【文章內(nèi)容簡介】 器人技術(shù)的應(yīng)用，增強(qiáng)我國的國家安全與綜合國力。實現(xiàn)跨 越式發(fā)展，建立若干機(jī)器人技術(shù)工程研究開發(fā)中心，提高技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)與自主創(chuàng) 新能力，形成我國機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)源頭。 隨著工業(yè)機(jī) 器人發(fā)展的深度和廣度， 以及機(jī)器 人智能水平的提高，工業(yè)機(jī)器 人已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。自從 20 世紀(jì) 60 年代初人類創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機(jī)器人 以后，工業(yè) 機(jī)器人就顯示出它極大的生命力，在短短 50 年的時間中，工業(yè)機(jī)器人 技術(shù)得到了 迅速的發(fā)展 。目前，工業(yè)機(jī) 器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制 造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具 制 造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器 6 ［ 16］ ［ 17］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真 人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、 網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強(qiáng)，正在向著成套技術(shù)和裝備的方 向發(fā)展，目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也已開始擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等 高科技領(lǐng)域 以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域 中 。如，水下機(jī)器人、拋光 機(jī)器人、打毛刺機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人、高壓線作業(yè)機(jī)器人。即工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用 向 大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領(lǐng)域深化擴(kuò)展。隨著人們生活水平的提高及文 化生活的日 益豐富多彩， 未來的機(jī)器人將為提高 人類的生活質(zhì)量發(fā)揮越來越重要 的作用。 研究意義 中國是全球增長最快的機(jī)器人市場，工業(yè)機(jī)器人年安裝量位列第五。但目前僅 有 ABB 一 家歐洲機(jī)器人供應(yīng)商在中國建廠，另有一 家日本機(jī)器人供應(yīng)商宣布計劃在 中國建廠。因此，中國的大部分機(jī)器人是從日本、歐洲及北美進(jìn)口的，其中大約 70% 的機(jī)器人來自日本。中國主要從事機(jī)器人技術(shù)的研究，同時一些國內(nèi)系統(tǒng)集成商使 用日本或歐洲的機(jī)器人為用 戶提供系統(tǒng)解決方案。迄今為止，還沒有國內(nèi)機(jī)器人制 造商能夠生產(chǎn)出與國外高質(zhì)量機(jī)器人進(jìn)行有力競爭的機(jī)器人，這與我國快速增長的 工業(yè)機(jī)器人需求不相適應(yīng)，因此進(jìn)行相關(guān)機(jī)器人的研究工作是目前研究的一個重要 課題。 7 ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真 第二章 設(shè)計選型 機(jī)構(gòu)選型 運(yùn)動機(jī)構(gòu) 本設(shè)計主要針對機(jī)器人的手抓、手腕、前臂、后臂、立柱和底座關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)設(shè) 計、控制電機(jī)的設(shè)計、傳動的設(shè)計來進(jìn)行的。 夾持型手抓結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛，所以選擇夾持型手抓。 手腕是 帶動手抓和連接前臂的機(jī)構(gòu)，所以控制手腕的電機(jī)和帶輪等部件要安裝 在手腕內(nèi)。 前臂是帶動前端的手腕和手抓連接后臂的機(jī)構(gòu)，所以控制前端的電機(jī)和帶輪等 部件要安裝在前臂內(nèi)。 后臂是帶動前端手抓、手腕、前臂和連接立柱的機(jī)構(gòu)，所以為了制造方便把控 制前端和后臂本身的電機(jī)和帶輪等部件安裝在后臂內(nèi)。 立柱是帶動前端手抓、手腕、前臂、后臂和連接底座的機(jī)構(gòu)，所以控制立柱本 身轉(zhuǎn)動的電機(jī)等部件安裝在立柱內(nèi)。 底座是前幾個部件的基礎(chǔ)部分，是支撐和固定的重要部件。 包括手抓、手腕、前臂、后臂、立柱和底座等部件，有的還增設(shè) 行走機(jī)構(gòu)。 ①手部 機(jī)器人手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式 和吸附式手部。 夾持 式手部由 手指 (或 手爪 )和 傳力機(jī)構(gòu) 所構(gòu)成。 手指是與 物件直接 接觸的構(gòu) 件，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故 應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零 件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔 )和物件的 重量及尺寸 。常用 的指形有平面的、 V形面的和曲 面的 :手指有外夾式和內(nèi)撐式 。指 數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳 力機(jī)構(gòu)則 通過手指 產(chǎn)生夾緊 力來完成 夾放物 件的任務(wù) 。傳力機(jī) 構(gòu)型式較 多，常用的 有 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠 桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈 8 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真 簧式和重力式等。 吸附式手部 主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力 ( 如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁 力 )吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常 用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式 有氣流負(fù)壓式和真空泵式。 對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸 盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附 的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù) 特殊需要，手部還有勺式 (如澆鑄機(jī)械 手的澆包部分 )、托式 (如冷 齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部 )等型式。 ②手腕 機(jī)器人手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來 調(diào)整被抓取物件的方位 (即姿 勢 )。 ③手臂 機(jī)器人手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指 去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。 工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、 連桿機(jī)構(gòu)、 螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等 )與驅(qū)動源 (如 液壓、氣壓或電機(jī)等 )相配合，以 實現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動 。 手臂可能實現(xiàn)的運(yùn)動如下 : 手臂運(yùn)動 基本運(yùn)動 直線運(yùn)動：如伸縮、升降、橫移運(yùn)動。 回轉(zhuǎn)運(yùn)動：如水平回轉(zhuǎn)、上下擺動（即俯仰）運(yùn)動。 直線運(yùn)動與回轉(zhuǎn)運(yùn)動的組合（即螺旋運(yùn)動）。 復(fù)合運(yùn)動 兩直線運(yùn)動的組合（即平面運(yùn)動）。 兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動的組合（即空間曲面運(yùn)動）。 9 ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真 手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置， 以保證手指按正確方向運(yùn)動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn) 力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動部件受力狀態(tài) 簡單。 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有 :單圓柱、雙圓柱、四圓柱和 V 形槽、燕尾槽等導(dǎo) 向型式。 ④立柱 機(jī)器人立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動 和升降 (或俯仰 )運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動的，但 因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 ⑤機(jī)座 機(jī)器人機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝 于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 傳動機(jī)構(gòu) 帶傳動 帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳 遞動力，且其造價低廉、不需潤滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)，在近代機(jī)械傳動中應(yīng)用十分 廣泛。摩擦型帶傳動能過載打滑、運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低，但傳動比不準(zhǔn)確（滑 動率在 2%以下）； 同步帶傳動可保證傳動同步，但對載荷變動的吸收能力稍差，高速運(yùn)轉(zhuǎn)有噪聲。 帶 傳動除用以傳遞動力外，有時也用來輸送物料、進(jìn)行零件的整列等。 平型帶傳動工作時帶套在平滑的輪面上，借帶與輪面間的摩擦進(jìn)行傳動。傳動 型式有開口傳動、交叉?zhèn)鲃雍桶虢徊鎮(zhèn)鲃拥龋謩e適應(yīng)主動軸與從動軸不同相對位 置和不同旋轉(zhuǎn)方向的需要。平型帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，但容易打滑，通常用于傳動比為 3左右的傳動。 平型帶有膠帶、編織帶、強(qiáng)力錦綸帶和高速環(huán)形帶等。膠帶是平型帶中用得最 多的一種。 它強(qiáng)度較高，傳遞功率范圍廣 。 編織帶撓性好，但易松弛。強(qiáng)力錦 綸帶強(qiáng)度高，且不易松弛。平型帶的截面尺寸都有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，可選取任意長度，用 10 ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真 膠合、縫合或金屬接頭聯(lián)接成環(huán)形。高速環(huán)形帶薄而軟、撓性好、耐磨性好，且能 制成無端環(huán)形，傳動平穩(wěn)，專用于高速傳動。 由于帶傳動具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用維護(hù)方便和良好的撓性及 彈性等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計選擇帶傳動。 氣壓機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu) 氣壓傳動以壓縮氣體為工作介質(zhì)，靠氣體的壓力傳遞動力或信息的流體傳動。 傳遞動力的系統(tǒng)是 將壓縮氣體經(jīng)由管道和控制閥輸送給氣動執(zhí)行元件，把壓縮氣體 的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而作功；傳遞信息的系統(tǒng)是利用氣動邏輯元件或射流元件以 實現(xiàn)邏輯運(yùn)算等功能，亦稱氣動控制系統(tǒng)。 氣壓傳動由氣源、氣動執(zhí)行元件、氣動控制閥和氣動輔件組成。氣源一般由 Link title 壓 縮機(jī)提供。氣動執(zhí)行元件把壓縮氣體的壓 力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用來驅(qū)動工 作部件，包括氣 缸和氣動馬達(dá) 。氣動控制閥用來 調(diào)節(jié)氣流的方向、壓力和流量， 相應(yīng)地分為方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥。氣動輔件包括：凈化空氣用的 分水濾氣器，改善空氣 潤滑性能的油霧器，消除噪聲的消聲器，管子聯(lián)接件等。在 氣壓傳動中還有用來感受和傳遞各種信息的氣動傳感器。 氣壓傳動具有下述優(yōu)點(diǎn)：（ 1）工作介質(zhì)是空氣，取之不盡用之不竭，用后的空 氣可以排到大氣中去，不會污染環(huán)境。（ 2）工作介質(zhì)粘度很低，流動阻力很小，壓 力損失小，便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送，所以本設(shè)計機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)驅(qū)動方式選擇 氣壓方式。 控制機(jī)構(gòu) 伺服電機(jī)（ servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是 一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn) 確，可以將 電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件， 把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服 電動機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增 加而勻速下降。 (servomechanism)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠 跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位， 基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到 1 個脈沖，就會旋轉(zhuǎn) 1個脈沖對應(yīng)的角度，從 11 ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機(jī) 器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真 而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個 角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者 叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時又收了多少脈沖 回來 ，這樣， 就能夠很 精確的控 制電機(jī)的 轉(zhuǎn)動，從 而實現(xiàn)精確 的定位， 可以達(dá)到 。 如圖 伺服電機(jī) 圖 伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大， 調(diào)速范圍寬 ，控 制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便 （換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對 環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力 矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦 波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各 種環(huán)境。 2. 交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動控制中一般 都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低， 且隨著功率增大 而快速降低，適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用，因此本設(shè)計采用交流伺 服電機(jī)驅(qū)動運(yùn)動機(jī)構(gòu)。 內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制 的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn) 子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù) 反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的 精度（線數(shù)）。 12 ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計