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連桿加工搬運機械手
The manipulator for porterage processes pole
專 業(yè)：
學 生：
指導教師：
中文摘要
本次設(shè)計的連桿搬運機械手共有4個自由度，分別為x,y方向的水平移動、z方向的垂直移動和轉(zhuǎn)動。實現(xiàn)了從工作臺上快速抓取連桿并將連桿傳送到下一個工作臺的過程。使工人擺脫了以往繁重和危險的手工操作勞動，極大的提高了勞動生產(chǎn)率。
該機械手的驅(qū)動方式為氣動與電動相結(jié)合，采用了行程可調(diào)的汽缸，和新型的交流伺服電機以及大傳動比的減速器。設(shè)備定期維護和保養(yǎng)，以確保潤滑和運行情況良好。
關(guān)鍵詞：機械手 鉸鏈 自由度 氣缸
ABSTRACT
The manipulator of pole parts taking out have four degree of freedom.Respectively X、Yof direction horizontal movement,vertical movement of Z direction.And the swing of the sucking disk shelf,have realized that picks the products from the moulding plastic machine,and transmit the products to the course of the next production process.That makes worker to improve work productivity greatly and get off from heavy and dangerous handcraft.
This manipulator’s drive way is combine together with tneumatically and electronic,utilize a cylinder, a new type of AC servomotor and a decelerating machine which has a wide decelerate ratio are used,
And what’s more, the machine must be maintained after a few weeks or months in order to make it in good lubrication and work in a normal condition .
KEY WORDS：Manipulator, Pintle, Freedom degree, Air cylinder
目 錄
第一章 機器人概述 1
1.1 工業(yè)機器人的定義、分類和應用 1
1.1.1 工業(yè)機器人的定義 1
1.1.2 機器人系統(tǒng)工作原理 1
1.1.3 機器人的分類 2
1.2 工業(yè)機器人的分類 4
1.3 機器人的分類 6
第二章 機器人的總體和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 8
2.1 機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù) 8
2.1.1 機器人的基本組成 8
2.1.2 機器人技術(shù)參數(shù) 9
2.2 機器人的總體設(shè)計 11
2．2．1 系統(tǒng)分析 11
2．2．2 技術(shù)設(shè)計 11
2. 2．3 仿真分析 14
2.3 機器人機械系統(tǒng)設(shè)計方法 15
第三章 連桿搬運機械手的方案設(shè)計 19
3.1 參數(shù) 19
3.2 驅(qū)動方式的選擇 19
3.3 系統(tǒng)減速部分的選擇 23
第四章 主要零部件的計算 28
4.1 確定總體尺寸 28
4.2確定氣缸型號 28
4.3確定電機和減速器的型號 29
參考文獻 30
致 謝 31
- ii -
- 33 -
濟南大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第一章 機器人概述
第一章 機器人概述
1.1 工業(yè)機器人的定義、分類和應用
1.1.1 工業(yè)機器人的定義
機器人雖然已經(jīng)被廣泛應用，而且越來越受到人們的重視，然而機器人確實還沒有一個統(tǒng)一的嚴格準確的定義。不同的國家不同的學者給出的定義不盡相同，雖然基本原則一致，但歐美國家的定義限定多一些，日本給出的定義寬松一些，這樣就使得可稱為機器人的范圍大小不同，以至于在統(tǒng)計機器人的數(shù)量時，由于定義限定的差異，各種統(tǒng)計數(shù)字會有很大出入，所以，經(jīng)常要待說明。
一般地說，我們可以定義機器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人進行工作的機器。
1.1.2 機器人系統(tǒng)工作原理
依據(jù)上面的定義，機器人至少應具備兩部分：控制部分和直接進行工作的部分。比如應用最廣泛的弧焊機器人，具有控制系統(tǒng)和帶動焊槍運動的機械臀部分?？刂葡到y(tǒng)通過編程的方式，決定直接工作的機械手臂部分的運動和動作。由于是程序控制的，所以比較容易改變工作方式和任務，因此．機器人是一種具有“柔性”的機器。機器人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一樣運動，能在地上行走或者在水中游。高級一點的機器人可以通過傳感器了解外部環(huán)境或者“身體內(nèi)在的”狀態(tài)與變化，甚至可以做出自己的邏輯推理、判斷與決策，也就是所謂的機器人的智能行為。
機器人發(fā)揮作用必須在一個作業(yè)系統(tǒng)之中，機器人作為系統(tǒng)的一部分，才能發(fā)揮它的作用。由于各種不同類型的機器人不斷涌現(xiàn)，它們發(fā)揮作用的形式和組成的系統(tǒng)也在不斷變化。工業(yè)機器人作為制造系統(tǒng)的—部分發(fā)揮作用是最典型的。比如焊接機器人，它在工作時，至少需要一個工作臺，將工件裝卡在上面，并運送到機器人焊接的合適位置。這樣，組成了一個簡單的機器人焊接系統(tǒng)，稱為機器人焊接工作站。如果機器人組成一個焊接生產(chǎn)線，則這個系統(tǒng)就變得更為復雜： 一個機器人系統(tǒng)一般由機械手(執(zhí)行機構(gòu))、控制器、象和環(huán)境四部分組成。
執(zhí)行機構(gòu)一般是一臺機械手，有些文獻中稱為操作器或操作手。多數(shù)機械手是具有六個自由度的關(guān)節(jié)式機械結(jié)構(gòu)。其中三個自由度用來引導末端執(zhí)行器至所需位置，另外三個自由度用來確定末端執(zhí)行裝置的方向。機械臂上的末端執(zhí)行裝置根據(jù)操作需要也可以換成焊槍、吸盤、扳手等其他工具。
環(huán)境是指機器人在執(zhí)行任務時所能達到的幾何空間，而且包含了該空間中每個事物的全部自然特性所決定的條件。在它的工作環(huán)境中，機器人會得到為完成任務所需的支持，如自動生產(chǎn)線會為生產(chǎn)線上的機器人運送工件、材料等；在運動的空間里，機器人要設(shè)計好合理的運動路線。同時，在它的工作環(huán)境中．也會遇到一些障礙物和其他事件，機器人必須避免與這些障礙發(fā)生碰撞．并妥善處理好環(huán)境中發(fā)生的各種可能的事件。環(huán)境信息一般為已知的，這種環(huán)境稱為結(jié)構(gòu)環(huán)境，但在許多情況下．環(huán)境具有未知的和不確定性質(zhì)，這種環(huán)境就稱為1F結(jié)構(gòu)環(huán)境。
控制器是機器人系統(tǒng)的指揮中樞，并巳負責信息處理和與人交互。它接受來自傳感器的信號，對其進行數(shù)據(jù)處理，并按照預存的信息、機器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制信號去驅(qū)動機器人執(zhí)行機構(gòu)的各個關(guān)節(jié)，以完成特定的動作。為此，控制器內(nèi)必須具有保證它實現(xiàn)其功能所必需的算法與信息。機器系統(tǒng)的復雜程度不同，能執(zhí)行的任務不同，控制器內(nèi)所存放的軟件也不同。
1.1.3 機器人的分類
機器人可以根據(jù)不同的標準分成很多類型。應用于不同領(lǐng)域的機器人不僅在用途土，而且在結(jié)構(gòu)和性能上會有很大的不同。因此，披機器人的應用領(lǐng)域形成了不同類型的機器人。機器人首先在制造業(yè)大規(guī)模應用，所以，機器人曾被簡單地分為兩類，即用于汽車等制造業(yè)的機器人稱為工業(yè)機器人．其他的機器人稱為特種機器人。隨著機器人應用的日益廣泛，這種分類就顯得過于粗糙?，F(xiàn)在除工業(yè)機器人之外．還有服務機器人、水下機器人、空間機器人等等。
(1)工業(yè)機器人
其實工業(yè)機器人也是一類機器人的總稱。依據(jù)具體應用的不同．又常常以其主要用途命名。到現(xiàn)在為止應用最多的是焊接機器人，包括點焊(電阻焊)和電弧焊機器人，用途是實現(xiàn)自動的焊接作業(yè)；裝配機器人，比較多地用于電于部件電器的裝配；噴漆機器人，代替人進行噴漆作業(yè)：搬運、土下料、碼垛機器人，它們的功能都是根據(jù)一定的速度和桔度要求，將物品從一處運到另一處；另外還可以列出很多，如將金屬溶液撓到壓鑄機中的饒鑄機器人等等，應該說，并不是只有機器人可以完成這些工作，很多工作都可以用專門的機器完成c機器人的優(yōu)點在于它可以通過程序的更改，方便迅速地改變工作內(nèi)容或方式，來滿足生產(chǎn)要求的變化。比如，改變焊縫軌跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等等。所以隨著對工業(yè)生產(chǎn)線的柔性要求越來越強，對各種機器人的需求也就越來越強烈。
(2)服務機器人
隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人的應用領(lǐng)域越來越廣泛．已不再局限于傳統(tǒng)的制造業(yè)。出現(xiàn)了一個新的集合，被稱為服務機器人。我們說服務機器人是一類機器人的集合，是因為到現(xiàn)在為止，國際上對它還沒有一個明確的定義。它所包括的內(nèi)容也比較寬，比較雜。一般說來，服務機器人是一種以自主或半自主方式運行，能為人類生活康復提供服務的機器人，或者是能對設(shè)備運行進行維護的一類機器人。目前，在非制造業(yè)的機器人也被看做是服務機器人，服務機器人往往是可以移動的，在多數(shù)情況下，服務機器人由一個移動平臺構(gòu)成，在平臺上面裝有一只或幾只手臂，代替或協(xié)助人完成為人類提供服務和安全保障的各種工作，如清潔、護理、娛樂和執(zhí)勤等等。
(3)水下機器人
水下機器人也稱水下無人探測器，代替人在水下這一危險的環(huán)境中作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘，已有很長的歷史。人類已可以利用深海潛水器具潛入深海。然而，由于危險很大，而且費用極高，所以人類尋找代替人親自冒險的技術(shù)，水下機器人變成了人們十分關(guān)注的發(fā)展方向。
(4)空間機器人
機器人技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，很自然地人們就希望它到天上去為人工作．于是產(chǎn)生了空間機器人。空間機器人是指在大氣層內(nèi)和大氣層外從事各種作業(yè)的機器人，包括在內(nèi)層空間飛行井進行觀測可完成多種作業(yè)的飛行機器人，到外層空間其他星球上進行探測作業(yè)的星球探測機器人和在各種航天器里使用的機器人。
另一方面，從技術(shù)進步的角度，機器人權(quán)分為不同的類型。到現(xiàn)在為止，人們把機器人研究的最高目標定為智能機器人。由此，可以將機器人分為三代。
第一代機器人是“示教再現(xiàn)”型。所謂示教，即由人“教”機器人運動的軌跡、停留點位、停留時間等等。然后，機器人依照教給的行為、順序和速度重復運動，即所謂的“再現(xiàn)”。示教可以由操作員“手把手”地進行，比如，操作人員抓住機器人上的噴槍，把噴漆時要走的位置定一速．機器人記住了這一連串運動，工作時，自動重復這些運動，從而完成給定位置的噴漆工作。這種方式是“手把手示教’。但是，比較普遍的示教方式是通過控制面板。操作人員利用控制面板上的開關(guān)或銀盤來控制機器人一步一步地運動，機器人自動記錄下每一步，然后重復。目前在工業(yè)現(xiàn)場應用的機器人還大多屬于這一代。
第二代機器人帶有一定的能對環(huán)境感知的裝置，通過反饋控制，使機器人能在一定程度上適應變化的環(huán)境。這樣的技術(shù)，現(xiàn)在正越來越多地應用在機器人上。比如焊縫跟蹤技術(shù)。機器人焊接的過程一般是通過示教方式結(jié)出機器人的運動曲線，機器人攜帶焊槍走這個曲線，進行焊接。這就要求工件的一致性很好，也就是說工件被焊接的位置必須十分準確。否則，機器人走的曲線和工件上的實際焊縫位置會有偏差。焊縫跟蹤技術(shù)是在機器人上加一個傳感器，通過傳感器感知焊縫的位置，再通過反饋控制，機器人會自動跟蹤焊縫，從而對示教的位置進行修正，即使實際焊縫相對于原始設(shè)定的位置有變化，機器人仍然可以很好地完成焊接工作。
第三代機器人具有發(fā)現(xiàn)問題，并且能自主地解決問題的能力，也就是說具有一定的智能。這一類機器人也被稱為自治機器人。這類機器人帶有多種傳感器，使機器人可以知道其自身的狀態(tài)，比如在什么位置，自身的系統(tǒng)是否有故障等等。而且可以通過裝在機器人身上或者在工作環(huán)境中的傳感器感知外部的狀態(tài)，比如發(fā)現(xiàn)道路與危險地段，測出與協(xié)作機器的相對位置與距離、相互作用的力等等。機器人能夠根據(jù)得到的這些信息．進行邏輯推理，判斷決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與變化的外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。這類機器人具有高度的適應性和自治能力。這是人們努力使機器人達到的目標，科學家多年來一直在不懈地研究，出現(xiàn)了很多各具特點的試驗裝置和大量新方法、新思想，但是，在已應用的機器人中，機器人的自適應技術(shù)還是十分有限的，還是發(fā)展的目標。
1.2 工業(yè)機器人的分類
關(guān)于機器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應用領(lǐng)域分。一般的分類方式見表：
分類名稱
簡要解釋
操作型機器人
能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。
程控型機器人
按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。
示教再現(xiàn)型機器人
通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業(yè)。
數(shù)控型機器人
不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。
感覺控制型機器人
利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。
適應控制型機器人
機器人能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行動。
學習控制型機器人
機器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經(jīng)驗用于工作中。
智能機器人
以人工智能決定其行動的機器人。
表1-1機器人的分類方式
我國的機器人專家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學者，從應用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。
工業(yè)機器人，按其結(jié)構(gòu)形式分為球坐標式、圓柱坐標式、關(guān)節(jié)式和水平關(guān)節(jié)式。如下圖。
1.3 機器人的分類
按不同的分類力式，機器人可以分為不同的類型．下面給出幾種常用的分類方法：
1.按技術(shù)特征來劃分，機器人可以分為第一代機器人、第二代機器人和第三代機器人．第一代機器人是以順序授制和示教再現(xiàn)為基本控制方式的機器人，即機器人按照預先設(shè)定的信息，或根據(jù)操作人員示范的動作來完成規(guī)定的作業(yè)．第二代機器人是有感覺的機器人．第三代機器人是智能機器人(如前所述)．
2．按控制類型來劃分，可以分為以下幾種：
(1)伺服控制機器人采用伺服手段，包括仰置、力等伺服方法進行控制的機器人．
(2)非伺服控制機器人．采用伺服以外的手段，如順序控制、定位開關(guān)控制等進行控制的機器人．
(3)PTP控制機器人．只對手部末端的起點和終點位置有要求，而對起點和終點的中間過程無要求的控制方式，如點焊機器人就是典型的PTP控制機器人．
(4)cP控制機器人．除了對起點和終點的要求以外，還對運動軌跡的中間各點有要求的控制方式，如弧焊機器人就是典型的cP控制機器人‘
3．按機械結(jié)構(gòu)來劃分，可以分為直角坐標型機器人，圓枝坐標型機器人，極坐標型機器人，關(guān)節(jié)型機器人，SCARA型機器人以及移動機器人。
4．按用途來劃分，可以分為工業(yè)機器人(包括搬運機器人、焊接機器人、噴漆機器人、裝配機器人等等)，農(nóng)業(yè)機器人，醫(yī)療機器人，海洋機器人，軍用機器人，太空機器人，管道機器人，娛樂機器人等等．通常我們所研究的是工業(yè)機器人，因而有人把除工業(yè)機器人以外的所有機器人通稱為特種機器人．
5．按機器人的負載能力來劃分，可以分為；
(1)巨型機器人，通常作業(yè)負載在1000kg以上．
(2)大型機器人，通常的作業(yè)貝載在100一1000kg之間
(3)中型機器人，作業(yè)負載在10一100kg之間．
(4)小型機器人，其負載能力為0.1—10kg之間．
(5)微型機器人，負載能力在0.1kg以下的機器人．
6．披執(zhí)行機構(gòu)的動力方式來劃分，可以把機器人分為電動機器人、液壓機器人、氣動機器人等等．
當然，機器人的分類還有其他方式，如按自由度數(shù)量劃分等，在此不作詳細敘述。
濟南大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第二章 機器人的總體和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
第二章 機器人的總體和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
機器人設(shè)計包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，檢測傳感系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計等，是機械、電子、檢測、控制和計算機技術(shù)的綜合應用．為了明確機器人的設(shè)計任務和過程，我們有必要先對機器人的組成和技術(shù)參數(shù)進行介紹．
2.1 機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)
2.1.1 機器人的基本組成
機器人由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成．這三大部分可分成驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)．
1.驅(qū)動系統(tǒng)
要使機器人運行起來，需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝囂，這就是驅(qū)動系統(tǒng)．
2．機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機身、手臂、末端操作器三大件組成．每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)．若機身具各行走機構(gòu)便構(gòu)成行走機器人—若機身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu)，則構(gòu)成單機器人臀(single robot arm)．手臂一般由上臂、下臂和手腕組成．末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊槍等作業(yè)工具．
3．感受系統(tǒng)
它由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感5E模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息．智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準．人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的、然而，對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。
4．機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)
機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)．機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等．當然，也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成為—個去執(zhí)行復雜任務的功能單元．
5．人一機交互系統(tǒng)
人一機交互系統(tǒng)是人與機器人進行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置．例如，計算機的標準終端、指令控制臺、信息顯示板、危險情號報警器等．歸納起來為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置．
6．控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能．如果機器人不具備信息反饋特征．則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)．根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)，適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)．根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。
2.1.2 機器人技術(shù)參數(shù)
1．自由度
自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不包括手爪(末端操作器)的開合自由度．在三維空間中描述——個物體的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)需要六個自由度．但是，機器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計的，可能少于六個自由度，也可能多于六個自由度．例如．A4020型裝配機器人具有四個自由度，可以在印刷電路板上接插電子器件；PuMA562型機器人具有六個自由度，如圖2—2所示，可以進行復雜空間曲面的弧焊作業(yè)．從運動學的觀點看，在完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人，就叫作冗余自由度機器人，亦可簡稱冗余度機器人．例如PuMA562機器人去執(zhí)行印刷電路板上接插電子器件的作業(yè)時，就成為冗余度機器人．利用冗余的自由度可以增加機器人的靈活性、躲避障礙物和改善動力性能．人的手臀(大臀，小臀，手腕)共有七個自由度，所以工作起來很靈巧，手部可回避障礙物從不同方向到達同一個目的點．
大多數(shù)機器人從總體上看是個開鏈機構(gòu)，但其中可能包含有局部閉環(huán)結(jié)構(gòu)．閉環(huán)機構(gòu)可提高剛性，但限制了關(guān)節(jié)的活動范圍，因而會使工作空間減?。?
Stewart機構(gòu)是典型的并聯(lián)機器人。末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)可由6個直線油缸的行程長度所決定，油缸的——端與基座通過二自由度的萬向連抽節(jié)(鉸鏈)相連，另一端(連桿)由三自由度的球一套關(guān)節(jié)(球面副)與末端執(zhí)行器相連．這種機器人特手臀的三個自由度和手腕的三個自由度集成在一起，具有閉環(huán)機構(gòu)的共同特點：剛度庇，但連桿的運動范圍十分有限．特別有趣的是，Stewart機構(gòu)運動學反解特別簡單．而運動方程的建立十分復雜，有時還不具備封閉的形式閉環(huán)機構(gòu)的自由度不如開鏈機構(gòu)明顯．機構(gòu)的自由度可按照下述公式計算：
F
式中，l為連桿數(shù)，包括基座；n為關(guān)節(jié)總數(shù)；f為第i個關(guān)節(jié)的自由度數(shù)．對于平面機構(gòu)(自由物體是三個自由度)，Grubler公式中等號右邊第一項的6改為3．Stewart機構(gòu)有18個關(guān)節(jié)(6個萬向接頭(鉸鏈)，6個球一套關(guān)節(jié)，6個移動關(guān)節(jié))，14個連桿(每個油缸為兩連桿，一個末端是執(zhí)行器，另一個是基座)，18個關(guān)節(jié)共有三十六個自內(nèi)度．根據(jù)GNNef公式，可知Stewart機構(gòu)共有六個自由度。
2．定位精度和重復定位幅度
機器人精度是指定價精度和重復定位精度．定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異．重復定位精度是指機器人重復定位其于部于同一日標位置的能力，可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示．它是衡量一系列誤差值的密集度，即重復度．
(a)重復定位精度的測定；
(b)合理定位精度，良好重復定位精度
(c)良好定位精度．很差重復定位精度
(d)很差定位精度，良好重復定位精度
3．工作范圍
工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。因為末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域．工作范圍的形狀和大小是十分重要的．機器人在執(zhí)行某一作業(yè)時，可能會因為存在手部不能到達的作業(yè)死區(qū)(Dead zone)而不能完成任務。
4最大工作速度
通常指機器人手臂末端的最大速度．提高速度可提高工作效率，因此提高機器人的加速減速能力，保證機器人加速減速過程的平穩(wěn)性是非常重要的．
5．承載能力
承載能力是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量．機器人的載荷不僅取決于負載的質(zhì)量，而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見，承載能力是指高速運行時的承載能力．通常，承載能力不僅要考慮負載，而且還要考慮機器人末端操作器的質(zhì)量．
2.2 機器人的總體設(shè)計
機器人總體設(shè)計的主要內(nèi)容有：確定基本參數(shù)，選擇運動方式，手臂配置形式，位置檢測，驅(qū)動和控制方式等．在結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，對各部件的強度、剛度做必要的驗算．機器人總體設(shè)計步驟分以下幾個部分．
2．2．1 系統(tǒng)分析
機器人是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、提高勞動生產(chǎn)牢的一種有力工具．若要使一個生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，需要對各種機械化、自動化裝置進行綜合的技術(shù)和經(jīng)濟分析，確定使用機器人或機械手是否合適．一旦確定使用機器人或機械手，設(shè)計人員…般要先做如下工作：
(1)根據(jù)機器人的使用場合，明確采用機器人的目的和任務．
(2)分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括機器人與已有設(shè)備的兼容性．
(3)認真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機器人的基本功能和方案．如機器人的自由度數(shù)、信息的存儲容量、計算機功能、動作速度、定位精度、抓取重量、容許的空間結(jié)構(gòu)尺寸以及溫度、振動等環(huán)境條件的適用性等．進一步通過對鎮(zhèn)抓取、投運釣體的重量、形狀、尺寸及生產(chǎn)批量等情況，來確定手部形式及抓取工件的部位和握力。
(4)進行必要的調(diào)查研究，搜集國內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料，進行綜合分析，找出借鑒處和需要注意的問題．
2．2．2 技術(shù)設(shè)計
1．機器人基本參數(shù)的確定
在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，具體確定臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、運動速度及定位高度等基本多數(shù)。
(1)臂力的確定
目前使用的機器人與機械手的臂力范圍較大．對專用機械手來說，臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量來定，其安全系數(shù)一般可在1．5—3．o范圍內(nèi)選?。畬τ诠I(yè)機器人來說，貿(mào)力要根據(jù)被抓取、搬運物體的重量變化范圍來定．
(2)工作范圍的確定
機器人或機械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定．一個操作運動的軌跡往往是幾個動作合成的．在確定工作范圍時，可待運動軌跡分解成單個動作，由單個動作的行程確定機器人或機械手的最大行程．為便于調(diào)整．可適當加大行程數(shù)值．各個動作的最大行程確定之后，機器人或機械手的工作范圍也就定下來了．
(3)確定運動速度
機器人或機械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度．如一個機器人或機械手要完成某一工件的上料過程，需完成夾緊工件，手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)等 系列動作，這些動作都應該在工作節(jié)拍所規(guī)定的時間內(nèi)完成至于各動作的時間究競應如何分配，則取決于很多因素，不是—般的計算所能確定的．要根據(jù)各種因素反復考慮，并試作各動作的分配方案，進行比較平衡后，才能確定．節(jié)拍較短時，更需仔細考慮．機器人或機械手的總動作時間應小于或等于工作節(jié)拍．如果兩個動作同時進行，要按時間較長的計算．一旦確定了最大行程和動作時間，其運動速度也就確定下來了．
分配各動作時間應考慮以下要求：
1給定的運動時間應大于電氣、液(氣)壓元件的執(zhí)行時間．
2伸縮運動的速度要大于回轉(zhuǎn)運動的速度．因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一船大于伸縮運動的慣性．機器人或機械手升降、回轉(zhuǎn)及伸縮運動的時間分配要根據(jù)實際情況進行分配—如果工作節(jié)拍短，上述運動所分配的時間就短，運動速度就一定要提高．但速度不能太高，否
則會給設(shè)計、制造帶來困難．在滿足工作節(jié)拍要求的條件下，應盡量選取較低的運動速度．機器人或機械手的運動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應根據(jù)具體情況加以確定．
3在工作節(jié)拍短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行措施，以保證動作的同步．
(4)定位精度的確定
機器人或機械手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機器人或機械手本身所能達到的定位精度，取決于定位方式、運動速度、控制方式、臀部剛度、驅(qū)動方式、緩沖方法等因素．工藝過程的不同，對機器人或機械手重復定位精度的要求也不同．不同工藝過程所要求的定位精度一般如下：
金屬切削機床上下料
沖床上下料
點焊
模鍛
噴涂
裝配、檢測
當機器人或機械手達到所要求的定位精度有困難時，可采用輔助工夾具協(xié)助定位的辦法，即機器人或機械手把被抓取物體送到工、夾具進行粗定位，然后利用工、夾具的夾緊動作實現(xiàn)工件的最后定位．這種辦法既能保證工藝要求，又可降低機器人或機械手的定位要求．
2．機器人運動形式的選擇
根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)．常見機器人的運動形式有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關(guān)節(jié)型和scARA型．同—種運動形式為適應不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不向的結(jié)構(gòu)．具體選用哪種形式，必須根據(jù)工藝要求、工作現(xiàn)場、位置以及搬運前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較。擇優(yōu)選?。疄榱藵M足特定工藝要求，專用的機械手一般只要求有二個或三個自由度，而通用機器人必須具有四至六個自由度，才能滿足不同產(chǎn)品的不同工藝要求．所選擇的運動形式，在滿足需要的情況下，應以使自由度最少、結(jié)構(gòu)最簡單為準．
(1)直角坐標式機器人
這種機器人的外形輪廓與數(shù)控幢銑床或三坐標測量機相似，如圖2—7所示．3個關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，相當于笛卡爾坐標系的‘小和z軸．它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測作業(yè)．這種形式的主要特點是：
1.結(jié)構(gòu)簡單，直觀，剛度高．多做成大型龍門式或框架式機器人．
2.3個關(guān)節(jié)的運動相互獨立，沒有精合，不影響手爪的姿態(tài)．運動學求解簡單，不產(chǎn)生奇異狀態(tài)．采用直線波動導軌后，速度和定位精度高—
3.工件的裝卸、夾具的安裝等受到立柱、楊梁等構(gòu)件的限制．
4.占地面積大，動作范圍小．
5.容易編程和控制，控制方式與數(shù)控機床類似．
(2)圓柱坐標式機器人
圓柱坐標式機器人如圖2—8所示，是以口，2和f為參數(shù)構(gòu)成坐標系．手腕參考點P的位置可表示為尸＝八d，z，，)．其中／是手臂的徑向長度，6是手臂繞水平袖的角位移億是在垂直軸上的高度．如果r不變，手臂的運動將形成一個圓往表面．空間定位比較直觀．手臀收回后，其后端可能與工作空間內(nèi)的其他物體相碰．移動關(guān)節(jié)不易防護．
(3)球(權(quán))坐標式機器人
球坐標式機器人如圖2—9所示．腕部參考點運動所形成的最大軌跡表面是半徑為略的球面的一部分，以口fP，?為坐標，任意點戶可表示為嚴＝／(口，P，f)．這類機器人占地面積小，工作空間較大，移動關(guān)節(jié)不易防護
(4)SCARA機器人
SCARA機器人有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進行定位和定向．另一個關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)，用于完成末端件垂直于平面的運動．手腕參考點的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移田rR和移動關(guān)節(jié)的位移?決定的，即P＝f()，這類機器人結(jié)構(gòu)輕便、響應快．例如Adeptl型scARA機器人的運動速度可達10 m／s，比一般關(guān)節(jié)式機器人快數(shù)倍．它最適用于平面定位，而在垂直方向進行裝配的作業(yè)．
(5)關(guān)節(jié)式機器人
這類機器人由2個肩關(guān)節(jié)和I個肘關(guān)節(jié)進行定位，由2個或3個碗關(guān)節(jié)進行定向．其中，一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰．這兩個肩關(guān)節(jié)軸線正交．肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線．如圖2—11所示．這種構(gòu)形動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對運動部位容易密封防塵．這類機器人運動學較復雜，運動學反解因難；確定末端件的位姿不直觀，進行控制時，計算量比較大．
3．拙定檢測傳感系統(tǒng)框圖
選擇合適的傳感器，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮安裝位置．
4．確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖
5. 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
確定驅(qū)動方式，選擇運動部件和設(shè)計具體結(jié)構(gòu)，繪制機器人總裝圖及主要部件零件圖
2. 2．3 仿真分析
(1)運動學計算．分析是否能達到要求的速度、加速度、位置．
(2)動力學計算．計算關(guān)節(jié)驅(qū)動力的大小，分析驅(qū)動裝置是否滿足要求。
(3)運動的動態(tài)仿真．將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來，實現(xiàn)機器人的運動仿真．
(4)性能分析．建立機器人數(shù)學模型，對機器人動態(tài)性能進行仿真計算。
(5)方案和參數(shù)修改．運用仿真分析的結(jié)果對所設(shè)計的方案、結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)進行修改，加以完善．機器人機械系統(tǒng)設(shè)計是機器人設(shè)計的重要部分．其他系統(tǒng)的設(shè)計盡管有各自的獨立性，但都必須與機械系統(tǒng)相匹配，相輔相成，構(gòu)成一個完整的機器人系統(tǒng)．
2.3 機器人機械系統(tǒng)設(shè)計方法
在確定機器人運動形式的基礎(chǔ)上，機器人機械系統(tǒng)設(shè)計還包括確定機器人驅(qū)動方式、關(guān)節(jié)驅(qū)動方式、材料選擇、平衡系統(tǒng)設(shè)計和零部件設(shè)計．下面就這些問題進行分析．
1. 機器人驅(qū)動方式
機器人驅(qū)動方式有電動、液壓和氣動三種．一臺機器人可以只用一種驅(qū)動方式，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動．選擇時主要考慮負載、效率、精度和環(huán)境等因素．液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，因此，大負載通常選用液壓驅(qū)動．氣動系統(tǒng)簡單、成本低，適合節(jié)拍快、負載小且精度要求不高的場合，常用于點位控制、抓取、彈性捏持和真空吸附．電動系統(tǒng)適合于中等負載，特別適合動作復雜、運動軌跡嚴格的工業(yè)機器人和各種微型機器人．
2．關(guān)節(jié)驅(qū)動方式
關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動兩種方式．直接驅(qū)動方式是驅(qū)動器的輸出軸和機器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連．間接驅(qū)動力式是驅(qū)動器經(jīng)過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行這桿等裝置后與關(guān)節(jié)軸相連．
(1)關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式．
直接驅(qū)動機器人也叫作DD機器人(D加瓤小i代r。bot)，簡稱DD只．DD機器人一般指驅(qū)動電機通過機械接口直接與關(guān)節(jié)連接．DD機器人的特點是驅(qū)動電機和關(guān)節(jié)之間沒有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換．目前中小型機器人一般采用普通的直流伺服電機、交流伺服電機或步進電機作為機器人的執(zhí)行電機．出于電機速度較高，所以需配以大速比減速裝置，進行間接傳動．但是，間接驅(qū)動帶來了機械傳動中不可避免的誤差，引起沖擊振動，影響機器人系統(tǒng)的可靠性，并且增加關(guān)節(jié)重量和尺寸．DD機器人與間接驅(qū)動機器人相比，有如下優(yōu)點：
1機械傳動精度高。
2振動小，結(jié)構(gòu)剛度好．
3機械傳動損耗?。?
4結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高．
5電機峰值轉(zhuǎn)短大，電氣時間常數(shù)小，短時間內(nèi)可以產(chǎn)生根大轉(zhuǎn)矩
圍寬．
6控制性能較好．
日本、美國等工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異的DD機器人．美國AdePt公司研制出帶有視覺功能的四自由度平面關(guān)節(jié)型DD機器人．日本大H機工公司研制成功了五自由度關(guān)節(jié)型DD—600V機器人．其性能指標為：最大工作范圍1．2m，可搬重量5kg，最大運動速度8．2m／s，重復定位精度o．05mm．DD機器人是一種極有發(fā)展前途的機器人，許多國家為實現(xiàn)機器人高精度、高速度和高智能，對DD機器人投入了大量的研究和開發(fā)．目前七要存在的問題是：
1載荷變化、鍋臺轉(zhuǎn)矩及非線性轉(zhuǎn)矩對驅(qū)動及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計困難和復雜．
2對位置、速度的傳惑元件提出了相當高的要求．傳感器精度為帶減速裝置(速比為尺)間接驅(qū)動的皮倍以上．
3電機的轉(zhuǎn)短／重量比和轉(zhuǎn)矩／體積比不大，需開發(fā)小型實用的DD電機．
4電機成本高．DD機器人把電機直接安裝在關(guān)節(jié)上使機器人的負載能力和效率下降．
(2)關(guān)節(jié)間接驅(qū)動方式．
大部分機器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動．這種間接驅(qū)動，通常其驅(qū)動器的輸出力矩大大小于驅(qū)動關(guān)節(jié)所需要的力矩，所以必須使用減速器．另外，由于手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以多自由度機器人關(guān)節(jié)上安裝驅(qū)動器臺使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動器的負荷增大．解決這一問題的方法，通常可用下列形式的間接驅(qū)動機構(gòu)．
1鋼絲繩．這是把驅(qū)動器和關(guān)節(jié)分開安裝，然后使用鋼絲繩傳遞動力的方式．這種方式有鋼絲繩一軟警方式和鋼絲繩一滑輪方式兩種．鋼絲繩一軟管方式：因鋼絲繩的路徑能夠任意決定，所以能夠較容易地構(gòu)成多自由度的驅(qū)動系統(tǒng)．但因鋼絲繩和軟營之間存在不能忽略的摩擦，所以它的控制比較困難．鋼絲繩一滑輪方式：雖然它的非線性因素少，但是滑輪的裝配方式、鋼絲繩的路徑構(gòu)成等非常困難．
2鏈條和鋼帶．這種方式也是把驅(qū)動器安排在離關(guān)節(jié)較遠的地方，是遠程驅(qū)動的手段之一．鏈條、鋼帶與鋼絲繩相比，剛性高，能傳遞較大的輸出，但設(shè)計上的限制也大．在xARA型的關(guān)節(jié)機器人中多采用此法．
3平行四邊形連桿機構(gòu)．．該機構(gòu)的特點是能夠把驅(qū)動器安裝在手臂的根部，而且該結(jié)構(gòu)能夠使坐標變換運算簡單．
3．材料的選擇
選擇機器人本體材料，應從機器人的性能要求出發(fā)，滿足機器人的設(shè)計和制作要求．機器人材料并不是簡單工業(yè)材料的組合，它應是滿足機器人性能的材料．應在充分拿捏機器人的特性和各組成部分的基礎(chǔ)上，從設(shè)計思想出發(fā)，確定所用材料的特性，即必須事先充分領(lǐng)會機器人的概念和各組成部分的作用．機器人本體被用來支承、連接、固定機器人的各部分，當然也包括機器人的運動部分，這一點與——般的機械結(jié)構(gòu)特性相同．機器人本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料．另一方面，機器人本體又不單是固定結(jié)構(gòu)件，比如，機器人臂是運動的，機器人整體也是運動的，所以，機器人運動部分的材料質(zhì)量要輕．精密機器人對機器人的剛度有一定的要求，即對材料的剛性有要求．剛度沒計時?？紤]靜剛度和動剛度，即要考慮振動問題．從材料角度看，控制振動汐及到減輕重量和抑制振動兩方面，本質(zhì)上就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問題，它與材料的抗振性緊密相關(guān)．傳統(tǒng)的工業(yè)材料或機械材料與機器人材料之間的差別，在于機器人是伺服機構(gòu)，其運動是可控的，這就是傳統(tǒng)材料中所沒有的“被控性”。材料的“被控性”是與材料的“結(jié)構(gòu)性”、“輕質(zhì)性”和“可加工性’’同樣重要的因素．材料的可加工性是指加工成發(fā)揮材料特性的形狀時的難易程度，是一個很重要的指標．材料的被控性取決于材料的輕質(zhì)性、抗振性和彈性．機器人本體材料必須與材料的結(jié)構(gòu)性、輕質(zhì)性、剛性、抗振性和機器人整體性能一同考慮．機器人與人類共存，尤其是家用和服務機器人的外觀將與傳統(tǒng)機械大有不同．這樣一來，將會出現(xiàn)比傳統(tǒng)工業(yè)材料更富有美感的機器人本體材料．從這一點看，機器人材料又應具備揉軟和外觀美等特點．總之，選擇機器人材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性b抗振性、外觀以及價格等因素．下面簡介機器人常用材料．
1碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼；這類材料強度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強度增大了4—5倍．彈性模且E大，抗變形能力強，是應用最廣泛的材料．
2鋁、鋁合金及其他輕合金材料：這類材料的共同特點是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E／P之比仍可與鋼材相比．有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加3．2％重量理的銘合金，彈性模量增加了x％，E／P比增加了16％．
3纖維增強合金：如硼纖維增強鋁合金(Boron—jjber十einfofced aIumm Mm)、石墨纖維增強鎂合金(Graphd e—fibe『—rGinforced ma8nesNm)，其E／P比分別達到11．4×10g m 2／s 2
和8．9×10’m’／s z．這種纖維增強金屬材料具有非常高的E／P比，而且沒有無機復合材料的缺點，但價格昂貴．
1陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長孔的連扦，與金屬零件連接的接合部房特殊設(shè)計．然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機器人上使用的陶瓷機器人臀的樣品．
2纖維增強復合材料：這類材料具有極好的E／P比，但存在老化、蠕變、高溫熱膨脹，以及與金屑件連接困難等問題．這類材料不但重量輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu)點．傳統(tǒng)金屑材料不可能具有這么大的阻尼．所以在高速機器人上應用復合材料的實例越來越多．登層復合材料的制造工藝還允許用戶進行優(yōu)化，改進墨層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼值．田粘彈性大阻尼材料：增大機器人連稈件的阻尼是改善機器人動態(tài)特性的有效方法．目前有許多方法用來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機器人采用的一種方法是用粘彈性大因尼材料，對原構(gòu)件進行約束層阻尼處理.吉林工業(yè)大學和西安交通大學進行了粘彈性大阻尼材料在柔性機械臂振動控制中應用的實驗，結(jié)果表明，機械臀的重復定位精度在阻尼處理前為 土0．30 mm，處理后為土0．16mm，殘余振動時間在阻尼處理前后分別為0.9s和05s
4．平衡系統(tǒng)設(shè)計
(1)機器人平衡系統(tǒng)的作用機器人是一個多剛體鍋臺系統(tǒng)，系統(tǒng)的平衡性是極其重要的理由是；
①安全．根據(jù)機器人動力學方程知道，關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩包括重力矩項，即各連桿質(zhì)量對關(guān)節(jié)產(chǎn)生的重力矩．因為重力是永運的，即使機器人停止了運動，重力矩項仍然存在．這樣，當機器人完成作業(yè)，切斷電源后，機器人機構(gòu)會因重力而失去穩(wěn)定．平衡系統(tǒng)是為了防止機器人因動力源中斷而失穩(wěn)，引起“倒煽”的趨勢．
②借助平衡系統(tǒng)朗降低因機器人構(gòu)形變化，而導致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值．
③借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人運動，導致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的埠值．
④借助平衡系統(tǒng)能減少動力學方程中內(nèi)部鍋臺項和非線性項，改善機器人動力特性．
⑤借助平衡系統(tǒng)能減小機械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影確．
⑥借助平衡系統(tǒng)能使機器人運行穩(wěn)定．降低地面安裝要求．
5．主要部件的設(shè)計和選擇
近年來，機器人朝著智能化、標準化方向發(fā)展．模塊化機器人得到重視，是由一些標準化、系列化的模塊，通過具有特殊功能的結(jié)合部件，用積木拼搭的方式組成一個機器人系統(tǒng)．其特點是經(jīng)濟、靈活．目前，國內(nèi)外已研制和生產(chǎn)了各種不同的標準組件，如伺服電機、傳感器、手臂、手腕、手爪、機身．因此，在設(shè)計機器人時，可選用標準模塊．當然也可自行設(shè)計一些專用部件。
濟南大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章 連桿搬運機械手的方案設(shè)計
第三章 連桿搬運機械手的方案設(shè)計
連桿是內(nèi)燃機中的一個重要的零件，加工工序多，精度要求高，適合流水線加工。該設(shè)計的連桿加工搬運機械手，是用于連桿生產(chǎn)線上的搬運要求搬運準確，對連桿有可靠的定位，搬運半徑1500mm，工作臺高度800mm工作循環(huán)為1分鐘。
3.1 參數(shù)
連桿搬運機器人4個自由度
連桿重量5kg~10kg
連桿直徑30mm~60mm
3.2 驅(qū)動方式的選擇
工業(yè)機器人常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電動驅(qū)動三種基本方式。
表3-1各種驅(qū)動方式的比較
內(nèi)容
驅(qū)動方式
液壓驅(qū)動
氣動驅(qū)動
電動驅(qū)動
輸出功率
? 很大，壓力范圍為50～140N/cm2
? 大，壓力范圍為48～60N/cm2，最大可達100N/cm2
? 較大
控制性能
? 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
? 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制
? 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜
響應速度
? 很高
? 較高
? 很高
結(jié)構(gòu)性能及體積
? 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大
? 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小
? 伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題
安全性
? 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險
? 防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設(shè)備的抗壓性
? 設(shè)備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差
對環(huán)境的影響
? 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染
? 排氣時有噪聲
? 無
在工業(yè)機器人中應用范圍
? 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人
? 適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具
? 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等
成本
? 液壓元件成本較高
? 成本低
? 成本高
維修及使用
? 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求
? 方便
? 較復雜
（一）氣缸的選取
氣動：結(jié)構(gòu)簡單，成本低。適合節(jié)拍快，負載小且精度要求不高的場合。常用于點位控制，抓取，彈性握持和真空吸附。介質(zhì)提取和處理方便；氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器；介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題；阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應和遠距離輸送；外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染；動作迅速，反應靈敏，氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的工作壓力。缺點是不好精確控制。
氣缸是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊麠U上的機械能，并產(chǎn)生直線往復或旋轉(zhuǎn)運動的裝置。
氣缸的類型可分為以下幾種：柱塞式、活塞式、薄膜式和擺動式。其中活塞式如下圖所示：
圖二
氣缸的選擇要點：
1、作用力的大小：根據(jù)外部工作所需要的力的大小，確定活塞桿上的推力或拉力。必須指出，同一氣缸工作時的實際出力大小隨要求的工作速度不同有很大變化。速度增高，則由于背壓增高等因素影響，出力將急劇降低，其變化并非直線關(guān)系。選擇缸徑時對此必須十分注意。應依據(jù)工作條件不同，按外載荷理論平衡條件所需汽缸作用力在近似地乘以1.15—2的備用系數(shù)，從而確定所需氣缸的內(nèi)徑。
2、活塞行程的長短：形成就是汽缸活塞所能易懂的最大距離，帶緩沖裝置的汽缸其緩沖部分的距離也包括在內(nèi)。行程的長短與使用場合有關(guān)，也受加工和結(jié)構(gòu)上的限制。
3、安裝形式：根據(jù)安裝位置、使用目的等因素來確定。在一般場合下，多選用固定式氣缸。在車床或磨床上，工作需作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)應選用回轉(zhuǎn)汽缸。在活塞桿初作直線運動外，又要作較大的圓弧運動時，則選用擺動式氣缸。
4、活塞桿的運動速度：主要決定于氣缸進排氣口及導管內(nèi)徑的大小。如果要求活塞桿高速度地運動時，應選用大的進排氣口及導管。通常為了得到緩慢的、平穩(wěn)的活塞桿運動速度，可選用帶截流裝置或油液阻尼裝置的氣缸。
本次設(shè)計中選用了SMC公司生產(chǎn)的無桿氣缸,型號為MY1B32和MY1B40。標準型氣缸CM2B25-300。使得設(shè)計更加簡潔和標準化。
（二）電機的選取
在機電傳動系統(tǒng)中，選擇一臺合適的電動機是極為重要的。電動機選擇主要是容量的選擇，如果電動機得容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機械設(shè)備的能力，是生產(chǎn)效率降低，另一方面，電動機經(jīng)常在過載下運行，會使它過早損壞，同時還可能出現(xiàn)啟動困難、經(jīng)受不起沖擊負載等故障。如果電動機的容量選大了，則不僅使設(shè)備投資費用增加，而且由于電動機經(jīng)常在輕載下運行，運行效率和功率因數(shù)（對異步電動機而言）都會下降。
選擇電動機容量應根據(jù)以下三項基本原則進行。
1、 發(fā)熱
電動機在運行時，必須保證電動機的實際最高工作溫度max等于或略小于電動機絕緣的最高工作溫度a，即max. a
2、 過載能力
電動機在運行時，必須具有一定的過載能力。特別是在短期工作時，電動機的熱慣性很大，電動機在短期內(nèi)承受高于額定功率的負載功率時仍可保證max. a.，故此時，決定電動機容量的主要因素不是發(fā)熱二十電動機的過載能力。即所選電動機的最大轉(zhuǎn)矩Tmax（對于異步電動機）或最大允許電流Imax（對于直流電動機而言）必須大于運行過程中可能出現(xiàn)的最大負載轉(zhuǎn)矩TLmax或最大負載電流I,max。
3、 啟動能力
必須保證電動機能可靠啟動。
除了正確選擇電動機的容量外，還需要根據(jù)生產(chǎn)機械的要求、技術(shù)經(jīng)濟指標和工作環(huán)境等條件，來正確選擇電動機的種類、電壓、轉(zhuǎn)速和電動機的結(jié)構(gòu)型式。電動機類型選擇的基本依據(jù)是在滿足生產(chǎn)機械對拖動系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉。
（1） 步進電動機驅(qū)動器
?? 步進電動機是將電脈沖信號變換為相應的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化，誤差不長期積累，步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速，實現(xiàn)快速起動、正反轉(zhuǎn)制動。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機器人中得到較廣泛的應用。但由于其存在過載能力差、調(diào)速范圍相對較小、低速運動有脈動、不平衡等缺點，一般只應用于小型或簡易型機器人中。
（2） 伺服電動機驅(qū)動
伺服電動機驅(qū)動包括直流伺服電動機驅(qū)動和交流伺服電動機驅(qū)動。
直流伺服電動機在磁場恒定時，電流正比與輸出轉(zhuǎn)矩，易于控制，且有理想的機械特性。在20世紀80年代中期前直流伺服電動機廣泛應用于機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動。但由于它采用電刷換向器，需要定期維護，轉(zhuǎn)速不能太高，功率不能太大，功率/體積比和功率/質(zhì)量比不高等原因，今天已經(jīng)逐漸被交流伺服電動機所取代。
直流伺服電動機主要有鐵心式直流伺服電動機、表面繞阻永磁直流伺服電動機和動圈式永磁直流伺服電動機三種。其中鐵心式直溜伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量大，可靠性高，成本低，應用最廣泛。動圈式永磁直流伺服電動機的電樞用環(huán)氧樹脂或玻璃纖維支撐繞阻，所以電樞電感小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小