六自由度弧焊機(jī)器人論文

1、-. z摘 要機(jī)器人是一種集機(jī)械、電子、傳感技術(shù)、控制技術(shù)等多種現(xiàn)代技術(shù)于一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。進(jìn)入80年代，隨著自動(dòng)化生產(chǎn)流水線以及柔性生產(chǎn)系統(tǒng)FMS和柔性自動(dòng)化FA在工業(yè)生產(chǎn)中的大量應(yīng)用，機(jī)器人發(fā)揮著越來越重要的作用。機(jī)器人的特點(diǎn)是能在自動(dòng)控制下通過編程完成目標(biāo)操作或移動(dòng)作業(yè)；機(jī)器人的構(gòu)造和性能表達(dá)了人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，特別是表達(dá)了人的智能和適應(yīng)性以及機(jī)器的作業(yè)準(zhǔn)確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。綜觀機(jī)器人開展的歷史和高新技術(shù)的開展趨勢(shì)，可以斷言，機(jī)器人必將成為現(xiàn)代化工業(yè)開展中不可缺少的必備工具。本文設(shè)計(jì)了一種關(guān)節(jié)式機(jī)器人，具有六個(gè)自由度，其中手腕關(guān)節(jié)具有三個(gè)自由度，其它的關(guān)節(jié)各具有一個(gè)自

2、由度，各個(gè)關(guān)節(jié)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)主要介紹關(guān)于機(jī)器人的一些根本常識(shí)和原理，包括機(jī)器人的組成、分類和主要技術(shù)性能參數(shù)并參考通用型機(jī)器人的構(gòu)造，進(jìn)展六自由度弧焊機(jī)器人的構(gòu)造設(shè)計(jì)和其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)可行方案進(jìn)展了充分論證，用Pro/Engineer 和AutoCAD 等軟件設(shè)計(jì)出了機(jī)器人本體構(gòu)造。關(guān)鍵詞: 六自由度；弧焊機(jī)器人；控制系統(tǒng)-. zABSTRACTThe robot is the mechanical-electrical production which is posed of the technique of mechanical、elect

3、rical、sensor、control. ing the 80 age, with the application of the automatic manufacture pipelining、fle*ible manufacture system and fle*ible automation, the robot will e*ert the profound influence on this. A characteristic of the robot is its ability to plete object manipulation or moving task throug

4、h programming under the auto-control. The constitution and performance of the robot embody each quality of the man and robot, especially the mans intelligence and applicability as well as the veracity of the robots task and the ability of pleting task under each environment.A joint type robot was de

5、signed in this paperIt hadsi* degrees of freedomThe wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedomThe painting robots joints were driven by motorsThis scheme introduced some basic information and theory of the robots. It is included that the position of the robo

6、t, the group of the robot, and the main capability of technology. It consulted the structure of the mon robot to design the structure and puter control system of si* degrees of freedom robot.After demonstrating the feasibility of robot mechanics, the article have designed the robots entity structure

7、 with Pro/engineer and AutoCAD and otherwise software from the matter of fact.KEYWORDS：Si* degrees of freedom；Arc welding robot；Control system-. z目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc325312549摘 要 PAGEREF _Toc325312549 h IHYPERLINK l _Toc325312550Abstract PAGEREF _Toc325312550 h IIHYPERLINK l _Toc3253

8、12551第1章 緒 論 PAGEREF _Toc325312551 h 1HYPERLINK l _Toc3253125521.1 機(jī)器人的定義及特點(diǎn) PAGEREF _Toc325312552 h 1HYPERLINK l _Toc3253125531.2 機(jī)器人根本組成及技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc325312553 h 1HYPERLINK l _Toc3253125541.2.1 機(jī)器人的根本組成 PAGEREF _Toc325312554 h 1HYPERLINK l _Toc3253125551.2.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc325312555 h 2HY

9、PERLINK l _Toc3253125561.3 機(jī)器人的分類及應(yīng)用 PAGEREF _Toc325312556 h 3HYPERLINK l _Toc3253125571.3.1 機(jī)器人的分類 PAGEREF _Toc325312557 h 3HYPERLINK l _Toc3253125581.3.2 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)點(diǎn) PAGEREF _Toc325312558 h 4HYPERLINK l _Toc325312559第2章 機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312559 h 6HYPERLINK l _Toc3253125602.1 根本參數(shù)確實(shí)定 PAGEREF

10、 _Toc325312560 h 6HYPERLINK l _Toc3253125612.2 機(jī)器人主體構(gòu)造設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312561 h 6HYPERLINK l _Toc3253125622.3 手臂配置形式 PAGEREF _Toc325312562 h 7HYPERLINK l _Toc3253125632.4 位置檢測(cè)裝置的選擇 PAGEREF _Toc325312563 h 7HYPERLINK l _Toc3253125642.5 驅(qū)動(dòng)與控制方式選擇 PAGEREF _Toc325312564 h 7HYPERLINK l _Toc325312565第3章

11、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖 PAGEREF _Toc325312565 h 8HYPERLINK l _Toc325312566第4章 操作機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) PAGEREF _Toc325312566 h 9HYPERLINK l _Toc3253125674.1 操作機(jī)構(gòu)造方案的比照分析及選擇 PAGEREF _Toc325312567 h 9HYPERLINK l _Toc3253125684.2 電機(jī)的選擇 PAGEREF _Toc325312568 h 9HYPERLINK l _Toc3253125694.3 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312569 h 10HYPERLINK l _

12、Toc3253125704.3.1 選擇材料及精度等級(jí) PAGEREF _Toc325312570 h 10HYPERLINK l _Toc3253125714.3.2 確定主要參數(shù) PAGEREF _Toc325312571 h 10HYPERLINK l _Toc3253125724.3.3 強(qiáng)度校核 PAGEREF _Toc325312572 h 12HYPERLINK l _Toc3253125734.3.4 潤(rùn)滑 PAGEREF _Toc325312573 h 13HYPERLINK l _Toc3253125744.4 齒輪設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312574 h 13

13、HYPERLINK l _Toc3253125754.4.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 PAGEREF _Toc325312575 h 14HYPERLINK l _Toc3253125764.4.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 PAGEREF _Toc325312576 h 16HYPERLINK l _Toc3253125774.5 軸及軸承設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312577 h 18HYPERLINK l _Toc3253125784.5.1 蝸桿軸及蝸輪軸設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312578 h 18HYPERLINK l _Toc3253125794.5.2 蝸桿軸及

14、蝸輪軸校核 PAGEREF _Toc325312579 h 19HYPERLINK l _Toc3253125804.5.2.1 蝸桿軸校核 PAGEREF _Toc325312580 h 19HYPERLINK l _Toc3253125814.5.3 齒輪軸設(shè)計(jì)與校核 PAGEREF _Toc325312581 h 26HYPERLINK l _Toc3253125824.5.3.1 設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312582 h 26HYPERLINK l _Toc3253125834.5.2.2 蝸輪軸校核 PAGEREF _Toc325312583 h 26HYPERLINK

15、l _Toc3253125844.5.4 軸承設(shè)計(jì)與校核 PAGEREF _Toc325312584 h 29HYPERLINK l _Toc3253125854.4.2.1 蝸桿軸軸承 PAGEREF _Toc325312585 h 29HYPERLINK l _Toc3253125864.4.2.2 蝸輪軸軸承 PAGEREF _Toc325312586 h 32HYPERLINK l _Toc3253125874.4.2.2 齒輪軸軸承 PAGEREF _Toc325312587 h 32HYPERLINK l _Toc3253125884.5.4 鍵設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325

16、312588 h 32HYPERLINK l _Toc3253125894.5.5 聯(lián)軸器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312589 h 33HYPERLINK l _Toc325312590第5章 操作機(jī)提升機(jī)構(gòu) PAGEREF _Toc325312590 h 34HYPERLINK l _Toc3253125915.1 傳動(dòng)方案的分析與選擇 PAGEREF _Toc325312591 h 34HYPERLINK l _Toc3253125925.1.1 綜述 PAGEREF _Toc325312592 h 34HYPERLINK l _Toc3253125935.1.2 螺旋傳動(dòng) P

17、AGEREF _Toc325312593 h 34HYPERLINK l _Toc3253125945.2 電機(jī)選擇 PAGEREF _Toc325312594 h 34HYPERLINK l _Toc3253125955.3 螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312595 h 35HYPERLINK l _Toc3253125965.3.1 選材 PAGEREF _Toc325312596 h 35HYPERLINK l _Toc3253125975.3.2 構(gòu)造設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312597 h 35HYPERLINK l _Toc3253125985.3.3

18、壓桿穩(wěn)定性核算 PAGEREF _Toc325312598 h 36HYPERLINK l _Toc3253125995.3.4 剛度的驗(yàn)算 PAGEREF _Toc325312599 h 36HYPERLINK l _Toc3253126005.3.5 聯(lián)軸器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312600 h 37HYPERLINK l _Toc325312601第6章 手臂伸縮機(jī)構(gòu) PAGEREF _Toc325312601 h 38HYPERLINK l _Toc3253126026.1 傳動(dòng)方案的分析與選擇 PAGEREF _Toc325312602 h 38HYPERLINK l

19、_Toc3253126036.1.1 綜述 PAGEREF _Toc325312603 h 38HYPERLINK l _Toc3253126046.1.2 螺旋傳動(dòng) PAGEREF _Toc325312604 h 38HYPERLINK l _Toc3253126056.2 電機(jī)選擇 PAGEREF _Toc325312605 h 38HYPERLINK l _Toc3253126066.3 螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312606 h 38HYPERLINK l _Toc3253126076.3.1 選材 PAGEREF _Toc325312607 h 38HYPERLIN

20、K l _Toc3253126086.3.2 構(gòu)造設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312608 h 39HYPERLINK l _Toc3253126096.3.3 壓桿穩(wěn)定性核算 PAGEREF _Toc325312609 h 40HYPERLINK l _Toc3253126106.3.4 剛度的驗(yàn)算 PAGEREF _Toc325312610 h 40HYPERLINK l _Toc3253126116.4 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325312611 h 41HYPERLINK l _Toc325312612第7章手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) PAGEREF _Toc325312612

21、h 44HYPERLINK l _Toc325312613結(jié) 論 PAGEREF _Toc325312613 h 45HYPERLINK l _Toc325312614致 PAGEREF _Toc325312614 h 46HYPERLINK l _Toc325312615參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc325312615 h 47-. z第1章 緒論機(jī)器人(Robot)是1920年捷克作家卡雷爾卡佩克發(fā)表的科幻劇本羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人中塑造的形象。劇中，羅薩姆公司把機(jī)器人作為人類生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，讓它去充當(dāng)勞動(dòng)力，以呆板的方式從事繁重的勞動(dòng)。后來，羅薩姆公司使機(jī)器人具有了感情，在工廠和

22、家務(wù)勞動(dòng)中，機(jī)器人成了必不可少的成員。在劇本中，卡佩克把捷克語(yǔ)Robota(農(nóng)奴)寫成了Robot(機(jī)器人)。這也是人類社會(huì)首次使用機(jī)器人這一概念。1987年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)機(jī)器人進(jìn)展了定義:機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是:機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。宋健教授1999年7月5日在國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)第14屆大會(huì)報(bào)告中所指出的：機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化。

23、 機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)與開展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性的變化，而且將對(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?？茖W(xué)的進(jìn)步與技術(shù)的創(chuàng)新，為機(jī)器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。本次設(shè)計(jì)是對(duì)六自由度弧焊機(jī)器人的二維設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)研究所的一項(xiàng)科研工程。我所做的設(shè)計(jì)是在教師及其他同學(xué)的幫助下，同過運(yùn)用CAD軟件來完成。結(jié)合所學(xué)的本專業(yè)的機(jī)械根底知識(shí)，針對(duì)六自由度弧焊機(jī)器人的特點(diǎn)及功能要求進(jìn)展研究，在指導(dǎo)教師的幫助下進(jìn)展對(duì)該機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，這對(duì)我們是一種很好的鍛煉時(shí)機(jī)，而且也是對(duì)我們專業(yè)知識(shí)的檢驗(yàn)。我們可以找到自己的缺點(diǎn)和缺乏，并充實(shí)自己的知識(shí)。機(jī)器人的概念機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度

24、，并能實(shí)現(xiàn)較多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器，而機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人。美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)提出的機(jī)器人定義為：機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)。英國(guó)和日本機(jī)器人協(xié)會(huì)也采用了類似的定義。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90將機(jī)器人定義為：機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。而將操作機(jī)定義為：具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)展其它操作的機(jī)械裝置。機(jī)器人系統(tǒng)一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)展作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。 操作機(jī)操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，

25、它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能。通常由以下局部組成：1末端執(zhí)行器又稱手部 是機(jī)器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是機(jī)器人直接與工作對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。2手腕 是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動(dòng)作圍，一般有23個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機(jī)器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。3手臂 它由機(jī)器人的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時(shí)包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化圍和運(yùn)動(dòng)圍。4機(jī)座 有時(shí)稱為立柱

26、，是機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受相應(yīng)的力的根底部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿?dòng)式兩類。 驅(qū)動(dòng)單元它是由驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)單元等組成的部件，是用來為操作機(jī)各部件提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的裝置。 控制裝置它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)展操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定的要求動(dòng)作。 人工智能系統(tǒng)它由兩局部組成，一局部是感覺系統(tǒng)，另一局部為決策規(guī)劃智能系統(tǒng)。 機(jī)器人的研究開展現(xiàn)狀機(jī)器人有50至60年的開展歷史。1959年美國(guó)的創(chuàng)造家英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)機(jī)器人，機(jī)器人第一次出現(xiàn)在人們的視野中。英格伯格在大學(xué)時(shí)攻讀的伺服電機(jī)理論，伺服電機(jī)理論是一種研究機(jī)構(gòu)如何能更好地跟蹤控制信號(hào)的理論。德沃爾于1946年創(chuàng)造了

27、一種可以重演記錄的運(yùn)動(dòng)的機(jī)器。德沃爾又于1954年獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手臂能夠按程序進(jìn)展工作，同時(shí)也可以根據(jù)不同的工作需要以及工作對(duì)象編制不同的控制程序，因此在實(shí)際工作中具有很好通用性和靈活性。英格伯格和德沃爾都是研究機(jī)器人的著名創(chuàng)造家，他們都認(rèn)為汽車工業(yè)是最適于用機(jī)器人的行業(yè)，因?yàn)槠囍圃煨袠I(yè)是用重型機(jī)器進(jìn)展工作的，而且生產(chǎn)過程比擬固定。英格伯格和德沃爾又于1959年聯(lián)手制造出第一臺(tái)機(jī)器人。這種機(jī)器人外形類似于坦克炮塔，基座上安裝有一個(gè)大機(jī)械臂，大臂可繞軸在基座上轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂的末端又可以伸出一個(gè)小機(jī)械臂，它相對(duì)大臂可以做伸縮運(yùn)動(dòng)。小臂的末端裝有一個(gè)手腕，可繞小臂的軸線旋轉(zhuǎn)。手腕的末端

28、裝有機(jī)械手。這臺(tái)機(jī)器人成為世界上第一臺(tái)真正可以用于實(shí)際工作的機(jī)器人。此后英格伯格和德沃爾成立了尤尼梅遜公司，進(jìn)而創(chuàng)辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠。他們因此被稱為機(jī)器人之父。1962年美國(guó)機(jī)械與鑄造公司也制造出機(jī)器人，稱為沃爾薩特蘭，意思是萬(wàn)能搬動(dòng)。這兩家公司制造的機(jī)器人成為了世界上最早的而且至今仍在使用的機(jī)器人。近六十年來機(jī)器人的開展史，大致經(jīng)歷了三個(gè)重要的階段。第一階段為簡(jiǎn)單個(gè)體類機(jī)器人， 第二階段為群體勞動(dòng)類機(jī)器人，第三階段為類似人類的智能機(jī)器人。機(jī)器人開展是向著有知覺、有思維、能與人對(duì)話的方向開展的。到了二十世紀(jì)九十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速開展，機(jī)器人技術(shù)也有了質(zhì)

29、的飛躍。除了機(jī)器人的性能不斷提高之外，各種各樣的用于其他行業(yè)的機(jī)器人也有了巨大的進(jìn)展。機(jī)器人的開展非常迅速，下面對(duì)幾個(gè)重要的研究的方向做簡(jiǎn)單的介紹。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)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。并聯(lián)機(jī)器人：主體采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)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)一體化奠定了根底?？刂葡到y(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)器人開展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)

30、現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精細(xì)裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國(guó)KUKA公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備開展。由于微電子技術(shù)的快速開展和大規(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。先進(jìn)機(jī)器人的開展也異常迅速。近年來，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域開展。下面就幾個(gè)研究熱點(diǎn)做一簡(jiǎn)單的介紹。水下機(jī)器人：目前主要用于海洋石油開采、海底勘查、落

31、水人員救撈、管道鋪以及電纜的鋪設(shè)和維護(hù)。主要有有纜水下機(jī)器人和無(wú)纜水下機(jī)器人兩大類?？臻g機(jī)器人：空間機(jī)器人技術(shù)一直是機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國(guó)已研制出各種空間機(jī)器人。如美國(guó)NASA的空間機(jī)器人等。美國(guó)NASA的空間機(jī)器人是一輛自主移動(dòng)車，重量為11.5kg，外型尺寸630 48mm，有6個(gè)車輪，它在火星探測(cè)上的成功應(yīng)用，引起了全球圍的廣泛關(guān)注。核工業(yè)用機(jī)器人：國(guó)外的研究方向主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧、動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、響應(yīng)速度快、重量輕、剛度和強(qiáng)度良好、裝有便于裝卸與維修的高性能伺服機(jī)械手以及能半自主和自主移動(dòng)到任意位置。地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要有挖掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩大類。

32、目前日、美、德等興旺國(guó)家已研制出了用于石油、天然氣輸送管道檢修的地下機(jī)器人。各種挖掘機(jī)器人以及自動(dòng)化系統(tǒng)也正在研制當(dāng)中。醫(yī)用機(jī)器人：主要用于醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場(chǎng)感外科手術(shù)等。建筑機(jī)器人：如用于高層建筑的抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、用于擦玻璃的機(jī)器人等，并已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生活中。軍用機(jī)器人：近年來，英、美、法、德等國(guó)已研究出的二代軍用智能機(jī)器人。其特點(diǎn)采用自主控制方式，能完成偵查、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上具有、嗅和觸摸等能力，能夠自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方目標(biāo)的功能?？梢灶A(yù)見，在21世紀(jì)

33、各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人開展趨勢(shì) 目前國(guó)際上各國(guó)都在加大機(jī)器人的研究力度，進(jìn)展機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向開展。研究容主要有以下10個(gè)方面：1、機(jī)器人的操作機(jī)構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步增強(qiáng)負(fù)載/自重比。向著模塊化、可重構(gòu)的方向開展。2、機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式和模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加清楚明朗，語(yǔ)言、圖形編程界面還正在研制當(dāng)中。機(jī)器人控制器向著標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化的方向開展，基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式的控制器已成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)。對(duì)于編程技術(shù)，除了進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。3、多傳感系

34、統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能性和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是這個(gè)問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于研制出有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一個(gè)問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。4、機(jī)器人的構(gòu)造越來越靈巧，控制系統(tǒng)也越來越小，二者正朝著一體化的方向開展。5、機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大圍的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)展遙控等。6、虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙感操作和人機(jī)交互。7、多智能體調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究領(lǐng)

35、域中的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系構(gòu)造、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)展研究。8、微型和微小機(jī)器人技術(shù)：這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)開展方向。過去該領(lǐng)域的研究幾乎是空白的，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)9、軟機(jī)器人技術(shù)：主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī)器人在設(shè)計(jì)是沒有考慮與人嚴(yán)密共處，因此其所用材料多為金屬或硬性材料。軟機(jī)器人技術(shù)要求其構(gòu)造、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是平安的。10、仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)器人技術(shù)

36、開展的最高境界，目前僅在*些方面進(jìn)展一些根底研究。 機(jī)器人根本組成及技術(shù)參數(shù)1.4.1 機(jī)器人的根本組成機(jī)器人系統(tǒng)由三大局部六個(gè)子系統(tǒng)組成。三大局部是：機(jī)械局部、傳感局部、控制局部。六個(gè)子系統(tǒng)是：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械構(gòu)造系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 要使機(jī)器人運(yùn)行起來需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以直接驅(qū)動(dòng)或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)展間接驅(qū)動(dòng)。2機(jī)械構(gòu)造系統(tǒng) 機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造系統(tǒng)由機(jī)身、手臂、末端操作器三大件組成。每一大都有

37、假設(shè)干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。假設(shè)機(jī)身具備行走機(jī)構(gòu)便構(gòu)成行走機(jī)器人；假設(shè)機(jī)身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂Single Robot Arm。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。3感受系統(tǒng) 它由部傳感器模塊組成，獲取部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。人類的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是機(jī)器靈巧的。然而，對(duì)于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。4機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng) 機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相

38、互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然，也可以是多臺(tái)機(jī)器人，多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備，多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成一個(gè)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。5人機(jī)交互系統(tǒng) 人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制與機(jī)器人進(jìn)展聯(lián)系的裝置。例如，計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端，指令控制臺(tái)，信息顯示板，危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器等。歸納起來為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。6控制裝置 控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反應(yīng)回來的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。假設(shè)機(jī)器人不具備信息反應(yīng)特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反應(yīng)特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理可分為

39、程序控制系統(tǒng)，適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式可分為點(diǎn)為控制和軌跡控制。1.4.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)是個(gè)機(jī)器人制造商在產(chǎn)品供貨時(shí)所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。盡管各廠商所提供的技術(shù)參數(shù)工程是不完全一樣的，機(jī)器人的構(gòu)造、用途等有所不同，且用戶的要求也不同，但是，機(jī)器人的主要參數(shù)一般都應(yīng)有：自由度、重復(fù)定位精度、工作圍、最大工作速度、承載能力等。1自由度 自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不應(yīng)包括手爪(末端操作器)的開合自由度。在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)(簡(jiǎn)稱位姿)需要六個(gè)自由度。但是，機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)的，可能小于六個(gè)自由度，也可能大于六個(gè)自由度

40、。從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，在完成*一特定作業(yè)時(shí)具有多于自由度的機(jī)器人，就叫作冗余自由度機(jī)器人，亦可簡(jiǎn)稱冗余度機(jī)器人。2重復(fù)定位精度 機(jī)器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位其手部與同一目標(biāo)位置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個(gè)統(tǒng)計(jì)量來表示，它是衡量一列誤差值的密集度，即重復(fù)定。3工作圍 工作圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫做工作區(qū)域。因?yàn)槟┒瞬僮髌鞯男螤詈统叽缡嵌喾N多樣的，為了真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器是的工作區(qū)域。4最大工作速度 最大工作速度，有的廠家指機(jī)器人主要自由度上最大

41、的穩(wěn)定速度，有的廠家指手臂末端最大的合成速度，通常都在技術(shù)參數(shù)中加以說明。很明顯，工作速度愈高，工作效率愈高。但是，工作速度愈高就要花費(fèi)更多的時(shí)間去升速或降速，或者對(duì)機(jī)器人的最大加速度率或最大減速度率的要求更高。5承載能力 承載能力是指機(jī)器人在工作圍的任何姿勢(shì)上所能承受的最大質(zhì)量。承載能力不僅決定于負(fù)載的質(zhì)量，而且還與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了平安起見，承載能力這一技術(shù)指標(biāo)是指高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。通常，承載能力不僅指負(fù)載，而且還包括了機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量。機(jī)器人的分類及應(yīng)用1.5.1機(jī)器人的分類較好的分類原則是據(jù)構(gòu)成機(jī)器人的三大局部來分，如圖1-1所示：圖1-1 機(jī)器人

42、的分類根據(jù)機(jī)器人三局部的具體選擇可給出*個(gè)機(jī)器人的全稱，如：計(jì)算機(jī)控制具有視覺功能全電動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人。但是，一般很少使用全稱，通常就以機(jī)械局部的根本構(gòu)造來命名，也可直接使用廠家給出的機(jī)器人名稱。(一) 按機(jī)器人的構(gòu)造分類1五種根本坐標(biāo)式機(jī)器人 機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造局部可看作是由一些連桿通過關(guān)節(jié)組裝起來的。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。連桿和關(guān)節(jié)按不同坐標(biāo)形式組裝，機(jī)器人可分為五種：直角坐標(biāo)形式，圓柱坐標(biāo)形式，球坐標(biāo)形式，關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式及平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式。其坐標(biāo)軸是指機(jī)械臂的三個(gè)自由度軸，并未包括手腕上的自由度。2兩種冗余自由度構(gòu)造機(jī)器人(1) 整體控制的柔軟臂機(jī)器人，它也叫象鼻子機(jī)器人。柔軟

43、臂使用假設(shè)干驅(qū)動(dòng)源整體控制的，控制凸面圓盤的相對(duì)滾動(dòng)，手臂可產(chǎn)生向任何方向柔軟的彎曲。由于凸面圓盤相對(duì)滾動(dòng)的自由度很大，所以把這種柔軟臂機(jī)器人歸在冗余自由度構(gòu)造機(jī)器人中。工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究室設(shè)計(jì)了一種具有柔軟手腕的六自由度弧焊機(jī)器人，用于向任意空間曲面噴漆作業(yè)。(2) 每一關(guān)節(jié)獨(dú)立控制的冗余自由度機(jī)器人直角坐標(biāo)式機(jī)器人安放在一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)上，增加了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，成為冗余自由度機(jī)器人，這種機(jī)器人很適合機(jī)床上下料等應(yīng)用場(chǎng)合。3模塊化構(gòu)造機(jī)器人 機(jī)器人模塊化的主要含義是機(jī)器人由一些可供選擇的標(biāo)準(zhǔn)化模塊拼裝而成的，標(biāo)準(zhǔn)化模塊式具有標(biāo)準(zhǔn)化接口的機(jī)械構(gòu)造模塊.驅(qū)動(dòng)模塊.控制模塊.傳感器模塊，并已系列化

44、。(二) 按機(jī)器人研究.開發(fā)和實(shí)用化的進(jìn)程分類1第一代機(jī)器人 第一代機(jī)器人具有示教再現(xiàn)功能，或具有可編程的NC裝置，但對(duì)外部信息不具備反應(yīng)能力。2第二代機(jī)器人 第二代機(jī)器人不僅具有部傳感器而且具有外部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息。雖然沒有應(yīng)用人工智能技術(shù)，但是能進(jìn)展機(jī)器人-環(huán)境交互，具有在線自適應(yīng)能力。例如，機(jī)器人從運(yùn)動(dòng)著的傳送帶上送來的零件中抓取零件并送到加工設(shè)備上。因?yàn)樗蛠淼拿恳粋€(gè)零件具體位置和姿態(tài)是隨意的、不同的，要完成上述作業(yè)必須獲取被抓取零件狀態(tài)的在線信息。3第三代機(jī)器人 第三代機(jī)器人具有多種智能傳感器，能感知和領(lǐng)會(huì)外部環(huán)境信息，包括具有理解像人下達(dá)的語(yǔ)言指令這樣的能力。能進(jìn)展學(xué)習(xí)，具

45、有決策上的自治能力。 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域 自從20世紀(jì)60年代初人類創(chuàng)造了第一臺(tái)機(jī)器人以后，機(jī)器人就顯示出它極大的生命力，在短短40多年的時(shí)間中，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的開展，機(jī)器人已在工業(yè)興旺國(guó)家的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、六自由度弧焊機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等機(jī)器人已被大量采用。在眾多制造業(yè)領(lǐng)域中，應(yīng)用機(jī)器人最廣泛的領(lǐng)域是汽車及汽車零部件制造業(yè)。2005年美洲地區(qū)汽車及汽車零部件制造業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求

46、占該地區(qū)所有行業(yè)對(duì)機(jī)器人需求的比例高達(dá)61%；同樣，亞洲地區(qū)的該比例也到達(dá)33%，位于各行業(yè)之首；雖然2005年由于德國(guó)、意大利和西班牙三國(guó)對(duì)汽車工業(yè)投資的趨緩直接導(dǎo)致歐洲地區(qū)汽車工業(yè)對(duì)機(jī)器人需求占所有行業(yè)對(duì)機(jī)器人需求的比例下降到了46%，但汽車工業(yè)仍然是歐洲地區(qū)使用機(jī)器人最普及的行業(yè)。目前，汽車制造業(yè)是制造業(yè)所有行業(yè)中人均擁有機(jī)器人密度最高的行業(yè)，如，2004年德國(guó)制造業(yè)中每1萬(wàn)名工人中擁有機(jī)器人的數(shù)量為162臺(tái)，而在汽車制造業(yè)中每1萬(wàn)名工人中擁有機(jī)器人的數(shù)量則為1140臺(tái)；意大利的這一數(shù)值更能說明問題，2004年意大利制造業(yè)中每1萬(wàn)名工人中擁有機(jī)器人的數(shù)量為123臺(tái)，而在汽車制造業(yè)中每1萬(wàn)

47、名工人中擁有機(jī)器人的數(shù)量則高達(dá)1600臺(tái)。機(jī)器人還廣泛應(yīng)用于電子電氣行業(yè)、金屬制品業(yè)(包括機(jī)械)、橡膠及塑料工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。2005年，亞洲地區(qū)電子電氣行業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求僅次于汽車及汽車零部件制造業(yè)，其占所有行業(yè)總需求的比例為31%；而在歐洲地區(qū)橡膠及塑料工業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子電氣行業(yè)而排名第二位；美洲地區(qū)由于汽車及汽車零部件制造業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求遙遙領(lǐng)先，所以金屬制品業(yè)(包括機(jī)械)、橡膠及塑料工業(yè)以及電子電氣行業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求比例相當(dāng)，均在7%左右。隨著科學(xué)與技術(shù)的開展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前，機(jī)器人不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域，同時(shí)也已開

48、場(chǎng)擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等效勞業(yè)領(lǐng)域中。如，水下機(jī)器人、拋光機(jī)器人、打毛刺機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人、高壓線作業(yè)機(jī)器人、服裝裁剪機(jī)器人、制衣機(jī)器人、管道機(jī)器人等特種機(jī)器人以及掃雷機(jī)器人、作戰(zhàn)機(jī)器人、偵察機(jī)器人、哨兵機(jī)器人、排雷機(jī)器人、布雷機(jī)器人等軍用機(jī)器人都廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。而且，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩，未來各種專業(yè)效勞機(jī)器人和家庭用消費(fèi)機(jī)器人將不斷貼近人類生活，其市場(chǎng)將繁榮興旺。應(yīng)用機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)綜上所述，機(jī)器人的應(yīng)用給人類帶來了許多好處，如：(1) 減少勞動(dòng)力費(fèi)用；應(yīng)用機(jī)器人代替人進(jìn)展工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于

49、應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)展工作生產(chǎn)。(2) 提高生產(chǎn)率；(3) 改良產(chǎn)品質(zhì)量；(4) 增加制造過程的柔性；(5) 減少材料浪費(fèi)；(6) 控制和加快庫(kù)存的周轉(zhuǎn)；(7) 降低生產(chǎn)本錢；(8) 消除了危險(xiǎn)和惡劣的勞動(dòng)崗位。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可局部或全部代替人平安的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)

50、械手代替人進(jìn)展工作，可以防止由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。我國(guó)機(jī)器人的應(yīng)用前景是十分廣泛的。但是，由于我國(guó)工業(yè)根底比擬薄弱，勞動(dòng)力比擬豐富低廉，給機(jī)器人的開展和應(yīng)用帶來了一定的困難。只有符合我國(guó)的國(guó)情，才能推動(dòng)和加快我國(guó)機(jī)器人的開展和應(yīng)用。因此，要注意三個(gè)問題：(1) 開展經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人。企業(yè)可望盡早取得投資效益；(2) 開展特種機(jī)器人。在一些人力無(wú)法工作的領(lǐng)域里使用機(jī)器人，市場(chǎng)潛力大；(3) 走企業(yè)技術(shù)改造道路。用機(jī)器人技術(shù)和其它高新技術(shù)去改造舊企業(yè)，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)自身的開展和應(yīng)用。第2章 六自由度弧焊機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 腕部設(shè)計(jì)電機(jī)的選擇手腕局部的電機(jī)的安裝：帶動(dòng)噴槍旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī)1安裝

51、在回轉(zhuǎn)套帶動(dòng)噴槍夾做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使噴槍時(shí)刻正對(duì)被加工。在回轉(zhuǎn)套外，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)的減速電機(jī)2安裝在回轉(zhuǎn)套支架的外側(cè)，帶動(dòng)整個(gè)回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這兩處的電機(jī)的安裝如圖2.2所示。帶動(dòng)整個(gè)腕部旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī)3與安裝在回轉(zhuǎn)套外側(cè)的帶有法蘭盤的空心軸通過脹緊套連接在也一起，這個(gè)安裝面與電機(jī)2的安裝面垂直，減速電機(jī)3帶動(dòng)整個(gè)腕部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)1帶動(dòng)噴頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故此電機(jī)應(yīng)小巧靈便以減輕電機(jī)2的負(fù)擔(dān)，因此電機(jī)1應(yīng)該質(zhì)量輕、體積小且能滿足功率滿要求。同時(shí)電機(jī)軸要與噴槍夾末端的空心軸通過脹緊套連接在一起，因此電機(jī)輸出端的軸要進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)。回轉(zhuǎn)套的質(zhì)量也要盡量的小，所以材料為鋁合金類材料。假設(shè)噴頭的

52、尺寸為50200 的圓柱體，由條件知質(zhì)量為3 kg。圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=m(3 R2+L2) =3(3+) =0.01 kg.m2取噴槍的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為=2rad/s，n=60r/min取啟動(dòng)時(shí)間為0.1s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度=20rad/s2計(jì)算力矩T為：T=JP=T=0.6282=3.94故訂做的減速電機(jī)1的額定電壓為220V，輸出功率至少為4w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為1N.m，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為23。電機(jī)輸出軸端進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)。電機(jī)2帶動(dòng)回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)回轉(zhuǎn)套為200200200的立方體。設(shè)回轉(zhuǎn)套、電機(jī)、減速器、短軸、鍵、噴槍及噴槍夾的質(zhì)量共5kg。長(zhǎng)方體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

53、公式為：J=m()由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故b=h=0.2m所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=5()=0.03 kg.m2取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為=2rad/s, n=60 r/min取啟動(dòng)時(shí)間為0.1s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度=20rad/s2計(jì)算力矩T為：T=JP=T=1.8842=11.83 w故訂做的減速電機(jī)2的額定電壓為220V，輸出功率至少為12w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為2N.m，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為23。電機(jī)輸出軸端進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)，并且在末端開鍵槽。電機(jī)3帶動(dòng)整個(gè)腕部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)通過脹緊套連接空心軸，所以電機(jī)輸出軸也要進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)。設(shè)回轉(zhuǎn)套為232100350的

54、立方體。設(shè)整個(gè)腕部、回轉(zhuǎn)套支架、聯(lián)軸器、短軸、電機(jī)、減速器等部件的質(zhì)量估算為12kg。長(zhǎng)方體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為：J=m()由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故b=0.232m,h=0.1m所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=5()=0.064kg.m2取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為=rad/s，轉(zhuǎn)速為n=30r/min取啟動(dòng)時(shí)間為0.1s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度=10rad/s2計(jì)算力矩T為：T=JP=T=2.012=6.23w故訂做的減速電機(jī)3的額定電壓為220V，輸出功率至少為7w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為3N.m，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為46。電機(jī)輸出軸端進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)16-20。小臂的設(shè)計(jì)小臂設(shè)計(jì)的總體

55、要求手臂桿的質(zhì)量應(yīng)該盡可能的小，從而減輕支撐它的大臂桿及它的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)小臂桿還要承受整個(gè)手腕的重量以及在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)載荷。六自由度弧焊機(jī)器人的最大覆蓋圍與各個(gè)手臂的長(zhǎng)度、手臂間的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)圍密切相關(guān)。因此設(shè)計(jì)手臂時(shí)，該充分考慮根據(jù)機(jī)器人所要完成任務(wù)而提出設(shè)計(jì)要求，從而確定手臂桿的大體構(gòu)造和長(zhǎng)度。根據(jù)盡量減小手臂質(zhì)量同時(shí)保持一定強(qiáng)度的原則，從而合理的選擇手臂的截面形狀和所用的材料，既滿足強(qiáng)度要求又最大限度的降低自身重量。盡量減少對(duì)其關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及偏重力矩，以減少驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載，同時(shí)注意減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊。設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差提高運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和運(yùn)動(dòng)剛度，可采用緩沖和定

56、位裝置，從而提高定位精度。六自由度弧焊機(jī)器人的小臂俯仰機(jī)構(gòu)通過鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)來完成，安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上的直流伺服電機(jī)通過鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小臂實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的目的是把直流伺服電機(jī)放到腰部回轉(zhuǎn)盤上面，防止直接放到小臂與大臂的連接處，減輕小臂的重量，降低大臂驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載，減少運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷與沖擊，提高整個(gè)六自由度弧焊機(jī)器人的響應(yīng)速度。電機(jī)的選擇首先計(jì)算動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，計(jì)算動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩需計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于電機(jī)安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上所以計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需要折算到大臂軸i軸上，我們只需要計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大時(shí)的情況，既當(dāng)小臂與大臂共線時(shí)，小臂可視為繞i軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)整個(gè)小臂體對(duì)i軸的轉(zhuǎn)矩最大。1、小臂總

57、體質(zhì)量的計(jì)算21-25小臂的大體構(gòu)造為分段空心圓柱，材料為鋁合金體積V=lA =0.4/40.40.2/40.80.16/4 =0.007 m3質(zhì)量m=V=2.70.007 =18.9kg2、腕部構(gòu)造對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量腕部繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為= m(b2+h2) =0.03 kgm2平移到i軸上=+m=0.03+5(0.16+0.180.8)2=6.53kgm23、回轉(zhuǎn)套支架對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量回轉(zhuǎn)套支架繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為= m(b2+h2) =0.064 kgm2平移到i軸上=+m =0.064+7(0.180.8)2=6.79kgm24、小臂構(gòu)造對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由于小臂是階梯狀前一段體積=0.

58、002 m3質(zhì)量=5.4kg，此外還要加上電機(jī)減速器軸聯(lián)軸器短軸的質(zhì)量共8kg。小臂前段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=(3 R2+L2) =0.22 kgm2平移到i軸上=+m=0.22+8(0.180.8)2=20.7kgm2后一段體積=0.005m3質(zhì)量=13.5kg小臂后段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=(3 R2+L2) =0.64kgm2平移到i軸上=+m=0.67+13.50.82=27.14kgm2 5、帶動(dòng)小臂轉(zhuǎn)動(dòng)的后桿和底桿對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)蓤A桿為鋁合金材料，圓形實(shí)心直桿。后桿的尺寸為1001000，底桿的尺寸為100400。當(dāng)兩桿共線時(shí)，兩桿對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大。兩桿的體積之和=/414=0

59、.01m3=2.70.01=27kg兩段同一直線時(shí)繞兩段質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=(3 R2+L2)=4.48kgm2平移到i軸上=+m=4.48+27 =17.71kgm26、對(duì)i軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以上計(jì)算的、均是在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大的情況下計(jì)算得到的，所以用這些轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算出的總力矩和功率，從而選擇的電機(jī)必然滿足六自由度弧焊機(jī)器人在其他工作狀態(tài)下的工作要求。對(duì)i軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=+=78.87 kgm27、總力矩和功率的計(jì)算取小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度=/2 rad/s，轉(zhuǎn)速為n=15r/min取啟動(dòng)時(shí)間為1 s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為=/2 rad/s2慣性力矩T= =78.87/2=123.88Nm靜態(tài)力矩T：由于

60、小臂的俯仰機(jī)構(gòu)采用的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，小臂自身根本可以平衡，所以靜態(tài)力矩可以忽略不計(jì)。摩擦力矩T：摩擦力矩近似等于0.05倍的慣性力矩綜上所述總力矩T=1.05T=124.49 Nm取電機(jī)的轉(zhuǎn)速為=1500 r/min，即角速度為=50rad/s則總的傳動(dòng)比為:=/n=157/1.57=100故電機(jī)輸出端的負(fù)載力矩為T= T/=124.49/100=1.24Nm電機(jī)輸出端的功率為P= T =1.2450 =194.77w8、選擇電機(jī)的型號(hào)一般對(duì)驅(qū)動(dòng)元件有以下幾方面要求：1慣量小，動(dòng)力大。驅(qū)動(dòng)元件在六自由度弧焊機(jī)器人中主要用于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，同時(shí)比功率要大一些。2體積小，重量輕。主要評(píng)價(jià)