多关节通用机械臂设计.docx

精品文档摘要随着现代科学技术的发展，机器人技术越来越受到广泛关注，在工业生产日益现代化的今天，机器人的使用变得越来越普及。因此对于机器人技术的研究也变得越来越迫切，尤其是工业机器人方面。本文作者在搜集了国内外机器人相关资料的基础上，选择了国内外各生产厂商的机械臂作为参考，设计了一款拥有5个自由度的机械臂。该机械臂由多个系统组成，包括机电系统，液压系统和传动系统。本人绘制了机械臂的相关原理图和零件图。本机械臂的特点是传动简单，维护方便，可用于工业生产当中各种物件的搬运，用途广泛。关键词工业机器人；多关节机械臂；5自由度；液压系统I欢迎下载。精品文档AbstractWith the development of modern science and technology, robot technology has become more and more attention, in todays increasingly modernized industrial production, the use of robots is becoming more and more popular. So for the robot technology research has become more and more urgent, especially for industrial robots. Robot at home and abroad in this article the author collected the relevant data, on the basis of domestic and foreign various manufacturers of mechanical arm as the reference, design a model with five degrees of freedom mechanical arm. The mechanical arm is composed of several systems, including mechanical and electrical system, hydraulic system and transmission system. I draw the related principle of mechanical arm and part drawing. Transmission characteristics of this manipulator is simple, maintenance is convenient, can be used in the industrial production of a variety of objects carrying, wide range of uses.Keywords industrial robot；Multi-joint robotic arm；5 degrees of freedom；The hydraulic systemIII欢迎下载III欢迎下载。精品文档 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论61.1 课题背景61.1.1机械臂的发展81.1.2 国内外机器人研究现状101.1.3机械臂技术的要素121.1.4研究主要成果131.1.5发展趋势151.1.6 工业机器人研究意义151.2本章小结16第2章 机械臂总体方案设计172.1机器人机械设计的特点172.1.1 与机器人有关的概念182.1.2机器人学的基本术语202.1.3机器人的规格202.1.4机器人的分类212.2 设计方案222.2.1方案要求222.2.2方案的功能设计与分析232.3本章小结24第3章 机械臂总体结构设计253.1 腰部回转总体结构设计253.2大臂回转结构设计263.3小臂回转机构设计273.4 大臂及其内部总体结构的布局273.5本章小结28第4章 机械臂液压缸尺寸设计294.1 回转缸尺寸设计与校核294.1.1回转缸转动时所需的驱动力矩294.1.2回转缸的尺寸及其校核304.2伸缩缸设计324.2.1导向装置324.2.2伸缩缸的尺寸设计及校核324.3本章小结33结论34参考文献35致谢36附录1开题报告37附录2文献综述43附录3外文翻译49精品文档第1章 绪论1.1 课题背景工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。国际标准化组织(ISO)在 对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务” 。 随着科学和技术的不断发展，在过去的几个世纪里，人类在许多方面都取得了重大的进展。机器人技术作为人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了短短的40年，已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生、成长、成熟期后，已成为制造业中必不可少的核心装备，而且工业机器人不仅在工厂里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透。据联合国经济委员会和国际机器人联合会去年关于世界机器人的报 告，仅2003年新投入使用的机器人接近10万个，使世界目前使用的机器人总数超过75万。世界使用机器人最多的国家是日本，约38 .9万；其次为德国(9.1万)、美国 (9万)、意大利(3.9万)、韩国(3.8万)、法国(2.1万)、西班牙(1.3万)和英国(1.2 万)，并且报告估计2004年，全世界使用的机器人总数将超过100万。 我国的工业机器人发展的历史已经有20多年，从“七五”科技攻关开始，正式列入国家计划，在国家的组织和支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破，而且在工业机器人整机方面，己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术，并成功的应用于生产，掌握了相关的应用工程知识。但总的看来，我国的工业机器人 技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。我国目前大约有 4000台工业机器人，其中仅有1/5是国产的，其余的则是从40多个国外厂商进口的机器人。总之，各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志，在未来社会中，机器人的广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。相信在不远的将来，机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便，为人类的文明和发展带来更大的机会。 1.1.1机械臂的发展20世纪50年代是工业机器人的萌芽时期，1954年美国戴沃尔发表了“通用重复 型机器人”的专利论文，第一次提出了“工业机器人”的概念。1958 年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型。1959 年美国 UNIMATION 公司推出第一台工业机器人。美国是机器人的故乡。 20世纪60年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入发展期，机器人开始向适用化发展，并被用于电焊和喷涂作业。20世纪70年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入适用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施。其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。 20世纪80年代工业机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。工业机器人的应用满足了人们特性化的要求，产品的批量越来越大，品种越来越多，而且产品的一致性也大大提高，为商家占有了更多的市场份额，获得了更多的市场利润。20世纪90年代初期，工业机器人的生产与需求达到了一个高峰期。1990年世界上新装备工业机器人80943台，1991年装备了76443台，到1991年底世界上己有53万台工业机器人工作在各条战线上。目前工业机器人主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、金属加工以及金属制品业等。在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用。随着生产的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益扩大，其应用范围已不限于制造业，还用于农业、林业、交通运 输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。在工业领域广泛应用着工业机器人。我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或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”。机械臂（Manipulator）是模拟人的上臂而构成的。为了保证机器人手部有6个空间自由度，其主动关节数目一般为6。一般情况下，全部关节皆为转动型关节，而且其前3个关节一般都集中在手腕部。关节型机械臂的特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍物，是机械臂中使用最多的一种结构形式，比较典型的如PUMA、SCARA等。多关节机械臂的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作，目前广泛应用于工业自动化生产线上。机械臂发展状况如下： （1）第一代机械臂，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。它也可以简称为示教再现方式的机械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)的机械臂。目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。 1996年樊炳辉等申请的专利，一种用于煤矿巷道、隧道、室内墙壁及一般机械行业喷涂工艺的四连杆机械臂机构。该机构主要包含行走组件、大臂组件、平衡拉杆组件、小臂组件四大部分，其中又包含四组按一定比例关系构成的四连杆机构，它能使喷枪在喷涂过程中，容易实现垂直起落，并始终保持对受喷面垂直、等距的关系。 1997年乌克尔，戈道斯等申请的专利，一种用缝合针将病人的第二血管缝合到冠状动脉上的最小侵入性手术方法。该系统采用机械臂连接的手术器械。这些器械具有能够被操作来抓取和缝合组织的末端操作装置。该机械臂通过一个控制器与一对主操作手柄联结。手柄可以由外科医生移动来产生末端操作装置的一个相应移动。 （2）第二代机械臂，即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种机械臂由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。如： 李彦涛等研制一种将Simulink控制程序和助餐机器人目标机无缝链接、下载的方法，实现机器人的实时控制，实时满足不同伤残患者的助餐要求。在Matlab/xPC实时目标环境的基础上，开发了助餐机器人的硬件接口模块和上位机软件模块，设计了助餐机器人模块化控制平台及基于脚踏开关、语音识别和图像识别的三种人机交互方式。实现了机械手3个关节控制器、运动学计算、路径规划控制算法。 人脸肖像绘制机械臂是一种可以自动绘制人脸肖像轮廓图的智能机械系统，它由图像采集模块、图像处理模块、机械控制绘图模块组成，能够自动拍摄人脸照片，提取肖像轮廓，然后控制机械臂在画板上画出人脸线条画。人脸肖像绘制机器人是机器视觉的研究方向之一，广泛用于科普展览，其中提出的基于机器视觉的研究技术在生产和生活等各个方面都有着广泛的应用。研究绘图机械控制系统的硬件选型和控制算法，在Visual C+6.0中实现了外部对机械臂绘图动作的自动控制，设计机械臂绘画动作流程，完成人脸轮廓图的自动绘制。 （3）第三代机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。如：邹建奇等人以柔性机械臂为例，进行简单的逆运动学分析.并采用小脑模型神经网络方法对机械臂的逆运动学进行了数值仿真分析，小脑模型神经网络可在较短的学习次数中有效地控制机械臂的振动。 在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重。 1.1.2 国内外机器人研究现状 国外机器人研究现状 ：国外目前机器人研究的重点主要有以下几个方面: (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，机器人操作机己实现了优化设计。以德国 KUKA 公司为代表的机器人公司，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。 (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COMAU公司，日本FANUC等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轴机器人，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能和对环境的适应性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德国KUKA, REIS等公司皆推出了此类产品。 (5) 网络通信功能：日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公司的最新机器人控制器已实现了与 Canbus、Profibus 总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有了发展。 (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一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。 国内机器人研究现状 ： 随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。从20世纪80年代末到20世纪90年代，国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主。这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。但是，无论从工业机器人的数量上还是技术上，我们都是比较落后的。而我国作为一个工业大国，不能寄希望从其他国家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。如何在 21世纪加速我国机器人的发展，使我国早日进入机器人大国行列，已成为当务之急。由于目前我国机器人的基础数量太低，以工业机器人为例，到了2010年我国机器人拥有量只能达到世界拥有量1.38%2%，这与我国作为21世纪前半叶世界主要制造国的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机器人来弥补，其巨大损失不是可以用货币损失来计算的。可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益考虑，我们有必要自主地对机器人进行研究和开发。 但是由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距，虽然计划开发的机器人基本上采用的是在国外基木成熟的技术，但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在文献上或局部技术上。所以我们应该从基本做起，有必要研制少数型号的机器人和开展一批基础技术研究作为机器人课题的主要研究与开发内容。 1.1.3机械臂技术的要素（1）机械结构：以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的1/2。应汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。CAD、CAM等技术已普遍用于设计、仿真和制造中。 （2）控制技术：大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于PC开放结构的控制系统已成为一股潮流。 （3）驱动技术。新一代伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中分布式智能驱动新技术。 （4）应用智能化的传感器。装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。 （5）通用机器人编程语言。在ABB公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。 （6）网络通讯。大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3%，其他采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。1.1.4研究主要成果在工程界，对于机械臂结构的优化设计一直是人们关注的焦点。国外一些研发机器人的公司以及国内一些高校都在这一领域做了大量的研究。1998年，日本安川公司推出了最新的MOTOMAN-UP系列工业机器人。该机器人的大臂采用了一种非平行四边形单连杆的新型结构，这样一来，不仅大大增加了机器人的作业空间，而且也减小了其本体重量，使得机器人运动更加灵巧。MOTOMAN系列工业机器人是目前国际上最先进的工业机器人，采用了先进的控制原理，结构优化设计，主要元器件均采用了最新的产品，并且，其中的伺服电机也是专门 为机器人设计的，具有体积小、输出力矩大、响应快、低速稳定等特点。并且该系列机器人应用ARM功能，实现了动力学级别的精确运动控制，使得系统的伺服驱动控制可以对各种动力学影响进行补偿，得到了更好的运动性能。 通过采用新型的结构和先进的控制策略，MOTOMAN-UP系列机器人实现了高精度轨迹、恒路径、最佳加减速控制、振动抑制、轴运动干涉解耦等控制功能，从而进一步提高了机器人的动力学特性。MOTOMAN-UP系列机器人，是最新一代的工业机器人。相对于上一代的SK系列，该系列机器人在性能上进行了很多改进，并且增加了一些功能，基本上代表了当今世界工业机器人的最先进水平。自从1978年开始，意大利COMAU公司就开始研制工业机器人，至今已有30多年的发展历史。直到2005年，公司研制出了新型的SMART NJ机器人，与之前公司推出的机器人相比，该系列机器人采用了一种创新的平行四边形结构，无需配重以及缩小的基座，其设计非常精密，从而使得SMART NJ机器人具有优良的刚性，因此得以广泛的应用，SMARTNJ系列工业机器人尤其适用于外部拉紧时产生巨大阻力的机械制造业。通过这种结构优化降低了机器人底座，扩大了机器人的工作范围，提高了机器人运动及定位的精度， 让COMAU机器人更加可靠、维护成本更低。德国KUKA Roboter Gmbh公司是一家世界顶级机器人制造商，致力于机器人的研究已有多年的历史。公司近期向市场推出的堪称世界最大、最强壮的机器人KR100O Titan，在Titan的开发过程中，技术人员一改传统的并联平行四边形结构，采用了新型的开链结构，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RV减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。综合考虑、平衡机器人的动力、速度、工作半径以及精度要求等各方面性能，并最终结合在一起，使其成为一个高技术含量且具有优越运动性能的设备。通过对机器人结构的优化，使KRIO00 Titan实现了梦想的负荷能力和动力性能的完美结合，即最低的运行时间、最大的工作载荷和最灵活的工作空间。1999年，哈尔滨工业大学研制了六自由度串联机器人HT12O点焊机器人，其可以承受的最大负载为120Kg。HT120是一种典型的关节式机器人，由腰、肩、肘、腕以及手关节构成，驱动方式采用的是交流伺服电机。为了达到良好的控制特性和运动性能，在机器人本体结构的设计中，采用了一些关键的技术优化结构:(1)在机器人运动过程中，其运动部件对腰关节的支撑轴承会产生倾覆力矩，作用到轴承，将会导致轴承发生微小形变，此形变将会使机器人末端执行器产生位移误差。当大臂和小臂处于水平位置时，位移误差也将达到最大值。为了减小这种位移误差，在腰关节本体的设计中，选用了大刚度的支撑轴承。(2)在对机器人大臂部分的结构设计中，采用平衡弹簧实现大臂的重力平衡，对小臂配置重块，使得机器人的重心更靠近臂部关节的回转轴线，以减小转动惯量，从而改善机器人的控制特性。(3)在对处于机器人末端的小臂和腕部的设计过程中，力求做到精巧、轻便，并且保证较大的刚度，以使机器人获得较快的响应速度。(4)将小臂的驱动装置(包括电机和减速器)安装在肩关节上，采用一种平行四连杆机构将运动和动力传递到小臂，从而驱动小臂的运动。这种结构设计的优点是减轻了小臂的自重，也就减轻了大臂所承受的负载，提高了驱动大臂和小臂的固有频率。同时，机器人的运动灵活性也得到了很大的提高。1.1.5发展趋势随着技术的发展，机械臂越来越 高精度，多功能，且向着集成化，系统化，智能化的方向发展。（1）高速、高精度、多功能化。目前，最快的装配机器人最 大合成速度为16.5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/s。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能， 向多功能化方向发展。（2）集成化与系统化。当今机器人技术的另一特点是机器人 的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及 周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联结在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS、CIMS系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造” (Agile Manufacturing)，满足多样化、个性化的需求。1.1.6 工业机器人研究意义机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术(RT) 概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 现代科学技术的迅速发展，尤其是进入20世纪80年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设了介绍机器人技术的有关课程。为了培养机器人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。 1.2本章小结机械臂是一种串行、开式布置的关节型机器人，各个关节之间都要受到彼此的约束，同时还要承受负载的作用，所以，其刚度较低，阻尼较大，从而导致其频带比较窄，容易产生共振。由于工业机器人的高非线性，而且又很复杂的动态特性，因此很难精确建立一个完整的动态模型，难以保证机器人的高速运行。综上诸多因素，机械臂存在着频带窄、运动速度受限以及精度不高等缺陷。机械臂的控制精度、响应速度以及控制系统的稳定性三者之间又是相互制约、相互影响的。响应速度快，可能会有强烈振荡;改善稳定性，控制过程可能又过于迟缓，同时控制精度也可能变坏。第2章 机械臂总体方案设计对工业机械臂的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计机械臂的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械臂结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械臂是通用多关节，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，运动强度大和操作单调频繁的生产场合。2.1机器人机械设计的特点 串联机器人机械设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机构学角度看，机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系、末端执行器的受力和各关节驱动力矩（或力）之间的关系等，都不是一般机构分析方法能解决得了的。需要建立一套针对空间开链机构的运动学、静力学方法。末端执行器的位置、速度、加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要内容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化。因此，机器人是一个多输入多输出的、非线性、强耦合、位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，所以，即使通过一定的简化，也需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法。其次，由于开链机构相当于一系列悬臂杆件串联在一起，机械误差和弹性再变形的累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机器人机械设计时特别注意刚度和精度设计。13欢迎下载。精品文档再次，机器人是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须考虑到驱动、控制等方面的问题，这和一般的机械产品设计是不同的。另外，与一般机械产品相比，机器人在机械设计在结构的紧凑性、灵巧性方面有更高的要求。2.1.1 与机器人有关的概念美国机器人协会对机器人的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用工具，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。日本机器人协会对机器人的定义：一种装备有记忆装置和末端执行装备的、能过完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织对机器人的定义：机器人是一种自动化、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，来执行各种任务。根据上述定义，我们可以理解机器人具有以下特性：（1）机器人是一种机电装置，能够完成多种操作和动作功能；（2）机器人具有可编程性，具有多种多样的程序流程；（3）机器人有一个自动控制系统，可以在无人的参与下，自动完成操作任务。以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念： (1)自由度(Degrees Of Freedom , DOF)：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。本文设计的机器人是5-DOF机器人。 (2)工作空间(Work Space)：工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。由于工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小，因而它对于机器人的应用是十分重要的。 (3)机器人的分类,机器人分类方法有多种。 首先，按机器人控制方法的不同，可分为点位控制型(PTP)，连续轨迹控制型(CP)： (a) 点位控制型(Point to Point Control)：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。本文的机器人就属于PTP型。 (b) 连续轨迹控制型(Continuous Path Control)：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。 其次，按机器人的结构分类，可分为四类： (a) 直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。 (b) 圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以, r, z为坐标，位置函数为P=f (, r, z)，其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向的位移，是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。 (c) 球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以,y 为坐标，位置函数为P =f (,y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。 (d)关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型(SCARA 型)机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活、工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。本文设计的机器人为关节坐标型。 第三，按驱动方式分类可分为：(a) 气压驱动；(b) 液压驱动；(c) 电气驱动。 电气驱动是20世纪90年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。本文设计的机器人三个关节均使用电气驱动。 第四，按用途分类可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。 2.1.2机器人学的基本术语自由度：机器人的自由度是表示机器人动作灵活性的一种尺度，他是机器人所具有的独立坐标轴的运动数目，有时还包括末端执行机构的开合。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要6个自由度，一般通用机器人的自由度大于或等于6。机器人的自由度数越多，移动性和通用性越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求也越高。工作空间：工作空间指机器人手臂末端执行器或手腕中心所能达到的所有空间点的集合，也叫工作区域。因为末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，所以常用工作空间来反映机器人的执行能力。2.1.3机器人的规格机器人的规格可以按以下几种指标分类，包括：驱动方式、坐标轴形式，工作空间、控制插补方法、坐标轴的数目、承载能力、速度、定位精度和重复性、运行环境等。（1）驱动方式：机器人按照驱动方式可以分为：电气驱动、液压驱动和气动等。其中电气驱动是最普遍的。（2）控制插补方法：控制末端执行器或工具运动的方法有点位和连续控制两类。点位控制仅要求工具通过一系列空间的点，点与点之间的路径并不严格要求。连续路径控制是指末端执行器可跟踪三维空间中规定的“路径”。（3）坐标轴数：坐标轴数也称自由度数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。三维空间的刚体有六个自由度，平面运动则需三个自由度。六自由度的机器人一般在其工作范围之内，可使其工具或手运动到任意位姿。（4）工作空间：工作空间表示机器人的工作范围。它是指机器人运动时手腕参考点或工具安装点能够到达的所有空间区域，一般不包括手爪或工具本身所能到达的区域。（5）承载能力：各类机器人搬运重物的能力相差极大。承载能力不仅取决于构件尺寸和驱动器的容量，还与机器人的运行速度有关，这是指在正常运行速度下所允许抓取的物体重量。（6）速度和循环时间：运动循环过程包括启动加速、等速运动和减速制动三个阶段。为了保证定位精度往往会在加减速阶段花费较长的时间，因此，提高加减速的能力非常重要。（7）定位精度和重复性：定位精度和重复性时机器人的两个精度指标。定位精度是指机器人末端件的实际位置与理想位置之间的差距，重复定位精度是指在相同的位置指令之下机器人连续重复运动若干次，其位置的分散情况。（8）机器人的运行环境：机器人能够在极端恶劣的环境下工作，因而机器人的结构设计、材料和防护措施都应加以特别注意，在易燃、易爆环境中对机器人的设计和驱动方式都有特殊的要求。喷漆机器人大多采用液压驱动，就是鉴于防火和防爆的需要。2.1.4机器人的分类机器人的分类方法有很多。这里主要介绍三类分类方法，即分别按机器人的几何结构、机器人的智能程度以及机器人的用途来分。1.按机械手的几何结构来分：（1）柱面坐标机器人。柱面坐标机器人主要有垂直柱子、水平手臂和底座构成。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起（作为一个部件）能在底座上移动。这样，这种机器人的工作轨迹（区间）就形成一段圆柱面，因此，把这种机器人叫做柱面坐标机器人。（2）球面坐标机器人。这种机器人的机械手能够做里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。因此，这种机器人的工作包迹形成球面的一部分，并被称为球面坐标机器人。（3）关节式球面坐标机器人。这种机器人的机械手能够做里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。因此，这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，称为关节式球面机器人。2.按机器人的智能程度分：（1）一般机器人，不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能。（2）智能机器人：具有不同程度的智能，又可分为：传感型机器人，具有利用传感信息进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。交互型机器人，机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人机对话，实现对机器人的控制与操作。自主型机器人，在设计制作之后，机器人无需人的干涉，能够在各种环境下完成各种拟人任务。3.按机器人的用途分：（1）工业机器人或产业机器人，应用在工农业生产中，主要应用在制造业部门。（2）探索机器人，用于进行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探险和探索。（3）服务机器人，一种半自主或全自主工作的机器人。（4）军事机器人，用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。2.2 设计方案2.2.1方案要求工业机器人大都用于简单、重复、繁重的工作，如上、下料以及工作环境恶劣的场所，本机器人为中型工业机器人。要求动作灵活，自由度为5个，结构紧凑，重量轻。腰部关节、大臂关节和小臂关节采用电机驱动，4轴伸缩关节和5轴的转动关节采用液压驱动。机械臂的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用点击传动和液压传动方式驱动，因此可以考虑承受较大负载，但考虑机械臂本身尺寸，并查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为40kg。基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为400mm,最大工作半径约为700mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。2.2.2方案的功能设计与分析1.机器人自由度的分配和手臂的构形手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度。本题要求的机械臂式多关节工业通用机械臂，要求尽量多的自由度，同时要求机器人结构简单容易控制。综合考虑后确定该机器人具有六个自由度。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有更大的工作空间，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此决定采用关节型机器人。其中前三个关节是转动自由度，第四个关节移动自由度，最后一个关节同样采用转动自由度。2.传动系统的布置机器人由机座、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有五个自由度，依次为左右摇摆、伸缩、小臂俯仰、大臂俯仰、基座的回转。基座的回转自由度可以进行360度的回转；与基座相连的俯仰机构可进行俯仰动作，幅度较大，可以满足60-120度的俯仰要求，与大臂相连的俯仰（包括液压缸）可以满足-60120度的俯仰要求与此相连部分为液压杆伸缩机构，伸缩行程为500mm接着下去的是旋转机构，有液压驱动完成，旋转部分可以正反旋转。各自由度之间相互联系且独立，动作时互不干涉。机器人采用电机驱动，这种方式结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。机器人的电源为：220V，50Hz的交流电。由于该机器人功率较小，电动机可以选择步进电机。步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。故确定这种机器人的前三个关节都采用步进电动机驱动，开环控制。在电机的布置上，可以将腰部关节电机置于回转底座上，可以最大限度地减小扭矩，重心很稳定，便于安装和控制。大臂和小臂电机至于大臂后端，可以平衡重物质量，提高系统稳定性。参考PUMA 560机器人的运动参数，结合工作情况的需要，定出该型机器人的运动参数如下：关节1（T）：30/s ( 0.524 rad/s ) ( 5 r/min )关节2（W）： 15/s ( 0.262 rad/s ) ( 2.5 r/min )关节3（U）：15/s ( 0.262 rad/s ) ( 2.5 r/min )2.3本章小结机械臂采用电机，液压混合驱动方式，机械臂的腰部关节电机通过二级齿轮减速器驱动腰部的回转，通过腰部中杆，支撑大臂关节。大臂和小臂的俯仰也是通过电机驱动完成，两个电机安装在大臂的后部，通过弹簧联轴器驱动二级齿轮减速器驱动轴的转动，同时把减轻了机械手臂的