摘要7 自由度工业机器人以工作范围大、动作灵活、结构紧凑、能抓取靠近机座的物体等特点备受设计者和使用者的青睐。
由于有一个冗余自由度，很容易在确保最佳焊接姿势的同时，避免工件以及夹具对机器人工作臂的干扰。
本论文首先根据机器人持重3kg、工作范围1434mm、本体重量150kg，确立机器人为S腰部回转、L小臂摆动、E大臂回转、U臂部俯仰、R腕部扭转、B 腕部俯仰、T腕部回转的7自由度关节型弧焊机器人的总体结构；分析机器人的各个关节在转动惯量、角速度、加速度等技术指标下的工作状况，确定7个关节都采用交流电机驱动、机器人手臂专用减速器传动，同时B、T腕部关节还用到同步带传动。
通过计算各关节所需电机的功率和转矩、减速器的减速比、同步带的要求并选型；用UG NX6.0画出机器人的各关节三维仿真模型，并装配成型。
本课题研究具有广泛的实际意义和应用前景。
设计的7自由度工业机器人为后续的机器人动力学分析和运动控制提供了参考依据，并可以做进一步的研发。
关键词：7自由度，工业机器人，机械结构Abstract7 dof industrial robots with large scope of work, flexible, compact structure, cangrab the object near the base are famous among so much designers and users. Becausethere is a redundant freedom, it is easy to ensure the best welding position at the sametime, avoid workpiece and fixture work on the robot arm interference.In this thesis, according to the robot puts up 3kg, the scope of work is 1434mm,body weight is 150kg,establish 7 dof joint structure of arc-welding robot including Swaist, L arm swing, E arm rotation, U pitching arm, R wrist turn, B wrist pitch, T wristrotation. Analysis of the various robot joints in moment of inertia, angular velocity,acceleration and other technical indicators of the work under the conditions identifiedseven joints driven by AC motor, the robot arm dedicated reducer drive, while B, Twrist joint is also used in synchronous belt drive. Required by calculating the jointmotor power and torque, reduction ratio reducer, belt requirements and selection; robotwith UG NX6.0 draw three-dimensional simulation model of each joint, and assemblymolding.This research has extensive practical significance and application prospect. 7 dofindustrial robots designed for the follow-up dynamics analysis and motion control andprovide a reference, and can do further research and development.Key words: 7 dof, industrial robot, mechanical structure目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)第一章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外工业机器人的发展概况 (2)1.2.1 国内外工业机器人的发展现状 (2)1.2.2 工业机器人的发展趋势 (4)1.3 课题来源 (5)1.4 主要研究内容 (6)第二章7自由度工业机器人总体方案设计 (7)2.1 机器人机械设计的特点 (7)2.2 与机器人有关的概念 (7)2.3 机器人的基本技术要求 (9)2.4 机器人手臂结构型式 (10)2.5 机器人结构方案的分析 (12)2.5.1 7自由度工业机器人的外形结构设计 (12)2.5.2 7自由度工业机器人的关节结构设计 (15)2.6 机器人的驱动方式的选择 (19)2.7 7自由度机器人的控制系统 (20)2.7.1 7自由度工业机器人控制系统硬件部分 (20)2.7.2 7自由度工业机器人控制系统软件部分 (21)2.8 本章小结 (21)第三章7自由度工业机器人结构设计 (22)3.1 引言 (22)3.2 减速器类型选择 (23)3.3 同步带类型选择 (24)3.4 机器人结构设计 (25)3.4.1 T腕部回转关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 (25)3.4.2 B腕部摆动关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 (30)3.4.3 R回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (36)3.4.4 U回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (38)3.4.5 E回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (40)3.4.6 L摆动关节交流伺服电机和减速器的选择 (42)3.4.7 S腰部回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (44)3.4.8 电机、减速器、同步带选型总表 (47)3.5 电机型号 (48)3.5.1 SGMGH系列1500转电机 (48)3.5.2 SGMPH系列3000转电机 (49)3.6 本章小结 (51)第四章7自由度工业机器人三维结构设计 (52)4.1 机器人各个关节三维图 (52)4.1.1 底座造型图 (52)4.1.2 S腰部回转关节造型图 (53)4.1.3 L小臂摆动关节造型图 (56)4.1.4 E大臂回转关节造型图 (60)4.1.5 U臂部俯仰关节造型图 (60)4.1.6 R腕部扭转关节造型图 (61)4.1.7 B腕部俯仰关节造型图 (62)4.2 机器人装配图 (65)4.3 本章小结 (66)第五章结论和展望 (67)5.1 结论 (67)5.2 技术经济分析报告 (68)5.2.1 技术可行性分析 (69)5.2.2 技术优越性分析 (69)5.3 展望 (69)参考文献 (71)致谢 (73)声明 (74)第一章 绪论1.1 课题背景机器人是典型的机电一体化装备，除了在制造业、农业、医疗、海洋开发、航天工程等方面得到了越来越广泛的应用之外，也渗透到人们生活的各个方面， 随着工业机器人向更深、更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人 的应用范围还在不断地扩大。
机器人产品技术附加值很高，应用范围很广，机器 人产业是正在快速成长中的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的 作用。
国外专家预测机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产 业。
在这样的背景下，机器人技术与相关方面人才的需求也迅速增加，各高校也相应加大了对机器人技术人才的培养力度 。
研究并开发机器人是一项极其具有价值的科研工作。
工业机器人 一般需要六个自由度,它是机器人在工作空间内,达到任意位置和方 向所需要的最少的数量。
然而，六自由度机器人在跟踪特定位置和方向的能力受到 很大的 限制。
因此,通 过增加自由度的 办法来提高它 的灵活性，大大地克服了六自 由度机器人受到奇异构形空间、障碍物、关节运动极限和电机的转矩极限等一系列 运动学和动力学问题的限制。
因此，七自由度冗余手臂是智能化机器人的一个重要主题，而且有资料显示，未来的通用机器人一般应至少具有七个自由度 。
从“七五”科技攻关开始，我国将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，经过研制、生产、应用，实现了中国机器人产业“从无到有”。
“十五”期 间是我国机器人产业发展的一个关键转折点。
经过多年的研究开发，我国的机器 人技术已日趋成熟；市场需求在“十五”初期也有了一个“井喷式”的发展，此 外我国业已形成了几家具有一定竞争力的机器人公司和产业化基地。
但是，从整体上来说，我国机器人产业还很薄弱，机器人研究仍然任重而道远。
我国市场上机器人总共拥有量近万台，仅占全球总量的 0.56%，其中完全国 产机器人行业集中度仅占 30%，其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等 20 多个国家引进。
究其原因，很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急 。
由于常年以来发达国家对我国的技术封锁，尤其是对我国的工业技术部门。
因此对能应用于各行各业的 7 自由度工业机器人，我国有必要自主研制和开发。
[1] [2] [3]1.2 国内外工业机器人的发展概况1.2.1 国内外工业机器人的发展现状机器人是最典型的机电一体化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。
据UNECE (联合国欧洲经济委员会)和IFR (国际机器人联合会)统计，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头，进入90年代，机器人产品发展速度加快，年销售量增长率平均在10%左右；2004年增长率达到了创记录的20%，其中,亚洲机器人增长幅度最为突出,增长43%，如图1-1所示。
UNECE估计,2004年全球至少安装了10万台新的工业机器人。
其中：·欧盟31100台(比2003年增加15%,但比2001年的记录仅增加1%)；·北美16100台(比2003年增加27%,比2000年的记录高24%)；·亚洲51400台,主要在日本,但中国市场增长迅速(比2003年增长24%)。
图1-1 2003年制造业中每1万名雇员拥有工业机器人的数量在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。