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1第一章绪论1.1工业机器人研究的目的和意义工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。20世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及的过程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。1.驱动方式的改变20世纪70年代后期，日本安川电动机公司研制开发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液压驱动的机器人，成为工业机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、RV减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。2.信息处理速度的提高机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现楼渊：四自由度圆柱坐标机器人设计2的。为了使机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算，并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展，CPU的计算能力有了很大提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制20多个关节。机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高，并扩大了工业机器人的应用范围。近年来，随着信息技术和网络技术的发展，已经出现了多台机器人通过网络共享信息，并在此基础上进行协调控制的技术趋势。3.传感器技术的发展机器人技术发展初期，工业机器人只具备检测自身位置、角度和速度的内部传感器。近年来，随着信息处理技术和传感器技术的迅速发展，触觉、力觉、视觉等外部传感器已经在工业机器人中得到广泛应用。各种新型传感器的使用不但提高了工业机器人的智能程度，也进一步拓宽了工业机器人的应用范围。1.2工业机器人在国内外的发展现状与趋势目前，工业机器人有很大一部分应用于制造业的物流搬运中。极大的促进物流自动化，随着生产的发展，搬运机器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。气动机械手大量的应用到物流搬运机器人领域。在手爪的机械结构方面根据所应用场合的不同以及对工件夹持的特殊要求，采取了多种形式的机械结构来完成对工件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。在针对同样的目标任务，采取多种运动方式相结合的方式来达到预定的目的。驱动方面采用了一台工业机器人多种驱动方式的情况，有液压驱动，气压驱动，步进电机驱动，伺服电机驱动等等。愈来愈多的搬运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式的优点，避免缺点。并且在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。在搬运机械手的控制方面，出现了多种控制方式。如：由原始的电控的机械手，3较先进的基于工控机控制的，基于PC控制的，进一步的嵌入式PC控制技术，还有采用PLC可编程控制的。在物料搬运方面近年来呈现出的趋势就是系统化。无论是我国还是国外，物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备，由单机走向系统。在制造业方面，随着JIT,FMS,CIMS等现代制造技术的发展，对物料搬运系统也提出了新的要求。其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料准时到达要求的地点。这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用。其中采用了机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领城的扩大和机器人种类的增多。另一方面表现在机器人机械系统性能的提高和控制系统的智能化。前者是指应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高。机器人应用领城的拓宽和性能水平的提高二者相辅相承、相互促进。应用领城的扩大对机器人不断提出断的要求，推动机器人技术水平的提高.反过来，机器人性能与智能水乎的提高，又使扩大机器人应用领域成为可能。1．工业机器人机械系统性能的提高。进一步提高业机器人的运动精度。机器人是一种多关节开链式结构，因此，机器人手臂的刚度一般都不高。另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在，以及机器人手臂末端误差的放大作用，使当前机器人的定位与运动还不能达到很高的精度。度大.精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊色。因此，至今工业机器人在精密装配及其它精密作业中的应用仍受到了很大的限制。除了精密作业要求高精度机器人以外.采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器人要具有足够高的定位精度和运动精度。进一步提高机器人工作精度的主要办法是：提高机器人的加工精度与装配精度，采用无隙传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定进行楼渊：四自由度圆柱坐标机器人设计4机器人的2．误差补偿，通过实时检侧对机器人运动误差进行实时修正。提高机器人手的灵活度和避障能力:当前常用的机器人手肴的灵活度的都不够高，即手臂末端达到某一工作点时。手臂可能采取的姿态是有限的，有时要有很大的灵活度和很强的避障能力.例如。当用喷涂机器人喷涂车身内表面时，要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷上漆，必须要有高灵活度机器人手有才行。另外，在有限空间及有障碍的复杂环境中作业的机器人，例如在核电站工作的机器人，也要求其具有高灵活度的机器人手臂。为了提工业机器人手臂的灵活度，主要是采用具有冗余自由度的机器人手臂和在机器人手臂机构上采用膨铰关节及可双向弯曲的手臂。3．提高机器人的运动速度和响应频率：为了提高机器人作业效率，以及提高具有感知功能机器人的反应速度，就必须提高机器人运动速度和响应频率，这一点，对装配机器人来说尤为重要。为此，一方面可以通过采用高强度材料或轻质材料(如碳纤维复合材料)制造机器人手臂，以达到减轻手臂重量和提高手臂动态特性的目的，另一方面，也可以通过采用直接驱动电机或其它高性能驱动电机，从控制和驱动方面提高机器人系统的运动速度与响应频率。4．提高机器人手爪或手腕的操作能力、灵活性与快速反应能力:为了使机器人能像人一样进行各种复杂作业，如装配作业、维修作业及设备操作，机器人就必须有一个运动灵活和动作灵敏的手腕和手爪。这一点对装配作业机器人、核工业机器人和在空间站上作业的空间机器人来说是特别重要的。5．采用模块化组合式机器人结构，提高机器人快速维修性能:根据优化设计，制造出多种不同尺寸和规格的手臂和连接器模块。用少量的模块可组合成多种机器人配置。这种机器人能进行快速维修，可以实现自动修复。所以，这种机器人结构最适用于空间机器人、核工业机器人等。如这种积5木结构能推广用于一般工业机器人，将使工业机器人的成本下降、生产周期及维修周期缩短。1.3工业机器人的分类1.3.1按作业用途分类如前所述，各类工业机器人的应用范围非常广泛，而且还有一种机器人多种用途的情况。通常我们依据其具体的作业用途来称呼它，如一条自动生产线上使用了相同结构的数台机器人，有的用于点焊就称为点焊机器人，有的用于搬运工件就称为搬运机器人，以此类推，便有喷漆机器人、涂(密封)胶机器人、装配机器人和测量机器人等有的作业具有一定范围，如潜入水下作勘查、采矿和铺4管道的机器人，就统称为水下机器人，类似的还有宇航机器人等。1.3.2按操作机的运动形态分类按工业机器人操作机运动部件的运动坐标把机器人区分为:直角坐标式机器人，极(球)坐标式机器人，圆柱坐标式机器人和关节式机器人，另外还有少数复杂的机器。人是采用以上方式组合的组合式机器人。1.3.3按机器人的负荷和工作范围分类按照这种分类方法，工业机器人分为:超大型机器人—负荷为10KN以上。大型机器人—负荷1--10KN，工作空间为1—10m3以上。中型机器人—负荷为100--1000N。工作空间为0.1－1m3小型机器人—负荷为l--100N，工作空间为0.1m3。超小型机器人—负荷小于1N,工作空间为0.1m3。以上所谓机器人的“负荷”是指在机器人的规定性能条件下，机器人所能搬移的重量中包括了机器人末端执行器的重量。1.3.4按机器人具有的运动自由度数分类机器人的自由度数的定义是:操作机各运动部件独立运动的数目之和。这种运动只有两种形态:直线运动和旋转运动，其腕端的任何复杂的运动都楼渊：四自由度圆柱坐标机器人设计6可由这两种运动来合成。工业机器人的自由度数。一般为2－7个，简易型的2—4个自由度，复杂型的5－7个自由度。自由度数越多，机器人的“柔性”越大，结构和控制也就越复杂，所以并非越多越好。1.4本课题研究的主要内容（1）确定机器人运动参数及工作行程。（2）根据工件的负载情况，工作空间以及各个运动的实现形式对搬运机器人进行整体方案的设计；（3）对搬运机器人的手爪，，小臂，大臂，的结构设计，绘制各部分的结构草图；（4）由第2步所给定的条件和第3步的结构特点，选取驱动系统并确定驱动电机的驱动方式和传动方式；（5）对各结构的质量进行粗估，完成对手爪的夹紧气缸，小臂、大臂丝杠的驱动电机，以及腰部、腕部的旋转驱动电机的计算选型；（6）根据电机的外形尺寸及输出轴轴径，以及电机的重量完善结构草图。（7）通过以确定的结构的质量的分析，验算重要零件的受力情况，绘制最终装配图。7第二章总体设计方案确定2.1结构设计概述一个机器人系统结构由下列互相作用的部分组成：机械手、环境、任务。机械手是由具有传动执行装置的机械，它由臂，关节和末端执行装置构成，组合为一个互相连接，互相依赖的运动机构。机械手用于执行指定的作业任务。工业机器人的末端执行器是安装在腕端的附加装置。机器人的手部可分为夹持式和吸附式两大类。夹持式的是指型手，夹持方式有外夹式和内撑式之分，吸附式的分为空气负压式和电磁式两种，任务是指机器人要完成的工作。机器人的类型是随着工作任务的特点而决定的。例如：SCARA机器人就非常适合平面上的工件的抓取。环境是指机器人所处的周围环境。环境不仅由几何条件(可达空间)所决定，而且由环境和它所包含的每一个事物的全部自然特性所决定。2.2基本设计参数根据次机械手的应用场合和实地的应用要求，其主要的设计参数要求如下：（1）抓取的重物：2kg；（2）机械手的自由度数：4个；（3）运动参数：大臂升降：线速度：sm02.0；小臂伸缩：线速度：sm02.0；手腕俯仰：角速度：srad14.3；腰部旋转：角速度：srad14.3；（4）运动行程：大臂升降：300mm楼渊：四自由度圆柱坐标机器人设计8小臂伸缩:300mm腰部旋转:90手腕俯仰:902.3工作空间分析2.4传动方案的确定：2.4.1传动方案分析1方案1：图2-2传动方案一第一、二、自由度均采用伺服电机加减速器的结构形式。大臂的驱动电机和大臂的回转轴共线。小臂的传动方案与大臂的传动方案相同，这样虽然结构上较为简单，但对大臂产生了一定的附加弯矩，对工件的抓取精度产生了一定的不利影响，并且对转矩的计算也会较为麻烦。第三个自由度，即就是升降机构采用电机步进电机加同步齿形带的传动方案。同步齿9形带具有传动精度高，结构紧凑，传动比恒定等特点。但对安装的精度要求较高，负载能力也很有限，并且不能实现反向自锁，需要另加断电保护装置。手爪的结构采用较为简单的气动控制直线运动的手爪。2方案二：图2-3传动方案二第一、二自由度均采用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构可以较为简单。电机轴和小臂的关节轴是同一方向的。这是在充分考虑到小臂的驱动电机对大臂所产生的附加弯矩的条件下，对大臂的结构设计特别做了加强处理。第三个自由度为丝杠螺母的升降运动，采用的传动方式是电