吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計說明書 題目名稱： 垂直多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人 學(xué)生姓名： 王光輝 院 系： 工程技術(shù)學(xué)院 專業(yè)年級： 2006級機械 指導(dǎo)教師： 謝哲東 職 稱： 講師 2010 年 5 月 20 日目 錄題目···········································································································································摘要及關(guān)鍵詞···························································································································1前言········································································································································11.1 機器人的發(fā)展概況···········································································································11.2 中國研制機器人情況·······································································································31.3 機器人產(chǎn)業(yè)·······················································································································31.4 機器人的發(fā)展趨勢···········································································································42 設(shè)計任務(wù)書···························································································································52.1 設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容與要求···················································································52.2 設(shè)計（論文）的主要技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)的技術(shù)參數(shù)·······················································53 總體方案設(shè)計·······················································································································63.1 機器人系統(tǒng)工程概述·······································································································63.2 工業(yè)機器人總體設(shè)計中總體方案的論證·······································································73.3 機器人機械傳動原理·······································································································84 機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算·······························································································104.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點···············································································································104.2 機械結(jié)構(gòu)的部分計算·······································································································125 畢業(yè)設(shè)計總結(jié)·······················································································································23參考文獻···································································································································23致謝···········································································································································24附錄···········································································································································25垂直多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人 姓 名：王光輝 專 業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師：謝哲東摘 要：機器人既有人對環(huán)境的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。如今，機器人工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。關(guān)鍵詞：機器人；工業(yè)；傳動；強度Vertical multi-joint type industrial robotName：wangguanghuiMajor：Machanical Design&Manufacturing AutomationTutor：xiezhedongAbstract: Robot people on the environment both rapid reaction and analytical skills, but also the machine can continue to work long hours，High accuracy, ability to resist bad environmental，In a sense it is a product of the evolution of the machine，It is the industrial and non-industrial sector, an important production and service equipment，Advanced manufacturing technology is indispensable automation equipment。Today, the robot industry has become the industry closely watched around the world.Keywords: Robot; industry; transmission; strength1 前 言1.1 機器人的發(fā)展概況第一代遙控機械手1948年誕生于美國的阿貢實驗室，當(dāng)時用來對放射性材料進行遠(yuǎn)距離操作，以保護原子能工作者免受放射線照射。第一臺工業(yè)機器人誕生于1956年，是英格爾博格(J.Engelbrger)將控制技術(shù)與機械臂相結(jié)合的產(chǎn)物。當(dāng)時，主要是為了克服串聯(lián)機構(gòu)累積的系統(tǒng)誤差，以便達到較高的空間定位精度，提出了示教再現(xiàn)的編程方式，從而使重復(fù)定位精度差不多比絕對定位精度提高了一個數(shù)量級。至今絕大部分使用中的工業(yè)機器人仍采用這種編程方式。第一臺工業(yè)機器人的商用產(chǎn)品誕生于1962年，當(dāng)時，其作業(yè)僅限于上、下料。爾后的發(fā)展比預(yù)想中的要慢。20世紀(jì)60年代，美、英等國很多學(xué)者，把機器人作為人智能的載體，來研究如何使機器人具有環(huán)境識別、問題求解以及規(guī)劃能力，祈望使機器人具有類似人的高度自治功能，結(jié)果是始終停留在實驗室階段。其中美國著名的斯坦福研究所的眼車計劃，雖然形式上實現(xiàn)了心理學(xué)中典型的猴子和香蕉問題的求解，然而由于距離解決實際中的復(fù)雜問題太遠(yuǎn)，因而得不到進一步的支持，只好于1972年中止。20世紀(jì)60年代末至70年代中，世界上很多著名的實驗室、大學(xué)和研究所，如英國的愛丁堡大學(xué)人工智能實驗室，英國的斯坦福大學(xué)、斯坦福研究所、麻省理工學(xué)院，以及日本的日立中央研究所等，都在致力了機器人裝配作業(yè)的研究，單純從技術(shù)出發(fā)模仿人進行的作業(yè)，或?qū)崿F(xiàn)看圖裝配，或自動裝配順序生成等。由于當(dāng)時的工業(yè)水平還沒有發(fā)展到相應(yīng)的階段，無法解決所遇到的技術(shù)難題，另一方面因耗費巨大而無法得到應(yīng)用部門的支持。至20世紀(jì)70年代中，由于所訂目標(biāo)過高，除了局部單元技術(shù)方面取得不少有意義的成果外，整體上說大部分研究沒有取得有意義的實際結(jié)果2。1968年，日本川崎重工引進美國Unimation公司的Unimate機器人制造技術(shù)，開始了日本機器人的時代，經(jīng)過近十年的努力，開發(fā)了點焊、弧焊及各種上、下料作業(yè)的簡易經(jīng)濟型機器人。成功地把機器人應(yīng)用到汽車工業(yè)、鑄塑工業(yè)、機械制造業(yè)，從而大大地提高了制成品的一致性及質(zhì)量，形成了一定規(guī)模的機器人產(chǎn)業(yè)。20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了更多的機器人商品，并在工業(yè)發(fā)達國家的工業(yè)生產(chǎn)中逐步推廣應(yīng)用。1979年公司Unimation推出了PUMA系列工業(yè)機器人，它的關(guān)節(jié)由電動機驅(qū)動，可配置視覺、觸覺、力覺傳感器，是技術(shù)較為先進的機器人。到1980年，全世界有2萬余臺機器人在工業(yè)中應(yīng)用。20世紀(jì)80年代工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展，但是所開發(fā)的四大類型機器人（點焊、弧焊、噴涂、上下料）主要用于汽車工業(yè)。工業(yè)化國家的機器人產(chǎn)值，以年均2040的增長率上升。1984年全世界機器人使用總臺數(shù)為8萬臺，到1985年底，己達14萬臺，到1990年已有30萬臺左右，其中高性能的機器人所占比例不斷增加，特別是各種裝配機器人的產(chǎn)量增加較快，和機器人配套使用的機器視覺技術(shù)和裝備也得到迅速發(fā)展。1985年前后，F(xiàn)ANUC和GWF公司又先后推出了交流伺服驅(qū)動的工業(yè)機器人產(chǎn)品。隨著以提高質(zhì)量為目的的裝配機器人及柔性裝配線的開發(fā)成功，1989年機器人產(chǎn)業(yè)首先在日本，之后在各主要工業(yè)國呈發(fā)展趨勢。進人20世紀(jì)90年代后，裝配機器人及柔性裝配技術(shù)將進入大發(fā)展時期。日本一直擁有全世界機器人總數(shù)的60左右。到1998年，美國擁有機器人8萬臺，德國為7萬多臺，分別占世界機器人總數(shù)的15和13左右。到2000年，服役的機器人總數(shù)約100萬臺。機器人大都工作于結(jié)構(gòu)性環(huán)境中，即工作任務(wù)、完成工作的步驟、工件存放的位置、工作對象等都是事先已知的，而且定位精度也是完全確定的，所以機器人完全可以按事先示教編好的程序重復(fù)不斷地工作。當(dāng)自動化進一步向建筑、采掘、運輸?shù)刃袠I(yè)擴展時，其環(huán)境則是非結(jié)構(gòu)化的，不能事先確定，或至少不能完全確定，總?cè)蝿?wù)雖可事先確定，但如何去完成，要根據(jù)當(dāng)時的實際情況來確定與制訂。因此，研究具有感知、思維，能在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中自主式工作的機器人就成了機器人學(xué)研究的長遠(yuǎn)目標(biāo)。實踐證明，要達到這一目標(biāo)，還需經(jīng)過長時期的努力，等待此重要技術(shù)有所突破，特別是機器視覺、環(huán)境建模、問題求解、規(guī)劃等智能問題上。因此，20世紀(jì)80年代末，各國把發(fā)展的目標(biāo)調(diào)整到更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上來，即把以多傳感器為基礎(chǔ)的計算機輔助遙控加上局部自治作為發(fā)展非結(jié)構(gòu)環(huán)境機器人的主要方向，而把智能自治式機器人作為一個更長遠(yuǎn)的科學(xué)問題去探索。另外一個值得注意的方向是傳統(tǒng)機械的機器人化。日前，數(shù)控機床、工程機械、采掘機械等已開始向這一方向發(fā)展，進一步的發(fā)展將會帶來這些機械本身的革命。 綜上所述，機器人的發(fā)展已不局限于機器人本身，而將作為新一代整個機器的發(fā)展方向。1.2 中國研制機器人情況我國研究機器人的起步時間，其實并不比國外晚很多，大概在20世紀(jì)70年代前，當(dāng)時，北京自動化研究所和沈陽自動化研究所相繼開展了機器人技術(shù)的研究工作，但是由于種種原因，機器人技術(shù)研究及應(yīng)用推廣在我國十分緩慢。直到90年代初，也就研制了150臺左右，而且大部分是作為演示用的，不能在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮作。這些機器人也是以示教型第一代機器人為主，這與當(dāng)時世界25萬臺的機器人總量相比，差距很大。造成這種現(xiàn)象的原因很多，其中與我國在機器人領(lǐng)域的研究隊伍較小，機器人技術(shù)教學(xué)工作薄弱不無關(guān)系。從90年代開始，情況已經(jīng)有所好轉(zhuǎn)。早期的“863”計劃已經(jīng)把機器人技術(shù)作為重要的攻關(guān)內(nèi)容，國家科委和國家自然科學(xué)基金委員會也都相繼資助了一批有關(guān)機器人的研究項目。在高等學(xué)校中，也陸續(xù)開展了機器人的教學(xué)課程和機器人技術(shù)的研究工作。到目前為止，我國在機器人的技術(shù)研究方面已經(jīng)相繼取得了一些重要成果，在某些技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)接近國際前沿水平，比如，我國自行研制的水下機器人，在無纜的情況下可潛到水下6000米，而且具有自主功能，這一技術(shù)達到了國際先進水平。但是從總體上看，我國在智能機器人方面的研究可以說還是剛剛起步，機器人傳感技術(shù)和機器人專用控制系統(tǒng)等方面的研究還比較薄弱。另外，在機器人的應(yīng)用方面我國就顯得更為落后，國內(nèi)自行研制的機器人當(dāng)中，能真正應(yīng)用于生產(chǎn)部門并具有較高可靠性與良好工作性能的并不多。（在這方面，北京自動化研究所研制的PJ型噴漆機器人可以說是國內(nèi)值得驕傲的一種機器人，其性能指標(biāo)已經(jīng)與國際同類水平相當(dāng)，而且在生產(chǎn)線上也經(jīng)過了長期檢驗，受到了用戶的好評，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。）截止到1997年，我國自行研制的機器人大約有了350臺，其中半數(shù)以上是用以演示或科研，真正在產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用的大約只有100臺。加上進口的機器人，我國目前的機器人數(shù)量大約為1100臺。值得一提的是，最近幾年，我國在汽車、電子行業(yè)相繼引進了不少生產(chǎn)線，其中就有不少配套的機器人裝置。另外，國內(nèi)的一些大專院校和科研單位也購買了一些國外的機器人，這些“洋機器人”的引入，也為我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究工作提供了許多借鑒。1.3 機器人產(chǎn)業(yè)機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。工業(yè)機器人是典型的機電一體化高科技產(chǎn)品，自從20世紀(jì)50年代美國制造第一臺機器人以來，機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，它對于提高生產(chǎn)自動化水平、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動條件等方面的作用日益顯著。工業(yè)機器人代替人力勞動是必然的趨勢，和計算機技術(shù)一樣，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用，正在日益改變著人類的生活方式。機器人工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。在制造業(yè)領(lǐng)域，機器人的開發(fā)集中在執(zhí)行制造過程的工程機器人手臂上。在航天工業(yè)中，機器人技術(shù)集中在高度專業(yè)的一種行星漫步者上。不同于一臺高度自動化的制造業(yè)設(shè)備，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作沒有無線電通訊科恩能夠碰到以外的情況。至少，一個行星漫步者必須具備某種傳感輸入源、某種解釋該輸入的方法和修改它的行動以響應(yīng)改變著的世界的方法。此外，對感知和適應(yīng)一個部分未知的環(huán)境的需求需要智能（換句話說就是人工智能）。1.3.1 工業(yè)機器人市場前景看好從20世紀(jì)下半葉起，世界機器人工業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭，進入90年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10%左右。據(jù)聯(lián)合國頒布的最新調(diào)查顯示，2000年世界機器人工業(yè)增長率達到15%左右，一年增加了近10萬臺機器人，使世界機器人總擁有量達到75萬臺以上，世界機器人市場呈現(xiàn)出日益興旺的大好態(tài)勢，目前為止，工作在世界各領(lǐng)域的工業(yè)機器人將突破百萬臺。1.3.2 發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的意義隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展和經(jīng)濟全球化，國內(nèi)外的市場競爭將日趨激烈，企業(yè)必須走工業(yè)全面自動化的道路。機器人的出現(xiàn)，正是順應(yīng)了工業(yè)自動化新階段柔性化的社會需要，是社會經(jīng)濟發(fā)達的必然產(chǎn)物。機器人的產(chǎn)業(yè)化及其廣泛應(yīng)用，必將為社會帶來巨大的經(jīng)濟效益，把人類從繁重的體力勞動和有害環(huán)境中解放出來。應(yīng)用機器人可對提高社會生產(chǎn)如下的積極影響：(1)可以極大地提高勞動生產(chǎn)率(2)可以實現(xiàn)勞動作業(yè)省力化(3)可以提高企業(yè)的市場競爭力(4)可以擴大就業(yè)機會，提高技術(shù)創(chuàng)新能力1.4 機器人的發(fā)展趨勢工業(yè)機器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用，引起了世界各國和社會各層人士的廣泛興趣。在新的世紀(jì)，機器人工業(yè)必將得到更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。從近年世界機器人推出的產(chǎn)品看，未來工業(yè)機器人具有如下的發(fā)展趨勢：(1) 高級智能化 未來機器人與今天的相比最突出的特點在于其具有更高的智能。隨著計算機技術(shù)、模糊控制技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能工程技術(shù)等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，必將大大提高工業(yè)機器人學(xué)習(xí)知識和運用知識解決問題的能力，并具有視覺、力覺、感覺等功能，能感知環(huán)境的變化，做出相應(yīng)反應(yīng)，又很高的自適應(yīng)能力，幾乎能象人一樣去干更多的工作。(2) 結(jié)構(gòu)一體化工業(yè)機器人的本體采用桿臂結(jié)構(gòu)或細(xì)長臂軸向式腕關(guān)節(jié)，并與關(guān)節(jié)機構(gòu)、電動機、減速器、編碼器等有機結(jié)合，全部電、管、線、不外露，形成十分完整的防塵、防漏、防爆、防水全封閉的一體化結(jié)構(gòu)。(3) 應(yīng)用廣泛化在21世紀(jì)，機器人不再局限于工業(yè)生產(chǎn)，而是向服務(wù)領(lǐng)域擴展。社會的各個領(lǐng)域都可由機器人在工作，從而使人類進入機器人時代。根據(jù)專家預(yù)測，用于家庭的“個人機器人”必將在21世紀(jì)得到推廣和普及，人類生活將變得更加美好舒適，模仿生物從事生物特點動作的仿生機器人將倍受社會青睞，警備和軍事用機器人也將在保衛(wèi)國家安全方面發(fā)揮重用的作用。(4) 產(chǎn)品微型化微機械電子技術(shù)和精密加工技術(shù)的發(fā)展為機器人微型化創(chuàng)造了條件，以功能材料、智能材料為基礎(chǔ)的微驅(qū)動器、微移動機構(gòu)以及高度自治的控制系統(tǒng)的開發(fā)使微型化成為可能。微型機器人可以代替人進入人本身不能到達的領(lǐng)域工作，幫助人類進行微觀領(lǐng)域的研究：幫助醫(yī)生對病人進行微循環(huán)系統(tǒng)的手術(shù)，使之可注入血管清理血液，清除病灶和癌變，尺寸極微小的納米機器人將不再是夢想。(5) 組件、構(gòu)件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化機器人是一種高科技產(chǎn)品，其制造、使用維護成本比較高，操作機和控制器采用通用元器件，讓機器人組件、構(gòu)件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化是降低成本的重要途徑之一。大力制訂和推廣“三化”，將使機器人產(chǎn)品更能適應(yīng)國際市場價格競爭的環(huán)境。(6) 高精度、高可靠性隨著人類對產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，對從事制造業(yè)或服務(wù)業(yè)的機器人的要求也相應(yīng)提高，開發(fā)高精度、高可靠性機器人是必然的發(fā)展結(jié)果。采用最新交流伺服電動機或DD電動機直接驅(qū)動，以進一步改善機器人的動態(tài)特性，提高性：采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動單元和主機采用32位以上CPU控制，不僅可使機器人精度大為提高，也可以提高插補運算和坐標(biāo)變換的速度。機器人工業(yè)是一個正在高速崛起的產(chǎn)業(yè)，隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展和日臻完善，它必將在人類社會發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。2 設(shè)計任務(wù)書2.1 設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容與要求 2.1.1 論文內(nèi)容工業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計包括機械系統(tǒng)的設(shè)計、電力驅(qū)動設(shè)計、控制系統(tǒng)的設(shè)計。為配合機電一體化專業(yè)的需要，本次畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容是對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計，該機電控制系統(tǒng)是以MCS51系列單片機為核心的控制系統(tǒng)，由于單片機在工業(yè)控制方面具有獨特的特點，所以該工業(yè)機器人采用單片機控制必定會得到最優(yōu)的控制。 2.1.2 設(shè)計要求(1) 擬定（或評述）整體方案，特別是傳感，控制方式與機械本題的有機結(jié)合的設(shè)計方案。 (2) 根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部，腕部，臂部和機身的結(jié)構(gòu)。(3) 部分的設(shè)計計算(4) 工業(yè)機器人工作裝配圖的設(shè)計與繪制。(5) 編寫設(shè)計說明書。(6) 設(shè)計要有現(xiàn)實意義，具有實用價值。2.2 設(shè)計（論文）的主要技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)的技術(shù)參數(shù)2.2.1 技術(shù)指標(biāo)(1) 抓重：額定抓取重量或稱額定負(fù)荷，單位為kg。(2) 自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式：整機、手臂和手腕等運動共有幾個自由度，并說明坐標(biāo)形式。(3) 定位方式：固定機械擋塊、可調(diào)機械擋塊、行程開關(guān)，電位器及其各種位置設(shè)定和檢測裝置；各個自由度所設(shè)定的位置數(shù)目或位置信息容量;點位控制或連續(xù)軌跡控制。(4) 驅(qū)動方式：氣動、液動、電動和機械傳動。(5) 手臂運動參數(shù)：當(dāng)手臂的運動速度很高時，手臂在起動和制動過程中會產(chǎn)生很大的沖擊和振動，這會影響手臂的定位精度。因此，手臂運動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時間的長短、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。常用的最大直線運行速度在1000m/s以下。最大回轉(zhuǎn)運行速度一般不超過，一般應(yīng)用的直線速度常在 ，回轉(zhuǎn)速度在左右。(6) 夾持范圍（mm）和握力（即夾緊力）（N）。(7) 定位精度：位置設(shè)定精度及重復(fù)定位精度（）。8(8) 電路控制方法及程序容量。2.2.2 重要設(shè)計參數(shù)表 設(shè)計參數(shù)TableDesign parameters項目 技術(shù)參數(shù) 結(jié)構(gòu)形式 關(guān)節(jié)式自由度數(shù) 6最大速度1.25m/s持重量1kg驅(qū)動方式直流伺服電機重復(fù)定位精度±0.05mm重量機械本體13.2kg控制柜36.33kg如表21為本次設(shè)計的重要參數(shù)1。3 總體方案設(shè)計3.1 機器人系統(tǒng)工程概述機器人工程是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、機械設(shè)計、氣動液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中的知識有效地組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術(shù)稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以機器人設(shè)計為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個系統(tǒng)來研究、開發(fā)和運用，從機器人的整體出發(fā)來研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系的一種綜合性的設(shè)計方法。從系統(tǒng)功能的觀點來看，將一部復(fù)雜的機器看成是一個系統(tǒng)，它由若干個子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機地聯(lián)系在一起，是一個不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個整體的特定功能。因此，在設(shè)計一部較復(fù)雜的機器時，從機器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性：（1） 整體性 由若干個不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個總的機械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個整體的特定功能。（2） 相關(guān)性 系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機聯(lián)系、有機作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。（3） 目的性 每個系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。（4） 環(huán)境適應(yīng)性 任何一個系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。因此，在進行機器人設(shè)計時，不僅要重視組成機器人系統(tǒng)的各個部件、零件的設(shè)計，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點，根據(jù)機器人的功能要求，將組成機器人系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計出性能優(yōu)良適于工作需要的機器人產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機器人系統(tǒng)中大致包括如下:操作機，它是完成機器人工作任務(wù)的主體，包括機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動機構(gòu)等。驅(qū)動系統(tǒng)，它包括作為動力源的驅(qū)動器，驅(qū)動單元，伺服驅(qū)動系統(tǒng)由各種傳動零、部件組成的傳動系統(tǒng)。控制系統(tǒng)，它主要包括具有運算、存儲功能的電子控制裝置（計算機或其他可編程編輯控制裝置），人機接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備。14工業(yè)機器人的特點在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)機器人能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)機器人等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機器人技術(shù)綜合體地工業(yè)機器人系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機器人系統(tǒng)亦是如此。3.2 工業(yè)機器人總體設(shè)計中總體方案的論證（一） 確定負(fù)載目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中，負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N以下，最大可達9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計給的設(shè)計參數(shù)可初估本次設(shè)計屬于小負(fù)載。7（二） 驅(qū)動方式由于伺服電機具有控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運動控制要求嚴(yán)格的中、小型機器人等特點，故本次設(shè)計采用了伺服電機驅(qū)動（三）傳動系統(tǒng)設(shè)計機器人傳動裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量和體積小，在傳動鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機器人的運動和位置控制精度。在機器人中常采用的機械傳動機構(gòu)有齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動和鋼帶傳動等，由于齒輪傳動具有效率高，傳動比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實，故本次設(shè)計選用齒輪傳動。（四）工作范圍工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中操作范圍和運動軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇（五） 運動速度機器人操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作的運動速度，用m/s或（°）/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應(yīng)試做各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動和控制方式、定位方式和精度等要求。3.3 機器人機械傳動原理本課題設(shè)計的是一種小經(jīng)濟型裝配機器人。該機器人為平面多關(guān)節(jié)型，具有六個自由度。采用伺服電機驅(qū)動，因此控制簡單，編程操作方便。機身采用薄壁整體鑄件，這樣可以使結(jié)構(gòu)輕巧，使用靈活。內(nèi)部鑄件既作為內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支撐座，又作為承力骨架，這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體減少質(zhì)量5。為了保證較高的傳動精度和較好的加工工藝性，其傳動均采用齒輪傳動。其中基座與立柱部分安裝有關(guān)節(jié)1的電機，其傳動部分采用雙級直齒傳動；大臂部分安裝關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3的電機，采用三級齒輪傳動。其中第一級采用錐齒輪，以改變傳動方向90。第二、三級均采用圓柱直齒輪進行減速。關(guān)節(jié)2傳動的最末一個大齒輪固定在立柱上，關(guān)節(jié)3傳動的最末一個大齒輪固定在小臂上。其設(shè)計部分的傳動原理如圖3所示。131-關(guān)節(jié)1電機；2-大臂；3-小臂；4-基座；5-關(guān)節(jié)2電機；6-關(guān)節(jié)3電機；7-關(guān)節(jié)4電機；8-關(guān)節(jié)5電機圖3 部分傳動原理Figure 3 Part of the driving principle4 機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點(1)為了保證較高的傳動精度，其各對齒輪都設(shè)計有消除齒輪間隙的調(diào)整機構(gòu)。選擇偏心套筒，結(jié)構(gòu)形式如圖4.1所示。 其調(diào)整方法為：首先松開鎖緊螺母，將專用扳手插入調(diào)整孔轉(zhuǎn)動偏心襯套 ，以調(diào)整齒輪嚙合的偏心距，消除傳動間隙，最后擰緊鎖緊螺母。1-軸承；2-偏心套；3-調(diào)整孔；4機體；5-鎖緊螺母；6-圓錐齒輪；7-聯(lián)軸器圖4 間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)Figure 4Gap Restructuring圖4.2 彈性萬向聯(lián)軸器Figure 42 Flexible universal coupling(2)在轉(zhuǎn)軸的連接上，采用了一種結(jié)構(gòu)新穎，工藝簡單的彈性萬向聯(lián)軸器，如圖4.2。這種聯(lián)軸器由金屬整體加工而成。其兩端為夾緊軸的結(jié)構(gòu)，有兩個螺釘，一個用來頂緊軸，防止軸相對轉(zhuǎn)動；一個用來鎖緊，防止軸的軸向松動。聯(lián)軸器中段為刻有螺旋槽的彈簧式結(jié)構(gòu)，使其在軸向、周向都有較大的柔性，以致能朝任意方向彎曲。能補償兩軸不同軸的偏斜以及軸向長度偏差。此外它還能起到緩和沖擊、衰減振動的作用。1-彈簧；2-支柱；3-螺母；4-錐形快；5-軸；6-活動壓塊；7-定位快；8-電磁閥；9-電機支撐件；10-電動機圖 43 電磁制動閥工作原理圖Figure 43 Operating principle of electromagnetic brake(3)為了保證手臂操作過程中安全可靠，在關(guān)節(jié)1、2、3電機軸上各裝有一個電磁制動閥。當(dāng)手臂切斷電源時，關(guān)節(jié)1、2、3產(chǎn)生制動，使手臂保持原有姿態(tài)，電磁制動閥原理如下圖所示。當(dāng)手臂電源被切斷時，彈簧1把活動壓塊緊壓錐形塊4 ，而錐形塊4與軸5是固連的。由于摩擦，軸5被鎖住。當(dāng)手臂電源接通時，電磁鐵8通電產(chǎn)生磁力，把活動壓塊6吸向電磁鐵，即與錐形快4脫開，于是軸5便能自由轉(zhuǎn)動。由于手腕重量和尺寸都非常小，故其關(guān)節(jié)4、5、6上沒有設(shè)置這種制動閥。(4)機體結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。1) 大、小臂均采用薄臂與整體骨架構(gòu)成的結(jié)構(gòu)形式，有利于提高剛度，減輕重量。內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支撐座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體重量減輕。手臂外臂與鑄件骨架采用鉸接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了重量。2)軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處，軸承外環(huán)采用端面打沖定位的方法。3)采用薄臂軸承與滑動稱套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕重量4)有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，這增加了傳遞剛度。5)大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機與臂的外臂僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，重量減輕。(5)由于是垂直多關(guān)節(jié)型的結(jié)構(gòu)，機器人的工作范圍大適應(yīng)性廣，加之其手腕活動角度大，因此它工作時位置的適應(yīng)性很強。(6)重復(fù)定位精度高。這是由于在結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動，調(diào)整齒輪間隙結(jié)構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，并且加工精密，多用整體鑄件的結(jié)果。4.2 機械結(jié)構(gòu)的部分計算4.2.1 大臂的設(shè)計計算9由于系統(tǒng)的整體性能主要取決于機座及大臂部分的驅(qū)動及傳動能力，因此必須對其進行詳細(xì)的設(shè)計計算。下面是大臂傳動部分的設(shè)計計算。一 選擇電動機由大臂及機器人的大概尺寸和本體質(zhì)量，初步估計大臂質(zhì)量，質(zhì)心離轉(zhuǎn)動軸距離L為，故大臂轉(zhuǎn)動的阻力矩，大臂的轉(zhuǎn)動速度初步設(shè)定為，為聯(lián)軸器的傳動效率, 為一對圓柱齒輪的傳動效率, 為一對滾動軸承的傳動效率, 為一對錐齒輪的傳動效率, 為關(guān)節(jié)2的總傳動效率故初步選定電動機滿載轉(zhuǎn)速,滿載轉(zhuǎn)矩。二 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比1 傳動裝置總傳動比 2 分配傳動裝置的傳動比 為關(guān)節(jié)2中錐齒輪的傳動比,為關(guān)節(jié)2中第一對圓柱齒輪的傳動比, 為關(guān) 節(jié)2中第二對圓柱齒輪的傳動比.為使錐齒輪外廓尺寸不致過大 取傳動比,分配,所以三 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)1各軸轉(zhuǎn)速I 軸 II 軸 III 軸 大臂輸出轉(zhuǎn)速 2 各軸功率 I 軸 II 軸 III 軸 3 各軸轉(zhuǎn)矩 電動機軸 I 軸 II 軸 III 軸 四 傳動零件設(shè)計計算（一） 錐齒輪強度設(shè)計1 選擇齒輪材料、熱處理 由于閉式齒輪傳動、傳遞功率不大，所以選用軟齒面齒輪，齒輪材料45鋼。小齒輪調(diào)質(zhì)，齒面硬度230-240HBS，大齒輪正火，齒面硬度190-200HBS。2 選擇齒輪精度等級、齒數(shù)、齒寬系數(shù) 選取 錐齒輪推薦齒寬系數(shù)，因齒輪懸臂布置，取3 確定相關(guān)系數(shù)當(dāng)量齒數(shù) 當(dāng)量齒輪端面重合度 4 按齒面接觸強度設(shè)計 對閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按接觸強度設(shè)計，校核齒根彎曲強度。確定式中各項數(shù)值：； 因載荷平穩(wěn)，可初選載荷系數(shù)；（注：以下圖表均是參考學(xué)校教材機械設(shè)計6）由表10-6，查得； 對的直齒錐齒輪，；由式10-13，由圖10-19，按允許一定點蝕，查得，；由圖10-20d,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當(dāng)延長MQ和ML線）查取，同理，在圖10-20C中查取；選?。蝗≡O(shè)計齒輪傳動參數(shù)。將確定出的各項數(shù)值代入接觸強度設(shè)計式中，得 由表102，查得；由圖108，查得；由圖1013，查得；由表103，查得；則；由式1010a，選取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。5 校核齒根彎曲疲勞強度由表105查得 ； 由圖1019，查得， 由圖1020c，按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線(適當(dāng)延長)上查得；同理，在圖1020b上，查得； 選取； 將確定出得各項數(shù)值代入彎曲強度校核公式，得齒根彎曲疲勞強度足夠。6 確定錐齒輪傳動主要幾何參數(shù)4 取齒寬 （二） 直齒圓柱齒輪強度設(shè)計（II軸）1 選擇齒輪材料 熱處理 精度等級因是一般用途的齒輪傳動,齒輪材料可選用45鋼,傳遞功率不大,且結(jié)構(gòu)尺寸無嚴(yán)格要求,可選用軟齒面齒輪傳動,參考表10-1,選小齒輪調(diào)質(zhì),齒面硬度230-240HBS,大齒輪正火,齒面硬度190-200HBS,精度為7級2 選取齒輪齒數(shù)閉式軟齒面齒輪傳動,可以多選些,初選取,傳動比3 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計對閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按接觸強度設(shè)計，校核齒根彎曲強度。確定式中各項數(shù)值:因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù);由表10-7,選取;由表10-6,查得;對的直齒圓柱齒輪，；由式10-13,由圖10-19，按允許一定點蝕，查得，；由圖9-16d,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當(dāng)延長MQ和ML線）查取，同理，在圖9-16C中查??；選??；取設(shè)計齒輪參數(shù)。由表10-2，查得；由圖10-8，查得；由圖10-13，查得；由表10-3，查得；則；由式10-10a， 選取齒輪主要幾何尺寸：取中心距，則 取，。4 校核齒根彎曲疲勞強度 由表10-5，按 查得 由圖10-19，查得 ； 由圖1020c，按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線(適當(dāng)延長)上查得；同理，在圖1020b上，查得； 選取；將確定出的各項數(shù)值代入彎曲強度校核公式，得齒根彎曲疲勞強度足夠。（三） 直齒圓柱齒輪強度設(shè)計（III軸）1 選擇齒輪材料 熱處理 精度等級因是一般用途的齒輪傳動,齒輪材料可選用45鋼,傳遞功率不大,且結(jié)構(gòu)尺寸無嚴(yán)格要求,可選用軟齒面齒輪傳動,參考表10-1,選小齒輪調(diào)質(zhì),齒面硬度230-240HBS,大齒輪正火,齒面硬度190-200HBS,精度為7級2 選取齒輪齒數(shù)閉式軟齒面齒輪傳動,初選取,傳動比3 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計對閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按接觸強度設(shè)計，校核齒根彎曲強度。確定式中各項數(shù)值:因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù);由表10-7,選取;由表10-6,查得;對的直齒圓柱齒輪，；由式10-13,由圖10-19，按允許一定點蝕，查得，；由圖9-16d,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當(dāng)延長MQ和ML線）查取，同理，在圖9-16C中查取；選取；取設(shè)計齒輪參數(shù)。由表10-2，查得；由圖10-8，查得；由圖10-13，查得；由表10-3，查得；則；由式10-10a， 選取。齒輪主要幾何尺寸：則 取，。4 校核齒根彎曲疲勞強度 由表10-5按 查得 由圖10-19，查得 ；由圖1020c，按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線(適當(dāng)延長)上查得；同理，在圖1020b上，查得； 選?。?將確定出的各項數(shù)值代入彎曲強度校核公式，得齒根彎曲疲勞強度足夠。4.2.2 手部相關(guān)計算12手部選取滑槽杠桿式手部機構(gòu)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見手部機結(jié)構(gòu)總成圖，手指采用最常用的兩指式鉗爪式，查工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)（天津科學(xué)技術(shù)出版社），得手指水平位置夾垂直放置的工件的握力公式： 其中 摩擦系數(shù) 鋼對鋼 重力所以同理由工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)得驅(qū)動力公式其中 （均由手部總成圖得）所以而由工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)得實際驅(qū)動力手部的機械效率，一般取（0.850.95）安全系數(shù)，一般?。?.22.0）工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估計，其中為被抓取工件運動時的最大加速度，為重力加速度。若取，取1.4，則所以5 總結(jié)經(jīng)過一段時間的努力，達到了本課題研究的預(yù)期目標(biāo)，現(xiàn)總結(jié)如下:1 本課題提出了垂直多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的設(shè)計方案，解決了工業(yè)方面的許多問題；2 根據(jù)工業(yè)機器人的運動方式，設(shè)計了工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)；3 根據(jù)工業(yè)機器人的負(fù)載，進行大臂的傳動設(shè)計；4 選用適當(dāng)?shù)某叽邕M行多大臂中各齒輪多校核；5 編寫了數(shù)控程序，用于工業(yè)機器人的自動控制；6 本工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)先進可靠，運行平穩(wěn)，運行控制穩(wěn)定可靠；7 本課題是專門設(shè)計工業(yè)機器人大臂傳動及其齒輪校核，其傳動系統(tǒng)稍做改進即可滿足需求。參考文獻1 楊永才.機械設(shè)計新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊M.北京：科學(xué)技術(shù)出版社.1993：56582 龔振邦.機器人機械設(shè)計M.北京：電子工業(yè)出版社.1995：97983 唐可洪.機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)M.北京：機械工業(yè)出版社.1997：50524 譚慶昌.機械設(shè)計M.吉林：科學(xué)技術(shù)出版社.2000：1501565 鄧星鐘.機電傳動控制M. 湖南：華中科技大學(xué)出版社.2001：80836 濮良貴.機械設(shè)計M.北京：高等教育出版社2006：1861927 寇尊權(quán).機械設(shè)計課程設(shè)計M.吉林：科學(xué)技術(shù)出版社.1999：35368 甘永立.機械精度設(shè)計基礎(chǔ)M.吉林：吉林大學(xué)校內(nèi)教材.2003：59669 周伯英.工業(yè)機器人設(shè)計M.北京：機械工業(yè)出版社.1995：839010 吳振彪.機電綜合設(shè)計指導(dǎo)M.北京：電子工業(yè)出版社.2000：18018311 成大先.機械設(shè)計圖冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2000：676912 李允文.工業(yè)機械手設(shè)計M.北京：機械工業(yè)出版社.1992：16016813 鄭玉華.典型機械產(chǎn)品構(gòu)造M.北京：科學(xué)出版社2004：12913214 中國機械工程學(xué)會中國機械設(shè)計大典編委會.中國機械設(shè)計大典M.江西：科學(xué)技術(shù)出版社2002：206213致 謝本設(shè)計是在導(dǎo)師謝哲東的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識，精益求精的工作作風(fēng)，嚴(yán)以律己，寬以待人的風(fēng)范，平易近人的人格魅力對我影響很深遠(yuǎn)。使我樹立了學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法。這次畢業(yè)設(shè)計讓我充分感受到一個機械設(shè)計人員對于設(shè)計的執(zhí)著和熱愛。在謝哲東導(dǎo)師的大力幫助之下，使自己在設(shè)計方面有了長足的進步。沒有謝哲東導(dǎo)師的精心輔導(dǎo)和幫助，我不能深刻的領(lǐng)悟到設(shè)計的重要環(huán)節(jié)和精妙之處。衷心感謝在設(shè)計過程中曾經(jīng)幫助過我的所有老師和同學(xué)們。感謝你們對我的關(guān)懷和照顧。本設(shè)計從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，對導(dǎo)師獻上崇高的敬意和衷心的感謝！附 錄Modular Visual Servo Tracking for Industrial RobotsRobert Fuelep BiroGeorgia Institute of TechnologyAtlanta, GA, 30332Gary McMurrayGeorgia Tech Research InstituteAtlanta, GA, 30332Harvey LipkinMechanical EngineeringGeorgia Institute of TechnologyAtlanta, GA, 30332AbstractVisually servoing a robot to track a moving work-piece has been demonstrated in literature using specially customized equipment. In this work, a simple modular architecture is presented using off-the-shelf components with serial line interfaces. The method has widespread application for existing industrial robots whose capabilities can be upgraded with-out altering proprietary original equipment proven to be reliable. As proof of concept, an ADEPT robot is visually servoed to track work pieces on a conveyor belt moving up to 400 in/min. Simulation results areshown to compare reasonably well with experimental data. Advantages and limitations of the implementation are discussed including the crucial effect of delays.1 Introduction1.1 Visual servoingThe purpose of visual servoing is to track an object of unknown prior location using only relative visual feedback information provided by a camera.Traditionally, the location and orientation of an object in an absolute frame must be determined before operation begins. Look and move schemes analyze a single picture o®-line to provide the world coordinates of the object. Visual servoing is different in that the robot trajectory depends on a continuously updated error signal in a relative frame.1.2 Dynamic visual servoingThe goal of dynamic visual servoing is to achieve accurate high speed robotic tracking, performing trajectory control in the image plane. As robot speed increases, the update rate of the feedback device must increase. While customized high speed vision systems exist, most commerciall