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五自由度装配工业机器人设计毕业设计
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目 录
设计总说明 I
INTRODUCTION II
1 工业机器人的概述 1
1.1工业机器人的组成 1
1.2工业机器人的分类 1
1.3工业机器人的主要技术参数 3
2工业机器人的结构设计 4
2.1机器人本体结构基本形式和特点 4
2.2装配机器人的主要技术参数 4
2.3五自由度工业机器人的结构 5
2.3.1 结构形式 5
2.3.2 结构特点 6
2.3.3 平衡系统 7
3 机器人运动学设计与分析 9
3.1 概述 9
3.2 机器人的位移分析 9
3.2.1 位移正问题分析 9
3.2.1.1 建立机器人各杆件的构件坐标系 9
3.2.1.2 列出D-H参数表 10
3.2.1.3 位姿矩阵Ai 10
3.2.1.4 求末杆位姿矩阵 11
3.2.2 机器人位移分析的逆问题 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 关于解的讨论 15
4 五自由度工业机器人的动力计算 16
4.1 手指驱动电机的选择 16
4.1.1 手指驱动力计算 16
4.1.2 蜗轮蜗杆设计计算 17
4.1.3 手指驱动电机的选择 18
4.2 腕摆电机的选择 19
4.3 手腕回转电机的选择 20
4.4 同步带设计计算 21
4.5 小臂驱动丝杠的设计及丝杠驱动电机选择 23
4.5.1 丝杠设计计算 23
4.5.2 丝杠驱动电机选择 25
5 机械人控制系统设计 27
5.1 计算机控制系统的设计方案 27
5.2 控制系统的硬件电路组成 27
5.3部分电器部件说明 28
5.3.1 80C51的逻辑图 28
5.3.2 74LS373地址锁存器 29
5.3.3 74LS138译码器 29
5.3.4 8255A芯片 30
设计总结 32
鸣谢 33
参考文献 34
设计总说明
在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计主要介绍关于工业机器人的一些基本常识和原理，包括工业机器人的组成、分类、主要技术性能参数和工业机器人的运动分析，并参考通用型机器人的结构，进行五自由度工业机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本文所设计的可编程控制器控制系统主要是针对五自由度工业机器人的控制。可编程控制器是通过软件来实现控制的,只需改变软件就可以实现不同的控制要求。
关键词：五自由度，工业机器人，运动姿态；控制系统
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
五自由度装配工业机器人设计
机械设计制造及其自动化，200310211236，张绵涛
指导老师： 温坚
1 工业机器人的概述
1.1工业机器人的组成
机械加工中使用的机器人大多是代替人上肢的部分功能，按给定的程序、轨
迹和要求进行工作。它主要由执行系统、驱动系统、控制系统及检测系统组成。
1.执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需
的机械部件，它包括手部、腕部、机身和行走机构等。
（1）手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。
（2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。
（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，并把它传递到预定的位置。
（4）机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。
（5）行走机构：目前大多数工业机器人没有行走机构，本次设计“五自由度工业机器人”没有行走机构。
2.驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的
机械传动、液压传动、气压传动和电传动。
3.控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。
4.检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。
1.2工业机器人的分类
工业机器人的分类方法很多，这里主要以工业机器人的驱动方式、控制功能、
编程方式、控制机构、坐标形式、自由度数以及抓取重量的不同进行分类。
1. 按驱动方式分为液压传动，气压传动和电动。
2. 按控制功能分为重复型和智能型。
重复型机器人能够按照事前编制的程序重复自动的工作。目前，机械加工系统中应用的工业机器人几乎都是这种。
智能型机器人除具有重复型的功能外，还具有视觉、触觉、识别和判断
功能等。
3.按编程方式分为可编程序式和示教再现式。
4.按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制。
点位控制是指机器人的运动，只控制空间点的位置，而不控制由一个定
位点到另一个定位点之间的运动轨迹。
连续轨迹控制是指能控制机器人的运动轨迹为空间任意曲线。
5.按控制机构分为开关型和佩服型。
开关型机器人是通过机械挡块、行程开关等电器触头的开关动作，得到
位置信号，从而控制运动部件定位。这种机器人结构比较简单，只能用于点位控制，难于实现复杂运动。
佩服型机器人是根据连续输入指令，经过信号扩大，由佩服驱动机构控制运动。通常采用位置检测机构，检测机器人运动部件的位置和姿态变化，以控制机器人运动部件的准确定位。这种机器人可获得良好的运动特性，定位精度高，不仅适于点位控制，而且适于连续轨迹控制。
6.按坐标形式分为直角坐标式机器人、极坐标式机器人、圆柱坐标式机器人和多关节式机器人。
7.按自由度数分，机器人的自由度数越多，能用性就越广，但结构复杂。一般4到6个自由度即能满足稍复杂的使用要求了。
8.按抓取重量分大型、中型、小型和微型。
大型机器人的抓取重量为100kg以上；
中型机器人的抓取重量为10～100kg；
小型机器人的抓取重量为1～10kg；
微型机器人的抓取重量为1kg以下。
1.3工业机器人的主要技术参数
工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数如下：
1.抓取重量：
抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。
2.抓取工件的极限尺寸：
抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。
3.坐标形式和自由度：
说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。
4.运动行程范围：
指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运
动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。
5.运动速度：
是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180 ...
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