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五自由度裝配工業機器人設計畢業設計
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目 錄
設計總說明 I
INTRODUCTION II
1 工業機器人的概述 1
1.1工業機器人的組成 1
1.2工業機器人的分類 1
1.3工業機器人的主要技術參數 3
2工業機器人的結構設計 4
2.1機器人本體結構基本形式和特點 4
2.2裝配機器人的主要技術參數 4
2.3五自由度工業機器人的結構 5
2.3.1 結構形式 5
2.3.2 結構特點 6
2.3.3 平衡系統 7
3 機器人運動學設計與分析 9
3.1 概述 9
3.2 機器人的位移分析 9
3.2.1 位移正問題分析 9
3.2.1.1 建立機器人各桿件的構件坐標系 9
3.2.1.2 列出D-H參數表 10
3.2.1.3 位姿矩陣Ai 10
3.2.1.4 求末桿位姿矩陣 11
3.2.2 機器人位移分析的逆問題 12
3.2.2.1求解 13
3.2.2.2 求解 13
3.2.2.3 求解 14
3.2.2.4求解 14
3.2.2.5 關于解的討論 15
4 五自由度工業機器人的動力計算 16
4.1 手指驅動電機的選擇 16
4.1.1 手指驅動力計算 16
4.1.2 蝸輪蝸桿設計計算 17
4.1.3 手指驅動電機的選擇 18
4.2 腕擺電機的選擇 19
4.3 手腕回轉電機的選擇 20
4.4 同步帶設計計算 21
4.5 小臂驅動絲杠的設計及絲杠驅動電機選擇 23
4.5.1 絲杠設計計算 23
4.5.2 絲杠驅動電機選擇 25
5 機械人控制系統設計 27
5.1 計算機控制系統的設計方案 27
5.2 控制系統的硬件電路組成 27
5.3部分電器部件說明 28
5.3.1 80C51的邏輯圖 28
5.3.2 74LS373地址鎖存器 29
5.3.3 74LS138譯碼器 29
5.3.4 8255A芯片 30
設計總結 32
鳴謝 33
參考文獻 34
設計總說明
在工業上，自動控制系統有著廣泛的應用，如工業自動化機床控制，計算機系統，機器人等。而工業機器人是相對較新的電子設備，它正開始改變現代化工業面貌。本設計主要介紹關于工業機器人的一些基本常識和原理，包括工業機器人的組成、分類、主要技術性能參數和工業機器人的運動分析，并參考通用型機器人的結構，進行五自由度工業機器人的結構設計和其計算機控制系統的設計。本文所設計的可編程控制器控制系統主要是針對五自由度工業機器人的控制。可編程控制器是通過軟件來實現控制的,只需改變軟件就可以實現不同的控制要求。
關鍵詞：五自由度，工業機器人，運動姿態；控制系統
INTRODUCTION
Industrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced some basic information and theory of the industrial robots. It is included that the composition of the robot, the group of the robot, the main capability of technology and some movement analyze of the robot. It consulted the structure of the common robot to design the structure and computer control system of five degrees of freedom industrial robot.
In this paper, the system is used for controlling the industrial robot of five degrees of freedom. The PLC is controlled by software, so some changes of software can fulfill variable requirement.
Keywords: Five degrees of freedom, Industrial robot, moving posture, control system
五自由度裝配工業機器人設計
機械設計制造及其自動化，200310211236，張綿濤
指導老師： 溫堅
1 工業機器人的概述
1.1工業機器人的組成
機械加工中使用的機器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的程序、軌
跡和要求進行工作。它主要由執行系統、驅動系統、控制系統及檢測系統組成。
1.執行系統：執行系統是工業機器人完成抓取工件，實現各種運動所必需
的機械部件，它包括手部、腕部、機身和行走機構等。
（1）手部：又稱手爪或抓取機構，它直接抓取工件或夾具。
（2）腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調整或改變手部的工作方位。
（3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，并把它傳遞到預定的位置。
（4）機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。
（5）行走機構：目前大多數工業機器人沒有行走機構，本次設計“五自由度工業機器人”沒有行走機構。
2.驅動系統：為執行系統各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的
機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。
3.控制系統：通過對驅動系統的控制，使執行系統按照規定的要求進行工作，當發生錯誤或故障時發出報警信號。
4.檢測系統：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執行機構的運動情況，根據需要反饋給控制系統，與設定進行比較，以保證運動符合要求。
1.2工業機器人的分類
工業機器人的分類方法很多，這里主要以工業機器人的驅動方式、控制功能、
編程方式、控制機構、坐標形式、自由度數以及抓取重量的不同進行分類。
1. 按驅動方式分為液壓傳動，氣壓傳動和電動。
2. 按控制功能分為重復型和智能型。
重復型機器人能夠按照事前編制的程序重復自動的工作。目前，機械加工系統中應用的工業機器人幾乎都是這種。
智能型機器人除具有重復型的功能外，還具有視覺、觸覺、識別和判斷
功能等。
3.按編程方式分為可編程序式和示教再現式。
4.按控制方式分為點位控制和連續軌跡控制。
點位控制是指機器人的運動，只控制空間點的位置，而不控制由一個定
位點到另一個定位點之間的運動軌跡。
連續軌跡控制是指能控制機器人的運動軌跡為空間任意曲線。
5.按控制機構分為開關型和佩服型。
開關型機器人是通過機械擋塊、行程開關等電器觸頭的開關動作，得到
位置信號，從而控制運動部件定位。這種機器人結構比較簡單，只能用于點位控制，難于實現復雜運動。
佩服型機器人是根據連續輸入指令，經過信號擴大，由佩服驅動機構控制運動。通常采用位置檢測機構，檢測機器人運動部件的位置和姿態變化，以控制機器人運動部件的準確定位。這種機器人可獲得良好的運動特性，定位精度高，不僅適于點位控制，而且適于連續軌跡控制。
6.按坐標形式分為直角坐標式機器人、極坐標式機器人、圓柱坐標式機器人和多關節式機器人。
7.按自由度數分，機器人的自由度數越多，能用性就越廣，但結構復雜。一般4到6個自由度即能滿足稍復雜的使用要求了。
8.按抓取重量分大型、中型、小型和微型。
大型機器人的抓取重量為100kg以上；
中型機器人的抓取重量為10～100kg；
小型機器人的抓取重量為1～10kg；
微型機器人的抓取重量為1kg以下。
1.3工業機器人的主要技術參數
工業機器人的技術參數是說明其規格和性能的具體指標。主要技術參數如下：
1.抓取重量：
抓取重量是用來表明機器人負荷能力的技術參數，這是一項主要參數。這項參數與機器人的運動速度有關，一般是指在正常速度下所抓取的重量。
2.抓取工件的極限尺寸：
抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術參數，它是設計手部的基礎。
3.坐標形式和自由度：
說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數及它們組成的坐標系特征。
4.運動行程范圍：
指執行機構直線移動距離或回轉角度的范圍，即各運動自由度的運
動量。根據運動行程范圍和坐標形式就可確定機器人的工作范圍。
5.運動速度：
是反映機器人性能的重要參數。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數密切有關，互相影響。目前，國內外機器人的最大直線移動速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉速度最大為180 ...
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