目前瑞士ABB、日本发那科公司、日本安川电机、德国库卡机器人并称为机器人领域的“四大家族”，这些巨头占据中国机器人产业70%以上的市场份额，并且几乎垄断了机器人制造、焊接等高端领域。

3. 方案论证

3.1 结构设计方案

3.1.1 四自由度机器人结构

图4 四自由度机器人

其机身设计成机座式，这样可以使机器人是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，是回转型机械手臂。臂部可沿机座、立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转，与螺柱配合的手臂完成上下往复的升降运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转，从而带动了机身的旋转，满足运动的四个自由度要求。

3.1.2 六自由度机器人结构

机器人机械本体采用六自由度串联关节式结构，其结构如图所示。机器人的六个关节均为转动关节，第二、三、五关节作俯仰运动，第一、四、六关节作回转运动。机器人后三个关节轴线相交与一点，为腕关节的原点，前3个关节确定腕关节原点的位置，后3个关节确定末端执行器的姿态。第6关节预留适配接口，用于安装等离子切割器以及上料磁力吸盘。

图5 六自由度机器人

3.2 驱动控制系统及传感器选择方案

驱动形式 控制方式 传感器选择

步进电机/交流伺服电机 可编辑逻辑控制器（PLC） 品牌 位移传感器 直线位移传感器 电位计式传感器

角度位移传感器 光电编码器

西门子 力觉传感器 半导体型力觉传感器

扭矩传感器 用光电传感器测量扭矩

接近度传感器 红外线接近度传感器

3.3 机械手爪设计方案

3.3.1 180°/90°机械手爪

图6 180°/90°机械手爪

夹角 180°/90°

上料 吸盘

等离子切割 电磁阀固定座

3.3.2 120°机械手爪

图7 120°机械手爪

夹角 120°

上料 电磁铁吸盘

等离子切割 电磁阀固定座

3.4 方案确定

方案一中的四自由度机器人能够完成上料功能，在工业生产上具有很大的使用价值和通用性。但根据机器人的结构组织定义中，传统的三自由度以内机器人产品大都被称为机械臂，5、6个自由度以上才称为工业机器人。故此，方案二三相对于方案一是更有选择；而与此同时一般情况下，低速重负载时可选用液压驱动系统；中等负载时可选用电机驱动系统；轻负载时可选用电机驱动系统；轻负载、高速时可选用气动驱动系统，所以设计中的机器人使用电机控制；同时，步进电机为开环控制，伺服电机为闭环控制，在性能和稳定性上伺服电机优于步进电机。且高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统；机械手实现上料工作中，方案二中手爪长度需非常大才能使工作过程中两手杆互不干扰，故选择方案三中120°的夹角更佳；同时考虑到切割金属材质表面粗糙度较大时，使用吸盘存在一定的弊端，故选择电磁铁来实现上料功能。综合考虑各种因素，设计选用方案三更为合适。

4. 毕业设计（论文）内容

本课题要求设计一种等离子切割及上料多用途工业机器人系统。要求对机器人的结构中的薄弱环节和关键环节进行校核。并完成工业机器人的传感器配置和控制方案设计。上料工业机器人的最大负载不小于30公斤（力）；工业机器人臂展不小于1850mm。要求在毕业论文中详细描述等离子切割及上料多用途工业机器人的结构和设计步骤，并用完整的工程图进行表达。要求在毕业设计论文中阐述多用途工业机器人控制方案。要求在毕业设计论文中对主要承重零部件或结构薄弱零部件进行必要的强度和刚度校核。