工业机器人模块化设计研究
工业机器人机械结构模块化设计
工业机器人机械结构模块化设计工业机器人的机械结构模块化设计是指将其机械结构分为若干个模块，每个模块具有独立的功能和特点，并能够相互组装和拆卸，以适应不同的工作环境和任务要求。
其目的是提高机器人的灵活性、可扩展性和可维修性，同时降低设计和制造成本。
模块化设计一般包括机器人的基座、臂架、关节、手爪等部分。
基座是机器人的底座或平台，用于支撑机器人的其他部件。
臂架是机器人的运动部分，可以通过关节连接进行伸缩和旋转，实现机器人的多自由度运动。
关节是连接臂架和基座的枢纽部件，允许机器人进行多轴关节运动。
手爪是机器人的末端执行器，用于捕捉或操纵物体。
在实际设计中，可以根据不同的工作需求和任务特点将机器人的机械结构划分为几个模块。
每个模块都具有独立的结构和功能，可以进行自主设计和制造。
同时，这些模块之间应具有一定的标准接口和连接方式，以方便组装和更换。
模块化设计的一个重要优势是可以根据具体任务的需要对机器人的结构进行快速定制和扩展。
例如，如果一些任务需要机器人具有更大的工作范围和精度，可以通过增加臂架或关节的数量来实现。
如果需要机器人具有更强的抓取能力，可以根据任务需求更换不同类型的手爪。
另一个优势是模块化设计可以简化机器人的维修和维护工作。
由于机器人的各个模块相对独立，当一些模块发生故障或需要维修时，只需要更换或修复该模块，而不会影响其他部分的正常运行。
这大大减少了维修时间和成本。
此外，模块化设计还可以降低机器人的制造成本。
由于机器人的各个模块可以根据不同的需求进行重新组合和配置，可以实现多样化、灵活化的生产。
这样可以有效降低生产线的设备投资和维护成本。
同时，模块化设计还有利于机器人的标准化生产和批量生产，提高了生产效率和产品质量。
总之，工业机器人的机械结构模块化设计可以提高机器人的灵活性、可扩展性和可维修性，降低设计和制造成本。
它是实现机器人个性化定制和智能制造的重要手段，对于推动工业4.0的发展具有重要意义。
机器人模块化设计的说明书
机器人模块化设计的说明书1. 引言机器人技术的不断发展，为工业生产、医疗保健、家庭服务等领域带来了巨大的便利性和效率提升。
而机器人的模块化设计则是实现机器人多功能、多样化应用的关键之一。
本说明书将详细介绍机器人模块化设计的原理、方法和实施步骤，旨在帮助用户理解和应用这一理念。
2. 理论基础2.1 模块化概念模块化是指将一个系统或产品划分为相对独立的模块，每个模块完成特定的功能。
这种设计理念使得模块可以独立开发、测试和维护，同时也方便了模块的替换和升级。
在机器人设计中，模块化设计能够使机器人的功能、结构和性能更加灵活可变。
2.2 机器人模块化设计的优势机器人的模块化设计具有以下优势：- 可扩展性强：通过添加、替换或调整模块，机器人可以实现各种不同的功能和应用。
- 维修和升级便捷：模块化设计使得机器人的维修和升级更加方便，只需更换故障模块或升级模块即可。
- 技术共享和复用性高：模块化设计促进了不同机器人之间的技术共享和模块的复用，提高了资源利用效率。
3. 模块化设计原则在进行机器人的模块化设计时，需要遵循以下原则：- 功能独立性：每个模块应具备独立的功能，能够直接实现一项或多项任务。
- 接口标准化：模块之间的接口应定义清晰，遵循标准化的接口规范，确保模块的互换性。
- 通信协议一致性：各个模块之间的通信协议应保持一致，以实现信息的传递和共享。
- 硬件兼容性：模块化设计中应考虑到硬件的兼容性，以便不同模块可以互相匹配使用。
- 模块尺寸统一：模块的尺寸应统一规范，以方便组装和替换。
4. 模块化设计步骤4.1 分析需求：首先，对机器人的功能和应用进行全面分析，明确需要哪些模块来实现这些功能。
4.2 划分模块：根据需求分析的结果，将机器人分解为若干个相对独立的模块，每个模块负责实现一个或多个功能。
4.3 设计接口：为每个模块设计清晰的接口，明确输入输出的接口规范和数据格式。
4.4 开发模块：根据模块设计的接口规范，分别开发各个模块，确保模块能够独立运行和通信。
模块化机器人的设计与实现
模块化机器人的设计与实现近年来，随着科技的不断进步和人们对智能机器人需求的提高，模块化机器人成为了研究和开发的热点。
模块化机器人具有可拆卸、可组合的特点，使得机器人可以根据不同的任务需求进行灵活的组装。
本文将探讨模块化机器人的设计原理和实现方法。
一、模块化机器人的设计原理模块化机器人的设计原理基于模块化思维和模块化技术。
模块化思维强调将机器人的各个部分划分为相互独立的模块，每个模块具有特定的功能，模块之间可以进行组合和替换。
这种思维方式有利于提高机器人的灵活性和可维护性。
模块化技术是实现模块化机器人设计的基础。
主要包括模块标准化、接口设计和通信协议等方面。
模块标准化是指将机器人的各个模块进行统一的尺寸、接口和电气连接方式设计，以便于模块之间的组装和替换。
接口设计是指为每个模块设计合适的接口，使得模块之间可以进行有效的通信和数据交换。
通信协议是指定义模块之间的通信规则和数据格式，以保证模块之间的协同工作。
二、模块化机器人的实现方法模块化机器人的实现方法主要包括硬件设计和软件设计两个方面。
在硬件设计方面，需要注意以下几点。
首先，需要选择适合模块化设计的硬件结构，例如模块化机械臂、模块化传感器等。
其次，需要进行模块标准化设计，确保各个模块之间的尺寸和接口兼容。
此外，还需要考虑模块之间的电源供给和电气连接方式，以确保模块之间的正常工作和通信。
在软件设计方面，需要考虑以下几点。
首先，需要设计一个适合模块化机器人的操作系统，以管理模块之间的通信和协作。
其次，需要设计模块之间的通信协议，以确保模块之间的正确交互。
此外，还需要设计模块化机器人的控制算法和路径规划算法，以实现机器人的智能化操作和任务执行。
三、模块化机器人的应用前景模块化机器人的研究和应用前景广阔。
首先，模块化机器人可以应用于工业生产线上，实现自动化生产和灵活的任务分配。
其次，模块化机器人可以应用于医疗领域，实现手术机器人和康复机器人的定制化设计和灵活组装。
工业机器人组合式模块化结构设计研究
实用 性 ，不 片 面追 求 所谓 的高 科 技和 全 面 先进 性 ， 先进并 不 等于 实用 。
我 国机器 人技 术 的研 究 工作起 步 较晚 ，虽 已取
得 较大进 展 ， 较之 发达 国家 的水 平仍 有较 大距 离 ， 但 应 积 极探 索 适合 我 国 国情 的工 业机 器 人应 用 思路 ，
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机器人结构设计
*
2、技术设计
(1)机器人基本参数的确定。臂力、工作节拍、工作范围、运动速度及定位精度等。 举例：定位精度的确定 机器人或机械手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机械手本身所能达到的定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚性、驱动方式、缓冲方式等。 工艺过程的不同，对机器人或机械手重复定位精度的要求也不同，不同工艺过程所要求的定位精度如下： 金属切削机床上下料：±(0.05-1.00) mm 冲床上下料：±1 mm 模锻： ±(0.1-2.0) mm 点焊： ±1 mm 装配、测量： ±(0.01-0.50) mm 喷涂： ±3 mm 当机器人或机械手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。
传动方式选择 （1）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式 （2）工业机器人的传动形式
传动形式
特征
优点
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动经远距离传动置与关节相连不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
减速比远>1的传动装置与关节相连
3.模块化工业机器人所存在的问题 (1)模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。因为模块之间的结合是可方便拆卸的，尽管在设计上已经注意到了标准机械接口的高精度要求，但实际制造仍会存在误差，所以与整体结构相比刚度相对地差些。 (2)因为有许多机械接口及其它连接附件，所以模块化工业机器人的整体重量有可能增加。 (3)虽然功能模块的形式有多种多样，但是尚未真正做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。
工业机器人工作空间规划与控制研究
工业机器人工作空间规划与控制研究工业机器人在制造业中的应用越来越广泛，随着科技的不断发展，工业机器人在生产中的作用和应用也越来越重要，因此关于工业机器人工作空间规划和控制的研究也日益受到重视。
一、工业机器人工作空间规划研究工业机器人的工作空间规划是指为工业机器人设计合理的工作空间，使其能够充分发挥其作用，同时确保工作环境的安全性和舒适性。
对于工业机器人的工作空间规划，需要考虑以下几个方面：1、工作现场的大小和高度由于工业机器人的工作范围和机器人臂的长度等因素，要求工作空间的大小和高度足够大，以便机器人能够自由移动并完成工作。
2、机器人周围的安全空间为了保证工业机器人能够在安全的情况下完成工作，需要在机器人周围设置足够的安全空间，预留出人员和机器人之间的距离，防止机器人在运作时误伤人员。
3、机器人的维护空间工业机器人在运作过程中，需要对其进行维护和保养，因此需要设计合理的机器人维护空间，以方便技术工人对机器人进行维修和保养。
4、机器人与周围设备和设施的协作工业机器人在工作过程中，需要与周围的设备和设施协作，因此需要在工作空间环境中考虑这些因素，以保证机器人能够顺利完成工作。
基于以上几个方面的考虑，对于工业机器人的工作空间规划，需要在机器人的安装和运行前进行相关的设计和规划，以保证机器人在工作时能够顺利完成任务，并确保机器人的工作环境安全和舒适。
二、工业机器人控制研究工业机器人的控制是指对工业机器人进行指令和控制，以实现机器人的自主运作，同时确保机器人能够安全高效地完成工作。
工业机器人的控制主要包括以下几个方面：1、机器人的编程机器人编程是指对机器人进行程序设计，以指导机器人完成各种任务。
机器人编程需要涉及到机器人的运动控制、传感器控制、路径规划等方面，因此需要经过专业的编程培训和实践操作，以掌握机器人编程的技术和方法。
2、机器人的控制系统机器人的控制系统是机器人运作的核心，它包括机器人控制器、传感器、执行机构和通讯接口等，通过这些组成部分，可以实现对机器人的精确控制以及对机器人运作过程的监控。
模块化自重构机器人协调运动规划与运动功能进化研究
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.3.1 Experimental Research using CPG signals (55)5.3.2 Experimental Research Evolving Locomotion (55)5.4 Summary (56)Conclusions (57)References (59)Statement of copyright and Letter of authorization (64)Acknowledgements (65)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景、意义及目的本硕士课题所做的研究工作主要是针对于链式结构的模块化自重构机器人，构建了三维联合动力学仿真平台，使用了由生物学原理的概念所启发的方法来对其进行运动规划，并利用了优化算法在仿真环境中对机器人系统的运动功能进行了进化。
伴随着机器人技术的不断发展进步，不仅仅是单调，危险的工作需要由机器人来完成，而且在非结构化，遥远和多变未知环境中的任务，比如深空探险，海底勘探，城市搜救，等等，也需要有机器人的参与。
这样一来需求的驱动就使得通用性强，适应能力强，自主的，以及稳定性高的机器人，成为了研究者们所关心的课题。
同时，构建生物体的细胞集能够表现出很多种类的功能这个事实，激发出了研究者们智慧的火花。
生物体具有自组织，自复制和自修复的功能，并且群体活动的生物能够通过彼此协调而完成单个生物个体所无法完成的功能。
如图1- 1 所示，蚂蚁群体可以彼此帮助而构成蚁桥而使其他的蚂蚁能够顺利地通过障碍。
从而研究者们提出了模块化可重构机器人的概念。
如果机器人能够自主地，不需要外界人类的参与，就能改变模块间所连接的方式，则称其为模块化自重构机器人。
图1- 1 蚁群构桥越障碍Fig.1-1 Bridge by ants to get over crag哈尔滨工业大学工学硕士学位论文模块化自重构机器人是将许多个模块以一定方式集合起来的机器人系统。
串联工业机器人机械臂的模块化组合式设计方法
串联工业机器人机械臂的模块化组合式设计方法随着工业自动化的不断发展，工业机器人已经成为了现代工厂中不可或缺的一部分。
而机器人的核心部件——机械臂，也在不断地发展和完善。
为了满足不同工厂的需求，机械臂的设计也越来越趋向于模块化和组合式。
本文将介绍串联工业机器人机械臂的模块化组合式设计方法。
一、模块化设计模块化设计是指将机械臂的各个部件分解成不同的模块，每个模块都有自己的功能和特点。
这样设计的好处在于，可以根据不同的需求，选择不同的模块进行组合，从而实现机械臂的定制化设计。
同时，模块化设计也方便了机械臂的维护和升级。
在模块化设计中，需要考虑的因素有很多，比如模块之间的接口设计、模块的尺寸和重量、模块的材料等。
这些因素都需要在设计之初就考虑到，以确保模块化设计的顺利实施。
二、组合式设计组合式设计是指将不同的模块进行组合，从而实现机械臂的定制化设计。
在组合式设计中，需要考虑的因素有很多，比如不同模块之间的兼容性、组合后机械臂的稳定性和精度等。
在组合式设计中，需要注意的是，不同模块之间的接口设计要尽量简单明了，以方便组合。
同时，组合后机械臂的稳定性和精度也是需要考虑的重要因素。
为了确保机械臂的稳定性和精度，需要对组合后的机械臂进行严格的测试和验证。
三、模块化组合式设计方法模块化组合式设计方法是将模块化设计和组合式设计相结合的一种设计方法。
在这种设计方法中，首先将机械臂的各个部件分解成不同的模块，然后根据不同的需求，选择不同的模块进行组合，从而实现机械臂的定制化设计。
在模块化组合式设计方法中，需要考虑的因素有很多，比如模块之间的接口设计、模块的尺寸和重量、模块的材料、不同模块之间的兼容性、组合后机械臂的稳定性和精度等。
这些因素都需要在设计之初就考虑到，以确保模块化组合式设计的顺利实施。
总之，串联工业机器人机械臂的模块化组合式设计方法是一种非常有效的设计方法。
通过模块化设计和组合式设计相结合，可以实现机械臂的定制化设计，同时也方便了机械臂的维护和升级。
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关麓词:工业机器人;模块化;设计
中圈分类号:TP242.2 文献栝识码:A 文章编号:1006—0316(2009)03—0056—03
Research
on
the design of industrial robot based
on
modularization
CHEN Han91,YIN Guo.ful,ZHAO Weil,ZHOU Xiao-jun2 (1.Sichuan
机
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(a)摆动关节 (b)平动与摇摆关节
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控制单元伺服单元
2.3
50kg负载工业机器人模块化设计方案简述 根据设计过程,对整机进行模块化分.对比各
种常用的机器人坐标系形式,决定采用目前通用工 业机器人使用最多的关节坐标式,在此基础上建立 的50 kg负载工业机器人三维模型草图如图5所示. 它可以实现体旋转,大臂旋转,小臂旋转,小臂翻 转,手腕俯仰,手腕翻转六个自由度.这六个自由 度都是旋转运动,都由伺服电机结合RV减速器再 连接到相应部位的机体上来实现,这就是关节模块 (图6给出大臂旋转的关节模块草图,其余类似). 完成的机器人控制系统采用PLC,并通过触摸屏进
万方数据
扔掰2009年第3期总第36卷
机器人技术
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行选择和组合配置,就可以构成不同功能或功能相 近但性能不同,价格不同的机器人产品【2】.工业机
能分析和结构分析,并要注意以下几点:①模块在 整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性;② 保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整 性;③模块间的接合要素要便于联接与分离;④模 块的划分不能影响系统的主要功能.
design.This
method is illustrated by taking the 50kg-loaded industrial robot for instance which is
Key words:industrial robot;modularization;design
我国工业机器人从20世纪80年代初开始起步, 在国家支持下经长期科技攻关,现在基本掌握了机 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,开发出喷漆,焊接, 装配,搬运等机器人.由于不同应用领域的需求, 机器人产品正朝着多品种,多规格,小批量,复杂 化等方向发展.若仍采用传统的"一个用户需求, 一次重新设计"的设计方法,就很难满足这些要求. 模块化设计方法与传统设计方法相比,不仅可以通 过选择适当模块迅速构建客户所需机器人,而且还 能很好解决机器人品种,规格与设计制造的周期, 成本之间的矛盾.因此,模块化机器人的研究已经 成为机器人产业化前期的热门课题之一.
因此,划分模块既要照顾制造管理方便,具有较大
的灵活性,避免组合时产生混乱,又要考虑到该模 块系列将来的扩展和向专用,变型产品的辐射.总 的来说,划分前必须对系统进行仔细的,系统的功
万方数据
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机器人技术 器人模块化设计的关键.
扔苈2009年第3期总第36卷
的控制算法,实现数字化,网络化和智能化. 把控制模块,伺服模块,关节模块,连杆模块 和传感器有机地结合起来,实现整体功能的集成, 就形成模块化工业机器人.这种集成不仅是机械结 构按一定坐标系集成,更是在控制模块,伺服模块 联系下的有机集成.只有这样,形成的整体才称为 模块化工业机器人系统【2】o图4为工业机器人模块 化设计系统集成框图.
器人的模块化设计可有效降低成本,缩短设计周期,
有利于产品更新换代,便于维修作业,增强产品市 场竞争力,其设计过程如图1所示.
》轳矿 萨哟
(a)直角坐标式 (b)圆柱坐标式 (c)球面坐标式 (d)关节坐标式 (c)平面关节坐标式
图2常用工业机器人坐标系形式
遵循以上原则,工业机器人可划分为以下模块: 关节模块,连杆模块,伺服模块,控制模块. (1)关节模块.通常由各种电机,集成减速机
方位的标准接口,使得模块关节之间的连接能满足 机器人不同运动学和动力学的要求.因此,连杆模 块不但要求简单可靠,还必须能够在模块之间传递 动力或信息. (3)控制模块和伺服模块.工业机器人的控制 模块主要是指控制器,控制器根据用户的指令对机 器人本体进行操作和控制.伺服模块用来控制伺服 电机,目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理 器DSP作为控制核心,其优点是可以实现比较复杂
计与实现【J】.机电产品开发与创新,2005,(6):l一3.
[6】郭洪红.工业机器人技术【咖.西安:西安电子科技大学出版社,
2006.
万方数据
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来已久,基本思想是以产品(系统)的总功能为对 象,以功能分析为基础,将整个产品分解为若干特 定模块,然后通过模块的不同组合得到不同品种, 不同功能的产品,以满足市场的各种需求【1】.模块 化设计的主要目的之一就是力求"以不变应万变", 尽量以少数的模块组成尽可能多的产品.
将模块化思想应用于工业机器人设计具有以下
【3】吴振彪.工业机器人【M】.武汉:华中科技大学出版社,1997.
1.伺服电机2.RV减速器3.大臂连杆模块4.机座 图6大臂旋转关节模块草图
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行人机交互,具有可编程,易控制等特点.
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人.1999,(5). 【5】贾庆轩,杨磊,孙汉旭,马国伟,郐永涛.机器人模块化关节的设
3小结
模块划分的好坏直接决定模块系列化的成败, 而模块的有机集成又决定了预定的整机功能指标能 否实现.因此,模块的划分和模块的集成是工业机
综上所述,模块化设计与传统机器人设计方式 相比拥有诸多的优势,将来势必成为工业机器人设 计的主流方法.在这一领域进行深入研究,带来的
生产快速,性价比高的工业机器人必将推动我国的
机器人产业化及先进制造业的发展. ] u
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开关量H刊 液压阀H÷l液压执行元件H一
控制K剞 气压阀H刊气压执仃兀件卜一
人
University,Chengdu 610065,China;2.Chengdu Great Industrial Co.,Ltd.,Chengdu
610165,China)
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Abstract:The concept ofmodularization used in industrial robot design is introduced
1模块化设计思想及其优势
1.1模块化设计思想 模块化设计是在产品设计和生产不断发展过程 中逐步形成的一种设计方法.而模块化设计思想由
并设计出一系列通用的功能模块,并对这些模块进
收稿日期:2008—12—18 基金项目:成都市科技攻关计划项目(08GGZD089GX一007) 作者简介:陈航(1984一),重庆铜梁人,硕士研究生,主要研究方向为车辆工程.
图1工业机器人模块化设计过程
构和控制器等组成,主要包括单自由度关节模块, 二自由度关节模块,三自由度关节模块三种.单自 由度关节模块又可分为旋转关节模块和移动关节模
2工业机器人坐标系选择与模块划分方法
2.1工业机器人坐标系的选择 广泛使用的工业机器人坐标系形式有:直角坐
块两种(图3(a)和(f)).二自由度和三自由度 关节模块可认为是对两种单自由度关节模块的组 合,故旋转,移动关节模块可认为是最基本最简单 的关节模块.机器人机构的研究也正是以这两种基 本关节模块为基础.图3给出WURST开发的标准 模块示意图[41.对于同一类型关节模块可以配用不 同的驱动机构,以适应不同运动学与动力学的要求. (2)连杆模块.无自由度连杆模块仅用于关节 模块间的连接.不同长度的连杆模块由于具有不同
here.The
process and advantage
method against traditional
one are
expounded in detail.It is pointed out that the division
and the integration of moduls
the
pivotal techniques ofmodular under designing.
标式,圆柱坐标式,球面坐标式,关节坐标式,平
面坐标式【31(图2).通过分析可以看出,机器人各 关节的运动实际只有直线移动和旋转运动这两种基 本形式.因此,在设计工业机器人时利用各种可以 实现直线运动和旋转运动的通用部件进行功能组合 形成模块. 2.2模块的划分 模块化设计的原则是力求以尽可能少的模块组 成尽可能多的产品,并在满足要求的基础上使产品 精度高,性能稳定,结构简单,成本低廉,且模块 结构应尽量简单,规范,模块间的联系尽可能简单.
优势:①经济性,采用批量制造的标准化系列化工 业机器人模块拼装成工业机器人,既能满足用户需 求,又能有效降低制造成本;②缩短设计周期,能
在用户有紧急需求的情况下比传统设计方法更加快
速地设计出满足用户需求的机器人;③互换性强, 便于维修;④有利于企业采用先进技术改进旧产品, 开发新产品. 1.2工业机器人模块化设计过程 对工业机器人所要完成的功能进行分析,划分
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机器人技术
扔兹2009年第3期总第36卷
工业机器人模块化设计研究
陈航1,殷国富1,赵伟1,周晓军2