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1、 長 春 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 （論 文） 五自由度工業(yè)機器人結構設計 1 緒論 工業(yè)機器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機器人。國際標準化組織(ISO)在 對工業(yè)機器人所下的定義是“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，能借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設備，以執(zhí)行種種任務” 。 隨著科學和技術的不斷發(fā)展，在過去的幾個世紀里，人類在許多方面都取得了重大的進展。機器人

2、技術作為人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀60年代初問世以來，經(jīng)歷了短短的40年，已取得長足的進步。工業(yè)機器人在經(jīng)歷了誕生、成長、成熟期后，已成為制造業(yè)中必不可少的核心裝備，而且工業(yè)機器人不僅在工廠里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以驚人的速度向航空航天、軍事、服務、娛樂等人類生活的各個領域滲透。據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟委員會和國際機器人聯(lián)合會去年關于世界機器人的報 告，僅2003年新投入使用的機器人接近10萬個，使世界目前使用的機器人總數(shù)超過75萬。世界使用機器人最多的國家是日本，約38 .9萬；其次為德國(9.1萬)、美國 (9萬)、意大利(3.9萬)、韓國(3.8萬)、法國(2.1萬)、西班牙(1.3

3、萬)和英國(1.2 萬)，并且報告估計2004年，全世界使用的機器人總數(shù)將超過100萬。 我國的工業(yè)機器人發(fā)展的歷史已經(jīng)有20多年，從“七五”科技攻關開始，正式列入國家計劃，在國家的組織和支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，不僅在機器人的基礎理論和關鍵技術方面取得重大突破，而且在工業(yè)機器人整機方面，己經(jīng)陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點焊、裝配和搬運等不同用途、典型的工業(yè)機器人整機技術，并成功的應用于生產(chǎn)，掌握了相關的應用工程知識。但總的看來，我國的工業(yè)機器人 技術及其工程應用的水平和國外的相比還有一定的距離。我國目前大約有 4000臺工業(yè)機器人，其中僅有1/5是國產(chǎn)的，其余的則是從40多個國

4、外廠商進口的機器人。總之，各種各樣機器人的出現(xiàn)和應用是人類走向文明和發(fā)展的一個巨大進步和標志，在未來社會中，機器人的廣泛應用和發(fā)展是一個必然的發(fā)展趨勢。相信在不遠的將來，機器人技術將一定能夠為人類帶來更多的方便，為人類的文明和發(fā)展帶來更大的機會。 1.1 工業(yè)機器人的發(fā)展過程及其應用 20世紀50年代是工業(yè)機器人的萌芽時期，1954年美國戴沃爾發(fā)表了“通用重復 型機器人”的專利論文，第一次提出了“工業(yè)機器人”的概念。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺數(shù)控工業(yè)機器人原型。1959 年美國 UNIMATION 公司推出第一臺工業(yè)機器人。美國是機器人的故鄉(xiāng)。

5、 20世紀60年代隨著傳感技術和工業(yè)自動化的發(fā)展，工業(yè)機器人進入發(fā)展期，機器人開始向適用化發(fā)展，并被用于電焊和噴涂作業(yè)。20世紀70年代隨著計算機和人工智能的發(fā)展，機器人進入適用化時代。日本雖起步較晚，但結合國情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵使用機器人的措施。其機器人擁有量很快超過了美國，一舉成為“機器人王國”。 20世紀80年代工業(yè)機器人進入普及時代，汽車、電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè)機器人，推動了機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工業(yè)機器人的應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。 20世紀

6、90年代初期，工業(yè)機器人的生產(chǎn)與需求達到了一個高峰期。1990年世界上新裝備工業(yè)機器人80943臺，1991年裝備了76443臺，到1991年底世界上己有53萬臺工業(yè)機器人工作在各條戰(zhàn)線上[1]～[5]。 目前工業(yè)機器人主要應用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、金屬加工以及金屬制品業(yè)等。在日、美、西歐等一些工業(yè)發(fā)達的國家中，工業(yè)機器人得到越來越廣泛的應用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，機器人功能和性能的不斷改善和提高，機器人的應用領域日益擴大，其應用范圍已不限于制造業(yè)，還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運 輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和太空的開發(fā)事業(yè)中。 在工業(yè)領域廣泛應用著工業(yè)機器人。我國

7、科學家對機器人的定義是:“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。一個典型的機器人系統(tǒng)由本體、關節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。一般多自由度串聯(lián)機器人具有4～6個自由度，其中2～3個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。本文設計的機器人具有三個自由度，也就是機器人的整個手臂部分，來決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。 1.2 工業(yè)機器人研究的現(xiàn)狀與意義 機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、

8、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學科發(fā)展密切相關。機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網(wǎng)絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展。機器人應用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務于人類活動的各個領域?？傏厔菔菑莫M義的機器人概念向廣義的機器人技術(RT) 概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應用方案業(yè)務的機器人技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機器人技術（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應用機器人技術的、具有實在動作功能的智能化系統(tǒng)。”目前，工業(yè)機器人技術正在向智能機器和

9、智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC 化和網(wǎng)絡化；伺服驅(qū)動技術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和智能化等方面。 現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展，尤其是進入20世紀80年代以來，機器人技術的進步與其在各個領域的廣泛應用，引起了各國專家學者的普遍關注。許多發(fā)達國家均把機器人技術的開發(fā)、研究列入國家高新技術發(fā)展計劃。世界各國普遍在高等院校為大學本科生及研究生開設了介紹機器人技術的有關課程。為了培養(yǎng)機器人開發(fā)、設計、生產(chǎn)、維護方面的人才，我國很多高校也為本科生和研究生開設了機器人學課程。

10、 本課題為教師自擬課題。本文主要針對五自由度工業(yè)機器人進行結構設計。 1.3 國內(nèi)外機器人研究現(xiàn)狀 1.3.1 國外機器人研究現(xiàn)狀 國外目前機器人研究的重點主要有以下幾個方面[7]～[8]: (1) 機器人操作機，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用，機器人操作機己實現(xiàn)了優(yōu)化設計。以德國 KUKA 公司為代表的機器人公司，將機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應用大大提高了機器人的性能。 (2) 并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構，利用機器人技術，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術向數(shù)控技術的拓展

11、，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術一體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 (3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸機器人，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現(xiàn)實用化。 (4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本 KAW

12、ASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德國KUKA, REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 (5) 網(wǎng)絡通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應用向網(wǎng)絡 化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備有了發(fā)展。 (6) 可靠性：由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。 1.3.2 國內(nèi)機器

13、人研究現(xiàn)狀 隨著科學技術和世界各國機器人技術的發(fā)展，我國在機器人科學研究、技術開發(fā)和應用工程等方面取得了可喜的進步。從20世紀80年代末到20世紀90年代，國家863計劃把機器人列為自動化領域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機器人基礎科學、關鍵技術與機器人元部件、先進機器人系統(tǒng)集成技術的研究及機器人在自動化工程上的應用。在工業(yè)機器人選型方面，確定以開發(fā)點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運等機器人為主。這是中國機器人事業(yè)從研制到應用邁出的重要一步。一批從事機器人研究、開發(fā)、應用的人才和隊伍在實踐中成長、壯大，一批以機器人為主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。 我國近幾年機器人自動化生產(chǎn)線

14、已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益[9]～[12]。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機。但是，無論從工業(yè)機器人的數(shù)量上還是技術上，我們都是比較落后的。而我國作為一個工業(yè)大國，不能寄希望從其他國家得到真正的高技術，必須自主的發(fā)展我國的高技術，機器人作為高技術領域的一個重要分支，將成為21世紀各國爭奪的經(jīng)濟技術制高點。如何在 21世紀加速我國機器人的發(fā)展，使我國早日進入機器人大國行

15、列，已成為當務之急。由于目前我國機器人的基礎數(shù)量太低，以工業(yè)機器人為例，到了2010年我國機器人擁有量只能達到世界擁有量1.38%～2%，這與我國作為21世紀前半葉世界主要制造國的要求差距太大，如果這種差距只能以進口機器人來彌補，其巨大損失不是可以用貨幣損失來計算的?？梢?，無論從資金方面考慮，還是從長遠利益考慮，我們有必要自主地對機器人進行研究和開發(fā)。 但是由于國內(nèi)機器人的科研與開發(fā)與國外尚有較大差距，雖然計劃開發(fā)的機器人基本上采用的是在國外基木成熟的技術，但國內(nèi)各單位對這些技術的了解有相當部分還停留在文獻上或局部技術上。所以我們應該從基本做起，有必要研制少數(shù)型號的機器人和開展一

16、批基礎技術研究作為機器人課題的主要研究與開發(fā)內(nèi)容。 1.3.3 工業(yè)機器人運動學系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 運動學正問題的研究目前主要是利用齊次坐標變換矩陣方法將位置和姿態(tài)統(tǒng)一描述，該法思路清晰，但運算速度較慢，隨著機器人機構自由度的增加對運動學逆問題的討論帶來很多不便。運動學逆問題比正問題復雜的多，主要表現(xiàn)在逆解的存在性和唯一性，存在性決定機器人的操作空間，逆解一般來說非唯一。目前對具有特殊形狀的機器人機構如球形手腕機器人機構，其逆解是封閉的，但并不唯一。對一般的機器人機構逆解必須使用數(shù)值計算方法，因而數(shù)值解的計算速度和精度受到人們的關注，同時機器人機構中常見的奇異狀態(tài)(不可解狀

17、態(tài))在數(shù)值解中如何避免也是討論三維問題之一[13] 。 工業(yè)機器人運動學方程的計算過程需要解多元非線性方程組，數(shù)學上尚無完備的方法求其解析解，機構學研究者采用數(shù)值分析的方法，取得了一系列進展。但是多數(shù)或者算法不穩(wěn)定，或者過分依賴初值，且計算量大，求解速度慢。工業(yè)機器人機構位置正解的神經(jīng)網(wǎng)絡解法也開始進行探討。利用神經(jīng)網(wǎng)絡對于非線性映射的強大的逼近能力，采用 BP 網(wǎng)絡，利用位置逆解結果作為訓練樣本，通過大量樣本的訓練學習，實現(xiàn)機器人從關節(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)機器人運動學正解，避免了求位置正解時公式推導和編程計算等的繁雜性[14]。 運動學

18、方程的建立與求解是一個機器人系統(tǒng)的關鍵技術，一直受到廣泛的關注，但仍然是當今的一個研究熱點，有著一定的發(fā)展空間。 1.3.4 工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃研究的現(xiàn)狀與意義 機器人軌跡規(guī)劃屬于機器人底層規(guī)劃，是在機械手的運動學的基礎上，討論在關節(jié)空間和笛卡爾空間中機器人運動過程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。所謂軌跡是指機械手在運動過程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務的要求，計算出預期的運動軌跡。首先對機器人的任務、運動路徑和軌跡進行描述。例如，用戶給出手部的目標位姿，規(guī)劃所要完成的任務是:確定到該目標的路徑點、持續(xù)時間、運動速度等軌跡參數(shù)，并在計算機的內(nèi)部描述所要

19、求的軌跡，即選擇習慣給定及合理的軟件數(shù)據(jù)結構。最后，對內(nèi)部描述的軌跡，實時計算機器人運動的位移、速度和加 速度，生成運動軌跡。 軌跡規(guī)劃既可在關節(jié)空間也可在直角空間進行，但是所規(guī)劃的軌跡函數(shù)都必須連 續(xù)和平滑，使得操作臂的運動平穩(wěn)。用戶根據(jù)作業(yè)給出的各個路徑點后，路徑規(guī)劃的任務包含: 解變換方程(運動學正解)、進行運動學反解和插值運算等；在關節(jié)空間進行規(guī)劃時，大量工作是對關節(jié)變量的插值運算。因此，對于插值算法的研究是機器人 軌跡規(guī)劃的一個重要方面[15]。 1.4 本文研究的意義及主要內(nèi)容 我們所設計的五自由度工業(yè)機器人，可以為進一步研究工業(yè)機器人的工作原

20、理和工作過程奠定一定的基礎。將其作為《機器人學》 、《機器人技術基礎》及《機電一體化系統(tǒng)設計》課程及機械電子工程專業(yè)等機電結合的綜合教學實驗設備，不僅可以使學生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關課程的專業(yè)知識，而且可以激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣，樹立系統(tǒng)的工程概念，培養(yǎng)其獨立開展科學研究的能力。因此，本機器人的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學及科研有著十分重要的意義。 學習了機器人技術知識，查閱了大量的文獻資料，對國內(nèi)外機器人、主要是工業(yè)機器人的現(xiàn)狀有了比較詳細的了解。在此基礎上，結合本人的設想，和設計工作中需要解決的任務，本文主要研究機器人總體結構進行設計，主要進行以下工作:

21、 本體結構設計，本機器人手臂結構方案確定后要運用AutoCAD和Pro/Engineer軟件把其平面裝配圖及其立體圖做出。 2 機器人本體結構方案的設計 2.1 機器人的工作要求 主要設計參數(shù)如下 自由度數(shù)目：5個 機械機構形式：立式關節(jié)型 作業(yè)半徑：650mm 負荷能力：2kg 重復定位精度：+/-0.5mm 驅(qū)動電機：步進電機 最大重量: 40kg 2.2 機器人機械設計的特點 2.2.1 機器人獨特的結構特點 (1) 關節(jié)型工業(yè)機器人操作機可以簡化成各連桿首尾相接、末端開放的一個開式連桿系。為實現(xiàn)要求的坐標運動，在大多數(shù)工作

22、時間內(nèi)，連桿系末端是無法加以支撐的，因而操作機的結構剛度差，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。 (2) 在組成操作機的開式連桿系中，每根連桿都具有獨立的驅(qū)動器，因而屬于主動連桿系。這和普通的連桿系不同，在普通連桿系中，所有的連桿運動都出自同一驅(qū)動源，各連桿間的運動是互相制約的。由于操作機連桿的運動各自獨立，不同連桿的運動之間沒有依從關系，故而操作機的運動更為靈活。 (3) 連桿驅(qū)動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的變化是非常復雜的，且和執(zhí)行件反饋信號有關。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型，因而對機械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度都有較高的要求。本文所用的三個關節(jié)驅(qū)動是步進電機驅(qū)動，屬

23、于開環(huán)控制型。 (4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。 從以上特點可見，一個好的機器人設計應當使其機械系統(tǒng)的抓重——自重比盡量大，結構的靜動態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機，它的性能是機器人設計追求的目標[16]。 2.2.2 與機器人有關的概念 以下是本文中涉及到的一些與機器人技術有關的概念。 (1) 自由度(Degrees Of Freedom , DOF)：工業(yè)機器人一般都為多關節(jié)的空間機構，其運

24、動副通常有移動副和轉(zhuǎn)動副兩種。相應地，以轉(zhuǎn)動副相連的關節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關節(jié)。以移動副相連的關節(jié)稱為移動關節(jié)。在這些關節(jié)中，單獨驅(qū)動的關節(jié)稱為主動關節(jié)。主動關節(jié)的數(shù)目稱為機器人的自由度。本文設計的機器人是5-DOF機器人。 (2) 工作空間(Work Space)：工作空間是指機器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達空間的位置集合。由于工作空間的形狀和大小反映了機器人工作能力的大小，因而它對于機器人的應用是十分重要的。 (3) 機器人的分類,機器人分類方法有多種。 首先，按機器人控制方法的不同，可分為點位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)：

25、(a) 點位控制型(Point to Point Control)：機器人受控運動方式為自一個點位目標向另一個點位目標移動，只在目標點上完成操作。例如機器人在進行點焊時的軌跡控制。本文的機器人就屬于PTP型。 (b) 連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control)：機器人各關節(jié)同時做受控運動，使機器人末端執(zhí)行器按預期軌跡和速度運動，為此各關節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機的角位移和角速度信號，如機器人進行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。 其次，按機器人的結構分類，可分為四類： (a) 直角坐標型：該型機器人前三個關節(jié)為移動關節(jié)，運動方向垂直

26、，其控制方案與數(shù)控機床類似，各關節(jié)之間沒有耦合，不會產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點是占地面積大、工作空間小。 (b) 圓柱坐標型：該型機器人前三個關節(jié)為兩個移動關節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關節(jié)，以θ, r, z為坐標，位置函數(shù)為P=f (θ, r, z)，其中，r是手臂徑向長度，z是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機器人占用空間小，結構簡單。 (c) 球坐標型：具有兩個轉(zhuǎn)動關節(jié)和一個移動關節(jié)。以θ,φ,y 為坐標，位置函數(shù)為P =f (θ,φ,y)，該型機器人的優(yōu)點是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 (d)關節(jié)坐標型：有垂直關節(jié)型和水平關節(jié)

27、型(SCARA 型)機器人。前三個關節(jié)都是回轉(zhuǎn)關節(jié)，特點是動作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點是剛度和精度較差。本文設計的機器人為關節(jié)坐標型。 第三，按驅(qū)動方式分類可分為：(a) 氣壓驅(qū)動；(b) 液壓驅(qū)動；(c) 電氣驅(qū)動。 電氣驅(qū)動是20世紀90年代后機器人系統(tǒng)應用最多的驅(qū)動方式。它有結構簡單、易于控制、使用方便、運動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點。本文設計的機器人三個關節(jié)均使用電氣驅(qū)動。 第四，按用途分類可分為搬運機器人、噴涂機器人、焊接機器人、裝配機器人、切削加工機器人和特種用途機器人等。 本文的機器人為實驗演示用途的機器人。

28、 2.3 機器人手臂結構方案設計 手臂的總體設計是工業(yè)機器人設計的首要問題，主要有包括總體方案設計和基本技術參數(shù)設計。 2.3.1 方案功能設計與分析 2.3.1.1 機器人手臂自由度的分配和構形 手臂是執(zhí)行機構中的主要運動部件，它用來支承腕關節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運動。為了使手部能達到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機器人手臂自由度少于三個。手臂的結構形式有多種，常用的構形如圖2－1所示。 圖 2-1 幾種多自由度機器人手臂構

29、形 本課題要求機器人手臂能達到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要結構簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機器人具有五個自由度，其中手臂三個自由度，手爪部分二個自由度，由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有大得多的相對空間(手腕可達到的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結構緊湊，同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關節(jié)型機器人的結構。 旋轉(zhuǎn)關節(jié)相對平移關節(jié)來講，操作空間大，結構緊湊，重量輕，關節(jié)易于密封防塵。這里機器人手臂使用了三個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，綜合各種手臂構形，最后確定其結構形式 為圖2－1中的第一種形式，此手

30、臂決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。 關節(jié)型機器人手臂有三個轉(zhuǎn)動關節(jié)，通常腰關節(jié)的轉(zhuǎn)軸是鉛垂的，手臂在水平面內(nèi)可繞腰關節(jié)軸轉(zhuǎn)動，肩關節(jié)和肘關節(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。由三個轉(zhuǎn)動關節(jié)構成的關節(jié)組聯(lián)接在小臂桿的端部，模擬人的手腕，決定末端件的姿態(tài)。在運動學結構上，這類機器人最像人的手臂，因而結構最緊湊，柔性最好，可達空間最大，它甚至可以繞過障礙物到達目標點，因而是機器人中最有前途的一種。但由于三個關節(jié)都是轉(zhuǎn)動的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。另外，位置精度也較差。 2.3.1.2 機器人手臂結構方案的對比分析及選擇

31、 參考國內(nèi)外工業(yè)機器人的典型結構[17]～[ 23]，初步對各個回轉(zhuǎn)關節(jié)的結構單獨分析。 (1) 腰部回轉(zhuǎn)關節(jié) 圖 2-2 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 1 圖 2-3 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 2 方案一：如圖2－2所示，電機安裝在底座下面，其輸出軸經(jīng)諧波減速器減速后，直接帶動第一關節(jié)輸出軸，使整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 方案二：如圖2－3所示，電機安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一對齒輪減速后，由第一關節(jié)輸出軸帶動整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 兩種方案在傳動實現(xiàn)上，都是可行的。均采用了減速比大、體積小、重量輕、精

32、度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安裝方便的諧波減速器。雖然方案二在安裝和維修方面優(yōu)于方案一，但是方案一的傳動結構簡單一點，而且少了一對普通直齒輪，其整體結構并不復雜，電機經(jīng)諧波減速器減速后，速度己經(jīng)較低，噪音問題不突出。故綜合考慮，腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)選擇方案一。 (2) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關節(jié) 圖2--4 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EPL減速器減速后直接帶動來實現(xiàn)的，且結構簡單，通用性強，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有大得多的相對空間(手腕可達到的最大空間體積與機器人

33、本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結構緊湊，同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活,結合本課題的實際條件，因此,大臂、小臂手腕和手爪回轉(zhuǎn)關節(jié)選擇方案是合理的。 3 機器人的結構設計 3.1 整體受力圖 3.2 結構設計計算 3.2.1腕部回轉(zhuǎn)關節(jié)的設計 步進電機的選擇： 腕部旋轉(zhuǎn)由步進電機直接驅(qū)動，設手爪及物體的最大當量回轉(zhuǎn)半徑R=50mm，手爪及物體的總重量m=2.5kg,則其轉(zhuǎn)動慣量 設機器人手部角速度W1從0加速到420/s所需要的時間t=0.4s,則其角加速度 負載啟動慣性矩（不計靜磨擦力矩）。 由于步進電機不具有瞬時過載能力，故取安全系數(shù)為2（不同

34、），則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩。由于必須小于步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩，所以選擇如下二相步進電機： 型號:42HSM02。最大步距角保持轉(zhuǎn)矩為2.4，步矩角1.8，質(zhì)量為0.23kg. 3.2.2 腕部俯仰關節(jié)的設計 3.2.2.1 步進電機的選擇 腕部俯仰是由步進電機通過同步帶機構驅(qū)動的，手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離，腕部當量回轉(zhuǎn)半徑，腕部回轉(zhuǎn)電機到回轉(zhuǎn)中心的距離，則腕部俯仰時其轉(zhuǎn)動慣量式中，——手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量約為2。5kg; ——腕部總質(zhì)量約為0.1kg; ——腕部回轉(zhuǎn)電機的質(zhì)量。 設機器人腕部俯仰角速度從加到所需時間t=0.2s,則腕部俯仰角加速度，

35、 腕部俯仰啟動慣性矩 負載靜轉(zhuǎn)矩（靜磨擦力矩忽略不計）。 由于>>,故慣性矩忽略不計，則腕部俯仰總轉(zhuǎn)矩。 同步帶的傳動效率同步帶的傳動比為1。則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩為 所以，選擇如下四相混合式步進電機： 型號：86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩：步矩角：1.8;質(zhì)量：2。6kg. 3.2.2.2 同步帶和輪的設計 腕部俯仰關節(jié)是通過二級同步帶傳動的，第一級同步帶的軸矩為300mm，第二級為150mm. ⑴求設計功率，由于前面已考慮到了安全系數(shù)，所以，。 ⑵選擇帶的節(jié)矩 從文獻[8]，圖36。1—22可知帶的第一級節(jié)矩代號為L，對應節(jié)矩=9.525mm. 第二級節(jié)矩代號

36、為XL，對應節(jié)矩=5.08mm. ⑶確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 由表面36，1-73知，帶輪最小許用齒數(shù)考慮到制造和安裝等因素，取Z1=12，，兩級傳動比都為1，帶輪的直徑 則帶長L可表示為 由表面化36.1-70選取標準節(jié)線長及其齒數(shù)： 代號285，齒數(shù)為76。 ，帶長代號為210，齒數(shù)為56。 ⑷實際軸間矩 取=305。 取=155。 ⑸嚙合齒數(shù)，則嚙合齒數(shù)。 ⑹帶寬 計算同上，查表得，050。型號為037。 ⑺結論 第一級同步帶類型:節(jié)矩代號為L;寬度型號為050. 代號285，齒數(shù)為76。 帶輪齒數(shù). 軸間矩. 第二

37、級同步帶類型:節(jié)矩代號為XL;寬度型號為050. 代號160，齒數(shù)為80。 帶輪齒數(shù). 軸間矩. 3.2.3 小臂關節(jié)的設計 3.2.3.1 小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)步進電機和減速器的選擇 當小臂與末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時，各部分對回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其代數(shù)和為 選擇減速器如下： 型號為：EPL——040——007。 則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩為。 所以，選擇如下四相混合式步進電機； 型號：86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩：；步矩角；1.8;質(zhì)量：2.6kg. 3.2.3.2 小臂的同步帶的設計計算 小臂的減速器輸出功率為，設小臂的角速度為250/s,則

38、 則，所以 初設軸矩為 ⑴求設計功率，由于前面已考慮到了安全系數(shù)，所以=P=97。4。 ⑵選擇帶的節(jié)矩 從文獻[8]，圖36。1—22可知帶的節(jié)矩代號為XL，對應節(jié)矩=5.08mm. ⑶由文獻[8]圖36，1-22可知：XL型帶，當主動帶輪速度時，帶輪最小許用齒數(shù)Z=10，考慮到制造和安裝等因素，取，，所以大小帶輪的節(jié)圓直徑 則帶長可以表示為 根據(jù)表36。1-66選取標準節(jié)線長及其齒數(shù)Z，得帶長代號180， ⑷實際軸間矩 取a=165mm 嚙合齒數(shù)，則嚙合系數(shù)為。 帶寬 ，由8表功6。1-74可得XL型同步帶的基準寬度為。 為基本額定功

39、率查得=7.1w. 所以， 則取，型號為037 ⑸結論 同步帶類型為XL，型號為037。帶輪Z1=20，Z2=30，d1=32.26,d2=48.535 帶寬bs=9.5,節(jié)線上齒數(shù)：Zb=90,帶長壽457.2.軸間矩取整a=165mm. 3.2.4 大臂回轉(zhuǎn)關節(jié)步進及減速器的選擇 當大臂與小臂，末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時，各部分對回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其代數(shù)和 選擇減速器如下：EPL——064——007 則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩為 所以，選擇如下四相步進電機： 型號：86HS85；額定轉(zhuǎn)矩：；步矩角：。質(zhì)量：3.8kg. 3.2.5 腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)步進電機

40、及減速器的選擇 腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)由步進電機通過減速器來驅(qū)動。當腰部回轉(zhuǎn)體與大臂，小臂，末端執(zhí)行器處于水平狀態(tài)時，各部分對回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量最大，其代數(shù)和為 初步規(guī)定機器人腰部回轉(zhuǎn)角速度從加速到所需要的時間為，則腰部回轉(zhuǎn)角加速度 則腰部回轉(zhuǎn)啟動慣性矩 選擇減速器為EPL——64——016，其傳動效率為85%。 則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩為： 所以，選擇如下四相步進電機： 型號：86HS85；額定轉(zhuǎn)矩：；步矩角：1.8;質(zhì)量3.8kg。 3.2.6 氣爪的選擇 計算夾持力：n個手指的總夾持力產(chǎn)生的摩擦力必須大于夾持工件的重力mg ，考慮到搬運工件的加速度及沖擊力等，必須設定一

41、個安全系數(shù)，故因滿足 既 式中—摩擦系數(shù)，橡膠與鑄鐵的摩擦系數(shù)為，—安全系數(shù)，取=3。 所以，。 所以，選擇平行型氣爪6310系列產(chǎn)品，型號為夾持力為45N，因為45N>F,所以是合格的。 4 總體裝配圖的設計 4.1 三維總裝配圖 4.2 腰部裝配圖設計 經(jīng)過前面的設計計算,主要傳動部件已經(jīng)選擇完畢,下一部該做的就是怎樣把這些主要零部件連接起來,首先設計腰部回轉(zhuǎn)關節(jié), 腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)的輸出軸是由步進電機通過EPL減速器來驅(qū)動的,首先把電機固定在電機連接筒上,電機連接筒在通過內(nèi)六角柱頭螺釘固定在腰筒上,減速器的一端要和電機連接,一端固定在減速器連接筒上,減速

42、器連接筒再通過內(nèi)六角柱頭螺釘固定在電機連接筒上,這樣連接就實現(xiàn)了腰部電機的輸出,由于腰部輸出軸要驅(qū)動整個裝置轉(zhuǎn)動,所以腰部輸出軸上還得通過一個旋轉(zhuǎn)筒連接支撐肋板,這樣腰部的裝配設計就完成了,其三維裝配圖如下: 其平面裝配圖如下: 4.3 三維主要零件圖 其它各部分的設計如上,以下為三維總體裝配的主要零件圖： 連大臂軸 連接減速器板 第二關節(jié)軸 第二關節(jié)連電機筒 第三關節(jié)連接大臂筒 第三關節(jié)連接電機筒 第三關節(jié)一軸 第四關節(jié)連接電機筒

43、 第四關節(jié)支撐大臂軸 第四關節(jié)軸 小臂一軸 小臂 第五關節(jié)連接筒 大臂 小臂二軸 6 總結 經(jīng)過兩個月的艱苦努力，最終完成了我的畢業(yè)設計。在這兩個多月的設計過程中,在高金則老師的指導，同學的幫助和自己的努力下，自己學到了很多的專業(yè)知識，在做畢業(yè)設計之前自己對Pro/ENGINE的操作不是很熟練，而現(xiàn)在能熟練操作Pro/ENGINE的基本指令了，也極大的提高了自己獨查各種機械手冊的能力，從開始設計到最最終完成設計的整個過程，訓練了自己

44、的設計能力，對自己的思維能力也是有極大的提高。雖然取得了一些成績，但在整個設計過程中遇到的問題也是很多的，但是在高金剛老師的細心的指導下以及和同學們相互的探討學習中,很多的問題都已經(jīng)解決了，由于有的問題需要很多的時間去解決，這些問題將是我以后的學習目標，總之，這次畢業(yè)設計的經(jīng)歷將在我以后的工作和學習中將起到很重要的作用，它使我對機器人的工作原理及機械機構有了更加清晰的深入的了解,對大學所學的知識有了更加綜合的復習和應用,提高了研究設計能力。 本畢業(yè)設計根據(jù)五自由度工業(yè)機器人的用途，從機器人本體結構和驅(qū)動方案對比分析入手，初步確定了該機器人的整體結構方案，依據(jù)所確定的方案，分別在AutoCAD

45、和Pro/ENGINEE里繪制出該機器人的總體模型圖。并詳細論述了驅(qū)動電機和傳動裝置的選擇過程。 參考文獻 [1] 劉進長,辛健成.機器人世界[M].鄭州:河南科學技術出版社,2000 [2] 諸靜.機器人與控制技術[M].杭州:浙江大學出版社,1991 [3] 吳廣玉,姜復興.機器人工程導論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1988 [4] McDonald.Robot Technology: Theory, Design and Application[M].Prentic-Hill,1985 [5」 周遠

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52、機械工業(yè)出版社，2007.2 [30] 譚慶昌，趙洪志. 機械設計. 北京：高等教育出版社，2004 [31] 成大先. 機械設計手冊單行本.機械傳動. 北京；化學工業(yè)出版社，2004.1 致 謝 本畢業(yè)設計是在指導教師高金剛老師的悉心指導下完成的。從畢業(yè)設計開始到畢業(yè)完成，高老師淵博的學識、活躍的學術思想、對待研究的嚴謹態(tài)度和無私的奉獻精神都是學生的楷模，高老師平易近人的處世方式也為學生樹立了榜樣，學生所取得的每一點成績和每一次進步，無不凝聚著高老師大量的心血。在畢業(yè)設計完成之際，謹向尊敬的高老師致以崇高的敬意和由衷的感謝

53、。 其次，感謝機械工程學院各位老師和同學提供的各方面幫助。 也感謝我的家人。他們的支持和理解是我完成學業(yè)的前提和動力。沒有他們的支持我不可能順利完成我的學業(yè)。 再次，向所有給予我關心和幫助的老師、同學和親友致以深深的謝意和美好的祝福。 附錄一：步進電機 附錄二：艾斯勒EPL-H系列 艾斯勒 EPL-H系列減速機 EPL-H系列減速機，相關尺寸取決于所安裝的電機 產(chǎn)品介紹： 【相關資料下載】 產(chǎn)品型號說明： 外形尺寸： 參數(shù)指標： 相關尺寸取決于所安裝的電機 產(chǎn)品介紹： 【相關資料下載】 產(chǎn)品型號說明： 外形尺寸： 參數(shù)指標： 39