【正文】 (d1+ d2)+( d2? d1 )24a02= 2 100 +240。 n607 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 電機(jī)額定功率 p p = Tout.w==2240。我國采用節(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 訂了同步帶傳動相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11361～113621989 和 GB/T 116161989。 217 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 第三章 7 自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 引言 根據(jù) MOTOMANVA1400 提出的設(shè)計技術(shù)要求和機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖，如下圖 31，對其結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行每一個關(guān)節(jié)的電機(jī)、減速器理論計算和選擇，利用《機(jī)械設(shè)計手冊》，對 B、T 關(guān)節(jié)同步帶進(jìn)行設(shè)計和選擇。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO,大功率晶閘管 GTR 和場效應(yīng)管 MOSFET 等電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)和計算機(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。 （二）液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的最大特點(diǎn)是功率密度大，用于水下時無需特別考慮密封問題，液壓缸驅(qū)動可以方便的實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，液壓馬達(dá)可以方便的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，考慮到液壓伺服技術(shù)的進(jìn)步，其動態(tài)控制性能也可以做得很好。如圖 26 所示。 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)動自由度 E 的冗余自由度機(jī)器人機(jī)構(gòu)型式。盡管運(yùn)動學(xué)方面的一個重要成果指出，所有包含轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(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:存在幾個正交關(guān)節(jié)軸或者有多個連桿轉(zhuǎn)角為0 或 177。 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)和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動作和軌跡更靈活，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 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 (c)球坐標(biāo)型：具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。 主要研究內(nèi)容 本文的主要研究內(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作為研究對象。 課題來源 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)器人的一個重要特性是其能夠進(jìn)行自運(yùn)動，即在使末端操作器位姿保持不變的情況下，各個關(guān)節(jié)能夠沿冗余作業(yè)空間運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自調(diào)整。 進(jìn)入 90 年代，在國內(nèi)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動下，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)展與國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的密切銜接，研制出有自主知識產(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 個機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和 7 個科研基地。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。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化成套裝備產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)務(wù)之急 。設(shè)計的 7 自由度工業(yè)機(jī)器人為后續(xù)的機(jī)器人動力學(xué)分析和運(yùn)動控制提供了參考依據(jù)，并可以做進(jìn)一步的研發(fā)。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)加大了對機(jī)器人技術(shù)人才的培養(yǎng)力度 。 UNECE估計,2004年全球至少安裝了10萬臺新的工業(yè)機(jī)器人。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。它涉及到機(jī)械、電子、自動控制、計算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個學(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)。 早在七十年代，國外發(fā)達(dá)國家就已開始對冗余自由度機(jī)器人進(jìn)行研究。 （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。 （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 [11]件下所能到達(dá)空間的位置集合。 電氣驅(qū)動是 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)動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。在運(yùn)動學(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。這樣設(shè)計出來的機(jī)器人都有封閉解。 因此，7 自由度機(jī)器人可以模仿 MOTOMANVA1400 外形設(shè)計為如圖 25 所示。 167 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)過齒輪傳動，再經(jīng)減速器減速后，由第四關(guān)節(jié)輸出軸帶動 U 臂部俯仰。在增量運(yùn)動方面，步進(jìn)電動機(jī)可以用作具有迅速加速、減速和停機(jī)能力的起停運(yùn)動控制器。 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 平臺進(jìn)行運(yùn)動控制，就存207 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 在實(shí)時性差的缺點(diǎn)，很難保證計算周期在毫秒級的伺服控制周期之內(nèi)，為了解決這個問題采用 PMAC 可編程多軸運(yùn)動控制器與 PC 工控機(jī)組成的雙微積分級控制方式，是一種開放式控制系統(tǒng)。 （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。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。 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 。 bs= (323) = 由表 查得，應(yīng)選帶寬代號為 025 的 XL 型帶，其 bs14）帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 = 。(314) 由表 表查得其外徑 7）帶速 vda2= = d2 ? 2228。 s 所需時間 t = ，則其角加速度 180t180 s負(fù)載啟動慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計） T1 = = (33) = N ? m考慮到機(jī)器人的各部分的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，選擇減速器工況系數(shù) k = ，則減速器所需要的輸出額定轉(zhuǎn)矩 257 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）減速器的選擇 T = k. J1= = N ? m(34) ni = 36016n=ii =30= （36） TT == (37) 由于同步帶、減速器與交流伺服電機(jī)相連，其輸入轉(zhuǎn)速可調(diào)，工作條件為“恒扭矩”，則按最高轉(zhuǎn)速選擇機(jī)型。 同 步帶 的 特 點(diǎn) ： （ 1） 傳 動準(zhǔn) 確 ， 工 作時 無 滑 動 ，具有恒定的傳動比； （ 2） 傳 動平 穩(wěn) ， 具 有緩 沖 、 減 振能 力 ， 噪 聲低 ； （ 3） 傳 動效 率 高 ， 可達(dá) ， 節(jié) 能效 果 明 顯 ； （ 4） 維 護(hù)保 養(yǎng) 方 便 ，不 需 潤 滑 ，維 護(hù) 費(fèi) 用 低； （ 5） 速 比范 圍 大 ， 一般 可 達(dá) 1 0， 線 速度 可 達(dá) 50 m s ，具有較大的功率傳 遞 范 圍， 可 達(dá) 幾 瓦到 幾 百 千 瓦； （ 6） 可 用于 長 距 離 傳動 ， 中 心 距可 達(dá)10m 以上。一個對象可以調(diào)用另一個對象的函數(shù)，這樣，對象之間的相互作用方式是自己控制的，對象外部的代碼就沒有機(jī)會通過直接修改對象的內(nèi)存區(qū)域而妨礙對象發(fā)揮其功能?？煞奖愕牟捎棉D(zhuǎn)動式傳感器實(shí)現(xiàn)速度、位置閉環(huán)控制，是最為常用的驅(qū)動方式。 R腕部扭轉(zhuǎn)關(guān)交流伺服電機(jī)帶輪同步帶節(jié)帶輪減速器第六關(guān)節(jié)輸出軸圖 211 B 腕部俯仰關(guān)節(jié) （7）T 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 電機(jī)安裝在 R 腕部里，其輸出軸連接滑輪，先經(jīng)過同步帶傳動，再經(jīng)過減速187 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 器減速后，由第七關(guān)節(jié)輸出軸帶動 T 腕部回轉(zhuǎn)。 與原來機(jī)型相同，焊槍以及焊槍電纜內(nèi)置在機(jī)器人工作臂中。 根據(jù)日本安川的 6 自由度 MOTOMANHP6 機(jī)器人說明書資料，分析其 6 個軸單元的結(jié)構(gòu)，仿照其設(shè)計 7 自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。176。根據(jù) MOTOMANVA1400 的用途和特點(diǎn)提出如下技術(shù)參數(shù)： 自由度數(shù)目：7 個，坐標(biāo)形式：垂直關(guān)節(jié)型，有效載荷： 3kg ，機(jī)器人精度：? ~ + ，工作范圍： R = 1434mm ，本體重量： 150kg機(jī)器人各參數(shù)要求見下表 21。本課題設(shè)計的機(jī)器人屬于連續(xù)軌跡控制型。 一個好的機(jī)器人設(shè)計應(yīng)當(dāng)使其機(jī)械系統(tǒng)的持重—自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 中國工業(yè)機(jī) 器人經(jīng)過“七五”攻關(guān)計劃、“九五” 攻關(guān)計劃和863計劃的支持已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，工業(yè)機(jī)器人市場也已經(jīng)成熟，應(yīng)用上已經(jīng)遍及各行各業(yè)，但進(jìn)口機(jī)器人占了絕大多數(shù)。 （5）機(jī)器人化機(jī)械開始興起。其產(chǎn)品包 括：rh6弧焊 機(jī)器人、rd120點(diǎn)焊機(jī)器人及水切割、激光加工、排險、澆注等特種機(jī)器人 。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics， 日本 的FANUC、 Yaskawa，德 國的 KUKA Roboter， 美國的 Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、ST Robotics，意大利的COMAU，英國的AutoTech Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。 從“七五”科技攻關(guān)開始，我國將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點(diǎn)之一，經(jīng)過研制、生產(chǎn)、應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“從無到有”。原創(chuàng)通過答辯畢業(yè)設(shè)計說明書論文 194535455 7 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘 要 7自由度工業(yè)機(jī)器人以工作范圍大、動作靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、能抓取靠近機(jī)座的物體等特點(diǎn)備受設(shè)計者和使用者的青睞。因此，七自由度冗余手臂是智能化機(jī)器人的一個重要主題，而且有資料顯示，未來的通用機(jī)器人一般應(yīng)至少具有七個自由度 。 圖11 2003年制造業(yè)中每1萬名雇員擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量 在國外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。該公司是在國內(nèi)率先通過ISO9001國際質(zhì)量保證體系認(rèn)證的機(jī)器人企業(yè),并在《福布斯》2005年最新發(fā) 布的“中國 潛力100榜” 上名列第48位 。 （4）機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有47 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 [7]成熟應(yīng)用。為此，在高等學(xué)校博士生點(diǎn)基金和“863”基金的支持下，從 86 年開始進(jìn)行冗余自由度機(jī)器人的研究，并已研制成功一臺七自由度機(jī)器人樣機(jī)。因此，機(jī)器人是一個多輸入多輸出的、非線性、強(qiáng)藕合、位置時變的動力學(xué)系統(tǒng)，動力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過一定的簡化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專門分析方法 。 (b)連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control)：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時做受控運(yùn)動，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機(jī)的角位移和角速度信號，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。 機(jī)器人的基本技術(shù)要求 該機(jī)器人的特點(diǎn)是工作范圍大，動作靈活，結(jié)構(gòu)較緊湊，用于弧焊焊接。 R腕部扭轉(zhuǎn)B腕部俯仰L小臂擺動U臂部俯仰E大臂回轉(zhuǎn)T腕部回 轉(zhuǎn)S腰部回轉(zhuǎn)圖22 7自由度工業(yè)機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)型式 117 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案的分析 176。 根 據(jù) 設(shè) 計 要 求 ， 可 以 日 本 安 川 模 仿MOTOMANVA1400 這款機(jī)器人設(shè)計。因此，設(shè)備面積以及機(jī)器人臺數(shù)可比原來減少。如圖 211 所示。它們的共同特點(diǎn)是快速性好，控制精度高，對轉(zhuǎn)角無限制，驅(qū)動功率較大，調(diào)速性能好。 在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計中，對象之間只能通過函數(shù)