【正文】 前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來(lái)越高，功能也越來(lái)越強(qiáng)，正在向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展［7］。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展， 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前也已開(kāi)始擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。如，水下機(jī)器人、拋光機(jī)器人、打毛刺機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人、高壓線作業(yè)機(jī)器人。即工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用向大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領(lǐng)域深化擴(kuò)展［8］。隨著人們生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩， 未來(lái)的機(jī)器人將為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。在國(guó)內(nèi)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)勢(shì)頭十分強(qiáng)勁。首先是我國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)汽車制造裝配提出了大量的需求。2000 年開(kāi)始，受國(guó)家宏觀調(diào)控及居民消費(fèi)水平提高的影響，我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)歷史性的高速增長(zhǎng)期［9］。針對(duì)這種局面，國(guó)內(nèi)汽車自主品牌生產(chǎn)廠家紛紛加大研發(fā)和投資力度。工業(yè)機(jī)器人是汽車生產(chǎn)中的一種主要的自動(dòng)化設(shè)備， 在整車及零部件生產(chǎn)的弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、搬運(yùn)、涂膠等工藝中有大量應(yīng)用，整個(gè)行業(yè)的增產(chǎn)擴(kuò)能增加了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求。除了汽車行業(yè)，IT 行業(yè)、材料處理等行業(yè)的發(fā)展也給工業(yè)機(jī)器人發(fā)展提供者巨大的動(dòng)力。2五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真其次是我國(guó)的勞動(dòng)力成本的變化。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)的增強(qiáng)，勞動(dòng)力供應(yīng)格局已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生變化。勞動(dòng)力由供遠(yuǎn)大于求向供求平衡發(fā)展， 工人對(duì)薪資和工作條件提出了更高的要求。這種轉(zhuǎn)變促使企業(yè)認(rèn)識(shí)到必須通過(guò)改進(jìn)機(jī)器設(shè)備，提高技術(shù)和資金的密集度以盡量減少用工量， 其中工業(yè)機(jī)器人成為應(yīng)對(duì)這一轉(zhuǎn)變的主要手段［10］。最后是提高產(chǎn)品質(zhì)量的需求。持續(xù)的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，尤其是對(duì)外出口以及國(guó)內(nèi)外資企業(yè)對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格要求， 逼迫產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始重視工業(yè)機(jī)器人在提高生產(chǎn)效率同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量中所起的巨大作用。所以近年來(lái)許多企業(yè)越來(lái)越重視生產(chǎn)中工業(yè)機(jī)器人的使用，從而提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向［11］。（1）水下機(jī)器人：美國(guó)的AUSS、俄羅斯的MT8法國(guó)的EPAVLARD等水下機(jī)器人已用于海洋石油開(kāi)采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護(hù)、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機(jī)器人（remote operated vehicle）和無(wú)纜水下機(jī)器人（autonomous under water vehicle）兩大類。（2）空間機(jī)器人：空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國(guó)已研制出各種空間機(jī)器人。如美國(guó)NASA的空間機(jī)器人Sojourner等。Sojourner是一輛自主移動(dòng)車，尺寸480~630mm，有6個(gè)車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān)注。（3）核工業(yè)用機(jī)器人：國(guó)外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動(dòng)機(jī)器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國(guó)ORML基于機(jī)器人的放射性儲(chǔ)罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來(lái)大研制成功的輻射監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，德國(guó)的C7靈巧手等。（4）地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩在類。主要研究?jī)?nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機(jī)器人，各種采機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)正在研制中。3五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真（5）醫(yī)用機(jī)器人：醫(yī)用機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場(chǎng)感外科手術(shù)等。美國(guó)已開(kāi)展臨場(chǎng)感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國(guó)家聯(lián)合開(kāi)展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計(jì)劃、袖珍機(jī)器人（biomed）計(jì)劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電手術(shù)工具等項(xiàng)目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。（6）建筑機(jī)器人：日本已研制出20多種建筑機(jī)器人。如高層建筑抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)有和。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝機(jī)器人等型號(hào)的研制、并開(kāi)展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)自動(dòng)化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國(guó)也在開(kāi)展這方面的研究。（7）軍用機(jī)器人：近年來(lái)，美、英、法、德等國(guó)已研制出第二代軍用智能機(jī)器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上具有看、嗅和角摸能力，能夠 自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方目標(biāo)的功能。如美國(guó)的Navplab自主導(dǎo)航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國(guó)的自主式快速運(yùn)動(dòng)偵察車（DARDS），德國(guó)MV4爆炸物處理機(jī)器人等。目前美國(guó)ORNL正在研制和開(kāi)發(fā)Abrams坦克、愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈裝電池用機(jī)器人等各種用途的軍用機(jī)器人?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴［12］。 研究現(xiàn)狀2009年汽車行業(yè)大量投資，尤其是亞洲，增加了機(jī)器人的裝備量。2009年，中國(guó)超越美國(guó)成為全球最大的汽車市場(chǎng)。中國(guó)還是最大的生產(chǎn)工廠，具有非常大的增長(zhǎng)潛力，中國(guó)消費(fèi)市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，來(lái)自中國(guó)的需求直接影響全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇［13］。幾乎全部行業(yè)都從增長(zhǎng)的需求（包括各種消費(fèi)品）中受益。由于政府的經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃和貨幣政策的放寬，中國(guó)經(jīng)濟(jì)從全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)中復(fù)蘇得異?？焖佟?009年，弧焊是最重要的應(yīng)用，占工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)總份額的37%，2009年約為2000臺(tái)，增加了12%。在2006年至2009年間，該領(lǐng)域應(yīng)用從850臺(tái)左右持續(xù)增加至2000臺(tái)。點(diǎn)焊應(yīng)用也從2006年開(kāi)始增加，2008年激增126%，增至1600臺(tái)，占工業(yè)機(jī)器人4五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真市場(chǎng)總份額的20%。而2009年，該應(yīng)用下降了61%，降至610臺(tái)。另外，激光焊應(yīng)用也在2008年有明顯的增加，在2009年大幅下降，下降了26%，約為2700臺(tái)，占工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)總份額的49%，比2008年的46%有所增加。裝卸和上下料機(jī)器人數(shù)量下降了46%，約為1600臺(tái)。作為主要的機(jī)器人裝卸應(yīng)用領(lǐng)域，塑料成型應(yīng)用降至652臺(tái)，下降了62%。這與2008年橡膠和塑料行業(yè)日益惡化的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)有關(guān)。盡管營(yíng)業(yè)額在2009年又有所增加，但機(jī)器人方面的投資仍在縮減。物料搬運(yùn)機(jī)器人在2005年到2008年期間有大幅增長(zhǎng)，而在2009年下降了31%，降至563臺(tái)，占總供應(yīng)量的10%。2009年，碼垛、包裝及拾放機(jī)器人從190臺(tái)上升至283臺(tái)，增長(zhǎng)了近50%。這與食品及飲料行業(yè)的投資增加有關(guān)，其主要客戶也在該應(yīng)用領(lǐng)域，質(zhì)量和衛(wèi)生方面要求的提高推動(dòng)了該行業(yè)的自動(dòng)化。封膠機(jī)器人小幅增加了2%；噴涂機(jī)器人增加了14%，達(dá)到380臺(tái)。而密封和涂膠機(jī)器人下降了38%（61臺(tái)）。噴涂機(jī)器人主要用于汽車行業(yè)，2009年在機(jī)器人裝配方面的投資仍集中于某些特殊應(yīng)用［14］。從2005年到2008年，潔凈機(jī)器人應(yīng)用持續(xù)增長(zhǎng)，2009年下降了41%，這與2009年半導(dǎo)體市場(chǎng)的萎縮有關(guān)。裝配機(jī)器人增長(zhǎng)了13%，增至124臺(tái)。雖然從2005年開(kāi)始每年的供應(yīng)持續(xù)增加，但數(shù)量仍較小。用于加工的機(jī)器人不足總供應(yīng)的1%（見(jiàn)圖11）［15］從機(jī)器人的安裝情況以及機(jī)器人制造商提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，我們可以從行業(yè)角度進(jìn)行粗略的分析。用于焊接、噴涂及各種裝配操作的機(jī)器人主要安裝于汽車行業(yè)，2009年該應(yīng)用領(lǐng)域占所有機(jī)器人總量的50%。橡膠和塑料行業(yè)占15%左右。潔凈機(jī)器人主要用于電子零部件行業(yè)，用于電氣/電子行業(yè)（包括通信）的機(jī)器人約占10%至15%。金屬及機(jī)械行業(yè)約占15%。食品及飲料行業(yè)占3%，制藥及化妝品行業(yè)占1%左右。與2008年相比，2009年大多行業(yè)機(jī)器人的安裝量都有所減少。金屬行業(yè)和制藥及化妝品行業(yè)中機(jī)器人的應(yīng)用稍有增加。食品及飲料行業(yè)的應(yīng)用大幅增加，但數(shù)量仍較少。5。五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真圖 11 中國(guó)機(jī)器人增長(zhǎng)趨勢(shì)圖隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷向智能化發(fā)展， 機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及在系統(tǒng)中的群體應(yīng)用， 工業(yè)機(jī)器人在不斷向著智能化方向發(fā)展，以滿足多樣化、個(gè)性化的需求，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍［16］。工業(yè)機(jī)器人向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為： 結(jié)構(gòu)的模塊化的可重構(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。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)主體的發(fā)展目標(biāo)是： 瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿高科技發(fā)展方向， 創(chuàng)新性地研究和開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。通過(guò)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，提高我國(guó)制造業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)的裝備技術(shù)水平，促進(jìn)裝備制造業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與產(chǎn)品的升級(jí)換代， 帶動(dòng)全行業(yè)的科技進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)提升，擴(kuò)大非制造領(lǐng)域機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)家安全與綜合國(guó)力。實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，建立若干機(jī)器人技術(shù)工程研究開(kāi)發(fā)中心，提高技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與自主創(chuàng)新能力，形成我國(guó)機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)源頭。隨著工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的深度和廣度， 以及機(jī)器人智能水平的提高，工業(yè)機(jī)器人已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。自從20 世紀(jì)60 年代初人類創(chuàng)造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以后，工業(yè)機(jī)器人就顯示出它極大的生命力，在短短50 年的時(shí)間中，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展［17］。目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器6五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來(lái)越高，功能也越來(lái)越強(qiáng)，正在向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展，目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也已開(kāi)始擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中［18］。如，水下機(jī)器人、拋光機(jī)器人、打毛刺機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人、高壓線作業(yè)機(jī)器人。即工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用向大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領(lǐng)域深化擴(kuò)展。隨著人們生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩， 未來(lái)的機(jī)器人將為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 研究意義中國(guó)是全球增長(zhǎng)最快的機(jī)器人市場(chǎng)，工業(yè)機(jī)器人年安裝量位列第五。但目前僅有ABB一家歐洲機(jī)器人供應(yīng)商在中國(guó)建廠，另有一家日本機(jī)器人供應(yīng)商宣布計(jì)劃在中國(guó)建廠。因此，中國(guó)的大部分機(jī)器人是從日本、歐洲及北美進(jìn)口的，其中大約70%的機(jī)器人來(lái)自日本。中國(guó)主要從事機(jī)器人技術(shù)的研究，同時(shí)一些國(guó)內(nèi)系統(tǒng)集成商使用日本或歐洲的機(jī)器人為用戶提供系統(tǒng)解決方案。迄今為止，還沒(méi)有國(guó)內(nèi)機(jī)器人制造商能夠生產(chǎn)出與國(guó)外高質(zhì)量機(jī)器人進(jìn)行有力競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)器人，這與我國(guó)快速增長(zhǎng)的工業(yè)機(jī)器人需求不相適應(yīng)，因此進(jìn)行相關(guān)機(jī)器人的研究工作是目前研究的一個(gè)重要課題。7五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真第二章 設(shè)計(jì)選型 機(jī)構(gòu)選型 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)本設(shè)計(jì)主要針對(duì)機(jī)器人的手抓、手腕、前臂、后臂、立柱和底座關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制電機(jī)的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行的。夾持型手抓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛，所以選擇夾持型手抓。手腕是帶動(dòng)手抓和連接前臂的機(jī)構(gòu)，所以控制手腕的電機(jī)和帶輪等部件要安裝在手腕內(nèi)。前臂是帶動(dòng)前端的手腕和手抓連接后臂的機(jī)構(gòu)，所以控制前端的電機(jī)和帶輪等部件要安裝在前臂內(nèi)。后臂是帶動(dòng)前端手抓、手腕、前臂和連接立柱的機(jī)構(gòu)，所以為了制造方便把控制前端和后臂本身的電機(jī)和帶輪等部件安裝在后臂內(nèi)。立柱是帶動(dòng)前端手抓、手腕、前臂、后臂和連