【文章內容簡介】 多關節(jié)多自由度的手臂 和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合； c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微 機進行控制。 研究課題的提出 工業(yè)機器人固定在機床或加工中心旁邊，由它們完成對加工工件的上、下料和裝夾作業(yè)，通過輸送線運送工件，實現物流的運轉。當所要加工的產品放生變化、工件工藝流程改變時，就要調整柔性制造系統(tǒng)的布局?，F在設想，將工 業(yè)機器人固定在自動引 導車（ AGV）上，改變自動引導車的軌跡，就可以適應工件和工件工藝流程的變化，大大提 高加工系統(tǒng)的柔性。此外，對于這類小型的機器人，在原理不變的情況下，改變其結構，增強人機功能，將它固定在小型的移動裝置或直接與移動裝置結合成一體，就可以應用到日常生活中，如生活中物體的搬運、人員的看護等。因此，設計開發(fā)這樣一種可移動式、多自由度的小型機器人是有實際意義的。 本論文研究的主要內容 系統(tǒng)學習了機器人技術的知識，查閱了大量的文獻資料，對國內外機器人、主要是工業(yè)機器人的現狀有了比較詳細的了解。在 此基礎上，結合作者本人的設想，和設計工作中需要解決的任務，主要進行以下幾項工作： （ 1）進行機器人本體結構的方案創(chuàng)成、分析和設計。 (2) 進行機器人運動學分析。 (3) 分析機器人操作臂的工作空間，根據分析結果對操作臂各個桿件的長度 進行選擇和確定。 (4) 利用機械系統(tǒng)動力學分析軟件 ADAMS 對簡化后的操作臂模型進行運動學仿 真，對在機械設計中使用虛擬樣機技術進行嘗試和探索。 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 5 第 2 章 工業(yè)機器人總體方案的確定和機械系統(tǒng)設計 工業(yè)機器人相關知識點 工業(yè)機器人的組成 機器人主要 由驅動裝置、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構三大部分組成。 a).驅動裝置 工業(yè)機器人的驅動裝置包括驅動器和傳動機構兩部分，它們通常與執(zhí)行機構連成一體。傳動機構常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅動器通常有電機 (直流伺服電機，步進電機，交流伺服電機 )，液動和氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機。 b).控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)一般由控制計算機和驅動裝置伺服控制器組成。后者控制各關節(jié)的驅動器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進行運動。前者則是要根據作業(yè)要求完成偏差，并發(fā)出指令控制各伺服驅動裝置使各桿件協 調工作，同時還要完成環(huán)境狀況，周邊設備 (如電焊機，工卡具等 )之間的信息傳遞和協調工作。 c).執(zhí)行機構 執(zhí)行機構由腰部、基座、手部、腕部和臂部等運動部件組成。 1) 腰部 腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉部件，腰部的回轉運動再加上臂部的平面運動，就能使腕部作空間運動。腰部是執(zhí)行機構的關鍵部件，它的制造誤差，運動精度和平穩(wěn)性，對機器人的定位精度有決定性影響。 2) 基座 基座是整個機器人的支持部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 3)手部 手部它具有人手某種單一動作的功能。 由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等形式。夾持式手部是由手指和傳力機構所組成。手指是直接與物件接觸的機構。常用的手指運動形式有回轉型和平移型。吸附式手部有負壓吸盤和電磁吸盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產生。 4)腕部 腕部與手部相連，通常有 3 個自由度，多為輪系結構，主要功用是帶動手部完成預訂的姿態(tài)，是操作機中結構最 為復雜的部分。 5)臂部 臂 部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿 (小臂和大臂 )組成，用以帶動腕部作平面運動。 工業(yè)機器人的分類 a） .按坐標形式分為 :直角坐標式 (代號 PPP)；圓柱坐標式 (代號 RPP)；球坐標式 (代號 RRP)；關節(jié)坐標式 (代號 RRR)，又稱回轉坐標式，分為垂直關節(jié)坐標和平面 (水平 )關節(jié)坐標。 b).按驅動方式分為 :電力驅動、液壓驅動和氣壓驅動。電力驅動的驅動元件可以是步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。液壓驅動可以獲得很大的抓取能力 (可抓取高達上千牛力 )，傳動平穩(wěn)，防爆 性好，動作也較靈敏，但對密封性要求高，不宜于在高、低溫現場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。采用氣壓驅動的機器人結構簡單、動作迅速、價格低；但由于空氣可壓縮而使工作速度穩(wěn)定性差，抓取力小 (幾十牛力至百牛力 )。 陳卓：工業(yè)機器人三維設計與運動分析 6 c).按控制方式分為 :點位控制和連續(xù)軌跡控制。點位控制方式簡單，適用于上下料、點焊、卸運等作業(yè)。連續(xù)軌跡控制比較復雜，常用于焊接、噴漆和檢測的機器人中。 工業(yè)機器人總體方案的確定 方案要求 由上所述，該設計工業(yè)機器人用于制造車間物流系統(tǒng)中工件的搬運、裝夾和日常生活中的持物、看護等。 能夠固定在移動裝置上，以實現靈活移動。要求動作靈活，工作范圍大，被夾持物應具有多種姿態(tài)，自由度在 5~6 個，結構緊湊，重量輕。 本體結構設計 a） .自由度個數的確定與數分配 工業(yè)機器人的自由度個數是腕部和臂部的自由度個數之和，所以確定了腕部和臂部的自由度個數確定了總的自由度個數。手腕的按自由度數可分為目前可分為單自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕，通常要求腕部能實現對空間的三個坐標軸 X、 Y、Z 的轉動，既具有翻轉、俯仰和偏轉三個自由度。臂部自由度的確定，為了使手部能達到工作空間的任意位置，手臂 一般至少有三個自由度，少少數專用的工業(yè)機器人手臂自由度少于三個。綜上所述，本設計中工業(yè)機器人的自由度數確定為六個，其中腕部和臂部各三個。 b).臂部結構的設計 手臂是執(zhí)行機構中的主要運動部件，它用來支承腕關節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運動。手臂的結構形式有多種，常用的構形如圖 21： 圖 2 1 手臂的幾種結構構型 由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有大得多的相對空間（手腕可達到的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比）和絕對工作空間， 結構緊湊，安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 7 同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關節(jié)型機器人的結構。 c).腕部結構的設計 手腕是操作機的小臂 (上臂 )和末端執(zhí)行器 (手爪 )之間的連接部件。其功用是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構。對一般機器人，末桿 (即與末端執(zhí)行器相聯結的桿 )都有獨立的自轉功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯的末端執(zhí)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài) (即方向 )，可用兩個方位確定。如圖 22： 圖 2 2 末端執(zhí)行器空間運動姿態(tài) 本課題中所研究的工業(yè)機器人為了更加靈活的工作，采用了三個自由度。 。三自由度的手腕通常有以下四種形式： BBR 型、 BRR 型、 RBR 型和 RRR 型。如圖 23： 圖 2 3 手腕的 4 種形式 B 表示彎曲結構，指組成腕關節(jié)的相鄰運動構件的軸線在工作過程中相互間角度有變化。 R 表示轉動結構，指組成腕關節(jié)的相鄰運動構件的軸線在工作過程中相互間角度不變。參考一些實例，本課 題中選用 RBR型。 陳卓：工業(yè)機器人三維設計與運動分析 8 d） .總體構型 綜合以上對本課題所研究的工業(yè)機器人的設計，確定總體構型如圖 24： 圖 2 4 工業(yè)機器人的總體構型 其中前三個關節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，后三關節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。 末端執(zhí)行機構的設計 末端執(zhí)行器是使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態(tài)等 不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類： （ 1）夾鉗式取料手 （ 2）吸附式取料手 （ 3）專用操作器及轉換器 （ 4）仿生多指靈巧手 本文設計對象為物料搬運機器人，并不需要復雜的多指人工指，只需要設計能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現的。該設計采用兩個手指，其外形如圖 25： 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 9 圖 2 5 機械手手指形狀 傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現夾緊 和松開動作的機構。根據手指開合的動作特點分為回轉型和平移形。本文采用回轉型傳動機構。為本課題中所設計的三維圖如圖 26： 圖 2 6 機械手機構簡圖 工業(yè)機器人的三維建模與各部件分析 由上所述，本文確定的方案為 6 自由度的工業(yè)機器人，具體關節(jié)結構由回轉主體具體關節(jié)結構由回轉主體（腰關節(jié)）、 大臂（肩關節(jié)）、小臂（肘關節(jié)）、腕部（腕關節(jié)）等幾個部分組成。機器人回轉主體實現機器人主體的回轉，有固定底座和腰關節(jié)組成。 本方案采用電機驅動。這種驅動方式 具有結構簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點，這也是現代機器人應用最多的驅動方式。 為實現機器人靈活自由地移動，驅動系統(tǒng)使用了蓄電池供電。電動機可以選擇步進電機或直流伺服電機。使用直流伺服電機能構成閉環(huán)控制，精度高，額定轉速高，但價格較高，而步進電機驅動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點。確定這種機器人的 6 個關節(jié)都采用步進電機驅動，開環(huán)控制。 在現代機器人結構中廣泛使用著各種機器人軸承，常用的有環(huán)形軸承和交叉滾子軸承。這幾種機器人專用軸承具有結構簡單緊湊，精度高、剛度大，承載能力強（可承受徑向力、軸 向力、傾覆力矩）和安裝方便等優(yōu)點。但考慮到這些軸承價格昂貴，而使用陳卓：工業(yè)機器人三維設計與運動分析 10 普通的球軸承或滾子軸承也能滿足結構的需要，所以在該機器人的結構中仍然全部采用球軸承。 在電機的布置上，考慮盡量將電機放置在相應的操作臂的前端，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，以簡化結構，減少誘導運動。．第 1 個關節(jié)即腰關節(jié)的運動是由伺服電機傳遞動力和變速給腰關節(jié)產生回轉運動．腰關節(jié) 上伺服電機通過輪系驅動大臂的俯仰運動，另一個伺服電機通過輪系驅動小臂的俯仰運動．后 3 個關節(jié)的伺服電機驅動著手腕的回轉、夾持 器的擺動以及夾持器的周轉運動．前 3 個關節(jié) Jl、 J J3 控制著機器人末端執(zhí)行器的位置，而后 3 個關節(jié) JJ J6 控制機器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)． 本 課題所設計的工業(yè)機器人負重能力為 6 kg，重復定位精度達177。 O． 08 mm，參考同類 機器人的運動參數，結合工作情況的需要，定出該型機器人的運動參數如下： a).動作范圍 (最大運動速度 ) J1 軸 340176。(150176。／ s) J2 軸 250176。(160176。／ s) J3 軸 340176。(170176。／ s) J4 軸 380176。(4OO176。／ s） J5 軸 280176。(400176。／ s) J6 軸 720176。(520176。／ s) b).最大負荷： 6kg c).連桿參數和關節(jié)變量 在完成對該工業(yè)機器人總體結構及參數分析確定以后，利用三維軟件進行建模，所建模型如下圖： 圖 2 7 工業(yè)機器人總體模型圖 1. 底座部件 2. 腰部回轉部件 3. 大臂部件 4. 小臂部件 5 手腕部件 6. 末 端執(zhí)行器 總體運動及各部件說明： 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 11 如上圖所建模型所示，安裝在腰關節(jié)的驅動電機驅動腰關節(jié)的回轉。安裝在大臂與小臂關鍵額連接處的驅動電機驅動小臂做上下俯仰。機器人的腕部位于小臂臂體前端，安裝在小臂上的電機驅動小臂做上下俯仰。腕部的三個自由度由安裝在腕部后端達的 3個電機，通過傳動桿件腕部齒輪系實現，安裝在腕部后端電機保證機器人末端重量極可能的輕，滿足機器人的配重法則。 (1) 底座部件： 底座部件包括底座、回轉部件、傳動部件和步進電機等。底座部件固定在自動引導車（ AGV）上，支持整個操作機，步進電機固定在底座上， 一級同步帶傳動將運動傳遞到腰部回轉軸，同時起到減速作用。 (2) 腰部回轉部件：腰部回轉部件包括腰部支架、回轉軸、支架、諧波減速器和步進電機、制動器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉運動。在腰部支架上固定著驅動大臂俯仰和小臂俯仰的電機。 (3) 大臂部件：包括大臂和傳動部件。 (4) 小臂部件：包括小臂、減速齒輪箱、傳動部件、傳動軸等，在小臂前端（靠 近大臂的一端