【正文】 目錄前言 11 機器人的綜合概述 2 機器人的分類 2 機器人系統(tǒng)的結構 3 機器人的執(zhí)行裝置 5 本課題的研究方向與內容 5 機械臂的作業(yè)能力 5 本設計的研究內容 6 本章小結 62 機械臂的設計 7 手爪的運動結構分析 8 自動對接腕的動作分析 8 大臂、小臂和腕的機構分析 10 驅動器的選用 14 本章小結 163 五自由度機械臂機構及運動學模型簡介 17 五自由度機械臂機構簡介 17 機器人運動學方程的表示 18 機械臂的運動分析 18 機械臂的綜合運動軌跡研究 19 五自由度機械臂的運動學方程 21 機械手臂運動學方程的逆解 25 本章小結 294 機械臂的建模 30 虛擬設計的概念、意義及特點 30 虛擬設計的意義 30 虛擬設計的概念 31 虛擬設計的特點 31 虛擬設計技術的發(fā)展狀況 31 Solidworks零件的創(chuàng)建方法 32 43 445 經濟性分析 456 結論 46參考文獻 48致 謝 5049前言世界上機器人工業(yè)萌芽于50年代的美國，經過40多年的發(fā)展，已被不斷地應用于人類社會很多領域，正如計算機技術一樣，機器人技術正在日益改變著我們的生產方式，以至今后的生活方式。進入90年代，世界機器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在10%左右，世界上已擁有機器人數(shù)量達到70萬臺左右，1991993年世界機器人市場曾一度出現(xiàn)小的低谷，近年除日本外，歐美機器人市場也開始復蘇，并日益興旺。目前全國約有機器人用戶500家，擁有的工業(yè)機器人總臺數(shù)約為1200臺，其中從40家外國公司進口的各類機器人占2/3以上，并每年以100～150臺的速度增加。第一汽車集團公司是我國最早的機器人用戶之一，已在其汽車生產線上應用了20多臺機器人，“八五”期間開發(fā)了2臺高功能點焊機器人，此外還在進一步開發(fā)弧焊、打磨、涂膠等機器人。濟南第二機床廠在與美國ISI機器人公司等合作完成了第一條沖壓自動生產線后，又自行開發(fā)了全自動薄板沖壓生產線，并投入應用。在國內大公司、大企業(yè)紛紛發(fā)展機器人產業(yè)的同時，國內的科研院所、高校在工業(yè)機器人的研制和發(fā)展中也取得了長足的進步，尤其是一些領先的機器人科研生產單位。而機器人機構學乃是機器人的主要理論基礎和關鍵技術，也是現(xiàn)代機械原理研究的重要內容。美國機器人人協(xié)會（RIA）認為，機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或者專用裝置，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務，并且具有編程能力的多功能機械手（Manipulator）。國際標準化組織（ISO）給出的定義是，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務。機器人技術的快速發(fā)展，為機器人學的建立奠定了基礎。本章重點在于對機器人的基本特征進行分析，研究其特點及其分類形式并按不同分類方法對其進行分類，進一步研究機器人的機理。2) 程控型機器人能按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。4) 數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。6) 適應控制型機器人機器人能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行動。8) 智能機器人以人工智能決定其行動的機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。 機器人系統(tǒng)的結構一個機械人系統(tǒng)，一般由下列四個互相作用的部分組成：機械手、環(huán)境、任務和控制器，：. 機器人系統(tǒng)結構圖 The structure of the robot system機械手是具有傳動執(zhí)行裝置的機械，它由臂關節(jié)和末端執(zhí)行裝置（工具等）構成，組合為一個互相連接和互相依賴的運動結構。不同的機械手具有不同的結構類型。大多數(shù)機械手是具有幾個自由度的關節(jié)式機械結構。其中，頭三個自由度引導夾手裝置至所需位置，而后三個自由度用來決定末端執(zhí)行裝置的方向。環(huán)境不僅由幾何條件（可達空間）所決定，而且由環(huán)境和它所包括的每個事物的全部自然特性所決定。我們把任務定義為環(huán)境的兩種狀態(tài)（初始狀態(tài)和目標狀態(tài)）間的差別。這種描述必須能為計算機所理解。計算機是機器人的控制器或腦子。 機器人的執(zhí)行裝置機械手是機器人的重要組成部分，它能模仿人手的動作，完成各種各樣的工作。工業(yè)機器人的手爪主要有鉗爪式、磁吸式、氣吸式三種。機械手正在工業(yè)生產的各個領域大顯身手。而且讓機械手處理高溫、有毒產品等，它比人手更能適應工作。本設計的任務是研制適用水下作業(yè)的機械臂裝置。 機械臂的作業(yè)能力1）機械臂的坐標形式和自由度坐標形式：關節(jié)式坐標形式自由度：5個2）抓舉重量：10Kg3）手爪開合度：有效夾持長度：95mm有效夾持寬度：85mm4）安全范圍以底座中心為圓心，正前方半徑2m，177。扇區(qū)； 運動速度：5）定位精度位置精度：3cm重復精度：2cm 本設計的研究內容1) 根據(jù)移動機構的移動能力指標，比較現(xiàn)有移動機構的性能特點，確定移動機構的最佳移動方式。3) 對機械臂進行運動學分析。 本章小結本章主要講了機器人的發(fā)展進程、分類、 機器人系統(tǒng)的結構和機器人的執(zhí)行裝置——機械手臂。并對本課題的研究方向及內容給予了系統(tǒng)的詮釋。大臂和小臂采用中空型結構，這種結構不僅抗彎扭能力強。如圖21所示的是機械手臂。2）大臂回轉關節(jié)的動作。4）小臂回轉關節(jié)的動作。機械手臂由5自由度機械臂與夾鉗式手爪構成。該機為液壓驅動的主從隨動及示教再現(xiàn)式操作機械手。 手爪的運動結構分析在水下作業(yè)中,機械手起著重要的作用,如完成水下物體上的安裝和修理、沉船打撈、物體的抓取、轉移、水下對接等作業(yè),都需要水下機械手的參與。本文設計了一種二指機械手爪,該手爪可上下開合以完成對水下物體的抓取。在手爪張開的狀態(tài)下，部件1向左側移動，牽動零件2小連桿移動，零件2小連桿帶動零件3內連桿同時向中間移動，使外連桿帶動零件4同時向中間移動，實現(xiàn)手爪的合過程，同時夾緊物體。液壓自動對接腕是機械手的手腕，是機器人在水下自動換接作業(yè)工具的關鍵部件。每把工具都要有自己的驅動部件，液壓缸或液壓馬達等，因此，液壓自動對接腕需要具備兩個功能：1）機械對接功能，即與工具配合，實現(xiàn)機械手和工具的聯(lián)接。除了凸對接頭外，要實現(xiàn)油路對接，還需要工具上與之相配合的油路自封接頭（凹對接頭）。如圖23和圖24所示，液壓自動對接腕上的鎖緊機構有三個鎖緊油缸，液壓油缸突出的活塞桿為鎖緊銷，與工具上三個對應的孔配合實現(xiàn)鎖緊。2）其中一腔通油路，另一腔設置一個彈簧，不通油路，這樣鎖緊銷向一個方向的動作由油路控制，向另一個方向的動作由彈簧完成。這種結構優(yōu)點是鎖緊和縮回時出力較大。機械手攜帶工具作業(yè)完成返回到工具庫后，鎖緊銷縮回，工具庫下降，工具與機械手脫離。 大臂、小臂和腕的機構分析具有位置控制功能的水下作業(yè)機械手,一般常用液壓伺服系統(tǒng)來進行驅動,主要原因是因為它具有體積小、重量輕、慣性小以及出力大等突出的優(yōu)點。 肘關節(jié)與腕關節(jié)之間為小臂，肘關節(jié)與肩關節(jié)之間為大臂。本文機械手的動力機構采用對稱閥控單出桿液壓缸的形式,由于單出桿液壓缸兩腔活塞面積不同,這使得它在兩個相反運動方向上的控制性能不一致,另外這樣的動力機構在零位附近表現(xiàn)出的平穩(wěn)性較差。動力機構是零開口四通閥控的單出桿液壓缸，零開口四通閥為4個節(jié)流窗口面積梯度相等的對稱閥，國內外廠家生產的伺服閥大都是這種結構。由下式給出伺服閥兩個不同方向開口時的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。對于位置伺服系統(tǒng)來說，通常沒有彈贊負載，即。對于任何機構而言，要實現(xiàn)設計的運動規(guī)律，選擇合適的動力源是必不可少的步驟。電動驅動器從80年代開始被應用于機器人上，它由電能產生動能，驅動機器人各關節(jié)動作。2）借助液壓缸、液壓馬達等流體動力組件，通過液壓系統(tǒng)驅動各關節(jié)自由度。3）借助氣缸、氣閥和相應驅動結構構成氣動控制系統(tǒng)來驅動各關節(jié)自由度。氣動方式受空氣可壓縮性影響，穩(wěn)定性差，定位精度低，目前應用較少。同時驅動系統(tǒng)的體積會比較緊湊。而如果通過一些機械設計將電機負載的影響減小的話，往往又會加大機構自生的復雜性，對可靠性和維護帶來一定不利影響。同時在需要保持一定空間位置或者姿態(tài)時，液壓系統(tǒng)由于其剛度較大，也可以在一定程度上克服干擾的影響。其次，液壓系統(tǒng)需要除了需要相應的控制管線外還需布置能夠承受工作壓強的液壓管路和閥門，這些也對于小體積的機械系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。第三種氣壓驅動的方案，其優(yōu)點在于：相比電機系統(tǒng)，由于氣動系統(tǒng)較少借助中間傳動環(huán)節(jié)，而是直接通過氣缸驅動，所以輸出功率較高。而氣動系統(tǒng)由于工作介質為空氣，所以管路的要求沒有液壓系統(tǒng)那么高，提供壓縮空氣的氣源（氣泵）的體積也小于液壓油箱占用的空間體積。而且氣動系統(tǒng)對于空氣質量（濕度、溫度）等有一定要求，對于在水下作業(yè)機械臂系統(tǒng)來說，會減少可用場合。液壓執(zhí)行元件選用液壓缸比選用液壓馬達設計出的機械手結構緊湊、受力條件好,因此目前大多數(shù)水下作業(yè)機械手采用伺服閥控液壓缸所構成的液壓伺服系統(tǒng)。本文機械手的動力機構采用對稱閥控單出桿液壓缸的形式,由于單出桿液壓缸兩腔活塞面積不同,這使得它在兩個相反運動方向上的控制性能不一致,另外這樣的動力機構在零位附近表現(xiàn)出的平穩(wěn)性較差。 本章小結機械臂是作業(yè)系統(tǒng)中最常用最重要的模塊之一，承載能力和靈活程度是主要的衡量指標。3 五自由度機械臂機構及運動學模型簡介為了研究機械臂的動態(tài)特性，求解機械臂各關節(jié)驅動器所需驅動力矩，選擇驅動電機的型號，同時對機械臂的各關節(jié)驅動器進行控制，就必須首先建立機械臂的運動學、動力學模型。機械臂運動學研究的是末端執(zhí)行器的位移、速度和加速度與機械臂各關節(jié)的位移、速度和加速度的關系。前者是指:在已知機械臂各關節(jié)變量氏(i=1，…，n)的基礎上，求解出機械臂末端執(zhí)行器的位置矢量p和姿態(tài)矢量n、o、a的過程。機器人逆運動學問題在機器人學中占有重要的地位，也是機器人運動規(guī)劃和軌跡控制的基礎，通過運動學逆解把空間位姿轉換為關節(jié)變量，才能實現(xiàn)對機器人手爪的控制。目前求解運動學逆解的方法主要有:Paul等人提出的代數(shù)法，Lee和Ziegler提出的幾何法以及PiePer方法等。在目前的水下作業(yè)的機器人上，由于能源、重量限制，機械手往往負重能力不能做的太大，國內普遍小于10公斤，國外也大多小于20公斤，因此很難配置安裝體積、重量較大的X光檢查儀，也無法處理較大的爆炸物；同時，一般自由度往往也在4－5個左右，操作范圍有限。反恐部隊還需裝備其它許多必要的設備，如，防爆筒、無線干擾儀、爆炸物檢查儀（X光檢查儀），爆炸物銷毀器、防爆服、防彈服、遙控阻車器、特種武器以及通訊、指揮系統(tǒng)等等。為了適應長期反恐需要，近來，美國正在發(fā)推出一種反恐、防爆設備專用集成平臺。這種設計概念得到了政府和用戶的贊賞和支持，將要成為反恐、防爆設備發(fā)展的新趨向。其主要內容如下：