【正文】 機(jī)器人總體構(gòu)型 本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。 根據(jù)日本安川的 6 自由度 MOTOMANHP6 機(jī)器人說(shuō)明書(shū)資料，分析其 6 個(gè)軸單元的結(jié)構(gòu)，仿照其設(shè)計(jì) 7 自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。使其成為一臺(tái)肩部和腕部各有三個(gè)自由度，肘部為一個(gè)自由度 的人 臂 型七 自由 度 關(guān)節(jié) 式 機(jī)器 人。90 ，連桿長(zhǎng)度不同，但是連桿偏距都為 0，這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)使計(jì)算簡(jiǎn)單 。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)器人都有封閉解。這樣，后 3 個(gè)關(guān)節(jié)就確定了末端執(zhí)行器的姿態(tài)，而前 3個(gè)關(guān)節(jié)確定腕關(guān)節(jié)原點(diǎn)的位置。90 ，對(duì)具有 6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的機(jī)器人存在封閉解的充分條件是相鄰的三個(gè)關(guān)節(jié)軸線相交于一點(diǎn)。一般的六自由度機(jī)器人不具有封閉解。對(duì)于串聯(lián)的運(yùn)動(dòng)連桿，關(guān)節(jié)數(shù)目等于要求的自由度數(shù)目。176。其中，7 個(gè)自由度在圖中有說(shuō)明。另外，位置精度也較差。在運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類機(jī)器人最像人的手臂，因而結(jié)構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達(dá)空間最大，它甚至可以繞過(guò)障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，因而是機(jī)器人中最有前途的一種。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)。 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)平移關(guān)節(jié)來(lái)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。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖 2－1 所示。srads極限力矩 N ? m kg ? m2S 腰部回轉(zhuǎn) 170~+170 220   L 小臂擺動(dòng) 70~+148 200   U 臂部俯仰 175~+150 220   R 腕部扭轉(zhuǎn) 150~+150 410   B 腕部俯仰 45~+180 410   T 腕部回轉(zhuǎn) 200~+200 610   E 大臂回轉(zhuǎn) 90~+90 220   97 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)型式 手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。根據(jù) MOTOMANVA1400 的用途和特點(diǎn)提出如下技術(shù)參數(shù)： 自由度數(shù)目：7 個(gè)，坐標(biāo)形式：垂直關(guān)節(jié)型，有效載荷： 3kg ，機(jī)器人精度：? ~ + ，工作范圍： R = 1434mm ，本體重量： 150kg機(jī)器人各參數(shù)要求見(jiàn)下表 21。機(jī)器人結(jié)構(gòu)為垂直關(guān)節(jié)型。 87 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)機(jī)器人為 7 款電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)是 20 世紀(jì) 90 年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最易于控制、使用方便、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。以θ,φ,y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為 P=f(θ,φ,y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人屬于連續(xù)軌跡控制型。例如機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)的軌跡控制。 （3）機(jī)器人的分類，機(jī)器人分類方法有多種。 （2）工作空間(Work Space)：工作空間是指機(jī)器人臂桿的特定部位在一定條77 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [11]件下所能到達(dá)空間的位置集合。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為移動(dòng)關(guān)節(jié)。 （1）自由度(Degrees Of Freedom,DOF)：工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)副通常有移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種。 本課題要設(shè)計(jì)一款串聯(lián) 7 自由度工業(yè)機(jī)器人，其機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，能持重 3kg ，用于弧焊技術(shù)。 一個(gè)好的機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使其機(jī)械系統(tǒng)的持重—自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)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(dòng)態(tài)性能。末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度和各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩之間的關(guān)系是動(dòng)力學(xué)分析的主要內(nèi)容，在手臂開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)中，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)受到其它關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響，作用在每個(gè)關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨手臂位姿變化而變化，在高速情況下，還存在哥氏力和離心力的影響。首先，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)看，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)( 或移動(dòng)關(guān)節(jié))連接起來(lái)的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈。 （4）利用 UG 軟件建立機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，為后續(xù)系統(tǒng)的仿真分析工作做好準(zhǔn)備。 （2）參考 6 自由度 MOTOMANHP6 機(jī)器人說(shuō)明書(shū)資料，了解其 6 自由度的分配和實(shí)現(xiàn)。針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，對(duì)此機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立三維裝配模型，為機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真提供虛擬樣機(jī)模型?，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出金屬焊接、噴涂、澆鑄裝配、搬運(yùn)、包裝、激光加工、檢驗(yàn)、真空、自動(dòng)導(dǎo)引車等的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，主要應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機(jī)械、家電等行業(yè) 。目前我國(guó)機(jī)器人技術(shù)相當(dāng)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)80年代初的水平，特別是在制造工藝與裝備方面，不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的關(guān)鍵部件。 中國(guó)工業(yè)機(jī) 器人經(jīng)過(guò)“七五”攻關(guān)計(jì)劃、“九五” 攻關(guān)計(jì)劃和863計(jì)劃的支持已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)也已經(jīng)成熟，應(yīng)用上已經(jīng)遍及各行各業(yè)，但進(jìn)口機(jī)器人占了絕大多數(shù)。這對(duì)冗余自由度機(jī)器人的深入研究有很大影響。這幾年國(guó)內(nèi)有關(guān)單位也相繼開(kāi)始了對(duì)冗余自由度機(jī)器人的研究，并取得了一些可喜的成果，但水平比國(guó)外有較大差距。 早在七十年代，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家就已開(kāi)始對(duì)冗余自由度機(jī)器人進(jìn)行研究。 由于冗余度機(jī)器人的重要研究及應(yīng)用價(jià)值( 主要面向空間站、核電站、水下等各種危險(xiǎn)復(fù)雜的場(chǎng)合)，開(kāi) 發(fā)了一種基于工業(yè) 機(jī)器人的七自由度仿 人手臂，其外形美觀、動(dòng)作靈活，是一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。不同的自運(yùn)動(dòng)可使得機(jī)器人有不同的機(jī)構(gòu)位形和運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，其智能也越來(lái)越高，并正朝著一體化方向發(fā)展 。 總體趨勢(shì)是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 （5）機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。 （3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，采用模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化可重構(gòu)化發(fā)展。它涉及到機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。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(kāi)展跨過(guò)區(qū)域交流合作，與國(guó)際接軌，早日躋身于世界先進(jìn)行列 。我國(guó)的高等院所，如長(zhǎng)沙國(guó)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)、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等在步行機(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。 1986 年，國(guó)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)。經(jīng)過(guò)近 20 年努力，特別是經(jīng)過(guò)“七五”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(yǔ)言等技術(shù)。其產(chǎn)品包 括：rh6弧焊 機(jī)器人、rd120點(diǎn)焊機(jī)器人及水切割、激光加工、排險(xiǎn)、澆注等特種機(jī)器人 。沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司是由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所為主發(fā)起人投資組建的高技術(shù)公司，是機(jī)器人國(guó)家工程研究中心、國(guó)家八六三計(jì)劃智能機(jī)器人主題產(chǎn)業(yè)化基地、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃成果產(chǎn)業(yè)化基地、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃成果產(chǎn)業(yè)化基地。該公司目前是國(guó)內(nèi)最大、最先進(jìn)的機(jī)器人生產(chǎn)基地,年生產(chǎn)能力為800臺(tái)。這些機(jī)器人廣泛應(yīng)用在儀器、汽車、航天、食品、制藥、醫(yī)學(xué)、鑄造、塑料等領(lǐng)域。 德國(guó)KUKA Roboter Gmbh公司位于德國(guó)奧格斯堡,是世界幾家頂級(jí)工業(yè)機(jī)器人制造商之一，1973年研制開(kāi)發(fā)了KUKA的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。該公司是將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)域的最早廠商之一。目 前，該公司每月工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)能力達(dá)到2000臺(tái)。日本安川電機(jī)(Yaskawa Electric Co.)自1977年研 制出第一臺(tái)全電 動(dòng)工業(yè)機(jī)器人 以來(lái)，已有29年 的機(jī)器人研發(fā)生 產(chǎn)的歷史,旗下?lián)碛蠱otoman美國(guó)、瑞典、德 國(guó)以及Synetics Solutions美國(guó)公司等子公司，至今共生產(chǎn)13000 多臺(tái)機(jī)器人產(chǎn)品，而最近2年生產(chǎn)的機(jī) 器人30000多臺(tái)，超過(guò)了其他機(jī)器人制造 公司。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics， 日本 的FANUC、 Yaskawa，德 國(guó)的 KUKA Roboter， 美國(guó)的 Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、ST Robotics，意大利的COMAU，英國(guó)的AutoTech Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。 亞洲51400臺(tái),主要在日本,但中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速(比2003年增長(zhǎng)24%)。 歐盟31100臺(tái)(比2003年增加15%,但比2001年的記錄僅增加1%)； UNECE估計(jì),2004年全球至少安裝了10萬(wàn)臺(tái)新的工業(yè)機(jī)器人。 17 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展概況 國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè),將對(duì) 未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì) 發(fā)展起越來(lái)越重要的作用。 由于常年以來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖，尤其是對(duì)我國(guó)的工業(yè)技術(shù)部門。我國(guó)市場(chǎng)上機(jī)器人總共擁有量近萬(wàn)臺(tái)，僅占全球總量的 %，其中完全國(guó)產(chǎn)機(jī)器人行業(yè)集中度僅占 30%，其余皆為從日本、美國(guó)、瑞典、德國(guó)、意大利等20 多個(gè)國(guó)家引進(jìn)。經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā)，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)已日趨成熟；市場(chǎng)需求在“十五”初期也有了一個(gè)“井噴式”的發(fā)展，此外我國(guó)業(yè)已形成了幾家具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)器人公司和產(chǎn)業(yè)化基地。 從“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始，我國(guó)將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用工程作為研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)之一，經(jīng)過(guò)研制、生產(chǎn)、應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“從無(wú)到有”。因此,通 過(guò)增加自由度的 辦法來(lái)提高它 的靈活性，大大 地克服了六自由度機(jī)器人受到奇異構(gòu)形空間、障礙物、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)極限和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩極限等一系列運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的限制。 工業(yè)機(jī)器人 一般需要六個(gè)自由度,它是機(jī)器人在工 作空間內(nèi),達(dá)到任意位置和方向所需要的最少的數(shù)量。在這樣的背景下，機(jī)器人技術(shù)與相關(guān)方面人才的需求也迅速增加，各高校也相應(yīng)加大了對(duì)機(jī)器人技術(shù)人才的培養(yǎng)力度 。機(jī)器人產(chǎn)品技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是正在快速成長(zhǎng)中的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來(lái)越重要的作用。 關(guān)鍵詞 ：7自由度，工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械結(jié)構(gòu) I7 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Abstract 7 dof industrial robots with large scope of work, flexible, pact structure, can grab the object near the base are famous among so much designers and users. Because there is a redundant freedom, it is easy to ensure the best welding position at the same time, avoid workpiece and fixture work on the robot arm interference. In this thesis, according to the robot puts up 3kg , the scope of work is 1434mm , body weight is 150kg ,establish 7 dof joint structure of arcwelding robot including S waist, L arm swing, E arm rotation, U pitching arm, R wrist turn, B wrist pitch, T wrist rotation. Analysis of the various robot joints in moment of inertia, angular velocity, acceleration and other technical indicators of the work under the conditions identified seven jo