并联六自由度微动机器人机构设计（全套含CAD图纸）
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英文资料 . UK We to a of to to a of M). We is of It is no is a of to to to In we by 1. by a of to be in et 1999). We a to of a of in 2002). of of we to to of we to to is of is as as In we we a we a as a in a an is a of to We do to a to at we to to 2. we to is a of to of is in of of We to of in we we to of of we as to we of of of of to is no be to as as of we to is * to * to as a to to is as in is a in in us to to of to be of is in to to to a to do a . to in a of to to is or to is to An is to a a is to in in is is a a of to “ go a ) so is to to he of is in of in K, a of 5 a of s of of to of 3. a ur in et 1999, et 1998), in I, us in of An is of it to to et 1999). We of be it it if at be us in as of be an * be to * be * be by * on to In an to to an it to up so In of to of is a in of in : in to be of in is of of be of a CX we do at n of is of of or 1986) to to if is as by of on of is 1982). 4. e a of an we to in to in to to a - of - - to - - of - - - - - of - . e is a a of no or is an is to us to an to a a in to a in as as in a of an of is to to or we we to a a to a 译文 使用 器人讲授机器人技术 作者： . 摘要 我们打算给出一个使用 “ 器人开发系统”针对不同的学习者讲授机器人课的一些教育手段。我们简要的回顾了当前可用的编程环境，并且评价了它们对我们所选择的对象的适用性。易用和功能强大之间通常是互斥的，不可能提出一个单一的编程环境适合于所有的学习者，作为一种替代方案，一个从 始、经历图形化编程环境、直到文本语言的一个递进的环境似乎是我们开展这方面教育所能提供的最佳方法。在本文中，我们综合了我们的想法并展示给大家，希望得到各机器人社团的建设性的意见。 一、引言 机器人技术在讲授科学和技术方面是积极而有益的，这个观点已被许多研究人员所证明（ 人， 1999）。我们确信：机器人是刺激学习的一种强有力的方法，机器人的构建和编程要使用很广泛的科学和工程原理，以及现代技术经济中的关键技能（ 2002），这些技能需要团队合作、周密的计划以及完整的工作 记录。 假设我们想要用 教的内容的深度和广度是：从简单编程到工程原理和仿真，而且我们想要服务的对象范围从小孩到成熟的大学生，语言既要复杂又要是有权威的。因为高质量教育器材的大规模产品是昂贵的，这中间既有经济上的原因，也有教育上的原因。 在本文中，我们没有刻意将编程环境和语言分开，而且我们给了术语 语言、编程环境一个宽松的解释。例如，我们把用于创建代码的“拖 放”环境视为“语言”，同样的情况，对于常见的文本语言只能视为编辑环境。 这篇文章是我们迄今为止研究和分析的总结，我们不期望 在这个时候给出这个问题的最终答案，我们希望读者也提出自己的论点。 二、我们教什么？ 教谁？为什么目的？ 对于成人和孩子，不论男女，机器人都普遍存在广泛的吸引力，这在机器人主演的电视节目的成功上，不断成长的机器人竞赛中可以明显的感受到。我们有强烈的教育愿望，并且希望抓住所有这些人的兴趣和狂热，使之服务于更广泛的教育目的。编程环境 语言的选择必须适应我们的教学对象、我们想要教他们的内容以及我们深层次的教育目标。 如此宽泛的群体使得语言环境的选择复杂化，尽管我们假设某些学生将作为机器人技术的初学者开始我们的课程， 但是我们所作的假设中关于已有的技能、学习的速度以及基本概念的水平在不同的群体中仍会存在差异，才识字的孩子的需要与较高文化层次的大学生是不同的，而大学生又不同于重新接受教育的成年学生的需要。这说明：不存在一个完美的编程环境，我们的目标必须是现实的：使尽可能多的学生最好的使用我们提供的资源。 （一）、我们要教什么？为什么教？ 我们的计划分两部分： 教机器人技术本身； 用机器人技术作为出发点，进一步激发学习愿望。 机器人技术本身是多学科的，它包含：机械工程、电子、控制、通讯、视觉处理、实时并行计算以及系统设计 。所有这些在我们的教学中都要涉及到。 机器人技术还是一种很好的载体，可用于培养关键技能（如：团队合作、批判性思维、计划、科学观察、完整的纪录等），还可用于加强物理、数学、计算的基本能力，同时还可以引入仿真、人工智能、人工识别等现代概念。 此外，机器人引出了关于我们与现代技术及其潜能之间关系的深层问题，从而允许我们处理围绕技术的使用带来的伦理、社会问题。 （二）、 使用机器人在理论和实践之间建立桥梁 传统的计算机教学方法往往是抽象的，学生们常常难于推导程序的运行状态并识别它们动作的相互关联。问题是：因为需要提 供给编程者足够的功能，通用的语言是复杂的，而这对初学者而言是不幸的，通常意味着：你需要为做很少的事而知道很多。 许多语言要求用户键入大量的代码去产生一些相对无价值的结果。任何学生在能写程序之前必须学习语法（这使人有挫折感），或者必须输入一些对他们毫无意义的代码。一种替代的方法是使用图形化的编程环境。 使用合适的环境给机器人编程（这个环境提供强大的可视化符号并且支持语法纠正）的优点是： 1. 形象化：学生所编程的内容是他们能够处理的，而且能够以他们在现实世界中所观察到的方式去运行； 2. 循序渐进； 3. 可以创新； 4. 可 有多种解决方案； 5. 允许处理一些不太合乎逻辑的操作； 6. 提供直接的反馈； 7. 具有习性（因此鼓励个性化）； 8. 使用多种技能； 9. 让完全初学者能创造出一个有趣的成果；（例如：“去收集一个网球”一定比“打印 有趣） 迄今为止，我们的经验是给机器人编程可以帮助学习者建立理论与实践之间的桥梁，从而使他们从自己的亲身体验中得到原理。 （三）、 机器人是引人入胜的 从以机器人为主角的电视节目的成功上可以明显看出机器人的吸引力，例如：英国的 们吸引了大量的几乎所有年龄段的观众。机器人诞生 75 年来已经成为大众文化的主题之一，近期的电影（如斯皮尔伯格的 已经激起了关于机器人潜能的广泛讨论，而 司 登场也吸引了主要媒体的关注。机器人竞赛受到参与者和观众同样的欢迎。机器人对所有性别的成人和孩子都具有吸引力。 三、选择一个编程环境 在选择合适的编程环境 /语言性能方面，我们教计算机课的经验（ 人， 1999， 人， 1998）以及软件工程和人工智能方面的流行趋势给了我们一些主要的指导， 应当支持面向对象的方法，并将它与现在已有的课程整合，现在它已在软件工程基础中得到重视。对于初学者而言，面向对象编程使得产生和描述一个复杂的行为更容易（ ， 1999）。 我们强调提供给初学者合适的软件的重要性，任何对于初学者的编程环境必须是坚固的 应当连续可靠的运行，不能崩溃。错误（根本不该出现）必须是含义明确的。 人 机交互、最终用户编程、可视化编程等技术给予我们一些在语言选择概念上的提示，详述如下。 能从这样的环境中学到的概念包含： 1. 解决问题的算法； 2. 将解决方案分解为相关联的 小元素； 3. 通过使用顺序、重复、选择能完成大多数任务； 4. 对象概念； 被用于开放大学的计算机入门课程：一种服务于后续的面向对象技术概念的面向对象方法。在一开始的例子中，学生们可以送一些信息给屏幕上的青蛙，告诉它向左、向右、向上、向下跳，设置它的颜色等等；随后的课程中，学生们创造一些具有某些遗传特征的青蛙子类，同时赋予这些子类特有的一些新特征。 （一）、仿真：将控制逻辑从物理控制中分离 在自治的移动机器人领域，脱离物理系统设计和测试控制策略，仿真是常用的方法。 图 1 理想化：同样的程序可以驱动 图 1 示意了这个概念，在此，同样的程序既可驱动仿真器又可驱动机器人。尽管仿真通常与真实系统有差别，仿真器可以试验设想，而且，当真实环境中的真实机器的异常现象不出现时 ,仿真器十分适合于找出 也与 关，在 ，分立的传感器和马达的性能 可能变化，但当程序逻辑和程序执行正确时，物理变化量的影响是能修正的。尽管有各种各样的 真器可以使用，但我们觉得现在这些仿真器对学生使用来说还不够稳定。 （二）、 直接操纵 微世界的一个重要特性是直接操纵屏幕对象，而不需要被迫接受语言或语法， 1986) 提出，直接操纵可以使：初学者能快速学会基本功能，专家能极快地实现复杂的目的，使用者能直接看到他们的动作能否实现进一步的目标。因此，直接操纵看来是最想要的特性，它提供了这样的特征：可以快速的、递进的、可逆 的操作有趣的对象，并直接看到明显的影响。（ 1982） 四、选择的标准 我们得出了一个语言选择标准的列表，我们最初关注的是大学入门级课程，可是，我们也希望能利用这些资源服务于中学和辅导参加诸如 赛的学生。因此，细节的选择是根据大学的，但更高级的选择（如：面向对象、分层次，多模式环境）打算归纳各种学习对象的需求。选择语言的相关标准包括： 易于理解和使用（而且适合于初学者） 快速开发； 可量测性（从简单程序到复杂系统）； 通用编程； 便于 对物理设备的控制； 坚固性； 维护支持； 价格； 与现在的课程及课程目标的相容性； 易于升级而且费用不高； 寿命长； 五、结论 我们相信：机器人是教授各种学生的合适载体，不管他们的年龄和背景如何。 件是一个合适的低成本解决方案，即使我们所做的“比较用于 程语言环境”工作不十分完美，迄今为止的研究仍允许我们给出一个暂时的结论。 首先， 器人提供给微世界一个机会 可以在计算的抽象和现实世界的行为之间架起桥梁。设计良好 的微世界和仿真是有效的教学方法，它提供了一个低风险的、可控的环境，在这个环境中可以为进一步的学习培养牢固的基础。在技能的使用和教学中，使用这类系统可培养信心。先进的微世界是用集成开发环境进行高级计算机编程的极好的启蒙手段，在这里，使用者可以看到组建并执行的真实程序代码。 第二，尽管已经有了相当多的 木块编程环境，没有一个完全适合我们作为入门课程的需要。除 ，没有一个图形化环境功能强大到满足学生延续到高级工作。而简单的文本环境（文本编辑器加命令行编译器）对初学者 特别是低龄初学者来说 不够坚固或者说支持不够。 最后，我们做出结论：我们需要采用递进的方法，从定制的、图形化的、基于系统的微世界开始，而后过渡到更复杂的编程环境。 参 考 文 献 1. 机械实际材料手册编写组机械设计材料手册 M北京：原子能出版社， 1979 2. 李春风，潘庆丰工程力学 M大连：大连理工大学出版社， 2004 3. 孙鼎伦，程全明机械工程材料力学 M上海：同济大学出版社， 1992 4. 郑志祥，徐锦康，张磊机械零件 M高等教育出版社 1992 5. 胡家秀简明机械零件设计 手册 M机械工业出版社 1999 6. 焦永和机械制图 M北京：北京理工大学出版社 2003 7. 董怀武，刘传慧画法几何及机械制图 M武汉：武汉理工大学出版社 2002 8. 费仁元，张慧慧机器人机械设计和分析 M北京：北京工业大学出版社 1998 9. 日 森政弘 机器人竞赛指南 M科学出版社 2000 10. 孙迪生，王炎机器人控制技术 M机械工业出版社 1997 黑龙江科技学院 毕业设计任务书 学生姓名： 刘哲 任务下达日期： 2011 年 12 月 19 日 设计开题日期： 2012 年 4 月 13 日 设计开始日期： 2012 年 4 月 16 日 中期检查日期： 2012 年 5 月 18 日 设计完成日期： 2012 年 6 月 4 日 一、设计题目： 并联六自由度微动机器人机构设计 二、设计的主要内容： （ 1）设计参数： 电动机控制 X、 Y、 Z 方向和 转 转；所测齿轮精度：7 10 级。 手腕回转范围 120，手腕摆动范围 90，手腕 旋转范围360；额定载荷 4大速度 2m/s。 （ 2）设计图纸： 机器人装置总装图 1 张；手腕总装图 1 张；夹持器1 张；锥齿轮 1 张 ；零件轴 1 张 。 （ 3）说明书主要内容及字数要求： 说明书主要内容： 1）中英文摘要； 2）机械机构类型分析； 3）机械部分总体方案设计论证； 4）机械人部分结构设计与计算 字数： 三、设计目标： 使设计的机器人工作可靠，机构简单，装卸方便，在此基础上减轻手臂的载荷，提高手腕动作的精确性，实现六自由度。 电机控制 X、 Y、 Z 轴方向 转 动 。 培养综合运用所学知识、提高分析和解决实际问题的能力 。 指 导 教 师： 于凤云 院（系）主管领导： 2011 年 12 月 19 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 摘 要 为了提高生产效率和焊接质量，满足特定的工作要求，本题设计用于焊接的关节型机器人的手腕和末端执行器。根据机器人的工作要求进行了机器人的总体设计。确定机器人的外形时，拟定了手腕的传动路径，选用直流电动机，合理布置了电机、轴和齿轮，设计了齿轮和轴的结构，并进行了强度校核计算。传动中采用了软轴、波纹管联轴器和行星齿轮机构，实现了摆腕、转腕和提腕的六个自由度的要求。设计中大多采用了标准件和常用件，降低了设计和制造成本。 关键词 ：自由度；焊接；手腕 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I n to to of of is of of to of we of of up of C to to to of of p of of 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 录 摘 要 . . 1 章 前言 . 1 机器人的概念 . 1 操作机 . 1 驱动单元 . 2 控制装置 . 2 人工智能系统 . 2 题目来源 . 2 技术要求 . 2 本设计要解决的主要问题及设计总体思路 . 2 第 2 章 国内外研究现状及发展状况 . 4 研究现状 . 4 工业机器人 . 4 先进机器人 . 5 发展趋势 . 7 第 3 章 总体方案设计 . 9 机械结构类型的确定 . 9 圆柱坐标型 . 9 直角坐标型 . 9 球坐标型 . 9 关节型 . 9 平面关节型 . 9 工作空间的确定 . 10 手腕结构的确定 . 11 基本参数的确定 . 11 第 4 章 手腕 的结构设计与计算 . 12 机器人驱动方案的分析和选择 . 12 手腕电机的选择 . 13 提腕电机的选择 . 13 摆腕和转腕电机的选择 . 13 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 V 传动比的确定 . 13 提腕总传动比的确定 . 13 转腕和摆腕传动比的确定 . 14 传动比的分配 . 14 齿轮的设计 . 15 提腕部分齿轮设计 . 15 转腕部分齿轮设计 . 22 摆腕部分齿轮设计 . 24 轴的设计和校核 . 26 输出轴的设计 . 26 传动轴的设计 . 26 轴的强度校核 . 29 夹持器的设计 . 33 壳体的设计 . 33 结 论 . 35 致 谢 . 36 参考文献 . 37 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 of . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 2 . 2 of . 2 1. 2 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 to of . 错误 !未定义书签。 . 4 . 4 . 4 . 5 . 7 . 9 of . 9 . 9 . 9 . 9 of . 10 of . 11 of . 11 of . 12 . 12 of . 13 of . 13 . 13 of . 错误 !未定义书签。 of 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I . 13 a to . 错误 !未定义书签。 of 未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 22 A . 错误 !未定义书签。 of . 错误 !未定义书签。 of . 错误 !未定义书签。 of . 错误 !未定义书签。 of . 错误 !未定义书签。 . 33 . 33 . 35 . 36 an of . 错误 !未定义书签。 1 第 1 章 前言 机器人的概念 机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定 义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国 和 日 本 机 器 人 协 会 也 采 用 了 类 似 的 定 义 。 我 国 的 国 家 标 准12643工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。 机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。 操作机 操作机 是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成： （ 1）末端执行器又称手部 是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。 （ 2）手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有 2 3 个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。 （ 3）手臂 它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行 器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。 （ 4）机座 有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。 驱动单元 它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。 控制装置 它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。 人工智能系统 它由两部分组成，一部分是感觉系统 ，另一部分为决策规划智能系统 。 1. 2 题目来源 本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率、实现生产过程自动化、改善劳动条件。 技术要求 根据设计要达到以下要求； （ 1）工作可靠，结构简单； （ 2） 装卸方便，便于维修、调整； （ 3）尽量使用通用件，以便降低制造成本。 本设计要解决的主要问题及设计总体思路 本设计要解决的问题有以下三个： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 （ 1）手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少重量和体积； （ 2）提高手腕动作的精确性； （ 3）六个自由度的实现。 针对上述问题有了以下设计思路： （ 1）腕部机构的驱动装置采用分离传动，将 3 个驱动器安置在小臂的后端。 （ 2）提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于分离传动采用传动轴。 （ 3）驱动电机 1 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体上作偏摆运动 。电机 2 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实现手腕的上下摆动。电机 3 经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的回转运动。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 第 2 章 国内外研究现状及发展状况 研究现状 从机器人诞生到 二十 世纪 80 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程 。到 90 年代 ， 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展 ， 机器人技术也得到了飞速发展 1 。除了工业机器人水平不断提高之外 ， 各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展 。 下 面 将按工业机器人和先进机器人 两条技术发展路线分述机器人的最新进展情况 2 。 工业机器人 工业机器人技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的技术为基础融合而成的一种系统技术 3 。 （ 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，机器人操作机已实现了优化设计。以德国司为代表的机器人公司 ， 已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。此外采用先进的 速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免 维护系统。 （ 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 司，日本公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，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） 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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 能和对环境的适应性。日本 瑞典 国 公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 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 4 。 先进机器人 近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需 要机器人具有行走功能，对外 感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向 5 。 （ 1） 水下机器人：美国的 罗斯的 国的水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（ 无缆水下机器人（ 大类。 （ 2） 空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究 领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国 。 一辆自主移动车，重量为 寸 63048 6 个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关 注。 （ 3） 核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统， 德国的 巧手等 （ 4） 地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两 大 类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。 （ 5） 医用机器人： 医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（ 研究， 用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（ 划、袖珍机器人（ 划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。 （ 6） 建筑机器人：日本已研制出 20 多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际 应用 。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工 方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。 （ 7） 军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务 ， 在战场上具有看、嗅和 触摸 能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的 主导航车、 自主地面战车，法国的自主式快速运动 侦察车（ 德国 炸物处理机器人等。目前美国 在研制和开发 克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的 军用机器人。 可以预见，在 21 世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴 6 。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展 。 主要研究内容集中在以下 8个方面 7 ： （ 1） 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载 时机构向着模块化、可重构方向发展。 （ 2） 机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形 编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于 网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。 （ 3） 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 （ 4） 机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 （ 5） 机器人遥控及监控 技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。 （ 6） 虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。 （ 7） 多智能体（ 控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 （ 8） 微型和微小机器人技术（ :这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命， 并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。 我国对此进行了深入的研究。徐卫平和张玉茹对六自由度微动机构进行了位移分析并为其结构设计提供了计算依据 8 。还有刘辛军 、 高峰和汪劲松研究了微动机器人机构的设计方法，建立了并联六自由度微动 机器人的空间模型，并分析了该微动机器人的空间模型，并分析了该微动机器人的机构尺寸与各向同性、刚度等性能指标的关系得到了一系列性能图谱，从各图谱中可以看出各项性能指标在空间模型设计参数空间中的分布规律，这有助于设计者根据性能指标来设计该微动机器人的机构尺寸，是探讨微动机器人机构设计的有效分析工具 9 。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 第 3 章 总体方案设计 机械结构类型的确定 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 10： 圆柱坐标型 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 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 。 球坐标型 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。 关节型 关节型又称回转坐标型，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。 平面关节型 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、购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 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：关节型机器人。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 11。 工作空间的确定 根据关节型机器人的结构确定工作空间。工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。此机器人的工作空间为 1500图 3示。 图 3器人的机座坐标系 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 手腕结构的确定 手腕是联接手臂和末端执行器的部件，处于机器人操作机的最末端，其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个坐标位置的基础上，再由手腕来实现末端 执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现六个自由度如图 3示。 - 图 3动原理图 考虑到结构，电机将成三角形布置 。 基本参数的确定 空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态的自由度也得到了实现主要技术参数如表 3示。 表 3机器人的主要规格参数 动作范围 手腕回转 手腕摆动 手腕旋转 120 90 360 30/s 30/s 30/s 额定载荷 4大速度 2m/s 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 第 4 章 手腕的结构设计与计算 机器人驱动方案的分析和选择 通常的机器人驱动方式有以下四种 12: （ 1）步进电机：可直接实现数字控制，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。 （ 2）直流伺服电机：直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。 （ 3）交流伺服电机：交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 电力电子器件、脉冲调宽技术（ 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。 （ 4）液压伺服马达：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。 本次设计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
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