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哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）1第1章绪论1.1机器人的概念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。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。细分析以上定义，可以看出，针对同一对象所做的定义，其内涵有很大的区别。虽然现在还没有一个严格而准确的普遍被接受的机器人定义，但我们还是希望能对机器人做某些本质性的把握：首先，机器人是机器而不是人，它是人类制造的替代人类从事某种作业的工具，它只能是人的某些功能的延伸，在某些方面，机器人可具有超越人类的能力，但从本质上说机器人永远不可能全面超越人类。其次，机器结构上具有一定的仿生性。很多工业机器人模仿人的手臂或躯体结构，以求动作的灵活。海洋机器人则在一定程度上模仿的鱼类结构，以期得到最小的水流阻力。第三，现代机器人是一种机电一体化的自动装置，其典型特征之一是机器人受微机控制，具有（重复）编程控制的功能。1.2装配机器人的结构哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）2机器人一般可理解为：一种可编程的通过自动控制去完成某些操作和移动作业的机器。机器人的一般结构框图如图：（图1-1）机器人整机，基本上由两部分组成，一是操作机，一是控制装置，操作机是机器人的本体结构，包括：基座、驱动器或驱动单元、手臂、手腕、末端执行器、行走机构以及安装在操作机上的各种感受装置等。控制装置一般包括计算机控制系统、司服驱动系统、电源装置以及与操作者联系的装置等。驱动器或驱动单元是机器人的动力执行机构，根据动力源的类别不同，可分为电机驱动，液压驱动和气动驱动三类。电动驱动在多数情况下采用直流、交流司服电机，也可采用力矩电机、步进电机等。手臂和手腕是机器人操作机中的基本部件，它由旋转运动和往复运动的机构组成。其结构形式是多种多样的，但多数机器人的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间机构，一般有3—10个自由度组成，工业机器人一般有3—6个自由度，由于机器人具有多自由度手臂、手腕的机构，使操作运动具有通用性和灵活性，这也是区别于一般自动机的特点。末端执行器是机器人手腕末端机械接口所连接的直接参与作业的机构，如夹持器，焊钳，焊枪，喷枪或其他作业工具，传感器等。行走装置分轮式、履带式和步行式等几种，也可用采用螺旋桨式或其他形式的推进机构，工业机器人多采用轮式机构。1.3选题背景1.3.1装配机器人的发展1.世界装配机器人的发展状况从装配机器人的推广应用角度来看，机器人的发展大致经历了技术发展和探索的“起步”阶段，在技术有所突破之后的“推广”应用阶段和被产业界接受之后的“普及”阶段，只不过因为各个国家情况不同，机器人发展过程中这三个阶段的时间先后和各阶段时间的长短并不一样，下面两个图说明了一些国家的机器人的发展情况。可以看出，中国的机器人技术和机器人应用水平总体上还处于很落后的状态。各国机器人的发展阶段表：表1-1各国机器人的发展阶段表哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）3机器人数量如图：（图1-1）图1-1各国机器人的数量2.装配机器人在中国的发展情况我国在上世纪七十年代就开是装配机器人的研究工作，由于种种原因，机器人技术研究及应用推广十分缓慢。直到九十年代，情况才有所好转。早期的“863”计划已经把机器人技术作为重要的攻关内容。到目前为止，我国在机器人的技术研究方面已经相继取得了一些重要成果，在某些技术领域已经接近国际前沿水平。但从总体上看，我国在智能机器人方面的研究可以说还是刚刚起步，机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比较薄弱。另外在机器人的应用方面，我国就显得更为落后。值得一提的是，最近几年，我国在汽车、电子行业相继引进了不少生产线，其中就有不少配套的机器人装置。另外，国内的一些大专院校和科研单位也购买了一些国外的机器人，这些“洋机器人”的引入，也为我国在相关领域的研究工作提供了许多借鉴。1.3.2装配机器人的发展方向机器人技术涉及很多科学领域，是多学科综合交叉的边缘学科，机器人技术的发展依赖于很多相关技术的进步。首先，从技术角度而言，智能化无疑是一个重要的发展方向。智能机器人的高境界应该是使之具有与人类类似的逻辑推理和问题求解能力，面对非结构性的复杂环境和任务，能够自主寻求解决方案并加以执行。其次，从应用的角度来说，产业领域更多地体现出多机协调作业的特征，这是现代生产规模不断扩大所决定的。在大型生产线上，往往是很多机器人哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）4共同完成一个生产过程，因而每一个机器人的控制就不单纯是自身的控制问题，还需要多机协调。再者，标准化工作是一项十分重要而艰巨的任务。不同厂家生产的机器人相互之间很难进行部件互换，这给机器人的使用、维护和更新换代带来了很大的麻烦。然而由于标准化工作会牵涉到各家公司的利益得失，因而近期很难形成技术上或零件上的世界标准。最后，机器人的微型化也是一个重要的研究领域，微电子技术的发展，使得成千上万的电子元件在很小的空间内集成已经成为现实。受其启发，人们开始设想将微型传感器、微处理器、微执行机构等在极小的空间内进行集成，组成微型机电系统或微型机器人。1.4装配机器人研究的意义机器人的应用已经涉及到工业、农业、林业、医疗、海洋探测、太空、娱乐等很多领域。一方面，机器人作为一种特殊的自动机器在工业领域几乎已经无所不在，很多大公司甚至把机器人作为一个新产业在抢占制高点；另一方面，科学家们正在让机器人更加人性化，给机器人赋予更多的智慧和情感。机器人在生产中的应用，对提高劳动生产率，提高产品质量，改善劳动条件，提高企业的竞争能力和应变能力，促进新产业的建立和发展，改变劳动结构，以及促进相关学科的技术进步，均发挥了重大的社会效益和经济效益。目前，在汽车装配行业中，人工已逐渐被自动化的生产线所取代，在挡风玻璃的装配中，由于汽车挡风玻璃宽大，人工不易安装和操作的特点，为适应时代的发展，减少工人的劳动强度和劳动量，节约劳动成本，改善工作环境，保证安全操作，促进文明生产。随着机器人技术的不断发展和完善，以及机器人成本的进一步降低，可以预料，今后将开拓更多的机器人应用领域，尤其是在制造业以外的领域中，机器人将会有很好的应用前景。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）5第2章装配机器人的总体设计方案本章对汽车挡风玻璃自动安装机器人的工作模式、总体结构进行了分析与设计。结合具体的使用过程，对系统实现的功能和可靠性要求等方面进行了简要介绍。2.1设计目标和研究内容本次设计的最终目的是在确保汽车挡风玻璃安全搬运的情况下，实现挡风玻璃准确安装的机器人自动化安装，实现汽车装配行业生产的完全自动化。在本次设计中，需要完成机器人各部分的结构设计和部分之间的准确连接；选择合适的传动方式和驱动电机，实现准确的传动精度和运行的平稳性；设计合理的末端执行器用以完成对玻璃的安全操作；选择合适的减速器在保证合适传动比的情况下，实现结构的紧凑。其所要解决的主要问题是：三自由度腕部的结构设计，腕部的传动方法的结构设计；各部分的结构设计；在保证结构紧凑的情况下，各部分相互连接的结构设计；底座驱动的结构设计和各件的安装等。2.2设计方案2.2.1运动方案的确定根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标性、关节型和SCARA型，同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。所选用的运动形式，在满足需要的情况下，应使自由度最少、结构最简单。在以上这些运动形式中，关节机器人由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴线旋转，另一个肩关节实现仰俯。这两个肩关节正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种结构形式动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对运动部位容易密封防尘。并考虑到汽车装配的工作环境和工作要求，本次设计选定机器人的运动形式为关节式机器哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）6人。其结构简图如下：（图2-1）图2-1关节型机器人的结构简图2.2.2传动方式的选择传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有：齿轮传动、螺旋传动、皮带及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。1.齿轮传动机器人中常用的齿轮传动机构是行星齿轮传动机构和谐波传动机构。电动机是高转速、小力矩的驱动器，而机器人通常却要求低转速、大力矩，因此，常用行星齿轮机构和谐波传动机构减速器来完成速度和力矩的变换和调节。此外，由于谐波传动的结构简单、体积小，重量轻、传动精度高、承载能力大、传动比大，且具有高阻尼特性。因此，在本次的设计中选用谐波传动。2.皮带传动与链传动皮带和链传动用于传递平行轴间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。机器人中的皮带和链传动分别通过皮带或链轮传递回转运动，有时还用来驱动平行轴之间的小齿轮。由于齿形带具有在传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴承不易过载。因无滑动，它除了用做动力传动外还适用于定位。齿形带属于低惯性传动，适合于马达和高速比减速器之间使用。皮带上面安上滑座可完成与齿轮齿条机构同样的功能。并且惯性小，且有一定的刚度等优点，所以适合于机器人的机械传动。因此，在本次的设计中采用齿形带传动。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）72.2.3驱动电机的选择直流电机便于调速，且具有较好的机械特性，所以很早就用于机床主传动系统，以实现无级调速。但一般的直流电动机转动惯量过大，而且输出转矩相对过小，动态特性较差，尤其在低速运转条件下更为突出，因此不是很理想的伺服电机。70年代研制成的大惯量调速伺服电动机，它在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩，改善了动态特性，它既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配，能较好地满足伺服驱动的要求，因此在数控机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛的应用。大惯量宽调速直流伺服电动机的特点：1、电动机输出力矩大2、电动机过载能力大3、动态响应性能好4、低速运转平稳5、易于调试由于直流伺服电机具有以上优点，因此在本次的设计中采用直流伺服电机作为驱动电机。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）8第3章装配机器人各部分的结构设计3.1基本设计参数1、结构形式：关节式2、自由度数：63、驱动方式：直流伺服电机4、各轴运动范围、速度、功率、转矩（图2-1）1轴：±1350700/s0.604KW125.82Nm2轴：±600800/s0.647KW134.86Nm3轴：±11001020/s1.2KW249.76Nm4轴：±18001100/s0.65KW142.77Nm5轴：±10001000/s6.4KW1534.22Nm6轴：±18001000/s5.53KW1200.25Nm5、最大持重：100Kg6、环境温度：0～500C7、电源：3相；380V/50Hz3.2载荷的初步确定根据机器人的工作条件和工作对象，经对多种车辆前挡风玻璃的实际测量，和设计的通用性原则，取玻璃为矩形结构，其长a=1500mm，宽b=1000mm，厚度h=70mm，密度=2.64g/cm3。由质量的计算公式：