【正文】 關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計1緒論 選題背景及其意義 本題設(shè)計的是關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計和手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計，此課題來源于實際生產(chǎn)，對于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術(shù)熟練成都要求高，因此采用機器人技術(shù)，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)力，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件。題目要求是：動作范圍：手腕回轉(zhuǎn),擺動,旋轉(zhuǎn)。各軸最大速度要求：。額定載荷，最大速度。腕部最大負荷：5kg。機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。自古以來,人們所設(shè)想的機器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機器。特別是在20世紀20年代前后,捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學作品,更使機器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學描繪,也制造出一些仿人或仿生的機器人。然而在當時的科技條件下,要使機器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機械手,他首先突破了對機器人的傳統(tǒng)觀點,提出機器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設(shè)計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置,發(fā)表了《適用于重復作業(yè)的通用性工業(yè)機器人》一文,并獲得了美國專利。戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機構(gòu)與數(shù)控機床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起,預定的機械手動作一經(jīng)編程輸入后,機械等就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人也可以接受示教而完成各種簡單任務。示教過程中操作者用手帶動機械手依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器中，任務的執(zhí)行過程中，機器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下再現(xiàn)出那些位置序列。 文獻綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 隨著全球能源短缺、環(huán)境污染以及溫室效應等問題的日益突顯。尋找可持續(xù)的能源近年來，工業(yè)機器人的應用越來越廣泛，種種跡象表明工業(yè)自動化時代已經(jīng)到來，工業(yè)機器人極有可能成為下一個迎來爆發(fā)式增長的新興產(chǎn)業(yè)。另一方面，中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)正處于前所未有的機遇期，政策紅利、工業(yè)轉(zhuǎn)型升級需求釋放等機遇疊加，但中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展卻不盡如人意，產(chǎn)業(yè)化進程發(fā)展緩慢。工業(yè)機器人是生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，可用于安裝、制造、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應用于汽車及汽車零部件、電氣電子、化工、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應用領(lǐng)域廣泛。產(chǎn)業(yè)具備加速發(fā)展條件，中國工業(yè)機器人的規(guī)模、分布、技術(shù)、應用是產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的基礎(chǔ)和條件?？傮w來看，中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)處于起步期，整體規(guī)模較??；受產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段影響，龍頭企業(yè)多分布在研發(fā)集中的東北地區(qū)；技術(shù)投入雖逐年增長，但核心技術(shù)尚未產(chǎn)業(yè)化；人力替代需求旺盛，市場應用前景廣闊?！　H工業(yè)機器人協(xié)會統(tǒng)計資料顯示，2008~2012年，我國工業(yè)機器人平均每年安裝量約15000臺，2012年新安裝量24800臺。工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20多年發(fā)展，基本實現(xiàn)了從試驗、引進到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變。中國目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人。但我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的差距，主要體現(xiàn)在：產(chǎn)品可靠性、精確度低于國外產(chǎn)品；機器人應用領(lǐng)域較窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比仍有差距；自主創(chuàng)新不足，諸多技術(shù)方面停留在仿制層面，關(guān)鍵零部件依賴進口，特別是在高性能交流伺服電機和高精密減速器方面的差距尤為明顯；在加工工藝方面，國內(nèi)廠商的熱處理技術(shù)較弱，直接影響工業(yè)機器人的控制精度?！　‘斍?，我國的機器人生產(chǎn)品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本高，而且質(zhì)量、可靠性都不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。目前，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于內(nèi)外部機遇疊加的重要發(fā)展期，工業(yè)轉(zhuǎn)型升級推動裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人口增長趨勢有利于釋放市場容量、商業(yè)模式創(chuàng)新活躍。同時，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過初期的技術(shù)積累和產(chǎn)品市場規(guī)模的不斷擴大，正逐步接近產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展的臨界點。工業(yè)機器人是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級必不可少的高端裝備，是我國“十二五”規(guī)劃中重點發(fā)展的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，也是其他新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。隨著我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的逐步推進，對以工業(yè)機器人為代表的智能裝備的需求，將呈爆發(fā)式增長。 工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展與商業(yè)模式的創(chuàng)新密不可分。工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備了基礎(chǔ)技術(shù)條件，足以支撐產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。商業(yè)模式的建立有利于加快形成工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)體系，改變原有的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。在信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上積累的商業(yè)模式創(chuàng)新經(jīng)驗，為工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了可資借鑒的良好經(jīng)驗。機器人的應用，是從特種作業(yè)領(lǐng)域，逐漸向工業(yè)裝備領(lǐng)域進行大規(guī)模市場拓展的，目前在眾多領(lǐng)域已呈爆發(fā)式增長?！　⊥瑫r，中國工業(yè)機器人面臨巨大挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)發(fā)展缺乏戰(zhàn)略層面規(guī)劃，難以適應現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)化加速發(fā)展的要求；技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱，關(guān)鍵零部件仍難以走出實驗室實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，缺乏核心競爭力；在國外企業(yè)壟斷全球市場的格局下，傳統(tǒng)模仿跟隨的發(fā)展路徑與加速做大總量的現(xiàn)實需求不匹配。產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策與產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段不協(xié)調(diào)。眾多國家級重大項目涉及機器人領(lǐng)域，各地方政府也在大力投資機器人產(chǎn)業(yè)。但目前工業(yè)機器人還沒有建立起產(chǎn)業(yè)體系，管理缺失，導致產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、政策研究、標準體系建設(shè)等行業(yè)重點工作存在缺位。2手腕結(jié)構(gòu)的確定手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人操作機的最末端，其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個坐標位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)三個自由度。如下圖所示，三個電機成三角形分布。 圖2－1 傳動原理圖3. 基本參數(shù)的確定空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)的確定，那么手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動、和手腕旋轉(zhuǎn)三個姿態(tài)的自由度也得到了實現(xiàn)。表32 機器人的主要規(guī)格參數(shù)動作范圍手腕回轉(zhuǎn)手腕擺動手腕旋轉(zhuǎn)額定載荷最大速度4手腕詳細設(shè)計說明 本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。手腕的最大負荷重量，初估腕部的重量，最大運動速度V=3m/s 功率，考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率。執(zhí)行機構(gòu)的最大轉(zhuǎn)速為n=r/min經(jīng)查表按推薦的傳動比合理范圍i=,電動機轉(zhuǎn)速范圍是n=1988到11440r/min選擇Z型并勵直流電動機，技術(shù)參數(shù)如下 表41 Z型并勵直流電動機技