机器人的设计方案

第一篇：机器人的设计方案

机器人

机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机器人”一词最早并不是一个技术名词，而且至今尚未形成统一的、严格而准确的定义。“机器人”最早出现在上个世纪20年代初期捷克的一个科幻内容的话剧中，剧中虚构了一种称为Robota（捷克文，意为苦力、劳役）的人形机器，可以听从主人的命令任劳任怨地从事各种劳动。实际上，真正能够代替人类进行生产劳动的机器人，是在20世纪60年代才问世的。伴随着机械工程、电气工程、控制技术以及信息技术等相关科技的不断发展，到20世纪80年代，机器人开始在汽车制造业、电机制造业等工业生产中大量采用。现在，机器人不仅在工业，而且在农业、商业、医疗、旅游、空间、海洋以及国防等诸多领域获得越来越广泛的应用。

一、机器人的发展史

机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔(Devol)制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。

由英格伯格负责设计机器人的“手”、“脚”、“身体”，即机器人的机械部分和完成操作部分；由德沃尔设计机器人的“头脑”、“神经系统”、“肌肉系统”，即机器人的控制装置和驱动装置。它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。这种机器人外形有点像坦克炮塔，基座上有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂上又伸出一个小机械臂，它相对大臂可以伸出或缩回。小臂顶有一个腕子，可绕小臂转动，进行俯仰和侧摇。腕子前头是手，即操作器。这个机器人的功能和人手臂功能相似。

此后英格伯格和德沃尔成立了“Unimation”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特(UNIMATE)”，意思是“万能自动”。他们因此被称为机器人之父。

1962年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰(VERSTRAN)”，意思是“万能搬动”。

”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。

二、机器人的分类

机器人根据其应用方式的不同可分为以下几类：

家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。

操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。

程控型机器人：按照预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。如机器人闹钟。

示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。

感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行动。

学习控制型机器人：能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。

智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。

三、机器人的主要部件

虽然机器人的机械、电气和计算的结构千差万别，但大多数有四个共同的主要部件：（1）机械手（机械单元）；（2）一个或一个以上的传感器；（3）控制器（大脑）；（4）动力源。

（一）机械手

它是机器人的工作装置，以关节连在一起的许多连杆集合体，形成开环的运动学链系，包括齿轮、联轴器等。它在各个方向都能运动，而这些运动认为是机器人在“做工”。

按关节—连杆结构所构成的机械手，一般有三个主要结构部件，即臂、腕和手。除大多数机械手还含有使各种机械部件产生运动的装置，这些装置称为驱动部件，可以是气动的、液压的或电动的。它们总是直接或间接地与臂的不同机械连杆或关节（轴）连结在一起。在间接连结的情况下，可以使用齿轮、皮带、链条、谐波驱动装置或丝杠来传动。

传感器

传感器将有关机械手的信息传递给机器人的控制器。信息传递可连续进行，或在预定动作终了时进行。

近代机器人所用的传感器可分为视觉和非视觉两大类。视觉类包括光导摄像管、电荷耦合器件或电荷注入器件、TV摄像机。非视觉类包括限位开关、位置传感器、速度传感器以及力和触觉传感器。它们用于跟踪、目标识别或目标捕获。

（三）控制器

机器人的控制器一般执行三个功能：

1、使机械手各部件按规定程序在规定的点开始和结束动作；

2、将位置和程序的信息存储在存储器中；

3、是机器人通过装在工作区域的传感器了解“外部”环境并相互联系。机器人控制器一般有以下几种：

简单步骤顺序控制器；

启动逻辑系统；

电子程序控制器；

微型计算机；

小型计算机。

（四）功率变换单元

它为机械手的驱动部件供给必需的能量，对于伺服电机驱动系统是功率放大器，对于气动或液压设备，可以是装在远处的压缩机。

机器人的应用

（一）焊接

焊接作业是机器人的主要用途之一。现代机器人主要应用于两类性质的焊接作业，即点焊和弧焊。对于点焊作业，一般情况下机器人所夹持的的焊接工具都大而重，通常还要求机械手具有大的活动范围。对于弧焊，它经常用于焊接形状不规则的或较宽的焊缝。该机器人焊机的主要优点是发弧时间能够严格控制。

（二）喷漆

由于可能发生火灾，雾状漆还会挚爱，人不适宜从事喷漆作业，因此，喷漆作业是机器人的特有用途。一般由优秀的喷漆师给喷漆机器人编程，他的动作由一台或多台机器人模仿出来。

（三）零部件的装卸和传送

将零部件或物体从某一位置移到工作区的另一个位置，是机器人的最常见的用途之一。在金属加工中，一种常见的任务是热压加工。因为要求人在加热的窑炉、冲压床、车间或手摇钻床附近工作，这样的工作有危险。而机器人能耐高温环境，程序编好了就可以防止与其他机加工工具碰撞。

（四）零部件的组装

人可以利用眼—手的良好协调动作，再加上触觉，将一组不同的零件组装起来制成成品或半成品，但组装工作令人感到乏味，故组装作业是机器人的一项诱人的用途。

在某些组装作业中，机器人腕部的柔顺性显得特别重要。例如，将轴或杆插在小孔里。为了预防杆被卡住，在端部操纵装置和机器人的腕部法兰之间常用一个远距定心柔性装置（RCC）。另一方面，可利用力觉或触觉的反馈信号获得良好的外部感知能力。

（五）磨削

磨削机器人主要的用途有除焊珠、修整表面，打毛刺等。在这些磨削用途中，被加工的部件尺寸常有误差，需要传感器的信息使机器人能精确地“感知”到零部件真实的外形轮廓。

（六）其他用途

五、国内外机器人的发展

美国作为机器人的诞生地，基础雄厚，技术先进现已成为世界上的机器人强国之一。其机器人技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：

性能可靠，功能全面，精确度高；

机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广；

智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用； 高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速。

日本工业机器人产业在很短的时间内迅速发展起来，一跃成为“工业机器人王国”，日本在工业机器人的生产，出口和使用方面都居世界榜首，日本工业机器人的装备量约占世界工业机器人装备量的60%。

德国工业机器人的总数世界第三位，仅次于日本和美国，德国智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。

（二）国内的现状

同全球主要的机器人大国相比，中国工业机器人起步较晚，而真正大规模进入商用仅是在近几年。中国工业机器人从无到有，从下到大，发展迅速。已生产出部分机器人关键元器件。

但是，我国在机器人的发展中也存在很多问题，如：

我国对机器人的认识缺乏缺乏国家层次统一的发展规划和战略目标指导 研究成果不能在有限制的范围内共享

部分关键零部件依赖进口

作为一个机器人起步较晚相对技术有比较落后的国家，我们更应该大力发展机器人。根据我国的国情可以看出，我国作为一个人口大国，人力资源丰富，相对于产品的成本来说更具竞争力。

七、结语

作为一个正在崛起中的强国，不能在机器人这么一个环节上落后于其他国家。和其他机器人大国相比起来可以深刻的认识到我们的差距是很大的。从国家来说，应该大力扶植这些高新技术产业，作为每一个公民都应该了解到机器人的发展对我们国家来说的重要意义。

参考文献：

[1] 夏鲲.工业机器人的发展与应用研究 [J],广西轻工业，2008,(8):63-64

[2] 杨化书，曲新峰.工业机器人技术的应用及发展 [J].黄河水利职业技术学院学报，2004,16(4):42-43;

[3] 毕胜.国内外工业机器人的发展现状 [J].机械工程师，2008（7):5-8

[4] 黄元灿.国内外军用机器人产业发展现状 [J].机器人技术与应用，2009，（02）:25-30

[5]金周英，白英.我国机器人发展的政策研究报告 [J].机器人技术与应用，2009，（02）:2-7

第二篇：机器人课程设计方案

“机器人”科目设计方案

背景分析

机器人是现代工业中的重要分支，它涉及到机器人制造中的各个领域，如自主行为控制、人工智能、动态管理、机械设计等，在一定程度上代表着一个国家工业的尖端水平，机器人主要分为工业机器人、蛇形机器人、轮式移动机器人和智能机器人。他们能在人们所处的现实环境中工作；能使用人们所用的工具；以及一系列传感器信号的处理。机器人的技术组成机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。

我校具有一定的机器人中一些优秀的辅导师资力量，也拥有一定的开始机器人兴趣课程的历史，在前几年的机器人教学尝试过程中积累了一定的有关机器人教学的教学经验，完善机器人教学，并形成了一系列机器人教学的教学体系。

现在评价学生一个能力已经不仅仅是看学生的学习成绩，而更多看重的是学生的综合素质，而机器人的课程就是旨在培养学生的综合科学素养所开展的，本课程以传统课程上所没有的动手活动和理论学习模式相结合的模式，在丰富多彩的教学活动中培养学生的动手能力，团队配合能力和科学探索精神。

科目简介

本课程是以机器人介绍和制作为主，主要通过介绍现代机器人的发展和自己动手制作几个简单的机器人为主要内容，通过机器人的制作培养学生的动手操作能力，通过制造机器人时的分组培养学生的团队合作能力，通过将机器人以一定目的进行改造培养学生的科学素养，通过机器人的比赛养成一定的竞争意识。

学习目标

一、知识与技能

1、初步了解机器人的基础知识，知道机器人的发展历史，了解现在机器人的现状

2、掌握一些简单的机器的搭建，能过手脑并用，模仿创造

3、了解一些基本的机器编程知识，掌握一定的智能机器人的搭建和编程知识

二、过程与方法

1、通过小组合作制作机器人的过程养成学生的合作交流能力

2、通过对已有的机器人的进行给予一定目的的改造，养成一定的科学创新能力

三、情感态度价值观

1、在机器人的竞赛中体会成功的喜悦，感受竞争意识

2、通过对现代机器人知识的了解，养成热爱科学的精神

3、通过对于机器人的改造，体会科学创造的热趣 内容框架

“机器人”科目内容框架

篇目 基础篇 主题名称

第一章：机器人总览

内容要点

第一章的主要目的是向

1、现代机器人的发展和介绍（1课时）学生介绍现代机器人的2、人类的朋友——观看电影《霹雳5号》（2课时）

有关知识，同时培养学生对于这门课程的兴趣，通过对机器人的现在趋势介绍和电影观看产生对机器人这门课程的兴趣

制造篇 第二章：机器人制造

1、竞速四脚机器人制造（2课时）

第二章的主要内容是对简单的机器人的制造，主

2、竞速四脚机器人竞速比赛（1课时）要是制造四脚和六脚两

3、六脚机器人制造（2课时）

4、六脚机器人爬坡比赛（1课时）

5、六脚机器人手摇发电机动力负重比赛（1课时）

创造篇 第三章：机器人的改造

第三章的内容主要是是个机器人和有关的比赛

1、将直走的四脚机器人改造为走曲线对四脚机器人的一些改的机器人（2课时）

造，通过讨论和和交流让

2、四脚机器人曲线竞速比赛（1课时）学生能自己思考解决方

3、四脚机器人保龄球比赛（2课时）案，培养学生的创新意思

和解决问题的能力

智能篇 第四章：智能机器人编程介绍

1、介绍乐高智能机器人编程讲解（2课时）

本章主要基于乐高智能机器人编程实验室，让学生简单接触机器人编程的基本知识和基本技能

未来篇 第五章：畅想未来

第五章主要让学生自己

1、总结交流，畅想未来的机器人蓝图交流，总结本课程学习过（1课时）

程中的收获，交流经验，总结得失

科目实施

一、实施对象 初中六、七年级学生

二、组织策略

采取自主报名的方式，同学自主报名参加机器人的课程，在课程中一4-5人为一组组成小组来完成机器人的搭建，创造。

三、学习方式

1、情景创设

这一部分主要是为学生创建一个对机器人发展的前景创设，为学生了解机器人的发展提供一个平台，让学生能够知道，了解现代机器人的发展现状，并对机器人的原理，机制产生兴趣，愿意去对机器人这一项目进行深入的学习，对搭建机器人产生兴趣

2、动手实践

这一部分是这门科目的重点内容，这一部分的内容主要结合松江区中小学机器人大赛的相关器材和项目让学生以小组为单位在已有材料的基础上搭建机器人的已完成相关的目的，在小组合作的基础上，用自己的学习和创造能力，模仿老师给予的机器人模型利用材料来完成两个分别是四脚和六脚的机器人，同时开发自己的想象力，在一定的规定下对机器人进行改造，是机器人能更好的完成所需要完成的任务。在完成了已有的任务的过程之后，老师还会对学生提出一定的要求，要求学生对现有的机器人进行改造，使学生用同样的机器人部件，进过改

进和设计，来完成其他不同的任务。

3、机器人竞赛

本部分的任务是针对学生的已经完成的机器人进行测试，让学生以小组为单位，针对机器人设计的要求，来对机器人搭建的完成情况来进行测试和比赛，同时增加学生的竞争意识

科目评价

一、评价内容

1、知识方面

对现代机器人的发展有一定的认识，知道机器人的设计原理 知道一些智能机器的编程方式

2、技能方面

能否掌握2种机器人的搭建方式和制作技巧 掌握通过知识原理对机器人进行小许改造的能力 掌握一定的探究机器人搭建操作的能力

3、情感态度价值观

能否进行有效的小组合作来完成任务 能否建立起对现代工业科技并发扬科学的精神

二、评价方式

1、竞赛名次

通过机器人的完成任务情况的完成的完成度来确定名次

2、教师点评

有教师谈些适当的激励性的评语

设计人：二中初中 顾汇礽

第三篇：《果园机器人》教学设计方案

《果园机器人》

陈艳

石泉饶峰中心小学

一、概述

·义务教育课程标准教科书人教版语文三年级下册的第24课。

·本篇课文所需课时为1课时，40分钟，本节课是第一课时。

·《果园机器人》是一篇安排在三年级下学期第六组里的课文，在本组课文的编排中，编者意在让学生知晓科技成果，让学生留心科学技术的新发展。《果园机器人》重在向我们读者介绍果园机器人的聪明能干和有趣，课文讲在果园的机器人，能把成熟的果子从树上摘下来，整齐地装箱，运到指定的地方。同时，这些机器人只捡掉在地上的水果“吃”，自我充电，不停地工作。课文中果园机器人各种特性的介绍，是随果园生产需要的变化一步步体现出来的。课文能激发学生对机器人世界和科技的兴趣，培养学生独立阅读的能力。

这是一篇能体现电脑神奇的文章，所写的内容极为有趣。文章中的机器人服务于丰收的果园中，它们能把成熟的果子从树上摘下来，整齐地装箱，运到指定的地方。有趣的是，这些机器人只捡掉在地上的水果“吃”，自我充电，不停地工作。

文章的叙述方式也很有特色。文中果园机器人各种特性的介绍，是随果园生产需要的变化一步步体现出来的。水果丰收，果农忙不过来了，于是需要机器人帮忙；果园很大，机器人不好拖着电线工作，用电池也不方便，于是又想让果园机器人“吃”园中掉在地上的水果，自我充电。这样的叙述一方面使得果园机器人特点的介绍有层次，另一方面也体现了生产需求是科技的发展动力，学生读后会得到有益的启示。

·教学本课，通过学生自学，教师引导，了解果园机器人的有趣设计，激发学生对机器人世界和科技的兴趣，继续培养独立阅读的能力。

二、学习者特征分析

·本节课的教学对象是饶峰小学三年级的学生，本班学生共48人，学生的学习水平参差不齐，再加上三年级学生年龄小，而且是步入独立阅读的初始阶段，所以在学习知识、理解课文内容和阅读能力培养时都还需要老师适时加以引导和点拨。

三、教学目标分析

1、知识与技能

·阅读课文，学习本课生字新词。

·正确流利地朗读课文，了解果园机器人的特点和作用。·进一步培养独立阅读的能力。

2、过程与方法

·通过自学，了解课文的主要内容，了解文中果园机器人的工作原理。

3.情感态度价值观

·通过阅读，激发学生对机器人世界和科技的兴趣。

四、重难点，教法与学法

重点难点：了解机器人的基本情况，激发对机器人的兴趣。突破方法：学生自己质疑，自己解决提出的问题，感知机器人的特点。再结合关键字句，感受机器人的有趣，感受到生活和生产的实际要求是发明创造的动力。

教法：引导法

学法：质疑、自学、讨论、交流

五、教学资源与工具设计

供教师使用的资源：自制电子白板课件； 供学生使用的资源：课本

六、教学过程

（一）创设情境，导入课题

1、激趣导入。２、生质疑课题。

（二）走进文本，了解果园机器人

1、阅读“阅读提示”明确学习要求。

2、学生自由读课文，注意读准字音，读通句子，试着解决阅读提示中提出的问题：“想想课文写的机器人是怎样的？”“哪些地方有趣？”。

3、小组中进行交流。交流过程中总结机器人是怎样的。

4、有感情朗读。

（三）课外拓展，激发兴趣

1、了解发明果园机器人的动力。

2、因为生活的需要，科学家发明了许多种类的机器人（播放课件）。

3、学生展示自己设计的机器人，并讲解设计理由。

（四）小结本课。板书设计：

24*、果园机器人 聪明能干

第四篇：机器人

机器人

爸爸，我作业写完了，可以玩电脑吗？可以。听完爸爸的这句话，我直奔向电脑，打开电脑。接下来又得要等1分钟左右，真烦人！我想：要是有电脑机器人该多好啊！20年后的我就能发明这种电脑机器人。

它有两根又细又长的天线；方方正正的脑袋；一双由摄象机组成的眼睛；三角形的大嘴巴；左侧的耳朵是一个手机；而右侧的耳朵是一台小巧玲珑、精致、精美的迷你收音机。它的肚子上有一台特制的电脑与键盘。

这种电脑机器人的是：它只要一打开它，屏幕上就会自动显示出桌面；而且耗电量少；可以节约电；它可以防止我们上不良网站、而且，它还可以防止病毒损坏电脑；它可以变得很大很大，也可以变得很小很小，随身带在身上。比如，某一家企业的总经理正在某个地方旅游，玩得正高兴，公司就像半路杀来的程咬金，给这位玩得正高兴的总经理泼了一盆子的冷水，如果这位总经理有电脑机器人的话，就不发愁了。

第五篇：机器人工作站

运城学院 设计说明书

机器人工作站

学

院： 运城学院 团队名称：TENGFEI

专

业：机械设计制造及其自动化

团队成员： 任晓圆 张志凯 指导教师： 王新海

设计说明时间：二О一四年九月二十一日～十月三十一日

摘要

机器人工作站是当今世界工业发展潮流的方向与我国工业发展水平相结合的产物，在自动化生产逐渐普及的今天，能够为我国的工业自动化生产做出重大贡献的机器人工作站就出现了，该工作站由工业机器人和自动化流水线两大部分组成，可以实现360度全方位立体式工作。工业机器人通过精确地抓取零件，再通过高精度传感器的配合，将零件在加工台和流水线之间进行转移，克服手工操作的枯燥以及多目的地转移的危险，既降低了人力成本有提高了工作效率。关键词：智能机器人

Abstract Mobile robot workstation is the world's industrial development trend direction with the combination of the level of industrial development in our country, the growing popularity of the automated production today, will be able to make a significant contribution for our country's industrial automation production in mobile robot workstation, the workstation consists of two most industrial robots and automated assembly line, can achieve 360-degree vertical work.Industrial robot by scraping parts accurately, and then by high precision sensor, moving parts between the JiaGongTai and assembly line, to overcome the manual operation of boring and multi-destination transfer risk, is not only reduced labor costs to improve the working efficiency.Keywords: intelligent mobile robot

目录

第一章绪论.......................................................................................................................................1

1.1 智能机器人的行业发展前景...........................................................................................1 1.2 流水线行业的发展前景...................................................................................................1 1.3 本文主要研究的内容.......................................................................................................1 第二章机器人工作站简介...............................................................................................................2

2.1 机器人机械设计的特点...................................................................................................2 2.2 与机器人有关的概念.......................................................................................................2 2.3 方案设计...........................................................................................................................3 2.3.1 机器人设计方案要求...................................................................................................3 2.3.2机器人方案结构设计与分析........................................................................................4 2.4流水线方案设计与介绍....................................................................................................5 第三章有限元分析...........................................................................................................................7 材料属性...........................................................................................................................................8 第四章总结.......................................................................................................................................9 4.1 设计特色...................................................................................................................................9

4.2 总结...................................................................................................................................9 4.3心得体会............................................................................................................................9 参考文献.................................................................................................................................10

1第一章 绪论

1.1 智能机器人的行业发展前景

工业机器人是由传动机构、驱动结构以及夹具等部分组成。工业机器人可以通过底座，大臂、小臂和夹具的配合实现对流水线上的工件的夹取。从而实现工件在流水线和物料箱之间的转移。它可以大大的提高工作效率，提高工作的精确度，降低物料的损耗实现高效工作。随着我国制定机器人在2020年普及到工厂的计划，工业机器人必将迎来一个发展的春天，这将极大的提升我国工业化的水平。

1.2 流水线行业的发展前景

在社会快速发展、竞争激烈的今天，提高生产效率，降低生产工艺成本，最大限度的满足生产要求将直接决定各企业工厂能否紧跟社会脚步，赢得时间，占领市场甚至将决定企业的生死存亡。为此，企业生产自动化无疑扮演着重要的角色，装配流水线自动化作为工业自动化的一部分，能提高生产效率，降低工艺流程成本，最大限度的适应产品变化，提高产品质量，它是现代化生产控制系统中的重要组成部分。

1.3马大测试的发展前景

随着智能手机在全世界范围内的普及，智能手机已经成为了人们日常生活中必不可少的一个组成部分，而手机中的马达质量的好坏也就成为了人们对某一品牌的手机的质量好坏的重要的评价标准，所以对于手机中的马达的检测也就显得十分重要。

1.4 本文主要研究的内容

本文主要以工业机器人、马达测试工站和自动化流水线为对象进行研究，分析其结构，结合其工作原理，设计出新的自动化机器，并采用电器控制，结合实际生产，来完成相应的工作。同时，本文还研究本机器的运动情况及受力情况。以及效率问题等生产时遇到的问题。最重要的是研究其加工流程，以便实现其规定功能，并按实际情况进行分析。

第二章 马达自动化测试工作站简介

2.1 方案功能设计与分析

方案一 采用风车型马达测试箱布局

该方案占地面积小，可以充分利用车间的空间，但是技术要求高、成本高 方案二采用左右对称式马达测试箱布局 该方案占地面积大，可以放置的测试站数量少，不能充分利用工业机器人的高自由度的优点，效率比较低

方案三 采用环形阵列型马达测试箱分布

该方案占地面积小，可以充分利用工业机械手的高自由度的优势，效率高 经过对测试站的分布和工厂车间本身可用空间的分析，以及生产商对于设备成本的要求，我们觉定采用第三种设计方案。该方案可以充分利用工厂的空间，减少占地面积，还可以

2.2 与机器人有关的概念

以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。

1.自由度：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。2.机器人的分类

机器人分类方法有多种。

(1)按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP），连续轨迹控制型（CP）：（a）点位控制型（Point to Point Control）：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如:机器人在进行点焊时的轨迹控制。

（b）连续轨迹控制型（Continuous Path Control）：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。

(2)按机器人的结构分类，可分为四类：

（a）直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。

（b）圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以q, r, z为坐标，位置函数为P = f(q, r, z),其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。

2（c）球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以q,f, y 为坐标，位置函数为P = f(q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。

（d）关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型（SCARA 型）机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。

(3)按驱动方式分类：

按驱动方式可分为：（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。电气驱动是 20 世纪90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。(4)按用途分类：

可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。

2.3 方案设计

2.3.1 机器人设计方案要求

如前所述，该机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运、装夹和日常生活中的持物、看护等。能够固定在移动装置（如AGV）上，以实现灵活移动。要求动作灵活，工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度6个，结构紧凑，重量轻。采用电动机驱动。

手腕回转速度

V腕回 = 40°/s 手臂伸缩速度

V臂伸 = 50 mm/s 手臂回转速度

V臂回 = 40°/s 手臂升降速度

V臂升 = 50 mm/s 立柱水平运动速度

V柱移 = 50 mm/s 手指夹紧油缸的运动速度

V夹 = 50 mm/s 2.3.2 方案功能设计与分析

a 机器人自由度的分配和手臂手腕的构形

手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2-1。

本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有四个自由度，其中手臂两个自由度。由于在同样的体积条件下，非关节型机器人比关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用非关节型机器人的结构。

32.3.2机器人方案结构设计与分析

各部件组成和功能描述如下：(1)底座部件：

底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在流水线上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。(2)腰部回转部件：

腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支架上固定着驱动大臂和小臂的电机。(3)大臂部件：包括大臂和传动部件。

(4)小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小 臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕运动的步进电机(5)手腕部件：包括手腕壳体和传动轴、机械接口等(6)末端执行器： 为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为0～30mm。考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制。手爪采用电机驱动，平行开合机构。

手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。设计时应考虑的几个问题 ①应具有足够的握力（即夹紧力）

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。②手指间应有一定的开闭角

两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。③应保证工件的准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。④应具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。⑤应考虑被抓取对象的要求

应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的

4形状。

驱动力的计算

1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图1 滑槽杠杆式手部受力分析

如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即

∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα

销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑m01(F)=0得

P1′h=Nb 因

h=a/cosα

所以

P=2b(cosα)N/a 式中

a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。

α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。这里取角α=30度。

22.4流水线方案设计与介绍

对于本课题来说，装配流水线系统是一个较大规模的工业控制系统的改造升级新控制装置需要根据企业装备和工艺现况来构成并尽可能用到旧系统中的元件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于

5操作人员迅速掌握。从企业控制要求中可以看出在新的控制系统中既需要处理模拟量也要处理大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据的存储和分析汇总能力。

装配流水线是人和机器的有效组合，最充分体现设备的灵活性，它将输送系统、随行夹具和在线专机、检测设备有机的组合，以满足多品种产品的装配要求。（1）装配流水线的传输方式

装配流水线的传输方式有同步传输的（/强制式）也可以是非同步传输（/柔性式），根据配置的选择，实现手工装配或半自动装配。流水线在企业的批量生产中不可或缺。

（2）装配流水线的设计参数 高度1m

宽度0.5m 流水线载重30kg 流水线运行速度 6m/s 线体配置 ：日光灯

电风扇

120v的电源插座

线体控制箱 紧急制动器

（3）流水线结构分析

流水线受力分析

由上图可知流水线上的皮带受到工件箱的向下的压力和两个传动轮给它的牵引力

水平方向的力为F=F1+F2

垂直方向的力为F=G

因此，只有更好的应用和改进装配流水线的工艺流程，充分发挥其自动、连续、高效率等优势，我们企业的生产效率才能提升，才能增强我们企业的产品竞争力，才能更好的造福社会

6第三章 有限元分析

皮带有限元分析

滑杆有限元分析

7材料属性

模型参考 属性

名称: 铸造碳钢 模型类型: 线性弹性同向性 默认失败准则: 最大 von Mises应

力

屈服强度: 2.48168e+008

N/m^2

张力强度: 4.82549e+008

N/m^2

弹性模量: 2e+011 N/m^2 泊松比: 0.32

质量密度: 7800 kg/m^3 抗剪模量: 7.6e+010 N/m^2 热扩张系数: 1.2e-005 /Kelvin

零部件

SolidBody 1(切除-拉伸3)(1204滑杆)

曲线数据:N/A

8第四章 总结

4.1 设计特色

本次设计充分利用了工业机器人的灵活性和自动化流水线的高效性，减少了工作时间，提升了工作效率，降低了工作时的零件损耗率，实现了高精度，高效率，低成本的生产目标，可以为生产商节约大量的人力资源，降低了人力成本，提高利润率。

4.2 总结

本次设计目的是，实现小部分的自动化，减少劳动力，提高工作效率。本产品有着目前从国外新引进的科技，只有科技才能引领生产力的发展。但科技也是约束本产品的关键，本设计有很高的技术要求，能保证生产的精度要求。例如，打印时，利用了工业机器人和自动化流水线可以满足人们的要求。

另外本产品也有很好的生产发展空间，可用于各个大中型需要打印的车间成产线，因此，本产品用途广泛适用于大部分需要自动化生产的地方。例如：食品包装袋生产线，牛奶包装盒，铝纸包装印刷等。

除此之外本产品，不仅打破常规的生产方式，还开创了装配一体化生产，加快生产速度，提高生产效率，带来更多的利益

4.3心得体会

这次的设计对于我们来说既是一个机遇也是一个挑战，我们面临的的最大困难是

9对solidworks软件的使用非常的不熟练，由于刚接触这款软件我们在设计之初遇到了很多的问题，例如，对设计尺寸制定不规范，不会装配齿轮，对于动画的制作了解不深，这些问题使我们在设计开始时花了很长时间用来熟悉软件的基本使用。虽然，我们面临很多的困难，但我们通过查阅，《机械原理》、《机械设计》、《机械设计基础》等书逐步的了解了各种机构的运行原理，材料的使用条件，应力和应变的分析条件等知识，在这个过程中我们既学会了使用软件又巩固了所学的知识，而且还锻炼了自己的自学能力，俗话说师傅领进门修行在个人，一时的投机取巧只能解决面前的困难，要想真正学好一种技术永远要靠自己的勤奋努力，最后，感谢王老师给我们这次机会，可以使我们锻炼自己的能力，为我们打开一扇新的窗口。

参考文献

[1]陈周娟．机械原理．华中科技大学出版社，2014 [2]沈萌红．机械设计．华中科技大学出版社，2012 [3]杨克旺．机械制图．北京：高等教育出版社，2012 [4]杨家军，机械系统创新设计．武汉：华中理工大学出版社，2000 [5]郭友寒，机械设计基础及应用．北京：人民邮电出版社，2013