【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)回地球。 在海洋開發(fā)方面，美國曾用 Curv 號(hào)有纜水下機(jī)器人成功地從西班牙附近 900 米深的海底打撈一顆因 B52 轟炸機(jī)失事掉入水中的氫彈。挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機(jī)器人，可在水下 600 米處作業(yè)，裝有電視攝像機(jī)，可收集海底標(biāo)本，切割石油管道和纜索等。 在放射性環(huán)境中，如在核電站里，機(jī)器人可用來檢查、修復(fù)管道、閥門等，如日吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 本東芝公司研制的一種蛇形機(jī)器人，具有八個(gè)關(guān)節(jié)，可以在 狹小的空間里操作，臂長(zhǎng)達(dá) 米，臂頂端裝有電視攝像機(jī)。在 軍 事 方面，機(jī)器人己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。在建筑中，己有一種爬壁機(jī)器人可用來修理墻面，擦洗窗戶。此外還有摘果實(shí)、擠牛奶、剪羊毛、清理垃圾、監(jiān)護(hù)病人的機(jī)器人等。 總之，機(jī)器人的應(yīng)用面相當(dāng)廣泛，機(jī)器人的工作特點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)控制下離開人的干預(yù)進(jìn)行各項(xiàng)工作。用機(jī)器人代替人，可以使人擺脫高溫、有毒、 粉塵、振動(dòng)、放射性、強(qiáng)噪音等惡劣環(huán)境，而去從事機(jī)器人的監(jiān)控、維護(hù)等工作，使工作性質(zhì)發(fā)生了變化，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也改善了就業(yè)結(jié)構(gòu)。機(jī)器人工作 抗干擾能力強(qiáng)，一心一意按所編程序工作，動(dòng)作精度、重復(fù)精度高，因此能保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化問題二隨著人民生活水平的提高，人們要求提供更豐富更多樣的產(chǎn)品。因此，用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以滿足人們的需求，當(dāng)前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢(shì)，而機(jī)器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)各。與人相比，機(jī)器人有一個(gè)最大的特點(diǎn) :不知疲倦、不需要休息，在合宜的條件下，可以連續(xù)工作，因此可以大大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人對(duì)于改善勞動(dòng)條件、減少安全事故，減少人受危險(xiǎn)環(huán)境的傷害等方面都有顯 著的效果。 機(jī)器人的發(fā)展 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人起源于數(shù)控機(jī)床和遠(yuǎn)程控制器。 1954 年，美國的 Gee Devol首先把遠(yuǎn)程控制器的桿結(jié)構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來，研制出了第一臺(tái)通用機(jī)械手。這種機(jī)械手可以通過讓其沿一系列點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)位置以數(shù)字形式存貯起來，動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)軸來再現(xiàn)這些位置，從而讓機(jī)械手完成一些簡(jiǎn)單的工作。正是由于這個(gè)機(jī)械手具有了編程示教再現(xiàn)功能，因此許多人把它作為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)生的標(biāo)志。在隨后的生產(chǎn)應(yīng)用中，為了適應(yīng)各種不同用途需要，相繼出現(xiàn)了直角坐標(biāo)、關(guān) 節(jié)坐標(biāo)、極坐標(biāo)等許多種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。與第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人不同，第二代機(jī)器人是具有感覺功能的適應(yīng)控制機(jī)器人。這種機(jī)器人帶有傳感器，能感知環(huán)境和對(duì)象的情況，以控制自身動(dòng)作的變化。在機(jī)器人視覺、觸覺研究的同時(shí)，機(jī)器人其他感覺功能的開發(fā)也已經(jīng)開始，對(duì)機(jī)器人的接近覺、聽覺、滑覺以及會(huì)話等功能都進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。而且這種有感知功能的機(jī)器人開始被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、裝配及機(jī)械加工等作業(yè)。智能機(jī)器人被人們稱為第三代機(jī)器人，它是能利用感覺和識(shí)別功能做決策行動(dòng)的機(jī)器人。從七十年代后期開始，吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 人們對(duì)智能機(jī) 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(shí)獲得與利用系統(tǒng) (知識(shí)工程和專家系統(tǒng)等 )，人一機(jī)接口系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等問題展開了更加廣泛、深入地研究。智能機(jī)器人的研究是一個(gè)艱巨而又廣泛的問題，隨著研究的不斷深入，相關(guān)科學(xué)的飛速發(fā)展 (如第五代智能計(jì)算機(jī) )，具有智能的機(jī)器人在不久的將來一定會(huì)出現(xiàn)?？v觀機(jī)器人的發(fā)展過程，可以看出， 自從機(jī)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(dòng)控制技術(shù)、集成電路技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，在國際形式 的推動(dòng)下，各國在經(jīng)濟(jì)上和科技上展開激烈的競(jìng)爭(zhēng)，機(jī)器人的生產(chǎn)和應(yīng)用隨之得到了迅速的發(fā)展。它經(jīng)歷了第一代工業(yè)機(jī)器人的研究、實(shí)用化、普及，第二代感知功能機(jī)器人的研究、實(shí)用化，以及第三代智能機(jī)器人的研究等各個(gè)階段。 我國的機(jī)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(jì)劃，取得了一批重要成果，掌握了機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、機(jī)器人語言等技術(shù)。就全國來說，目前我國機(jī)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(dòng)化研究所為首的東北地區(qū)機(jī)器人工程中心，以機(jī)電部廣州機(jī)床所為龍頭的華南地區(qū)的機(jī)器人工程中心。而各工程中心 _L作的側(cè)重點(diǎn)又有所不同 :東北地區(qū)以特種機(jī)器人、水下機(jī)器人開發(fā)為 L,華北地區(qū)以噴漆 Y1lt 人、焊接機(jī)器人開發(fā)為主，華東地區(qū)以搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)為主。 1986 年，國家把智能機(jī)器人列為高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，研究目標(biāo)是跟蹤世界先進(jìn)水平，工作內(nèi)容主要是圍繞特種機(jī)器人進(jìn)行攻關(guān)。 進(jìn) 入 90 年代，在國內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)下，確定了特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，實(shí)現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的密切銜接，研制出 有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，并小批試產(chǎn)，完成了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，建立了 9 個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和 7 個(gè)科研基地。 我國的高等院校，如長(zhǎng)沙國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及 7 自由度機(jī)器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)做出了可喜的成績(jī)，正在逐步縮短在機(jī)器人技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平的差距。 綜上所述，我國機(jī)器人發(fā)展已跨過了起步階段，走上了進(jìn)步和發(fā)展的道路。今后的任務(wù)是把機(jī)器人技術(shù)推廣到更多的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域和其他更廣泛的應(yīng)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(jìn)行列。 吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 本文的研究?jī)?nèi)容 SCARA 機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，編程方便。主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品中異形元件裝配，小型機(jī)電產(chǎn)品如電機(jī)、空壓機(jī)、電器、泵類等的裝配工作，是一種小型經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人。該機(jī)器人的突出特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)，具有較好的通用性，重復(fù)定位精度高，動(dòng)作速度快，應(yīng) 用范圍廣。此課題為自擬實(shí)際開發(fā)的科研課題。該論文涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子、機(jī)械、檢測(cè)技術(shù)及傳感器技術(shù)等多學(xué)科的知識(shí)，主要完成了以下的工作 : ， 用 AutoCAD 等計(jì)算機(jī)圖形輔助設(shè)計(jì)軟件完成了 SCARA 機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了滿足靈活性強(qiáng)、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(jì)為具有四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人。 SCARA 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，得到了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正解和反解，并在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，求得了 SCARA 機(jī)器人的雅可比矩陣。 3 機(jī)械 臂模塊的規(guī)劃與數(shù)學(xué)描述：研究機(jī)械臂的功能約束，研究具有明確機(jī)械 功能的模塊定義方法及數(shù)學(xué)描述； 4 機(jī)械臂模塊的工程設(shè)計(jì)：研究模塊化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出機(jī)械臂及吸盤的整體結(jié)構(gòu)。 吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 2 SCARA機(jī)器人的研究意義和原理設(shè)計(jì) SCARA機(jī)器人的研究意義 目前，國外已有各種專用和通用的裝配機(jī)器人在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，主要類型大致有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型三大類。關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人又有垂直關(guān)節(jié)型 (即空間關(guān)節(jié)型 )和平面關(guān)節(jié)型 (即 SCARA 型 )兩種。拒統(tǒng)計(jì)資料介紹，在這些裝配機(jī)器人中，平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人是應(yīng)用數(shù)量最多且較為廣泛的一種裝配機(jī)器人。 1991 年世界上 4 萬余臺(tái)在生產(chǎn)上應(yīng)用的裝配機(jī)器人中， SCARA 機(jī)器人約占 3/4 左右。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娮与姎鈽I(yè)、家用電器業(yè)、精密機(jī)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)。可以說， SCARA 型機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。隨 著 社 會(huì)需求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，裝配機(jī)器人將會(huì)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(dòng)裝配機(jī)器人發(fā)展的直接動(dòng)力。近年來計(jì)算機(jī)、 CIMS 及柔性自動(dòng)裝配系統(tǒng)等的發(fā)展，又為裝配機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展提供了良好的可能性。 1972 年我國開始研制機(jī)器人，但發(fā)展緩慢，受經(jīng)濟(jì)、觀念等因素 的制約，基本沒有什么應(yīng)用，直到 1986 年，沈陽機(jī)器人研究所成立，中國的機(jī)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(jī)器人機(jī)構(gòu)，研究水平在某些方面己達(dá)到國際先進(jìn)水平。在應(yīng)用方面，一汽等大型企業(yè)己開始使用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線。但總體來說，國內(nèi)機(jī)器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。究其原因，除了經(jīng)濟(jì)因素的制約外，很重要的一點(diǎn)是有關(guān)機(jī)器人的教育跟不上，知道機(jī)器人的人很多，但真正了解、懂機(jī)器人的人少而又少，這就使我國的機(jī)器人發(fā)展缺乏智力支持，加強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)教育，緩解人才危機(jī)迫在 眉睫。而研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低 SCARA 機(jī)器人用于教學(xué)可以提高教育的現(xiàn)代化水平，用于實(shí)際生產(chǎn)可以大大提高工作效率，還可以用于科學(xué)研究工作，為開發(fā)更先進(jìn)的裝配機(jī)器人提供有利條件，隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，我們有能力也有必要進(jìn)行這方面的研究。 SCARA機(jī)器人的特點(diǎn) 根據(jù)工作環(huán)境、工作特點(diǎn)等要求，本 SCARA 機(jī)器人應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn) : ，適于觀察。 如果作為示教用機(jī)器人應(yīng)該讓觀看者賞心悅目，同時(shí)能直觀地了解它的構(gòu)成和動(dòng)吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 作原理。故機(jī)器人的外形應(yīng)巧妙設(shè)計(jì)，部分外殼應(yīng)采用透明材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單 明了，另外，機(jī)器人的動(dòng)作應(yīng)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，這是設(shè)計(jì)的基本要求 .如果作為教學(xué)用機(jī)器人只要求有一些示范性動(dòng)作，而對(duì)實(shí)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(jī)構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標(biāo)準(zhǔn)件，驅(qū)動(dòng)元件采用便宜的步進(jìn)電機(jī)，而光電碼盤等測(cè)試校驗(yàn)元件則可不用，其功能由軟件部分實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。這樣，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，成本也隨之降低。 ，重量輕 SCARA 機(jī)器人要求抓取重量不大，動(dòng)作范圍也很小，故體積很小，展開應(yīng)在 60 x 80cm2 左右。要 實(shí)現(xiàn) SCARA 機(jī)器人的四個(gè)自由度，內(nèi)部零件應(yīng)盡量小巧，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊。重量輕是機(jī)器人研制的一個(gè) 方向，在滿足強(qiáng)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(yīng)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 SCARA 機(jī)器人采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)諧波減速器，跨距轉(zhuǎn)大的傳動(dòng)可選用同步帶傳動(dòng)，力求一步到位，傳動(dòng)簡(jiǎn)單。 SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案的確定 根據(jù)課題特點(diǎn)，參考《國內(nèi)典型工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)》，初步確定以下方案 : 吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 圖 21 傳動(dòng)原理圖 如圖所示 :大臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用諧波減速，小臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用二級(jí)同步帶減速，升降軸采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這種方案主要考慮了傳動(dòng)鏈的簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單易行。 方案一具有以下特點(diǎn) : ，適合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)件，價(jià)格也不高。 二級(jí)同步齒型帶減速，充分利用了大臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)功率大，效率較高，但對(duì)安裝有一定要求，需加調(diào)整裝置。 3. 第三個(gè)自由度采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的同時(shí)兼有減速的作用，一步把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)精度較高，絲杠有自鎖功能，速度吸盤式 Scara 機(jī)械 臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 不宜過高。 ，不配光電碼盤。步進(jìn)電機(jī)價(jià)格便宜，體積小，控制方便，為減少零部件，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，不用碼盤進(jìn)行位置速度檢測(cè)，這就要求在控制中采取一些措施，速度不能太高，以防止電機(jī)丟步。 SCARA 機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，四個(gè)自山 度包括大臂、小臂的旋轉(zhuǎn)，腕部的升降及旋轉(zhuǎn)，為了使機(jī)器人的臂轉(zhuǎn)動(dòng)，所需要的最大轉(zhuǎn)矩是當(dāng)臂呈水平狀態(tài)，如圖21 所示。設(shè)各部分的尺寸和重量如下 : 1 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為 350m m，質(zhì)量為 m,(3 kg 左右 ) 其重心在距離第一關(guān)節(jié)軸 150 mm 處。 2 小臂的第二和第三關(guān)節(jié)軸之間的距離為 200 mm，質(zhì)量為 m,(0 .8 k g 左右 )，其重心在距離第二關(guān)節(jié)軸 100m m 處。 m3 ( 4kg 左右 )，重心在距第二關(guān)節(jié)軸 200 mm 處。 第一關(guān)節(jié)軸第二關(guān)節(jié)軸第三關(guān)節(jié)軸3Kg Kg 4Kg圖 22 SCARA 機(jī)器人手臂的重量分布 該機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)如下 : 大臂回轉(zhuǎn) :+900， 300/s 小臂回轉(zhuǎn) :1600， 150/s 手腕升降 :l