内容简介：: 换刀机械手毕业设计摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的机械手，主要的功用就是自动换刀。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。关键词：机械手，示教编程，伺服，制动ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake引言机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。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力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1.1 机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。1、简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。2、应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。3、发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.2 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图：1、执行机构( 如图1.2-1所示 )图1.2-1（1）手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。本课所指的机械手仅需开闭手指。机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。本课所做的机械手采用二指形状。（2）手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本课所做的机械手的手臂采用无关节臂手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。2、驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。3、控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。1.3 应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.4 机械手的现状到目前为止，世界各国对“机械手”还没有做出统一的明确定义。通常所说的“机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照予定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手”一般具有固定的手部、固定的动作程序（或简单可变程序）、一般用于固定工位的自动化装置。因为国内外称作“机械手”、“机械手”、“操作机”的这三种自动化和半自动化装置，在技术上有某些相通之处，所以有时不易明确区分，就它们的技术特征来看，其大致区别如下。 “机械手”（Industrail Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置（国内称作机械手或通用机械手）。 “机械手”（Mechanical Hand）：多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动线的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。 “操作机”（Manipulator）：一般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作装置。如锻造操作机或处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。机械手（Industral Robot ,简称IR）是1960年由美国金属市场报首先使用的，但这个概念是由美国GeorgeCPevol在1954年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机械手，以现在的眼光来看，就是示教再现机器人。根据这一专利，Devol与美国Consolide Control Corp合作，于1959年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。随后，美国的Unimation公司和美国的机械铸造(AMF)公司于1962年分别制造了实用的一号机，并分别取名为Unimate和Versatran。Unimate机器人外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而Versatran机器人采用圆柱坐标结构。上述两种机器人成为机器人结构的主流，美国通用汽车公司和福特汽车公司在其金属冷热加工中，采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料，收到了良好的效果。美国的机械手技术的发展，大致经历了以下几个阶段：19631967年为实验定型阶段。19631967年，万能自动公司制造的机械手供用户做工艺实验。1967年，该公司生产的机械手定型为1900台。19681970年为实验应用阶段。这一时期，机械手在美国进入应用阶段。例如美国通用汽车公司1968年订购了68台机械手；1969年又自行研制出SAM型机械手，并用21台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。1970年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。19701972年，机械手处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国机械手会议。据当时统计，美国已采用了大约200台机械手，工作时间共达60万小时以上。与此同时，出现了所谓高级机器人，例如森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机械手的系统。在欧洲第一台机械手是1963年瑞典Kavieldt公司发表的第一台操作机。日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的机械手，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前机械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。我国虽然开始研制机械手仅比日本晚56年，但由于种种原因，机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在1958年新疆维吾尔自治区成立30年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人阿依古丽。在1986年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人成蓉小姐已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人西电I号，也于1985年9月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外，清华大学自动化系研制的具有视觉手眼系统，北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高的水平。同时，在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及人工智能诸领域研究，也取得了一定的进展。近几年来的成就表明，我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。1.5工业机械手在生产中的应用? 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.5.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。1.5.2 在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。 1.5.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。1.6 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.6.1 执行机构（1）手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4）行走机构有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。1.6.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.6.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.7 课题工作要求技术要求：结构型式：组合式直角坐标加旋转;自由度数： 4; 负载重量： 10 kg (单爪)末端操作器：双手爪工作空间：纵向 11m; 横向 0.6m; 升降 1m; 旋转 180o;运行速度：五档可调;最大运行速度：纵向 33.6 m/min; 横向 16 m/min; 升降 8m/min; 旋转 16 rpm; 重复定位精度： 0.6 mm;记忆刀位数：不小于 170 把,可扩展;总重量： 600 kg. 第2章机械手的结构的设计2.1手部机构2.1.1 手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4）应保证手抓的夹持精度。2.1.2 典型的手部结构（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。2.1.3机械手手抓的设计计算选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为10Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图为常见的滑槽杠杆式手部结构。(a) (b)图滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于A及B。由=0 得 =0 得由=0 得h F= （3.1）式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）. 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=。夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：式中安全系数，通常1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度；运载时工件最大上升速度系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G被抓取工件所受重力（N）。液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于500050000以上计算：设a=100mm,b=50mm,;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和驱动液压缸的尺寸。设 =1.02 根据公式，将已知条件带入： =1.5 （2）根据驱动力公式得： =1378N （3）取（4）确定液压缸的直径D 选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa, 根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm，选取d=32mm2.1.4机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为80mm180mm。一般夹持误差不超过1mm,分析如下：工件的平均半径：手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：计算当S时带入有：夹持误差满足设计要求。2.1.5弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图3.4所示，计算如下。(1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力(2).选择旋绕比C=8，则 (3).根据安装空间选择弹簧中径D=42mm，估算弹簧丝直径 (4).试算弹簧丝直径 (5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：选择标准为，弹簧的总圈数圈(6).最后确定，(7).对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取：当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，。结论本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。(8).疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：选取1.31.7（力学性精确能高）结论：经过校核，弹簧适应。 2.2 系统组成本基械手系统由机体，传送机构，动力源和控制装置四部分组成。其中机体由小车及本体等部分组成；传送机构主要由伸缩臂及抓紧机构所组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成。2.3 总体技术方案毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活运用。现在的发展趋势是机电一体化，因此，我们的毕业设计是要我们将“机”、“电”、“液”三者合并起来。“机”即是指机械，机械手的动作过程可以分五部分，即机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的加紧放松、机械手的左转右转、小车的前进后退。这五部分中我们靠机械完成机械手的上升下降动作，即本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杆传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比，有以下特点：1）传动效率高一般滚珠丝杠副的传动效率达85%-98%，为滑动丝杠副的3-4倍。2）运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，低速时无爬行。3）能源预紧预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对不大。4）工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副的4-10倍以上.5）定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀，因此，可以达到较高的定位精度和重复定位精度。6）同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。可以得到较好的同步运动。7）可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。8）不自锁用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。9）经济性差，成本高由于结构工艺复杂，故制造成本高价格往往以 mm计。经过计算，选择如下：电动机型号： Y802-2功率： 1.1W丝杠型号： Tr407工业机械手的机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件。机械部件主要包括手部，手臂前后伸缩部分，手臂上下升降部分腰转部分以及机座和行走机构。2.4腕部结构的设计2.4.1 腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。2.4.2 腕部的结构以及选择典型的腕部结构(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于）。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。PAGE 37 腕部结构和驱动机构的选择本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。2.4.3 腕部的设计计算腕部设计考虑的参数夹取工件重量60Kg，回转。腕部的驱动力矩计算腕部的驱动力矩需要的力矩。腕部回转支撑处的摩擦力矩。夹取棒料直径100mm，长度1000mm，重量60Kg，当手部回转时，计算力矩：（1）手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14擦力矩。启动过程所转过的角度=0.314rad，等速转动角速度。查取转动惯量公式有：代入：腕部驱动力的计算 2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸：根据表设缸体内空半径R=110mm，外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图所示。则回转缸工作压力，选择8Mpa图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意表4.2 标准液压缸外径（JB1068-67）（mm）液压缸内径40 5063809010011012514015016018020020钢P5060769510812113316814618019421924545钢50607695108121133168146180194219245 液压缸盖螺钉的计算图缸盖螺钉间距示意表螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm)小于150小于120小于100小于80缸盖螺钉的计算，如图4.2所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力计算：液压缸工作压强为P=8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,试选择8个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=8个危险截面所以 =11863.3+10545=19772N螺钉材料选择Q235，（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=16mm.动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。于是得 D动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15螺钉的强度条件为或带入有关数据，得螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=12mm.选择M12的开槽盘头螺钉。2.5臂部臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并改变手部在空间的位置。机械手的臂部一般具有23个自由度，即伸缩、回旋、俯仰或升降；专用机械手的臂部一般具有12个自由度，即伸缩、回转或直移。臂部总重量较大，受力一般较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性距），引起冲击，影响定位的准确性。臂部运动部分零部件的重量直接影响着臂部结构的刚度和强度。专用机械手的臂部一般直接安装在主机上；机械手的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身（即机座）上，机身可以是固定的，也可以是行走式的、即可沿地面或导轨移动。臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及倒向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素，它们分别是，刚度要大，倒向性要好，偏重力矩要小，运动要平稳、定位精度要高。2.5.1 臂部结构形式机械手的臂部结构一般包括臂部伸缩、回转、俯仰或升降等运动的结构以及与其有关的结构，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑连接件和位置检测元件等。此外还有与腕部连接的有关构件及配管、线等。下面介绍一些臂部结构。圆柱坐标机器人的臂部结构，其臂部具有回转、升降、伸缩自由度回转运动通过齿条缸驱动齿轮回转来实现升降与伸缩分别由升降油缸和伸缩油缸驱动。极坐标机器人的臂部结构，臂回转结构为齿轮齿条缸结构，臂俯仰、臂伸缩均采用直线运动油缸。多关节型机器人的臂部结构，这种类型的机械手多用于喷漆，故也称为喷漆机器人。其臂部有回转、俯仰和前后移动三个运动。回转机构为齿轮齿条缸结构，俯仰和前后运动均采用铰链油缸驱动。臂部伸缩运动结构，用钢管做成伸缩臂，由活塞杆带动齿轮沿固定齿条滚动而产生伸缩运动，这种结构的特点是传动效率高，易于实现较大行程和速度，它的行程和速度的大小与齿轮的直径大小有关。臂部俯仰运动的结构，一般采用铰接油（气）缸来实现。铰接油（气）缸位于手臂下方，活塞杆与手臂之间用铰链连接，缸体与立柱之间用耳叉销轴等方式连接。臂部回转及升降运动的结构，可采用齿条缸与升降缸实现臂回转和升降，臂回转还可用回转缸与行星齿轮传动，链条链轮传动。臂部复合运动机构，它是将一个驱动运动分解为13个运动，并能依合成运动的形式实现复杂运动的机构。在一些专用机械手中常采用行星齿轮机构、凸轮机构及连杆机构等来实现臂部的复合运动。2.5.2 臂部运动的导向装置臂部的导向装置，机械手的手臂伸缩及升降运动机构上常设置导向装置，其目的是：防止移动部件在伸缩及升降时产生不必要的转动，以保证手臂运动方位的准确性。增大移动部件的刚性，减少移动部件由于自重与抓取重量所引起的变形和位移。承受移动部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。导向装置一般根据臂部的安装形式、具体的结构及抓取重量等因素来确定，就导向装置而言，其导向精度、刚度和耐磨性对机械手的精度和其它工作性能影响很大，在设计时必须充分注意。这里仅就几种特殊形式作一简单介绍：1单导向杆式单导向杆一般配置在驱动油（气）缸体的一侧或活塞杆内。放在活塞杆内时，虽然结构紧凑，但是工艺性比较差。单导向杆导向装置结构简单、重量轻、摩擦力小，但是承载能力较低，刚性差，而且导向杆内走管通道少。一般用于较小型的机器人。单导向杆一般采用实心圆杆、方杆、空心圆杆、花键轴等。方杆比圆杆刚性好，但加工比较困难。2 双导向杆式双到向杆一般对称配置在驱动油（气）缸两侧。这种形式受力情况好、刚性大，可承受重载，导向杆内部走管道多，便于油路配置。但转动惯量增加，不利于回转定位。双导向杆一般采用圆杆，以便内部通走管。3 导轨式导轨式的形式较多，其共同特点是刚性好，工作平稳、导向性能好，但结构比较复杂。适用于负载较重、速度较低的机器人或专用机械手。4 滚珠花键式焊接结构的轴套前端固接一个循环滚珠套，套内装有若干钢珠，并设有保持架。滚珠花键轴的圆弧性花键槽与其中一部分钢珠配合，轴套的转动通过循环滚珠套及钢珠传给花键轴，花键轴在随手臂移动时便带动钢珠滚动并自行循环，实现滚动摩擦代替普通花键轴的滑动摩擦。这种结构摩擦阻力小，定向精度高，移动速度快，但是结构比较复杂，制造成本高。本课题中要求臂部具有3个自由度、即升降、回转、伸缩运动。臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂要有足够的刚度，导向性要好，偏重力矩要小，运动要平稳，定位精度要高，回转运动用伺服电机驱动，通过一对内齿轮实现手臂的回转运动。伸缩运动用伺服电机驱动，由斜齿轮带动螺杆、螺母作相对的移动，使手臂能灵活地伸缩。升降运动用伺服电机驱动，通过丝杠与滚珠的回转，带动外壳体在机座外侧表面作相对滑动，实现手臂的升降。在手臂回转运动中，手臂的重量通过大齿轮由交叉轴承。该轴承是根据标准的止推轴承特制设计的，8320型属此种。8320的额定运载荷是21700ckN，额定静载荷是57200ckN，完全可以满足许用条件要求。该轴承的内、外圈都可有螺孔以联接用，并且在淬火之前铣一外圈的键槽和大齿轮进行周向固定。特制的交叉滚珠轴承结构尺寸如下： d=140.0mm D=278.0mm B=54.0mm润滑方式：脂润滑。机座：是机械手用来手臂部件，并安装驱动装置与其它装置的部件，故稳定性要好，且满足足够的刚度，机座为700的尺寸，足够满足运动时的平稳。总体结构图见附图2.6机械手机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。2.6.1 机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转1800。换刀机械手毕业设计第 PAGE 64 页 DATE 2019/3/24图回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图2.6.2 机身回转机构的设计计算（1）回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。惯性力矩的计算式中回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中=；t起动过程的时间(s);手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则式中回转零件的重心的转动惯量。回转部件可以等效为一个长1800mm，直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg.设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。4694.3密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算=4839.5回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算： D=151mm既设计液压缸的内径为150mm,根据表4.2选择液压缸的基本外径尺寸180mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。液压缸盖螺钉的计算根据表4.3所示，因为回转缸的工作压力为8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,根据初步估算，，,所以缸盖螺钉的数目为（一个面6个，两个面是12个）。危险截面所以，所以螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=20mm.选择M20的开槽盘头螺钉。经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸如图5.2所示，内径为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm图回转缸的截面图动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构如图6.2。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。于是得式中每个螺钉预紧力；D动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15螺钉的强度条件为或带入有关数据，得=螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=14mm.选择M14的开槽盘头螺钉。2.6.3 机身升降机构的计算手臂偏重力矩的计算图手臂各部件重心位置图零件重量、等。现在对机械手手臂做粗略估算：总共=33Kg+=109.2Kg (2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离。=1920mm=1.69mm=0.88mm (6.6)所以，回转半径(3) 计算偏重力矩升降不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势，而里柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件有=h=即 =所谓的不自锁条件为：即取 (6.8) 当=1650mm时，0.32=528mm因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于528mm 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算式中摩擦阻力，参考图5.3 取f=0.16G零件及工件所受的总重。（1）的计算设定速度为V=4;起动或制动的时间差t=0.02s;近似估算为286.1Kg;将数据带入上面公式有：=（2）的计算 28725.6=2792.2N（3）液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算最后通过以上计算当液压缸向上驱动时，F=6756N 当液压缸向下驱动时，F=6756-=6184N2.6.4 轴承的选择分析对于升降缸的运动，对于机身回转用的轴承有影响，因此，这里要充分考虑这个问题。对于本设计，采用一支点，双固定，另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。其结构参看本章开始的机身结构示意图5.3。本设计采用两个角接触球轴承，面对面或者背对背的组合结构。这种结构可以承受双向轴向载荷。2.7 驱动方式该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2.1：表2.1三种驱动方式的特点对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率? 很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，最大可达Pa? 较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度? 很高较高? 很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4）安全可靠；5）操作和维护方便；6）对环境无污染，噪声要小；7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。表2.2机器人驱动电机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩18.2 Nm18.2 Nm18.2 Nm10.3 Nm10.3 Nm最大转矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm2.8 传动方式由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长、价格低。本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。齿形带传动原理如图2.7所示。齿轮带的传动比计算公式为齿轮带的平均速度为图2.7 齿形带传动2.9 制动器制动器及其作用：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下：特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。机械制动器：机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。电气制动器电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。设计小结在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，我学到许多新知识，但是也发现了不少存在的问题。在这次的毕业设计中，能否看懂图纸是关键，要了解图纸上所标注的是何含义，有何作用。在这次编制工艺过程中，也犯了不少原本可以避免的错误，但在老师的精心指导下，逐渐纠正了这些错误，也说明了绘图时规范性。编制工序对我来说，还处于理论方面的知识，在实践中还是有所欠缺的。当拿到一张零件图纸后，却不知该从何下手了。如何定基准。加工的工艺路线也前后矛盾。加工时所用的刀具，测量时所需测量工具等等。都不清楚，使我感到十分困惑。但是在学校技工培训和在威浮有限公司实习期间已对各个方面都有了一定的认识。这次毕业设计是我们在学校的最后一次课。它将我们平时所学相互结合起来，为我们将来进入工作做准备。它让我们了解了更多的新知识。感谢老师、系领导和学校的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，为我完成设计给予了极大的帮助，为我们上了最后一次重要的课程。致谢在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了老师的亲切关怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了老师的汗水和心血。老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。在此我们向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。同时也感谢班主任老师在这三年来对我们的虚心的教导。感谢学校给我们提供设计场地，和系领导的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，提出了许多建设性的观点，为我完成设计给予了极大的帮助。感谢机电工程系的领导和老师对我的关心和帮助。再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。参考文献1、杨黎明.机械零件设计手册.第一版.国防工业出版社,1986,122、吴宗泽.机械设计. 第一版.中央广播电视大学出版社,1998,23、卢颂峰.机械设计课程设计手册. 第一版.中央广播电视大学出版社,1998,44、非标准零件手册.第三版.国防工业出版社5、液压与气动传动.机械工业出版社6、机械手及其应用.机械工业出版社7、液压元件样本.机械工业出版社8、杨长能, 张兴毅.可编程序控制器基础及应用. 第一版.重庆大学出版社,1992,19、左建民.液压与气压传动.第二版.北京:机械工业出版社,1999,510、孙燕华.AutoCAD2000机械制图.北京:机械工业出版社,2002,911、顾京.数控加工编程及操作.北京:高等教育出版社,2003,912、陈立德.机械设计基础课程设计指导书.第二版.北京:高等教育出版社,2004,613、金大鹰.机械制图.北京:机械工业出版社,2001,714、柴鹏飞.机械设计基础.北京:机械工业出版社，2004,8附录1：机器人技术发展趋势作者:JimPinto, 圣地亚哥,美国中部.美国谈到机器人,就如同科幻一般。但是,仅仅因为机器人在过去几十年里没有辜负自己的承诺,并不表示它们不会早到或者迟到。事实上,一些先进技术导致的机器人的时代更近更小、更便宜、更实用、更具成本效益。肌肉,骨骼与大脑任何机器人都有三方面: 肌肉：有效联系物理载荷以便机器人运动。骨骼：机器人的物理结构与决定于其所从事的工作; 考虑到有效载荷这就决定了机器人的大小和重量。大脑：机器人智能; 它可以独立思考和做什么; 需要多少人工互动。由于机器人已经被描绘于科幻世界,许多人期望机器人的外表更人性化。其实机器人的外表决定于它的功能和任务。不少机器,一点也不像人也明确地列为机器人。同样,有些像人的机器人也脱离不了机械结构或者玩具。起初的机器人是又大，又只有很小的力。老水流动力机器人被用于三D环境：阴暗、肮脏、危险。由于第一产业的技术进步,已经完全改进了机器人的能力、业绩和战略利益。例如,80年代机器人由水流驱动过渡成为电力驱动单位。改进了性能和准确性。工业机器人已在工作在当今世界机器人数量已接近100万,有将近一半的在日本,仅有15%在美国。数十年前,90%的机器人用于汽车制造业,通常用于做大量重复的工作。今天只有50%用于汽车厂,而另一半分布于工厂、实验室、仓库、发电厂、医院和其他许多行业。机器人用于产品装配、危险物品处理、油漆喷雾、切割、抛光、产品的检验。那些被用于各式各样的任务的机器人数量,例如下水道清理,查找炸弹和操作日趋复杂的手术,在将来将持续上涨。机器人智能即使原始的智力，机器人已经被证明在生产力、效率和质量方面能够创造良好收益。除此之外,一些聪明机器人没有用于制造业; 他们被用于太空探险、外科遥控，甚至宠物，就像索尼的Aibo机械狗。从某种意义上说,一些其他应用表明机器人可能的用途，如果生产厂家认识到,工业机器人并不是要局限于一个方面,或者受限制昨日机械概念。伴随着迅速增长的电力微处理器和人工智能技术,大大提高了机器人其潜在的弹性的自动化工具。新增加的智能机器人的应用要求先进的智能。机器人技术融入各种辅助技术机器视觉、传感器(接触),高级技工及语音识别。这一令人振奋的成果代表了新水平的工作应用,比以往任何时候都认为是实际的机器人。实行综合的机器人视觉和触觉急剧地改变了新的产品和生产体系的速度和效率。机器人变得如此精确,以至于机器人可以应用于所有手工的场所不再是一个不可能的观点。半导体制造业是一个例子,高度一致的吞吐量和质量,不能靠手工或简单现机械就能实现。此外,通过使那些快速产品与传统硬质工具不相匹配部分的转换和革新，取得了显著成果。增强竞争力如上所述, 机器人的应用起源于汽车制造业。通用汽车已拥有四至五万的机器人，但仍然能够继续发展并运用新方法。为了能使机器人更加智能化，现在已运用了大量新的战略选择。在过去的两三年里，汽车价格已经下降,为了不断创造利润，制造商降低生产和结构成本。这是唯一途径。汽车厂改建新模式,通常需要投入数以亿计美元以购买设备。机器人制造技术的重点是通过减少资本投资的方式以增加适用性。新的遥控应用已被发现用在以专用设备自动作业的操作上了。它的灵活性能作业自动化发挥得更协调,并且有重大的成本优势。机器人协助其主要增长领域是智能机器人协助装置(IAD)。操作员熟练地操作着机器人，就好像是自己的手和脚变长,且更有力了。这就是遥控技术，没有人或机器人可以替代，它是有助于改造人类环境产品的一个新版本，多方面地帮助人类伙伴，包括动力供应、运动导向、线路跟踪以及程序自动化。智能机器人协助装置运用遥控技术帮助人们以较少的压力，更多、大、好、快地操作零部件和有效载荷。利用人类机器界面,操作员和智能机器人协助装置携手合作以优化开放性、指导性和定位移动。传感器、计算机动力和操控运算法则将操作员的手令转译成人类提升能力装置。遥控新格局随着科技和由摩尔法带来的经济影响将继续变换计算机的能力和价格，我们应该期望更多创新,更多具成本效益的遥控结构，以及更多在传统服务重点之外的运用。工业遥控设备最大的变化是,他们将形成一个更广泛的多种结构和机制。在许多情况下,牵涉到自动装置系统的配置,不会立即被认为是机器人。例如,自动操作半导体生产的遥控装置已远远不同于那些用在汽车制造业的遥控装置。我们会有那么一天：更多这类可编程加工的遥控设备种类会比现今有的传统遥控设备来得多。一个突发性转变即将来临；它的潜力是巨大的，因为不久后遥控设备不仅能够提升成本效益，也能产生前所未有的优势和操作应用。远景展望尽管机器人研究者希望仿效人类的智慧和外表,但是从未成功过。大多数机器人仍是无形的，也并非万能，也不能快速识别目标物体。两足直立行走的机器人微乎其微，比如本田P3就侧重于研究和示范样本。较少结合工业机器人机器视觉系统,因此它的要求,而不是机器人机器视觉视野。早期机器视觉领养付很高的价格,因为需要的技术知识民心等制度。例如,在八十年代中期,从辛辛那提市Milacron弹性制造系统的$900,000的机器视觉系统。到1998年,平均价格已降至$40000,并且价格继续下降。今天,从Cognex, Omron花$2,000就能买到简单的配有视觉套传感器的模式。减价反映了当今电脑成本的降低,和为特殊工作如侦察业等的视觉系统的重点开发。机器人在世界各地的使用工业机器人的销售已上升到创纪录水平,它对家务杂事如除草和地毯吸尘有着巨大的未开发的潜力。去年有3000个水下机器人、2300个爆破机器人和1600个外科手术机器人开始工作。预计吸尘和除草的家用机器人将大幅度增加，从2000年的12500到2004年末的500，000。iBOT Roomba吸尘器价格现在不到$200.00。近日炭疽恐慌,人们越来越多地使用机器人排架邮局的资料。事实上,美国邮政自动化有其巨大的潜力。去年，1000个机器人被安装来分类包裹。美国邮政总署估计,它有可能使用80,000机器人进行分类包裹。环顾今日在我们身边的机器人:瓦斯自动泵、银行自动柜员机、自助式测试线，机器已经取代许多服务工作。在今后的数十年，不难想象图像处理的发展进步、微处理器速度和人为模拟可能导致自动化成为世界上最无聊、低智力、低工资的工作。 Marshall Brain，HowStuffW的创办人，写了两篇有趣的关于未来机器人的论文，很值得一读。他觉得在今后40年内机器人将代替许多人类工作，那是很有可能的。根据Marshall Brain的预测,在他的论文机器人种族,人性化机器人将在2030年得到普及。他们将取代目前由人类从事的工作，如快餐服务清洁房间和零售服务。除非找到办法来弥补这些失去的就业机会, Marshall Brain估计在2055年超过50%的美国人将由机器人代替而失业。智能机器人将运用到每个角落全球的HAL和数据与传感机器正在快速地接近。事实上,在某些方面智能机器人已开始承担起人类的工作。由于处理能力倍增,以及记忆装置技术带来更小更精确的传感器和传动,机器人将以新颖、各式各样地精彩的应用，成为今后滋生代新产品。工业机器人绝大多数机器人被应用在制造业等重复性任务比如给汽车喷漆以及简单装配。2000年全世界大约有10万名新的机器人,其中将近一半在日本，所以日本是最大的用户。在2002年年底有近80万工业机器人,这个数字有可能在2004年末增加到近100万人。在过去十年中机器人的运用增加了,而同时价格则一直下滑。今天,机器人制造有1-2年的偿还期限。在北美,机器人的价格相对于劳动力成本已降至26，如果考虑质量的提高则将低至12。工业机器人的销售已达到纪录水平,在家务中，像清除草坪和清洁地毯方面，它有巨大的开发潜力。许多新的应用机器人随着机器人智能提高,以及传感器、传动和运行机制的日甄完善,它的应用以大大增加了。现在有成千上万的水下机器人、破坏机器人、甚至还有用远程机器人来拆除手术。数十个实验搜救机器人踏遍倒塌的世界贸易中心双塔楼搜索残骸。机器人专家小组在第一现场操作实验机器人，用来探寻瓦砾。在阿富汗战争中所使用的机器人是美军作战的工具。他们被送入洞穴、建筑物或其他地区的, 作为部队的前锋，以防止人员伤亡。巨人步行机器人被用来伐木。它用六个关节移动，前进和后退、横走、斜走，还可以转身和跨越障碍物。在柏克莱分校,一个名叫micromechanical的微型昆虫飞行机器人,它有非常自然地精确度的节奏拍打翅膀。他们的目标是建立一个又小、又灵活的装置可以探测火星表面和安全监察危险化学品泄漏,例如,秘密侦查敌军,。预计吸尘和除草的家庭机器人将大幅度上升。现今用机器人做家务是很实际的。一个低廉的房屋清洗机器人近日出台了。一个极其畅销的小型电动车吸尘器（Roomba）标价$199，它绕完整个地板,期间它所到之处都被打扫和除尘了。 Rodney Brooks? iRobot Roomba由马萨诸塞州的iRobot生产。iRobot是多家公司中的一员，他们联合计划在今后几年内推出一系列新的机器人。不久将推出新产品机器人，包括自动地板清洁器和实业工具，从而去从事无聊、肮脏、危险的工作,如检查油井。当然,自治油井督察人员并不像一些有识之士所预言的那样会和机器仆人一样颤动。虽然还是不太引人注目，但是人工智能和机器人正进入日常生活。 Rodney Brooks,人工智能实验室主任、美国iRobot公司的董事长,参与了这场十年变革。他的新书 Flesh & Machines 主要研究与生命有关的许多主题的机器人。Brooks创造他所谓的situated creatures的热情是本书的中心, situated creatures是我们后来当作我们的老师和同伴。Rodney Brooks麻省理工实验室挤满了机器人，从机械腿到具有人类特性的机器人，用人类一样的表情和动作，依靠人力机器人接口。Brooks认为要人们接受机器人的生活是有争议的。普通版机器的第一代已经被实验室遗弃了。 Rodney Brooks对post-PC的未来有他的想法：传感器和微处理器应该装在汽车里面、办公室和家里，并通过各种言论和动作接口在上衣口袋进行资料检索,还有用于沟通、做各种各样的事情。他坚持认为,智能时代,移动机械已经开始出现。你只需要知道哪里可以找到它们，或者在油井、医疗实验室、财政服务或者是建筑公司。军事 & 国防应用现在iRobot已经依美国防部的合同建造了一个机器人,其大小像手提箱那样，可攀爬楼梯,沟渠、可在水下三层生存。不同于携带炸弹的机器人,它有眼睛和耳朵,通过无线电连接传递所见所闻。这就是PackBot。它可被用来撇进一辆交通工具，用力把它扔进可能蛰伏着敌人的屋子的窗户。一般来讲，机器人系统吸引了国防部的兴趣,因为他们有远距离军事行为的能力，使危险任务对人的伤害最小。国防先进研究计划机构(DARPA)是国防部的中心研究和发展组织。DARPA的分布式机器人程序,旨在与合格的公司合作来发展微型的，有生物灵感的机器人设计和为军事应用的机器人控制新方法。DARPA对微小型机器人特别感兴趣,因为它们的优势是可以制作单位成本较低，并且提供独特的使命。它们既可以单独又可以以团体的形式被用来实施和展开，来增强人类能力，执行危险的任务，以及完成从未想象过的任务。潜在的应用包括监视、侦察、调查途径、欺骗、武器运送和小规模启动。为了侦查布雷区、小型传感器则被安装在机器人的跳脚上。小型机器人可送入市管道搜集情报。大规模使用机器人可以作为伪装。极小的微型机器人可注入锁孔用来开锁。由于微型机器人类似小动物和昆虫、生理上赋予了灵感设计(跳、攀登、爬、草等),加上记忆装置的应和智能材料提供了新颖和独特的移动装置的可能性。记忆存储技术使在单独硅片上的机械综合和电子功能成为可能。先进的微电子包装采用多芯片模块和混合信号，它带来了发展的新思路,并把遥控形式和功能联合起来。用于军事用途的机器人或者完全由人类控制、半自主控制，或者是自主运行。为了能让微型机器人在不同的环境从事长时间工作,我们需要新方法以减少电力需求、控制能源利用与提供快速充电。机器人的发展令人振奋的新领域典型的自动化技术在文本、PLCs、计算机、显示器、控制、传感器、阀门、传动、数据传输、无线通讯、网络等上要讲究知识和经验,这正是这些机器人和机器人系统发展的重点要求。在经济不景气的时候,机器人技术一定会成为一个令人兴奋的有益事业发展的新舞台。附录2Robotics technology trendsBy : Jim Pinto,San Diego, CA.USAWhen it comes to robots, reality still lags science fiction. But, just because robots have not lived up to their promise in past decades does not mean that they will not arrive sooner or later. Indeed, the confluence of several advanced technologies is bringing the age of robotics ever nearer-smaller, cheaper, more practical and cost-effective. Brawn, Bone & BrainThere are 3 aspects of any robot: Brawn：strength relating to physical payload that a robot can move. Bone：the physical structure of a robot relative to the work it does; this determines the size and weight of the robot in relation to its physical payload. Brain：robotic intelligence; what it can think and do independently; how much manual interaction is required. Because of the way robots have been pictured in science fiction, many people expect robots to be human-like in appearance. But in fact what a robot looks like is more related to the tasks or functions it performs. A lot of machines that look nothing like humans can clearly be classified as robots. And similarly, some human-looking robots are not much beyond mechanical mechanisms, or toys. Many early robots were big machines, with significant brawn and little else. Old hydraulically powered robots were relegated to tasks in the 3-D category：dull, dirty and dangerous. The technological advances since the first industry implementation have completely revised the capability, performance and strategic benefits of robots. For example, by the 1980s robots transitioned from being hydraulically powered to become electrically driven units. Accuracy and performance improved. Industrial robots already at workThe number of robots in the world today is approaching 1,000,000, with almost half that number in Japan and just 15% in the US. A couple of decades ago, 90% of robots were used in car manufacturing, typically on assembly lines doing a variety of repetitive tasks. Today only 50% are in automobile plants, with the other half spread out among other factories, laboratories, warehouses, energy plants, hospitals, and many other industries. Robots are used for assembling products, handling dangerous materials, spray-painting, cutting and polishing, inspection of products. The number of robots used in tasks as diverse as cleaning sewers, detecting bombs and performing intricate surgery is increasing steadily, and will continue to grow in coming years. Robot intelligenceEven with primitive intelligence, robots have demonstrated ability to generate good gains in factory productivity, efficiency and quality. Beyond that, some of the smartest robots are not in manufacturing; they are used as space explorers, remotely operated surgeons and even pets ，like Sonys AIBO mechanical dog. In some ways, some of these other applications show what might be possible on production floors if manufacturers realize that industrial robots dont have to be bolted to the floor, or constrained by the limitations of yesterdays machinery concepts. With the rapidly increasing power of the microprocessor and artificial intelligence techniques, robots have dramatically increased their potential as flexible automation tools. The new surge of robotics is in applications demanding advanced intelligence. Robotic technology is converging with a wide variety of complementary technologies-machine vision, force sensing (touch), speech recognition and advanced mechanics. This results in exciting new levels of functionality for jobs that were never before considered practical for robots. The introduction of robots with integrated vision and touch dramatically changes the speed and efficiency of new production and delivery systems. Robots have become so accurate that they can be applied where manual operations are no longer a viable option. Semiconductor manufacturing is one example, where a consistent high level of throughput and quality cannot be achieved with humans and simple mechanization. In addition, significant gains are achieved through enabling rapid product changeover and evolution that cant be matched with conventional hard tooling. Boosting Competitiveness As mentioned, robotic applications originated in the automotive industry. General Motors, with some 40-50,000 robots, continues to utilize and develop new approaches. The ability to bring more intelligence to robots is now providing significant new strategic options. Automobile prices have actually declined over the last two to three years, so the only way that manufacturers can continue to generate profits is to cut structural and production costs. When plants are converted to new automobile models, hundreds of millions of dollars are typically put into the facility. The focus of robotic manufacturing technology is to minimize the capital investment by increasing flexibility. New robot applications are being found for operations that are already automated with dedicated equipment. Robot flexibility allows those same automated operations to be performed more consistently, with inexpensive equipment and with significant cost advantages. Robotic AssistanceA key robotics growth arena is Intelligent Assist Devices (IAD).operators manipulate a robot as though it were a bionic extension of their own limbs with increased reach and strength. This is robotics technology not replacements for humans or robots, but rather a new class of ergonomic assist products that helps human partners in a wide variety of ways, including power assist, motion guidance, line tracking and process automation. IAD use robotics technology to help production people to handle parts and payloads, more, heavier, better, faster, with less strain. Using a human-machine interface, the operator and IAD work in tandem to optimize lifting, guiding and positioning movements. Sensors, computer power and control algorithms translate the operators hand movements into super human lifting power. New robot configurationsAs the technology and economic implications of Moores law continue to shift computing power and price, we should expect more innovations, more cost-effective robot configurations, more applications beyond the traditional service emphasis. The biggest change in industrial robots is that they will evolve into a broader variety of structures and mechanisms. In many cases, configurations that evolve into new automation systems wont be immediately recognizable as robots. For example, robots that automate semiconductor manufacturing already look quite different from those used in automotive plants. We will see the day when there are more of these programmable tooling kinds of robots than all of the traditional robots that exist in the world today. There is an enormous sea change coming; the potential is significant because soon robots will offer not only improved cost-effectiveness, but also advantages and operations that have never been possible before. Envisioning Vision Despite the wishes of robot researchers to emulate human appearance and intelligence, that simply hasnt happened. Most robots still cant see，versatile and rapid object recognition is still not quite attainable. And there are very few examples of bipedal, upright walking robots such as Honda P3, mostly used for research or sample demonstrations. A relatively small number of industrial robots are integrated with machine vision systems，which is why its called machine vision rather than robot vision. The early machine vision adopters paid very high prices, because of the technical expertise needed to such systems. For example, in the mid-1980s, a flexible manufacturing system from Cincinnati Milacron included a $900,000 vision guidance system. By 1998 average prices had fallen to $40,000, and prices continued to decline. Today, simple pattern matching vision sensors can be purchased for under $2,000 from Cognex, Omron and others. The price reductions reflect todays reduced computing costs, and the focused development of vision systems for specific jobs such as inspection. Robots already in use everywhereSales of industrial robots have risen to record levels and they have huge, untapped potential for domestic chores like mowing the lawn and vacuuming the carpet. Last year 3,000 underwater robots, 2,300 demolition robots and 1,600 surgical robots were in operation. A big increase is predicted for domestic robots for vacuum cleaning and lawn mowing, increasing from 12,500 in 2000 to almost 500,000 by the end of 2004. IBot Roomba floor cleaning robot is now available at under $200.00. In the wake of recent anthrax scares, robots are increasingly used in postal sorting applications. Indeed, there is huge potential to mechanize the US postal service. Some 1,000 robots were installed last year to sort parcels and the US postal service has estimated that it has the potential to use up to 80,000 robots for sorting. Look around at the robots around us today: automated gas pumps, bank ATMs, self-service checkout lanes，machines that are already replacing many service jobs. Fast-forward another few decades. It doesnt require a great leap of faith to envision how advances in image processing, microprocessor speed and human-simulation could lead to the automation of most boring, low-intelligence, low-paying jobs. Marshall Brain (yes, thats his name) founder of HowStuffW has written a couple of interesting essays about robotics in the future, well worth reading. He feels that it is quite plausible that over the next 40 years robots will displace most human jobs. According to Brains projections, in his essay Robotic Nation, humanoid robots will be widely available by 2030. They will replace jobs currently filled by people for work such as fast-food service, housecleaning and retail sales. Unless ways are found to compensate for these lost jobs, Brain estimates that more than 50% of Americans could be unemployed by 2055 replaced by robots.Intelligent robots will be everywhereThe world of HAL and Data, of sentient machines, is fast approaching. Indeed, in some ways it has already arrived as humanlike machines increasingly take on the work of humans. As processing power increases exponentially, and as MEMS technology brings smaller and smarter sensors and actuators, robots are the breeding ground for future-generation products with new, varied and exciting applications. Industrial robots The vast majority of robots are used by the manufacturing industry, for repetitive tasks such as painting auto-bodies and simple assembly. Some 100,000 new robots were installed worldwide in 2000, nearly half of them in Japan, the biggest user. There were nearly 800,000 industrial robots in existence at the end of 2002 and this is likely to rise to almost 1 million by the end of 2004. In the last decade the performance of robots has increased radically while at the same time prices have been plummeting. Today, manufacturing robots have a payback period as short as 1-2 years. In N. America, the price of robots relative to labor costs have fallen to 26, and as low as 12 if quality improvements are taken into consideration. Sales of industrial robots have risen to record levels and there is huge, untapped potential for domestic chores like mowing lawns and vacuuming carpets. New robot applications aboundAs robot intelligence increases, and as sensors, actuators and operating mechanisms become more sophisticated, other applications are now multiplying. There are now thousands of underwater robots, demolition robots and even robots used in long-distance surgery. Dozens of experimental search-and-rescue robots scoured the wreckage of the World Trade Centers collapsed twin towers. Teams of robotics experts were at Ground Zero operating experimental robots to probe the rubble and locate bodies. During the war in Afghanistan, robots were being used by the US military as tools for combat. They were sent into caves, buildings or other dark areas ahead of troops to help prevent casualties. After the recent anthrax scares, work has been ongoing to replace postal workers with robots. Indeed, there is huge potential to mechanize the U.S. postal service and some 1,000 robots were installed last year to sort parcels. The U.S. postal service has estimated that it has the potential to use up to 80,000 robots for sorting work, although existing models are not suitable for sorting letters. A giant walking robot is used to harvests forests, moving on six articulated legs, advancing forward and backward, sideways and diagonally. It can also turn in place and step over obstacles. At UC Berkeley, a tiny robot called Micromechanical Flying Insect has wings that flap with a rhythm and precision matched only by natural equivalents. The goal is to develop tiny, nimble devices that can, for example, surreptitiously spy on enemy troops, explore the surface of Mars or safely monitor dangerous chemical spills. A big increase is predicted for domestic robots for vacuum cleaning and lawn mowing. Robots to do these chores are practical today. An inexpensive house-cleaning robot was recently introduced a little battery-powered vacuum cleaner that scurries around the floor, sweeping up dust and dirt as it travels. Called Roomba, it costs just $199 and, by all accounts, is selling very well. Rodney Brooks ?iRobotRoomba is made

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