【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài) ，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合； c)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)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(shí) 別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來越多的系統(tǒng)采用微 機(jī)進(jìn)行控制。 研究課題的提出 工業(yè)機(jī)器人固定在機(jī)床或加工中心旁邊，由它們完成對(duì)加工工件的上、下料和裝夾作業(yè)，通過輸送線運(yùn)送工件，實(shí)現(xiàn)物流的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)所要加工的產(chǎn)品放生變化、工件工藝流程改變時(shí)，就要調(diào)整柔性制造系統(tǒng)的布局?，F(xiàn)在設(shè)想，將工業(yè)機(jī)器人固定在自動(dòng)引 導(dǎo)車（ AGV）上，改變自動(dòng)引導(dǎo)車的軌跡，就可以適應(yīng)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(duì)于這類小型的機(jī)器人，在原理不變的情況下，改變其結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)人機(jī)功能， 將它固定在小型的移動(dòng)裝置或直接與移動(dòng)裝置結(jié)合成一體，就可以應(yīng)用到日常生活中，如生活中物體的搬運(yùn)、人員的看護(hù)等。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)這樣一種可移動(dòng)式、多自由度的小型機(jī)器人是有實(shí)際意義的。 本論文研究的主要內(nèi)容 系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)的知識(shí)，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人、主要是工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合作者本人的設(shè)想，和設(shè)計(jì)工作中需要解決的任務(wù)，主要進(jìn)行以下幾項(xiàng)工作： （ 1）進(jìn)行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的方案創(chuàng)成、分析和設(shè)計(jì)。 (2) 進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 (3) 分析機(jī)器人操作臂 的工作空間，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)操作臂各個(gè)桿件的長(zhǎng)度 進(jìn)行選擇和確定。 (4) 利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAMS 對(duì)簡(jiǎn)化后的操作臂模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿 真，對(duì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中使用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行嘗試和探索。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 工業(yè)機(jī)器人總體方案的確定和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人相關(guān)知識(shí)點(diǎn) 工業(yè)機(jī)器人的組成 機(jī)器人主要由驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。 a).驅(qū)動(dòng)裝置 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪 輪系。驅(qū)動(dòng)器通常有電機(jī) (直流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，交流伺服電機(jī) )，液動(dòng)和氣動(dòng)裝置，目前使用最多的是交流伺服電機(jī)。 b).控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)一般由控制計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置伺服控制器組成。后者控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。前者則是要根據(jù)作業(yè)要求完成偏差，并發(fā)出指令控制各伺服驅(qū)動(dòng)裝置使各桿件協(xié)調(diào)工作，同時(shí)還要完成環(huán)境狀況，周邊設(shè)備 (如電焊機(jī)，工卡具等 )之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。 c).執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由腰部、基座、手部、腕部和臂部等運(yùn)動(dòng)部件組成。 1) 腰部 腰部是連接臂和基座的 部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再加上臂部的平面運(yùn)動(dòng)，就能使腕部作空間運(yùn)動(dòng)。腰部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差，運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性，對(duì)機(jī)器人的定位精度有決定性影響。 2) 基座 基座是整個(gè)機(jī)器人的支持部分，有固定式和移動(dòng)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(dòng)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(jī)構(gòu)所組成。手指是直接與物件接觸的機(jī)構(gòu)。常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁吸盤兩類。對(duì)于輕 小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)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(chǎn)生。 4)腕部 腕部與手部相連，通常有 3 個(gè)自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是帶動(dòng)手部完成預(yù)訂的姿態(tài)，是操作機(jī)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。 5)臂部 臂 部用以連接腰部和腕部，通常由兩個(gè)臂桿 (小臂和大臂 )組成，用以帶動(dòng)腕部作平面運(yùn)動(dòng)。 工業(yè)機(jī)器人的分類 a） .按坐標(biāo)形式分為 :直角坐標(biāo)式 (代號(hào) PPP)；圓柱坐 標(biāo)式 (代號(hào) RPP)；球坐標(biāo)式 (代號(hào) RRP)；關(guān)節(jié)坐標(biāo)式 (代號(hào) RRR)，又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)式，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面 (水平 )關(guān)節(jié)坐標(biāo)。 b).按驅(qū)動(dòng)方式分為 :電力驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)。電力驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件可以是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。液壓驅(qū)動(dòng)可以獲得很大的抓取能力 (可抓取高達(dá)上千牛力 )，傳動(dòng)平穩(wěn)，防爆性好，動(dòng)作也較靈敏，但對(duì)密封性要求高，不宜于在高、低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。采用氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、價(jià)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(jī)器人三維設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析 6 c).按控制方式分為 :點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。點(diǎn)位控制方式簡(jiǎn)單，適用于上下料、點(diǎn)焊、卸運(yùn)等作業(yè)。連續(xù)軌跡控制比較復(fù)雜，常用于焊接、噴漆和檢測(cè)的機(jī)器人中。 工業(yè)機(jī)器人總體方案的確定 方案要求 由上所述，該設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人用于制造車間物流系統(tǒng)中工件的搬運(yùn)、裝夾和日常生活中的持物、看護(hù)等。能夠固定在移動(dòng)裝置上，以實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)。要求動(dòng)作靈活，工作范圍大，被夾持物應(yīng)具有多種姿態(tài)，自由度在 5~6 個(gè)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) a） .自由度個(gè)數(shù)的確定與數(shù)分配 工業(yè)機(jī)器 人的自由度個(gè)數(shù)是腕部和臂部的自由度個(gè)數(shù)之和，所以確定了腕部和臂部的自由度個(gè)數(shù)確定了總的自由度個(gè)數(shù)。手腕的按自由度數(shù)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(shí)現(xiàn)對(duì)空間的三個(gè)坐標(biāo)軸 X、 Y、Z 的轉(zhuǎn)動(dòng)，既具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三個(gè)自由度。臂部自由度的確定，為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。綜上所述，本設(shè)計(jì)中工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)確定為六個(gè)，其中腕部和臂部各三個(gè)。 b).臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它 用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖 21： 圖 2 1 手臂的幾種結(jié)構(gòu)構(gòu)型 由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間（手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比）和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 c).腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手腕是操作機(jī)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(dòng)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(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對(duì)一般機(jī)器人，末桿 (即與末端執(zhí)行器相聯(lián)結(jié)的桿 )都有獨(dú)立的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對(duì)于任一桿件的姿態(tài) (即方向 )，可用兩個(gè)方位確定。如圖 22： 圖 2 2 末端執(zhí)行器空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài) 本課題中所研究的工業(yè)機(jī)器人為了更加靈活的工作，采用了三個(gè)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(jié)構(gòu)，指組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的軸線在工作過程中相互間角度有變化。 R 表示轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，指組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的軸線在工作過程中相互間角度不變。參考一些實(shí)例，本課題中選用 RBR 型。 陳卓：工業(yè)機(jī)器人三維設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析 8 d） .總體構(gòu)型 綜合以上對(duì)本課題所研究的工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，確定總體構(gòu)型如圖 24： 圖 2 4 工業(yè)機(jī)器人的總體構(gòu)型 其中前三個(gè)關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，后三關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 末端執(zhí)行器是使機(jī)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(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)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(zhuǎn)換器 （ 4）仿生多指靈巧手 本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù) 雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖 25： 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 2 5 機(jī)械手手指形狀 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。為本課題中所設(shè)計(jì)的三維圖如圖 26： 圖 2 6 機(jī)械手 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 工業(yè)機(jī)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(jī)器人，具體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由回轉(zhuǎn)主體具體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由回轉(zhuǎn)主體（腰關(guān)節(jié)）、 大臂（肩關(guān)節(jié)）、小臂（肘關(guān)節(jié)）、腕部（腕關(guān)節(jié)）等幾個(gè)部分組成。機(jī)器人回轉(zhuǎn)主體實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主體的回轉(zhuǎn)，有固定底座和腰關(guān)節(jié)組成。 本方案采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，這也是現(xiàn)代機(jī)器人應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。 為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈活自由地移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用了蓄電池供電。電動(dòng)機(jī)可以選擇步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)。使用直流 伺服電機(jī)能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額定轉(zhuǎn)速高，但價(jià)格較高，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。確定這種機(jī)器人的 6 個(gè)關(guān)節(jié)都采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，開環(huán)控制。 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(jiǎn)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(jià)格昂貴，而使用陳卓：工業(yè)機(jī)器人三維設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析 10 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(shí)也可以起到重力平衡的作用，但同時(shí)盡量避免過長(zhǎng)的傳動(dòng)鏈，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。．第 1個(gè)關(guān)節(jié)即腰關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是由伺服電機(jī)傳遞動(dòng)力和變速給腰關(guān)節(jié)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．腰關(guān)節(jié) 上伺服電機(jī)通過輪系驅(qū)動(dòng)大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)伺服電機(jī)通過輪系驅(qū)動(dòng)小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)．后 3 個(gè)關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)著手腕的回轉(zhuǎn)、夾持器的擺動(dòng)以及夾持器的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．前 3 個(gè)關(guān)節(jié) Jl、 J J3 控制著機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置，而后 3 個(gè)關(guān)節(jié) JJ J6 控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)． 本 課題所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人負(fù)重能力為 6 kg，重復(fù)定 位精度達(dá)177。 O． 08 mm，參考同類 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，結(jié)合工作情況的需要，定出該型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下： a).動(dòng)作范圍 (最大運(yùn)動(dòng)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(fù)荷： 6kg c).連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量 在完成對(duì)該工業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)分析確定以后，利用三維軟件進(jìn)行建模，所建模型如下圖： 圖 2 7 工業(yè)機(jī)器人總體模型圖 1. 底座部件 2. 腰部回轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)及各部件說明： 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 如上圖所建模型所示，安裝在腰關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)腰關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)。安裝在大臂與小臂關(guān)鍵額連接處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂做上下俯仰。機(jī)器人的腕部位于小臂臂體前端，安裝在小臂上 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂做上下俯仰。腕部的三個(gè)自由度由安裝在腕部后端達(dá)的 3個(gè)電機(jī)，通過傳動(dòng)桿件腕部齒輪系實(shí)現(xiàn)，安裝在腕部后端電機(jī)保證機(jī)器人末端重量極可能的輕，滿足機(jī)器人的配重法則。 (1) 底座部件： 底座部件包括底座、回轉(zhuǎn)部件、傳動(dòng)部件和步進(jìn)電機(jī)等。底座部件固定在自動(dòng)引導(dǎo)車（ AGV）上，支持整個(gè)操作機(jī)，步進(jìn)電機(jī)固定在底座上，一級(jí)同步帶傳動(dòng)將運(yùn)動(dòng)傳遞到