工業機器人設計步驟，機器人設計方案怎麼寫

這個開發流程單拉哪個環節出來都夠寫一個長文，這裏只能簡單説一下我自己的認識。

按照時間順序，一個批量機器人產品的開發由以下幾個流程組成：1. 需求分析和產品定義。產品管理人員在這個階段蒐集市場信息，走訪客户，瞭解競爭對手，最終總結出一種產品需求，以及需求所針對的典型行業和典型工藝。

根據市場提出市場預期，一年能賣多少台，目標價格區間，目標行業應用的現狀和發展趨勢等。根據需求，提出一份產品性能指標，定量的具體的對預期產品進行產品功能層面的描述，例如使用環境，工作範圍，最高速度，額定負載，實現某典型工藝軌跡的時間，IP等級，電源類型，重量限制，使用壽命，需要遵循哪些認證和標準等等。

這裏需要的技能是對行業，對市場，對成本，對公司戰略，對其他開發環節和生產製造過程的綜合認識以及商業敏感。這是在長期工作中慢慢建立起來的。

2. 前期研究和可行性分析 針對前一步提出的產品性能指標，機械，仿真，驅動，電氣，軟件領域的工程師開始從各自的技術角度對指標進行評估。主要從技術可行性和成本兩個方向切入，期間還需要採購和生產人員的協助。

目標是確定在技術和成本間是否存在一個可盈利的平衡點。在這個階段另一個重要內容是對競爭對手相似產品進行詳盡的分析和測試，儘可能把對手的經驗轉化為自己產品的優勢。

本階段結束後會得到一個概念方案，並且對開發週期和成本有了估計。這些內容會以可行性分析報告，項目計劃，成本分析，風險評估等形式成為輸出文檔供管理層決策是否正式開始開發項目。

在這個階段各個領域都會有資深的工程師參加。各個領域涉及的知識和技術會在後面其他開發階段介紹。

3. 計算與仿真 前面的概念方案雖然缺乏大部分細節，但依靠大致的尺寸，負載，速度，典型工藝軌跡等信息已經可以對產品進行粗略的建模和仿真計算。依照概念方案中的幾何尺寸信息可以建立機器人的運動學模型。

在這樣的基礎上，外部負載是已經定義，自然質量負載和摩擦力根據經驗估計，這樣可以進一步獲得動力學模型。以目標速度和軌跡作為輸入進行動力學仿真就獲得了兩項重要的數據：a. 各驅動軸扭矩；b. 各關節受力情況；其中前者作為驅動系統開發和選型的依據，而後者是機械結構設計的依據。

仿真計算工作是機器人開發過程中系統層和元件層的接口，面向產品功能的性能指標在這裏被轉化為面向技術實現的各元件性能參數。在這個階段格外需要經典力學，多體動力學仿真，對機械系統，電氣系統以及控制理論的綜合知識要有深刻的理解。

需要熟練使用仿真計算工具，Matlab/Simulink, Modelica, Adams， 或各種機器人領域內的軟件。當然工具的使用並不是最重要的，對知識的理解永遠是第一位。

4. 驅動系統選型開發 驅動系統包括從電源，伺服驅動器，電機，到減速機的一系列元件，更多被叫做powertrain。因為不同元件涉及的領域差別較大，通常由電力電子（power electronic），伺服電機，減速機三個領域的工程師合作完成。

根據經仿真計算得出的轉速扭矩需求，在上述三個領域內的產品內選擇已有的標準型號，在標準型號的基礎上進行優化，或開發新型號。這裏設計的三個元件驅動器，伺服電機，減速機是工業機器人最核心的三個零部件，承載了物理層的大部分關鍵技術，也是元件成本的大頭。

三個元件都是工業系統中的常用元件，但對性能要求與其他應用（除了精密加工和航空航天）比要高一些。因為安裝空間有限且封閉，在緊湊型和熱量管理上的要求尤其高。

在這個階段，工程師需要對相關領域的知識有深入理解，例如電力電子，電機驅動與控制 （基於空間向量），電機（主要是無刷永磁電機）設計，電機相關的電磁學，各種減速機設計和應用，軸承與潤滑等。如果不涉及元件開發只是選型則需要對各種元件的性能參數有深入的理解，且有大量應用經驗。

5. 機械設計 常規的運動系統機械設計。設計輸入有以下幾方面，一是經過仿真計算的機械部分子系統性能指標（長度，空間運動範圍，重量），二是各節點受力分析，三是驅動系統的安裝要求，四是功能性能指標中對安裝方式和應用環境的要求。

綜合這些輸入，機械工程師需要選擇適當的材料，設計合理的結構實現以上要求。其中力學分析結果作為有限元分析的輸入，由機械工程師對設計進行有限元計算，驗證結構的強度。

知識結構上：機械設計，材料，有限元，熟悉相關標準，瞭解各種加工工藝（鑄造，壓鑄，塑料成型，鈑金，焊接），熟練使用CAD軟件（ProE, UG, Catia, Inventor），有限元計算，還有更重要的，經驗，經驗，經驗。6. 控制櫃設計 典型的工業驅動控制系統電氣櫃設計。

櫃體為驅動系統中的電源和啟動器，控制系統中的工控計算機（大多廠商選擇工控計算機而不是PLC加運動控制器方案），以及通信總線系統提供安裝，操作，維護的環境。佈局，熱量管理，以及相關設計標準（IEC, UL, GB, CE）的執行是關鍵。

知識體系：低壓電氣系統設計，伺服驅動系統應用，電氣櫃風道和散熱設計，本質安全，現場總線的連接，各種設計標準。熟練使用CAD軟件（Eplan, Autodesk）。

Holle！大家好！我是赫赫有名的吳博士，讓我們乘坐時光機（是我自己發明的）超越到987598670年。來看看我偉大的發明之一——智能機器人吧！

智能機器人物美價廉，它不但會幹家務活，還有其他一些特別的功能。機器人身上有好多按鈕，都是關於做家務的，只要按一下需要做的家務，機器人就會馬上去做。做家務的時候它非常細心，只要發現一點垃圾，就會把它清理乾淨，讓你家變得一塵不染。

智能機器人除了會整理房間外，它還會看家，你會想：要是小偷進來了怎麼辦呀？沒關係，機器人肚子裏有一台微型電腦，一旦發現小偷，就立即進行掃描，如果有可疑的地方，它會趕緊把小偷抓住，撥打110。

當你心情不好的時候，機器人會給你講笑話、放音樂，讓你的心情立刻好起來。

當我遇到不會做的題目時，它會像老師一樣耐心地提示我，講解給我聽。

哎喲，講了這麼久，肚子都餓得咕咕叫了！只好麻煩一下“神廚”做一盤牛排啦。只見它右手拿起一個平底鍋，手上一下冒出十幾個火頭，左手打開冰箱，將新鮮牛排和各種調料眼花繚亂地扔進鍋裏。不出5分鐘，一盤香噴噴，還“滋滋”冒油的牛排便端到我的面前。我嚐了一口，哇！外酥裏嫩，美味極了！沒想到機器人做的牛排也這麼好吃，以後可以隨時享口福了！

我也是機械設計的，我認為出機械設計方案主要包括以下幾個方面的信息：

1、大致總裝圖，能讓客户知識你所設計的機械基本內部結構；

2、重要零件的材料，把客户想要知道的重要零件的材料提供出來；

3、重要零件的大致計算書，所有涉及到主要性能、結構強度、安全性方面的計算最好能同時給出；

4、如果您設計的機械與客户或其它重要單位存在接口問題（包括電氣接口），請給出接口尺寸圖；

5、關鍵尺寸，涉及到機械性能的關鍵尺寸，請同時給出；

6、提供給客户你所使用的國家標準和參照的方案。

我認為一個好的機械方案應包括以下六個方面。其中第1、2、4、5最好用CAD表達出來，不一定要3維CAD與三維動畫。只要能在圖紙上表達明白就可以了。

我想設計的機器人

我想發明的機器人有許多功能，它可以植樹造林、吸收廢氣放出清新空氣、把垃圾變成電等。

機器人的第一個功能就是植樹造林。機器人會去大沙漠種上數不清的綠樹綠草。一但這樣，就是大沙漠也會變成綠洲；機器人的第二個功能就是把廢氣吸收到體內，放出清新空氣。這樣一來，世界的廢氣就幾乎沒有了，而清新空氣會非常多；機器人的第三個功能就是用它的“吸收垃圾器”把垃圾吸收到自己的身體裏，再轉化成電，造福人類；機機器人的第四個功能就是去山上挖寶藏，送給窮人，一但這樣，窮人就不會沒錢用了；機器人的第五個功能就是進入人類的身體裏，把細菌消滅，這樣一來，人類的身體就會很健康了；機器人的第六個功能就是當你爸爸媽媽不在的時候，給你當全自動保姆；機器人的第七個功能就是。

這就是我做的機器人，完美吧！如果叫小朋友你來做一個機器人，你會這麼做呢？

機器人家上了解到，工業機器人是一種自動化程度很高的機械產品，其設計流程即應該符合機械產品設計的一般流程，又具有其特殊性。

這裏主要討論工業機器人的機械系統設計，並且關注的是其設計流程，工業機器人機械系統的設計階段可大致分為總體設計和詳細設計。

機械系統總體設計是機器人設計的關鍵階段，很大程度上決定了產品的技術性能、經濟指標、外觀造型。

總體結構設計可分為功能原理設計和結構總體設計兩個階段，主要內容包括功能設計、原理方案設計、總體佈局、主要技術參數的確定及技術分析等內容。

對於機器人來説其機械系統總體設計主要內容有：確定基本參數、選擇運動方式、手臂配置形式（構型）、驅動方式和機械結構設計等，具體如下：

(1) 根據機器人工作任務和目的來確定機器人本體的基本構型、驅動和控制方式、自由度數目。

(2) 根據機器人的共作任務、工作場地的空間佈置等來確定機器人的工作空間。

(3) 根據機器人的工作任務來對機器人進行動作規劃、制定各自由度的工作節拍、分配各動作時間，初步確定各自由度的運動速度。

(4) 根據機器人的工作空間，初步確定機器人各部分（各臂）的長度尺寸。

(5) 對機器人進行初步受力分析，根據受力分析結果及各關節的運動速度， 選擇各關節驅動部件的基本參數（電動機和減速器的選型計算），對於速度較低的可以進行靜力（ Statics）分析，對於速度較高的機械，各構件的慣性力影響比較大，要進行動力學分析（Dynamics）。

(6) 根據工作要求確定機器人的定位精度。定位精度取決於機器人的定位方式、運動速度、控制方式、機器人手臂的剛度等。

(7) 根據技術要求等確定各零件的材料和結構及加工工藝；然後驗算各構件的機械強度、驅動功率和最大負載重量，驗算機器人各關鍵部件的使用壽命。初步確定各構件的機械結構。

(8) 把機器人機械系統總體設計編寫成文，編制技術（設計）任務書，並繪製系統總圖（草圖）、簡圖（草圖）。

經過以上過程，完成了機器人機械系統的總體設計，接下來還需要對機器哦人機械系統進行像是設計計算，過程如下：

(1) 對關鍵零部件的結構進行詳細設計，並對主要零部件結構、材料、關鍵工藝進行實驗。

(2) 編寫設計計算説明書，繪製主要零部件草圖。

(3) 全部零件設計及編制設計文件。 以上是工業機器人機械系統設計的一般流程，通過本階段的設計和計算，可以初步確定機器人各構件的結構、材料、工藝的要求等，完成設計算及必要的實驗，完成編制全部構件的圖樣和設計文件。

此外，以上各步驟常需要互相配合、交叉進行。設計工作也需要多次修改，逐步逼近，一遍設計出技術先進可靠、經濟合理造型美觀的工業機器人。

在機器人的總體參數完成之後，就可以進行機器人驅動系統的設計計算了，驅動系統的設計除了確定驅動方式外，還需要確定驅動系統的具體參數。

在選擇伺服電機和精密減速之前，還需要清楚工業機器人對驅動電機的要求，以便根據要求選擇機器人的伺服電機和精密減速器，工業機器人對伺服電機的要求有：

(1) 快速性。伺服電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的動作的時間要短。響應信號的時間越短，電機私服系統的靈敏性越高，快速響應性越好，一般是以伺服電機的機電時間常數的大小來説明伺服電動機快速響應的性能。

(2) 伺服電機的啟動轉矩與電動機本身慣量之比大。在機器人驅動負載時，要求機器人伺服電機驅動力矩大，轉動慣量小。

(3) 控制特性的連續性和直線性。隨着控制信號的變化，電動的轉速能夠連續的變化，有時候還需轉速與控制信號成正比或近似正比。

(4) 調速範圍寬。能應用與1:1000—1:10000的調速範圍。

(5) 體積小、質量小、軸向尺寸小。

(6) 能經受起苛刻的運行條件，可進行頻繁的正反轉和加減速運行，並能在短時間內有較好的過載能力。 機器人的減速器應具有剛度大、輸出轉矩高、減速比範圍大，回程間隙小、潤滑好等特點。 當前RV減速器、諧波減速器、擺線針輪減速器、行星齒輪減速器等均可以用於工業機器人，其中具有扁平結構的高精度減速器更符合工業機器人的要求而廣泛應用於工業機器人中。

要想做好機器人的設計，外觀設計和內部系統設計都要協調好，兩者是不可區分的，首先外觀設計你就結合他的功能，來設計他的外觀，很簡單，一個掃地機器人你總不能設計成一個送餐機器人的樣子。

其次就是內部結構和系統，就是機器人的感覺系統和執行系統，用集合代表執行系統輸出的所有原理，通過這個系統，探討組裝的機理，使機器人感覺到外部壞境的變化而做到變化。還有一個概念就是控制原理，控制原理是結構與環境之間的相互作用產生的，結構並不是控制，僅當環境靜止時，才收到控制。

也不是所有的結構都能產生有效的控制，所以機器人的程序設計也是很重要。