【正文】 ..................................27結(jié) 論 ..................................................................................................30致 謝 ..................................................................................................31參考文獻(xiàn) ..................................................................................................32吸盤式Scara機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘 要在裝配機(jī)器人中，平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人(即SCARA型)是應(yīng)用最廣泛的一種裝配機(jī)器人。本文設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人既可以用于實(shí)際生產(chǎn)，又可以用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究。本文設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人具有下列特點(diǎn):通用性好、重復(fù)定位精度高、體積小、重量輕、外形美觀、適于觀察、成本低，對(duì)其本體的可行方案進(jìn)行了充分的論證后，設(shè)計(jì)成具有四自由度的結(jié)構(gòu)，由機(jī)身、大臂、小臂及手腕組成，諧波減速器、同步齒型帶、絲杠螺母等組成了SCARA機(jī)器人簡(jiǎn)單可靠的傳動(dòng)方案，該 機(jī)器人的四個(gè)關(guān)節(jié)均選用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 the four joints are all driven by stepping motors.KEY WORDS SCARA manipulate, Machinery arm, Structural Design 1 緒論 課題背景 機(jī)器人自誕生之日起 ，便顯示出其強(qiáng)大的生命力，機(jī)器人首先在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，并給傳統(tǒng)工業(yè)帶來(lái)了質(zhì)的飛躍。機(jī)器人主要有兩大類：用于制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和用于非制造環(huán)境下的服務(wù)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是柔性化制造系統(tǒng)(FMS ）、自動(dòng)化工廠（FA） 和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS) 必不可少的自動(dòng)化工具,它的發(fā)展和應(yīng)用情況已成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。早在20世紀(jì)60年代初，美國(guó)就制造出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，目前己經(jīng)發(fā)展到第三代一智能機(jī)器人。許多發(fā)展中國(guó)家也紛紛建立技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，應(yīng)用和生產(chǎn)機(jī)器人，可以說(shuō)當(dāng)今正在掀起一個(gè)世界范圍的機(jī)器人研制熱潮。卡佩克在劇本中塑造的一個(gè)具有人的外表、特征和功能，愿意為人服務(wù)的機(jī)器奴仆“ Robot一詞衍生出來(lái)的。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想像和創(chuàng)造空間。我們可以這樣說(shuō):機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度的，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器，而工業(yè)機(jī)器人(Industrial Robot)則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人?！庇?guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)、日本機(jī)器人協(xié)會(huì)等也采用了相類似的定義。”在研究和開(kāi)發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過(guò)程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器人，如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。這些機(jī)器人從外觀上己遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人形機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣闊的發(fā)展空間。生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。此外，智能化機(jī)器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺(jué)傳感器、聲覺(jué)傳感器、語(yǔ)。除了專門設(shè)計(jì)的專用機(jī)器人外，一般機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動(dòng)其它技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以從一個(gè)方面驗(yàn)證一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平。(又稱執(zhí)行系統(tǒng))操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，是可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。(1)末端執(zhí)行器又稱手部，是操作機(jī)直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機(jī)器人直接與工業(yè)對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。有些專用機(jī)器人可以沒(méi)有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。手臂有時(shí)不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(jié)(如關(guān)節(jié)型就可能有多節(jié))，所以，它有時(shí)還應(yīng)包括肘和肩的關(guān)節(jié)，即手臂和手臂間(靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)通常叫小臂，靠近機(jī)座的，通常叫大臂)，手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍?？煞止潭ㄊ胶鸵苿?dòng)式兩類，移動(dòng)式機(jī)座下部安裝了移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它可以擴(kuò)大機(jī)器人的活動(dòng)范圍。驅(qū)動(dòng)器是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力裝置，通常是電動(dòng)機(jī)、液壓或氣動(dòng)裝置。它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定的要求動(dòng)作。這就是閉環(huán)控制。對(duì)于智能機(jī)器人，還應(yīng)有人工智能系統(tǒng)。另一部分為決策一規(guī)劃智能系統(tǒng)(軟件 )，它包括邏輯判斷、模式識(shí)別、大容量數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)劃操作程序等功能。(1)固定程序的專用機(jī)器人(機(jī)械手) 通常根據(jù)主機(jī)的特定要求設(shè)計(jì)成固定程序(或簡(jiǎn)單的可變程序) 。工作對(duì)象單一，動(dòng)作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。、部門和用途分類(1 )工業(yè)機(jī)器人它們又可按作業(yè)類別分為鍛壓、焊接、表面噴涂、裝卸、裝配、檢測(cè)等機(jī)器人。(3)軍事用途機(jī)器人(4)服務(wù)機(jī)器人如醫(yī)療機(jī)器人，家用機(jī)器人，教學(xué)機(jī)器人等。圓柱坐標(biāo)型 。多關(guān)節(jié)型。目前應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人中，很多是屬于點(diǎn)位控制方式的，如上下料搬運(yùn)機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人等?；『?、噴漆和檢測(cè)機(jī)器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式?！按狈诸?1)第一代機(jī)器人其特點(diǎn)是采用開(kāi)關(guān)量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運(yùn)動(dòng)參數(shù)需通過(guò)示教或編程給定。 (2)第二代機(jī)器人是 70 年代開(kāi)始出現(xiàn)的，其技術(shù)特點(diǎn)是采用計(jì)算機(jī)直接控制，是通過(guò)具有視覺(jué)、觸覺(jué)的攝像機(jī)和傳感器，能“感覺(jué) ”外界信息并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和分析 自動(dòng) 地控制操作機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和操作，因此，其控制方式較第一代機(jī)器人要復(fù)雜得多，目前這類機(jī)器人已開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)、排險(xiǎn)救災(zāi)等場(chǎng)合應(yīng)用，并將進(jìn)入普及階段。這是國(guó)內(nèi)外正在積極研究，開(kāi)發(fā)的高級(jí)機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是具有人工智能。這一類機(jī)器人目前正在研究開(kāi)發(fā)之中 機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展 機(jī)器人的應(yīng)用在發(fā)達(dá)國(guó)家，機(jī)器人己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。焊接作業(yè)包括點(diǎn)焊和弧焊，是機(jī)器人用得最多的作業(yè)之一?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復(fù)雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人可以勝任此任務(wù)，故廣泛用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和容器的焊接。噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣，國(guó)外大量使用了機(jī)器人，挪威生產(chǎn)的 Trallfa 機(jī)器人是目前世界上用得最多的噴漆機(jī)器人，該機(jī)器人為關(guān)節(jié)式，6 自由度，電液或全電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)，采用示教再現(xiàn)方式，既可實(shí)行點(diǎn)位控制，也可實(shí)行連續(xù)軌跡控制。機(jī)器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，電子工業(yè)用得最多，主要用在電路板的裝配上，還有電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。國(guó)外的航空航天工業(yè)中應(yīng)用機(jī)器人也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了機(jī)器人，此外如電氣插頭的裝配，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機(jī)座艙蓋和風(fēng)擋鉆孔作業(yè)，飛機(jī)機(jī)身和垂直尾翼鉆孔，都采用了機(jī)器人。在空間開(kāi)發(fā)中，航天飛機(jī)上收放衛(wèi)星的機(jī)器人是加拿大 Spar 公司生產(chǎn)的，美國(guó) NASA 實(shí)施的火星探測(cè)計(jì)劃，發(fā)射了兩個(gè)火星探測(cè)器海盜 I 和海盜 H，它們也是一種機(jī)器人，在火星上采集樣品，作各種實(shí)驗(yàn)，并能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)回地球。挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機(jī)器人，可在水下 600 米處作業(yè)，裝有電視攝像機(jī)，可收集海底標(biāo)本，切割石油管道和纜索等。在 軍 事 方面，機(jī)器人己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。此外還有摘果實(shí)、擠牛奶、剪羊毛、清理垃圾、監(jiān)護(hù)病人的機(jī)器人等。用機(jī)器人代替人，可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動(dòng)、放射性、強(qiáng)噪音等惡劣環(huán)境，而去從事機(jī)器人的監(jiān)控、維護(hù)等工作，使工作性質(zhì)發(fā)生了變化，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也改善了就業(yè)結(jié)構(gòu)。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化問(wèn)題二隨著人民生活水平的提高，人們要求提供更豐富更多樣的產(chǎn)品。與人相比，機(jī)器人有一個(gè)最大的特點(diǎn):不知疲倦、不需要休息，在合宜的條件下，可以連續(xù)工作，因此可以大大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人起源于數(shù)控機(jī)床和遠(yuǎn)程控制器。這種機(jī)械手可以通過(guò)讓其沿一系列點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)位置以數(shù)字形式存貯起來(lái)，動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)軸來(lái)再現(xiàn)這些位置，從而讓機(jī)械手完成一些簡(jiǎn)單的工作。在隨后的生產(chǎn)應(yīng)用中，為了適應(yīng)各種不同用途需要，相繼出現(xiàn)了直角坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)、極坐標(biāo)等許多種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。這種機(jī)器人帶有傳感器，能感知環(huán)境和對(duì)象的情況，以控制自身動(dòng)作的變化。而且這種有感知功能的機(jī)器人開(kāi)始被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、裝配及機(jī)械加工等作業(yè)。從七十年代后期開(kāi)始，人們對(duì)智能機(jī)器人的規(guī)劃生成系統(tǒng)(問(wèn)題解決系統(tǒng)，路徑搜索等)，環(huán)境的理解系統(tǒng)( 感覺(jué)智能，包括視覺(jué)，觸覺(jué)等)，知識(shí)獲得與利用系統(tǒng)(知識(shí)工程和專家系統(tǒng)等)，人一機(jī)接口系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等問(wèn)題展開(kāi)了更加廣泛、深入地研究?？v觀機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程，可以看出， 自從機(jī)器人在五十年代誕生以來(lái)，在短短的四十多年里由于各種有關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是自動(dòng)控制技術(shù)、集成電路技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，在國(guó)際形式的推動(dòng)下，各國(guó)在經(jīng)濟(jì)上和科技上展開(kāi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，機(jī)器人的生產(chǎn)和應(yīng)用隨之得到了迅速的發(fā)展。我國(guó)的機(jī)器人研究始于 70 年代。就全國(guó)來(lái)說(shuō)，目前我國(guó)機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)工作做得較好的地區(qū)是:以中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所為首的東北地區(qū)機(jī)器人工程中心，以機(jī)電部廣州機(jī)床所為龍頭的華南地區(qū)的機(jī)器人工程中心。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)。我國(guó)的高等院校，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)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。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。主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品中異形元件裝配，小型機(jī)電產(chǎn)品如電機(jī)、空壓機(jī)、電器、泵類等的裝配工作，是一種小型經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人。此課題為自擬實(shí)際開(kāi)發(fā)的科研課題。為了滿足靈活性強(qiáng)、工作空間大、重量輕及結(jié)構(gòu)緊湊等工作要求，將其設(shè)計(jì)為具有四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人。3 機(jī)械臂模塊的規(guī)劃與數(shù)學(xué)描述：研究機(jī)械臂的功能約束，研究具有明確機(jī)械功能的模塊定義方法及數(shù)學(xué)描述；4 機(jī)械臂模塊的工程設(shè)計(jì)：研究模塊化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出機(jī)械臂及吸盤的整體結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人又有垂直關(guān)節(jié)型(即空間關(guān)節(jié)型) 和平面關(guān)節(jié)型 (即 SCARA 型)兩種。1991 年世界上 4 萬(wàn)余臺(tái)在生產(chǎn)上應(yīng)用的裝配機(jī)器人中，SCARA 機(jī)器人約占 3/4 左右。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè)?？梢哉f(shuō)，SCARA 型機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。近年來(lái)計(jì)算機(jī)、CIMS 及柔性自動(dòng)裝配系統(tǒng)等的發(fā)展，又為裝配機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展提供了良好的可能性。隨著國(guó)內(nèi)教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，研究水平在某些方面己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。而研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低 SCARA 機(jī)器人用于教學(xué)可以提高教育的現(xiàn)代化水平，用于實(shí)際生產(chǎn)可以大大提高工作效率，還可以用于科學(xué)研究工作，為開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的裝配機(jī)器人提供有利條件，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，我們有能力也有必要進(jìn)行這方面的研究。如果作為示教用機(jī)器人應(yīng)該讓觀看者賞心悅目，同時(shí)能直觀地了解它的構(gòu)成和動(dòng)作原理。在滿足所要求功能的前提下，盡可能降低成本，教學(xué)用機(jī)器人只要求有一些示范性動(dòng)作，而對(duì)實(shí)踐的功能要求不高，速度等參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，定位精度要求也不高，故機(jī)構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標(biāo)準(zhǔn)件，驅(qū)動(dòng)元件采用便宜的步進(jìn)電機(jī)，而光電碼盤等測(cè)試校驗(yàn)元件則可不用，其功能由軟件部分實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。，重量輕SCARA 機(jī)器人要求抓取重量不大，動(dòng)作范圍也很小，故體積很小，展開(kāi)應(yīng)在60 x 80cm2 左右。重量輕是機(jī)器人研制的一個(gè)方向，在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故材料要首選鋁質(zhì)輕質(zhì)材料，零件特別是具有定位功能的殼體定位板應(yīng)采用板筋結(jié)構(gòu)，各零件的空間分布要合理，減小傾覆力矩。選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求，優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)諧波減速器，跨距轉(zhuǎn)大的傳動(dòng)可選用同步帶傳動(dòng)，力求一步到位，傳動(dòng)簡(jiǎn)單。這種方案主要考慮了傳動(dòng)鏈的簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單易行。，充分利用了大臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)功率大，效率較高，但對(duì)安裝有一定要求，需加調(diào)整裝置。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)