【正文】 選用同步帶的130XL025；小帶輪齒數(shù) z1= 12，小帶輪的節(jié)圓直徑 d1= ，其 外 徑 da1= ； 大 帶輪 z2= 36 ， 大 帶 輪節(jié) 圓 直 徑 d2= 其外徑da2= 1 1J = m l + m R1 1= 3 + (324) 2m ——手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量，約為 3kg ； B 腕部擺動關(guān)節(jié)交流伺服電機和減速器、同步帶的選擇 腕部擺動由交流伺服電機通過同步帶和減速器機構(gòu)驅(qū)動。 10）實際軸間距 a此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整 a ≈ a0+Lp? L02= 100 + ? 2(318) 11）小帶輪嚙合齒數(shù) zz p z= m1 b 1?zm= ent??2?2240。 601000m(316) = s287 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 8）初設(shè)軸距：因為 初設(shè)軸距 a0 = 100mm 。36 240。 277 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 4）小帶輪的節(jié)圓直徑 d1d 1 ==Z1Pb240。 200V 。 （2）電機的選擇 取同 步帶、減速器 傳動的傳動 效率均取 231。設(shè) T 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑 R = 200mm ，焊具的總重量 m = 3kg ，則其轉(zhuǎn)動慣量 22= ? m設(shè)機器人手部角速度ω從 0 加速到 610176。 本文設(shè)計時，采用雙面梯形齒型同步帶。帶齒受載后，應(yīng)力分布狀態(tài)較好，平緩了齒根的應(yīng)力集中，提高了齒的承載能力。雙面帶又按齒的排列方式分為對稱齒型（代號 DA) 和交錯齒型(代號 DB〕。同 步 帶 傳 動具 有 準(zhǔn) 確 的傳 動 比 ，無滑 差 ，可 獲 得 恒定 的 速 比 ，傳 動 平穩(wěn) ， 能吸 振 ，噪 音 小 ，傳 動 比 范圍 大 ，一般可達 1:10 。 （3）行星齒輪減速器 （4）擺線針輪減速器 （5）諧波齒輪減速器 為了匹配 MOTOMANVA1400 外形和設(shè)計技術(shù)要求，選擇日本安川公司生產(chǎn)的機械手專用減速器，如下圖 333。 圖 31 機器人 MOTOMANVA1400 機器人結(jié)構(gòu)圖 227 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 減速器類型選擇 減速器是指原動機與獨立封閉式傳動裝置，用來降低轉(zhuǎn)速并相應(yīng)的增大轉(zhuǎn)矩，扭矩輸出比例按電機輸出乘減速比，但要注意不能超出減速機額定扭矩，減速同時降低了負載的慣量，慣量的減少為減速比的平方。 其次，根據(jù)課題對機器人提出的技術(shù)要求，對機器人的結(jié)構(gòu)方案進行了設(shè)計和分析，具體包括機器人的 7 個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計、自由度分配、機器人手臂結(jié)構(gòu)型式；以及機器人的外形，模仿 MOTOMANVA1400。 在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計中，對象之間只能通過函數(shù)調(diào)用相互通信。 7 自由度工業(yè)機器人控制系統(tǒng)軟件部分 控制軟件在 Visual C++軟件平臺下編制，該軟件支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)和動態(tài)鏈接庫技術(shù)。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。若使用直流伺服電機，還要考慮電刷放電對實際工作的影響。它們的共同特點是快速性好，控制精度高，對轉(zhuǎn)角無限制，驅(qū)動功率較大，調(diào)速性能好。 步進電機驅(qū)動可直接實現(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，位置誤差不會積累具有自鎖能力(變磁阻式)和保持轉(zhuǎn)矩(永磁式)的能力，有利于控制系統(tǒng)的定位。一般用于需要下水工作的機器人。其主要優(yōu)點是：氣源方便(特別是在工廠有壓縮空氣站專門供應(yīng)壓縮空氣時)，可方便的實現(xiàn)直線運動，驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低；其主要的缺點是：功率密度比小，驅(qū)動裝置體積大，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動需要中間傳動機構(gòu)，定位精度低，其費用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護不方便。如圖 211 所示。如圖 29 所示。如圖 27 所示。 7 自由度工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)日本安川的 6 自由度 MOTOMANHP6 機器人內(nèi)部傳動說明，分析其 6個軸單元的結(jié)構(gòu)，仿照其設(shè)計 7 自由度機器人的傳動設(shè)計。因此，設(shè)備面積以及機器人臺數(shù)可比原來減少。 圖 25 MOTOMANVA1400 外形 147 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 以前，焊接汽車車架以及車座框架之類的長型、大型、復(fù)雜形狀工件時，是在工件定位器的側(cè)面位置設(shè)置機器人，并且 1 道工序設(shè)置數(shù)臺機器人，將作業(yè)分割成多道工序來進行的，以避免干擾以及確保正確的焊接姿勢。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 的最大空間體積與機 器人本體外殼體積 之比)和絕對工作137 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)。 根 據(jù) 設(shè) 計 要 求 ， 可 以 日 本 安 川 模 仿MOTOMANVA1400 這款機器人設(shè)計。另外，定位結(jié)構(gòu)都采用這樣的簡單結(jié)構(gòu):連桿轉(zhuǎn)角為 0 或 177。由于計算數(shù)值解遠比封閉解費時，數(shù)值解很難用于實時控制，因此，當(dāng)今設(shè)計的六自由度串聯(lián)機器人幾乎都有三根相交軸，且大多數(shù)是設(shè)計成后 3 個關(guān)節(jié)相交，相交點稱為腕關(guān)節(jié)原點。同時，機器人的結(jié)構(gòu)形式與機器人運動學(xué)逆解有著非常密切的關(guān)系。 R腕部扭轉(zhuǎn)B腕部俯仰L小臂擺動U臂部俯仰E大臂回轉(zhuǎn)T腕部回 轉(zhuǎn)S腰部回轉(zhuǎn)圖22 7自由度工業(yè)機器人手臂結(jié)構(gòu)型式 117 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人結(jié)構(gòu)方案的分析 176。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。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。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。 機器人的基本技術(shù)要求 該機器人的特點是工作范圍大，動作靈活，結(jié)構(gòu)較緊湊，用于弧焊焊接。 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 。 (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。 (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。 (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。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。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)。 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。因此，機器人是一個多輸入多輸出的、非線性、強藕合、位置時變的動力學(xué)系統(tǒng)，動力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過一定的簡化，也需要使用不同于一般機構(gòu)分析的專門分析方法 。 67 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 第二章 7 自由度工業(yè)機器人總體方案設(shè)計 機器人機械設(shè)計的特點 [9][10]串聯(lián)機器人機械設(shè)計與一般的機械設(shè)計相比，有很多不同之處。 （ 1 ） 通 過 調(diào) 研 首 鋼 莫 托 曼 機 器 人 有 限 公 司 ， 對 7 自 由 度 工 業(yè) 機 器 人MOTOMANVA1400 有感性認(rèn)識，并對其機械結(jié)構(gòu)了解和學(xué)習(xí)。我國目前取得較大進展的機器人技術(shù)有：數(shù)控機床關(guān)57 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 [8]鍵技術(shù)與裝備、隧道掘進機器人相關(guān)技術(shù)、工程機械智能化機器人相關(guān)技術(shù)、裝配自動化機器人相關(guān)技術(shù)。為此，在高等學(xué)校博士生點基金和“863”基金的支持下，從 86 年開始進行冗余自由度機器人的研究，并已研制成功一臺七自由度機器人樣機。近幾年來這方面研究進展較大，有幾個國家已研制出了幾種具有冗余自由度的機器人，有的已能應(yīng)用于實際工作。冗余度機器人這一特征可使得其在復(fù)雜的環(huán)境下實現(xiàn)避障。機器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機器人技術(shù)的、具有實際動作功能的“智能化系統(tǒng)”。 （4）機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有47 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 [7]成熟應(yīng)用。當(dāng)今工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢主要有： （1）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降。 綜上所述，我國機器人發(fā)展已跨過了起步階段，走上了進步和發(fā)展的道路。 37 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 [6]鑒于上述國內(nèi)外形勢，國家七五科技攻關(guān)計劃將工業(yè)機器人和水下機器人的研究和開發(fā)列入了計劃，由機械部等部門組織了點焊、弧焊、噴漆、搬運等型號的工業(yè)機器人的攻關(guān)，使中國工業(yè)機器人一起步就瞄準(zhǔn)了實用化的方向。該公司是在國內(nèi)率先通過ISO9001國際質(zhì)量保證體系認(rèn)證的機器人企業(yè),并在《福布斯》2005年最新發(fā) 布的“中國 潛力100榜” 上名列第48位 。 中國首鋼莫托曼機器人有限公司由中國首鋼總公司、日本株式會社安川電機和日本巖谷產(chǎn)業(yè)株式會社共同投資組建,三方出資比例分別為45%、43%和12%,引進日本株式會社安川電機最新UP系列機器人生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)SG—MOTOMAN機器人，并設(shè)計制造應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機械、化工等行業(yè)的焊接、噴漆、裝配、研磨、切割和搬運等領(lǐng)域的機器人、機器人工作站等。2004年該公司機器人銷售收入為1051億日元，占該公司營業(yè)總收入3096億日元的34% 。2005年4月,該公司宣布將投資4 億日元,建造一個新的機器人制造廠，已于200 5年11月運行 ，2006年1月達到滿負荷生產(chǎn)。 圖11 2003年制造業(yè)中每1萬名雇員擁有工業(yè)機器人的數(shù)量 在國外，工業(yè)機器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。其中： 因此對能應(yīng)用于各行各業(yè)的 7 自由度工業(yè)機器人，我國有必要自主研制和開發(fā)。 但是，從整體上來說，我國機器人產(chǎn)業(yè)還很薄弱，機器人研究仍然任重而道遠。因此，七自由度冗余手臂是智能化機器人的一個重要主題，而且有資料顯示，未來的通用機器人一般應(yīng)至少具有七個自由度 。 研究并開發(fā)機器人是一項極其具有價值的科研工作。 robot with UG draw threedimensional simulation model of each joint, and assembly molding. This research has extensive practical significance and application prospect. 7 dof industrial robots designed for the followup dynamics analysis and motion control and provide a reference, and can do further research and development. Key words: 7 dof, industrial robot, mechanical structure II7 自由度工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 目錄 摘 要 ............................................................................................................................ I Abstract..............................................................................................................................II 目錄 ................................................................................................................................. III 第一章 緒論 ........