摘 要

本文针对能模仿工人在自动生产线上高效率、高质量地完成连杆在托盘中的上、下料以及搬运托盘的一种机械手进行了设计与计算。其中主要设计内容是完成连杆上料、下料机器人总体布局设计和动力传动设计，完成机器人手腕及执行器结构设计。

首先，本文将进行对该机器人总体布局的设计，选择合适的传动方式和驱动方式，建立机器人总体轮廓，并对驱动运动的电机进行了选型。然后在对其工作空间分析的基础上，对其中关键的零部件进行了受力分析和强度校核；根据方案要求及主要设计参数，使用Solidworks2016软件建模从而完成三维模型的绘制，并且利用CAD完成了对机器人总体布局图和动力传动原理图，手腕和执行器总装图、部件图和零件图的绘制。

关键词：工业机器人；结构设计；传动方案设计；强度校核

Abstract

In this paper, a kind of manipulator which can imitate worker on the automatic production line, efficiently and high quality, completes the upper and lower material of the connecting rod in the tray and carries the tray, is designed and calculated. The main design content is to complete the overall layout design and power transmission design of the rod feeding robot and to design the robot wrist and actuator structure.

First of all, this paper will design the overall layout of the robot, select the appropriate drive mode and drive mode, establish the overall outline of the robot, and select the motor for driving motion. Then based on the analysis of its working space, one of the key parts of the stress analysis and strength check; according to the main design parameters and program requirements, using Solidworks2016 software modeling to draw three-dimensional model, and use CAD to complete the overall layout of the machine and the power transmission principle diagram, draw the wrist and the actuator assembly diagram, parts drawings and parts.

Key Words：Industrial robot; structure design; transmission scheme design; strength check

目 录

第1章 绪论 1

1.1 什么是机器人 1

1.2 工业机器人发展历程 1

1.3 国内外研究现状和发展趋势 2

1.3.1 国外研究现状 2

1.3.2 国内研究现状 2

1.3.3 发展趋势 2

1.4 工业机器人的组成与分类 3

1.4.1 工业机器人的组成及工作原理 3

1.4.2 工业机器人的分类 4

1.5 机器人的主要特性 4

第2章 总体布局设计 5

2.1 方案要求 5

2.2 主要技术参数 6

2.3 机构选型 7

2.4 驱动方式选择 7

2.5 总体布局图 9

第3章 执行器结构设计 10

3.1 手部动作分析 10

3.2 手部机构的要求 10

3.3 典型手部结构 11

3.4 夹紧力的计算 14

3.5 电机选型 14

3.6 行程开关的利用 15

第4章 手腕结构设计 16

4.1 手腕动作分析 16

4.2 手腕结构的要求 18

4.3 几种典型手腕机构 18

第5章 强度校核 21

5.1 齿轮副材料的选择 21

5.2 齿轮副的强度校核 21

第6章 总结与展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 什么是机器人

恩格尔伯格先生曾经说过，对于机器人迄今为止还没有准确的解释，不过可以确定一点的就是机器人虽然不能够和人媲美，但是却可以为人类服务，替人打工。西方国家不仅将服务型机器人和工业机器人都列为机器人的行列，而且还把水下作业机器、无人机甚至是巡航导弹也当作是机器人。机器人技术是集计算器、机构学、信息与传感技术、控制论、智能学、仿生学等多学科为一体的一种高科技。

从应用环境方面来看，机器人可以分为工业机器人与特种机器人这两类。其中工业机器人是一种面向工业领域的自动化设备，通过模仿人类手臂及手腕的一些动作，执行工人师傅设定的某些程序或轨迹，从而实现对工件或者夹具的抓取、搬运等技术要求。相比工业机器人，特种机器人可就高端多了，包括服务机器人、水下机器人、军用机器人、农业机器人、娱乐机器人等一系列用于非制造产业的“高大上”机器人。不过相同的一点是，两者都是人类制造并服务于人类的一种社会产物。

1.2 工业机器人发展历程

公元前11世纪左右，也就是西周时期，民间有一种娱乐形式叫“木偶戏”，人们可以通过操作木偶线使木偶进行戏剧表演，这有可能是世界上最早的机器人了吧。

20世纪20年代，工厂里出现了替代工人师傅装卸和搬运工件的一种安装在自动生产线上的机械手。

40年代由工人直接控制代替工人工作的一种半自动化装置出现在了生产线上，大大减轻了工人师傅的工作量。

60年代出现了具有自动控制功能的能够实现多种操作要求的机械手。

到了70年代，第一代机器人，又名“示教再现”型机器人问世，集计算机技术、传感技术、现代控制技术和人工智能技术为一体，具有很强的存储功能，根据相应的程序重复操作，但是对周围环境几乎却没有任何感知与反馈控制能力。

随着社会的进步，传感技术以及信息处理技术得到了充分发展，第二代机器人——有感觉的机器人问世。它可以获取有关工作环境和工作对象的一些信息，进行一定的实时处理，从而引导机器人操作。目前这种“有感觉”的机器人已经在工业生产中得到广泛应用。

“智能机器人”即第三代机器人目前尚处在研究阶段，还未得到广泛应用。相比于前两代机器人，这一代机器人的环保能力更加出色，思维能力、判断能力以及决策能力也比之前的机器人强大很多，更重要的是还能够根据周围环境以及目标要求自主地完成作业。

1.3 国内外研究现状和发展趋势

1.3.1 国外研究现状

当前国外工业机器人发展迅速，关键技术日益成熟，被业内广泛认可。其中有一些有代表性、有影响力的机器人公司，比如瑞典ABB、德国KUKA、日本FANUC以及意大利COMAU等知名公司，它们已经成为各自所在地区的支柱性产业，而且都有自己相应的标准和系列化产品。不可否认的是，机器人行业将会是继汽车、计算机行业之后的又一大高新技术行业。国外很多行业都在使用应用机器人的自动化生产线，这样不仅能够大大提高生产效率，而且可以保证其生产质量，同时也可以避免很多不必要的工伤事故发生，减少人员伤亡。从全球来看，工业机器人的普及是必然的，它是实现工厂生产自动化，提高社会生产效率，促进企业和社会生产力发展的有效途径。

1.3.2 国内研究现状

中国工业机器人由于起步的比较晚，虽然总体在世界机器人领域内已占有一席之地，但是和国外那些先进的机器人技术相比，仍然有着不可忽略的较大差距，而且普及程度也不如那些西方发达国家。总的来说，这些年我国在一些设计制造方面的关键技术上有所掌握与突破，但是对于机器人整体核心技术的研究方面还需要做一些努力。不过不可否认的是，中国市场是全球最大的、最具有潜力的机器人市场。近些年来，国内一些机器人公司自主生产的机器人销售总量以及市场份额都较以往有了很大的进步与提高，甚至具备了国际竞争力。

1.3.3 发展趋势

工业机器人技术目前正在向智能化、模块化和系统化这三个方向发展，应用领域将从传统的制造业扩大到像航空、核能、医药等这些高科技的领域，同时家庭机器人也将会逐步走进人们的视野里，减轻人们的劳动量，而且在一些比如消防、排雷、清洁这样的高危行业里，也会引入专门的工业机器人来代替人完成这些危险的作业。