【正文】 C 公司開(kāi)發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中；在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)。D. 智能化的傳感器多有應(yīng)用在上述167種機(jī)型中，裝有視覺(jué)傳感器的有94種，％，不少機(jī)器人裝有兩種傳感器，有些機(jī)器人留下了多種傳感器接口。E. 高速、高精度、多功能化。，其最大合成速度達(dá)80m/s。而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的NC機(jī)器人，其位置重復(fù)性達(dá)l um。90年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能。最近瑞典N(xiāo)eos公司開(kāi)發(fā)出一種高精度、高可靠性的可切割、鉆孔、銑削、磨削、裝配、搬運(yùn)的多功能機(jī)器人，用于多家著名汽車(chē)廠和飛機(jī)公司。F. 集成化與系統(tǒng)化1998年ABB公司推出IRbl400系列小機(jī)器人，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動(dòng)器、用戶(hù)接口等皆集成于一柜，只有洗衣機(jī)變換器那樣大小。FANUC公司2000年9月宣稱(chēng)它的控制器為世界最小。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。多達(dá)百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體(多智能體)?？鐕?guó)大集團(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。2 總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的確定為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間位置提供的6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)型機(jī)器人。關(guān)節(jié)型又稱(chēng)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類(lèi)似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取近距離的物體，工藝操作精度高。 傳動(dòng)方案的確定 圖21是機(jī)器人小臂與腕部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有4個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90176。,有2個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。其中有2個(gè)齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。小臂的結(jié)構(gòu)形式是由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。關(guān)節(jié)4電機(jī)安裝在小臂后面用于帶動(dòng)傳動(dòng)軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)手腕的擺動(dòng)；關(guān)節(jié)5電機(jī)也安裝在小臂后面，其后緊跟傳動(dòng)軸用于實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié)6電機(jī)安裝在手腕里，用螺旋傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的夾緊與放松運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)給杠桿施加一個(gè)向上的力來(lái)實(shí)現(xiàn)放松工件運(yùn)動(dòng)，相反，電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊工件運(yùn)動(dòng)。圖21小臂腕部傳動(dòng)原理圖 工作空間的確定 工作空間是機(jī)器人學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。但在實(shí)際應(yīng)用中，可以簡(jiǎn)化這一問(wèn)題，把工作空間看作是機(jī)器人操作機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)（如定位機(jī)構(gòu)的軸線正交，取交點(diǎn)為參考點(diǎn)）在空間的活動(dòng)范圍，或者說(shuō)該點(diǎn)可達(dá)位置在空間所占有的體積。根據(jù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間，工作空間是指機(jī)器人正常工作運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。圖22 機(jī)器人的工作空間位置圖 手腕結(jié)構(gòu)的確定手腕是操作機(jī)的小臂（上臂）和末端執(zhí)行器（手爪）之間的聯(lián)接部件。其功用是利用自身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說(shuō)是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱(chēng)作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對(duì)一般商用機(jī)器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對(duì)于任一桿件的姿態(tài)（即方向），可用兩個(gè)方位角確定，如圖23所示。圖23末桿姿態(tài)示意圖　　　　　 ?。贝蟊邸　　　。残”邸　　。衬U　　 在圖23中末桿Ln的圖示姿態(tài)可以看作是由處于方向的原始位置先繞在平面內(nèi)轉(zhuǎn)角，然后再向上轉(zhuǎn)角得到的?？梢?jiàn)是由兩角決定了末桿的方向（姿態(tài)）。從理論上講，如果，則末桿在空間取任意方向。如果末桿的自轉(zhuǎn)角（即）也滿(mǎn)足，就說(shuō)該操作機(jī)具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了定量的說(shuō)明操作機(jī)抓取和擺放物體的靈活程度，定義組合靈度（dex)為： (21)上式取加的形式但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_(kāi)更能表示機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)?！　　　　　　　　　　　　⊥蠼Y(jié)構(gòu)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是dex值。若為三個(gè)百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說(shuō)來(lái)、的最大值取，而值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好無(wú)上限?！? 腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動(dòng)系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求是：重量輕，dex的組合值必須滿(mǎn)足工作要求并留有一定的裕量（約5%10%），傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并有利于小臂對(duì)整機(jī)的靜力平衡。 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下三種：a. 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是目前使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)器。它的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。后者多為開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。b. 液壓驅(qū)動(dòng)器液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄露，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。c. 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，同體積條件下功率較小（因壓力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制系統(tǒng) 。通過(guò)比較以上三種驅(qū)動(dòng)方式，因此本課題的機(jī)器人將采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中的直流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。 手腕電機(jī)的選擇a. 擺腕電機(jī)的選擇手腕的最大負(fù)荷重量初估腕部的重量，最大運(yùn)動(dòng)速度V=2m/s，則功率，考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率又因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)周期T=，即；則所需電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為；所以選取寬調(diào)速永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表21。表21 SZYX82寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)規(guī)格型號(hào)額定功率額定轉(zhuǎn)矩額定電壓SZYX8248V最高電流最高轉(zhuǎn)速允許轉(zhuǎn)速差10%轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1500r/min150該電機(jī)具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，加速度大，力矩波動(dòng)小，線性度好，過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。b. 轉(zhuǎn)腕及腕部?jī)?nèi)電機(jī)的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)腕部分的電機(jī)后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)，故在此應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速較低的型號(hào)電機(jī)，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此要求腕部?jī)?nèi)電機(jī)較小，故選SH直流伺服電動(dòng)機(jī)型，其安裝尺寸為42mm，可容許速度范圍為0 —250r/min，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表22。單轉(zhuǎn)軸保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量額定電流電壓線圈電阻35x10kgm12V5基本步距角減速比容許轉(zhuǎn)矩容許速度范圍電機(jī)重量1:0250r/min電樞電阻：Rs=(Un/InPn/In) ，求得：Pn=。取P=15W, T=9550P/n。求得n== r/min 。 傳動(dòng)比的確定及分配a. 傳動(dòng)比的確定由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可知所需的總傳動(dòng)比為i=10。b. 傳動(dòng)比的分配傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級(jí)傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。因此擺腕傳動(dòng)比分配為：擺腕總的傳動(dòng)比＝10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比＝2，第二級(jí)傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比。3 齒輪的設(shè)計(jì)齒輪材料采用45號(hào)鋼，鍛造毛坯，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等級(jí)為7級(jí)。取。a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式 (31)式中，載荷系數(shù),?。积X寬系數(shù)，取，；材料系數(shù)，取。小齒輪傳遞扭矩 (32)大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極根應(yīng)力為： ；選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： ；應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計(jì)算可得 （33） 則 接觸疲勞壽命系數(shù),；彎曲疲勞壽命系數(shù)；接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)。 許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（31）得：計(jì)算圓周速度: 計(jì)算載荷系數(shù):動(dòng)載荷系數(shù)Kv=；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則。修正 ； ；取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 c. 計(jì)算基本尺寸取 d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒形系數(shù)，取，校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 （34） =[]所以齒輪完全達(dá)到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，將小齒輪做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見(jiàn)表31。表31圓柱齒輪的幾何尺寸名稱(chēng)符號(hào)公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙 第二級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)齒輪材料采用45號(hào)鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，齒輪精度等級(jí)為7級(jí)。取。a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式 (35)其中， 取，；，；選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： ； 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： ； 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計(jì)算可得 則 接觸疲勞壽命系數(shù),；彎曲疲勞壽命系數(shù)；接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（35）得：則 動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則。修正 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度復(fù)合齒形系數(shù)，取。校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 （36） 所以齒輪完全達(dá)到要求。由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。表32圓錐齒輪的幾何參數(shù)名稱(chēng)符號(hào)公式分度圓直徑 齒頂高齒根高齒頂圓直徑 齒根圓直徑齒頂角齒根角分度圓錐角頂錐角根錐角　錐距齒寬4 軸的設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類(lèi)型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運(yùn)輸、安裝等條件。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理，避免或減輕應(yīng)力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對(duì)于要求剛度大的軸，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上考慮減少軸的變形。 轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)軸的選擇 轉(zhuǎn)腕的傳動(dòng)軸根據(jù)聯(lián)軸器選：軸徑d=20 mm ，根據(jù)結(jié)構(gòu)取軸長(zhǎng)l=255mm。由于要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)腕，工作時(shí)要求彼此有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng)所以轉(zhuǎn)腕的傳動(dòng)軸采用軟軸。軟軸通常由鋼絲軟軸、軟管、軟軸接頭和軟管接頭等幾部分組成。a. 鋼絲軟軸由幾層彈簧鋼絲緊繞在一起構(gòu)成的。每層又由若干根鋼絲組成。相鄰鋼絲層的纏繞方向相反。b. 軟管用來(lái)保護(hù)鋼絲軟軸，以免與外界的機(jī)件接觸，并保存潤(rùn)滑劑和防止塵垢侵入；工作時(shí)軟管還起支撐作用。c. 軟軸接頭用以連接動(dòng)力輸出軸及工作部件d. 軟管接口用以連接傳動(dòng)裝置及工作部件的機(jī)體，有時(shí)也是軟軸接頭的軸承座。在使用軟軸的時(shí)候要注意鋼絲軟軸必須定時(shí)涂潤(rùn)滑脂，不得使軟軸的彎曲半徑小于允許最小半徑。 擺腕傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 圓柱齒輪軸的設(shè)計(jì)由于主軸傳遞的功率不大，對(duì)其重量和尺寸也無(wú)特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。a. 初估軸徑， C=106~117,取C=106則 （41） =b. 各段軸徑的確定 初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開(kāi)始逐段確定軸徑，上面計(jì)算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝聯(lián)軸器，因此軸段1處直徑的確定和聯(lián)軸器型號(hào)同時(shí)進(jìn)行。這次選用的是波紋管連軸器。故取軸徑＝22mm。在軸段2上要安裝軸承，其直徑應(yīng)該便于軸承安裝，又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列，即軸段2處的直徑應(yīng)與軸承型號(hào)的選擇同時(shí)進(jìn)行?，F(xiàn)取角接觸球軸承