【文章內(nèi)容簡介】 器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化 , 以及基 于 PC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制 器 己成為研究熱點(diǎn)。 (4)多傳感器融合技術(shù) : 為了提 高機(jī)器 人的智 能和適應(yīng)性 , 多種 傳感器 的使用是其 問題 解決的關(guān)鍵。 (5)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)要求更加靈巧 ,控制 系統(tǒng)愈 來愈小 ,二 者正朝 著一體 化方向發(fā)展 。 (6)機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù) ,機(jī) 器人半 自主和 自主技術(shù) ,機(jī)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(jī)器人遙控系統(tǒng) ,在有 延時(shí)的 情況下 ,建 立預(yù)先顯示 進(jìn)行遙 控 等。 (7)智能裝配機(jī)器人 :利 用知識(shí) 規(guī)劃 ,專家 系統(tǒng)等 人工智 能研究 領(lǐng)域成 果 ,開發(fā)出智能 型自主移動(dòng)裝配機(jī)器人 , 實(shí)現(xiàn)自主裝配。 (8)并聯(lián)機(jī)器人 : 傳統(tǒng)機(jī) 器人采 用連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu) ,而并聯(lián) 機(jī)器人 具有非累積 定位 誤差 ,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分布得到改善、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性提高、承載能力增加等優(yōu)點(diǎn)。 (9)協(xié)作裝配機(jī)器人 :隨 著裝配 機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ,對裝配 機(jī)器人 也提出一些 新要 求 ,如多機(jī)器人之間的協(xié)作 ,同一機(jī)器人雙臂的協(xié)作 ,甚 至人與機(jī)器人的 協(xié)作 ,這對于 重型 或精密裝配任務(wù)非常重要。 (10)多智能體 (multi2agent)協(xié)調(diào)控制技術(shù) : 這是目前 機(jī)器人 研究的 一個(gè)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(jī)理、感知與學(xué)習(xí)方法、建模和規(guī) 劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 1 .5 設(shè)計(jì)任務(wù)及主要研究內(nèi)容 1 . 設(shè)計(jì)任務(wù) 總體構(gòu)思一臺(tái)六自由度裝配機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車輪胎的局部搬運(yùn)和裝配。要求選用 伺服電機(jī)驅(qū) 動(dòng)，結(jié)構(gòu)合理，能夠靈活運(yùn)動(dòng)，并且具有穩(wěn)定的傳動(dòng)系統(tǒng)，在三維建模的基礎(chǔ) 上完成主要零件的校核，最終完成三個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并繪制二維圖 。 1 . 主要研究內(nèi)容 輪胎裝配機(jī)器人是仿人手臂的工業(yè)機(jī)器人，主要結(jié)構(gòu)以關(guān)節(jié)型為主，通過底盤、腰部 、 大臂、小臂、和腕部的各種轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)輪胎的抓取和裝配，并可獲得很高的抓取 穩(wěn)定性和操作靈活性，在汽車裝配行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。 本文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：緒論部分，主要介紹課題的研究背景及意義，并對輪胎做了簡要介紹。通過 查閱資料了解裝配機(jī)器人的 定義、基本組成和分類，分析國內(nèi)裝配機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā) 展趨勢，為裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考，并且結(jié)合研究課題提出 研究 的內(nèi)容與 方向。 5 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 輪胎裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第二章：輪胎裝配機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過對現(xiàn)有各種工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)調(diào)研分 析和結(jié)構(gòu)對比，選用合理的優(yōu)化方法，再根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求確定輪胎裝配機(jī)器人的總體結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從而定義設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)格，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指明方向。 第三章：機(jī)械臂的電機(jī)選型。通過查閱相關(guān)電機(jī)選型的資料，明確電機(jī)選型原則，根 據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩估算和功率估算，結(jié)合市 場上電機(jī)選購的情況選取適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)，從而 實(shí) 現(xiàn)各個(gè)機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)。 第四章： 三維結(jié) 構(gòu)建模。本設(shè)計(jì)采用法國達(dá)索公司的 CATIA 三維設(shè)計(jì)軟件來模擬輪胎 裝配機(jī)器人實(shí)體，從而為各種軸之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系有明確的認(rèn)識(shí)，避免電機(jī)的干涉等問題， 也為之后的校核計(jì)算和有限元仿真奠定基礎(chǔ)。 第五章：主要零件的設(shè)計(jì)分析和校核計(jì)算。其中包括一對嚙合齒輪分別通過齒面接觸 疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度的計(jì)算，繼而確定嚙合齒輪的最終尺寸。最后利用一種簡單的有 限元分析方法，即 Solid Works 的 Simul atio nXp res s，對關(guān)鍵零件的危險(xiǎn)部分進(jìn)行應(yīng)力和形 變位移的校核，從而確保整個(gè)輪胎裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的順利完成。 第六章： 總結(jié)與 展望。 6 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 輪胎裝配機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 .1 輪胎裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)概述 2 . 輪胎裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)思路 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目要求，首先確定輪胎裝配機(jī)器人為六自由度機(jī)器人，最大負(fù)載 30kg ， 可實(shí)現(xiàn)汽車生產(chǎn)線上汽車輪胎的自動(dòng)裝配，通過對傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)裝配線的考察和調(diào)研，深 入了解分析裝配過程，定義動(dòng)作要求和動(dòng)作范圍 ，即將輪胎從料架取下，移動(dòng)到 安裝位 置 并定位，然后進(jìn)行裝配作業(yè)，最后離開安裝位置，整個(gè)過程需要平穩(wěn)操作，精確 定位， 安 裝合理。 鑒于以上情況 ，輪胎裝配機(jī)器人主要承載軸采用 AISI 1045 鋼，保證足夠 的剛度和強(qiáng)度， 從而保證精度，底座采用鑄鐵，確保穩(wěn)定性要求；因?yàn)檎麄€(gè)機(jī)器人機(jī)身和負(fù)載都比較重， 還要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確可控性，因此采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和工作平穩(wěn) 的要求。 2 . 輪胎裝配機(jī)器人方案優(yōu)化 通過對其他機(jī)器人設(shè)計(jì)的考察得知，該類機(jī)械臂的設(shè)計(jì)主要有以下四種形式，下 面將 逐個(gè)介紹其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，通過比較得出最優(yōu)方案： （ 1 ）直角坐標(biāo)型機(jī)器人： 直角坐標(biāo)型裝配機(jī)器人的結(jié)構(gòu)在目前的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人中是最簡單的。如圖 21，臂部由 三個(gè)相互正交的移動(dòng)副組成，帶動(dòng)腕部分別沿 X、 Y 、 Z 三個(gè)坐 標(biāo)軸的方 向作直線 移動(dòng)。 它 具有操作簡便的優(yōu)點(diǎn) ,被用于零部件的移送、簡單的插入、旋擰等作業(yè)。在機(jī)構(gòu)方面 ,大部 分裝備了球形螺絲和伺服電動(dòng)機(jī) ,具有可自動(dòng)編程 , 速度快、精度高等特點(diǎn)。但所占空間較 大，工作范圍相對較小。 圖 21 直角坐標(biāo)機(jī)器人 7 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 輪胎裝配機(jī) 器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 2 ）圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人： 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器 人的結(jié) 構(gòu)也比 較簡單，如圖 2 2，臂部 由一個(gè) 轉(zhuǎn)動(dòng)副 和兩個(gè)移動(dòng) 副組 成，相對來說，所占空間較小，工作范圍較大，應(yīng)用較廣泛。 （ 3 ）垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人： 圖 22 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人 垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人是根據(jù)人的上肢而設(shè)計(jì)的，如圖 23，它的最下 面是一個(gè)承載能 力很強(qiáng)的動(dòng)力型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，前三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)繞 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，臂的兩個(gè)關(guān)節(jié)繞平行于 Y 軸的兩軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，它利用順序的三個(gè)圓弧運(yùn)動(dòng)來改變手的空間位置。關(guān)節(jié)型機(jī)器 人以臂部 各相鄰部件的相對角位移為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活性最好，所占空間小，運(yùn)動(dòng) 速 度較高，操作范圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物。但其精度受手臂姿勢的影響，實(shí) 現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)有一定的困難。 圖 23 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人 8 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （ 4 ）平面關(guān)節(jié)型 (S CARA)裝配機(jī)器人 平面關(guān)節(jié)型 ( SCARA)裝配機(jī)器人是 由山梨 大學(xué)工學(xué)部精密工學(xué)研究所開 發(fā)完成的 。目 前在裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用的數(shù)量最多 ,它是一種精密型裝配機(jī)器人 , 具有 速度快、精度高、 柔 性好等特點(diǎn) ,如圖 24 ，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) ,其重復(fù)位置精度達(dá)到了 0 .1025mm,可應(yīng)用于 電子、機(jī)械和輕工業(yè)等有關(guān)產(chǎn)品的自動(dòng)裝配、搬運(yùn)、調(diào)試等工作 ,適 合于工廠柔 性自動(dòng) 化 生產(chǎn)的需求。由于這種機(jī)器人所具有的各種特性符合用戶的需求 ,因 此需求量迅 速上升 。 但因?yàn)樗惺茌d荷有限，所以不能用于重型裝配。 圖 24 平面關(guān)節(jié)型（ SCARA）裝配機(jī)器人 （ 5 ）極坐標(biāo)型機(jī)器人： 極坐標(biāo)型機(jī)器人利用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)移動(dòng)來改變手的空間位置，如圖 1 4，產(chǎn)生沿手 臂軸 X的直線移動(dòng)，繞基座 軸 Y 的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞關(guān)節(jié)軸 Z的擺動(dòng)。其手臂可作 繞 Z 軸的俯仰 運(yùn)動(dòng)， 能抓取地面上的物體。這種機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，運(yùn)動(dòng)靈活， 并能擴(kuò) 大 機(jī)器人的工作空間，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個(gè)變量，精度 難 以保證。 圖 25 極坐標(biāo)機(jī)器人 9 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 輪胎裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)上面幾種機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較，由于關(guān)節(jié)型機(jī)械臂動(dòng)作靈活，所占空間小，工作 范圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物的特性，所以決定采用垂直多關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人， 可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度，這樣可以在空間上的任 意一點(diǎn) , 確定任 意姿勢， 平穩(wěn)快速 的實(shí)現(xiàn) 汽 車輪胎的搬運(yùn)和裝配。 2 .2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)要求 輪胎裝配機(jī)器人的自由度為 6，且全部為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，如圖 26 所示為輪胎裝配機(jī)器人的 總體結(jié)構(gòu)圖。第 1 個(gè)關(guān)節(jié)即底盤關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是由伺服電機(jī)傳遞動(dòng)力而 產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，底 盤 關(guān)節(jié)上的伺服電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)腰的俯仰運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)伺服電機(jī)通過減速電機(jī)直接驅(qū) 動(dòng)大臂的俯仰運(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) J J J 3 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) S1 、 S S 3 控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)。 圖 26 裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 輪胎裝配機(jī)器人預(yù)訂設(shè)計(jì)規(guī)格如表 2 1。 表 21 輪胎裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)規(guī)格 10 控制軸數(shù) 3（垂直多關(guān) 節(jié)） 負(fù)載 2 0kg 重復(fù)定位 精度 177。 0. 2mm 第四關(guān)節(jié) J4 軸（腕部扭轉(zhuǎn)） 540176。 第五關(guān)節(jié) J5 軸（腕部俯仰） 180176。 第六關(guān)節(jié) J6 軸（腕部回轉(zhuǎn)） 330176。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 輪胎裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)尺寸及工作空間如圖 2 7。 圖 27 輪胎裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)尺寸和工作空間 11 第四關(guān)節(jié) J4 軸（腕部扭轉(zhuǎn)） rad/s, 360176。 /s 第五關(guān)節(jié) J5 軸（腕部俯仰） rad/s, 90176。 /s 第六關(guān)節(jié) J6 軸（腕部回轉(zhuǎn)） rad/s, 180176。 /s 第四關(guān)節(jié) J4 軸（腕部扭轉(zhuǎn)） 44 N178。m 第五關(guān)節(jié) J5 軸（腕部俯仰） 44 N178。m 第六關(guān)節(jié) J6 軸（腕部回轉(zhuǎn)） 22 N178。m 第四關(guān)節(jié) J4 軸（腕部扭轉(zhuǎn)） kg178。m178。m 第五關(guān)節(jié) J5 軸（腕部俯仰） kg178。m178。m 第六 關(guān)節(jié) J6 軸（腕部回轉(zhuǎn)） kg178。m178。m 溫度 0℃～ +45℃ 濕度 20—— 80%RH（不結(jié)露） 振動(dòng) 小于 /s^2 機(jī)械臂部分重量 6 5kg 驅(qū)動(dòng)方式 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 輪胎裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 .3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 2 . 小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)輪胎 裝配機(jī)器人功能需求，設(shè)計(jì)小 臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，首先選定傳 動(dòng) 方 式，主要通過對 比同步帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，得出結(jié)論：齒輪傳動(dòng)與帶傳動(dòng)相比雖然制造、安裝精度要求 較高，成本也較高，而且不宜作遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。但是其傳遞動(dòng)力大、效率高，壽命長，工作 平穩(wěn)，可靠性高，能保證恒定的傳動(dòng)比，能傳遞任意夾角兩軸間的運(yùn)動(dòng)。因此選用一對嚙 合齒輪來傳遞電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)固定在另一齒輪上的 S1軸轉(zhuǎn)動(dòng)，小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖 28。 1. 軸的安裝方式和軸承的選用 圖 28 小臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 根據(jù) S1 軸所受較大軸向力的情況，選用一 端固 定一段支撐的軸承固定 方式， 結(jié)合 受 力情況選擇交叉滾柱軸承和滾針軸承。圖 29 為交叉滾柱軸承的二維 表示。 圖 29 交叉滾柱軸承安裝形式 交叉滾柱軸承廣泛用于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，在此就 THK 的交叉滾柱軸承為例，如圖 210 ， 特點(diǎn)如下： 交叉滾柱軸承的 滾珠通過間隔保持器，在 呈 9 0176。的 V 形 滾槽滾 動(dòng)面上 相互垂直排列， 12 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 因此一個(gè)軸承就可承載徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷以及力矩負(fù)荷等各個(gè)方向的負(fù)荷。內(nèi) 外圈的 尺 寸不僅實(shí)現(xiàn)了最大程度的緊湊化，而 且還具有很高的剛性，非常適合于工業(yè)用機(jī)器人的關(guān) 節(jié)部及旋轉(zhuǎn)部、加工中心的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)部、精密旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、醫(yī)療 設(shè)備、 測 量儀器、 IC 制造裝置等用途。 圖 210 交叉滾柱軸承 垂直排列的滾柱通過滾子間裝有的間隔保持器，防止了滾柱側(cè)倒以及因滾柱之間相互 摩擦引起的旋轉(zhuǎn)扭矩增加，不會(huì)產(chǎn)生滾柱的單側(cè)接觸現(xiàn)象或自鎖現(xiàn)象，另外，通過調(diào)整軸 承間隙、施加予壓，可實(shí)現(xiàn)高精度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而且承受載荷比較大，剛度較大 ，兩分 割 的外圈或內(nèi)圈在裝入滾柱和間隔保持器，后就被固定在一起不會(huì)分離，因此安裝 時(shí)的操作 非常簡單。 由于支承端承受 的