【正文】 WORDS SCARA manipulate, Machinery arm, Structural Design 吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 課題背景 機(jī)器人自誕生之日起 ，便顯示出其強(qiáng)大的生命力，機(jī)器人首先在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，并給傳統(tǒng)工業(yè)帶來了質(zhì)的飛躍。它不僅提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動化程度，提高了勞動生產(chǎn)率而且還推動了以資源消耗低環(huán)境污染少為特征的新型工業(yè)的誕生隨著人類在機(jī)械工程、電氣工程、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制論、傳感技術(shù)、信息學(xué)、聲學(xué)、仿生學(xué)、及人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用也正在向農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧、養(yǎng)殖、海洋開發(fā)、宇宙探索、國防建設(shè)、安全救濟(jì)、生物醫(yī)學(xué)、服務(wù)娛樂等新領(lǐng)域拓展開來，并已取得顯 著進(jìn)展，機(jī)器人技術(shù)已成為高科技應(yīng)用領(lǐng)域中的重要組成部分。 機(jī)器人主要有兩大類：用于制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和用于非制造環(huán)境下的服務(wù)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是一種對生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性的柔性自動化裝備，它主要用于現(xiàn)代制造業(yè)中代替人們從事繁重、重復(fù)單調(diào)、環(huán)境惡劣危險(xiǎn)、人做不了或做不好的工作，從而減輕了人們的勞動強(qiáng)度，改善了勞動環(huán)境，并有效地提高了生產(chǎn)的自動化程度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。工業(yè)機(jī)器人是柔性化制造系統(tǒng) (FMS）、自動化工廠（ FA） 和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS) 必不可少的自動化 工具 ,它的發(fā)展和應(yīng)用情況已成為一個(gè)國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。 機(jī)器人的定義及特點(diǎn) 機(jī)器人的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及多剛體動力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。早在 20世紀(jì) 60年代初，美國就制造出了第一臺工業(yè)機(jī)器人，目前己經(jīng)發(fā)展到第三代一智能機(jī)器人。由于機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人的重要作用，各工業(yè)化國家近幾年都把它的研究和開發(fā)列為國策，制訂一系列規(guī)劃，多方采取措施，以加快發(fā)展。許多發(fā)展中國家也紛紛建立 技術(shù)開發(fā)中心，應(yīng)用和生產(chǎn)機(jī)器人，可以說當(dāng)今正在掀起一個(gè)世界范圍的機(jī)器人研制熱潮。 機(jī)器人的定義 機(jī)器人 (Robot)是 1920年由捷克作家卡雷爾 卡佩克在劇本中塑造的一個(gè)具有人的外表、特征和功能，愿意為人服務(wù)的機(jī)器奴仆 “ Robot一詞衍生出來的。機(jī)器人的定吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 義是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性，機(jī)器人不斷在發(fā)展，新的機(jī)型、新的功能不斷涌現(xiàn)，根本原因主要是因?yàn)闄C(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題，就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于 機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想像和創(chuàng)造空間。在把機(jī)器人理解為仿人機(jī)器的同時(shí)，也可以廣義地把機(jī)器人理解為仿動物的機(jī)器。我們可以這樣說 :機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度的，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機(jī)器，而工業(yè)機(jī)器人 (Industrial Robot)則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人。美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會 ()提出的工業(yè)機(jī)器人定義為 :“工業(yè)機(jī)器人是用來進(jìn)行搬運(yùn)材料、零件、工具等可再編程的多功能機(jī)械手、或通過不同程序的調(diào)用來完成各種工作任務(wù)的特種裝置。 ”英國機(jī)器人協(xié)會、日本機(jī)器人協(xié)會等也采用了 相類似的定義。我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是 :“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。 ”在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過程中，人們逐步認(rèn)識到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識的加深，機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器人 ，如移動機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用 機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上己遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人形機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 機(jī)器人的特點(diǎn) 機(jī)器人最顯著的特點(diǎn)有以下幾個(gè) : 。生產(chǎn)自動化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動化。機(jī)器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有 均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng) (FMS)中的一個(gè)重要組成部分。 。機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化機(jī)器人還有許多類似人類的 “生物傳感器 ”，吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等 .傳感器提高了機(jī)器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。 。除了專門設(shè)計(jì)的專用機(jī)器人外，一般機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換機(jī)器人手部末端操作器 (手爪、工具等 )便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。 。機(jī)器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來是機(jī)械學(xué)和微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其它技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以從一個(gè)方面驗(yàn)證一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平。 機(jī)器人的構(gòu)成及分類 機(jī)器人的構(gòu)成 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由操作機(jī)、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。 (又稱執(zhí)行系統(tǒng) ) 操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動作功 能，是可在 空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。通常由下列部 分構(gòu)成。 (1)末端執(zhí)行器又稱手部，是操作機(jī)直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機(jī)器人直接與工業(yè)對象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。 (2 )手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動作范圍，一般具有 23個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機(jī)器人可以沒有手腕而 直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 (3)手臂它由操作機(jī)的動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有 時(shí)不止一條，而且 每 條手臂，也不一定只有一節(jié) (如關(guān)節(jié)型就可能有多節(jié) )，所以，它有時(shí)還應(yīng)包括肘和肩的關(guān)節(jié)，即手臂和手臂間 (靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)通常叫小臂，靠近機(jī)座的，通常叫大臂 )，手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動范圍。 (4)機(jī)座有時(shí)稱為立柱，是工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對固定并承受響應(yīng)力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深悾苿邮綑C(jī)座下部安裝了移動機(jī)構(gòu)，它可以擴(kuò)大機(jī)器人的活吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 動范圍。 它是由驅(qū)動器、減速器、檢測元件等組成的組件，是用來為操作機(jī)各部件提供動力和運(yùn)動的裝置。驅(qū)動器 是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動力裝置，通常是電動機(jī)、液壓或氣動裝置。驅(qū)動形式不同，傳動裝置也有所不同。 它是由人對機(jī)器人的啟動、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定的要求動作?？刂蒲b置包括檢測 (如傳感器 )和控制 (如計(jì)算機(jī) )兩部分，可用來控制驅(qū)動單元，檢測其運(yùn)動參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進(jìn)行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如果沒有反饋控制，就是較簡單的開環(huán)控制。 對于智能機(jī)器人，還應(yīng)有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺系統(tǒng) (硬件 )，主要靠各類傳感器來實(shí)現(xiàn)其感 覺功能。另一部分為決策一規(guī)劃智能系統(tǒng) (軟件 )，它包括邏輯判斷、模式識別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。 機(jī)器人的分類 目前世界各國對處于發(fā)展階段的機(jī)器人還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，大致有以下幾種分類方法。 (1)固定程序的專用機(jī)器人 (機(jī)械手 ) 通常根據(jù)主機(jī)的特定要求設(shè)計(jì)成固定程序(或簡單的可變程序 )。這種機(jī)器人 (機(jī)械手 )多為氣動或液動，用行程開關(guān)、機(jī)械擋塊來控制其工作位置。工作對象單 一，動作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡單，價(jià)格低廉。 2)可編程序的通用機(jī)器人工作程序可變，以適應(yīng)不同 的工作對象，通用性強(qiáng)，適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點(diǎn)的柔性制造系統(tǒng)中。 、部門和用途分類 (1 )工業(yè)機(jī)器人它們又可按作業(yè)類別分為鍛壓、焊接、表面噴涂、裝卸、裝配、檢測等機(jī)器人。 (2)采掘機(jī)器人如海洋探礦機(jī)器人等。 (3)軍事用途機(jī)器人 吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 (4)服務(wù)機(jī)器人如醫(yī)療機(jī)器人，家用機(jī)器人，教學(xué)機(jī)器人等。 、坐標(biāo)系特點(diǎn)分類 按機(jī)械結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)系特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型 。圓柱坐標(biāo)型 。球坐標(biāo)型 。多關(guān)節(jié)型。 (1)點(diǎn)位控制 (PTP)機(jī)器人就是由點(diǎn)到點(diǎn)的控制方式，這種控 制方式只能在目標(biāo)點(diǎn)處準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預(yù)定的操作要求。目前應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人中，很多是屬于點(diǎn)位控制方式的，如上下料搬運(yùn)機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人等。 (2)連續(xù)軌跡控制 (CP)機(jī)器人機(jī)器人的各關(guān)節(jié)同時(shí)作受控運(yùn)動，準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)定的軌跡和速度運(yùn)動，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點(diǎn)的姿態(tài)?；『浮娖岷蜋z測機(jī)器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。 按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動式、氣動式、電力驅(qū)動式 (這是目前用得最多的一類 )。 “代 ”分類 (1)第一代機(jī)器人其特點(diǎn)是采用開關(guān)量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運(yùn)動參數(shù)需通過示教或編程給定。 60 年代以來，工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都屬于第一代機(jī)器人，它包括可編程序 (用于上下料 )的工業(yè)機(jī)器人，具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機(jī)器人，數(shù)控型搬運(yùn)機(jī)器人等。 (2)第二代機(jī)器人是 70 年代開始出現(xiàn)的，其技術(shù)特點(diǎn)是采用計(jì)算機(jī)直接控制，是通過具有視覺、觸覺的攝像機(jī)和傳感器，能 “感覺 ”外界信息并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和分析 自動 地控制操作機(jī)進(jìn)行運(yùn)動和操作，因此，其控制方式較第一代機(jī)器人要復(fù)雜得多，目前 這類機(jī)器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、排險(xiǎn)救災(zāi)等場合應(yīng)用，并將進(jìn)入普及階段。 (3)第三代機(jī)器人即智能機(jī)器人。這是國內(nèi)外正在積極研究，開發(fā)的高級機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是具有人工智能。包括 : 模式識別能力、規(guī)劃決策能力、知識庫、專家系統(tǒng)、人機(jī)交互能力等。這一類機(jī)器人目前正在研究開發(fā)之中 機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展 機(jī)器人的應(yīng)用 在發(fā)達(dá)國家，機(jī)器人己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多的當(dāng)推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機(jī)械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用，并逐漸向纖維加工、 食品工 業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。 吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 焊接作業(yè)包括點(diǎn)焊和弧焊，是機(jī)器人用得最多的作業(yè)之一。傳統(tǒng)的點(diǎn)焊機(jī)雖然可以減輕人的勞動強(qiáng)度，焊接質(zhì)量也較好，但它適宜少品種大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而點(diǎn)焊機(jī)器人可通過重新編程來調(diào)整空間點(diǎn)位，滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量多品種的生產(chǎn)環(huán)境?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復(fù)雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人可以勝任此任務(wù)，故廣泛用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和容器的焊接。 Unimate, Motoman, ASEA 等都是典型的焊接機(jī)器人。 噴漆作業(yè)由于 環(huán)境惡劣，國外大量使用了機(jī)器人，挪威生產(chǎn)的 Trallfa 機(jī)器人是目前世界上用得最多的噴漆機(jī)器人，該機(jī)器人為關(guān)節(jié)式， 6 自由度，電液或全電動伺服驅(qū)動，采用示教再現(xiàn)方式，既可實(shí)行點(diǎn)位控制，也可實(shí)行連續(xù)軌跡控制。 搬運(yùn)物料的作業(yè)包括為機(jī)床上下料，為自動生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運(yùn)工件，搬運(yùn)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運(yùn)機(jī)器人，典型的搬運(yùn)機(jī)器人是 T3 和 Funac 機(jī)器人。 機(jī)器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的，電子工業(yè)用得最多，主要用在電路板的裝配上，還有電動機(jī)、發(fā)動機(jī)部件、閥門 等產(chǎn)品的裝配。 PUMA機(jī)器人是一種典型的裝配機(jī)器人，有 6 個(gè)自由度，關(guān)節(jié)式，直流伺服電機(jī)驅(qū)動，微機(jī)控制點(diǎn)位或連續(xù)軌跡，用 VAL 語言示教編程，其手腕機(jī)構(gòu)具有順應(yīng)性，可克服裝配中的誤差。 國外的航空航天工業(yè)中應(yīng)用機(jī)器人也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了機(jī)器人，此外如電氣插頭的裝配，發(fā)動機(jī)風(fēng)扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機(jī)座艙蓋和風(fēng)擋鉆孔作業(yè)，飛機(jī)機(jī)身和垂直尾翼鉆孔，都采用了機(jī)器人。某些飛機(jī)機(jī)身、機(jī)艙的噴漆作業(yè)，發(fā)動機(jī)零部件等離子噴涂也采用了機(jī)器人。在空間開發(fā)中，航天飛機(jī)上收放衛(wèi)星的機(jī)器人是加拿大 Spar 公司生產(chǎn)的 ，美國 NASA 實(shí)施的火星探測計(jì)劃，發(fā)射了兩個(gè)火星探測器海盜 I 和海盜 H，它們也是一種機(jī)器人，在火 星上采集樣品，作各種實(shí)驗(yàn)，并