【正文】 按機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方式分類(1)點(diǎn)位控制(PTP)機(jī)器人就是由點(diǎn)到點(diǎn)的控制方式，這種控制方式只能在目標(biāo)點(diǎn)處準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預(yù)定的操作要求。圖5 多關(guān)節(jié)型機(jī)械臂 （5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人它采用一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，而兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運(yùn)動(dòng)。 、坐標(biāo)系特點(diǎn)分類 按機(jī)械結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)系特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型，圓柱坐標(biāo)型，球坐標(biāo)型，多關(guān)節(jié)型等。工作對象單一，動(dòng)作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡單，價(jià)格低廉，可以應(yīng)用。這就是閉環(huán)控制。手臂有時(shí)不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(jié)(如關(guān)節(jié)型就可能有多節(jié))，所以，它有時(shí)還應(yīng)包括肘和肩的關(guān)節(jié)，即手臂和手臂間(靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)通常叫小臂，靠近機(jī)座的，通常叫大臂)，手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍。 機(jī)器人的構(gòu)成及分類 機(jī)器人的構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。隨著人們對機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識的加深，機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。機(jī)器人的定義是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性，機(jī)器人不斷在發(fā)展，新的機(jī)型、新的功能不斷涌現(xiàn)，根本原因主要是因?yàn)闄C(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題，就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機(jī)器人充滿了幻想。 現(xiàn)代機(jī)器人來到人世間還有一個(gè)重要原因，就是時(shí)代的變化對它所產(chǎn)生的迫切需求。設(shè)想木牛流馬完全有資格算作中國古代的機(jī)器人【4】【5】。盡管古代的中外人士拘泥于古老的科學(xué)文化，和現(xiàn)在大科學(xué)時(shí)代的科學(xué)文化相差甚遠(yuǎn)，但是作為理想的追求、智慧的展現(xiàn)和社會的需求，他們腦海中的機(jī)器人的影像仍然留有深刻的痕跡。而到半夜時(shí)分，蜀軍又派人前來，在這些木制牛馬的口中轉(zhuǎn)動(dòng)其舌頭幾次，再動(dòng)動(dòng)其他幾處秘密“機(jī)關(guān)”，它們立時(shí)精神大振，一溜小跑地隨著這些蜀軍兵丁跑回了蜀軍大營【3】?？催^《三國演義》的人，大概都不會忘記，諸葛亮在和司馬懿斗智時(shí)，曾遇到蜀軍被魏軍圍困，陷于糧草接濟(jì)不上的危難境地。機(jī)械臂通過多自由度機(jī)械連桿的姿態(tài)調(diào)整和機(jī)械手的動(dòng)作完成操作任務(wù)。我國機(jī)器人技術(shù)的研究工作起步較晚，雖已取得較大發(fā)展，但較之發(fā)達(dá)國家的水平仍有較大距離，應(yīng)積極探索適合我國國情的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用思路，開發(fā)低成本、高性價(jià)比的實(shí)用型工業(yè)機(jī)器人。隨著相關(guān)支撐學(xué)科的長足發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的研究和開發(fā)正在突飛猛進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。通常機(jī)械臂由多自由度機(jī)械連桿和末端夾持器（也稱機(jī)械手）組成。 機(jī)器人的定義《三國演義》是中國著名的古典名著之一。司馬懿大奇，便派兵襲擊蜀軍運(yùn)糧隊(duì)，截獲了數(shù)匹木牛流馬，但不知蜀軍后勤兵丁在逃離之前對木牛流馬做了什么手腳，使這些被捕獲的“木牛流馬”“堅(jiān)貞不屈”，拒不執(zhí)行魏軍的指揮，各自站在原地一動(dòng)不動(dòng)，任魏軍士兵使出百般手段和氣力，也不愿向前移動(dòng)。20 世紀(jì)中葉，各種高新技術(shù)競相發(fā)展之后，“機(jī)器人”的名稱才得以在世人中間登堂人室，形成氣候。盡管在那個(gè)歷史時(shí)期，外國尚未出現(xiàn)“機(jī)器人”或者其他類似的名稱和類似的物體。是誰把“羅伯特”稱為機(jī)器人的，迄今尚未作過準(zhǔn)確考證，但是機(jī)器人的叫法一經(jīng)傳開，就形成了廣為呼應(yīng)之勢，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們越來越多的引用機(jī)器人這個(gè)名稱，來專門指向國外越來越多地創(chuàng)造出來的那些特殊機(jī)器裝置，后來就約定成俗，形成了基本統(tǒng)一的名稱——機(jī)器人?？ㄅ蹇嗽趧”局兴茉斓囊粋€(gè)具有人的外表、特征和功能，愿意為人服務(wù)的機(jī)器奴仆“ Robot一詞衍生出來的?！痹谘芯亢烷_發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過程中，人們逐步認(rèn)識到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動(dòng)其它技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以從一個(gè)方面驗(yàn)證一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平【7】。(3)手臂它由操作機(jī)的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。控制裝置包括檢測(如傳感器)和控制(如計(jì)算機(jī))兩部分，可用來控制驅(qū)動(dòng)單元，檢測其運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進(jìn)行反饋控制。這種機(jī)器人(機(jī)械手)多為氣動(dòng)或液動(dòng)，用行程開關(guān)、機(jī)械擋塊來控制其工作位置。不過，隨著機(jī)器人在陸、海、空、天、電戰(zhàn)場的超立方形空間中全面地投入軍事活動(dòng)，也為領(lǐng)導(dǎo)這些機(jī)器人部隊(duì)的人類的指揮機(jī)構(gòu)和各級作戰(zhàn)人員帶來不少新的、涉及到如何對待機(jī)器人行為的復(fù)雜問題 (4)服務(wù)機(jī)器人如醫(yī)療機(jī)器人，家用機(jī)器人，教學(xué)機(jī)器人等。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛。顯然，配置方式應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品最終實(shí)現(xiàn)的功能要求來確定，同樣，模塊的分解也是基于產(chǎn)品應(yīng)滿足的功能要求下的模塊分解。 (2)第二代機(jī)器人是70年代開始出現(xiàn)的，其技術(shù)特點(diǎn)是采用計(jì)算機(jī)直接控制，是通過具有視覺、觸覺的攝像機(jī)和傳感器，能“感覺”外界信息并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和分析 自動(dòng) 地控制操作機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和操作，因此，其控制方式較第一代機(jī)器人要復(fù)雜得多，目前這類機(jī)器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、排險(xiǎn)救災(zāi)等場合應(yīng)用，并將進(jìn)入普及階段。傳統(tǒng)的點(diǎn)焊機(jī)雖然可以減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，焊接質(zhì)量也較好，但它適宜少品種大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而點(diǎn)焊機(jī)器人可通過重新編程來調(diào)整空間點(diǎn)位，滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量多品種的生產(chǎn)環(huán)境。這種忠實(shí)的仆人具有“一次示教，終身難忘”的特點(diǎn)，動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠、分毫不差。圖7 柔性機(jī)械臂的模型噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣，國外大量使用了機(jī)器人，挪威生產(chǎn)的Trallfa機(jī)器人是目前世界上用得最多的噴漆機(jī)器人，該機(jī)器人為關(guān)節(jié)式，6自由度，電液或全電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)，采用示教再現(xiàn)方式，既可實(shí)行點(diǎn)位控制，也可實(shí)行連續(xù)軌跡控制。挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機(jī)器人，可在水下600米處作業(yè)，裝有電視攝像機(jī)，可收集海底標(biāo)本，切割石油管道和纜索等。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化問題二隨著人民生活水平的提高，人們要求提供更豐富更多樣的產(chǎn)品。在隨后的生產(chǎn)應(yīng)用中，為了適應(yīng)各種不同用途需要，相繼出現(xiàn)了直角坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)、極坐標(biāo)等許多種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)器人?？v觀機(jī)器人的發(fā)展過程，可以看出， 自從機(jī)器人在五十年代誕生以來，在短短的四十多年里由于各種有關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是自動(dòng)控制技術(shù)、集成電路技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，在國際形式的推動(dòng)下，各國在經(jīng)濟(jì)上和科技上展開激烈的競爭，機(jī)器人的生產(chǎn)和應(yīng)用隨之得到了迅速的發(fā)展。我國的高等院校，如長沙國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及7自由度機(jī)器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)做出了可喜的成績，正在逐步縮短在機(jī)器人技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平的差距。能夠生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的機(jī)器人產(chǎn)品，機(jī)器人配置中關(guān)鍵部件必要時(shí)可采用進(jìn)口產(chǎn)品，只有質(zhì)量好的機(jī)器人產(chǎn)品才能贏得用戶。隨著敏捷制造時(shí)代的到來，模塊化設(shè)計(jì)會越來越顯示出其獨(dú)到的優(yōu)越性。該論文涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子、機(jī)械、檢測技術(shù)及傳感器技術(shù)等多學(xué)科的知識，主要完成了以下的工作：，用AutoCAD等計(jì)算機(jī)圖形輔助設(shè)計(jì)軟件完成了工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)機(jī)械臂的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娮与姎鈽I(yè)、家用電器業(yè)、精密機(jī)械業(yè)。在應(yīng)用方面，一汽等大型企業(yè)己開始使用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線。這樣，結(jié)構(gòu)大大簡化，成本也隨之降低。這種方案主要考慮了傳動(dòng)鏈的簡化，結(jié)構(gòu)比較簡單易行。900，300/s； 小臂移動(dòng)距離：300mm； 負(fù)載重量：20Kg； 驅(qū)動(dòng)方式：直流或伺服電機(jī)。8. 經(jīng)濟(jì)上合理，尤其是要盡量減少占地面積。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。這就要綜合考慮組成伺服電機(jī)的各種電機(jī)特性。另一方面，在交流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子式永久磁體，繞組在定子上。 低力矩脈動(dòng) 在直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中由于沒有減速環(huán)節(jié)，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的力矩脈動(dòng)會直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制精度。對此機(jī)械臂，這些特點(diǎn)決定了它的驅(qū)動(dòng)方式。下面估算一下繞機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 結(jié)果整理如下: 兩極同步帶類型均為為L型同步齒型帶Pb=,帶寬bs= 一級同步齒型帶齒數(shù): Zp1=80,帶長：Lp1=402mm，代號160 二級同步齒型帶齒數(shù): Zp2=125,帶長：Lp1=402mm，代號160 各帶輪齒數(shù)：Z1=13,Z2=60,Z3=17,Z4=40 各帶輪節(jié)徑：d1=，d2=，d3=，d4= 傳動(dòng)中心距：L1=100mm，L2=115mm 圖13 工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)器臂大臂結(jié)構(gòu)圖 絲杠螺母設(shè)計(jì)設(shè)絲杠所受軸向載荷總和為200N，由于載荷較小，強(qiáng)度不成問題，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，從標(biāo)準(zhǔn)系列中選取以下參數(shù): 螺 距 :p=2mm，梯形螺紋 導(dǎo)程 : s=2mm 頭 數(shù) : Z=1螺母高度與螺紋中徑之比: =H/d2= 螺紋牙工作高度:h=1mm 絲杠耐磨性計(jì)算絲杠材料采用鋼，螺母材料選用青銅，根據(jù)［21］表38取許用比壓[P]一11N/mm2對于單頭標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋: d2≧ = （46） 式中:P一軸向載荷N, 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列，取絲杠公稱直徑d=10mm 絲杠穩(wěn)定性計(jì)算柔度：= l/i式中: 一長度系數(shù)，這里取2l一絲杠最大工作長度取200mmi一危險(xiǎn)截面慣性半徑,i=d1/4= 帶入數(shù)據(jù)得：=2x200/= 絲杠臨界壓縮載荷:Pc=π2EI/(l)2 式中:E一彈性模量， I慣性矩，I=πd14/64= 代入數(shù)據(jù)得：Pc= 取絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)nW = 4 則:Pc/nw=》200N 故絲杠穩(wěn)定。由于載荷不大，軸承選的較大，強(qiáng)度足夠，這里不再詳算。如下面機(jī)身底座底板的圖形結(jié)構(gòu)。圖19 大臂殼結(jié)構(gòu)圖20 底座殼結(jié)構(gòu)小臂外殼體采用鑄鐵，U形結(jié)構(gòu)，底板厚度5mm，上壁及筋板厚45mm。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的球坐標(biāo)機(jī)械臂應(yīng)該具有外形美觀、體積小、重量輕、成本低、傳動(dòng)原理簡單等特點(diǎn)，為此機(jī)器人設(shè)計(jì)成具有三個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)，機(jī)身、大臂和小臂組成。致 謝只有當(dāng)你爬上山頂后俯瞰美麗的自然風(fēng)光的時(shí)候，你才會忘掉旅程的艱辛，但難以忘記的是那些在你攀登過程中給予你幫助的人們。耿老師一直致力于給我們營造了一個(gè)獨(dú)立、自由、開放以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)氛圍，從很大程度上激發(fā)了我獨(dú)立創(chuàng)新熱情和潛力，使我在機(jī)器人研究領(lǐng)域進(jìn)行了諸多有實(shí)際意義的工作，在整個(gè)課題研究過程中，耿老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，敏捷的思維，淵博的知識均使我受益終身。最后，向在百忙中抽出時(shí)間對我的論文進(jìn)行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地感謝！衷心祝愿我的母校鄭州輕工業(yè)學(xué)院的明天更加美好！參考文獻(xiàn)[1]:清華大學(xué)出版社，2000[2]. 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