2024年5月16日发(作者：郁彤)

无锡科技职业学院中德机电学院

机器人技术大作业

设 计 题 目 搬运机器人设计

学 生 姓 名 俞成

系 别 控制系

专 业 机电一体化

班 级 机电1101

授 课 教 师 龚运新

目录

AGV在制造业的生产线中大显身手，高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务。并且可由多台

AGV组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，使一条生产

线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。1974年瑞典的Volvo

Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS为载运工具的自动轿车装配线，

该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成，采用该装配线后，装配时间减少了20%，装配故

障减小39%，投资回收时间减小57%，劳动力减小了5%。目前，AGV在世界的主要汽车厂，

如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用。近年来，作为CIMS

的基础搬运工具，AGV的应用深入到机械加工、家电生产、微电子制造、卷烟等多个行业，生产

加工领域成为AGV应用最广泛的领域。 ............................................................................................... 2

在邮局、图书馆、码头和机场等场合，物品的运送存在着作业量变化大，动态性强，作业流程经

常调整，以及搬运作业过程单一等特点，AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够

很好的满足上式场合的搬运要求。瑞典于1983年在大斯得哥尔摩邮局、日本于1988年在东京多

摩邮局、中国在1990年于上海邮政枢纽开始使用AGV，完成邮品的搬运工作。在荷兰鹿特丹港

口，50辆称为“yard tractors”的AGV完成集装箱从船边运送到几百码以外的仓库这一重复性工

作。 对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染等特殊要求的烟草、医药、食品、化工等行业

中，AGV的应用也受到重视。在国内的许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷

烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。在军事上，以AGV的自动

驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察，英国军方正在研制的

MINDER Recce是一辆侦察车，具有地雷探测、销毁及航路验证能力的自动型侦察车。在钢铁厂，

AGV用于炉料运送，减轻了工人的劳动强度。在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所，AGV

用于物品的运送，避免了危险的辐射。在胶卷和胶片仓库，AGV可以在黑暗的环境中，准确可靠

的运送物料和半成品。 .............................................................................................................................. 2

1.2搬运机器人的结构 ................................................................................................................................ 3

2.2.1 执行机构 ................................................................................................................................................ 10

2.2.2 驱动机构 ................................................................................................................................................ 14

第三章 电气设计 ............................................................................................................................................. 14

3.1 电气控制整体设计 ................................................................................................................................... 14

3.3 软件设计 ................................................................................................................................................... 18

第四章 总结...................................................................................................................................................... 23

第一章

概述

1.1搬运机器人的历史

搬运机器人 搬运机器人【transfer robot】是可以进行自动化搬运作业的工业机

器人，也被称为无人搬运车或者是AGV。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，

Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，

是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各

种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的

搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水

线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过

限度的必须由搬运机器人来完成。

仓储业是AGV最早应用的场所。1954年世界上首台AGV在美国的South Carolina

州的Mercury Motor Freight公司的仓库内投入运营，用于实现出入库货物的自动搬运。

目前世界上约有2万台各种各样AGV运行在2100座大大小小仓库中。海尔集团于2000

年投产运行的开发区立体仓库中，9台AGV组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地

完成了每天23400的出入库货物和零部件的搬运任务。

AGV在制造业的生产线中大显身手，高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务。并且可由

多台AGV组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，

使一条生产线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。1974

年瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS为载运

工具的自动轿车装配线，该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成，采用该装配线后，

装配时间减少了20%，装配故障减小39%，投资回收时间减小57%，劳动力减小了5%。

目前，AGV在世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配

线上得到了普遍应用。近年来，作为CIMS的基础搬运工具，AGV的应用深入到机械加工、

家电生产、微电子制造、卷烟等多个行业，生产加工领域成为AGV应用最广泛的领域。

在邮局、图书馆、码头和机场等场合，物品的运送存在着作业量变化大，动态性强，作业

流程经常调整，以及搬运作业过程单一等特点，AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性

化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求。瑞典于1983年在大斯得哥尔摩邮局、日

本于1988年在东京多摩邮局、中国在1990年于上海邮政枢纽开始使用AGV，完成邮品

的搬运工作。在荷兰鹿特丹港口，50辆称为“yard tractors”的AGV完成集装箱从船边

运送到几百码以外的仓库这一重复性工作。 对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染

等特殊要求的烟草、医药、食品、化工等行业中，AGV的应用也受到重视。在国内的许多

卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式

AGV完成托盘货物的搬运工作。在军事上，以AGV的自动驾驶为基础集成其他探测和拆

卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察，英国军方正在研制的MINDER Recce是一辆侦察车，

具有地雷探测、销毁及航路验证能力的自动型侦察车。在钢铁厂，AGV用于炉料运送，减

轻了工人的劳动强度。在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所，AGV用于物品的运送，

避免了危险的辐射。在胶卷和胶片仓库，AGV可以在黑暗的环境中，准确可靠的运送物料

和半成品。

1.2搬运机器人的结构

搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日

益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵

循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊

接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业

生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和

应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程

序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较

强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要

求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，

也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需

要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机

械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起

源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作

机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器

人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人

在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，

工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所

占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，

成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构

形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节

等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传搬运机器

人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认

识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、

时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而

大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自

动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在

高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年

也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比

较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，

适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改

变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要

求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，

也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需

要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机

械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起

源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作

机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器

人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人

在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，

工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所

占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，

成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构

形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节

等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；

像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，

机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示

图1-1机器人的一般组成

对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别

装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机

器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在

一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必

然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。

图1-2机器人各组成部分之间的关系

机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完

成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的

要求完成工作任务。

1.3搬运机器人的未来

目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、 性能方

面都不能满足工业生产发展的需要。

因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，

以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有

条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型

的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，

即可组成各种不同用途的机械手。精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作

用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考

虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 既便于设计制造，又便

于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压

力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，

但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零

部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机

械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出 相应的变更。如位置发生

稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计

算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体

的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，

通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。

手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。

总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世

界约有50%的汽车由机械手装配。

现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从

而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

第二章

机械设计

2.1机械整体设计

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精

度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动

定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最

合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特

性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机

械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性

和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。

本次设计的机械手是气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以

改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频

繁的生产场合。

图 2-1 四自由度搬运机器人结构简图

1- 步进电机 2-标准气缸 3-标准气缸 4-平行气爪

图 2-2 机械手结构示意图

2.2 各部件设计

搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

2.2.1 执行机构

（1）手部

手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。

手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式

的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、

丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。

本次设计的搬运机器人手部执行部件如图2-3

图 2-3搬运机器人手部执行部件结构简图

如图2-2右图的机构简图，手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其张合运动，杆的动力

源来自后续驱动源的液压缸，该液压缸采用的是伸缩式液压缸，该液压缸能够节省横向的

工作空间。

机器人的手部是机器人最重要的部件之一，从其功能和形态上看，分为工业机器人的

手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。

工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具的部件，由于被握

持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同[4]。其手部结构也是多种多样的，大

部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按握持原理的不同，常用的手部

夹持器分为如下两类：

1)夹持式：包括内撑式与外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。 2)吸附式：包括气

吸式与磁吸式等。

在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题：

1)机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，

就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新

的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。

2)机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。

因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。

3)机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，

甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。因为这种万能的执行

器的结构复杂且造价昂贵

（2）腕部

腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作

范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆

动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作

较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运

工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧

但回转角度小（一般小于270°）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此

在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的搬运机器人

的腕部是实现手部180°的旋转运动。

设计的搬运机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转

的角度控制在0°~180°范围内，其基本的结构形式如图2-4所示。

图2-4腕部回转基本结构示意

腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十

分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手部的张合是由双作用单柱塞液压缸驱动的；而

手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；

当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。

（3）臂部

手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），

并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），

则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即

手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂

部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为

多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机

械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。手臂

的运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速

度：67mm/s；回转范围：0~180°。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，

在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。伸缩式

臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。

（4）机座

机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，

对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）

机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动

装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设

计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂

配置，其驱动源来自回转液压缸。

2.2.2 驱动机构

驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构

大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。

液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便，

但是，液压元件成本高，油路比较复杂。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，

其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低。电动机驱

动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电

动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运机器人的驱动机构采用液压驱动的方式。

2.2.3 控制机构

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机

械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

第三章 电气设计

3.1 电气控制整体设计

包括主电路和控制电路的设计。主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别

拖动小车慢行和快行，其控制如下：慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正

传和反转；快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别控制其正传和反转。机械手的夹紧

放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松

开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情

况发生

整体控制图

图3-1（主电路顺序起动控制电路图）、

图3-2（控制电路的顺序控制电路图）

3.2电器分部设计

3.2.1 电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载

的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化

的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固

定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲

个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机

转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机流行于20世纪70年代, 70年代中

期以后多用宽调速直流伺服电机, 进入80年代以来,交流伺服电机调速技术取得了突破性

进展, 并大举进入电气传动调速控制的各个领域, 占据了绝对优势。但是, 步进电机结构简

单、价格低廉、容易控制、维修方便, 而且随着计算机技术的发展, 其驱动控制除功率放大

电路外, 都可以由软件实现。因此, 本设计选用步进电机来带动气缸的回转

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，

多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为

步进电机分时供电的，多相时序控制器

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常

规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好

步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系

统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领

域都有应用。

步进电机具有如下特点

1)一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的最高温

度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因

此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的

退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄

氏80-90度完全正常。

3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电

动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下

降。

4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声

3.3 软件设计

3.3.1 PLC 的主要特点

（1）高可靠性

a)所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电

气上隔离。

b)各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。（3）各模块均采

用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

c)采用性能优良的开关电源。 d)对采用的器件进行严格的筛选。

e)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措

施，以防止故障扩大。

f)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性

更进一步提高。

（2）丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量

或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器

件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接

连接。

（3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝

大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化

设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

（4）编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使

用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

（5）安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均

有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此

一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行

3.3.2 PLC的发展阶段

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术

的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

1) 早期的PLC（60年代末—70年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。

这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器

完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改

进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存

储器采用磁芯存储器。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

2) 中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）在70年代，微处理器的出现使PLC

发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央

处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运

算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各

种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数

量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。

3) 近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电

路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处

理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开

发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化

3.3.3 系统输入和输出分配表

图3-3机械手传送系统输入和输出点分配表

3.3.4 plc的选择

可编程逻辑控制器（PLC）是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，又称可编程

控制器。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺

序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化程序，

可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于控制、价格便宜

等特点，具有广泛的应用前景。

PLC的按以下方式选择： 1） I/O点数的估算

根据分析的结果，进行统计估算，F1-40系列选择主机I/O点数为13/10。 2）容量

计算

内存容量指的是用户程序的容量。最大I/O点数为120，一般指令的条数为I/O点数

的10-12倍左右，PLC的容量不得小于此要求。

根据所选的PLC1N-40系列的内部元件及输入输出的相关元件、设备，编制出I/O外

部接线图如图3-4所示

图 3-4 外部接线图

3.3.5 程序设计

根据任务要求设计程序梯形图

第四章 总结

为了改善劳动环境，提高生产效率，快速实现工业生产的机械化和自动化，搬运机器

人受到很多国家的重视，并被广泛运用。

本文研究了国内外机器人发展的现状，通过学习机器人的工作原理，熟悉了搬运机器

人的运动机理。在此基础上，确定了搬运机器人的基本系统结构，完成了机器人机械方面

的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）工作。文章从搬运机器人的实用方面入手，

提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取圆柱坐标系为本次设计坐标系。

同时，就搬运机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、

腕部、臂部和机座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。

本设计还有很多不足之处，由于自身的知识储备还很浅薄，所以在结构设计、力的计

算及系统分析上还有很多漏洞，这些都需要自己在以后的生活中不断学习研究并通过实践

加以完善。

2024年5月16日发(作者：郁彤)

无锡科技职业学院中德机电学院

机器人技术大作业

设 计 题 目 搬运机器人设计

学 生 姓 名 俞成

系 别 控制系

专 业 机电一体化

班 级 机电1101

授 课 教 师 龚运新

目录

AGV在制造业的生产线中大显身手，高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务。并且可由多台

AGV组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，使一条生产

线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。1974年瑞典的Volvo

Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS为载运工具的自动轿车装配线，

该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成，采用该装配线后，装配时间减少了20%，装配故

障减小39%，投资回收时间减小57%，劳动力减小了5%。目前，AGV在世界的主要汽车厂，

如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用。近年来，作为CIMS

的基础搬运工具，AGV的应用深入到机械加工、家电生产、微电子制造、卷烟等多个行业，生产

加工领域成为AGV应用最广泛的领域。 ............................................................................................... 2

在邮局、图书馆、码头和机场等场合，物品的运送存在着作业量变化大，动态性强，作业流程经

常调整，以及搬运作业过程单一等特点，AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够

很好的满足上式场合的搬运要求。瑞典于1983年在大斯得哥尔摩邮局、日本于1988年在东京多

摩邮局、中国在1990年于上海邮政枢纽开始使用AGV，完成邮品的搬运工作。在荷兰鹿特丹港

口，50辆称为“yard tractors”的AGV完成集装箱从船边运送到几百码以外的仓库这一重复性工

作。 对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染等特殊要求的烟草、医药、食品、化工等行业

中，AGV的应用也受到重视。在国内的许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷

烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。在军事上，以AGV的自动

驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察，英国军方正在研制的

MINDER Recce是一辆侦察车，具有地雷探测、销毁及航路验证能力的自动型侦察车。在钢铁厂，

AGV用于炉料运送，减轻了工人的劳动强度。在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所，AGV

用于物品的运送，避免了危险的辐射。在胶卷和胶片仓库，AGV可以在黑暗的环境中，准确可靠

的运送物料和半成品。 .............................................................................................................................. 2

1.2搬运机器人的结构 ................................................................................................................................ 3

2.2.1 执行机构 ................................................................................................................................................ 10

2.2.2 驱动机构 ................................................................................................................................................ 14

第三章 电气设计 ............................................................................................................................................. 14

3.1 电气控制整体设计 ................................................................................................................................... 14

3.3 软件设计 ................................................................................................................................................... 18

第四章 总结...................................................................................................................................................... 23

第一章

概述

1.1搬运机器人的历史

搬运机器人 搬运机器人【transfer robot】是可以进行自动化搬运作业的工业机

器人，也被称为无人搬运车或者是AGV。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，

Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，

是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各

种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的

搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水

线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过

限度的必须由搬运机器人来完成。

仓储业是AGV最早应用的场所。1954年世界上首台AGV在美国的South Carolina

州的Mercury Motor Freight公司的仓库内投入运营，用于实现出入库货物的自动搬运。

目前世界上约有2万台各种各样AGV运行在2100座大大小小仓库中。海尔集团于2000

年投产运行的开发区立体仓库中，9台AGV组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地

完成了每天23400的出入库货物和零部件的搬运任务。

AGV在制造业的生产线中大显身手，高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务。并且可由

多台AGV组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，

使一条生产线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。1974

年瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS为载运

工具的自动轿车装配线，该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成，采用该装配线后，

装配时间减少了20%，装配故障减小39%，投资回收时间减小57%，劳动力减小了5%。

目前，AGV在世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配

线上得到了普遍应用。近年来，作为CIMS的基础搬运工具，AGV的应用深入到机械加工、

家电生产、微电子制造、卷烟等多个行业，生产加工领域成为AGV应用最广泛的领域。

在邮局、图书馆、码头和机场等场合，物品的运送存在着作业量变化大，动态性强，作业

流程经常调整，以及搬运作业过程单一等特点，AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性

化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求。瑞典于1983年在大斯得哥尔摩邮局、日

本于1988年在东京多摩邮局、中国在1990年于上海邮政枢纽开始使用AGV，完成邮品

的搬运工作。在荷兰鹿特丹港口，50辆称为“yard tractors”的AGV完成集装箱从船边

运送到几百码以外的仓库这一重复性工作。 对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染

等特殊要求的烟草、医药、食品、化工等行业中，AGV的应用也受到重视。在国内的许多

卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式

AGV完成托盘货物的搬运工作。在军事上，以AGV的自动驾驶为基础集成其他探测和拆

卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察，英国军方正在研制的MINDER Recce是一辆侦察车，

具有地雷探测、销毁及航路验证能力的自动型侦察车。在钢铁厂，AGV用于炉料运送，减

轻了工人的劳动强度。在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所，AGV用于物品的运送，

避免了危险的辐射。在胶卷和胶片仓库，AGV可以在黑暗的环境中，准确可靠的运送物料

和半成品。

1.2搬运机器人的结构

搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日

益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵

循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊

接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业

生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和

应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程

序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较

强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要

求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，

也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需

要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机

械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起

源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作

机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器

人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人

在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，

工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所

占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，

成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构

形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节

等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传搬运机器

人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认

识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、

时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而

大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自

动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在

高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年

也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比

较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，

适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改

变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要

求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，

也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需

要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机

械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起

源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作

机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器

人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人

在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，

工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所

占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，

成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构

形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节

等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；

像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，

机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示

图1-1机器人的一般组成

对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别

装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机

器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在

一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必

然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。

图1-2机器人各组成部分之间的关系

机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完

成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的

要求完成工作任务。

1.3搬运机器人的未来

目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、 性能方

面都不能满足工业生产发展的需要。

因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，

以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有

条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型

的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，

即可组成各种不同用途的机械手。精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作

用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考

虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 既便于设计制造，又便

于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压

力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，

但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零

部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机

械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出 相应的变更。如位置发生

稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计

算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体

的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，

通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。

手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。

总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世

界约有50%的汽车由机械手装配。

现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从

而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

第二章

机械设计

2.1机械整体设计

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精

度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动

定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最

合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特

性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机

械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性

和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。

本次设计的机械手是气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以

改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频

繁的生产场合。

图 2-1 四自由度搬运机器人结构简图

1- 步进电机 2-标准气缸 3-标准气缸 4-平行气爪

图 2-2 机械手结构示意图

2.2 各部件设计

搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

2.2.1 执行机构

（1）手部

手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。

手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式

的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、

丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。

本次设计的搬运机器人手部执行部件如图2-3

图 2-3搬运机器人手部执行部件结构简图

如图2-2右图的机构简图，手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其张合运动，杆的动力

源来自后续驱动源的液压缸，该液压缸采用的是伸缩式液压缸，该液压缸能够节省横向的

工作空间。

机器人的手部是机器人最重要的部件之一，从其功能和形态上看，分为工业机器人的

手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。

工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具的部件，由于被握

持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同[4]。其手部结构也是多种多样的，大

部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按握持原理的不同，常用的手部

夹持器分为如下两类：

1)夹持式：包括内撑式与外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。 2)吸附式：包括气

吸式与磁吸式等。

在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题：

1)机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，

就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新

的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。

2)机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。

因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。

3)机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，

甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。因为这种万能的执行

器的结构复杂且造价昂贵

（2）腕部

腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作

范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆

动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作

较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运

工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧

但回转角度小（一般小于270°）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此

在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的搬运机器人

的腕部是实现手部180°的旋转运动。

设计的搬运机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转

的角度控制在0°~180°范围内，其基本的结构形式如图2-4所示。

图2-4腕部回转基本结构示意

腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十

分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手部的张合是由双作用单柱塞液压缸驱动的；而

手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；

当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。

（3）臂部

手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），

并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），

则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即

手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂

部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为

多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机

械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。手臂

的运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速

度：67mm/s；回转范围：0~180°。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，

在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。伸缩式

臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。

（4）机座

机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，

对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）

机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动

装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设

计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂

配置，其驱动源来自回转液压缸。

2.2.2 驱动机构

驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构

大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。

液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便，

但是，液压元件成本高，油路比较复杂。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，

其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低。电动机驱

动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电

动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运机器人的驱动机构采用液压驱动的方式。

2.2.3 控制机构

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机

械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

第三章 电气设计

3.1 电气控制整体设计

包括主电路和控制电路的设计。主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别

拖动小车慢行和快行，其控制如下：慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正

传和反转；快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别控制其正传和反转。机械手的夹紧

放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松

开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情

况发生

整体控制图

图3-1（主电路顺序起动控制电路图）、

图3-2（控制电路的顺序控制电路图）

3.2电器分部设计

3.2.1 电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载

的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化

的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固

定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲

个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机

转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机流行于20世纪70年代, 70年代中

期以后多用宽调速直流伺服电机, 进入80年代以来,交流伺服电机调速技术取得了突破性

进展, 并大举进入电气传动调速控制的各个领域, 占据了绝对优势。但是, 步进电机结构简

单、价格低廉、容易控制、维修方便, 而且随着计算机技术的发展, 其驱动控制除功率放大

电路外, 都可以由软件实现。因此, 本设计选用步进电机来带动气缸的回转

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，

多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为

步进电机分时供电的，多相时序控制器

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常

规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好

步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系

统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领

域都有应用。

步进电机具有如下特点

1)一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的最高温

度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因

此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的

退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄

氏80-90度完全正常。

3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电

动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下

降。

4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声

3.3 软件设计

3.3.1 PLC 的主要特点

（1）高可靠性

a)所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电

气上隔离。

b)各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。（3）各模块均采

用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

c)采用性能优良的开关电源。 d)对采用的器件进行严格的筛选。

e)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措

施，以防止故障扩大。

f)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性

更进一步提高。

（2）丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量

或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器

件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接

连接。

（3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝

大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化

设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

（4）编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使

用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

（5）安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均

有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此

一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行

3.3.2 PLC的发展阶段

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术

的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

1) 早期的PLC（60年代末—70年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。

这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器

完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改

进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存

储器采用磁芯存储器。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

2) 中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）在70年代，微处理器的出现使PLC

发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央

处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运

算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各

种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数

量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。

3) 近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电

路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处

理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开

发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化

3.3.3 系统输入和输出分配表

图3-3机械手传送系统输入和输出点分配表

3.3.4 plc的选择

可编程逻辑控制器（PLC）是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，又称可编程

控制器。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺

序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化程序，

可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于控制、价格便宜

等特点，具有广泛的应用前景。

PLC的按以下方式选择： 1） I/O点数的估算

根据分析的结果，进行统计估算，F1-40系列选择主机I/O点数为13/10。 2）容量

计算

内存容量指的是用户程序的容量。最大I/O点数为120，一般指令的条数为I/O点数

的10-12倍左右，PLC的容量不得小于此要求。

根据所选的PLC1N-40系列的内部元件及输入输出的相关元件、设备，编制出I/O外

部接线图如图3-4所示

图 3-4 外部接线图

3.3.5 程序设计

根据任务要求设计程序梯形图

第四章 总结

为了改善劳动环境，提高生产效率，快速实现工业生产的机械化和自动化，搬运机器

人受到很多国家的重视，并被广泛运用。

本文研究了国内外机器人发展的现状，通过学习机器人的工作原理，熟悉了搬运机器

人的运动机理。在此基础上，确定了搬运机器人的基本系统结构，完成了机器人机械方面

的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）工作。文章从搬运机器人的实用方面入手，

提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取圆柱坐标系为本次设计坐标系。

同时，就搬运机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、

腕部、臂部和机座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。

本设计还有很多不足之处，由于自身的知识储备还很浅薄，所以在结构设计、力的计

算及系统分析上还有很多漏洞，这些都需要自己在以后的生活中不断学习研究并通过实践

加以完善。