一种取件式平面多关节机械手的研究与计算

第 1 章 绪论 1 11 1 引言引言 工业机器人的出现和高速发展是社会 经济发展的必然 是为提高社会的生产 水平和人类的生活质量 让机器人替人们干那些人们不愿干 干不了 干不好的工 作 我国对于工业机器人的定义为 一种自动化的机器 所不同的这种机器具备 一些与人或者生物相似的智能能力 如感知能力 规划能力 动作能力和协同能力 是一种具有高度灵活性的自动化机器 1920 年捷克作家卡雷尔 查培克在其剧 本 罗萨姆的万能机器人 中最早使用机器人一词 剧中机器人 Robot 这个词 的本意是苦力 即剧作家笔下的一个具有人的外表 特征和功能的机器 是一种人 造的劳力 它是最早的工业机器人设想 20 世纪 40 年代中后期 机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注 50 年代以后 美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手 如图 0 2 所示 这是一种主从型控制系统 主机械手的运动 系统中加入力反馈 可使 操作者获知施加力的大小 主从机械手之间有防护墙隔开 操作者可通过观察窗或 闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视 主从机械手系统的出现为机器人的产 生为近代机器人的设计与制造作了铺垫 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念 并申请了专利 该专利的 要点是借助伺服技术控制机器人的关节 利用人手对机器人进行动作示教 机器人 能实现动作的记录和再现 这就是所谓的示教再现机器人 现有的机器人差不多都 采用这种控制方式 1959 年 美国发明家英格伯格与德沃尔制造出世界上第一台 工业机器人 Unimate 以来 从此工业机器人在现代化社会工业生产的环节中的占比 与日俱增 同时伴随着新一轮工业革命及科技革命的到来 各国对于工业现代化都 提出了更高的要求 德国提出了 工业 4 0 美国提出了 先进制造业国家战略 计划 并采取多种措施 吸引制造业回流 英国提出了 高价值制造业战略 日本提出了 产业复兴计划 法国提出了 新工业法国 等 中国作为全球制造 业中心 更要做好充分准备 提升中国制造业的国际竞争新优势 打造中国的工业 现代化 做大做强中国制造 对此 我国提出了 中国制造 2025 战略 在这场 全球聚焦的科技革命中 机器人由于其安全 高效 智能 高精度及稳定性必将在 这场革命中发挥巨大的作用 1 21 2 机器人特点及分类机器人特点及分类 1 2 1 工业机器人机器人特点工业机器人机器人特点 工业机器人主要具有四个显著特点 1 具有特定的机械结构 2 具有通用性 3 具有不同程度的智能 4 具有独立性 1 2 2 工业机器人机器人分类工业机器人机器人分类 关于机器人的分类 国际上没有统一的标准 由于机器人技术除主要应用在工 业领域外同时也已经广泛地应用在农业 医疗 服务 娱乐 空间等各个领域 1 按照机器人的技术等级划分按照机器人的技术等级划分 1 1 示教再现机器人示教再现机器人 第一代工业机器人是示教再现型 这类机器人能够按 照人类预先示教的轨迹 行为 顺序和速度重复作业 2 2 感知机器人感知机器人 第二代工业机器人具有环境感知装置 能在一定程度上适 应环境的变化 目前已进入应用阶段 3 3 智能机器人智能机器人 第三代工业机器人称为智能机器人 具有发现问题 并且 能自主地解决问题的能力 尚处在实验研究阶段 2 按照机器人的机构特征划分按照机器人的机构特征划分 工业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 按照基本动作结构 工业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 直角坐标机器人具有空间上相互独立的多个直线移动 轴 通过直角坐标方向的 3 个独立自由度确定手部的空间位置 其动作空间为一长 方体 直角坐标机器人的结构较为简单 定位精度较高 空间轨迹容易求解 但同 时其活动范围较小 设备的空间因数低 机体本身的体积较大 直角坐标机器人 柱面坐标机器人 2 柱面坐标机器人柱面坐标机器人 柱面坐标机器人的空间位置机构主要有旋转基座 垂 直移动和水平移动轴构成 具有一个回转和两个水平自由度 活动空间为圆柱形 柱面坐标机器人的结构简单 刚性好 但同时也存在空间利用率低的缺点 3 球面坐标机器人球面坐标机器人 球面坐标机器人的空间位置由旋转 摆动和平移 3 个 自由度确定 空间动作轨迹形成一部分球面 结构紧凑 所占空间面积较球面坐标 和直角坐标机器人少 但仍多于多关节机器人 4 多关节型机器人多关节型机器人 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 动作和人相仿 对喷涂 装配 焊接等多种工位具有良好的适应 性 应用范围较广 摆动方向主要为铅垂和水平方向 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 多关节机械手 垂直多关节机械手 1 1 垂直多关节机器人垂直多关节机器人 模拟人的手臂部分 由垂直于地面的腰部旋转轴 肘部 旋转轴及小臂前端的手腕等构成 手腕通常由 2 3 个自由度构成 动作空间类似 一个球体 所以也称为多关节球面机器人 其优点是可以自由的实现三维空间的各 种姿势 可以生成各种复杂形状的轨迹 动作范围较宽 但其结构刚度及绝对位置 精度较低 2 2 水平多关节机器人水平多关节机器人 结构上具有串联配 置的两个能在平面内旋转的关节 根据用途自 由度可选择 2 4 个 动作空间为圆柱体 其在 铅垂方向上的刚性较好 具有较好的二维平面 动作能力 普遍用于装配行业 水平多关节机械手 1 31 3 国内外研究现状国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状国内研究现状 我国机器人产业的研究可追溯到上世纪 80 年代 当时科技部将工业机器人列 入了科技攻关计划 原机械工业部牵头组织了点焊 弧焊 喷漆 搬运等类型的工 业机器人攻关 其他部委对此也积极立项支持 迎来了中国工业机器人产业发展的 第一次高潮 其后 由于国内市场需求不大 机器人研发和产业化长期处于止步不 前的状态 2010 年以后 我国机器人产量逐年递增 开始着眼于机器人全产业链 发展 中国制造 2020 中 规划大力推动机器人重点领域的发展 针对汽车 机械 电子 危险品制造 国防军工 化工 轻工等工业机器人 特种机器人 以 及医疗 服务 娱乐等类型服务机器人的需求 积极研发新型产品 促进机器人标 准化 模块化发展 扩大市场应用 突破机器人本体 控制器 伺服电机 减速器 传感器与驱动器等关键部件及系统集成设计制造等技术瓶颈 目前 由于工业机器人产业的发展对工业基础及相关科研水平有较高要求 目前我国工业机器人产业主要位于中于东北 京津冀和长三角地区 东北作为老工 业基地 对工业机器人的发展投入较早 京津冀由于其优秀的科研水平 在工业机 器人及其自动化生产线 工业机器人集成应用 工业机器人技术咨询等产品和服务 涉猎较多 长三角地区集中了中国大多数汽车制造及电子产业 因而与之配套的机 器人产业发展也较为迅速 近年来我国工业机器人产业在相关政策与市场需求的双 重作用下 正在快速增长 企业产业化能力不断提升 同时越来越多的新企业也积 极投身于机器人产业当中 据统计 2015 年中国工业机器人产量 15600 台 同比 增长 29 5 2013 2015 年中国工业机器人产量与增长 我国机器人数量少但增幅较快 未来工业机器人市场潜力巨大 市场需求将 逐步增大并保持井喷趋势 2015 年 8 月 4 日 美的公布了机器人产业战略并与日 本安川电机合资设立两家子公司 两家子公司将分别研究工业机器人和服务类机器 人 2016 年 5 月 18 日 2016 年 5 月 18 日 美的集团宣布将以不超过 292 亿元 人民币收购德国库卡公司 同时 国内的沈阳新松机器人 广州数控 南京埃斯顿 埃夫特 新时代 李群等机器人品牌也正在逐步发展 如沈阳新松在工博会上首次 展出的主动视觉系统的柔性 7 轴复合机器人及双臂协作机器人 南京埃斯顿机器人 有限公司推出了钣金柔性智能制造生产线 这些均说明国内机器人产业的蓬勃发展 和进步 但不可否认的是我国在机器人产业的发展仍有很长的一段路要走 目前中国设 计机器人的企业不少于 800 家 其中约有 200 家是机器人本体制造企业 这些企业 大多是组装和代加工 产业集中度较低 总体规模很小 此外 本土机器人企业制 造高端产品能力较弱 六轴以上的机器人中外资品牌占有率高达 85 70 的机器 人配套零部件依赖从国外进口 面对这些挑战 我们更要持之以恒 大力发展制造 业 打响中国创造的品牌力量 1 3 2 国外研究现状国外研究现状 国际上的工业机器人主要品牌为瑞士的 ABB 德国的 KUKA 日本的 FANUC 及 YASKAWA 工业机器人的主要产销国家为日本 韩国和德国 这三国的机器人保有 量和年度新增量居于全球前列 日本 韩国和德国的机器人密度和保有量处于全球领先水平 据 IFR 统计 2014 年日本每万名工人拥有 323 台工业机器人 韩国为 437 台 德国为 282 台 2013 年日本的机器人保有量为 30 4 万台 韩国为 15 6 万台 德国为 16 8 万台 2014 年 日本 韩国 德国三国的机器人市场新增量占全球的 30 9 市 场规模分别为 2 9 万台 2 1 万台 2 万台 由于全球制造业转型升级 2014 年三 国工业机器人市场份额占全球的 30 9 相对减少 6 6 日本机器人市场成熟 其 制造商国际竞争力强 FANUC NACHIN YASKAWA OTC 等品牌在微电子技术 功 率电子技术领域持续领先 韩国的半导体 传感器 自动化生产等高端技术为机器 人快速发展奠定了基础 德国工业机器人在人机交互 机器视觉 机器互联等领域 处于领先水平 德国本土的库卡公司是世界工业机器人四大制造商之一 年产量超 过 1 8 万台 2014 年全球工业机器人市场分布情况 目前全球推出的机器人产品向模块化 智能化和系统化方向发展 第一 模块化改变了机器人的传统构型适用范围有限的问题 工业机器人的研发采用组合 式 模块化的产品设计思路 重构模块化帮助用户解决产品品种 规格与设计制造 周期和生产成本之间的矛盾 例如 关节模块中伺服电机 减速机和检测系统的三 位一体化 由关节 连杆模块重组的方式构造机器人整机 第二 机器人产品向智 能化发展的过程中 工业机器人控制系统向开放性控制系统集成方向发展 伺服驱 动技术向非结构化 多移动机器人系统改变 机器人协作已经不仅是控制的协调 而是机器人系统的组织与控制方式的协调 第三 工业机器人技术不断延伸 目前 的机器人产品正在嵌入工程机械 食品机械 实验设备 医疗器械等传统装备之中 同时 下一代机器人将更加智能 对外界的感知能力进一步增强 同时灵活性及协 作能力也会得到进一步提高 1 41 4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 本文研究的主要内容为圆柱坐标型水平多关节机械手 水平多关节机器人 选 择顺应性装配机器手臂 是一种水平多关节机器人 具有四个轴和四个运动自由度 X Y Z 方向的平动自由度和绕 Z 轴的转动自由度 也称 SCARA Selective Copmliance Assembly Robot Arm 中文译名 选择顺应性装配机器手臂 SCARA 是一种水平多关节机器人 具有四个轴和四个运动自由度 X Y Z 方向的平动自由 度和绕 Z 轴的转动自由度 在 X Y 方向上具有顺从性 而在 Z 轴方向上具有良好的 刚度 大臂和小臂是串联的两杆结构 类似人的手臂 可以伸进有限的空间中进行 作业 然后收回 它的第一 二 四轴具有转动特性 第三轴具有线性移动特性 并且第三和第四可以根据工作需要的不同 制造成相应多种不同的形态 这类机器人的结构轻便 响应快 例如 Adept1 型 SCARA 机器人运动速度可达 10m s 比一般关节式机器人快数倍 SCARA 机器人可以被制造成各种大小 最常 见的工作半径在 100 毫米至 1000 毫米之间 此类的 SCARA 机器人的净载重量在 1 千克至 200 千克之间 是一种应用于装配作业的机器人手臂 其作为工业机器人家 族中的一员 自 1978 年由日本山梨大学牧野洋发明以来 由于结构紧凑 动作灵 活 速度快 位置精度高等优点 正广泛应用于塑料工业 汽车工业 电子产品工 业 药品工业和食品工业等领域 第 2 章 SCARA 机器人的总体方案设计 2 12 1 SCARASCARA 机器人的坐标形式和自由度机器人的坐标形式和自由度 机器人的坐标系分为直角坐标型 圆柱坐标型 球坐标型 极坐标型及关节坐 标型机器人 本文设计的 SCARA 机器人属于关节型机器人 SCARA 机器人的自由度主要体现如下表所示 总自由度4 大臂回转1 小臂回转1 手部回转1 手部上下移动1 2 22 2 SCARASCARA 机器人的总体传动方案机器人的总体传动方案 水平多关节机械手在平面内能够实现准确定位 对机械手的结构及稳定性有较 高要求 本文中 SCARA 机械手主要为取放微型手机振动马达 目前工业机器人的 驱动方式主要分为液压驱动 气动驱动及电机驱动三种 液压驱动的体积较大 抓 举力较大 适合重负载场合 气压驱动的结构较为简单 但因空气压缩具有不稳定 性 适用于对精度要求不高的场所 电机驱动体积较小 稳定性及精度较高 但同 时其造价也较液压驱动及气压驱动方式昂贵 因本文主要设计针对微型手机振动马 达的 SCARA 取放机械手 负载较小 且同时对精度及稳定性有较高要求 故采用 电机驱动 2 2 1 SCARA 机器人的电机选择机器人的电机选择 电机用于驱动机器人的关节 要求是要有最大功率质量比和扭矩惯量比 高启 动转矩 低惯量和较宽广且平滑的调速范围 特别是像机器人末端执行器 手爪 应采用体积 质量尽可能小的电动机 尤其是要求快速响应时 伺服电动机必须具 有较高的可靠性 并且有较大的短时过载能力 机器人对关节驱动电机的要求非常 严格主要分为以下几点 1 快速响应性 电伺服系统的灵敏性愈高 快速响应性能愈好 2 起动转矩惯量比大 在驱动负载的情况下 要求机器人的伺服电机的起动 转矩大 转动惯量小 3 控制特性的连续性和直线性 随着控制信号的变化 电机的转速能连续变 化 有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比 调速范围宽 能使用于 1 1000 10000 的调速范围 4 体积小 质量小 轴向尺寸短 以配合机器人的体形 5 能经受得起苛刻的运行条件 可进行十分频繁的正反向和加减速运行 并 能在短时间内承受数倍过载 针对以上要求现今市场上的电机主要分为三种 直流伺服电机 交流伺服电机 及步进电机 直流伺服电机分为有刷和无刷电机 有刷直流伺服电机 电机成本 低 结构简单 启动转矩大 调速范围宽 控制容易 需要维护 但维护方便 换 碳刷 会产生电磁干扰 对环境有要求 因此它可以用于对成本敏感的普通工业 和民用场合 无刷直流伺服电机 电机体积小 重量轻 出力大 响应快 速度 高 惯量小 转动平滑 力矩稳定 容易实现智能化 其电子换相方式灵活 可以 方波换相或正弦波换相 电机免维护不存在碳刷损耗的情况 效率很高 运行温度 低噪音小 电磁辐射很小 长寿命 可用于各种环境 交流伺服电动机的结构主要可分为两部分 即定子部分和转子部分 交流伺 服电动机使用时 激磁绕组两端施加恒定的激磁电压 Uf 控制绕组两端施加控制 电压 Uk 当定子绕组加上电压后 伺服电动机很快就会转动起来 通入励磁绕组 及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场 旋转磁场的转向决定了电机的转向 当任意一个绕组上所加的电压反相时 旋转磁场的方向就发生改变 电机的方向也 发生改变 具有无电刷和换向器 因此工作可靠 对维护和保养要求低 定子绕组 散热比较方便 惯量小 易于提高系统的快速性 适应于高速大力矩工作状态等优 点 步进电机而言必须加驱动才可以运转 驱动信号必须为脉冲信号 没有脉冲 的时候 步进电机静止 如果加入适当的脉冲信号 就会以一定的角度 称为 步距角 转动 转动的速度和脉冲的频率成正比 三相步进电机的步进角度为 7 5 度 一圈 360 度 需要 48 个脉冲完成 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优 越特性 改变脉冲的顺序 可以方便的改变转动的方向 但同时由于步进电机如 果控制不当容易产生共振 难以运转到较高的转速 难以获得较大的转矩 在体积 重量方面没有优势 能源利用率低及超过负载时会破坏同步 高速工作时会发出振 动和噪声等缺点 步进电机在机器人行业的占比正逐渐减少 其中交流伺服驱动器因其具有转矩转动惯量比高 无电刷及换向火花等优点 在工业机器人中得到广泛应用 综合各伺服电机特点 针对本文中 SCARA 机器人 的应用各关节选用伺服交流电机 2 2 2 SCARA 机器人各传动配套装置的选择机器人各传动配套装置的选择 目前由于工业机器人的发展要求趋于高速 精确 机身结构紧凑 提高刚性及 响应速度快等特点 故对机器人各关节的的传动系统有较高要求 目前市场上主要 应用的为 RV 减速器及谐波减速器 其中以日本的 HarmonnicDrive 公司的谐波减速 器及纳博特斯克的 RV 减速器市场占用率最高 国内的也有所建树 其中国内外减 速器市场占有率如图所示 两种减速器的特点如下表 减速器的类型特点 谐波减速器 该减速器的结构较为紧凑 传动比大 精度 效率高 同轴线 结构简单 造价较低 但其扭转刚性低 目前 广泛用于中小转 矩的机器人 RV 减速器 该减速器速比大 同轴线 结构紧凑 效率高 刚性较好 转动 惯量小 固有频率较高 运行平稳 但其造价较为高昂 综上所得 大臂及小臂旋转关节选用谐波减速器 对于 SCARA 机器人手部升降及旋转关节目前主要有两大类传动方式 分别为 解耦式及耦合式两种 两种传动方式的特点分析如下表 传动方式传动原理传动特点 解耦式 3 轴与 4 轴的驱动是 分离的 分花键轴 滚珠 丝杆各一根 由两个电机 分别驱动升降与旋转两个 自由度 设计相对简单 价格 对比便宜 缺点是对花键 轴与滚珠丝杆的平行度要 求很高 装配比较困难 耦合式 3 轴与 4 轴的驱动的 耦合的 相互影响的 由 一根滚珠丝杆花键轴实现 单个电机无法实现单独的 耦合式的结构优点是 设计紧凑 重量较轻 缺 点是滚珠丝杆花键轴价格 高昂 厂家极少 基本属 旋转或升降 必须两个电 机同时驱动才能实现 于垄断 基于以上分析 本文中采用解耦式 对于手部的上下直线运动 采用同步齿形 带加丝杠的传动方式 对于手部的旋转运动采用同步齿形带加花键 综合以上各关节传动方案 SCARA 机械手的总传动方案为 大臂 交流伺服电机 谐波减速器 大臂 小臂 交流伺服电机 谐波减速器 小臂 手部直线运动 交流伺服电机 同步齿形带 丝杠 主轴 手部旋转运动 交流伺服电机 同步齿形带 花键 主轴 2 32 3 SCARASCARA 机器人的基本技术参数机器人的基本技术参数 初定 SCARA 机器人的基本技术参数 1 自由度 四自由度 2 负载能力 1kg 3 重复定位精度 0 1 4 各关节运动范围 大臂 130 小臂 135 手部直线运动 150 手部旋转运动 180 5 各关节运动速度 大臂 360 小臂 300 手部旋转运动 720 手部直线运动 1000mm s 6 最大运动半径 450mm 7 高度 450mm 8 自重 20kg 9 几何尺寸 关节 1 216mm 关节 2 234mm 关节 3 150mm 第 3 章 SCARA 机器人的各关节机构设计 3 13 1 SCARASCARA 机器人的各关节电机的计算机器人的各关节电机的计算 机械手总重为 20kg 暂定机械手基座为 7kg 大臂为 6kg 小臂为 5kg 末端执行器 为 2kg 对于第一个伺服电机 假设大臂 小臂及手爪各自的重心转动惯量为 1 J 大臂 小臂及手爪的质量分别为 大臂小臂及手爪的重心 2 J 3 J 1 m 2 m 3 m 到基座的直线距离为 已知 108mm 333mm 450mm 1 d 2 d 3 d 1 d 2 d 3 d 3 2 1 SCARA 机器人大臂关节电机的计算及选型机器人大臂关节电机的计算及选型 对于大臂关节 其角速度 而则根据转动惯量的平行移轴定理 0 2 rad s 22 1 2 i iii i Jmrmd 由于 故在此只估算的值 即基座轴的转动惯量为 22 1 2 i iii mrmd 2 ii md 2 ii i Jmd 6x0 108 2 5x0 333 2 2x0 45 2 1 029由于大 222 1112233L Jm dm dm d 2 kg m 臂的角速度为 假设其启动时间为 1s 现假定其减速器传动比其 360 1 t80 r N 负载折合到电机轴的转动惯量 2 1 2 2 1 1 4 1 1 029 1 61 10 80 1 kg m LML r JJ N 电机端回转速度 60 min 804800 min Mr NNNrr 负载的角加速度为 0 1 1 2 2 6 28 1 L ad s t r 负载加速度转矩 111 1 029 6 28 m 6 46 LLL TJN 通过减速器增加负载所引起的电机的角加速度为 111 2 6 28 80 502 4 MLr rad sN 根据伺服电机选型条件 负载加速度转矩电机最大转矩 1 1L T 电机端回转速度电机最大速度 2 M N 负载惯量 3 5 倍电机转子惯量 3 选取安川 SGM7A08A 型交流伺服电机 其主要参数为 额定功率 P 750W 额定转矩 T 2 39mN 瞬时最大转矩 Tmax 8 36mN 电机转子转动惯量 2 4 10 0775kg m M J 3 2 2 SCARA 机器人小臂关节电机的计算及选型机器人小臂关节电机的计算及选型 对于小臂关节 其角速度 则根据转动惯量的平行移轴定理 0 1 67 rad s 22 1 2 i iii i Jmrmd 由于 故在此只估算的值 即基座轴的转动惯量为 22 1 2 i iii mrmd 2 ii md 2 ii i Jmd 5x0 333 2 2x0 45 2 0 959由于小臂的角速度为 22 22233L Jm dm d 2 kg m 假设其启动时间为 0 8s 现假定其减速器传动比其负载折合到电 300 1 t80 r N 机轴的转动惯量 2 2 2 4 111 1 1 50