【正文】 ..............................56 E大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)造型圖 ..............................................................................................60 U臂部俯仰關(guān)節(jié)造型圖..............................................................................................60 R腕部扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)造型圖..............................................................................................61 B腕部俯仰關(guān)節(jié)造型圖..............................................................................................62 機(jī)器人裝配圖 ................................................................................................... 65 本章小結(jié) ........................................................................................................... 66 第五章 結(jié)論和展望 ....................................................................................................................67 結(jié)論 ................................................................................................................... 67 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告 ........................................................................................... 68 技術(shù)可行性分析 .......................................................................................................69 技術(shù)優(yōu)越性分析 .......................................................................................................69 展望 ................................................................................................................... 69 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 71 致 謝 ............................................................................................................................. 73 聲 明 ............................................................................................................................. 74 IV7 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章 緒論 課題背景 [1][2][3]機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化裝備，除了在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、海洋開發(fā)、航天工程等方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用之外，也滲透到人們生活的各個(gè)方面，隨著工業(yè)機(jī)器人向更深、更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范圍還在不斷地?cái)U(kuò)大。國(guó)外專家預(yù)測(cè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 研究并開發(fā)機(jī)器人是一項(xiàng)極其具有價(jià)值的科研工作。然而，六自由度機(jī)器人在跟蹤特定位置和方向的能力受到很大的 限制。因此，七自由度冗余手臂是智能化機(jī)器人的一個(gè)重要主題，而且有資料顯示，未來(lái)的通用機(jī)器人一般應(yīng)至少具有七個(gè)自由度 ?！笆濉逼陂g是我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 但是，從整體上來(lái)說(shuō)，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)還很薄弱，機(jī)器人研究仍然任重而道遠(yuǎn)。究其原因，很大程度在于自主品牌不夠，發(fā)展壯大自主品牌及其自動(dòng)化成套裝備產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)務(wù)之急 。 因此對(duì)能應(yīng)用于各行各業(yè)的 7 自由度工業(yè)機(jī)器人，我國(guó)有必要自主研制和開發(fā)。據(jù)UNECE (聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì))和IFR (國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì))統(tǒng)計(jì)，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭，進(jìn)入90年代，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年銷售量增長(zhǎng)率平均在10%左右；2004年增長(zhǎng)率達(dá)到了創(chuàng)記錄的20%，其中,亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出,增長(zhǎng)43%，如圖11所示。其中： 北美16100臺(tái)(比2003年增加27%,比2000年的記錄高24%)； 圖11 2003年制造業(yè)中每1萬(wàn)名雇員擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量 在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。 日本素有“機(jī)器人王國(guó)”之稱，其工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展令人矚目，無(wú)論機(jī)器人的27 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [4][5]數(shù)量還是機(jī)器人的密度都位居世界第一。2005年4月,該公司宣布將投資4 億日元,建造一個(gè)新的機(jī)器人制造廠，已于200 5年11月運(yùn)行 ，2006年1月達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn)。安川電機(jī)核心工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品包括：點(diǎn)焊和弧焊機(jī)器人、油漆和處理機(jī)器人、LCD玻璃板傳輸機(jī)器人和半導(dǎo)體晶片傳輸機(jī)器人等。2004年該公司機(jī)器人銷售收入為1051億日元，占該公司營(yíng)業(yè)總收入3096億日元的34% 。該公司工業(yè)機(jī)器人年產(chǎn)量接近10000臺(tái)，至今已在全球安裝了60000臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 中國(guó)首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司由中國(guó)首鋼總公司、日本株式會(huì)社安川電機(jī)和日本巖谷產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社共同投資組建,三方出資比例分別為45%、43%和12%,引進(jìn)日本株式會(huì)社安川電機(jī)最新UP系列機(jī)器人生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)SG—MOTOMAN機(jī)器人，并設(shè)計(jì)制造應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機(jī)械、化工等行業(yè)的焊接、噴漆、裝配、研磨、切割和搬運(yùn)等領(lǐng)域的機(jī)器人、機(jī)器人工作站等。但是，中國(guó)的首鋼莫托曼機(jī)器人工業(yè)主要是進(jìn)口日本工業(yè)機(jī)器人，只是在國(guó)內(nèi)進(jìn)行組裝而已。該公司是在國(guó)內(nèi)率先通過(guò)ISO9001國(guó)際質(zhì)量保證體系認(rèn)證的機(jī)器人企業(yè),并在《福布斯》2005年最新發(fā) 布的“中國(guó) 潛力100榜” 上名列第48位 。 我國(guó)的機(jī)器人研究始于二十世紀(jì) 70 年代。 37 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [6]鑒于上述國(guó)內(nèi)外形勢(shì)，國(guó)家七五科技攻關(guān)計(jì)劃將工業(yè)機(jī)器人和水下機(jī)器人的研究和開發(fā)列入了計(jì)劃，由機(jī)械部等部門組織了點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、搬運(yùn)等型號(hào)的工業(yè)機(jī)器人的攻關(guān)，使中國(guó)工業(yè)機(jī)器人一起步就瞄準(zhǔn)了實(shí)用化的方向。 進(jìn)入 90 年代，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)下，確定了特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，實(shí)現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的密切銜接，研制出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，并小批試產(chǎn)，完成了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，建立了 9 個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和 7 個(gè)科研基地。 綜上所述，我國(guó)機(jī)器人發(fā)展已跨過(guò)了起步階段，走上了進(jìn)步和發(fā)展的道路。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表，是人造機(jī)器的“終極”形式。當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)主要有： （1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；有關(guān)節(jié)模塊連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人。 （4）機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有47 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [7]成熟應(yīng)用。從 94 年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動(dòng)作功能的“智能化系統(tǒng)”。 課題來(lái)源 7自由度工 業(yè)機(jī)器人是一種冗余度機(jī)器人，冗余度 機(jī)器人的一個(gè)重要特性是其能夠進(jìn)行自運(yùn)動(dòng)，即在使末端操作器位姿保持不變的情況下，各個(gè)關(guān)節(jié)能夠沿冗余作業(yè)空間運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自調(diào)整。冗余度機(jī)器人這一特征可使得其在復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)避障。顯然,為了實(shí)現(xiàn)自運(yùn)動(dòng)的路徑規(guī)劃，首先需要解決運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題。近幾年來(lái)這方面研究進(jìn)展較大，有幾個(gè)國(guó)家已研制出了幾種具有冗余自由度的機(jī)器人，有的已能應(yīng)用于實(shí)際工作。特別是還沒有研制出一臺(tái)具有冗余自由度的機(jī)器人樣機(jī)。為此，在高等學(xué)校博士生點(diǎn)基金和“863”基金的支持下，從 86 年開始進(jìn)行冗余自由度機(jī)器人的研究，并已研制成功一臺(tái)七自由度機(jī)器人樣機(jī)。我國(guó)在某些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，但還缺乏整體核心技術(shù)的突破，具有中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人則很少。我國(guó)目前取得較大進(jìn)展的機(jī)器人技術(shù)有：數(shù)控機(jī)床關(guān)57 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [8]鍵技術(shù)與裝備、隧道掘進(jìn)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、工程機(jī)械智能化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、裝配自動(dòng)化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)。 主要研究?jī)?nèi)容 本文的主要研究?jī)?nèi)容： 本課題以實(shí)際工程項(xiàng)目出發(fā)，仿照日本安川 7 自由度工業(yè)弧焊機(jī)器人 VA1400作為研究對(duì)象。 （ 1 ） 通 過(guò) 調(diào) 研 首 鋼 莫 托 曼 機(jī) 器 人 有 限 公 司 ， 對(duì) 7 自 由 度 工 業(yè) 機(jī) 器 人MOTOMANVA1400 有感性認(rèn)識(shí)，并對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)了解和學(xué)習(xí)。 （3）研究 7 自由度機(jī)器人與 6 自由度機(jī)器人的相同點(diǎn)和異同點(diǎn)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)電機(jī)、減速器、同步帶進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。 67 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第二章 7 自由度工業(yè)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) [9][10]串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，有很多不同之處。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析復(fù)雜，兩相鄰桿件坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、末端執(zhí)行器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩(或力)之間的 關(guān)系等，都不是一 般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，需要建立一套針對(duì)空間開鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)方法。因此，機(jī)器人是一個(gè)多輸入多輸出的、非線性、強(qiáng)藕合、位置時(shí)變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過(guò)一定的簡(jiǎn)化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專門分析方法 。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) 。 與機(jī)器人有關(guān)的概念 以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)稱為主動(dòng)關(guān)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人是 7DOF機(jī)器人。由于工作空間的形狀和大小反映了機(jī)器人工作能力的大小，因而它對(duì)于機(jī)器人的應(yīng)用是十分重要的。 首先，按機(jī)器人控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)： (a)點(diǎn)位控制型(Point to Point Control)：機(jī)器人受控運(yùn)動(dòng)方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移動(dòng)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。 (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。 其次，按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類： (a)直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，不會(huì)產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。 (b) 圓柱坐 標(biāo)型： 該型機(jī)器 人前三 個(gè)關(guān)節(jié) 為兩個(gè) 移動(dòng)關(guān) 節(jié)和一 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng) 關(guān)節(jié)以θ,r,z 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為 P=f(θ,r,z)，其中，r 是手臂徑向長(zhǎng)度，z 是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。 (c)球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。 (d)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型(SCARA 型)機(jī)器人。 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)。 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 。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器 人比非關(guān) 節(jié)型機(jī)器 人有更大 的相對(duì)空 間(手腕可 達(dá)到的最 大空間體 積與機(jī)器人本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和