【正文】 弧焊、噴漆和檢測機(jī)器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。 機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。帶輪 1 以螺釘與電機(jī)軸相連，如圖 33。因此， hL 4 0 310/1 5 0 0 04 5 060 6 ???? () NC 3 36 2 0 33 ???? () 查得型號(hào) VFC（ Z） 的滾珠絲杠副的額定動(dòng)負(fù)載 Ca=10470N。 大臂輸出軸設(shè)計(jì) 此軸的設(shè)計(jì)功率為 WPd ? ，轉(zhuǎn)速 ω=15176。根據(jù)初選的i=10，則自由度 θ2傳動(dòng)系統(tǒng)上所有慣量折算到電機(jī)軸 2 上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2222 .9 3 ??? ?? () 16 步進(jìn)電機(jī) 2 的校核 根據(jù)公式：電機(jī)空載啟動(dòng)力矩為 0MMMM kfkakq ??? () 因?yàn)榈诙杂啥葲]有采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，所以絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零，即 M0=0。 JG1〈〈 M1L1 JG2〈〈 M2L2 JG3〈〈 M3L32，故可忽略不計(jì)， 以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J1= M1L12+M2L22+M3L32 () =4+1+4 = 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： M2=1Kg， L4=97mm； M3=4Kg， L5=194mm。方案三存在的問題是由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因此使得電動(dòng)機(jī)必須有低轉(zhuǎn)速高扭矩的要求，這樣的電機(jī)在市場上的售價(jià)相對(duì)比較高，方案不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)惠 ； 方案四結(jié)構(gòu)比較簡單，第一自由度采用諧波減速器體積小，重量輕，定位安裝方便，從而節(jié)省了空間，而且減速比大，承載能力大，效 率高，噪聲小。 作為 DD 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是 DD 電動(dòng)機(jī)及其驅(qū) 動(dòng)器。機(jī)械手 能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向進(jìn)行插入作業(yè)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、價(jià)格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。 （ 3） 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。為了完成裝配作業(yè)，還 要求手腕具有一定柔順性。我國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1264397 將工業(yè)機(jī)器人定義為 ― 工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和 移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī) [5]。 I 摘 要 機(jī)械手是一門涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制 、 人工智能等多個(gè)方面的 學(xué) 科，它代表了機(jī)電一體化的最高成就。 ‖ 工業(yè)機(jī)械手 大體按坐標(biāo)形式即操作機(jī)手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式可分為： (1)直角坐標(biāo)式 通過沿 xyz 三個(gè)互相垂直的直角坐標(biāo)的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器（手部）空間位置的改變，即沿 x 軸的縱向移動(dòng)，沿 y 軸的橫向移動(dòng)和沿z 軸的升降。這樣一來如果全部運(yùn)動(dòng)都設(shè)計(jì)成由機(jī)械手 本體來完成，那么必然 增加機(jī)械手 本體復(fù)雜性，并會(huì)影響機(jī)械手位置精度。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速 度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。它的平面轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)可以 ―放松 ‖使插入元件時(shí)可以順著孔的位置作 微小調(diào)整，具有柔順性，因而稱為在選擇方向具有柔順性的安裝 機(jī)械手，機(jī)械手 在水平方向具有順應(yīng)性，垂直方向上具有很大剛性，適合于裝配作業(yè)使用。它應(yīng)具有 以下特性： （ 1） 出轉(zhuǎn)矩大：為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式中伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的 50～ 100 倍。同時(shí)第二自由度采用的同步齒形帶充分利用了大臂的空間，也使結(jié)構(gòu)更為緊湊。 J2=M2L42+M3L52 () =1+4 = 第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 設(shè)大臂速度為 s/301 ??? ，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： ??? ?JT 式中： T 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩 J – 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ?? 角加速度 rad/s2 使機(jī)械手 大臂從 00?? 到 s/301 ??? 所需的時(shí)間為： st ?? 則： mNtJJT . 6/ ????????? ? ???? () 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為 ，取安全系數(shù)為 2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： mNTT .20212201 ???? ()選擇諧波減速器： ⑴ 型號(hào)： XB350120 （ XB3 型扁平式諧波減速器） 額定輸出轉(zhuǎn)矩： 減速比： i1=120 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為： %90?? ，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： mNiTT out . 20211 ????? ? () 選擇 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 型號(hào)： 55BF003 13 靜轉(zhuǎn)矩： 步距角： 176。設(shè)摩擦力矩可忽略不計(jì)，則僅剩加速力矩項(xiàng) kaM ，即 )(10602 2m a x cmNtnJJMM kakq ????? ??? ?? m in)/(360m a xm a x rvn p b? ?? 式中：傳動(dòng)系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ?2J =；運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 m in/900/15m a x ???? sv ；運(yùn)動(dòng) 部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間 t=。/s， m in/ rn ??? 則： mmnPCd 333 ???? ? () 最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，承受一定彎矩，軸徑選用 Φ16，軸承部分選用軸徑 Φ17其余按結(jié)構(gòu)確定。 CaC，可知?jiǎng)迂?fù)載校核足夠，余度很大。帶輪 2 通過軸肩與套桶保證其軸向的定位，帶輪 3 通過軸肩與套筒進(jìn)行軸向定位，另外以一鍵進(jìn)行周向的定位如圖 34。根據(jù)給定的任務(wù)，經(jīng)常要求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題和逆問題，因此，往往要根據(jù)需要，選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并作適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。 29 結(jié) 論 工業(yè) 機(jī)械 手 的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立，無疑是 20 世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)的重大成就。 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)。無論以多么高的精度控制手臂，若不能夾持操作物體到達(dá)目的位置，作為機(jī)器人來說，那就失去了意義，這種 相互關(guān)系是首要的。 其他部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)身輸出軸通過一聯(lián)軸器與諧波減速器連接，同時(shí)手臂升降電機(jī)與升降軸之間也通過聯(lián)軸器相連接。因此，絲杠最大工作載荷為 : NF m ???? () 最大動(dòng)負(fù)載 C的計(jì)算與校核 滾珠絲杠最大動(dòng)負(fù)載 mmFfLC 3? () 式中： L 為工作壽命， L=60nt/106； n 為絲杠轉(zhuǎn)速， n=1000v/L0； v 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（ m/min），因?yàn)樽罡哌M(jìn)給速度 vmax=30mm/s=所以 : m i n/4502/????? () t 為額定使用壽命 (h)，可取 t=15000h； fm為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取 。由于載荷不大，軸承選的較大，強(qiáng)度足夠，這里不再詳算。 第二自由度軸傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算與校核 第二自由度等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 : ?ZJ =m2L42+m3L52== () 從資料查得 45BF005Ⅱ 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量為 JD2=。如圖 31所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為 JG JG JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （ ） 其中： M1， M2， M3分別為 4Kg， 1Kg， 4Kg； L1， L2， L3分別為 143mm，445mm， 542mm。另外，大臂小臂的結(jié)構(gòu)過于單薄，易產(chǎn)生變形。而 DD 驅(qū)動(dòng)由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)械剛性好，可以高速高精度動(dòng)作，且具有部件少、結(jié)構(gòu)簡單、容易維修、可靠性高等特點(diǎn)。 日本開發(fā)的 平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器手是目前使用最廣泛的機(jī)械手 ，它專門用于垂直安裝作 業(yè)，如在印刷電路中插入元器件的機(jī)械手 ， 所以有四個(gè)關(guān)節(jié)：三個(gè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)一個(gè)垂直滑動(dòng)關(guān)節(jié)就足夠了。 （ 4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。 氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)： （ 1） 輸出功率大，壓力范圍為 4860N/cm2，最高可達(dá) 100N/cm2 （ 2） 控制性能：氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。 3 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)課題要求機(jī)械手 完成水平面內(nèi)搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)，這包括 XY 平面運(yùn)動(dòng)，以及Z 向上下運(yùn)動(dòng)。 1987 年 ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)（ RIA）的建議，給機(jī)器人下了定義，即 ―機(jī)器人是一種可反復(fù)編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或者為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改編的和可編程的動(dòng)作 的專門系統(tǒng)。現(xiàn)今，機(jī)械手已經(jīng)運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，特別是在裝配作業(yè)方面。這種機(jī)械手 的位置精度高，控制無耦合，比較簡單，避障性好，但占空比大（即機(jī)器人機(jī)構(gòu)所占空間與動(dòng)作空間之比），靈活性較差。另一方面，這種機(jī)械手 通用性差，成本也高 [3]。 （ 4） 適用于 中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手 本體的氣動(dòng)平衡和及裝配機(jī)械手 氣動(dòng)夾具。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。如圖 11 所示，兩個(gè)水平回轉(zhuǎn)臂類似人的手臂，若在手部加水平方向的力，θ2軸就會(huì)作微小旋轉(zhuǎn)，順從地移位，這種移位對(duì)彈性變形力有吸收作用，從而可方便地進(jìn)行軸與孔的裝配作業(yè) 。 （ 2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?。? DD 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可抑制在輸出轉(zhuǎn)矩的 5％～ 10％以內(nèi)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，驅(qū)動(dòng)裝置全部選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，符合設(shè)計(jì)的要求。 第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速 s/152 ??? ，角速度從 0 加到 2? 所需加速時(shí)間st ?? ，則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為： mNJT . 12/ ????? ? ?? () 設(shè)安全系數(shù) 為 2，同步帶減速比 i=10，同步帶傳動(dòng)效率為： %85?? （單級(jí)傳動(dòng)）。所以電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為： min/360360 m a xm a xm a x rvivn p b ?????? ? ? () 則 : mNcmNJM ka .0 2 1 ??? ? ? () 所以 : mNMM kakq .?? () 電機(jī)名義啟動(dòng)力矩 maxjmq MM ?? ，三相六拍運(yùn)行 ?? ，通過查表得電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 mNM j . ax ? ，所以 mNM mq .1 7 6 9 ??? () MkqMmq，初選電機(jī)滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。軸承選為 單列角接觸球軸承，型號(hào)為 7003AC GB/292，另外考慮到此軸的軸向定位，故兩個(gè)軸端設(shè)計(jì)成螺紋狀，通過兩個(gè)圓螺母進(jìn)行軸向的定位與緊固，螺紋直徑為 M14，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。 傳動(dòng)效率計(jì)算 )( ???? ?? tg tg () 根據(jù)初選滾珠絲杠型號(hào)從表 中查得螺旋升角 39。帶輪 4 的定位是通過銷與套筒完成的，如圖 35。而且還因機(jī)器人各關(guān)節(jié)之間慣性力、哥氏力的耦合作用以及重力負(fù)載的影響使問題復(fù)雜化，所以使機(jī)器人控制問題也變得復(fù)雜。開發(fā)機(jī)械手 柔性裝配系統(tǒng)可以大幅度提高生產(chǎn)柔性和生產(chǎn)率，縮短 生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。目前應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人中，很多是屬于點(diǎn)位控制方式的，如上下料搬運(yùn)機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人等。其控制結(jié)構(gòu)要比一般自動(dòng)機(jī)械的控制復(fù)雜得多，與一般的伺服系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)相比，機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn) : 28 傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)械是以自身的動(dòng)作為重點(diǎn)，而機(jī)器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對(duì)象的相互關(guān)系。 小臂外殼采用鑄鋁，圓柱形結(jié)構(gòu)。設(shè)橫向工作載荷為 : Fy= Fz=