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垂直多关节型工业机器人设计总体结构及控制系统设计（全套含CAD图纸）
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毕业设计(论文)外文资料翻译学 院： 机械电子工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 徐博 学 号： 060501516 外文出处： Seung-Nam Yu, Jae-Ho Jang,Chang-Soo Han (用外文写)Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul, Korea Accepted 8 May 2006.指导教师评语： 签名： 年 月 日 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 附件1：外文资料翻译译文 一种自动检测隧道内混凝土上的裂缝的可移动机器人摘要：为了评测混凝土建筑物的安全性，用肉眼观察裂缝的检查员会周期性地测量并且记录裂缝。不过这种手工检查的效率是很低的并且很容易产生主观的结论。因此，这项研究为混凝土的结构检查和测量裂缝提供了一个新的方案，它能够提供客观的裂缝数据，在评测安全性的过程中将会使用到这些数据。这个系统由一个移动机器人系统和一个裂缝视觉系统组成。移动机器人系统被一个图象处理设备（CCD）控制着与墙保持恒定的距离。裂缝视觉系统运用图象处理技术，可以由获得的图像中得到有关裂缝的信息。为了保证对裂缝辨认的准确性，此系统运用了图像处理程序来得到裂缝结构的几何学特性和模型。目前这个系统已经被实验室和有关这个领域的实验所证实。 2006 Elsevier B.V.版权所有。 关键字： 裂缝； 隧道； 检查； 图象处理； 移动的机器人1、简介： 大约70%的朝鲜地区都是多山区，在这些地区修建铁路和公路都需要很多的隧道。在保持交通通畅的情况下，有关混凝土建筑物如隧道的安全性的调查依然在进行着。为了确定这种结构的安全，利用非破坏性实验的定期检查正在进行。不过，非破坏性的实验的低效率和错综复杂的程序让人们打消了用这样的实验整个代替人的目测的念头。因此，非破坏性实验仅仅局限于精确的检查。1 视觉对混凝土建筑物的检查与检查员只使用他们的肉眼观察沿结构表面走的裂缝的措施有关。由此可知，目测的主要缺点是不能保证一次迅速和完整的调查。为了解决这些问题，已经研究出了各种各样的使用图象处理程序自动检查裂缝的方法，而且应用到了实际的设施中，包括道路、桥梁、下水道等等。2-6 这项研究的特殊目的是要把一个裂缝察觉模件和移动机器人的综合系统应用到隧道环境中。 类似的学科研究正在进行并且发展着。Komatsu 工程公司已经研究出并且使这个能通过一台激光扫描设备获得道路和隧道里层的图像的一个图像捕获系统商品化。日本的铁路技术研究院研究出了一个使用CCD照相机得到铁路隧道里层图象的系统。来自加拿大的一个道路设备集团股份有限公司，已经研究出一个由一台超声波传感器、一台陀螺传感器和一架CCD照相机组成，能够在80千米/小时速度下得到道路图象的系统，并且这种系统已经在市场上出售。7 这种系统对裂缝、渗漏、剥落和裂片图象数据的收集非常有用；不过，他们不提供自动的裂缝检查系统。如果要对裂缝数据作出迅速和客观的评估，裂缝检查和测量就必须是全自动化。 照相机和激光技术已经被广泛地应用在获得建筑物表面的检查图象上，但是激光扫描设备的费用很昂贵；另外，它还有一个影响系统维护的发热问题。这两个问题使得它在各个领域的工作效力都很差。照像机扫描设备比激光设备成本更低，但是它在黑暗环境里有照明问题。因为费用是在工程实施中考虑较多的一个因素，所以要更进一步地研究表面图像数据收集技术，这样才能保证在低成本照相机的方法下，依然能够保证混凝土结构的高水平的安全。综上所述，这项研究提议的在一个隧道里由一个移动机器人和一个裂缝察觉系统组成的自动化表面裂缝检查系统，将会比人工的检查更节省资源，效率更高。2、实验情况 在距观察的墙壁有一段固定位移的情况下，移动机器人系统在没有检查员帮助的情况下通过一台CCD照相机获得图像数据。通过表格1提及的两类照相机与表格2的比较描述了在这个研究系统中使用的CCD照相机的性能规格。为了获得更清晰的图像，机器人采用了一台高功率发光器、减震设备和一个以测量系统速度来控制CCD照相机的传感器。为了获得一个0.3毫米/象素的分辨率，系统可以以5千米/小时的速度运行。 裂缝检查系统由能测出裂缝的厚度、长度、方向的软件组成，这些对一个结构表面的检查来说都是非常重要的因素。为了测试这个系统，实验在如图1中所示在大楼和道路隧道内进行。图 13.检查机器人系统3.1.检查 考虑到安全的因素，混凝土的结构被分为裂缝，渗漏，裂片和其他属性检查； 不过，裂缝占有最重要的位置，因为它最影响混凝土的状况 8. 混凝土结构的裂缝起因于不完善的修葺、温度迅速降低引起的收缩、热胀冷缩引起的波动、和扩大的场地而带来的额外负荷。 裂缝可被分为垂直，水平，剪切和复合几类。 大约40%的裂缝是垂直的，11%是水平的，30%剪切，具体请参阅图2。 9. 图2 裂缝的方向3.2.系统配置 移动的机器人系统由视觉，机械，和数据存储设备组成。 这些设备储存着混凝土结构的表面图像，使裂缝和非裂缝地区的分布状态反差最大化和当系统自动移动到和结构平行时使噪音减到最小。 裂缝探测系统其实就是一个从图象数据中筛选并且计算出裂缝的数字化信息的软件。这个软件选出裂缝的长度，宽度和方向。假如需要精密地检查这个结构，裂缝探测系统可以提供帮助信息。移动机器人系统由一台CCD照像机，框架抓钩，控制仪器自动调节焦距设备，减震设备，发光器和测量元件的速度和位置编码器；如图3所示。为了计算结构与机器人的距离，运用速度和位置因素，可以使照像机在无人状态下可以自动调节焦距。3.3.移动机器人系统 机器人有两个被自动助推器独立操作的轮子。 车轮的独立运动运动学模型如图4。在图5中，M点是个基准点，它也是机器人的重心，也是坐标的原点。假设认为机器人的车轮能不断前进在一个没有边的表面上。通过做这个假定，以下的运动学公式可被获得。 说明：(1)是大多数一般化的两轮驱动机器人在运动学上的函数。不过，前两个公式有着不能完全结合的特征，所以很难控制机器人。那个控制点或者车轮连接机器人的点被距它们距离为d的M点分开。当控制点设在机器人的中心时，也就是当d=0，控制点不能被准确连接。不过，当d0时，那些控制点就可以连接到O点。因此，d不能为零，但是一定要足够允许那些控制点可以被设在M点的附近。 这项研究使用了02年出现的机载系统 GSMR (指导型服务移动机器人)的主要硬件和道路跟踪算法。更多的细节数学方法在Ref里有解释。10. 4.裂缝检查算法 4.1.理论算法 裂缝和非裂缝的地区通过他们对比各自的光反射率值来区分。从反射的图像得到的资料会被用于裂缝察觉和物理测量算法。图象处理的全部自动化目前还是很难实现，因为准确的结果很难在不确定的环境里获得。因此，在这项研究过程中，整个裂缝察觉的半自动化算法只能使用图6中的方法实现。虽然裂缝察觉系统的照明装置不是很稳定， 但是在裂缝和非裂缝的地区之间的一种亮度的差别可以用公式(2)的均衡作用达到。式中， sk 获得使正常的灰色素值n 像素个数 nj 含有j灰色素值的像素个数 k 输入的灰色素 通过调和量算子我们可以从图像中提出裂缝信息。如式(3)所示，算子已经获得了对裂口的定向。11. 式中， 从图7我们发现从第二个导数找零点比从第一个导数找最大点容易。图7 零交点的标记剖面图另外，调和量算子是一个不变量，因此被获得的裂口是一个封闭的曲线，这对得到一个包括裂缝裂口的区域是有利的。 作为第2步，因为调和量算子对噪音敏感，系统使用了刚性的高斯型曲线过滤器。 被发现的裂口形成了一个沟壑，这被定义为在两裂口之间的一个最低点，参阅图8。在8图(a)显示的一维外形被扫描产生朝裂口方向的二维图，如图8(b)。图8 裂口的定义.(a)谷的一维图.(b)谷的二维图.当下列条件满足时，从一个裂缝裂口到另一个裂口的扫描将被终止。 首先，当另一裂口被穿过时，最低点的位置被获得并且储存。然后裂缝的宽度就是从它的最低点到它的裂口。其次，如果当前的象素的灰色度水平比任何其他裂口的高，扫描会停止。最后，当扫描的长度比临界值长时，扫描被停止。临界值是在为一次非常有效率的计算作准备因为它能过滤噪音，但是当裂缝的宽度超过临界值，这个裂缝的信息将被略过。从图像中提取出的裂缝信息应该根据它们的连接的类型把它们归类。在图像里，一道裂缝就是一套象素。在这篇文章里，第一个搜索方法是归类法，并且要标记每个裂缝地区。12. 因为图像是不连续的，象素之间的连接可能是比较差的。尤其是给裂缝在相同的地区贴标签时会影响特征的计算。为了解决这个问题，把每部分的斜度计算结果与若干象素一起画出一条直线。如果在他们之间的倾斜度变化很微小，它们就会被合并。 4.2.裂缝的图像搜索法 利用所给的起点和终点，由图像可以得到一张图表，这幅图像的边界是通过最小二乘法估计得到。一幅图像的象素是由一个象素的节点和8个附近的节点连结，使用图6的方法可以找到最短的路径13. 图9描述了一个使用上述方法的例子。最小二乘法操作如下。 第一步：把所以从起点发散的节点输入到一个队列中，上述的节点指针被定义为nA。然后，计算发散节点的距离。 第二步：如果队列是空的，那么结果就是错误的。接着，找出最短的距离的那个节点nI并把它删除掉。假如ni=nb，保留上述的指针在每一个节点和结果中。第三步：假如对第二步的结果不满意，增大节点ni并输入所有的其它的节点到队列中。然后，那上述的节点指针定义为ni并且每个节点的距离，重复第二步。 这种算法总能找到最佳的数值.但是，许多节点的增大可能是因为函数。为了提高效率，在每一个元件的长度一直保持在一个固定值时，常常采用不增大节点这个办法。4.3.裂缝的测量 并非全部预期的裂缝实际上都是真正的裂缝。引起混淆的因素主要包括建筑层，人为标记，噪音或者一个污点。当他们小得足以被认为是噪音、不长和太窄、或者是太直时，潜在的错误区域会被移除，人们常常认为线性是建筑层的特征。 这篇文章把量子用于裂缝的长度，宽度和方向上。当某个区域由裂口组成时，组成这个区域的点的宽度将会被计算。界外值尺寸会由中间过滤器的5段长度平均值得到。这是一个整数中间值。每个区域的宽度都可以用公式(4)计算。裂缝的长度是根据图像像素的数量来决定的。在计算后得每条对角线的长度为1.414，竖直和水平线都为1，真正的长度会被照像机校准测量(图10)。图10 裂缝的测量5.实验 5.1.实验安装 在室内的一个墙壁结构上我们做了一个试验。 车轮上安装有一台编码器的一个移动机器人系统利用照相机获得墙表面的图像。机器人能和墙一直保持着一段恒定的距离。 如果移动的机器人不能和墙保持着一段恒定的距离， 图像将仍能够保持对准焦点，因为我们使用了一台能自动调节的激光距离传感器。为了防止振动从地板传到照相机上，装载照相机的这块平板被钢丝绳拴的很稳定。图11就是机器人室内的使用安装情况。图12 描述了图象处理软件。裂缝信息显示在软件的右边。图13显示了照相机校准的菜单，把输入的每个象素之间的距离转变成毫米，然后这个数据就被系统获得。照相机的校验是在一个表面上有黑色的小圆点的盘子上进行的；他们被间隔5mm地分开。图14显示的是一张覆盖在一幅获得的图像和一些被选出的补偿点上的图片。图11 建筑物里的设备安装图12 裂缝检查的软件系统图13 绘图数据窗口图14 套图塑料膜5.2.实验结果 图15显示的是从室内的结构获得的这幅图像，发现的裂缝则会显示在图16中。在图15的右边显示的两条垂直的线是嵌入在结构里的槽沟。因此，这些直线在它们被分辨出后将会被除去。显示在图15的右边的直线会被排除，因为那些线不是真正的裂缝。图17和18显示的是被处理后的图像数据和被选出的裂缝。因为铁棒的终点线正好足够长，但是改成某些形状后，他们就不会被认为是裂缝了。 为了通过人眼的辨别率，系统通过图画来显示结果。裂缝则使垂直，水平，和斜的校正方向，以及它们的长度，宽度，起点和终点来表达。这篇文章里我们推荐这个裂缝检查系统，虽然它比较依赖操作环境的状况，有一个75-85%的总出错率。但是它认出的裂缝的测量误差是10%或更少。 图19 描述一堵地铁内侧隧道墙的图像。使用我们的系统，这幅图像将会经过图20的判别环节后被选出。这个结果说明被提议的系统能够识别裂缝甚至当它们不是足够长，在形状上很明显需要更多的试验，包括裂片等等。 6.结论 这篇文章提出使用图象处理程序来避免人的检查失误的一个结构裂缝检查系统，这些检查失误包括裂缝的错误判别，效率低，主观性大和数据管理效率低。系统在室内的实验设置已经被证实，包括一个室内的建筑物，一条道路隧道和一条地铁隧道。即使用先进的察觉方法，裂缝和非裂缝的错误的识别仍然存在。因此，考虑到要把错误的点去掉，半自动化系统用图像搜索的方法才能确保如此，这种方法要求用户输入每个裂缝的起点和终点。为了得到一个实用的系统，我们一定要加强对裂缝特性的深度和完全自动化的算法的研究。希望这篇文章能鼓励这样的研究继续下去。附件2：外文原文（复印件） 13 as in To of by a be to a is of to in 26of of by to 1of of by of As of is a be a an of at a an a 7of do An 2006 0% of of A of he of is to an of a to an is to a of in a to a u, of is in to to be +82 31 400 5247; +82 31 406 0926 - 2006 by a of a a(2007) 255of of is it a it 0% 2. 9. of of of of to 12512 20002000 5000of 0/10 m 5/10 m 2/10 Yu et (2007) 255261in a of is it be to a a of In to to an a of a be at a a CD to of of CD in a a to CD To of of of a To of as of of of of 8 mm/in to of 096 3 be as 0% of 11% 1. 2. of 5 M is at 5. of Yu et (2007) 255261if of a of a an to of is of to be an 3. of A of of is 4. of O of It of on a to By (1) is of be to or to is by a of d. is of d=0, d0,is . d be to to be (6. of 7. 1D of 9. Yu et (2007) 255261002. 10by of a is to in a of a of be by q. (2) 0; 1; 2; N L1 2of of j he 8. of (a) 1D of (b) 2D of q. (3) 11./ f 312to to as 10. of Yu et (2007) 255261is so a a a is to a as 8. 8(a) by in of 8(b)to of to a a 11. in a it be be of In an a is a of 12. of 12. be of by To of of a if a a of of an as of a in 139 an as of 13. is 14. Yu et (2007) 255261 is a if is ni in If to ni as ni an a of a if a an or a to be or of of 15. of as a of 16. of of as q. (4)1; N ;of of of a in of by 10)in an an on of a If to of an by To to a 11 12 is on of 1317. of by to a 18. of on 14 is 15 16. to 15 in of on 15 6 J. A. R. of in 465, 1999.7 8 of |), 1998.9 of in 1996.10 of a 2002, 23612366.11 of 1989.12 (1972).13 s 7 (2001)N. Yu et (2007) 25526117 8 of as as as in on of an 585%. of 0% or 19 of a in a an a of 19. of of of by of to a of a be It is . of char C H A N G C H U N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 毕业设计 论文 题目 ： 垂直多关节型工业机器人设计 学生姓名 ： 学院名称 ： 专业名称 ： 班级名称 ： 学 号： 指导教师 ： 教师职称 : 学 历 ： I 摘 要 机器人是一种典型的机电一体化产品， 垂直多关节型 机器人是机器人研究领域的热点。 垂直多关节型 机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的 发展。 本文对一种使用在 多关节型工业机器人 结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机器人模型进行静力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。 关键词： 机械臂 ，结构设计，关节型机器人，结构分析 2 he is a is a is a of is a of a of at of In a in of of of 3 4 5 6 7 8 9 目 录 摘 要 . I . 2 目 录 . 7 第 1 章 绪论 . 12 器人概念 . 12 题研究的背景和意义 . 12 外研究现状 . 13 内机器人的研究 . 14 课题研究内容 . 15 第 2 章 机器人总体设计 . 16 定基本技术参数 . 16 械结构类型的选择 . 16 定负载 . 17 作范围 . 17 作机的驱动系统设计 . 17 制系统选择 . 18 定机器人手臂的配置形式 . 18 器人本体结构设计 . 19 第 3 章 机器人腰部结构设计 . 21 动机的选择 . 21 算传动装置的总传动比和分配各级传动比 . 23 的设计计算 . 23 算各轴转速、转矩和输入功率 . 23 定三根轴的具体尺寸 . 24 定齿轮的参数 . 28 择材料 . 28 力角 的选择 . 28 10 数和模数的选择 . 28 宽系数 d . 29 定齿轮传动的精度 . 29 轮的校核 . 30 体设计 . 33 结 . 34 第 4 章 手腕详细设计说明 . 34 器人驱动方案的 分析和选择 . 34 腕电机的选择 . 35 腕电机的选择 . 35 腕和转腕电机的选择 . 35 动比的确定 . 35 腕总传动比的确定 . 35 腕和摆腕传动比的确定 . 35 动比的分配 . 36 轮的设计 . 36 腕部分齿轮设计 . 36 腕部分齿轮设计 . 42 腕部分齿轮设计 . 43 的设计和校核 . 44 出轴的设计 . 44 动轴的设计 . 45 的强度校核 13 . 46 持器的设计 . 49 体的设计 . 49 第 5 章 单片机电气控制系统设计 . 50 微机数 控系统的设计 . 50 件电路设计 . 50 件电路设计 . 51 11 8031 单片机及其扩展 . 51 031 单片机的简介 . 51 031 单片机的系统扩展 . 52 储器扩展 . 54 I/O 口的扩展 . 56 步进电机驱动电路 . 57 脉冲分配器（环行分配器） . 58 光电隔离电路 . 58 率放大器 . 58 他辅助电路 . 59 总 结 . 61 参考文献 . 62 本科生毕业设 计 12 第 1章 绪论 器人概念 机器人 （ 自动执行工作的机器 装置 。它既 可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以 人工智能 技术制定的原则纲领行动。 它的任务是协助或代替人的工作，如工业，建筑业，或是危险的工作。这是一个产品的先进的集成控制理论，机械电子，计算机，材料和仿生。在工业，医学，农业，建筑业甚至军事等领域中均有重要的应用。 本田公司 器人 现在， 国际 上对 机器 人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身 动力 和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义： “一种可 编程 和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。 ”它能为人类带来许多方便之处。 机器人是近 30 年发展起来的一种典型的、机 电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。 题研究的背景和意义 机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。机器人一词最早出现于 1920年捷克作家 剧本罗萨姆的万能机器人中，在该剧中，机器人“ 个词的本意是指苦力，是剧作家笔下的一 13 个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。随着现代科技 的发展，机器人技术已经广泛应用于人类生活领域，研制具有人类外观特征、可模拟人类行走和其他动作的机器人一直是人类的梦想之一。 机器人是一门综合性很强的科学，有着极其广泛的研究和应用领域。机器人技术是综合了计算机技术、信息融合技术、机构学、传感技术、仿生科学以及人工智能等多学科而形成的高新技术，它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还包括复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。 机器人是机器人技术中的一个重要研究课题，而双足机器人是机器人研究的前奏。步行 技术是人与大多数动物所具有的移动方式，是一种高度自动化的运动，双足步行系统具有非常复杂的动力学特性，对于环境具有很强的适应性，它相对轮式、履带式机器人具有无可比拟的优越性，它可以进入狭窄的作业空间，也可跨越障碍、上下台阶、斜坡及在不平整地面上工作，可以护理老人、康复医学以及在一般家庭的家政服务都可以应用。它适应环境的能力更强，因此具有更加广泛的应用前景。 在机器人的研制中，机器人仿真是机器人研究的一项重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人的运动控制，是一项综 合性有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，提示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不必要的损失。仿真也为机器人本体结构方案设计提供参考依据，并在这台机器上模拟能都实现的功能，使用户直接看到设计效果，及时找出缺点和不足进行改进，避免了大量的物力、人力的浪费 1， 2。 外研究现状 最早系统地研究人类和动物运动原理的是 发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在 1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被 本世纪 30年代到50年代，苏联的 就运动作了非常形象化的描述。 真正全面、系统地开展机器人的研究是始于本世纪 60年代迄今，不仅形成了机器本科生毕业设 计 14 人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机器人样机。这一部分， 我们主要介绍队 60年代到 1985年这一时期，在机器人领域所取得的最重要进展。 在 60年代和 70年代，对机器人控制理论的研究产生了 3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这 3种控制方法对各种类型的机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的 961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的 975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗 鲍宾研究所著名的机器人学专家 969年至 1972年问提出来的。这 3种控制方法之间有一 定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况 1。 在步态研究方面，苏联的 最优步态 ”， 两种步态不仅适应于而且也适应于多足机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机器人在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。 在机器人的稳定性研究方面 ，美国的 倒摆 )，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑， 降阶模型 ”问题进行了研究。 前面我们曾指出 他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中， 姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。 内机器人的研究 我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投 15 入运行。 1986年 3月开始的国家 863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国 国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。 国内机器人的研究也在 863计划和自然科学基金的支持下持续开展了多年，如国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、清华大学、上海交通大学、中国科学技术大学等，都先后开始研制机器人样机 4。 课题研究内容 工业机器人系统设计包括机械系统的设计、电力驱动设计、控制系统的设计。本次毕业设计的主要内容是对工业机器人控制系统的设计，该机电控制系统是以 51系列单片机为核心的控制系统 毕业设计（论文）的主要要求 : （ 1）抓重：额定抓取重 量或称额定负荷，为 1要时注明限定运动速度的抓重 )。 （ 2）自由度数目和坐标形式：整机、手臂和手腕等运动共有 6个自由度。 （ 3）定位方式：固定机械挡块、可调机械挡块、行程开关，电位器及其各种位置设定和检测装置；各个自由度所设定的位置数目或位置信息容量 ;点位控制或连续轨迹控制。 （ 4）驱动方式：直流伺服电机。 手臂运动参数：当手臂的运动速度很高时，手臂在起动和制动过程中会产生很大的冲击和振动，这会影响手臂的定位精度。因此，手臂运动速度应根据生产节拍时间的长短、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。 常 用的最大直线运行速度在 1000m/ 最大回转运行速度一般不超过 120 ， 一般应用的直线速度常在 300200 ， 回转速度在 右。 （ 5）定位精度：位置设定精度及重复定位精度（ ）。 设备总装配图（计算机出图）；设备所有零件图（计算机出图）；手绘图 ；设计图纸数量不少于 3张 纸；设计说明书不少于 文页数不少于 30页；译 文与开题报告不少于 3000字。 本科生毕业设 计 16 第 2章 机器人总体设计 定基本技术参数 械结构类型的选择 为实现总体机构在空间的位置提供的 6 个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案： 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。 直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的 移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。 d. 又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间 形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。 对以上五种方案进行比较：方案一 不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高。 17 定负载 目前 ,国内外使用的工业机器人中 ,其负载能力的范围很大 ,最小的额定负载在 5最大可达 9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。本课题的任务 要求是保证手腕部能承受的最大载荷是 1 作范围 工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的 ,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。 作机的驱动系统设计 机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一体，驱动臂杆和载荷完成指定的运动。通常的机器人驱动方式有以下四种 : 直接实现数字控制，控制结构简单，控制 性能好，而且成本低廉；通 常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。 流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。 流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管 功率晶闸管 场效应管 冲调宽技术 (计算机控制技术的发 展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用 16 位 2 位 环 (位置、速度、电流 )全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。 液压伺服马达具有较大的功率 /体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系本科生毕业设 计 18 统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统 将尽量避免使用该种驱动方式。 常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用的驱动方式。电极驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特点。所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。 本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。 制系统选择 对于焊接机器人这种精 度要求不高的工业机器人，大多采用示教再现编程。示教方式作为一种成熟的技术，易被熟悉工作任务的人员掌握。无论是手把手示教或示教盒示教，都是以在线编程，由示教操作人员操作移动末端执行器和手臂到所需的位置。然后记录（存储）下这些操作和数据。示教过程完成后，即可应用，机器人以再现方式重复进行示教时存于存储器的点位、轨迹和各种操作。再现过程的速度可以与示教时速度不同。 利用示教手柄由人工引导末端执行器经过所要求的轨迹，此时位置传感器就检测出机器人操作机上各关节处的坐标（或转角）值，控制系统的装置记录（储存）下这些数字化的数据信息。再现时，机器人控制系统重复再现示教者示教的轨迹和操作技能。手把手示教也能实现点位控制，所不同的是它只记录各轨迹程序段的两端位置。轨迹运动速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入。 定机器人手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了机器人操作机的总体布局。根据任务要求 ,要实现机器人焊接功能 ,则机器人的工作范围要广 ,所以我选择了立柱式的配置方式。其特点是占地面积小 ,工作范围大 ,机器人手臂可绕立柱回转。 19 器人本体结构设计 图 2机器人传 动原理图 图 2整个机器人本体机械传动系统的简图。机械传动系统共有 30 个齿轮， 为了实现在同一平面改变传递方向 90 ,有 10 个齿轮为圆锥齿轮 ,有利于简化系统运动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构 ,则必然以空间交叉方式变向 ,就不利于简化系统运动方程式的结构形式。 机器人主要由立柱与基座组成的回转基座以及大臂、小臂、手腕组成。 基座是一个铝制的整体铸件，其上装有关节 1 的驱动电机，在基座内安置了关节 1的回转轴及其轴承、轴承座等。 大臂和小臂的结构形式相似，都由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶 接而成。内部铸件既作臂的承力骨架，又作内部齿轮组的轮壳与轴的支承座。 大臂上装有关节 2， 3 的驱动电机，内部装有对应的传动齿轮组。关节 2， 3 都采用了三级齿轮减速，其中第一级采用锥齿轮，以改变传动方向 90。第二、三级均采用圆柱直齿轮进行减速。关节 2 传动的最末一个大齿轮固定在立柱上；关节 3 传动的最末一个大齿轮固定在小臂上。 小臂端部连接具有 3R 手腕，在臂的根部装有关节 4， 5 的驱动电机，在小臂的中部，靠近手腕处，装有关节 6 的驱动电机。关节 4， 5 均采用两级齿轮传动，不同的是关节 4采用两级圆柱直齿轮，而关节 5 采用第一 级圆柱直齿轮，第二级锥齿轮，使传动轴线改变方向 90。关节 6 采用三级齿轮传动，第一级与第二级为锥齿轮，第三级为圆柱直齿本科生毕业设 计 20 轮，关节 4， 5， 6 的齿轮组除关节 4 第一级齿轮装在小臂内以外，其余的均装在手腕内部。 所设计的机器人本体结构特点如下： 用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座，又兼作承力骨架，传递集中载荷。这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体质量减轻。手臂外壁与铸件骨架采用胶接，使连接件减少，工艺简单，减轻了质量。 般在无轴向载荷处，载荷外环采用端面打冲定位的方 法。 c. 采用薄壁轴承与滑动铜衬套，以减少结构尺寸，减轻质量。 d. 有些小尺寸齿轮与轴加工成一体，减少连接件，增加了传递刚度。 e. 大、小臂，手腕部结构密度大，很少有多余空隙。如电机与臂的外壁仅有 腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间。这样使总的尺寸减少，质量减少。 f. 工作范围大，适应性广。 了自身立柱所占空间以外，它的工作空间几乎是他的长臂所能达到的全球空间。再加之其手腕轴的活动角度大，因此使它工作时位姿的适应性强。譬如用手腕拧螺钉，手腕关节 4， 6 配合，一次就能转 1112。 g. 由于结构上采用了刚性齿轮传动，调整齿轮间隙机构，弹性万向联轴器，工艺上加工
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