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Robot technique is make use of calculator of memory function, plait the distance function come to control operation machine auto completion industry produce medium a certain appointed technique of mission, is all countries nowadays competitively development of high and new technology one of the technique contentses. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the of welding, spraying, transporting and stowing etc , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. This text is to design one robot own four freedom degree, It’s used to give blunt press an equipments carrying material .It's robot's turn to constitute by the hand, arm, waistline and base etc. and have top and bottom anticipate, inside out with turn etc. variety function, and structure simple, operation convenience. Drive a way to drive for the electrical engineering, adoption step enter electrical engineering. KEY WORDS: robot; work way; structure design; the step enter electrical engineering II 自行走式物料搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章 緒論 1.1 研究的背景與意義[1] 機(jī)器人是一種新型的自動(dòng)化操作裝置。它可以根據(jù)作業(yè)的不同要求，按照預(yù)先確定的程序搬運(yùn)物體，裝卸零件以及操持噴槍，焊把等工具去完成一定的作業(yè)。因此，它可在繁重、高溫，多粉塵的勞動(dòng)環(huán)境較差的場(chǎng)所工作。 在化學(xué)工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已基本得到解決?？墒窃跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)并不是連續(xù)的。專用機(jī)床是解決大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除了切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些加工作業(yè)的機(jī)械化與自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)。 工業(yè)機(jī)器人是近代在自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并且已經(jīng)成為了現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的組成部分。 機(jī)器人的迅速發(fā)展是基于它的積極作用正慢慢的被人們所認(rèn)識(shí)：第一、它能部分代 人工操作；第二、它能按照生產(chǎn)工藝的技術(shù)要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的輸送和裝卸；第三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配作業(yè)。從而能大大的改善工人的勞動(dòng)條件，顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化。因而機(jī)器人受到各個(gè)先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家的重視，他們投入大量的人力和物力加以研究與應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性及污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更廣泛。在我國(guó)，近幾年也有較快的發(fā)展，并取得了一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)部門的重視。 機(jī)器人一般分為三類。第一類是通用機(jī)器人，它不需要人工操作，也就是本文所研究的對(duì)象。它是一種完全獨(dú)立的、不附屬于某一個(gè)主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)需要來編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它除了具備普通機(jī)械所具有的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能，是一種三元機(jī)械。第二類稱為操作機(jī)（Manipulator），它需要人工的操作，操作機(jī)起源于原子、軍事工業(yè)，一開始都是是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)來操作機(jī)器人，可以進(jìn)行探測(cè)月球等工作。工業(yè)中采用的鍛造類操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，它主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床的上下料和工件的傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)進(jìn)行服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，它的工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機(jī)器人按照其結(jié)構(gòu)的不同又可以分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)非常緊湊，所占用的空間體積小，但其相對(duì)的工作空間卻是最大的，甚至能繞過基座四周的一些障礙物等特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。 簡(jiǎn)單的說，機(jī)器人就是用機(jī)器手代替人手，把物料從某一個(gè)地方移動(dòng)到指定的位置，或按照工作要求可以操縱工件進(jìn)行加工。 1.2 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀[4] 機(jī)器人最早是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出了第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)是：在機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有使用電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展速度最快、應(yīng)用范圍最廣的國(guó)家。自從1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)器人后，日本就一直大力從事機(jī)器人方面的研究。 目前的工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要是依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，還不具備識(shí)別能力；改進(jìn)的方面主要是降低加工與維護(hù)成本和提高加工工件的精度。 第二代機(jī)器人目前正在加緊研制。它擁有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，有視覺和觸覺能力，甚至聽跟想的能力。還要研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有初步感覺的機(jī)能。 第三代機(jī)器人則能獨(dú)立地完成各種加工過程中的任務(wù)。它能與電子計(jì)算機(jī)跟電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。 現(xiàn)在，在加工工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為了突出主題?；瘜W(xué)工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的工作環(huán)境。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。 美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： (1)1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年，萬能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。 (2)1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動(dòng)線；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。 (3)1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動(dòng)線。麻省理工學(xué)院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。 其他國(guó)家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國(guó)的“Versatran”和“Unimate”型機(jī)器人為藍(lán)本開始進(jìn)行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國(guó)的“Versatran”,川崎重工公司引進(jìn)“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國(guó)并超過其他國(guó)家。經(jīng)過大約10年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980年開始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。 我國(guó)雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。 1.3機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： (1)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； (2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合； (3)研制各種傳感器跟檢測(cè)元件，如觸覺、視覺、聽覺、味覺和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 1.4本文的主要研究?jī)?nèi)容 37 自行走式物料搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文研究了國(guó)內(nèi)外物料機(jī)械人發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)物料機(jī)械人的工作原理，熟悉了物料搬運(yùn)機(jī)械人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了物料搬運(yùn)機(jī)械人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)物料搬運(yùn)機(jī)械人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計(jì)（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）和該機(jī)器人的系統(tǒng)控制。 要機(jī)器人可以像人一樣拿取東西，最基本的條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；能像肌肉那樣使手臂動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；能像大腦指揮手那樣進(jìn)行動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制統(tǒng)這三部分組成，如圖 1.1 所示。 機(jī)器人 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其他信息交換計(jì)算機(jī) 單關(guān)節(jié)伺服控制器 電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置 基座部（固定或移動(dòng)） 腕部 臂部 手部 腰部 圖1.1 機(jī)器人的一般組成[2] 現(xiàn)代智能機(jī)器人與過去相比，還具有一定的智能系統(tǒng)，主要是增加了感覺裝置、視覺裝置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，還有機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是相互獨(dú)立的，或者說并不只是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的疊加在一起，就能構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)我們所期望機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必需存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1.2 所示。 ··控制系統(tǒng)（一） 控制系統(tǒng)（二） 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 工作對(duì)象 智能系統(tǒng) 位形檢測(cè) 圖1.2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系[3] 機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成各種工作任務(wù)的實(shí)體，它通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，能按照控制系統(tǒng)的要求完成各種工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)包括了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)可將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)的力矩跟運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有一些文獻(xiàn)把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。 第二章 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 2.1 自行走式物料搬運(yùn)機(jī)器人的功能 物料搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)具備以下功能: (1)移動(dòng):通過機(jī)器人的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)； (2)導(dǎo)航跟定位;能夠自主的按照預(yù)先設(shè)置的路線運(yùn)行，并獲得位置資料； (3)運(yùn)輸:能搬運(yùn)物料從A位置到B位置； (4)規(guī)劃路徑:在離線的狀態(tài)下，操作者要為機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中尋找無碰撞路徑； (5)避障(擴(kuò)展功能):機(jī)器人應(yīng)該具有一定的感受、適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力，尤其是要能檢測(cè)出明顯的障礙物，自動(dòng)調(diào)用避障策略； (6)無線通訊:有數(shù)據(jù)傳輸功能，有效距離1000米。 2.2 傳感器系統(tǒng)[13] 傳感器系統(tǒng)屬于機(jī)器人控制系統(tǒng)，是整個(gè)機(jī)器人的感覺器官，負(fù)責(zé)探測(cè)工作環(huán)境以及檢測(cè)機(jī)器人自身的運(yùn)動(dòng)。傳感器系統(tǒng)有能檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的傳感器和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可擴(kuò)展功能所需的傳感器。下面主要介紹能實(shí)現(xiàn)各種基本作業(yè)的傳感器： (1)行進(jìn)距離檢測(cè):編碼器，采用積分增量思想，具有較好的短期精度； (2)偏轉(zhuǎn)角度檢測(cè):陀螺，測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度，無需外部參考，適于短時(shí)間的精確定位； (3)起點(diǎn)、終點(diǎn)擺放臺(tái)檢測(cè):微動(dòng)開關(guān)，反饋是否接觸擺放臺(tái)側(cè)壁信息；： (4)物料抓取檢測(cè):微動(dòng)開關(guān)，檢測(cè)物料是否被有效抓起； (5)(可擴(kuò)展功能)突出的障礙物檢測(cè):采用超聲波傳感器行進(jìn)路徑上有無障礙物； (6)(可擴(kuò)展功能)運(yùn)行環(huán)境白色引導(dǎo)線檢測(cè):采用顏色傳感器識(shí)別白線信息，利用白線導(dǎo)航。 2.3 移動(dòng)載體 移動(dòng)載體能執(zhí)行輪式物料搬運(yùn)機(jī)器人的移動(dòng)功能。常見的移動(dòng)載體有輪式、履帶式和足式行走機(jī)構(gòu)，此外還有各種輪、履跟腿的混合式結(jié)構(gòu)。 (1)輪式 輪式移動(dòng)載體一直是平坦地面上運(yùn)動(dòng)的最有效的工具。它具有能高速穩(wěn)定移動(dòng)、能量利用效率高、機(jī)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是移動(dòng)場(chǎng)所限制在平面上，且一般情況下需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，因而造成靈活性下降。輪式移動(dòng)載體依據(jù)車輪的數(shù)量可分為 1輪、2輪、3輪、4輪及多輪機(jī)構(gòu)。單輪和雙輪主要是進(jìn)行直立穩(wěn)定移動(dòng)控制問題的基礎(chǔ)研究，而不著眼于移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用化問題。從高速移動(dòng)時(shí)加強(qiáng)穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，多數(shù)采用的是四輪機(jī)構(gòu)。五輪以上的機(jī)構(gòu)有較大的穩(wěn)定性，適合子臺(tái)階、階梯或三維彎曲路面等非平地狀態(tài)的移動(dòng)。全方位車輪機(jī)構(gòu)是目前常用的輪式機(jī)構(gòu)，具備全方位移動(dòng)功能，操作靈活，特,,按照所用輪子的類型和驅(qū)動(dòng)方式，輪式移動(dòng)載體可分為五大類，即(3,0), (2, 0), (2, 1), (1, 1)和(1, 2)，其中前面的數(shù)字表示移動(dòng)度(degree of mobility)，后面的數(shù)字表示轉(zhuǎn)向度(degree of steering)。輪式機(jī)器人在地面上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)受到非完整約束，這是由輪子的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)決定的，即輪子在地面上做無滑動(dòng)的純滾動(dòng)。盡管非完整系統(tǒng)類別與輪式平臺(tái)的類型有關(guān)，但所有輪式平臺(tái)都是非完整的。[5] (2)履帶式 為了改善車輪對(duì)松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能力，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)被廣泛采用。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下特點(diǎn):支承面積大，接地比壓小，適于松軟和泥濘地面作業(yè)。機(jī)動(dòng)性好，爬坡、越溝等性能好。履帶不易打滑，牽引附著能力好。履帶運(yùn)動(dòng)方式在不平地面上的機(jī)動(dòng)性很差，轉(zhuǎn)彎不便，轉(zhuǎn)向時(shí)能耗較大。 (3)足式 足式行走機(jī)器人即所謂的步行機(jī)器人。步行機(jī)器人不僅能在平地上而且能在凹凸不平的地面上行走、跨越障礙、上下臺(tái)階，具有獨(dú)特的優(yōu)越性能。但是，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實(shí)現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。四足機(jī)器人普遍存在控制復(fù)雜和步行速度低、步幅小等缺點(diǎn)，實(shí)用化的成果則更少。 顯然，本課題所研究的機(jī)器人主要在平面的環(huán)境中運(yùn)行，選用輪式移動(dòng)載體最為合理，即采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式，通過控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，使車體跟蹤不同的軌跡曲線。這種結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)向靈活，當(dāng)兩輪速度值相同，方向不同時(shí)，車體可以原地回轉(zhuǎn)。 2.4 自由度與機(jī)器人的運(yùn)作 物料搬運(yùn)機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)如圖2.1所示，現(xiàn)在讓我們分析一下它的運(yùn)動(dòng)過程：它有四個(gè)自由度，底座的旋轉(zhuǎn)以及底座上部上下伸縮，手臂的前后伸縮和手部的夾緊與放松。最底部的輪子是用來使機(jī)器人能夠在有效的工作范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，以便能夠得到 更大的工作空間，更有利于物料的搬運(yùn)。它的移動(dòng)主要是前后移動(dòng)，使機(jī)器人能將物料搬運(yùn)到更遠(yuǎn)的位置。A表示的是底座，主要是控制機(jī)器人上半部的旋轉(zhuǎn)，包括機(jī)械手，手臂，它是通過底座里的電機(jī)一旋轉(zhuǎn)，帶到1齒輪軸套，它與2主軸齒輪嚙合，進(jìn)而使主軸旋轉(zhuǎn)，在底座上方C里，通過齒輪傳動(dòng)3帶動(dòng)C腰部旋轉(zhuǎn)，C與B手臂已經(jīng)連接固定，使其帶動(dòng)C，手臂D，手部E同步旋轉(zhuǎn)。C中通過電機(jī)二聯(lián)接一個(gè)小齒輪4，與其內(nèi)部的長(zhǎng)軸嚙合，當(dāng)電機(jī)二運(yùn)行時(shí)，通過4使長(zhǎng)軸進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。手臂D中有電機(jī)三，當(dāng)電機(jī)三運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使其內(nèi)部的軸旋轉(zhuǎn)，然后通過絲杠傳動(dòng)原理，讓軸進(jìn)行左右伸縮，軸與手部連接，所以就使手部到達(dá)的左右伸縮的目的。手部里有電機(jī)四，它也是通過絲杠原理讓手部進(jìn)行夾緊與放松的動(dòng)作。 圖2.1 物料搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 2.5 控制方式的選擇 本次設(shè)計(jì)物料搬運(yùn)機(jī)器人主要是進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)中物料的搬運(yùn)，是將工業(yè)生產(chǎn)的物料搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?？紤]到本次設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)的物料是在8KG以下，而且物料不是很復(fù)雜，精度不是很高，所以設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)器人采用四個(gè)自由度，分別是手臂隨著腰部的旋轉(zhuǎn)和上下伸縮進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，手臂的左右伸縮和手部的夾緊與放松。此四個(gè)自由度可以保證在工業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)⑽锪习徇\(yùn)到空間的各個(gè)位置上。物料搬運(yùn)機(jī)器人的四個(gè)自由度可以將夾取的物料搬運(yùn)到四周的位置上，但為了讓它的工作范圍擴(kuò)大，能夠減少機(jī)器人的投入量，所以我們將它固定在帶有輪子的機(jī)身上，從而實(shí)現(xiàn)其目的。物料搬運(yùn)機(jī)器人的工作過程如下：當(dāng)物料要求從物架上搬運(yùn)時(shí)，機(jī)器人通過手臂的伸縮和腰部的旋轉(zhuǎn)調(diào)整好位置，手部夾住物料。然后傳感器發(fā)出信號(hào)，通過機(jī)器人的底座旋轉(zhuǎn)，腰部伸縮，手臂伸縮將物料搬運(yùn)到指定的位置，手部松開，將物料放在指定的位置，再回到下一個(gè)物料的位置，這就完成了一個(gè)周期。 2.6 小結(jié) 本章主要在分析物料搬運(yùn)機(jī)械人的性能要求和工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)方式以及控制系統(tǒng)等問題進(jìn)行了整體的分析和方案的設(shè)計(jì)，確定了采用輪式移動(dòng)載體。 自行走式物料搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第三章 機(jī)器人的手部設(shè)計(jì) 3.1 手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1.1 概述 工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類： (1)夾鉗式取料手 (2)吸附式取料手 (3)專用操作器及轉(zhuǎn)換器 (4)仿生多指靈巧手 本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖3.1所示 圖3.1 機(jī)械手手指形狀 3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 1 應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 2 手指間應(yīng)有一定的開閉角 兩個(gè)手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 3 應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動(dòng)定心。 4 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。 5 應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。 3.1.3 手部夾緊力的計(jì)算 擬定物料搬運(yùn)機(jī)器人手部最大抓取重量為8kg，其夾角為31度。根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，最終采用的手部結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。 圖3.2 手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 a----手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（毫米）。 b----手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到抓物點(diǎn)之間的距離（毫米） ----工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角 手部機(jī)架采用鑄鋼鑄造，其摩擦系數(shù)，重力加速度取。夾緊時(shí)由力學(xué)關(guān)系可以得到公式：，從而得到夾緊力 (3.1) 所需的驅(qū)動(dòng)力： ， (3.2) 代入數(shù)據(jù)，得： ` 夾緊機(jī)構(gòu)采用絲杠傳動(dòng)原理傳送夾緊力，擬定絲杠的大徑，螺距設(shè)為，牙型角為的梯形普通螺紋。 3.1.4 彈簧的計(jì)算 現(xiàn)在通過計(jì)算來確定彈簧的旋繞比、最大工作負(fù)荷、工作極限負(fù)荷、最小工作負(fù)荷、彈簧要求剛度、總?cè)?shù)、有效圈數(shù)、單圈剛度等一系列有彈簧有關(guān)的數(shù)據(jù)來確定彈簧是否合格。彈簧外形如圖3.3所示。 圖3.3 手部彈簧 為了使彈簧能夠更可靠的工，彈簧材料必須具有高的彈性極限和疲勞極限，同時(shí)應(yīng)該具有足夠的的韌性和塑形，以及良好的可熱處理性。查表16-2[8]選用材料碳素彈簧鋼絲。 彈簧材料的許用應(yīng)力及必須按照負(fù)荷性質(zhì)來確定。 彈簧按負(fù)荷性質(zhì)分為三類： Ⅰ類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在此以上的彈簧； Ⅱ類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在次或沖擊負(fù)荷的彈簧； Ⅲ類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在次以下的彈簧。 旋繞比（或指彈簧指數(shù)）C ； (3.3) 式中：D-----中徑 d------彈簧絲的直徑 查表11-6[8] ，得，，， 最大工作負(fù)荷，單位N， （3.4） 式中：K----曲度系數(shù)，由表11-6[8]查得K=1.25， 代入數(shù)據(jù)得， 工作極限負(fù)荷， (3.5) 式中---初應(yīng)力 代入數(shù)據(jù)的， 最小工作負(fù)荷 (3.6) 即 彈簧要求剛度 ，單位為mm/N (3.7) 式中h-----彈簧的長(zhǎng)度，h= 4mm 代入數(shù)據(jù)得， 單圈剛度 (3.8) G-----切變模量，由表16-2[8] 取G=78.5MPa 代入數(shù)據(jù)得， 有效圈數(shù)， （3.9） 即 3.15 手部主軸的校核計(jì)算 手部主軸示意圖： 圖3.4 手部主軸簡(jiǎn)圖 此軸的材料選用＃45鋼 軸的強(qiáng)度校核 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 [10] （3.10） ----手部主軸最大徑，=28mm， ---此軸所受的最大扭矩 代入數(shù)據(jù)，得 （3.11） (3.12) 水平面內(nèi): 垂直面內(nèi): 支反力: 水平面內(nèi) 彎矩: 垂直面內(nèi)彎矩: 計(jì)算彎矩: (3.13) 查機(jī)械設(shè)計(jì)教材對(duì)于脈動(dòng)變化的轉(zhuǎn)矩α=0.6 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表17-2,查得45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理后,抗拉強(qiáng)度極限,彎曲疲勞強(qiáng)度極限,剪切疲勞極限,許用彎曲應(yīng)力 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算: [5] (3.14) 軸的危險(xiǎn)截面在彎矩最大處和周徑最小處或彎矩較大和軸徑較小有鍵槽處,綜合分析此高速軸的危險(xiǎn)截面在計(jì)算彎矩最大處。 因?yàn)?所以手部主軸安全。 圖3.5 主軸受力分析與彎矩圖 3.2 驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表3-1[6]： 表3-1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照[6] 內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 輸出功率 ? 很大，壓力范圍為50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達(dá)Pa ? 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 ? 很高 較高 ? 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn) 防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差 對(duì)環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染 排氣時(shí)有噪聲 無 在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人