工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計

6自由度機器人6自由度機器人6自由度機器人工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計機器人技術是利用計算機的記憶功能、編程功能來控制操作機自動完成工業(yè)生產中某一類指定任務的高新技術，是當今各國競相發(fā)展的高技術內容之一。它是綜合了當代機構運動學與動力學、精密機械設計發(fā)展起來的產物，是典型的機電一體化產品，工業(yè)機器人由操作機和控制器兩大部分組成。操作機按計算機指令運動，可實現(xiàn)無人操作；控制器中計算機程序可依加工對象不同而從新設計，從而滿足柔性生產的需要。機器人應用領域廣泛，包括建筑、醫(yī)療、采礦、核能、農牧漁業(yè)、航空航天、水下作業(yè)、救火、環(huán)境衛(wèi)生、教育、娛樂、辦公、家用、軍用等方面，工業(yè)機器人在國內主要應用于危險、有毒、有害的工作環(huán)境以及產品質量要求高（超潔、同一性）的重復性作業(yè)場合，如焊接、噴涂上下料、插件、防爆等。一、工業(yè)機器人的總體設計.主體結構設計工業(yè)機器人主體結構設計的主要問題是選擇由連桿件和運動副組成的坐標形式。工業(yè)機器人的坐標形式主要有直角坐標式、圓柱坐標式、球面坐標式、關節(jié)坐標式等。直角坐標式機器人主要用于生產設備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢測作業(yè)。圓柱坐標式機器人主要有三個自由度：腰轉，升降，手臂伸縮。手腕常采用兩個自由度，繞手臂縱向軸轉動與垂直的水平軸線轉動。手腕若采用三個自由度，機器人總自由度達到六個。球面坐標式機器人也叫極坐標式機器人，具有較大的工作范圍，設計和控制系統(tǒng)比較復雜。關節(jié)坐標式主體結構的三個自由度腰轉關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)全部是轉動關節(jié)，手腕的三個自由度上的轉動關節(jié)（俯仰、偏轉和翻轉）用來最后確定末端操作器的姿態(tài)，它是一種慣犯使用的擬人化的機器人。

SmartModules框架機器人CartesianRobotsCobraSeries桌面機器人Reach:600mm/800mmPayload:5.5kgSmartModules框架機器人CartesianRobotsCobraSeries桌面機器人Reach:600mm/800mmPayload:5.5kgRepeatability:0.02mmWeight:34/35kgDesingnLife:60MillionCyclesMasStroke:2000mmMinStroke:130mmNumberofAxis:1to3MaxPayload:60kgMaxspeed:1200mm/secRepeatability:。.01mmDesignLife:5000kmSize:600*450mmPayload:5.5kgAccuracy:0.025mmWeight:54kgDesignLife:5000km直角坐標機器人工作臺.傳動方式傳動方式選擇是指選擇驅動源及傳動裝置與關節(jié)部件的連接形式和驅動形式，主要包括：直接連接傳動。驅動源或帶有機械傳動裝置直接與關節(jié)相連。遠距離連接傳動。驅動源通過遠距離機械傳動后與關節(jié)相連。間接驅動。驅動源經一個速比遠大于1的機械裝置與關節(jié)相連。直接傳動。驅動源不經過中間環(huán)節(jié)或經過一個速比等于1的機械傳動這樣的中間環(huán)節(jié)與關節(jié)相連。.模塊化結構設計模塊化機器人是有一些標準化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結合部用積木拼接的方式組成一個工業(yè)機器人系統(tǒng)。模塊化設計是指基本模塊設計和結合部設計。模塊化工業(yè)機器人主要的特點是：經濟性、靈活性.材料的選擇與一般機械設備相比，機器人結構的動力特性是十分重要的，這是材料選擇的出發(fā)點。材料選擇的基本要求是：強度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材料價格低。.平衡系統(tǒng)設計工業(yè)機器人是一個多剛體耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)的平衡性是極其重要的，在工業(yè)中采用平衡系統(tǒng)的理由是：安全、借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人結構變化而導致重力引起關節(jié)驅動力矩變化的峰值、借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人運動而導致慣性力矩引起關節(jié)驅動力矩變化的峰值、借助平衡系統(tǒng)能減少動力學方程中內部耦合項和非線性項，改進機器人動力特性、借助平衡系統(tǒng)能減小機械臂結構柔性所引起的不良影響、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。二、傳動部件設計傳動部件是驅動源和機器人各個關節(jié)連接的橋梁，是工業(yè)機器人的重要部件。機器人的運動速度、加速度（減速度）特性、運動平穩(wěn)性、精度、承載能力很大程度上是取決于傳動部件設計的合理性和優(yōu)劣。因此，關節(jié)傳動部件的設計是工業(yè)機器人設計的關鍵之一。（一）．移動關節(jié)導軌工業(yè)機器人對移動導軌的要求移動關節(jié)導軌的目的是在運動過程中保證位置精度和導向,對移動導軌有如下要求:1．間隙小或者能消除間隙；2．再垂直于運動方向上的剛度高；3．摩擦系數(shù)低并不隨速度變化;4．高阻尼；5．移動導軌和其輔助元件尺寸小、慣量低。移動關節(jié)導軌主要分類：普通滑動導軌、液壓動壓滑動導軌、液壓靜壓滑動導軌、氣浮導軌和滾動導軌。上面介紹的導軌中，前兩種具有結果結構簡單、成本低的特點，但是必須有間隙以便潤滑，但是間隙的存在又將會引起坐標的變化和有效負載的變化，在低速時候容易產生爬行現(xiàn)象。第三種靜壓滑動導軌結構能產生預載荷，能完全消除間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點，但是它需要單獨的液壓系統(tǒng)和回收潤滑油的機構。第四種氣浮導軌不需要回收潤滑油的機構，但是剛度和阻尼較低。第五種滾動導軌在工業(yè)機器人導軌種用的是最廣泛，具有很多的優(yōu)點:1摩擦小,特別是不隨速度變化;2尺寸小;3剛度高承載能力大;4精度和精度保持度高;5潤滑簡單;6容易制造成標準件;7易加預載，消除間隙，增加剛度等等。但是,滾動導軌用在機器人機械系統(tǒng)也存在著缺點:1阻尼低;2對臟物比較敏感.（二）．轉動關節(jié)軸承轉動關節(jié)軸承主要用的是球軸承，它能承受軸向和徑向載荷，摩擦較小，對軸和軸承座的剛度不敏感。主要分向心推力球軸承和“四點接觸”球軸承。（三）．.傳動件的定位及消隙傳動件的定位主要有：1．電氣開關定位2．機械擋塊定位3．伺服定位系統(tǒng)定位傳動件的消隙主要有：1．消隙齒輪2．柔性齒輪消隙3．對稱傳動消隙4．偏心機構消隙5．齒廓彈性覆層消隙.協(xié)波傳動要求：.伺運動精度高，間隙小，能實現(xiàn)較高的重復定位精度。.回轉速度穩(wěn)定，無波動，運動副鍵摩擦小，效率高。.體積小，重量輕，傳動扭矩大。常用的減速機構是行星齒輪機構和諧波傳動機構..絲杠螺母副和滾珠絲杠傳動絲杠傳動機構是將旋轉運動變成直線運動的重要傳動部件，其優(yōu)點是不會產生沖擊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，能自鎖，由較小的扭矩產生較大的牽引力；缺點是傳動效率底下。采用滾珠絲杠傳動則能解決這種問題，并且傳動精度和定位精度都很高，在傳動時靈敏和平穩(wěn)性很好，磨損小，使用壽命比較長。.活塞缸和齒輪齒條機構.鏈傳動，皮帶傳動，繩傳動.鋼帶傳動三、臂部設計工業(yè)機器人臂部設計的基本要求：.剛度高。為了防止臂部在運動過程中產生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。.導向性好。為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉動，或設置導向裝置，或設計方形，花鍵等形式的臂桿。.重量輕。為提高機器人的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重量，以減小整個手臂對回轉軸的轉動慣量。.運動平穩(wěn)定位精度高。除了臂部設計上要求力求結構緊湊，重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。常用的臂部結構有：.手部直線運動機構；機器人手臂的伸縮，橫向移動均屬于直線運動。實現(xiàn)手臂往復直線運動的機構形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機構，絲杠螺母機構以及連桿機構等。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機器人結構中應用的比較多。.手臂回轉運動機構實現(xiàn)機器人手臂回轉運動的機構形式是多樣的，常用的有葉片式回轉缸，齒輪傳動機構，鏈輪傳動機構，活塞缸和連桿機構等。

sciEnriFic喈f/XAMERICAN"VFCbincwFdiiairt聚合物人造肌肉sciEnriFic喈f/XAMERICAN"VFCbincwFdiiairt聚合物人造肌肉由電帶膽NE6?戳跳的利?人雷?數(shù)十年前，構建致動器或者致動設備的工程師就已經為肌肉找到了一種人造替代物。作為對神經刺激的響應，肌肉只須改變長度就能夠準確地控制其施加的力量，例如眨眼睛或舉起杠鈴。同時，肌肉還表現(xiàn)出比例恒定的屬性：對于各種尺寸大小的肌肉，其機理都一樣，相同的肌肉組織既可以給昆蟲、也能夠為大象賦予力量。因此，對于難以制作電動馬達的驅動設備，某種類似肌肉的東西也許會有用武之地。EPAs號稱要成為未來的人造肌肉。研究人員已經在雄心勃勃地工作，希望能夠為許多當代的技術尋找基于EPA的可選方案，而且不害怕將他們的發(fā)明物與自然物競爭。幾年前，有幾個人，包括來自美國加州帕薩迪納噴氣推進實驗室（JPL）的高級科學家Yos印hBar-Cohen，向電活化聚合物研究團體發(fā)起了一項挑戰(zhàn)，以激發(fā)人們對該領域的興趣：展開一項競賽，看誰能夠最先制造出EAP驅動的機器人手臂，而且必須在與人的手臂的一對一掰手腕比賽中取勝。在壓電材料中，機械應力可導致晶體電極化，而且反之亦然。用電流刺激這種材料將使其變形；通過改變其形狀可以產生電。塑料對電的反應響應電流而改變形狀的聚合物可分為兩類：離子型和電子型，其優(yōu)勢和劣勢正好互補。離子型EAPs（包括離子聚合物凝膠體、離子性高分子如金屬復合材料、導電性高分子以及碳納米管）是在電化學的基礎上工作化化即正負離子的移動和擴散。它們可以直接用電池帶動，因為即便一個個位single-digit電壓也能夠使它們大幅度彎曲。不足之處在于，離子駐APs通常必須是濕的，因此應當密封在撓性薄層中。許多離子型EAPs的另一個主要缺陷在于只要電流接通，該材料就會一直運動，如果電壓超過一定值，將會產生電解，從而給材料造成無法修復的損壞。相反，電子型EAPs/例如鐵電聚合物、電介體、電絕緣橡膠以及電致伸縮移植橡膠）則由電場驅動。它們需要相對較高的電壓，因此會產生讓人不舒服的電擊。但是，作為回報，電子型EPAs能夠迅速作出響應，并且傳遞較強的機械力。它們不需要保護薄層，而且?guī)缀醪恍枰娏骶湍軌虮３帜硞€定位。SPR的人造肌肉材料屬于電子型EAP類型。它的成功開發(fā)經歷了漫長曲折的道路，而且多少帶有一些偶然性，可以稱得上是奇思怪想式技術創(chuàng)新的一個經典范例。四、機身及行走機構設計人的下肢主要功能是承受體重和走路。對于靜止直立時支承體重這一要求，機器人還容易做到，而在像人那樣用兩足交替行走時，平衡體重就存在著相當復雜的技術問題了。首先讓我們分析一下人的步行情況。走路時，人的重心是在變動的，人的重心在垂直方向上時而升高，時而下降；在水平方向上亦隨著左。右腳交替著地而相對應地左、右搖動。人的重心變動的大小是隨人腿邁步的大小、速度而變化的。當重心發(fā)生變化時，若不及時調整姿勢，人就會因失去平衡而跌倒。人在運動時，內耳的平衡器官能感受到變化的情況，繼而通知人的大腦及時調動人體其他部分的肌肉運動,巧妙地保持人體的平衡.而人能在不同路面條件下（包括登高、下坡、高低不平、軟硬不一的地面等）走路，是因為人能通過眼睛來觀察地面的情況，最后由大腦來決策走路的方法，指揮有關肌肉的動作。從而可以看出，要使機器人能像人一樣，在重心不斷變化的情況下仍能穩(wěn)定的步行，那是困難的。同簡化人手功能制造機器人的上肢的方法一樣，其下肢沒有必要按照人的樣式全盤模仿。只要能達到移動的目的，我們可以采取多種形式：用足走路是一種形式，還可以像汽車、坦克那樣用車輪或履帶（以滾動的方式）來移動。如何正確引導機器人的移動：移動機器人的導向從大的方面來分，有軌道式和無軌道式兩種。軌道式是檢測機器人與軌道的相對位置進行導向的；無軌道式則是檢測機器人在移動環(huán)境中的位置進行導向的。用軌道來引導機器人移動的方法有多種：一是像鐵路鋪軌道一樣，機器人的輪子在軌道上滾動，由軌道引導到各工作位置。在車間地面下淺層snun—10mm處敷設電纜，通人數(shù)千HZ（赫芝）高頻交流電，使之產生磁場；在移動機器人身上安裝兩個測向線圈檢測磁場信號，進行移動導向。移動路線由所敷設的電纜決定。電纜敷好以后，要改變導向路線就很困難，但可靠性高，大多數(shù)工廠車間內都采用這種方法。也有的把金屬箔帶或白色帶子沿著機器人必須行走的路線貼在地面上，當光線照在地面上時，用電視攝像機或光電管判別白帶反射光譜來進行導向。這種方法比起敷設電纜，改變移動路線要容易一些。更方便的方法是激光導向，即在機器需要經過的道路上用激光照射，依靠移動機器人身上安裝的激光測定器來測定其移動方向，控制指揮機器人移動。無軌道式導向主要用于自動移動機器人，它要求機器人能自動識別自身所處位置，選擇移動路線而自主運動。因此，機器人必須裝有視覺、觸覺等裝置，用來辨識環(huán)境和道路情況，測出自己的位置和方向，通過計算機控制自身的運動。常用的最簡單的方法是超聲導向方法。眾所周知，振幅的眼睛在夜里是看不見東西的，但它能從體內發(fā)出并接受超聲波，依靠超聲波在夜間飛行。利用這一原理，給機器人配備超聲波發(fā)射器及接受器，移動前先發(fā)射超聲波，接受器根據超聲波的反射波情況，測出機器人與壁式障礙物間的相對距離及道路情況，從而決定其運動方向，控制機器人的移動。如果再加上攝像機的視覺引導，機器人的移動就更加自如。采用無軌道式導向裝置，檢測時需用較復雜的裝置，價格昂貴，可靠性還存在問題，但其靈活性則遠比軌道式大。進一步完善后，完全有可能替代軌道式的導向控制，在生產車間內應用。五、機器人的嗅覺給機器人裝上鼻子就要用到嗅覺傳感器，使它能感受各種氣味，從而用來識別其所在環(huán)境中有害氣體，并測定有害氣體的含量。目前還做不到讓機器人像人一樣聞出多種氣味的機器鼻子。常用的嗅覺傳感器是半導體氣體傳感器，它是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體的物理性質變化，借以測定某種特定的氣體成分及其含量的。大氣中的氣味各種各樣，而目前研制出的氣體傳感器只能識別像H2、C2、CO、NO等少數(shù)氣體。因此，除特殊需要安裝探測特定氣體的氣體傳感器外，一般的機器人基本上沒有嗅覺。六、機器人的觸覺觸覺是接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱。多數(shù)動物的觸覺器是遍布全身的，像人的皮膚位于人的體表，依靠表皮的游離神經末梢能感受溫度。痛覺、觸覺等多種感覺，因此，對人來說，除了視覺以外，觸覺接受外界的信息量最多。但是昆蟲或甲殼類動物的觸覺器官卻集中在頭部的觸角中。像蟋蟀與蝦的觸須有身體長度的2．5－3倍。依靠長觸須可確認遠處物體所在的位置，判別其大小。要使機器人具有動物那樣敏感的觸覺是相當困難的，機器人裝上觸覺傳感器的目的是檢測機器