四自由度机器人设计及分析
《精心整理》四自由度机器人毕业设计论文要点
四自由度工业机器人毕业设计摘要近二十年来，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。
本文简要介绍了工业机器人的概念，机器人的组成和分类，机器人的自由度和坐标形式，气动技术的特点。
对机器人进行总体方案设计，确定了机器人的坐标形式和自由度，确定了机器人的技术参数。
同时，设计了机器人的夹持式手部结构，设计了机器人的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。
设计了机器人的手臂结构。
设计出了机器人的气动系统，绘制了机器人气压系统工作原理图，对气压系统工作原理图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。
关键词：工业机器人，机器人，气动，单片机控制ABSTRACTIn the past twenty years, robotic technology is developing very fast, all sorts of use robots in various fields can be used widely. Our country in the research and application of robots and industrial countries, there is still a gap compared, therefore, the research and design various USES robots especially industrial robots, promote the use of robots is a realistic significance.This paper briefly introduces the concept of industrial robot, robot, robot composition and classification of freedom and coordinates, the characteristics of pneumatic technology. The general scheme design of robot, robot was determined, and freedom of coordinates the technical parameters of robot was determined. Meanwhile, the design of the robot hand gripping type of the robot structure, design wrist structure, calculated the wrist rotation for driving moment and rotary cylinder driving moment. Design a robot arm structure.Designed a robot pneumatic system, painted robots working principle diagram, pneumatic system of pneumatic system working principle diagram parametric drawing was studied, and greatly improve the efficiency of drawing and drawings quality.Keywords: industrial robot, pneumatic, SCM control第一章绪论随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，工业机器人已成为一种高新技术产业，为工业自动化发挥了巨大作用，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。
机械设计四自由度机器人
机械设计四自由度机器人机器人在现代工业生产中发挥着重要的作用，它能够替代人工完成一些重复性的、危险性的和精确度高的工作。
在众多机器人中，四自由度机器人是一种常见且广泛应用的机器人，它具有较好的灵活性和适用性，能够适应不同工作任务的需求。
四自由度机器人是指机器人系统具有4个运动自由度，即可以在三维空间内进行四种基本运动：平移运动、旋转运动、摆动运动和夹持运动。
这种设计使得四自由度机器人具有更强的机械臂灵活性和适应性，能够完成更多种类的工作任务。
在四自由度机器人的设计中，需要考虑机器人的结构和运动机构的设计。
机器人的结构是指机器人整体的组成和布局，包括机械臂、末端执行器、控制系统等。
通常，机器人的结构应该具备轻便、稳定和易操作的特点，以保证机器人在工作中具有高效性和可靠性。
在机器人的运动机构设计中，需要选择合适的传动机构和电机驱动系统。
传动机构是机器人运动的关键，影响着机器人的运动精度和可靠性。
常见的传动机构包括直线传动、旋转传动等，可以根据具体的工作任务选择合适的传动机构。
另外，电机驱动系统在机器人运动中起到了关键作用，电机的选择和驱动方式根据工作需求确定。
四自由度机器人广泛应用于各个领域，如工业生产、医疗器械、电子产品等。
它可以完成一些重复性的、危险性的和精确度高的工作，提高工作效率和质量。
以工业生产为例，四自由度机器人能够完成装配、焊接、喷涂等工作，取代人工操作，降低了工作强度和安全风险。
总之，四自由度机器人是一种常见且广泛应用的机器人，它具备较好的灵活性和适应性，能够适应不同工作任务的需求。
在机器人的设计中，需要考虑机器人的结构和运动机构的设计，以保证机器人在工作中具有高效性和可靠性。
四自由度机器人在各个领域发挥着重要的作用，提高了工作效率和质量，推动了现代工业的发展。
毕业设计四自由度机器人
毕业设计四自由度机器人毕业设计题目：四自由度机器人的设计与控制一、引言四自由度机器人是一种常见的工业机器人，其基础结构包括底座、臂部、腕部和末端执行器。
在工业生产线上，四自由度机器人广泛应用于装配、焊接、喷涂等需要精确操作的工艺环节。
本篇毕业设计论文将对四自由度机器人的设计与控制进行研究和分析。
二、机器人的设计1.结构设计：为了实现机器人的灵活和精确操作，我们将设计一个四自由度机器人。
该机器人的结构由底座、臂部、腕部和末端执行器组成。
底座提供了机器人的稳定性和机动性，臂部负责机器人进行大范围的空间运动，腕部通过关节连接臂部和末端执行器，末端执行器完成具体的操作任务。
2.运动学设计：机器人的运动学设计是机器人设计中的重要一环。
我们将采用世界坐标系和本体坐标系的方法，建立逆运动学模型和正运动学模型，以实现机器人的运动控制。
具体设计中，我们将采用符号法推导机器人的运动学方程，通过求解并进行数值模拟验证，实现机器人的精确运动。
三、机器人的控制1.控制系统设计：机器人的控制系统是实现机器人精确操作的核心。
我们将采用开环控制和闭环控制相结合的方法，设计机器人的控制系统。
开环控制系统通过预设关节角度实现机器人的运动，闭环控制系统通过传感器反馈实时监控机器人的运动，并进行误差修正，实现机器人的精确操作。
2.控制算法设计：我们将采用PID控制算法对机器人进行控制。
PID控制算法具有稳定性好、计算简单等优点，适用于工业机器人的控制。
我们将根据机器人的运动学特性，根据机器人的误差信号设计合适的PID参数，以优化机器人的运动轨迹和操作精度。
3.编程与仿真设计：为了验证机器人的设计和控制系统的有效性，我们将使用MATLAB和Simulink进行编程和仿真设计。
通过编写机器人运动学模型和控制算法的代码，并在Simulink中搭建机器人的控制系统，实现机器人精确操作的仿真。
四、总结本篇毕业设计论文对四自由度机器人的设计与控制进行了研究和分析。
四自由度机器人设计及运动学动力学分析
目录摘要............................................................................................................错误!未定义书签。
Abstract ........................................................................................................错误!未定义书签。
1绪论 (4)1.1 引言 (4)1.2机器人研究现状及发展趋势 (5)1.3本课题的主要研究内容和工作安排 (10)1.3.1课题研究的背景及意义 (10)1.3.2课题研究的内容及安排 (12)2四自由度串联机器人本体结构设计 (13)2.1机器人的总体方案设计 (13)2.1.1抓取机器人功能需求分析及其特点 (13)2.1.2机器人驱动方案的确定 (14)2.1.3机械传动方案的确定 (15)2.1.3机器人基本技术参数设计 (15)2.1.4机器人本体的总体结构 (17)2.2机器人本体基本结构设计 (18)2.2.1大臂和小臂机械结构设计 (18)2.2.2腕部机械结构设计 (20)2.2.3直线组件的设计选择 (20)2.2.4支架结构设计 (21)2.2.5步进电机与减速器的计算和选择 (22)2.2.6机器人传动轴的校核 (25)2.2.7机器人本体的三维模型 (26)2.3本章小结 (27)3四自由度抓取机器人运动学分析及仿真 (28)3.1机器人运动学分析 (28)3.1.1奇次坐标变换 (29)3.1.2 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法 (30)3.1.3抓取机器人运动学模型的建立 (32)3.2机器人运动学方程的建立 (33)3.2.1抓取机器人的正运动学分析 (33)3.2.2工业机器人工作空间分析 (35)3.2.3机器人雅可比（Jacobian）关系求解 (38)3.2.4 抓取机器人的逆运动学分析 (41)3.3四自由度串联机器人运动学仿真 (45)3.3.1虚拟样机技术概述 (45)3.3.2本文用到的ADAMS软件模块 (46)3.3.3建立机器人仿真模型 (47)3.3.4机器人位移仿真分析 (49)3.3.5机器人速度仿真分析 (50)3.4 本章小结 (51)4. 轨迹规划及仿真分析............................................................................. 错误!未定义书签。
垂直关节四自由度插件装配机器人设计
摘要随着工业自动化的不断发展，现代机电设备中都存在控制电路板，板上有不少芯片 插件需要在装配时准确插入芯片座。
在中、大批量生产中，电路板生产线上这种取芯片 -插入芯片的装配动作一小时要做数千次，只有装配机器人能满足如此高节奏、高要求 的生产任务。
机器人具有各种关节的形式，电子插件装配机器人在垂直方向上要求手臂 有很高的刚度， 而在水平方向动作灵活。
工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门, 如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。
由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的 繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深 水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。
本课题的目的是构思、 设计一种形体和功率较小， 适合在生产线上按程序指定动作， 以要求的装配精度完成电路板插件装配的小型工业机器人，且具有较好的经济性和性能 /价格比。
本课题所设计的垂直关节四自由度插件装配机器人，也叫 SCARA 机器人，对 于此次机器人设计进行了机械部分设计和控制接口部分的设计。
机械部分的设计，根据SCARA机器人结构的特点，三个旋转关节和一个升降关节， 完成了设计机器人的整体机械传动结构、交流伺服电机的选型和各个零件的设计计算及 校核，并运用AutoCAD 绘制了总体装配图和部分零件图。
控制部分的设计，设计了以单片机为下位机控制机，PC机为上位控制机的二级体系 结构，从而完成对SCARA机器人的闭环控制。
在此控制电路中，下位机系统由单片机、 锁存器、外部扩展EPROM、译码器、伺服驱动器等组成，并完成了控制电路的硬件配线。
下位机和上位机的数据交换，需通过 MAX202CPE 作为中间元件来完成通讯，从而从 PC 机中获得动作指令。
关键词：SCARA 机器人,控制器,单片机,伺服电机ABSTRACTWith the continuous development of industrial automation, the modern electromechanical equipment can exist control circuit board, board has many chip plugins require accurate in assembling a insert the chip. In mass production, circuit board production line this take chipinsert the chip assembly action an hour to do thousands of times, only to meet such a high assembly robot rhythm, high requirement of production tasks. Robot has all kinds of joints in the form of electronic assembly robot in vertical direction plugin required in the arm has very high rigidity, and flexible motion in a horizontal direction. Industrial robot have been widely used in industrial production of various sectors, such as mining, spraying, welding, medical and so on various fields. With the industrial robot appear, it replaced the people's heavy constantly labor, greatly improving the productivity and reduce the labor intensity of the people, in addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, increasingly reflects its superiority.The aim of this project is to conceive, design a kind of form and power smaller, suitable for in the production line in a program specified action to demand the assembling accuracy of complete circuit board assembly of small industrial robots plugins, and has the good efficient and performance/price ratio. This subject is the design of vertical joints 4dof plugin assembly robot, also called SCARA robot, robot design for the mechanical design and control interface part of the design.The design of mechanical part, according to the characteristic of structure of SCARA robot which have three rotating joint and a lift joints, completed the design of robot mechanical transmission structure, the selection of ac servo motors and each part of the design calculation and check, and use AutoCAD mapped the general assembly drawing and part drawing.Control part of the design, design with the single chip microcomputer as the next place machine control machine, the PC for upper secondary system control machine structure, thus completing the SCARA robot closed loop control. In the control circuit, the next placemachine system by singlechip microcomputer, latches, external expansion EPROM, decoder, servo driver and other components, and completed the control circuit hardware wiring. A machine and the upper machine under the data exchange, need to pass MAX202CPE as components to complete the communication among, thus from PCS get motion commands.Key Words: SCARA Robot, Controller, Single Chip, Servo motor目录1. 绪论 (1)1.1 工业机器人的发展及研究现状 (1)1.2 SCARA 机器人概述 (4)1.3 本课题研究意义 (4)1.4 总体方案 (5)2. 机械部分设计 (6)2.1 控制用电机的种类 特点和选型 (6)2.2 伺服电机减速机的配型 (7)2.3升降臂传动的设计及部件的选择与校核计算 (8)2.4大小臂的设计 (17)2.5大小臂关节的设计及校核计算 (17)2.6末端执行器的设计 (18)2.7机器人的传感器 (19)3 机械标准件的选型与校核 (21)3.1 销连接的选型与校核 (21)3.2联轴器的选型与校核 (21)3.3轴承的分类及选用 (23)3.4键的分类及选用 (26)4.系统控制部分设计 (28)4.1控制系统的整体结构 (28)4.2单片机的选型 (28)4.3单片机系统硬件设计 (29)4.4控制系统的硬件安装与配线 (30)4.5单片机控制方案 (31)5.结论 (33)5.1 总结 (33)5.2 展望 (33)参考文献 (34)致谢 (35)1. 绪论1.1 工业机器人的发展及研究现状机器人自诞生之日起，就显示出了其强大的生命力。
一种的4自由度全柔性机构的设计和分析
一种的4自由度全柔性机构的设计和分析作者简介：胡卫华（1969-），男，助工，研究方向：机械制造与机构学。
微动机器人是目前器人研究领域中的热点课题之一。
微动机器人运动精细，可达亚微米甚至纳米级的定位精度，在生物、医疗科学、微细加工、航空航天等领域有着广阔的应用前景。
为此设计分析满足特定要求的新型微动机器人机构就显得尤为重要。
设计一种的4自由度4-RRUR全柔性机构并对其进行了运动学分析、静态结构分析和模态分析。
标签：微动机器人；柔性铰链；4-RRUR全柔性机构；有限元分析1概述柔性机构作为一种高精度的位移传递机构，广泛地应用于各种微位移平台，已成为国内外研究的热点。
而柔性铰链式微位移机构具有结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间、无爬行、机械谐振频率高、抗震动干扰能力强等优点，采用压电陶瓷驱动器进行驱动则很容易实现高分辨率的位移。
全柔性机器人机构是一种具有复杂结构的柔性机构。
它通过用柔性铰链代替所对应的全部传统铰链，并利用柔性铰链的变形产生运动。
该类机构可设计成一体化的结构，进而在降低制造与装配成本的同时还可实现很高的定位精度。
2柔性铰链的选型与设计柔性并联机构是并联微动机器人的主要机构构型之一，在机构学领域，首先要讨论的一个问题就是机构结构即所谓的“型”，具有满足转角最大的椭圆型柔性转动副及相当于轴线相交于一点的两个转动副的虎克铰结构。
其结构图分别如图1和图2。
3一种的4自由度4-RRUR全柔性机构的设计与比较4-RRUR并联机构简图如图3所示。
该并联机构由一个定平台、一个动平台以及四个相同的支链对称放置构成。
其中每条支链有一个转动副和一个万向节并通过转动副分别与定平台和动平台连接，能实现X、Y、Z上移动和绕Z转动4个自由度运动。
图34-RRUR并联机构简图采用替换法将图3简图中的运动副用相应的柔性运动副替换。
柔性转动副采用椭圆弧切口、双轴形运动副及柔性虎克铰来代替简图中的运动副。
考虑使动平台实现4自由度明显运动，在柔性支链与动平台接触较近处的转动副给出两种设计方案如图4所示。
四自由度scara机器人系统机构设计及运动学分析
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ｍｅｔｈｏｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＳＣＡＲＡ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄ￣ｈ ｐａ￣
ｒａｍｅｔｅｒ ｍｅｔｈｏｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ａｔ ｌａｓｔꎬ Ｍａｔｌａｂ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｃａｒ￣
四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现
四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现首先，四自由度多用途气动机器人的结构设计包括机器人的机械结构和气动元件的选择。
机械结构应尽量简单、紧凑，以减少机器人的体积和重量。
同时，机械结构应该能够实现机器人的各种运动，如平移、旋转和弯曲等。
为了实现这些运动，可以采用链式结构或并联结构。
链式结构由多个连接件组成，通过连接件的运动实现机器人的运动。
并联结构由多个执行器和驱动器组成，每个执行器驱动机器人的一个运动自由度。
气动元件的选择应根据机器人的需求和工作环境来确定，常用的气动元件有气缸和气动执行器等。
气动元件具有体积小、重量轻、响应快等优点，适合用于多自由度机器人的驱动。
其次，四自由度多用途气动机器人的控制实现包括机器人的运动规划和运动控制。
机器人的运动规划是指确定机器人在工作空间中的轨迹和姿态。
一般可以通过运动学模型和逆运动学模型来实现机器人的运动规划。
运动学模型描述了机器人的姿态和轨迹之间的关系，逆运动学模型则反过来计算机器人的关节角度和末端姿态。
运动控制是指控制机器人按照规划的轨迹和姿态进行运动。
控制方法可以采用开环控制或闭环控制。
开环控制是通过预先设定的轨迹和姿态来控制机器人的运动，闭环控制则通过传感器反馈来调整机器人的运动。
根据机器人的需求和控制精度要求，可以选择适合的控制方法。
综上所述，四自由度多用途气动机器人的结构设计和控制实现是一个相互关联的过程。
机械结构应能够实现机器人的各种运动，气动元件的选择应根据机器人的需求和工作环境来确定。
机器人的运动规划和运动控制则是必不可少的，可以通过运动学模型和逆运动学模型来实现机器人的运动规划，通过开环控制或闭环控制来实现机器人的运动控制。
通过合理的结构设计和控制实现，四自由度多用途气动机器人可以完成各种任务，具有广泛的应用前景。
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表 4-2 减速器弯矩刚性和轴端尺寸
弯矩刚性 Nm/arc.min.※3
117 372 931 1176 1176 1470 2940 4900 7448
a 17.6 20.1 29.6 33.4 37.4 32.2 47.8 56.4 69.0
尺寸(mm)
b 91.6 113.3 143.7 166.0 166.0 176.6 210.9 251.4 292.7
减速器 RV-20E 满足所有要求规格，因此选定 RV-80E-10。
4
0
3
40 N em 60
tem
8274次
外部负载条件 W1=500 N L1=0.5m W2=2000N L3=0.5m 求出力矩刚度 求出输出轴偏角是否符合要求的规定值
W11 W2 3 M t 103
0.58
（4-9） （4-10）
型式
RV-6E RV-20E RV-40E RV-80E※1 RV-80E※2 RV-110E RV-160E RV-320E RV-450E
50KG 四自由度机器人设计报告
1.1.1 电机选择
码垛机器人腰部由于负重较大，所以要求旋转的速度不宜过快，因此要选择中速或
者低速电机。
设机器人腰部绕其中心轴的转动惯量为 J，根据机器人的静力学分析，取大臂小臂
极限长度 L，可得其转动惯量为：
J ML2 3
（4-1）
其中 M 是腰部所要承受的重量，为 200Kg，L 为 1m，通过计算得其转动惯量为
K
N0 Nm
T0 Tm
3.
41862h 20000h
Tem=3000 Nem=20
tem=0.05
（4-6） （4-7）
（4-8）
2
Lh 远大于 20000 小时
求出输出转速
最大输出转速 10r/min<75r/min（RV-80E 减速器允许最高输出转速）
求出启停转矩
66.7 Kg m 2
电机转矩
T J
（4-2）
回转加速度
2 rad s 2
（4-3）
带入求出力矩： 电机的转动惯量
T J 66.7 2 419 N·m
J J G 2 i2
（4-4）
取减速比 i=153，带入求出电机的转动惯量
JG2
J i2
66.7 1532
T1=1000N·m<1960N·m（RV-80E 减速器的启动时允许转矩）
T3=1000N·m<1960N·m（RV-80E 减速器的停止时允许转矩）
求出紧急制动力矩
Tem=3000N·m<3920N·m（RV-80E 减速器的瞬时最大允许转矩）
求出主轴承承载力
10
C em
775
5
T Tem
1T1
3
t 2 N 2T2 3
t 3 N 3T3 3
t1N 1 t2N 2 t3N 3
求出平均输出转速
510 N·m
Nm
t1N 1 t2N 2 t3N 3 t1 t2 t3
9 r min
暂时选定 RV-80E-10
计算减速机寿命是否满足要求的规格值
10
Lh
式中 MT 为弯矩刚性，查表 4-2，得 MT=1176N·m
3
=0.58(分)<1(分)符合要求。
求出外力矩
2 L b a 0.6326m （b.a 从表 4-2 查得）
（4-11）
Mc
W1L2 W2L3 1000
（4-12）
1316.3N·m 2156N·m (允许弯矩从表 4-3 查得)
1.1.2 减速器的选择
码垛机器人腰部的旋转需要克服的负载转动惯量比较大，所以在负载和驱动电机之 间要用有比较大传动比的减速装置。[2]考虑到码垛机器人体积结构、传动精度和经济性 等要求，本文设计的机器人减速装置采用 RV 减速器。RV 减速器具有传动比较大、结 构简单、体积较小、重量较轻、效率高、运转平稳、过载能力强、使用寿命较长等优点， 能够满足码垛机器人的各种要求。 选减速器所需各种数据如表 4-1 所示
表 4-1 减速器选型条件
启动时（max）
稳定时
停止时（max） 紧急停止冲击时
负载转矩(N·m) 转速(r/min) 时间(sec)
T1=1000 N1=5
t1=0.5
T2=0 N2=10 t2=4.2
T3=1000 N3=5
t3=0.5
确定负载特性 求出平均负载转矩
10
10
10
Tm
10 3
t1N
0.0028
Kg·m2
电机的转矩
Td
T i
（4-5）
带入求出电机转矩
Td
T i
429 153
2.7
N·m
1
根据以上计算结果，可以初步选定伺服电机，根据日本安川伺服电机公司提供的参 数，选取Σ-V 系列的 SGMGV-20A 型电机，额定输出为 1.8KW，额定转矩为 11.5N·m， 瞬时最大转矩为 28.7N·m。
型式
RV-6E RV-20E RV-40E RV-80E※1 RV-80E※2 RV-110E RV-16减速器允许弯矩和允许轴向推力
允许弯矩 Nm 196 882 1666 2156 1735 2940 3920 7056
允许轴向推力 N
1470 3920 5194 7840 7840 10780 14700 19600