毕业设计（论文）-电动机械手结构设计

第 1 页摘 要机 械 手 技 术 涉 及 到 电 子 、 机 械 学 、 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 。 随 着 工 业 自 动 化 发 展 的 需 要 ， 机 械 手 在 工 业 应 用 中 越 来 越 重要 。 文 章 主 要 叙 述 了 机 械 手 的 设 计 过 程 ， 文 章 中 介 绍 了 机 械 手 的 设 计 理 论 与 方 法 。 同 时 ，设 计 了 机 械 手 的 夹 持 式 手 部 结 构 ， 设 计 了 机 械 手 的 手 腕 结 构 ， 计 算 出 了 手 腕 转 动 时 所 需 的驱 动 力 矩 、 。 设 计 了 机 械 手 的 手 臂 结 构 。关 键 词 ： 机 械 手 设 计 理 论 驱 动 力 矩第 2 页ABSTRACTThe manipulator technology involves to the electron, mechanics, the automatic control technology,the sensortechnology and the computer technology and so on scientific field, is an interdisciplinarycomprehensivetechnology. Along with the industrial automation need to develop, the manipulator isgetting more and moreimportant in the industrial application. The article mainly narratedmanipulators design process, in the articleintroduced manipulators design theory and the method. At the same time, the paper gives out theprimary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the handand the equipment of the drive of the manipulator , This paper designs the structure of thewrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment ofthe drive of the electricKEY WORDS : manipulator , Design theory , electric第 3 页目 录1 绪 论 11.1 电 动 机 械 手 的 概 述 11.2 机 械 手 的 构 成 与 分 类 21.2.1 机 械 手 的 构 成 21.2.2 机 械 手 的 分 类 51.3 机 器 人 的 应 用 与 发 展 71.3.1 工 业 机 器 人 在 工 业 生 产 中 的 应 用 71.3.2 机 器 人 的 发 展 与 前 景 72 总 体 方 案 的 设 计 92.1 结 构 类 型 的 要 求 与 确 定 92.2 总 体 方 案 的 设 计 103 机 械 手 部 分 计 算 及 分 析 113.1 手 部 计 算 与 分 析 113.1.1 手 部 设 计 的 基 本 要 求 113.1.2 加 紧 力 的 计 算 113.1.3 手 爪 夹 持 误 差 及 分 析 123.2 机 械 手 腕 部 分 析 133.3 手 臂 结 构 设 计 143.3 1设 计 参 数 163.3 2 手 臂 伸 缩 的 尺 寸 校 核 163.4 腰 部 结 构 设 计 193.5 齿 轮 齿 条 地 设 计 计 算 193 . 6 键 的 设 计 计 算 2 33 . 7 轴 的 选 择 2 74 驱 动 系 统 设 计 2 74.1 机 械 手 的 驱 动 方 式 274.2 臂 部 驱 动 电 机 的 选 择 304.3 手 腕 手 爪 驱 动 电 机 的 选 择 325 联 轴 器 的 选 择 3 65.1 选 择 标 准 联 轴 器 365.2 选 择 联 轴 器 的 品 种 、 形 式 37第 4 页5.3 联 轴 器 转 矩 计 算 375.4 初 选 联 轴 器 型 号 375 . 5 选 择 联 接 型 式 3 76 单 片 机 的 选 择 386.1 单 片 机 的 概 念 386.2 单 片 机 的 硬 件 结 构 386.4 电 机 驱 动 芯 片 LMD1820 原 理 计 应 用 40结 论 41参 考 文 献 42翻 译 部 分英 文 原 文 43中 文 译 文 50致 谢 56第 5 页1 绪 论1.1工 业 机 械 手 的 概 述工 业 机 器 手 是 一 种 可 以 搬 运 物 料 、 零 件 、 工 具 或 完 成 多 种 操 作 功 能 的 专 用 机 械 装 置 ；由 计 算 机 控 制 ， 是 无 人 参 与 的 自 主 自 动 化 控 制 系 统 ； 他 是 可 编 程 、 具 有 柔 性 的 自 动 化 系 统 ，可 以 允 许 进 行 人 机 联 系 。 可 以 通 俗 的 理 解 为 “ 机 器 人 是 技 术 系 统 的 一 种 类 别 ， 它 能 以 其 动作 复 现 人 的 动 作 和 职 能 ； 它 与 传 统 的 自 动 机 的 区 别 在 于 有 更 大 的 万 能 性 和 多 目 的 用 途 ， 可以 反 复 调 整 以 执 行 不 同 的 功 能 。 ”工 业 机 械 手 是 人 类 创 造 的 一 种 机 器 ,更 是 人 类 创 造 的 一 项 伟 大 奇 迹 ,其 研 究 、 开 发 和 设计 是 从 二 十 世 纪 中 叶 开 始 的 .我 国 的 工 业 机 械 手 是 从 80年 代 七 五 科 技 攻 关 开 始 起 步 ,在国 家 的 支 持 下 ,通 过 七 五 ,八 五 科 技 攻 关 ,目 前 已 经 基 本 掌 握 了 机 械 手 操 作 机 的 设 计 制造 技 术 ,控 制 系 统 硬 件 和 软 件 设 计 技 术 ,运 动 学 和 轨 迹 规 划 技 术 ,生 产 了 部 分 机 器 人 关 键 元器 件 ， 开 发 出 喷 漆 ， 孤 焊 ， 点 焊 ， 装 配 ， 搬 运 等 机 器 人 ， 其 中 有 130多 台 喷 漆 机 器 人 在 二十 余 家 企 业 的 近 30条 自 动 喷 漆 生 产 线 （ 站 ） 上 获 得 规 模 应 用 ， 孤 焊 机 器 人 已 经 应 用 在 汽 车制 造 厂 的 焊 装 线 上 。 但 总 的 看 来 ， 我 国 的 工 业 机 械 手 技 术 及 其 工 程 应 用 的 水 平 和 国 外 比 还有 一 定 距 离 。 如 ： 可 靠 性 低 于 国 外 产 品 ， 机 械 手 应 用 工 程 起 步 较 晚 ， 应 用 领 域 窄 ， 生 产 线系 统 技 术 与 国 外 比 有 差 距 。 影 响 我 国 机 械 手 发 展 的 关 键 平 台 因 素 就 是 其 软 件 ， 硬 件 和 机 械结 构 。 目 前 工 业 机 械 手 仍 大 量 应 用 在 制 造 业 ， 其 中 汽 车 工 业 占 第 一 位 （ 占 28.9%） ， 电 器制 造 业 第 二 位 （ 占 16.4%） ， 化 工 第 三 位 （ 占 11.7%） 。 发 达 国 家 汽 车 行 业 机 械 手 应 用 占 总保 有 量 百 分 比 为 23.4% 53%， 年 产 每 万 辆 汽 车 所 拥 有 的 机 械 手 数 为 （ 包 括 整 车 和 零 部 件 ） ：日 本 88.0台 ， 德 国 64.0台 ， 法 国 32.2台 ， 英 国 26.9台 ， 美 国 33.8台 ， 意 大 利 48.0台 。世 界 工 业 机 械 手 的 数 目 虽 然 每 年 在 递 增 ， 但 市 场 是 波 浪 式 向 前 发 展 的 。 在 新 世 纪 的 曙光 下 人 们 追 求 更 舒 适 的 工 作 条 件 ， 恶 劣 危 险 的 劳 动 环 境 都 需 要 用 机 器 人 代 替 人 工 。 随 着 机器 人 应 用 的 深 化 和 渗 透 ， 工 业 机 械 手 在 汽 车 行 业 中 还 在 不 断 开 辟 着 新 用 途 。 机 械 手 的 发 展也 已 经 由 最 初 的 液 压 ， 气 压 控 制 开 始 向 人 工 智 能 化 转 变 ， 并 且 随 着 电 子 技 术 的 发 展 和 科 技的 不 断 进 步 ， 这 项 技 术 将 日 益 完 善 。上 料 机 械 手 与 卸 料 机 械 手 相 比 ， 其 中 上 料 机 械 手 中 的 移 动 式 搬 运 上 料 机 械 手 适 用 于 各种 棒 料 ， 工 件 的 自 动 搬 运 及 上 下 料 工 作 。 例 如 铝 型 材 挤 压 成 型 铝 棒 料 的 搬 运 及 高 温 材 料 的自 动 上 料 作 业 ， 最 大 抓 取 棒 料 直 径 达 180mm， 最 大 抓 握 重 量 可 达 30公 斤 ， 最 大 行 走 距 离 为1200mm。 根 据 作 业 要 求 及 载 荷 情 况 ， 机 械 手 各 关 节 运 动 速 度 可 调 。 移 动 式 搬 运 上 料 机 械 手主 要 由 手 爪 ， 小 臂 ， 大 臂 ， 手 臂 回 转 机 构 ， 小 车 行 走 机 构 ， 液 压 泵 站 电 器 控 制 系 统 组 成 ，同 时 具 有 高 温 棒 料 启 动 疏 料 装 置 及 用 于 安 全 防 护 用 的 光 电 保 护 系 统 。 整 个 机 械 手 及 液 压 系统 均 集 中 设 置 在 行 走 小 车 上 ， 结 构 紧 凑 。 电 气 控 制 系 统 采 用 OMRON可 编 程 控 制 器 ， 各 种 作业 的 实 现 可 以 通 过 编 程 实 现 。国 内 外 实 际 使 用 的 多 是 定 位 控 制 的 机 械 手 ， 没 有 “ 视 觉 ” 和 “ 触 觉 ” 反 馈 。 目 前 ， 世界 各 国 正 积 极 研 制 带 有 “ 视 觉 ” 和 “ 触 觉 ” 的 工 业 机 械 手 ， 使 它 能 够 对 所 抓 取 的 工 件 进 行分 辨 ， 能 选 取 所 需 要 的 工 件 ， 并 正 确 的 夹 持 工 件 ， 进 而 精 确 地 在 机 器 上 定 位 、 定 向 。为 使 机 械 手 有 “ 眼 睛 ” 去 处 理 方 位 变 化 的 工 件 和 分 辨 形 状 不 同 的 零 部 件 ， 它 由 视 觉 传感 器 输 入 三 个 视 图 方 向 的 视 觉 信 息 ， 通 过 计 算 机 进 行 图 形 分 辨 ， 判 别 是 否 是 所 要 抓 取 的 工第 6 页件 。 为 防 止 握 力 过 大 引 起 物 件 损 坏 或 握 力 过 小 引 起 物 件 滑 落 下 来 ， 一 般 采 用 两 种 方 法 ： 一是 检 测 把 握 物 体 手 臂 的 变 形 ， 以 决 定 适 当 的 握 力 ； 另 一 种 是 直 接 检 测 指 部 与 物 件 的 滑 动 位移 ， 来 修 正 握 力 。因 此 ， 这 种 机 械 手 就 具 有 以 下 几 个 方 面 的 性 能 ：(1） 能 准 确 地 抓 住 方 位 变 化 的 物 体 ；(2） 能 判 断 对 象 的 重 量 ；(3)能 自 动 避 开 障 碍 物 ；(4)抓 空 或 抓 力 不 足 时 能 检 测 出 来 。这 种 具 有 感 知 能 力 并 对 感 知 的 信 息 做 出 反 映 的 工 业 机 械 手 称 之 为 “ 智 能 机 械 手 ” ， 它是 有 发 展 前 途 的 。现 在 ， 工 业 机 械 手 的 使 用 范 围 只 限 于 在 简 单 重 复 的 操 作 方 面 节 省 人 力 ， 其 效 用 是 代 替从 事 繁 重 的 工 作 ， 危 险 的 工 作 ， 单 调 重 复 的 工 作 ， 恶 劣 环 境 下 的 工 作 方 面 尤 其 明 显 。 至 于像 汽 车 工 业 和 电 子 工 业 之 类 的 费 工 的 工 业 部 分 ， 机 械 手 的 应 用 情 况 决 不 能 说 是 好 的 。 虽 然这 些 工 业 部 门 工 时 不 足 的 问 题 尖 锐 ， 但 采 用 机 械 手 只 限 于 一 小 部 分 工 序 ， 其 原 因 是 ， 工 业机 械 手 的 性 能 还 不 能 满 足 这 些 部 门 的 要 求 ， 适 于 机 械 手 工 作 的 范 围 很 狭 小 ， 这 是 主 要 原 因 。经 济 性 问 题 当 然 也 很 重 要 ， 采 用 机 械 手 来 节 约 人 力 从 经 济 上 看 ， 不 一 定 总 是 合 算 的 。 然 而 ，利 用 机 械 手 或 类 似 机 械 设 备 节 省 人 力 和 实 现 生 产 合 理 化 的 要 求 ， 今 后 还 会 持 续 增 长 ， 只 要技 术 方 面 和 价 格 方 面 存 在 的 问 题 得 到 解 决 ， 机 械 手 的 应 用 必 将 会 飞 跃 发 展 。上 料 机 械 手 和 卸 料 机 械 手 相 对 ， 其 中 上 料 机 械 手 中 的 移 动 式 搬 运 上 料 机 械 手 适 用 于 各种 棒 料 ， 工 件 的 自 动 搬 运 及 上 下 料 工 作 。 例 如 铝 型 材 挤 压 成 型 机 铝 棒 料 的 搬 运 及 高 温 棒 料的 自 动 上 料 作 业 ， 最 大 抓 取 棒 料 直 径 可 达 180mm， 最 大 抓 握 重 量 可 达 30公 斤 ， 最 大 行 走 距离 为 1200mm。 根 据 作 用 要 求 和 载 荷 情 况 ， 机 械 手 各 关 节 运 动 速 度 可 调 。 移 动 式 搬 运 上 料 机械 手 主 要 由 手 爪 ， 小 臂 ， 大 臂 ， 手 臂 回 转 机 构 ， 小 车 行 走 机 构 ， 液 压 泵 站 电 器 控 制 系 统 组成 ， 同 时 具 有 高 温 棒 料 启 动 疏 料 装 置 及 用 于 安 全 防 护 用 的 光 电 保 护 系 统 。 整 个 机 械 手 及 液压 系 统 均 集 中 设 置 在 行 走 小 车 上 ， 结 构 紧 凑 。 电 气 控 制 系 统 采 用 OMRON可 编 程 控 制 器 ， 各种 作 业 的 实 现 可 以 通 过 编 程 实 现 。随 着 机 电 一 体 化 技 术 和 计 算 机 技 术 的 应 用 ， 其 研 究 和 开 发 水 平 获 得 了 迅 猛 的 发 展 并 涉 及 到人 类 社 会 生 产 及 生 活 的 各 个 领 域 ， 特 别 是 工 业 机 械 手 在 生 产 加 工 中 的 广 泛 应 用 。 轿 车 半 轴加 工 上 料 机 械 手 设 计 在 综 合 多 种 机 械 手 的 设 计 原 理 和 设 计 思 想 ， 根 据 轿 车 半 轴 加 工 的 特 点提 出 的 ， 有 一 定 的 理 论 基 础 ， 设 计 水 平 和 应 用 价 值 。1.2 机 械 手 的 构 成 与 分 类1.2.1机 械 手 的 构 成机 械 人 主 要 由 执 行 机 构 、 驱 动 系 统 、 控 制 系 统 以 及 人 工 智 能 等 所 组 成 。第 7 页(一 )执 行 机 构包 括 末 端 执 行 器 、 手 腕 、 手 臂 、 底 座 等 部 件 ， 有 的 还 增 设 行 走 机 构 ， 一 般 视 需 要 而 定 。1、 末 端 执 行 器即 与 物 件 接 触 的 部 件 。 由 于 与 物 件 接 触 的 形 式 不 同 ， 可 分 为 夹 持 式 和 吸 附 式 手 部 。夹 持 式 手 部 由 手 指 (或 手 爪 )和 传 力 机 构 所 构 成 。 手 指 是 与 物 件 直 接 接 触 的 构 件 ， 常 用 的 手指 运 动 形 式 有 回 转 型 和 平 移 型 。 回 转 型 手 指 结 构 简 单 ， 制 造 容 易 ， 故 应 用 较 广 泛 。 平 移 型应 用 较 少 ， 其 原 因 是 结 构 比 较 复 杂 ， 但 平 移 型 手 指 夹 持 圆 形 零 件 时 ， 工 件 直 径 变 化 不 影 响其 轴 心 的 位 置 ， 因 此 适 宜 夹 持 直 径 变 化 范 围 大 的 工 件 。手 指 结 构 取 决 于 被 抓 取 物 件 的 表 面 形 状 、 被 抓 部 位 (是 外 廓 或 是 内 孔 )和 物 件 的 重 量 及 尺寸 。 常 用 的 指 形 有 平 面 的 、 V 形 面 的 和 曲 面 的 :手 指 有 外 夹 式 和 内 撑 式 ;指 数 有 双 指 式 、 多指 式 和 双 手 双 指 式 等 。而 传 力 机 构 则 通 过 手 指 产 生 夹 紧 力 来 完 成 夹 放 物 件 的 任 务 。 传 力 机 构 型 式 较 多 ， 常 用的 有 :滑 槽 杠 杆 式 、 连 杆 杠 杆 式 、 斜 面 杠 杆 式 、 齿 轮 齿 条 式 、 丝 杠 螺 母 弹 簧 式 和 重 力 式 等 。吸 附 式 手 部 主 要 由 吸 盘 等 构 成 ， 它 是 靠 吸 附 力 (如 吸 盘 内 形 成 负 压 或 产 生 电 磁 力 )吸 附物 件 ， 相 应 的 吸 附 式 手 部 有 负 压 吸 盘 和 电 磁 盘 两 类 。对 于 轻 小 片 状 零 件 、 光 滑 薄 板 材 料 等 ， 通 常 用 负 压 吸 盘 吸 料 。 造 成 负 压 的 方 式 有 气 流 负 压式 和 真 空 泵 式 。对 于 导 磁 性 的 环 类 和 带 孔 的 盘 类 零 件 ， 以 及 有 网 孔 状 的 板 料 等 ， 通 常 用 电 磁 吸 盘 吸 料 。电 磁 吸 盘 的 吸 力 由 直 流 电 磁 铁 和 交 流 电 磁 铁 产 生 。用 负 压 吸 盘 和 电 磁 吸 盘 吸 料 ， 其 吸 盘 的 形 状 、 数 量 、 吸 附 力 大 小 ， 根 据 被 吸 附 的 物 件形 状 、 尺 寸 和 重 量 大 小 而 定 。此 外 ， 根 据 特 殊 需 要 ， 手 部 还 有 勺 式 (如 浇 铸 机 械 手 的 浇 包 部 分 )、 托 式 (如 冷 齿 轮 机床 上 下 料 机 械 手 的 手 部 )等 型 式 .2、 手 腕是 连 接 手 部 和 手 臂 的 部 件 ， 并 可 用 来 调 整 被 抓 取 物 件 的 方 位 (即 姿 势 )。3、 手 臂手 臂 是 支 承 被 抓 物 件 、 手 部 、 手 腕 的 重 要 部 件 。 手 臂 的 作 用 是 带 动 手 指 去 抓 取 物 件 ，并 按 预 定 要 求 将 其 搬 运 到 指 定 的 位 置 .第 8 页工 业 机 械 手 的 手 臂 通 常 由 驱 动 手 臂 运 动 的 部 件 (如 油 缸 、 气 缸 、 齿 轮 齿 条 机 构 、 连 杆 机 构 、螺 旋 机 构 和 凸 轮 机 构 等 )与 驱 动 源 (如 液 压 、 气 压 或 电 机 等 )相 配 合 ， 以 实 现 手 臂 的 各 种 运动 。手 臂 可 能 实 现 的 运 动 如 下 :手 臂 在 进 行 伸 缩 或 升 降 运 动 时 ， 为 了 防 止 绕 其 轴 线 的 转 动 ， 都 需 要 有 导 向 装置 ， 以 保 证 手 指 按 正 确 方 向 运 动 。 此 外 ， 导 向 装 置 还 能 承 担 手 臂 所 受 的 弯 曲 力 矩 和 扭 转 力矩 以 及 手 臂 回 转 运 动 时 在 启 动 、 制 动 瞬 间 产 生 的 惯 性 力 矩 ， 使 运 动 部 件受 力 状 态 简 单 。导 向 装 置 结 构 形 式 ， 常 用 的 有 :单 圆 柱 、 双 圆 柱 、 四 圆 柱 和 V形 槽 、 燕 尾 槽 等 导 向 型 式 。4、 机 座机 座 是 机 械 手 的 基 础 部 分 ， 机 械 手 执 行 机 构 的 各 部 件 和 驱 动 系 统 均 安 装 于 机座 上 ， 故 起 支 撑 和 连 接 的 作 用 。5、 行 走 装 置当 工 业 机 械 手 需 要 完 成 较 远 距 离 的 操 作 ， 或 扩 大 使 用 范 围 时 ， 可 在 机 座 上 安装 滚 轮 、 轨 道 等 行 走 机 构 ， 以 实 现 工 业 机 械 手 的 整 机 运 动 。 滚 滚 轮 轮 式 式 布 行 走 机 构 可 分为 有 轨 的 和 无 轨 的 两 种 。 驱 动 滚 轮 运 动 则 应 另 外 增 设 机 械 传 动 装 置 。(二 )驱 动 系 统驱 动 系 统 是 驱 动 工 业 机 械 手 执 行 机 构 运 动 的 动 力 装 置 ， 通 常 由 动 力 源 、 控 制 调 节 装 置和 辅 助 装 置 组 成 。 常 用 的 驱 动 系 统 有 液 压 传 动 、 气 压 传 动 、 电 力 传 动 和 机 械 传 动 。 通 常 一台 机 械 人 只 用 一 种 驱 动 装 置 。(三 )控 制 系 统控 制 系 统 是 支 配 着 工 业 机 械 手 按 规 定 的 要 求 运 动 的 系 统 。 目 前 工 业 机 械 手 的 控 制 系 统一 般 由 程 序 控 制 系 统 和 电 气 定 位 (或 机 械 挡 块 定 位 )系 统 组 成 。控 制 系 统 有 电 气 控 制 和 射 流 控 制 两 种 ， 它 支 配 着 机 械 手 按 规 定 的 程 序 运 动 ， 并 记 忆 人们 给 予 机 械 手 的 指 令 信 息 (如 动 作 顺 序 、 运 动 轨 迹 、 运 动 速 度 及 时 间 )， 同 时 按 其 控 制 系 统的 信 息 对 执 行 机 构 发 出 指 令 ， 必 要 时 可 对 机 械 手 的 动 作 进 行 监 视 ， 当 动 作 有 错 误 或 发 生 故障 时 即 发 出 报 警 信 号 。(四 )人 工 智 能触 觉 、 视 觉 、 听 觉 、 嗅 觉 、 力 觉 、 压 觉 、 接 近 觉 、 滑 觉 、 语 言 识 别 、 逻 辑 判 断 和 学 习等 装 置 ， 根 据 机 器 人 的 智 能 程 度 决 定 。第 9 页1.2.2机 械 手 的 分 类工 业 机 械 手 的 种 类 很 多 ， 关 于 分 类 的 问 题 ， 目 前 在 国 内 尚 无 统 一 的 分 类 标 准 ， 在 此 暂按 使 用 范 围 、 驱 动 方 式 和 控 制 系 统 等 进 行 分 类 。（ 一 ） 按 机 器 人 的 机 构 特 征 来 分机 器 人 的 机 械 配 置 形 式 多 种 多 样 ， 典 型 机 器 人 的 机 构 运 动 特 征 是 用 其 坐 标 特 性 来 描 述的 。 按 机 构 运 动 特 征 ， 机 器 人 通 常 可 分 为 直 角 坐 标 机 器 人 、 柱 面 坐 标 机 器 人 、 球 面 坐 标 机器 人 和 关 节 型 机 器 人 等 类 型 。1直 角 坐 标 机 器 人 。直 角 坐 标 机 器 人 具 有 空 间 上 相 互 垂 直 的 两 根 或 三 根 直 线 移 动 轴 （ 见 图 7 1） ， 通 过 直角 坐 标 方 向 的 3个 独 立 自 由 度 确 定 其 手 部 的 空 间 位 置 ， 其 动 作 空 间 为 一 长 方 体 。 直 角 坐 标机 器 人 结 构 简 单 ， 定 位 精 度 高 ， 空 间 轨 迹 易 于 求 解 ； 但 其 动 作 范 围 相 对 较 小 ， 设 备 的 空 间因 数 较 低 ， 实 现 相 同 的 动 作 空 间 要 求 时 ， 机 体 本 身 的 体 积 较 大 。 主 要 用 于 印 刷 电 路 基 板 的元 件 插 入 、 紧 固 螺 丝 等 作 业 。2柱 面 坐 标 机 器 人 。柱 面 坐 标 机 器 人 的 空 间 位 置 机 构 主 要 由 旋 转 基 座 、 垂 直 移 动 和 水 平 移 动 轴 构 成 （ 见 图7 2） ， 具 有 一 个 回 转 和 两 个 平 移 自 由 度 ， 其 动 作 空 间 呈 圆 柱 形 。 这 种 机 器 人 结 构 简 单 、刚 性 好 ， 但 缺 点 是 在 机 器 人 的 动 作 范 围 内 ， 必 须 有 沿 轴 线 前 后 方 向 的 移 动 空 间 ， 空 间 利 用率 较 低 。 主 要 用 于 重 物 的 装 卸 、 搬 运 等 作 业 。 著 名 的 Versatran机 器 人 就 是 一 种 典 型 的 柱面 坐 标 机 器 人 。3球 面 坐 标 机 器 人 。其 空 间 位 置 分 别 由 旋 转 、 摆 动 和 平 移 3个 自 由 度 确 定 ， 动 作 空 间 形 成 球 面 的 一 部 分 。其 机 械 手 能 够 作 前 后 伸 缩 移 动 、 在 垂 直 平 面 上 摆 动 以 及 绕 底 座 在 水 平 面 上 转 动 。 著 名 的Unimate就 是 这 种 类 型 的 机 器 人 。 其 特 点 是 结 构 紧 凑 ， 所 占 空 间 体 积 小 于 直 角 坐 标 和 柱 面坐 标 机 器 人 ， 但 仍 大 于 多 关 节 型 机 器 人 。4、 多 关 节 型 机 器 人 。 由 多 个 旋 转 和 摆 动 机 构 组 合 而 成 。 这 类 机 器 人 结 构 紧 凑 、 工 作 空 间大 、 动 作 最 接 近 人 的 动 作 ， 对 喷 漆 、 装 配 、 焊 接 等 多 种 作 业 都 有 良 好 的 适 应 性 ， 应 用 范 围越 来 越 广 。 不 少 著 名 的 机 器 人 都 采 用 了 这 种 型 式 ， 其 摆 动 方 向 主 要 有 铅 垂 方 向 和 水 平 方 向两 种 ， 因 此 这 类 机 器 人 又 可 分 为 垂 直 多 关 节 机 器 人 和 水 平 多 关 节 机 器 人 。 如 美 国 Unimation公 司 20 世 纪 70 年 代 末 推 出 的 机 器 人 PUMA（ 见 图 7 4） 就 是 一 种 垂 直 多 关 节 机 器 人 ， 而日 本 山 梨 大 学 研 制 的 机 器 人 SCARA（ 见 图 7 5） 则 是 一 种 典 型 的 水 平 多 关 节 机 器 人 。垂 直 多 关 节 机 器 人 模 拟 了 人 类 的 手 臂 功 能 ， 由 垂 直 于 地 面 的 腰 部 旋 转 轴 （ 相 当 于 大 臂 旋 转的 肩 部 旋 转 轴 ） 带 动 小 臂 旋 转 的 肘 部 旋 转 轴 以 及 小 臂 前 端 的 手 腕 等 构 成 。 手 腕 通 常 由 2 3个 自 由 度 构 成 。 其 动 作 空 间 近 似 一 个 球 体 ， 所 以 也 称 多 关 节 球 面 机 器 人 。 其 优 点 是 可 以 自由 地 实 现 三 维 空 间 的 各 种 姿 势 ， 可 以 生 成 各 种 复 杂 形 状 的 轨 迹 。 相 对 机 器 人 的 安 装 面 积 其动 作 范 围 很 宽 。 缺 点 是 结 构 刚 度 较 低 ， 动 作 的 绝 对 位 置 精 度 磨 较 低 。 它 广 泛 应 用 于 代 替 人完 成 装 配 作 业 、 货 物 搬 运 、 电 弧 焊 接 、 喷 涂 、 点 焊 接 等 作 业 场 合 水 平 多 关 节 机 器 人 在 结构 上 具 有 串 联 配 置 的 二 个 能 够 在 水 平 面 内 旋 转 的 手 臂 ， 其 自 由 度 可 以 根 据 用 途 选 择 2 4第 1 0 页个 ， 动 作 空 间 为 一 圆 柱 体 。 水 平 多 关 节 机 器 人 的 优 点 是 在 垂 直 方 向 上 的 刚 性 好 ， 能 方 便 地实 现 二 维 平 面 上 的 动 作 ， 在 装 配 作 业 中 得 到 普 遍 应 用 。(二 )按 用 途 分机 械 手 可 分 为 专 用 机 械 手 和 通 用 机 械 手 两 种 :1、 专 用 机 械 手它 是 附 属 于 主 机 的 、 具 有 固 定 程 序 而 无 独 立 控 制 系 统 的 机 械 装 置 。 专 用 机 械 手 具 有 动作 少 、 工 作 对 象 单 一 、 结 构 简 单 、 使 用 可 靠 和 造 价 低 等 特 点 ， 适 用 于 大 批 量 的 自 动 化 生 产 ，如 自 动 机 床 、 自 动 线 的 上 、 下 料 机 械 手 和 “ 加 口 工 中 心 ” 附 属 的 自 动 换 刀 机 械 手 。2、 通 用 机 械 手它 是 一 种 具 有 独 立 控 制 系 统 的 、 程 序 可 变 的 、 动 作 灵 活 多 样 的 机 械 手 。 在 规 格 性 能 范围 内 ， 其 动 作 程 序 是 可 变 的 ， 通 过 调 整 可 在 不 同 场 合 使 用 ， 驱 动 系 统 和 控 制 系 统 是 独 立 的 。通 用 机 械 手 的 工 作 范 围 大 、 定 位 精 度 高 、 通 用 性 强 ， 适 用 于 不 断 变 换 生 产 品 种 的 中 小 批 量自 动 化 的 生 产 。通 用 机 械 手 按 其 控 制 定 位 的 方 式 不 同 可 分 为 简 易 型 和 伺 服 型 两 种 :简 易 型 以 “ 开 一 关 ”式 控 制 定 位 ， 只 能 是 点 位 控 制 : 伺 服 型 具 有 伺 服 系 统 定 位 控 制 系 统 ， 可 以 是 点 位 的 ， 也 可以 实 现 连 续 轨 迹 控 制 ， 一 般 的 伺 服 型 通 用 机 械 手 属 于 数 控 类 型 。(三 )按 驱 动 方 式 分1、 液 压 传 动 机 械 手是 以 液 压 的 压 力 来 驱 动 执 行 机 构 运 动 的 机 械 手 。 其 主 要 特 点 是 :抓 重 可 达 几 百 公 斤 以上 、 传 动 平 稳 、 结 构 紧 凑 、 动 作 灵 敏 。 但 对 密 封 装 置 要 求 严 格 ， 不 然 油 的 泄 漏 对 机 械 手 的工 作 性 能 有 很 大 的 影 响 ， 且 不 宜 在 高 温 、 低 温 下 工 作 。 若 机 械 手 采 用 电 液 伺 服 驱 动 系 统 ，可 实 现 连 续 轨 迹 控 制 ， 使 机 械 手 的 通 用 性 扩 大 ， 但 是 电 液 伺 服 阀 的 制 造 精 度 高 ， 油 液 过 滤要 求 严 格 ， 成 本 高 。2、 气 压 传 动 机 械 手是 以 压 缩 空 气 的 压 力 来 驱 动 执 行 机 构 运 动 的 机 械 手 。 其 主 要 特 点 是 :介 质 李 源 极 为 方便 ， 输 出 力 小 ， 气 动 动 作 迅 速 ， 结 构 简 单 ， 成 本 低 。 但 是 ， 由 于 空 气 具 有 可 压 缩 的 特 性 ，工 作 速 度 的 稳 定 性 较 差 ， 冲 击 大 ， 而 且 气 源 压 力 较 低 ， 抓 重 一 般 在 30 公 斤 以 下 ， 在 同 样抓 重 条 件 下 它 比 液 压 机 械 手 的 结 构 大 ， 所 以 适 用 于 高 速 、 轻 载 、 高 温 和 粉 尘 大 的 环 境 中 进行 工 作 。3、 机 械 传 动 机 械 手即 由 机 械 传 动 机 构 (如 凸 轮 、 连 杆 、 齿 轮 和 齿 条 、 间 歇 机 构 等 )驱 动 的 机 械 手 。 它 是 一种 附 属 于 工 作 主 机 的 专 用 机 械 手 ， 其 动 力 是 由 工 作 机 械 传 递 的 。 它 的 主 要 特 点 是 运 动 准 确可 靠 ， 动 作 频 率 大 ， 但 结 构 较 大 ， 动 作 程 序 不 可 变 。 它 常 被 用 于 工 作 主 机 的 上 、 下 料 。4、 电 力 传 动 机 械 手即 有 特 殊 结 构 的 感 应 电 动 机 、 直 线 电 机 或 功 率 步 进 电 机 直 接 驱 动 执 行 机 构 运 动 的 机 械手 ， 因 为 不 需 要 中 间 的 转 换 机 构 ， 故 机 械 结 构 简 单 。 其 中 直 线 电 机 机 械 手 的 运 动 速 度 快 和行 程 长 ， 维 护 和 使 用 方 便 。 此 类 机 械 手 目 前 还 不 多 ， 但 有 发 展 前 途 。(四 )按 控 制 方 式 分1、 点 位 控 制它 的 运 动 为 空 间 点 到 点 之 间 的 移 动 ， 只 能 控 制 运 动 过 程 中 几 个 点 的 位 置 ， 不 能 控 制 其第 1 1 页运 动 轨 迹 。 若 欲 控 制 的 点 数 多 ， 则 必 然 增 加 电 气 控 制 系 统 的 复 杂 性 。 目 前 使 用 的 专 用 和 通用 工 业 机 械 手 均 属 于 此 类 。2、 连 续 轨 迹 控 制它 的 运 动 轨 迹 为 空 间 的 任 意 连 续 曲 线 ， 其 特 点 是 设 定 点 为 无 限 的 ， 整 个 移 动 过 程 处 于 控 制之 下 ， 可 以 实 现 平 稳 和 准 确 的 运 动 ， 并 且 使 用 范 围 广 ， 但 电 气 控 制 系 统 复 杂 。 这 类 工 业 机械 手 一 般 采 用 小 型 计 算 机 进 行 控 制 。1.3 机 器 人 的 应 用 与 发 展1.3.1 工 业 机 器 人 在 工 业 生 产 中 的 应 用工 业 机 械 手 在 生 产 中 的 应 用 非 常 广 泛 ， 还 可 以 归 纳 为 以 下 的 一 些 方 面 ：建 造 旋 转 零 件 体 自 动 线 方 面建 造 旋 转 零 件 体 （ 轴 类 、 盘 类 、 环 类 零 件 ） 自 动 线 ， 一 般 都 采 用 机 械 手 在 机 床 之 间 传送 工 件 。在 实 现 单 机 自 动 化 方 面(1)各 类 半 自 动 车 床 ， 有 自 行 夹 紧 、 进 刀 、 切 削 、 退 刀 和 松 开 的 功 能 ， 但 仍 需 人 工 上下 料 ， 装 上 机 械 手 ， 可 实 现 全 自 动 化 生 产 。(2)注 塑 机 有 加 料 、 合 模 、 成 型 、 分 模 等 自 动 工 作 循 环 ， 装 上 机 械 手 自 动 取 料 ， 可 实现 全 自 动 生 产 。(3)冲 床 有 自 动 上 下 冲 压 循 环 ， 机 械 手 上 下 料 可 实 现 冲 压 上 产 自 动 化 。铸 、 锻 、 焊 、 热 处 理 等 方 面总 的 来 说 ， 由 于 工 业 机 械 手 的 特 点 满 足 了 社 会 生 产 的 需 要 ， 进 而 带 来 了 经 济 效 益 。 其 特 点 ：(1)对 环 境 的 适 应 性 强 ， 能 代 替 人 从 事 危 险 ， 有 害 的 操 作 ， 在 长 时 间 对 人 体 有 害 的 场所 ， 机 械 手 不 受 影 响 。(2)机 械 手 能 持 久 、 耐 劳 、 可 以 把 人 从 单 调 的 繁 重 的 劳 动 中 解 放 出 来 ， 并 能 扩 大 和 延伸 人 的 功 能 。(3)动 作 准 确 ， 可 保 证 稳 定 和 提 高 产 品 的 质 量 ， 同 时 可 避 免 人 为 操 作 的 错 误 。(4)通 用 性 灵 活 性 好 ， 特 别 是 通 用 机 械 手 ， 能 适 应 产 品 品 种 迅 速 变 化 的 要 求 ， 满 足 柔性 生 产 的 需 要 。(5)采 用 机 械 手 能 明 显 的 提 高 劳 动 生 产 率 和 降 低 成 本 。1.3.2机 器 人 的 发 展 与 前 景国 际 上 第 一 台 工 业 机 器 人 产 品 诞 生 于 20世 纪 60年 代 ， 当 时 其 作 业 能 力 仅 限 于 上 、 下 料 这类 简 单 的 工 作 。 此 后 机 器 人 进 人 了 一 个 缓 慢 的 发 展 期 ， 直 到 进 人 20世 纪 80年 代 ， 机 器 人产 业 才 得 到 了 巨 大 的 发 展 ， 成 为 机 器 人 发 展 的 一 个 里 程 碑 ， 这 一 时 代 被 称 为 “ 机 器 人 元年 ” 。 为 了 满 足 汽 车 行 业 蓬 勃 发 展 的 需 要 ， 这 个 时 期 开 发 出 的 点 焊 机 器 人 、 弧 焊 机 器 人 、喷 涂 机 器 人 以 及 搬 运 机 器 人 等 四 大 类 型 的 工 业 机 器 人 系 列 产 品 已 经 成 熟 ， 并 形 成 产 业 化 规模 ， 有 利 地 推 动 了 制 造 业 的 发 展 。 为 进 一 步 提 高 产 品 质 量 和 市 场 竞 争 能 力 ， 装 配 机 器 人 及柔 性 装 配 线 又 相 继 开 发 成 功 。20世 纪 90 年 代 以 来 ， 随 着 计 算 机 技 术 、 微 电 子 技 术 、 网 络 技 术 等 快 速 发 展 ， 工 业 机 器 人第 1 2 页技 术 也 得 到 了 飞 速 发 展 。 现 在 工 业 机 器 人 已 发 展 成 为 一 个 庞 大 的 家 族 ， 并 与 数 控 （ NC） 、可 编 程 、 控 制 器 （ PLC） 一 起 成 为 工 业 自 动 化 的 三 大 技 术 支 柱 和 基 本 手 段 ， 广 泛 应 用 于 制造 业 的 各 个 领 域 之 中 。 工 业 机 器 人 技 术 从 机 械 本 体 、 控 制 系 统 、 传 感 系 通 行 统 ， 到 可 靠 性