【文章內(nèi)容簡介】 檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。 B．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度 提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 C．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，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 D．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、 模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E．焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 其研究的現(xiàn)狀，總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 本文的主要研究內(nèi)容 本文設(shè)計(jì)和研究了一個六自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于生產(chǎn)線的進(jìn) 送料和裝配。首先，本文對生產(chǎn)線布局進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)的工作效率，然后，設(shè)計(jì)機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2章 生產(chǎn)線布局及 總體方案的確定 生產(chǎn)線布局方案 如圖 21 所示， 采取兩車床相臨，與加工中心依次排布的布局方式； 圖 21 生產(chǎn)線布局圖 機(jī)械手 1. 雙爪（手指為兩個夾持機(jī)構(gòu)） 2. 機(jī)械手的自由度 （ 1）機(jī)械手手部兩個自由度（回轉(zhuǎn)） （ 2）手腕一個自由度（兩個回轉(zhuǎn)） （ 3）手臂一個自由度（回轉(zhuǎn)） （ 4）機(jī)身兩 個自由度（兩個回轉(zhuǎn)） 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 工作流程 ：由機(jī)械手將工件從傳送帶取下，夾持工件外圓，固定到車床一上、夾緊，進(jìn)行工序一； ，機(jī)械手再次從傳送帶上取下工件，存放在手上； ，由機(jī)械手的另一只手將工件取下，將存放手上的工件固定車床一，進(jìn)行工序一； ，將從車床一取下的工件調(diào)頭撐內(nèi)孔固定到車床二上，進(jìn)行工序二； 4； ，進(jìn)行工序三； ，機(jī)械手將工件取出反 轉(zhuǎn)，重新固定，進(jìn)行工序四； ，機(jī)械手將成品件從加工中心取出，放到出料傳送帶上； 9 重復(fù)流程 5~8。 工作流程圖如圖 22 所示。 圖 22 工序流程圖 方案預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)： 方案最大的特點(diǎn)是采用了雙爪機(jī)構(gòu)（手指為兩個夾持機(jī)構(gòu)），在生產(chǎn)流程中，省去了等待工序一加工完才可夾持下一工件的時間和各個工序之間所需的時間間隙，雙抓舉手實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的不間歇生產(chǎn)，節(jié)省了時間，提高了效率。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 總體方案的設(shè)計(jì) 機(jī)構(gòu)的選型 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要。我們主要從以下幾個方面對其進(jìn)行研究： (1） 可達(dá)空間的范圍。 (2) 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 (3) 自由度的選取。 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá) 15KG，且長度達(dá) 500MM，同時考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人 可 分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、 球坐標(biāo)型機(jī)器人和開鏈連桿式機(jī)器人。開鏈連桿式機(jī)器人是現(xiàn)在使用最多的一 種，其主體結(jié)構(gòu)的三個自由度腰關(guān)節(jié)、 肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，手腕上也采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)來確定末端的姿態(tài)，具有優(yōu)點(diǎn)如下： [6] 1. 結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地小。 2. 具有很高的可達(dá)性。可以使其手部進(jìn)入像汽車車身這樣一個封閉的空間內(nèi) 進(jìn)行作業(yè)，而直角坐標(biāo)型的機(jī)器人就不行。 3. 因?yàn)闆]有移動關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是 大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。 4. 所需關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩小，能量消耗少。 通過對以上這些進(jìn)行研究，我們擬采用開鏈桿式關(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu)。 機(jī)器人本體由機(jī)座、腰部、大臂、 小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動裝置組成。共有六個自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕側(cè)擺。 驅(qū)動方式的選擇 機(jī)器人的驅(qū)動可分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動及電動機(jī)驅(qū)動等多種類型。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，且適應(yīng)范圍不同。 三種驅(qū)動方式的特點(diǎn)見表 21。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 表 21三種驅(qū)動方式的特點(diǎn)對照 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文選用電機(jī)驅(qū)動的方式對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動。 傳動方案的選擇 傳動方式的選擇是指選擇驅(qū)動源以及傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動方式。 基本的連接形 式和驅(qū)動方式見圖 23所示。 （ 1） 直接連接傳動。驅(qū)動源或帶有機(jī)械傳動裝置直接與關(guān)節(jié)相連。 （ 2） 遠(yuǎn)距離連接傳動。驅(qū)動源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動后與關(guān)節(jié)相連。 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機(jī)驅(qū)動 輸出功率 很大 大 較大 控制性能 利 用 液 體 的 不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào) 速 ， 反 應(yīng) 靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，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 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 結(jié)構(gòu)性能及體積 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。密封問題較小 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除DD 電動機(jī)外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服 系 統(tǒng) 適 用 于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊 機(jī) 器 人 和 托運(yùn)機(jī) 器人 適 用于 中小負(fù) 載驅(qū)動、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) 器人本 體的 氣動 平衡及 裝配 機(jī)器 人氣動 夾具 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如 AC 伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等 成本 液 壓 元 件 成 本較高 成本低 成本 高 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 a） 直接連接傳動，間接驅(qū)動； b） 直接連接傳動，直接驅(qū)動 c） 遠(yuǎn)距離連接傳動，間接驅(qū)動； d） 遠(yuǎn)距離連接傳動，直接驅(qū)動 圖 23 各種傳動方案 （ 3） 間接驅(qū)動。驅(qū)動源經(jīng)一個速比遠(yuǎn)大于 1的機(jī)械傳動裝置與關(guān)節(jié)相連。 （ 4） 直接驅(qū)動。驅(qū)動源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個速比等于 1的機(jī)械傳動這樣 的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相 連。 如果采用遠(yuǎn)距離連接 ， 則造成傳動鏈太長，結(jié)構(gòu)比較龐大等，所以采用直接連接傳動的方式；又因?yàn)椴捎弥苯舆B接，所以電機(jī)不能選的太大，為了提高機(jī)器人的負(fù)載能力，必須采用間接驅(qū)動的方式，通過減速機(jī)構(gòu)增大電機(jī)的輸出力矩。 綜上所述，本課題采用圖 23中的 a)方式， 即直接連接傳動，間接驅(qū)動。 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 機(jī)構(gòu)選型和傳動方式完成后， 再 進(jìn)行總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體情況如下： 要求 上部的機(jī)械臂底盤要大，重心要低，所以，腰部關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)直接選擇安裝在 基座 上，如圖 24所示。 整個結(jié) 構(gòu)為空間關(guān)節(jié)型的， 本體由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動裝置組成。有 4個關(guān)節(jié)，腰關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)，共有六個自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕側(cè)擺， 均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中腰 關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體除基座以外的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動；肩關(guān)節(jié)帶動大臂、小臂、手腕、手爪進(jìn)行俯仰轉(zhuǎn)動，以滿足機(jī)器人工作空間上高度的要求； 肘關(guān)節(jié)實(shí) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 現(xiàn)帶大臂和小臂之間的轉(zhuǎn)動： 大臂、小臂以及手腕均可在允許的范圍內(nèi)運(yùn)動；腕關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)俯仰以及擺動，可以方便的改變手爪的位姿。 圖 24 六自由度機(jī)械臂簡圖 手爪是機(jī)械臂中的比較重要的部件，采用了氣動夾持器。氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運(yùn)動具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動作十分需要的。 機(jī)器人的機(jī)身、大小臂等都采用空心薄壁機(jī)構(gòu)，硬鋁材料，使得零件的剛性 好，而且重量輕。在連接處，采用高強(qiáng)度的螺栓連接，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處，選用了高精度的軸承，使得運(yùn)轉(zhuǎn)很靈活，磨損小。 在現(xiàn)代機(jī)器人結(jié)構(gòu)中廣泛使用著各種機(jī)器人軸承，常用的有環(huán)形軸承和交叉滾子軸承。這幾種機(jī)器 人專用軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，精度高、剛度大，承載能力強(qiáng)（可承受徑向力、軸向力、傾覆力矩）和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但考慮到這些軸承價格昂貴，而使用普通的球軸承或滾子軸承也能滿足結(jié)構(gòu)的需要，所以在該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中仍然全部采用球軸承。在電機(jī)的布置上，考慮盡量將電機(jī)放置在相應(yīng)的操作臂的前端，這樣可以減小扭矩，同時也可以起到重力平衡的作用，但同時盡量避免過長的傳動鏈，以簡化結(jié)構(gòu)，減少誘導(dǎo)運(yùn)動。 [11] 各部件組成和功能描述如下： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 （ 1） 底座部件：底座部件包括底座、蝸輪蝸桿，箱體，渦輪軸和步進(jìn)電機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)固定在箱體 上。 （ 2） 腰部回轉(zhuǎn)部件：腰部回轉(zhuǎn)部件包括驅(qū)動臂座，擺線針輪減速機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動。在腰部支架上固定著驅(qū)動大臂俯仰和小臂俯仰的電機(jī)。 （ 3） 大臂部件 :包括大臂和連桿。 （ 4） 小臂部件 :包括小臂、齒輪箱、傳動部件、傳動軸等 ,在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驅(qū)動手腕三個運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)。 （ 5） 手腕部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和機(jī)械接口等。 （ 6） 末端執(zhí)行器：氣動夾持器（兩個夾持機(jī)構(gòu)）。 整個結(jié)構(gòu)簡單緊湊，基本滿足設(shè)計(jì)要求。 控制方案的設(shè)計(jì) 構(gòu)建 機(jī)器人平臺的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。到目前為止，基于 PC 機(jī)控制系統(tǒng)一般包括單 PC 控制模式， PC+PC 的控制模式， PC+分布式控制器的控制模式， PC+DSP 運(yùn)動控制卡的控制模式，