四自由度码垛机器人机械结构设计

四自由度码垛机器人机械结构设计 摘 要 码垛机器人作为现 代码垛系统中最重 要的设备,它的 操作范围、码垛速 度、稳定性等工作能力决定了整个码垛系统设计的成败。 机器人学是近 40 年来迅速发展起来的综合性学科，它综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。 本课题设计的是四自由度圆柱坐标机器人，主要研究的是这种机器人的总体设计，包括机身的升降与旋转，手臂的伸缩和手腕的旋转。设计中涉及到了这种机器人的机械结构设计计算、驱动系统、控制系统及其电路、计算机硬件等内容。其主要功能是搬运轻型的家用电器，将物体由高处拿下或将其放入高处等。它的主要特点是重量轻、行动灵活，经过增加自由度后会成为一种非常实用的家用型机器人。本论文中对机器人的机械机构进行了详细计算，确定出了所用相应的零件，并将它的原理图转换成了机械装配图。本文也对计算机的硬件部分进行了论述， 讲述了机器人的控制方法等。 关键词：机器人 自由度 圆柱坐标 人工智能 四自由度码垛机器人机械结构设计 Abstract Palletizing robot palletizing system of modern equipment in the most important, the scope of its operations, palletizing speed, stability, ability to work, such as stack determines the success or failure of system design.Robot subject is a synthesized course quickly developed in the last 40 yearses. It synthesizes the newest study result of machanics,electronics, calculator science, automatic control eng ineering, artificial intelligence, bionics etc.It delegates the tallest achievement of mechanical-electrical integration.It is one of the most activity fields of science technique development in the nowadays world.This designs task is four degree of freedoms robot that is cylindrical coordinates. The main task is to study the total design of this kind of robot, including the fuselage of robots rise and fall or revolve, and the arms stretch and shrink or the revolving of wrist.In the design,it relates to the machine constructions design calculation of this kind of robot, the drive system, control system and its electric circuit,and calculator hardware etc. Its main function is transports the light home appliances.It takes down the object from the high place or put into the high place from the ground. This kind of robots main characteristics is very light and agility. It can become a kind of very practical household-use type robot by increasing the free degrees. In the thesis,I calculate the machine organization detailedly, and certain out the using hardware.I change the principle drawing to the machine assemble drawing.I dissertate the computorhardware and the robots control measure. Keywords: intelligence Robot ； Freedom; Cylindrical Coordinates ； Artificial 第 1 章 绪论目录 1.1 前言 1 1.2 机器人控制技术与方法综述 4 1.3 自适应控制理论和技术的发展状况 7 1.4 本设计选题的意义 9 第 2 章 机器人总体设计2.1 设计内容 102.2 机器人的外形结构与运动 10 2.3 机器人的结构 12 第 3 章 机械系统设计3.1 机械结构总体设计 13 3.2 构件材料选取 14 3.3 机身及升降机构设计 14 3.4 手臂设计 20 第 4 章 控制系统硬件设计4.1 可编程序控制器简述 31 4.2 MCS-51 单片机统 32 4.3 控制系统硬件部分 33 4.4 控制系统软件部分 38 程序流程图39 4.5 单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法及方向控制 42 4.6 步进电动机的速度控制 42 4.7 步进电动机的点-位控制 43 4.8 步进电动机的加减速控制 43 4.9 环形分配器 45 经济技术性分析报告 47附录： 结束语 48 程序 49 致谢 53 参考文献 54 1.1 前言 四自由度码垛机器人机械结构设计 第 1 章 绪论 机器人（Robot）一词来源于捷克作家 Karel Capek 1920 年编写的一部幻想剧罗莎姆万能罗博特公司 ，而机器人捷克语意为“苦力” 、 “劳役” ，该剧轰动一时，很快译传国外，此后，种种“人行机器”见之于各类幻想作品。进入八十年代以后，人们把机器人分为主要的两类：工业机器人和特种机器人。同时又把这两类机器人的发展过程分为三代:第一代史可编程的示教再现行机器人，第二代是具有一定感觉和自适应能力的离线编成机器人，第三代是智能机器人。智能机器人是短期内难以达到的目标，目前还不能实现完全的自主，完全脱离人的控制而作业。所以许多学者认为目前的研究重点应该从完全自主走向交互技术才更有意义 。 现在市场上较常见的机器人有 ABB、FANUC 、MOTOMAN 、PANASONIC、KUKA 等品牌， 其应用范围比较广阔，主要 用在装配、搬运、码垛、 焊接、点焊、涂胶、喷涂等各领域。 美国是机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国 的日本起步至少要早五六年。经过 30 多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。 由于美国政府从 60 年代到 70 年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来 说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使 用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达 665，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70 年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军 事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。 进入 80 年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。 80 年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机- 1 - 1四自由度码垛机器人机械结构设计 器人，并很快占领了美国 60的机器人市场。 尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在： （1）性能可靠，功能全面，精确度高； （2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首； （3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用； （4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。 早在 1966 年，美国 Unimation 公司的尤尼曼特机器人和 AMF 公司的沃莎特兰 机器人就已经率先进入英国市场。1967 年英国的两家大机 械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国 Hall Automation 公司研制出自己的机器人 RAMP。70 年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的 Lighthall 报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到：机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从 70 年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。 法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。 法国机器人的发 展比较顺利，主要 原因是通过政府 大力支持的研究计 划，建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快发展和普及. 德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了 70 年代中后期，政府采用行- 2 - 四自由度码垛机器人机械结构设计 政手段为机器人的推广开辟道路；在改善劳动条件计划 中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。到 1984 年终于使这一被喻为快完蛋的行业 重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了 1985 年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。 在前苏联（主要是在俄罗斯） ，从理论和实践上探讨机器人技术是从 50 年代后半期开始的。到了 50 年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968 年成功地试制出一台深水作业机器人。1971 年研制出工厂用的万能机 器人。早在前苏联第九个五年计划（1970 年一 1975 年）开始时，就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到 1975 年，已研制出 30 个型号的 120 台机器人，经过 20 年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科 学技术进 步当作推动 社会生产 发展的手段 ，来安排 机器人的研 究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有计划、按步骤地进行。 日本在 60 年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达 11。第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在 1967 年由川崎重工业公司从美国 Unimation 公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于 1968 年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。 正是由于日 本当时劳动力 显著不足，机 器人在企业里 受到了“救世主” 般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策，如由政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立“机器人长期租赁公司 ”，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机 控制的示 教再现型 机器人作为 特别折扣 优待产品， 企业除享 受新设备通 常的40% 折扣优待外，还可再 享受 13的价格补贴。 另一方面，国家出资 对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。 - 3 - 四自由度码垛机器人机械结构设计 这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到 80 年代中期，已一跃而为“机器人王国” ，其机器人的产量和安装的台数在国际 上跃居首位。按照日本产业机器人工 业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了 60 年代的摇篮期，70 年代的实用期，到 80 年代进人普及提高期。 ”并正式把 1980 年定为 “产业机器人的普及元年 ”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。 日本政府和企业充分信任机器人，大胆使用机器人。机器 人也没有辜负人们的期望，它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面，发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。 日本在汽车、电 子行业大量使用机 器人生产，使日 本汽车及电子产品 产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“ 汽车王国 ”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追。 1.2 机器人控制技术与方法综述 机器人力控制技术的发展可追溯到主从遥控器的研究时代，当时人们发现，由于无法得到从操作手与环境接触的任何力信息，因而很难完成要求与工业环境有接触的操作，为此开始在机械手上安装传感器。当时，传感器还仅仅是作为一种监测手段 被用作操 作人员控制 操作器动 作的依据。 但是随着 机器人技术 的发展，机器人位置控制技术和计算机技术的日趋完善，人们已不再满足于只让机器人从事象点焊 、弧焊、喷漆和搬运等不与环境物体接触的工作任务，而是试图用机器人来完成象装配、边缘跟踪和去毛刺等与环境存在接触的操作。然而由于环境和机器人本体的非理想化，无法消除误差存在，因而纯位置控制方式下的机器人在从事这类工作时将不可避免的产生一些不希望的环境接触力，而且这种不希望的接触力往往又是很大的，以至损坏工件或机械手本身，致使任务无法进行。解决上述问题的方法有四种 ： (1) 制造更为精密的机器人和工作环境。 (2) 在机械手 中引入机械被 动顺应，一般 是在操作器与 末端执行器之 间加入机械柔性装置，依靠弹性体的形变直接引起操作器的运动和力。 (3) 主动顺应 即力控制，它 是在机器人位 置控制的基础 上引入力信号 的反馈，通过控制算法，力控制器产生控制指令去驱动机器人操作器运动，以顺应外界约束。 - 4 - 6四自由度码垛机器人机械结构设计 (4) 将被动式顺应与主动式顺应控制结合起来，即主动式柔顺手腕控制。制造更为精密的机器人与操作环境虽是人们努力的目标，实现起来却及其困难，任何微小的进步都要付出很高的代价。后 3 种解决办法属于机器人顺应性运动控制技术范畴。所谓顺应性运动是指机器人从事与环境或工件存在连续接触的任务，其末端执行器的运动轨迹需由接触力进行修正。为实现这种运动所进行的控制则称为顺应性控制。如果对机器人作用于环境的这种接触力加以控制，则出现了机器人的力控制问题，即顺应性力控制。 在顺应性运动中有一个重要概念顺应中心。它就是这样点，如果在该点作用一个力的方向上引起位移；当一个纯力矩沿某一直线作用 于该点时，只引起绕该直线的转动7。 1.2.1 动顺应性控制(Passive Compliant Control)如果一个刚度很高的机器人配置一个刚度很强的位置伺服装置，对于有与作业对象接触的操作是很不合适的，这时零件往往被卡住或损坏。机器人的每一个元件在一定范围内都有一定柔顺性，通常有一个或很少几个元件的顺应性在系统顺应性中起主导作用。这一切都暗示，顺应性运动完全可以通过机械结构上的巧妙设计来实现。 Draper 实验室的 Whitney 等人 在对圆轴圆孔 装配过程中的 工件受力，几 何特征与摩擦及楔紧与卡阻现象进行 理论分析和实验的基础上设计了 RCC 装置 。C点为 RCC 腕的顺应中心。RCC 腕由平动部分和旋转部分组成，当受到力或力矩作用时，RCC 发生偏移变形和旋转变形，可以分别吸收位置误差和角度误差，在一定误差范围内，可以顺利地完成装配作业，不会发生卡阻和楔紧现象。 从理论上讲，RCC 腕所具有的平动和转动与下插运 动合成后，可以将其下端所夹持零件的运动瞬心配置在 空间上的任一点，故能满足零件任何方式的顺从运动需求。但当 RCC 腕的构形偏离其零位置时，将产生一个使其构形恢复到零位置的恢复力系，该力系的大小与其偏离机构零位置大小成正比。零件间的相对位姿误差愈大，这个恢复力系就愈强，需要的装配力就愈大，因而装配就愈困难，甚至发生卡阻和楔紧现象，使装 配无法进行。所以 RCC 腕只适用于零件间相对误差较小的场合，尤其是角度误差较小的场合。 RCC 腕结构简单，紧凑，成本低，已成为目前最典型的一种被动柔顺装置，其主要优点是： （1） 插入时间相对目前大多数装配策略来说是很短的。 （ 2） 力控制策略是通 过机构自动执行的，不 许要任何传感器和进 行信息处理，也不需要对机械手运动命令的修正，因而装配策略简单。 它的局限性是： - 5 - 913四自由度码垛机器人机械结构设计 （3） 必须依靠倒角进行搜孔，零件间的允许初始错位受到倒角宽度的限制。 （ 4） 手腕柔顺机构本 身在顺应校正时会产生 与初始位姿误差和间 隙有关恢复力系导致装配力大。 （5） 由于其往往针对某一特定的作业而设计使用不够灵活，通用性差。 （6） 由于腕自重影响零件定位精度，因而一般只进行垂直方向的下插操作。 1.2.2 主被动顺应性控制(Active/Passive Compliant Control) 将被动顺应 性控制与 主动顺应 性控制结 合起来，便 出现了主 被动顺应 性控制，也称为主动式柔顺手腕控制。它不依赖于机械装置，而是从控制技术上解决装配作业中可 能发生的卡阻 和楔紧现象 。在柔 性可控的自 由度上采用主 动方式，而在需要快速响应的自由度上采用被动方式，即通过力传感器检测机器人手腕部所受到的力矩的到小与方向，然后用控制软件来设置合理的刚度矩阵，将这些力信息变成相应的位置调整量，通过控制主机控制柔顺手腕绕顺应中心作适量的平移和旋转，使末端执行器和所夹持工件处于最佳插入位置和姿态，以保证装配过程顺利进行。 主动柔顺手腕控制主要优点是： （1） 系统的柔性增大了。由于运动可控，因而不但能适应工矿的改变实现多种装配策略，而且还可以进行除装配以外的一些其它精密操作。 （2） 能在一定范围内进行快速搜索，因此允许的初始位姿误差较大，而且在无倒角的情况下也能正常工作。 （3） 可以对工件与环境的接触力进行控制使其大大减小。 它的主要缺陷是： （1） 在装配时，装配时间较长，主要是因为搜索时间较长所致。 （2） 结构比较复杂，成本高。 1.2.3 主动顺应性控制(Active Compliant Control) 不论是被动顺应性控制还是主动顺应性手腕控制，其设计目的主要是实现精密操作，而大范围的粗定位由机器人本身来实现。利用机器人在预计的轨迹上顺应性运动轨迹进行粗略跟踪，然后由柔顺手腕的微动调整实现，即所谓的机器人宏/微顺应性控制策略 。 主动顺应性控制即力控制是在机器人位置控制的基础上引入力信号的反馈，通过一些数 据处理和 控制策略， 力控制器 产生控制指 令去驱动 机器人操作 器运动，以调整出不同的控制算法。尽管这种方法要求使用力传感器，且整个力控制系统响应速度较慢，但它使用灵活，通用性强。这样机器人本身具有可控的顺应性，且顺应性运动与机器人空间轨迹运动范围相同。此时的机器人的控制不再是单纯的位置控制，而是包含了力的控制。 - 6 - 1210四自由度码垛机器人机械结构设计 在机器人力控制中，传感器在机器人上的安装位置是关键一环。一般情况下，传感器安装在机器人的位置有 4 种 ： （1） 装在关节驱动器上，即关节力矩传感器。它测量机器人驱动器本身的输出力和力矩。关节力矩传感器成功地应用在主从遥控手的控制中用于量测从手的关节力矩，同样在双手臂协调控制中获得应用。关节力矩传感器的优点是： 1） 它不仅能够量测作用在机器人手部的力和力矩，而且能量测操作器其它点上的作用力。 2） 由于受到机器人关节连杆惯性及机器人结构刚度的保护作用，它可以承受作用在机器人手部的大的冲击力和力矩的影响。 3） 力矩传感器的力矩伺服系统带宽高，响应速度快。 它的不足是：机器人操作器的重力和惯性影响对机器人手部力和力矩的测量。 （2） 装在末端执行器与机器人最末关节之间，即腕力传感器。它可量测作用在手爪上的力和力矩，得到笛卡尔空间表示的力/力矩向量。腕力传感器的优点是： 1） 由于它远离机器人本体，避免了机器人动力学及传动机构噪声的等不确定因素的影响，使测量值足够准确和灵敏度高。 2）安装位置距接触点不太远，能够真实地反映接触力和力矩。其缺点是：由于操作器结构的带宽低，利用腕力传感器导致伺服系统的带宽低，响应速度慢。 3） 装在机器人末端执行器的指尖上，即力敏感手指。通常这种敏感手指上装的应变片可量测作用在每个手指上的一至四个分量。 4）安装在被操作工件的操作台基座上，即基座力传感 器。它由弹性机构和量测应变片组成，可量测作用于固定在基座上工件的接触力。基座力传感器的优点是：结构的弹性好，灵敏度高。其不足是：通用性差，根据特定的任务需设计专门的基座力传感器。 目前，力传感器作为机器人力控制关键环节，其机械设计，电子线路，通讯及可靠性等仍面临挑战。 1.3 自适应控制理论和技术的发展状况 1.3.1 自适应控制理论的产生和定义 如果受控过程的脉冲相应函数或传递函数是已知的，则可用经典控制理论设计一种控制器，使控制系统的过渡过程指标，如超调量，振荡次数，过渡时间和通频带等符合要求。如果掌握了过程的运动方程，就可以用最优控制理论设计一种最优控制器，是控制系统的某项性能指标达到最优。大使如果对受控系统本身的动力学特性未知或不完全掌握，或者在运行过程中发生了实现未知的变化，南- 7 - 11四自由度码垛机器人机械结构设计 无上述控制方法就无法实现，或者即使能实现但实际控制效果却变差，甚至出现不稳定现象。这是因为上述两种理论都是以过程的动态特性事先已知，且在运行中不发生未知变化为前提条件的。 任何受控系统都存在不定性， 金强弱程度不同而已。所以一个实际系统的数学模型不可能描述它的全部动态特性。在系统存在不确定性的情况下，怎样设计满意的控制器，使系统维持在最优或接近最优状态工作，这就是自适应控制的任务。 自从 50 年代末期由美国麻绳理工学院提出第一个自适应控制系统后，自适应控制在当时就引起了很多人的兴趣和关注。其取得较大进展并引起广泛重视还只是近十几年来的事情，其理论，设计方法和应用还远未达到成熟的地步，新的概念和方法仍在不断涌现，这就使的这一领域的学术观点繁多，在许多问题上都还没有形成统一的认识。 1.3.2 自控制理论的主要分类及发展 自适应控制理论发展到今天，具有多种控制类型，其中理论上较系统，应用较多的两类是模型参考自适应控制和自校正控制。 自校正控制思想可追溯到 1958 年 Kalman 发表的一篇文章 自最优控制系统的设计。1970 年，Peterka 把这一原理推广到参数未 知但恒定的线性离散时间单输入单输出系统。1975 年 Clark 与 Cawthrop 把 Astrom 等人的自校正调节器推广为自校正控制器，把最小方差目标变为广义最小方差目标，通过巧妙的引入 了一个 辅助输 出并且 运用了 Astrom 等人的 推导得 到了与 STR 同样 简单易 行的两种自校正算法.70 年代末，Astrom 等人与英国学者 Wellstead 等分别提出了极零点 配置自校调 节器和控制器 。近 些年来又相继 提出了多变 量自校正调节 器和控制器,LQG 自校正起，PID 自校正调节器 ，非最小相位与变时滞自校正器等多种自校正方案。 1.3.3 自适应控制技术在机器人控制中的应用 机器人在运动以及作业过程中，手臂的位置，方位和负载的质量以及刚度都可能在变化，从而导致机器人动力学模型中的参数变化。为了补偿这些变化的影响，提高系统的控制性能，人们提出了各种机器人控制的自适应算法。这些算法通常可分为模型参考自适应和自校正自适应两大类，其中每一大类又包括关节坐标空间控制，笛卡尔空间控制和作业空间控制。 将自适应控制用于机器人的控制中，目前只是基于简单的机器人模型，而且大多数是仿真研究，能真正实际应用的很少。 - 8 - 121514四自由度码垛机器人机械结构设计 1.4 本设计选题的意义 中国工业机器人经过“ 七五 ”攻关计划、 “九五”攻关计划和 863 计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家 20 世纪 80 年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有:数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。 我国机器人技术主题发展的战略目标是:根据 2l 世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有:第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。 本设计主要是将机和电结合起来，利用传感器，对以往的码垛机器人、焊接机器人等进行了改进，使其具有更多的自由度，使用起来更方便，操纵起来更便捷，适用于更复杂的环境。 - 9 - 2.1 设计内容 四自由度码垛机器人机械结构设计 第 2 章 机器人总体设计 本课题所设计的是一个四自由度的圆柱坐标机器人，其中有两个直线运动，两个旋转运动。升降机构由步进电机和滚珠丝杠组成，伸缩机构由步进电机、齿轮副和滚珠丝杠组成，回转运动由步进电机和谐波减速装置组成。 为了提高机器人的运动和定位精度，采用了小步距角的补进电机并辅以高精度的传动机构。为了进一步提高定位精度，在控制系统方面，采用了日本三菱公司的 FX 系列可编程序控制器和定位控制模块 FX1GM。在开环控制方式下，机械机构和 电气控制 两方面措施 的综合将 使机器人的 各方面性 能得以大大 的提高。 为了提高机器人的运动性能，在编制相应的软件时，使每一台步进电机都有一个加速、减速的过程，这样就可以减少冲击，从而提高运动性能，同时精度也有所提高。 设计的机器人技术性能如下： 结构形式：圆柱坐标式 自由度数：4 自由度 抓重：1kg 重复定位精度：0.2mm 驱动方式：步进电机驱动 总能耗：800W 电源：AC110220V 运动范围：升降机构 400mm 腰回转 360 手臂伸缩 300mm 手臂回转 360 运动速度：升降机构 170mm/s 腰回转 60/s 手臂伸缩 300mm/s手臂回转 8r/s 2.2 机器人的外形结构与运动 2.2.1 机器人的坐标形式 1 直角坐标型机器人（Cartesian Coordinates Robots） 直角坐标型机器人在 X、Y、Z 轴上的运动是独立的，其运动方程可以独立处理；同时方程又是线性的，因此对这类机器人进行计算机控制很简单；它可以- 10 - 四自由度码垛机器人机械结构设计 两端支撑，因此对于给定的结构长度，其刚性最大。它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。但是它的操作范围小，手臂收缩的同时，又向相反方向伸出，不仅妨碍工作，而且占地面积大，运动速度低，密封性也不好。 2. 圆柱坐标型机器人（Cylindrical Coordinates Robots） 圆柱坐标型机器人可以绕中心轴旋转一个 角，因此其工作范围可以扩大，且计算简单。它的直线驱动部分如果采用液压驱动，则可以输出较大的动力；它能够深入型腔式机器人的内部，但是它的手臂可以到达的空间受到限制，不能到达靠近立柱或地面的空间；直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀性物质；后缩手臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其他物体。 3. 极坐标型机器人（Polar Coordinates Robots） 极坐标型机器人又称为球坐标型机器人，极坐标型机器人与圆柱坐标型机器人一样，可以绕中心轴旋转。它具有在中心支架附近的工作范围大、两个转动驱动装置容易密封、覆盖工作空间较大的优点。但是，它的坐标系复杂，较难控制；其直线驱动装置仍存在密封及工作死区问题。 4. 多关节机器人 多关节机器人可以实现多方向的自由运动。这种机器人动作较灵活，工作空间大，关节驱动处容易密封，工作条件要求较低，可在水下等环境工作，适合用电机驱动。但是存在计算量大、不适于用液压驱动等缺点。封闭构造的机器人臂容易得到较高的运动速度，但是运动范围受到限制。平面关节型机器人的特点是在垂直方向上港督很高，在水平面内动作灵活。由于这种结构的机器人很适于装配工作，特别是轴孔装配，因此目前这种结构多用于自动装配机器人。 2.2.2 机器人机构的运动 1. 机器人的运动自由度 机器人的机械机构在各种驱动、传动装置及控制系统的协同配合下，在确定的空间范围内运动。一般情况下，机器人的运动范围是指手部以及工件在空间的运动范围和所能达到的位置。而手部在空间的位置，是由臂部、腕部以及整体各自独立运动的合成来确定的。 2机器人的工作范围 机器人 的工作 范围是 指机器 人手臂 或末端 操作器 安装点 所能达 到的所 有空间区域，但不包括末端操作本身所达到的区域。这是机器人的主要技术参数之一。机器人所具有的自由度数目及其组合不同，则其运动图形不同；而自由度的变化量（即直线运动的距离和回转角度的大小）则决定着运动图形的大小。 一般情况下，手部在空间的运动范围和位置基本上取决于臂部的自由度，因此臂部的运动也称为机器人的主运动，它主要确定手部的空间位置；腕部的自由- 11 - 四自由度码垛机器人机械结构设计 度主要用来调整手部在空间的姿态。2.3 机器人的结构机器人的机械部分主要由机座、立柱、手臂、腕关节和手爪组成。 2.3.1 机座 机座是机器人的基础部分，整个执行机构和驱动系统都安装在基座上。有时为了能使机器人完成远距离的操作，可以增加行走机构，行走机构多用滚轮式或履带式，行走方式分为有轨与无轨两种。近年内发展起来的步行机器人，其行走机构多为连杆机构。 2.3.2 立柱 立柱也称机身，手臂的支撑部分，根据执行机构坐标系的不同，力主可以在基座上转动，也可以和机座做成一体。有时立柱也可以通过导杆或导槽在基座上移动，从而增大工作空间。 2.3.3 手臂 手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支撑腕关节和手部，并使它们在工作空间内运动。为了使手部能达到在工作空间内的任意位置，手臂至少应具有三个自由度。 手臂的 运动可 归结为 直线运 动和回 转运动 两种形 式。直 线运动 可以通 过齿轮、齿条、滚珠丝杠、直线电机等来实现。回转运动的实现手段很多，涡杆涡轮式、由步进电机通过齿轮传动使手臂回转、由直线电机通过谐波齿轮传动装置减速、利用回转油（气）缸直接驱动手臂回转等。 2.3.4 腕关节 腕关节使连接手臂与手爪的部件，用于调整手爪的方向、姿态。一般腕关节具有两个自由度，但对于复杂的作业， ，往往需要三个只有度。 2.3.5 手爪装置 手爪装置一般指夹持装置，主要用来按操作顺序和位置传送工件。根据工作原理的不同，夹持装置可分为机械夹紧式、真空抽吸式、气（液）压张紧式和磁力式四种。 - 12 - 四自由度码垛机器人机械结构设计 第 3 章 机械系统设计3.1 机械结构总体设计 3.1.1 机器人机械设计内容 机器人是机电一体化技术的典型产品。所谓机电一体化技术，是机械工程技术吸收微电子技术信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。这种技术已经广泛应用于工程技术中，并将越来越被看重。 在机器人设计中，机械本体部分和微电子控制部分是最基本的、必不可少的要素。 正因为机器人的结构紧凑，影响了它的刚度及稳定性，因此，除了一般机械设计应考虑的强度、可靠性外，机器人设计还应充分考虑刚度、稳定性的要求。 为了使机器人动作灵活、反应迅速，在满足各方面技术要求的同时，应尽量减轻机器人的重量。因此，本设计尽量采用了铝合金，减少惯性，挺高机器人的灵活性和快速性。 3.1.2 本课题的的设计内容 该圆柱坐标机器人主要由底座、立柱、手臂等组成。它能实现四自由度运动，能按较复杂的路径运动。 该机器人采用模块化结构，各模块可以有多种形式。把不同形式的各种模块组合起来，就可以形成不同的机器人，以满足各种不同的要求，如精度、速度、形成等，因此其环境适应能力比较强，模块化结构的另一个优点是装配、拆卸、维修方便。另外，该机器人尽量采用板金加工，在满足强度要求前提下，提高了精度，减少了重量和惯性，提高了运动灵活性和快速性，而且工艺性好。 机器人传动原理如图所示。 Z1手臂立柱轴轴手腕Z3底 座谐波齿轮减速 器圆柱坐标 四自由度机器 人传动原理图机器人底座以一个圆筒体为框架，回转盘由步进电机 M通过谐波齿轮减速器 带动，因此结构小巧，占地面积小。立柱固定在回转盘上，滚珠丝杠由步进电 机 M直 接带动，以实现手臂的升降 运动。手臂的伸缩运动也采用 了滚珠丝杠副，丝杠经传动比为 1.5 的一级圆柱齿轮由步进电机 M带动。 - 13 - 3.2 构件材料选取 四自由度码垛机器人机械结构设计 本文设 计的这 个机器 人主要 用于较 轻物体 的搬移 ，如小 家电器 的装配 作业等，因此其负载小，机械强度要求较容易满足。另外，为了进一步提高机器人的反应灵敏性，尽量采用铝合金做板金加工，这样做出来的机器人结构轻巧、制造方便、工艺性好，既保证了机身的刚性，由减轻了重量。 手臂、手腕部件的轻量化式机器人整体实现轻巧灵活的关键。因此，手臂、手腕的总体支架均采用 2mm 厚的 LY11 薄板冲压而成。在结构上，手臂的推杆采用外伸式，由它带动手腕和工件运动，其刚度显得尤其重要，因此手臂上的轴承支架用 3mm 厚的 LY11 冲压而成。为使机器更美观，手臂、手腕外面蒙了一层 1mm 厚的铝板。LY11 是应用最早的一种标准硬铝，由中等强度，可热处理强化，在淬火和自然时效状态下使用，点焊性能良好，气焊及氩弧焊时有裂纹倾向，热态下可塑性尚好，切削加工性在淬火时效状态下尚好，耐蚀性不高。用作各种要求中等强度的零件和构件、冲压的连接部件、空气螺旋桨叶片、局部镦粗的零件（如螺栓、铆钉）等。 对于同步带轮，因其所传递的载荷不大，可选用铸造铝合金 ZL203 来铸造，而后再加工而成。ZL203 用于受重载荷和表面粗糙度数值较高、形状不复杂的厚壁件，工作温度200。 该机器人的所有轴类零件、齿轮、推杆均采用 45 钢制成。45 钢强度较高，塑性和韧性尚好，由于制作承受载荷较大的小截面调质间和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火件，如曲轴、传动轴、齿轮、键、销等。水淬时有形成裂纹的倾向，形状复杂的零件应在热水或油中淬火。它的焊接性比较差。 该机器人大部分零件都是选用标准件，因此加工制造方便，便于维修、护理。 3.3 机身及升降机构设计3.3.1 传动方案 机身的回转运动使机器人能绕中心轴转动，提高机器人的空间可达性，机身壳体有步进电机 M通过谐波齿轮减速 装置减速来驱动。立柱上的升 降机构使机器人的手臂上下运动，手臂 与丝杠螺母连接在一起，由 步进电机 M直接驱动滚珠丝杠，实现升降运动。 其传动路线为： 步进电机 M谐波齿轮减速装置机身壳体 步进电机 M滚珠丝杠 3.3.2 机身运动部件选择 3.3.2.1 机身运动 机身的回转运动范围为 0360,回转速度为 60/s,加速度为 0.2s。 - 14 - 四自由度码垛机器人机械结构设计 该机器人的机身采用谐波齿轮减速装置传动。 谐波齿轮传动的特点： 1） 结构简单，体积小，重量轻。 谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少 50%，体积和重量均减少 1/3 左右或更多。 2） 传动比范围大 单级谐波减速器传动比可在 50300 之间，优选在 75250 之间； 双级谐波减速器传动比可在 300060000 之间； 复波谐波减速器传动比可在 200140000 之间。 3） 同时啮合的齿数多。 双波谐波减速器同时啮合的齿数可达 30%，甚至更多些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有 27%，对于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有12 对。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。 4） 承载能力大。 谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。 5） 运动精度高。 由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。 6） 运动平稳，无冲击，噪声小。 齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。 7） 齿侧间隙可以调整。 谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。 8） 传动效率高。 与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同（u=60-250)，效率约在 6596%左右（谐波复波传动效率较低） ，齿面的磨损很小。 9） 同轴性好。 谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线上。