设计说明书.pdf

1第 1章 绪 机 器 人 由 操 作 机 （ 机 械 本 体 ） 、 控 制 器 、 伺 服 驱 动 系 统 和 检 测 传 感 装 置构 成 ， 是 一 种 仿 人 操 作 、 自 动 控 制 、 可 重 复 编 程 、 能 在 三 维 空 间 完 成 各 种 作 业 的机 电 一 体 化 自 动 化 生 产 设 备 。 特 别 适 合 于 多 品 种 、 变 批 量 的 柔 性 生 产 。 它 对 稳 定 、提 高 产 品 质 量 ， 提 高 生 产 效 率 ， 改 善 劳 动 条 件 和 产 品 的 快 速 更 新 换 代 起 着 十 分 重要 的 作 用 。机 器 人 并 不 是 在 简 单 意 义 上 代 替 人 工 的 劳 动 ， 而 是 综 合 了 人 的 特 长 和 机 器 特长 的 一 种 拟 人 的 电 子 机 械 装 置 ， 既 有 人 对 环 境 状 态 的 快 速 反 应 和 分 析 判 断 能 力 ，又 有 机 器 可 长 时 间 持 续 工 作 、 精 确 度 高 、 抗 恶 劣 环 境 的 能 力 ， 从 某 种 意 义 上 说 它也 是 机 器 的 进 化 过 程 产 物 ， 它 是 工 业 以 及 非 产 业 界 的 重 要 生 产 和 服 务 性 设 备 ， 也是 先 进 制 造 技 术 领 域 不 可 缺 少 的 自 动 化 设 备 。早 在 20世 纪 初 ， 随 着 机 床 、 汽 车 等 制 造 业 的 发 展 就 出 现 了 机 械 手 。 1913年美 国 福 特 汽 车 工 业 公 司 安 装 了 第 一 条 汽 车 零 件 加 工 自 动 线 ， 为 了 解 决 自 动 线 、 自动 机 的 上 下 料 与 工 件 的 传 送 ， 采 用 了 专 用 机 械 手 代 替 人 工 上 下 料 及 传 送 工 件 。 可见 专 用 机 械 手 就 是 作 为 自 动 机 、 自 动 线 的 附 属 装 置 出 现 的 。“工 业 机 器 人 ”这 种 自 动 化 装 置 出 现 的 比 较 晚 。 但 是 自 从 世 界 上 第 一 台 工 业 机器 人 问 世 之 后 ， 不 同 功 能 的 机 器 人 也 相 继 出 现 并 且 活 跃 在 不 同 的 领 域 ， 从 天 上 到地 下 ， 从 工 业 拓 广 到 农 业 、 林 、 牧 、 渔 ， 甚 至 进 入 寻 常 百 姓 家 。 机 器 人 的 种 类 之多 ， 应 用 之 广 ， 影 响 之 深 ， 是 我 们 始 料 未 及 的 。本 课 题 所 指 的 工 业 机 器 人 ， 或 称 机 器 人 操 作 臂 、 机 器 人 臂 、 机 械 手 等 。 从 外形 来 看 ， 它 和 人 的 手 臂 相 似 ， 是 由 一 系 列 刚 性 连 杆 通 过 一 系 列 柔 性 关 节 交 替 连 接而 成 的 开 式 链 。 这 些 连 杆 就 像 人 的 骨 架 ， 分 别 类 似 于 胸 ， 上 臂 和 下 臂 ， 工 业 机 器人 的 关 节 相 当 于 人 的 肩 关 节 、 肘 关 节 和 腕 关 节 。 操 作 臂 的 前 端 装 有 末 端 执 行 器 或相 应 的 工 具 ， 也 常 称 为 手 或 手 爪 。 手 爪 是 由 两 个 或 多 个 手 指 所 组 成 ， 手 指 可 以 “开 ”与 “合 ”， 实 现 抓 去 动 作 和 细 微 操 作 。 手 臂 的 动 作 幅 度 一 般 较 大 ， 通 常 实 现 宏 观 操作 。 工 业 机 器 人 由 主 体 、 驱 动 系 统 和 控 制 系 统 三 个 基 本 部 分 组 成 。 主 体 即 机 座 和执 行 机 构 ， 包 括 臂 部 、 腕 部 和 手 部 ， 有 的 机 器 人 还 有 行 走 机 构 。 大 多 数 工 业 机 器2人 有 3 6个 运 动 自 由 度 ， 其 中 腕 部 通 常 有 1 3个 运 动 自 由 度 ； 驱 动 系 统 包 括动 力 装 置 和 传 动 机 构 ， 用 以 使 执 行 机 构 产 生 相 应 的 动 作 ； 圆 柱 坐 标 型 工 业 机 器 人示 意 图 控 制 系 统 是 按 照 输 入 的 程 序 对 驱 动 系 统 和 执 行 机 构 发 出 指 令 信 号 ， 并 进 行控 制 。由 于 工 业 机 器 人 具 有 一 定 的 通 用 性 和 适 应 性 ， 能 适 应 多 品 种 中 、 小 批 量 的 生产 ， 70年 代 起 ， 常 与 数 字 控 制 机 床 结 合 在 一 起 ， 成 为 柔 性 制 造 单 元 或 柔 性 制 造系 统 的 组 成 部 分 。 在 工 业 生 产 中 能 代 替 人 做 某 些 单 调 、 频 繁 和 重 复 的 长 时 间 作 业 ，或 是 危 险 、 恶 劣 环 境 下 的 作 业 ， 例 如 在 冲 压 、 压 力 铸 造 、 热 处 理 、 焊 接 、 涂 装 、塑 料 制 品 成 形 、 机 械 加 工 和 简 单 装 配 等 工 序 上 ， 以 及 在 原 子 能 工 业 等 部 门 中 ， 完成 对 人 体 有 害 物 料 的 搬 运 或 工 艺 操 作 。机 械 手 虽 然 目 前 还 不 如 人 手 那 样 灵 活 ， 但 它 具 有 能 不 断 重 复 工 作 和 劳 动 、 不知 疲 劳 、 不 怕 危 险 、 抓 举 重 物 的 力 量 比 人 手 大 等 特 点 ， 因 此 ， 机 械 手 已 经 受 到 许多 部 门 的 重 视 ， 并 越 来 越 广 泛 地 得 到 了 应 用 ， 例 如 ：（ 1） 机 床 加 工 工 件 的 装 卸 ， 特 别 是 在 自 动 化 车 床 、 组 合 机 床 上 使 用 较为 普 编 。（ 2） 在 装 配 作 业 中 应 用 广 泛 ， 在 电 子 行 业 中 它 用 来 装 配 印 制 电 路 板 ，在 机 械 行 业 中 它 可 以 用 来 组 装 零 件 。（ 3） 可 在 劳 动 条 件 差 ， 单 调 重 复 易 疲 劳 的 工 作 环 境 工 作 ， 以 代 替 人 的劳 动 。（ 4） 可 在 危 险 场 合 下 工 作 ， 如 军 工 品 的 装 卸 、 危 险 品 级 有 还 、 及 有 害物 的 搬 运 等 。（ 5） 宇 宙 及 海 洋 的 开 发 。（ 6） 军 事 工 程 及 生 物 医 学 方 面 的 研 究 和 试 验 。 人 涉 及 到 机 械 、 电 子 、 控 制 、 计 算 机 、 人 工 智 能 、 传 感 器 、 通 讯 与 网 络等 多 个 学 科 和 领 域 ， 是 多 种 高 新 技 术 发 展 成 果 的 综 合 集 成 。 因 此 它 的 发 展 与 上 述学 科 发 展 密 切 相 关 。 机 器 人 在 制 造 业 的 应 用 范 围 越 来 越 广 阔 ， 其 标 准 化 、 模 块 化 、网 络 化 和 智 能 化 的 程 度 也 越 来 越 高 ， 功 能 越 来 越 强 ， 并 向 着 成 套 技 术 和 装 备 的 方向 发 展 。 机 器 人 应 用 从 传 统 制 造 业 向 非 制 造 业 转 变 ， 向 以 人 为 中 心 的 个 人 化 和 微3小 型 方 向 发 展 ， 并 将 服 务 于 人 类 活 动 的 各 个 领 域 。 总 趋 势 是 从 狭 义 的 机 器 人 概 念向 广 义 的 机 器 人 技 术 (概 念 转 移 ； 从 工 业 机 器 人 产 业 向 解 决 工 程 应 用 方 案 业务 的 机 器 人 技 术 产 业 发 展 。 机 器 人 技 术 （ 的 内 涵 已 变 为 “灵 活 应 用 机 器 人 技术 的 、 具 有 实 在 动 作 功 能 的 智 能 化 系 统 。 ”目 前 ， 工 业 机 器 人 技 术 正 在 向 智 能 机器 和 智 能 系 统 的 方 向 发 展 ， 其 发 展 趋 势 主 要 为 ： 结 构 的 模 块 化 和 可 重 构 化 ； 控 制技 术 的 开 放 化 、 和 网 络 化 ； 伺 服 驱 动 技 术 的 数 字 化 和 分 散 化 ； 多 传 感 器 融合 技 术 的 实 用 化 ； 工 作 环 境 设 计 的 优 化 和 作 业 的 柔 性 化 以 及 系 统 的 网 络 化 和 智 能化 等 方 面 。现 代 科 学 技 术 的 迅 速 发 展 ， 尤 其 是 进 入 20世 纪 80年 代 以 来 ， 机 器 人 技 术 的进 步 与 其 在 各 个 领 域 的 广 泛 应 用 ， 引 起 了 各 国 专 家 学 者 的 普 遍 关 注 。 许 多 发 达 国家 均 把 机 器 人 技 术 的 开 发 、 研 究 列 入 国 家 高 新 技 术 发 展 计 划 。 世 界 各 国 普 遍 在 高等 院 校 为 大 学 本 科 生 及 研 究 生 开 设 了 介 绍 机 器 人 技 术 的 有 关 课 程 。 为 了 培 养 机 器人 开 发 、 设 计 、 生 产 、 维 护 方 面 的 人 才 ， 我 国 很 多 高 校 也 为 本 科 生 和 研 究 生 开 设了 机 器 人 学 课 程 。本 课 题 为 教 师 自 拟 课 题 。 本 文 主 要 针 对 五 自 由 度 工 业 机 器 人 进 行 结 构 设 计 。 外 机 器 人 研 究 现 状国 外 目 前 机 器 人 研 究 的 重 点 主 要 有 以 下 几 个 方 面 ：(1) 机 器 人 操 作 机 ， 通 过 有 限 元 分 析 、 模 态 分 析 及 仿 真 设 计 等 现 代 设 计 方 法的 运 用 ， 机 器 人 操 作 机 己 实 现 了 优 化 设 计 。 以 德 国 司 为 代 表 的 机 器 人公 司 ， 将 机 器 人 并 联 平 行 四 边 形 结 构 改 为 开 链 结 构 ， 拓 展 了 机 器 人 的 工 作 范 围 ，加 之 轻 质 铝 合 金 材 料 的 应 用 大 大 提 高 了 机 器 人 的 性 能 。(2) 并 联 机 器 人 ： 采 用 并 联 机 构 ， 利 用 机 器 人 技 术 ， 实 现 高 精 度 测 量 及 加 工 ，这 是 机 器 人 技 术 向 数 控 技 术 的 拓 展 ， 为 将 来 实 现 机 器 人 和 数 控 技 术 一 体 化 奠 定 了基 础 。 意 大 利 ， 日 本 司 已 开 发 出 了 此 类 产 品 。(3) 控 制 系 统 ： 控 制 系 统 的 性 能 进 一 步 提 高 ， 已 由 过 去 控 制 标 准 的 6轴 机 器人 发 展 到 现 在 能 够 控 制 21轴 甚 至 27轴 机 器 人 ， 并 且 实 现 了 软 件 伺 服 和 全 数 字 控制 。 人 机 界 面 更 加 友 好 ， 基 于 图 形 操 作 的 界 面 也 已 问 世 。 编 程 方 式 仍 以 示 教 编 程为 主 ， 但 在 某 些 领 域 的 离 线 编 程 已 实 现 实 用 化 。4(4) 传 感 系 统 ： 激 光 传 感 器 、 视 觉 传 感 器 和 力 传 感 器 在 机 器 人 系 统 中 已 得 到成 功 应 用 ， 并 实 现 了 焊 缝 自 动 跟 踪 和 自 动 化 生 产 线 上 物 体 的 自 动 定 位 以 及 精 密 装配 作 业 等 ， 大 大 提 高 了 机 器 人 的 作 业 性 能 和 对 环 境 的 适 应 性 。 日 本 典 德 国 司 皆 推 出 了 此 类 产 品 。(5) 网 络 通 信 功 能 ： 日 本 德 国 司 的 最 新 机 器 人 控制 器 已 实 现 了 与 线 及 一 些 网 络 的 联 接 ， 使 机 器 人 由 过 去 的独 立 应 用 向 网 络化 应 用 迈 进 了 一 大 步 ， 也 使 机 器 人 由 过 去 的 专 用 设 备 向 标 准 化 设 备 有 了 发 展 。(6) 可 靠 性 ： 由 于 微 电 子 技 术 的 快 速 发 展 和 大 规 模 集 成 电 路 的 应 用 ， 使 机 器人 系 统 的 可 靠 性 有 了 很 大 提 高 。 过 去 机 器 人 系 统 的 可 靠 性 一 般 为 几 千 小 时 ， 而 现在 已 达 到 5万 小 时 ， 几 乎 可 以 满 足 任 何 场 合 的 需 求 。 内 机 器 人 研 究 现 状随 着 科 学 技 术 和 世 界 各 国 机 器 人 技 术 的 发 展 ， 我 国 在 机 器 人 科 学 研 究 、 技 术开 发 和 应 用 工 程 等 方 面 取 得 了 可 喜 的 进 步 。 从 20世 纪 80年 代 末 到 20世 纪 90年代 ， 国 家 863计 划 把 机 器 人 列 为 自 动 化 领 域 的 重 要 研 究 课 题 ， 系 统 地 开 展 了 机 器人 基 础 科 学 、 关 键 技 术 与 机 器 人 元 部 件 、 先 进 机 器 人 系 统 集 成 技 术 的 研 究 及 机 器人 在 自 动 化 工 程 上 的 应 用 。 在 工 业 机 器 人 选 型 方 面 ， 确 定 以 开 发 点 焊 、 弧 焊 、 喷漆 、 装 配 、 搬 运 等 机 器 人 为 主 。 这 是 中 国 机 器 人 事 业 从 研 制 到 应 用 迈 出 的 重 要 一步 。 一 批 从 事 机 器 人 研 究 、 开 发 、 应 用 的 人 才 和 队 伍 在 实 践 中 成 长 、 壮 大 ， 一 批以 机 器 人 为 主 业 的 产 业 化 基 地 已 经 破 土 而 出 。我 国 近 几 年 机 器 人 自 动 化 生 产 线 已 经 不 断 出 现 ， 并 给 用 户 带 来 显 著 效 益 。 随着 我 国 工 业 企 业 自 动 化 水 平 的 不 断 提 高 ， 机 器 人 自 动 化 线 的 市 场 也 会 越 来 越 大 ，并 且 逐 渐 成 为 自 动 化 生 产 线 的 主 要 方 式 。 我 国 机 器 人 自 动 化 生 产 线 装 备 的 市 场 刚刚 起 步 ， 而 国 内 装 备 制 造 业 正 处 于 由 传 统 装 备 向 先 进 制 造 装 备 转 型 的 时 期 ， 这 就给 机 器 人 自 动 化 生 产 线 研 究 开 发 者 带 来 巨 大 商 机 。 但 是 ， 无 论 从 工 业 机 器 人 的 数量 上 还 是 技 术 上 ， 我 们 都 是 比 较 落 后 的 。 而 我 国 作 为 一 个 工 业 大 国 ， 不 能 寄 希 望从 其 他 国 家 得 到 真 正 的 高 技 术 ， 必 须 自 主 的 发 展 我 国 的 高 技 术 ， 机 器 人 作 为 高 技术 领 域 的 一 个 重 要 分 支 ， 将 成 为 21世 纪 各 国 争 夺 的 经 济 技 术 制 高 点 。 如 何 在 21世 纪 加 速 我 国 机 器 人 的 发 展 ， 使 我 国 早 日 进 入 机 器 人 大 国 行 列 ， 已 成 为 当 务 之 急 。由 于 目 前 我 国 机 器 人 的 基 础 数 量 太 低 ， 以 工 业 机 器 人 为 例 ， 到 了 2010年 我 国 机5器 人 拥 有 量 只 能 达 到 世 界 拥 有 量 2%， 这 与 我 国 作 为 21世 纪 前 半 叶 世 界主 要 制 造 国 的 要 求 差 距 太 大 ， 如 果 这 种 差 距 只 能 以 进 口 机 器 人 来 弥 补 ， 其 巨 大 损失 不 是 可 以 用 货 币 损 失 来 计 算 的 。 可 见 ， 无 论 从 资 金 方 面 考 虑 ， 还 是 从 长 远 利 益考 虑 ， 我 们 有 必 要 自 主 地 对 机 器 人 进 行 研 究 和 开 发 。但 是 由 于 国 内 机 器 人 的 科 研 与 开 发 与 国 外 尚 有 较 大 差 距 ， 虽 然 计 划 开 发 的 机器 人 基 本 上 采 用 的 是 在 国 外 基 木 成 熟 的 技 术 ， 但 国 内 各 单 位 对 这 些 技 术 的 了 解 有相 当 部 分 还 停 留 在 文 献 上 或 局 部 技 术 上 。 所 以 我 们 应 该 从 基 本 做 起 ， 有 必 要 研 制少 数 型 号 的 机 器 人 和 开 展 一 批 基 础 技 术 研 究 作 为 机 器 人 课 题 的 主 要 研 究 与 开 发内 容 。五”中 国 工 业 机 器 人 现 在 的 总 装 机 量 约 为 1200台 ， 其 中 国 产 机 器 人 占 有 量 约 为1/3， 即 400多 台 。 与 世 界 机 器 人 总 装 机 台 数 75万 台 相 比 ， 中 国 总 装 机 量 仅 占 万分 之 十 六 。 对 中 国 这 样 一 个 12亿 人 口 的 大 国 来 说 ， 差 距 是 很 明 显 的 。 装 机 数 量少 ， 说 明 了 我 国 的 工 业 化 程 度 与 工 业 发 达 国 家 的 差 距 大 。 因 为 工 业 机 器 人 的 诞 生和 应 用 发 展 是 以 工 业 生 产 高 度 自 动 化 和 柔 性 化 为 大 背 景 的 。 除 数 量 外 ， 差 距 还 表现 在 已 有 的 机 器 人 的 利 用 率 不 高 ， 以 进 口 的 弧 焊 机 器 人 为 例 ， 据 调 查 ， 完 全 正 常运 转 ， 充 分 发 挥 效 益 效 益 的 只 占 1/3； 另 外 1/3处 于 负 荷 不 满 或 不 能 安 全 正 常 运转 状 态 ， 原 因 是 生 产 管 理 及 使 用 维 护 存 在 不 合 理 现 象 或 问 题 ； 还 有 1/3不 能 正 常使 用 ， 这 是 由 于 机 器 人 质 量 问 题 或 缺 乏 备 件 ， 以 及 请 不 起 外 方 维 修 人 员 造 成 的 。机 器 人 应 用 效 果 不 理 想 ， 直 接 影 响 了 用 户 使 用 更 多 机 器 人 的 信 心 。我 国 有 组 织 有 计 划 地 发 展 机 器 人 事 业 ， 应 该 说 是 从 “七 五 ”期 间 的 科 研 攻 关 及实 施 “863计 划 ”开 始 的 ， 经 过 十 几 年 来 的 研 制 、 生 产 、 应 用 ， 从 纵 向 看 ， 有 了 长足 的 进 步 。 目 前 在 一 些 机 种 方 面 ， 如 喷 涂 机 器 人 、 弧 焊 机 器 人 、 点 焊 机 器 人 、 搬运 机 器 人 、 装 配 机 器 人 、 特 种 机 器 人 (水 下 、 爬 壁 、 管 道 、 遥 控 等 机 器 人 )， 基 本掌 握 了 机 器 人 操 作 机 的 设 计 制 造 技 术 ， 解 决 了 控 制 ， 驱 动 系 统 的 设 计 和 配 置 、 软件 的 设 计 和 编 制 等 关 键 技 术 ， 还 掌 握 了 自 动 化 喷 漆 线 、 弧 焊 自 动 线 (工 作 站 )及 其周 边 配 套 设 备 的 全 线 自 动 通 信 、 协 调 控 制 技 术 ； 在 基 础 元 件 方 面 ， 谐 波 减 速 器 、机 器 人 焊 接 电 源 、 焊 缝 自 动 跟 踪 装 置 也 有 了 突 破 ； 于 此 同 时 造 就 了 一 支 具 有 一 定6水 平 的 技 术 队 伍 。 无 疑 ， 从 技 术 方 面 来 说 ， 我 国 的 机 器 人 技 术 在 世 界 机 器 人 界 已有 一 席 之 地 ， 奠 定 了 独 立 自 主 发 展 中 国 机 器 人 事 业 的 基 础 ； 从 社 会 经 济 角 度 来 看 ，我 国 机 器 人 技 术 的 发 展 ， 为 中 、 外 机 器 人 产 品 打 开 中 国 市 场 准 备 了 物 质 和 人 员 条件 。 根 据 国 内 外 机 器 人 发 展 的 经 验 、 现 状 及 近 几 年 的 动 态 ， 结 合 当 前 国 内 经 济 发展 的 具 体 情 况 ， “十 五 ”期 间 机 器 人 技 术 应 重 点 开 展 智 能 机 器 人 、 机 器 人 化 机 械 及其 相 关 技 术 的 开 发 及 应 用 ； 开 展 以 机 器 人 为 基 础 的 重 组 装 配 系 统 及 其 相 关 技 术 的开 发 研 究 及 加 强 多 传 感 器 融 合 及 决 策 、 控 制 一 体 化 技 术 及 应 用 的 研 究 。 重 点 解 决我 国 已 研 制 应 用 多 年 的 示 教 再 现 型 工 业 机 器 人 的 产 业 化 前 期 关 键 技 术 ， 大 力 推 进其 产 业 化 进 程 ， 力 争 在 “十 五 ”末 期 实 现 喷 涂 、 焊 接 、 装 配 等 机 器 人 的 产 业 化 。 研 究 内 容(1)示 教 再 现 型 工 业 机 器 人 产 业 化 技 术 研 究 关 节 式 、 侧 喷 式 、 顶 喷 式 、 龙 门 式 喷 涂 机 器 人 产 品 标 准 化 、 通 用 化 、 模 块化 、 系 列 化 设 计 。 柔 性 仿 形 喷 涂 机 器 人 开 发 ： 柔 性 仿 形 复 合 机 构 开 发 ， 仿 形 伺 服 轴 轨 迹 规 划研 究 ， 控 制 系 统 开 发 ， 整 机 安 全 防 爆 、 防 护 技 术 开 发 ， 高 速 喷 杯 喷 涂 工 艺 研 究 。 焊 接 机 器 人 （ 把 弧 焊 与 点 焊 机 器 人 作 为 负 载 不 同 的 一 个 系 列 机 器 人 ， 可 兼作 弧 焊 、 点 焊 、 搬 运 、 装 配 、 切 割 作 业 ） 产 品 的 标 准 化 、 通 用 化 、 模 块 化 、 系 列化 设 计 。 弧 焊 机 器 人 用 激 光 视 觉 焊 缝 跟 踪 装 置 的 开 发 ： 激 光 发 射 器 的 选 用 ， 系 统 ， 视 觉 图 象 处 理 技 术 ， 视 觉 跟 踪 与 机 器 人 协 调 控 制 。 焊 接 机 器 人 的 离 线 示 教 编 程 及 工 作 站 系 统 动 态 仿 真 。 电 子 行 业 用 装 配 机 器 人 产 品 标 准 化 、 通 用 化 、 模 块 化 、 系 列 化 设 计 。 批 量 生 产 机 器 人 所 需 的 专 用 制 造 、 装 配 、 测 试 设 备 和 工 具 的 研 究 开 发 。(2)智 能 机 器 人 开 发 研 究 遥 控 加 局 部 自 主 系 统 构 成 和 控 制 策 略 研 究包 括 建 模 遥 控 机 器 人 模 型 ， 人 行 为 模 型 ， 人 控 制 动 态 建 模 ， 图 形 仿 真 建 模 ，虚 拟 工 具 和 虚 拟 传 感 器 建 模 ； 以 人 为 主 体 的 人 机 共 享 规 划 与 控 制 ； 局 部 自 治 控 制 ；多 传 感 融 合 技 术 ； 双 向 力 反 应 控 制 ； 知 识 库 的 建 立 ， 学 习 与 推 理 方 法 ； 人 机 交 互的 高 级 控 制 技 术 ； 虚 拟 现 实 （ 控 制 与 真 实 世 界 控 制 的 相 互 关 系 ； 监 控 系 统7的 结 构 。 智 能 移 动 机 器 人 的 导 航 和 定 位 技 术 研 究包 括 导 航 和 定 位 系 统 的 系 统 结 构 ； 在 结 构 环 境 或 非 结 构 环 境 中 导 航 和 定 位 方法 研 究 ； 感 知 系 统 的 传 感 器 和 信 息 处 理 系 统 的 构 成 ； 根 据 传 感 器 数 据 建 立 环 境 模型 的 方 法 ； 模 糊 逻 辑 的 推 理 方 法 用 于 移 动 机 器 人 导 航 的 研 究 。 面 向 遥 控 机 器 人 的 虚 拟 现 实 系 统包 括 人 机 交 互 图 形 生 成 及 其 程 序 设 计 ； 遥 控 机 器 人 （ 载 体 和 机 械 手 ） 几 何 动态 图 形 建 模 ； 遥 控 操 作 环 境 图 形 建 模 ； 遥 控 机 器 人 操 作 与 数 据 的 获 取 ； 虚 拟 传 感器 及 基 于 虚 拟 传 感 器 的 双 向 力 反 应 、 反 馈 控 制 ； 面 向 任 务 的 虚 拟 工 具 ； 基 于 虚 拟现 实 的 遥 控 操 作 的 理 论 与 方 法 ； 基 于 操 作 和 真 实 世 界 操 作 的 可 切 换 、 相容 性 和 可 交 换 性 ； 系 统 。 人 机 交 互 环 境 建 模 系 统包 括 中 的 人 机 交 互 技 术 ； 求 知 模 型 工 件 的 反 示 过 程 中 的 交 互 技 术 ；机 器 人 与 环 境 的 布 局 及 功 能 验 证 中 的 交 互 技 术 ； 传 感 器 数 据 处 理 中 的 交 互 技 术 ；机 器 人 标 定 、 运 动 学 建 模 、 动 力 学 建 模 中 的 交 互 技 术 。 基 于 计 算 机 屏 幕 的 多 机 器 人 遥 控 技 术包 括 三 维 立 体 视 觉 建 模 ； 模 型 的 计 算 机 显 示 ； 遥 控 机 器 人 模 型 的 控 制 ； 人 机接 口 ； 网 络 通 讯 。(3)机 器 人 化 机 械 研 究 开 发 并 联 机 构 机 床 （ 与 机 器 人 化 加 工 中 心 （ 开 发 研 究包 括 化 结 构 实 现 技 术 ； 传 动 实 现 技 术 ； 工 、 装 配 、 摆 放 、 涂 胶 、 检 测 作 业 技 术 ； 控 检测 技 术 开 发 ； 能 化 开 式 制 系 统 开 发 ； 系 统 软 件 和 应 用 软件 开 发 ； 智 能 化 机 构 、 材 料 机 电 一 体 化 技 术 ； 作 业 状 态 变 量 智 能 化 传 感 技 术 ； 机电 一 体 化 的 多 功 能 及 灵 巧 作 业 终 端 ； 通 用 智 能 化 开 式 硬 软 件 系 统 ； 并联 机 构 运 动 学 及 动 力 学 理 论 ； 能 控 制 理 论 ； 型 应 用 工 程开 发 。 机 器 人 化 无 人 值 守 和 具 有 自 适 应 能 力 的 多 机 遥 控 操 作 的 大 型 散 料 输 送 设备 包 括 散 料 输 送 系 统 监 控 和 遥 控 操 作 的 传 感 器 融 合 和 配 置 技 术 ； 采 用 智 能 传 感8器 的 现 场 总 线 技 术 ； 机 器 人 运 动 规 划 在 等 量 堆 取 料 、 自 主 操 作 中 的 应 用 ； 基 于 广域 网 的 远 程 实 时 通 讯 ； 具 有 监 测 和 管 理 功 能 的 故 障 诊 断 系 统 。(4)以 机 器 人 为 基 础 的 重 组 装 配 系 统 开 放 式 模 块 化 装 配 机 器 人包 括 通 用 要 素 的 提 取 ； 专 用 件 标 准 化 ； 装 配 机 器 人 模 块 ； 通 用 主流 计 算 机 构 造 的 控 制 器 ； 人 机 界 面 方 式 ； 网 络 功 能 。 面 向 机 器 人 装 配 的 设 计 技 术包 括 数 字 化 装 配 与 技 术 ； 产 品 机 器 人 化 装 配 规 划 生 成 技 术 ； 产 品可 装 配 性 模 糊 评 价 。 机 器 人 柔 性 装 配 系 统 设 计 技 术其 中 单 元 技 术 ： 供 料 系 统 智 能 化 设 计 、 末 端 执 行 器 快 速 执 行 、 物 流 传 输 及 其控 制 与 通 讯 ； 集 成 技 术 ： 柔 性 装 配 线 仿 真 软 件 、 管 理 系 统 。 可 重 构 机 器 人 柔 性 装 配 系 统 设 计 技 术开 展 基 于 任 务 和 环 境 的 动 态 重 构 机 器 人 柔 性 装 配 系 统 理 论 研 究 ； 系 统 基 于 自治 体 （ 的 分 布 式 控 制 技 术 及 系 统 各 单 元 体 间 的 协 作 规 划 。 装 配 力 觉 、 视 觉 技 术包 括 高 精 度 、 高 集 成 化 六 维 腕 力 传 感 技 术 ； 视 觉 识 别 与 定 位 技 术 。 智 能 装 配 策 略 及 其 控 制包 括 装 配 状 态 实 时 检 测 和 监 控 ； 装 配 顺 序 和 路 径 智 能 规 划 及 控 制 技 术 。(5)多 传 感 器 信 息 融 合 与 配 置 技 术 机 器 人 的 传 感 器 配 置 和 融 合 技 术 在 水 泥 生 产 过 程 控 制 和 污 水 处 理 自 动 控制 系 统 中 的 应 用包 括 面 向 工 艺 过 程 的 多 传 感 器 融 合 和 配 置 技 术 ； 采 用 智 能 传 感 器 的 现 场 总 线技 术 ； 面 向 工 艺 要 求 的 新 型 传 感 器 研 制 。 机 电 一 体 化 智 能 传 感 器包 括 具 有 感 知 、 自 主 运 动 、 自 清 污 （ 自 调 整 、 自 适 应 ） 的 机 电 一 体 化 传 感 器研 究 ； 面 向 工 艺 要 求 的 运 动 机 构 设 计 、 实 现 检 测 和 清 污 的 自 主 运 动 ； 调 节 控 制 系统 ； 机 器 人 机 构 和 控 制 技 术 在 传 感 器 设 计 中 的 应 一 种 五 自 由 度 可 重 构 模 块 化 机 器 人 手 臂 。 它 包 括 大 臂 、 小 臂 和 控 制 系 统 ，大 臂 为 一 个 底 座 依 次 连 接 第 一 关 节 和 第 二 关 节 构 成 ， 第 一 关 节 做 回 转 运 动 ， 第 二关 节 做 摆 动 运 动 ， 小 臂 为 依 次 连 接 的 第 三 关 节 、 第 四 关 节 和 第 五 关 节 构 成 ， 该 三个 关 节 均 做 回 转 运 动 ； 五 个 关 节 均 为 模 块 化 关 节 ， 通 过 四 个 连 接 架 依 次 顺 序 连 接成 一 个 开 链 的 空 间 机 构 ， 具 有 五 个 自 由 度 。 本 机 器 人 手 臂 在 控 制 系 统 的 作 用 下 完成 各 种 特 定 的 动 作 。 运 用 件 绘 制 装 配 图 、 部 件 图 、 零 件 图 。10第 2章 五 自 由 度 机 器 人 的 总 体 设 计该 设 计 的 目 的 是 为 了 设 计 一 台 五 自 由 度 的 机 器 人 ， 本 章 主 要 对 该 机 器 人 的 机械 结 构 部 分 进 行 设 计 和 分 析 。 体 设 计 的 思 路设 计 机 器 人 大 体 上 可 分 为 两 个 阶 段 ：(1) 系 统 分 析 阶 段 根 据 系 统 的 目 标 ， 明 确 所 采 用 机 器 人 的 目 的 和 任 务 ； 分 析 机 器 人 所 在 系 统 的 工 作 环 境 ； 根 据 机 器 人 的 工 作 要 求 ， 确 定 机 器 人 的 基 本 功 能 和 方 案 。 如 机 器 人 的 自 由度 、 信 息 的 存 储 量 、 计 算 机 功 能 、 动 作 精 度 的 要 求 、 容 许 的 运 动 范 围 、 以 及 对 温度 、 震 动 等 环 境 的 适 应 性 。(2) 技 术 设 计 阶 段 根 据 系 统 的 要 求 确 定 机 器 人 的 自 由 度 和 允 许 的 空 间 工 作 范 围 ， 选 择 机 器 人的 坐 标 形 式 ； 拟 订 机 器 人 的 运 动 路 线 和 空 间 作 业 图 ； 确 定 驱 动 系 统 的 类 型 ； 选 择 各 部 件 的 具 体 结 构 ， 进 行 机 器 人 总 装 图 的 设 计 ； 绘 制 机 器 人 的 零 件 图 ， 并 确 定 尺 寸 。 由 度 和 坐 标 系 的 选 择机 器 人 的 运 动 自 由 度 是 指 各 运 动 部 件 在 三 维 空 间 相 当 于 固 定 坐 标 系 所 具 有的 独 立 运 动 数 ， 对 于 一 个 构 件 来 说 ， 它 有 几 个 运 动 坐 标 就 称 其 有 几 个 自 由 度 。 各运 动 部 件 自 由 度 的 总 和 为 机 器 人 的 自 由 度 数 。 机 器 人 的 手 部 要 像 人 手 一 样 完 成 各种 动 作 是 比 较 困 难 的 ， 因 为 人 的 手 指 、 掌 、 腕 、 臂 由 19个 关 节 组 成 ， 共 有 27个 自由 度 。 而 生 产 实 践 中 不 需 要 机 器 人 的 手 有 这 么 多 的 自 由 度 一 般 为 3 不 包 括手 部 ） 。 本 次 设 计 的 机 器 人 为 5自 由 度 。工 业 机 器 人 的 结 构 形 式 主 要 有 直 角 坐 标 结 构 、 圆 柱 坐 标 结 构 、 球 坐 标 结 构 、关 节 型 结 构 四 种 。 各 结 构 形 式 及 其 相 应 的 特 点 ， 分 别 介 绍 如 下 :(1) 直 角 坐 标 机 器 人 结 构11直 角 坐 标 机 器 人 的 空 间 运 动 是 用 三 个 相 互 垂 直 的 直 线 运 动 来 实 现 的 ， 如 图2-1(a)所 示 。 由 于 直 线 运 动 易 于 实 现 全 闭 环 的 位 置 控 制 ， 所 以 ， 直 角 坐 标 机 器 人有 可 能 达 到 很 高 的 位 置 精 度 （ 。 但 是 ， 这 种 直 角 坐 标 机 器 人 的 运 动 空 间 相对 机 器 人 的 结 构 尺 寸 来 讲 ， 是 比 较 小 的 。 因 此 ， 为 了 实 现 一 定 的 运 动 空 间 ， 直 角坐 标 机 器 人 的 结 构 尺 寸 要 比 其 他 类 型 的 机 器 人 的 结 构 尺 寸 大 得 多 。直 角 坐 标 机 器 人 的 工 作 空 间 为 一 空 间 长 方 体 。 直 角 坐 标 机 器 人 主 要 用 于 装 配作 业 及 搬 运 作 业 ， 直 角 坐 标 机 器 人 有 悬 臂 式 ， 龙 门 式 ， 天 车 式 三 种 结 构 3。(2) 圆 柱 坐 标 机 器 人 结 构圆 柱 坐 标 机 器 人 的 空 间 运 动 是 用 一 个 回 转 运 动 及 两 个 直 线 运 动 来 实 现 的 ， 如图 2b） 。 这 种 机 器 人 构 造 比 较 简 单 ， 精 度 还 可 以 ， 常 用 于 搬 运 作 业 。 其 工 作空 间 是 一 个 圆 柱 状 的 空 间 。(3) 球 坐 标 机 器 人 结 构球 坐 标 机 器 人 的 空 间 运 动 是 由 两 个 回 转 运 动 和 一 个 直 线 运 动 来 实 现 的 ， 如 图2c） 。 这 种 机 器 人 结 构 简 单 、 成 本 较 低 ， 但 精 度 不 很 高 。 主 要 应 用 于 搬 运 作业 。 其 工 作 空 间 是 一 个 类 球 形 的 空 间 3。(4) 关 节 型 机 器 人 结 构关 节 型 机 器 人 的 空 间 运 动 是 由 三 个 回 转 运 动 实 现 的 ， 如 图 2d） 。 关 节 型机 器 人 动 作 灵 活 ， 结 构 紧 凑 ， 占 地 面 积 小 。 相 对 机 器 人 本 体 尺 寸 ， 其 工 作 空 间 比较 大 。 此 种 机 器 人 在 工 业 中 应 用 十 分 广 泛 ， 如 焊 接 、 喷 漆 、 搬 运 、 装 配 等 作 业 ，都 广 泛 采 用 这 种 类 型 的 机 器 人 。关 节 型 机 器 人 结 构 ， 有 水 平 关 节 型 和 垂 直 关 节 型 两 种 。根 据 要 求 及 在 实 际 生 产 中 的 用 途 ， 本 次 设 计 的 机 械 手 采 用 立 式 关 节 型 。a)直 角 坐 标 型 b)圆 柱 坐 标 型 c)球 坐 标 型 d)关 节 型图 2 种 机 器 人 坐 标 形 臂 结 构 方 案 设 计手 臂 的 总 体 设 计 是 工 业 机 器 人 设 计 的 首 要 问 题 ， 主 要 有 包 括 总 体 方 案 设 计 和基 本 技 术 参 数 设 计 。 器 人 手 臂 自 由 度 的 分 配 和 构 形手 臂 是 执 行 机 构 中 的 主 要 运 动 部 件 ， 它 用 来 支 承 腕 关 节 和 末 端 执 行 器 ， 并 使它 们 能 在 空 间 运 动 。 为 了 使 手 部 能 达 到 工 作 空 间 的 任 意 位 置 ， 手 臂 一 般 至 少 有 三个 自 由 度 ， 少 数 专 用 的 工 业 机 器 人 手 臂 自 由 度 少 于 三 个 。本 课 题 要 求 机 器 人 手 臂 能 达 到 工 作 空 间 的 任 意 位 置 和 姿 态 ， 同 时 要 结 构 简单 ， 容 易 控 制 。 综 合 考 虑 后 确 定 该 机 器 人 具 有 五 个 自 由 度 ， 其 中 大 臂 两 个 自 由 度 ，包 括 回 转 运 动 和 摆 动 运 动 。 小 臂 部 分 三 个 自 由 度 ， 均 为 回 转 运 动 。 由 于 在 同 样 的体 积 条 件 下 ， 关 节 型 机 器 人 比 非 关 节 型 机 器 人 有 大 得 多 的 相 对 空 间 和 绝 对 工 作 空间 ， 结 构 紧 凑 ， 同 时 关 节 型 机 器 人 的 动 作 和 轨 迹 更 灵 活 ， 因 此 该 型 机 器 人 采 用 关节 型 机 器 人 的 结 构 。旋 转 关 节 相 对 平 移 关 节 来 讲 ， 操 作 空 间 大 ， 结 构 紧 凑 ， 重 量 轻 ， 关 节 易 于 密封 防 尘 。 这 里 机 器 人 手 臂 使 用 了 四 个 旋 转 关 节 ， 综 合 各 种 手 臂 构 形 ， 最 后 确 定 其结 构 形 式 如 下 。该 机 器 人 手 臂 有 四 个 转 动 关 节 ， 通 常 腰 关 节 的 转 轴 是 铅 垂 的 ， 手 臂 在 水 平 面内 可 绕 腰 关 节 轴 转 动 ， 肩 关 节 和 肘 关 节 的 转 轴 平 行 ， 且 都 平 行 于 水 平 面 ， 故 手 臂可 在 垂 直 面 内 转 动 。 由 三 个 转 动 关 节 构 成 的 关 节 组 联 接 在 小 臂 杆 的 端 部 ， 模 拟 人的 手 腕 ， 决 定 末 端 件 的 姿 态 。 在 运 动 学 结 构 上 ， 这 类 机 器 人 最 像 人 的 手 臂 ， 因 而结 构 最 紧 凑 ， 柔 性 最 好 ， 可 达 空 间 最 大 ， 它 甚 至 可 以 绕 过 障 碍 物 到 达 目 标 点 ， 因而 是 机 器 人 中 最 有 前 途 的 一 种 。 但 由 于 三 个 关 节 都 是 转 动 的 ， 故 臂 端 的 分 辨 率 完13全 取 决 于 它 在 工 作 空 间 中 的 位 置 。 另 外 ， 位 置 精 度 也 较 差 。 器 人 手 臂 结 构 方 案 的 对 比 分 析 及 选 择参 考 国 内 外 工 业 机 器 人 的 典 型 结 构 ， 初 步 对 各 个 回 转 关 节 的 结 构 单 独 分 析 。(1) 腰 部 回 转 关 节图 2 部 回 转 示 意 图 1 图 2 部 回 转 示 意 图 2方 案 一 ： 如 图 2 ， 电 机 安 装 在 底 座 下 面 ， 其 输 出 轴 经 减 速 器 减 速 后 ，直 接 带 动 第 一 关 节 输 出 轴 ， 使 整 个 腰 部 在 基 座 上 回 转 。方 案 二 ： 如 图 2 ， 电 机 安 装 在 底 座 上 面 ， 其 输 出 轴 先 经 谐 波 减 速 器 减速 ， 再 经 一 对 齿 轮 减 速 后 ， 由 第 一 关 节 输 出 轴 带 动 整 个 腰 部 在 基 座 上 回 转 。两 种 方 案 在 传 动 实 现 上 ， 都 是 可 行 的 。 均 采 用 了 减 速 比 大 、 体 积 小 、 重 量 轻 、精 度 高 、 回 差 小 、 承 载 力 大 、 噪 音 小 、 效 率 高 、 定 位 安 装 方 便 的 谐 波 减 速 器 。 虽然 方 案 二 在 安 装 和 维 修