四自由度機(jī)器人設(shè)計及運(yùn)動學(xué)動力學(xué)分析

1、第 章 目錄摘 要iabstract21緒論51.1 引言51.2機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢61.3本課題的主要研究內(nèi)容和工作安排111.3.1課題研究的背景及意義111.3.2課題研究的內(nèi)容及安排122四自由度串聯(lián)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計132.1機(jī)器人的總體方案設(shè)計142.1.1抓取機(jī)器人功能需求分析及其特點(diǎn)142.1.2機(jī)器人驅(qū)動方案的確定142.1.3機(jī)械傳動方案的確定152.1.3機(jī)器人基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計162.1.4機(jī)器人本體的總體結(jié)構(gòu)172.2機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)設(shè)計182.2.1大臂和小臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計182.2.2腕部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計202.2.3直線組件的設(shè)計選擇202.2.4支架結(jié)構(gòu)設(shè)計2

2、12.2.5步進(jìn)電機(jī)與減速器的計算和選擇222.2.6機(jī)器人傳動軸的校核242.2.7機(jī)器人本體的三維模型252.3本章小結(jié)263四自由度抓取機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析及仿真273.1機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析273.1.1奇次坐標(biāo)變換273.1.2 denavt-hartenberg(d-h)表示法283.1.3抓取機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型的建立303.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程的建立313.2.1抓取機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)分析313.2.2工業(yè)機(jī)器人工作空間分析343.2.3機(jī)器人雅可比（jacobian）關(guān)系求解373.2.4 抓取機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)分析413.3四自由度串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)仿真453.3.1虛擬樣機(jī)技術(shù)概述453.3

3、.2本文用到的adams軟件模塊463.3.3建立機(jī)器人仿真模型463.3.4機(jī)器人位移仿真分析493.3.5機(jī)器人速度仿真分析503.4 本章小結(jié)504. 軌跡規(guī)劃及仿真分析514.1關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃算法分析514.2關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃524.3 .1 三次多項式法524.3.2 五次多項式法544.3.3 高次多項式軌跡規(guī)劃554.3仿真結(jié)果及分析594.3 .1機(jī)器人仿真模型的建立594.3 .2運(yùn)動學(xué)仿真分析604.3.3 軌跡規(guī)劃仿真分析654.5 本章小結(jié)685四自由度串聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)分析695.1拉格朗日動力學(xué)方程簡介695.1.1連桿系統(tǒng)動能和勢能695.1.2拉格朗日動力學(xué)方

4、程705.2四自由度串聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)方程的建立715.2.1機(jī)器人動力學(xué)方程慣量矩陣dij項的計算715.2.2向心力系數(shù)與哥氏力系數(shù)計算745.2.3重力項的計算745.2.4四自由度機(jī)器人動力學(xué)方程755.3機(jī)器人動力學(xué)仿真755.4本章小結(jié)796機(jī)器人重點(diǎn)受力部件的有限元分析及造型設(shè)計796.1ansys軟件介紹796.2關(guān)鍵部件的靜剛度有限元分析806.2.1小臂的載荷計算及有限元分析806.2.2大臂的載荷計算及有限元分析816.2.3安裝板的載荷計算及有限元分析836.3四自由度機(jī)器人支架的穩(wěn)定性分析866.3.1支架靜力學(xué)分析866.3.2支架屈曲分析876.4本章小結(jié)907總結(jié)

5、與展望90致 謝921緒論1.1 引言機(jī)器人技術(shù)是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，是一種涉及到多種相關(guān)技術(shù)及學(xué)科，如機(jī)構(gòu)學(xué)、控制工程、計算機(jī)、人工智能、微電子學(xué)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)以及仿生學(xué)等科學(xué)技術(shù)的綜合性技術(shù)。機(jī)器人是機(jī)器進(jìn)化和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，機(jī)器人從問世到現(xiàn)在經(jīng)過50多年的發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)，科學(xué)研究以至整個社會領(lǐng)域發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為人們生活學(xué)習(xí)中的好幫手，近十年來各種用途的機(jī)器人得到了更廣泛的應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運(yùn)等用于制造車間的工業(yè)機(jī)器人。特別是在醫(yī)療，服務(wù)、外空、國防等人類極限以外的領(lǐng)域，發(fā)揮著無可替代的作用。正是因為如此，世界上許多國家投入巨資發(fā)展機(jī)器人技術(shù)。機(jī)器

6、人技術(shù)已經(jīng)形成了一門新學(xué)科機(jī)器人學(xué)（robotics），以微電子技術(shù)為主導(dǎo)涉及了工程力學(xué)、計算機(jī)科學(xué)技術(shù)、機(jī)械電子工程學(xué)、自動控制理論、人工智能和生物學(xué)等多門學(xué)科為一體，是一門綜合技術(shù)學(xué)科。由于機(jī)器人工作具有速度快，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，疲勞極限大，能夠從事人類不能或難以勝任的工作，且能適應(yīng)產(chǎn)品多樣化等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療、娛樂、家用、地下、水下、空間等社會各個應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程，并在自動控制下執(zhí)行某種操作或移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計算機(jī)技術(shù)、自動控制及人工智能等多種科學(xué)的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，是當(dāng)代科技發(fā)

7、展最活躍的領(lǐng)域。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。21世紀(jì)是機(jī)器人技術(shù)革命的世紀(jì)，機(jī)器人作為全面延伸和擴(kuò)展人的體力和智力的手段將實現(xiàn)“當(dāng)代最高意義上的自動化”。機(jī)器人的應(yīng)用和普及正在改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式、生活方式和作戰(zhàn)方式。而在非常規(guī)和極端制造過程中，工業(yè)機(jī)器人是不可缺少的自動化裝備。機(jī)器人主要有兩大類：用于制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和用于非制造環(huán)境下的服務(wù)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是一種對生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性的柔性自動化裝備，它主要用于現(xiàn)代制造業(yè)中代替人們從事繁重、重復(fù)單調(diào)、環(huán)境惡劣危險、人

8、做不了或做不好的工作，從而減輕了人們的勞動強(qiáng)度，改善了勞動環(huán)境，并有效地提高了生產(chǎn)的自動化程度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。工業(yè)機(jī)器人是柔性化制造系統(tǒng)(fms)、自動化工廠（fa）和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（cims）必不可少的自動化工具，它的發(fā)展和應(yīng)用情況已成為一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。主要進(jìn)行焊接、裝配、搬運(yùn)、加工、噴涂、碼垛等復(fù)雜作業(yè)。機(jī)器人的應(yīng)用主要有兩種方式：一種是機(jī)器人工作單元，另一種是帶機(jī)器人的生產(chǎn)線，并且后者在國內(nèi)外已經(jīng)成為機(jī)器人應(yīng)用的主要方式。以機(jī)器人為核心的自動化生產(chǎn)線適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)多品種、少批量的柔性生產(chǎn)發(fā)展方向，具有廣闊的市場發(fā)展前景和

9、強(qiáng)勁生命力，已開發(fā)出多種面向汽車、電氣機(jī)械等行業(yè)的自動化成套裝備和生產(chǎn)線產(chǎn)品。1.2機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時計算機(jī)科學(xué)技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)，自動化控制技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展提供了有利的條件。1960年到1970年是機(jī)器人技術(shù)的緩慢發(fā)展階段，許多科研院校和個人都對機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了研究，投入了大量的人力，物力，材料但都沒有取得突破性進(jìn)展，但還是取得了一些成果，主要成果是斯坦福研制的移動式機(jī)器人。到了80年代末期，對于傳統(tǒng)的機(jī)器人生產(chǎn)量供過于求，結(jié)果導(dǎo)致國際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)不景氣，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了緩慢發(fā)展的時期。進(jìn)入21世紀(jì)以來國際機(jī)器人處于比較穩(wěn)定

10、的發(fā)展階段。世界上第一臺機(jī)器人誕生于美國，美國研究機(jī)器人的時間比日本還早，現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究的強(qiáng)國之一，在技術(shù)上遙遙領(lǐng)先。日本雖然比美國研究機(jī)器人的時間晚，但是發(fā)展很快，日本被稱為“機(jī)器人王國”，其工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界上其他的國家，位于世界第一。到了20世紀(jì)80年代日本的機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，處于鼎盛時期，機(jī)器人逐漸應(yīng)用于各個生產(chǎn)部門，工業(yè)機(jī)器人有了巨大的發(fā)展，機(jī)器人制造業(yè)成為發(fā)展最快的和最好的經(jīng)濟(jì)部門之一，帶動了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。從上個世紀(jì)90年代中期開始，相比世界上其他國家和地區(qū)，歐洲和北美對機(jī)器人技術(shù)的研究進(jìn)入了迅速發(fā)展時期。到了21世紀(jì)，國外機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)日

11、趨成熟，被工業(yè)界廣泛采用，有的已經(jīng)成為機(jī)器人設(shè)計方面的參照標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上著名的制造工業(yè)機(jī)器人公司主要有、等，這些公司成為當(dāng)?shù)氐闹е援a(chǎn)業(yè)，帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速發(fā)展。目前，機(jī)器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)廣泛使用于汽車、電子、物流、倉儲行業(yè)，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。我國于19世紀(jì)70年代年開始研制工業(yè)機(jī)器人，當(dāng)時在許多科研單位和院校建立了研發(fā)中心，開始了機(jī)構(gòu)學(xué)，計算機(jī)控制應(yīng)用技術(shù)的研究，在應(yīng)用方面，二汽建立的東風(fēng)汽車駕駛室的噴漆生產(chǎn)線，已經(jīng)成為國產(chǎn)機(jī)器人運(yùn)行的一個窗口，并建立了點(diǎn)焊機(jī)器人工作站，成功研制了z裝備機(jī)器人的樣機(jī)模型。相對于世界上其他國家服務(wù)型機(jī)器人，我國的服務(wù)型機(jī)器人發(fā)展比較慢，落

12、后于其他國家服務(wù)型機(jī)器人研究技術(shù)?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，為了加快我國在機(jī)器人研究方面的發(fā)展，特別是七五計劃，863計劃，在國家的重點(diǎn)技術(shù)支持下，我國的機(jī)器人在機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)，機(jī)器人的單元技術(shù)、運(yùn)動學(xué)，機(jī)器人控制裝置的研制，取得了重大發(fā)展，加速我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。我國的機(jī)器人技術(shù)和國外相比起步比較晚，技術(shù)相對比較落后，目前主要研究用于生產(chǎn)線上工業(yè)機(jī)器人、為完成某項特定任務(wù)而專門開發(fā)的特種機(jī)器人、帶有自動識別系統(tǒng)的智能機(jī)器人，并在這些方面取得了顯著成就，為以后各種用途機(jī)器人的研究奠定了基礎(chǔ)。如今機(jī)器人在很多方面被人們應(yīng)用。尤其是在汽車制造、機(jī)械制造、集成電路、數(shù)字加工等主要依靠人工操作的大規(guī)

13、模的生產(chǎn)企業(yè)、一些對人類具有很大危害性的行業(yè)、質(zhì)量和要求比較高的行業(yè)，逐漸取代了人工操作，提高了效率，降低成本，工業(yè)機(jī)器人在越來越多的行業(yè)發(fā)揮著巨大的作用，得到了廣泛的應(yīng)用。2005年，據(jù)不完全統(tǒng)計美洲地區(qū)汽車行業(yè)所需求的工業(yè)機(jī)器人占其他所有行業(yè)所需工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的五分之三。當(dāng)時在亞洲汽車行業(yè)零部件加工需求的機(jī)器人占其他所有行業(yè)所需機(jī)器人的三分之一，居于各行業(yè)之首。在發(fā)達(dá)國家，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了非常廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計截止到2004年底，世界范圍內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人實際裝備總量為847,764臺，其中日本為356,483 臺，約占全世界裝備總量的42%，美國為114,531臺歐洲為278,906

14、臺。在歐洲國家中，德國工業(yè)機(jī)器人裝備量居首位，為120,544 臺，意大利和法國分別為53,244 臺和28,133臺。在亞洲，韓國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2004 年底其工業(yè)機(jī)器人裝備總量約為51,302臺。就機(jī)器人密度（即制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量）而言，日本、德國和韓國的機(jī)器人密度居世界前三位。近年來國外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究發(fā)展和應(yīng)用主要有如下幾個趨勢：1、工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，并向食品、核能、礦業(yè)和建筑等工業(yè)新領(lǐng)域擴(kuò)展。汽車制造業(yè)一直以來都是機(jī)器人技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，但在2004年，這一趨勢發(fā)生了重大改變。據(jù)統(tǒng)計，2004 年世界范圍內(nèi)非汽車行業(yè)的工業(yè)機(jī)器

15、人訂單量增長了近42%，而汽車整車制造業(yè)增長不到1%，汽車配件行業(yè)增長了19%。在北美和亞洲，非汽車行業(yè)的訂單量分別增長了72%和42%。在機(jī)床、橡膠、食品、包裝和塑料等行業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人的需求量將進(jìn)一步增長。2、工業(yè)機(jī)器人的價格不斷下降，而性能則不斷提高，趨向于高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維護(hù)等方面。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2003年一臺工業(yè)機(jī)器人的平均價格只相當(dāng)于1990年同等性能機(jī)器人平均價格的四分之一，在美國，機(jī)器人與勞動力相比的相對價格已經(jīng)從1990 年的100 降到了2003 年的28，如果考慮機(jī)器人質(zhì)量的改進(jìn)，則可下降到12。不斷下降的機(jī)器人相對價格和日益減少的勞動力成本成為機(jī)器人投

16、資增長的主要驅(qū)動力之一。3、機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于pc 的開放式機(jī)器人控制器方向發(fā)展，開放化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計成為主要發(fā)展方向，人機(jī)界面更加友好。采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來發(fā)展新型機(jī)器人控制系統(tǒng)，研究機(jī)器人協(xié)作控制，多智能體調(diào)控技術(shù)成為新興研究領(lǐng)域。4、機(jī)器人編程語言趨于通用化。abb 公司開發(fā)的rapid 通用模塊化編程語言提供了強(qiáng)大的編程功能和友好的用戶界面，該公司生產(chǎn)的大部分機(jī)器人產(chǎn)品都采用了該種編程語言。最近美國機(jī)器人空間開發(fā)公司開發(fā)了robot script 通用機(jī)器人編程語言，該語言簡單易學(xué)，通用性強(qiáng)，可運(yùn)行于該公司生產(chǎn)的通用機(jī)器人控制器urc 中。5、機(jī)械結(jié)構(gòu)趨向于模塊化、可重構(gòu)化，應(yīng)用類

17、型以關(guān)節(jié)型為主。2004 年世界范圍內(nèi)新裝備的機(jī)器人中，關(guān)節(jié)型機(jī)器人占62.5%，scara（平面關(guān)節(jié)型）機(jī)器人占11.6%，而美國2004 年新裝備機(jī)器人中關(guān)節(jié)型機(jī)器人所占比例高達(dá)90%，歐洲為74%。6、機(jī)器人朝著智能化方向發(fā)展，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，裝配、焊接、遙控機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺、觸覺等傳感器，多傳感器的融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。行之有效的多傳感器融合算法，特別是非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布情形下的多傳感器融合算法是傳感器技術(shù)的研究重點(diǎn)。7、機(jī)器人機(jī)構(gòu)技術(shù)方面重點(diǎn)研究新的機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能，以及新的設(shè)計方法，探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材

18、料，進(jìn)一步提高機(jī)器人的動態(tài)性能。8、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制9、機(jī)器人遙控、監(jiān)控技術(shù)朝著人機(jī)交互控制方向發(fā)展，遙控加局部自治系統(tǒng)遙控機(jī)器人的發(fā)展使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。10、機(jī)器人化機(jī)械開始興起。自1994 年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來機(jī)器人化機(jī)械便成為新興研究方向。機(jī)器人化機(jī)械研究主要包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床(vmt)、 機(jī)器人化加工中心(rmc)、機(jī)器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)備的研究開發(fā)等。我國是從20世紀(jì)80年代開始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。我國政府非常重視機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展。1986年，我國開展了“七

19、五”機(jī)器人攻關(guān)計劃。1987年，我國的“863”計劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。“七五”期間，國家投入相當(dāng)資金，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元器件、工業(yè)機(jī)器人整機(jī)及應(yīng)用工程的開發(fā)研究。經(jīng)過五年攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴漆、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)等作業(yè)機(jī)器人整機(jī)，幾類專用和通用控制系統(tǒng)及幾類關(guān)鍵元部件的主要性能指標(biāo)達(dá)到80 年代初國外同類產(chǎn)品水平，并且形成小批量生產(chǎn)能力。從20世紀(jì)90年代初期起，我國的工業(yè)機(jī)器人又邁出了一大步，通過“八五”、“九五”和國家“863”計劃支持的應(yīng)用工程開發(fā)，第一代工業(yè)機(jī)器人設(shè)計、制造和應(yīng)用技術(shù)已趨于成熟。目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計

20、制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)及運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，研制出噴漆、點(diǎn)焊、弧焊、裝配、切割、包裝、碼垛、搬運(yùn)等各種用途的作業(yè)機(jī)器人，并實施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，建立了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，鍛煉和形成了一大批機(jī)器人研究開發(fā)應(yīng)用隊伍。我國的智能機(jī)器人在“863”計劃的支持下，也取得了一大批科研成果，在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上有了一定的發(fā)展。目前，我國工業(yè)機(jī)器人已應(yīng)用于汽車、摩托車、機(jī)械制造、電子電器、工程機(jī)械、石油化工等行業(yè)。目前，我國從事機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技

21、術(shù)，隨后，我國在機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用方面取得了很大成就。主要研究成果有:哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人，北京自動化研究所1993年研制的噴涂機(jī)器人，1995年完成的高壓水切割機(jī)器人，國家開放實驗和研究單位沈陽自動化研究所研制的有纜深潛300m機(jī)器人，無纜深潛機(jī)器人，遙控移動作業(yè)機(jī)器人，2000年國防科技大學(xué)研制的兩足類人機(jī)器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華南理工大學(xué)研制的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人，以及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)等。但是，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平與國外還有一定的差距。我國尚未形成真正的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，機(jī)器人產(chǎn)品品種少，應(yīng)用范圍窄，機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化程度低，可靠性低于國外產(chǎn)品。與機(jī)器

22、人產(chǎn)業(yè)發(fā)展密切相關(guān)的關(guān)鍵部件交流伺服電機(jī)、精密減速器還沒有相應(yīng)產(chǎn)業(yè)的支持，新產(chǎn)品開發(fā)主要依賴于國家科研計劃及基金的支持，不能形成研發(fā)面向市場、市場支持研發(fā)的良性發(fā)展。在應(yīng)用規(guī)模上，我國到2004 年底已安裝的工業(yè)機(jī)器人臺數(shù)為7096臺，只占全世界裝備總數(shù)的0.84%，與國外發(fā)展水平有較大差距。而在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等方面的開發(fā)應(yīng)用則剛剛起步。目前我國機(jī)器人總體技術(shù)僅相當(dāng)于國外20世紀(jì)80 年代初的水平。 根據(jù)國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗和現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具體情況，我國的機(jī)器人技術(shù)將重點(diǎn)開展開放式機(jī)器人控制器、智能機(jī)器人和機(jī)

23、器人化機(jī)械的開發(fā)研究；開展以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究；加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開發(fā)，并圍繞應(yīng)用工程進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人新產(chǎn)品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a(chǎn)能力；加強(qiáng)多傳感器融合及決策、通用型機(jī)器人編程語言的研究。重點(diǎn)解決我國已研制應(yīng)用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化前期關(guān)鍵技術(shù)，大力推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的工業(yè)機(jī)器人主要是采取借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，然后進(jìn)行二次開發(fā)，創(chuàng)新比較少，制造基礎(chǔ)零部件的能力差，缺少自己的品牌，鼓勵性政策少，我國必須以市場為導(dǎo)向，發(fā)展一批具有核心競爭力的產(chǎn)品，對發(fā)展工業(yè)機(jī)器人專門立項，加速我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。近幾年的我國的機(jī)器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)出現(xiàn)，

24、逐漸成為機(jī)器人自動化生產(chǎn)線的主要方式，國內(nèi)制造裝配業(yè)正在由傳統(tǒng)的向機(jī)器人自動化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。我國現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)廠家由于技術(shù)條件、資金條件等客觀和主觀因素的影響，導(dǎo)致其生產(chǎn)規(guī)模較小，機(jī)器人的品種單一，性價比低，研發(fā)的高科技機(jī)器人比較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場的要求。如果想占領(lǐng)國內(nèi)市場，就必須采取相應(yīng)的措施，發(fā)展科學(xué)技術(shù)，努力提高機(jī)器人的質(zhì)量，提高機(jī)器人的穩(wěn)定性、可靠性及降低成本以適應(yīng)現(xiàn)代競爭的社會。目前我國為了發(fā)展機(jī)器人技術(shù)，提高我國的競爭實力，逐步在上海、沈陽、北京經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)開展機(jī)器人研究，建立了機(jī)器人及其自動化生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)基地，逐漸開發(fā)出一批以市場為導(dǎo)向的，適合我國發(fā)展的，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器

25、人及其自動化生產(chǎn)線。經(jīng)過多年的發(fā)展，裝配機(jī)器人的發(fā)展也有了很大的進(jìn)步，用于裝配的機(jī)器人占機(jī)器人總數(shù)的三分之一，并且這一趨勢將不斷擴(kuò)大，專門設(shè)計的裝配加工機(jī)器人更具有效率。目前我國在裝配機(jī)器人研制方面，掌握了機(jī)械設(shè)計，控制，驅(qū)動系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，在基礎(chǔ)元件方面，引入了諧波減速器，傳感器，運(yùn)動控制器。近幾年來，我國已經(jīng)研制出各種各樣的裝配機(jī)器人，如小型電器機(jī)器人自動裝配線，精密機(jī)芯機(jī)器人，開發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)模塊化直角坐標(biāo)系裝配機(jī)器人、cad平臺、開發(fā)了3個系列的直線運(yùn)動單元以及由此組成的直角坐標(biāo)裝配機(jī)器人，“賢科”裝配機(jī)器人是國際上比較精密的裝配機(jī)器人。裝配機(jī)器人按適應(yīng)的環(huán)境不同分為普通型裝配機(jī)器人

26、和精密裝配機(jī)器人，根據(jù)臂部的運(yùn)動形式，分為平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人，垂直多關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人。日本研究開發(fā)的平面關(guān)節(jié)（scara）裝配機(jī)器人，屬于精密型裝配機(jī)器人，具有定位精度高，柔性好、工作空間大等優(yōu)點(diǎn)，是目前比較常見的裝配機(jī)器人，廣泛用于電子、機(jī)械等相關(guān)的自動裝配、搬運(yùn)、調(diào)試，可以滿足柔性自動化生產(chǎn)的要求。直角坐標(biāo)裝配機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方面的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于零件的移送，插入，旋擰等。垂直多關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人，一般具有6個自由度，可以達(dá)到空間任意位置，面向的對象是空間任意位置和姿態(tài)的作業(yè)。如今，在研制裝配機(jī)器人方面，主要研究裝配機(jī)器人的共性技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的研究，向多樣化和智能化發(fā)展

27、。如直接裝配機(jī)器人，即不經(jīng)過減速裝置，采用高扭矩低速電機(jī)直接驅(qū)動；裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)小，朝著機(jī)電一體化發(fā)展；智能裝配機(jī)器人，例如自主移動裝配機(jī)器人；并聯(lián)機(jī)器人；協(xié)作裝配機(jī)器人，多個機(jī)器人之間的協(xié)作，完成一系列任務(wù)，對于重型或精密裝配非常重要。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各式各樣的機(jī)器人已經(jīng)研制出來，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，不在僅僅用于制造業(yè)，擴(kuò)大到建筑，農(nóng)業(yè)，采礦，國防軍事，醫(yī)療，服務(wù)等領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)將成為未來的研究熱點(diǎn)，近年來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)轉(zhuǎn)移，向人機(jī)智能化、設(shè)計模塊化、高速化、微型化的方向發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1.隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)

28、用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們對機(jī)器人的綜合性能指標(biāo)的要求也越來越高，特別在某些超精密領(lǐng)域或重要領(lǐng)域，人們對工業(yè)機(jī)器人的柔性和控制精度和互換性提出了更高的要求，特別是性價比方面，于是開始研究可重構(gòu)機(jī)器人，成為歷史的必然，成為時代的需要，結(jié)構(gòu)的模塊化包括驅(qū)動部件、傳感器、控制器等?？芍貥?gòu)化適合現(xiàn)代制造業(yè)中的柔性生產(chǎn)線，主要表現(xiàn)在探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)的模塊化。結(jié)構(gòu)化的模塊也提高了互換性，提高了利用率，符合現(xiàn)代社會的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 2高速性，對于一般的室內(nèi)機(jī)器人或者用于服務(wù)業(yè)的服務(wù)型的工業(yè)機(jī)器人，對于機(jī)器人的速度沒有特殊的要求，但是對于室外或者用于機(jī)械加工的機(jī)器人或其他特殊領(lǐng)域的機(jī)器人，比較高的運(yùn)

29、行速度可以提高生產(chǎn)效率，降低成本，而這就對機(jī)器人的定位精度與控制精度提出了更高的要求，要求向開放式控制系統(tǒng)發(fā)展，提高系統(tǒng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，便于機(jī)器人的操作、3 多種傳感器的綜合使用。各種傳感器對于機(jī)器人來說具有重要作用，利用傳感器可以對外界環(huán)境做出正確的響應(yīng)來傳遞相關(guān)信息，來保證機(jī)器人不會誤操作，產(chǎn)生無法預(yù)測的后果，如果想讓機(jī)器人進(jìn)行快速和正確的操作，這就要求機(jī)器人快速正確的處理各種信息。所以除了傳統(tǒng)的速度、加速度傳感器，還加了視覺導(dǎo)航，力傳感器等。4微型化和靈活性發(fā)展。這是未來機(jī)器人主要的方向，微型化主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動方式，控制等方面提出了更高的要求，機(jī)器人的靈活性主要體現(xiàn)在隨

30、著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，各式各樣不同用途的工業(yè)機(jī)器人相繼研究出來被家庭和服務(wù)行業(yè)和其他行業(yè)采用，這就要求機(jī)器人能夠在不同的環(huán)境下安全，穩(wěn)定的執(zhí)行任務(wù)。5虛擬機(jī)器人技術(shù)。主要表現(xiàn)在機(jī)器人對作用的物體識別，軌跡規(guī)劃，自主導(dǎo)航完成操作任務(wù)，計算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展為此提供了技術(shù)支持。6仿人和仿生技術(shù)。仿人機(jī)器人具有和人類相似的部分，腰部，手臂，手腕等，可以和人類一樣靈活的適應(yīng)各種環(huán)境，完成操作任務(wù)，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，也是未來機(jī)器人發(fā)展方向。7產(chǎn)業(yè)化，只有被人們認(rèn)可，被社會采用，才能被社會扶持，才有深遠(yuǎn)的發(fā)展?jié)摿?，才能給社會帶來客觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此我們必須朝著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)奮斗。1.3本課題的主要研究

31、內(nèi)容和工作安排1.3.1課題研究的背景及意義工業(yè)機(jī)器人具有大幅度提高勞動生產(chǎn)效率，改善勞動條件，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本等優(yōu)點(diǎn)，所以工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛并發(fā)揮無可替代的作用，從汽車工業(yè)逐漸向其他行業(yè)滲透，機(jī)器人的種類也從簡單的操作手逐漸發(fā)展成各式各樣的機(jī)器人，機(jī)器人已經(jīng)深入到人類生活的各個方面，機(jī)器人技術(shù)與人類科技的進(jìn)步、社會文明的發(fā)展有密切的關(guān)系，事實證明人類社會的發(fā)展已經(jīng)離不開機(jī)器人技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步必然會推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。目前，基于機(jī)器人技術(shù)在許多領(lǐng)域的重要性，國內(nèi)外許多國家都投入大量的人力、物力、財力大力推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)的研究。當(dāng)前和今后機(jī)器人主要向

32、具有智能、適應(yīng)各種環(huán)境，具有多種感覺（形狀、硬度、溫度、濕度、質(zhì)量等）的方向發(fā)展。機(jī)器人方案設(shè)計、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)器人仿真技術(shù)、機(jī)器人的控制技術(shù)、機(jī)器人的應(yīng)用場合、以及其他特殊要求是機(jī)器人設(shè)計中主要內(nèi)容之一。按照機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式可以分為關(guān)節(jié)型機(jī)器人和非關(guān)節(jié)型機(jī)器人，關(guān)節(jié)型也稱串聯(lián)機(jī)器人，多為有固定基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)器人，其機(jī)械本體是由剛度很大的桿件通過轉(zhuǎn)動（r）或移動關(guān)節(jié)(p)連接起來的一個開式運(yùn)動鏈，單獨(dú)驅(qū)動的主動關(guān)節(jié)數(shù)目稱為機(jī)器人自由度，一般情況下個五自由度就可以滿足要求。串聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用的空間小，相對工作空間大、運(yùn)動靈活，還能繞過基座周圍的障礙物，是機(jī)器人中使用最多一種結(jié)構(gòu)，已成功

33、用于工廠中各種生產(chǎn)線上從事一種或者多種工作。并聯(lián)機(jī)器人相比串聯(lián)機(jī)器人起步比較晚，還有許多相關(guān)的理論問題沒有解決。裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)中的一個工序，在制造裝配業(yè)中占有重要的地位，人們投入大量的人力，物力，財力。裝配機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，裝配機(jī)器人是在工業(yè)生產(chǎn)中，用于裝配生產(chǎn)線上對零件進(jìn)行加工和裝配的工業(yè)機(jī)器人。按照開發(fā)內(nèi)容和目的分為工業(yè)機(jī)器人，智能機(jī)器人、操縱機(jī)器人。而工業(yè)機(jī)器人按作用對象不同，分為裝配機(jī)器人，點(diǎn)焊機(jī)器人，噴漆機(jī)器人等等。人們還將工業(yè)機(jī)器人用來研磨、成型、切削、拋光、磨削等作業(yè)，機(jī)器人廣泛用于生產(chǎn)制造業(yè)是必然的趨勢，在某些特定領(lǐng)域，對于形狀復(fù)雜，切削力小，尺寸大的金屬工件，如果采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)

34、行加工則要設(shè)計專用的數(shù)控設(shè)備，使成本大幅度提高，需要較大的安裝空間，并且存在以下缺點(diǎn)：柔性差，零件的加工需要多次安裝，導(dǎo)致安裝定位誤差影響大，對于特殊形狀的表面或者特殊部位的表面加工中心是無法加工的，而且物流的交換不方便；機(jī)床或者加工中心制造成本高，且數(shù)控機(jī)床增加了數(shù)控系統(tǒng)，成本更高。因此采用工業(yè)機(jī)器人來加工。日常生活中，經(jīng)常需要在各類機(jī)器零件上進(jìn)行鉆（擴(kuò)，鉸）孔，其應(yīng)用范圍非常廣泛，而真正用于鉆（擴(kuò)，鉸）孔的工業(yè)機(jī)器人很少，有的只是更換一般工業(yè)機(jī)器人的工具頭進(jìn)行簡單的加工，但是由于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人布局及結(jié)構(gòu)形式，剛度差，精度低，而專門用于鉆（擴(kuò)，鉸）孔的裝配加工機(jī)器人要加強(qiáng)一般工業(yè)機(jī)器人的剛

35、度和運(yùn)動精度，所以本文針對這種情況研究了一種五自由度裝配加工機(jī)器人主要用于在裝配中鉆（擴(kuò)、鉸）削加工，鉆頭旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動，軸向移動為進(jìn)給運(yùn)動，主要參數(shù)是最大鉆孔直徑，可以用于簡單零件上的孔，也可用于加工外形復(fù)雜、沒有對稱回轉(zhuǎn)軸線工件上的耽擱或者一系列的圓柱孔，如端蓋、箱體、機(jī)架等零件上的各種用途的孔。鉆孔就是在物體上鉆孔，擴(kuò)孔是在原有孔的基礎(chǔ)上利用比孔大的鉆頭進(jìn)行二次加工或多次加工，使孔進(jìn)一步擴(kuò)大，多用于打孔或毛坯孔的多次鉆削，提高精度降低表面粗糙度值，屬于孔的半加工方法。在鉆孔時留有小余量基礎(chǔ)上利用鉸刀進(jìn)行精加工就是鉸孔，其特點(diǎn)是精度高，光潔度好。本文研究的裝配加工機(jī)器人，可以提高零件的質(zhì)量和

36、加工精度，降低工人誤操作帶來的殘次品的風(fēng)險，提高了勞動生產(chǎn)率，加快了技術(shù)創(chuàng)新速度，提高在在同行業(yè)的競爭力。裝配加工領(lǐng)域?qū)⑹俏磥頇C(jī)器人技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)之一，其重要性在機(jī)器人應(yīng)用中將躍居第一位。對促進(jìn)我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的理論和實際意義。1.3.2課題研究的內(nèi)容及安排1.3.2.1課題研究的主要內(nèi)容本論文設(shè)計的五自由度裝配加工機(jī)器人主要用于鉆（擴(kuò)、鉸）削加工。按結(jié)構(gòu)屬于串聯(lián)機(jī)器人，因此具有串聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)。此外該機(jī)器人可單獨(dú)固定，也可安裝在自動導(dǎo)航車或移載機(jī)連接。本文的主要研究內(nèi)容是：根據(jù)已有的工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和鉆（擴(kuò)、鉸）削的特點(diǎn)設(shè)計了一種五自由度裝配加工機(jī)器人，對機(jī)

37、器人進(jìn)行了運(yùn)動方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)正反解、速度分析、求出工作空間，基于第二類拉格朗日方程建立了機(jī)器人的動力學(xué)方程及動力學(xué)模型。通過有限元軟件對機(jī)器人的關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析并修改相關(guān)部件等相關(guān)問題進(jìn)行了研究。1.3.2.2本文研究的內(nèi)容包括以下幾個部分：第1章 緒論 本章主要介紹國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀、研究背景、意義及研究的主要內(nèi)容。第2章 五自由度裝配加工機(jī)器人方案設(shè)計本章首先對五自由度裝配加工機(jī)器人進(jìn)行總體方案設(shè)計主要包括運(yùn)動方案和結(jié)構(gòu)方案，然后運(yùn)用三維軟件solid edge對主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后建立機(jī)器人三維實體模型。 第3章 五自由度裝配加工機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析及

38、仿真首先，描述了運(yùn)動學(xué)的相關(guān)理論，建立了所設(shè)計五自由度裝配加工機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程，求出運(yùn)動學(xué)正解、逆解、工作空間、速度雅可比矩陣，在此基礎(chǔ)上編寫各個求解軟件。然后利用仿真軟件adams進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，將仿真結(jié)果與運(yùn)動學(xué)模型的解析算法算出結(jié)果進(jìn)行比較，初步驗證了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)解析算法的正確性。第4章 五自由度裝配加工機(jī)器人動力學(xué)分析本章采用第二類拉格朗日方法建立裝配加工機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型；求出動力學(xué)方程，編寫動力學(xué)求解程序，對動力學(xué)的逆向問題進(jìn)行了仿真，對動力學(xué)方程進(jìn)行了驗證，為以后的控制和軌跡規(guī)劃提供了依據(jù)。第5章 五自由度裝配加工機(jī)器人關(guān)鍵部件的有限元分析首先基于電主軸在加工過程中的軸向力及力矩

39、，然后對于機(jī)器人運(yùn)動過程中，手腕、小臂、大臂、基座多種工況進(jìn)行了靜態(tài)分析，得到了應(yīng)力云圖和位移云圖的分布。最后對影響機(jī)器人性能指標(biāo)的關(guān)鍵部件基座、臂部、腕部進(jìn)行了模態(tài)分析，提取了各部件的前六階模態(tài)，得到了對應(yīng)的頻譜振動特性，為改進(jìn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。第6章 總結(jié)與展望 總結(jié)了全文，對課題的進(jìn)一步深入研究進(jìn)行展望。2四自由度串聯(lián)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、控制器和傳感檢測裝置三部分組成，其中機(jī)器人本體又包括機(jī)械本體和機(jī)械傳動系統(tǒng)。機(jī)器人本體是機(jī)器人的重要組成部分，它是機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于完成機(jī)器人的所有功能動作。機(jī)器人本體的設(shè)計合理性、可靠性直接影響到整個機(jī)器人的功能

40、和性能。本章將基于模塊化設(shè)計的思想對四自由度機(jī)器人本體進(jìn)行分析，給出串聯(lián)機(jī)器人本體的設(shè)計方案并予以實現(xiàn)。2.1機(jī)器人的總體方案設(shè)計2.1.1抓取機(jī)器人功能需求分析及其特點(diǎn)2.1.1.1功能需求本論文選題為陜西省教育廳項目”柔性加工物流自動交接裝置與物流裝備集成”(00s001)的應(yīng)用研究，主要是為了滿足生產(chǎn)線中產(chǎn)品更換頻繁，批量少，操作人員少，每個產(chǎn)品安裝部件多、產(chǎn)品安裝復(fù)雜的工作場合。鑒于上述原因，同時考慮抓取機(jī)器人應(yīng)具有良好的通用性，以保證這個課題完后，所提供機(jī)器人技術(shù)，具有較好的產(chǎn)業(yè)化、商品化前景。所以，在設(shè)計中串聯(lián)機(jī)器人有兩個軸線相互平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以實現(xiàn)平面內(nèi)的靈活定位，同時機(jī)器人還應(yīng)

41、有一個移動關(guān)節(jié)， 以實現(xiàn)在與平面垂直的方向上的移動和定位。另外在抓取搬運(yùn)等作業(yè)中要求串聯(lián)機(jī)器人的末端執(zhí)行器抓住工件以后能夠?qū)ぜ姆较驙顟B(tài)進(jìn)行調(diào)整，因此，在末端執(zhí)行器上還應(yīng)有一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。所以我們設(shè)計的串聯(lián)機(jī)器人具有4個自由度，包括3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)。 2.1.1.2特點(diǎn) 根據(jù)工作環(huán)境、工作特點(diǎn)等要求，本機(jī)器人應(yīng)具備以下幾個特點(diǎn):1.外形美觀，適于觀察。機(jī)器人應(yīng)該讓人賞心悅目，同時能直觀地了解它的構(gòu)成和動作原理。故機(jī)器人的外形應(yīng)巧妙設(shè)計，部分外殼曲線應(yīng)過度柔和，采用適合材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單明了，另外，機(jī)器人的動作應(yīng)連續(xù)，速度適中。2.成本低在滿足所要求功能的前提下，盡可能降低成本，機(jī)構(gòu)

42、盡可能采用規(guī)則件、標(biāo)準(zhǔn)件。這樣，結(jié)構(gòu)大大簡化，成本也隨之降低。3.體積小，重量輕 機(jī)器人要求抓取重量不大，動作范圍也不是特別大，故體積很小，展開應(yīng)在300mm x 200mm左右。要實現(xiàn)機(jī)器人的四個自由度，內(nèi)部零件應(yīng)盡量小巧，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊。重量輕是機(jī)器人研制的一個向，在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故材料要首選鋁質(zhì)輕質(zhì)材料，零件特別是具有定位功能的殼體定位板應(yīng)采用板筋結(jié)構(gòu)，各零件的空間分布要合理，減小傾覆力矩。4.傳動原理簡單本機(jī)器人采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動，選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求，優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)諧波減速器，傳動簡單。2.1.2機(jī)器人驅(qū)動方案的確定對機(jī)器人驅(qū)動裝置的一般要求如下

43、：1、驅(qū)動裝置的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率(即功率/質(zhì)量比)要高，效率也要高；反應(yīng)速度要快，即要求力與質(zhì)量比和力矩與轉(zhuǎn)動慣量比要大；2、控制盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；動作平滑，不產(chǎn)生沖擊；安全可靠；3、操作和維護(hù)方便；對環(huán)境無污染，噪聲要??；經(jīng)濟(jì)上合理，尤其是要盡量減少占地面積。通常，工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動方式有以下幾種：a.電氣驅(qū)動電動驅(qū)動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。電動驅(qū)動器又可分為直流(dc)伺服電機(jī)驅(qū)動、交流(ac)伺服電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。(1) 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，

44、控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制；位置誤差不會積累；步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力(變磁阻式)和保持轉(zhuǎn)矩(永磁式)的能力，這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，它適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)機(jī)器人或小型機(jī)器人。(2) 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機(jī)配合實現(xiàn)數(shù)字控制。若使用直流伺服電機(jī)，還要考慮電刷放電對實際工作的影響。(3) 交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價格要貴一些。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服

45、電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動器。b.液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是功率大，具有較大的功率重量比，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動方式大多用于要求輸出力較大、慣量大、而運(yùn)動速度較低的場合。在機(jī)器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)中，近年來以電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動最具代表性。c.氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單、清潔、動作靈敏、具有緩沖作用、可實現(xiàn)無級調(diào)速。但與液壓驅(qū)動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人中，如上、下料和沖壓機(jī)器人。 考慮此設(shè)計中機(jī)器人負(fù)載并不大。通過比較

46、，四自由度串聯(lián)機(jī)器人的四個關(guān)節(jié)均選用安川交流伺服伺服電機(jī)。2.1.3機(jī)械傳動方案的確定傳動系統(tǒng)設(shè)計是機(jī)器人設(shè)計過程中最主要的設(shè)計問題之一。機(jī)器入的傳動系統(tǒng)除采用齒輪、蝸輪蝸桿和行星齒輪傳動外，還廣泛采用滾珠絲杠、諧波減速裝置和繩輪鋼帶等傳動裝置。如果機(jī)器人的成本允許，傳動系統(tǒng)應(yīng)避免自己加工制造，盡可能采用知名廠家成熟的傳動產(chǎn)品。傳動裝置在機(jī)器人的設(shè)計中是一個很重要的環(huán)節(jié)，傳動的好壞直接影響到最后的控制性能。根據(jù)課題特點(diǎn)，參考國內(nèi)典型工業(yè)機(jī)器人圖冊，初步確定以下傳動方案：第一自由度為移動關(guān)節(jié)，由伺服電機(jī)驅(qū)動直線組件將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閦向直線運(yùn)動；第二自由度為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，由伺服電機(jī)經(jīng)過諧波減速器驅(qū)動大

47、臂旋轉(zhuǎn)；第三自由度為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，由伺服電機(jī)經(jīng)過諧波減速器驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)；第四自由度為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，由伺服電機(jī)直接驅(qū)動末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)。第一關(guān)節(jié)采用帶抱閘的伺服電機(jī)直接驅(qū)動具有自鎖功能的直線組件，結(jié)構(gòu)簡單。第二、三關(guān)節(jié)傳動采用小體積、大轉(zhuǎn)矩、高減速比的諧波減速器，可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩。第四關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動，臂部構(gòu)件選用高強(qiáng)、輕質(zhì)材料(鋁合金)以減輕重量。2.1.3機(jī)器人基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計機(jī)器人基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計主要是根據(jù)設(shè)計任務(wù)和功能要求，來確定以下主要性能參數(shù)：(1) 機(jī)器人的用途：根據(jù)設(shè)計要求，所設(shè)計的機(jī)器人主要用于柔性制造系統(tǒng)中刀具更換、工件運(yùn)送和裝配。(2) 機(jī)器人的負(fù)載能力：機(jī)器人末端執(zhí)行

48、器持重為：1kg。末端執(zhí)行器與本體之間以接口的形式連接以便對多種末端執(zhí)行器進(jìn)行替換。(3) 機(jī)器人的工作空間：水平工作范圍322(mm)，高度為470(mm)。依據(jù)設(shè)計要求，四自由度串聯(lián)機(jī)器人的外形尺寸如圖2-1所示。參考已有同類機(jī)器人的參數(shù)，結(jié)合實際的工作情況，機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)如表2-1。圖2-1 四自由度串聯(lián)機(jī)器人外形尺寸fig 2-1 4-dof serial robot dimension表2-1 四自由度串聯(lián)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)table 2-1 4-dof serial robot technology parameters結(jié) 構(gòu) 形 式串聯(lián)型負(fù) 載 能 力1kg自由度4（3個回轉(zhuǎn)1個移

49、動）關(guān)節(jié)速度直線關(guān)節(jié)大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)末端執(zhí)行器回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍直線關(guān)節(jié)400mm大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)末端執(zhí)行器回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)幾何尺寸直線關(guān)節(jié)大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)120mm2.1.4機(jī)器人本體的總體結(jié)構(gòu)串聯(lián)機(jī)器人本體的總體基本結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-2所示串聯(lián)機(jī)器人本體由機(jī)架、直線組件、大臂和大臂關(guān)節(jié)、小臂和小臂關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器和末端執(zhí)行器關(guān)節(jié)及各關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置等幾部分組成。其中直線組件用以驅(qū)動安裝板在與平面垂直的方向移動完成機(jī)器人主體的升降運(yùn)動，大臂和小臂關(guān)節(jié)軸線相互平行分別用于驅(qū)動大小臂繞各自關(guān)節(jié)的軸線旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)末端執(zhí)行器在平面內(nèi)定位，末端執(zhí)行器關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)可以完成工件或末端執(zhí)行器在

50、平面內(nèi)定向。1.支架 2.直線導(dǎo)軌 3.電機(jī)1 4. 滑塊 5.電機(jī)2 6.大臂 7.電機(jī)3 8.小臂 9.電機(jī)4 10.深溝球軸承1 11.深溝球軸承2 12.鍵 13.軸承透蓋 14.內(nèi)六角螺栓1 15.空心軸1 16.諧波1 17. .內(nèi)六角螺栓2 18.諧波2 19. .內(nèi)六角螺栓3 20.安裝板圖2-2 機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)簡圖fig 2-2 draft drawing of the basic structure of robots manipulator2.2機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)設(shè)計隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人產(chǎn)品也正在向多品種、小批量、低成本等方向發(fā)展，這就對機(jī)器人本體的

51、設(shè)計和生產(chǎn)提出了新的要求。機(jī)器人本體的設(shè)計應(yīng)盡可能標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化以縮短開發(fā)和生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。采用模塊化設(shè)計還可以有效地提高設(shè)計的重用性，增加系統(tǒng)的可靠性，并能根據(jù)客戶需要對系統(tǒng)進(jìn)行合理配置從而滿足市場的不同需求，四自由度串聯(lián)機(jī)器人本體的大臂和小臂關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，用于實現(xiàn)在同一平面內(nèi)的定位，而大臂和小臂也具有相似的功能，因此，我們將采用模塊化設(shè)計的思想，對大臂、小臂、大臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)及其驅(qū)動裝置進(jìn)行設(shè)計。2.2.1大臂和小臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計由于四自由度串聯(lián)機(jī)器人相當(dāng)于開鏈?zhǔn)竭B桿結(jié)構(gòu)，其臂部關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)及重量對機(jī)器人整體靜、動態(tài)性能有較大的影響，從而對機(jī)器人的工作效率、穩(wěn)定性和可

52、靠性有很大影響。因此除采用輕型、高強(qiáng)度鋁合金材料，并淬火后進(jìn)行時效及穩(wěn)定化處理。在不影響性能情況下，還應(yīng)設(shè)計重量較輕、剛性較好的機(jī)械結(jié)構(gòu)。盡量減小運(yùn)動部件壁厚，把大小臂設(shè)計成經(jīng)濟(jì)的空心結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行造型美化，以增加剛度和強(qiáng)度。大臂和小臂(即第二、二關(guān)節(jié))傳動方式選擇相同，為減少結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，大小臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計基本相同，具體如圖2-3所示。(a)大臂 (b)小臂圖2-3 四自由度串聯(lián)機(jī)器人的臂部模塊fig 2-3 the model of 4-dof serial robots arm圖2-4大臂關(guān)節(jié)裝配結(jié)構(gòu)圖 圖2-5小臂關(guān)節(jié)裝配結(jié)構(gòu)圖fig 2-4 arm joint assembly fig

53、 2-5 small arm joint assemblystructure diagram structure diagram大小臂關(guān)節(jié)傳動采用小體積、大轉(zhuǎn)矩、高減速比的諧波減速器。諧波減速器由三個主要部分組成，即：具有內(nèi)齒的剛輪，諧波發(fā)生器、具有外齒的容易變形的柔輪。利用柔輪在運(yùn)動的時候與剛輪的齒數(shù)差產(chǎn)生的彈性機(jī)械波來傳遞力、力矩、運(yùn)動的一種新型行星齒輪傳動，實際中雙波傳動因為結(jié)構(gòu)簡單且傳動比大被廣泛應(yīng)用。對于諧波減速器的三個基本部分，固定的方式不同，輸出的傳動比是不同的，當(dāng)波發(fā)生器固定時，若剛輪輸入而柔輪輸出，傳動比略大于1，反之，傳動比略小于1。而當(dāng)波發(fā)生器輸出，無論剛輪輸入、柔輪固定

54、還是剛輪固定、柔輪輸入，都具較大的增速比，實際中很少見。而當(dāng)通常波發(fā)生器為輸入時，柔輪、鋼輪兩個任何一個固定，另一個輸出，都具有較大的減速比。本文主要采用比較常見的固定方式，即波發(fā)生器為輸入，柔輪固定、剛輪作為輸出帶動機(jī)器人的各關(guān)節(jié)運(yùn)動。如圖2-4大臂裝配結(jié)構(gòu)圖所示，由螺栓將諧波減速器2的柔輪固定在安裝板1上，機(jī)器人大臂4的驅(qū)動電機(jī)3殼體固定在安裝板1內(nèi)部，電機(jī)3的軸與諧波減速器2的波發(fā)生器通過鍵5直接連接，而諧波減速器的剛輪通過螺栓和大臂4連在一起，從而驅(qū)動電機(jī)3就可以實現(xiàn)大臂的旋轉(zhuǎn)。綜上所述，大小臂均采用模塊化設(shè)計方法，傳動原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計與大臂類似，故小臂裝配關(guān)系不再贅述。2.2.2腕部機(jī)

55、械結(jié)構(gòu)設(shè)計1.小臂 2.電機(jī) 3. 深溝球軸承1 4. 深溝球軸承2 5. 鍵 6. 空心軸 7.內(nèi)六角螺釘 8.軸承透蓋圖2-6腕關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)裝配結(jié)構(gòu)圖fig 2-6 wrist joint assembly structure diagram為滿足裝配搬運(yùn)等不同作業(yè)的需要我們設(shè)計了可更換夾持器的末端執(zhí)行器其二維模型如圖2-6所示電機(jī)2直接驅(qū)動空心軸6轉(zhuǎn)動，空心軸端部留有機(jī)械接口，可以和手爪相連，方便手爪拆卸和更換。 2.2.3直線組件的設(shè)計選擇四自由度串聯(lián)機(jī)器人的升降移動關(guān)節(jié)用于驅(qū)動機(jī)器人大臂、小臂作升降直線運(yùn)動，從而實現(xiàn)末端執(zhí)行器在垂直方向的運(yùn)動。常用的直線驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、

56、直線電機(jī)驅(qū)動、旋轉(zhuǎn)電機(jī)與絲杠螺母副聯(lián)合驅(qū)動等。因滾珠絲杠螺母具有傳動摩擦力矩小、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、傳動精度高、工作壽命長等特點(diǎn)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中取得了廣泛應(yīng)用。而由滾珠螺桿與線性滑軌構(gòu)成的精密線性模組具有體積小、重量輕、高精度、高剛性、組裝便利、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用在精密機(jī)械與其它需要精密定位的機(jī)構(gòu)上。因此，本設(shè)計中我們采用精密線性模組設(shè)計四自由度串聯(lián)機(jī)器人的升降關(guān)節(jié)。圖2-7為本設(shè)計所選的臺灣hiwin精密線性模組kk6005p-400a1-f1的三維模型。表2-2是精密線性模組kk6005p-400a1-f1的技術(shù)參數(shù)。圖2-7 四自由度串聯(lián)機(jī)器人的升降臂關(guān)節(jié)fig 2-6 4-dof serial robot arm joint seriesfig.2-6 the 4-dof serial robots elevating joint表2-2精密線性模組技術(shù)參數(shù)table 2-5 precision linear model technical data型號最大速度（mm/sec）軌道長度（mm）滾珠螺桿滾