旋转台驱动绕其转轴旋转，最大转动幅度错误！未找到引用源。，最大转速错误！未找到引用源。（错误！未找到引用源。）。

假设转动重心距离转轴最大距离错误！未找到引用源。,转动有效重量错误！未找到引用源。。

错误！

未找到引用源。

错误！未找到引用源。

传动电机经过两对圆锥滚子轴承、一个联轴器传递驱动手腕3转动，电机转矩为错误！未找到引用源。

此处错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，

错误！未找到引用源。

底座回转驱动电机选择，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于错误！未找到引用源。倍计算所需的转矩错误！未找到引用源。，即

根据错误！未找到引用源。选取110BYGH混合式步进电机系列

110BYGH150-001

§3.1.2蜗轮蜗杆设计[11]

1、蜗轮负载转矩错误！未找到引用源。，根据GB/T10085-1988推荐，采取渐开线蜗杆（ZI）。

2、考虑到蜗杆传动功率不大，速度不高，故蜗杆选用45钢；希望传动效率

高，耐磨性好，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度45-55HRC。蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。

3、按齿面接触强度设计

按照闭式蜗杆传动设计准则，传动中心距

(1)、确定传动参数，

(2)按照错误！未找到引用源。，则

假设工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数错误！未找到引用源。，由表11-5选取使用系数错误！未找到引用源。，由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数错误！未找到引用源。

由选用的材料铸锡青铜和钢配合，故错误！未找到引用源。

假设蜗杆分度圆直径和中心距之比错误！未找到引用源。，查图11-18取错误！未找到引用源。。

根据铸锡青铜ZCuSn10P10，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度错误！未找到引用源。，从表11-7中查得涡轮基本许用应力错误！未找到引用源。

应力循环次数

错误！未找到引用源。,

寿命系数错误！未找到引用源。

(3-6)

4、计算中心距

(3-7)

选取中心距错误！未找到引用源。，因错误！未找到引用源。，故从表11-2中取模数错误！未找到引用源。，直径系数错误！未找到引用源。，分度圆直径错误！未找到引用源。，分度圆导程角错误！未找到引用源。，蜗轮齿数错误！未找到引用源。，变位系数错误！未找到引用源。

此时错误！未找到引用源。，查图11-18得接触系数错误！未找到引用源。，因为错误！未找到引用源。因此计算结果可用。

5、主要参数及尺寸

蜗轮分度圆直径错误！未找到引用源。

蜗轮喉圆直径错误！未找到引用源。

蜗轮外圆直径错误！未找到引用源。取错误！未找到引用源。

蜗轮齿根圆直径

蜗轮咽喉母圆半径错误！未找到引用源。

蜗杆分度圆直径错误！未找到引用源。

蜗杆齿顶圆直径错误！未找到引用源。

蜗杆齿根圆直径错误！未找到引用源。

蜗轮齿宽错误！未找到引用源。，取错误！未找到引用源。

蜗杆齿宽错误！未找到引用源。

蜗杆节圆直径错误！未找到引用源。

蜗轮节圆直径错误！未找到引用源。

5、齿根弯曲疲劳强度校核

(3-8)

当量齿数错误！未找到引用源。

据错误！未找到引用源。查图11-19取错误！未找到引用源。

螺旋角系数错误！未找到引用源。

许用弯曲应力错误！未找到引用源。

查表11-8由ZCuSn10P1制造蜗轮基本许用弯曲应力为错误！未找到引用源。

寿命系数错误！未找到引用源。

故错误！未找到引用源。

满足要求。

6、验算效率错误！未找到引用源。

已知错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。与相对滑动速度错误！未找到引用源。有关

由错误！未找到引用源。查表11-18取错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i7mq.html