1、本科毕业论文（20 届）5 自由度机器人的三维建模与运动分析所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日 3毕业设计任务书设计题目： 5 自由度机器人手臂的三维建模及运动分析 1设计的主要任务及目标对机器人手臂进行广泛调研、查阅文献，了解和掌握机器人手臂的重要作用，明确选题的意义。分析机器人手臂的工作原理，掌握各个关节自由度的分配，由肩关节、大臂、肘关节、小臂和腕关节五个方面，设计具有 5 自由度的机器人手臂。2设计的基本要求和内容（1）
2、通过广泛调研、查阅文献，了解和掌握机器人手臂的重要作用，研究现状、基本类型、设计方法等，明确选题的意义。 （2）综合基础知识和专业知识对机器人手臂进行三维建模。 （3）完成机器人零件二维工程图 2 张。 （5）按时完成毕业论文。要求论文论述清楚、文理通顺、图表规范、数据准确、内容完备。 （6）遵守纪律，以严谨的科学作风，按时完成各项任务。3主要参考文献1 吕恬生，刘文焕.机器人趣谈.成都：四川科学技术出版社,19992 杨建.机器人的发展和应用.创新论坛.2002(1)3 王承义.机械手及其应用.北京：机械工业出版社，1981，1-64 满翠华，范迅，李成荣等.5 自由度机器人手臂研究.制造业
3、自动化.2006(10)4.进度安排4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 开题报告 2014-3-1 至 2014-3-202 中期报告完成机器人手臂的建模 2014-3-20 至 2014-4-303 机器人手臂的运动分析 2014-5-1 至 2014-5-154 毕业论文撰写 2014-5-16 至 2014-5-315 准备毕业答辩 ppt 2014-6-1 至 2014-6-10注：一式 4 份，系部、指导教师各 1 份、学生 2 份：毕业设计 及答辩评分表各一份 45 自由度机器人手臂的三维建模及运动分析摘要：本课题主要是对五自由度机器人手臂进行结构分析，并进行三维建模与分析
4、。本课题阐述了机器人的发展历程，国内外的应用现状，及其巨大的优越性，提出具体的机器人设计要求。本课题的主要工作是通过对机器人手臂进行结构分析，对各个关节进行设计，然后根据自己的理解分配各关节的自由度，在了解了各关节的结构的基础上对机器人的各个关节的各个零件进行三维建模，之后再进行各个零部件的装配，完成手臂的三维建模。通过本课题了解五自由度机器人手臂的结构，学习到了如何使用 solidworks进行复杂的三维建模。关键词：5自由度，机器人手臂，机构，建模，装配The 3D modeling and motion analysis of 5 degree of freedom robot armA
5、bstract：The main task is to analyze the structure of five degree of freedom robot arm, and 3D modeling and analysis.This paper discusses the development history of robots, the application status at home and abroad, and its great superiority, the robot specific design requirements.The main work of th
6、is paper is that by analyzing the structure of the robot arm, design of various joint,And then according to their own understanding of the distribution of each joint degree of freedom, three-dimensional modeling based on understanding the structure of each joint of each joint of robot parts,After ea
7、ch parts assembly, 3D modeling completed arm.To understand the structure of five degree of freedom robot arm by the subject, learning how to use SolidWorks for 3D modeling of complex.Key word：5 degree of freedom the robot arm mechanism modeling assemblyI目 录1 前言 .11.1 机器人手臂的研究背景及意义 .11.1.1 课题研究背景 .11
8、.1.2 本课题的研究意义 .31.2 机器人手臂的发展现状及趋势 .41.2.1 机械人手臂的发展概况 .41.2.2 机械手臂的发展趋势 .51.3 本课题的目的及研究方法 .71.3.1 专题的内容与要求 .71.3.2 本课题采用的研究方法 .72 机器人手臂的基本知识及设计 .82.1 机器人手臂概述 .82.1.1 机器人手臂的组成 .82.1.2 机器人手臂的分类 .92.2 机器人手臂设计 .102.2.1 机器人手臂的设计准则 .102.2.2 机器人手臂结构的设计 .103 各关节自由度的设置 .123.1 机器人手臂的自由度 .123.1.1 自由度 .123.1.2 工
9、作空间 .123.2 各关节自由度的分配 .123.2.1 手臂的自由度 .123.2.2 臂部的自由度 .133.2.3 腕部自由度的分配 .134 机器人手臂三维建模 .154.1Solidworks 概述 .154.1.1solidwork 软件介绍 .154.2 机器人手臂的三维建模 .174.2.1 零件的三维实体建模 .17II4.2.2 零件的装配 .204.2.3 建模及装配过程中应注意的问题 .234.2.4 再生失败的预防 .244.3 二维工程图的绘制 .255 结 论 .28参考目录 .29致 谢 .30附录 .3111 前言1.1 机器人手臂的研究背景及意义1.1.1
10、 课题研究背景机器人技术的发展，应该说是随着时代的发展，随着人们的需要，很自然的，顺应时代潮流而产生的产物人们不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。当今社会人们的生产水平不断的提高，人类可以的发展日新月异，人们会通过不断产生的新技术来实现自己的愿望。机器人的产生，是因为人们发现可以利用科技来实现自己的目的，从而实现生产力的进一步提高，生产效率也随着不断的提高。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强
11、了本国的经济的发展。比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。美国是现代机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人。在人类大规模地发展工业的时期，自动化设备有了大的进步，开始出现初级机器人装置。当时蒸汽机的大量使用，人们自然想到要控制蒸汽机的运转速度。一台蒸汽机在工作时，负荷会使速度慢下来，这时便需要加大进入汽缸内的蒸汽量，而在空转时，则需要减少。于是产生了调速器。它使蒸汽机的自动化运转程度大大提高。19 世纪末和 20 世纪初，工人们因自动化
12、设备的出现，可以不必一手安放零件，一手调整机器。大约也就是在这种情况下，人们开始产生出更多的梦想，希望有机器来代替人们更多的劳动1。上个世纪 60 年代前后，随着微电子学和计算机技术的迅速发展，自动化技术也取得了飞跃性的变化。开始出现了现在普遍意义上的机器人。1959 年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，取名尤尼曼特“Unimate” ，意为“万能自动” 。 尤尼曼特的样子像一个坦克炮塔，炮塔上伸出一条大机械臂，大机械臂上又接着一条小机械臂，小机械臂再安装着一个操作器。这三部分都可以相对转动、伸缩，很像是人的手臂了。它的发明人专门研究运动机构与控制信号的关系，可以编制程序让机
13、器记住并模仿、重复进行某种动作。英格伯格和德沃尔认为汽车制造过程比较固定，适合用这样的机器人。于是，这台世界上第一个真正意义上的机器人，就应用在了汽车制造生产中。经过近百年来的发展，机器人已经在很多领域中取得了巨大的应用成绩，其种类也2不3胜枚举，几乎各个高精尖端的技术领域更是少不了它们的身影。在这期间，机器人的成长经历了三个阶段。在第一个阶段，机器人只能根据事先编好的程序来工作，这时它好像只有干活儿的手，不能处理外界的信息。第二个阶段中，机器人有了感觉神经，具有了触觉、视觉、听觉、力觉等功能，这使得它可以根据外界的不同信息做出相应的反馈。第三个阶段时，它不仅具有多种技能，能够感知外面的世界，
14、而且它还能够不断自我学习，用自己的思维来决策该做什么和怎样去做。第一阶段的机器人，人们称它为“示教再现型”机器人；第二阶段的机器人，人们称它为“感觉型”机器人；第三阶段的机器人称为“智能型”机器人。1968 年，美国斯坦福研究所研制出世界上第一台智能型机器人。这个机器人可以在一次性接受由计算机输出的无线遥控指令后，自己找到目标物体并实施对该物体的某些动作。1969 年，该研究所对机器人的智能进行测定。他们在房间中央放置了一个高台，在台上放一只箱子，同时在房间一个角落里放了一个斜面体。科学家命令机器人爬上高台并将箱子推到地下去。开始，这个机器人绕着台子转了 20 分钟，却无法登上去。后来，它发现
15、了角落里的斜面体，于是它走过去，把斜面体推到平台前并沿着这个斜面体爬上了高台将箱子推了下去。这个测试表明，机器人已经具备了一定的发现、综合判断，决策等智能。1997 年，日本本田公司研制出世界上第一台可以像人一样走步的步行机器人。这是机器人发展史上的一个里程碑。现在的机器人则已经可以跳舞、翻跟头。机器人的手也非常灵巧，它可以握住鸡蛋，也可以拿起一根针。而在电子生产线上的机械手，则快速、精确得远远超过人手。1952 年，美国福特汽车公司建造了世界上第一条全自动汽车生产线，42 部自动机器可进行 500 种不同的加工工序，同时对产品进行检验。到了 80 年代，日本建立了首座无人工厂。工厂有 101
16、0 台带有视觉的机器人，它们与数控机床等配合，按照程序完成生产任务。1992 年，日本研制出一台光敏微型机器人，体积不到 3 立方厘米，重 1.5 克。1997 年，日本的本田公司制造出高 1.6 米的机器人。这个机器人有三维视觉，头部能自如转动，双脚能躲开障碍物，能改变方向，在被推撞后可以自我平衡。该机器人由 150位工程师历时 11 年，耗资 8000 万美元研制而成，可以照料人和完成多种危险及艰苦工作。2004 年 1 月，美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星车先后成功登陆。火星车在火星表面行走、拍摄、钻探，化验，非常精彩地完成了自己的使命。目前，科学家们正在研制更精密的小型机器人。随着
17、纳米技术的成熟，分子级的机器人已经快要出世啦。人们可以想象，比尘埃还要小的机器人漂在空气中，游进人体里为你服务。2008 年上映的电影机器人总动员 ，里面的机器人瓦力就是典型的智能机器人，在设定的程序下，通过电力一直的完成着自己的任务，不管遇到什么情况，就算是人类4已经不存在了。里面的机器人不但是人们的想象，也反映了当今的科技水平可以实现的科技水平，太阳能电板实现能源的补充，还有更加新型的机器人。也许未来的某天，机器人就真的会像电影里的那样有了自己的思想，跟我们人类一样。机器人的制造水平标志着一个国家的综合科技实力，它一直是发达国家的重点研究项目。代表着高精尖科技的新型机器人体现了一个国家的尖
18、端成果，而大量的工业机器人则使传统工业生产发生质的飞跃，其生产速度、生产质量、生产成本都是传统生产形式所望尘莫及的。因此，对机器人的研究及生产就显得尤为重要。同人的手是人身上最精密灵活的部件一样，机器人的手爪也是机器人身上最精彩的部分，它正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，机器人的手指已可以与人手媲美，它能捏住一支花，握住一枚鸡蛋，抓取任意一件东西。机器人的手被称为终端执行器，机器人技术的发展和应用中，机器人的手是最受重视、也是最有用的部分，它的自由度也越来越多。因此机器人手的发展集中体现了人类的智慧。也是人类发展机器人的关键所在。1.1.2 本课题的研究意义机械手是在自动化生产过程中使用的
19、一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： （1）可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、道具的更换以及机器的装备等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率以及降低生产成本。（2）可以改善劳动条件，避免人身事故
