【文章內(nèi)容簡介】 [4 ]。 先進機器人 近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大 ，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外 感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向 [5]。 （ 1） 水下機器人：美國的 AUSS、俄羅斯的 MT8法國的EPAVLARD 等水下機器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護、以及大壩檢查等 方面，形成了有纜水下機器人（ remote operated vehicle）和無纜水下機器人（ autonomous under water vehicle）兩大類。 （ 2） 空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國 NASA的空間機器人 Sojanor 等。 Sljanor 是一輛自主移動車，重量為 ，尺寸 630~48mm，有 6 個車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān) 注。 （ 3） 核工業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在機構(gòu) 靈巧，動作準確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORML 基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器， 6 加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的 C7 靈巧手等 （ 4） 地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩 大 類。主要研究內(nèi)容為：機械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動 化系統(tǒng)正在研制中。 （ 5） 醫(yī)用機器人： 醫(yī)用機器人的主要研究內(nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。美國已開展臨場感外科（ telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（ telematics）計劃、袖珍機器人（ biomed）計劃以及用于外科手術(shù)的機電手術(shù)工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。 （ 6） 建筑機器人：日本已研制出 20 多種建筑機器人。如高層建 筑抹灰機器人、預(yù)制件安裝機器人、室內(nèi)裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實際 應(yīng)用 。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進行管道挖掘和埋設(shè)機器人、內(nèi)墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術(shù)和系統(tǒng)自動化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。 （ 7） 軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù) ， 在戰(zhàn)場上具有看、嗅和 觸摸 能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵 方目標的功能。如美國的 Navplab 自主導(dǎo)航車、 SSV 半自主地面戰(zhàn)車，法國的自主式快速運動 偵察車（ DARDS），德國 MV4 爆炸物處理機器人等。目前美國 ORNL 正在研制和開發(fā) Abrams 坦克、愛國者導(dǎo)彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。 可以預(yù)見，在 21 世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴 [6 ]。 7 發(fā)展趨勢 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展 。 主要研究內(nèi)容集中在以下 8個方面 [7]： （ 1） 工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載 .自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 （ 2） 機器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC 機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。 （ 3） 多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有 效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。 （ 4） 機器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 （ 5） 機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。 （ 6） 虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。 （ 7） 多智能體（ multiagent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 （ 8） 微型和微小機器人技術(shù)（ micro/miniature robotics） :這是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命， 并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響， 8 微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感 技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 我國對此進行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹對六自由度微動機構(gòu)進行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依據(jù) [ 8]。還有劉辛軍 、 高峰和汪勁松研究了微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法，建立了并聯(lián)六自由度微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的機構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標在空間模型設(shè)計參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計者根據(jù)性能指標來設(shè)計該微動機器人的機構(gòu)尺寸，是探討微動機器人機構(gòu)設(shè)計的有 效分析工具 [9 ]。 9 第 3 章 總體方案設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)類型的確定 為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的 6 個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計成以下五種方案 [ 10]： 圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 直角坐標型 直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組 成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差 。 球坐標型 又稱極坐標型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個 關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。 平面關(guān)節(jié)型 采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、 10 左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性 。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高 [11]。 工作空間的確定 根據(jù)關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間。工作空間是指機器人正常工作運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)。此機器人的工作空間為 1500mm， 如圖 31 所示。 圖 31 機器人的機座坐標系 11 手腕結(jié)構(gòu)的確定 手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人操作機的最末端，其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個坐標位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)六個自由度 如圖 32 所示。 圖 32 傳動原理圖 考慮到結(jié)構(gòu)，電機將成三角形布置 。 基本參數(shù)的確定 空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)的確定，那么手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動、和手腕旋轉(zhuǎn)三個姿態(tài)的自由度也得到了實現(xiàn) 主要技術(shù)參數(shù)如表 31 所示 。 表 31 機器人的主要規(guī)格參數(shù) 動作范圍 手腕回轉(zhuǎn) 手腕擺動 手腕旋轉(zhuǎn) 120176。 90176。 360176。 30176。/s 30176。/s 30176。/s 額定載荷 4kg 最大速度 2m/s 12 第 4 章 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 機器人驅(qū)動方案的分析和選擇 通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種 [12]: （ 1）步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會 造成“失步”現(xiàn)象。 （ 2）直流伺服電機：直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。 （ 3）交流伺服電機：交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場效應(yīng)管 MOSFET 等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)（ PWM）和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三環(huán) （ 位置、速度、電流 ） 全數(shù)字控制， 增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應(yīng)速度。 （ 4）液壓伺服馬達：液壓伺服馬達具有較大的功率 /體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。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)動方式。 本 次設(shè)計 的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流 成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 13 手腕電機的選擇 提腕電機的選擇 手腕的最大負荷重量 kg41?m ，初估腕部的重量 4kg2 ?m ，最大運動速度 v=2m/s 功率 p=fv=mgv=8102=160W 取安全系數(shù)為 ， p=160=192W 考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率 W200＝額p 。選擇 Z 型并勵直流電動機，技術(shù)參數(shù)如表 41 所示。 擺腕和轉(zhuǎn)腕電機的選擇 根據(jù)設(shè)計要求取相同型號的電機，選擇 Z 型并勵直流電動機型號為 200/20400。 表 41 Z 型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù) 傳動比的確定 提腕總傳動比的確定 先 根據(jù)下式求角速度： ? = RV ＝ ＝ 20 r/s 再求實際轉(zhuǎn)速： 1 9 1 . 1 r / m in 2 2060260 39。 ???? ???n ? —— 角速度 r/s； 型 號 額定電壓 （ V） 額定轉(zhuǎn)矩(N/m) 額定轉(zhuǎn)速 (r/m) 參考功率 (W) 重量 (kg) Z200/20400 200 1 2020 400 14 V—— 運動速度 ， m/s； R—— 機械接口到轉(zhuǎn)動軸的距離 ， m；