【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 機(jī)器人獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) (1) 關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)可以簡化成各連桿首尾相接、末端開放的一個(gè)開式連桿系。為實(shí)現(xiàn)要求的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，在大多數(shù)工作時(shí)間內(nèi)，連桿系末端是無法加以支撐的，因而操作機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度差，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。 (2) 在組成操作機(jī)的開式連桿系中，每根連桿都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，因而屬于主動(dòng)連桿系。這和普通的連桿系不同，在普通連桿系中，所有的連桿運(yùn)動(dòng)都出自同一驅(qū)動(dòng)源，各連桿間的運(yùn)動(dòng)是互相制約的。由于操作機(jī)連桿的運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動(dòng)之間沒有依從關(guān)系，故而操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)更為靈活。 (3) 連桿驅(qū)動(dòng)扭矩的瞬態(tài)過程在時(shí)域中的變化是非常復(fù)雜的，且和執(zhí)行件反饋信號(hào)有關(guān)。連桿的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，因而對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度都有較高的要求。本文所用的三個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，屬于開環(huán)控制型。 (4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動(dòng)態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動(dòng)或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。 從以上特點(diǎn)可見，一個(gè)好的機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使其機(jī)械系統(tǒng)的抓重——自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機(jī)，它的性能是機(jī)器人設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)[16]。 與機(jī)器人有關(guān)的概念 以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。 (1) 自由度(Degrees Of Freedom , DOF)：工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)副通常有移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為移動(dòng)關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)稱為主動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人是5DOF機(jī)器人。 (2) 工作空間(Work Space)：工作空間是指機(jī)器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達(dá)空間的位置集合。由于工作空間的形狀和大小反映了機(jī)器人工作能力的大小，因而它對(duì)于機(jī)器人的應(yīng)用是十分重要的。 (3) 機(jī)器人的分類,機(jī)器人分類方法有多種。 首先，按機(jī)器人控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)： (a) 點(diǎn)位控制型(Point to Point Control)：機(jī)器人受控運(yùn)動(dòng)方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移動(dòng)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)的軌跡控制。本文的機(jī)器人就屬于PTP型。 (b) 連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control)：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時(shí)做受控運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動(dòng)機(jī)的角位移和角速度信號(hào)，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時(shí)的軌跡控制。 其次，按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類： (a) 直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，不會(huì)產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。 (b) 圓柱坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，以θ, r, z為坐標(biāo)，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(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。 (c) 球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。以θ,φ,y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P =f (θ,φ,y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 (d)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型(SCARA 型)機(jī)器人。前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人為關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。 第三，按驅(qū)動(dòng)方式分類可分為：(a) 氣壓驅(qū)動(dòng)；(b) 液壓驅(qū)動(dòng)；(c) 電氣驅(qū)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)是20世紀(jì)90年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。它有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用方便、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)均使用電氣驅(qū)動(dòng)。 第四，按用途分類可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。 本文的機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)演示用途的機(jī)器人。 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 手臂的總體設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要問題，主要有包括總體方案設(shè)計(jì)和基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。 方案功能設(shè)計(jì)與分析 機(jī)器人手臂自由度的分配和構(gòu)形 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)。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，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖2－1所示。 圖 21 幾種多自由度機(jī)器人手臂構(gòu)形 本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有五個(gè)自由度，其中手臂三個(gè)自由度，手爪部分二個(gè)自由度，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，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)。 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)平移關(guān)節(jié)來講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。這里機(jī)器人手臂使用了三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)形式 為圖2－1中的第一種形式，此手臂決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，通常腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸是鉛垂的，手臂在水平面內(nèi)可繞腰關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的關(guān)節(jié)組聯(lián)接在小臂桿的端部，模擬人的手腕，決定末端件的姿態(tài)。在運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類機(jī)器人最像人的手臂，因而結(jié)構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達(dá)空間最大，它甚至可以繞過障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，因而是機(jī)器人中最有前途的一種。但由于三個(gè)關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。另外，位置精度也較差。 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比分析及選擇 參考國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)[17]～[ 23]，初步對(duì)各個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析。 (1) 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 圖 22 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 1 圖 23 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 2 方案一：如圖2－2所示，電機(jī)安裝在底座下面，其輸出軸經(jīng)諧波減速器減速后，直接帶動(dòng)第一關(guān)節(jié)輸出軸，使整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 方案二：如圖2－3所示，電機(jī)安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一對(duì)齒輪減速后，由第一關(guān)節(jié)輸出軸帶動(dòng)整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 兩種方案在傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)上，都是可行的。均采用了