【正文】 國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志【1】。 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(lái)了質(zhì)的飛躍。 工業(yè)機(jī)器人自20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，其研究和開(kāi)發(fā)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中一直備受青睞。盡管各國(guó)對(duì)機(jī)器人的定義不盡相同，但都有可編程、擬人化、通用性等特點(diǎn)，是一種融機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。它不僅提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率而且還推動(dòng)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(lèi)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(kāi)發(fā)、宇宙探索、國(guó)防建設(shè)、安全救濟(jì)、生物醫(yī)學(xué)、服務(wù)娛樂(lè)等新領(lǐng)域拓展開(kāi)來(lái)，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。以機(jī)械臂為例，機(jī)械臂的發(fā)展是隨著機(jī)器人技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷成熟而不斷發(fā)展的。因此在設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，除了要考慮上述因素外，還應(yīng)注意一下幾點(diǎn)【2】：（1） 手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、重量輕，保證手臂準(zhǔn)確工作并具有一定的定位精度；（2） 應(yīng)使手臂運(yùn)動(dòng)速度快，慣性小、動(dòng)作靈活；（3） 應(yīng)使手臂傳動(dòng)準(zhǔn)確，導(dǎo)向性好；（4） 輸油管道的布置應(yīng)合理，不妨礙機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)且使手臂外形整齊，結(jié)構(gòu)緊湊；（5） 其他要求，如高溫作業(yè)，應(yīng)考慮輻射的影響；粉塵場(chǎng)合應(yīng)設(shè)有防塵裝置等。許多發(fā)展中國(guó)家也紛紛建立技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，應(yīng)用和生產(chǎn)機(jī)器人，可以說(shuō)當(dāng)今正在掀起一個(gè)世界范圍的機(jī)器人研制熱潮。當(dāng)時(shí)，司馬懿曾對(duì)天長(zhǎng)嘆，口服心服地說(shuō)，“我不如諸葛亮也！”?！彼抉R懿原以為大軍壓境，團(tuán)團(tuán)圍困，可以把蜀軍困在山上餓死，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，蜀軍不知用什么法術(shù)，居然驅(qū)趕著大批似牛似馬的東西，在叢山峻嶺的羊腸小道行走如飛，來(lái)回駝運(yùn)糧草等急需之物。據(jù)傳說(shuō)，古埃及在法老和亞歷山大時(shí)期，其廟字之內(nèi)還供奉著會(huì)說(shuō)話的神秘塑像，并伴有可以自動(dòng)啟閉的廟門(mén)。外國(guó)古代機(jī)器人像中國(guó)古代機(jī)器人一樣，擁有很長(zhǎng)的歷史，但是卻沒(méi)有真實(shí)的命名。這些書(shū)中描述的木牛流馬，可以稱(chēng)作是中國(guó)古代的木制機(jī)器人。如果人們把20實(shí)際50年代以后才逐漸取名為“機(jī)器人”的那些機(jī)器作為既有別于一般機(jī)器，又有別于一般地球人的新生事物的話，那么，把這種籠統(tǒng)的概念回溯到古代，回想起《三國(guó)演義》的作者對(duì)木牛流馬的描述，人們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然據(jù)考證這些木牛流馬僅是一些較為簡(jiǎn)單的運(yùn)輸工具——獨(dú)輪手推車(chē)，但是作者的構(gòu)思和描述與當(dāng)今機(jī)器人的概念是一致的?，F(xiàn)代的機(jī)器人，從名稱(chēng)開(kāi)始就是一種“舶來(lái)品”的譯名。不過(guò)，也有許多人根據(jù)這種特殊機(jī)械裝置的功能，為了特別強(qiáng)調(diào)它門(mén)能夠替代人的某些勞動(dòng)及工作等特點(diǎn)，再加上一些擬人化的手法，在對(duì)“Robot”取名之初就定名為“機(jī)器人”了。從古代科學(xué)流向現(xiàn)代科學(xué)，從20 世紀(jì)初葉以前的科學(xué)時(shí)代流向20 世紀(jì)中葉開(kāi)始的大科學(xué)時(shí)代。機(jī)器人(Robot)是1920年由捷克作家卡雷爾在把機(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(dòng)物的機(jī)器。我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是:“機(jī)器人是一種自動(dòng)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。對(duì)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(dòng)化裝備的重要區(qū)別。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(guò)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)器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來(lái)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)。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(dòng)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。有些專(zhuān)用機(jī)器人可以沒(méi)有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部?？煞止潭ㄊ胶鸵苿?dòng)式兩類(lèi)，移動(dòng)式機(jī)座下部安裝了移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它可以擴(kuò)大機(jī)器人的活動(dòng)范圍。它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、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(dòng)作。圖1 計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)對(duì)于智能機(jī)器人，還應(yīng)有人工智能系統(tǒng)。(1)固定程序的專(zhuān)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(jiǎn)單的可變程序)。、部門(mén)和用途分類(lèi) (1 )工業(yè)機(jī)器人它們又可按作業(yè)類(lèi)別分為鍛壓、焊接、表面噴涂、裝卸、裝配、檢測(cè)等機(jī)器人。這是和機(jī)器人部隊(duì)的設(shè)計(jì)者與策劃者的智慧、思想、設(shè)計(jì)和制造分不開(kāi)的。 （1）直角坐標(biāo)型機(jī)械臂其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)（即PPP）組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方形。圖4 球坐標(biāo)型機(jī)械臂 （4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人又稱(chēng)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人一體上肢類(lèi)似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見(jiàn)形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰擺動(dòng)，小臂做仰俯擺動(dòng)。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。這些部件可以作為一個(gè)獨(dú)立的基本模塊，也可以將幾個(gè)部件組合為一個(gè)復(fù)合模塊。 (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(dòng)，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(dòng)，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點(diǎn)的姿態(tài)。60年代以來(lái)，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。包括: 模式識(shí)別能力、規(guī)劃決策能力、知識(shí)庫(kù)、專(zhuān)家系統(tǒng)、人機(jī)交互能力等。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。它們忠于職守，能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行人類(lèi)的指令，從這一點(diǎn)講，機(jī)器人實(shí)在是人類(lèi)最忠實(shí)的仆人。通常一個(gè)機(jī)器人可以保存成百種不同作業(yè)和不同動(dòng)作套路的程序，可以十分方便地隨主人之意調(diào)用和更換花樣。它們動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠，即使加工成千上萬(wàn)發(fā)炮彈，也下會(huì)碰到底火引起爆炸事故。未來(lái)人們的許多任務(wù)都將有機(jī)器人代為完成。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(dòng)，微機(jī)控制點(diǎn)位或連續(xù)軌跡，用VAL語(yǔ)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。在海洋開(kāi)發(fā)方面，美國(guó)曾用Curv號(hào)有纜水下機(jī)器人成功地從西班牙附近900米深的海底打撈一顆因B52轟炸機(jī)失事掉入水中的氫彈。在建筑中，己有一種爬壁機(jī)器人可用來(lái)修理墻面，擦洗窗戶。機(jī)器人工作抗干擾能力強(qiáng)，一心一意按所編程序工作，動(dòng)作精度、重復(fù)精度高，因此能保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)器人對(duì)于改善勞動(dòng)條件、減少安全事故，減少人受危險(xiǎn)環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果【10】。正是由于這個(gè)機(jī)械手具有了編程示教再現(xiàn)功能，因此許多人把它作為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)生的標(biāo)志。在機(jī)器人視覺(jué)、觸覺(jué)研究的同時(shí)，機(jī)器人其他感覺(jué)功能的開(kāi)發(fā)也已經(jīng)開(kāi)始，對(duì)機(jī)器人的接近覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、滑覺(jué)以及會(huì)話等功能都進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。智能機(jī)器人的研究是一個(gè)艱巨而又廣泛的問(wèn)題，隨著研究的不斷深入，相關(guān)科學(xué)的飛速發(fā)展(如第五代智能計(jì)算機(jī))，具有智能的機(jī)器人在不久的將來(lái)一定會(huì)出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)近20年努力，特別是經(jīng)過(guò)“七11.”攻關(guān)、“ 863”計(jì)劃，取得了一批重要成果，掌握了機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、機(jī)器人語(yǔ)言等技術(shù)。進(jìn) 入 90 年代，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)下，確定了特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，實(shí)現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的密切銜接，研制出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，并小批試產(chǎn)，完成了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，建立了9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個(gè)科研基地。應(yīng)能開(kāi)發(fā)出市場(chǎng)急需的、功能實(shí)用的、滿足用戶要求的機(jī)器人。（3） 高質(zhì)量。（5） 模塊化。工業(yè)機(jī)器人的組合式模塊化設(shè)計(jì)也為機(jī)器人產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、提高產(chǎn)品質(zhì)量、方便維修、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力提供了條件。我國(guó)機(jī)器人發(fā)展已跨過(guò)了起步階段，走上了進(jìn)步和發(fā)展的道路。該機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂的突出特點(diǎn)是具備較強(qiáng)機(jī)動(dòng)性、靈活性，機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)，具有較好的通用性，重復(fù)定位精度高，動(dòng)作速度快，能夠成功的應(yīng)用于包裝、上下料以及工業(yè)生產(chǎn)等廣泛領(lǐng)域，設(shè)計(jì)將主要圍繞球坐標(biāo)型機(jī)械臂各部件結(jié)構(gòu)，將采用模塊化思想，進(jìn)行機(jī)械臂包括機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，此課題為自擬實(shí)際開(kāi)發(fā)的科研課題。3機(jī)械臂模塊的規(guī)劃與數(shù)學(xué)描述：研究機(jī)械臂的功能約束，研究具有明確機(jī)械功能的模塊定義方法及數(shù)學(xué)描述。1991年世界上4萬(wàn)余臺(tái)在生產(chǎn)上應(yīng)用的裝配機(jī)器人中，球坐標(biāo)型機(jī)器人占了很大的比重?？梢哉f(shuō)，球坐標(biāo)型機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。隨著國(guó)內(nèi)教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，研究水平在某些方面己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。而研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低球坐標(biāo)型機(jī)器人用于教學(xué)可以提高教育的現(xiàn)代化水平，用于實(shí)際生產(chǎn)可以大大提高工作效率，還可以用于科學(xué)研究工作，為開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的裝配機(jī)器人提供有利條件，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，我們有能力也有必要進(jìn)行這方面的研究。在滿足所要求功能的前提下，盡可能降低成本，而對(duì)實(shí)踐的功能要求不高，速度等參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，定位精度要求也不高，故機(jī)構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標(biāo)準(zhǔn)件，驅(qū)動(dòng)元件采用便宜的直流伺服電機(jī)，而光電碼盤(pán)等測(cè)試校驗(yàn)元件則可不用，其功能由軟件部分實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。重量輕是機(jī)器人研制的一個(gè)方向，在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故材料要首選鋁質(zhì)輕質(zhì)材料，零件特別是具有定位功能的殼體定位板應(yīng)采用板筋結(jié)構(gòu)，各零件的空間分布要合理，減小傾覆力矩。圖9 傳動(dòng)圖 如圖所示:大臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用行星齒輪減速器，小臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用二級(jí)同步帶減速，伸縮軸采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。3. 第三個(gè)自由度采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。1200，300/s； 小臂長(zhǎng)度及回轉(zhuǎn)角度：300mm，177。，不產(chǎn)生沖擊。7. 對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要小。步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力(變磁阻式)和保持轉(zhuǎn)矩(水磁式)的能力，這對(duì)于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。而除了步進(jìn)電機(jī)，其他類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)都可以作為伺服電機(jī)使用。因?yàn)閃=I2 R，所以電流越大，發(fā)熱量越大。空氣是很好的絕緣體，因此，直流電機(jī)的總熱傳導(dǎo)系數(shù)相當(dāng)?shù)?。圖10 帶載運(yùn)行電機(jī)定子表面溫升曲線由以上的分析可知，采用永磁體的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既克服了直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向的不足，又具有功耗小、體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，與反饋環(huán)節(jié)相結(jié)合組成伺服控制系統(tǒng)帶載能力強(qiáng)，易于控制。與普通的低俗電動(dòng)機(jī)不同的是適應(yīng)直接驅(qū)動(dòng)的低速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)必須具備以下幾點(diǎn)要求： 力矩慣量比大滿足這一要求是為了減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)慣量的影響，提高系統(tǒng)的快速性。長(zhǎng)壽命，高可靠性；高性能，運(yùn)行平穩(wěn)；智能化，機(jī)電一體化，易于控制；體積小，功耗低；價(jià)格便宜；慣量小、輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。圖11 直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線球坐標(biāo)型機(jī)械臂負(fù)載并不大，決定了機(jī)械臂必須重量輕(2040Kg)，另外其作業(yè)范圍也不大，所以機(jī)械臂必須體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。第一個(gè)關(guān)節(jié)傳動(dòng)采用小體積、大轉(zhuǎn)矩、高減速比的行星齒輪箱減速器。因?yàn)閷⑿”凵炜s軸伸開(kāi)至最大并與機(jī)座呈90度時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)可產(chǎn)生直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。 第三自由度無(wú)刷伺服電機(jī)的選擇絲杠螺母?jìng)鲃?dòng),實(shí)現(xiàn)腕部的伸縮，當(dāng)小臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度時(shí)受的電機(jī)承受的力矩最大，設(shè)絲杠軸向承載總和為:Q=200N。則:Z2=i1Z1=5Z1=65根據(jù)[12]，取Z2=60同理可得:Z3=17, Z4=40重新計(jì)算傳動(dòng)比:i1=Z2/Z1=i2=Z4/Z3=i=i1i2= , II, III, N各帶輪的直徑:d1 =, d2=d3 =, d4=由[12]式(15)可得帶長(zhǎng)計(jì)算公式: Lp=2Lcos +π（d2+d1）/2+π（d2d1）/180 （42）式中:L一中心距mm Lp一 帶長(zhǎng)mm =arcsin((d2d1)/2L)代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得:Lp1=2L1cos 1+π1（d2+d1）/2+π1（d2d1）/180 =2x90xcos[arcsin()/2L1)]+πx（+）/2+π1 x（）/180=382mm同理可得：Lp2=402mm按[12]，選擇最接近算值的標(biāo)準(zhǔn)帶長(zhǎng):Lp1 = ，齒數(shù)80， 代號(hào)160Lp2 =，齒數(shù)80，代號(hào)160近似計(jì)算中心距: L≈M+ （43）式中:M=Pbx（2ZbZ1Z2）/8 L一中心距 mmPb一節(jié)距， mmZb一帶齒數(shù)，這里Zbl=80. Zb2=125Z2,ZI為配合帶輪齒數(shù)則: M1=Pb1x（2Zb1