【文章內(nèi)容簡介】 今的一個研究熱點，有著一定的發(fā)展空間。 工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃研究的現(xiàn)狀與意義 機器人軌跡規(guī)劃屬于機器人底層規(guī)劃，是在機械手的運動學(xué)的基礎(chǔ)上，討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中機器人運動過程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。所謂軌跡是指機械手在運動過程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，計算出預(yù)期的運動軌跡。首先對機器人的任務(wù)、運動路徑和軌跡進行描述。例如，用戶給出手部的目標(biāo)位姿 ，規(guī)劃所要完成的任務(wù)是 :確定到該目標(biāo)的路徑點、持續(xù)時間、運動速度等軌跡參數(shù)，并在計算機的內(nèi)部描述所要求的軌跡，即選擇習(xí)慣給定及合理的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后，對內(nèi)部描述的軌跡，實時計算機器人運動的位移、速度和加 速度，生成運動軌跡。 軌跡規(guī)劃既可在關(guān)節(jié)空間也可在直角空間進行，但是所規(guī)劃的軌跡函數(shù)都必須連 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 7 續(xù)和平滑，使得操作臂的運動平穩(wěn)。用戶根據(jù)作業(yè)給出的各個路徑點后，路徑規(guī)劃的任務(wù)包含 : 解變換方程 (運動學(xué)正解 )、進行運動學(xué)反解和插值運算等；在關(guān)節(jié)空間進行規(guī)劃時，大量工作是對關(guān)節(jié)變量的插值運算。因此 ，對于插值算法的研究是機器人 軌跡規(guī)劃的一個重要方面 [15]。 本文研究的意義及主要內(nèi)容 我們所設(shè)計的五自由度工業(yè)機器人，可以為進一步研究工業(yè)機器人的工作原理和工作過程奠定一定的基礎(chǔ)。將其作為《機器人學(xué)》 、《機器人技術(shù)基礎(chǔ)》及《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程及機械電子工程專業(yè)等機電結(jié)合的綜合教學(xué)實驗設(shè)備，不僅可以使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關(guān)課程的專業(yè)知識，而且可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，樹立系統(tǒng)的工程概念，培養(yǎng)其獨立開展科學(xué)研究的能力。因此，本機器人的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學(xué)及 科研有著十分重要的意義。 學(xué)習(xí)了機器人技術(shù)知識，查閱了大量的文獻資料，對國內(nèi)外機器人、主要是工業(yè)機器人的現(xiàn)狀有了比較詳細的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本人的設(shè)想，和設(shè)計工作中需要解決的任務(wù)，本文主要研究機器人總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，主要進行以下工作 : 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，本機器人手臂結(jié)構(gòu)方案確定后要運用 AutoCAD 和 Pro/Engineer 軟件把其平面裝配圖及其立體圖做出。 2 機器人本體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計 機器人的工作要求 主要設(shè)計參數(shù)如下 自由度數(shù)目： 5個 機械機構(gòu)形式：立式 關(guān)節(jié)型 作業(yè)半徑： 650mm 負荷能力： 2kg 重復(fù)定位精度： +/ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 8 驅(qū)動電機：步進電機 最大重量 : 40kg 機器人機械設(shè)計的特點 機器人獨特的結(jié)構(gòu)特點 (1) 關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人操作機可以簡化成各連桿首尾相接、末端開放的一個開式連桿系。為實現(xiàn)要求的坐標(biāo)運動，在大多數(shù)工作時間內(nèi)，連桿系末端是無法加以支撐的，因而操作機的結(jié)構(gòu)剛度差，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。 (2) 在組成操作機的開式連桿系中，每根連桿都具有獨立的驅(qū)動器，因而屬于主動連桿系。這和普通的 連桿系不同，在普通連桿系中，所有的連桿運動都出自同一驅(qū)動源，各連桿間的運動是互相制約的。由于操作機連桿的運動各自獨立，不同連桿的運動之間沒有依從關(guān)系，故而操作機的運動更為靈活。 (3) 連桿驅(qū)動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的變化是非常復(fù)雜的，且和執(zhí)行件反饋信號有關(guān)。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型，因而對機械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度都有較高的要求。本文所用的三個關(guān)節(jié)驅(qū)動是步進電機驅(qū)動，屬于開環(huán)控制型。 (4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(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 或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。 從以上特點可見，一個好的機器人設(shè)計應(yīng)當(dāng)使其機械系統(tǒng)的抓重 —— 自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動態(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)的動態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機，它的性能是機器人設(shè)計追求的目標(biāo) [16]。 與機器人有關(guān)的概念 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。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 9 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(biāo)向另一個點位目標(biāo)移動，只在目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(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。這種形式的機器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。 (c) 球坐標(biāo)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(biāo)，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(biāo)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(biāo)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。 本文的機器人為實驗演示用途的機器人。 機器人手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 手臂的總體設(shè)計是工業(yè)機器人設(shè)計的首要問題，主要有包括總體方案設(shè)計和基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 10 方案功能設(shè)計與分析 機器人手臂自由 度的分配和構(gòu)形 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，少數(shù)專用的工業(yè)機器人手臂自由度少于三個。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 幾種多自由度機器人手臂構(gòu)形 本課題要求機器人手臂能達到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機器人具有五個自由度，其中手臂三個自由度，手爪 部分二個自由度，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)型機器人有大得多的相對空間 (手腕可達到畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 11 的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比 )和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)。 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對平移關(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。這里機器人手臂使用了三個旋轉(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)型機器人手臂有三個轉(zhuǎn)動關(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，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。由三個轉(zhuǎn)動關(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)。在運動學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類機器人最像人的手臂，因而結(jié)構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達空間最大，它甚至可以繞過障礙物到達目標(biāo)點，因而是機器人中最有前途的一種。但由于三個關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動的，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。 機器人手臂結(jié)構(gòu)方案的對比分析及選擇 參考國內(nèi)外工業(yè)機器人的典型結(jié)構(gòu) [17]～ [ 23]，初步對各個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)單獨分析。 (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，直接帶動第一關(guān)節(jié)輸出軸，使整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 方案二：如圖 2－ 3所示，電機安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一對齒輪減速后，由第 一關(guān)節(jié)輸出軸帶動整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 兩種方案在傳動實現(xiàn)上，都是可行的。均采用了減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安裝方便的諧波減速器。雖然方案二在安裝和維畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 12 修方面優(yōu)于方案一，但是方案一的傳動結(jié)構(gòu)簡單一點，而且少了一對普通直齒輪，其整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，電機經(jīng)諧波減速器減速后，速度己經(jīng)較低，噪音問題不突出。故綜合考慮，腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案一。 (2) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 第一關(guān)節(jié)輸出軸大臂小臂手腕大臂回轉(zhuǎn)電機及EPL減速器小臂回轉(zhuǎn)電機和EPL減速器手腕回轉(zhuǎn)電機