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“機(jī)器人“是存在于多種語(yǔ)言和文字的新造詞，它體現(xiàn)了人類長(zhǎng)期以來的一種愿望，即創(chuàng)造出一種像人一樣的機(jī)器或人造人，以便能夠代替人去進(jìn)行各種工作。 盡管直到三十多年前，“機(jī)器人”才作為專有名詞加以引用，然而機(jī)器人的概念在人類的想象中卻以存在三千多年了。早在我國(guó)西周時(shí)代（公元前1066—公元前771年），就流傳有關(guān)巧匠偃師獻(xiàn)給周穆王一個(gè)歌舞機(jī)器人的故事。我國(guó)東漢時(shí)期（25—220年），張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機(jī)器人雛形。作為第一批自動(dòng)化動(dòng)物之一的能夠飛翔的木鳥是在公元前400年至350年間制成的。公元前3世紀(jì)，古希臘發(fā)明家戴達(dá)羅斯用青銅為克里特島國(guó)王邁若斯塑造了一個(gè)守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。在公元前2世紀(jì)出現(xiàn)的書籍中，描寫過一個(gè)具有類似機(jī)器人角色的機(jī)械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進(jìn)行舞蹈和列隊(duì)表演。人類歷史進(jìn)入近代史之后，出現(xiàn)了第一次工業(yè)革命和科學(xué)革命。隨著各種自動(dòng)機(jī)器、動(dòng)力機(jī)械的問世，制造機(jī)器人開始由夢(mèng)想轉(zhuǎn)入現(xiàn)實(shí)，許多機(jī)械式控制的機(jī)器人，主要是各種精巧的機(jī)器人玩具和工藝品應(yīng)用而生。 進(jìn)入20世紀(jì)后，機(jī)器人已躁動(dòng)于人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的母胎之中，人們含有幾分不安的期待著它的誕生。他們不知道即將問世的機(jī)器人將是個(gè)寵兒，還是個(gè)怪物。1920年，捷克劇作家卡雷爾?查培克（Karel Capek）在他的幻想情節(jié)劇《路薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，第一次提出了“robot”這個(gè)詞。在劇中，他把機(jī)器人描述成與人相似但能不知疲倦地工作的機(jī)器，最終機(jī)器人背叛它們的創(chuàng)造者而消滅了人類。各國(guó)對(duì)機(jī)器人的譯法，幾乎都從斯洛伐克語(yǔ)“robota”音譯為“羅伯特”，只有中國(guó)譯為“機(jī)器人”。1950年，美國(guó)著名科學(xué)幻想小說家阿西莫夫在他的小說《我是機(jī)器人》中，提出了有名的“機(jī)器人三守則”： （1）機(jī)器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受害而袖手旁觀； （2）機(jī)器人必須絕對(duì)服從于人類，除非這種服從有害于人類； （3）機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類或者是人類令它做出犧牲。 這三條守則，給機(jī)器人社會(huì)賦以新的倫理性，并使機(jī)器人概念通俗化，更易于為人類社會(huì)所接受。至今，它仍為機(jī)器人研究人員、設(shè)計(jì)制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導(dǎo)方針。 而現(xiàn)實(shí)世界里，機(jī)器人在國(guó)際學(xué)術(shù)界至今也沒有做出統(tǒng)一的、公認(rèn)的、文字嚴(yán)格的定義。不同的專家往往給以各有側(cè)重的說法，不同的國(guó)家也往往沿用各自習(xí)慣的解釋。 機(jī)器人的定義處在不斷的發(fā)展變化之中。美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）認(rèn)為，機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程序動(dòng)作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能機(jī)械手（Manipulator）日本機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（End Effector）能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過自動(dòng)完成各種移動(dòng)來代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）給出的定義是，機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可變程序造作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務(wù)。 1.2.2 我國(guó)機(jī)器人的定義 關(guān)于我國(guó)機(jī)器人的定義。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)也面臨討論和制定關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)問題，其中包括對(duì)機(jī)器人的定義。蔣新松院士曾建議吧機(jī)器人定義為“一種幾人功能的機(jī)械電子裝置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我們參考各國(guó)的定義，結(jié)合我國(guó)情況，對(duì)機(jī)器人做出統(tǒng)一的定義： 我們認(rèn)為機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能，可以代替人完成特定任務(wù)的一種自動(dòng)化機(jī)電裝置[2]。 由此可見對(duì)于“機(jī)器人”的定義是仁者見仁，智者見智，但被國(guó)際普遍接受的是由美國(guó)“機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)”（RIA）的一批科學(xué)家于1979年提出的定義：機(jī)器人是一種可改編程序的多功能操作機(jī)構(gòu)、用以按照預(yù)先編制的能完成多種作業(yè)的動(dòng)作程序運(yùn)送材料、零件、工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備。 1.3 機(jī)器人的分類 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，極大的促進(jìn)了機(jī)器人研究水平的提高?？茖W(xué)家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機(jī)器人設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)和外形，以便讓他們?cè)谔厥鈼l件下出色的完成任務(wù)。但對(duì)于龐大的機(jī)器人家族，目前尚未有統(tǒng)一的分類方法，常從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分類： 1.3.1 按照機(jī)器人從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展程度分類 （1）第一代機(jī)器人（20世紀(jì)60年代） 主要指能以“示教—再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其特征是機(jī)器人能夠按照事先教給它們的程序進(jìn)行重復(fù)工作。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。 （2）第二代機(jī)器人（20世紀(jì)70年代） 具有一定的感覺功能和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人做出一定的推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智商。 （3）第三代機(jī)器人（20世紀(jì)80年代中期以后） 智能機(jī)器人，這種機(jī)器人帶有多種傳感器，能夠?qū)鞲衅鞯玫降男畔⑦M(jìn)行融合，能夠有效適應(yīng)環(huán)境變化，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能[3]。 1.3.2 按照機(jī)器人所完成的主要功能分類 （1）操作機(jī)器人 這是目前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的機(jī)器人，絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人屬于這一類。其特點(diǎn)是模仿人手和手臂的動(dòng)作，完成搬運(yùn)、焊接、噴漆、打磨、拋光、檢測(cè)、裝配等工藝操作。 （2）移動(dòng)機(jī)器 人在工業(yè)生產(chǎn)中輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人及步行機(jī)器人常用來完成運(yùn)輸及上、下料等任務(wù)。比如管道機(jī)器人、水下機(jī)器人、采掘機(jī)器人等等。這種機(jī)器人多半都裝有操作手和攝像系統(tǒng)，以完成操作并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)視[4]。 （3）信息機(jī)器人 這是指以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能行為模擬裝置。廣義地說，這類機(jī)器人包括專家系統(tǒng)、翻譯機(jī)、作曲機(jī)、圖像識(shí)別系統(tǒng)、指紋識(shí)別機(jī)譯及信息決策系統(tǒng)等。 (4)人機(jī)機(jī)器人 這類機(jī)器人和人之間存在雙向閉環(huán)聯(lián)系，包括聯(lián)肢機(jī)械手，裝在人腿上的助行機(jī)械足，生物電控或聲控假肢等[4]。 1.3.3 按照機(jī)器人的開發(fā)內(nèi)容和目的分類 按照機(jī)器人的開發(fā)內(nèi)容和目的分為工業(yè)機(jī)器人、操縱型機(jī)器人、智能型機(jī)器人和特種機(jī)器人，習(xí)慣將后三種機(jī)器人統(tǒng)稱為先進(jìn)機(jī)器人。 （1）工業(yè)機(jī)器人：機(jī)器人的本體主要是一只機(jī)械手臂，它直接操作的對(duì)象是末端執(zhí)行器，它隨操作對(duì)象的形狀和材料不同而制成各種各樣。 （2）操縱型機(jī)器人：這類機(jī)器人是由一類由人操縱進(jìn)行工作的機(jī)器人，由操縱人員在工作中不停地向機(jī)器人發(fā)送操縱指令，在智能和適應(yīng)能力方面輔助機(jī)器人完成復(fù)雜的作業(yè)，機(jī)器人把操作對(duì)象和作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)直接地或間接地反饋給操縱人員，操縱人員據(jù)此控制機(jī)器人行為。 （3）智能機(jī)器人：這類機(jī)器人是指本身能認(rèn)識(shí)工作環(huán)境、工作對(duì)象及其狀態(tài)，能根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識(shí)外界的結(jié)果來獨(dú)立地決定工作方法，利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。這種機(jī)器人也就是第三代機(jī)器人，它的控制方法是一種“認(rèn)知—適應(yīng)”的方式。 （4）特種機(jī)器人：這類機(jī)器人是專門為完成某一項(xiàng)或幾項(xiàng)任務(wù)而制造的，大多數(shù)不具有通用性。這種機(jī)器人的開發(fā)和制造，可著眼于基礎(chǔ)研究的立場(chǎng)和面向?qū)嵱没?chǎng)[4]。 1.3.4 按照應(yīng)用領(lǐng)域?qū)C(jī)器人進(jìn)行分類 按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為民用機(jī)器人和軍用機(jī)器人。 民用機(jī)器人又分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、類人機(jī)器人和農(nóng)業(yè)機(jī)器人。1990年10月，國(guó)際機(jī)器人工業(yè)人士在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_了一次工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)大會(huì)，并在這次大會(huì)上通過了一個(gè)文件，把工業(yè)機(jī)器人分為四類： （1）順序型。這類機(jī)器人擁有規(guī)定的程序動(dòng)作控制系統(tǒng)； （2）驗(yàn)軌跡作業(yè)型。這類機(jī)器人執(zhí)行某種移動(dòng)作業(yè)，如焊接、噴漆等； （3）遠(yuǎn)距離作業(yè)。比如在月球上自動(dòng)工作的機(jī)器人； （4）智能型。這類機(jī)器人具有感知、適應(yīng)以及思維和人機(jī)通訊機(jī)能[5]。 1.4 機(jī)器人的發(fā)展概況 在科技發(fā)展史上，科研技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是相輔相成的。在發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上，國(guó)際上存在著兩條不同的技術(shù)路線：一條是日本所走的“需求牽引，技術(shù)驅(qū)動(dòng)”的路線，他們把美國(guó)發(fā)明的機(jī)器人和本國(guó)工業(yè)發(fā)展的需要相結(jié)合，開發(fā)出一系列特定用途的機(jī)器人，如弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、裝配、建筑等機(jī)器人，從而形成了強(qiáng)大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。而財(cái)力雄厚的產(chǎn)業(yè)又提供大量的研究經(jīng)費(fèi)供科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行新的或后續(xù)的研究工作，由此推動(dòng)了本國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。另一條路線是把機(jī)器人作為研究人工智能的載體，即單純從技術(shù)上模仿人的某些智能來研究智能機(jī)器人，如美國(guó)、英國(guó)等許多大學(xué)及研究所的做法[6]。 1.4.1 機(jī)器人在國(guó)外的發(fā)展概況 1、機(jī)器人的誕生之地——美國(guó) 美國(guó)是工業(yè)革命的誕生地，1959年美國(guó)人英格伯格和德沃爾制造出了世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。此后，精明的他們又創(chuàng)辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠，并生產(chǎn)出一批名叫“尤里梅特”的工業(yè)機(jī)器人，也因此他們獲得了“世界工業(yè)機(jī)器人之父”的殊榮。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一，但綜觀其發(fā)展史，并不平坦。 二十世紀(jì)六、七十年代，因擔(dān)心機(jī)器人會(huì)使失業(yè)率增加，而不予投資，也不組織研制，機(jī)器人的發(fā)展基本停滯。七十年代后期雖有所重視，但把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級(jí)機(jī)器人的開發(fā)上，致使美國(guó)在工業(yè)機(jī)器人方面喪失領(lǐng)袖地位。 但美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。其機(jī)器人性能可靠，功能全面，精確度高；機(jī)器人語(yǔ)言研究發(fā)展較快，語(yǔ)言類型多、應(yīng)用廣。視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在行天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等迅速發(fā)展，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測(cè)方面[7]。 2、機(jī)器人的冠軍之地——日本 第二次世界大戰(zhàn)后，日本經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，而勞動(dòng)力緊張。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國(guó)Unimation公司引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺(tái)川崎“尤尼曼特”機(jī)器人。到八十年代中期，已一躍成為“機(jī)器人王國(guó)”，其產(chǎn)量和安裝的臺(tái)數(shù)在國(guó)際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會(huì)常務(wù)理事本完二的說法：“日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)入普及提高期?！辈⒄桨?980年定為“產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”，開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。 日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠已價(jià)廉的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍號(hào)稱“汽車王國(guó)”的美國(guó)市場(chǎng)，并且向機(jī)器人誕生國(guó)出口日本產(chǎn)的實(shí)用型機(jī)器人。此時(shí)，日本價(jià)廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國(guó)市場(chǎng)，這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機(jī)器人，增強(qiáng)了國(guó)力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國(guó)家不得不采取措施，奮起直追[8]。 1.4.2 我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展概況 1、我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展 目前我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，先進(jìn)制造業(yè)已進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。隨著經(jīng)濟(jì)全球化和我國(guó)加入WTO，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的局面。如何適應(yīng)快速變化的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，如何以高質(zhì)量、低成本、快速反應(yīng)的手段在市場(chǎng)中取得生存和發(fā)展，已是我國(guó)企業(yè)不容回避的問題，這些問題為工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用提供了大的市場(chǎng)需求，促使中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用市場(chǎng)日趨成熟。 近幾年來，國(guó)外著名的工業(yè)機(jī)器人制造廠商紛紛加大了在我國(guó)的投資和應(yīng)用技術(shù)的投入，對(duì)我國(guó)的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 我國(guó)機(jī)器人的研究與應(yīng)用水平與日美相比存在較大差距，主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。 我國(guó)政府非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，從1986年“七五”科技攻關(guān)及實(shí)施到1987年863計(jì)劃開始，就有計(jì)劃地組織和發(fā)展工業(yè)機(jī)器人事業(yè)，經(jīng)過20多年的研制和應(yīng)用，目前在工業(yè)機(jī)器人的一些機(jī)種方面，如噴漆機(jī)器人、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人和特種機(jī)器人都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，基本掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，有了一支具有一定水平的技術(shù)隊(duì)伍，其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在20余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用。形成了沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的新松機(jī)器人公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博實(shí)機(jī)器人公司、北京機(jī)械自動(dòng)化研究所機(jī)器人開發(fā)中心等九個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，奠定了我國(guó)獨(dú)立自主發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。 但是，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人在總體技術(shù)上與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有很大差距，僅相當(dāng)于國(guó)外九十年代中期的水平。多數(shù)是單件小批生產(chǎn)，關(guān)鍵配套的單元部件和器件始終處于進(jìn)口狀態(tài)，工業(yè)機(jī)器人的性價(jià)比較低。我國(guó)整體裝備制造水平不高，制約了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成和實(shí)現(xiàn)規(guī)?；陌l(fā)展。 盡管中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質(zhì)價(jià)廉的工業(yè)機(jī)器人商品，目前在我國(guó)尚有較長(zhǎng)的路程。這主要有以下幾個(gè)方面： 首先為了促進(jìn)中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須在以市場(chǎng)需求為主的前提下，國(guó)家在政策上鼓勵(lì)企業(yè)在技術(shù)投入和技術(shù)改造方面應(yīng)用國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人。同時(shí)轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的機(jī)制，建立以適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)所需的工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)基地。 其次，在國(guó)家的科技發(fā)展規(guī)劃中，應(yīng)繼續(xù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究開發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵、基礎(chǔ)部件的研究和產(chǎn)品化給予支持，形成產(chǎn)品和自動(dòng)化制造裝備同步協(xié)調(diào)發(fā)展的新局面。 第三，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，加強(qiáng)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開發(fā)，使之與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相結(jié)合。經(jīng)過近十年的努力，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開發(fā)方面已具有相當(dāng)?shù)膶?shí)力，已有一支了解企業(yè)的需求，能開發(fā)出符合實(shí)際使用條件應(yīng)用工程，成本低，服務(wù)及時(shí)，具備與國(guó)外公司的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開發(fā)，并圍繞應(yīng)用工程的需要進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人新產(chǎn)品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a(chǎn)能力，這樣可以促進(jìn)我國(guó)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和提高競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也可形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)[9]。 21世紀(jì)是人類走向海洋，向海洋要資源的世紀(jì)，我們的系列水下機(jī)器人將在海洋資源勘探、海洋石油開采、沉船打撈等諸多領(lǐng)域發(fā)揮其不可替代的作用。臺(tái)灣問題、臨海問題一直是非常敏感的問題，要想解決好這些問題，必須有先進(jìn)的水上、水下裝備，發(fā)展先進(jìn)的水下機(jī)器人可以有效地提高我國(guó)的領(lǐng)海保衛(wèi)能力，增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防實(shí)力。 我國(guó)機(jī)器人的研究與開發(fā)起步晚，始于20世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃，發(fā)展比較快。在機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面：諸如機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析與綜合研究，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制算法及機(jī)器人編程語(yǔ)言的研究，機(jī)器人內(nèi)外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、遙控機(jī)器人的控制技術(shù)等均取得長(zhǎng)足進(jìn)展，并在實(shí)際工作中得到應(yīng)用。 2、我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展特點(diǎn) （1）水下機(jī)器人技術(shù)走在世界前列。例如，自主研制成功1000米水下無纜機(jī)器人以后，又和俄羅斯合作成功研制了6000米水下無纜自治機(jī)器人且實(shí)現(xiàn)了工程化[10]。更值得一提是，95年和97年在夏威夷東南太平洋5800米水深處成功地進(jìn)行了兩次大洋探測(cè)試驗(yàn)，取得了海底錳結(jié)核分布資料，表明我國(guó)已成為世界上少數(shù)幾個(gè)具有深海探測(cè)能力的國(guó)家之一。 （2）機(jī)器人化機(jī)器推動(dòng)我國(guó)工程機(jī)械的更新?lián)Q代。相繼完成了無人駕駛的振動(dòng)式壓路機(jī)、具有自動(dòng)化推平功能的推土機(jī)、可編程挖掘機(jī)、自動(dòng)鑿巖機(jī)，促進(jìn)了我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)換代。 （3）特種機(jī)器人的發(fā)展蓬蓬勃勃。繼防核化偵察車、遙控移動(dòng)機(jī)器人及爬壁機(jī)器人以后，又開發(fā)出防暴機(jī)器人、自動(dòng)引導(dǎo)車、各種罐體爬壁清掃機(jī)器人、玻璃擦掃機(jī)器人等。90年代初，研制成功多自由度微操作機(jī)器人，并在生物與醫(yī)學(xué)工程取得成功應(yīng)用。在微小空間探測(cè)的小機(jī)器人研究也有了突破。 （4）工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品和應(yīng)用工程成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的龍頭。研制出具有國(guó)際90年代水平的實(shí)用性轉(zhuǎn)配機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、電焊機(jī)器人及自動(dòng)引導(dǎo)引車等一系列產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)及其應(yīng)用工程[4]。 3、我國(guó)機(jī)器人研究成果 1980年——研制成功中國(guó)第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)； 1985年——中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人首航成功； 1986年——中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人深海試驗(yàn)成功； 1988年——中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人投入使用； 1990年——水下機(jī)器人首次出口美國(guó)； 1992年——國(guó)產(chǎn)AGV第一次應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線； 1993年——中國(guó)唯一的機(jī)器人技術(shù)國(guó)家工程研究中心成立； 1994年——中國(guó)第一臺(tái)五自由度高壓水切割機(jī)器人投入使用； 1994年——中國(guó)第一臺(tái)1000米水下機(jī)器人海試成功； 1995年——中國(guó)第一臺(tái)6000米水下機(jī)器人海試成功； 1995年——中國(guó)首臺(tái)四自由度電焊機(jī)器人開發(fā)成功，第一條電焊機(jī)器人生產(chǎn)線投入使用； 1995年——自主開發(fā)的機(jī)器人技術(shù)——AGV技術(shù)出口韓國(guó)； 1997年——具有自主版權(quán)的高性能機(jī)器人控制器小批量生產(chǎn)； 1997年——自主開發(fā)的國(guó)內(nèi)第一條機(jī)器人沖壓自動(dòng)化線用于一汽大眾生產(chǎn)線； 1998年——國(guó)內(nèi)首臺(tái)激光加工機(jī)器人開發(fā)成功； 1998年——國(guó)內(nèi)首臺(tái)澆注機(jī)器人用于生產(chǎn)； 2000年——中國(guó)首臺(tái)類人型機(jī)器人研制成功[11]； 2001年——我國(guó)第一次用機(jī)器人完成腦外科手術(shù)； 2003年——我國(guó)第一臺(tái)管道無損探測(cè)機(jī)器人研制成功； 2004年——我國(guó)首臺(tái)自走式兩棲機(jī)器人研制成功； 2006年——我國(guó)首臺(tái)烹飪機(jī)器人在深圳誕生。 1.5 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及人工智能、傳感技術(shù)和仿生材料技術(shù)水平的逐步提高，目前研究熱點(diǎn)主要落在了智能化、擬人化兩方面。 （1）工業(yè)機(jī)器人性能追求高速度、高精度、高可靠性的三高境界； （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)趨向模塊化、可重構(gòu)化； （3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)利用PC機(jī)的開放型控制器； （4）機(jī)器人中的多傳感器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，便于進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性 [24]； （5）從仿真、預(yù)演發(fā)展到過程控制全程運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)； （6）微型和微小機(jī)器人技術(shù)。納米機(jī)器人是最具誘惑的項(xiàng)目； （7）遙控機(jī)器人系統(tǒng)致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室走入實(shí)用化階段； （8）機(jī)器人化機(jī)械開始崛起。機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā)包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床（VMT）與機(jī)器人化加工中心（RMC）的開發(fā)研究，以及機(jī)器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)備的研究開發(fā)[1]。 1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 基于UG四自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的綜合性設(shè)計(jì)?，F(xiàn)今社會(huì)，機(jī)器人以成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的行業(yè)。機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要是通過給定的條件運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)原理，計(jì)算其負(fù)載功率，選定動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式，確定出四自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，確定各個(gè)部件的尺寸及對(duì)相應(yīng)的部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 在上述基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)繪制零件二維圖形，機(jī)器人總裝圖形。在運(yùn)用計(jì)算機(jī)UG三維軟件技術(shù)對(duì)四自由度機(jī)器人的所有零件進(jìn)行三維的實(shí)體建模，并運(yùn)用UG裝配功能將四自由度機(jī)器進(jìn)行三維的模擬組裝，最終完成機(jī)器人的模型設(shè)計(jì)。 第2章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案分析 2.1 機(jī)器人系統(tǒng) 2.1.1 機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由下列四個(gè)互相作用的部分組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器、環(huán)境、任務(wù)，如圖2.1所示[1] 位置、速度反饋 控制算法 工作任務(wù) 模型 控制器（計(jì)算機(jī)） 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 關(guān)節(jié)式機(jī)械系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置 外感應(yīng)信息 交互作用 計(jì)算機(jī) 語(yǔ)言 任 務(wù) 外傳感應(yīng)器 環(huán) 境 圖2.1 機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成 2.1.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成圖可簡(jiǎn)化為如圖2.2所示[2]。 外傳感信息 環(huán)境 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 控制器 任務(wù) 外傳感信息 圖2.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)械手是具有傳動(dòng)執(zhí)行裝置的機(jī)械，它由臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置（工具等）構(gòu)成，組合為一個(gè)互相連接和互相依賴的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(wù)。不同的機(jī)械手具有不同的結(jié)構(gòu)類型。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.3。 圖2.3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.2 機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制部分所組成，各部關(guān)系如下框圖2.4。 工作 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置檢測(cè)裝置 圖2.4 機(jī)器人組成關(guān)系圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械部分）包括手部、腕部、手臂和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成[1]。 2.2.1 腰部結(jié)構(gòu) 腰部是直接支撐和傳動(dòng)手臂的部件，一般實(shí)行臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都要安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。機(jī)身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以設(shè)地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用與底座相連的固定式。 機(jī)身是直接連接、支撐和傳動(dòng)手臂及行走機(jī)構(gòu)的部件，它是由臂部運(yùn)動(dòng)（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。 常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有： （1）升降回轉(zhuǎn)型； （2）俯仰型； （3）直移型； （4）類人機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計(jì)采用升降回轉(zhuǎn)型。 2.2.2 臂部結(jié)構(gòu) 手臂部件（簡(jiǎn)稱臂部）是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器人的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自傳等運(yùn)動(dòng)有關(guān)的構(gòu)件，如傳動(dòng)裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測(cè)元件等，此外，還有與腕部或手臂的運(yùn)動(dòng)和聯(lián)接支撐等有關(guān)的構(gòu)件配線等。 根據(jù)臂部的運(yùn)動(dòng)和布局、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)和導(dǎo)向裝置的不同可分為： （1）伸縮臂部結(jié)構(gòu)； （2）轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部結(jié)構(gòu)； （3）屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu)； （4）其他專用的機(jī)械傳動(dòng)臂部結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計(jì)采用屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu)[3]。 手臂有獨(dú)立的自由度，可采用： （1） 直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都如直線運(yùn)動(dòng)）； （2） 圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）； （3） 球坐標(biāo)（前后伸縮，上下擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）； （4） 關(guān)節(jié)式（手背能任意伸屈）。 直角坐標(biāo)系占空間大，工作范圍小，所以一般不用；圓柱坐標(biāo)系占空間較小，工作范圍較大，但慣性也較大，且不能抓取底面物體，不予使用；球坐標(biāo)系和關(guān)節(jié)式占空間小，工作范圍大，慣性小，所需動(dòng)力小，能抓取底面物件，關(guān)節(jié)式還可以繞障礙物選擇途徑，靈活性較高，廣泛使用。 本設(shè)計(jì)因手臂部只有兩個(gè)自由度，避免了多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷，使關(guān)節(jié)的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，因此將手臂的結(jié)構(gòu)做成關(guān)節(jié)式，并分為小臂、大臂，小臂用來聯(lián)接手腕和大臂，大臂用來聯(lián)接小臂和底座上的腰部旋轉(zhuǎn)件，各擁有一個(gè)自由度。 2.2.3 手腕結(jié)構(gòu) 手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨(dú)立的自由度，以滿足機(jī)器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)。 手腕部一般需要三個(gè)自由度； （1）臂轉(zhuǎn)，繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)； （2）手轉(zhuǎn)，使手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn)； （3）腕擺，使手部相對(duì)手臂進(jìn)行擺動(dòng)。 本設(shè)計(jì)四自由度機(jī)器人腕部采用上下擺動(dòng)的自由度形式，用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)機(jī)器人主要用于搬用中小零件或教學(xué)用機(jī)器人，所以承受載荷不很大，結(jié)構(gòu)要求不高，所以這個(gè)結(jié)構(gòu)可以使用。為了便于手臂上的位置結(jié)構(gòu)安排，直接驅(qū)動(dòng)浪費(fèi)空間，重量分布也不太均勻，所以決定采用同步帶輪傳遞動(dòng)力。 2.2.4 手部結(jié)構(gòu) 手部是機(jī)器人直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的。它具有模仿人手動(dòng)作的功能并安裝與機(jī)器人手臂的前端，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其自由度一般不少于六個(gè)，所以本設(shè)計(jì)不對(duì)抓取部分—手腕 作詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式四種。 夜動(dòng)式輸出力大（壓力高，常用液壓為2.5～6.3MPa），臂力可達(dá)100公斤以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，體積較小，可獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；工作平穩(wěn)，可得到較高的位置精度；傳動(dòng)中力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，效率高、壽命長(zhǎng)。不足處，泄露難克服，易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)；液壓元件精度要求高，造價(jià)高。 氣動(dòng)式具有空氣粘度小，易達(dá)到高速（1m/s）；可利用空氣壓縮機(jī)減少了動(dòng)力設(shè)備，氣動(dòng)元件工作壓力低，造價(jià)也低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在30公斤一下。 電動(dòng)式可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。私服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交直流、私服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精確要求不高的場(chǎng)合。 機(jī)械式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈敏度低，故不做詳細(xì)介紹。 綜上，本次設(shè)計(jì)的“四自由度機(jī)器人”主要使用于一般的教學(xué)、培訓(xùn)或汽車中小零件的搬運(yùn)等，故采用電動(dòng)式，將其簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)得以充分發(fā)揮[4]。 2.4 控制系統(tǒng) 機(jī)器人控制器具有多種結(jié)構(gòu)形式，包括：非伺服控制、伺服控制位置和速度反饋控制、力（力矩）控制、基于傳感器的控制、非線性控制、滑模控制、最優(yōu)控制、自定位控制、遞階控制記憶各種智能控制等。本設(shè)計(jì)要求只對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，控制系統(tǒng)不做要求。 2.5 本章小結(jié) 本章對(duì)四自由度機(jī)器人的常用結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析。對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成（腰部、臂部、腕部）進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并最終確定適合本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案，驅(qū)動(dòng)方式等。最后簡(jiǎn)單介紹了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)。 第三章 四自由度機(jī)器人整體及部件設(shè)計(jì) 3.1 四自由度機(jī)器人性能要求 表3.1 四自由度機(jī)器人性能要求 結(jié)構(gòu)形式 串聯(lián)關(guān)節(jié)式 負(fù)載能力 2Kg 重復(fù)定位精度 ±0.1mm 運(yùn)動(dòng)范圍 300° 120° 120° 360° 每軸最大運(yùn)動(dòng)速度 腰轉(zhuǎn) 45°/S 大臂 45°/S 小臂 30°/S 腕擺 60°/S 最大展開半徑 530mm 高度 957mm 本體重量 操作方式 示教再現(xiàn)/編程 供電電源 單相220V、50Hz 3.2 電機(jī)的選擇 在要求輸出力矩和負(fù)載較小的情況下，電機(jī)的選用一般有:電動(dòng)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種。根據(jù)表3.1及電機(jī)的選用條件[13]結(jié)合本設(shè)計(jì)的性能要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)決定選用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)是一種吧電脈沖信號(hào)變換成直線位移的執(zhí)行元件，本設(shè)計(jì)機(jī)器人是用來搬運(yùn)中小零件的，所以選步進(jìn)電機(jī)符合要求。 在根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，混合式步進(jìn)電機(jī)是一種兼有反應(yīng)式和永磁式兩種步進(jìn)電機(jī)有點(diǎn)的新型電動(dòng)機(jī)。五相及三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因其分辨率小，精度高、低頻無振蕩、高頻力矩大而廣泛用于各類機(jī)床、切割機(jī)、輕工、包裝、醫(yī)療器械、機(jī)器人及電腦繡花機(jī)等自動(dòng)控制設(shè)備中。因此，選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，系列代號(hào)BYG。 3.2.1 負(fù)載功率的估算 電動(dòng)機(jī)負(fù)載功率是根據(jù)具體生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載及效率計(jì)算的，它可以從機(jī)械手冊(cè)中查出。 （1）底座處電機(jī)負(fù)載功率 已知，腰轉(zhuǎn) 450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min 負(fù)載功率 [15] PL=G?u?V624.5?ηc kw (3.1) 式中： PL—腰部負(fù)載功率，kw； G—傳動(dòng)件重量，N（根據(jù)任務(wù)書及電機(jī)的初選確定）； u—傳動(dòng)摩擦系數(shù)； V—移動(dòng)速度，m/s； ηc —傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率。 G=mg(其中已知m≤85kg；g=9.8N/kg)=85×9.8 N=833 N u—查參考資料[11]得u=0.2； ηc—查參考資料[15]得ηc=0.9； V—已知角度450/s，初步確定機(jī)器人的底座腰部直徑為150mm，則 V=4503600×π×150×10-3 m/s =0.059 m/s； 所以將以上各值帶入式 3.1得 PL=G?u?V624.5?ηc kw = 833?0.2?0.059 624.5?0.9 kw =0.01749 kw=17.49 w 3.2.2 步進(jìn)電機(jī)額定功率的計(jì)算 預(yù)選電機(jī)的額定負(fù)載功率基本原則是:連續(xù)工作方式下，要求 Pe≥PL,本設(shè)計(jì)是從發(fā)熱溫升負(fù)度考慮的，不必校核電動(dòng)機(jī)的溫升，只需校核過載能力[15]。 根據(jù)參考資料[16]，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ne=60?fZR?N r/min (3.2) 式中： f—脈沖頻率，Hz或P/s，本設(shè)計(jì)電壓220V，頻率f=50Hz； N—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距的運(yùn)行拍數(shù)，本設(shè)計(jì)選用BYG型步進(jìn)電機(jī)，三相三拍時(shí)，N=m（相數(shù)）；三相六拍時(shí)N=2m； ZR —轉(zhuǎn)子齒數(shù)，本設(shè)計(jì)選用BYG型步進(jìn)電機(jī)，ZR=8； 根據(jù)參考資料[13]步進(jìn)電機(jī)的額定功率 Pe=Te?ωe1000 kw (3.3) 式中： Pe—電機(jī)額定功率； Te—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 N?m； ωe—電動(dòng)機(jī)角速度 rad/s，ωe= ne； 1、底座電機(jī)選擇 根據(jù)參考資料[17]，初選機(jī)器人底座處的步進(jìn)電機(jī)為 57BYG4501型。 則根據(jù)提供的參數(shù)可知:Te=0.6N?m；N=2m=2×2=4；將N=4帶入公式 3.2得 ne =60×50/8×4 r/min =93.75 r/min 將ne =93.75 r/min帶入公式 3.3得 Pe=0.6×93.75/1000 kw =0.05625 kw=56.25 w 因Pe=56.25 w>PL=17.89 w，所以所選電機(jī) 57BYG4501型能夠勝任本設(shè)計(jì)要求。 2、手腕處電機(jī)選擇 手腕處負(fù)載，根據(jù)設(shè)計(jì)要求 PL'=F?vη×10-3 kw[15] (3.4) 式中： PL'—手腕處負(fù)載功率； F—額定提升的重量 N； v —額定提升速度 m/s； η—手腕處傳動(dòng)效率； F根據(jù)設(shè)計(jì)要求得 F=2×9.8 N=19.6 N； v 根據(jù)設(shè)計(jì)要求v=ω=600/s=6003600/160 rad/min=10 rad/min，或者 v=ω=600/s=6003600?π?d m/s=6003600×3.14×38.81×10-3 m/s=0.02 m/s，（其中d=38.81mm 這將在后邊具體算出）； η 根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]得η=0.98；將F、v、η的值帶入公式 3.4得 PL'=（19.6×0.02）/0.98 kw=4.0×10-3 kw (若用公式3.1計(jì)算PL'得 PL'=1.28×10-4 kw，這里我選用公式 3.4算得的值)。 所以，手腕處負(fù)載較小，經(jīng)計(jì)算選用35BYG4501型步進(jìn)電機(jī)。其轉(zhuǎn)速和功率如下計(jì)算: ωe= ne = 60?fZR?N = 60?508×2×4 r/min=46.88 r/min Pe= Teωe1000 = 0.05×46.88/10000.05×46.881000 kw =2.344×10-3 kw 3、大臂與腰部旋轉(zhuǎn)體處電機(jī)選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此處所承受的最大負(fù)載大致為G=mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N。 運(yùn)動(dòng)速度為450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min，大臂伸展半徑為303mm，所以大臂速度可變換為V =7.5r/min = 7.5×π×2×30360 m/s=0.24m/s。根據(jù)公式3.1可得大臂處負(fù)載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=436.1×0.2×0.24624.5×0.9 kw=0.037kw=37w 根據(jù)參考資料[17]選擇步進(jìn)電機(jī)57BYG4501，根據(jù)公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.6×46.881000 = 0.05625 kw=56.25 w 56.25 w>37w，根據(jù)參考資料[17]大臂與旋轉(zhuǎn)體處電機(jī)選擇57BYG4501型步進(jìn)電機(jī)。 4、小臂與大臂聯(lián)接處電機(jī)選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此處所承受的最大載荷為G=mg=（14×85+2）×9.8=227.85N。 運(yùn)動(dòng)速度為300/S=3003600/160 r/min =5 r/min，小臂伸展半徑為411.5mm，所以小臂速度可變換為V =5r/min = 5×π×2×411.560 m/s=0.22m/s。根據(jù)公式3.1可得小臂處負(fù)載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=227.85×0.2×0.22624.5×0.9 kw=0.0178kw=17.8w 根據(jù)參考資料[17]選擇步進(jìn)電機(jī)42BYG4503，根據(jù)公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.48×46.881000 = 0.0225 kw=22.5 w 22.5 w>17.8w，根據(jù)參考資料[17]小臂與大臂聯(lián)接處電機(jī)選擇42BYG4503型步進(jìn)電機(jī)。 3.3 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 3.3.1 已知條件： （1）傳動(dòng)功率 PL'=4.0×10-4 kw； （2）大小帶輪轉(zhuǎn)速 n1=n2=600/s=10 r/min （n1 為手腕處主動(dòng)輪，n2為從動(dòng)輪）； （3）傳動(dòng)用途、載荷性質(zhì)、原動(dòng)機(jī)種類以及工作制度[13]。 3.3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）設(shè)計(jì)功率 Pd Pd=KA?P (3.5) 式中： Pd—設(shè)計(jì)功率； KA —工況系數(shù)，查參考資料[13]得 KA =1.5； P—傳動(dòng)功率，P= PL'=4.0×10-4 kw； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式 3.5得 Pd=1.5×4.0×10-4 kw =6.0×10-4 kw （2）帶型節(jié)距 Pb 根據(jù)Pd和n1、n2查參考資料[13]初選取XL型同步帶。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，n1= n2=10 r/min。前所選手腕處步進(jìn)電機(jī)35BYG4501轉(zhuǎn)速ωe= ne =46.88 r/min，根據(jù)本設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)和BYG型電機(jī)的選擇，經(jīng)計(jì)算比較分析n1= n2=10 r/min與ωe= ne =46.88 r/min相差不是太大，可以使用 35BYG4501型電機(jī)。 為使傳動(dòng)平穩(wěn)，提高帶的柔性以及增加嚙合齒數(shù)，節(jié)距Pb盡可能選取較小值。對(duì)模數(shù)制的m也盡可能選取較小值，特別是在高速時(shí)。故選取周節(jié)制XL型，Pb=5.080 mm，m=2。 (3) 小帶輪齒數(shù) (3.6) Zmin由參考資料[13]查得 Zmin=10，帶速V和安裝尺寸允許時(shí)，Z1盡可能選用較大值，故初選 Z1=24。 (4) 小帶輪節(jié)圓直徑 (3.7) 將mm，代入公式（3.3）中，得 mm 由Z1 =24及XL型號(hào)帶查參考資料[13]得節(jié)圓直徑 mm，外徑mm。(5) 帶速 (3.8) 將mm，r/min代入公式（3.8）中，得 m/s 根據(jù)模數(shù)型號(hào)與所選同步帶型號(hào)，由參考資料[13]查得 m/s 故符合要求。 (6) 傳動(dòng)比 = n1n2 ≤10 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)，大小帶輪轉(zhuǎn)速相同，所以取 =1<10，符合要求。 （7）大帶輪齒數(shù) Z2 Z2=i ?Z1=1×24 （8）大帶輪節(jié)圓直徑 d2 d2 =PbZ2/π =i?d1=1×38.81=38.81 mm （9）初定中心距 a 采用中心距可調(diào)式 (3.9) 將mm，將其帶入公式（3.9）中，得 mm 故取 a=70 mm。 （10）初定帶的節(jié)線長(zhǎng)度及其齒數(shù) (3.10) 將mm，mm代入公式（3.10）中，得 mm 根據(jù)參考資料[13]，查表得：mm，Zb =55。 （11）實(shí)際中心距 a (3.11) 將mm，mm，mm代入公式（3.11）中，得 mm 將a取整 a=79 mm。 （12）基準(zhǔn)額定功率 P0 (3.12) 式中：—帶寬為bs0的許用工作拉力，N； m—帶寬為bs0的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 kg/m； 根據(jù)參考資料[13]查得 Ta=50.17，v=0.02 m/s，m=0.22 kg/m帶入公式（3.12）得 kw （13）帶寬 bs (3.13) 式中： bs0—選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度 mm； kz—小帶輪嚙合齒系數(shù)； 根據(jù)參考資料[13]查得bs0 =9.5 mm；kz數(shù)=1.00； 將kw，Pd=6.0×10-4 kw，mm，代入公式（3.13）中，得 mm 則根據(jù)參考資料[13]取bs=9.5 mm。 故選取同步帶 GB/T 11616—1989 110XL037。 （13）作用在軸線上的力 Fr N (3.14) 將Pd=6.0×10-4 kw，m/s代入公式（3.10）中，得 N 本設(shè)計(jì)四自由度機(jī)器人的機(jī)身材料查閱參考資料[19]取 Q235。 3.4 軸的確定及校核 查閱參考資料[13]，本設(shè)計(jì)四自由度機(jī)器人腰部軸與手腕處軸均選用 45號(hào)剛。 3.4.1 腰部軸的確定校核 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，腰部軸的尺寸及形狀最終確定如圖 3.1 圖3.1 底座軸結(jié)構(gòu)尺寸 本設(shè)計(jì)腰部軸主要承受轉(zhuǎn)矩，承受的彎矩很小，所以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa (3.15) 式中： τ—軸的扭切應(yīng)力 MPa； P—傳遞的功率 kw，P=17.49×10-3 kw； T—轉(zhuǎn)矩 N?m； WT—抗扭截面系數(shù) mm3； d—軸的直徑 mm，d=30 mm； n—軸的轉(zhuǎn)速 r/min，n=93.75 r/min； [τ]—許用扭切應(yīng)力 MPa，45號(hào)剛 [τ]=30~40 MPa； 將數(shù)以上據(jù)帶入式（3.15）得 τ=9.55×106×17.49×10-3/0.2×303×93.75 =0.329 MPa< [τ] =30~40 MPa 所以本設(shè)計(jì)腰部軸的結(jié)構(gòu)安排符合要求。 3.4.2 手腕軸的確定校核 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，手腕軸的尺寸及形狀最終確定如圖3.2 圖3.2 手腕軸結(jié)構(gòu)尺寸 手腕處即受彎矩又受扭矩，也可近似使用公式（3.15）計(jì)算，但必須把軸的許用扭切應(yīng)力[τ]適當(dāng)降低以補(bǔ)償彎矩對(duì)軸的影響。將減低后的許用應(yīng)力帶入 式3.15，并改寫為設(shè)計(jì)公式 d≥39.55×1060.2τ?3Pn≥C3Pn mm （3.16） 手腕處： P=4.0×10-4 kw； [τ]—45號(hào)剛 [τ]=30 MP（最小值）；n=10 r/min； C—由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)，查參考資料[18]得C=118~107，取C=100； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.16）得 d≥39.55×1060.2×30?34.0×10-410≥10034.0×10-410 mm d≥7.324≥3.4 mm 本設(shè)計(jì)d=8 mm≥3.4 mm，符合要求。 3.4.3 大臂聯(lián)接件的確定校核 根據(jù)本設(shè)計(jì)，大臂聯(lián)接件尺寸確定如圖3.3所示。 圖3.3 大臂聯(lián)接件尺寸 根據(jù)本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安排，大臂聯(lián)接件主要承受扭矩，所以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。據(jù)公式3.15 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa 此處式中P=37w=37×10-3kw，n=7.5r/min=0.24m/s，d=35mm，帶入式3.15中得， τ= TWT =9.55×106×37×10-3/0.2×353×7.5 MPa ≈5.49 MPa 大臂聯(lián)接件材料為45號(hào)剛，[τ]=30~40 MPa，而5.49 MPa ≤[τ]=30~40 MPa，所以大臂聯(lián)接件設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。 3.5 軸承的選用及計(jì)算 3.5.1 手腕處軸承 （1）手腕處軸承的選擇 手腕處根據(jù)工作條件主要承受徑向載荷，同時(shí)也承受一定得軸向載荷。故選手腕處軸承為深溝球軸承。 根據(jù)參考資料[13]及其圖 3.2選擇手腕處軸承為 60000型，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動(dòng)載荷 Cr=4.85 kN，徑向額定靜載荷 C0r=1.98 kN。 （2）軸承當(dāng)量動(dòng)載荷 P P=（XFr +YFa） (3.17) 式中： X—徑向動(dòng)載荷系數(shù)； Y—軸向動(dòng)載荷系數(shù)； Fr—徑向載荷 N，F(xiàn)r =mg=29.8 N=19.6 N，此處考慮到過載、環(huán)境溫度及運(yùn)動(dòng)過程中的沖擊等情況可取大點(diǎn)，所以取Fr =100 N； Fa—軸向載荷 N，同F(xiàn)r取為Fa=100 N； 因此 FaC0r = 100 N1980 N =0.051 根據(jù) FaC0r = 0.051查閱參考資料[20]得e 值為0.26； 又 FaFr = 100 N100 N =1>e=0.26 根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.71； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.17）得 P=（0.56×100+1.71×100）N =227 N （3）軸承的基本額定壽命 Lh Lh = 10660n （ftCfpP）ε h (3.18) 式中：Lh—軸的基本額定壽命 小時(shí)； —基本額定動(dòng)載荷 N，C=Cr=4.58103 ×103N； —當(dāng)量動(dòng)載荷 N，P=P=227 N； —軸承轉(zhuǎn)速r/min； ft—溫度系數(shù)，ft =1[18]； fp—載荷系數(shù)，fp =1.5[18]； ε—壽命指數(shù)[18]，球軸承 ε =3； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.18）得 h 符合要求。 3.5.2 大臂聯(lián)接處軸承 大臂聯(lián)接處根據(jù)工作條件選擇深溝球軸承，根據(jù)參考資料[13]及圖3.3結(jié)構(gòu)選擇軸承6207，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動(dòng)載荷 Cr=25.5 kN，徑向額定靜載荷 C0r=15.2kN。 （1）軸承當(dāng)量動(dòng)載荷 P Fr—徑向載荷 N，F(xiàn)r = mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N， Fa—軸向載荷 N，此處軸向載荷較小，故Fa根據(jù)參考資料[20]可為Fa=400 N； X=0.56；Y=1.71 因此， FaC0r = 100 N15200 N =0.026 根據(jù) FaC0r = 0.026查閱參考資料[20]得e 值為0.22； 又 FaFr = 400 N436.1 N =0.91>e=0.22 所以根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.99； 將上邊各值帶入公式3.17得 P=（0.56×436.1+1.99×400）N =1040.216 N （2）軸承的基本額定壽命 Lh 根據(jù)公式3.18 Lh = 10660n （ftCfpP）ε h 得 Lh=10660×7.5×（1×25.5×1031.5×1040.216）3=9.7×106h 符合要求。 3.5.3 其它部位軸承的選擇 同手腕處軸承的選用方法，腰部軸處根據(jù)工作條件及圖3.1結(jié)構(gòu)尺寸選用30206型滾動(dòng)軸承。 大臂兩端處軸承選用6207型滾動(dòng)軸承[20]。 注：本設(shè)計(jì)其它零件的結(jié)構(gòu)尺寸具體見CAD圖紙和UG三維模型，這里不在贅述。 3.6 四自由度機(jī)器人長(zhǎng)度尺寸 3.6.1 腰部總成高度尺寸 根據(jù)前邊的選擇，腰部電機(jī)57BYG4501，直徑為66.6mm，根據(jù)參考資料[5]，箱座壁厚δ≥8mm，所以取機(jī)器人腰部壁厚為15mm，所以機(jī)器人腰部總直徑d=66.6+2×15=96.6mm，取整d=97mm。底座直徑比腰部直徑要大些，以便安裝螺栓固定腰部與底座，故取底座直徑d’= 150mm。 底座軸承端蓋厚度根據(jù)參考資料[5]得