关节机器人实际应用分析

1、河南机电高等专科学校1 / 11河南机电高等专科学校先进制造技术课程论文论文题目：关节机器人实际应用分析系部：机械工程系专业：机械制造与自动化班级学生姓名：学号：指导教师：河南机电高等专科学校2 / 11绪论工业机器人， 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。 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，

2、 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。关节机器人以工作范围大， 动作灵活、 结构紧凑、能够抓取靠近基座的物体等特点而受到设计者和使用者的关注。机器人关节是机器人的基础部件, 其性能的好坏直接影响机器人的性能。 本文根据机器人关节的功能特点, 驱动方式 , 应用场合和主要结构等进行了分类; 介绍

3、了典型的机器人关节结构形式, 对工业机器人和拟人机器人的关节结构进行了较为详细的介绍; 随着数字伺服技术等电子技术的发展 , 机器人关节也在不断发展。机器人关节呈现出大力矩、高精度、反应灵敏、小型化 , 机电一体化 , 标准化和模块化等趋势 , 以适应机器人技术发展的需要。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，相信在不久的将来， 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。河南机电高等专科学校3 / 11第一章机器人关节的分类1.1机器人关节的分类关节是各杆件间的结

4、合部分, 是实现机器人各种运动的运动副, 由于机器人的种类很多 , 其功能要求不同 , 关节的配置和传动系统的形式都不同。工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人, 其关节的分类见图1-1,可以根据输出运动形式 , 传动机构 , 驱动器, 有无减速器和运动副的不同对机器人关节进行分类.液压缸 气压缸 直线电机或音圈电机移动关节：液压缸 气压缸 直线电机或音圈电机运动形式齿轮传动 谐波减速器摆线针轮 (rv)力矩电机传动转动关节 带、链或绳传动皮带 钢带 齿形带、钢绳、链轮连杆机构 (摆动)丝杆连杆或滑块连杆齿轮传动蜗轮蜗杆传动链条传动带传动传动机构：连杆机构绳索传动谐波减速传动

5、摆线针轮 (rv)减速传动关节电驱动关节 : 直流伺服交流伺服步进电机气压驱动关节 : 气缸伸缩软管气压马达驱动器形式液压驱动关节 : 旋转马达活塞液压缸特种驱动关节 :( 形状记忆合金 sma 、人工肌肉等)有无减速器 : 直接驱动间接驱动运动副形式 : 转动副移动副螺旋副球面副图 1-1机器人关节分类河南机电高等专科学校4 / 111. 2仿人机器人的关节的分类仿人机器人可以进行双足移动,具有很好的适应性,是当代科技的研究热点之一。主要特点是冗余自由度多,机构复杂,由回转关节组成。仿人机器人关节可以分为上肢关节 (肩、肘、腕、多指手 ) ,下肢关节 (踝、膝、髋 ) 。1. 3微型机器人关

6、节微型机器人是利用集成电路微细加工工艺,如光刻技术将驱动器,关节传动装置及传感器控制器和电源等集成在很小的多晶硅,微型静电马达、 压电超声马达和微型传动机构等已经应用于关节系统。1. 4移动关节移动关节采用直线驱动方式传递运动, 包括直角坐标结构的驱动, 圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动, 以及极坐标结构的径向伸缩驱动。 直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生, 也可以采用齿轮齿条、 丝杆、螺母等传动元件把旋转运动转换成直线运动。产生移动关节直线运动的方式有以下几种1. 4. 1齿轮齿条装置效率高 , 精度好 , 刚度好 , 缺点是回差大;1. 4. 2丝杆(滑动或滚珠)效率、精度高,

7、速比大;1. 4. 3气压缸能源、结构较简单, 但速度不易控制, 精度不高。1. 4. 4直线电机或音圈电机驱动精度高, 但力矩较小。1. 5回转关节回转关节是连接相邻杆件, 如手臂与机座, 手臂与手腕, 并实现相对回转或摆动的关节机构, 由驱动器、回转轴和轴承组成。 多数电机能直接产生旋转运动 ,但常需各种齿轮、链、皮带传动或其他减速装置, 以获取较大的转矩。旋转运动传递和转换方式有以下几种1. 5. 1齿轮传动特点是响应快, 转矩大, 刚性好 , 可实现转向改变和复合传动, 轴间距不河南机电高等专科学校5 / 11大。在图1-2 所示的手臂机构中, 两个电动机输出后, 分别经过蜗轮蜗杆和齿

8、轮减速后通过中间齿轮传递运动, 中间齿轮上面具有相互垂直的轮齿, 可以使臂关节分别绕x x 和 y - y转动 , 是万向节的变形, 因此又称为万向化关节。图 1-2万向化齿轮传动关节1. 5. 2带、链或绳传动包括皮带, 钢带 , 齿形带 , 链传动等。速比小, 转矩小 , 刚度与张紧装置有关 , 轴间距大。常和其他传动结合使用。1. 5. 3摆线针轮 (rv)传动其内齿轮采用带滚针的圆弧齿, 与其啮合的外齿轮采用摆线齿。如图1-3所示 , 输入轴经齿轮传动传给行星齿轮, 完成一级减速;与行星轮相连的曲柄轴是第二级减速的输入轴,rv 外齿轮支承在曲柄偏心处的滚动轴承上, 当行星轮转一周时,

9、曲柄轴和rv 齿轮被箱体内侧滚针挤压, 受其反作用力作用,rv齿轮逐齿向输入运动的反方向运动。特点是速比大, 同轴线、结构紧凑, 效率高 , 其最显著的特点是刚性好、 转动惯量小, 固有频率高, 振动小 , 适用于操作机上的第一级旋转关节 (如腰关节) , 在频繁加、 减速的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。河南机电高等专科学校6 / 11图 1-3摆线针轮 (rv)传动1. 5. 4连杆机构包括平行四边形曲柄连杆机构,滑块连杆机构和丝杆连杆机构, 回差小,刚性好 , 可保持特殊位形。 丝杆连杆机构还具有变减速比的特点。图 1-4 所示为丝杆连杆机构, 丝杆旋转后, 螺母移动, 又带动

10、一个扇形齿轮, 然后与另一扇形齿轮啮合产生旋转运动。1. 5. 5万向节式传动图 1-5 所示关节类似于万向节, 包含两个可独立旋转的转动轴和轴承, 每个转动轴有一个驱动单元, 通过操纵杆和轴承进行操作控制。图 1-4曲柄连杆机构关节图 1-5万向节关节2. 3腕关节传动手腕位于手臂末端, 用来支承末端执行器并调整其姿态。 按自由度分手腕可以分为单自由度、 双自由度和三自由度3 种。对于两自由度手腕, 常见的关节结构有 , 汇交式和偏置式。偏置式末杆回转范围大, 结构紧凑。图 1-6a 所示为汇交式手腕, 链轮 1 与锥齿轮 3 相联 , 通过齿轮副带动末杆ln 自转() ; 链轮 2与壳体

11、4 相联 , 转动后使末杆摆动 () , 从而形成两个自由度。图1-6b 所示为谐波式汇交手腕,1 、2为谐波减速器,3 为齿形带,4 为锥齿轮。河南机电高等专科学校7 / 11图 1-6图 1-7 所示为三自由度手腕, 包括外套120 , 万向节 140 ,128 ,146 ,132 ,扇形齿轮136、138、142、148, 锥齿轮 168、170、174、178; 转动驱动轴(roll)162 , 俯仰驱动轴 (pitch)164 , 偏转驱动轴 (yaw)166 等组成。球形电机驱动的手腕, 通常手腕关节是用单自由度电机驱动实现的, 使用三自由度的球形电机来驱动,可以将关节和电机合为一

12、体, 直接驱动。实现三个方向的转动。图 1-7河南机电高等专科学校8 / 11第二章关节机器人的应用2.1 焊接机器人在汽车制造业中的应用汽车行业的发展水平， 代表了一个国家的综合技术水平，汽车工业的发展将会带动其他行业的发展。 各厂商为了在日渐激烈的竞争中立于不败之地，必须率先实现焊接自动化，因此，今后除了如汽车、摩托车这样的大批量生产行业，一些产品多样化的企业， 为了提高焊接质量， 也将会考虑使用焊接机器人， 如钢结构等行业， 与此同时， 对焊接机器人的要求也必然会逐步提高，如说对焊道的自动跟踪系统的需求会逐步加大等。 作为焊接机器人和焊接机的专业生产厂家，otc公司将继续为提高中国的高速

13、、高效、自动化焊机做出自己的贡献。李瑞峰：由于焊接技术是基于多学科交叉融合的产物，随着现代科学技术成果的不断涌现，必将推动焊接技术更新更快的发展。除了物理、化学、材料、力学、冶金、机械、电子学等学科的新发展将会推动焊接新材料、新工艺的不断出现外，计算机、 控制理论、人工智能等信息科学领域的新进展将进一步将焊接工艺实现的手段推进到自动化、机器人化和智能化的新阶段， 进而实现几代焊接人的梦想用机器来代替人工进行焊接作业。 对于在汽车工业中的点焊应用来说，目前已广泛采用电驱动的伺服焊枪。 日本丰田公司已决定将这种技术作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。 据本田公司称， 用这种技术可以提高

14、焊接质量，在短距离内的运动时间也大为缩短， 因而试图用它来代替某些弧焊作业。据富士电机报导， 该公司最近推出一种高度较低的点焊机器人，用它来焊接车体的下部零件，这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线的长度。目前，用 2 台机器人协调工作进行弧焊已相当普遍。此时，一台弧焊机器人焊接工件， 而另一台夹持机器人夹持工件，从而不必为特殊工件专门设计成本很高的专用夹具，并能保持最佳的焊接压力。目前，丰田公司已开始使用能够焊接厚度为0.6mm的薄钢板（间隙 2mm ）的弧焊机器人，由于这种弧焊机器人能从钢板一侧进入到焊接位置而不必像点焊机器人那

15、样需要从钢板两侧进入到焊接位置，因而将优先取代某些点焊作业。在日本，激光焊接还不是很普遍，而柔性本体生产线（fbl ）方案的应用已日益增多。在河南机电高等专科学校9 / 11这种场合下， 各种形状的板金件都采用激光焊接，以形成车体的板金件。 将处理速度更高的微处理器引入到机器人控制器，显著提高了机器人的运动控制性能，从而提高了生产效率。 由于运动控制性能的不断提高， 使得一些新型应用成为可能，比如汽车油箱的线焊， 采用特殊的焊机焊接油箱的接缝，专门设计用于特定的油箱形状，而为了便于装入到车体内的有限空间内，油箱的形状越来越复杂，因而这就要求机器人的工作尽可能满足这一需要。过去，由于难以保持恒定

16、的线焊速度，很难实现这一任务， 而使用了新的机器人控制器后则能够顺利完成这一任务。计算机视觉以其信息量大、精度高、检测范围大等特点，在焊接领域得到了广泛应用， 为实现焊接操作自动化提供了有力手段。借助 ccd 摄像机、红外摄像仪、x 光探伤仪、高速摄像机等图像传感设备及智能化的图像处理方法，许多机器人及特定的自动焊机也具备了一定的视觉功能，它们不仅可以模拟熟练焊工的视觉感知能力， 而且可以超越人的局限， 完成诸如获取并处理强弧光及飞溅干扰下的焊缝图像， 实时提取焊接熔池特征参数， 预测焊接组织、结构及性能等，实现人类难以直接作业的特殊场合（如水下、 空间核辐射环境等） 的自动焊接施工，确保焊缝

17、质量的稳定性和可靠性。在国内外研究人员的共同努力下，计算机视觉广泛应用于焊缝跟踪、熔池形状与熔透控制、焊道形貌检测与控制等领域，为焊接生产和过程自动化、 智能化作出了重要贡献。 鉴于焊接过程的复杂性、 先进制造业对焊接技术更高层次的需求及用户对新型视觉传感系统更高的性价比要求等，当前还必须解决系统的复杂性与可靠性、实时性与精确性、 可控性与智能化等方面的问题。随着全球经济的一体化发展， 世界制造中心逐步向中国转移，中国工业机器人的产业也将会快速地发展起来。我坚信，在不远的未来， 在中国的汽车生产线上会有越来越多的国产焊接机器人发挥作用。2.2 装配机器人在汽车制造业中的应用在国内外各大汽车公司

18、装配生产线上被广泛采用的装配机器人。一方面使汽车装配自动化水平大大提高， 目前，国外某些大批量生产的轿车的装配自动化程度已达到 50%65%。另一方面，有效地减轻了工人的劳动强度， 提高了装配质量，并明显地提高了生产率。 在汽车整车装配中， 机器人不仅用于挡风玻璃的密封济涂覆、安装和车轮备胎、仪表盘总成、后悬梁、车门、蓄电池等部件的安装，也用于发动机动力总成等大件的安装。河南机电高等专科学校10 / 112.3 喷涂机器人在汽车制造业中的应用喷涂机器人在汽车制造业中可喷涂形态复杂的汽车工件，而且生产效率和很高。多用于汽车车体的喷涂作业， 如喷漆、喷釉等。机器人使汽车制造也大批量、高效率、高质量生产提供了有效保障，同时机器人在应用是暴露了问题，这也促使我们不断学习先进技术， 不断寻求更加有效的方式， 让机器人为中国汽车制造业作出更大贡献。河南机电高等专科学校11 / 11参考文献1马香峰. 工业机器人操作机设计【m 】.北京: 冶金工业出版社, 1996。2蔡鹤皋等. 机电一体化技术手册【 m 】.北京: 机械工业出版社,1999。3杨宜民. 新型驱动器及应用【 m 】.北京: 机械工业出版社, 1999。4唐一平 . 先进制造技术【 m 】. 北京：科技出版社，2003。5张世昌 . 先进制造技术【 m 】. 天津大学出版社2004。6吴瑞详 . 机器人技术与应用【