三自由度圆柱坐标工业机器人
三自由度圆柱坐标型工业机器人设计34498
综合运用所学知识,搜集有关资料 独立完成三自由度圆柱坐标型工业机 器人操作机和驱动单元的设计工作。
原始数据：自动线上有Ａ，Ｂ两条输 送带之间距离为1.5m，需设计工业器
人将一零件从A带送到B带。 零件尺寸：内孔 ￠100，
壁厚 10，高 100。 零件材料：45钢。
零件实体图
总体方案： 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最 主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧 的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设 计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需 求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱 动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利 用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与 滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动； 考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用 液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则 采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动
必须为工业机器人和周边设备安装安全护栏，以防止人靠近 而造成伤害。工业机器人的动作范围不能超越护栏。
在护栏出入口的门上必须设置插拔式电接点点开关，其插座 有导线与控制系统的电路连接。只有拔下开关的插头，才能 打开对应的门。这时，工业机器人及周边设备停止运转，并
且将工业机器人锁定在示教模式。
在距操作者的地方设置紧急停止开关。按下此开关，工业机 器人和有关的设备立即停止运转。
杆一起转动。
腰部和基座设计 : 通过安装在支座上的步进电机和 谐波齿轮直接驱动转动壳体转动，从 而实现机器人的旋转运动，通过安装 在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠 丝杠转动实现手臂的上下移动。采用 了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝 杠上转动，确保手臂随机座一起转动。 支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省
谢谢各位老师!
三自由度圆柱坐标型工业机器人设计
三自由度圆柱坐标型工业机器人设计引言工业机器人在现代制造业中起着至关重要的作用。
圆柱坐标型工业机器人是一种具有三个自由度的机器人，它可以在三维空间内进行精确的定位和操作。
本文将着重讨论三自由度圆柱坐标型工业机器人的设计原理和关键技术。
一、设计原理三自由度圆柱坐标型工业机器人的设计原理基于坐标变换。
它由一个立柱状的垂直轴和一个平行于地面的基座组成。
机器人的主要部件包括立柱、支撑臂、关节和末端执行器。
机器人的立柱可以在垂直方向上运动，提供Z轴位移。
支撑臂位于立柱的顶部，可以绕水平方向的Y轴旋转，提供Y轴位移。
末端执行器连接在支撑臂的末端，可以绕垂直方向的Z轴旋转，提供X轴位移。
二、关键技术1.位置传感器：为了实现精确的定位和操作，对机器人的运动进行准确的测量是必不可少的。
位置传感器可以用来测量机器人各个关节的角度以及末端执行器的位置信息。
2.逆运动学：逆运动学是指通过末端执行器的位置和姿态计算出机器人各个关节的角度。
通过逆运动学算法，可以实现机器人在三维空间内的精确定位。
3.控制系统：控制系统是三自由度圆柱坐标型工业机器人的核心。
它接收来自传感器的反馈信息，计算机器人的位姿，并输出相应的指令控制机器人的运动。
控制系统需要具备实时性和稳定性，以确保机器人的运动精度和安全性。
4.动力学分析：动力学分析可以帮助我们理解机器人在运动过程中的力学特性。
通过动力学分析，可以确定机器人在给定任务下所需的扭矩和力，并进行相应的力矩配平和选型。
三、设计步骤1.确定任务需求：在开始机器人设计之前，首先需要明确机器人所要完成的任务和工作环境。
2.选择结构参数：根据任务需求和工作环境，选择机器人的结构参数，包括立柱高度、支撑臂长度和末端执行器负载能力等。
3.逆运动学分析：根据机器人的结构参数和任务需求，进行逆运动学分析，得到机器人各个关节的角度和末端执行器的位姿。
4.控制系统设计：设计机器人的控制系统，选择合适的控制算法和硬件设备，实现机器人的运动控制和姿态调整。
圆柱坐标型三自由度机械手设计及其控制
2.1.3 控制机构 在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，
也有用 PLC 进行控制，主要控制的是坐标位置。
2.2 机械手的规格参数
抓重：2kg 自由度：3 个 坐标形式：圆柱坐标式 输入电压：220V 或 24V 功率：50W 伸缩行程（X）： 200mm 伸缩速度： 3mm/s 升降行程（Z）： 200mm 升降速度： 3mm/s 回转范围： 0-270 度 回转速度： 20° / s
4 珠丝杠螺母副的选型 ........................................ 10
4.1 提升机构滚珠丝杠副的计算及选型 ................................. 10 4.2 伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型 ................................. 13
3.1 手部设计基本要求 ................................................. 4 3.2 手部手部力学分析 ................................................. 5 3.3 夹紧力与驱动力计算 ............................................... 5 3.4 手爪夹持范围计算 ................................................. 7 3.5 手爪夹持精度的计算 ............................................... 8
2.1 机械手组成 ..................................................... 2 2.2 机械手的规格参数 .............................................. 10
工业机器人技术基础 工业机器人的分类-根据坐标系分类
——笛卡尔坐标系机器人
学习目标
直角坐标机器人
直角坐标型机器人的机械结构形式和特点
圆柱坐标机器人
圆柱坐标系型机器人的机械结构形式和特点
球坐标机器人
球坐标型型机器人的机械结构形式和特点
关节坐标机器人
关节坐标型三种形式机器人的机械结构形式和特点
直角坐标机器人
• 定义：
直角坐标型机器人是一种最简单的结构，其手臂按直角坐标形式配置，即通过三 个相互垂直轴线上的移动来改变手部的空间位置.
• 运动学模型简单； • 末端执行器可以获得较高的速度； • 直线部分可采用液压驱动，可输出较大动
力 • 能够伸入型腔式机器内部 • 相同工作空间，本体所占空间体积比直角
坐标式要小。
• 缺点：
• 手臂可以到达的空间受限 • 末端执行器外伸离立柱轴心越远，
线位移分辨精度越低 • 后臂工作时，手臂后端会碰到工
多品种，便批量的柔性化作业
直角坐标系机器人
悬臂式
分类Leabharlann 龙门式直角坐标机器人
• 悬臂式机器人：
定义：
y
约束在平行于笛卡尔坐标轴x、y、z的方向上移动
特点：
腕的俯仰 z
长度有限，刚性差 约束少，重复性高
腕的横滚
腕的偏摆
腕的横滚
腕的偏摆
x
直角坐标机器人
• 龙门式机器人：
定义： 机座固定于可移动的平面 特点： 精度高、大负载
• 缺点：
• 该坐标复杂，轨迹求解较难，难于控制 • 转动关节在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量
关节坐标机器人
• 定义：
关节机器人一般由多个转动关节串联起若干连杆组成， 其运动由前后的俯仰及立
三个自由度工业机器人
工业机器人课程作业报告院（系）名称：机电工程学院作业题目：三自由度圆柱坐标工业机器人班级：姓名：学号：目录1.作业要求 (3)1.1作业目的 (3)1.2作业数据 (3)1.3运动功能图符号(本次作业圆柱坐标型) (3)2.总体设计 (4)2.1组成和关系 (4)2.2设计分析 (4)3.机械系统的设计 (5)3.1末端执行机构设计 (5)3.2手臂机构的设计 (6)3.3机座机构的设计 (7)4.附件 (8)4.1总装图 (8)1.作业要求1.1作业目的1：综合运用所学只是，搜集有关资料，独立完成三自由度圆柱坐标工业机器人操作机和驱动但愿的设计工作。
如驱动元、传动机构、腰身、手臂、手腕、手抓、关节、抓钳尺寸、开合力大小等，至少设计两种以上方案。
(注意：此处无需考虑传感器，控制部分和力学计算)1.2作业数据1：自动线上A、B两条输送带之间距离为1.5米，需设计工业机器人将一个零件从A带送到B带。
2：零件尺寸：内孔Φ100、壁厚10、高100。
3：零件材料：45钢1.3运动功能图符号(本次作业圆柱坐标型)表1-1 运动功能图符号(GB/T12643-90)2.总体设计2.1组成和关系工业机器人在GB/T12643-90定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”由执行系统、驱动系统、控制检测系统及检测系统组成。
a)机械系统：是执行完成抓取工件，实现抓取动作的必需的机构。
内容保函如下：手部(末端执行器)：直接抓取工件或夹具机构。
臂部：支承腕部的机构，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。
腕部：连接手部和臂部的机构，作用为调整及改变手部的动作。
机座：是机器人的基础部件支承手臂的部件，并承受相应的载荷，作用是带动臂部转动、升降动作。
b)驱动系统：为执行系统提供动力。
常用传动方式有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。
c)控制系统：控制驱动系统，使执行系统按照产品的要求以及抓取的工件要求进行相应的动作，当发生系统错误或执行故障时发出提示报警信号。
圆柱坐标型机器人通过
圆柱坐标型机器人的运动规划和控制引言圆柱坐标型机器人是一种常见的工业机器人。
它可以通过旋转基座和伸缩式臂架的组合来实现在三维空间内自由移动和定位。
圆柱坐标型机器人在物流、生产线和仓储等领域起着重要的作用。
在本文中，我们将研究圆柱坐标型机器人的运动规划和控制方法。
运动规划运动规划是指确定机器人在工作空间中的运动轨迹的过程。
圆柱坐标型机器人具有三个关节，分别是旋转基座关节、臂架关节和末端执行器关节。
这三个关节的运动规划是机器人运动规划的核心。
正向运动学正向运动学是指根据机器人各个关节的位置和姿态，推导机器人末端执行器相对于基座标系的位置和姿态的过程。
对于圆柱坐标型机器人，正向运动学可以通过矩阵变换来实现。
具体计算方法可以参考相关的数学和几何学原理。
逆向运动学逆向运动学是指根据机器人末端执行器的位置和姿态，反推机器人各个关节的位置和姿态的过程。
对于圆柱坐标型机器人，逆向运动学的求解方法相对复杂。
可以通过迭代算法和数值计算来实现。
路径规划路径规划是指确定机器人从起始位置到目标位置的最优路径的过程。
对于圆柱坐标型机器人，常用的路径规划方法包括最短路径、最小时间和避障路径规划等。
路径规划算法需要考虑机器人的动力学特性和工作空间的限制。
运动控制运动控制是指通过对机器人关节电机施加适当的控制信号，实现机器人按照规划的轨迹进行运动的过程。
圆柱坐标型机器人的运动控制通常包括速度控制和位置控制两种方式。
速度控制速度控制是指控制机器人各个关节以一定的速度运动。
基于速度控制的方法在某些要求机器人高速运动的场景下非常适用。
可以通过控制关节驱动电机的电压或电流来实现速度控制。
位置控制位置控制是指控制机器人各个关节以一定的位置运动。
位置控制可以精确地控制机器人末端执行器的位置，从而实现精确的定位任务。
位置控制可以通过PID控制器或其他控制算法来实现。
实时控制实时控制是指在运动过程中对机器人进行实时的控制调整。
圆柱坐标型机器人的实时控制可以通过传感器测量机器人关节位置和姿态，并将其与目标位置和姿态进行比较，从而调整控制信号实现实时控制。
机器人机身及行走机构
2．回转与俯仰机身：
机器人手臂的俯仰运动，一般采用活塞 缸与连杆机构实现。手臂俯仰运动用的 活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手 臂用铰链连接好，缸体采用尾部耳环或 中部销轴等方法与立机器人行走机构
1．行走机构的构成：
机器人行走机构通常由驱动装置、传 动装置、位置检测装置、传感器、电 缆和管路等构成。
构成：
主要由升降缸体、齿条缸、齿轮套筒、固定立柱和升降回 转台等部分构成。
工作原理：
回转运动：
齿条缸的齿条活塞杆直线运动→齿轮套筒6回转运动→齿轮 套筒6 和升降缸体2及升降回转台1固联→升降回转台1 回转
升降运动：
升降缸体2、齿轮套筒6、回转台1整个一起升降运动
齿条活塞缸—升降缸机构图例：
履带式行走机器人图例（1）：
履带式行走机器人图例（2）：
6．脚踏行走机器人：
脚踏行走机器人即步行机器人，典型特 征是不仅能在平地上，而且能在凹凸不 平的地上步行，能跨越沟壑，上下台阶， 具有广泛的适应性。主要设计难点是机 器人跨步时自动转移重心而保持平衡的 问题。
两足步行机器人图例：
控制特点：
四足机器人步行 时，一只脚抬起， 三只脚支撑自重， 这时有必要移动 身体，让重心落 在三只脚接地点 组成的三角形内。
四足机器人图例（2）：
四足机器人图例（3）：
7．其它行走机器人：
爬壁机器人： 车轮和脚混合式机器人：
行走机构设计的注意点：
平稳性-静态和动态的平稳 灵活性—转向、越障、爬坡
这种类型的机器人 主体结构的三个自 由度均为回转运动， 构成机器人的回转 运动、俯仰运动和 偏转运动。通常仅 把回转运动归结为 机身。
9、经验显示，市场自己会说话，市场永远是对的，凡是轻视市场能力的人，终究会吃亏的！21.9.1221.9.12Sunday, September 12, 2021
圆柱坐标式机器人具有几个自由度的特征
圆柱坐标式机器人具有几个自由度的特征圆柱坐标式机器人是一种常见的工业机器人类型，具有很多优势和特点。
圆柱坐标式机器人的自由度是指其能够在三维空间中自由移动和旋转的方向数量。
不同机器人的自由度数目不同，而该特征决定了机器人能够达到的不同位置和姿态。
在圆柱坐标式机器人中，通常有两个旋转自由度和一个线性自由度。
下面将详细介绍圆柱坐标式机器人具有的自由度特征。
1. 旋转自由度圆柱坐标式机器人的第一个旋转自由度是围绕垂直于地面的垂直轴旋转。
这个自由度允许机器人沿垂直方向上移动。
例如，机器人可以在不同的高度上操作和定位工件，从而适应不同的工艺需求。
圆柱坐标式机器人的第二个旋转自由度则是围绕垂直于自身轴的水平旋转。
这个自由度允许机器人在水平平面上进行旋转，从而实现工作空间扩展，使其能够到达更多的位置。
通过这两个旋转自由度，圆柱坐标式机器人可以在三维空间中灵活地移动和定位，以满足不同的生产需求。
2. 线性自由度除了两个旋转自由度，圆柱坐标式机器人还具有一个线性自由度，这允许机器人在垂直于地面的方向上进行上下运动。
线性自由度使得机器人能够改变工作高度，以适应不同高度的工件，从而实现更高的生产灵活性。
由于圆柱坐标式机器人在上述三个自由度上的灵活运动，使得它能够覆盖更大的工作空间，处理更多的工艺操作，并在不同的工业应用场景中发挥重要作用。
3. 相关特点除了上述的自由度特征，圆柱坐标式机器人还具有其他的特点。
首先，圆柱坐标式机器人结构相对简单、刚性强，适用于高精度的重复操作。
其次，圆柱坐标式机器人具有较高的可扩展性，可以根据实际需求进行系统集成和组合，实现更灵活的工作方式。
此外，圆柱坐标式机器人通常具有较大的负载能力和工作半径，适用于各种不同尺寸和重量的工件处理。
最后，圆柱坐标式机器人具有精准的定位和控制能力，能够提高生产效率和质量。
综上所述，圆柱坐标式机器人通常具有两个旋转自由度和一个线性自由度的特征。
这种机器人具备灵活的运动能力，适用于各种高精度的工业应用场景，并具有较大的工作空间和负载能力。
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三自由度圆柱坐标型工业机器人设计
学院：机电工程学院
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1.末端执行机构设计
采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图。
内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸1工作时，推动推杆2向下运动，使两钳爪3向外撑开，从而带动弹性爪4夹紧工件。
该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。
2.弹性爪的结构设计:
这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹性片两端。
当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可避免易损零件被抓伤、变形和破损。
3.手臂机构的设计
本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手
臂随机座一起转动。
它的结构如下图。
选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。
4.腰部和基座设计
1——支座，2——步进电机，3——谐波齿轮，4——转动机座5——支承槽钢梁，6——滚珠丝杠，7——导向柱，8——锥环无键联轴器
通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动壳体转动，从而实现机器人的旋转运动；通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。
采用双导柱导向，防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。
支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料，它的结构如上图。
5.驱动方式的选择
由上表知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的
优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，所以本设计采用它来实现机器人的旋转和上下移动。
选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。
由上表知,液压驱动方式反应灵敏,可实现连续轨迹控制,液体压力高，可获得较大的输出力,因此机器人的伸缩运动采用液压驱动方式来实现,从而使机器人容易找准工件。
它的型号为Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如下表
6.工业机器人的计算机控制系统概述
工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。
这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。
因此，机器人控制系统也是一个计算机控制系统。
控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业的要求。
在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。
在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。
7.工业机器人运行时应采取的安全措施
工业机器人能代替人在危险有害的环境中作业，但又给人另一种危险，即机器人伤人事故。
这是工业机器人安全管理的最为重要的一条原则。
此外，除了通用的工业安全规程外,还要注意工业机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。
对工业机器人应用工程的安全要求有如下几条：
必须为工业机器人和周边设备安装安全护栏，以防止人靠近而造成伤害。
工业机器人的动作范围不能超越护栏。
在护栏出入口的门上必须设置插拔式电接点开关，其插座有导线与控制系统的电路连接。
只有拔下开关的插头，才能打开对应的门。
这时，工业机器人及周边设备停止运转，并且将工业机器人锁定在示教模式。
在距操作者的地方设置紧急停止开关。
按下此开关，工业机器人和有关的设备立即停止运转。