热加工用工业机器人执行系统毕业设计

1、用于木加工的有的工业机器人木业加工行业装配和搬运的工业机器人摘要工业机器人是一种新型的自动化操作装置，它可根据作业的要求，按照预先确定的程序搬运物体。装卸零件以及操作持喷枪、焊把工具去完成一定的作业，随着电子技术的发展已逐渐成为一个独立的自动化的装置，并扩大应用到铸造、加工、焊接、组装和喷漆等作业中。本文以实际工程项目“热加工用工业机器人执行系统设计”为课题，完成了热加工工业机器人的设计，使其具有完成一些热加工行为等功能，能够应用于汽车行业以及一些高危的热加工行业。为了让生产程序变得更加的方便，使用一套合理的控制方案来实现，设计当中采用了气动方式，PLC程序控制，合理的加入自己的想法，实现了控

2、制器的功能。关键字：热加工用工业机器人 气压驱动第一章绪论1.1引言工业机器人自60年代初问世以来，经过多年的发展，已经广泛应用于各个工业领域，成为制造业生产自动化中主要的机电一体化设备。同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机器人也被开发出来去适应制造领域以外的各个行业，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。其中移动机器人成为机器人学发展中的一个重要分支，早在60年代，国外就有了关于移动机器人的研究。发展到今天，移动机器人涉及到的各学科门类日益丰富，也给国内外的研究人员及

3、学者提出了许多新的挑战，更由于其在军事侦察、排雷排险、防核污染等危险与恶劣环境具有广阔的应用，从而得到了普遍的关注。例如：排爆机器人、爬壁机器人、医疗保健机器人，以及在危险环境中工作的自动机器人（水下机器人和太空远程探测机器人等）。它们都用于代替人类或辅助人类完成人所不能、不适或力所不及的工作，也被称作“危险作业移动机器人”。由于木加工危险性等的特点，热加工机器人替代人工操作，大大降低了危险度。因此，大量科研单位对此进行了研究，取得了一系列科研成果，广泛应用与各行各业。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

4、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。1.2国内外研究现状1958年，第一台机械手在美国的联合控制公司（Unimate）研制成功，之后此公司又先后发展出一台数控示教再现型机械手和一种叫做Versatrap的机械手。此两类机械手成为国外工业机械手发展的基础。之后联邦德国，瑞士，日本，前苏联等国家都加入了研发的行列，并研制出各种类型的机械手，并逐渐提高机械手的可靠性，改进结构及降低制造成本。而日本则在机器人的人性化方面处于领先地位。但目前国外机械手大多数还属于第二代，少数为第三代。目前国外正积极研究第三代机械手，其定义为能够独立

5、完成工作过程中的任务。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（Flexible Manufacturing systerm）和柔性制造单元FMC（Flexible Manufacturing Cell）中重要的一环。我国的机械手研究与开发工作起步较早，曾经有过一些成果，但在产业化和应用上，一直步履维艰。在国内，自“七五” 开始我国也开始着手研制工业机器人行业，并取得了一定的成果。国内在机器人研究和产品开发方面成绩突出的单位有:中科院沈阳自动化所、哈工大机器人所、机械部自动化所、上海交大机器人所、中国矿业大学、山东矿业学院机器人研究中心等。改革开放以来，通过“七五”、“八五”

6、科技攻关，目前基本掌握了机械手的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出了喷漆、弧焊、装配、搬运等机械手。但是，我国的机械手技术及其应用程度和发达国家相比还有很大的差距，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;在应用规模上远远赶不上发达国家。以上原因主要是没有实现机械手的高度产业化。当前我国机械手的生产几乎都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计几，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划

7、，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。第二章 自由度及坐标形式分析通常把传送机构的运动成为传送机构的自由度。从力学的角度分析，物件在空间只有六个自由度，这六个自由度中前三个自由度是使工件作上下，前后，左右移动并定位，而后三个自由度则起调整工件的作用，因此为抓取和传送空间不同的位置方向的物体提供了方便。传送机构也应具有六个自由度，即沿三个坐标的移动和绕三个坐标轴的传动，而一般的机械手只有24个自由度，而通常机械手则多数为35个自由度。（此处说的自由度不包括手指抓取动作）。本设计所研究的机械手经过分析确定为一个自由度（绕Z轴转动）即可达到要求。坐标形式主要有四种直角坐标式，圆柱坐标

8、式，球坐标式和关节式。直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可以作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X,Y,Z三个方向的直线进行运动。其工作范围可以是一个直线运动，两个直线运动或三个直线运动。其优点有：产量大，节拍短能满足高速要求，容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合。使用于装箱类，多工序复杂的工作，定位容易变更，定位精度高，可达0.5毫米以下，载重发生变化时不会影响精度，易于实现数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。其缺点为这种机械手的作用范围较小。圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用

9、空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由X,Z,三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动;两个直线运动加一个旋转运动。圆柱坐标机械手有五个基本动作：1 手臂水平回转2 手臂伸缩3 手臂上下4 手臂回转运动5 手爪夹紧运动 球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广泛的机械手。它是由X，,三个方面的运动组成。 球坐标式机械手的工作范围包括：1 一个旋转运动2 两个旋转运动3 两个旋转运动加一个直线运动球坐标式机械手可以实现以下八个动作：1 手臂上下动作，即俯仰动作；2 手臂左右动作，即回转动作；3 手臂前后动作，即伸缩动作；4

10、手腕上下弯曲；5 手腕左右摆动；6 手腕旋转动作；7 手爪夹紧动作；8 机械手整体动作。球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧状上下俯仰工作，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作线路，所以工效高。另外，由于上下摆动，它的相对体积小，而动作范围大。如以行程为203毫米工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到2450毫米。若采用圆柱坐标形式则其高度就要达到2450毫米。球坐标式机械手作业范围可达到9立方米，较其他型式约大三到五倍。关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它像人手一样

11、有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭小空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。关节式机械手的特点主要是：1.有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动；2.具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手操作的机能，需要研制最合适的结构。关节式机械手的传动机构采用齿轮、齿条式和摆动式。传动结构采用哪种型式，主要根据工件的轻重来决定。若按摆动式扭矩来设计，则油缸将加大，而装载油缸的机架也将随之加大。特别是靠近关节式前端关节部分的重量对肩部影响很大。传动机构在承受载荷的同时必须承受自重。因此，传动效率很低。如需大

12、的转动角，则宜采用摆动油缸。由于本设计中只有一个自由度（即绕Z轴转动），综上所述，选择圆柱坐标式。第三章 木加工用工业机器人机构设计3.1机械手设计的基本要求 机械结构设计的基本要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。 1)对机器整机设计的基本要求 对机器使用功能方面的要求:实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。 对机器经济性的要求:机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综龟的进行考

13、虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用功能要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。 2)对零件设计的基本要求 机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现的，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引伸出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。 要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命期内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足必要的条件，这些条件就是判定零件工作能力的准则。要尽量降低零件的生产制造成本，这要求从零件的设计和

14、制造等多方面加以考虑。设计时应合理地选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。 任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源(也称为一次资源)或二次资源转变为机械能，如水轮机、内燃机、汽轮机、电动机、液压马达、气动马达等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动功能，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置。 下面分别对机械手的驱动方式、传动方式、机械手结构进行分析。3.2驱动方

15、式目前机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等多种方式，各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，从中选出适合上料机械手的驱动方式。机械手的传动系统，根据动力源的不同，分为液压、气压、电器、机械气液联合和电液联合等方式。目前采用的主要是前三种。据资料统计，液压占55%，气压占40%，电器占1%。3.2.1液压驱动 液压驱动的特点有: 1)驱动力和驱动力矩较大，臂力可达100公斤; 2)速度反应性较好。因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化，所以当不考虑油液的温度

16、变化时，被驱动系统的滞后也几乎没有，而且液压机构的适量轻、惯性小，因此它的速度反应性较好; 3)调速范围较大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求: 4)传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向; 5)在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小; 6)定位精度比气动高，但比电机低; 7)液压系统的泄漏对机构的工作稳定性有一定的影响; 8)油液中如果混入气体，将降低传动机构的刚性，影响定位精度(产生爬行); 9)油液的温度和粘度变化影响传动性能。 液压驱动机械手多用于要求臂力较大而运动速度较低的工作场合。3.2.2气压驱动 气动驱动的特点有: 1)通过调

17、节气流，就可实现无级变速; 2)由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机械手动作速度快; 3)压缩空气可从大气中吸取，故动力源获得方便、价格低廉，而且废气处理方便; 4)由于压缩空气粘度小，因此在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一;故压缩空气可以集中供应，远距离输送; 5)压缩空气的压缩性较大，因此使机械手的运动平稳性较差，定位精度较低，而且压缩空气排到大气中时噪声较大，另外还须考虑润滑和防锈等; 6)耐压缩空气的工作压力较低，致使机械手结构较大。因此，气压驱动的机械手，常用于臂力小于30公斤、运动速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件较恶劣的场合。3.

18、2.3电机驱动 电机驱动系统按电机的功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。各种电机系统的工作原理有很大的区别，性能上也存在着较大的差异。电机驱动机械手可避免电能变为压力能的中间环节，电机系统将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次加工的壳体中，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性高;另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可达到非常高的位姿准确度，这些都是电机驱动的优点。 气动机械手与其他驱动方式的机械手相比，价格低廉，结构简单，功率体积比较高，动作速度快，远距离输送，适合抓取

19、质量较小的工件而且有抗干扰无污染等优点。综上，本设计选取气压驱动系统。表1-1给出了各种驱动方式的各方面比较。表1-1各种驱动方式的比较 现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个部分组成。采集感知信号及控制信号均由智能阀岛来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机步进马达或液压伺服系统;气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作;主机部分采用了标准型材并辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发

20、展与实用性。3.3传动方式机械系统的传动是将动力源或某个执行系统的速度、力矩传递给另一执行件，使该执行件具有某种运动和出力的功能。机械系统的传动不仅是连接动力源（或某一执行件）与执行件（或另一执行件）的桥梁，而且要完成动力源（或执行件）的速度和力矩转换为符合执行件（或另一执行件）所要求的速度和力矩。因此，传动也是机械系统的重要组成部分。 传动装置是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置，它的主要作用有:能量的分配与传递;运动形式的改变;运动速度的改变。传动通常分为两类:第一类是机械能不发生改变的传动机械传动;另一类是机械能转变为电能或电能转变为机械能的传动电传动。机械传动又可分为啮合传动、摩擦传

21、动和流体传动三天类。考虑机械手结构的实际情况，带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动是其可能的传动方式，在这里将对以上4种传动方式进行比较。3.3.1带传动 带传动通常是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的传动带所组成的。当主动轮回转时，依靠带与带轮接触面间的摩擦力拖动从动轮一起回转，从而传递一定的运动和动力。 带传动具有的优点有:有良好的饶性和弹性，有吸振和缓冲作用，因而使带传动平稳、噪声小;有过载保护作用，当过载时引起带在带轮上发生相对滑动，可防止其他零件的损坏;制造和安装精度与齿轮传动相比较低，结构简单，制造、安装、维护均较方便;适合于中心距较大的两轴间传动(中心距最大可达15米)。 带传动的主

22、要缺点有:由于弹性滑动的存在，使得传动效率降低，不能保证准确的传动比;由于带传动需要初始张紧，因此，当传递同样大的圆周力时，与啮合传动相比轴上的压力较大:结构尺寸较大，不紧凑;传动带寿命较短;传动带与带轮之间会产生摩擦放电现象;不宜用于有爆炸危险的场合。 现在一些新型带传动形式，如高速带传动、同步带传动、多楔带传动己经克服了以上大部分的缺点。3.3.2链传动 链传动是由链条和主、从动链轮所组成的。链轮上制造有特殊齿型的齿，依靠链轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。 链传动是属于带有中间饶性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动去弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较

23、高;又因为链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的径向压力较小;在同样使用条件下，链传动结构较为紧凑。与齿轮传动相比，链传动的制造安装精度要求较低，成本低廉;在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便的多。 链传动的主要缺点是:在两根平行轴间只能用于同向回转的传动;运转时不能保持恒定的瞬时传动比;磨损后易发生跳齿;工作时有噪声;不宜在速度变化很大和异速方向的运动中应用。 链传动主要用在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。3.3.3齿轮传动 齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一类传动，常用的渐开线齿轮传动具有以下一些主要特点: 传动效率高，在常用的机械传动中，齿轮传动的效

24、率是最高的。一级圆柱齿轮传动在正常润滑条件下效率可达到99%以上，在大功率传动中，高传动效率是十分重要的:传动比恒定，齿轮传动具有不变的瞬时传动比，因此齿轮传动可用于圆周速度为200m/s以上的高速传动;结构紧凑，在同样使用条件下，齿轮传动所需要空间尺寸比带传动和链传动小得多;工作可靠、寿命长，齿轮传动在正确安装，良好润滑和正常维护条件下，具有其他机械传动无法比拟的高可靠性和寿命。 齿轮传动的主要缺点有:对齿轮制造、安装要求高;齿轮制造常用插齿机和滚齿机等专用机床及专用工具;通常的齿轮传动为闭式传动，需要良好的维护保养，因此齿轮传动成本和费用高;并且齿轮传动不适合中心距较大的两轴间的动力传递。

25、3.3.4蜗杆传动 蜗杆传动是一种空间齿轮传动，能实现交错角为90度的两轴间动力和运动传递。 蜗杆传动与圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动相比具有结构紧凑、传动比大士传动平稳和可以自锁等显著特点。 蜗杆传动的主要缺点是:齿面摩擦力大，发热量高，传动效率低。蜗杆传动通常用于中、小功率非长时间连续工作的应用场合。 表2.3. 1列出了各种传动方式的传动效率。表2.3.1主要传动形式的效率表2.3. 1中传动效率的范围是由传动的润滑条件、加工精度和类型不同而产生的。由于齿轮传动效率较高，传动最为稳定，不会出现丢转和过大的冲击，所以本设计选择圆柱齿轮传动。整体设计图如下：第四章 机械手运动学分析4.1 位姿矩

26、阵机械手位姿方程，也称运动方程，是描述机械手末端执行器位置和姿态的方程，也是进行运动学分析的基本方程，常以矩阵形式出现，它的建立和求解，是机械手机构学的基础。4.1.1 两种变换矩阵在求解机械手运动学位姿方程时，将用到两种重要的变换矩阵，一种是旋转变换矩阵，另一种是平移变换矩阵，在这里只给出这两种矩阵的结论，至于推导过程因不是本文所要讨论的内容，所以在此省略。旋转变换矩阵可以分为绕坐标轴旋转和绕任意轴旋转两种变换矩阵。在这里只介绍饶坐标轴旋转的变换矩阵。设两坐标系Si和Sj，的原点重合，初始位置时两坐标系的坐标轴也完全重合，当Sj分别绕Si的xi、yi、zi轴右旋角度时，三个相应的旋转变换矩阵

27、分别是:Rot(xi,)= (4.1)Rot(yi,)= (4.2)Rot(zi,)= (4.3)在不需要特别指出坐标系的名称时，i、j可以省去，即Rot(x,)=R。若Sj分别沿Si的xi、yi、zi轴正方向移动d,则可得三个相应的旋转平移矩阵，为：Trans(xi,d)= (4.4)Trans(yi,d)= (4.5)Trans(zi,d)= (4.6)在下面的机械手运动学求解中，通过各关节的固联坐标系的旋转平移即可推导出所要的位姿方程。4.1.2 连杆参数与位姿变量操作机为多杆系统，两杆间的位姿矩阵是求得操作机末端执行器位姿矩阵的基础，而两杆间的位姿矩阵的建立依赖于结构参数、运动形式和运

28、动参数，以及这些参数按不同顺序建立的几何模型。常见的有两类模型，第一类是固联坐标系前置模型，第二类是固联坐标系后置模型。在本文中用第二类模型作为求解位姿矩阵的依据。取以回转副联结的两相邻杆件，其一为Li-1杆，另一为Li杆。前者靠近基座，后者靠近末端执行器。联结两连杆的运动副称作关节。它的编号规定为：Li-1与Li的关节为i号关节，Li与Li+1的关节为i+1号关节。连杆Li的固联坐标系为Si，令Si的zi轴置于i号关节的旋转轴上，这时Si的原点Oi落在i号关节的轴线上，即坐标系Si置于杆Li的靠近基座的关节上，故称固联坐标系后置。根据D-H标记法，有以下规定：图4.1 回转副连接的两杆件 如

29、图4.1，设连杆Li的两轴线为zi和zi+1，前者为Li-1与Li的相对回转轴线，后者为Li与Li+1的相对回转轴线。选两回转轴z的公垂线为x轴，zi-1与zi轴的公垂线为xi-1轴，zi与zi+1轴的公垂线为xi轴。xi-1与zi-1的交点为杆件Li-1固联坐标系Si-1的原点Oi-1,xi与zi的交点为杆件Li固联坐标系Si的原点Oi。zi-1与zi的交错角为i-1，zi与zi+1的交错角为i，两者都分别以绕xi-1、xi轴右旋为正。xi-1与xi的交错角为i，以绕zi右旋为正。xi-1与zi的交点为Ci，Ci到Oi的距离为di，沿zi轴方向为正。回转轴（关节轴）公垂距分别记作ai-1，a

30、i，沿xi-1，xi方向为正。在固联坐标系前置模型中实际上确定了位姿矩阵所要用到的4个参数，即、a、和d，其中、a、d称作结构参数，称为运动参数。4.1.3 确定两杆之间位姿矩阵的方法本文用D-H法确定两杆之间位姿矩阵，它是由Denavit和Hartenberg在1955年提出的一种为关节链中每一杆建立相对位姿的矩阵方法。根据上面建立的几何模型，按变换组合得出最终公式。使用时，根据机械手的具体情况定出四个参数值，代入公式，即可求得两杆之间的位姿矩阵，具体论述如下：由图4.1.1可知固联坐标系后置时，杆Li的固联坐标系Si可以认为是相对于Si-1先绕xi-1转i-1角，记作Rot(xi-1,i-

31、1)；再沿xi-1平移ai-1，记作Trans（xi-1，ai-1）；再沿zi平移di，记作Trans(zi,di)；再绕zi转i角，记作Rot(zi,i)。于是Si相对于Si-1的位姿矩阵，亦即旋转(i-1)平移(ai-1)平移(di)旋转(i),变换矩阵为：= Rot(xi-1,i-1) Trans（xi-1，ai-1）Trans(zi,di) Rot(zi,i) (4.7)即：= (4.8)若已知、a、d四个参数，即可利用式(4.1)求出Li相对Li-1的位姿矩阵，亦即固联坐标系Si相对Si-1的变换矩阵。4.2 机械手位姿方程的正逆解末端执行器上的坐标系相对于基础坐标系(基座的坐标系)

32、的位姿矩阵，就是机械手的位姿方程。由位姿矩阵所表示的机械手的位姿(运动)方程是以各杆之间的关节变量为变量的方程式。其正解，就是机械手位姿方程(或运动学)的正问题，是已知各杆的结构参数和关节变量，求末端执行器的空间位置和姿势，就是位姿矩阵中各元素的值。它的逆解，则是已知满足某工作要求时末端执行器的空间位置和姿势()，以及各杆的结构参数，求关节变量。位姿方程的正、逆解是机器人学中非常重要的问题，是对机器人控制的基础和关键，因为只有知道了各关节移动(或转动)逆解中所得到的值，才能使末端执行器达到工作所要求的位置和姿势。下面对本次设计的操作机械手进行具体的位姿方程求解。4.2.1坐标系的建立 建立坐标

33、系是位姿方程建立的第一步，没有一个完整的坐标系，就无法开展下面的工作，设立坐标系有以下几点需要注意： 1)使机械手处于操作的零位，有基座开始先设立固定的基础坐标系S0，其Z0的正向最好与重力加速度反向，原点在第一关节轴线上，X0位于机械手工作空间的对称平面内； 2)尽量使Xi与Xi-1同向，原点在Zi方向上同高，否则关节变量i或者di要加初始值； 3)末端执行器坐标系S6的原点最好选在“手”心点上，Z。的正方向指向(或背向)要抓取的物体。 此外还有一个原则，那就是要考虑使尽可能多的结构参数为零，不需要完全按实物的自然结构设置，这样能够简化计算过程。为此，要设立机械手坐标系，首先要确定零位，选择

34、最合适的零位，将有助于机械手坐标系的设立和运动学的求解图4.2是对这个姿态建立的坐标系简图，从图中可以看出个关节固联坐标系的X轴不在同一方向上，这样在建立方程时，将增加关节变量i的初始值，给计算带来很大的不便。图4.2 自然零位坐标系为此，需要重新设定机械手的零位，相对于自然零位，把它称作工作零位。考虑到即能使位姿方程求解方便，又不会给实际控制带来新的麻烦，选择机器人姿态作为工作零位，这个姿态是在自然零位的基础上，大臂与小臂连接关节顺时针旋转900(机器人方向向左)得到的。图4.3给出了工作零位的坐标系简图，从该图中可以看出坐标系的建立完全符合上面所提到的要求。图4.3工作零位坐标系对图4.3

35、中的坐标系说明如下，并整理所要用到的结构参数和关节变量。图4.3中对个关节的坐标系进行了定义，其中S0(X0,Y0,Z0)坐标系为基座固联坐标系，S1(X1,Y1,Z1)坐标系是移动机器人底盘与云台连接处的转动自由度固联坐标系，一般的，将S0与S1坐标系原点重合。其他坐标系分别为：S2(X2,Y2,Z2)坐标系为云台与操作机械手大臂关节的固联坐标系，S3(X3,Y3,Z3)坐标系为大臂与小臂转动关节的固联坐标系，S4(X4,Y4,Z4)坐标系为小臂所带的旋转自由度的固联坐标系，S5(X5,Y5,Z5)坐标系为手腕关节固联坐标系，S6(X6,Y6,Z6)坐标系为末端执行器固联坐标系，一般地，将S

36、6坐标系的原点与S5坐标系的原点重合。此外，坐标轴Y0、Y1在图中的方向为从纸面朝内；Y4、Y6在图中的方向为从纸面朝外；Z2、Z3、Z5在图中的方向为从纸面朝内。位姿方程中要用到的结构参数a2、a3、a4、d2、d4、d5也表示在图中。4.2.2 运动学正解本文前面已经介绍了建立两杆之间位姿矩阵的方法，通过这两种方法可以建立起Si-1坐标系与Si坐标系之间的位姿方程，然后再联立这些位姿方程得到S6坐标系相对于S0坐标系的位姿方程，也就是末端执行器中心点相对于基座的位姿方程，这就机是械手位姿方程(运动学)的正解。S1是由S0绕Z0旋转1得到的，于是S1相对于S0的位姿矩阵为= (4.9)S2是

37、由S1绕X1轴旋转900，再沿X1、Y1轴分别平移a2、d2，再绕Z1轴旋转2得到的，于是S2相对于S1的位姿矩阵为 = (4.10)S3是由S2沿X2轴平移a3，再绕Z2轴旋转3得到的，于是S3相对于S2的位姿矩阵为= (4.11)S4是由S3绕X3轴旋转-900，再沿X3轴、Z3轴分别平移a4、d4，再绕Z3轴旋转4得到的，于是S4相对于S3的位姿矩阵为 = (4.12)S5是由S4绕X4轴旋转900，沿Y4轴平移d5，再绕Z4轴旋转5得到的，于是S5相对于S4的位姿矩阵为= (4.13) S6是由S5绕X5轴旋转-900，沿Z5轴平移d6，再绕Z5轴旋转6得到的，于是S6相对于S5的位姿

38、矩阵为= (4.14)末端执行器的位姿矩阵为：= (4.15)矩阵中各元素的表达式为(si表示，ci表示)：=(c1c2c3-c1s2s3)c4-s1s4c5-(c1c2s3+c1s2c3)s5c6-(c1c2c3-c1s2s3)s4+s1c4s6；=(s1c2c3-s1s2s3)c4+c1s4c5-(s1c2c3+s1s2c3)s5c6-(s1c2c3-s1s2s3)s4-c1c4s6；=(s2c3+c2s3)c4c5+(-s2s3+c2s3)s5c6-(s2c3+c2s3)s4s6；=-(c1c2c3-c1s2s3)c4-s1s4c5-(c1c2s3+c1s2c3)s5s6-(c1c2c3

39、-c1s2s3)s4+s1c4c6；=-(s1c2c3-s1s2s3)c4+c1s4c5-(s1c2s3+s1s2c3)s5s6-(s1c2c3-s1s2s3)s4-c1c4c6；=-(s2c3+c2s3)c4c5+(-s2s3+c2c3)s5s6-(s2c3+c2s3)s4s6；=-(c1c2c3-c1s2s3)c4-s1s4s5-(c1c2s3+c1s2c3)c5；=-(s1c2c3-s1s2s3)c4+c1s4s5-(s1c2s3+s1s2c3)c5；=-(s2c3+c2s3)c4s5+(-s2s3+c2c3)c5；=-(c1c2c3-c1s2s3)c4-s1s4s5-(c1c2s3+c

40、1s2c3)d5+(c1c2c3-c1s2s3)a4-(c1c2s3-c1s2c3)d4+c1c2a3+c1a2；=-(s1c2c3-s1s2s3)c4+c1s4s5-(s1c2s3+s1s2c3)d5+(s1c2c3-s1s2s3)a4-(s1c2s3+s1s2c3)d4+s1c2a3+s1a2；=-(s2c3+c2s3)c4s5+(-s2s3+c2c3)d5+(s2c3+c2s3)a4+(-s2s3+c2c3)d4+s2a3+d2；4.2.3 运动学逆解位姿方程的逆解，即机械手运动学逆解的求法可分为三类：代数法、几何法、和数值解法。前两种解法的具体步骤和最终公式，将因操作机的具体构型而异。

41、后一种解法，正是目前人们寻求位姿方程逆解的通解而得到的方法，由于计算量大，计算时间远远不能满足控制要求，所以这一方法目前尚难用于实际求解中。本文使用代数法求出机械手运动学逆解。代数法，顾名思义就是用代数知识对在位姿正解中求出的结果进行逆推，得到位姿逆解。为了便于说明，设末杆位姿矩阵为(即6杆操作机，正好符合本文设计的机械手的位姿矩阵)。= (4.16)若已知末杆某一特定的位姿矩阵：= (4.17) 为了求，可用同时左乘式(3.2.1)的两边，得到;= (4.18)根据式(4.11)的左边只有，利用两边矩阵的对应元素相等，可得到几个方程，从中可以消去，,从而求得，由此可得出一般的递推求解步骤如下

42、：=4=5，这样，就能得到6个关节的关节变量，这就是代数法求解位姿方程逆解的方法。为末端执行器需要到达某工作点时的位置和姿势，为已知量，所以在这里把它表示为下式，便于位姿方程逆解的求解：= (4.19)根据式(4.18)=同时=式中=(c2c3-s2s3)c4c5-(c2s3+s2c3)s5c6-(c2c3-s2s3)s4s6；=-s4c5c6-c4s6；=-(c2s3+s2c3)c4c5+(s2s3-c2c3)s5c6+(c2s3+s2c3)s4s6；=-(c2c3-s2s3)c4c5-(c2s3+s2c3)s5s6-(c2c3-s2s3)s4s6；=s4c5s6-c4c6；=-(c2s3+

43、s2c3)c4c5+(s2s3-c2c3)s5s6-(c2s3+s2c3)s4s6；=-(c2c3-s2s3)c4s5-(c2s3+s2c3)c5；=s4s5；=(c2s3+s2c3)c4c5+(s2s3-c2c3)c5；=-(c2s3+s2c3)d5+(c2c3-s2s3)a4-(c2s3+s2c3)d4+c2a3+a2；=0;=(s2s3-c2c3)d5-(c2s3+s2c3)a4+(s2s3-c2c3)d4-s2a3-d2令式(4.11)两边矩阵的(2,4)元素相等，得： -s1px+c1py=0所以=arctan = (4.20)=令式(4.20)两边矩阵的(1,4)、(2,4)元素相

44、等，得：c2c1px+c2s1py-s2pz-s2d2-c2a2=-s3d5+c3a4-s3d4+a3 -s2c1px-s2s1py-c2pz-c2d2+s2a2=c3d5+s3a4+c3d4将上两式平方相加得：c12px2+s12py2+pz2+d22+a22+2s1py-2c1pxa2-2s1pya2+2pzd2=d52+a42+d42+a32+2d4d5-2s3a3(d4+d5) (3.21)上式是只含有的方程，从中可以求出：=arcsin= (4.22)=式中 =(c2c3-s2s3)c1nx+(c2c3-s2s3)s1ny-(c2s3+s2c3)nz; =-(c2s3+s2c3)c1

45、nx-(c2s3+s2c3)s1ny+(s2s3-c2c3)nz; =-s1nx+c1ny; =(c2c3-s2s3)c1ox+(c2c3-s2s3)s1oy-(c2s3+s2c3)oz;=-(c2s3+s2c3)c1ox-(c2s3+s2c3)s1oy+(s2s3-c2c3)oz;=-s1ox+c1oy;=(c2c3-s2s3)c1ax+(c2c3-s2s3)s1ay-(c2s3+s2c3)az;=-(c2s3+s2c3)c1ax-(c2s3+s2c3)s1ay+(s2s3-c2c3)az;=-s1ax+c1ay;=(c2c3-s2s3)c1px+(c2c3-s2s3)s1py-(c2s3+

46、s2c3)pz-c3(s2d2+c2a2)+s3(-c2d2+s2a2)-c3a3;=-(c2s3+s2c3)c1px-(c2s3+s2c3)s1py+(s2s3-c2c3)pz+s3(s2d2+c2a2)+c3(-c2d2+s2a2)-s3a3; =-s1px+c1py令式(3.22)两边矩阵的(1,4)、(2,4)元素相等，得:(pxc1+pys1-a2)c23-(pz+d2)s23-a3c3=a4-(pxc1+pys1-a2)s23-pzc23+a3s3=d4+d5 式中，s23=sin(+),c23=cos(+),联立上两式可得：s23=c23=式中，A=pxc1+pys1-a2,B=

47、pz+d2 于是：=arctan23-=arctan-令式(3.22)两边矩阵的(1,3)、(3,3)元素相等，得：(axc1+ays1)c23-a2s23=-c4s5-axs1+ayc1=s4s5 上两式相除可得：=-arctan令式(3.22)两边矩阵的(2,3)元素相等，得：-axs23c1-ays23s1-azc23=c5于是：=arccos(-axs23c1-ays23s1-azc23)= (4.23)的计算结果太长，在此不列出。= 令式(3.23)两边矩阵的(2,1)元素相等，得：(s1c4-c1c23s4)nx-(c1c5+s1c23s4)ny+s23s4nx=s6于是：=arc

48、sin(s1c4-c1c23s4)nx-(c1c5+s1c23s4)ny+s23s4nz通过运动学逆解得到当被抓物体处于极坐标系的某一点时，各关节所需要转过的角度，运动学逆解可能存在多组解，并不是所有的解都能满足机械手的结构限制，同时，满足机械手结构限制的解也存在是否最优的问题。常用的最优原则有距离最短原则和时间最短原则。1) 距离最短原则：指到达目标的各关节变量变化的绝对值之和最小。2) 时间最少原则：指由机械手到达目标的时间最少。选择何种最优原则要视控制策略和实际需要而定。第五章 齿轮的设计与校核输入功率 1.1kw，齿数比为5.2，工作寿命10年，每年300天1.选择齿轮类型、精度等级、

49、材料及齿数1) 选用直齿轮传动。2) 选取7级精度。3) 材料选择：小齿轮为40Cr(调质)，硬度为280HBS，大齿轮为45钢(调质)，硬度为240HBS，两者硬度差为40HBS。4) 选择小齿轮齿数Z1=18，大齿轮齿数Z2=5.2×18=93.6，取Z2=94。2.按齿面接触强度计算(1)确定公式内各计算数值1)选载荷系数2)计算小齿轮传递转矩3)选取齿宽系数4)材料弹性影响系数5)按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限；大齿轮接触疲劳强度极限6)计算应力循环次数7)取接触疲劳寿命系数 8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1(2)计算1)试算小齿轮分度圆直径，代

50、入中较小的值2)计算圆周速度v3)计算齿宽b4)计算齿宽与齿高比模数齿高5) 计算载荷系数根据v=4.667m/s，7级精度，查动载荷系数;直齿轮，;使用系数;查表得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，;由b/h=8，；故载荷系数6) 按实际载荷系数校正所算得分度圆直径7) 计算模数m3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式为(1) 确定公式内的各计算数值1) 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限2) 根据图查得弯曲疲劳寿命系数 3) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.44) 计算载荷系数K5) 查取齿形系数 6) 查取应力校正系数 7)计算大、小齿轮并加以比较大

51、齿轮的数值大(2) 设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.225并就近圆整为标准值m=1.5mm，按接触强度计算的的分度圆直径，算出小齿轮齿数大齿轮齿数，取这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并得到结构紧凑，避免浪费。4 几何尺寸计算1)计算分度圆直径 取 2)计算中心距3)计算齿轮宽度取 通过上网查资料，我了解到2010年的时候，中国工业机器人总有量

52、已经超10000台，约占全球总数的0.6%。同时，需求量将会超过3000台。中国工业机器人市场将进入高速发展时期。这主要是由于我们国家现在正处的国情和所处的世界境遇。现在机器人已经慢慢融入到我们的社会的各行各业。同时，也在不断地给我们的工业发展带来诸多便利。 那么，下面我就对工业机器人在玻璃、陶瓷加工业方面做些探讨与分析工业机器人在这个行业的发展前景做些设想。 基于玻璃、陶瓷产业大家相比不会感觉很陌生。而工业机器人虽然已经进入大家的视线很多年，但是我相信大家对于机器人多少还会感觉一点陌生感吧！那么，我就从这个陌生的机器人先给大家讲起。一、 工业机器人的由来：1954年美国戴沃尔最早提出了工业机

53、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UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。 最早的关节机器人UNIMATION的VAL（very advantage language)语言也成为机器人领域最早的编程语言在各大学及科研机构中传播，也是各个机器人品牌的最基本范本。其机械结构也成为行业的模板。其后，UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收购，并利用STAUBLI的技术优势，进一步得以改良发

54、展。日本第一台机器人由KAWASAKI从UNIMATION进口，并由kawasaki模仿改进在国内推广。二、 工业机器人的定义：工业机器人的定义在国际上还没有统一的规定. 但普遍认为它是“在三维空间中,具有高自由度, 能进行多种动作功能的设备” 。现代的工业机器人可定义为 “具有类似人体上肢臂、手动作功能的、可进行多种动作的设备, 或具有感觉功能、认识功能, 能进行自律性行动的设备, 即智能机器人” 。三、 工业机器人的特点： （1）技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。 （2）技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。 （3）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件