【正文】 .............................................................................................................. 33 致 謝 ...................................................................................................................................................... 35 附錄一：步進(jìn)電機(jī) ...................................................................................................................................... 36 附錄二：艾斯勒 EPLH 系列 ..................................................................................................................... 38 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 2 1 緒論 工業(yè)機(jī)器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)在 對工業(yè)機(jī)器人所下的定義是“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多 功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，以執(zhí)行種種任務(wù)” 。機(jī)器人技術(shù)作為人類最偉大的發(fā)明之一，自 20世紀(jì) 60年代初問世以來，經(jīng)歷了短短的 40年，已取得長足的進(jìn)步。據(jù)聯(lián)合國經(jīng) 濟(jì)委員會(huì)和國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)去年關(guān)于世界機(jī)器人的報(bào) 告，僅 2020年新投入使用的機(jī)器人接近10萬個(gè)，使世界目前使用的機(jī)器人總數(shù)超過 75萬。 我國的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的歷史已經(jīng)有 20多年，從“七五”科技攻關(guān)開始，正式列入國家計(jì)劃，在國家的組織和支持下，通過“七五”、“八 五”科技攻關(guān)，不僅在機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，而且在工業(yè)機(jī)器人整機(jī)方面，己經(jīng)陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配和搬運(yùn)等不同用途、典型的工業(yè)機(jī)器人整機(jī)技術(shù)，并成功的應(yīng)用于生產(chǎn)，掌握了相關(guān)的應(yīng)用工程知識。我國目前大約有 4000臺工業(yè)機(jī)器人，其中僅有 1/5是國產(chǎn)的，其余的則是從 40 多個(gè)國外廠商進(jìn)口的機(jī)器人。相信在不遠(yuǎn)的將來，機(jī)器人技術(shù)將一定能夠?yàn)槿祟悗砀嗟姆奖悖瑸槿祟惖奈拿骱桶l(fā)展帶來更大的機(jī)會(huì)。 1958 年美國聯(lián)合控制公司畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 3 研制出第一臺數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型。美國是機(jī)器人的故鄉(xiāng)。 20世紀(jì) 70年代隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入適用化時(shí)代。其機(jī)器人擁有量很快超過了美國，一舉成為“機(jī)器人王國”。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用滿足了人們特性化的要求，產(chǎn)品的批量越來越大，品種越來越多，而且產(chǎn)品的一致性也大大提高，為商家占有了更多的市場份額， 獲得了更多的市場利潤。 1990年世界上新裝備工業(yè)機(jī)器人 80943臺， 1991年裝備了 76443 臺，到 1991年底世界上己有 53 萬臺工業(yè)機(jī)器人工作在各條戰(zhàn)線上 [1]～ [5]。在日、美、西歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中，工業(yè)機(jī)器人得到越來越廣泛的應(yīng)用。 在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。一個(gè)典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有三個(gè)自由度，也就是機(jī)器人的整個(gè)手臂部分，來決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)器人應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 4 業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個(gè)人化和微小 型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)（ RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)在動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代以來，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。世界各國普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開設(shè)了介紹機(jī)器人技術(shù)的有關(guān)課程。 本課題為教師自擬課題。 國內(nèi)外機(jī)器人研究現(xiàn)狀 國外機(jī)器人研究現(xiàn)狀 國外目前機(jī)器人研究的重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面 [7]～ [8]: (1) 機(jī)器人操作機(jī)，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(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，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)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。 國內(nèi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國在機(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、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)化線的市場也會(huì)越來越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式。但是，無論從工業(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)加速我國機(jī)器人的發(fā)展，使我國早日進(jìn)入機(jī)器人大國行列，已成為當(dāng)務(wù)之急?？梢?，無論從資金方面考慮，還是從長遠(yuǎn)利益考慮，我們有必要自主地對機(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)逆問題比正問題復(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，逆解一般來說非唯一。對一般的機(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題之一 [13] 。但是多數(shù)或者算法不穩(wěn)定，或者過分依賴初值，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 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 7 續(xù)和平滑，使得操作臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。因此 ，對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，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，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對國內(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) 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： +/ 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 8 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，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)