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開題論證報告
題目名稱：關節(jié)型機器人腰部結構設計
一、題目來源、題目研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述
（一）題目來源：
本題目來源于生產(chǎn)實際，手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術熟練程度要求較高，因此采用機器人技術，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動化，以提高生產(chǎn)效率。而且,現(xiàn)在對許多構件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作；此外,焊接時的火花及煙霧等,對人體造成危害,因此,焊接過程的完全自動化已成為重要的研究課題。其中,十分重要的就是要應用焊接機器人。
（二）題目研究的主要內(nèi)容：
設計一個用于焊接的關節(jié)型機器人，進行機器人的總體方案設計、腰結構設計及其零件設計。
關節(jié)型機器人的機械本體部分一般為由各種關節(jié)串接起若干連桿組成的開鏈式機構。由于結構上的原因，其關節(jié)通常只有轉動型和移動型。關節(jié)型機器人主要特點是模仿人類腰部到手臂的基本結構，因此本體結構通常包括關節(jié)型機器人的機座結構及腰部關節(jié)轉動裝置、手腕結構及手腕關節(jié)轉動裝置和末端執(zhí)行器。我所做的課題偏重與機座和腰部的結構設計。
弧焊機器人多采用占地面積小，動作范圍較大的關節(jié)型操作機，其靈活性大，能以最佳狀態(tài)決定焊槍的位置。
（三）國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述：
目前，對機器人技術的發(fā)展有最重要影響的國家是日本和美國。美國在機器人技術的綜合性水平上仍處于領先地位，日本生產(chǎn)的機器人數(shù)量和種類則居世界首位。我國發(fā)展機器人技術起步于20世紀70年代末。1995年9月，6000m水下機器人試驗成功.近年來,在步行機器人、精密裝配機器人及多自由度關節(jié)型機器人研制等前沿領域內(nèi)逐步縮短與世界水平的差距。
自從第一臺工業(yè)機器人問世以來，機器人的應用領域從汽車工業(yè)逐漸向其他行業(yè)滲透，機器人的種類也從操作手逐漸衍生出各種各樣的機器人，如今機器人已經(jīng)深入到人類生活的方方面面。人類科技的進步、文明的發(fā)展已經(jīng)和機器人產(chǎn)生了密切的關系。人類社會的發(fā)展已經(jīng)離不開機器人技術，而機器人技術的進步必然對推動科技發(fā)展產(chǎn)生不可忽視的作用。當前和今后的機器人技術正逐漸向著具有行走能力、對環(huán)境的自主性強、具有多種感覺能力的方向發(fā)展。機器人也正在逐漸具有智能。美國貝爾科爾公司已成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡裝配在芯片上，其智能分析速度比普通計算機要快數(shù)千倍，能更好地完成識別語言和圖像處理等工作。
華中理工大學的熊臘森、彭振國、陳一堅和曹東杰教授合著的一篇論文，題為《IR761/125型點焊機器人在平頭駕駛室總裝生產(chǎn)線上的應用》，它主要介紹了IR761/125型點焊機器人的機械結構和控制系統(tǒng)；重點討論了該機器人的焊接生產(chǎn)應用；提出了機器人的使用維護和故障處理建議。
南京機械專科學校的徐錦康、邵群濤和劉啟芬合著的論文《XZ-I型弧焊機器人》主要介紹了XZ-I型機器人操作機結構和機構設計，位置交流伺服控制系統(tǒng)及計算機控制軟件特點，給出了主要算法。
二、本題目擬解決的問題
焊接機器人具有6個自由度：① 腰關節(jié)回轉；② 臂關節(jié)俯仰；③ 肘關節(jié)俯仰；④ 腕關節(jié)仰腕；⑤ 擺腕；⑥旋腕。其中要詳細地設計機器人基座和腰部的結構。整體機器人要實現(xiàn)腕部最大負荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm 。
在設計過程中要考慮到很多問題：① 機器人的六個關節(jié)采用何種驅動器；② 傳動比的選擇要合理；③ 同一軸上的軸承要保證很好的同軸度；④基座采用何種材料如何制造；⑤ 立柱與大臂如何聯(lián)接；⑥ 要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性；⑦ 腰座承受機器人全部重量和工作載荷，應保證足夠的強度、剛度和承載能力；⑧ 腰座軸系及傳動鏈的精度對末端執(zhí)行器的運行精度影響最大。因此腰座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準面。
三、 解決方案及預期效果
（一）解決方案：
機器人大體采用PUMA型
1. 操作機的驅動系統(tǒng)設計；
關節(jié)型機器人本體驅動系統(tǒng)包括驅動器和傳動機構，它們常和執(zhí)行機構聯(lián)成一體，驅動臂桿和載荷完成指定的運動。常用的驅動器有電機和液壓、氣動驅動裝置等。其中采用電機驅動是最常用的驅動方式。電極驅動具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機器人應用要求等特點。所以在這次設計中我選擇了直流電機作為驅動器。
2. 速度和位置檢測；
3. 伺服控制系統(tǒng)選擇；
4. 工作空間的確定；
5. 機器人本體結構設計；
①內(nèi)部鋁鑄件形狀復雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了質量。
② 軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。
③ 采用薄壁軸承與滑動銅襯套，以減少結構尺寸，減輕質量。
④ 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。
⑤ 大、小臂，手腕部結構密度大，很少有多余空隙。如電機與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質量減少。
⑥ 工作范圍大，適應性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長臂所能達到的全球空間。再加之其手腕軸的活動角度大，因此使它工作時位姿的適應性強。譬如用手腕擰螺釘，手腕關節(jié)4，6配合，一次就能轉1112°。
⑦ 由于結構上采用了剛性齒輪傳動，調整齒輪間隙機構，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復定位精度高。
⑧ 機器人手臂材料的選擇：
機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設計要求，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。而另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，在選擇材料時，需要對質量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。
機器人手臂材料首先應是結構材料。手臂承受載荷時，不應有變形和斷裂。從力學角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。
⑨腰關節(jié)采用齒輪二級傳動。總傳動比為48，第一級傳動傳動比為4，第二級傳動比為12，主軸的角速度為3.82 rad/s。
（二）預期效果：
工作可靠，結構簡單；裝卸方便，便于維修、調整；能很好的實現(xiàn)自動電弧焊的功能。
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