【文章內(nèi)容簡介】 時，機器人其他感覺功能的開發(fā)也已經(jīng)開始，對機器人的接近覺、聽覺、滑覺以及會話等功能都進行了研究，并取得了一定的成果。而且這種有感知功能的機器人開始被應用于工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、裝配及機械加工等作業(yè)。智能機器人被人們稱為第三代機器人，它是能利用感覺和識別功能做決策行動的機器人。從七十年代后期開始，人們對智能機器人的規(guī)劃生成系統(tǒng)(問題解決系統(tǒng)，路徑搜索等)，環(huán)境的理解系統(tǒng)(感覺智能，包括視覺，觸覺等)，知識獲得與利用系統(tǒng)(知識工程和專家系統(tǒng)等)，人一機接口系統(tǒng)，運動系統(tǒng)等問題展開了更加廣泛、深入地研究。智能機器人的研究是一個艱巨而又廣泛的問題，隨著研究的不斷深入，相關(guān)科學的飛速發(fā)展(如第五代智能計算機)，具有智能的機器人在不久的將來一定會出現(xiàn)?？v觀機器人的發(fā)展過程，可以看出， 自從機器人在五十年代誕生以來，在短短的四十多年里由于各種有關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是自動控制技術(shù)、集成電路技術(shù)及微型計算機技術(shù)的應用，在國際形式的推動下，各國在經(jīng)濟上和科技上展開激烈的競爭，機器人的生產(chǎn)和應用隨之得到了迅速的發(fā)展。它經(jīng)歷了第一代工業(yè)機器人的研究、實用化、普及，第二代感知功能機器人的研究、實用化，以及第三代智能機器人的研究等各個階段。 我國的機器人研究始于70年代。經(jīng)過近20年努力，特別是經(jīng)過“七11.”攻關(guān)、“ 863”計劃，取得了一批重要成果，掌握了機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、機器人語言等技術(shù)。就全國來說，目前我國機器人研究開發(fā)工作做得較好的地區(qū)是:以中科院沈陽自動化研究所為首的東北地區(qū)機器人工程中心，以機電部廣州機床所為龍頭的華南地區(qū)的機器人工程中心。而各工程中心_L作的側(cè)重點又有所不同:東北地區(qū)以特種機器人、水下機器人開發(fā)為L,華北地區(qū)以噴漆Y1lt人、焊接機器人開發(fā)為主，華東地區(qū)以搬運機器人、裝配機器人、移動機器人開發(fā)為主。1986年，國家把智能機器人列為高技術(shù)發(fā)展計劃，研究目標是跟蹤世界先進水平，工作內(nèi)容主要是圍繞特種機器人進行攻關(guān)。進 入 90 年代，在國內(nèi)市場經(jīng)濟發(fā)展的推動下，確定了特種機器人與工業(yè)機器人及其應用工程并重、以應用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，實現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場的密切銜接，研制出有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人系列產(chǎn)品，并小批試產(chǎn)，完成了一批機器人應用工程，建立了9個機器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個科研基地。我國的高等院校，如長沙國防科技大學、上海交通大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學等在步行機器人、精密裝配機器人及7自由度機器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)做出了可喜的成績，正在逐步縮短在機器人技術(shù)方面與世界先進水平的差距。目前機器人技術(shù)領(lǐng)域的研究工作從智能化程度來區(qū)分，主要分2個方向：一是全功能通用機器人的研究，追求高智能化，即在計算機控制下的視、觸、聽、嗅覺與肢體動作協(xié)調(diào)一致、高度擬人化的機器人；二是不過于強調(diào)機器人的智能化，提供價格和性能都能令人滿意的簡易型機器人。根據(jù)我國的情況，我們認為工業(yè)機器人技術(shù)開發(fā)的思路應從高以下幾個方面進行考慮：（1） 實用性。應能開發(fā)出市場急需的、功能實用的、滿足用戶要求的機器人。為此，應強調(diào)功能實用性，不片面追求所謂的高科技和全面先進性，先進并不等于實用。（2） 快速性。能夠在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)機器人產(chǎn)品的快速制造，快速投放市場和發(fā)往用戶。（3） 高質(zhì)量。能夠生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的機器人產(chǎn)品，機器人配置中關(guān)鍵部件必要時可采用進口產(chǎn)品，只有質(zhì)量好的機器人產(chǎn)品才能贏得用戶。（4） 低價格。價格往往是用戶購置機器人是考慮的首要因素機器人開發(fā)應盡可能選用標準件、通用件，減少自制件，控制成本，能夠向市場提供價格低廉的機器人產(chǎn)品。（5） 模塊化。采用模塊化的設(shè)計理念和配置組合、系統(tǒng)集成的制造思路。 對所要設(shè)計的工業(yè)機器人進行功能分析，劃分并設(shè)計出一系列通用的功能模塊，并對這些模塊進行選擇和組合配置，就可以構(gòu)成不同功能，或功能相近但性能不同、價格不同的機器人產(chǎn)品?？梢?，在工業(yè)機器人設(shè)計中，采用組合式、模塊化設(shè)計思路可以很好地解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計制造周期和生產(chǎn)成本之間的矛盾。工業(yè)機器人的組合式模塊化設(shè)計也為機器人產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、提高產(chǎn)品質(zhì)量、方便維修、增強競爭力提供了條件。隨著敏捷制造時代的到來，模塊化設(shè)計會越來越顯示出其獨到的優(yōu)越性。工業(yè)機器人的組合式模塊化設(shè)計過程見圖8所示。圖8 工業(yè)機器人模塊化設(shè)計過程綜上所述，工業(yè)機器人設(shè)計總體技術(shù)原理是：在成組技術(shù)指導下，針對多品種小批量生產(chǎn)的特點，面對生產(chǎn)線上的機臺和單元間的物品移置的工藝要求或是裝配、噴涂等作業(yè)的工藝要求，利用模塊化設(shè)計手段，選擇品質(zhì)優(yōu)良的控制模塊以及執(zhí)行模塊，按一定的坐標體系進行集成，實現(xiàn)工業(yè)機器人的快速制造。我國機器人發(fā)展已跨過了起步階段，走上了進步和發(fā)展的道路。今后的任務(wù)是把機器人技術(shù)推廣到更多的工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域和其他更廣泛的應用領(lǐng)域，大力開展跨區(qū)域交流合作，與國際接軌，早日躋身于世界先進行列【11】。 本文的研究內(nèi)容本文研究的機器人機械臂為球坐標型機器人機械臂，一般采用直流無刷伺服電機驅(qū)動，控制簡單，編程方便。主要應用于工業(yè)中小型產(chǎn)品中異形元件裝配，小型機電產(chǎn)品如電機、空壓機、電器、泵類等的裝配工作，是一種小型經(jīng)濟型機器人機械臂。該機器人球坐標型機械臂的突出特點是具備較強機動性、靈活性，機構(gòu)承載能力強，具有較好的通用性，重復定位精度高，動作速度快，能夠成功的應用于包裝、上下料以及工業(yè)生產(chǎn)等廣泛領(lǐng)域，設(shè)計將主要圍繞球坐標型機械臂各部件結(jié)構(gòu)，將采用模塊化思想，進行機械臂包括機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，此課題為自擬實際開發(fā)的科研課題。該論文涉及計算機技術(shù)、電子、機械、檢測技術(shù)及傳感器技術(shù)等多學科的知識，主要完成了以下的工作：，用AutoCAD等計算機圖形輔助設(shè)計軟件完成了工業(yè)機器人球坐標機械臂的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了滿足靈活性強、工作空間大、重量輕及結(jié)構(gòu)緊湊等工作要求，將其設(shè)計為具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)的機器人球坐標型機械臂。，得到了運動學方程的正解和反解，并在運動學分析的基礎(chǔ)上，求得了工業(yè)機器人機械臂的雅可比矩陣。3機械臂模塊的規(guī)劃與數(shù)學描述：研究機械臂的功能約束，研究具有明確機械功能的模塊定義方法及數(shù)學描述。4機械臂模塊的工程設(shè)計：研究模塊化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，設(shè)計出機械臂及機械手的整體結(jié)構(gòu)。2 工業(yè)機器人的研究意義和原理設(shè)計 工業(yè)機器人的研究意義目前，國外已有各種專用和通用的裝配機器人在生產(chǎn)中得到應用，主要類型大致有直角坐標型、球坐標型、圓柱坐標型和關(guān)節(jié)型四大類。拒統(tǒng)計資料介紹，在這些裝配機器人中，球坐標型裝配機器人是應用數(shù)量非常多且較為廣泛的一種裝配機器人。1991年世界上4萬余臺在生產(chǎn)上應用的裝配機器人中，球坐標型機器人占了很大的比重。其主要應用領(lǐng)域為電子電氣業(yè)、家用電器業(yè)、精密機械業(yè)。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè)。家用電器及儀器儀表的組裝作業(yè):小型電器開關(guān)、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)?？梢哉f，球坐標型機器人在輕型、較簡單且要求機器人價格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。隨著社會需求的增大和技術(shù)的進步，裝配機器人將會得到迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，將是推動裝配機器人發(fā)展的直接動力。近年來計算機、CIMS及柔性自動裝配系統(tǒng)等的發(fā)展，又為裝配機器人的應用和發(fā)展提供了良好的可能性。1972年我國開始研制機器人，但發(fā)展緩慢，受經(jīng)濟、觀念等因素的制約，基本沒有什么應用，直到1986年，沈陽機器人研究所成立，中國的機器人才向?qū)嵱秒A段發(fā)展。隨著國內(nèi)教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機器人機構(gòu)，研究水平在某些方面己達到國際先進水平。在應用方面，一汽等大型企業(yè)己開始使用機器人自動化生產(chǎn)線。但總體來說，國內(nèi)機器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應用方面發(fā)展緩慢。究其原因，除了經(jīng)濟因素的制約外，很重要的一點是有關(guān)機器人的教育跟不上，知道機器人的人很多，但真正了解、懂機器人的人少而又少，這就使我國的機器人發(fā)展缺乏智力支持，加強機器人技術(shù)教育，緩解人才危機迫在眉睫。而研制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低球坐標型機器人用于教學可以提高教育的現(xiàn)代化水平，用于實際生產(chǎn)可以大大提高工作效率，還可以用于科學研究工作，為開發(fā)更先進的裝配機器人提供有利條件，隨著我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展，我們有能力也有必要進行這方面的研究。 工業(yè)機器人的特點根據(jù)工作環(huán)境、工作特點等要求，本工業(yè)機器人應具備以下幾個特點:，適于觀察。如果作為示教用機器人應該讓觀看者賞心悅目，同時能直觀地了解它的構(gòu)成和動作原理。故機器人的外形應巧妙設(shè)計，部分外殼應采用透明材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應簡單明了，另外，機器人的動作應連續(xù)，速度適中。在滿足所要求功能的前提下，盡可能降低成本，而對實踐的功能要求不高，速度等參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，定位精度要求也不高，故機構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標準件，驅(qū)動元件采用便宜的直流伺服電機，而光電碼盤等測試校驗元件則可不用，其功能由軟件部分實現(xiàn)補償。這樣，結(jié)構(gòu)大大簡化，成本也隨之降低。，重量輕工業(yè)機器人要求抓取重量不大，動作范圍也很小，故體積很小，展開一般不超過一米左右。要實現(xiàn)工業(yè)球坐標型機器人的三個自由度，內(nèi)部零件應盡量小巧，結(jié)構(gòu)應盡可能緊湊。重量輕是機器人研制的一個方向，在滿足強度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故材料要首選鋁質(zhì)輕質(zhì)材料，零件特別是具有定位功能的殼體定位板應采用板筋結(jié)構(gòu)，各零件的空間分布要合理，減小傾覆力矩。本工業(yè)機器人采用直流伺服電機驅(qū)動，速度要求不高，故減速比可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，只要能滿足轉(zhuǎn)矩即可。選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求，優(yōu)先選用標準諧波減速器，跨距轉(zhuǎn)大的傳動可選用同步帶傳動，力求一步到位，傳動簡單。 工業(yè)機器人傳動方案的確定根據(jù)課題特點，參考《國內(nèi)典型工業(yè)機器人圖冊》，初步確定以下方案如圖9所示。圖9 傳動圖 如圖所示:大臂轉(zhuǎn)動采用行星齒輪減速器，小臂轉(zhuǎn)動采用二級同步帶減速，伸縮軸采用絲杠螺母傳動。這種方案主要考慮了傳動鏈的簡化，結(jié)構(gòu)比較簡單易行。方案一具有以下特點:，適合結(jié)構(gòu)特點，減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載能力大、噪音小、效率高、定位安裝方便，由于使用標準件，價格也不高。，充分利用了大臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比恒定，傳動功率大，效率較高，但對安裝有一定要求，需加調(diào)整裝置。3. 第三個自由度采用絲杠螺母傳動。電機直接驅(qū)動絲杠螺母傳動的同時兼有減速的作用，一步把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，傳動精度較高，絲杠有自鎖功能，速度不宜過高。工業(yè)機器人球坐標機械臂的自由度包括大臂、小臂的旋轉(zhuǎn)運動以及小臂上的伸縮運動，為了使機器人的大臂轉(zhuǎn)動，所需要的最大轉(zhuǎn)矩是當小臂呈水平狀態(tài)，如圖21所示。 該機械臂的基本技術(shù)參數(shù)如下： 大臂長度及回轉(zhuǎn)角度：500mm，177。1200，300/s； 小臂長度及回轉(zhuǎn)角度：300mm，177。900，300/s； 小臂移動距離：300mm； 負載重量：20Kg； 驅(qū)動方式：直流或伺服電機。3 工業(yè)機器人球坐標機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械臂驅(qū)動方案的對比分析及選擇對機械臂驅(qū)動裝置的一般要求如下: ，單位重量的輸出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高。，即要求力/重量比和力矩/慣量比要大。，不產(chǎn)生沖擊。，位移偏差和速度偏差要小。6. 操作和維護方便。7. 對環(huán)境無污染，噪聲要小。8. 經(jīng)濟上合理，尤其是要盡量減少占地面積。通常的機械臂驅(qū)動方式有以下四種:：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；位置誤差不會積累。步進電機具有自鎖能力(變磁阻式)和保持轉(zhuǎn)矩(水磁式)的能力，這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機器人。：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等特點，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機配合實現(xiàn)數(shù)字控制。若使用直流伺服電機，還要考慮電刷放電對實際工作的影響。：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，提供很高的響應速度。：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。由以上可知，伺服電機是最適合機械臂關(guān)節(jié)用電機的。而除了步進電機，其他類型的電動機都可以作為伺服電機使用。這就要綜合考慮組成伺服電機的各種電機特性。在所有電動機的設(shè)計及運行中的一個重要問題是散熱，和其他設(shè)備發(fā)熱一樣，電動機所產(chǎn)生的熱量最終使其尺寸和功率的決定性因素。熱量主要是由流過電流的繞組電阻產(chǎn)生，但還包括由鐵耗、摩