【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 （5）機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。 （6）虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。 （7）多智能體（multiagent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 （8）微型和微小機器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命， 并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面?！? 我國對此進行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹對六自由度微動機構(gòu)進行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依據(jù)[8]。還有劉辛軍、高峰和汪勁松研究了微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法，建立了并聯(lián)六自由度微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的機構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標在空間模型設(shè)計參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計者根據(jù)性能指標來設(shè)計該微動機器人的機構(gòu)尺寸，是探討微動機器人機構(gòu)設(shè)計的有效分析工具[9]。第3章 總體方案設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)類型的確定為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計成以下五種方案[10]： 圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 直角坐標型 直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。 球坐標型 又稱極坐標型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復雜。 關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。 平面關(guān)節(jié)型 采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高[11]。 工作空間的確定根據(jù)關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間。工作空間是指機器人正常工作運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)。此機器人的工作空間為1500mm，如圖31所示。圖31 機器人的機座坐標系 手腕結(jié)構(gòu)的確定手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人操作機的最末端，其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個坐標位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)六個自由度如圖32所示。圖32 傳動原理圖 考慮到結(jié)構(gòu)，電機將成三角形布置。 基本參數(shù)的確定 空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)的確定，那么手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動、和手腕旋轉(zhuǎn)三個姿態(tài)的自由度也得到了實現(xiàn)主要技術(shù)參數(shù)如表31所示。表31 機器人的主要規(guī)格參數(shù)動作范圍手腕回轉(zhuǎn)手腕擺動手腕旋轉(zhuǎn)120176。90176。360176。30176。/s30176。/s30176。/s額定載荷4kg最大速度2m/s第4章 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 機器人驅(qū)動方案的分析和選擇 通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種[12]: （1）步進電機：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。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。 （2）直流伺服電機：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(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。 （3）交流伺服電機：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(yīng)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(yīng)速度。 （4）液壓伺服馬達：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。本次設(shè)計的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 手腕電機的選擇 提腕電機的選擇 手腕的最大負荷重量，初估腕部的重量，最大運動速度v=2m/s 功率p=fv=mgv=8102=160W ，p=160=192W 考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率。選擇Z型并勵直流電動機，技術(shù)參數(shù)如表41所示。 擺腕和轉(zhuǎn)腕電機的選擇根據(jù)設(shè)計要求取相同型號的電機，選擇Z型并勵直流電動機型號為200/20400。表41 Z型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù)型 號額定電壓 （V）額定轉(zhuǎn)矩(N/m)額定轉(zhuǎn)速 (r/m)參考功率 (W)重量 (kg)Z200/20400 200 1 2000 400 傳動比的確定 提腕總傳動比的確定 先根據(jù)下式求角速度： = ＝＝20 r/s 再求實際轉(zhuǎn)速： ——角速度r/s； V——運動速度，m/s； R——機械接口到轉(zhuǎn)動軸的距離，m； ——轉(zhuǎn)速，r/min。最后求得總傳動比：＝＝ 取整=10 轉(zhuǎn)腕和擺腕傳動比的確定用同樣的方法，可求得：轉(zhuǎn)腕總傳動比＝20：擺腕總傳動比＝10： 傳動比的分配 傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理[13]。 1. 提腕傳動比分配 提腕總的傳動比=10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比=2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比＝5。 2. 轉(zhuǎn)腕傳動比分配 轉(zhuǎn)腕總的傳動比＝20，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比＝5，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比＝4。 3. 擺腕傳動比分配 擺腕總的傳動比＝10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比＝2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比＝5。 齒輪的設(shè)計 按照上述傳動比配對各齒輪進行設(shè)計。 提腕部分齒輪設(shè)計 1. 第一極圓柱齒輪傳動 2. 齒輪設(shè)計齒輪采用45號鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度170~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。 (1)設(shè)計準則 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲