【文章內(nèi)容簡介】 一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ霉ぞ?，通過程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機。日本機器人協(xié)會對機器人的定義：一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝備的、能過完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。國際標準化組織對機器人的定義：機器人是一種自動化、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，來執(zhí)行各種任務(wù)。根據(jù)上述定義，我們可以理解機器人具有以下特性：（1）機器人是一種機電裝置，能夠完成多種操作和動作功能；（2）機器人具有可編程性，具有多種多樣的程序流程；（3）機器人有一個自動控制系統(tǒng)，可以在無人的參與下，自動完成操作任務(wù)。以下是本文中涉及到的一些與機器人技術(shù)有關(guān)的概念： (1)自由度(Degrees Of Freedom , DOF)：工業(yè)機器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機構(gòu)，其運動副通常有移動副和轉(zhuǎn)動副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。以移動副相連的關(guān)節(jié)稱為移動關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨驅(qū)動的關(guān)節(jié)稱為主動關(guān)節(jié)。主動關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機器人的自由度。本文設(shè)計的機器人是5DOF機器人。 (2)工作空間(Work Space)：工作空間是指機器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達空間的位置集合。由于工作空間的形狀和大小反映了機器人工作能力的大小，因而它對于機器人的應(yīng)用是十分重要的。 (3)機器人的分類,機器人分類方法有多種。 首先，按機器人控制方法的不同，可分為點位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)： (a) 點位控制型(Point to Point Control)：機器人受控運動方式為自一個點位目標向另一個點位目標移動，只在目標點上完成操作。例如機器人在進行點焊時的軌跡控制。本文的機器人就屬于PTP型。 (b) 連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control)：機器人各關(guān)節(jié)同時做受控運動，使機器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機的角位移和角速度信號，如機器人進行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。 其次，按機器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類： (a) 直角坐標型：該型機器人前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，不會產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點是占地面積大、工作空間小。 (b) 圓柱坐標型：該型機器人前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，以θ, r, z為坐標，位置函數(shù)為P=f (θ, r, z)，其中，r是手臂徑向長度，z是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。 (c) 球坐標型：具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。以θ,φ,y 為坐標，位置函數(shù)為P =f (θ,φ,y)，該型機器人的優(yōu)點是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 (d)關(guān)節(jié)坐標型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型(SCARA 型)機器人。前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點是動作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點是剛度和精度較差。本文設(shè)計的機器人為關(guān)節(jié)坐標型。 第三，按驅(qū)動方式分類可分為：(a) 氣壓驅(qū)動；(b) 液壓驅(qū)動；(c) 電氣驅(qū)動。 電氣驅(qū)動是20世紀90年代后機器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。它有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用方便、運動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點。本文設(shè)計的機器人三個關(guān)節(jié)均使用電氣驅(qū)動。 第四，按用途分類可分為搬運機器人、噴涂機器人、焊接機器人、裝配機器人、切削加工機器人和特種用途機器人等。 自由度：機器人的自由度是表示機器人動作靈活性的一種尺度，他是機器人所具有的獨立坐標軸的運動數(shù)目，有時還包括末端執(zhí)行機構(gòu)的開合。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要6個自由度，一般通用機器人的自由度大于或等于6。機器人的自由度數(shù)越多，移動性和通用性越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機器人的整體要求也越高。工作空間：工作空間指機器人手臂末端執(zhí)行器或手腕中心所能達到的所有空間點的集合，也叫工作區(qū)域。因為末端執(zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，所以常用工作空間來反映機器人的執(zhí)行能力。機器人的規(guī)格可以按以下幾種指標分類，包括：驅(qū)動方式、坐標軸形式，工作空間、控制插補方法、坐標軸的數(shù)目、承載能力、速度、定位精度和重復(fù)性、運行環(huán)境等。（1）驅(qū)動方式：機器人按照驅(qū)動方式可以分為：電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣動等。其中電氣驅(qū)動是最普遍的。（2）控制插補方法：控制末端執(zhí)行器或工具運動的方法有點位和連續(xù)控制兩類。點位控制僅要求工具通過一系列空間的點，點與點之間的路徑并不嚴格要求。連續(xù)路徑控制是指末端執(zhí)行器可跟蹤三維空間中規(guī)定的“路徑”。（3）坐標軸數(shù)：坐標軸數(shù)也稱自由度數(shù)，是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。三維空間的剛體有六個自由度，平面運動則需三個自由度。六自由度的機器人一般在其工作范圍之內(nèi)，可使其工具或手運動到任意位姿。（4）工作空間：工作空間表示機器人的工作范圍。它是指機器人運動時手腕參考點或工具安裝點能夠到達的所有空間區(qū)域，一般不包括手爪或工具本身所能到達的區(qū)域。（5）承載能力：各類機器人搬運重物的能力相差極大。承載能力不僅取決于構(gòu)件尺寸和驅(qū)動器的容量，還與機器人的運行速度有關(guān)，這是指在正常運行速度下所允許抓取的物體重量。（6）速度和循環(huán)時間：運動循環(huán)過程包括啟動加速、等速運動和減速制動三個階段。為了保證定位精度往往會在加減速階段花費較長的時間，因此，提高加減速的能力非常重要。（7）定位精度和重復(fù)性：定位精度和重復(fù)性時機器人的兩個精度指標。定位精度是指機器人末端件的實際位置與理想位置之間的差距，重復(fù)定位精度是指在相同的位置指令之下機器人連續(xù)重復(fù)運動若干次，其位置的分散情況。（8）機器人的運行環(huán)境：機器人能夠在極端惡劣的環(huán)境下工作，因而機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和防護措施都應(yīng)加以特別注意，在易燃、易爆環(huán)境中對機器人的設(shè)計和驅(qū)動方式都有特殊的要求。噴漆機器人大多采用液壓驅(qū)動，就是鑒于防火和防爆的需要。機器人的分類方法有很多。這里主要介紹三類分類方法，即分別按機器人的幾何結(jié)構(gòu)、機器人的智能程度以及機器人的用途來分。：（1）柱面坐標機器人。柱面坐標機器人主要有垂直柱子、水平手臂和底座構(gòu)成。水平機械手裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可沿垂直柱子上下運動。垂直柱子安裝在底座上，并與水平機械手一起（作為一個部件）能在底座上移動。這樣，這種機器人的工作軌跡（區(qū)間）就形成一段圓柱面，因此，把這種機器人叫做柱面坐標機器人。（2）球面坐標機器人。這種機器人的機械手能夠做里外伸縮移動、在垂直平面上擺動以及繞底座在水平面上轉(zhuǎn)動。因此，這種機器人的工作包跡形成球面的一部分，并被稱為球面坐標機器人。（3）關(guān)節(jié)式球面坐標機器人。這種機器人的機械手能夠做里外伸縮移動、在垂直平面上擺動以及繞底座在水平面上轉(zhuǎn)動。因此，這種機器人的工作包跡形成球面的大部分，稱為關(guān)節(jié)式球面機器人。：（1）一般機器人，不具有智能，只具有一般編程能力和操作功能。（2）智能機器人：具有不同程度的智能，又可分為：傳感型機器人，具有利用傳感信息進行傳感信息處理、實現(xiàn)控制與操作的能力。交互型機器人，機器人通過計算機系統(tǒng)與操作員或程序員進行人－機對話，實現(xiàn)對機器人的控制與操作。自主型機器人，在設(shè)計制作之后，機器人無需人的干涉，能夠在各種環(huán)境下完成各種擬人任務(wù)。：（1）工業(yè)機器人或產(chǎn)業(yè)機器人，應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，主要應(yīng)用在制造業(yè)部門。（2）探索機器人，用于進行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探險和探索。（3）服務(wù)機器人，一種半自主或全自主工作的機器人。（4）軍事機器人，用于軍事目的，或進攻性的，或防御性的。 設(shè)計方案工業(yè)機器人大都用于簡單、重復(fù)、繁重的工作，如上、下料以及工作環(huán)境惡劣的場所，本機器人為中型工業(yè)機器人。要求動作靈活，自由度為5個，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。腰部關(guān)節(jié)、大臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)采用電機驅(qū)動，4軸伸縮關(guān)節(jié)和5軸的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)采用液壓驅(qū)動。機械臂的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用點擊傳動和液壓傳動方式驅(qū)動，因此可以考慮承受較大負載，但考慮機械臂本身尺寸，并查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為40kg?；緟?shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為400mm,最大工作半徑約為700mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。手臂是執(zhí)行機構(gòu)中的主要運動部件，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動。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。本題要求的機械臂式多關(guān)節(jié)工業(yè)通用機械臂，要求盡量多的自由度，同時要求機器人結(jié)構(gòu)簡單容易控制。綜合考慮后確定該機器人具有六個自由度。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機器人比非關(guān)節(jié)型機器人有更大的工作空間，同時關(guān)節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此決定采用關(guān)節(jié)型機器人。其中前三個關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)動自由度，第四個關(guān)節(jié)移動自由度，最后一個關(guān)節(jié)同樣采用轉(zhuǎn)動自由度。機器人由機座、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動裝置組成。共有五個自由度，依次為左右搖擺、伸縮、小臂俯仰、大臂俯仰、基座的回轉(zhuǎn)?；幕剞D(zhuǎn)自由度可以進行360度的回轉(zhuǎn)；與基座相連的俯仰機構(gòu)可進行俯仰動作，幅度較大，可以滿足60120度的俯仰要求，與大臂相連的俯仰（包括液壓缸）可以滿足60~120度的俯仰要求與此相連部分為液壓桿伸縮機構(gòu)，伸縮行程為500mm接著下去的是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，有液壓驅(qū)動完成，旋轉(zhuǎn)部分可以正反旋轉(zhuǎn)。各自由度之間相互聯(lián)系且獨立，動作時互不干涉。機器人采用電機驅(qū)動，這種方式結(jié)構(gòu)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(xiàn)代機器人應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。機器人的電源為：220V，50Hz的交流電。由于該機器人功率較小，電動機可以選擇步進電機。步進電機驅(qū)動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點。故確定這種機器人的前三個關(guān)節(jié)都采用步進電動機驅(qū)動，開環(huán)控制。在電機的布置上，可以將腰部關(guān)節(jié)電機置于回轉(zhuǎn)底座上，可以最大限度地減小扭矩，重心很穩(wěn)定，便于安裝和控制。大臂和小臂電機至于大臂后端，可以平衡重物質(zhì)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。參考PUMA 560機器人的運動參數(shù)，結(jié)合工作情況的需要，定出該型機器人的運動參數(shù)如下：關(guān)節(jié)1（T）：　30186。/s ( rad/s ) ( 5 r/min )關(guān)節(jié)2（W）： 15186。/s ( rad/s ) ( r/min )關(guān)節(jié)3（U）：　15186。/s ( rad/s ) ( r/min )機械臂采用電機，液壓混合驅(qū)動方式，機械臂的腰部關(guān)節(jié)電機通過二級齒輪減速器驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn)，通過腰部中桿，支撐大臂關(guān)節(jié)。大臂和小臂的俯仰也是通過電機驅(qū)動完成，兩個電機安裝在大臂的后部，通過彈簧聯(lián)軸器驅(qū)動二級齒輪減速器驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動，同時把減輕了機械手臂的重量，也起到配種模塊的做用。機械臂的4軸通過液壓桿完成伸縮，5軸通過液壓驅(qū)動左右回轉(zhuǎn)。液壓驅(qū)動可以保證機械臂能過承受較大的載荷。第3章 機械臂總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 腰部回轉(zhuǎn)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計腰部的回轉(zhuǎn)采用兩級齒輪減速機構(gòu)，電機的輸出端加裝電磁制動器。電磁制動器保證電機在斷電后能夠很快的停止電機的轉(zhuǎn)動，以此來提高機械臂的控制精度。輸出的大齒輪連接機械臂的立軸，立軸與大臂相連，通過這種傳動方式實現(xiàn)機械臂腰部的轉(zhuǎn)動。 圖 31 腰部二級齒輪減速機構(gòu)圖 32 電磁制動系統(tǒng) 圖 33 立軸傳動機構(gòu) 機械臂大臂軸的俯仰運動由伺服電機提供動力。為了減小機械臂的負載，提高機械臂的性能，大臂小臂軸的電機設(shè)計在了大臂的后端。由彈性聯(lián)軸器連接輸出軸傳動轉(zhuǎn)矩，再分別通過二級、三級齒輪減速機構(gòu)傳出扭矩驅(qū)動機械臂的轉(zhuǎn)動。大臂電機傳動時，大齒輪與底座固定不動，小齒輪通過軸承固定在大臂上。由于大齒輪固定，小齒輪轉(zhuǎn)動時會帶動大臂一起圍繞著大齒輪做俯仰運動。機械臂通過選擇這種設(shè)計方式就實現(xiàn)了機械臂大臂的俯仰運動。圖 34 機械臂大臂傳動機構(gòu)機械臂小臂電機裝在了大臂的后端，有效地減輕了機械臂的負載，減輕了機械臂的重量，提高了性能。與大臂轉(zhuǎn)動的傳動機理相似，小臂的轉(zhuǎn)動也是通過電機輸出轉(zhuǎn)矩，連接一個彈簧聯(lián)軸器，輸出一個更長的軸，在通過一個彈簧聯(lián)軸器，通過錐齒圓柱齒輪連接，再通過二級齒輪減速機構(gòu)將大臂后端電機的轉(zhuǎn)矩輸出到小臂上。二級減速機構(gòu)的最后一個大齒輪與小臂固定，以此來帶動小臂俯仰。 圖35 小臂軸傳動機構(gòu) 大臂及其內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)的布局 圖36 大臂內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖37 大臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)透視 本章主要介紹了機械臂腰部關(guān)節(jié)和大臂、小臂關(guān)節(jié)的傳動方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布情況。腰部關(guān)節(jié)的電機和減速系統(tǒng)都安置在了機械臂的底座上，大臂小臂的電機安置在與負載相反的一端。以上這種傳動方式，盡管增加了傳動的距離增加了一些誤差，但是通過這種方式的分布，可以有效地減輕機械臂的負載，增強機械臂的性能。