【正文】 機(jī)、減速器、同步傳送帶帶輪和傳送帶都要安裝在機(jī)械前臂中，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的主要連接部分。機(jī)器人手腕的后端是安裝電機(jī)和與后端機(jī)器人前臂連接的機(jī)構(gòu)。前端蓋是安裝完電機(jī)后的保護(hù)蓋，對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)與前端的氣壓機(jī)械手相連。(2) 設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)械臂最前端的抓舉重量為5kg，依此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算出機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)的具體參數(shù)。根據(jù)減速比選擇能配合松下MSMA系列的ECT行星減速機(jī)PB系列PB60減速機(jī)減速器的減速比為111。＜3得R＞104輸出轉(zhuǎn)速=,滿(mǎn)足要求。假設(shè)減速比為R，則折算到伺服電機(jī)軸上的負(fù)載慣量為5850/R178。/8=5850kg（5）電機(jī) 5（電機(jī)5為控制機(jī)器人立柱旋轉(zhuǎn)的電機(jī)）及減速器選型，尺寸圖M=13kgD=60cmn=25r/minJl=MD178。所以選松下MSMA系列（小慣量）100w型電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。按照負(fù)載慣量＜3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM的原則如果選擇100w電機(jī)，查松下A系列伺服電機(jī)手冊(cè)（）得：JM=則1045/R178。cm178。=1036/8+1010178。14五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真=MD178。根據(jù)減速比選擇能配合松下MSMA系列的ECT行星減速機(jī)PB系列PB40減速機(jī)減速器的減速比為100。＜3得R＞80輸出轉(zhuǎn)速n=,滿(mǎn)足要求。假設(shè)減速比為R，則折算到伺服電機(jī)軸上的負(fù)載慣量為684/R178。=36+648=684kg/8+md178。（3）電機(jī) 3（電機(jī)3為控制機(jī)器人前臂旋轉(zhuǎn)的電機(jī)）及減速器選型，尺寸圖M=8kgD=6cmn=30r/min電機(jī)軸與控制軸的距離d=9cmI=Ic+md178。所以選松下MSMA系列（小慣量）50w型電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。按照負(fù)載慣量＜3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM的原則13五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真如果選擇50w電機(jī)，查松下A系列伺服電機(jī)手冊(cè)（）得：JM=則513/R178。cm178。=636/8+69178。=MD178。根據(jù)減速比選擇能配合松下MSMA系列的ECT行星減速機(jī)PB系列PB40減速機(jī)減速器的減速比為40。＜3得R＞輸出轉(zhuǎn)速n=83r/min,滿(mǎn)足要求。假設(shè)減速比為R，178。/8=5100/8=伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線(xiàn)數(shù)）。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。無(wú)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(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)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(duì)環(huán)境有要求。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從11五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，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(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)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(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到［22］。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。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(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。（2）工作介質(zhì)粘度很低，流動(dòng)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(jì)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式選擇氣壓方式。在氣壓傳動(dòng)中還有用來(lái)感受和傳遞各種信息的氣動(dòng)傳感器。氣動(dòng)控制閥用來(lái)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。氣源一般由Linktitle壓縮機(jī)提供。傳遞動(dòng)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(dòng)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(dòng)邏輯元件或射流元件以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算等功能，亦稱(chēng)氣動(dòng)控制系統(tǒng)。由于帶傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)選擇帶傳動(dòng)。平型帶的截面尺寸都有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，可選取任意長(zhǎng)度，用10五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真膠合、縫合或金屬接頭聯(lián)接成環(huán)形。編織帶撓性好，但易松弛。膠帶是平型帶中用得最多的一種。平型帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但容易打滑，通常用于傳動(dòng)比為3左右的傳動(dòng)。平型帶傳動(dòng)工作時(shí)帶套在平滑的輪面上，借帶與輪面間的摩擦進(jìn)行傳動(dòng)。摩擦型帶傳動(dòng)能過(guò)載打滑、運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低，但傳動(dòng)比不準(zhǔn)確（滑動(dòng)率在2%以下）；同步帶傳動(dòng)可保證傳動(dòng)同步，但對(duì)載荷變動(dòng)的吸收能力稍差，高速運(yùn)轉(zhuǎn)有噪聲。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(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。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(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。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(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合（即空間曲面運(yùn)動(dòng)）。手臂運(yùn)動(dòng)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合（即螺旋運(yùn)動(dòng)）。手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如下:直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)：如伸縮、升降、橫移運(yùn)動(dòng)。手臂的作用是帶動(dòng)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。②手腕機(jī)器人手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))。用負(fù)壓吸盤(pán)和電磁吸盤(pán)吸料，其吸盤(pán)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。對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類(lèi)和帶孔的盤(pán)類(lèi)零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤(pán)吸料。對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤(pán)吸料。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8五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真簧式和重力式等。指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。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?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。①手部機(jī)器人手部即與物件接觸的部件。底座是前幾個(gè)部件的基礎(chǔ)部分，是支撐和固定的重要部件。后臂是帶動(dòng)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)。手腕是帶動(dòng)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)。7五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真第二章 設(shè)計(jì)選型 機(jī)構(gòu)選型 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)本設(shè)計(jì)主要針對(duì)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(jì)、控制電機(jī)的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行的。中國(guó)主要從事機(jī)器人技術(shù)的研究，同時(shí)一些國(guó)內(nèi)系統(tǒng)集成商使用日本或歐洲的機(jī)器人為用戶(hù)提供系統(tǒng)解決方案。但目前僅有ABB一家歐洲機(jī)器人供應(yīng)商在中國(guó)建廠，另有一家日本機(jī)器人供應(yīng)商宣布計(jì)劃在中國(guó)建廠。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(lái)的機(jī)器人將為提高人類(lèi)的生活質(zhì)量發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。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(xiàn)作業(yè)機(jī)器人。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6五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)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。自從20 世紀(jì)60 年代初人類(lèi)創(chuàng)造了第一臺(tái)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(shí)間中，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展［17］。實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，建立若干機(jī)器人技術(shù)工程研究開(kāi)發(fā)中心，提高技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與自主創(chuàng)新能力，形成我國(guó)機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)源頭。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)主體的發(fā)展目標(biāo)是： 瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿高科技發(fā)展方向， 創(chuàng)新性地研究和開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真圖 11 中國(guó)機(jī)器人增長(zhǎng)趨勢(shì)圖隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷向智能化發(fā)展， 機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及在系統(tǒng)中的群體應(yīng)用， 工業(yè)機(jī)器人在不斷向著智能化方向發(fā)展，以滿(mǎn)足多樣化、個(gè)性化的需求，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍［16］。食品及飲料行業(yè)的應(yīng)用大幅增加，但數(shù)量仍較少。與2008年相比，2009年大多行業(yè)機(jī)器人的安裝量都有所減少。金屬及機(jī)械行業(yè)約占15%。橡膠和塑料行業(yè)占15%左右。用于加工的機(jī)器人不足總供應(yīng)的1%（見(jiàn)圖11）［15］從機(jī)器人的安裝情況以及機(jī)器人制造商提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，我們可以從行業(yè)角度進(jìn)行粗略的分析。裝配機(jī)器人增長(zhǎng)了13%，增至124臺(tái)。噴涂機(jī)器人主要用于汽車(chē)行業(yè)，2009年在機(jī)器人裝配方面的投資仍集中于某些特殊應(yīng)用［14］。封膠機(jī)器人小幅增加了2%；噴涂機(jī)器人增加了14%，達(dá)到380臺(tái)。2009年，碼垛、包裝及拾放機(jī)器人從190臺(tái)上升至283臺(tái)，增長(zhǎng)了近50%。盡管營(yíng)業(yè)額在2009年又有所增加，但機(jī)器人方面的投資仍在縮減。作為主要的機(jī)器人裝卸應(yīng)用領(lǐng)域，塑料成型應(yīng)用降至652臺(tái)，下降了62%。另外，激光焊應(yīng)用也在2008年有明顯的增加，在2009年大幅下降，下降了26%，約為2700臺(tái)，占工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)總份額的49%，比2008年的46%有所增加。點(diǎn)焊應(yīng)用也從2006年開(kāi)始增加，2008年激增126%，增至1600臺(tái)，占工業(yè)機(jī)器人4五軸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真市場(chǎng)總份額的20%。2009年，弧焊是最重要的應(yīng)用，占工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)總份額的37%，2009年約為2000臺(tái)，增加了12%。幾乎全部行業(yè)都從增長(zhǎng)的需求（包括各種消費(fèi)品）中受益。2009年，中國(guó)超越美國(guó)成為全球最大的汽車(chē)市場(chǎng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類(lèi)良好的助手和親密的伙伴［12］。如美國(guó)的Navplab自主導(dǎo)航車(chē)、SSV半自主地面戰(zhàn)車(chē)，法國(guó)的自主式快速運(yùn)動(dòng)偵察車(chē)（DARDS），德國(guó)MV4爆炸物處理機(jī)器人等。（7）軍用機(jī)器人：近年來(lái)，美、英、法、德等國(guó)已研制出第二代軍用智能機(jī)器人。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝機(jī)器人等型號(hào)的研制、并開(kāi)展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)自動(dòng)化施工方法等基礎(chǔ)研究。（6）建筑機(jī)器人：日本已研制出20多種建筑機(jī)器人。美國(guó)已開(kāi)展臨場(chǎng)感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機(jī)器人，各種采機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)正在研制中。（4）地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩在類(lèi)。（3）核工業(yè)用機(jī)器人：國(guó)外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動(dòng)機(jī)器人。如美國(guó)NASA的空間機(jī)器人Sojourner等。（2）空間機(jī)器人：空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向［11］。近年來(lái)，人類(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。持續(xù)的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，尤其是對(duì)外出口以及國(guó)內(nèi)外資企業(yè)對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格要求， 逼迫產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始重視工業(yè)機(jī)器人在提高生產(chǎn)效率同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量中所起的巨大作用。這種轉(zhuǎn)變促使企業(yè)認(rèn)識(shí)到必須通過(guò)改進(jìn)機(jī)器設(shè)備，提高技術(shù)和資金的密集度以盡量減少用工量， 其中工業(yè)機(jī)器人成為應(yīng)對(duì)這一轉(zhuǎn)變的主要手段［10］。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)的增強(qiáng)，勞動(dòng)力供應(yīng)格局已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生變化。除了汽車(chē)行業(yè)，IT 行業(yè)、材料處理等行業(yè)的發(fā)展也給工業(yè)機(jī)器人發(fā)展提供者巨大的動(dòng)力。針對(duì)這種局面，國(guó)內(nèi)汽車(chē)自主品牌生產(chǎn)廠家紛紛加大研發(fā)和投資力度。首先是我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)汽車(chē)制造裝配提出了大量的需求。隨著人們生活水平的提高及文化生活的日益豐