【正文】 析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)己實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (2) 并聯(lián)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。 (3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過(guò)去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn) 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 4 在能夠控制 21軸甚至 27軸機(jī)器人，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典 ABB、德國(guó)KUKA, REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 (6) 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。 國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在機(jī)器人科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進(jìn)步。在工業(yè)機(jī)器人選型方面，確定以開發(fā)點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人為主。一批從事機(jī)器人研究、開發(fā)、應(yīng)用的人才和隊(duì)伍在實(shí)踐中成長(zhǎng)、壯大，一批以機(jī)器人為主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。隨著我 國(guó)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，機(jī)器人自動(dòng)化線的市場(chǎng)也會(huì)越來(lái)越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式。但是，無(wú)論從工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都是比較落后的。如何在 21 世紀(jì)加速我國(guó)機(jī)器人的發(fā) 展，使我國(guó)早日進(jìn)入機(jī)器人大國(guó)行列，已成為當(dāng)務(wù)之急。可見，無(wú)論從資金方面考慮，還是從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮，我們有必要自主地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行研究和開發(fā)。所以我們應(yīng)該從基本做起，有必要研制少數(shù)型號(hào)的機(jī)器人和開展一批基礎(chǔ)技術(shù)研究作為機(jī)器人課題的主要研究與開發(fā)內(nèi)容。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題比正問(wèn)題復(fù)雜的多，主要表現(xiàn)在逆解的存在性和唯一性，存在性決定機(jī)器人的操作空間，逆解一般來(lái)說(shuō)非唯一。對(duì)一般的機(jī)器人機(jī)構(gòu)逆解必須使用數(shù)值計(jì)算方法，因而數(shù)值解的計(jì)算速度和精度受到人們的關(guān)注，同時(shí)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中常見的奇異狀態(tài) (不可解狀態(tài) )在數(shù)值解中如何避免也是討論三維問(wèn)題之一 [13] 。但是多數(shù)或者算法不穩(wěn)定，或者過(guò)分依賴初值，且計(jì)算量大，求解速度慢。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于非線性映射的強(qiáng)大的逼近能力，采用 BP 網(wǎng)絡(luò)，利用位置逆解結(jié)果作為訓(xùn)練樣本，通過(guò)大量樣本的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從關(guān)節(jié)變量空間到工作變量空間的非線性映射，從而取得并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，避免了求位置正解時(shí)公式推導(dǎo)和編程計(jì)算等的繁雜性 [14]。 工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃研究的現(xiàn)狀與意義 機(jī)器人軌跡規(guī)劃屬于機(jī)器人底層規(guī)劃，是在機(jī)械 手的運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，計(jì)算出預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡。例如，用戶給出手部的目標(biāo)位姿，規(guī)劃所 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 6 要完成的任務(wù)是 :確定到該目標(biāo)的路徑點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度等軌跡參數(shù)，并在計(jì)算機(jī)的內(nèi)部描述所要求的軌跡，即選擇習(xí)慣給定及合理的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 軌跡 規(guī)劃既可在關(guān)節(jié)空間也可在直角空間進(jìn)行，但是所規(guī)劃的軌跡函數(shù)都必須連 續(xù)和平滑，使得操作臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。因此，對(duì)于插值算法的研究是機(jī)器人 軌跡規(guī)劃的一個(gè)重要方面 [15]。將其作為《機(jī)器人學(xué)》 、《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 》及《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程及機(jī)械電子工程專業(yè)等機(jī)電結(jié)合的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅可以使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關(guān)課程的專業(yè)知識(shí)，而且可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，樹立系統(tǒng)的工程概念，培養(yǎng)其獨(dú)立開展科學(xué)研究的能力。 學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)知識(shí)，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人、主要是工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。 2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的工作要求 主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下 自由度數(shù)目： 5個(gè) 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 7 機(jī)械機(jī)構(gòu)形式：立式關(guān)節(jié)型 作業(yè)半徑： 650mm 負(fù)荷能力： 2kg 重復(fù)定位精度： +/ 驅(qū)動(dòng)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī) 最大重量 : 40kg 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 機(jī)器人獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) (1) 關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)可以簡(jiǎn)化成各連桿首尾 相接、末端開放的一個(gè)開式連桿系。 (2) 在組成操作機(jī)的開式連桿系中，每根連桿都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，因而屬于主動(dòng)連桿系。由于操作機(jī)連桿的運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有依從關(guān)系，故而操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)更為靈活。連桿的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，因而對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度都有較高的要求。 (4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動(dòng)態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動(dòng)或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機(jī)，它的性能是機(jī)器人設(shè)計(jì)追求的目標(biāo) [16]。 (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。以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為移動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。 (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件下所能到 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 8 達(dá)空間的位置集合。 (3) 機(jī)器人的分類 ,機(jī)器人分類方法有多種。例如機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)的軌跡控制。 (b) 連續(xù)軌跡控制型 (Continuous Path Control)：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時(shí)做受控運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動(dòng)機(jī)的角位移和角速度信號(hào)，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時(shí)的軌跡控制。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。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。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。 第三，按驅(qū)動(dòng)方式分類可分為： (a) 氣壓驅(qū)動(dòng)； (b) 液壓驅(qū)動(dòng)； (c) 電氣驅(qū)動(dòng)。它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、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)。 第四，按用途分類可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 9 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 手臂的總體設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題，主要有包括總體方案設(shè)計(jì)和基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。 圖 21 幾種多自由度機(jī)器人手臂構(gòu)形 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 10 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。 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。 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)。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。另外，位置精度也較差。 (1) 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 圖 22 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 1 圖 23 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 2 方案一： 如圖 2－ 2所示，電機(jī)安裝在底座下面，其輸出軸經(jīng)諧波減速器減速后，直接帶動(dòng)第一關(guān)節(jié)輸出軸，使整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 兩種方案在傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)上，都是可行的。雖然方案二在安裝和維修方面優(yōu)于方案一，但是方案一的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，而且少了一對(duì)普通直齒輪，其整體結(jié)構(gòu)并 不復(fù)雜，電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后，速度己經(jīng)較低，噪音問(wèn)題不突出。 (2) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 第一關(guān)節(jié)輸出軸大臂小臂手腕大臂回轉(zhuǎn)電機(jī)及EPL減速器小臂回轉(zhuǎn)電機(jī)和EPL減速器手腕回轉(zhuǎn)電機(jī)手爪回轉(zhuǎn)電機(jī)及諧波減速器手爪主視圖 左視圖 圖 24 大臂﹑小臂﹑手腕和手爪回轉(zhuǎn)示意圖 大臂和小臂回轉(zhuǎn)都是通過(guò) EPL減速器減速后直接帶動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，成本低，安裝方便。 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 12 3 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 整體受力圖 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的選擇： 腕部旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，設(shè)手爪及物體的