【正文】 安川公司的產(chǎn)品和技術(shù)，生產(chǎn)和銷售各類工業(yè)機器人，預(yù)計生產(chǎn)能力可達800臺/年。在國內(nèi)大公司、大企業(yè)紛紛發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的同時，國內(nèi)的科研院所、高校在工業(yè)機器人的研制和發(fā)展中也取得了長足的進步，尤其是一些領(lǐng)先的機器人科研生產(chǎn)單位。機器人技術(shù)涉及生物學(xué)、力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、傳感技術(shù)和計算機等學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科的綜合技術(shù)。而機器人機構(gòu)學(xué)乃是機器人的主要理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代機械原理研究的重要內(nèi)容。1 機器人的綜合概述機器人的定義處在不斷發(fā)展變化之中。美國機器人人協(xié)會（RIA）認為，機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或者專用裝置，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并且具有編程能力的多功能機械手（Manipulator）。日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）認為，工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（End Effector），能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。國際標準化組織（ISO）給出的定義是，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務(wù)。所以現(xiàn)在普遍認為機器人是一種能自動控制、可重復(fù)編程、多功能、可以代替人完成特定任務(wù)的一種自動化機電裝置。機器人技術(shù)的快速發(fā)展，為機器人學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。機器人學(xué)時綜合運用數(shù)學(xué)、力學(xué)、機械、電子、計算機、自動控制、人工智能等多學(xué)科知識，對機器人的體系結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、控制、智能、傳感、編程語言以及機器人應(yīng)用等進行研究的一門綜合新興交叉學(xué)科。本章重點在于對機器人的基本特征進行分析，研究其特點及其分類形式并按不同分類方法對其進行分類，進一步研究機器人的機理。 機器人的分類關(guān)于機器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標準，一般的分類方式如下：1) 操作型機器人能自動控制，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。2) 程控型機器人能按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。3) 示教再現(xiàn)型機器人通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。4) 數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。5) 感覺控制型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。6) 適應(yīng)控制型機器人機器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。7) 學(xué)習(xí)控制型機器人機器人能“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)驗用于工中。8) 智能機器人以人工智能決定其行動的機器人。我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。 機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一個機械人系統(tǒng)，一般由下列四個互相作用的部分組成：機械手、環(huán)境、任務(wù)和控制器，：. 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 The structure of the robot system機械手是具有傳動執(zhí)行裝置的機械，它由臂關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置（工具等）構(gòu)成，組合為一個互相連接和互相依賴的運動結(jié)構(gòu)。機械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(wù)。不同的機械手具有不同的結(jié)構(gòu)類型。在一些文獻中，稱機械手為操作機、機械臂或操作手。大多數(shù)機械手是具有幾個自由度的關(guān)節(jié)式機械結(jié)構(gòu)。一般具有六個自由度。其中，頭三個自由度引導(dǎo)夾手裝置至所需位置，而后三個自由度用來決定末端執(zhí)行裝置的方向。環(huán)境既指機器人所處的周圍環(huán)境。環(huán)境不僅由幾何條件（可達空間）所決定，而且由環(huán)境和它所包括的每個事物的全部自然特性所決定。機器人的固有特性，由這些自然特性及其環(huán)境間的互相作用所決定。我們把任務(wù)定義為環(huán)境的兩種狀態(tài)（初始狀態(tài)和目標狀態(tài)）間的差別。必須用適當?shù)某绦蛟O(shè)計語言來描述這些任務(wù)，并把他們存入機器人系統(tǒng)的控制計算機中去。這種描述必須能為計算機所理解。隨著所用系統(tǒng)的不同，語言描述方式可為圖形的、口語的（語音的）或書面文字的。計算機是機器人的控制器或腦子。機器人接收來自傳感器的信號，對之進行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存信息、機器人的狀態(tài)及其環(huán)境情況等，產(chǎn)生出控制信號去驅(qū)動機器人的各個關(guān)節(jié)。 機器人的執(zhí)行裝置機械手是機器人的重要組成部分，它能模仿人手的動作，完成各種各樣的工作。機械手由手臂和手爪組成。工業(yè)機器人的手爪主要有鉗爪式、磁吸式、氣吸式三種。鉗爪式的手爪與人手最為相似，它具有兩個、三個或多個機械手指，能抓取不同 形狀的物體；電磁式吸附手爪是靠通電線圈產(chǎn)生的電磁力吸住物體的，像磁鐵能吸住鐵釘?shù)冉饘僖粯樱粴馕绞肿t靠大氣壓力把吸附頭與物體壓在一起，實現(xiàn)物體的抓取。 機械手正在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域大顯身手。它們被用于搬運物品、裝卸材料、組裝零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如：讓機械手握住焊槍，可進行焊接；握住噴槍，可進行噴漆。而且讓機械手處理高溫、有毒產(chǎn)品等，它比人手更能適應(yīng)工作。 機器人技術(shù)發(fā)展到智能化階段，機械手也越來越靈巧了，它們已能完成握筆寫字、彈奏樂器、抓起雞蛋、甚至穿針引線等精細復(fù)雜的工作。本設(shè)計的任務(wù)是研制適用水下作業(yè)的機械臂裝置。 本課題的研究方向與內(nèi)容本課題主要是圍繞著當前世界上比較關(guān)注的話題——機器人來展開的，并針對機器人的執(zhí)行裝置，更深一步的研究，設(shè)計一種適用于水下作業(yè)的五自由度的機械手臂。 機械臂的作業(yè)能力1）機械臂的坐標形式和自由度坐標形式：關(guān)節(jié)式坐標形式自由度：5個2）抓舉重量：10Kg3）手爪開合度：有效夾持長度：95mm有效夾持寬度：85mm4）安全范圍以底座中心為圓心，正前方半徑2m，177。90186。扇區(qū)； 運動速度：5）定位精度位置精度：3cm重復(fù)精度：2cm 本設(shè)計的研究內(nèi)容1) 根據(jù)移動機構(gòu)的移動能力指標，比較現(xiàn)有移動機構(gòu)的性能特點，確定移動機構(gòu)的最佳移動方式。2) 設(shè)計一個5自由度關(guān)節(jié)式機械臂。3) 對機械臂進行運動學(xué)分析。4) 對機械臂進行運動學(xué)與動力學(xué)分析。 本章小結(jié)本章主要講了機器人的發(fā)展進程、分類、 機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機器人的執(zhí)行裝置——機械手臂。作者系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機器人技術(shù)的知識，查閱了大量的文獻資料，對國內(nèi)外機器人，主要是工業(yè)機器人的現(xiàn)狀有了比較詳細的了解。并對本課題的研究方向及內(nèi)容給予了系統(tǒng)的詮釋。2 機械臂的設(shè)計機械臂從肩部到手部的部件規(guī)格及質(zhì)量依次遞減，這有利于機器人的穩(wěn)定性。大臂和小臂采用中空型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅抗彎扭能力強。而且重量輕。如圖21所示的是機械手臂。. 機械手臂 The mechanical arm機械手臂的設(shè)計構(gòu)想是以人的手為基礎(chǔ)，以機械形式來實現(xiàn)人的動作，它的動作由以下五部分來實現(xiàn)：1）肩的前后動作。2）大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動作。 3）肘的上下動作。4）小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動作。5）腕(手)的旋轉(zhuǎn)動作驅(qū)動傳動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動系統(tǒng)中可以分:機械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，其中液壓操作力最大。機械手臂由5自由度機械臂與夾鉗式手爪構(gòu)成。機械臂有三個典型關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié),肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)，在肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)之間為大臂，肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間為小臂，與肩關(guān)節(jié)下端相連的是一使整個機械臂回轉(zhuǎn)的大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間有一使小臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。該機為液壓驅(qū)動的主從隨動及示教再現(xiàn)式操作機械手。有5個自由度，除腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的液壓馬達外，其余動力部件為伺服液壓缸。 手爪的運動結(jié)構(gòu)分析在水下作業(yè)中,機械手起著重要的作用,如完成水下物體上的安裝和修理、沉船打撈、物體的抓取、轉(zhuǎn)移、水下對接等作業(yè),都需要水下機械手的參與。由于水下環(huán)境的限制,水下機械手的手爪結(jié)構(gòu)都較為簡單,通常只有一個自由度。本文設(shè)計了一種二指機械手爪,該手爪可上下開合以完成對水下物體的抓取。：. 手爪 The gripper如圖部件1向右側(cè)移動，牽動零件2小連桿移動，零件2小連桿帶動零件3內(nèi)連桿分別向上下兩側(cè)移動，使外連桿帶動零件4向上下移動，實現(xiàn)手爪的開過程。在手爪張開的狀態(tài)下，部件1向左側(cè)移動，牽動零件2小連桿移動，零件2小連桿帶動零件3內(nèi)連桿同時向中間移動，使外連桿帶動零件4同時向中間移動，實現(xiàn)手爪的合過程，同時夾緊物體。 自動對接腕的動作分析水下作業(yè)機械手和水下作業(yè)工具的對接系統(tǒng)由液壓自動對接腕和為工具提供動力的油路系統(tǒng)組成。液壓自動對接腕是機械手的手腕，是機器人在水下自動換接作業(yè)工具的關(guān)鍵部件。水下作業(yè)工具需完成不同的動作，如，夾持器、切割器等需要直線運動，而沖擊鉆、沖擊扳手則需要回轉(zhuǎn)運動。每把工具都要有自己的驅(qū)動部件，液壓缸或液壓馬達等，因此，液壓自動對接腕需要具備兩個功能：1）機械對接功能，即與工具配合，實現(xiàn)機械手和工具的聯(lián)接。2）油路對接功能，即使機械手上的油源通過對接腕與工具上的油缸接通，為工具提供動力，這一功能靠安在對接腕上的油路自封接頭（凸對接頭）。除了凸對接頭外，要實現(xiàn)油路對接，還需要工具上與之相配合的油路自封接頭（凹對接頭）。自密封對接頭1自密封對接頭2鎖緊油缸液壓自動對接腕. 液壓自動對接腕截面分布示意圖 Automated docking wrist hydraulic schematic crosssection distribution. 鎖緊、導(dǎo)向機構(gòu)示意圖 The locking, bodyoriented diagram機械對接機構(gòu)集中在液壓自動對接腕上，包括鎖緊機構(gòu)和導(dǎo)向機構(gòu)。如圖23和圖24所示，液壓自動對接腕上的鎖緊機構(gòu)有三個鎖緊油缸，液壓油缸突出的活塞桿為鎖緊銷，與工具上三個對應(yīng)的孔配合實現(xiàn)鎖緊。鎖緊油缸的驅(qū)動油路可以設(shè)計成兩種：1）活塞分開的兩腔都通油路，使鎖緊銷兩個方向的動作都由油路控制。2）其中一腔通油路，另一腔設(shè)置一個彈簧，不通油路，這樣鎖緊銷向一個方向的動作由油路控制，向另一個方向的動作由彈簧完成。鎖緊銷相當于一個雙作用油缸的活塞桿，因此其鎖緊和脫開均由液壓力來驅(qū)動。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是鎖緊和縮回時出力較大。對接實驗中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn), 手腕和工具對接到還差3mm至4mm時就不能繼續(xù)對接了,此時, 由于工具上與鎖緊銷對應(yīng)的孔有一定的錐度，當伸出三個縮緊銷，鎖緊銷很大的力會使鎖緊銷沿著工具上孔的錐面進入孔內(nèi)，從而使手腕和工具完全對接上。機械手攜帶工具作業(yè)完成返回到工具庫后，鎖緊銷縮回，工具庫下降，工具與機械手脫離。但是由于工具很重，銷與孔之間有一定的壓力，會在鎖緊銷與