【正文】 自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。較先進(jìn)的桁架機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。桁架機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)作速度快、防爆性能好等特點(diǎn)，可通過手把手示教或點(diǎn) 位示數(shù)來實(shí)現(xiàn)示教。桁架機(jī)器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門 。 桁架機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn) ： （ 1）柔性大 ， 工作范圍大。（ 2）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。（ 3）易于操作和維護(hù) ， 可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間。（ 4）設(shè)備利用率高 ， 桁架機(jī)器人的利用率可達(dá) 90%95%。 本文研究主要內(nèi)容 通過利用網(wǎng)絡(luò)工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了解桁架機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，確定本設(shè)計(jì)符合要求，滿足需要。具體設(shè)計(jì)方法如下： 查閱資料、結(jié)合所學(xué)專業(yè)課程，產(chǎn)生桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路； 查閱各類機(jī) 械機(jī)構(gòu)手冊(cè)，確定合理的桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)； 根據(jù)給定技術(shù)參數(shù)來選擇合適的手部、腕部、臂部等部位； 重點(diǎn)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究； 通過研究國內(nèi)外情況，確定本設(shè)計(jì)課題的重點(diǎn)設(shè)計(jì)； 完成 2D 裝配圖的設(shè)計(jì)和繪制，并由此繪制零件圖； 編寫設(shè)計(jì)說明書； 檢查并完善本設(shè)計(jì)課題。 本設(shè)計(jì)采用的方法是理論設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方案，所運(yùn)用的資料來源廣泛，內(nèi)容充足。 4 2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì) 本文的重要任務(wù)是完成桁架機(jī)器人的設(shè)計(jì)，本章內(nèi)容是圍繞桁架機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)來展開，介紹桁架機(jī)器人執(zhí)行機(jī) 構(gòu)設(shè)計(jì)思路。 桁架機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 表示機(jī)器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、坐標(biāo)形式的選擇。 自由度 自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。自由度表示了機(jī)器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要六個(gè)自由度。 桁架機(jī)器人的自由度越多，越接近人手的動(dòng)作機(jī)能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，自由度的增加也意味著桁架機(jī)器人整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對(duì)矛盾，此外還要考慮到由此帶來的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在 靈活性和輕量化之間必須做出選擇。工業(yè)機(jī)器人基于對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負(fù)荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用桁架機(jī)器人有 5～ 6 個(gè)自由度即可滿足使用要求（其中臂部有 3個(gè)自由度，腕部和行走裝置有 2～ 3 個(gè)自由度），專用桁架機(jī)器人有 5個(gè)自由度即可滿足使用要求。 坐標(biāo)形式的選擇 桁架機(jī)器人的坐標(biāo)形式主要可分為：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型另外還有比較復(fù)雜的 SCARA 型和并聯(lián)型 [9]。 1 直角坐標(biāo)型桁架機(jī)器人：這類桁架機(jī)器人就是如圖 21(a)得直移型，其手 部空間位置的改變通過沿三個(gè)互相垂直軸線的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，該形式桁架機(jī)器人具有位置精度高，控制無耦合、簡單，壁障性好等特點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，且移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，而且需架空線路。 2 圓柱坐標(biāo)型桁架機(jī)器人：這種桁架機(jī)器人如圖 21（ b）的回轉(zhuǎn)型桁架機(jī)器人，通過兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運(yùn)動(dòng)系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。這種桁架機(jī)器人，占地面積小而活動(dòng)范圍較大，結(jié)構(gòu)亦較簡單，并能達(dá)到較高的定位精度，因而應(yīng)用范圍較 5 廣泛。 機(jī)身采用立柱式，桁架機(jī)器人側(cè)面行走，順利完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。但是結(jié)構(gòu)也比較龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。 3球坐標(biāo)型機(jī)器人： 這類桁架機(jī)器人如圖 21（ c）的俯仰型桁架機(jī)器人，其手臂沿 X 方向伸縮，繞 Y軸俯仰和繞 Z軸回轉(zhuǎn)。這類桁架機(jī)器人具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、位置精度尚可等特點(diǎn)，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問題，位置誤差與臂長有關(guān)。 4 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型桁架機(jī)器人：如圖 21（ d）的屈伸型桁架機(jī)器人，主要由立柱、前臂和后臂組成。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié) 構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但是位置精度較低，存在平衡以及控制耦合的問題，故比較復(fù)雜。 圖 2. 1機(jī)器人的坐標(biāo)形式 [22] 6 圖 桁架機(jī)器人基本形式示意圖 [9] 規(guī)格參數(shù) 用途：抓取 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自由度為 5 個(gè)。 運(yùn)動(dòng)范圍為 5000X3000X2021mm 最大抓取力為 10Kg。 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 有效負(fù)載 有效負(fù)載是指機(jī)器人操作臂在工作時(shí)臂端可能搬運(yùn)的物體重量或所能承受的力或力矩，它表示了桁架機(jī)器人的負(fù)載能力。機(jī)器人的載荷不僅僅取決于負(fù)載的質(zhì)量， 還與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度和加速度的大小及方向有關(guān)。為了安全起見，有效負(fù)載是指高速運(yùn)行時(shí)的有效負(fù)載。 運(yùn)動(dòng)特性 速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。它反映了機(jī)器人的使用效率和生產(chǎn)水平，桁架機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度越高，則其使用效率越高，生產(chǎn)水平越高。但速度越快產(chǎn)生的沖擊和震動(dòng)也越大，因此提高機(jī)器人的加減速速能力，保證機(jī)器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。對(duì)于本文中的桁架機(jī)器人，在沒有負(fù)載時(shí)可以適當(dāng)?shù)丶涌炱溥\(yùn)動(dòng) 7 速度 。而在其有負(fù)載時(shí)，末端執(zhí)行器 (手爪 )通常要和物體直接接觸，為了安全起見，務(wù)必要盡量減少手臂的運(yùn) 動(dòng)速度?？偟膩碚f，桁架機(jī)器人的速度在一定范圍內(nèi)要是可調(diào)的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。 工作范圍（工作半徑） 工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來確定的 ,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。 桁架機(jī)器人材料的選擇 機(jī) 器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的實(shí)際工作情況來進(jìn)行選擇，在滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)要求前提下。從設(shè)計(jì)的理論出發(fā)，機(jī)器人手臂要進(jìn) 行各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料并要求有一定剛度。另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，這必然大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度、彈性進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的運(yùn)動(dòng)性能。此外，機(jī)器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)器人手臂是要受到控制的，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性還要和材料的可加工性、成本、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。 總之，選擇機(jī)器人手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素 。下面介紹幾種機(jī)器人手臂常用的材料 [7]： (l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼：這類材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加了很多倍、彈性模量大、抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料 。 (2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料：其共同特點(diǎn)是重量輕、彈性模量不大，但是材料密度小，但仍可與鋼材相比 。 (3)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金屬連接的特殊部位。然而，國外已經(jīng)設(shè)計(jì)出純陶瓷的桁架機(jī)器人臂了。 從本文設(shè)計(jì)的桁架機(jī)器人的角度來看，在選用材料時(shí)不需要很大的負(fù)載能力，也不需要很高的彈性模 量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機(jī)械臂的構(gòu)件材料。 8 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。常見的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和 SCARA 型。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場、位置以及搬運(yùn)前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。 考慮到桁架機(jī)器人的作業(yè)特點(diǎn)，即要求其動(dòng)作靈活、有較 大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點(diǎn)，故選用關(guān)節(jié)型桁架機(jī)器人。這類桁架機(jī)器人一般由 2 個(gè)肩關(guān)節(jié)和 1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由 2 個(gè)或 3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。這種構(gòu)形動(dòng)作靈活、工作空間大、在作業(yè)時(shí)空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。但是這類桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解比較困難；確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。 桁架機(jī)器 人的驅(qū)動(dòng)元件 在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，來獲得動(dòng)力。電氣驅(qū)動(dòng)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波 電機(jī)和 HD電動(dòng)機(jī)【 10】等幾 種。 步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就進(jìn)行回轉(zhuǎn)一定的角度，脈沖數(shù)與角度數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進(jìn)電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)，通過脈沖頻率同步，能夠按照脈沖要求進(jìn)行起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)變速，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機(jī)器人中位置 控制系統(tǒng)中得到了極大的應(yīng)用。主要有永磁式、反應(yīng)式、永磁感應(yīng)子式三種。 直流伺服電機(jī)是用直流電供電的電動(dòng)機(jī)。其功能是將輸入的受控電壓 /電流能量轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與普通動(dòng)力用直流電機(jī)相同。特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、可控性好、響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)矩大。一般有永磁式和電磁式，在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。 . 交流伺服電機(jī)的使用情況與直流伺服電機(jī)相同，但交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、功率大、過載能力強(qiáng)、無電刷、維修方便，因而交流伺服 9 電機(jī)是今后機(jī)器人 用電機(jī)的主流。 低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。為了提高功率效率比，伺服電機(jī)制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載。由于齒輪傳動(dòng)存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對(duì)功率效率比要求不十分嚴(yán)格，而對(duì)于精度有嚴(yán)格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機(jī)，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。 HD電動(dòng)機(jī)是一種小型大轉(zhuǎn)矩 (大推力 )的電動(dòng)機(jī)，電 動(dòng)機(jī)可直接與負(fù)載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機(jī)器人產(chǎn)品中。 通過上述對(duì)幾種機(jī)器人常用電機(jī)的分析和比較，綜合考慮本文桁架機(jī)器人臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動(dòng)和制動(dòng)，所以選擇應(yīng)用較為廣泛的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì) 綜合考慮桁架機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)環(huán)境，采用了 5 個(gè)自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人。整個(gè)機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)采用來實(shí)現(xiàn)，即整個(gè)機(jī)構(gòu)裝在一個(gè)上。整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè) 4 自由度的串行機(jī)構(gòu)，且臂與小臂關(guān)節(jié)的軸線相互平行。這種結(jié)構(gòu)動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，占地面積 小，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗較少，關(guān)節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。桁架機(jī)器人部件組成由、立柱回轉(zhuǎn)部件、臂、小臂、末端執(zhí)行器（噴涂頭）組成。 各部分的功能如下： 1) 底座，是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在基座上。 2) 立柱是手臂的支撐部分，通過安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，立柱可以在機(jī)座上轉(zhuǎn)動(dòng)。 3) 手臂包括臂和小臂，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，以實(shí)現(xiàn)空間位置的 3 個(gè)坐標(biāo)分量的要求，用來支承腕關(guān)節(jié)，并使其在工作 空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為了使末端執(zhí)行器能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂和機(jī)身的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)上具有 4 個(gè)自由度。 4) 腕關(guān)節(jié)是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用于調(diào)整末端執(zhí)行器的方向和姿態(tài)。手部一般是夾持裝置，主要用來夾緊作業(yè)工具。 10 3 桁架機(jī)器人氣爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 手爪種類 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。 這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。 不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多 結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手 指的最小開度由加工 工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為 50mm 來設(shè)計(jì)。 a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開閉范圍 工作時(shí)，一個(gè)手指開閉位置以最