服务机器人轻量化手臂的优化设计

服务机器人轻量化手臂的优化设计

李桂琴王燕徐新虎金国军李明何斌

上海大学上海市机械工程与机器人重点实验室上海200072

摘要：针对服务机器人手臂轻量化要求，设计一种新型的5自由度服务机器人手臂，并用CAD／CAE软件完成从建模到分析的全过程。结合实际使用要求，设计采用了5自由度的关节型机器人结构方案；根据选用的电机和减速器进行UG参数化建模；并在此基础上，运用HyperWorks分析了该机器人手臂关节连接件的强度和刚度，并得到了拓扑优化方案。在方案设计阶段对设计进行分析和验证，得到很好效果，并做出实验样机。

关键词：轻量化，有限元分析，拓扑优化，HyperWorks

1 引言

机器人是机械、传感器、计算机、通信和自动控制等多项技术集成的机电一体化产品。目前，世界各国在机器人研究方面有一个共同的趋势：那就是把机器人产业由工业机器人向服务机器人推进，力争使机器人更多地融入家庭和人们的生活。

在服务型机器人领域，轻量化设计扮演了一个非常重要的角色。这些机器人系统通常工作在人类的生活环境中，比如厨房和病房等。与传统的工业机器人被限定在一个工作空间里相比，它需要与人协同来完成工作，因此轻量化设计在多个方面便体现出其优势。例如，轻型的手臂发生碰撞时比质量大的手臂会造成较小的危害。另外，轻量化的另一结果就是能够提高能量效率，减少机器人执行任务时能量的消耗。对于依靠自身有限能源来维持日常工作的服务机器人而言，能量效率的问题对其显得尤为重要。

一般而言，设计这类轻量化手臂需要用机电一体化的思想，并使其具有质量轻、载重比大、体积小、控制灵活、通用性好的特点。轻量化结构手臂样机需要具有自身动作功能，并具有与机器人本体集成后完成相应功能的能力。

目前一般机器人手臂采用常规的与工业机器人相似的结构形式，但从机器人的功能要求及其扩展需求来看，如何对其结构进行优化，实现轻量化是一个重要的研究课题，这里主要进行手臂结构的轻量化技术研究，采用5个手臂自由度，手部抓重2KG。

2 自由度轻量化手臂研究

设计的机械手臂采用模块化的轻型旋转关节，使服务机器人手臂动作灵活、运动惯性小，能安全、平稳、高效地执行服务动作。总体布局与示意如图1所示：

图1 轻型机器人手臂

轻型机器人手臂由底座（1）、关节（2）、连接板（3）、关节（4）、连接板（5）、关节（6）、连接板（7）、关节（8）、连接板(9)、关节(10)串联连接而成。轻量化、模块化关节（2、4、6、8、10）的应用使轻型手臂具有结构简单紧凑美观、安全性好、布线方便等特性，能灵活、平稳、高效地执行服务动作。

轻型关节驱动单元

图2轻型关节驱动单元的连接板、箱体示意

轻型旋转关节（图2）包括减速器（11）、法兰（12）、电机（13）、箱体（14）和编码器（15）等几个部分。减速机构与法兰连接，减速机构与电机串联连接，箱体与法兰连接，并将电机封装在箱体内部，箱体外端与编码器连接，构成一个半封闭整体，具有模块化程度高，性能安全稳定等特点。另外独特的箱体设计，保证了关节布线方便，拆装容易，安全性高。

法兰主要依据减速器的参数进行设计。通过选用硬铝作为法兰的制造材料，保证了法兰

的轻量化及高轻度特性。箱体主要依据电机的半径及长度等参数进行设计。其特征在于：①选用了硬铝作为箱体（14）的制造材料，满足了箱体的轻量化及安全性要求；②在箱体上设计了大通孔（16）和小通孔（17），保证关节布线方便的同时也减轻了箱体重量；③箱体与电机之间仅留有2mm的间隙，既保证了关节结构紧凑、同时实现了箱体内部空间最大化利用。

编码器连接在箱体的外端，这种设计与传统的编码器直接与电机相连方式相比，大大减小箱体所需长度及半径，从而减轻了关节重量，减小了整个关节的惯性矩，使关节的运动更平稳。选用的电机外观成盘状，同时通过相应传动机构的设计和选用，可以在满足设计条件的情况下有效地减小关节的长度。电机伸出端直径（4mm）较小，而且与减速器的连接孔直径不匹配，无法采用一般键连接的方式。故在结构上选择了径向4个均布的加紧定螺钉的联结固定方式。

各关节加上壳体后为圆柱形并且关节与关节交错相连串联成5自由度机器人，为了减小联结的空间，采用了L型板材连接。既达到了美观简单连接的目的，又在结构上减轻了整个机械臂的重量。

3 手臂机械结构关键零件分析

为了确保轻量化和手臂强度刚性要求，对手臂中的关键零件——连接板进行了结构的校核与优化。

3.1工具的选择

在三维CAD实体模型的基础上，这里采用Altair HyperMesh CAE软件为分析工具。Altair HyperMesh作为杰出的有限元分析前后处理平台，拥有全面的CAD和CAE求解器接口、强大的几何清理功能和网格划分功能。

3.2手臂连接部件的受力分析过程

用Hypermesh进行分析的过程通常需要经过以下几个步骤来完成。

（1）建立有限元模型：采用高效的有限元前处理器HyperMesh 建立各种复杂模型的有限元模型。首先，将在UG中生成的三维模型导入至HyperMesh中，对其划分3D网格后即可建立起有限元模型，如图3所示。

图3 在HyperMesh中建立的有限元模型

（2）在模型上施加约束和载荷：在HyperMesh 中完成对有限元模型的约束和载荷的施加。

约束的施加：如图4所示，在连接部件中一个连接电机的面板上添加约束，将该面板上与电机相配合的螺纹孔所在的圆周完全约束。

载荷的施加：在另一面板与电机相配合的螺纹孔所在的圆周沿z方向添加载荷。将图3中所示的一块面板固定后实际上另一块面板承受的为后面的物体对其施加的转矩，根据对手臂负载及转矩的大致计算，并转化为图4中水平面板的承受的载荷力，可将载荷设为70N。

图4 将约束和载荷添加到有限元模型

（3）运行分析程序，显示结果。计算机完成分析后，运用HyperMesh 提供的后处理工具HyperView可以直接查看云图。

图5 CAE分析的应力应变结果图

4 关键连接部件有限元拓扑优化

为了验证连接装置的刚度及是否需要布置筋板，对结构作了有限元拓扑优化分析及刚度分析，为了进行对比，对整体式连接方案进行分析对比(见图6)，可以看到虽然强度满足要求，但是第3、4关节间的最大变形已经达到0.02237mm，那么第1、2关节处会更大，累积变形超出要求。而且这个结构为了加强结构采用的侧筋板阻挡了多个电机螺钉孔的连接位置，会很大地影响装配的连接强度。

图6 原始方案强度与刚度分析结果图

另一种简单联接的整体式结构分析结果如图7所示，不同方向变形分别达到0.000182mm和0.000786mm，也不能满足设计要求。

图7 不同方向极限载荷时第3、4关节间连接板刚度分析图

为了得到满足刚度与强度的方案，采用有限元分析方法确定各关节间连接板的最小化厚度，并采用拓扑优化方法得到轻量化拓扑结构及走线方式可采用的孔位置尺寸等（图8）。根据计算分析结果，考虑加工工艺成本等，选取最后设计方案。

(a)整体式连接拓扑优化(b)分离式连接结构 (c)分离式连接拓扑优化

图8 连接部件拓扑优化结果

最后得到服务机器人手臂模型及实物样机，图9为轻量化结构手臂总成的CAD模型，图10 为轻量化结构手臂总成实物样机。

图9轻量化结构手臂总成CAD模型

图10 轻量化结构手臂总成实物

5 总结

设计了一种新型的5自由度服务机器人手臂。所作的工作包括：综合分析几种服务机器人手臂的关节连接方案，实现小型轻量化手臂模块的搭建；运用HyperWorks分析了此5自由度服务机器人手臂模型的强度和刚度；并对手臂各关节连接板进行拓扑优化，得到优化结构模型方案，为机械手的研究奠定基础。

6 参考文献

[1] 侯绪奎,地面移动机器人轻型机械臂，哈尔滨工业大学.硕士论文, 2007年7月.

[2] G.Hirzinger,A. Albu-Schaffer,M.Hahnle,et al.On a new generation of torque controlled

light-weight robots.Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation,Seoul,2001,4:3356-3363.

[3] G.Hirzinger, A.Albu-Schaffer, M.Hahnle, et al. Space Robotics-Driver for a new

mechatronic generation of light-weight arms and multifingerd hands. Proceedings of the IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics ，

Proceedings,Como,2001,7:1160-1168

[4] B.Rebele,B.Schaefer,A.Albu-Schaeffer,W.Bertleff. Robotic joints and contact dynamics

experiments lessons learned from ROKVISS. Proceedings of the 8th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics and Automation'ASTRA 2006'ESTEC,Noordwijk,2006:1-8

[5] https://www.sodocs.net/doc/8a14796633.html,ndzettel,C.Preusche,A.Albu-Schaeffer.Robotic On-Orbit Servicing-DLR's

Experience and Perspective.Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Mechatronics and Automation,Beijing,2006:4587-4594.

[6] 张帅. 服务型机器人设计与前瞻性研究[D],浙江,浙江大学硕士学位论文, 2008

[7] 陆蔚华. 商业服务机器人产品设计研究[D],浙江, 南京航空航天大学, 2007

[8] Albu-Sch?ffer, A., Haddadin, S., Ott, C., Stemmer, A., Wimb?ck, T., Hirzinger, G.The

DLR lightweight robot: design and control concepts for robots in human environments[J].Industrial Robot: An International Journal 34(5) (2007)

[9] 杨春杰,胡海波.新型多关节式机械手臂的机构设计[J].黄石高等专科学校学报, 2001,17-1

[10] 高微,杨中平,赵荣飞等.机械手臂结构优化设计[J].机械设计与制造,2006,1-13

[11] 王光建,梁锡昌,蒋建东.机器人关节的发展现状与趋势[J].机械传动,28-4

[12] 刘加亮. 基于UG的涂胶机器人结构设计与仿真[D],燕山大学硕士学位论文, 2006

[13] Albert Albers, Jens Ottnad, and Christian Sander1New Concept for Wrist Design of

the Humanoid Robot ARMAR

类人机器人手臂控制系统设计

第4期(总第131期) 2005年8月机械工程与自动化 M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G &　AU TOM A T I ON N o 14 A ug 1 文章编号:167226413(2005)0420058204 类人机器人手臂控制系统设计 陈志喜,魏世民,廖启征 (北京邮电大学自动化学院,北京　100876) 摘要:介绍了专用电机控制芯片TM S 320L F 2407在类人机器人手臂控制系统中的应用,实现了对多个电机的控制,最后给出了控制系统硬件设计方案及控制系统控制策略与软件规划。关键词:机器人手臂;控制系统;TM S 320L F 2407芯片;伺服电机中图分类号:T P 24112 文献标识码:A 收稿日期:2005203201 作者简介:陈志喜(19772),男,江西萍乡人,在读硕士研究生,研究方向:机器人仿真及计算机控制。 0　引言 研制具有人类外观特征,可以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人一直是人类机器人研究的梦想之一。类人型机器人研究是一门综合性很强的学科,代表着一个国家的高科技发展水平。 近年来,各国的众多研究机构都大力投入拟人机器人的研究,使类人机器人技术发展迅速,类人机器人不仅需要双足能直立行走,而且还需要具备完成与人类相似的复杂的上肢动作的能力,机器人手臂是类人机器人的一个关键部位,要实现机器人手臂运动的灵活性和功能性,这就需要设计多自由度的机器人手臂及其控制系统。 本文介绍的控制系统是基于TM S 320L F 2407的基础上实现的,TM S 320L F 2407具有低成本、低功耗、高性能的处理能力,而且电机的数字化控制应用非常方便。将尺寸小、重量轻、速度快、性能高、功耗低、能进行多电机控制的TM S 320L F 2407运动控制芯片应用于控制系统不失为一种良好的控制策略。1　拟人机器人手臂机构的介绍 人类的手臂由肩关节、上臂、肘关节、下臂、腕关节和手等各部分组成,同样,类人机器人手臂也是由这几部分组成。 我们初步规划的机器人所需要完成的功能动作分为抬举、伸展、敬礼、握手、鼓掌及一些简单的舞蹈动作。基于最简单设计原则,在保证机器人手臂能完成所规划的动作的前提下,手臂的关节数量尽量减少到最少程度,我们所设计的整个机器人手臂都由旋转 关节连接而成,每个旋转关节有1个自由度,故整个手臂一共有6个自由度。图1为机器人手臂机构示意图,图中肩关节3个自由度,肘关节1个自由度,腕关节2个自由度,这样两条手臂共12个自由度。手臂的上臂长240mm ,下臂长240mm ,手长170mm 。 图1　机器人手臂机构示意图 2　机器人手臂控制系统硬件设计2.1　TM S 320L F 2407芯片概述 TM S 320L F 240x 系列是TM S 320C 2000家族中 最新的、功能强大的D SP 芯片,其中L F 2407是最具有革命性的产品,是当今世界上集成度较高、性能较强的运动控制芯片,特别适于电动机的高性能控制。它与现存24xD SP 控制器芯片代码兼容的同时,240x 芯片具有处理性能更好(30M IPS )、外设集成度更高、程序存储器更大、A D 转换速度更快等优点,是电机数

物料搬运机器人手的系统设计

天津大学 毕业设计 中文题目：物料搬运机器人手部系统的设计 英文题目：Material handling system design robot Hand department 学生姓名 系别机电 专业班级 2 指导教 成绩评定 2010年6月

目录 1 引言 (1) 1.1 机器人概述 (1) 1.2 机器人的研究历史及现状 (1) 1.3 机器人的发展趋势 (2) 2 手部的设计与计算 (3) 2.1 手部的设计 (3) 2.2 驱动方式 (3) 2.3 手部夹紧力的计算 (5) 2.4 弹簧的计算[6] (5) 2.5 手部电机选择原则【7】........................... 错误！未定义书签。 2.5.1 一般执行电机的选择原则...................... 错误！未定义书签。 2.5.2 电机的选用.................................. 错误！未定义书签。 2.6 手部电机参数计算.............................. 错误！未定义书签。 2.7 电机转速与夹紧力速度几何关系的确定............ 错误！未定义书签。 3 手臂的设计与计算............................... 错误！未定义书签。 3.1 手臂结构设计.................................. 错误！未定义书签。 3.2 手部质量计算.................................. 错误！未定义书签。 3.2.1 爪子的质量计算.............................. 错误！未定义书签。 3.2.2 手部外壳质量计算............................ 错误！未定义书签。 3.2.3 手部主轴的质量计算.......................... 错误！未定义书签。 3.2.4 其它部件的质量估算.......................... 错误！未定义书签。 3.3 手臂计算及电机选择............................ 错误！未定义书签。 4 结论.......................................... 错误！未定义书签。【参考文献】................................... 错误！未定义书签。致谢............................................ 错误！未定义书签。附录1：英文文献 .................................. 错误！未定义书签。附录2：英文文献翻译 .............................. 错误！未定义书签。

机器人手臂控制系统研究与实现

机器人手臂控制系统研究与实现 发表时间：2016-11-25T14:41:26.370Z 来源：《低碳地产》2016年10月第20期作者：赖伟贤 [导读] 机器人手臂是机器人设计的一个重要部分，其控制系统则是整个机器人的核心部分之一，对机器人的平稳运行起着至关重要的作用。本文介绍了机器人手臂的结构、硬件系统，提出采用PLC控制，并对控制系统及程序算法进行了设计研究，最终实现了基于PLC的机器人手臂的位置控制。 肇庆市技师学院广东肇庆 526060 【摘要】机器人手臂是机器人设计的一个重要部分，其控制系统则是整个机器人的核心部分之一，对机器人的平稳运行起着至关重要的作用。本文介绍了机器人手臂的结构、硬件系统，提出采用PLC控制，并对控制系统及程序算法进行了设计研究，最终实现了基于PLC的机器人手臂的位置控制。 【关键词】机器；手臂；控制系统；设计；分析 引言 机器人技术综合了多学科的发展成果，代表着一个国家的高科技发展水平，在人类生活应用领域的不断扩大引起了越来越多的关注。近年来，各国的众多研究所都大力投入机器人的研究，使得机器人技术发展迅速。而机器人手臂是机器人的一个重要部位，要实现机器人手臂运动的灵活性和功能性，就需要设计多自由度的机器人手臂控制系统。为此，本文就基于PLC的机器人手臂位置控制算法进行研究，仅供参考。 1 机器人手臂的结构 机器人手臂是工业机器人的微缩模型，它使用了PLC、传感器、位置控制、电机驱动等技术，具有零组件的自动输送、取拿和移送功能，是一个三轴多位置的机械装置。 图1为机器人手臂实物图，它由底座、限位开关、旋转编码器、垂直升降臂、水平伸缩臂、旋转腰部和末端的机械手爪构成。除末端执行器外共有三个自由度。传动装置采用电气传动:升降臂作垂直升降运动，水平臂作水平伸缩运动，腰部作水平旋转运动，机械手爪做松开或夹紧动作。 除此之外，在承载底座的铝板之下还有电气接线面板，包括电源、电气驱动板、信号转接板、保护电平转换板、步进电机驱动器、空气开关等。 机器人手臂各轴的动作范围如下: (1)升降臂:上下运动行程为70mm； (2)水平臂:水平运动行程为100mm； (3)腰部旋转:水平旋转180°。 机械手爪的张、合和腰部旋转的运行由直流电机驱动；机器人手臂的垂直手臂和水平手臂由步进电机控制。本系统应用的是型号为DL-022M-I的步进电机驱动器驱动两相式步进电机。 输入信号板的功能是将设备上旋转编码器和限位开关的信号转换为统一电平的驱动信号，方便设备与控制器之间信号的传递，该信号板使用的是高电平驱动方式；输出信号板的功能是将控制器输出的信号转换为统一电平的驱动信号，也是为方便控制器与被驱动设备之间信号的传递，该信号板使用的也是高电平驱动方式。 2 机器人手臂的硬件系统 2.1 机器人手臂系统控制平台 机器人手臂控制系统采用的ControlLogix系统模块有处理器模块、I/O模块、电源模块、EtherNet及DeviceNet通信模块。

服务机器人定义、分类、特点及趋势系列介绍

服务机器人定义、分类、特点及趋势系列介绍一、关于服务机器人的初步定义 严格来讲，服务机器人（资讯，视频）并没有国际上普遍认同的定义。如何将其与其他类型设备——特别是工业用操纵机器人——划定界限仍然存有争议。不过，国际机器人联合会（IFR）给出了一个初步定义。 服务机器人是指这样一类机器人，通过半自主或完全自主运作，为人类健康或设备良好状态提供有帮助的服务，但不包含工业性操作。 根据这项定义，工业用操纵机器人如果被应用于非制造业，也被认为是服务机器人。服务机器人可能安装，也可能不安装机械手臂，工业机器人也是如此。通常，但并不总是，服务机器人是可移动的。某些情况下，服务机器人包含了一个可移动平台，上面附着一条或数条“手臂”，其操控模式与工业机器人相同。 从2007年起，国际标准化组织（ISO）的一个工作小组便着手修订ISO 8373，最终将会给出关于服务机器人的官方正式定义。

二、服务机器人行业分类 1.护士助手 护士助手”是自主式机器人，它不需要有线制导，也不需要事先作计划，一旦编好程序，它随时可以完成以下各项任务：运送医疗器材和设备，为病人送饭，送病历、报表及信件，运送药品，运送试验样品及试验结果，在医院内部送邮件及包裹。 2.脑外科机器人 该脑外科机器人辅助系统是由北京航空航天大学、清华大学和海军总院共同研制开发的。1997年5月用该机器人为病人实施了首例开颅手术，到2000年11月已为140多位病人实施了这种手术。2000年11月在北京举办“中美医用机器人临床应用学术交流会”。 3.口腔修复机器人 这是一个由计算机和机器人辅助设计、制作全口义齿人工牙列的应用试验系统。该系统利用图像、图形技术来获取生成无牙颌患者的口腔软硬组织计算机模型，利用自行研制的非接触式三维激光扫描测量系统来获取患者无牙颌骨形态的几何参数，采用专家系统软件完成全口义齿人工牙列的计算机辅助统计。另外，发明和制作了单颗塑料人工牙与最终要完成的人工牙列之间的过渡转换装置——可调节排牙器。 4.进入血管机器人 5.智能轮椅 机器人轮椅主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。 6.爬缆索机器人 7.户外清洗机器人 随着城市的现代化，一座座高楼拔地而起。为了美观，也为了得到更好的采光效果，很多写字楼和宾馆都采用了玻璃幕墙，这就带来了玻璃窗的清洗问题。其实不仅是玻璃窗，其它材料的壁面也需要定期清洗。 8.消防机器人 常言道水火无情，这其中道出了水火对人类的威胁及人们对水火的无奈。提起火灾，人们会联想起一起起悲剧。据有关部门统计，仅1995年一年我国就发生火灾38000起，死亡2233人，受伤3770人，直接经济损失10.8亿多元。1997年发生火灾14万余起，死亡2722人，伤4930人，造成财产损失15.4亿元。多么触目惊心的数字啊! 三、服务机器人的现状及其发展趋势

机器人手臂机构设计课题汇总

机器人机械手机构设计 1、搬运机器人手臂机构设计 毕业论文任务书 工作原理及工艺过程： 机械人手臂机构是模仿人的手臂设计的，这种机器人有肩、肘、腕三个关节自由度，有大臂、小臂两根连杆以及一个机械手组成。臂杆部分是开式连杆系，臂杆主要用于对物体的抓取、搬运、放置工作。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手三维建模工作仿真动画

2、堆垛机器人机械手臂机构设计 工作原理及工艺过程： 机械人手臂机构是模仿人的手臂设计的，这种机器人有肩、肘、腕三个关节自由度，有大臂、小臂两根连杆以及一个机械手组成。臂杆部分是开式连杆系，臂杆主要用于对物体的抓取、搬运、放置工作。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手三维建模工作仿真动画 3、喷涂机器人手臂机构设计

工作原理及工艺过程： 喷涂机器人又叫喷漆机器人，是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成。多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手三维建模工作仿真动画 4、装配机器人手臂机构设计 工作原理及工艺过程： 机械手由机座、机械臂、手爪、PLC 可编程控制器及气源等部分组成。可以完成水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的旋转和抓取物料等动作, 准确地把物料送到指定位置。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手工作仿真动画

机器人控制原理_百度文库概要

第二章机器人系统简介 2.1 机器人的运动机构(执行机构 机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体,可以大体 分为操作手(包括臂和手和移动机构两类。对机器人的操作手而言,它应该象人的手臂那样,能把(抓持装工具的手依次伸到预定的操作位置,并保持相应的姿态,完成给定的操作;或者能够以一定速度,沿预定空间曲线移动并保持手的姿态,并在运动过程中完成预定的操作。移动机构应能将机器人移动到任意位置,并保持预定方位姿势。为此,它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本移动功能。在结构上它可以象人、兽、昆虫,具有二足、四足或六足的步行机构, 也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构 2.1.1 机器人的臂结构 机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构,它由连杆和连杆间的关节组 成。关节,又称运动副,是两个构件组成相对运动的联接。在关节的约束下,两连杆间只能有简单的相对运动。机器人中常用的关节主要有两类: (1 滑动关节 (Prismatic joint: 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直 线位移运动,移动的距离是滑动关节的主要变量,滑动轴一般和杆的轴线重合或平行。 (2转动关节 (Revolute joint: 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对 旋转运动,其转动角度是关节的主要变量,转动轴的方向通常与轴线重合或垂直。 杆件和关节的构成方法大致可分为两种:(1 杆件和手臂串联连接,开链机 械手 (2 杆件和手臂串联连接,闭链机械手。

以操作对象为理想刚体为例,物体的位置和姿态各需要 3 个独立变量来描 述。我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度(DOF (degree of freedom 。而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决定的(每个关节可以有一个或多个自由度,通常为 1 个。机器人的自由度是独立的单独运动的数目,是表示机器人运动灵活性的尺度。(由驱动器能产生主动动作的自由度称为主动自由度,不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。通常开链机构仅使用主动自由度机器人自由度的构成,取决于它应能保证完成与目标作业相适应的动作。分析可知,为使机器人能任意操纵物体的位姿,至少须 6DOF ,通常用三个自由度确定手的空间位置(手臂,三个自由度确定手的姿态 (手。比较而言,人的臂有七个自由度,手有二十个自由度,其中肩 3DOF ,肘 2 DOF ,碗 2DOF 。这种比 6 还多的自由度称为冗余自由度。人的臂由于有这样的冗余性,在固定手的位置和姿态的情况下,肘的位置不唯一。因此人的手臂能灵活回避障碍物。对机器人而言,冗余自由度的设置易于增强运动的灵活性,但由于存在多解,需要在约束条件下寻优,计算量和控制的难度相对增大。 典型的机器人臂结构有以下几种: (1直角坐标型 (Cartesian/rectanglar/gantry (3P 由三个线性滑动关节组成。 三个关节的滑动方向分别和直角坐标轴 x,y,z 平行。 工作空间是个立方体 (2圆柱坐标型 (cylindrical(R2P 由一个转动关节和两个滑动关节组成。 两个滑动关节分别对应于圆柱坐标的径向和垂直方向位置,一个旋 转关节对应关于圆柱轴线的转角。

机器人手臂

工业机器人 ——关节型机器人 摘要：传统的工业机器人一般是由机座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部以串联方式联接而成的开式链机器人机构，也称为串联式机器人。该机器人结构简单，刚度、精度好，控制容易，响应快，成本低，在电子行业中用来尽享装配接插件的工作，得到了迅速发展。 关键词：串联式、自由度、空间运动 前言：工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。可以接受人类指挥，同时也可以按照预先编译程序运行，在多个行业领域内广泛运用着。 随着机器人机构学的发展，工业机器人的种类越来越繁多，但从机器人机构学的角度范围来分，可分为串联式机器人、并联式机器人以及串联并联混合式的混联机器人三大类。 串联式工业机器人的最典型结构是将开式运动链装在固定的机架上。这类机 器人称为关节型工业机器人。如图所示 为典型的关节型工业机器人： 此类机器人的组成元素主要是刚 性连杆及运动副，也成为机械手或操作 器。在机械手的末端，固定着一个夹持 式手爪，称为末端执行器。末端执行器

可以是焊枪、油漆喷枪、钻头、自动螺母扳手等，可按工作需要随时更换。 对于此种关节型机器人来说，它由机身、臂部、腕部、手部等部分组成。各部分功能是模仿人的手臂来描述定义的。其中机身相当于人的身躯，起支撑作用，并用于安装驱动装置等部件，相当于一个机架。臂部相当于人的大臂小臂，是主要执行部件，其作用是用来支撑腕部和肘部，并带动它们一起在空间运动，从而带动手部按一定轨迹运动。腕部相当于人的手腕，是连接臂部和手部的部件，其作用是调整和改变手部在空间的方位。手部相当于人的手部，是操作器的末端执行部件，其作用是握住所需要的物件或对象。 在典型的串联关节型机器人中，每 个转动关节或移动关节的位置都由一个变 量来确定，即每个转动关节或移动关节的 自由度为1。整个机器人的自由度数目等 于各运动部件自由度的总和。 图示机器人为典型的6自由度关节 型串联机器人。其中臂部是由腰关节、肩 关节以及肘关节3个关节，合计3个自由 度组成。腕部是由绕腕部自身轴旋转、腕 的上下摆动以及腕的左右摆动3个关节，合计3个自由度组成。即，整个机器人的总自由度为6个自由度。手部开合运动有时也称为半个自由度。 此机器人的主要运动是由臂与腕的运动来实现的，臂部运动用于完成主运动，腕部运动用于调整手部在空间的姿态。

生产线装配机器人手臂设计说明

摘要 状配是产品生产的后续工序, 在制造业中占有重要地位, 在人力、物力、财力消耗中占有很大比例，所以为了节约装配时间，实现装配的自动化，装配机器人应运而生。本文介绍了装配机器人的设计过程，其中绪论中介绍了设计的背景和意义，还有简要的设计要求，然后根据设计要求先进行机器人的总体设计，接着针对每个部分进行了具体的结构设计，最后为该机器人设计了一套单片机控制系统。所设计的机器人为关节型机器人，自由度为六个；应用步进电机来驱动每个关节的运动；在减速器设计中应用了结构紧凑的谐波齿轮减速；在传动过程应用了同步带传动；机器人的控制系统为基于单片机STC89C52的控制步进电机的控制系统。 关键词：工业机器人；谐波齿轮减速；单片机控制；生产线

Abstract Assembly is a follow-up production processes in the manufacturing sector, which plays an important role in the manufacturing. It takes a large proportion in the consumption of human, material and financial, so in order to save assembly time, to achieve the automation of the assembly, the assembly robot came into being. This article describes the design process of the assembly robot. There are the background and significance of the design in the introduction, which followed by a brief design requirements. And then it is described the overall design of the robot according to the requirements, and then the concrete structure design. Finally, a microcomputer control system for the robot is designed. The robot is articulated robot of 6 degrees of freedom. Stepper motor is applied in driving the movement of each joint. The harmonic gear is applied in the compact design. Timing belt is used in the transmission process. The control system which mainly controls the stepper motors is based on microcontroller STC89C52 Keywords: Industrial robots; harmonic gear; microcomputer control;

工业机器人内部结构及基本组成原理详解

工业机器人内部结构及基本组成原理详解 工业机器人详解 你对工业机器人有着什么样的了解？关于工业机器人，我们过去也反反复复推送了很多的文章，在这一次，我们将尝试解决有关---在工业环境中使用的最常见的机器人和作业时经常会遇到的问题。关于工业机器人定义什么可以被 认为是一个工业机器人？什么不能被称为工业机器人？工业机器人直到最近才能避开这种混乱。不是在工业环境中使 用的每个机电设备都可以被认为是机器人。根据国际标准组织的定义，工业机器人是一种可编程的三自由度或多轴自动控制的可编程多用途机械手。这几乎是在谈论工业机器人时被接受的定义。工业机器人自中年以来发生了什么变化？越来越多的工程师和企业家正在寻找越来越多的机器人技术，帮助在工业环境中优化工作流程的方式。随着时代的发展和机器人技术的进步，机器人手臂必须为诸如仓储中使用的群组AGV等新手铺路。我们经常说典型的工业机器人 由工具，工业机器人手臂，控制柜，控制面板，示教器以及其他外围设备组成。那么这些是什么？这些部分通常都在一起，控制柜类似于机器人的大脑。控制面板和示教器构成用户环境。工具（也称为末端执行器）是为特定任务设计的设备（例如焊接或喷涂）。机器人手臂基本上是移动工具的

东西。但并不是每个工业机器人都像一个手臂。不同机器人有不同类型的结构。控制面板--- 操作员使用控制面板来执行一些常规任务。（例如：改变程序或控制外围设备）。应用“机器人工人” --------- 什么时候应该使用工业机器人而不是人工？相信这个问题大家思考的次数并不少了。理想情况下，这应该是双赢的。想快速看到效果，你需要知道什么是别人最不喜欢的工作。想得最多的是那些重复的，乏味的工作，需要从工作人员那边进行大量单调的行动，这个思考是正确的，因为正是如此，例如从一个输送机到另一个输送机。如果总是相同的任务，您可以使用专门针对您的需求量身定制的自动化解决方案。工厂的工作处理需要越来越灵活，在这些情况下，正确的解决方案是：可以试用用于不同任务的可重新编程的机器人进行任务操作。此外，就是那些对人类工作有害的任务。（例如：用危险化学品进行表面处理，这是在有害环境中工作。在许多情况下，长期使用机器人比聘用工人更聪明和便宜。）当然，还有的是人类难以操作的工作。（例如：举或搬运重物或在不适合人类生活的条件下工作。）同样，在许多这些情况下，可以应用特定的自动化解决方案。然而，如果任务需要灵活性处理，还需要考虑要用到的机器人。以下是最常见的机器人应用程序列表：电弧焊、部件、涂层、去毛刺、压铸、造型、物料搬运、选择、码垛、打包、绘画、点焊、运输，仓储关于工业机器人的

工业机器人和机械手臂的区别【详述】

工业机器人和机械手臂的区别 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 机械臂是一种机械装置，可以是自动的也可以是人为控制的；工业机器人是一种自动化设备，机械臂是工业机器人的一种，工业机器人也有其它形式。所以虽然两者含义不同，但是指代的内容有重合的部分。 所以简单来说，工业机器人的形式有很多种，机械臂只是其中一种。 工业机器臂 工业机器臂是“一种固定或移动式的机器，其构造通常由一系列相互链接或相对滑动的零件组成，用以抓取或移动物体，能够实现自动控制、可重复程序设计、多自由度（轴）。其工作方式主要通过沿着X、Y、Z轴上做线性运动以到达目标位置。”

工业机器人： 根据ISO 8373定义，工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。 机器人与机械臂的区别： 机械臂是机器人领域中使用最广的一种机械装置，广泛应用于工业、医疗甚至军事、太空领域。机械臂分四轴五轴六轴多轴，3D／2D机器人，独立机械臂、油压机械臂等，虽然种类很多，但是它们有一个共同点就是能接收指令并精确定位到三维（或者二维）空间上的点进行作业。

机器人于机械臂不同的是，机器人既可以接收人类的指令，还可以按照人类预先编排好程序执行作业，还可以根据人工智能指定的原则行动。在未来机器人将更多地协助或取代人类的工作，特别是一些重复性的工作，危险的工作等。 欧美国家与日本对机器人的定义有所不同： 欧美国家认为机器人应该是由计算机控制的，通过编程使得机器人成为多功能的自动机械；日本则认为机器人是高级的自动机械，所以机械臂就被包含进机器人的定义了。欧美国家认为6轴及以上的机械臂可以称之为机器人，5轴及以下的只能叫机械臂；日本则把3轴机械臂定义为机器人。 现在国际上对机器人的概念已基本趋于一致，都认为机器人是靠自身动力和控制能力实现各种功能的一种自动化机械。 机器人与机械臂在应用范围上的区别： 机械臂在工业界应用广泛，其包含的主要技术是驱动和控制，机械臂一般都是串联结构。

服务机器人轻量化手臂的优化设计

服务机器人轻量化手臂的优化设计 李桂琴王燕徐新虎金国军李明何斌 上海大学上海市机械工程与机器人重点实验室上海200072 摘要：针对服务机器人手臂轻量化要求，设计一种新型的5自由度服务机器人手臂，并用CAD／CAE软件完成从建模到分析的全过程。结合实际使用要求，设计采用了5自由度的关节型机器人结构方案；根据选用的电机和减速器进行UG参数化建模；并在此基础上，运用HyperWorks分析了该机器人手臂关节连接件的强度和刚度，并得到了拓扑优化方案。在方案设计阶段对设计进行分析和验证，得到很好效果，并做出实验样机。 关键词：轻量化，有限元分析，拓扑优化，HyperWorks 1 引言 机器人是机械、传感器、计算机、通信和自动控制等多项技术集成的机电一体化产品。目前，世界各国在机器人研究方面有一个共同的趋势：那就是把机器人产业由工业机器人向服务机器人推进，力争使机器人更多地融入家庭和人们的生活。 在服务型机器人领域，轻量化设计扮演了一个非常重要的角色。这些机器人系统通常工作在人类的生活环境中，比如厨房和病房等。与传统的工业机器人被限定在一个工作空间里相比，它需要与人协同来完成工作，因此轻量化设计在多个方面便体现出其优势。例如，轻型的手臂发生碰撞时比质量大的手臂会造成较小的危害。另外，轻量化的另一结果就是能够提高能量效率，减少机器人执行任务时能量的消耗。对于依靠自身有限能源来维持日常工作的服务机器人而言，能量效率的问题对其显得尤为重要。 一般而言，设计这类轻量化手臂需要用机电一体化的思想，并使其具有质量轻、载重比大、体积小、控制灵活、通用性好的特点。轻量化结构手臂样机需要具有自身动作功能，并具有与机器人本体集成后完成相应功能的能力。 目前一般机器人手臂采用常规的与工业机器人相似的结构形式，但从机器人的功能要求及其扩展需求来看，如何对其结构进行优化，实现轻量化是一个重要的研究课题，这里主要进行手臂结构的轻量化技术研究，采用5个手臂自由度，手部抓重2KG。 2 自由度轻量化手臂研究 设计的机械手臂采用模块化的轻型旋转关节，使服务机器人手臂动作灵活、运动惯性小，能安全、平稳、高效地执行服务动作。总体布局与示意如图1所示：

机器人手臂机构毕业设计(论文)

浙江工贸职业技术学院 毕业设计（论文）课题名称：机器人手臂机构

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。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 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。 作者签名：日期：

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。 作者签名：日期：年月日 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。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日

工业机器人抓取手臂的结构设计

目录 1 前言 (1) 1.1 工业机器人简介 (1) 1.2 世界机器人的发展 (2) 1.3 我国工业机器人的发展 (3) 1.4 本设计的内容和目的 (4) 1.4.1 臂力的确定 (4) 1.4.2 工作范围的确定 (4) 1.4.3 确定运动速度 (5) 1.4.4 手臂的配置形式 (6) 1.4.5 位置检测装置的选择 (6) 1.4.6 驱动与控制方式的选择 (6) 2 手部结构 (7) 2.1概述 (7) 2.2 设计时应考虑的几个问题 (7) 2.3 驱动力的计算 (8) 2.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 (11) 3 腕部的结构 (13) 3.1 概述 (13) 3.2 腕部的结构形式 (14) 3.3 手腕驱动力矩的计算 (15) 4 臂部的结构 (18) 4.1 概述 (18) 4.2 手臂直线运动机构 (19) 4.2.1 手臂伸缩运动 (19) 4.2.2 导向装置 (20) 4.2.3 手臂的升降运动 (21) 4.5 臂部运动驱动力计算 (22) 4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算 (22) 4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算 (24) 4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算 (24) 5 液压系统的设计 (26)

5.1 液压系统简介 (26) 5.2 液压系统的组成 (26) 5.3 机械手液压系统的控制回路 (27) 5.3.1 压力控制回路 (27) 5.3.2 速度控制回路 (28) 5.3.3 方向控制回路 (28) 5.4 机械手的液压传动系统 (29) 5.4.1 上料机械手的动作顺序 (29) 5.4.2 自动上料机械手液压系统原理介绍 (30) 5.5 机械手液压系统的简单计算 (34) 5.5.1 双作用单杆活塞油缸 (34) 5.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） (37) 5.5.3 单叶片回转油缸 (39) 5.5.4 油泵的选择 (41) 5.5.5 确定油泵电动机功率N (41) 6 结束语 (43) 致谢 (44) 参考文献 (45)

机器人的运动控制

2.4 手臂的控制 2.4.1 运动控制 对于机器人手臂的运动来说，人们通常关注末端的运动，而末端运动乃是由各个关节的运动合成实现的。因而必须考虑手臂末端的位置、姿态与各个关节位移之间的关系。此外，手臂运动，不仅仅涉及末端从某个位置向另外一个位置的移动，有时也希望它能沿着特定的空间路径进行移动。为此，不仅要考虑手臂末端的位置，而且还必须顾及它的速度和加速度。若再进一步从控制的观点来看，机器人手臂是一个复杂的多变量非线性系统，各关节之间存在耦合，为了完成高精度运动，必须对相互的影响进行补偿。 1. 关节伺服和作业坐标伺服 现在来研究n 个自由度的手臂，设关节位移以n 维向量12(,,,)T n n q q q q =∈?L 表示，i q 是第i 个关节的位移，刚性臂的关节位移和末端位置、姿态之间的关系以下式给出： ()r r f q = （1） m r ∈?是某作业坐标系表示的m 维末端向量，当它表示三维空间的位置姿态时，m=6。如式（1）所示，对刚性臂来说，由于各关节的位移完全决定了手臂末端的位置姿态，故如欲控制手臂运动，只要控制各关节的运动即可。 设刚性臂的运动方程式如下所示： ()(,)()M q q h q q q g q τ=++Γ+&&&& （2） 式中，()n n M q ?∈?为手臂的惯性矩阵；(,)n h q q ∈?&为表示离心力和哥氏力的向量，n n ?Γ∈?为粘性摩擦系数矩阵；()n g q ∈?为表示重力项的向量；1(,,)T n n τττ=∈?L 为关节驱动力向量。 机器人手臂的驱动装置是一个为了跟踪目标值对手臂当前运动状态进行反馈构成的伺服系统。无论何种伺服系统结构，控制装置的功能都是检测各关节的

护理机器人行走及手臂系统的设计

摘 要 随着老龄化的加剧和医患护理费用的增加，对能为患者与行动不便的老人等提供 简单护理的机器人的需求也变得更加急切，本课题设计的护理机器人的整个过程中， 综合应用所学知识，不断获取和完善相关的专业知识，达到知识的增加与能力的提高 的目的。 本文介绍了国内外护理机器人技术的发展现状及前景，按课题需要进行护理机器 人手臂和底盘行走系统的结构设计，手臂为三自由度手臂，用电机带动扇形齿轮的啮 合实现手抓的放松与夹紧，底盘行走则采用双电机带动，实现差动行驶。进行部件、 电机选型并对手臂齿轮的传递强度进行计算，最后从硬件和软件两个方面设计了单片 机在机械手控制中的应用。设计了单片机的控制电路，绘制了程序流程图。 关键词：护理机器人，机器人手臂，行走系统，单片机

ABSTRACT With the increased of aging and the cost of doctor-patient care .The demand for simple care robot for patients of the elderly has become more urgent, Throughout the process of the design of the subject of care robot, need an integrated application of knowledge, access and improve the relevant expertise to achieve the purpose of increasing knowledge and capabilities. This article introduces the development status and prospects of the nursing robotics domestic and international , design the care robot arm and chassis walking system according to the requirement, the degree of freedom for arm is three, use the motor drive the fan gear stretch and clamp, the chassis have two-motor drives to achieve the differential driving. And finish the selection of the parts and the motors.As well as the checking of the transmission intensity of arm gears.At the last design application of the microcontroller in the robot in both hardware and software .Design of the MCU control circuit, draw the program flowchart. Key words: care robot, robot manipulator,move system, SCM

机器人手臂的机械结构和机电设置

【摘要】机器人学是一门边缘学科，它涉及电子精密机械、空间机构学、操纵动力学、人机工程学等的一门系统工程。本人在已有的机器人手臂的机械结构和机电设计的基础上，基于Motorola 公司的DSP56805单片机及PC机设计并实现了机器人臂部多关节控制系统。 设计以MOTOROLA公司生产DSP56805单片机为核心，设计了机器人臂部关节控制节点的硬件电路，并在此基础上利用C语言编制了机器人臂部关节的DSP控制程序，控制算法中采用了经典的PID控制算法，论文中采用了一种用Matlab模拟仿真来近似确定PID控制参数（Kp、Ki、Kd）的方法。 最后进行了系统程序、硬件仿真调试，结果表明：系统的软、硬件设计合理可行。所以机器人设计是符合要求的。 关键词：控制节点、PID控制算法、PID控制参数、DSP56805、Matlab、VC 6.0 Title: Robotic Arms Intelligent Control System Abstract The robotics is an edge course, it involves the precise machine, the space organization, manipulated the dynamics, person with machine engineering learns a system engineering of etc.. On given foundation of an electric shock the design at the machine structure and machines of the robotic arms ,I have been up and carried out a many joints of the robotic arms control system also according to a singlechip of DSP56805 and the PC machine designs of the company of Motorola. The design of thesis’nuclere isthe Motorola company produces a singlechip of DSP56805, designed a joint of the robot arm to control the hardware telephone of the nodal point, and make use of the DSP control procedure that the C language drew up a joint of the robot arm on this foundation, adopting the PID control calculate way of the classic in the control calculate way, adopting in the thesis a kind of with the method that the analog simulation of Matlab looks like the certain PID control parameter( Kp, Ki, Kd). Carried on the debugging of the system procedure and the hardware simulation finally, the result show:This design about system of the software and the hardware don’t only go,but also is reasonable.So the robotic design meets the request. Keywords: Control the nodal point, the PID control calculate way, PID control parameter, DSP56805、Matlab、VC 6.0 目录 1绪论 (1) 1.1项目背景及意义 (1) 1.2 方案论证 (2) 2 机器人的机械结构介绍 (3) 2.1机器人的一般神经网络结构图 (3) 2.2机器人的臂部机械结构 (4) 2.3机器人的臂部关节电机分布图 (4)