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第1章 緒論
1.1 技術(shù)概述
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)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(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
早在20世紀(jì)初，隨著機(jī)床、汽車(chē)等制造業(yè)的發(fā)展就出現(xiàn)了機(jī)械手。1913年美國(guó)福特汽車(chē)工業(yè)公司安裝了第一條汽車(chē)零件加工自動(dòng)線，為了解決自動(dòng)線、自動(dòng)機(jī)的上下料與工件的傳送，采用了專(zhuān)用機(jī)械手代替人工上下料及傳送工件?？梢?jiàn)專(zhuān)用機(jī)械手就是作為自動(dòng)機(jī)、自動(dòng)線的附屬裝置出現(xiàn)的。
“工業(yè)機(jī)器人”這種自動(dòng)化裝置出現(xiàn)的比較晚。但是自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類(lèi)之多，應(yīng)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(jī)器人，或稱(chēng)機(jī)器人操作臂、機(jī)器人臂、機(jī)械手等。從外形來(lái)看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過(guò)一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開(kāi)式鏈。這些連桿就像人的骨架，分別類(lèi)似于胸，上臂和下臂，工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)相當(dāng)于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。操作臂的前端裝有末端執(zhí)行器或相應(yīng)的工具，也常稱(chēng)為手或手爪。手爪是由兩個(gè)或多個(gè)手指所組成，手指可以“開(kāi)”與“合”，實(shí)現(xiàn)抓去動(dòng)作和細(xì)微操作。手臂的動(dòng)作幅度一般較大，通常實(shí)現(xiàn)宏觀操作。
工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有 3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。
由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)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(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、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(jī)械加工和簡(jiǎn)單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門(mén)中，完成對(duì)人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。
機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已經(jīng)受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：
（1） 機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車(chē)床、組合機(jī)床上使用較
為普編。
（2） 在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它用來(lái)裝配印制電路板，
在機(jī)械行業(yè)中它可以用來(lái)組裝零件。
（3） 可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的
勞動(dòng)。
（4） 可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品級(jí)有還、及有害
物的搬運(yùn)等。
（5） 宇宙及海洋的開(kāi)發(fā)。
（6） 軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。
1.2 工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及意義
機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)器人應(yīng)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(gè)人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域?？傏厔?shì)是從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)(RT) 概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)在動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。”目前，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開(kāi)放化、PC 化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國(guó)家均把機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。世界各國(guó)普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開(kāi)設(shè)了介紹機(jī)器人技術(shù)的有關(guān)課程。為了培養(yǎng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)方面的人才，我國(guó)很多高校也為本科生和研究生開(kāi)設(shè)了機(jī)器人學(xué)課程。
本課題為教師自擬課題。本文主要針對(duì)五自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1.3 工業(yè)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1 國(guó)外機(jī)器人研究現(xiàn)狀
國(guó)外目前機(jī)器人研究的重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：
(1) 機(jī)器人操作機(jī)，通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)己實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó) KUKA 公司為代表的機(jī)器人公司，將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用大大提高了機(jī)器人的性能。
(2) 并聯(lián)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開(kāi)發(fā)出了此類(lèi)產(chǎn)品。
(3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過(guò)去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸機(jī)器人，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問(wèn)世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
(4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺(jué)傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德國(guó)KUKA, REIS等公司皆推出了此類(lèi)產(chǎn)品。
(5) 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本 YASKAWA 和德國(guó) KUKA 公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過(guò)去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)
化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過(guò)去的專(zhuān)用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備有了發(fā)展。
(6) 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過(guò)去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，幾乎可以滿(mǎn)足任何場(chǎng)合的需求。
1.3.2 國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀
隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在機(jī)器人科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進(jìn)步。從20世紀(jì)80年代末到20世紀(jì)90年代，國(guó)家863計(jì)劃把機(jī)器人列為自動(dòng)化領(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開(kāi)展了機(jī)器人基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)器人元部件、先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機(jī)器人在自動(dòng)化工程上的應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人選型方面，確定以開(kāi)發(fā)點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人為主。這是中國(guó)機(jī)器人事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。一批從事機(jī)器人研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的人才和隊(duì)伍在實(shí)踐中成長(zhǎng)、壯大，一批以機(jī)器人為主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。
我國(guó)近幾年機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶(hù)帶來(lái)顯著效益。隨著我國(guó)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，機(jī)器人自動(dòng)化線的市場(chǎng)也會(huì)越來(lái)越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式。我國(guó)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線裝備的市場(chǎng)剛剛起步，而國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時(shí)期，這就給機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線研究開(kāi)發(fā)者帶來(lái)巨大商機(jī)。但是，無(wú)論從工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都是比較落后的。而我國(guó)作為一個(gè)工業(yè)大國(guó)，不能寄希望從其他國(guó)家得到真正的高技術(shù)，必須自主的發(fā)展我國(guó)的高技術(shù)，機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，將成為21世紀(jì)各國(guó)爭(zhēng)奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)制高點(diǎn)。如何在 21世紀(jì)加速我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展，使我國(guó)早日進(jìn)入機(jī)器人大國(guó)行列，已成為當(dāng)務(wù)之急。由于目前我國(guó)機(jī)器人的基礎(chǔ)數(shù)量太低，以工業(yè)機(jī)器人為例，到了2010年我國(guó)機(jī)器人擁有量只能達(dá)到世界擁有量1.38%～2%，這與我國(guó)作為21世紀(jì)前半葉世界主要制造國(guó)的要求差距太大，如果這種差距只能以進(jìn)口機(jī)器人來(lái)彌補(bǔ)，其巨大損失不是可以用貨幣損失來(lái)計(jì)算的?？梢?jiàn)，無(wú)論從資金方面考慮，還是從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮，我們有必要自主地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。
但是由于國(guó)內(nèi)機(jī)器人的科研與開(kāi)發(fā)與國(guó)外尚有較大差距，雖然計(jì)劃開(kāi)發(fā)的機(jī)器人基本上采用的是在國(guó)外基木成熟的技術(shù)，但國(guó)內(nèi)各單位對(duì)這些技術(shù)的了解有相當(dāng)部分還停留在文獻(xiàn)上或局部技術(shù)上。所以我們應(yīng)該從基本做起，有必要研制少數(shù)型號(hào)的機(jī)器人和開(kāi)展一批基礎(chǔ)技術(shù)研究作為機(jī)器人課題的主要研究與開(kāi)發(fā)內(nèi)容。
1.4 “十五”目標(biāo)及主要研究?jī)?nèi)容
1.4.1目標(biāo)
中國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在的總裝機(jī)量約為1200臺(tái)，其中國(guó)產(chǎn)機(jī)器人占有量約為1/3，即400多臺(tái)。與世界機(jī)器人總裝機(jī)臺(tái)數(shù)75萬(wàn)臺(tái)相比，中國(guó)總裝機(jī)量?jī)H占萬(wàn)分之十六。對(duì)中國(guó)這樣一個(gè)12億人口的大國(guó)來(lái)說(shuō)，差距是很明顯的。裝機(jī)數(shù)量少，說(shuō)明了我國(guó)的工業(yè)化程度與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距大。因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人的誕生和應(yīng)用發(fā)展是以工業(yè)生產(chǎn)高度自動(dòng)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(jī)器人的利用率不高，以進(jìn)口的弧焊機(jī)器人為例，據(jù)調(diào)查，完全正常運(yùn)轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮效益效益的只占1/3；另外1/3處于負(fù)荷不滿(mǎn)或不能安全正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，原因是生產(chǎn)管理及使用維護(hù)存在不合理現(xiàn)象或問(wèn)題；還有1/3不能正常使用，這是由于機(jī)器人質(zhì)量問(wèn)題或缺乏備件，以及請(qǐng)不起外方維修人員造成的。機(jī)器人應(yīng)用效果不理想，直接影響了用戶(hù)使用更多機(jī)器人的信心。
我國(guó)有組織有計(jì)劃地發(fā)展機(jī)器人事業(yè)，應(yīng)該說(shuō)是從“七五”期間的科研攻關(guān)及實(shí)施“863計(jì)劃”開(kāi)始的，經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用，從縱向看，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、特種機(jī)器人(水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)器人)，基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置、軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線(工作站)及其周邊配套設(shè)備的全線自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)器人焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突破；于此同時(shí)造就了一支具有一定水平的技術(shù)隊(duì)伍。無(wú)疑，從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在世界機(jī)器人界已有一席之地，奠定了獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)器人事業(yè)的基礎(chǔ)；從社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為中、外機(jī)器人產(chǎn)品打開(kāi)中國(guó)市場(chǎng)準(zhǔn)備了物質(zhì)和人員條件。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)狀及近幾年的動(dòng)態(tài)，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具體情況，“十五”期間機(jī)器人技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展智能機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械及其相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用；開(kāi)展以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究及加強(qiáng)多傳感器融合及決策、控制一體化技術(shù)及應(yīng)用的研究。重點(diǎn)解決我國(guó)已研制應(yīng)用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化前期關(guān)鍵技術(shù)，大力推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，力爭(zhēng)在“十五”末期實(shí)現(xiàn)噴涂、焊接、裝配等機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化。
1.4.2主要研究?jī)?nèi)容
(1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究
①關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門(mén)式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)。
②柔性仿形噴涂機(jī)器人開(kāi)發(fā)：柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，整機(jī)安全防爆、防護(hù)技術(shù)開(kāi)發(fā)，高速?lài)姳瓏娡抗に囇芯俊?
③焊接機(jī)器人（把弧焊與點(diǎn)焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個(gè)系列機(jī)器人，可兼作弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)。
④弧焊機(jī)器人用激光視覺(jué)焊縫跟蹤裝置的開(kāi)發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺(jué)圖象處理技術(shù)，視覺(jué)跟蹤與機(jī)器人協(xié)調(diào)控制。
⑤焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。
⑥電子行業(yè)用裝配機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)。
⑦批量生產(chǎn)機(jī)器人所需的專(zhuān)用制造、裝配、測(cè)試設(shè)備和工具的研究開(kāi)發(fā)。
(2)智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)研究
①遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究
包括建模－遙控機(jī)器人模型，人行為模型，人控制動(dòng)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(jī)共享規(guī)劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術(shù)；雙向力反應(yīng)控制；知識(shí)庫(kù)的建立，學(xué)習(xí)與推理方法；人機(jī)交互的高級(jí)控制技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）控制與真實(shí)世界控制的相互關(guān)系；監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
②智能移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航和定位技術(shù)研究
包括導(dǎo)航和定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；在結(jié)構(gòu)環(huán)境或非結(jié)構(gòu)環(huán)境中導(dǎo)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(gòu)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(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的研究。
③面向遙控機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)
包括人機(jī)交互圖形生成及其程序設(shè)計(jì)；遙控機(jī)器人（載體和機(jī)械手）幾何動(dòng)態(tài)圖形建模；遙控操作環(huán)境圖形建模；遙控機(jī)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(yīng)、反饋控制；面向任務(wù)的虛擬工具；基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實(shí)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(jī)交互環(huán)境建模系統(tǒng)
包括CAD建模中的人機(jī)交互技術(shù)；求知模型工件的反示過(guò)程中的交互技術(shù)；機(jī)器人與環(huán)境的布局及功能驗(yàn)證中的交互技術(shù)；傳感器數(shù)據(jù)處理中的交互技術(shù)；機(jī)器人標(biāo)定、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)建模中的交互技術(shù)。
⑤基于計(jì)算機(jī)屏幕的多機(jī)器人遙控技術(shù)
包括三維立體視覺(jué)建模；模型的計(jì)算機(jī)顯示；遙控機(jī)器人模型的控制；人機(jī)接口；網(wǎng)絡(luò)通訊。
(3)機(jī)器人化機(jī)械研究開(kāi)發(fā)
①并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床（VMT）與機(jī)器人化加工中心（RMC）開(kāi)發(fā)研究
包括VMT與RMC智能化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC關(guān)鍵傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測(cè)作業(yè)技術(shù)；VMT與RMC監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)；VMT與MRC智能化開(kāi)式CMC控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)；智能化機(jī)構(gòu)、材料機(jī)電一體化技術(shù)；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術(shù)；機(jī)電一體化的多功能及靈巧作業(yè)終端；通用智能化開(kāi)式CNC控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應(yīng)用工程開(kāi)發(fā)。
②機(jī)器人化無(wú)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
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(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應(yīng)用；基于廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通訊；具有監(jiān)測(cè)和管理功能的故障診斷系統(tǒng)。
(4)以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)
①開(kāi)放式模塊化裝配機(jī)器人
包括通用要素的提?。粚?zhuān)用件標(biāo)準(zhǔn)化；裝配機(jī)器人模塊CAD設(shè)計(jì)；通用主流計(jì)算機(jī)構(gòu)造的控制器；人機(jī)界面方式；網(wǎng)絡(luò)功能。
②面向機(jī)器人裝配的設(shè)計(jì)技術(shù)
包括數(shù)字化裝配與CAD集成技術(shù)；產(chǎn)品機(jī)器人化裝配規(guī)劃生成技術(shù)；產(chǎn)品可裝配性模糊評(píng)價(jià)。
③機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)
其中單元技術(shù)：供料系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)、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(shù)：柔性裝配線仿真軟件、管理系統(tǒng)。
④可重構(gòu)機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)
開(kāi)展基于任務(wù)和環(huán)境的動(dòng)態(tài)重構(gòu)機(jī)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(shù)及系統(tǒng)各單元體間的協(xié)作規(guī)劃。
⑤裝配力覺(jué)、視覺(jué)技術(shù)
包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術(shù)；視覺(jué)識(shí)別與定位技術(shù)。
⑥智能裝配策略及其控制
包括裝配狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控；裝配順序和路徑智能規(guī)劃及控制技術(shù)。
(5)多傳感器信息融合與配置技術(shù)
①機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過(guò)程控制和污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
包括面向工藝過(guò)程的多傳感器融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)；面向工藝要求的新型傳感器研制。
②機(jī)電一體化智能傳感器
包括具有感知、自主運(yùn)動(dòng)、自清污（自調(diào)整、自適應(yīng)）的機(jī)電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和清污的自主運(yùn)動(dòng)；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
1.5 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
設(shè)計(jì)一種五自由度可重構(gòu)模塊化機(jī)器人手臂。它包括大臂、小臂和控制系統(tǒng)，大臂為一個(gè)底座依次連接第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)構(gòu)成，第一關(guān)節(jié)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，第二關(guān)節(jié)做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，小臂為依次連接的第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)構(gòu)成，該三個(gè)關(guān)節(jié)均做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；五個(gè)關(guān)節(jié)均為模塊化關(guān)節(jié)，通過(guò)四個(gè)連接架依次順序連接成一個(gè)開(kāi)鏈的空間機(jī)構(gòu)，具有五個(gè)自由度。本機(jī)器人手臂在控制系統(tǒng)的作用下完成各種特定的動(dòng)作。運(yùn)用 AutoCAD軟件繪制裝配圖、部件圖、零件圖。
第2章 五自由度機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)五自由度的機(jī)器人，本章主要對(duì)該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。
2.1 總體設(shè)計(jì)的思路
設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：
(1) 系統(tǒng)分析階段
①根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)；
②分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境；
③根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由
度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。
(2) 技術(shù)設(shè)計(jì)階段
①根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機(jī)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人
的坐標(biāo)形式；
②擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖；
③確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型；
④選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)；
⑤繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。
2.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)，對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱(chēng)其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的，因?yàn)槿说氖种?、掌、腕、臂?9個(gè)關(guān)節(jié)組成，共有27個(gè)自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個(gè)（不包括手部）。本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人為5自由度。
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下:
(1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類(lèi)型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門(mén)式，天車(chē)式三種結(jié)構(gòu)Error! Reference source not found.。
(2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。
(3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類(lèi)球形的空間Error! Reference source not found.。
(4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類(lèi)型的機(jī)器人。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用立式關(guān)節(jié)型。
a)直角坐標(biāo)型 b)圓柱坐標(biāo)型 c)球坐標(biāo)型 d)關(guān)節(jié)型
圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式
2.3 手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
手臂的總體設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題，主要有包括總體方案設(shè)計(jì)和基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。
2.3.1 機(jī)器人手臂自由度的分配和構(gòu)形
手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少數(shù)專(zhuān)用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。
本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有五個(gè)自由度，其中大臂兩個(gè)自由度，包括回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。小臂部分三個(gè)自由度，均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間和絕對(duì)工作空
間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)平移關(guān)節(jié)來(lái)講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。這里機(jī)器人手臂使用了四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)形式如下。
該機(jī)器人手臂有四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，通常腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸是鉛垂的，手臂在水平面內(nèi)可繞腰關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)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(dòng)。由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的關(guān)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(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類(lèi)機(jī)器人最像人的手臂，因而結(jié)構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達(dá)空間最大，它甚至可以繞過(guò)障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，因而是機(jī)器人中最有前途的一種。但由于三個(gè)關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比分析及選擇
參考國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)，初步對(duì)各個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析。 (1) 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)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(jī)安裝在底座下面，其輸出軸經(jīng)減速器減速后，直接帶動(dòng)第一關(guān)節(jié)輸出軸，使整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。
方案二：如圖2-4所示，電機(jī)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(duì)齒輪減速后，由第一關(guān)節(jié)輸出軸帶動(dòng)整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。
兩種方案在傳動(dòng)實(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，而且少了一對(duì)普通直齒輪，其整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后，速度己經(jīng)較低，噪音問(wèn)題不突出。故綜合考慮，腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案一。
(2) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
大臂和小臂回轉(zhuǎn)都是通過(guò)減速器減速后直接帶動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活。
第3章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)的選擇：
腕部旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)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(dòng)慣量
設(shè)機(jī)器人手部角速度W1從0加速到420/s所需要的時(shí)間t=0.4s，則其角加速度
負(fù)載啟動(dòng)慣性矩（不計(jì)靜磨擦力矩）。
由于步進(jìn)電機(jī)不具有瞬時(shí)過(guò)載能力，故取安全系數(shù)為2（不同），則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于必須小于步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，所以選擇如下二相步進(jìn)電機(jī)：
型號(hào)：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(guān)節(jié)的輸出軸是由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)EPL減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)的，首先把電機(jī)固定在電機(jī)連接筒上，電機(jī)連接筒在通過(guò)內(nèi)六角柱頭螺釘固定在腰筒上，減速器的一端要和電機(jī)連接，一端固定在減速器連接筒上，減速器連接筒再通過(guò)內(nèi)六角柱頭螺釘固定在電機(jī)連接筒上，這樣連接就實(shí)現(xiàn)了腰部電機(jī)的輸出，由于腰部輸出軸要驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，所以腰部輸出軸上還得通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)筒連接支撐肋板，這樣腰部的裝配設(shè)計(jì)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(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇
腕部俯仰是由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的，設(shè)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(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑，腕部回轉(zhuǎn)電機(jī)到回轉(zhuǎn)中心的距離，則腕部俯仰時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)的質(zhì)量。
設(shè)機(jī)器人腕部俯仰角速度從加到所需時(shí)間t=0.2s，則腕部俯仰角加速度，
腕部俯仰啟動(dòng)慣性矩
負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩（靜磨擦力矩忽略不計(jì)）。
由于>>，故慣性矩忽略不計(jì)，則大臂俯仰總轉(zhuǎn)矩。
同步帶的傳動(dòng)效率，同步帶的傳動(dòng)比為1.5。則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)
轉(zhuǎn)矩為：
所以，選擇如下四相混合式步進(jìn)電機(jī)：
型號(hào)：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(shè)計(jì)
腕部俯仰關(guān)節(jié)是同步帶傳動(dòng)的，軸距為150mm。
⑴求設(shè)計(jì)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(xiàn)，圖36.1-22可知帶的節(jié)矩代號(hào)為XL，對(duì)應(yīng)節(jié)矩。
⑶確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng)
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(zhǎng)L可表示為
由表面化36.1-70選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)及其齒數(shù)：
，帶長(zhǎng)代號(hào)225，齒數(shù)為98。
⑷實(shí)際軸間矩
取。
⑸嚙合齒數(shù)，則嚙合齒數(shù)。
⑹帶寬
計(jì)算同上，查表得型號(hào)為037。
⑺結(jié)論
同步帶類(lèi)型：節(jié)矩代號(hào)為XL；寬度型號(hào)為037。
，帶長(zhǎng)代號(hào)225，齒數(shù)為98。
帶輪齒數(shù).，
軸間矩。
腕部俯仰關(guān)節(jié)是由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別通過(guò)EPL減速器驅(qū)動(dòng)小同步帶輪，小同步帶輪帶動(dòng)大帶輪驅(qū)動(dòng)軸，步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)即可帶動(dòng)軸兩端的擺動(dòng)桿上下擺動(dòng)。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(dòng)。兩步進(jìn)電機(jī)通過(guò)內(nèi)六角柱頭螺釘固定在小臂電機(jī)座上，電機(jī)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(guò)平鍵帶動(dòng)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承座通過(guò)六角螺栓固定在連接座上，軸的兩端通過(guò)六角螺母安裝兩擺動(dòng)桿，這樣連接就實(shí)現(xiàn)了腕部俯仰動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，這樣腰部的裝配設(shè)計(jì)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(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
當(dāng)小臂與末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時(shí)，各部分對(duì)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(hào)為：EPL—040—007。
則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為。
所以，選擇如下四相混合式步進(jìn)電機(jī)；
型號(hào)：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(guān)節(jié)步進(jìn)及減速器的選擇
當(dāng)大臂與小臂，末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時(shí)，各部分對(duì)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(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為
所以，選擇如下四相步進(jìn)電機(jī)：
型號(hào)：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(jìn)電機(jī)分別通過(guò)EPL減速器驅(qū)動(dòng)下一回轉(zhuǎn)單元，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)內(nèi)六角螺栓固定在電機(jī)座上，電機(jī)座內(nèi)部安裝有減速器，與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)減速器即可實(shí)現(xiàn)大臂回轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn)。這樣連接就實(shí)現(xiàn)了大臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn),其三維裝配圖如下：
第4章 總體裝配圖的設(shè)計(jì)
4.1 三維總裝配圖
將前面說(shuō)述的各單元組裝后即得到五自由度機(jī)械手?？傃b圖如下
4.2 三維主要零件圖
其它各部分的設(shè)計(jì)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(jī)座：
同步帶輪1
同步帶輪2
軸承座
擺動(dòng)桿
回轉(zhuǎn)電機(jī)座：
擺動(dòng)軸
回轉(zhuǎn)支撐筒
回轉(zhuǎn)電機(jī)座
致 謝
感謝老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計(jì)階段給我的指導(dǎo)，有了老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的指導(dǎo)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(dǎo)性的意見(jiàn)，為論文的撰寫(xiě)、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。在本文結(jié)束之際，特向敬愛(ài)的老師致以最尊敬的敬禮和深深地感謝！
通過(guò)此次設(shè)計(jì)，一方面讓我認(rèn)識(shí)到只學(xué)習(xí)理論是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯(cuò)誤之處；另一方面又積累豐富的知識(shí)，吸取別人好的方法和經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的解決能力，摸索出一套解決綜合問(wèn)題的方法，為自己以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高了自己的動(dòng)手能力。順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，既是對(duì)我大學(xué)所學(xué)課程的一次綜合整理，又使我對(duì)機(jī)電知識(shí)有了更深層次的理解。這些能力的掌握是我步入社會(huì)所必需的。
同時(shí)由衷的感謝在我設(shè)計(jì)過(guò)程中，班級(jí)同學(xué)對(duì)我的指導(dǎo)和幫助，有了你們的熱心解答，彌補(bǔ)了我的不足，我得以在各方面取得顯著的進(jìn)步。由于初次研究這種復(fù)雜而又綜合的設(shè)計(jì)，過(guò)程中難免存在一些錯(cuò)誤和不足之處，懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)和指正。
參考文獻(xiàn)
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28
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
（20 13 屆）
題目（中文）： 五自由度模塊化機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)與仿真
（英文）： Design and simulation of five dof modular robot arm
系 部 機(jī)械工程系
專(zhuān)業(yè)班級(jí)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
系負(fù)責(zé)人 (簽章)
日 期： 2012 年 12 月 20 日
一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容與具體要求（任務(wù)及背景、工作環(huán)境、成果形式、著重培養(yǎng)的能力、有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的要提出主要技術(shù)指標(biāo)、要求）
一種五自由度可重構(gòu)模塊化機(jī)器人手臂。它包括大臂、小臂和控制系統(tǒng)，大臂為一個(gè)底座依次連接第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)構(gòu)成，第一關(guān)節(jié)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，第二關(guān)節(jié)做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，小臂為依次連接的第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)構(gòu)成，該三個(gè)關(guān)節(jié)均做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；五個(gè)關(guān)節(jié)均為模塊化關(guān)節(jié)，通過(guò)四個(gè)連接架依次順序連接成一個(gè)開(kāi)鏈的空間機(jī)構(gòu)，具有五個(gè)自由度。本機(jī)器人手臂在控制系統(tǒng)的作用下完成各種特定的動(dòng)作。
學(xué)生應(yīng)具備機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，掌握三維軟件和一定的創(chuàng)新能力，根據(jù)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，完成課題，也是對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的一種檢驗(yàn)。
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繪制裝配圖
技術(shù)設(shè)計(jì)繪制零件圖
撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，畢業(yè)答辯
三、所需的資料和主要參考文獻(xiàn)
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注：1. 本任務(wù)書(shū)一式兩份，須雙面打印。由指導(dǎo)教師填寫(xiě)并經(jīng)所在系審核確認(rèn)后交系部；
2. 本任務(wù)書(shū)一份須與學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一并存檔，另一份系部存檔；
3. 指導(dǎo)教師、學(xué)生可各執(zhí)一份復(fù)印件，供檢查論文進(jìn)度時(shí)使用。
摘 要
本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是運(yùn)用機(jī)械原理和機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)五自由度工業(yè)機(jī)器人的實(shí)踐和方法。本次設(shè)計(jì)，是在了解工業(yè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)而掌握機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)手臂和腕部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合理布置了各傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)了解機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)控制學(xué)。為工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論參考、設(shè)計(jì)參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐的參考。該機(jī)器人具有五自由度、剛性好、位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵字：機(jī)器人 五自由度 手臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(shù)概述 1
1.2工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及意義 2
1.3工業(yè)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3.1國(guó)外機(jī)器人研究現(xiàn)狀 3
1.3.2國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 4
1.4“十五”目標(biāo)及主要研究?jī)?nèi)容 5
1.4.1目標(biāo) 5
1.4.2主要研究?jī)?nèi)容 6
1.5主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 9
第2章 五自由度機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 10
2.1總體設(shè)計(jì)的思路 10
2.2自由度和坐標(biāo)系的選擇 10
2.3手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 12
2.3.1機(jī)器人手臂自由度的分配和構(gòu)型 12
2.3.2機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比分析及選擇 13
第3章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.1腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 14
3.2腕部俯仰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 14
3.2.1步進(jìn)電機(jī)的選擇 14
3.2.2同步帶和輪的設(shè)計(jì) 15
3.3小臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 16
3.4 大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)步進(jìn)及減速機(jī)的選擇 16
第4章 總體裝配圖的設(shè)計(jì) 18
4.1三維總裝配圖 18
4.2 腰部裝配圖設(shè)計(jì) 18
4.3 三維主要零件圖 20
致 謝 26
參考文獻(xiàn) 27
III