第一篇：搬运机器人设计说明书
青岛科技大学本科毕业设计（论文）绪论
1.1研究背景与意义
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间[1-3]。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其
一、它能部分的代替人工操作；其
二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其
三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。
图1-1 生产线上的机械手
Fig.1-1 The manipulator on the production line
物料搬运机械手结构设计
进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，提高我国工业自动化水平势在必行。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作以保护人身安全，更显示其优越性，有着阔的发展前途。
1.2工业机械手的简史
用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其
一、它能部分的代替人工操作；其
二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其
三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，青岛科技大学本科毕业设计（论文）
受到机械工业的重视。
现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。
图1-2 世界上第一台工业机械手 Fig.1-2 The world's first industrial robots 1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate
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公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。
图1-3 六自由度机械手
Fig.1-3 Six degrees of freedom manipulator 德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。
1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA，该机器人具有四个轴和四个运动自由度，(包括绕X,Y,Z方向的旋转自由度和沿Z轴的平移自由度)。该系列的操作手在其动作空间的四个方向具有有限刚度，而在剩下的其余两个方向上具有无限大刚度。
如今SCARA机器人[4]还广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药
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品工业和食品工业等领域。它的主要职能是搬取零件和装配工作。它的第一个轴和第二个轴具有转动特性，第三和第四个轴可以根据工作的需要的不同，制造成相应多种不同的形态，并且一个具有转动、另一个具有线性移动的特性。由于其具有特定的形状，决定了其工作范围类似于一个扇形区域。
图1-4 日本的SCARA机器人 Fig.1-4 Japan's SCARA robot 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。
1.3国内外机械手研究现状与发展趋势
（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。
（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标
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准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器。
（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。
（7）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
1.4我国工业机器人的发展
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。
20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。
进入20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高技术浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、电焊、弧焊和搬运机器人。1986年，国家高技术研究发展计划开始实施，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。
从20世纪90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮。我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化
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机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。
物料搬运机械手结构设计 物料搬运机械手总体设计
设计一台工业机器人是一项复杂而又艰巨的任务，由于本人实践经验的缺乏和认识上的不足，因此在设计上不可能面面俱到。本次设计仅仅只设计机器人的总体机械结构，而对于控制系统以及细节部分如机械手设计等等不作详细的探讨。
2.1机械手的功能要求
能够快速、平稳、准确的夹起物料并完成搬运工作时物料搬运机械手的最基本的功能要求，这要求具备一定的精度，具有一定的承载能力，同时还有一定的工作空间。当然灵活的自由度和完成一定动作的平稳性也是必不可少的。在对于物料搬运机械手进行设计是，必须要根据机械手所要进行的动作，选择合适的机械手的结构，确定工作时序。应明确机械手搬运物料的重量和要满足的精度。进而确定机械手运动控制的要求，并且还要兼顾通用性和专用性的同时，尽量选用已经定型的标准组件，以实现机械手的模块化[5-7]。
本设计所要设计的机械手主要用生产线上某袋装化工产品的搬运动作。搬运物料的结构尺寸为400mm400mm300mm，重量为20kg。因此机械手的主要设计参数如下。
表2-1 机械手主要设计要求
Tab.2-1 The mainly design requirements of Manipulator
项目 自由度 最大回转角度 最小回转角度 最大工作半径 最大载荷 额定载荷 手爪最大行程
参数 3 240度 90度 960mm 30kg 20kg 410mm
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2.2确定机器人类型
根据机器人的运动参数确定其运动形式，然后才能确定其结构。根据机器人坐标建立的形式可以分为以下几个类型。
(1)直角坐标型:主体结构的关节都是移动关节。
特点是：结构简单，刚度高。关节之间运动相互独立，没有耦合作用。占地面积大，导轨面防护比较困难。
(2)圆柱坐标型：圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩。亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。
特点：通用性较强；结构紧凑；机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。
(3)球面坐标式（极坐标）： 机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。特点：工作范围较大；占地面积小；控制系统复杂
(4)关节式机器人：关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节。
特点：动作灵活，工作空间大；关节运动部位密封性好；运动学复杂，不便于控制。
综合比较以上几种方案的不同优缺点及对设计要求的全面认识，本次设计采用圆柱坐标型结构。此结构有以下优点：通用性较强；结构紧凑；机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。同时这类机械手也存在一些结构上的缺点，例如手臂不能抵达底部，这样就减少了工作范围。
2.3 工业机器人的组成及各部分关系
末端执行器（手爪）执行机构机械系统工业机器人控制系统手臂机构腰部机构基座驱动机构电液气驱动 9
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图2-1 工业机器人组成图
Fig.2-1 The composition of industrial robot 2.4机械手总体设计及传动形式说明
作为机械手的最终的执行机构，机械机构的布局和类型直接影响到机械手的驱动系统和传动方式，乃至影响整个机械手的工作性能。针对本论文中提到的物料搬运机械手，机械手在做物料搬运时，手臂具有上升、下降、伸出和收缩的功能。并且机械手的腰部应能够进行回转。为了满足功能要求，本论文的物料搬运机械手设计分为三个自由度。并且机械手的运动形式分为方向移动和工作执行两个部分。其中方向移动部分占两个自由度，包括了伸出和缩回激动机构和平面摆动机构。由于这两个自由度之间没有耦合，所以可以有效的简化机械手的运算和控制。工作执行部分只有一个自由度，包括了上升和下降两个运动形式。对于具体机械手的结构图见图2-2。
图2-2 机械手的总体图
Fig.2-2 Overall figure of the manipulator 2.4.1机械手的传动形式说明
由于本机器人主要实现了三个自由度的运动，所以其传动形式也相对比较简单，下面对其传动形式予以说明。
（1）腰部回转运动。由于本机械手要实现物料的搬运，要具有一定的精度。并且考虑到机械手的通用性，在其他场合下也能很快的进行工作转换，对于腰部的回转运动采用了步进电机提供动力源。因为步进电机的转速相对于我们要求的腰部回转运动的速度较快，而且还应该提供较大的力矩，因此此处应选择
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带有减速器的步进电机，减速器应为行星轮减速器。
（2）手臂部位的伸出和收缩。手臂部位的伸缩运动同样需要一定的精度，同时为了节省空间和减轻手臂的重量，此处也是选择了步进电机来作为动力源，同时运动的传递使用了丝杠与丝杠螺母的形式。
（3）手爪的上下运动。手爪的上下运动对于搬运机械手来说要求的精度相对较低，而且此处需要的上下运动的力比较大，大约300N，因此此处我们选择使用气缸来实现这个方向的运动。
（4）手爪的夹持运动。一般情况下，我们不会讲手爪的夹持运动当做机器人的自由度，但是在这里涉及到运动形式的介绍，因此在此处对于手爪的夹持运动一并进行说明。此处物体的重量比较大，为了提供足够的加持力，我们选用气缸来作为手爪的动力源，此处进行了手爪的结构设计。2.4.2滚珠丝杠
滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚珠丝杠轴承为适应各种用途，提供了标准化种类繁多的产品。广泛应用与机床，滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。
图2-3 滚珠丝杠图 Fig.2-3 The ball screw 预压方式有定位预压（双螺母方式、位预压方式）、定压预压。可根据用途选择适当类型。丝杆有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠（精度分为从CO-C7的6个等级）和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠轴承（精度分为从C7-C10的3个等级）。另外，为应付用户急需交货的情况，还有已对轴端部进行了加工
物料搬运机械手结构设计 的成品，可自由对轴端部进行追加工的半成品及冷轧滚珠丝杠轴承。作为此轴承的周边零部件，在使用所必要的丝杠支撑单元、螺母支座、锁紧螺母等也已被标准化了，可供用户选择使用。
滚珠丝杠轴承以多年来所累积制品技术为基础，从材料、热外理、制造、检查至出货，都是以严谨的品保制度来加以管理，因此具有高信赖性。2.4.3直线导轨
直线导轨可分为：滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度较高。
直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动.分为方形滚珠直线导轨，双轴芯滚轮直线导轨，单轴芯直线导轨。在大陆称直线导轨，台湾一般称线性导轨，线性滑轨。
直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。依摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。直线轴承主要用在自动化机械上比较多,像德国进口的机床,折弯机,激光焊接机等等,当然直线轴承和直线轴是配套用的。像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上, 滑块-使运动由曲线转变为直线。新的导轨系统使机床可获得快速进给速度，在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与平面导轨一样，有两个基本元件；一个作为导向的为固定元件，另一个是移动元件。由于直线导轨是标准部件，对机床制造厂来说．唯一要做的只是加工一个安装导轨的平面和调整导轨的平行度。
图2-4 直线导轨
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Fig.2-4 the linear guide-way 作为导向的导轨为淬硬钢，经精磨后置于安装平面上。与平面导轨比较，直线导轨横截面的几何形状，比平面导轨复杂，复杂的原因是因为导轨上需要加工出沟槽，以利于滑动元件的移动，沟槽的形状和数量，取决于机床要完成的功能。例如：一个既承受直线作用力，又承受颠覆力矩的导轨系统，与仅承受直线作用力的导轨相比．设计上有很大的不同。2.4.4 步进电机与气缸
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
图2-5 步进电机 Fig.2-5 The stepping motor 步进电机的特点：
（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
（2）步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各
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相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
（4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
气缸，是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类。作往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。
根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。2.4.5行星齿轮减速器
行星齿轮减速机主要传动结构为：行星轮，太阳轮，内齿圈。
行星减速机因为结构原因，单级减速最小为3，最大一般不超过10，常见减速比为：3.4.5.6.8.10，减速机级数一般不超过3，但有部分大减速比定制减速机有4级减速。相对其他减速机，行星减速机具有高刚性、高精度(单级可做到1分以内)、高传动效率(单级在97%-98%)、高的扭矩/体积比、终身免维护等特点。因为这些特点，行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量[8]。
行星减速机额定输入转速最高可达到18000rpm(与减速机本身大小有关，减速机外形越大，额定输入转速越小)以上，工业级行星减速机输出扭矩一般不超过2000Nm，特制超大扭矩行星减速机可做到10000Nm以上。工作温度一般在-25℃到100℃左右，通过改变润滑脂可改变其工作温度。
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图2-6 行星齿轮减速器 Fig.2-6 The planetary reducer 2.5本章小结
本章主要对搬运机械手的主要结构形式和传动形式进行了介绍和说明，并且对于设计中可能要选择的一些标准间或者外购件进行了简要的说明和介绍，主要是为后面的设计提供理论和技术的上支持，说明了整个设计的可行性。
物料搬运机械手结构设计 机械手末端执行器及第三臂设计
3.1机械手末端执行器设计方案
3.1.1末端执行器设计要求和设计参数
设计要求：
（1）要有足够的夹持力和所需的夹持精度；
（2）末端执行器要连接在手腕上，应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻小，以减轻手臂的负荷。
设计参数：
（1）所需要夹紧的物料尺寸为400mm400mm300mm。放松动作时两个手爪间的最大距离为320mm~420mm。抓持速度为10m/s，夹持器从运输车上抓取待加工的坯料送到加工机械上及把加工好的工件送回到运输车上。
（2）工件重量20kg，简化为400mm400mm300mm的长方体材料。（3）夹紧动作平稳，起动和终止无刚性冲击，由运动分析及所需夹持力得到机构各部分尺寸。3.1.2手爪结构的总体设计
末端执行器采用两个气缸来完成，总体结构如下图所示。
图3-1 末端执行器 Fig.3-1 The end effector 手爪采用来个气缸来完成抓取动作，对于手爪采用了可以替换的模块化设计
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方式以便于物料的形状发生变化时可以更换手爪。3.1.3对于手爪气缸的选型计算
用于手爪开合的两个气缸对于力的要求不是很高，因此对于此部分我们只做简要的计算，并进行大体选型。
对于手爪闭合式所需要的力为200N，具体的行程应控制在30~50mm。因为气缸在市场中有现成的可以选择，因此我们只需要完成选型工作，购买合适的气缸即可。
图3-2 CQ2标准型气缸 Fig.3-2 CQ2 standard cylinders 本设计中手爪气缸选用SMC公司CQ2标准型气缸，该气缸的具体参数如下表所示。根据设计参数和CQ2薄型气缸选型手册选择气缸。
表3-1 气缸的主要选型参数
Tab.3-1 Main parameter selection of air cylinder
项目 公司 系列 型号 缸径 行程
参数 SMC CQ2系列 CQ2B100-50D 100mm 50mm
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最高使用压力 1MPa 根据气缸的以上参数，我们可以计算气缸的推拉力为: FPS1106Pa3.14((100/1000/2)m)2785N
而对于我们的设计要求最大载荷为200N来说，最大785N的夹持力足够使用了。其安全系数为：
Fn785/2003.925
F'因此设计符合设计要求和安全准则。3.1.4对于手爪直线导轨的选择
本处的直线导轨，实际为手爪的主要承重位置，因此在结构上我们采用了双导轨结构设计，同时导轨采用双滑块模式，导轨的材料选用的碳素钢。本设计中选购了Misumi公司的SEL2B13-310型号的直线导轨，该类型导轨为通用的轻型导轨。
图3-3 直线导轨的布置 Fig.3-3 Linear guide arrangement 3.1.5手爪及其连接件设计
对于手爪的设计我们只是参考了对于物料搬运的手爪形状的基本结构，应为为了增强物料搬运机械手的通用性，我们将手爪利用法兰的形式与导轨连接，下午为手爪的效果图。
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图3-4 手爪效果图 Fig.3-4 Gripper rendering 由于整个手爪结构的特殊性，我们特别设计了手爪、导轨以及气缸这三个零件的连接件，效果图如图3-5。
图3-5 连接件效果图 Fig.3-5 Fitting effect 3.2机械手第三臂设计
第三臂要承受的负载力额定负载为20kg，最大负载为30kg。同时我们要求在z轴方向上的最大位移为350mm。
最大负载F'300N
同样我们选择SMC的气缸，通过查阅SMC气缸的选型手册，我们暂选标准型气缸MB系列，具体的参数见下表。
表3-2 气缸的主要选型参数
Tab.3-2 Main parameter selection of air cylinder
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项目 公司 系列 型号 缸径 行程
最高使用压力
参数 SMC MB系列 MDB100-350 100mm 350mm 1MPa 根据气缸的以上参数，我们可以计算气缸的推拉力为: FPS1106Pa3.14((100/1000/2)m)2785N
而对于我们的设计要求最大载荷为300N来说，最大785N的夹持力足够使用了。其安全系数为：
Fn785/3002.62
F'因此此设计符合设计要求和安全准则。
第三臂的气缸外形图如下图所示。
图3-6 第三臂气缸及其底座 Fig.3-6 The third arm cylinder and its base 3.3 小结
本章主要完成了物料搬运机械手的末端执行器和第三臂上下移动的设计工作。对于用的气缸进行了选型，对主要的零件进行了设计。通过校核，所选择的气缸和设计均符合设计要求和安全准则。
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4.1机械手小臂的主要机械传动部件
4.1.1机械传动部件及其功能要求
机械传动部件在本产品中主要有丝杠螺母传动，联轴器，导轨等。其主要功能是传递转矩和转速，机械传动部件主要是转矩和转速变换器。其目的是使执行元件与转速方面得到最佳匹配。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大的影响，特别是其传动类型，传动方式，传动刚度以及传动可靠性对机电一体化系统的精度，稳定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小，精度高，体积小，重量轻，运动平稳，传递转矩较大的传动部件[9]。
传动机构主要是对运动的变换，主要是其形式，行程，方向，速度。动力的变换主要是其大小和方向。还要克服惯性力（力矩）及摩擦阻力。4.1.2滚轴丝杠的选用
本设计使用的滚珠丝杠导程是10mm，丝杠直径是16mm, 丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30%~40%）。滚动丝杆螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%~40%），因此在机电一体化系统中得到广泛应用。
本设计使用丝杆转动、螺母移动的传动方式。
丝杆转动、螺母移动，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置，其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好，适用于工作行程较大的场合。
表4-1丝杠螺母基本参数
Tab.4-1 Basic parameters of the lead screw nut 螺帽种精类 单螺帽 度 C10 直径（mm）长度（mm）额定载荷（动）额定载荷（静）
1172
8.2KN
17.8KN（1）滚珠丝杠的工作原理
滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装
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有中间传动原件——滚珠，它由丝杠，螺母，滚珠，反向器组成。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹轨道滚动，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的返回通道，从而形成滚珠流动的闭合回路。
（2）滚珠丝杠传动的优点
具有轴向刚度高（通过预紧可消除丝杠与滚珠之间的轴向间隙），运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长。
但不能自锁，具有传动的可逆性，在升降传动时，需要采取制动措施。4.1.3 导轨的选用
（1）导轨的作用
导轨的作用是使运动部件能沿一定的轨迹运动（导向），并承受运动部件及工件的重量和切削力（承载）。在导轨副中，运动的一方叫运动导轨；不运动的一方叫支撑导轨。运动导轨相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。
（2）导轨的设计要求 导向精度高
影响导轨精度的主要原因除制造精度外，还有导轨的结构形式，装配量。导轨及其支撑部件的刚度和热变形，对静压导轨还有油膜的刚度等。
耐磨性能好
主要是指使用过程中能否保持一定的导向精度，应该力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。因此可选用合适的耐磨涂料，润滑方法和保护装置，使导轨具有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。
足够的刚度
导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，因此要求导轨有足够的刚度。
运动轻便和低速平稳性
要使导轨的阻力小，运动轻便，低速运行时无爬行现象。结构工艺性好
要加工和装配方便，使用时便于调整和维修，成本低。（3）本设计的导轨特性
矩形导轨的特点是结构简单，制造，检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高，但磨损后不能自动补偿，须有调整间隙的装置，但一个方向
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上的调整不会影响到另一个方向上的位移，因此安装调整比较方便，在相同情况下，摩擦阻力与接触变性都比较小。
图4-1矩形导轨
Fig.4-1 The rectangular guideway 4.1.4 步进电机的选用
（1）步进电机的原理
步进电机是一种利用电磁感应原理，将电脉冲型号转换成直线或角位移的执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。
步进电机的运动是由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲型号，通过环行分配器按一定的顺序加到电动机的各个绕组上。为了使电动机能够输出足够的功率，通过环行分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。环行分配器，功率放大器以及其它辅助电路统称为步进电动机的驱动电源。
（2）步进电机的特点
主要特点是能实现精确定位、精确位移，且无积累误差。这是因为步进电机运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于数量输入指令脉冲的频率[10]。
步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。
广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
（3）步进电机的选用原则
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。
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而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。
选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
（4）本设计的选用
本设计选用东方电机PK26系列的2相步进电机，2相PK系列为高转矩· 低振动型步进电动机。除了每转200分割（1.8˚/step）的标准型外，另外还备有每转400分割的高分辨率型以及高转矩、高分辨率的减速机型产品。驱动本系列时需另购驱动器。
本系列产品备有高转矩· 高效率型、高转矩型、标准型、标准型保护等级IP65规格、高分辨率型、SH减速机型等产品种类。
本设计用T3060型式的高转矩型60mm的步进电机。
图4-2 T3060步进电机 Fig.4-2 T3060 stepping motor
表4-2本设计选用电机的基本参数
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Tab.4-2 The design chooses the basic parameters of motor 名称 2相步进电机 类型 高转矩
安装尺寸 60mm
轴型 单轴
步距角 1.8度
最大静止转
矩 1.7 Nm
额定电流 2A/相
保持转矩 2.2 Nm 4.1.5 联轴器的选用
十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。
这种联轴器零件的材料可用45钢，工作表面需要进行热处理，以提高其硬度；要求较低时也可用Q275钢，不进行热处理。为了减少摩擦及磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油进行润滑。
因为半联轴器与中间盘组成移动副，不能发生相对转动，故主动轴与从动轴的角速度应相等。但在两轴间有相对位移的情况下工作时，中间盘就会产生很大的离心力，从而增大动载荷及磨损。因此选用时应注意其工作转速不得大于规定值。
本设计参考选用十字滑块联轴器，主要因为它具有以下优点：（1）结构简单的高扭矩刚性、高灵敏度联轴器。（2）主体中间用十字滑块联接，安装方便，免维护。（3）零回转间隙。
（4）主体轴套采用铝合金,体积轻巧。
（5）安装方便、免维护、可抗油污抗腐蚀和电气绝缘。（6）容许大的径向和轴向，角向偏差。（7）吸收较的的传动扭力。（8）寿命长,性能安全可靠。
（9）制作工艺:精车件,表面处理:本色阳极氧化处理。
4.2手臂部分运动计算
4.2.1速度的计算
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（1）电动机转速：
nbf/360601.81000/36060r/min300r/min
其中b1.8为步进电机的步距角（度），f1000为脉冲频率（脉冲/秒）（2）每转脉冲数
S360/b360/1.8200脉冲/转
其中S为每转脉冲数，TSP为导程取10mm。（3）工作台运动速度
VnTSP300r/min10mm/r3000mm/min50mm/s
4.2.2手臂的结构形式
图4-3 手臂传动结构图 Fig.4-3 Arm drive structure
图4-4 手臂底座结构图 Fig.4-4 The arm base structure 4.3小结
本章主要针对物料搬运机械手的第二个关节，也就是小臂进行了结构设计，对其使用的电机、滚珠丝杠等主要的外购部件进行了选型，并且进行了简要计算，说明了设计的可行性和合理性。
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5底座及第一关节设计
5.1总体设计
第一关节是整个机械手设计部分承载重量最大的部分，因此这个设计的合理性决定了整个机械手的稳定性。图5-1所示为机械手底座部分的截图。
图5-1 底座部分 Fig.5-1 The base part 5.2交叉滚子轴承
对于本设计中底座处因为小臂为悬臂形式，并且要用电机产生回转运动，因此在此处应使用特殊的轴承，本设计中选用交叉滚子轴承。
它们的滚子在内轮与外轮间，间隔交叉地彼此成直角方式排列。它们能同时承受来自各方向荷重(如轴向、推力或动量荷重等)。因滚子与轨道表面成线状接触，物料搬运机械手结构设计
图5-2 交叉滚子轴承 Fig.5-2 The crossed roller bearing 因此，轴承受荷重而弹性变形之可能性很小。此型轴承广泛运用在如工业自动机械人、工作机械及医疗设施等，需要刚性高、紧密及高转速下仍能确保精确之场合下。
在交叉滚子轴承中，因圆柱滚子在呈 90 ° 的 V 形沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直地排列，所以 1 个交叉滚子轴承就可承受径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷。内外圈的尺寸被最小限度地小型化，特别极薄型式是接近于极限的小型尺寸，并且具有高刚性，所以最适合于工业用机器人的关节部或旋转部、机械加工中心的旋转工作台、机械手旋转部、精密旋转工作台、医疗机器、计量器、IC 制造装置等的用途。
交叉滚子轴承，因被分割的内环或外环，在装入滚柱和间隔保持器后，与交叉滚柱轴环固定在一起，以防止互相分离，故安装交叉滚柱轴环时操作简单。由于滚柱为交叉排列，因此只用1套交叉滚柱轴环就可承受各个方向的负荷，与传统型号相比，刚性提高3~4倍。同时，因交叉滚子轴承内圈或外圈是两分割的构造，轴承间隙可调整，即使被施加预载，也能获得高精度地旋转运动。
（1）具有出色的旋转精度
交叉滚子轴承内部结构采用滚子呈90°相互垂直交叉排列，滚子之间装有间隔保持器或者隔离块，可以防止滚子的倾斜所滚子之间相互磨察，有效防止了旋转扭矩的增加。另外，不会发生滚子的一方接触现象或者锁死现象；同时因为内外环是分割的结构，间隙可以调整，即使被世家预压，也能获得高精度的旋转运动。
（2）操作安装简化
被分割成2部分的外环或者内环，在装入滚子和保持器后，被固定在一起，青岛科技大学本科毕业设计（论文）
所以安装时操作非常简单。
（3）承受较大的轴向和径向负荷
因为滚子在呈90°的V型沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直排列，这种设计使交叉滚子轴承就可以承受较大的径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷。
（4）大幅节省安装空间
交叉滚子轴承的内外环尺寸被最小限度的小型化，特别是超薄结构是接近极限的小型尺寸，并且具有高刚性，所以最适合于工业机器人的关节部位或者旋转部位、机械加工中心的旋转工作台、机械手旋转部、精密旋转工作台、医疗仪器、计量器具、IC制造装置等广泛用途。
5.3减速步进电机
本设计中选用减速步进电机，主要原因是步进电机控制容易，而且减速步进电机可以减少设计的工作量，下图为减速步进电机的模型图。
图5-3减速步进电机 Fig.5-3 Deceleration stepper motor 本设计中选用的减速步进电机是东方马达的PN减速步进电机，其最大转矩为60NM，本设计中所选择的减速步进电机的具体参数见下表。
表5-1 减速步进电机参数 Tab.5-1 Slow step motor parameters 型号 ARL98-N36 保持转矩 减速比 37Nm
分辨率 0.0072度
容许转矩 最大转矩 容许速度 37Nm
60Nm
0-60r /min 5.4小结
物料搬运机械手结构设计
本章主要物料搬运机械手的底座及第一关节部分进行了设计和说明。对于底座传动形式进行了设计，对要进行外购的减速步进电机进行了选型。初步说明了设计的合理性和结构的创新性。
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6总结
本设计是物料搬运机械手的设计，通过半年时间的努力，设计终于完成。这次设计给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。
在此次的毕业设计中，我遇到了许多以前从未遇到过的问题，但通过指导教师的指导和我的努力，这些问题都得到了较好的解决。
虽然我设计的只是个简单的搬运机械手，但需要完成伸缩、回转、摆动等功能，对应分别要对这些机构进行设计和计算，以及对油路及其部件的选择。通过这些机设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识。在设计的过程中我不断探索、不断学习和修改。自学了许多相关学科的内容，求教了多位专业老师，上网和在图书馆查阅大量相关资料。
课题已经接近尾声，一切似乎已将要结束，而我却感觉这一切似乎才刚刚开始。通过这次毕业设计，对知识结构、设计方法、设计思维我有了一个重新的认识。在本次设计中，前前后后遇到了不少困难，例如对丝杠轴传动、Z轴传动的自行设计，丝杠轴的如何摆放等等问题。由于实践经验的不足，尽管最后的方案不是太完美，但是我们都庆幸从中所获甚丰。
由于时间问题，对于本次机械手的设计还存在许多问题，许多地方都还有待改进和提高，希望各位专家评审多多指教。
第二篇：地震救援机器人设计说明书
地震救援机器人设计说明书
所在学校：昆明理工大学所在学院：机电工程学院项目成员：黄青青指导教师:
杨正利吴海涛 李超杨帆
目录
一.作品简介 …………………………………………………1 二.主要功能指标 ……………………………………………2 三.工作原理 …………………………………………………3 四.运动分析 …………………………………………………4 五.实现的可能性 ……………………………………………6 六.创新点 ……………………………………………………6 七.应用前景 …………………………………………………6
八.作品部分片 ………………………………………………7 九.参考文献 …………………………………………………9 一.作品简介
地震救援机器人是基于地震救灾为背景而设计研发的，是一种能够起清障作用、探索救援道路的先进设备。该作品具有灵活、操作简便、适用性强、拓展功能多的特点，非常适用于救灾抢险工作。高度智能化和自动化是本作品的又一大特点，也是具备强势竞争力的一大优势。同时，采用了先进的控制系统和算法，是系统的通用性和适用性进一步增强，能够出色完成各项任务。
本作品由中心搭载平台，六条安装在平台左右两侧的机械腿，以及构建在平台上的挖掘机械手组成。机械腿由关节电机带动实现腿部移动，由安装在左右两侧的齿轮和连杆机构实现腿部伸缩，左右两侧各三条腿依次移动后，机器人的整体也完成一次前移。达到预定位置后由平台上的气泵带动整个挖掘装置的完成挖掘动作，起到了除障清路的作用。同时腿部结构设计比较先进，使机械体具有一定的越障能力，摆脱了传统救灾设备在灾后道路上行动能力不足的缺陷，对灾区 环境有很强的适应能力。
二.主要功能指标
该机器人是着眼于地震灾区的各类救援任务而开发的，其独树一帜的外形设计和结构设计使其能够遂行地震灾区的各种搜救、援助、运输、支承等任务。
首先，机器人的中心搭载平台采用模块化设计，可以根据实际任务需要即时更换设备进行搜救工作。机器人腿部结构设计比较先进，使机械体具有一定的越障能力，能够更好地适应灾后的地形地貌以及道路情况，能够在一定程度上避免救援人员在危险区域受到潜在威胁，可以在最短时间开辟救援通道，最大限度的提高灾区被困者的解救及存活概率。
其次，在执行援助任务时，通过对机器人的中心搭载平台进行面积优化工作，令其携带不同的人物模块组件，以执行不同情况下的援助任务。当搭载吊装组件时，可以迅速的完成灾区废墟中的开辟工作，并将诸如汽油一类的危险品转移至安全区域；当搭载红外感应模块时，机器人可以在夜间执行援助任务，其可以在72小时的黄金时间内不间断的执行救助任务，有效地利用了宝贵时间、提高了工作效率、减轻了救助人员的工作负担并且提高了被困者的获救几率。
再次，通过加固中心搭载平台，使其可以执行运送量庞大的运输任务。地震灾区中很多时候运送生活物资的车辆不能进入，就需要其他运输工具来替代，该机器人便具有此项运输功能，其六腿结构牢固 且运动灵活，具备一定的越障能力，能更好的适应灾区的路况，及时将必需品等物资运送至指定地点。同时，其还有运输人员的能力，可以在往返过程中运送救援人员和被困者，免除人力运送的缺点，对灾区救援工作起到了不可替代的作用。
三.工作原理
该机器人以开辟救援通路为主要任务，当其行进至工作区域后即开启清障功能。
采用六足机构的机器人可以平稳的运行于路况复杂的路面，腿部结构具备了较大的伸缩能力，可以越过各种障碍，到达指定区域后，由人工遥控选择合适角度和合适方向，做好准备工作。
在机器人的中心内搭载平台上装备有独立的挖掘机械手，该挖掘机械手为一台气压挖掘机械手。当前期准备工作完成后，挖掘机械手系统运作，通过程序控制气泵的自动化工作。由于挖掘机械手的设计目标定位于能够进行180°旋转工作，其工作范围十分宽大，通过对气压系统的优化设计，可以为挖掘机提供强劲的动力，配合其灵活的机械腿，可以出色的完成开辟救援通道的任务。
当机器人工作于城市废墟中时，中心平台可以卸载挖掘机械手，搭载大功率水泥切割机。很多情况下，救援人员面对大片的水泥楼板、混凝土废墟无计可施，该地震救援机器人就可以发挥其不可替代的作用：切断楼板，破除残垣障碍，开辟救援通道。
机器人可以在很短时间内开辟出一条希望之路，若是多个机器人同时相互配合工作，更能高效的完成人力难以完成的任务。四.运动分析
初始化过程，当机器人受到预定指令准备向前移时。由分布在机器人腿部的左右两个接触传感器，进行系统的初始检测；腿部处于收缩状态时控制程序开始运行，一侧的三条机械腿与支架同时工作，将机器人本体整体平稳抬升，至三条机械腿先后完全伸展，具备一定的越障能力的情况下先前移动；机器人行走第一步一侧的三条腿各自提升，通过关节电机带动齿轮旋转，机械腿上提，随后由腿部水平放置的关节电机驱动机械腿向前移动至最大步幅，这侧的三条腿停下来。随后另一侧的三条腿重复第一步的运动过程，完成机器人向前的行走。
初始化过程中，启动气压电机，控制电磁阀的动作，机器人的气缸系统完成挖掘机械手的初始状态。在主体迁移过程。通过程序控制气缸系统中的电磁阀，气压电机继续保持启动状态，给机器人的整个气缸系统充气，让机器人的挖掘机械手可以在前进中保持稳定。
机器人清理障碍的设计，机器人就位之后，编写的程序就会在机器人腿部移动动作结束，关闭第一阶段即机器人移动的所有过程，并对第二阶段运行的挖掘机械手进行初始化，即挖掘机械手调整到工作位置，通过机械手各个关节部位气泵的控制来操作机械手的清障工作。五.实现的可能性
本机器人是针对全国各个地震多发区（例如云南的几条地震带）的灾后救援难题进行设计的，在机器人的模块组合合理的前题及各个机械救援手臂的参数设置设计合理的情况下，可以实现对复杂灾后环境的道路清理及救援工作。
该机器人及多功能于一身，具备执行多种任务的能力，是现实生活中不可或缺的一种先进救援机器人。其独特的中心搭载平台提供了强大的搭载能力，可以根据需求搭载不同的任务组件，完成不同情况下的各种任务。
六.创新点
该救援机器人移动灵活，救援工作效率高。该救援机器人实现了多功能及复杂的救援工作。
采用较为简单的机构，通过运动的有效组合，实现重灾区道路的清理。
七.应用前景
该机器人性能先进，功能灵活，可以广泛应用于国防科研、抗震救灾、工业生产等各个领域。
在国防科研领域：该机器人可作为样本研究的实验机器人，探究各种结构的可行性以及搭载多种功能组件的系统兼容性。同时可以改装成为特种机器人遂行某些特种任务，侦查、排爆、托运伤员以及不稳定地带的巡逻执勤任务。
在抗震救灾领域：该机器人可以应用于消防抢救工作，探查点地带的火势情况，为消防人员的工作提供信息支持和技术保证。在虫灾 地域探查威胁等级，评定受灾程度，制定初步救灾计划等工作。
在工业生产领域：机器人可以排查受损管道，监视车间温度，提示工人禁止违规操作，对机械设备定期的自动维护并测试生产线的运行情况。
八.作品部分照片
九.参考文献
[1] 王红军，魏超.一种地震搜救机器人运动结构设计研究1674-6864（2010）03-0025-04.[2] 徐草，章亚男，沈林勇，徐解民，龚振邦.废墟狭缝搜救机器 人自动送进系统研究 1001-4551（2010）11-0110-05.[3] 李斌.蛇形机器人的研究及在灾难救援中的应用.机器人技术与运用，2003（3）:22-26.[4] 李集.灾难救急机器人.科技展望，2008（7）:24
[5] 宋孟军，张明路.多运动模式移动机器人的可变形腿运动学分析.1001-2354（2011）05-0046-05 [6] 濮良贵.机械设计[第八版].北京：高等教育出版社.2006.[7] 徐元吕.工业机器人.北京：中国轻工业出版社.2006.[8] 张福学.机器人技术及应用.北京：电子工业出版社.2000.
第三篇：搬运机器人毕业设计开题报告
广东技术师范学院
毕业设计（论文）开题报告
题目4-DOF搬运机器人的结构设计
专 业 名 称
飞行器动力工程
班 级 学 号
学 生 姓 名
指 导 教 师
填 表 日 期
2013 年 月 日
一、选题的依据及意义：
传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。
应用搬运机器人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用搬运机械人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有搬运机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
可见，有效的应用搬运机械手，是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。
二、国内外研究概况及发展趋势：
（1）国内现状及发展趋势
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的分类方法有多种, 按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，如图
1、图2的搬运机器人。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
图1.搬运机器人
图2.六自由度机器人
搬运机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，搬运机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了搬运机械手的发展，使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。搬运机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，搬运机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用 国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点：
①搬运机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。
②机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。
③搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
④搬运机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器，⑤虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。（2）国外现状及发展趋势
现代国际工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。因此其各种生产流水线以及物流管理中更是多元化的使用着气动机械手，如图3。其中化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，搬运机器人就是为实现这些工序的自动化而产
生的。搬运机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国外机械手工业、铁路工业中不仅在单机、专机上采用机械手上下料如图4，减轻工人的劳动强度。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用搬运机械手在流水线进行生产更是目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到准确搬运的目的。
图3.气动搬运机械手
图4.自动上下料机械手
国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。
触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将搬运
机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
三、研究内容及实验方案：
(1)主要研究内容
本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了四自由度搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）和简单的三维实体造型工作。(2)主要实验方案
①根据系统的要求，选择机器人的坐标形式； ②确定驱动系统的类型；
③确定四自由度机器人的结构设计方案，进行力学校核； ④选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计； ⑤绘制机器人的零件图，并确定尺寸； ⑥运用三维软件完成三维实体造型工作。
四、目标、主要特色及工作进度
(1)本课题研究的目标
以4-DOF SCARA机器人为研究对象，基于三维软件完成4-DOF SCARA机器人的结构设计及运动模拟。
要求机器人手爪最大负载能力是1.0kg 各轴运动范围为：0～360°,0～200°,0～200mm,0～200° 各轴最大运动速度≤1.8rad/s
(2)本课题需要解决的问题
完成4-DOF搬运机器人的结构设计，进行力学分析校核确保机器人工作的可靠性；画出机器人的各个零件图，同时运用三维软件画出实体图。(3)主要特色
本设计的特色就是设计一个小型气动搬运机器人，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。(4)计划和工作进度
①查阅相关资料，外文资料翻译，撰写题报告 2.20～3.15 4周②相关外文文献资料的阅读与翻译（6000字符以上）3.15～3.29 2周③总体传动方案设计 3.29～4.13 2周④零部件的结构设计 4.13～5.7 3周
⑤零部件的强度计算与校核 5.7～5.23 2周⑥撰写毕业论文 5.23～6.6 2周 ⑦毕业设计审查、毕业答辩 6.6～6.20 2周
五、参考文献
【1】马光 申桂英.工业机器人的现状及发展趋势[J].组合机床与与自动化加工技术，2002（3）
【2】曾孔庚.工业机器人技术发展趋势[J].机器人技术与应用, 2006,(06)【3】杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势[J].机械工程师, 2002(5)【4】唐立平.基于PLC的四自由度机械手控制系统设计[D].江苏: 无锡职业技术学院, 2007年
【5】陈忠华.可编程控制器与工业自动化系统.机械工业出版社[M], 2006年 【6】彭坚.气动机械手及其PLC控制系统的设计与实现[J].通用机械, 2004.7(2):1-7 【7】王巍, 汪玉凤.基于PLC气动机械手研究[J].辽宁工程技术大学学报, 2005, 1(06): 55-68
【8】孙树栋主编.工业机器人技术基础[M].西安：西北工业大学出版社，2006年 【9】吴振彪主编.工业机器人[M].武汉：华中科技大学出版社，2004年
【10】谢存禧 张铁主编.机器人技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2008年 【11】G L Batten.Programmable Logical Controllers: hardware, software and applications.Mc Graw-Hill.1994 【12】SIEMENS AG.SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual.2004 【13】Gao F,Li W M.New kinematic strctures for 2-,3-,4-,and 5-DOF parallel manipulator designs.Mechanism and machine Theory,2002,37：1395～1411 【14】Zlatanov D,Gosselin C M.A familiy of new parallel architectures with four degrees of freedom.Journal of Compulational Kinematics,2001(5)：57～66 【15】GASPARETTO A, ZANOTTO V.A new method for smooth trajectory planning of robot manipulators[J].Mechanism and Machine Theory, 2007, 42(4): 455–471
第四篇：爬楼梯机器人说明书
爬
机器人说明书楼 梯机器人 1
说
明
书
简介： 该项目涉及一种用于搬运重物上下楼梯的机器人，实现上下楼的智能化，该机器人机械系统设计较为巧妙，控制方式灵活，具有较高的技术水平。可适用于各种工厂、住宅楼的货物搬运。同时，对载物台稍加人性化设计，便可实现载人上下楼，解决老人和残疾人上下楼问题，具有较大的社会价值和经济价值。
详细介绍： 该项目涉及一种用于搬运重物上下楼梯的机器人。通过倾角传感器控制平衡；通过红外测距传感器增强环境适应性；载物台做水平、竖直运动，重心变化平稳；腿与框架螺栓联接，便于拆卸存放；结构设计合理，体积小，质量轻，便于市场推广。可适用于各种
工厂、住宅楼的货物搬运。同时，对载物台稍加人性化设计，便可实现载人上下楼，解决老人和残疾人上下楼问题，具有较大的社会价值和经济价值。
作品设计、发明的目的： 设计一种智能化程度高、快速、稳定，同时体积小、质量轻、拆装方便、价格低廉、环境适应性强的楼梯运输机器人，解决载重上下楼梯的自动化问题。基本思路：上楼时先该机器人本体与平行四边形机构用铰链相连六个车轮的直径均为85 mm。前轮上安装有二个电动机，一个驱动转向另一个驱动小车的前进和后退。中间轮和后轮上各安装有一个电动机驱动小车前进和后退，四个电动机具有相同的功率。利用平行四边形变形特点改变与主体相连平行四边形机构的角度可使前车轮、中间车轮分别抬起和落下来实现自适应在楼梯面的爬行。
爬楼梯运动分析 经试验在驱动力允许条件下该机器可爬楼梯台阶的高度为40 mm。爬楼梯过程：首先整车向前运动直到前轮接触台阶，然后前轮越过台阶，这时前车轮机构向上抬起，然后在中间轮和后轮电动机驱动力的作用下前两个轮子越过台阶而中间轮和后轮与台阶始终保持接触当中间两个轮子越过台阶时安装在主体机构上的后车轮在电动机作用下同时爬楼梯台阶楼道、墙面自动吸尘器。楼道、墙面自动吸尘器本体采用平行四边形机构实现上下楼梯功能爬行速度快、平稳可靠。转向机构采用传统差速机构增加红外线位置扫描
系统实现智能化。本体主要起支撑整车支架的作用。前端、中间采用二轴四轮驱动轮分别安装在两侧向平行四边形机构上与其链接在一起。同时本体上安放了小车控制机构尾部安装一轴二轮驱动轮。后车轮也用来起支撑作用后车轮采用电动轮其动力有助于提高吸尘器爬越楼梯的能力。在本体上连接两个四边形机构来达到在楼梯上行进的目的创新点：
1、通过机电结合，实现机器人载重上楼的自动化，节省人力，提高效率；
2、轮驱结构，承载能力大，运行平稳，提高了运输安全系数；
3、通过红外测距传感器，能够适应不同楼梯高度；
4、电力驱动装置为电动推杆，反应灵敏、动作迅速，承载能力大，运行平稳；
5、此机器人拆装简单，便于存放； 技术关键：
1、如何控制机器人上楼过程的稳定性；
2、如何使此机器人适应不同高度的楼梯；
3、如何提高此机器人上楼的速度；
4、如何控制此机器人上楼运动过程，使其快速响应；
5、如何减小机器人的体积和质量；
6、如何使此机器人拆装简单，便于存放； 主要技术指标：上楼一层楼所需时间：90-300秒，具体由所选电机决定； 电气控制部分主要包括单片机、红外测距传感器、电力驱动装置等
科学性、先进性
1、此机器人有四个轮子，结构牢固，承载能力大；载物台水平放置，做竖直、水平运动，重心变化小，运行平稳。
2、通过红外测距传感器，能够适应在不同楼梯高度下工作，增强了环境适应性。
3、采用倾角传感器，时刻检测载物台角度变化，反馈给单片机，控制电机运转，实现运动平稳；
4、采用电动推杆，响应灵敏，承载能力大，运行速度快。
5、轮子为万向轮，此万向轮设制动开关，上楼梯时可以防止机器人倒退。
6、机械部分主要为框架和四个电动推杆，结构简单，体积小，质量轻，成本低，便于市场推广。
7、此机器人的轮子与框架螺栓联接，容易拆装，便于携带。
第五篇：变电站智能巡检机器人设计说明书
“小凡”智能机器人设计说明书
一、变电站人工巡检现状分析
1、人工巡检的内容、方式、周期和要求 根据《国家电网公司变电站管理规范》、《无人值守变电站管理规范(试行)》、《安徽省电力公司变电设备管理维护标准》的意见和要求，目前，某供电公司集控站巡视管理规定如下： 1.1变电站设备巡视，分为正常巡视（含交接班巡视）、全面巡视、熄灯巡视和特殊巡视，各类巡视应做好记录。
正常巡视(含交接班巡视)：除按照有关要求执行外，有人值守变电站还应严格执行交接班设备巡视，必须在规定的周期和时间内完成。无人值班变电站：集控站所辖站每日1次；其它集控站所辖站每2日1次。
熄灯检查：应检查设备有无电晕、放电、接头有无过热发红现象。有人值班变电站，无人值班变电站每周均应进行1次。全面巡视（标准化作业巡视）：应对设备全面的外部检查，对缺陷有无发展作出鉴定，检查设备的薄弱环节，检查防误闭锁装置，检查接地网及引线是否好。无人值班变电站每月进行2次，上半月和下半月各进行1次。
特殊巡视：应视具体情况而定。下列情况时应进行特殊巡视：大风前、后；雷雨后；冰雪、冰雹、雾天；设备变动后；设备新投入运行后；设备经过检修、改造或长期停运后重新投入系统运行后；设备异常情况；设备缺陷有发展时；法定节假日、重要保电任务时段等。在法定节假日、重要保电任务时段，各无人值班变电站每日至少巡视一次。1.2迎峰度夏期间除正常巡视外，增加设备特巡和红外测温。无人值班变电站每日巡视1次。红外测温分为正常红外测温、发热点跟踪测温、特殊保电时期红外测温三种。正常红外测温周期为各变电站每周不少于一次，晚高峰时段进行。主要针对长期大负荷的设备；设备负荷有明显增大时；设备存在异常、发热情况，需要进一步分析鉴定；上级有明确要求时，如：特殊时段保电等。
发热点跟踪测温应根据检测温度、负荷电流、环境温度、气候变化等进行发热值的比对，分析设备发热点变化，确定发热性质。其周期为有人值守变电站每日1次，晚高峰时段进行。无人值班变电站每个巡视日1次或值班长视发热情况每日1次。
特殊保电时期、迎峰度夏期间应进行全面测温、重点测温及发热点跟踪测温。
测温记录应记录全面，主要应包含发热设备运行编号、发热部位具体描述、发热点温度、该台设备其它相相同部位温度（或同类型设备相同部位温度）、负荷电流大小、测温时间、天气状况、环境温度等信息。
2、人工巡检有效性分析
变电站值班员进行人工巡检，对运行设备进行感观的简单的定性判断，主要通过看、触、听、嗅等感官去实现的。人工巡视对设备外部可见、可听、可嗅的缺陷能够发现，例如：油位、油温、压力、渗漏油、外部损伤、锈蚀、冒烟、着火、异味、异常声音、二次设备指示信号异常等。
人工巡检受人员的生理、心理素质、责任心、外部工作环境、工作经验、技能技术水平的影响较大，存在漏巡，漏发现的可能性。且对于设备内部的缺陷，运行人员无专业仪器或者仪器精确度太低，通过简单的巡视是不能发现的，比如油气试验项目超标，设备特殊部位发热、绝缘不合格等缺陷；还有一类缺陷只能在操作的过程中才能发现，如机械卡涩、闸刀分合不到位、闸刀机构箱门损坏等。
另一方面，由于无人值班变电站增多，许多变电站的距离也较远，在站内出现事故或大风、大雪及雷雨后因集控站无法出车不能及时巡视时，造成集控站值班员不能及时了解现场设备状态，及时发现隐患，危急电网的安全运行。特别是无法及时了解出现问题的变电站情况，失去优先安排处理的机会。巡视人员巡视设备时需要站在离设备较近的地方，对巡视人员的人身安全也有一定的威胁，特别是在异常现象查看、恶劣天气特巡，事故原因查找时危险性更大。
综上所述，无人值班变电站的人工巡检存在及时性、可靠性差，花费人工较多，存在较大的交通风险和巡视过程风险，巡视效率低下。
二、变电站设备巡检机器人系统结构组成
“小凡”携带红外热像仪，高清数字摄像机，声音探测器三种电站设备检测装置，以自主和遥控的方式代替人对室外高压设备进行巡检，以便及时发现电力设备的内部热缺陷及外部机械或电气问题。例如异物，损伤，发热，漏油等给运行人员提供诊断电力设备运行中的事故隐患和故障先兆的有关数据。该机器人系统的非接触式移动检测与变电站综合主动化的接触式监控结合，可以真正形成全监控方式，大大提高变电站设备运行的安全可靠性。
1、机器人系统的整体结构
该机器人的整体结构主要包括基站，移动体控制系统以及由可见光图像摄像机，红外图像摄像机和声音探测器等组成的电站设备检测系统三部分。移动体是整个机器人系统的移动载体和信息采集控制载体，主要包括移动车体，移动体运动控制系统和通信系统。对于移动体还需要进行有效的监视、控制和管理，为此建立了一个基站。基站与移动体之间通过无线网桥组成一个无线局域网。可见光图像，红外图像通过视频服务器的视频流数据和移动体控制系统信息等数据汇集到网络集线器后，经无线网桥，网络集线器一起通过电力系统内部网络传到运行监控终端，通过连接到电力系统局域网上的计算机可根据访间权限实时测览变电站设备的可见光和红外视频图像，机器人本身运行情况等相关信息，并且可以控制机器人移动体的运动等检测系统由红外测温仪和可见光摄像机等装置组成，均安装在移动体即智能巡检机器人上。该系统可以完成变电站设备外观图像和内部温度信息的采集和处理考虑到机器人的运行环境。其中机器人采用三轮轮式移动小车前2轮为驱动轮，由1个电机分别驱动，差速转向，后1轮为万向轮。机器人外形流畅，直线运动性与转弯性能好。
2、机器人控制系统
机器人系统主要包括移动体运动控制子系统和工作子系统两大部分，移动体运动控制子系统硬件由PC104主板和PMAC-104运动控制卡和电机驱动器组成，主要负责机器人在巡检过程中的运动行为的控制移动。
3、变电站检测系统
本机器人系统为变电站设备非电气信号的采集提供了一个移动载体平台，在这个平台上可以搭建不同的检测系统或装置。目前在该平台上搭建了远程在线式红外热像仪系统，可见光图像采集处理系统，声音采集处理系统。在无人值班变电站一些通过电气信号难以检测的运行状态，例如变压器漏油，绝缘气体压力变化，火灾和盗窃等可借助机器人所携带的图像来检测;变压器开关及各种电气接头内部发热可以利用机器人携带的红外热像仪来检测;变压器等设备的声音异常可以利用声音采集处理系统进行识别。3.1远程红外监测与诊断系统
本设计采取在线式红外热成像装置。本系统包括红外图像采集装置，红外图像处理模块，图像显示，存储，查询和报表生成模块。该诊断系统可根据预先设定的设备温度阈值，自动进行判断，对超出报警值的设备在基站主控计算机上给出声音和文本报警;借助可见光图像识别，能判断一些关键设备的内部温度梯度，不但可以形成某一时刻变电站的一些关键设备的设备温度曲线，也可以生成某一设备在一定历史时间内的时间—温度曲线。3.2远程图像监测与诊断系统
本系统在无人值守变电站先利用机器人基站系统对移动体发送来的可见光图像进行分析，只传输分析结果或待进一步确定的图像。首先对采集的图像进行预处理，识别出被监测的电力设备，通过将该图像与上次采集的图像进行差图像分析、累积图像分析、相关分析、区域标识、纹理描述和评判等处理。结合对应设备的参数库确定其是何设备。如有畸变发生则存储结果，向上一级传输及发出告警信号。不再传输的正常图像可由调度员人工远程调用。这就使信道的传送效率大为提高，而且调度员也不必时刻注视监视屏幕。无人值守变电站中的电力设备种类繁多，针对关键设备进行远程图像监测和状态诊断并与其他监测系统相结合使变电站运行的可靠性大为提高。3.3远程声音监测与诊断系统
噪声检测子系统是变电站巡检机器人功能的一部分，主要是对变压器的噪声进行采集和分析。通过机器人携带的声音探测器进行噪声数据采集，并将噪声数据经过无线网传回基站。本系统主要包括如下3个模块
1)噪声采集传输模块，其任务是在巡检机器人上实时采集噪声信号，经过适当的压缩，通过无线网桥传送回总控制端计算机。
O2)噪声信号检测模块，其任务是将移动巡检机器人传回的噪声与以往的数据进行比较，判断变压器工作是否正常，如果出现异常，判断是何种异常。
3)用户交互模块，其任务是根据检测的最终结果给出提示信息或者交互方式，辅助工作人员完成仪表检测监控的任务，并可根据工作人员的需要检测通过其他途径录制的噪声数据。
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