【正文】 2= = d2 ? 2228。2a( z2? z1)??= ent???122?2 122240。 bs= (323) = 由表 查得，應(yīng)選帶寬代號(hào)為 025 的 XL 型帶，其 bs14）帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 = 。 d n1 1601000240。 1根據(jù)帶型 XL 和小帶輪轉(zhuǎn)速 n1 ，由表 查得小帶輪的最小齒數(shù) Z min = 10 ，在此處取 Z 1 = 12 。 610 (35) = ≈ 30所以，減速器減速比 i 為 33= 10綜 合 考 慮， 選 擇 如 下減 速 器 ， 安川 機(jī) 械 手 專用 減 速 器 ，額 定 輸 出 轉(zhuǎn)矩 ： ；減速比： i = 10 。已在食品、汽車、紡織、制藥、印刷、造紙等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 梯形齒形同步帶，又分單面有齒和雙面有齒兩種，簡(jiǎn)稱為單面帶和雙面帶。 （2）蝸桿減速器 主要有圓柱蝸桿減速器、環(huán)面蝸桿減速器、蝸桿齒輪減速器。 本章小結(jié) 本章首先講述了串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，然后介紹了與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念，如自由度、工作空間、機(jī)器人分類，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人是 7 自由度關(guān)節(jié)型弧焊機(jī)器人。 7 自由度機(jī)器人的控制系統(tǒng) 7 自由度工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件部分 在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，若只采用 PC 機(jī)下 Windows 平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，就存207 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，很難保證計(jì)算周期在毫秒級(jí)的伺服控制周期之內(nèi)，為了解決這個(gè)問(wèn)題采用 PMAC 可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器與 PC 工控機(jī)組成的雙微積分級(jí)控制方式，是一種開放式控制系統(tǒng)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。在增量運(yùn)動(dòng)方面，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以用作具有迅速加速、減速和停機(jī)能力的起停運(yùn)動(dòng)控制器。 R腕部扭轉(zhuǎn)關(guān)交流伺服電機(jī)帶輪節(jié)同步帶帶輪減速器第七關(guān)節(jié)輸出軸B腕部俯仰關(guān)節(jié)圖 212 T 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式的選擇 通常，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下幾種： （一）氣壓驅(qū)動(dòng) 使用壓力通常在 ，最高可達(dá) 1Mpa 。 167 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) E大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)第三關(guān)節(jié)輸出軸減速器齒輪L小臂關(guān)節(jié)交流伺服電機(jī)圖 28 E 大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 軸節(jié) 減齒速輪（4）U 臂部俯仰關(guān)節(jié) 電機(jī)安裝在 E 大臂和 U 臂部連接處，其輸出軸先經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)，再經(jīng)減速器減速后，由第四關(guān)節(jié)輸出軸帶動(dòng) U 臂部俯仰。另外，VA1400將焊接接地電纜、瓦斯軟管以及空氣軟管內(nèi)置在機(jī)器人的基座里，提高了易用性和易維修性。 因此，7 自由度機(jī)器人可以模仿 MOTOMANVA1400 外形設(shè)計(jì)為如圖 25 所示。 127 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 23 MOTOMANHP6 機(jī)器人外形 圖 24 MOTOMANHP6 機(jī)器人總體構(gòu)型 本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)器人都有封閉解。對(duì)于串聯(lián)的運(yùn)動(dòng)連桿，關(guān)節(jié)數(shù)目等于要求的自由度數(shù)目。在運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類機(jī)器人最像人的手臂，因而結(jié)構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達(dá)空間最大，它甚至可以繞過(guò)障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，因而是機(jī)器人中最有前途的一種。srads極限力矩 N ? m kg ? m2S 腰部回轉(zhuǎn) 170~+170 220   L 小臂擺動(dòng) 70~+148 200   U 臂部俯仰 175~+150 220   R 腕部扭轉(zhuǎn) 150~+150 410   B 腕部俯仰 45~+180 410   T 腕部回轉(zhuǎn) 200~+200 610   E 大臂回轉(zhuǎn) 90~+90 220   97 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)型式 手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)是 20 世紀(jì) 90 年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最易于控制、使用方便、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。 （2）工作空間(Work Space)：工作空間是指機(jī)器人臂桿的特定部位在一定條77 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [11]件下所能到達(dá)空間的位置集合。 本課題要設(shè)計(jì)一款串聯(lián) 7 自由度工業(yè)機(jī)器人，其機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，能持重 3kg ，用于弧焊技術(shù)。 （4）利用 UG 軟件建立機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，為后續(xù)系統(tǒng)的仿真分析工作做好準(zhǔn)備。目前我國(guó)機(jī)器人技術(shù)相當(dāng)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)80年代初的水平，特別是在制造工藝與裝備方面，不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的關(guān)鍵部件。 早在七十年代，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家就已開始對(duì)冗余自由度機(jī)器人進(jìn)行研究。 總體趨勢(shì)是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。它涉及到機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。經(jīng)過(guò)近 20 年努力，特別是經(jīng)過(guò)“七五”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)。這些機(jī)器人廣泛應(yīng)用在儀器、汽車、航天、食品、制藥、醫(yī)學(xué)、鑄造、塑料等領(lǐng)域。日本安川電機(jī)(Yaskawa Electric Co.)自1977年研 制出第一臺(tái)全電 動(dòng)工業(yè)機(jī)器人 以來(lái)，已有29年 的機(jī)器人研發(fā)生 產(chǎn)的歷史,旗下?lián)碛蠱otoman美國(guó)、瑞典、德 國(guó)以及Synetics Solutions美國(guó)公司等子公司，至今共生產(chǎn)13000 多臺(tái)機(jī)器人產(chǎn)品，而最近2年生產(chǎn)的機(jī) 器人30000多臺(tái)，超過(guò)了其他機(jī)器人制造 公司。 UNECE估計(jì),2004年全球至少安裝了10萬(wàn)臺(tái)新的工業(yè)機(jī)器人。經(jīng)過(guò)多年的研究開發(fā)，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)已日趨成熟；市場(chǎng)需求在“十五”初期也有了一個(gè)“井噴式”的發(fā)展，此外我國(guó)業(yè)已形成了幾家具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)器人公司和產(chǎn)業(yè)化基地。在這樣的背景下，機(jī)器人技術(shù)與相關(guān)方面人才的需求也迅速增加，各高校也相應(yīng)加大了對(duì)機(jī)器人技術(shù)人才的培養(yǎng)力度 。 本論 文首先根據(jù)機(jī)器人 持重 3kg 、工作范 圍1434mm 、本體 重量150 kg ，確立機(jī)器人為 S 腰部回轉(zhuǎn)、L 小臂擺動(dòng)、E 大臂回轉(zhuǎn)、U 臂部俯仰、R 腕部扭轉(zhuǎn)、B腕部俯仰、T 腕部回轉(zhuǎn)的 7 自由度關(guān)節(jié)型弧焊機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)；分析機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角速度、加速度等技術(shù)指標(biāo)下的工作狀況，確定 7 個(gè)關(guān)節(jié)都采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人手臂專用減速器傳動(dòng)，同時(shí) B、T 腕部關(guān)節(jié)還用到同步帶傳動(dòng)。設(shè)計(jì)的 7 自由度工業(yè)機(jī)器人為后續(xù)的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)控制提供了參考依據(jù)，并可以做進(jìn)一步的研發(fā)。然而，六自由度機(jī)器人在跟蹤特定位置和方向的能力受到很大的 限制。究其原因，很大程度在于自主品牌不夠，發(fā)展壯大自主品牌及其自動(dòng)化成套裝備產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)務(wù)之急 。 北美16100臺(tái)(比2003年增加27%,比2000年的記錄高24%)； 安川電機(jī)核心工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品包括：點(diǎn)焊和弧焊機(jī)器人、油漆和處理機(jī)器人、LCD玻璃板傳輸機(jī)器人和半導(dǎo)體晶片傳輸機(jī)器人等。但是，中國(guó)的首鋼莫托曼機(jī)器人工業(yè)主要是進(jìn)口日本工業(yè)機(jī)器人，只是在國(guó)內(nèi)進(jìn)行組裝而已。 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。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；有關(guān)節(jié)模塊連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人。 課題來(lái)源 7自由度工 業(yè)機(jī)器人是一種冗余度機(jī)器人，冗余度 機(jī)器人的一個(gè)重要特性是其能夠進(jìn)行自運(yùn)動(dòng)，即在使末端操作器位姿保持不變的情況下，各個(gè)關(guān)節(jié)能夠沿冗余作業(yè)空間運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自調(diào)整。特別是還沒(méi)有研制出一臺(tái)具有冗余自由度的機(jī)器人樣機(jī)。 主要研究?jī)?nèi)容 本文的主要研究?jī)?nèi)容： 本課題以實(shí)際工程項(xiàng)目出發(fā)，仿照日本安川 7 自由度工業(yè)弧焊機(jī)器人 VA1400作為研究對(duì)象。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析復(fù)雜，兩相鄰桿件坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、末端執(zhí)行器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩(或力)之間的 關(guān)系等，都不是一 般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，需要建立一套針對(duì)空間開鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)方法。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。 首先，按機(jī)器人控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)： (a)點(diǎn)位控制型(Point to Point Control)：機(jī)器人受控運(yùn)動(dòng)方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移動(dòng)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。 (c)球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器 人比非關(guān) 節(jié)型機(jī)器 人有更大 的相對(duì)空 間(手腕可 達(dá)到的最 大空間體 積與機(jī)器人本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。 圖21 幾種自由度機(jī)器人手臂構(gòu)型 由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型107 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 綜合考慮之后，設(shè)計(jì) 7 自由度工業(yè)機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)型式為圖 22 所示。盡管運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的一個(gè)重要成果指出，所有包含轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)的串聯(lián)6 自由度機(jī)構(gòu)均是可解的，但這種解一般是數(shù)值形式的，而存在封閉解的機(jī)器人具有以下特性:存在幾個(gè)正交關(guān)節(jié)軸或者有多個(gè)連桿轉(zhuǎn)角為0 或 177。 所以本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人借鑒 6 自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，在 6R 關(guān)節(jié)機(jī)器人的二、三關(guān)節(jié)之間，也就是在 L 自由度和 U 自由度之間加一轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的冗余自由度機(jī)器人機(jī)構(gòu)型式。 綜合考慮，在 6R 關(guān)節(jié)機(jī)器人的二、三關(guān)節(jié)之間，也就是 L、U 自由度間加一轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 E 的冗余自由度機(jī)器人機(jī)構(gòu)型式。與設(shè)置在側(cè)面位置相比，設(shè)備面積可減少到原來(lái)的 1/2。如圖 26 所示。如圖 210 所示。 （二）液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)的最大特點(diǎn)是功率密度大，用于水下時(shí)無(wú)需特別考慮密封問(wèn)題，液壓缸驅(qū)動(dòng)可以方便的實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，液壓馬達(dá)可以方便的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到液壓伺服技術(shù)的進(jìn)步，其動(dòng)態(tài)控制性能也可以做得很好。功率偏大時(shí)，體積較大，并且其空間分辨率較低，只適于傳動(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO,大功率晶閘管 GTR 和場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET 等電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，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。對(duì)象是計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的一塊區(qū)域，通過(guò)將內(nèi)存分塊，每個(gè)模塊（即對(duì)象）相互之間在功能上保持相對(duì)獨(dú)立。 217 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第三章 7 自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引言 根據(jù) MOTOMANVA1400 提出的設(shè)計(jì)技術(shù)要求和機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖，如下圖 31，對(duì)其結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行每一個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)、減速器理論計(jì)算和選擇，利用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，對(duì) B、T 關(guān)節(jié)同步帶進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。 它 綜合 了 帶 傳 動(dòng)、 鏈 傳 動(dòng) 和齒 輪 傳 動(dòng) 各自 的 優(yōu) 點(diǎn) 。我國(guó)采用節(jié)距制，并根據(jù) ISO 5296 制247 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 訂了同步帶傳動(dòng)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11361～113621989 和 GB/T 116161989。a =610240。 n607 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電機(jī)額定功率 p p = Tout.w==2240。(311) 由表 查得其外徑 5）大帶輪齒數(shù) z26）大帶輪節(jié)圓直徑 d2da1z2= = d1 ? 2228。 (d1+ d2)+( d2? d1 )24a02= 2 100 +