【正文】 ..............................27 機(jī)器人控制的分類 ............................................28 點(diǎn)位控制 (PTP)機(jī)器人： ......................................................................28 連續(xù)軌跡控制 (CP)機(jī)器人： ................................................................28 結(jié) 論 ...............................................................29 參考文獻(xiàn) ............................................................30 致謝 ................................................................31 1 第 1 章 緒論 機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于 1920 年捷克作家 Karel Capek 的劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，捷克的 Robota 意為 ―苦力 ‖、 ―勞役 ‖，是一種人造勞動(dòng)者，英語(yǔ) Robot由此衍生而來(lái)。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)，其本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人工業(yè)已成為世界各國(guó)備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。 本文所述機(jī)械手主要指 服務(wù) 機(jī)械手 ，即具有操作機(jī) (機(jī)械本體 )、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備 [2]。 20 世紀(jì) 50 年代，在自動(dòng)機(jī)和自動(dòng)線上出現(xiàn)了可以代替人力傳遞和裝卸工件的機(jī)械手，隨后在某 些危險(xiǎn)作業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了由操作人員直接控制或遙控的操作機(jī)。工業(yè)機(jī)器手 是在自動(dòng)操作機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種能模仿人 手臂 的某些動(dòng)作和控制功能，并按照可變的預(yù)定程序、軌跡和其他要求，操縱工具實(shí)現(xiàn)多種操作的自動(dòng)化機(jī)械系統(tǒng)。 1987 年 ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（ RIA）的建議，給機(jī)器人下了定義，即 ―機(jī)器人是一種可反復(fù)編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或者為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改編的和可編程的動(dòng)作 的專門系統(tǒng)。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1264397 將工業(yè)機(jī)器人定義為 ― 工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和 移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī) [5]。 ‖ 工業(yè)機(jī)械手 大體按坐標(biāo)形式即操作機(jī)手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式可分為： (1)直角坐標(biāo)式 通過(guò)沿 xyz 三個(gè)互相垂直的直角坐標(biāo)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器（手部）空間位置的改變，即沿 x 軸的縱向移動(dòng)，沿 y 軸的橫向移動(dòng)和沿z 軸的升降。這種機(jī)械手 的位置精度高，控制無(wú)耦合，比較簡(jiǎn)單，避障性好，但占空比大（即機(jī)器人機(jī)構(gòu)所占空間與動(dòng)作空間之比），靈活性較差。 (2)圓柱坐標(biāo)式 通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。這種機(jī)械手 的位置精度僅次于直角坐標(biāo)式，控制簡(jiǎn) 單，避障性好，但結(jié)構(gòu)龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，難與其他機(jī)械手 協(xié)調(diào)工作。 (3)球坐標(biāo)式 又稱極坐標(biāo)式。機(jī)械手 手臂運(yùn)動(dòng)由 1 個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和 2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)所組成，即沿 x 軸方向的伸縮，繞 y 軸的俯仰和繞 z 軸的回轉(zhuǎn)。機(jī)械手 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，其位置精度 尚可，但避障性差，有平衡問(wèn)題，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比，能與其他機(jī)械手 協(xié)調(diào)工作。 (4)關(guān)節(jié)坐標(biāo)式 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂 直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān) 2 節(jié)坐 標(biāo)，機(jī)械手 由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過(guò)肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞 z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān) 節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機(jī)械手 工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好，能抓取靠近機(jī)座的物體，但位置 精度較低，有平衡問(wèn)題，控制耦合比較復(fù)雜， 目前應(yīng)用越來(lái)越多。 機(jī)械手 的驅(qū)動(dòng)裝置用來(lái)驅(qū)動(dòng)操作機(jī)工作，按動(dòng)力源的不同可分為電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)三種，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)、液壓缸和氣缸可以與操作機(jī)直接相連，也可通過(guò)齒輪、諧波和鏈條裝置與操作機(jī)相連?？刂葡到y(tǒng)用來(lái)控制工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定要求動(dòng)作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控 制系統(tǒng)。 本課題提出設(shè)計(jì)一種平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手 的模型，這種機(jī)械手 的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單而實(shí)用，成本低，重量輕，慣性小，精 度高且在運(yùn)行中具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。本論文在平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手 研制以及相關(guān)領(lǐng)域研究成果基礎(chǔ)上，對(duì) 機(jī)械手 本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在確定了總體設(shè)計(jì)方案之后對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)加以計(jì)算與校核。培養(yǎng)了自己獨(dú)立設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使理論教學(xué)與設(shè)計(jì)實(shí)踐緊密結(jié)合起來(lái)；并且在不斷摸索改進(jìn)以及指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下，使設(shè)計(jì)的圖紙能接近實(shí)際模型制作的要求，滿足相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。 3 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)課題要求機(jī)械手 完成水平面內(nèi)搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)，這包括 XY 平面運(yùn)動(dòng)，以及Z 向上下運(yùn)動(dòng)。為了完成裝配作業(yè)，還 要求手腕具有一定柔順性。這樣一來(lái)如果全部運(yùn)動(dòng)都設(shè)計(jì)成由機(jī)械手 本體來(lái)完成，那么必然 增加機(jī)械手 本體復(fù)雜性，并會(huì)影響機(jī)械手位置精度。另一方面，這種機(jī)械手 通用性差，成本也高 [3]。 鑒于上述原因，同時(shí)考慮機(jī)械手 應(yīng) 具有良好的通用性，以保證這個(gè)課題完成后，所提供機(jī)械手 技術(shù)，具有較好的產(chǎn)業(yè)化、商品化前景 。 所以，在設(shè)計(jì)中，本人把機(jī)械手 設(shè)計(jì)成 平面關(guān)節(jié)式機(jī)械手 ，具有四個(gè)自由度：兩個(gè)完成水 平面內(nèi)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)完成 Z 軸上下運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)完成繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖 21 機(jī)械手 結(jié)構(gòu)示意圖 工業(yè) 服務(wù) 機(jī)器手 的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇 工業(yè) 服務(wù) 機(jī)械手 的驅(qū)動(dòng)可分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類型。 1．液壓驅(qū)動(dòng) 液壓傳動(dòng)機(jī)械手 有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7Mpa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。 液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)： （ 1）輸出功率很大，壓力范圍為 50140N/cm2 （ 2）控制性能： 利用液 體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 （ 3）結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率 /質(zhì)量較 大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大。 （ 4）液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過(guò)載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。液壓驅(qū)動(dòng)需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動(dòng)精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。 4 （ 5） 適用于重載 、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手 。 2．氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度 穩(wěn)定性差，氣壓一般為 ，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。 氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)： （ 1） 輸出功率大，壓力范圍為 4860N/cm2，最高可達(dá) 100N/cm2 （ 2） 控制性能：氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。 （ 3） 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題小。 （ 4） 適用于 中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手 本體的氣動(dòng)平衡和及裝配機(jī)械手 氣動(dòng)夾具。 3．電力驅(qū)動(dòng) 這種驅(qū)動(dòng)是目前在工業(yè)機(jī)器 手 中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（ SM）驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)（ DC），現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)（ AC）驅(qū)動(dòng)也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動(dòng)單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有的通過(guò)諧波減速器裝置來(lái)減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小 負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手 ，如 AC 伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手 等。 電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)： （ 1）普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減 速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)械手 。 （ 2）直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、制動(dòng)等工作狀況。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng)，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，其功率 較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)，可承受頻繁的起動(dòng)、換向，切率中等。這類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電感小，故換向性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，快速性能好，低速無(wú)爬行 ）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種， 5 其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子 慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過(guò)載、重載能力強(qiáng) ）之分。 （ 3）交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有 調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點(diǎn)，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電動(dòng)機(jī)已之泛取代直流伺服電動(dòng)機(jī)。 （ 4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無(wú)漂移、無(wú)積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡(jiǎn)單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速 度主要取決于脈沖頻率，故控制簡(jiǎn)便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡(jiǎn)化線路，降低成本，而且又提高可靠性。 綜上所述，本機(jī)械手 功率不高 ，轉(zhuǎn)速不高，又考慮到 機(jī)械手 的特點(diǎn)和步進(jìn)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，故驅(qū)動(dòng)方案應(yīng)首選步進(jìn)電機(jī) 。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比與分析 工業(yè)機(jī)械手 的傳動(dòng)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu) 緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量和體積小，要求消除傳動(dòng)間隙，提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度。工業(yè)機(jī)械手 傳動(dòng)裝置除齒輪傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)外，還常用滾 珠絲杠、諧波齒輪、鋼帶、同步齒形帶和繩輪傳動(dòng)，以下就是工業(yè)機(jī)械手 常用的傳動(dòng)方式及其特點(diǎn) [13]。 （ 1）滾珠絲杠：傳動(dòng)效率高，達(dá) ，有利于主機(jī)的小型化和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；摩擦力矩小，接觸鋼度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和提高工作精度；工作壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)無(wú)間隙，無(wú)爬行傳動(dòng)精度高，具有很好的高速性能；抗沖擊振動(dòng)性能差，承受徑向載荷能力差。 （ 2）同步帶：靠齒嚙合傳動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高，初張緊力最小，瞬間速度均勻，單位質(zhì)量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動(dòng)相比，噪聲小，不需潤(rùn)滑，傳動(dòng)比、線速度范圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動(dòng)較好，維修簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì) 。廣泛 應(yīng)用于各種機(jī)械傳動(dòng)。 （ 3）齒輪傳動(dòng)：傳動(dòng)比大、范圍寬；元件少，體積小，重量輕；同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，承載能力高；且誤差能互相補(bǔ)償，故運(yùn)動(dòng)精度高?？刹捎谜{(diào)整波發(fā)生器達(dá)到無(wú)側(cè)隙嚙合；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低，傳動(dòng)效率也比較高，且傳動(dòng)比大時(shí)，效率并不顯著下降，但主要零件 —柔輪的制造工藝比較復(fù)雜。 6 （ 4）蝸桿傳動(dòng)：傳動(dòng) 比大，工作平穩(wěn)，噪聲較小，結(jié)構(gòu)緊湊，在一定條件下有自鎖性，效率低。 綜上所述，由于腕部需進(jìn)行 Z 向運(yùn)動(dòng)，且受徑向力很小，故選用滾珠絲杠傳動(dòng)；臂部需穩(wěn)定，高效的傳動(dòng)，又考慮到結(jié)構(gòu)需簡(jiǎn)單易拆卸，以及經(jīng)濟(jì)因素，所以選用同步帶傳動(dòng)。 日本開發(fā)的 平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器手是目前使用最廣泛的機(jī)械手 ，它專門用于垂直安裝作 業(yè)，如在印刷電路中插入元器件的機(jī)械手 ， 所以有四個(gè)關(guān)節(jié)：三個(gè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)一個(gè)垂直滑動(dòng)關(guān)節(jié)就足夠了。機(jī)械手 能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向進(jìn)行插入作業(yè)。它的平面轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)可以 ―放松 ‖使插入元件時(shí)可以順著孔的位置作 微小調(diào)整，具有柔順性，因而稱為在選擇方向具有柔順性的安裝 機(jī)械手，機(jī)械手 在水平方向具有順應(yīng)性，垂直方向上具有很大剛性，適合于裝配作業(yè)使用。如圖 11 所示，兩個(gè)水平回轉(zhuǎn)臂類似人的手臂，若在手部加水平方向的力，θ2軸就會(huì)作微小旋轉(zhuǎn)，順從地移位，這種移位對(duì)彈性變形力有吸收作用，從而可方便地進(jìn)行軸與孔的裝配作業(yè) 。 機(jī)械手 總體設(shè)計(jì)方案的比較確定 方案一 ： 圖 22 設(shè)計(jì)方案一