六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)【11張圖紙】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】
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開(kāi)題論證報(bào)告
題目名稱(chēng)：關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、題目來(lái)源、題目研究的主要內(nèi)容及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀綜述
（一）題目來(lái)源：
本題目來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際，手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求較高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，以提高生產(chǎn)效率。而且,現(xiàn)在對(duì)許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來(lái)越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作；此外,焊接時(shí)的火花及煙霧等,對(duì)人體造成危害,因此,焊接過(guò)程的完全自動(dòng)化已成為重要的研究課題。其中,十分重要的就是要應(yīng)用焊接機(jī)器人。
（二）題目研究的主要內(nèi)容：
設(shè)計(jì)一個(gè)用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，進(jìn)行機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)、腰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械本體部分一般為由各種關(guān)節(jié)串接起若干連桿組成的開(kāi)鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)上的原因，其關(guān)節(jié)通常只有轉(zhuǎn)動(dòng)型和移動(dòng)型。關(guān)節(jié)型機(jī)器人主要特點(diǎn)是模仿人類(lèi)腰部到手臂的基本結(jié)構(gòu)，因此本體結(jié)構(gòu)通常包括關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)座結(jié)構(gòu)及腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、手腕結(jié)構(gòu)及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和末端執(zhí)行器。我所做的課題偏重與機(jī)座和腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
弧焊機(jī)器人多采用占地面積小，動(dòng)作范圍較大的關(guān)節(jié)型操作機(jī)，其靈活性大，能以最佳狀態(tài)決定焊槍的位置。
（三）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀綜述：
目前，對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展有最重要影響的國(guó)家是日本和美國(guó)。美國(guó)在機(jī)器人技術(shù)的綜合性水平上仍處于領(lǐng)先地位，日本生產(chǎn)的機(jī)器人數(shù)量和種類(lèi)則居世界首位。我國(guó)發(fā)展機(jī)器人技術(shù)起步于20世紀(jì)70年代末。1995年9月，6000m水下機(jī)器人試驗(yàn)成功.近年來(lái),在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)逐步縮短與世界水平的差距。
自從第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從汽車(chē)工業(yè)逐漸向其他行業(yè)滲透，機(jī)器人的種類(lèi)也從操作手逐漸衍生出各種各樣的機(jī)器人，如今機(jī)器人已經(jīng)深入到人類(lèi)生活的方方面面。人類(lèi)科技的進(jìn)步、文明的發(fā)展已經(jīng)和機(jī)器人產(chǎn)生了密切的關(guān)系。人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展已經(jīng)離不開(kāi)機(jī)器人技術(shù)，而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步必然對(duì)推動(dòng)科技發(fā)展產(chǎn)生不可忽視的作用。當(dāng)前和今后的機(jī)器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、對(duì)環(huán)境的自主性強(qiáng)、具有多種感覺(jué)能力的方向發(fā)展。機(jī)器人也正在逐漸具有智能。美國(guó)貝爾科爾公司已成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝配在芯片上，其智能分析速度比普通計(jì)算機(jī)要快數(shù)千倍，能更好地完成識(shí)別語(yǔ)言和圖像處理等工作。
華中理工大學(xué)的熊臘森、彭振國(guó)、陳一堅(jiān)和曹東杰教授合著的一篇論文，題為《IR761/125型點(diǎn)焊機(jī)器人在平頭駕駛室總裝生產(chǎn)線(xiàn)上的應(yīng)用》，它主要介紹了IR761/125型點(diǎn)焊機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；重點(diǎn)討論了該機(jī)器人的焊接生產(chǎn)應(yīng)用；提出了機(jī)器人的使用維護(hù)和故障處理建議。
南京機(jī)械專(zhuān)科學(xué)校的徐錦康、邵群濤和劉啟芬合著的論文《XZ-I型弧焊機(jī)器人》主要介紹了XZ-I型機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，位置交流伺服控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制軟件特點(diǎn)，給出了主要算法。
二、本題目擬解決的問(wèn)題
焊接機(jī)器人具有6個(gè)自由度：① 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)；② 臂關(guān)節(jié)俯仰；③ 肘關(guān)節(jié)俯仰；④ 腕關(guān)節(jié)仰腕；⑤ 擺腕；⑥旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計(jì)機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm 。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到很多問(wèn)題：① 機(jī)器人的六個(gè)關(guān)節(jié)采用何種驅(qū)動(dòng)器；② 傳動(dòng)比的選擇要合理；③ 同一軸上的軸承要保證很好的同軸度；④基座采用何種材料如何制造；⑤ 立柱與大臂如何聯(lián)接；⑥ 要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定性；⑦ 腰座承受機(jī)器人全部重量和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力；⑧ 腰座軸系及傳動(dòng)鏈的精度對(duì)末端執(zhí)行器的運(yùn)行精度影響最大。因此腰座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面。
三、 解決方案及預(yù)期效果
（一）解決方案：
機(jī)器人大體采用PUMA型
1. 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿(mǎn)足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。
2. 速度和位置檢測(cè)；
3. 伺服控制系統(tǒng)選擇；
4. 工作空間的確定；
5. 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
①內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)量。
② 軸承外形環(huán)定位簡(jiǎn)單。一般在無(wú)軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。
③ 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。
④ 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。
⑤ 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無(wú)間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。
⑥ 工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長(zhǎng)臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié)4，6配合，一次就能轉(zhuǎn)1112°。
⑦ 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬(wàn)向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。
⑧ 機(jī)器人手臂材料的選擇：
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。
機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。
⑨腰關(guān)節(jié)采用齒輪二級(jí)傳動(dòng)?？倐鲃?dòng)比為48，第一級(jí)傳動(dòng)傳動(dòng)比為4，第二級(jí)傳動(dòng)比為12，主軸的角速度為3.82 rad/s。
（二）預(yù)期效果：
工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；裝卸方便，便于維修、調(diào)整；能很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電弧焊的功能。
3
關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要: 為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量,滿(mǎn)足實(shí)際工作需要,本課題設(shè)計(jì)了用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人。根據(jù)機(jī)器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，確定了機(jī)器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機(jī)器人各關(guān)節(jié)的總體傳動(dòng)方案，對(duì)機(jī)器人腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，合理布置了電機(jī)和齒輪，確定了各級(jí)傳動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行了齒輪、軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。利用齊次變換矩陣法建立了六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求出機(jī)器人末端相對(duì)于各自參考坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)值，建立了在直角坐標(biāo)空間內(nèi)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)變量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；趲缀瓮队霸硗茖?dǎo)出相應(yīng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求出了各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值，建立了機(jī)器人關(guān)節(jié)空間與世界空間的映射關(guān)系。該機(jī)器人具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)型機(jī)器人；位姿分析；總體設(shè)計(jì)；腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
The waist structural design of articulated robot
Abstract : In order to improve the efficiency of production and welding quality of products and meet real work's needs, this subject has designed the articulated robot used for welding . According to the job requirements for the robot and structure characteristic , I have carried on the overall design of the robot, confirmed the external dimension and workspace of the robot, drafted the overall transmission scheme of every joint of the robot. I have designed the waist structure of the robot in detail, assigned the electrical machinery and gear wheel rationally, confirmed at all level transmission parameters , carried on the design and calculating of gear wheels , shafts and bearings and checking them.The kinematic model of robot system has been built up by means of the homogenous transformation of matrix in this thesis and deduces the robot's homogenous coordinate which is relative to its reference coordinate. We also make up the position relationship between the robot's end effector and the variable friable of every joint. The inverse kinematic model is deduced which based on the projection principle of geometry and the value of angle is worked out. What’s more, the relationship is built up between the joint space of robot and the world space. This robot has the characteristics of fine rigidity , position precision high , that operate steadily.
Key words: Articulated robot; Appearance analysis in the location; Design overallly; Waist articulated structural design of the robot
文 獻(xiàn) 資 料
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目 錄
1 前言…………………………………………………………………………………1
1.1 題目來(lái)源及分析…………………………………………………………………1
1.2 研究目的…………………………………………………………………………2
1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀…………………………………………………………2
2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)……………………………………………………………4
2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)………………………………………………………………4
2.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇…………………………………………………………4
2.1.2 額定負(fù)載………………………………………………………………………5
2.1.3 工作范圍………………………………………………………………………5
2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………………5
2.1.5 控制系統(tǒng)的選擇………………………………………………………………6
2.1.6 確定關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂的配置形式…………………………………………6
2.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………7
3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 10
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇…………………………………………………………………10
3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及分配各級(jí)傳動(dòng)比………………………………12
3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………………12
3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率……………………………………………12
3.3.2 確定三根軸的具體尺寸……………………………………………………13
3.4 確定齒輪的參數(shù)………………………………………………………………17
3.4.1 選擇材料……………………………………………………………………17
3.4.2 壓力角的選擇………………………………………………………………17
3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇…………………………………………………………17
3.4.4 齒寬系數(shù)的確定……………………………………………………………17
3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度………………………………………………………18
3.4.6 齒輪的校核…………………………………………………………………19
3.5 殼體設(shè)計(jì)………………………………………………………………………22
4 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的位姿分析………………………………………………………23
4.1 機(jī)器人的位姿與運(yùn)動(dòng)的描述…………………………………………………23
4.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換矩陣…………………………………………23
4.3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程………………………………………………………26
4.3.1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析……………………………………………………26
4.3.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)反解……………………………………………………29
5 結(jié)論………………………………………………………………………………34
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………35
附錄…………………………………………………………………………………36
設(shè)計(jì)任務(wù)
題目： 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)內(nèi)容
題目來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。設(shè)計(jì)一個(gè)用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，進(jìn)行機(jī)器人的總體
方案設(shè)計(jì)、腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其零件設(shè)計(jì)。
二、設(shè)計(jì)依據(jù)
焊接機(jī)器人具有六個(gè)自由度，腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)，臂關(guān)節(jié)俯仰，肘關(guān)節(jié)俯仰，
腕關(guān)節(jié)仰腕、擺腕和旋腕，腕部最大負(fù)荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑
1500mm。
三、技術(shù)要求
1、機(jī)器人應(yīng)能滿(mǎn)足工作要求，保證焊接精度；
2、工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；
3、裝卸方便，便于維修、調(diào)整；
4、盡量使用通用件，以便降低制造成本。
四.設(shè)計(jì)物化成果的具體內(nèi)容及要求
1、圖紙工作量及要求
設(shè)計(jì)圖樣全部用AutoCAD繪制，總的繪圖量達(dá)3張A0以上，具體要求：
（1）機(jī)器人外形尺寸圖一張；
（2）腰部及底座裝配圖一張；
（3）設(shè)計(jì)的所有零件的零件圖。
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10、成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第4版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
2
1前言
1.1 題目來(lái)源與分析
題目《關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐中。要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有6個(gè)自由度：① 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)；② 臂關(guān)節(jié)俯仰；③ 肘關(guān)節(jié)俯仰；④ 腕關(guān)節(jié)仰腕；⑤ 擺腕；⑥旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計(jì)機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm 。
機(jī)器人是近30年發(fā)展起來(lái)的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。
自古以來(lái),人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類(lèi)智能的機(jī)器。特別是在20世紀(jì)20年代前后,捷克和美國(guó)的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來(lái)機(jī)器人與人類(lèi)共處中可能發(fā)生的故事之類(lèi)的文學(xué)作品,更使機(jī)器人在人們的思想中成為一種無(wú)所不能的“超人”。在現(xiàn)實(shí)生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪,也制造出一些仿人或仿生的機(jī)器人。然而在當(dāng)時(shí)的科技條件下,要使機(jī)器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國(guó)的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機(jī)械手,他首先突破了對(duì)機(jī)器人的傳統(tǒng)觀點(diǎn),提出機(jī)器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)表了《適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人》一文,并獲得了美國(guó)專(zhuān)利。
戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控機(jī)床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起,預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后,機(jī)械等就可以離開(kāi)人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行。這種機(jī)器人也可以接受示教而完成各種簡(jiǎn)單任務(wù)。示教過(guò)程中操作者用手帶動(dòng)機(jī)械手依次通過(guò)工作任務(wù)的各個(gè)位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器中，任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動(dòng)下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機(jī)器人的主要技術(shù)就是“可編程”以及“示教再現(xiàn)”。
1.2 研究目的
焊接機(jī)器人是最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,它占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。由于對(duì)許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來(lái)越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外,焊接時(shí)的火花及煙霧等,對(duì)人體造成危害,因而,此課題的提出就有十分重要的意義。
1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)∶
a. 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。
b. 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。
c. 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護(hù)性。
d. 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
e. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。
f. 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。
g. 機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。
國(guó)際機(jī)器人研究在經(jīng)過(guò)了80年代的低潮之后,呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢(shì);我國(guó)的機(jī)器人研究在國(guó)家七五’八五及863計(jì)劃的推動(dòng)下也取得了很大的發(fā)展。在70年代的機(jī)器人浪潮相比,現(xiàn)在的機(jī)器人研究有兩個(gè)特點(diǎn):一是對(duì)機(jī)器人智能的定位有了更加符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn),也就是不要求機(jī)器人具有像人類(lèi)一樣的高智商,而只是要求機(jī)器人在某種程度上具有自主處理問(wèn)題的能力。
我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制技術(shù)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(xiàn)（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠(chǎng)的焊裝線(xiàn)上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求，“一客戶(hù)，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果，其中最為突出的是水下遙控機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、聲覺(jué)、觸覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。
2關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)
2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇
為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案：
a.圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。
b.直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線(xiàn)移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。
c.球坐標(biāo)型 又稱(chēng)極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線(xiàn)移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
d.關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱(chēng)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類(lèi)似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。
e.平面關(guān)節(jié)型 采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長(zhǎng)，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。
對(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無(wú)法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。
2.1.2 額定負(fù)載
目前,國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是6kg。
2.1.3 工作范圍
工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定的,用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線(xiàn)間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。
圖2-1 運(yùn)動(dòng)范圍圖
2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:
a.步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。
b.直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。
c.交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤(pán)的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。
d.液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類(lèi)問(wèn)題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。
常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿(mǎn)足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
2.1.5 控制系統(tǒng)選擇
對(duì)于焊接機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無(wú)論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線(xiàn)編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲(chǔ)）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過(guò)程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過(guò)程的速度可以與示教時(shí)速度不同。
利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過(guò)所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測(cè)出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。
2.1.6 確定關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂的配置形式
手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求,要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接功能,則機(jī)器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點(diǎn)是占地面積小,工作范圍大,機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。
根據(jù)分析,可將機(jī)器人的參數(shù)列在表2-1中：
表2-1關(guān)節(jié)型機(jī)器人的主要參數(shù)
項(xiàng)目
技術(shù)要求
結(jié)構(gòu)型式
關(guān)節(jié)型
自由度數(shù)
6
運(yùn)動(dòng)范圍
308o
314o
292o
578o
244o
534o
最大速度
2m∕s
腕部最大負(fù)荷
6㎏
續(xù)表2-1
項(xiàng)目
技術(shù)要求
驅(qū)動(dòng)方式
直流電機(jī)
重復(fù)定位精度
0.05mm
控制方式
PTP∕CP
操作方式
示教再現(xiàn)
存儲(chǔ)容量
19kw
質(zhì)量
機(jī)械本體13.2kg;控制柜36.33kw
輸入∕輸出
32∕32位
電源
110～130V交流;50～60Hz;1.2kW
安裝環(huán)境
5～46℃;(20～90)%RH
2.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2-2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人傳動(dòng)原理圖
圖2-2是整個(gè)機(jī)器人本體機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有30個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有10個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。
機(jī)器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。
基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié)1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。
大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。
大臂上裝有關(guān)節(jié)2，3的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié)2，3都采用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向90°。第二、三級(jí)均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié)2傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié)3傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。
小臂端部連接具有3R手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié)4，5的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。關(guān)節(jié)4，5均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié)4采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié)5采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐齒輪，使傳動(dòng)軸線(xiàn)改變方向90°。關(guān)節(jié)6采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)與第二級(jí)為錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié)4，5，6的齒輪組除關(guān)節(jié)4第一級(jí)齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。
所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
a.內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)量。
b.軸承外形環(huán)定位簡(jiǎn)單。一般在無(wú)軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。
c. 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。
d. 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。
e. 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無(wú)間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。
f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長(zhǎng)臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié)4，6配合，一次就能轉(zhuǎn)1112°。
g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬(wàn)向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。
h. 機(jī)器人手臂材料的選擇：
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。
機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計(jì)中為減輕機(jī)器人本體的重量選用鑄鋁材料。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。
圖2-3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)
3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)總體分析后,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的腰關(guān)節(jié)部分采用二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。
圖3-1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
（3-1）
、、分別為10kg、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（3-2）
=
=
同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:
=
=
式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
—— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
設(shè)主軸速度為219°/s，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下
（3-3）
式中：——旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的轉(zhuǎn)矩
——角加速度
使機(jī)器人主軸從到/s所需時(shí)間為:則：
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)
開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為
電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算
（3-4）
式中： ——電動(dòng)機(jī)功率 ；
——負(fù)載力矩 ；
——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ；
——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9；
系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5
估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿(mǎn)足下式
（3-5）
選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)
表3-1 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
功率（W）
額定電壓
（V）
額定電流
（A）
額定轉(zhuǎn)速
（r/min）
濾磁方式
絕緣等級(jí)
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串勵(lì)
B
60
3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取主軸的轉(zhuǎn)速≤4rad/s。傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比取48，分二級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動(dòng)比=4；第二級(jí)傳動(dòng)比為
==12 (3-6)
3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率
a.各軸轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸 (3-7)
Ⅱ軸 (3-8)
Ⅲ軸 nⅢ= (3-9)
b.各軸輸入功率
Ⅰ軸 (3-10)
—制動(dòng)器效率
Ⅱ軸 (3-11)
—齒輪嚙合的效率 — 角接觸球軸承的效率
Ⅲ軸 PⅢ==748.9×0.98=733.9 W (3-12)
c.各軸輸入扭矩
Ⅰ軸 (3-13)
Ⅱ軸 (3-14)
Ⅲ軸 T3=9550 (3-15)
3.3.2 確定三根軸的具體尺寸
兩實(shí)心軸的材料均選用45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力= 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120.
A. 第一根軸設(shè)計(jì)及校核
a.此軸傳遞扭矩
（3-16）
因?yàn)檩S是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn),以滿(mǎn)足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。
齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來(lái)定位軸承.齒輪軸上裝型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。
圖3-2 第一級(jí)齒輪軸結(jié)構(gòu)圖
b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿(mǎn)足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。
圖3－3軸的受力分析和彎扭矩圖
求作用在齒輪上的力：
(3-17)
畫(huà)軸的受力簡(jiǎn)圖 見(jiàn)圖3－3
計(jì)算軸的支承反力
在水平面上
(3-18)
(3-19)
在垂直面上
(3-20)
畫(huà)彎矩圖 見(jiàn)圖3－3
在水平面上，剖面左側(cè)
(3-21)
剖面右側(cè)
(3-21)
在垂直面上
(3-22)
合成彎矩，剖面左側(cè)
(3-23)
剖面右側(cè)
(3-24)
畫(huà)轉(zhuǎn)矩圖 見(jiàn)圖3－3
(3-25)
判斷危險(xiǎn)截面
截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T(mén)，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿(mǎn)足強(qiáng)度校核就行了。
軸的彎扭合成強(qiáng)度校核
許用彎曲應(yīng)力，，
截面左側(cè)
(3-26)
(3-27)
c.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)，
截面左側(cè)
(3-28)
查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應(yīng)力 ， (3-29)
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力 (3-30)
安全系數(shù) (3-31)
(3-32)
(3-33)
查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿(mǎn)足要求。
B.中間軸設(shè)計(jì)
此軸傳遞扭矩,轉(zhuǎn)速,傳遞功率為,則
（3-34）
安裝軸承部分軸徑最小,由于整個(gè)軸上零件較復(fù)雜,在兩軸承之間有車(chē)在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點(diǎn),這里取,軸承部分,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強(qiáng)度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。
圖3-4中間軸結(jié)構(gòu)圖
C. 主軸的設(shè)計(jì)
主軸是連接腰關(guān)節(jié)與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比較大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設(shè)計(jì)成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承30205。主軸材料選用型號(hào)為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。
3.4 確定齒輪的參數(shù)
3.4.1選擇材料
根據(jù)表7-1,選擇齒輪的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達(dá)229～286。
3.4.2 壓力角的選擇
由機(jī)械原理知識(shí)可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。此處，壓力角可取20°。
3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇
對(duì)軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng),其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān),即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿(mǎn)足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從而減小金屬的切削量,減少滑動(dòng)速度,減少磨損,提高抗膠合能力。軸上齒輪齒數(shù)取25,小齒輪齒數(shù)取100,軸上軸齒輪齒數(shù)取25,大齒輪齒數(shù)取300,模數(shù)m取2。
3.4.4齒寬系數(shù)
由強(qiáng)度公式可知,當(dāng)載荷一定時(shí),增大齒寬可以減小齒輪直徑,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時(shí)取齒寬系數(shù)為1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時(shí)取為0.5。根據(jù)公式 ,計(jì)算結(jié)果圓整為5的整數(shù)倍,作為大齒輪的齒寬,小齒輪齒寬取,以補(bǔ)償加工裝配誤差。
所以
軸上齒輪 與之嚙合的小齒輪齒寬
軸上的齒輪齒寬 ,與之嚙合的大齒輪齒寬
3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度
根據(jù)GB10095-1988規(guī)定,齒輪精度等級(jí)分為12級(jí),1級(jí)最高,12級(jí)最低,常用6～9級(jí)。根據(jù)表7-8 選用7級(jí)精度的齒輪。
表3-2 第一級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
表3-3 第二級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
3.4.6 齒輪的校核
已選定齒輪采用45鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火HRC56～62，齒輪精度用7級(jí)，軟齒表面粗糙度為，對(duì)于需校核的一對(duì)的齒輪，齒數(shù)分別為，，模數(shù)為2，傳動(dòng)比，扭矩T=16.76N·m。
a.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
。 （3-35）
式中：—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，用來(lái)考慮節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響，取=2.5；
—材料系數(shù)，單位為，查表7-5，取189.8；
—重合度系數(shù)，取=0.90；
—齒寬系數(shù)，取=1；
u—齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，u=12。
選擇材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為：
選擇齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N計(jì)算可得
×437.5×16×300×8=10.08× （3-36）
則 （3-37）
查得接觸疲勞壽命系數(shù)為
查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為
查得接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)，又為試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取2.0，試選1.3，
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
（3-38）
（3-39）
（3-40）
（3-41）
將有關(guān)值帶入公式（3-35）得：
=
=29.78mm
則
（3-42）
（3-43）
查圖得；查得，
查得，取，則 （3-44）
修正，mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以m=2mm符合要求。
c.計(jì)算幾何尺寸
， （3-45）
， （3-46）
d.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
查得，取
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（3-47）
（3-48）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
圖3-5 大齒輪結(jié)構(gòu)圖
圖3-6 小齒輪結(jié)構(gòu)圖
3.5 殼體設(shè)計(jì)
基座部分采用球墨鑄鐵材料,方形結(jié)構(gòu),壁厚在15mm左右。立柱采用鑄鋁,空心圓柱形狀,起固定軸承外圈的作用。其他部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定,這里不一一敘述,詳見(jiàn)圖紙。
4關(guān)節(jié)型機(jī)器人的位姿分析
關(guān)節(jié)型機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是依靠各關(guān)節(jié)坐標(biāo)值的改變來(lái)運(yùn)行的。例如以示教再現(xiàn)方式工作的機(jī)器人的關(guān)節(jié)在每個(gè)位置的轉(zhuǎn)角值是預(yù)先記錄好的。當(dāng)機(jī)器人末端手部執(zhí)行工作任務(wù)時(shí),控制器依次給出記錄好的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),使機(jī)器人末端手部按照預(yù)定的位置有序運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)給定位姿來(lái)完成工作。
4.1 機(jī)器人的位姿與運(yùn)動(dòng)的描述
從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)看,關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械本體實(shí)際上是一個(gè)由轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)關(guān)節(jié)連接起來(lái)的開(kāi)鏈?zhǔn)竭B桿系統(tǒng),每個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)決定著機(jī)器人的一個(gè)自由度。為了便于描述這些連桿的相互關(guān)系,在每一連桿關(guān)節(jié)上設(shè)立一個(gè)坐標(biāo)系,利用齊次變換就可以方便地描述這些坐標(biāo)系間的相對(duì)位置和姿態(tài)。由于在我的設(shè)計(jì)中只用了轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),所以只討論轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的情況。
描述一個(gè)連桿與下一個(gè)連桿間相對(duì)關(guān)系的齊次矩陣通常記為A 。A矩陣描述連桿坐標(biāo)系間相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。如果表示第一個(gè)連桿對(duì)于基系{0}的位置和姿態(tài)，表示第二個(gè)連桿相對(duì)于第一個(gè)連桿的位置和姿態(tài),那么第二個(gè)連桿在基系{0}的位置和姿態(tài)可由下列矩陣的乘積給出
=
一般T加相應(yīng)前置或后置上下標(biāo)的公式來(lái)表示兩個(gè)或兩個(gè)以上A矩陣的乘積。
同理,若表示第三個(gè)連桿相對(duì)于第二個(gè)連桿的位置和姿態(tài),則有
=
稱(chēng)這些A矩陣的乘積為T(mén)矩陣,其前置上標(biāo)若為0 (既以基坐標(biāo)系｛0｝為參照),則可略去不寫(xiě)。于是,一個(gè)6關(guān)節(jié)(6自由度)機(jī)器人從手部到基系｛0｝的總齊次變換矩陣T為
= (4-1)
可以將上述6關(guān)節(jié)系統(tǒng)擴(kuò)展為具有n個(gè)關(guān)節(jié)自由度的系統(tǒng),其桿件0,1,…,i,…,n(共n+1個(gè))通過(guò)關(guān)節(jié)1,2,…,i,…,n(共n個(gè))相連接。
n個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器人從手部到基系的總齊次變換矩陣T為
(4-2)
4.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換齊次矩陣
從最一般的情況來(lái)考慮,可以設(shè)想關(guān)節(jié)型機(jī)器人是由一系列具有空間彎曲軸線(xiàn)的桿件(即廣義連桿)連接在一起構(gòu)成的,而直線(xiàn)軸線(xiàn)的桿件只是廣義桿件的特例,廣義連桿的齊次矩陣只要經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化就可以直接用于各種特例情況。
對(duì)于一個(gè)n關(guān)節(jié)廣義連桿系統(tǒng),為了研究其任意兩個(gè)相鄰廣義連桿之間的齊次變換矩陣,可以取出任意桿件i-1與相鄰桿件i,以及與這兩個(gè)桿件相連的關(guān)節(jié)i-1,和i來(lái)研究其幾何關(guān)系。
首先建立連桿i-1和i的參考坐標(biāo)系,然后再確定兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位置和姿態(tài)關(guān)系。
圖4-1 廣義連桿變換的4個(gè)特征參數(shù)
如圖4-1所示,連桿i的參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于關(guān)節(jié)i-1和關(guān)節(jié)i兩軸的公共法線(xiàn)與關(guān)節(jié)i的交點(diǎn)上,參考坐標(biāo)系的軸就是關(guān)節(jié)i的軸線(xiàn), 軸沿關(guān)節(jié)i和關(guān)節(jié)i+1兩軸線(xiàn)的公共法線(xiàn),方向由關(guān)節(jié)i指向關(guān)節(jié)i+1。
類(lèi)似地，也可以定義出參考坐標(biāo)系和。
接下來(lái)，定義廣義連桿i-1的4個(gè)特征參數(shù)：①?gòu)V義連桿i-1兩端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸之間的公共法線(xiàn)距離為連桿的（法線(xiàn)）長(zhǎng)度；②在垂直于的平面內(nèi)兩端關(guān)節(jié)軸線(xiàn)投影的夾角為連桿i-1的扭角；③ i和i-1兩桿公共法線(xiàn)之間在軸上的相對(duì)位置差為連桿距離;④兩連桿法線(xiàn)長(zhǎng)度與的夾角(由方向繞軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)向方向)為連桿夾角。
類(lèi)似地，也可以定義連桿出廣義連桿i的四個(gè)特征參數(shù)。
使用坐標(biāo)變換的方法可以從其中一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換出另一個(gè)坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。為此，按照下列順序由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移來(lái)將連桿i-1的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到連桿i的坐標(biāo)系上。
a. 繞軸旋轉(zhuǎn)角,使軸轉(zhuǎn)到與軸同一直線(xiàn)上;
b. 沿軸平移一距離把移到與同一高度上;
c. 沿軸平移距離，把連桿的坐標(biāo)系原點(diǎn)移到上；
d. 繞軸旋轉(zhuǎn)角,使轉(zhuǎn)到與同一平面內(nèi)。
這種關(guān)系可由四個(gè)齊次變換矩陣來(lái)描述，此關(guān)系為
=
= （4-3）
式(4-3)即關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換齊次矩陣,利用適當(dāng)數(shù)量的該矩陣乘積,就可以描述具有任意復(fù)雜程度的連桿坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換。
例如，6連桿（基座為連桿0）關(guān)節(jié)型機(jī)器人的末端即為連桿6的坐標(biāo)系（手坐標(biāo)系）{6}，它與連桿i-1坐標(biāo)系{i-1}的變換關(guān)系可由表示為
=
而手部坐標(biāo)系{6}對(duì)基座坐標(biāo)系{0}的總變換關(guān)系（即）可以表示為
=
對(duì)于一個(gè)較復(fù)雜的連桿系統(tǒng)，采用所謂“有向變換圖”方法有助于列出正確的齊次變換方程表達(dá)式。例如，設(shè)6關(guān)節(jié)機(jī)器人基坐標(biāo)系{0}與絕對(duì)固定參考坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系由變換Z表示，機(jī)器人基坐標(biāo)系{0}與其端部的工具端坐標(biāo)系的關(guān)系由變換E表示，工具端坐標(biāo)系對(duì)絕對(duì)固定參考坐標(biāo)系的位姿可由總變換X表示，則相應(yīng)于該例的有向變換圖如圖4-2所示，總變換與其他局部變換采取相反箭頭形式。
利用有向變換圖4-2可以直接寫(xiě)出一個(gè)變換與其他變換之間的表達(dá)式關(guān)系。如欲求總變換X，就將X置于等號(hào)左邊，在等號(hào)右邊的其他變換為倒序連乘形式，即沿X箭頭反向環(huán)行，最先遇到的變換則最后相乘，反之亦然，而且凡與X箭頭方向相同者，均采取逆變換形式。因此總變換X的齊次變換方程表達(dá)式為
用同樣的規(guī)則，不難給出變換齊次變換方程表達(dá)式為
圖4-2 廣義有向變換圖
4.3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程
關(guān)節(jié)型機(jī)器人由6個(gè)連桿和6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成,手爪與連桿6固接,基座固定不動(dòng),每個(gè)關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度, 因此, 關(guān)節(jié)型機(jī)器人是6自由度的操作臂。
基座稱(chēng)為連桿0，不包含在這6個(gè)連桿之內(nèi)。連桿1與基座0由關(guān)節(jié)1相連接；連桿2與連桿1通過(guò)關(guān)節(jié)2相連接…
為了導(dǎo)出形式較簡(jiǎn)單的6關(guān)節(jié)型機(jī)器人末端手部位姿矩陣(即運(yùn)動(dòng)方程),各坐標(biāo)系方位的設(shè)置顯然是很重要的。為此，在設(shè)置坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)注意以下各點(diǎn):
a. 使關(guān)節(jié)型機(jī)器人處于初始位姿(即操作零位),由基座開(kāi)始先設(shè)立固定的基坐標(biāo)系{0},其軸的正向最好與重力加速度反向,原點(diǎn)在第1關(guān)節(jié)軸線(xiàn)上, 位于操作機(jī)工作空間的對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)；
b. 盡量使與同向，與在方向同“高” ，否則關(guān)節(jié)變量要加初始值；
c. 末端手部坐標(biāo)系的原點(diǎn)O最好選在“手” 心點(diǎn)上，其z軸的正向要指向（或背離）操作對(duì)象。
4.3.1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析
A. 連桿坐標(biāo)系和連桿參數(shù)
為了確定機(jī)器人各連桿之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,在各連桿上分別固接一個(gè)坐標(biāo)系。與基座固接的坐標(biāo)系記為{0}，與連桿i固接的坐標(biāo)系記為{i}，其軸即第i關(guān)節(jié)軸線(xiàn)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人和大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人一樣，后3 個(gè)關(guān)節(jié)軸線(xiàn)交于一點(diǎn)。該點(diǎn)作為連桿坐標(biāo)系{4}{5}{6}的原點(diǎn)。各連桿4個(gè)特征參數(shù)定義如下：
a.為從到沿測(cè)量的距離；
b.為從到繞旋轉(zhuǎn)的角度；
c.為從到沿測(cè)量的距離；
d.為從到繞旋轉(zhuǎn)的角度。
其中，代表連桿i-1的長(zhǎng)度，因此規(guī)定≥0，其他參數(shù)、和的值可正、可負(fù)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人關(guān)節(jié)1的軸線(xiàn)為鉛直方向，關(guān)節(jié)2和3的軸線(xiàn)水平且平行，距離為，關(guān)節(jié)1和2的軸線(xiàn)垂直相交，關(guān)節(jié)3和4的軸線(xiàn)垂直交錯(cuò)，距離為。
B.連桿變換矩陣的齊次矩陣式和表所示連桿參數(shù)，可求得各連桿變換矩陣如下。
(4-4)
在中，的位置應(yīng)該是{1}系位置矢量元素的位置；同理，中的位置也是。
各連桿變換矩陣相乘，得機(jī)器人的總變換矩陣為
（4-5）
式（4-5）表明，總變換矩陣顯然是關(guān)節(jié)變量，，…的函數(shù)。要解出這些關(guān)節(jié)變量，還需運(yùn)用變換矩陣連乘方法，先計(jì)算下面一些中間變換矩陣及其元素的具體結(jié)果。
（4-6）
（4-7）
式中， ，，，，，分別表示，，，，，。
（4-8）
式中—cos（）=
—s i n（）=
再將式（2-40）與式（2-41）相乘，可得
(4-9)
其中，表示，其余類(lèi)推。
于是，可求得機(jī)器人的總變換矩陣為
（4-10）
式（4-10）所表示的關(guān)節(jié)型機(jī)器人總變換矩陣，即位姿運(yùn)動(dòng)方程描述了末端連桿坐標(biāo)系{6}相對(duì)于基坐標(biāo)系{0}的位姿，是對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和綜合的基礎(chǔ)。而且所采用的分析方法對(duì)于所有關(guān)節(jié)型機(jī)器人都是適用的。
4.3.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)反解
運(yùn)動(dòng)反解是討論上述位姿運(yùn)動(dòng)方程的反向問(wèn)題，即求由手坐標(biāo)系的笛卡兒空間到關(guān)節(jié)空間（即所有關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角）的逆變換，以求解諸關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。采用代數(shù)法反解，先將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程寫(xiě)為
= (4-11)
若末端連桿的位姿矢量已經(jīng)給定，即n，o，a和p為已知，則可反向求出各關(guān)節(jié)變量，，…，的值。為此，可用相應(yīng)的逆變換矩陣左乘式兩邊，以將指定的關(guān)節(jié)變量分離出來(lái)，從而求解，具體步驟如下。
a.求
可用逆變換（）左乘式(4-11)兩邊，得
(4-12)
利用式，可以求出逆矩陣，從而可將上式改寫(xiě)為
(4-13)
令矩陣方程式兩端的元素對(duì)應(yīng)相等，可得
(4-14)
利用三角代換
和
得
代入式（4-14）中，得的解為
（4-15）
式（4-15）中第二項(xiàng)的正負(fù)號(hào)因子表明，有兩個(gè)解。
b.求
在選定的一個(gè)解之后，再令矩陣方程式（4-13）兩端的元素（1，4）和（3，4）分別對(duì)應(yīng)相等，得兩方程為
（4-16）
式（4-14）與式（4-16）的平方和為
（4-17）
（4-18）
式（4-17）中已經(jīng)消去,且式(4-17)與式(4-14)具有相同形式,因而可由三角代換求解出為
(4-19)
式(4-19)中的正、負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)的兩種可能解。
c.求
為求解，在矩陣方程式（4-11）兩邊左乘逆變換，即有
（4-20）
或
（4-21）
上式等號(hào)右邊的變換由式（4-7）給出。
令矩陣方程式（4-21）兩邊的元素（1，4）和（2，4）分別對(duì)應(yīng)相等，可得
（4-22）
聯(lián)立求解得和，即
和表達(dá)式的分母相等，且為正，于是
= （4-23）
根據(jù)和解的四種可能組合，由式（4-23）可以得到相應(yīng)的四種可能值，于是可得到的四種可能解
=
（4-24）
其中，
d.求
因?yàn)槭剑?-21）的左邊均為已知，令兩邊元素（1，3）和（3，3）分別對(duì)應(yīng)相等，則
（4-25）
只要≠0，亦即≠0或180 o，便可求出來(lái)。將上二式兩邊同除以
（4-26）
但當(dāng)時(shí)，有，這時(shí)即與軸重合，與的轉(zhuǎn)動(dòng)效果相同，所以這時(shí)可任取，再算出相應(yīng)的。
e.求
根據(jù)求出的，可進(jìn)一步解出，將式（4-11）兩端左乘逆變換，即得
（4-27）
因式，，和均已解出，則逆變換為
=
此外，方程式（4-27）的右邊，也可由式（4-4）
給出。令式（4-27）兩邊矩陣中的元素（1，3）和（3，3）分別對(duì)應(yīng)相等，可得
（4-28）
由此可得的封閉解
（4-29）
f. 求
將（4-11）改寫(xiě)為
（4-30）
令矩陣方程（4-30）兩邊元素（3，1）和（1，1）分別對(duì)應(yīng)相等，可得
從而可以求出的封閉解
= （4-31）
綜上所述，再考慮到等于0，或不等于0的兩種情況，6自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人對(duì)于同一手部位姿可能存在8種關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角組合。
至此，已求出了全部的關(guān)節(jié)變量，即求得位姿矩陣的逆解?？梢钥闯?，只有,,三式中有，和,故它們確定了手部坐標(biāo)系原點(diǎn)的空間位置。,,三式中有，和,所以它們確定了手部坐標(biāo)系的姿態(tài)（方位）。由此可以得出：當(dāng)6關(guān)節(jié)機(jī)器人后3關(guān)節(jié)軸線(xiàn)交于一點(diǎn)時(shí)，前、后3個(gè)關(guān)節(jié)具有不同的功用。前3關(guān)節(jié)連同它的桿件，稱(chēng)作位置機(jī)構(gòu)；后3關(guān)節(jié)連同它的桿件，稱(chēng)作姿態(tài)機(jī)構(gòu)。
5 結(jié)論
我國(guó)機(jī)器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的快速發(fā)展、社會(huì)需求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，焊接機(jī)器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動(dòng)裝焊接機(jī)器人發(fā)展的直接動(dòng)力。關(guān)節(jié)型機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的焊接作業(yè)中大顯了身手。本課題正是在這種背景下提出來(lái)的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。本文主要完成了如下工作:
a.進(jìn)行了機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及腰關(guān)節(jié)的詳細(xì)設(shè)計(jì)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人應(yīng)該具有外形簡(jiǎn)單、傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為此機(jī)器人設(shè)計(jì)成具有六自由度的結(jié)構(gòu)，由機(jī)身、大臂、小臂、腕部組成。六個(gè)自由度均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)均選直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第一個(gè)關(guān)節(jié)采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)，這種傳動(dòng)方式具有精度高、定位安裝方便等優(yōu)點(diǎn);其他五個(gè)關(guān)節(jié)都采用了錐齒輪與直齒輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，充分利用了大臂和小臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊。
b.對(duì)機(jī)器人位姿問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析
運(yùn)用D-H方法建立了桿件坐標(biāo)系，完成了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的推導(dǎo)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解的求取。
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附 錄
序號(hào) 圖名 圖號(hào) 紙張
1 總體尺寸圖
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