搖臂機(jī)械手類-連桿加工搬運機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計【全套含CAD圖紙、說明書、SW三維模型】

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This manipulators drive way is combine together with tneumatically and electronic,utilize a cylinder, a new type of AC servomotor and a decelerating machine which has a wide decelerate ratio are used,And whats more, the machine must be maintained after a few weeks or months in order to make it in good lubrication and work in a normal condition .KEY WORDS：Manipulator, Pintle, Freedom degree, Air cylinder目 錄第一章 機(jī)器人概述11.1 工業(yè)機(jī)器人的定義、分類和應(yīng)用11.1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義11.1.2 機(jī)器人系統(tǒng)工作原理11.1.3 機(jī)器人的分類21.2 工業(yè)機(jī)器人的分類41.3 機(jī)器人的分類6第二章 機(jī)器人的總體和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法82.1 機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)82.1.1 機(jī)器人的基本組成82.1.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)92.2 機(jī)器人的總體設(shè)計11221 系統(tǒng)分析11222 技術(shù)設(shè)計112. 23 仿真分析142.3 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計方法15第三章 連桿搬運機(jī)械手的方案設(shè)計193.1 參數(shù)193.2 驅(qū)動方式的選擇193.3 系統(tǒng)減速部分的選擇23第四章 主要零部件的計算284.1 確定總體尺寸284.2確定氣缸型號284.3確定電機(jī)和減速器的型號29參考文獻(xiàn)30致 謝31- ii - 33 -濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 機(jī)器人概述第一章 機(jī)器人概述1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義、分類和應(yīng)用1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義機(jī)器人雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而且越來越受到人們的重視，然而機(jī)器人確實還沒有一個統(tǒng)一的嚴(yán)格準(zhǔn)確的定義。不同的國家不同的學(xué)者給出的定義不盡相同，雖然基本原則一致，但歐美國家的定義限定多一些，日本給出的定義寬松一些，這樣就使得可稱為機(jī)器人的范圍大小不同，以至于在統(tǒng)計機(jī)器人的數(shù)量時，由于定義限定的差異，各種統(tǒng)計數(shù)字會有很大出入，所以，經(jīng)常要待說明。一般地說，我們可以定義機(jī)器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人進(jìn)行工作的機(jī)器。1.1.2 機(jī)器人系統(tǒng)工作原理依據(jù)上面的定義，機(jī)器人至少應(yīng)具備兩部分：控制部分和直接進(jìn)行工作的部分。比如應(yīng)用最廣泛的弧焊機(jī)器人，具有控制系統(tǒng)和帶動焊槍運動的機(jī)械臀部分?？刂葡到y(tǒng)通過編程的方式，決定直接工作的機(jī)械手臂部分的運動和動作。由于是程序控制的，所以比較容易改變工作方式和任務(wù)，因此機(jī)器人是一種具有“柔性”的機(jī)器。機(jī)器人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一樣運動，能在地上行走或者在水中游。高級一點的機(jī)器人可以通過傳感器了解外部環(huán)境或者“身體內(nèi)在的”狀態(tài)與變化，甚至可以做出自己的邏輯推理、判斷與決策，也就是所謂的機(jī)器人的智能行為。機(jī)器人發(fā)揮作用必須在一個作業(yè)系統(tǒng)之中，機(jī)器人作為系統(tǒng)的一部分，才能發(fā)揮它的作用。由于各種不同類型的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，它們發(fā)揮作用的形式和組成的系統(tǒng)也在不斷變化。工業(yè)機(jī)器人作為制造系統(tǒng)的部分發(fā)揮作用是最典型的。比如焊接機(jī)器人，它在工作時，至少需要一個工作臺，將工件裝卡在上面，并運送到機(jī)器人焊接的合適位置。這樣，組成了一個簡單的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，稱為機(jī)器人焊接工作站。如果機(jī)器人組成一個焊接生產(chǎn)線，則這個系統(tǒng)就變得更為復(fù)雜： 一個機(jī)器人系統(tǒng)一般由機(jī)械手(執(zhí)行機(jī)構(gòu))、控制器、象和環(huán)境四部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是一臺機(jī)械手，有些文獻(xiàn)中稱為操作器或操作手。多數(shù)機(jī)械手是具有六個自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)。其中三個自由度用來引導(dǎo)末端執(zhí)行器至所需位置，另外三個自由度用來確定末端執(zhí)行裝置的方向。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置根據(jù)操作需要也可以換成焊槍、吸盤、扳手等其他工具。環(huán)境是指機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時所能達(dá)到的幾何空間，而且包含了該空間中每個事物的全部自然特性所決定的條件。在它的工作環(huán)境中，機(jī)器人會得到為完成任務(wù)所需的支持，如自動生產(chǎn)線會為生產(chǎn)線上的機(jī)器人運送工件、材料等；在運動的空間里，機(jī)器人要設(shè)計好合理的運動路線。同時，在它的工作環(huán)境中也會遇到一些障礙物和其他事件，機(jī)器人必須避免與這些障礙發(fā)生碰撞并妥善處理好環(huán)境中發(fā)生的各種可能的事件。環(huán)境信息一般為已知的，這種環(huán)境稱為結(jié)構(gòu)環(huán)境，但在許多情況下環(huán)境具有未知的和不確定性質(zhì)，這種環(huán)境就稱為1F結(jié)構(gòu)環(huán)境。 控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的指揮中樞，并巳負(fù)責(zé)信息處理和與人交互。它接受來自傳感器的信號，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存的信息、機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制信號去驅(qū)動機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個關(guān)節(jié)，以完成特定的動作。為此，控制器內(nèi)必須具有保證它實現(xiàn)其功能所必需的算法與信息。機(jī)器系統(tǒng)的復(fù)雜程度不同，能執(zhí)行的任務(wù)不同，控制器內(nèi)所存放的軟件也不同。1.1.3 機(jī)器人的分類機(jī)器人可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)分成很多類型。應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機(jī)器人不僅在用途土，而且在結(jié)構(gòu)和性能上會有很大的不同。因此，披機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域形成了不同類型的機(jī)器人。機(jī)器人首先在制造業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，所以，機(jī)器人曾被簡單地分為兩類，即用于汽車等制造業(yè)的機(jī)器人稱為工業(yè)機(jī)器人其他的機(jī)器人稱為特種機(jī)器人。隨著機(jī)器人應(yīng)用的日益廣泛，這種分類就顯得過于粗糙?，F(xiàn)在除工業(yè)機(jī)器人之外還有服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等等。(1)工業(yè)機(jī)器人其實工業(yè)機(jī)器人也是一類機(jī)器人的總稱。依據(jù)具體應(yīng)用的不同又常常以其主要用途命名。到現(xiàn)在為止應(yīng)用最多的是焊接機(jī)器人，包括點焊(電阻焊)和電弧焊機(jī)器人，用途是實現(xiàn)自動的焊接作業(yè)；裝配機(jī)器人，比較多地用于電于部件電器的裝配；噴漆機(jī)器人，代替人進(jìn)行噴漆作業(yè)：搬運、土下料、碼垛機(jī)器人，它們的功能都是根據(jù)一定的速度和桔度要求，將物品從一處運到另一處；另外還可以列出很多，如將金屬溶液撓到壓鑄機(jī)中的饒鑄機(jī)器人等等，應(yīng)該說，并不是只有機(jī)器人可以完成這些工作，很多工作都可以用專門的機(jī)器完成c機(jī)器人的優(yōu)點在于它可以通過程序的更改，方便迅速地改變工作內(nèi)容或方式，來滿足生產(chǎn)要求的變化。比如，改變焊縫軌跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等等。所以隨著對工業(yè)生產(chǎn)線的柔性要求越來越強，對各種機(jī)器人的需求也就越來越強烈。(2)服務(wù)機(jī)器人隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛已不再局限于傳統(tǒng)的制造業(yè)。出現(xiàn)了一個新的集合，被稱為服務(wù)機(jī)器人。我們說服務(wù)機(jī)器人是一類機(jī)器人的集合，是因為到現(xiàn)在為止，國際上對它還沒有一個明確的定義。它所包括的內(nèi)容也比較寬，比較雜。一般說來，服務(wù)機(jī)器人是一種以自主或半自主方式運行，能為人類生活康復(fù)提供服務(wù)的機(jī)器人，或者是能對設(shè)備運行進(jìn)行維護(hù)的一類機(jī)器人。目前，在非制造業(yè)的機(jī)器人也被看做是服務(wù)機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人往往是可以移動的，在多數(shù)情況下，服務(wù)機(jī)器人由一個移動平臺構(gòu)成，在平臺上面裝有一只或幾只手臂，代替或協(xié)助人完成為人類提供服務(wù)和安全保障的各種工作，如清潔、護(hù)理、娛樂和執(zhí)勤等等。(3)水下機(jī)器人水下機(jī)器人也稱水下無人探測器，代替人在水下這一危險的環(huán)境中作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘，已有很長的歷史。人類已可以利用深海潛水器具潛入深海。然而，由于危險很大，而且費用極高，所以人類尋找代替人親自冒險的技術(shù)，水下機(jī)器人變成了人們十分關(guān)注的發(fā)展方向。(4)空間機(jī)器人機(jī)器人技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，很自然地人們就希望它到天上去為人工作于是產(chǎn)生了空間機(jī)器人。空間機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)和大氣層外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層空間飛行井進(jìn)行觀測可完成多種作業(yè)的飛行機(jī)器人，到外層空間其他星球上進(jìn)行探測作業(yè)的星球探測機(jī)器人和在各種航天器里使用的機(jī)器人。另一方面，從技術(shù)進(jìn)步的角度，機(jī)器人權(quán)分為不同的類型。到現(xiàn)在為止，人們把機(jī)器人研究的最高目標(biāo)定為智能機(jī)器人。由此，可以將機(jī)器人分為三代。第一代機(jī)器人是“示教再現(xiàn)”型。所謂示教，即由人“教”機(jī)器人運動的軌跡、停留點位、停留時間等等。然后，機(jī)器人依照教給的行為、順序和速度重復(fù)運動，即所謂的“再現(xiàn)”。示教可以由操作員“手把手”地進(jìn)行，比如，操作人員抓住機(jī)器人上的噴槍，把噴漆時要走的位置定一速機(jī)器人記住了這一連串運動，工作時，自動重復(fù)這些運動，從而完成給定位置的噴漆工作。這種方式是“手把手示教。但是，比較普遍的示教方式是通過控制面板。操作人員利用控制面板上的開關(guān)或銀盤來控制機(jī)器人一步一步地運動，機(jī)器人自動記錄下每一步，然后重復(fù)。目前在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的機(jī)器人還大多屬于這一代。第二代機(jī)器人帶有一定的能對環(huán)境感知的裝置，通過反饋控制，使機(jī)器人能在一定程度上適應(yīng)變化的環(huán)境。這樣的技術(shù)，現(xiàn)在正越來越多地應(yīng)用在機(jī)器人上。比如焊縫跟蹤技術(shù)。機(jī)器人焊接的過程一般是通過示教方式結(jié)出機(jī)器人的運動曲線，機(jī)器人攜帶焊槍走這個曲線，進(jìn)行焊接。這就要求工件的一致性很好，也就是說工件被焊接的位置必須十分準(zhǔn)確。否則，機(jī)器人走的曲線和工件上的實際焊縫位置會有偏差。焊縫跟蹤技術(shù)是在機(jī)器人上加一個傳感器，通過傳感器感知焊縫的位置，再通過反饋控制，機(jī)器人會自動跟蹤焊縫，從而對示教的位置進(jìn)行修正，即使實際焊縫相對于原始設(shè)定的位置有變化，機(jī)器人仍然可以很好地完成焊接工作。第三代機(jī)器人具有發(fā)現(xiàn)問題，并且能自主地解決問題的能力，也就是說具有一定的智能。這一類機(jī)器人也被稱為自治機(jī)器人。這類機(jī)器人帶有多種傳感器，使機(jī)器人可以知道其自身的狀態(tài)，比如在什么位置，自身的系統(tǒng)是否有故障等等。而且可以通過裝在機(jī)器人身上或者在工作環(huán)境中的傳感器感知外部的狀態(tài)，比如發(fā)現(xiàn)道路與危險地段，測出與協(xié)作機(jī)器的相對位置與距離、相互作用的力等等。機(jī)器人能夠根據(jù)得到的這些信息進(jìn)行邏輯推理，判斷決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與變化的外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。這類機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性和自治能力。這是人們努力使機(jī)器人達(dá)到的目標(biāo)，科學(xué)家多年來一直在不懈地研究，出現(xiàn)了很多各具特點的試驗裝置和大量新方法、新思想，但是，在已應(yīng)用的機(jī)器人中，機(jī)器人的自適應(yīng)技術(shù)還是十分有限的，還是發(fā)展的目標(biāo)。1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類關(guān)于機(jī)器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。一般的分類方式見表：分類名稱簡要解釋操作型機(jī)器人能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。程控型機(jī)器人按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動作。示教再現(xiàn)型機(jī)器人通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機(jī)器人動作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。數(shù)控型機(jī)器人不必使機(jī)器人動作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。感覺控制型機(jī)器人利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動作。適應(yīng)控制型機(jī)器人機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人機(jī)器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。智能機(jī)器人以人工智能決定其行動的機(jī)器人。表1-1機(jī)器人的分類方式我國的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前，國際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國的分類是一致的。工業(yè)機(jī)器人，按其結(jié)構(gòu)形式分為球坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)式和水平關(guān)節(jié)式。如下圖。1.3 機(jī)器人的分類按不同的分類力式，機(jī)器人可以分為不同的類型下面給出幾種常用的分類方法：1.按技術(shù)特征來劃分，機(jī)器人可以分為第一代機(jī)器人、第二代機(jī)器人和第三代機(jī)器人第一代機(jī)器人是以順序授制和示教再現(xiàn)為基本控制方式的機(jī)器人，即機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的信息，或根據(jù)操作人員示范的動作來完成規(guī)定的作業(yè)第二代機(jī)器人是有感覺的機(jī)器人第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人(如前所述)2按控制類型來劃分，可以分為以下幾種：(1)伺服控制機(jī)器人采用伺服手段，包括仰置、力等伺服方法進(jìn)行控制的機(jī)器人(2)非伺服控制機(jī)器人采用伺服以外的手段，如順序控制、定位開關(guān)控制等進(jìn)行控制的機(jī)器人(3)PTP控制機(jī)器人只對手部末端的起點和終點位置有要求，而對起點和終點的中間過程無要求的控制方式，如點焊機(jī)器人就是典型的PTP控制機(jī)器人(4)cP控制機(jī)器人除了對起點和終點的要求以外，還對運動軌跡的中間各點有要求的控制方式，如弧焊機(jī)器人就是典型的cP控制機(jī)器人3按機(jī)械結(jié)構(gòu)來劃分，可以分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人，圓枝坐標(biāo)型機(jī)器人，極坐標(biāo)型機(jī)器人，關(guān)節(jié)型機(jī)器人，SCARA型機(jī)器人以及移動機(jī)器人。 4按用途來劃分，可以分為工業(yè)機(jī)器人(包括搬運機(jī)器人、焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、裝配機(jī)器人等等)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人，醫(yī)療機(jī)器人，海洋機(jī)器人，軍用機(jī)器人，太空機(jī)器人，管道機(jī)器人，娛樂機(jī)器人等等通常我們所研究的是工業(yè)機(jī)器人，因而有人把除工業(yè)機(jī)器人以外的所有機(jī)器人通稱為特種機(jī)器人5按機(jī)器人的負(fù)載能力來劃分，可以分為； (1)巨型機(jī)器人，通常作業(yè)負(fù)載在1000kg以上 (2)大型機(jī)器人，通常的作業(yè)貝載在100一1000kg之間 (3)中型機(jī)器人，作業(yè)負(fù)載在10一100kg之間 (4)小型機(jī)器人，其負(fù)載能力為0.110kg之間 (5)微型機(jī)器人，負(fù)載能力在0.1kg以下的機(jī)器人 6披執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力方式來劃分，可以把機(jī)器人分為電動機(jī)器人、液壓機(jī)器人、氣動機(jī)器人等等當(dāng)然，機(jī)器人的分類還有其他方式，如按自由度數(shù)量劃分等，在此不作詳細(xì)敘述。濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）第二章 機(jī)器人的總體和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法第二章 機(jī)器人的總體和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法機(jī)器人設(shè)計包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，檢測傳感系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計等，是機(jī)械、電子、檢測、控制和計算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用為了明確機(jī)器人的設(shè)計任務(wù)和過程，我們有必要先對機(jī)器人的組成和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行介紹 2.1 機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)2.1.1 機(jī)器人的基本組成機(jī)器人由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成這三大部分可分成驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)1.驅(qū)動系統(tǒng)要使機(jī)器人運行起來，需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝囂，這就是驅(qū)動系統(tǒng)2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)身、手臂、末端操作器三大件組成每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機(jī)械系統(tǒng)若機(jī)身具各行走機(jī)構(gòu)便構(gòu)成行走機(jī)器人若機(jī)身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臀(single robot arm)手臂一般由上臂、下臂和手腕組成末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊槍等作業(yè)工具3感受系統(tǒng)它由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感5E模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的、然而，對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。4機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等當(dāng)然，也可以是多臺機(jī)器人、多臺機(jī)床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成為個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元5人一機(jī)交互系統(tǒng)人一機(jī)交互系統(tǒng)是人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置例如，計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端、指令控制臺、信息顯示板、危險情號報警器等歸納起來為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置6控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能如果機(jī)器人不具備信息反饋特征則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)，適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。2.1.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)1自由度自由度是指機(jī)器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，不包括手爪(末端操作器)的開合自由度在三維空間中描述個物體的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)需要六個自由度但是，機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計的，可能少于六個自由度，也可能多于六個自由度例如A4020型裝配機(jī)器人具有四個自由度，可以在印刷電路板上接插電子器件；PuMA562型機(jī)器人具有六個自由度，如圖22所示，可以進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)從運動學(xué)的觀點看，在完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機(jī)器人，就叫作冗余自由度機(jī)器人，亦可簡稱冗余度機(jī)器人例如PuMA562機(jī)器人去執(zhí)行印刷電路板上接插電子器件的作業(yè)時，就成為冗余度機(jī)器人利用冗余的自由度可以增加機(jī)器人的靈活性、躲避障礙物和改善動力性能人的手臀(大臀，小臀，手腕)共有七個自由度，所以工作起來很靈巧，手部可回避障礙物從不同方向到達(dá)同一個目的點大多數(shù)機(jī)器人從總體上看是個開鏈機(jī)構(gòu)，但其中可能包含有局部閉環(huán)結(jié)構(gòu)閉環(huán)機(jī)構(gòu)可提高剛性，但限制了關(guān)節(jié)的活動范圍，因而會使工作空間減小Stewart機(jī)構(gòu)是典型的并聯(lián)機(jī)器人。末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)可由6個直線油缸的行程長度所決定，油缸的端與基座通過二自由度的萬向連抽節(jié)(鉸鏈)相連，另一端(連桿)由三自由度的球一套關(guān)節(jié)(球面副)與末端執(zhí)行器相連這種機(jī)器人特手臀的三個自由度和手腕的三個自由度集成在一起，具有閉環(huán)機(jī)構(gòu)的共同特點：剛度庇，但連桿的運動范圍十分有限特別有趣的是，Stewart機(jī)構(gòu)運動學(xué)反解特別簡單而運動方程的建立十分復(fù)雜，有時還不具備封閉的形式閉環(huán)機(jī)構(gòu)的自由度不如開鏈機(jī)構(gòu)明顯機(jī)構(gòu)的自由度可按照下述公式計算： F 式中，l為連桿數(shù)，包括基座；n為關(guān)節(jié)總數(shù)；f為第i個關(guān)節(jié)的自由度數(shù)對于平面機(jī)構(gòu)(自由物體是三個自由度)，Grubler公式中等號右邊第一項的6改為3Stewart機(jī)構(gòu)有18個關(guān)節(jié)(6個萬向接頭(鉸鏈)，6個球一套關(guān)節(jié)，6個移動關(guān)節(jié))，14個連桿(每個油缸為兩連桿，一個末端是執(zhí)行器，另一個是基座)，18個關(guān)節(jié)共有三十六個自內(nèi)度根據(jù)GNNef公式，可知Stewart機(jī)構(gòu)共有六個自由度。2定位精度和重復(fù)定位幅度機(jī)器人精度是指定價精度和重復(fù)定位精度定位精度是指機(jī)器人手部實際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位其于部于同一日標(biāo)位置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個統(tǒng)計量來表示它是衡量一系列誤差值的密集度，即重復(fù)度(a)重復(fù)定位精度的測定；(b)合理定位精度，良好重復(fù)定位精度(c)良好定位精度很差重復(fù)定位精度(d)很差定位精度，良好重復(fù)定位精度3工作范圍工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。因為末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域工作范圍的形狀和大小是十分重要的機(jī)器人在執(zhí)行某一作業(yè)時，可能會因為存在手部不能到達(dá)的作業(yè)死區(qū)(Dead zone)而不能完成任務(wù)。4最大工作速度通常指機(jī)器人手臂末端的最大速度提高速度可提高工作效率，因此提高機(jī)器人的加速減速能力，保證機(jī)器人加速減速過程的平穩(wěn)性是非常重要的5承載能力承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量機(jī)器人的載荷不僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，而且還與機(jī)器人運行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見，承載能力是指高速運行時的承載能力通常，承載能力不僅要考慮負(fù)載，而且還要考慮機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量2.2 機(jī)器人的總體設(shè)計機(jī)器人總體設(shè)計的主要內(nèi)容有：確定基本參數(shù)，選擇運動方式，手臂配置形式，位置檢測，驅(qū)動和控制方式等在結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，對各部件的強度、剛度做必要的驗算機(jī)器人總體設(shè)計步驟分以下幾個部分221 系統(tǒng)分析機(jī)器人是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、提高勞動生產(chǎn)牢的一種有力工具若要使一個生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，需要對各種機(jī)械化、自動化裝置進(jìn)行綜合的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，確定使用機(jī)器人或機(jī)械手是否合適一旦確定使用機(jī)器人或機(jī)械手，設(shè)計人員般要先做如下工作： (1)根據(jù)機(jī)器人的使用場合，明確采用機(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，包括機(jī)器人與已有設(shè)備的兼容性 (3)認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案如機(jī)器人的自由度數(shù)、信息的存儲容量、計算機(jī)功能、動作速度、定位精度、抓取重量、容許的空間結(jié)構(gòu)尺寸以及溫度、振動等環(huán)境條件的適用性等進(jìn)一步通過對鎮(zhèn)抓取、投運釣體的重量、形狀、尺寸及生產(chǎn)批量等情況，來確定手部形式及抓取工件的部位和握力。 (4)進(jìn)行必要的調(diào)查研究，搜集國內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料，進(jìn)行綜合分析，找出借鑒處和需要注意的問題222 技術(shù)設(shè)計1機(jī)器人基本參數(shù)的確定在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，具體確定臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、運動速度及定位高度等基本多數(shù)。(1)臂力的確定目前使用的機(jī)器人與機(jī)械手的臂力范圍較大對專用機(jī)械手來說，臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量來定，其安全系數(shù)一般可在153o范圍內(nèi)選取對于工業(yè)機(jī)器人來說，貿(mào)力要根據(jù)被抓取、搬運物體的重量變化范圍來定(2)工作范圍的確定機(jī)器人或機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定一個操作運動的軌跡往往是幾個動作合成的在確定工作范圍時，可待運動軌跡分解成單個動作，由單個動作的行程確定機(jī)器人或機(jī)械手的最大行程為便于調(diào)整可適當(dāng)加大行程數(shù)值各個動作的最大行程確定之后，機(jī)器人或機(jī)械手的工作范圍也就定下來了(3)確定運動速度機(jī)器人或機(jī)械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個動作的時間，進(jìn)而確定各動作的運動速度如一個機(jī)器人或機(jī)械手要完成某一工件的上料過程，需完成夾緊工件，手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)等 系列動作，這些動作都應(yīng)該在工作節(jié)拍所規(guī)定的時間內(nèi)完成至于各動作的時間究競應(yīng)如何分配，則取決于很多因素，不是般的計算所能確定的要根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，并試作各動作的分配方案，進(jìn)行比較平衡后，才能確定節(jié)拍較短時，更需仔細(xì)考慮機(jī)器人或機(jī)械手的總動作時間應(yīng)小于或等于工作節(jié)拍如果兩個動作同時進(jìn)行，要按時間較長的計算一旦確定了最大行程和動作時間，其運動速度也就確定下來了分配各動作時間應(yīng)考慮以下要求：1給定的運動時間應(yīng)大于電氣、液(氣)壓元件的執(zhí)行時間2伸縮運動的速度要大于回轉(zhuǎn)運動的速度因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一船大于伸縮運動的慣性機(jī)器人或機(jī)械手升降、回轉(zhuǎn)及伸縮運動的時間分配要根據(jù)實際情況進(jìn)行分配如果工作節(jié)拍短，上述運動所分配的時間就短，運動速度就一定要提高但速度不能太高，否則會給設(shè)計、制造帶來困難在滿足工作節(jié)拍要求的條件下，應(yīng)盡量選取較低的運動速度機(jī)器人或機(jī)械手的運動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定3在工作節(jié)拍短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進(jìn)行措施，以保證動作的同步(4)定位精度的確定機(jī)器人或機(jī)械手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機(jī)器人或機(jī)械手本身所能達(dá)到的定位精度，取決于定位方式、運動速度、控制方式、臀部剛度、驅(qū)動方式、緩沖方法等因素工藝過程的不同，對機(jī)器人或機(jī)械手重復(fù)定位精度的要求也不同不同工藝過程所要求的定位精度一般如下：金屬切削機(jī)床上下料沖床上下料 點焊 模鍛 噴涂 裝配、檢測 當(dāng)機(jī)器人或機(jī)械手達(dá)到所要求的定位精度有困難時，可采用輔助工夾具協(xié)助定位的辦法，即機(jī)器人或機(jī)械手把被抓取物體送到工、夾具進(jìn)行粗定位，然后利用工、夾具的夾緊動作實現(xiàn)工件的最后定位這種辦法既能保證工藝要求，又可降低機(jī)器人或機(jī)械手的定位要求2機(jī)器人運動形式的選擇根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)常見機(jī)器人的運動形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和scARA型同種運動形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不向的結(jié)構(gòu)具體選用哪種形式，必須根據(jù)工藝要求、工作現(xiàn)場、位置以及搬運前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較。擇優(yōu)選取為了滿足特定工藝要求，專用的機(jī)械手一般只要求有二個或三個自由度，而通用機(jī)器人必須具有四至六個自由度，才能滿足不同產(chǎn)品的不同工藝要求所選擇的運動形式，在滿足需要的情況下，應(yīng)以使自由度最少、結(jié)構(gòu)最簡單為準(zhǔn)(1)直角坐標(biāo)式機(jī)器人這種機(jī)器人的外形輪廓與數(shù)控幢銑床或三坐標(biāo)測量機(jī)相似，如圖27所示3個關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的小和z軸它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測作業(yè)這種形式的主要特點是：1.結(jié)構(gòu)簡單，直觀，剛度高多做成大型龍門式或框架式機(jī)器人2.3個關(guān)節(jié)的運動相互獨立，沒有精合，不影響手爪的姿態(tài)運動學(xué)求解簡單，不產(chǎn)生奇異狀態(tài)采用直線波動導(dǎo)軌后，速度和定位精度高3.工件的裝卸、夾具的安裝等受到立柱、楊梁等構(gòu)件的限制4.占地面積大，動作范圍小5.容易編程和控制，控制方式與數(shù)控機(jī)床類似(2)圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人如圖28所示，是以口，2和f為參數(shù)構(gòu)成坐標(biāo)系手腕參考點P的位置可表示為尸八d，z，)其中是手臂的徑向長度，6是手臂繞水平袖的角位移億是在垂直軸上的高度如果r不變，手臂的運動將形成一個圓往表面空間定位比較直觀手臀收回后，其后端可能與工作空間內(nèi)的其他物體相碰移動關(guān)節(jié)不易防護(hù) (3)球(權(quán))坐標(biāo)式機(jī)器人 球坐標(biāo)式機(jī)器人如圖29所示腕部參考點運動所形成的最大軌跡表面是半徑為略的球面的一部分，以口fP，?為坐標(biāo)，任意點戶可表示為嚴(yán)(口，P，f)這類機(jī)器人占地面積小，工作空間較大，移動關(guān)節(jié)不易防護(hù) (4)SCARA機(jī)器人 SCARA機(jī)器人有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向另一個關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)，用于完成末端件垂直于平面的運動手腕參考點的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移田rR和移動關(guān)節(jié)的位移?決定的，即Pf()，這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快例如Adeptl型scARA機(jī)器人的運動速度可達(dá)10 ms，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍它最適用于平面定位，而在垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè) (5)關(guān)節(jié)式機(jī)器人這類機(jī)器人由2個肩關(guān)節(jié)和I個肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個或3個碗關(guān)節(jié)進(jìn)行定向其中，一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰這兩個肩關(guān)節(jié)軸線正交肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線如圖211所示這種構(gòu)形動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對運動部位容易密封防塵這類機(jī)器人運動學(xué)較復(fù)雜，運動學(xué)反解因難；確定末端件的位姿不直觀，進(jìn)行控制時，計算量比較大3拙定檢測傳感系統(tǒng)框圖選擇合適的傳感器，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮安裝位置4確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖5. 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計確定驅(qū)動方式，選擇運動部件和設(shè)計具體結(jié)構(gòu)，繪制機(jī)器人總裝圖及主要部件零件圖2. 23 仿真分析(1)運動學(xué)計算分析是否能達(dá)到要求的速度、加速度、位置(2)動力學(xué)計算計算關(guān)節(jié)驅(qū)動力的大小，分析驅(qū)動裝置是否滿足要求。(3)運動的動態(tài)仿真將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來，實現(xiàn)機(jī)器人的運動仿真(4)性能分析建立機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，對機(jī)器人動態(tài)性能進(jìn)行仿真計算。(5)方案和參數(shù)修改運用仿真分析的結(jié)果對所設(shè)計的方案、結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)進(jìn)行修改，加以完善機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計是機(jī)器人設(shè)計的重要部分其他系統(tǒng)的設(shè)計盡管有各自的獨立性，但都必須與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，相輔相成，構(gòu)成一個完整的機(jī)器人系統(tǒng)2.3 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計方法在確定機(jī)器人運動形式的基礎(chǔ)上，機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計還包括確定機(jī)器人驅(qū)動方式、關(guān)節(jié)驅(qū)動方式、材料選擇、平衡系統(tǒng)設(shè)計和零部件設(shè)計下面就這些問題進(jìn)行分析 1. 機(jī)器人驅(qū)動方式機(jī)器人驅(qū)動方式有電動、液壓和氣動三種一臺機(jī)器人可以只用一種驅(qū)動方式，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動選擇時主要考慮負(fù)載、效率、精度和環(huán)境等因素液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，因此，大負(fù)載通常選用液壓驅(qū)動氣動系統(tǒng)簡單、成本低，適合節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場合，常用于點位控制、抓取、彈性捏持和真空吸附電動系統(tǒng)適合于中等負(fù)載，特別適合動作復(fù)雜、運動軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人2關(guān)節(jié)驅(qū)動方式關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動兩種方式直接驅(qū)動方式是驅(qū)動器的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連間接驅(qū)動力式是驅(qū)動器經(jīng)過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行這桿等裝置后與關(guān)節(jié)軸相連(1)關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式直接驅(qū)動機(jī)器人也叫作DD機(jī)器人(D加瓤小i代r。bot)，簡稱DD只DD機(jī)器人一般指驅(qū)動電機(jī)通過機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接DD機(jī)器人的特點是驅(qū)動電機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換目前中小型機(jī)器人一般采用普通的直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行電機(jī)出于電機(jī)速度較高，所以需配以大速比減速裝置，進(jìn)行間接傳動但是，間接驅(qū)動帶來了機(jī)械傳動中不可避免的誤差，引起沖擊振動，影響機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性，并且增加關(guān)節(jié)重量和尺寸DD機(jī)器人與間接驅(qū)動機(jī)器人相比，有如下優(yōu)點：1機(jī)械傳動精度高。2振動小，結(jié)構(gòu)剛度好3機(jī)械傳動損耗小4結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高5電機(jī)峰值轉(zhuǎn)短大，電氣時間常數(shù)小，短時間內(nèi)可以產(chǎn)生根大轉(zhuǎn)矩 圍寬6控制性能較好日本、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異的DD機(jī)器人美國AdePt公司研制出帶有視覺功能的四自由度平面關(guān)節(jié)型DD機(jī)器人日本大H機(jī)工公司研制成功了五自由度關(guān)節(jié)型DD600V機(jī)器人其性能指標(biāo)為：最大工作范圍12m，可搬重量5kg，最大運動速度82ms，重復(fù)定位精度o05mmDD機(jī)器人是一種極有發(fā)展前途的機(jī)器人，許多國家為實現(xiàn)機(jī)器人高精度、高速度和高智能，對DD機(jī)器人投入了大量的研究和開發(fā)目前七要存在的問題是：1載荷變化、鍋臺轉(zhuǎn)矩及非線性轉(zhuǎn)矩對驅(qū)動及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計困難和復(fù)雜2對位置、速度的傳惑元件提出了相當(dāng)高的要求傳感器精度為帶減速裝置(速比為尺)間接驅(qū)動的皮倍以上3電機(jī)的轉(zhuǎn)短重量比和轉(zhuǎn)矩體積比不大，需開發(fā)小型實用的DD電機(jī)4電機(jī)成本高DD機(jī)器人把電機(jī)直接安裝在關(guān)節(jié)上使機(jī)器人的負(fù)載能力和效率下降(2)關(guān)節(jié)間接驅(qū)動方式大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動這種間接驅(qū)動，通常其驅(qū)動器的輸出力矩大大小于驅(qū)動關(guān)節(jié)所需要的力矩，所以必須使用減速器另外，由于手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以多自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)上安裝驅(qū)動器臺使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動器的負(fù)荷增大解決這一問題的方法，通?？捎孟铝行问降拈g接驅(qū)動機(jī)構(gòu)1鋼絲繩這是把驅(qū)動器和關(guān)節(jié)分開安裝，然后使用鋼絲繩傳遞動力的方式這種方式有鋼絲繩一軟警方式和鋼絲繩一滑輪方式兩種鋼絲繩一軟管方式：因鋼絲繩的路徑能夠任意決定，所以能夠較容易地構(gòu)成多自由度的驅(qū)動系統(tǒng)但因鋼絲繩和軟營之間存在不能忽略的摩擦，所以它的控制比較困難鋼絲繩一滑輪方式：雖然它的非線性因素少，但是滑輪的裝配方式、鋼絲繩的路徑構(gòu)成等非常困難2鏈條和鋼帶這種方式也是把驅(qū)動器安排在離關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)的地方，是遠(yuǎn)程驅(qū)動的手段之一鏈條、鋼帶與鋼絲繩相比，剛性高，能傳遞較大的輸出，但設(shè)計上的限制也大在xARA型的關(guān)節(jié)機(jī)器人中多采用此法3平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)的特點是能夠把驅(qū)動器安裝在手臂的根部，而且該結(jié)構(gòu)能夠使坐標(biāo)變換運算簡單3材料的選擇選擇機(jī)器人本體材料，應(yīng)從機(jī)器人的性能要求出發(fā)，滿足機(jī)器人的設(shè)計和制作要求機(jī)器人材料并不是簡單工業(yè)材料的組合，它應(yīng)是滿足機(jī)器人性能的材料應(yīng)在充分拿捏機(jī)器人的特性和各組成部分的基礎(chǔ)上，從設(shè)計思想出發(fā)，確定所用材料的特性，即必須事先充分領(lǐng)會機(jī)器人的概念和各組成部分的作用機(jī)器人本體被用來支承、連接、固定機(jī)器人的各部分，當(dāng)然也包括機(jī)器人的運動部分，這一點與般的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性相同機(jī)器人本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料另一方面，機(jī)器人本體又不單是固定結(jié)構(gòu)件，比如，機(jī)器人臂是運動的，機(jī)器人整體也是運動的，所以，機(jī)器人運動部分的材料質(zhì)量要輕精密機(jī)器人對機(jī)器人的剛度有一定的要求，即對材料的剛性有要求剛度沒計時?？紤]靜剛度和動剛度，即要考慮振動問題從材料角度看，控制振動汐及到減輕重量和抑制振動兩方面，本質(zhì)上就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問題，它與材料的抗振性緊密相關(guān)傳統(tǒng)的工業(yè)材料或機(jī)械材料與機(jī)器人材料之間的差別，在于機(jī)器人是伺服機(jī)構(gòu)，其運動是可控的，這就是傳統(tǒng)材料中所沒有的“被控性”。材料的“被控性”是與材料的“結(jié)構(gòu)性”、“輕質(zhì)性”和“可加工性同樣重要的因素材料的可加工性是指加工成發(fā)揮材料特性的形狀時的難易程度，是一個很重要的指標(biāo)材料的被控性取決于材料的輕質(zhì)性、抗振性和彈性機(jī)器人本體材料必須與材料的結(jié)構(gòu)性、輕質(zhì)性、剛性、抗振性和機(jī)器人整體性能一同考慮機(jī)器人與人類共存，尤其是家用和服務(wù)機(jī)器人的外觀將與傳統(tǒng)機(jī)械大有不同這樣一來，將會出現(xiàn)比傳統(tǒng)工業(yè)材料更富有美感的機(jī)器人本體材料從這一點看，機(jī)器人材料又應(yīng)具備揉軟和外觀美等特點總之，選擇機(jī)器人材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性b抗振性、外觀以及價格等因素下面簡介機(jī)器人常用材料1碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼；這類材料強度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強度增大了45倍彈性模且E大，抗變形能力強，是應(yīng)用最廣泛的材料2鋁、鋁合金及其他輕合金材料：這類材料的共同特點是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故EP之比仍可與鋼材相比有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加32重量理的銘合金，彈性模量增加了x，EP比增加了163纖維增強合金：如硼纖維增強鋁合金(Boronjjber十einfofced aIumm Mm)、石墨纖維增強鎂合金(Graphd efiberGinforced ma8nesNm)，其EP比分別達(dá)到11410g m 2s 2和8910ms z這種纖維增強金屬材料具有非常高的EP比，而且沒有無機(jī)復(fù)合材料的缺點，但價格昂貴1陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長孔的連扦，與金屬零件連接的接合部房特殊設(shè)計然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臀的樣品2纖維增強復(fù)合材料：這類材料具有極好的EP比，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎洠约芭c金屑件連接困難等問題這類材料不但重量輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu)點傳統(tǒng)金屑材料不可能具有這么大的阻尼所以在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實例越來越多登層復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)墨層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼值田粘彈性大阻尼材料：增大機(jī)器人連稈件的阻尼是改善機(jī)器人動態(tài)特性的有效方法目前有許多方法用來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人采用的一種方法是用粘彈性大因尼材料，對原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理.吉林工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械臂振動控制中應(yīng)用的實驗，結(jié)果表明，機(jī)械臀的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為 土030 mm，處理后為土016mm，殘余振動時間在阻尼處理前后分別為0.9s和05s4平衡系統(tǒng)設(shè)計(1)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的作用機(jī)器人是一個多剛體鍋臺系統(tǒng)，系統(tǒng)的平衡性是極其重要的理由是；安全根據(jù)機(jī)器人動力學(xué)方程知道，關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩包括重力矩項，即各連桿質(zhì)量對關(guān)節(jié)產(chǎn)生的重力矩因為重力是永運的，即使機(jī)器人停止了運動，重力矩項仍然存在這樣，當(dāng)機(jī)器人完成作業(yè)，切斷電源后，機(jī)器人機(jī)構(gòu)會因重力而失去穩(wěn)定平衡系統(tǒng)是為了防止機(jī)器人因動力源中斷而失穩(wěn)，引起“倒煽”的趨勢借助平衡系統(tǒng)朗降低因機(jī)器人構(gòu)形變化，而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運動，導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的埠值借助平衡系統(tǒng)能減少動力學(xué)方程中內(nèi)部鍋臺項和非線性項，改善機(jī)器人動力特性借助平衡系統(tǒng)能減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影確借助平衡系統(tǒng)能使機(jī)器人運行穩(wěn)定降低地面安裝要求5主要部件的設(shè)計和選擇 近年來，機(jī)器人朝著智能化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展模塊化機(jī)器人得到重視，是由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊，通過具有特殊功能的結(jié)合部件，用積木拼搭的方式組成一個機(jī)器人系統(tǒng)其特點是經(jīng)濟(jì)、靈活目前，國內(nèi)外已研制和生產(chǎn)了各種不同的標(biāo)準(zhǔn)組件，如伺服電機(jī)、傳感器、手臂、手腕、手爪、機(jī)身因此，在設(shè)計機(jī)器人時，可選用標(biāo)準(zhǔn)模塊當(dāng)然也可自行設(shè)計一些專用部件。濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）第三章 連桿搬運機(jī)械手的方案設(shè)計第三章 連桿搬運機(jī)械手的方案設(shè)計連桿是內(nèi)燃機(jī)中的一個重要的零件，加工工序多，精度要求高，適合流水線加工。該設(shè)計的連桿加工搬運機(jī)械手，是用于連桿生產(chǎn)線上的搬運要求搬運準(zhǔn)確，對連桿有可靠的定位，搬運半徑1500mm，工作臺高度800mm工作循環(huán)為1分鐘。3.1 參數(shù)連桿搬運機(jī)器人4個自由度連桿重量5kg10kg連桿直徑30mm60mm3.2 驅(qū)動方式的選擇工業(yè)機(jī)器人常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電動驅(qū)動三種基本方式。 表3-1各種驅(qū)動方式的比較內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電動驅(qū)動輸出功率 很大，壓力范圍為50140N/cm2 大，壓力范圍為4860N/cm2，最大可達(dá)100N/cm2 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，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(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，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。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，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動機(jī)外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險 防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機(jī)換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 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，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點焊機(jī)器人和托運機(jī)器人 適用于中小負(fù)載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動平衡及裝配機(jī)器人氣動夾具 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜（一）氣缸的選取氣動：結(jié)構(gòu)簡單，成本低。適合節(jié)拍快，負(fù)載小且精度要求不高的場合。常用于點位控制，抓取，彈性握持和真空吸附。介質(zhì)提取和處理方便；氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器；介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題；阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送；外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染；動作迅速，反應(yīng)靈敏，氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的工作壓力。缺點是不好精確控制。氣缸是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊麠U上的機(jī)械能，并產(chǎn)生直線往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運動的裝置。氣缸的類型可分為以下幾種：柱塞式、活塞式、薄膜式和擺動式。其中活塞式如下圖所示： 圖二氣缸的選擇要點：1、作用力的大?。焊鶕?jù)外部工作所需要的力的大小，確定活塞桿上的推力或拉力。必須指出，同一氣缸工作時的實際出力大小隨要求的工作速度不同有很大變化。速度增高，則由于背壓增高等因素影響，出力將急劇降低，其變化并非直線關(guān)系。選擇缸徑時對此必須十分注意。應(yīng)依據(jù)工作條件不同，按外載荷理論平衡條件所需汽缸作用力在近似地乘以1.152的備用系數(shù)，從而確定所需氣缸的內(nèi)徑。2、活塞行程的長短：形成就是汽缸活塞所能易懂的最大距離，帶緩沖裝置的汽缸其緩沖部分的距離也包括在內(nèi)。行程的長短與使用場合有關(guān)，也受加工和結(jié)構(gòu)上的限制。3、安裝形式：根據(jù)安裝位置、使用目的等因素來確定。在一般場合下，多選用固定式氣缸。在車床或磨床上，工作需作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)應(yīng)選用回轉(zhuǎn)汽缸。在活塞桿初作直線運動外，又要作較大的圓弧運動時，則選用擺動式氣缸。4、活塞桿的運動速度：主要決定于氣缸進(jìn)排氣口及導(dǎo)管內(nèi)徑的大小。如果要求活塞桿高速度地運動時，應(yīng)選用大的進(jìn)排氣口及導(dǎo)管。通常為了得到緩慢的、平穩(wěn)的活塞桿運動速度，可選用帶截流裝置或油液阻尼裝置的氣缸。本次設(shè)計中選用了SMC公司生產(chǎn)的無桿氣缸,型號為MY1B32和MY1B40。標(biāo)準(zhǔn)型氣缸CM2B25-300。使得設(shè)計更加簡潔和標(biāo)準(zhǔn)化。（二）電機(jī)的選取在機(jī)電傳動系統(tǒng)中，選擇一臺合適的電動機(jī)是極為重要的。電動機(jī)選擇主要是容量的選擇，如果電動機(jī)得容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力，是生產(chǎn)效率降低，另一方面，電動機(jī)經(jīng)常在過載下運行，會使它過早損壞，同時還可能出現(xiàn)啟動困難、經(jīng)受不起沖擊負(fù)載等故障。如果電動機(jī)的容量選大了，則不僅使設(shè)備投資費用增加，而且由于電動機(jī)經(jīng)常在輕載下運行，運行效率和功率因數(shù)（對異步電動機(jī)而言）都會下降。選擇電動機(jī)容量應(yīng)根據(jù)以下三項基本原則進(jìn)行。1、 發(fā)熱電動機(jī)在運行時，必須保證電動機(jī)的實際最高工作溫度max等于或略小于電動機(jī)絕緣的最高工作溫度a，即max. a2、 過載能力電動機(jī)在運行時，必須具有一定的過載能力。特別是在短期工作時，電動機(jī)的熱慣性很大，電動機(jī)在短期內(nèi)承受高于額定功率的負(fù)載功率時仍可保證max. a.，故此時，決定電動機(jī)容量的主要因素不是發(fā)熱二十電動機(jī)的過載能力。即所選電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax（對于異步電動機(jī)）或最大允許電流Imax（對于直流電動機(jī)而言）必須大于運行過程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLmax或最大負(fù)載電流I,max。3、 啟動能力必須保證電動機(jī)能可靠啟動。除了正確選擇電動機(jī)的容量外，還需要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工作環(huán)境等條件，來正確選擇電動機(jī)的種類、電壓、轉(zhuǎn)速和電動機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。電動機(jī)類型選擇的基本依據(jù)是在滿足生產(chǎn)機(jī)械對拖動系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便、價格低廉。（1） 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器 步進(jìn)電動機(jī)是將電脈沖信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化，誤差不長期積累，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速，實現(xiàn)快速起動、正反轉(zhuǎn)制動。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到較廣泛的應(yīng)用。但由于其存在過載能力差、調(diào)速范圍相對較小、低速運動有脈動、不平衡等缺點，一般只應(yīng)用于小型或簡易型機(jī)器人中。（2） 伺服電動機(jī)驅(qū)動伺服電動機(jī)驅(qū)動包括直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和交流伺服電動機(jī)驅(qū)動。直流伺服電動機(jī)在磁場恒定時，電流正比與輸出轉(zhuǎn)矩，易于控制，且有理想的機(jī)械特性。在20世紀(jì)80年代中期前直流伺服電動機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動。但由于它采用電刷換向器，需要定期維護(hù)，轉(zhuǎn)速不能太高，功率不能太大，功率/體積比和功率/質(zhì)量比不高等原因，今天已經(jīng)逐漸被交流伺服電動機(jī)所取代。直流伺服電動機(jī)主要有鐵心式直流伺服電動機(jī)、表面繞阻永磁直流伺服電動機(jī)和動圈式永磁直流伺服電動機(jī)三種。其中鐵心式直溜伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量大，可靠性高，成本低，應(yīng)用最廣泛。動圈式永磁直流伺服電動機(jī)的電樞用環(huán)氧樹脂或玻璃纖維支撐繞阻，所以電樞電感小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小