【正文】 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)器人在不久的將來一定會(huì)出現(xiàn)。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。未來人們的許多任務(wù)都將有機(jī)器人代為完成。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。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。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)和制造分不開的。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。機(jī)器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來是機(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)。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。不過，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。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，但是卻沒有真實(shí)的命名。許多發(fā)展中國(guó)家也紛紛建立技術(shù)開發(fā)中心，應(yīng)用和生產(chǎn)機(jī)器人，可以說當(dāng)今正在掀起一個(gè)世界范圍的機(jī)器人研制熱潮。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。機(jī)械臂作為機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分，起著連接和承受外力的作用，手臂需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小、定位精度等對(duì)機(jī)械手性能影響很大。古代的羅馬帝國(guó)時(shí)期，創(chuàng)造了眾多的古代文明和促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的新事物；古代的埃及，也以它的金字塔和獅身人面怪物為典型，向全世界古今中外的人們展示了它作為世界文明古國(guó)的大家風(fēng)范。人們?cè)谡務(wù)摍C(jī)器人的時(shí)候，切切不可拘泥于它們的現(xiàn)代化名稱如何，也不應(yīng)拘泥于中國(guó)古代那些活靈活現(xiàn)的“藝人”與“木牛流馬”等是否完全一致等問題，而對(duì)機(jī)器人的產(chǎn)生、發(fā)展產(chǎn)生誤解。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想像和創(chuàng)造空間。此外，智能化機(jī)器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、。(4)機(jī)座有時(shí)稱為立柱，是工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受響應(yīng)力的基礎(chǔ)部件。(2)可編程序的通用機(jī)器人工作程序可變，以適應(yīng)不同的工作對(duì)象，通用性強(qiáng)，適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點(diǎn)的柔性制造系統(tǒng)中。這種形式的工業(yè)機(jī)器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機(jī)器人。這是國(guó)內(nèi)外正在積極研究，開發(fā)的高級(jí)機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是具有人工智能。在爆炸品和危險(xiǎn)物生產(chǎn)線上，它們可以代替人工作，且不知疲倦，連續(xù)工作。在軍事方面，機(jī)器人己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。這種機(jī)器人帶有傳感器，能感知環(huán)境和對(duì)象的情況，以控制自身動(dòng)作的變化。根據(jù)我國(guó)的情況，我們認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)開發(fā)的思路應(yīng)從高以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：（1） 實(shí)用性。圖8 工業(yè)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)過程綜上所述，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)總體技術(shù)原理是：在成組技術(shù)指導(dǎo)下，針對(duì)多品種小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，面對(duì)生產(chǎn)線上的機(jī)臺(tái)和單元間的物品移置的工藝要求或是裝配、噴涂等作業(yè)的工藝要求，利用模塊化設(shè)計(jì)手段，選擇品質(zhì)優(yōu)良的控制模塊以及執(zhí)行模塊，按一定的坐標(biāo)體系進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的快速制造。家用電器及儀器儀表的組裝作業(yè):小型電器開關(guān)、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)。要實(shí)現(xiàn)工業(yè)球坐標(biāo)型機(jī)器人的三個(gè)自由度，內(nèi)部零件應(yīng)盡量小巧，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊。，即要求力/重量比和力矩/慣量比要大。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。結(jié)果是，由于在熱的傳送途徑中沒有氣隙的存在，因此交流電機(jī)總的熱傳導(dǎo)系數(shù)比較高，從而交流電機(jī)可以承受相當(dāng)大的電流而不損壞，這樣在相同的尺寸下功率也會(huì)較大。球坐標(biāo)型機(jī)械臂三個(gè)關(guān)節(jié)均選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 絲杠和螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算 螺母所受彎曲應(yīng)力: w=3phs/πdb2LZ=（48） 式中:b一齒根寬度b==，其它字母意義同前。圖18 機(jī)身底座底板大臂殼體采用鑄鐵，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。其余兩個(gè)自由度均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。另外在本課題的研究和學(xué)習(xí)過程中，還得到了多名同班同學(xué)的熱情幫助和寶貴意見，是我的設(shè)計(jì)能夠更完美。對(duì)老師們的教導(dǎo)和辛勤勞動(dòng)表示萬分感謝。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。光杠采用5鋼棒， 與伸縮軸平行放置，示意圖如下：圖17 伸縮軸導(dǎo)向示意圖絲杠傳遞扭矩T=，則光杠所受圓周力: Ft=T/(31x103)=則光杠所受徑向力為:F=光杠撓度最大值:Ymax=Fl3/192EI式中:1一光杠長(zhǎng)度395mmE一彈性模量200GpaI慣性矩 I=1/64πd4將數(shù)據(jù)代入得:Ymax= m由變形量可知，光杠變形較小，剛度足夠。 則： Pd=koP== 2 選擇帶的節(jié)距由 Pd= 和n1= 50r/min，從[12]，對(duì)應(yīng)的節(jié)距為Pd=([1]). 3 確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng)[1],帶輪I齒數(shù)最小可取10，考慮到制造和安裝等因素，取Z1=13。本次設(shè)計(jì)正是基于這樣的原因，決定采用直流無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子上有繞組并有電流流過，于是在轉(zhuǎn)子中會(huì)產(chǎn)生熱，這些熱必須從轉(zhuǎn)子通過氣隙、永久磁體以及電動(dòng)機(jī)機(jī)體向周圍環(huán)境散發(fā)（也可以通過從軸到軸承散失掉）。若使用直流伺服電機(jī)，還要考慮電刷放電對(duì)實(shí)際工作的影響。 該機(jī)械臂的基本技術(shù)參數(shù)如下： 大臂長(zhǎng)度及回轉(zhuǎn)角度：500mm，177。故機(jī)器人的外形應(yīng)巧妙設(shè)計(jì)，部分外殼應(yīng)采用透明材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單明了，另外，機(jī)器人的動(dòng)作應(yīng)連續(xù)，速度適中。拒統(tǒng)計(jì)資料介紹，在這些裝配機(jī)器人中，球坐標(biāo)型裝配機(jī)器人是應(yīng)用數(shù)量非常多且較為廣泛的一種裝配機(jī)器人?？梢?，在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用組合式、模塊化設(shè)計(jì)思路可以很好地解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計(jì)制造周期和生產(chǎn)成本之間的矛盾。1986年，國(guó)家把智能機(jī)器人列為高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，研究目標(biāo)是跟蹤世界先進(jìn)水平，工作內(nèi)容主要是圍繞特種機(jī)器人進(jìn)行攻關(guān)。這種機(jī)械手可以通過讓其沿一系列點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)位置以數(shù)字形式存貯起來，動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)軸來再現(xiàn)這些位置，從而讓機(jī)械手完成一些簡(jiǎn)單的工作。在空間開發(fā)中，航天飛機(jī)上收放衛(wèi)星的機(jī)器人是加拿大Spar公司生產(chǎn)的，美國(guó)NASA實(shí)施的火星探測(cè)計(jì)劃，發(fā)射了兩個(gè)火星探測(cè)器海盜I和海盜H，它們也是一種機(jī)器人，在火星上采集樣品，作各種實(shí)驗(yàn)，并能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)回地球。重新教授的內(nèi)容通過另外一套程序來實(shí)現(xiàn)。 “代”分類 (1)第一代機(jī)器人其特點(diǎn)是采用開關(guān)量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運(yùn)動(dòng)參數(shù)需通過示教或編程給定。圖3 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂 （3）球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人又稱極坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)（即RRP,一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動(dòng)作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比。 機(jī)器人的分類目前世界各國(guó)對(duì)處于發(fā)展階段的機(jī)器人還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，大致有以下幾種分類方法。(2 )手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動(dòng)作范圍，一般具有23個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。但是，小科學(xué)時(shí)代的社會(huì)局限性也限制了科學(xué)發(fā)明向深度和廣度進(jìn)軍的尺度與力度，使得即使從發(fā)明之樹上摘取了許多果實(shí)，但是，那些處在高大枝干和濃密樹葉掩蓋下的碩果，卻因當(dāng)時(shí)基于沒有攀登工具和慧眼尋視，而無法或根本不可能采摘下來。按照其完成任務(wù)的不同需要，機(jī)器人目前大致被分成可以由人來操作、控制或指揮的機(jī)器人，或者不由人控制、操縱或指揮的機(jī)器人兩大類。木牛流馬除了形如真牛和真馬并主要由木材料制成之外，還有非凡的功用，即當(dāng)用木牛流馬轉(zhuǎn)運(yùn)蜀軍糧草時(shí)，“人不大勞，牛馬不食，進(jìn)退如活的一般。工業(yè)機(jī)器人是柔性化制造系統(tǒng)FMS、自動(dòng)化工廠FA和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS，必不可少的自動(dòng)化工具，它的發(fā)展和應(yīng)用情況已成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志【1】。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)娛樂等新領(lǐng)域拓展開來，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。當(dāng)時(shí)，司馬懿曾對(duì)天長(zhǎng)嘆，口服心服地說，“我不如諸葛亮也！”。這些書中描述的木牛流馬，可以稱作是中國(guó)古代的木制機(jī)器人。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)中葉開始的大科學(xué)時(shí)代。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。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。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）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。 (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)。它們忠于職守，能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行人類的指令，從這一點(diǎn)講，機(jī)器人實(shí)在是人類最忠實(shí)的仆人。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。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】。經(jīng)過近20年努力，特別是經(jīng)過“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)器人語言等技術(shù)。（5） 模塊化。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。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。3. 第三個(gè)自由度采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。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。因?yàn)閃=I2 R，所以電流越大，發(fā)熱量越大。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。 第三自由度無刷伺服電機(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。 帶輪軸設(shè)計(jì)圖16 帶輪軸此軸傳遞的扭矩為: T=2To/i2x =()=此軸的轉(zhuǎn)速為w=300/s, 則傳遞功率為: P=Txw= N=wx60/360=5r/min d≧C=由于軸上有鍵槽,承受一定彎矩,取d=15mm，軸承處軸頸取為d=15mm。其它部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定，這里不一一敘述，詳見圖紙。老師們的言傳身教培養(yǎng)了我良好的學(xué)習(xí)態(tài)度。我還要感謝鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院四年來對(duì)我的栽培和培養(yǎng)。第二個(gè)關(guān)節(jié)采用了同步齒形帶的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，充分利用了大臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊。大臂殼在此次機(jī)械臂中主要是輔助的作用，承載小臂軸的重量。 螺紋副自鎖條件校核由[2]表310得，此螺紋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)fw=. 當(dāng)量摩擦角為: v =arctgfw = 由式(26)知，螺旋升角為: v 故此螺紋副能自鎖.結(jié)論: 絲杠螺母副公稱直徑d=10mm，導(dǎo)程p=2mm，剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均合格，且能自鎖。第三關(guān)節(jié)采用了具有自鎖功能的絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。目前，隨著高科技領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，對(duì)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提出了各種各樣的要求。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求，優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)諧波減速器，跨距轉(zhuǎn)大的傳動(dòng)可選用同步帶傳動(dòng)，力求一步到位，傳動(dòng)簡(jiǎn)單。近年來計(jì)算機(jī)、CIMS及柔性自動(dòng)裝配系統(tǒng)等的發(fā)展，又為裝配機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展提供了良好的可能性。 本文的研究?jī)?nèi)容本文研究的機(jī)器人機(jī)械臂為球坐標(biāo)型機(jī)器人機(jī)械臂，一般采用直流無刷伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，編程方便。（2） 快速性。智能機(jī)器人被人們稱為第三代機(jī)器人，它是能利用感覺和識(shí)