搬运机器人设计毕业设计论文-搬运机械手的设计论文

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摘要

在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。

本课题主要对搬运机器人的总体结构展开讨论。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状，提出了具体的搬运机器人设计要求，并根据搬运机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以及包括：机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统、电机，执行元件包括：柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动，进而实现搬运机器人的实际作业。

关键词：搬运机器人；液压系统；机械结构设计；操作

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Abstract

In the modern large-scale manufacturing industry,enterprises to improve productivity, and,guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work.

The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment.Through a detailed understanding of the robot in the industrial application,to propose specific handling robot design requirements,and according to the robot design principles of various parts,for the system as well as including:the robot's hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures.The transfer robot driven by the source from the hydraulic system、electrical machinery, and the implementation of components including:plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc.Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion,And realize the operational handling robot.

Keywords：Transfer robot；Hydraulic System；Mechanical Design；Operating

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目录

摘要.......................................... I Abstract........................................... II 第1章总论....................................- 1 -

1.1 概述 ....................................................................................................................................... - 1 -

1.2 工业机器人的历史、现状及应用 ....................................................................................... - 2 -

1.3 机器人发展趋势 ................................................................................................................... - 4 -

1.4 本文主要研究内容 ............................................................................................................... - 4 -

1.5 本章小结 ............................................................................................................................... - 4 -第2章搬运机器人的总体方案......................- 5 -

2.1 总体设计的思路 ................................................................................................................... - 5 -

2.2 自由度和坐标系的选择 ....................................................................................................... - 6 -

2.3 搬运机器人的组成 ............................................................................................................... - 7 -

2.3.1 执行机构 ................................................................................................................... - 7 -

2.3.2 驱动机构 ................................................................................................................... - 9 -

2.3.3 控制系统分类 ........................................................................................................... - 9 -

2.4 搬运机器人的技术参数 ..................................................................................................... - 10 -

2.5 本章小结 ............................................................................................................................. - 10 -第3章手部夹持器的结构设计及计算............... - 11 -

3.1 手部夹持器 ......................................................................................................................... - 11 -

3.2 手部设计基本要求 ............................................................................................................. - 12 -

3.3 选择手抓的类型及夹紧装置 ............................................................................................. - 12 -

3.4 手爪的结构设计 ................................................................................................................. - 13 -

3.4.1 手爪的力学分析 ..................................................................................................... - 13 -

3.4.2 夹紧力和驱动力的计算 ......................................................................................... - 14 -

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第4章腕部结构设计及计算....................... - 18 -

4.1 腕部设计的基本要求 ......................................................................................................... - 18 -

4.2 腕部结构及选择 ................................................................................................................. - 18 -

4.2.1 典型的腕部结构 ..................................................................................................... - 18 -

4.2.2 腕部结构和驱动结构的选择 ................................................................................. - 18 -

4.3 腕部结构设计计算 ............................................................................................................. - 19 -

4.3.1 腕部驱动力计算 ..................................................................................................... - 19 -

4.3.2 腕部驱动液压缸的计算 ......................................................................................... - 20 -

4.4 液压缸盖螺钉的计算 ......................................................................................................... - 21 -

4.5 动片和输出轴间的连接螺钉 ............................................................................................. - 22 -

4.6 本章小结 ............................................................................................................................. - 23 -第5章臂部结构的设计及有关计算................. - 24 -

5.1 臂部设计的基本要求 ......................................................................................................... - 24 -

5.2 手臂的典型机构以及结构的选择 ..................................................................................... - 25 -

5.2.1 手臂的典型运动机构 ............................................................................................. - 25 -

5.2.2 手臂运动机构的选择 ............................................................................................. - 26 -

5.3 手臂直线运动的驱动力计算 ............................................................................................. - 26 -

5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 ..................................................................................... - 26 -

5.3.2 手臂惯性力的计算 ................................................................................................. - 27 -

5.3.3 密封装置的摩擦阻力 ............................................................................................. - 28 -

5.4 液压缸工作压力和结构的确定 ......................................................................................... - 28 -

5.5活塞杆的计算校核 .............................................................................................................. - 29 -

5.6 本章小结 ............................................................................................................................. - 30 -第6章机身结构设计及计算....................... - 31 -

6.1机身的整体设计 .................................................................................................................. - 31 -

6.2机身回转机构的设计计算 .................................................................................................. - 32 -

6.2.1蜗杆传动驱动力矩的计算 ...................................................................................... - 32 -

6.2.2 电机和减速器的选择 ............................................................................................. - 33 -

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6.3.1 手臂偏重力矩的计算 ............................................................................................. - 35 -

6.3.2 升降不自锁条件分析计算 ..................................................................................... - 36 -

6.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 ............................................................. - 36 -

6.4 轴承的选择分析 ................................................................................................................. - 37 -

6.5 本章小结 ............................................................................................................................. - 37 -第7章搬运机器人自行走设计........................ - 38 -

7.1 机器人自行走分析 ............................................................................................................. - 38 -

7.2 机器人自行走数据计算 ..................................................................................................... - 38 -

7.2.1 数据计算过程 ....................................................................................................... - 38 -

7.2.2 蜗轮蜗杆的校核 ..................................................................................................... - 40 -

7.2.3 对搬运机器人自行走支承轴的强度校核 ............................................................. - 40 -

7.3 本章小结 ............................................................................................................................. - 42 -第8章搬运机器人液压回路及控制电路分析......... - 43 -

8.1 搬运机器人液压回路元件的选择 ..................................................................................... - 43 -

8.2 搬运机器人液压回路分析 ................................................................................................. - 44 -

8.3 搬运机器人控制电路分析 ................................................................................................. - 46 -

8.4 本章小结 ............................................................................................................................. - 46 -第9章总结.................................... - 47 -

9.1 主要任务 ............................................................................................................................. - 47 -

9.2 技术要求 ............................................................................................................................. - 47 -

9.3 设计步骤 ............................................................................................................................. - 47 -

9.3.1 搜集资料 ................................................................................................................. - 47 -

9.3.2 计算 ......................................................................................................................... - 48 -

9.3.3装配图及零件图的绘制 .......................................................................................... - 48 -

9.4 设计感想 ............................................................................................................................. - 48 -参考文献..................................... - 49 -

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊致谢 .......................................... - 50 -附件1 .......................................... - 51 -附件2 .......................................... - 61 -

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第1章总论

1.1 概述

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[4]。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

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执行机构

机

器

人

控制系统

驱动-传动系统

手部

腕部

臂部

腰部

基座部（固定或移动）

电、液或气驱动装置

单关节伺服控制器

关节协调及其它信息交换

计算机

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。

位形检测

控制系统（二）

驱动

传动

装置

执行

机构

工作对象

智能系统

控制系统（一）

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。

1.2 工业机器人的历史、现状及应用

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机器人首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。

目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机器人正在加紧研制，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。

第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务,它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。

美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：

（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型；

（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件；

（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机

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我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。

1.3 机器人发展趋势

随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。

就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：

a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；

b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；

c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。

1.4 本文主要研究内容

本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）。

1.5 本章小结

本章主要内容是搬运机器人的现状、应用领域、发展趋势等方面，并通过对现在工业生产中使用搬运机器人的主要工作种类的列举，提出了未来搬运机器人的几种先进的发展模式和本文的主要研究内容。

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第2章搬运机器人的总体方案

该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，本章主要对搬运机器人的机械结构部分进行设计和分析。

2.1 总体设计的思路

设计机器人大体上可分为两个阶段：

1、系统分析阶段

①根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；

②分析机器人所在系统的工作环境；

③根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。

2、技术设计阶段

①根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人的坐标形式；

②拟订机器人的运动路线和空间作业图；

③确定驱动系统的类型；

④选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；

⑤绘制机器人的零件图，并确定尺寸。

下面结合设计的基本要求和基本原则确定本系统的方案见图2-1。

图2-1搬运机器人的总体方案图

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2.2 自由度和坐标系的选择

机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个（不包括手部）。本次设计的搬运机器人为5自由度即：手爪张合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂部升降。

工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下:

1．直角坐标机器人结构

直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-2(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。

直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构[3]。

2．圆柱坐标机器人结构

圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-2（b）。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。

3．球坐标机器人结构

球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-2（c）。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间[3]。

4．关节型机器人结构

关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-2（d）。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。

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关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

根据要求本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。

图2-2四种机器人坐标形式

2.3 搬运机器人的组成

搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

2.3.1 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2-4。

图2-3搬运机器人手部执行部件示意图图2-4手部执行部件的机构运动简图

(a)直角坐标型（b）圆柱坐标型（c）球坐标型（d）关节型

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如图2-3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。

（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2700）,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1800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

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0范围内，其基本的结构形式如图2-6所示。

图2-6腕部回转基本结构示意图

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。

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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：

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0。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，其驱动源来自电机。

2.3.2 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和机械驱动相结合的方式。

2.3.3 控制系统分类

在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。