【正文】 到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)，甚至還進入尋常百姓家。 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標式、柱面坐標式、球面坐標式、多關(guān)節(jié)坐標式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。焊接機器人根據(jù)不同的應(yīng)用場合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機器人，這是因為多關(guān)節(jié)式機器人的 手臂靈活性最大，可以使焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足焊接需要。理論上講，機器人的關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時也給機器人逆運動學(xué)的坐標變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因為焊接過程中往往需要把以空間直角坐標表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機器人逆運動學(xué)計算轉(zhuǎn)換為對機器人每個關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對機器人焊接過程中運動的平穩(wěn)性很重要。不同的機器人控制系統(tǒng)對這一問題的處理方式不 盡相同。 一般來講，具有 6 個關(guān)節(jié)的機器人基本上能滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)的控制要求，其中 3 個自由度 (XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外 3 個自由度 (ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，目前的焊接機器人多數(shù)為 6 關(guān)節(jié)式的。 進入 21 世紀，世界經(jīng)濟結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達與發(fā)展中國家加快經(jīng)濟發(fā)展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。 我國是一個制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進程之中，在未來相當長的時期里，制造業(yè)仍將在國民經(jīng)濟中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國正逐 步成為世界最重要的制造業(yè)基地之一。 然而目前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進裝備的自主設(shè)計與獨立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。 發(fā)展趨勢 ??2 工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè)機器人普及的基礎(chǔ) 上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機型，第三代智能機器人已占有一定比重。以應(yīng)用為龍頭拉動工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，其 重點發(fā)展領(lǐng)域與 技術(shù)特點體現(xiàn)在下述方面： A． 機械結(jié)構(gòu) a. 以關(guān)節(jié)型為主流， 80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機器人約占總量的 l／ 3(目前世界工業(yè)機器人總數(shù)約為 750000 臺 )， 90 年代初開發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、 360 度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機器人大量用于焊接和上、下料。 b. 應(yīng) 3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛 )行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型機器人應(yīng)運而生。如 焊接數(shù)十米長、 l0 噸 以上大構(gòu)件的弧焊機器人群；采取螞蟻啃骨鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2020 3 頭的協(xié)作機構(gòu)。 c. 己普遍采用 CAD、 CAE 等技術(shù)用于設(shè)計、仿真與制造中。 B. 控制技術(shù) a. 大多數(shù)采用 32 位 CPU，控制軸多達 27 軸， NC 技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。 b. 協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機、多機器人的協(xié)調(diào)控制，正逐步實現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制。 c. 基于 PC 的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標準現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。 C. 驅(qū)動技術(shù) 上世紀 .80 年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅(qū)動已成為主流驅(qū)動技術(shù)用于工業(yè)機器人中。日本 23 家機器人公司于 1998 年生產(chǎn)的 167 種型號機器人產(chǎn)品，其中采用 AC伺服驅(qū)動的有 156 種，占 ％。直接驅(qū)動技術(shù)則廣泛用于裝配機器人中。新一代的伺服電機與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合，已由日本 FANUC 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(qū)動新技術(shù)。 D. 智能化的傳感器多有應(yīng)用 在上述 167 種機型中，裝有視覺傳感器的有 94 種，占 ％，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 目前所知最快的裝配機器人最大合成速 度為 。高精度機器人的位置重復(fù)性為正負 ，其最大合成速度達 80m/s。而另一種并聯(lián)機構(gòu)的 NC 機器人，其位置重復(fù)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，其循環(huán)時間只有 ，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)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 2020 年 9 月宣稱它的控制器為世界最小。 工業(yè)機器人的應(yīng)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(shè)備和操作人員形成一個大群體 (多智能體 )。跨國大集團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，實現(xiàn)了標準化、開放化、網(wǎng)絡(luò)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。 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 4 2 總體方案設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)類型的確定 為實現(xiàn)總體機構(gòu)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(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計成關(guān)節(jié)型機器人。關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn) 坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)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(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(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 ,就不利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。其中有 2 個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 電機安裝在小臂后面用于帶動傳動軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)手腕的擺動；關(guān)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(zhuǎn)；關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)來實現(xiàn)夾緊工件運動。 圖 21小臂腕部傳動原理圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2020 5 工作空間的確定 工 作空間是機器人學(xué)中一個重要的研究領(lǐng)域。但在實際應(yīng)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(gòu)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(jù)關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)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(shù)參數(shù)。 圖 22 機器人的工作空間位置圖 手腕結(jié)構(gòu)的確定 ??3 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(gòu)。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(qū)動的自轉(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。 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 6 圖 23末桿姿態(tài)示意圖 １ 大臂 ２ 小臂 ３ 末桿 在圖 23中末桿 Ln的圖示姿態(tài)可以看作是由處于 oX 方向的原始位置先繞 oZ 在ooo YOX 平面內(nèi)轉(zhuǎn) ? 角，然后再向上轉(zhuǎn) ? 角得到的?？梢娛怯??? 兩角決定了末桿的方向（姿態(tài)）。從理論上講，如果 00 3600 ??? ， 00 3600 ?? ? 則 末桿 在空間取任意方向。如果 末桿 的自轉(zhuǎn)角 ? （即 n? ）也滿足 00 3600 ??? ， 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： 000 %%%3 6 0 3 6 0 3 6 0d e x X X X X X X? ? ?? ? ? ? ? ? (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(gòu)的特點。 腕結(jié)構(gòu)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 0360 ，而 ? 值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好 ? 無上限。 腕結(jié)構(gòu)是操作機中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè) 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(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機的靜力平衡。 驅(qū)動裝置的選擇 機器人驅(qū)動方案的分析和選擇 ??4 通常的機器人驅(qū)動方式有以下三種 ： a. 電動驅(qū)動 電動驅(qū)動器是目前使用最廣泛的驅(qū)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(qū)動比較困難 。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2020 7 電動驅(qū)動器又分為直流（ DC） 、 交流（ AC）伺服電機驅(qū)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(shù)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(qū)動器 。 b. 液壓驅(qū)動器 液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄露，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。 c. 氣動驅(qū)動器 氣動驅(qū)動器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡單 ， 但與液壓驅(qū)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(qū)動方式，因此本課題的機器人將采用電動驅(qū)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(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。而交流伺服電機結(jié)構(gòu)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 ??5 a. 擺腕電機的選擇 手腕的最大負荷重量1 5m kg?初估腕部的重 量 kgm 32 ? ， 最大運動速度V=2m/s，則 功率 8 10 2 160 。P FV m gV W? ? ? ? ? ? 取安全系數(shù)為 ， 39。 160 192 。P P W? ? ? ? 考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率 200 。pW額 ＝ 又因為標準周期 T=， 即 m in/ rn ??? ； 則所需電機的輸入轉(zhuǎn)速為 m i n/100010100100 rin ????? ； 所以選取寬調(diào)速永磁直流 伺服電動機其技術(shù)參數(shù)見表 21。 表 21 SZYX82寬調(diào)速永磁直流伺服電機技術(shù)參數(shù) 規(guī)格型號 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定電壓 SZYX82 48V 最高電流 最高轉(zhuǎn)速 允許轉(zhuǎn)速差 ? 10% 轉(zhuǎn)動慣量 1500r/min 150 該電機具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)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(zhuǎn)腕及腕部內(nèi) 電機的選擇 根據(jù)設(shè)計要求轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，故在此應(yīng)選擇轉(zhuǎn)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(nèi)電機較小，故選 SH 直流伺服電動機 型，其安裝尺寸為 42mm，垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 8 電機重量僅為 ， 可容許速度范圍為 0 — 250r/min， 詳細參數(shù)見表 22。 表 機技術(shù)參數(shù) 單轉(zhuǎn)軸 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動慣量 額定電流 電壓 線圈電阻 35x10 7? kgm 12V 5? 基本步距角 減速比 容許轉(zhuǎn)矩 容許速度范圍 電機重量 1: 0250r/min 電樞電阻 ： Rs= (Un/InPn/In) 310 ， 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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。因此 擺腕傳動比分配為：擺腕總的傳動比 i總 ＝ 10，該傳動為兩