【正文】 C 公司開發(fā)并用于工業(yè)機器人中；在遠程控制中已采用了分布式智能驅動新技術。D. 智能化的傳感器多有應用在上述167種機型中，裝有視覺傳感器的有94種，％，不少機器人裝有兩種傳感器，有些機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80m/s。而另一種并聯(lián)機構的NC機器人，其位置重復性達l um。90年代末的機器人一般都具有兩、三種功能。最近瑞典Neos公司開發(fā)出一種高精度、高可靠性的可切割、鉆孔、銑削、磨削、裝配、搬運的多功能機器人，用于多家著名汽車廠和飛機公司。F. 集成化與系統(tǒng)化1998年ABB公司推出IRbl400系列小機器人，控制器包括軟件、高壓電、驅動器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機變換器那樣大小。FANUC公司2000年9月宣稱它的控制器為世界最小。工業(yè)機器人的應用從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展。多達百臺以上的機器人群與微機及周邊智能設備和操作人員形成一個大群體(多智能體)?？鐕蠹瘓F的壟斷和全球化的生產將世界眾多廠家的產品聯(lián)接在一起，實現(xiàn)了標準化、開放化、網絡化的“虛擬制造”，為工業(yè)機器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。2 總體方案設計 機械結構類型的確定為實現(xiàn)總體機構在空間位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根據本課題的要求現(xiàn)可以將其設計成關節(jié)型機器人。關節(jié)型又稱回轉坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節(jié)都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關節(jié)，大臂和小臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取近距離的物體，工藝操作精度高。 傳動方案的確定 圖21是機器人小臂與腕部機械傳動系統(tǒng)的簡圖。機械傳動系統(tǒng)共有4個齒輪，為了實現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90176。,有2個齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結構形式。如果采用蝸輪蝸桿結構,則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結構形式。其中有2個齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。小臂的結構形式是由內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。關節(jié)4電機安裝在小臂后面用于帶動傳動軸與齒輪的旋轉來實現(xiàn)手腕的擺動；關節(jié)5電機也安裝在小臂后面，其后緊跟傳動軸用于實現(xiàn)手腕的旋轉；關節(jié)6電機安裝在手腕里，用螺旋傳動來實現(xiàn)手爪的夾緊與放松運動，當電機正轉時給杠桿施加一個向上的力來實現(xiàn)放松工件運動，相反，電機反轉來實現(xiàn)夾緊工件運動。圖21小臂腕部傳動原理圖 工作空間的確定 工作空間是機器人學中一個重要的研究領域。但在實際應用中，可以簡化這一問題，把工作空間看作是機器人操作機正常運行時，手腕參考點（如定位機構的軸線正交，取交點為參考點）在空間的活動范圍，或者說該點可達位置在空間所占有的體積。根據關節(jié)型機器人的結構確定工作空間，工作空間是指機器人正常工作運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術參數。圖22 機器人的工作空間位置圖 手腕結構的確定手腕是操作機的小臂（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度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構。對一般商用機器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨立驅動的自轉功能，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)，即達到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài)（即方向），可用兩個方位角確定，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轉角，然后再向上轉角得到的?？梢娛怯蓛山菦Q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。如果末桿的自轉角（即）也滿足，就說該操作機具有最大的靈活度，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)。為了定量的說明操作機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行加法運算，因為分開更能表示機構的特點?！　　　　　　　　　　　　⊥蠼Y構最重要的評價指標就是dex值。若為三個百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來、的最大值取，而值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好無上限?！? 腕結構是操作機中最為復雜的結構，而且因傳動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結構的設計難度。腕部的結構設計要求是：重量輕，dex的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量（約5%10%），傳動系統(tǒng)結構簡單并有利于小臂對整機的靜力平衡。 驅動裝置的選擇 機器人驅動方案的分析和選擇通常的機器人驅動方式有以下三種：a. 電動驅動電動驅動器是目前使用最廣泛的驅動器。它的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅動比較困難。電動驅動器又分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機驅動。后者多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術的進步，近年來交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅動器。b. 液壓驅動器液壓驅動的主要優(yōu)點是功率大，結構簡單，可省去減速裝置，能直接與被驅動的桿件相連，響應快，伺服驅動具有較高的精度，但需要增設液壓源，而且易產生液體泄露，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。c. 氣動驅動器氣動驅動器的能源，結構都比較簡單，但與液壓驅動器相比，同體積條件下功率較?。ㄒ驂毫Φ停?，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制系統(tǒng) 。通過比較以上三種驅動方式，因此本課題的機器人將采用電動驅動器中的直流伺服電動機與步進電動機。因為直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術成熟。其安裝維修方便，成本低。而交流伺服電機結構簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。 手腕電機的選擇a. 擺腕電機的選擇手腕的最大負荷重量初估腕部的重量，最大運動速度V=2m/s，則功率，考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率又因為標準周期T=，即；則所需電機的輸入轉速為；所以選取寬調速永磁直流伺服電動機其技術參數見表21。表21 SZYX82寬調速永磁直流伺服電機技術參數規(guī)格型號額定功率額定轉矩額定電壓SZYX8248V最高電流最高轉速允許轉速差10%轉動慣量1500r/min150該電機具有精度高，響應快，調速范圍寬，加速度大，力矩波動小，線性度好，過載能力強等特點。b. 轉腕及腕部內電機的選擇根據設計要求轉腕部分的電機后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動手腕旋轉，故在此應選擇轉速較低的型號電機，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實現(xiàn)運動，因此要求腕部內電機較小，故選SH直流伺服電動機型，其安裝尺寸為42mm，可容許速度范圍為0 —250r/min，詳細參數見表22。單轉軸保持轉矩轉動慣量額定電流電壓線圈電阻35x10kgm12V5基本步距角減速比容許轉矩容許速度范圍電機重量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 。 傳動比的確定及分配a. 傳動比的確定由電動機的轉速可知所需的總傳動比為i=10。b. 傳動比的分配傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及齒輪的結構尺寸，要做到結構合理。因此擺腕傳動比分配為：擺腕總的傳動比＝10，該傳動為兩級傳動，第一級傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比＝2，第二級傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比。3 齒輪的設計齒輪材料采用45號鋼，鍛造毛坯，小齒輪調質處理，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，初選齒輪精度等級為7級。取。a. 設計準則先按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。b. 按齒面接觸疲勞強度設計齒面接觸疲勞強度條件的設計表達式 (31)式中，載荷系數,?。积X寬系數，取，；材料系數，取。小齒輪傳遞扭矩 (32)大小齒輪的接觸疲勞強度極根應力為： ；選擇材料的接觸疲勞極根應力為： ；應力循環(huán)次數N由下列公式計算可得 （33） 則 接觸疲勞壽命系數,；彎曲疲勞壽命系數；接觸疲勞安全系數，彎曲疲勞安全系數。 許用接觸應力和許用彎曲應力：將有關值代入（31）得：計算圓周速度: 計算載荷系數:動載荷系數Kv=；使用系數；動載荷分布不均勻系數；齒間載荷分配系數，則。修正 ； ；取標準模數。 c. 計算基本尺寸取 d. 校核齒根彎曲疲勞強度齒形系數，取，校核兩齒輪的彎曲強度 （34） =[]所以齒輪完全達到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結構，將小齒輪做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數見表31。表31圓柱齒輪的幾何尺寸名稱符號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 第二級圓錐齒輪傳動設計齒輪材料采用45號鋼，小齒輪調質處理表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，齒輪精度等級為7級。取。a. 設計準則按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。b. 按齒面接觸疲勞強度設計齒面接觸疲勞強度的設計表達式 (35)其中， 取，；，；選擇材料的接觸疲勞極根應力為： ； 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： ； 應力循環(huán)次數N由下式計算可得 則 接觸疲勞壽命系數,；彎曲疲勞壽命系數；接觸疲勞安全系數，彎曲疲勞安全系數,又，試選。許用接觸應力和許用彎曲應力：將有關值代入（35）得：則 動載荷系數；使用系數；齒向載荷分布不均勻系數；齒間載荷分配系數取，則。修正 取標準模數。 d. 校核齒根彎曲疲勞強度復合齒形系數，取。校核兩齒輪的彎曲強度 （36） 所以齒輪完全達到要求。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名稱符號公式分度圓直徑 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 軸的設計軸的結構決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運輸、安裝等條件。軸的結構，應使軸受力合理，避免或減輕應力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對于要求剛度大的軸，還應該從結構上考慮減少軸的變形。 轉腕傳動軸的選擇 轉腕的傳動軸根據聯(lián)軸器選：軸徑d=20 mm ，根據結構取軸長l=255mm。由于要實現(xiàn)轉腕，工作時要求彼此有相對運動的空間傳動所以轉腕的傳動軸采用軟軸。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. 軟管用來保護鋼絲軟軸，以免與外界的機件接觸，并保存潤滑劑和防止塵垢侵入；工作時軟管還起支撐作用。c. 軟軸接頭用以連接動力輸出軸及工作部件d. 軟管接口用以連接傳動裝置及工作部件的機體，有時也是軟軸接頭的軸承座。在使用軟軸的時候要注意鋼絲軟軸必須定時涂潤滑脂，不得使軟軸的彎曲半徑小于允許最小半徑。 擺腕傳動軸的設計 圓柱齒輪軸的設計由于主軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調質處理。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始逐段確定軸徑，上面計算的是軸段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)軸器型號同時進行。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，其直徑應該便于軸承安裝，又應該符合軸承內徑系列，即軸段2處的直徑應與軸承型號的選擇同時進行。現(xiàn)取角接觸球軸承