五轴机器人主体结构毕业设计及运动仿真

摘要

工业机器人是一种集多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装

备，随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也在不断扩大。虽然近年来我

国工业机器人的需求量逐年增加，但目前国产的机器人大多还需要进口，这与我国

快速的发展的工业水平不相适应。

本文以FES TO柔性生产线装配工作站的三菱工业机器人为基础，针对五轴工业机器人的主体结构进行设计，其中包括各运动关节电机和传动机构的选型设计；机

器人主体机构三维建模；机器人关键零部件的三维建模和工程图绘制；通过机器人

手腕、前臂、后臂、立柱和底座这几部分的结构设计及运动仿真，探讨在solidworks 软件环境下, 建立了机械手臂的三维实体建模、虚拟装配、动态模拟和干涉检查, 并运用solidw orks的motion模块进行机械手臂的运动仿真,实现Solidworks软件环境下机械手臂的虚拟设计。本设计的工业机器人采用交流伺服电机及带传动的工作

方式，机器人传动环节减少，结构简单，提高了系统的精度，减少维护工作量，同

时也简化了生产工艺，降低了生产成本。

关键词：工业机器人、结构设计、仿真模拟、solidworks

Abstract

The industrial robot is a set of advanced technologies in the integration of multidisciplinary

important modern manufacturing equipment, with the development of science and technology, the

industrial robot applications are constantly expanding. Although in recent years the demand robot of

our country increases year by year, but at present homebred robot also need to be imported, and this

does not suit to China's rapid industrial development level.

This paper is based on the Mitsubishi industrial robot of FESTO flexible manufacture system

assembly workstation based on five axis robot, structure design, including the movement of each

joint motor and transmission mechanism design of the robot body mechanism; 3D modeling; robot

key parts of the 3D modeling and engineering drawing; through the robot wrist, forearm, arm a

column and a base, the parts of the structure design and the movement simulation, discusses in the

SolidWorks software environment, to establish a mechanical arm of the 3D solid modeling, virtual

assembly, dynamic simulation and interference check, and by using the SolidWorks motion module

for mechanical arm movement simulation, implementation of Solidworks software environment for

virtual design of mechanical arm. The design of the industrial robot driven by AC servo motor and

belt transmission mode, the robot transmission link is reduced, and has the advantages of simple

structure, improve the precision of the system, reduces the maintenance workload, but also simplifies

the production process, reduce the production cost.

Key words: industrial robot, structure design, simulation, SolidWorks

V

第一章绪论

目录 (1)

1.1 选题背景 (1)

1.2 国内外研究综述 (2)

1.3 研究现状 (4)

1.4 研究意义 (7)

第二章设计选型 (8)

2.1 机构选型 (8)

2.1.1运动机构 (8)

2.1.2 传动机构 (10)

2.1.3控制机构 (11)

2.2电机选型 (13)

第三章机械部分设计 (18)

3.1 设计内容 (18)

3.1.1机器人手腕设计 (18)

3.1.2机器人前臂设计 (20)

3.1.3机器人后臂设计 (22)

3.1.4机器人立柱设计 (24)

3.1.5机器人底座设计 (27)

第四章机器人装配及运动仿真 (29)

4.1 机器人装配 (29)

4.2机器人运动仿真 (42)

第五章市场前景 (44)

5.1 市场分析 (44)

第六章总结与展望 (45)

6.1总结 (45)

6.2展望 (45)

致谢 (46)

参考文献 (47)

第一章 绪 论

1.1 选题背景

工业机器人是一种集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科

先进 技术于一 体的现代 制造业重 要的自动 化装备。 我国工业机 器人研究

开始于20 世纪80 年 代中期，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，已经基本

实现了实验、引进到自主开发的转变，促进了

我国制造业、勘探业等行业的发展 。

但随着我国 门户的逐渐开放， 国内的工业机器

人产业面临着越来越大的竞争 与冲击。虽然我国机器人的需求量逐年增加，但目前生产的机器人还很难达到所要 求的质量，很多机器人的关键部件还需要进口。所以目前来说，我国还处在一个机 器人消费型的国家。

我国现有的机器人研究开发和应用的工程单位超过200家，其中从事工业机器

人研究和应 用的超过80 家。基本掌握了操作机的

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，开发出弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，

目前生产的 各类工业机器人中有90%以上用于生

产中 。近年，我国机器人市场保 有量将增至48600 台，年销售额约90 多亿元。根据发

达国家产业发展与升级的历 程和工业机器 人产业化发展趋势预测，到2015 年

，我国机器人市场容量将达十几

万台套 。 现代 制造业中 , 自动化 程度要求 非常高, 各种机械 手臂在现 代自动化

生产线 中扮演着十分重要的角色。例如, 挖掘机本身就是一个液压驱动的机械手臂、汽车 生 产 过 程 中 的 喷 漆 机 器 人 、 海 洋 水 下 生 产 系 统 安 装 时 用 到 的

ROV(Remotely

Operated Vehicles)等, 各种设备中机械手臂的设计成为关键技术 。 在机 械手臂的 设计及控 制过程中 , 机械手 臂的运动 轨迹及 作业空间

是关键的 参数, 目前求解的方法主要有解析法、图解法、数值法等。解析法表达式过于复杂, 直观性不强, 不适于工程实际应用；图解法采用正投影原理, 把机械手的作业空间 问题转化为平面几何问题来处理, 得到的是作业空间的各类剖截面或剖截线。这种 方法 直观性强 , 但受到 自由度数 目的限制 , 当关节 数较多时图 解过程就

变得非常 复杂, 必 须进行分组处理；数值法首先计算机械手

作业空间边界曲面上的特征点, 然后 用这些点 构成的线 表示机械 手的边界 曲线, 最 后用这些边 界曲线构

成的面来

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表示机械手的边界曲面, 此方法通用性强,但计算量非常大

。 本 文以五自 由度机 械手臂为 例, 探 讨在solidworks 软

件环境 下, 建立 机械手 臂的三维实体建模、虚拟装配、动态模拟、干涉检查, 并运用solidworks 的motion 模块 进行机械 手臂的运 动仿真, 以期仿真 出机械手 臂的运动轨 迹及作业

空间, 实 现Solidworks 软件环境下机械手臂的虚拟设计。

1.2 国内外研究综述

随着工业机 器人发展的深度和广度， 以及机器

人智能水平的提高，工业机器 人已在众多领域得到了应用。自从20 世纪60 年代初人类创造了第一台工业机器人 以后，工业 机器人就显示出它极大的生命力，在短短

50 年的时间中，工业机器人

技术得到了迅速的发展 。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制 造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制 造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器 人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。其标准化、模块化、 网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，正在向着成套技术和装备的方

向发展 。

随着科学与 技术的发展， 工业机器人的应用领

域也不断扩大。目前也已开始 扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服 务业领域中。如，水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压 线作业机器人。即工业机器人的应用向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化

扩展 。随着人 们生活水平的提高及文化生活的日益

丰富多彩， 未来的机器人将 为提高人类的生活质量发挥越来越重要的作用。

在国内，工业机器人产业势头十分强劲。首先是我国汽车工业的高速发展，对

汽车制造装配 提出了大量的需求。2000 年开始， 受国家宏观调控及居民消费水平

提高 的影响，我国汽车 工业发展进入了一个历史性的高速增长期 。

针对这种局 面，国内汽车自主品牌生产厂家纷纷加大研发和投资力度。工业机器人是汽车生产 中的一种主 要的自动化设备， 在整车及零部件生

产的弧焊、点焊、喷漆、搬运、 涂胶等工艺中有大量应用，整个行业的增产扩能增加了对工业机器人的需求。除了 汽车行业， IT 行业、材料处理等行业的发展也给

工业机器人发展提供者巨大的动 力。

［ ］ ［ ］ ［ ］ ［ ］ ［ ］

其次是我国的劳动力成本的变化。随着我国经济持续的增强，劳动力供应格局

已经开始发 生变化。劳动力由供远大于求向供求平

衡发展， 工人对薪资和工作条 件提出了更高的要求。这种转变促使企业认识到必须通过改进机器设备，提高技术 和资金的密 集度以尽量减少用工量， 其中工业机 器人成为应对这一转变的主要手 段 。最后是提高产品质量的需求。持续的

经济强劲增长，尤其是对外出口以及 国内外资企 业对质量的严格要求， 逼迫产业界开

始重视工业机器人在提高生产效 率同时提高产品质量中所起的巨大作用。所以近年来许多企业越来越重视生产中工 业机器人的使用，从而提高了企业的竞争力。

近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发

展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提 出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的 非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外

感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向 。

（1）水下机器人：美国的AUSS 、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD 等水下机器 人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、 以及大坝检 查等方面，形成了有缆水下机器人

（remote operated vehicle ）和无 缆水下机器人（autonomous under water vehicle ）两大类。

（2）空间 机器人：空间机器人一直是先进机器

人的重要研究领域。目前美、 俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA 的空间机器人Sojourner 等。 Sojourner 是 一辆自主移动车，重量为11.5kg ，

尺寸480~630mm ，有6个车轮，它在 火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。

（3）核工 业用机器人：国外的研究主要集中在

机构灵巧，动作准确可靠、反 应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动 机器人。已完成的典型系统，如美国ORML 基于机器人的放射性储罐清理系统、反应 堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手 等。

（4 ）地下机器人：地下机器人主要包括采掘

机器人和地下管道检修机器人两 在类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通 信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等 大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。

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（5）医用 机器人：医用机器人的主要研究内容

包括：医疗外科手术的规划与 仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场 感外科（telepresence surgery ）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。 法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics ）计划、袖珍 机器人（biomed ）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得 一些卓有成效的结果。

（6）建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、 预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实 际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器 人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工 方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。

（7）军用 机器人：近年来，美、英、法、德等

国已研制出第二代军用智能机 器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场 上具有看、 嗅和角摸能力，能够 自动跟踪地形和

选择道路，并且具有自动搜索、 识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab 自主导航车、SSV 半自主地面战车， 法国的自主式快速运动侦察车（DARDS ），德国MV4

爆炸物处理机器人等。目前美国 ORNL 正在研制和开发Abrams 坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机 器人。

可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成

为人类良好的助手和亲密的伙伴 。

1.3 研究现状

2009年汽车行业大量投资，尤其是亚洲，增加了机器人的装备量。2009年，中 国超越美国成为全球最大的汽车市场。中国还是最大的生产工厂，具有非常大的增

长潜力，中 国消费市场增长迅速，来自中国的需求

直接影响全球经济的复苏 。 几乎全部行业都从增长的需求（包括各种消费品）中受益。由于政府的经济刺激计 划和货币政策的放宽，中国经济从全球经济危机中复苏得异常快速。

2009年， 弧焊是最重要的应用，占工业机器人

市场总份额的37%，2009年约为 2000台，增加了12%。在2006年至2009年间，该领域应用从850台左右持续增加至2000 台。点焊应用也从2006年开始增加，2008年激增126%，增至1600台，占工业机器人

［ ］ ［ ］

市场总份额的2 0%。而2009年，该应用下降了61%，降至

610台。另外，激光焊应用 也在2008年 有明显的增加，在2009年大幅下降，下

降了26%，约为2700台，占工业 机器人市场总份额的49%，比2008年的46%有所增加。装卸和上下料机器人数量下降 了46%，约为1600台。作为主要的机器人装卸应用领域，塑料成型应用降至652台， 下降了62% 。这与2008年橡胶和塑料行业日益恶化

的经济形势有关。尽管营业额在 2009年 又有所增 加，但机 器人方面 的投资 仍在缩减 。物料搬 运机器人

在2005年到 2008年期间有大幅增长，而在2009年下降了31%，降至563台，占总供应量的10%。 2009年， 码垛、包装及拾放机器人从190台上升至

283台，增长了近50%。这与食品 及饮料行业的投资增加有关，其主要客户也在该应用领域，质量和卫生方面要求的 提高推动了该

行业的自动化。封胶机器人小幅增加了2%；喷涂机器人增加了14%， 达到380台

。而密封和涂胶机器人下降了38%（61台）。喷涂机器人主要用于汽车行

业，2009年在机器人装配方面的投资仍集中于某些特殊应用 。 从2005年到2008年，洁净机器人应用持续增长，2009年下降了41%，这与2009 年半导体市场的萎缩有关。装配机器人增长了13%，增至124台。虽然从2005年开始 每年的供应持续增加，但数量仍较小。用于加工的机器人不足总供应的1% 见图1-1） 。

从机器人的安装情况以及机器人制造商提供的数据来看，我们可以从行业角度 进行粗略的分析。用于焊接、喷涂及各种装配操作的机器人主要安装于汽车行业， 2009年该应用领域占所有机器人总量的50%。橡胶和塑料行业占15%左右。洁净机器 人主 要用于电 子零部件 行业，用 于电气/ 电子行业 （包括通信 ）的机器

人约占10% 至15% 。金属及 机械行业 约占15%。 食品及饮 料行业占 3%，制药及 化妆品行

业占1% 左右。与2008年相比，2009年大多行业机器人的安装量都有所减少。金属行业和制 药及化妆品行业中机器人的应用稍有增加。食品及饮料行业的应用大幅增加，但数 量仍较少。

［ ］ ［ ］

图 1-1

中国机器人增长趋势图 随着计算机 技术不断向智能化发展， 机器人应

用领域的不断扩展和深化以及 在系统中的 群体应用， 工业机器人在不断向着智 能化方向发展，以满足多样化、

个性化的需 求，并适应多变的非结构环境作业，向

非制造领域进军 。工业机器 人向智能化 、模块化和系统化的方向发展，其发展

趋势主要为： 结构的模块化的 可重构化、控制技术的开放化、PC 化和网络化、伺服驱动技术的数字化和分散化、 多传感器融合技术的实用化、工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络 化和智能化 等方面。工业机器人技术主体的发展目

标是： 瞄准国际前沿高科技发 展方向， 创新性地研究和开发工业机器人技术领

域的基础技术、产品技术和系统 技术。通过发展工业机器人技术，提高我国制造业乃至整个工业的装备技术水平， 促进装备制

造业的结构调整与产品的升级换代， 带动全行业的科技进步与产业提 升，扩大非制造领域机器人技术的应用，增强我国的国家安全与综合国力。实现跨 越式发展，建立若干机器人技术工程研究开发中心，提高技术和产品开发与自主创 新能力，形成我国机器人技术产业化发展的技术源头。

随着工业机 器人发展的深度和广度， 以及机器

人智能水平的提高，工业机器 人已在众多领域得到了应用。自从20 世纪60 年代初人类创造了第一台工业机器人 以后，工业 机器人就显示出它极大的生命力，在短短 50 年的时间中，工业机器人

技术得到了 迅速的发展 。目前，工业机

器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制 造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制 造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器

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