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第1章 緒論 1.1 技術概述 工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 早在20世紀初，隨著機床、汽車等制造業(yè)的發(fā)展就出現(xiàn)了機械手。1913年美國福特汽車工業(yè)公司安裝了第一條汽車零件加工自動線，為了解決自動線、自動機的上下料與工件的傳送，采用了專用機械手代替人工上下料及傳送工件?？梢妼Ｓ脵C械手就是作為自動機、自動線的附屬裝置出現(xiàn)的。 “工業(yè)機器人”這種自動化裝置出現(xiàn)的比較晚。但是自從世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多，應用之廣，影響之深，是我們始料未及的。 本課題所指的工業(yè)機器人，或稱機器人操作臂、機器人臂、機械手等。從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關節(jié)交替連接而成的開式鏈。這些連桿就像人的骨架，分別類似于胸，上臂和下臂，工業(yè)機器人的關節(jié)相當于人的肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)。操作臂的前端裝有末端執(zhí)行器或相應的工具，也常稱為手或手爪。手爪是由兩個或多個手指所組成，手指可以“開”與“合”，實現(xiàn)抓去動作和細微操作。手臂的動作幅度一般較大，通常實現(xiàn)宏觀操作。 工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數(shù)工業(yè)機器人有 3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行機構產(chǎn)生相應的動作；圓柱坐標型工業(yè)機器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，并進行控制。 由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已經(jīng)受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如： （1） 機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較 為普編。 （2） 在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它用來裝配印制電路板， 在機械行業(yè)中它可以用來組裝零件。 （3） 可在勞動條件差，單調(diào)重復易疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的 勞動。 （4） 可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品級有還、及有害 物的搬運等。 （5） 宇宙及海洋的開發(fā)。 （6） 軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。 1.2 工業(yè)機器人研究現(xiàn)狀及意義 機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學科發(fā)展密切相關。機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網(wǎng)絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展。機器人應用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務于人類活動的各個領域?？傏厔菔菑莫M義的機器人概念向廣義的機器人技術(RT) 概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應用方案業(yè)務的機器人技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機器人技術（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應用機器人技術的、具有實在動作功能的智能化系統(tǒng)?！蹦壳埃I(yè)機器人技術正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC 化和網(wǎng)絡化；伺服驅(qū)動技術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和智能化等方面。 現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展，尤其是進入20世紀80年代以來，機器人技術的進步與其在各個領域的廣泛應用，引起了各國專家學者的普遍關注。許多發(fā)達國家均把機器人技術的開發(fā)、研究列入國家高新技術發(fā)展計劃。世界各國普遍在高等院校為大學本科生及研究生開設了介紹機器人技術的有關課程。為了培養(yǎng)機器人開發(fā)、設計、生產(chǎn)、維護方面的人才，我國很多高校也為本科生和研究生開設了機器人學課程。 本課題為教師自擬課題。本文主要針對五自由度工業(yè)機器人進行結構設計。 1.3 工業(yè)機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1 國外機器人研究現(xiàn)狀 國外目前機器人研究的重點主要有以下幾個方面： (1) 機器人操作機，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用，機器人操作機己實現(xiàn)了優(yōu)化設計。以德國 KUKA 公司為代表的機器人公司，將機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應用大大提高了機器人的性能。 (2) 并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構，利用機器人技術，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術向數(shù)控技術的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術一體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 (3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸機器人，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現(xiàn)實用化。 (4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德國KUKA, REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 (5) 網(wǎng)絡通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應用向網(wǎng)絡 化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備有了發(fā)展。 (6) 可靠性：由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。 1.3.2 國內(nèi)機器人研究現(xiàn)狀 隨著科學技術和世界各國機器人技術的發(fā)展，我國在機器人科學研究、技術開發(fā)和應用工程等方面取得了可喜的進步。從20世紀80年代末到20世紀90年代，國家863計劃把機器人列為自動化領域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機器人基礎科學、關鍵技術與機器人元部件、先進機器人系統(tǒng)集成技術的研究及機器人在自動化工程上的應用。在工業(yè)機器人選型方面，確定以開發(fā)點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運等機器人為主。這是中國機器人事業(yè)從研制到應用邁出的重要一步。一批從事機器人研究、開發(fā)、應用的人才和隊伍在實踐中成長、壯大，一批以機器人為主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。 我國近幾年機器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機。但是，無論從工業(yè)機器人的數(shù)量上還是技術上，我們都是比較落后的。而我國作為一個工業(yè)大國，不能寄希望從其他國家得到真正的高技術，必須自主的發(fā)展我國的高技術，機器人作為高技術領域的一個重要分支，將成為21世紀各國爭奪的經(jīng)濟技術制高點。如何在 21世紀加速我國機器人的發(fā)展，使我國早日進入機器人大國行列，已成為當務之急。由于目前我國機器人的基礎數(shù)量太低，以工業(yè)機器人為例，到了2010年我國機器人擁有量只能達到世界擁有量1.38%～2%，這與我國作為21世紀前半葉世界主要制造國的要求差距太大，如果這種差距只能以進口機器人來彌補，其巨大損失不是可以用貨幣損失來計算的?？梢?，無論從資金方面考慮，還是從長遠利益考慮，我們有必要自主地對機器人進行研究和開發(fā)。 但是由于國內(nèi)機器人的科研與開發(fā)與國外尚有較大差距，雖然計劃開發(fā)的機器人基本上采用的是在國外基木成熟的技術，但國內(nèi)各單位對這些技術的了解有相當部分還停留在文獻上或局部技術上。所以我們應該從基本做起，有必要研制少數(shù)型號的機器人和開展一批基礎技術研究作為機器人課題的主要研究與開發(fā)內(nèi)容。 1.4 “十五”目標及主要研究內(nèi)容 1.4.1目標 中國工業(yè)機器人現(xiàn)在的總裝機量約為1200臺，其中國產(chǎn)機器人占有量約為1/3，即400多臺。與世界機器人總裝機臺數(shù)75萬臺相比，中國總裝機量僅占萬分之十六。對中國這樣一個12億人口的大國來說，差距是很明顯的。裝機數(shù)量少，說明了我國的工業(yè)化程度與工業(yè)發(fā)達國家的差距大。因為工業(yè)機器人的誕生和應用發(fā)展是以工業(yè)生產(chǎn)高度自動化和柔性化為大背景的。除數(shù)量外，差距還表現(xiàn)在已有的機器人的利用率不高，以進口的弧焊機器人為例，據(jù)調(diào)查，完全正常運轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮效益效益的只占1/3；另外1/3處于負荷不滿或不能安全正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，原因是生產(chǎn)管理及使用維護存在不合理現(xiàn)象或問題；還有1/3不能正常使用，這是由于機器人質(zhì)量問題或缺乏備件，以及請不起外方維修人員造成的。機器人應用效果不理想，直接影響了用戶使用更多機器人的信心。 我國有組織有計劃地發(fā)展機器人事業(yè)，應該說是從“七五”期間的科研攻關及實施“863計劃”開始的，經(jīng)過十幾年來的研制、生產(chǎn)、應用，從縱向看，有了長足的進步。目前在一些機種方面，如噴涂機器人、弧焊機器人、點焊機器人、搬運機器人、裝配機器人、特種機器人(水下、爬壁、管道、遙控等機器人)，基本掌握了機器人操作機的設計制造技術，解決了控制，驅(qū)動系統(tǒng)的設計和配置、軟件的設計和編制等關鍵技術，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線(工作站)及其周邊配套設備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術；在基礎元件方面，諧波減速器、機器人焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破；于此同時造就了一支具有一定水平的技術隊伍。無疑，從技術方面來說，我國的機器人技術在世界機器人界已有一席之地，奠定了獨立自主發(fā)展中國機器人事業(yè)的基礎；從社會經(jīng)濟角度來看，我國機器人技術的發(fā)展，為中、外機器人產(chǎn)品打開中國市場準備了物質(zhì)和人員條件。 根據(jù)國內(nèi)外機器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結合當前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，“十五”期間機器人技術應重點開展智能機器人、機器人化機械及其相關技術的開發(fā)及應用；開展以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng)及其相關技術的開發(fā)研究及加強多傳感器融合及決策、控制一體化技術及應用的研究。重點解決我國已研制應用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化前期關鍵技術，大力推進其產(chǎn)業(yè)化進程，力爭在“十五”末期實現(xiàn)噴涂、焊接、裝配等機器人的產(chǎn)業(yè)化。 1.4.2主要研究內(nèi)容 (1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化技術研究 ①關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ②柔性仿形噴涂機器人開發(fā)：柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)，整機安全防爆、防護技術開發(fā)，高速噴杯噴涂工藝研究。 ③焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ④弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術，視覺跟蹤與機器人協(xié)調(diào)控制。 ⑤焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真。 ⑥電子行業(yè)用裝配機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ⑦批量生產(chǎn)機器人所需的專用制造、裝配、測試設備和工具的研究開發(fā)。 (2)智能機器人開發(fā)研究 ①遙控加局部自主系統(tǒng)構成和控制策略研究 包括建模－遙控機器人模型，人行為模型，人控制動態(tài)建模，圖形仿真建模，虛擬工具和虛擬傳感器建模；以人為主體的人機共享規(guī)劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術；雙向力反應控制；知識庫的建立，學習與推理方法；人機交互的高級控制技術；虛擬現(xiàn)實（VR）控制與真實世界控制的相互關系；監(jiān)控系統(tǒng)的結構。 ②智能移動機器人的導航和定位技術研究 包括導航和定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結構；在結構環(huán)境或非結構環(huán)境中導航和定位方法研究；感知系統(tǒng)的傳感器和信息處理系統(tǒng)的構成；根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)建立環(huán)境模型的方法；模糊邏輯的推理方法用于移動機器人導航的研究。 ③面向遙控機器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 包括人機交互圖形生成及其程序設計；遙控機器人（載體和機械手）幾何動態(tài)圖形建模；遙控操作環(huán)境圖形建模；遙控機器人操作與數(shù)據(jù)的獲取；虛擬傳感器及基于虛擬傳感器的雙向力反應、反饋控制；面向任務的虛擬工具；基于虛擬現(xiàn)實的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實世界操作的可切換、相容性和可交換性；VR監(jiān)控系統(tǒng)。 ④人機交互環(huán)境建模系統(tǒng) 包括CAD建模中的人機交互技術；求知模型工件的反示過程中的交互技術；機器人與環(huán)境的布局及功能驗證中的交互技術；傳感器數(shù)據(jù)處理中的交互技術；機器人標定、運動學建模、動力學建模中的交互技術。 ⑤基于計算機屏幕的多機器人遙控技術 包括三維立體視覺建模；模型的計算機顯示；遙控機器人模型的控制；人機接口；網(wǎng)絡通訊。 (3)機器人化機械研究開發(fā) ①并聯(lián)機構機床（VMT）與機器人化加工中心（RMC）開發(fā)研究 包括VMT與RMC智能化結構實現(xiàn)技術；VMT與RMC關鍵傳動實現(xiàn)技術；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測作業(yè)技術；VMT與RMC監(jiān)控檢測技術開發(fā)；VMT與MRC智能化開式CMC控制系統(tǒng)開發(fā)；系統(tǒng)軟件和應用軟件開發(fā)；智能化機構、材料機電一體化技術；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術；機電一體化的多功能及靈巧作業(yè)終端；通用智能化開式CNC控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機構運動學及動力學理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應用工程開發(fā)。 ②機器人化無人值守和具有自適應能力的多機遙控操作的大型散料輸送設備 包括散料輸送系統(tǒng)監(jiān)控和遙控操作的傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術；機器人運動規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應用；基于廣域網(wǎng)的遠程實時通訊；具有監(jiān)測和管理功能的故障診斷系統(tǒng)。 (4)以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng) ①開放式模塊化裝配機器人 包括通用要素的提?。粚Ｓ眉藴驶?；裝配機器人模塊CAD設計；通用主流計算機構造的控制器；人機界面方式；網(wǎng)絡功能。 ②面向機器人裝配的設計技術 包括數(shù)字化裝配與CAD集成技術；產(chǎn)品機器人化裝配規(guī)劃生成技術；產(chǎn)品可裝配性模糊評價。 ③機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術 其中單元技術：供料系統(tǒng)智能化設計、末端執(zhí)行器快速執(zhí)行、物流傳輸及其控制與通訊；集成技術：柔性裝配線仿真軟件、管理系統(tǒng)。 ④可重構機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術 開展基于任務和環(huán)境的動態(tài)重構機器人柔性裝配系統(tǒng)理論研究；系統(tǒng)基于自治體（Agent）的分布式控制技術及系統(tǒng)各單元體間的協(xié)作規(guī)劃。 ⑤裝配力覺、視覺技術 包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術；視覺識別與定位技術。 ⑥智能裝配策略及其控制 包括裝配狀態(tài)實時檢測和監(jiān)控；裝配順序和路徑智能規(guī)劃及控制技術。 (5)多傳感器信息融合與配置技術 ①機器人的傳感器配置和融合技術在水泥生產(chǎn)過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應用 包括面向工藝過程的多傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術；面向工藝要求的新型傳感器研制。 ②機電一體化智能傳感器 包括具有感知、自主運動、自清污（自調(diào)整、自適應）的機電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機構設計、實現(xiàn)檢測和清污的自主運動；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；機器人機構和控制技術在傳感器設計中的應用 1.5 主要設計內(nèi)容 設計一種五自由度可重構模塊化機器人手臂。它包括大臂、小臂和控制系統(tǒng)，大臂為一個底座依次連接第一關節(jié)和第二關節(jié)構成，第一關節(jié)做回轉(zhuǎn)運動，第二關節(jié)做擺動運動，小臂為依次連接的第三關節(jié)、第四關節(jié)和第五關節(jié)構成，該三個關節(jié)均做回轉(zhuǎn)運動；五個關節(jié)均為模塊化關節(jié)，通過四個連接架依次順序連接成一個開鏈的空間機構，具有五個自由度。本機器人手臂在控制系統(tǒng)的作用下完成各種特定的動作。運用 AutoCAD軟件繪制裝配圖、部件圖、零件圖。 第2章 五自由度機器人的總體設計 該設計的目的是為了設計一臺五自由度的機器人，本章主要對該機器人的機械結構部分進行設計和分析。 2.1 總體設計的思路 設計機器人大體上可分為兩個階段： (1) 系統(tǒng)分析階段 ①根據(jù)系統(tǒng)的目標，明確所采用機器人的目的和任務； ②分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境； ③根據(jù)機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由 度、信息的存儲量、計算機功能、動作精度的要求、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應性。 (2) 技術設計階段 ①根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機器人 的坐標形式； ②擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖； ③確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型； ④選擇各部件的具體結構，進行機器人總裝圖的設計； ⑤繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。 2.2 自由度和坐標系的選擇 機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構件來說，它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數(shù)。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）。本次設計的機器人為5自由度。 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構、關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下: (1) 直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構Error! Reference source not found.。 (2) 圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 (3) 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間Error! Reference source not found.。 (4) 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設計的機械手采用立式關節(jié)型。 a)直角坐標型 b)圓柱坐標型 c)球坐標型 d)關節(jié)型 圖2-1 四種機器人坐標形式 2.3 手臂結構方案設計 手臂的總體設計是工業(yè)機器人設計的首要問題，主要有包括總體方案設計和基本技術參數(shù)設計。 2.3.1 機器人手臂自由度的分配和構形 手臂是執(zhí)行機構中的主要運動部件，它用來支承腕關節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運動。為了使手部能達到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機器人手臂自由度少于三個。 本課題要求機器人手臂能達到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要結構簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機器人具有五個自由度，其中大臂兩個自由度，包括回轉(zhuǎn)運動和擺動運動。小臂部分三個自由度，均為回轉(zhuǎn)運動。由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有大得多的相對空間和絕對工作空 間，結構緊湊，同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關節(jié)型機器人的結構。 旋轉(zhuǎn)關節(jié)相對平移關節(jié)來講，操作空間大，結構緊湊，重量輕，關節(jié)易于密封防塵。這里機器人手臂使用了四個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，綜合各種手臂構形，最后確定其結構形式如下。 該機器人手臂有四個轉(zhuǎn)動關節(jié)，通常腰關節(jié)的轉(zhuǎn)軸是鉛垂的，手臂在水平面內(nèi)可繞腰關節(jié)軸轉(zhuǎn)動，肩關節(jié)和肘關節(jié)的轉(zhuǎn)軸平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動。由三個轉(zhuǎn)動關節(jié)構成的關節(jié)組聯(lián)接在小臂桿的端部，模擬人的手腕，決定末端件的姿態(tài)。在運動學結構上，這類機器人最像人的手臂，因而結構最緊湊，柔性最好，可達空間最大，它甚至可以繞過障礙物到達目標點，因而是機器人中最有前途的一種。但由于三個關節(jié)都是轉(zhuǎn)動的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。另外，位置精度也較差。 2.3.2 機器人手臂結構方案的對比分析及選擇 參考國內(nèi)外工業(yè)機器人的典型結構，初步對各個回轉(zhuǎn)關節(jié)的結構單獨分析。 (1) 腰部回轉(zhuǎn)關節(jié) 圖 2-3 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 1 圖 2-4 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 2 方案一：如圖2-3所示，電機安裝在底座下面，其輸出軸經(jīng)減速器減速后，直接帶動第一關節(jié)輸出軸，使整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 方案二：如圖2-4所示，電機安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一對齒輪減速后，由第一關節(jié)輸出軸帶動整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 兩種方案在傳動實現(xiàn)上，都是可行的。均采用了減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安裝方便的諧波減速器。雖然方案二在安裝和維修方面優(yōu)于方案一，但是方案一的傳動結構簡單一點，而且少了一對普通直齒輪，其整體結構并不復雜，電機經(jīng)諧波減速器減速后，速度己經(jīng)較低，噪音問題不突出。故綜合考慮，腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)選擇方案一。 (2) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關節(jié) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)都是通過減速器減速后直接帶動來實現(xiàn)的，且結構簡單，通用性強，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有大得多的相對空間和絕對工作空間，結構緊湊，同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活。 第3章 機器人的結構設計 3.1腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)的設計 步進電機的選擇： 腕部旋轉(zhuǎn)由步進電機直接驅(qū)動，設手爪及物體的最大當量回轉(zhuǎn)半徑R=50mm，手爪及物體的總重量m=2.5kg,則其轉(zhuǎn)動慣量 設機器人手部角速度W1從0加速到420/s所需要的時間t=0.4s，則其角加速度 負載啟動慣性矩（不計靜磨擦力矩）。 由于步進電機不具有瞬時過載能力，故取安全系數(shù)為2（不同），則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩。由于必須小于步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩，所以選擇如下二相步進電機： 型號：42HSM02。最大步距角保持轉(zhuǎn)矩為2.4，步矩角1.8°，質(zhì)量為0.23kg。 腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)的輸出軸是由步進電機通過EPL減速器來驅(qū)動的，首先把電機固定在電機連接筒上，電機連接筒在通過內(nèi)六角柱頭螺釘固定在腰筒上，減速器的一端要和電機連接，一端固定在減速器連接筒上，減速器連接筒再通過內(nèi)六角柱頭螺釘固定在電機連接筒上，這樣連接就實現(xiàn)了腰部電機的輸出，由于腰部輸出軸要驅(qū)動整個裝置轉(zhuǎn)動，所以腰部輸出軸上還得通過一個旋轉(zhuǎn)筒連接支撐肋板，這樣腰部的裝配設計就完成了,其三維裝配圖及二維平面圖分別如下: 3.2 腕部俯仰關節(jié)的設計 3.2.1 步進電機的選擇 腕部俯仰是由步進電機通過同步帶機構驅(qū)動的，設手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離，腕部當量回轉(zhuǎn)半徑，腕部回轉(zhuǎn)電機到回轉(zhuǎn)中心的距離，則腕部俯仰時其轉(zhuǎn)動慣量 式中，——手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量約為2.5kg； ——腕部總質(zhì)量約為1kg； ——腕部回轉(zhuǎn)電機的質(zhì)量。 設機器人腕部俯仰角速度從加到所需時間t=0.2s，則腕部俯仰角加速度， 腕部俯仰啟動慣性矩 負載靜轉(zhuǎn)矩（靜磨擦力矩忽略不計）。 由于>>，故慣性矩忽略不計，則大臂俯仰總轉(zhuǎn)矩。 同步帶的傳動效率，同步帶的傳動比為1.5。則步進電機輸出的啟動 轉(zhuǎn)矩為： 所以，選擇如下四相混合式步進電機： 型號：86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩：，步矩角：1.8°；質(zhì)量：2.6kg 3.2.2 同步帶和輪的設計 腕部俯仰關節(jié)是同步帶傳動的，軸距為150mm。 ⑴求設計功率，由于前面已考慮到了安全系數(shù)，所以。 ⑵選擇帶的節(jié)矩 從文獻，圖36.1-22可知帶的節(jié)矩代號為XL，對應節(jié)矩。 ⑶確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 由表面36.1-73知，帶輪最小許用齒數(shù)，考慮到制造和安裝等因素，取Z1=20，，帶輪的直徑 則帶長L可表示為 由表面化36.1-70選取標準節(jié)線長及其齒數(shù)： ，帶長代號225，齒數(shù)為98。 ⑷實際軸間矩 取。 ⑸嚙合齒數(shù)，則嚙合齒數(shù)。 ⑹帶寬 計算同上，查表得型號為037。 ⑺結論 同步帶類型：節(jié)矩代號為XL；寬度型號為037。 ，帶長代號225，齒數(shù)為98。 帶輪齒數(shù).， 軸間矩。 腕部俯仰關節(jié)是由兩臺步進電機分別通過EPL減速器驅(qū)動小同步帶輪，小同步帶輪帶動大帶輪驅(qū)動軸，步進電機正反轉(zhuǎn)即可帶動軸兩端的擺動桿上下擺動。首先連接座固定在腰部回轉(zhuǎn)單元頂部的減速器上，可轉(zhuǎn)動。兩步進電機通過內(nèi)六角柱頭螺釘固定在小臂電機座上，電機輸出軸與減速器相連，減速器輸出軸安裝有小帶輪，大帶輪通過平鍵帶動軸一同轉(zhuǎn)動，軸承座通過六角螺栓固定在連接座上，軸的兩端通過六角螺母安裝兩擺動桿，這樣連接就實現(xiàn)了腕部俯仰動作的實現(xiàn)，這樣腰部的裝配設計就完成了,其三維裝配圖如下： 大同步帶輪CAD圖如下： 3.3 小臂關節(jié)的設計 當小臂與末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時，各部分對回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其代數(shù)和為 選擇減速器如下： 型號為：EPL—040—007。 則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩為。 所以，選擇如下四相混合式步進電機； 型號：86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩：；步矩角；1.8°；質(zhì)量：2.6kg。 3.4 大臂回轉(zhuǎn)關節(jié)步進及減速器的選擇 當大臂與小臂，末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時，各部分對回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其代數(shù)和 選擇減速器如下：EPL—064—007 則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩為 所以，選擇如下四相步進電機： 型號：86HS85；額定轉(zhuǎn)矩：；步矩角：°。質(zhì)量：3.8kg。 大臂回轉(zhuǎn)單元是由步進電機分別通過EPL減速器驅(qū)動下一回轉(zhuǎn)單元，步進電機通過內(nèi)六角螺栓固定在電機座上，電機座內(nèi)部安裝有減速器，與步進電機相連，步進電機帶動減速器即可實現(xiàn)大臂回轉(zhuǎn)功能的實現(xiàn)。這樣連接就實現(xiàn)了大臂回轉(zhuǎn)動作的實現(xiàn),其三維裝配圖如下： 第4章 總體裝配圖的設計 4.1 三維總裝配圖 將前面說述的各單元組裝后即得到五自由度機械手。總裝圖如下 4.2 三維主要零件圖 其它各部分的設計如上，以下為三維總體裝配的主要零件圖： 連接座： 回轉(zhuǎn)電機座： 同步帶輪1 同步帶輪2 軸承座 擺動桿 回轉(zhuǎn)電機座： 擺動軸 回轉(zhuǎn)支撐筒 回轉(zhuǎn)電機座 致 謝 感謝老師在我大學的最后學習階段——畢業(yè)設計階段給我的指導，有了老師認真負責的指導我的論文才得以順利完成。老師為我論文課題的研究提出了許多指導性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導和幫助。在本文結束之際，特向敬愛的老師致以最尊敬的敬禮和深深地感謝！ 通過此次設計，一方面讓我認識到只學習理論是遠遠不夠的，發(fā)現(xiàn)了學習中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗，增強對復雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學習打下堅實的基礎，提高了自己的動手能力。順利完成畢業(yè)設計，既是對我大學所學課程的一次綜合整理，又使我對機電知識有了更深層次的理解。這些能力的掌握是我步入社會所必需的。 同時由衷的感謝在我設計過程中，班級同學對我的指導和幫助，有了你們的熱心解答，彌補了我的不足，我得以在各方面取得顯著的進步。由于初次研究這種復雜而又綜合的設計，過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。 參考文獻 [1] 成大先.機械設計手冊（第五版）（第1卷）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008. 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[19] 陳先奎.液壓與氣壓傳動[M].武漢：武漢理工大學出版社，2009. 28 畢業(yè)設計（論文）任務書 （20 13 屆） 題目（中文）： 五自由度模塊化機器人手臂設計與仿真 （英文）： Design and simulation of five dof modular robot arm 系 部 機械工程系 專業(yè)班級 學生姓名 學 號 指導教師 系負責人 (簽章) 日 期： 2012 年 12 月 20 日  一、 畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容與具體要求（任務及背景、工作環(huán)境、成果形式、著重培養(yǎng)的能力、有實驗環(huán)節(jié)的要提出主要技術指標、要求） 一種五自由度可重構模塊化機器人手臂。它包括大臂、小臂和控制系統(tǒng)，大臂為一個底座依次連接第一關節(jié)和第二關節(jié)構成，第一關節(jié)做回轉(zhuǎn)運動，第二關節(jié)做擺動運動，小臂為依次連接的第三關節(jié)、第四關節(jié)和第五關節(jié)構成，該三個關節(jié)均做回轉(zhuǎn)運動；五個關節(jié)均為模塊化關節(jié)，通過四個連接架依次順序連接成一個開鏈的空間機構，具有五個自由度。本機器人手臂在控制系統(tǒng)的作用下完成各種特定的動作。 學生應具備機械設計知識，掌握三維軟件和一定的創(chuàng)新能力，根據(jù)所學專業(yè)知識，完成課題，也是對學生設計能力和創(chuàng)新能力的一種檢驗。 二、畢業(yè)設計（論文）進度安排 起訖日期 工作內(nèi)容 備 注 第1周～第2周 第3周～第4周 第5周～第7周 第8周～第10周 第11周～第12周 調(diào)查研究，收集資料 確定總體方案 結構設計繪制裝配圖 技術設計繪制零件圖 撰寫設計說明書，畢業(yè)答辯 三、所需的資料和主要參考文獻 [1]??天津大學編.工業(yè)機械手設計基礎[M].天津：天津人民出版社，1980 [2]??王承義編著.機械手及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981 [3]??蔡自興主編.機器人學[M].清華大學出版社，2000 [4]??張鐵，謝存禧主編.機器人學[M].華南理工大學出版社，2001 [5]??周伯英編著.工業(yè)機器人設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002 [6]??費仁元、張慧慧主編.機器人機械設計和分析[M].北京工業(yè)大學出版社， 1998 [7]??宗光華等編著.機器人的創(chuàng)意設計與實踐[M].北京航空航天大學出版社，2004 [8]??吳廣玉、姜復興主編.機器人工程導論[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，1988 [9]??Craig JJ.Introduction to Roborics[J].New York:Addison Wesky PublishingCo.,1989 [10]?Asada?H,Stotine J J.Robot Analysis and Control[M].Wiley,1986 注：1. 本任務書一式兩份，須雙面打印。由指導教師填寫并經(jīng)所在系審核確認后交系部； 2. 本任務書一份須與學生的畢業(yè)設計（論文）一并存檔，另一份系部存檔； 3. 指導教師、學生可各執(zhí)一份復印件，供檢查論文進度時使用。 摘 要 本設計的重點是運用機械原理和機械制造裝備設計方法設計五自由度工業(yè)機器人的實踐和方法。本次設計，是在了解工業(yè)機器人在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，進而掌握機器人內(nèi)部結構和工作原理，并對手臂和腕部進行結構設計。合理布置了各傳動結構。同時了解機器人機械系統(tǒng)運動學及運動控制學。為工業(yè)機器人的設計提供理論參考、設計參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設計者提供設計理論和設計實踐的參考。該機器人具有五自由度、剛性好、位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。 關鍵字：機器人 五自由度 手臂 結構設計 Abstract The focus of this design is the use of mechanical principles practices and methodologies of the five degrees of freedom of industrial robots and mechanical manufacturing equipment design methods. The design is in the understanding of industrial robots on the basis of the research status, then grasp the the robot internal structure and working principle and structural design on the arm and wrist. Rational arrangement of the transmission structure. Understand the kinematics of the robot mechanical system of motion control. Provide a theoretical reference for the design of industrial robots, design reference and data reference design theory and design practice for industrial designers reference. The robot has five degrees of freedom, good rigidity, high precision position, smooth running characteristics. 【Key word】Robot Five degrees of freedom Arm Structural design 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1技術概述 1 1.2工業(yè)機器人研究現(xiàn)狀及意義 2 1.3工業(yè)機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3.1國外機器人研究現(xiàn)狀 3 1.3.2國內(nèi)機器人研究現(xiàn)狀 4 1.4“十五”目標及主要研究內(nèi)容 5 1.4.1目標 5 1.4.2主要研究內(nèi)容 6 1.5主要設計內(nèi)容 9 第2章 五自由度機器人的總體設計 10 2.1總體設計的思路 10 2.2自由度和坐標系的選擇 10 2.3手臂結構方案設計 12 2.3.1機器人手臂自由度的分配和構型 12 2.3.2機器人手臂結構方案的對比分析及選擇 13 第3章 機器人的結構設計 14 3.1腕部回轉(zhuǎn)關節(jié)的設計 14 3.2腕部俯仰關節(jié)的設計 14 3.2.1步進電機的選擇 14 3.2.2同步帶和輪的設計 15 3.3小臂關節(jié)的設計 16 3.4 大臂回轉(zhuǎn)關節(jié)步進及減速機的選擇 16 第4章 總體裝配圖的設計 18 4.1三維總裝配圖 18 4.2 腰部裝配圖設計 18 4.3 三維主要零件圖 20 致 謝 26 參考文獻 27 III