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;

production line

目录

摘要 .................................................................... I Abstract ............................................................... II 第1章绪论 . (1)

1.1装配机器人的概念 (1)

1.2工业机器人的分类 (1)

1.3工业机器人的基本结构 (2)

1.4装配机器人发展现状 (2)

1.5装配机器人发展趋势 (4)

1.6课题研究的意义与容 (5)

第2章装配机器人的总体设计 (7)

2.1设计目标和设计容 (7)

2.2设计方案 (7)

2.2.1 运动方案的确定 (7)

2.2.2 传动方式的确定 (8)

2.2.3 驱动电机的选择 (9)

第3章装配机器人手臂各部分的结构设计 (10)

3.1 基本设计参数 (10)

3.2 机器人各关节力和力矩的计算 (10)

3.3 机器人各关节结构的设计 (13)

3.3.1 关节1（腰部）的结构设计 (13)

3.3.3 关节3的结构设计 (18)

3.3.4 手腕的结构设计 (20)

3.3.5 手爪的结构设计 (22)

第4章装配机器人控制系统硬件设计 (28)

4.1控制电路各芯片的选择 (28)

4.2控制电路原理图的设计 (31)

结论 (33)

致 (34)

参考文献 (35)

第1章绪论

1.1装配机器人的概念

设计所指的装配机器人是工业机器人的一种。所谓工业机器人，就是一种具有自动控制操作移动功能，能完成各种作业的可编程的机电一体化产品。也可称为机器人操作臂、机器人臂、机械手等。从外形来看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸、上臂和下臂，工业机器人的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节，如图1-1所示。操作臂的前端装有末端执行器或相应的工具。也常称为手或手抓。手抓是由两个或多个手指所组成，手指可以“开”或“合”，实现抓取动作和细微操作。综上所述，装配机器人就是指应用在自动化生产线通过计算机控制能够完成所要求的装配任务的工业机器人。

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WORD .. 突1-1 工业机器人基本结构图

1.2工业机器人的分类

工业机器人按发展历史的演变顺序可分类三类，第一代机器人、第二代机器人和第三代机器人。

第一代机器人具有示教再现的功能后具有可编程NC装置，设有位置、速度、力等部信息的检测元件（部传感器）和基于这些传感器的控制系统的私服机构。现在工业中应用的喷漆、搬运、电焊机器人，大多属于第一代机器人。

第二代机器人不仅具有部传感器，还能利用外部传感器探测外部环境和操作对象的有关信息，来改变行动，进行规划，适应外界的变化和干扰。第二代机器人的中心技术是传感器技术和微机控制技术。

第三代智能机器人将极扩展机器人的应用领域，是当前研究的重点。智能机器人本身能够认识工作环境、工作对象及其状态，他根据人给予的指令和自身认识外界的结果，独立地决定工作方式，由操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。

1.3工业机器人的基本结构

机器人整机，基本上由两部分组成，一是操作机，一是控制装置，操作机是机器人的本体结构，包括：基座、驱动器或驱动单元、手臂、手腕、末端执行器、行走机构以及安装在操作机上的各种感受装置等。控制装置一般包括计算机控制系统、司服驱动系统、电源装置以及与操作者联系的装置等。

驱动器或驱动单元是机器人的动力执行机构，根据动力源的类别不同，可分为电机驱动，液压驱动和气动驱动三类。电动驱动在多数情况下采用直流、交流司服电机，也可采用力矩电机、步进电机等。

手臂和手腕是机器人操作机中的基本部件，它由旋转运动和往复运动的机构组成。其结构形式是多种多样的，但多数机器人的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间机构，一般有3~10 个自由度组成，工业机器人一般有3~ 6 个自由度，由于机器人具有多自由度手臂、手腕的机构，使操作运动具有通用性和灵活性，这也是区别于一般自动机的特点。

末端执行器是机器人手腕末端机械接口所连接的直接参与作业的机构，如夹持器，焊钳，焊枪，喷枪或其他作业工具，传感器等。

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1.4装配机器人发展现状

装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, 作为一项新兴的工业技术, 机器人装配应运而生。

1)我国的发展现状

经过多年来的研究与开发, 我国在装配机器人方面有了很大的进步。目前在装配机器人研制方面, 基本掌握了机构设计制造技术, 解决了控制、驱动系统设计和配置、软件设计和编制等关键技术, 还掌握了自动化装配线及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术, 在基础元器件方面, 谐波减速器、六轴力传感器、运动控制器等也有了突破。

我国已研制出精密型装配和实用型装配机器人,如吊扇电机机器人自动装

配线, 小型电器机器人自动装配线, 以及自动导引汽车发动机装配线, 精密机芯机器人自动装配线等机器人示应用工程。近几年来, 贤科机器人技术!与国5家高校、科研所合作, 开发出具有自主知识产权的系列化模块化直角坐标型装配机器人CAD 设计平台;开发出两个系列共4 种规格的平面关节型装配机器人; 开发出两种类型3 个系列的直线运动单元以及由此组成的直角坐标型装配机器人; 研制出基于开放式体系结构的机器人控制器。贤科!自主开发的装配机器人已在家电、电子仪表、轻工等行业得到初步应用,其质量不亚于国外同类产品, 是国当之无愧的最精密的装配机器人。

交通大学研制的精密一号装配机器人!, 是一台带有多传感器和多任务操WORD ..

作系统、可离线编程的高速、高精度、四轴SCARA 平面关节式智能精密装配机器人。装配机器人属于高、精、尖的机电一体化产品, 其自主开发一直受到国家863智能机器人主题专家们的关注, 必将取得更大的突破。

2)国外的发展现状

美、日、西欧的制造业中约40% 的劳动力用于装配, 西德电子工业产品总成本的50~ 70% 是装配。装配机器人是高质量、高柔性、高效率完成自动装配的理想手段。所以装配机器人得到迅速发展, 如美国工业界Delph i法调查表明到2000年应用于装配和检验的机器人销售台数将从1985年占工业机器人总数16%猛增到35%。日本装配机器人的增长比任何其他工业应用领域的机器人都快, 增长速度比欧洲和美国更快。日本装配机器人的增长臂人和其他工业应用领域的机器人都快, 增长速度比欧洲和美国更快。日本机器人的广泛的应用领域在装配工段, 1985年装配机器人已达15800台, 是焊接机器人的两倍, 成为工业应用领域中应用最多的机器人。1995 年为33500 台, 产值为2590~ 3000 亿日元, 到2004 年, 达到55000 台, 产值4200~ 5100亿日元。这个数值远远高于其他领域机器人的发展速度, 为世界所瞩目。日本作为机器人王国, 各产业中应用的机器人总数占世界的40%。其中装配机器人近年来异军突起,发展迅速。据日本产业机器人协会统计, 在1982 ~1991年的10年中, 日本用于装配作业的机器人台数为177500台, 居工程应用数量之首。据日本产业机器人协会的统计, 日本装配机器人1980年左右首次达到最高点。生产台数为2849台, 产值2497亿日元,

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以后又呈上升趋势。目前, 日本应用的装配机器人的主要型号有: 直角坐标型、水平多关节型、垂直多关节型及圆柱坐标型等。据日本产业机器人协会的预测, 在日本制造业, 装配机器人的需求逐年上升。

1.5装配机器人发展趋势

目前机器人领域正在加大科研力度, 进行装配机器人共性技术及关键技术的研究, 并朝着智能化和多样化的方向发展。主要研究容集中在以下几个方面:

1)装配机器人操作机结构的优化设计技术: 探索新的高强度轻质材料, 进一步提高负载/自重比, 同时机构进一步向着模块化、可重构方向发展。

2)直接驱动装配机器人: 传统机器人都要通过一些减速装置来达到降速并提高输出力矩, 这些传动链会增加系统功耗、惯量、误差等, 并降低系统可靠性, 为了减小关节惯性, 实现高速、精密、大负载及高可靠性。一种趋势是采用高扭矩低速电机直接驱动。

3)机器人控制技术: 重点研究开放式, 模块化控制系统, 人机界面更加友好, 语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化, 以及基于PC机网络式控制器己成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外, 离线编程的实用化的完善成为研究重点。

4)多传感器融合技术: 为进一步提高机器人的智能和适应性, 多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法, 特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问WORD ..

题就是传感系统的实用化。

5)机器人的结构要求更加灵巧, 控制系统愈来愈小, 二者正朝着一体化方向发展。

6)机器人遥控及监控技术, 机器人半自主和自主技术, 多机器人和操作者之间的协调控制, 通过网络建立大围的机器人遥控系统, 在有时延的情况下, 建立预先显示进行遥控等。升虚拟机器人技术: 基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术, 实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

7)智能装配机器人: 装配机器人的一个目标是实现工作自主, 因此要利用知识规划, 专家系统等人工智能研究领域成果, 开发出智能型自主移动装配机器人,能在各种装配工作站工作。

8)并联机器人: 传统机器人采用连杆和关节串联结构, 而并联机器人具有非累积定位误差, 执行机构的分布得到改善、结构紧凑、刚性提高、承载能力增加等优点, 而且其逆位置问题比较直接、奇异位置相对较少, 所以近些年来倍受重视。

9)协作装配机器人: 随着装配机器人应用领域的扩大, 对装配机器人也提出一些新要求, 如多机器人之间的协作, 同一机器人双臂的协作, 甚至人与机器人的协作, 这对一于重型或精密装配任务非常重要。

10)多智能体(multiagent) 协调控制技术: 这是目前机器人研究的一个崭新领域, 主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理, 感知与

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学习方法, 建模和规划、群体行为控制等方面进行研究[1]。

1.6课题研究的意义与容

随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展, 必将迎来装配机器人的飞速发展。我国机器人技术虽起步较晚, 在国家科技攻关项目及国家863计划的支持下也得到了一定的发展, 但与国际先进水平还有很大差距, 目前国际机器人界都在加大科研力度,进行机器人共性技术及关键技术的研究, 并朝着智能化和多样化方向发展。因此, 发展我国的装配机器人事业急不可待。我对于本课题的研究，通过对课题的逐步深入和研究，来完成对装配机器人的初步设计，在这基础上我还想做出一些创新，一方面开发一下创新思维，一方面在这个领域里做出一点突破，为装配机器人事业出一份力。

这次毕业设计对我以后学习和工作也有深远的现实意义：

1）对设计方案的思考，还有对设计中一些关键问题的解决，这些都培养了我自己进行综合分析和提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的。

2）在设计中，查阅相关资料、手册，学习这些资料中的知识要点和设计方法，从而运用到自己的设计中。这些培养了我调查研究，熟悉有关技术政策，运用国家标准、规、手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力。

3）通过指导教师地言传身教，还有自己对设计的见解，研究出一套或是多WORD ..

套设计方案。这样使自己建立正确的设计思想；初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段；从而使自己受到一次工程师的基本训练。

本设计的主要的设计要求如下：

该关节型装配机器人的设计，要求机器人结构本体简单、轻量、低摩擦和较低的重复定位精度。对机器人的控制采用单片机的控制系统，利用STC89C52单片机组成的控制系统，完成对机器人的定向、定位以及手抓动作的精确控制。要求机器人动作迅速、便于控制。

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第2章装配机器人的总体设计

本章对生产线自动转配机器人的工作模式、总体结构进行了分析与设计。结合具体的使用过程，对系统实现的功能和可靠性要求等方面进行了简要介绍。

2.1设计目标和设计容

本次设计的最终目的是在确保零件的安全搬运的情况下，实现轴类零件准确装配的机器人自动化装配，从而实现工装配生产线的全自动化。在本次设计中，需要完成机器人各部分的结构设计和部分之间的准确连接；选择合适的传动方式和驱动电机，实现准确的传动精度和运行的平稳性；设计合理的末端执行器用以完成对零件（如轴、盘等）的加持和装配；选择合适的减速器在保证合适传动比的情况下，实现结构的紧凑。

本设计所要解决的主要问题是：三自由度腕部的结构设计，腕部的传动方法的结构设计；各部分的结构设计；在保证结构紧凑的情况下，各部分相互连接的结构设计；各个关节驱动的结构设计和各件的安装等。

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2.2 设计方案

2.2.1 运动方案的确定

根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA 型，同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。所选用的运动形式，在满足需要的情况下，应使自由度最少、结构最简单。

在以上五种运动形式中，关节型机器人动作灵活，工作空间大，在作业空间手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对运动部位容易密封防尘，这些特点都符合装配机器人的设计要求，因此，本设计运动方式确定为关节型。

图2-1 关节型机器人结构简图

关节机器人由2 个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进WORD ..

行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴线旋转，另一个肩关节实现仰俯。这两个肩关节正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。其结构简图如图2-1。

2.2.2 传动方式的确定

传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有：齿轮传动、螺旋传动、皮带及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。

1.齿轮传动

机器人中常用的齿轮传动机构是行星齿轮传动机构和谐波传动机构。电动机是高转速、小力矩的驱动器，而机器人通常却要求低转速、大力矩，因此，常用行星齿轮机构和谐波传动机构减速器来完成速度和力矩的变换和调节。此外，由于谐波传动的结构简单、体积小，重量轻、传动精度高、承载能力大、传动比大，且具有高阻尼特性。因此，在本次的设计中选用谐波传动。

在手抓的设计中，为了实现手抓的“开”、“合”，主要的传动方式有齿轮齿条传动、平行四杆机构传动等，齿轮齿条传动，不仅能实现旋转运动向直线运动的转换，而且传动较为精确，结构紧凑，便于设计，所以手抓的传动方式选用齿轮齿条转动。

2.同步带传动

同步带传动是机电一体化产品设计中常用到的传动方式，同步带也叫做同WORD ..

步齿形带，带侧的工作面制成齿形，带轮的轮缘表面也制成相应的齿形带与带轮是靠齿的啮合进行传动的。同步带通常以钢丝绳作负载心层，由于钢丝绳受载后变形极小，仍能保持带长不变，故带与带轮间不会产生相对滑动，传动比较恒定。同步带薄而轻，可用于高速场合，效率可达98%，以上同步带传动的优点都很适合本设计的传动要求[3]，能实现关节3的准确传动，因此，在本设计中还应用到同步带传动。

2.2.3 驱动电机的选择

驱动机器人关节运动的电机有伺服电机、步进电机和舵机等，其中步进电机结构简单。制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应速度快、易于启停、正反转和无级变速也容易实现。这其中动态响应速度快、易于启停、容易实现正反转和无级变速的特点和适合本设计的要求。因此，本设计选用步进电机作为驱动电机。

步进电机放的种类很多，主要按其工作原理可分为反应式、永磁式和混合式（永磁感应式）步进电机。其中，混合式步进电机的转子上此案有永久磁钢，可以说是永磁式，但是从定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。该类电机的特点是输出转巨大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低、性价比较高，综合了永磁式和反应式两种电机的特点，当绕组断电时具有自锁能力，本设计每个

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关节的动态转矩较小，运用混合式这一特点就可以实现断电式的关节自锁，因此，本设计选用混合式步进电机。

第3章装配机器人手臂各部分的结构设计3.1 基本设计参数

1）结构形式：关节式

2）自由度数： 6

3）驱动方式：混合型步进电机

4）大臂回转角度：≤20°/s

5）小臂回转角度：±45°

6）手腕回转角度：±180°

7）大臂长度: 250mm

8）小臂长度: 250mm

9）最大持重： 0.5Kg

10）环境温度：0～ 500C

11）电源：3 相；380V/50Hz

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