畢業(yè)設(shè)計（論文）-六自由度噴漆機器人設(shè)計

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-PAGEII--PAGEII-摘要噴漆是一種勞動強度大、有害人體健康的作業(yè)。近年來在噴漆作業(yè)中應用機器人已有明顯的增加，特別廣泛應用于汽車氣體、家電產(chǎn)品和各種塑料制品的噴涂作業(yè)中。一門跨學科的綜合型技術(shù)，論述了國內(nèi)外機器人的應用現(xiàn)狀。本文在全面分析和研究了各種機器人機構(gòu)的基礎(chǔ)上，借鑒了它們的一些好的設(shè)計方法和設(shè)計思想，設(shè)計了一種六自由度關(guān)節(jié)式機器人的操作部件機構(gòu)。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，重量輕，加工方便。文中詳細簡述了機器人的組成、分類、自由度、基本形式、技能等基本知識；選擇操作機坐標結(jié)構(gòu)形式；工業(yè)機器人驅(qū)動方式的選擇和傳動系統(tǒng)的設(shè)計；位置檢測裝置；操作機運動學、動力學問題的求解和執(zhí)行部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計；手臂平衡機構(gòu)的簡介。關(guān)鍵詞自由度；關(guān)節(jié)式；位置檢測裝置AbstractThelacquerisaharmfuloperationofhighlaborintensity.Inrecentlyyears,theapplicationofrobotsinthelacquerisobviouslyincreasing,especiallywidelyusedinthesprayinglacqueroperationofautomobilebodies,householdelectricalappliances,andtheplastics.Aftercarefullyanalyzedandstudyeverykindofstructureofrobots,tooksomegooddesignrulesandtheory,designedthemechanismofoperatingcomponentofthejointrobotwithsixdegreeoffreedom.Themechanismissimpleinstructurecompactinsize,lightinweigh,andeasytomanufacture.Thepaperdescribedindetailthebasicknowledgeoftherobotincomposition,classification,degreeinfreedom,basicformandfunctions;theauthorselectedtheformofthecoordinattructureofoperator,selectedthewayhowtodrivetheindustryrobot.Designthetransmissionsystem,setthepositiondetector,solvedtheproblemofthemoving,thedynamicsoftheoperator,designedthestructureoftheexecutingcomponent,introducedthemechanismofbalancingthearm.Keywordsdegreeoffreedom；joint；positiondetectorPAGEII---PAGEV-目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 11.1工業(yè)機器人的定義 11.2工業(yè)機器人的應用簡介 11.3工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢 21.3擴大機器人在熱加工行業(yè)應用 21.3.2提高工業(yè)機器人的工作性能 21.3.3發(fā)展組合式機器人 31.3.4研制“智能機器人” 31.4工業(yè)機器人的基本知識 41.4.1組成 41.4.2分類 51.4.3自由度 51.4.4坐標形式機能 61.5噴漆機器人簡介 6第2章總體方案設(shè)計 72.1設(shè)計參數(shù)及要求介紹 72.2部件級總體方案設(shè)計 72.3機器人總體布局及其傳動原理 92.4總體設(shè)計步驟 102.5本章小結(jié) 11第3章機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 123.1機器人的末端執(zhí)行器部件 123.2手腕的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 123.2.1設(shè)計要求 133.2.2手腕的結(jié)構(gòu) 133.2.3腕部與小臂連接件結(jié)構(gòu) 133.3手腕的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 133.3.1設(shè)計要求 143.3.2大臂的結(jié)構(gòu) 153.3.3小臂的結(jié)構(gòu) 163.3.4大、小臂連接處的結(jié)構(gòu) 173.4機座的結(jié)構(gòu) 173.4.1腰部主回轉(zhuǎn)部 173.4.2大臂與腰部連接處的局部結(jié)構(gòu) 183.4.3機座外形結(jié)構(gòu) 183.5本章小結(jié) 18第4章機器人的平衡系統(tǒng)介紹 194.1小臂平衡系統(tǒng) 194.2大臂平衡系統(tǒng). 204.3本章小結(jié). 21第5章機器人的內(nèi)部傳感器 225.1機器人的內(nèi)部傳感器介紹 235.2本章小結(jié). 24第6章局部結(jié)構(gòu)的計算及元器件的選擇 256.1軸的強度校核 266.1.1求支反力 276.1.2列剪力與彎矩方程式 286.1.3求最大彎矩 296.1.4求最大彎曲正應力 306.2腕部擺動油缸的選擇 316.2.1俯仰及旋轉(zhuǎn)用擺動油缸 316.2.2手腕擺動用擺動油缸的選取 326.3滑動油缸的設(shè)計計算 326.3.1所需油缸輸出力的計算 336.3.2主要幾何尺寸的計算 336.3.3油缸性能參數(shù)的計算 346.4計算螺栓直徑 346.4.1機座外形結(jié)構(gòu) 356.4.2機座外形結(jié)構(gòu) 356.5本章小結(jié) 36結(jié)論 37致謝 38參考文獻 39附錄1 39附錄2 41-PAGE10--PAGE38-第1章緒論1.1工業(yè)機器人的定義機器人的英文詞是“Robot”，是捷克斯洛伐特劇作家KarelCapek根據(jù)“Robota”和“Robotnik”兩詞結(jié)合而制造出來的，用以表示“用人們的手制造出來的工人”的意思。工業(yè)機器人（IndustrialRobot縮寫詞IR）1960年《美國金屬市場》抱首先使用的，但這個概念美國Geoge.C.Devol在1954年申請的專利“程序控制物料傳速配置”中提出來的。目前，關(guān)于工業(yè)機器人，世界各國尚無統(tǒng)一的定義。在我國，從執(zhí)行動作的部分來說沒有什么根本的區(qū)別，可以說機械手就一種動作簡單、工作程序固定、定位點不能靈活改變的簡單的工業(yè)機器人。1.2工業(yè)機器人的應用簡介工業(yè)機器人自六十年代初問世以來，發(fā)展非常迅速。目前，第二代產(chǎn)品、微型計算機控制、直接伺服電動機驅(qū)動的小型工業(yè)機器人已經(jīng)商品化。美國是最早研制和應用工業(yè)機器人的國家，早在1967年就定型批量生產(chǎn)了Vnimate1900型機器人，這是Vnimate4000型的前身。1969年美國通用汽車車身的生產(chǎn)自動線。七十年代，美國克萊斯勒汽車公司的32條沖床自動線的448臺沖床，全部采用了工業(yè)機器人傳速工件。日本機器人工業(yè)起步雖比美國晚，但發(fā)展速度更快，據(jù)統(tǒng)計。1982年日本擁有工業(yè)機器人共13000余臺，生產(chǎn)廠家近200家。此外瑞典、挪威、聯(lián)邦德國、意大利、蘇聯(lián)等國家也發(fā)展十分迅速。工業(yè)機器人的主要應用領(lǐng)域時機械加工過程中的上、下料及搬運、配置、焊接（電焊、弧焊）、噴漆、沖壓、樹脂成型加工以及熱處理、鍛壓等。1.3工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢目前工業(yè)機器人的應用逐步擴大，技術(shù)性能在不段提高。由于發(fā)展時間較短，人們對它有一個逐步認識的過程，機器人在技術(shù)上還有一個逐步認識完善的過程，其目前發(fā)展有以下幾個趨勢。1.3.1擴大機器人在熱加工行業(yè)應用目前國內(nèi)機器人應用在機械工業(yè)冷加工作業(yè)中的較多，而在鑄、焊、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應用較少。因熱加工作業(yè)的物件重，形狀復雜，環(huán)境溫度高等，給機器人的設(shè)計、制造帶來不少困難，這就需要解決技術(shù)上的困難，時機器人更好地為熱加工作業(yè)服務。同時，在其它行業(yè)和部門，也將隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴大機器人的使用。1.3.2提高工業(yè)機器人的工作性能機器人工作性能的優(yōu)劣，決定著它能否正常地應用于生產(chǎn)中。機器人工作性能中的重復定位精度和工作速度兩個指標，是決定機器人能否保質(zhì)保量地完成操作任務的關(guān)鍵因素。因此要解決好機器人的工作平均性和快速性的要求，除了從解決緩沖定位措施入手外，還應發(fā)展?jié)M足機器人性能要求、價廉的電液伺服閥，將伺服控制控制系統(tǒng)應用于機器人上。1.3.3發(fā)展組合式機器人從機器人本身的特點來說，可變程序的機器人更適應產(chǎn)品改型、設(shè)備更新、多品種小批量的要求，但是它的成本高。專用機器人價廉，但適用范圍又受到了限制。因此，對一些特殊用途的場合，就需要專門設(shè)計，專門加工，這樣就提高了產(chǎn)品成本。為了適應應用領(lǐng)域分門別類的要求，可將機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計成組合的形式。組合式機器人是將一些通用部件（手臂伸縮部件、升降部件、回轉(zhuǎn)部件和腕部回轉(zhuǎn)、俯仰部件等）根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預定機能的單元部件，以基座為基礎(chǔ)進行組合，配上與其相適應的控制部分，即成為能完成特殊要求的機器人。它可以簡化結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計上的通用性，便于標準化，系列設(shè)計和組織專業(yè)化生產(chǎn)，有利于提高機器人的質(zhì)量和降低造價，是一種有發(fā)展前途的機器人。1.3.4研制“智能機器人”對于需要人工進行靈巧操作即需要進行判斷的工作場合，工業(yè)機器人很難代替人的勞動。如在工作過程中出現(xiàn)事故、障礙和情況變化等，機器人不能自動分辨糾正，而只能停機，待人們排除以外故障后才能繼續(xù)工作。因此，人們對機器人提出了更高的要求，希望使其具有“視覺”“觸覺”、等功能，使之對物件進行判斷、選擇，能連續(xù)調(diào)節(jié)以適應變化的條件，并能進行“手一眼”協(xié)調(diào)動作。這就需要一個能處理大量信息的計算機，要求人與機器“對話”，進行信息交流。這種帶“視覺”、“觸覺”反饋的，由于計算機控制的，據(jù)有人的部分“智能”的機械裝置稱為“智能機器人”。所謂“智能”時包括：識別、學習、記憶、分析、判斷的功能，而識別功能是通過“視覺”、“觸覺”和“聽覺”等感覺“器官”以認識對象的。具有感覺功能的機器人，其工作性能是比較完善的，能夠準確地夾持任意方位的物件，判斷物件質(zhì)量，越過障礙物進行工作，自動測出夾緊力大小，并能自動調(diào)節(jié)，適用于從事復雜、精密的操作，如裝配作業(yè)（國外研制的裝配機器人能將活塞狀如間隙僅20微米的氣缸內(nèi)），它有著一定的發(fā)展前途。智能機器人是一種新興的技術(shù)，對它的研究將涉及到電子技術(shù)、控制論、通訊技術(shù)、電視技術(shù)、空間機構(gòu)和仿生學等學科。它是當代自動控制技術(shù)的一個新興的領(lǐng)域。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，智能機器人將會代替人做更多的作業(yè)。1.4工業(yè)機器人的基本知識1.4.1組成機器人主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及位置檢測系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1-1。圖1-1機器人的組成1、執(zhí)行系統(tǒng)包括末端執(zhí)行器、手腕、手臂和腰部等部件。1、末端執(zhí)行器：機器人是一種通用性較強的自動化作業(yè)設(shè)備，末端執(zhí)行器則是直接執(zhí)行作業(yè)任務的裝置。大多數(shù)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸都是根據(jù)其不同作業(yè)任務要求來設(shè)計的，從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機械式夾持器、吸附式夾持器和專用工具（如焊槍、噴嘴、電磨頭等）三類。它安裝在機器人手腕或手臂的機械接口上。多數(shù)情況下末端執(zhí)行器是為特定的用途而專門設(shè)計的，但也可以設(shè)計成一種實用性較大的多用途末端執(zhí)行器。2、手腕：是臂部和末端執(zhí)行器的連接部件，他應具有獨立的自由度，為使手部能處于空間的任意方向，玩不應具有回轉(zhuǎn)、上下俯仰和左右擺動三個自由度。3、手臂：是支撐手腕和末端執(zhí)行器的部件，它分為小臂和大臂兩部件，具有兩個自由度。4、腰部：是支撐手臂的部件，具有一個回轉(zhuǎn)自由度。腰部也可做成可移式的，具有兩或三個自由度5、機座：式機器人的基礎(chǔ)部分，機器人執(zhí)行系統(tǒng)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。2、驅(qū)動系統(tǒng)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動，氣壓傳動，電力傳動和機械傳動等四種形式。3、控制系統(tǒng)有電器控制和射流控制兩種，一般常見的為電器控制。它是機器人的重要組成部分，它支配著機器人按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予的指令信息（如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間），同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機器人的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時，即發(fā)出警報信號。4、位置檢測系統(tǒng)控制機器人執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并于設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度到達設(shè)定的位置。1.4.2分類工業(yè)機器人的分類如圖1-21.4.3自由度自由度是涉及機器人的重要參數(shù)。機器人的運動自由度指各運動部件在三維空間相對于固定坐標系縮聚有的獨立運動數(shù)目。簡而言之，即指各運動部件所包含的直線運動、旋轉(zhuǎn)和擺動數(shù)。按驅(qū)動方式分：液壓驅(qū)動式機器人、氣壓驅(qū)動式機器人。按適用范圍分：專用型機器人、通用型機器人、萬能組合型機器人。按用途分：沖壓機器人、熱處理機器人、裝配機器人、噴漆機器人。1.4.4坐標形式工業(yè)機器人由四種不同的坐標形式，即直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關(guān)節(jié)式。1.5噴機器人簡介噴漆是一種勞動強度大，有害人體健康的作業(yè)。近年來在噴漆作業(yè)中應用機器人已有明顯的增加。噴漆機器人廣泛應用于汽車車體、家電產(chǎn)品和各種塑料制品的噴漆作業(yè)。與其他用途的工業(yè)機器人比較，噴漆機器人在使用環(huán)境和動作要求上有如下的特點：1、工作環(huán)境包含易爆的噴涂劑蒸汽；2、沿軌跡高速運動，途徑各點均為作業(yè)點；3、多數(shù)和被噴漆件都搭載在傳送帶上，邊移動變噴漆，所以它需要一些特殊性能。最早的噴漆機器人一般為液壓驅(qū)動方式，它由本體、控制柜、液壓系統(tǒng)組成。機器人的機構(gòu)為六軸多關(guān)節(jié)型，工作空間大，腰回轉(zhuǎn)采用油缸驅(qū)動，手臂也采用油缸驅(qū)動。由于腕部不存在其以位形，所以能噴漆形態(tài)復雜的工件并具有很高的生產(chǎn)率。第2章總體方案設(shè)計2.1設(shè)計參數(shù)及要求自由度：6運動范圍：腰間轉(zhuǎn)、大臂擺動、小臂擺動—90度腕擺動—210度腕俯仰—210度腕旋轉(zhuǎn)—280度最大速度：2m/s腕部最大負荷：15Kg由作業(yè)的要求，決定設(shè)極為一關(guān)節(jié)式六自由度、液壓傳動機器人。這是因為：1、傳動的特點：1)結(jié)構(gòu)：元件單位質(zhì)量傳遞的功率大，結(jié)構(gòu)簡單，布局靈活，便于和其他傳動方式連用，易實現(xiàn)遠距離操縱和自動控制。2)工作性能：速度、扭矩、功率均可無級調(diào)節(jié)，能迅速換向和變速，調(diào)速范圍款，動作快速性好。3)使用維護：元件的自滋潤性好，能實現(xiàn)系統(tǒng)的過載保護與保壓，使用壽命較長，元件以實現(xiàn)系列化，標準化、通用化。2、關(guān)節(jié)式坐標形式的優(yōu)點關(guān)節(jié)式機器人其手臂的運動類似人的手臂，可作幾個方向的轉(zhuǎn)動。它由大臂、小臂和腰部組成，大、小臂之間的連接為肘關(guān)節(jié)，大臂與腰間的連接為肩關(guān)節(jié)，手臂的運動系由三個回轉(zhuǎn)運動所組成。它的特點是工作范圍大動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的物件，并能繞過機體和工件主機之間的障礙物抓取物件，此為其他型式的機器人不可以比擬的優(yōu)點。2.1部件級總體方案設(shè)計考慮本機器人設(shè)計中的作業(yè)內(nèi)容，若大臂、小臂用擺動油缸驅(qū)動，出力上較難匹配，而且不利于日后機器人的改型和擴展。而采用圖2-1所示機器人的基本結(jié)構(gòu)，出力理想，可以達到較大的運動范圍，而且改型容易，便于滿足不同場合的要求。圖2-1機器人的基本結(jié)構(gòu)大、小臂及腰部運動用滑動油缸實現(xiàn)，其余各自由度均利用擺動油缸來實現(xiàn)要求。1．底座部件：起著穩(wěn)定、支撐的作用，故需要達到一定的質(zhì)量和體積。2．腰部部件：固聯(lián)于底座之上，通過鍵、軸承等于底座內(nèi)滑動油缸相連，實現(xiàn)腰部與底部之間90度的相對運動。3．大臂部件：大臂通過軸與腰部相連，以軸心為圓心作90度擺動。大臂的驅(qū)動力來自與大臂油缸。4.小臂部件：小臂與大臂通過軸相連，圍繞軸心作上下擺動。在大臂垂直于地面時，小臂應能保持水平，且由水平為之下行50度、上行40度；當大臂不與地面成90度時，小臂的運動范圍隨大臂與地面成角變化。小臂油安裝如圖2-3。圖2-3小臂油缸的安裝5.手腕部件:手腕部分有三個自由度，均靠擺動油缸實現(xiàn)。綜合動作要求、空間體積、受力情況等各種因素，腕部結(jié)構(gòu)如圖2-4圖2-4腕部結(jié)構(gòu)6.附屬部件：1.彈簧：彈簧作為輔件，對機器人的整體性能會產(chǎn)生十分重要的影響。在大、小臂上安裝彈簧，可以是機器人的油缸出力變小，油缸承受負載波動變小，并且機器人變得易于控制。2.拉桿：拉桿可保持機器人大小臂的平衡，使動作平穩(wěn)，油缸承受波動變小，輔助彈簧更佳發(fā)揮作用。2.3機器人總體布局及其傳動原理圖2-5表示機器人的本體組成、旋轉(zhuǎn)軸的位置、數(shù)量、旋轉(zhuǎn)角度范圍及傳動機構(gòu)原理。圖2-5總體布局及其傳動原理2.4總體設(shè)計步驟經(jīng)過前面方案的確定，機器人的主要參數(shù)和運動簡圖如2-6圖2-6主要參數(shù)和運動簡圖在設(shè)計中：1.明確機器人的工作要求和各項指標參數(shù)。2.確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型3.選定執(zhí)行元件4.計算、選擇各元件5.性能評估以上為最普通的設(shè)計步驟，在具體設(shè)計中，還要依據(jù)情況而定，作出一些合并、修正。在下面幾章中將具體說明機器人機械部件的結(jié)構(gòu)與設(shè)計。2.5本章小結(jié)本章節(jié)是此次課題的重點，主要介紹了總體方案的設(shè)計和設(shè)計參數(shù)及要求。關(guān)節(jié)式坐標形式的優(yōu)點等，通過本章以確定課題的設(shè)計方向與思路。第3章機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1機器人的末端執(zhí)行器部件在機器人的手腕或手臂（當末配置手腕時）前短語末端執(zhí)行器向連結(jié)的機械連接界面稱機械接口。只要配置相應的末端執(zhí)行器，機器人即可按作業(yè)要求進行不同的操作，結(jié)構(gòu)和功能多種多樣的末端執(zhí)行器增大了機器人的適用范圍，因此末端執(zhí)行器形式繁多。為便于接換。安裝不同的末端執(zhí)行器，需要在其連接界面上配置一個機械接口。這個接口，應保證有足夠的連接強度和所需的位置精度、且接換快捷。本次設(shè)計采用轉(zhuǎn)接來代替機械接口，轉(zhuǎn)接件的結(jié)構(gòu)如圖3-1。這種接口裝置可在機器人上迅速更換末端執(zhí)行器，以滿足作業(yè)的蓋面，通用性強。圖3-1轉(zhuǎn)接件的結(jié)構(gòu)3.2手腕的結(jié)構(gòu)與設(shè)計手腕時連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人的最末端，其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標（自由度）的基礎(chǔ)上，在由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)（方位）坐標，即實現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)自由度。通過機械接口，連接并支撐末端執(zhí)行器。3.2.1設(shè)計要求對手腕設(shè)計的要求有：1、由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少其重置和體積。為此腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置多采用分離傳動：將驅(qū)動器安裝愛手臂的后端。2、手腕部件的自由度越多，各關(guān)節(jié)叫的運動范圍越大，其動作的靈活性越高，機器人對作業(yè)的適應能力也越強。3、為提高手腕動作的精確性，應提高傳動的剛度，應盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。4、對手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開關(guān)和機械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。3.2.2手腕的結(jié)構(gòu)由于作業(yè)要求的不同，手腕的自由度數(shù)及其配置也會有不同，在擬定手腕驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)方面也有差異，因此手腕的結(jié)構(gòu)形式繁多。在本次設(shè)計中采用三個擺動液壓缸驅(qū)動回轉(zhuǎn)運動的手腕結(jié)構(gòu)。3.2.3腕部與小臂連接結(jié)構(gòu)手腕左右擺動用擺動油缸的支架用螺栓與小臂末端連接，它是將上、下支撐架焊接到方形鋼板而成，方形鋼板的中間挖去小矩形，用來通過手腕工作所需的油管及電纜。3.3手臂和機座的結(jié)構(gòu)與設(shè)計由機器人的動力關(guān)節(jié)和連接桿等構(gòu)成的手臂是用來支撐和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂部件一般具有2至3個自由度。包括有驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、導向定位裝置、支撐連接件和檢測元件等。手臂部件自身重量較大，還要承受手臂、末端執(zhí)行器和工件的重量，以及在運動中產(chǎn)生的動載荷，故其受力情況復雜。手臂一般安裝在機座上，機座可以固定的或行走的。3.3.1設(shè)計要求對手臂的設(shè)計要求有:1.手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求。工作空間的形狀和大小與手臂的長度、手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍密切相關(guān)。2.根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料；如常采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。減輕自身的重量?？招慕Y(jié)構(gòu)內(nèi)部可以方便地安置機器人的驅(qū)動系統(tǒng)。3.盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負載：減少運轉(zhuǎn)的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。4.要設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。大臂的結(jié)構(gòu)大臂相對腰部有擺角，將擺角用垂直于機座的平面分成左50°右40°，如下圖3-2。大臂的兩端各與腰部、小臂連接，且這兩個連接具有兩個擺動自由度圖3-2大臂的兩端各與腰部、小臂連接由度β1=90°，β2=90°。將大、小臂驅(qū)動滑動油缸接頭設(shè)置在大臂的中間位置，這樣既美觀也便于加工。此時，就成了腰部與小臂相對大臂的轉(zhuǎn)動范圍，兩者的運動范圍相對大臂是對稱的，如圖3-3所示。圖3-3小臂、腰部運動范圍考慮是兩轉(zhuǎn)動自由度，兩處選用軸孔配合方式，即大臂兩端以吊耳的結(jié)構(gòu)用軸與小臂、腰部連接。為節(jié)省材料、外觀簡單，大臂由5毫米厚的鋼板焊接而成，剖面近似方形。在大臂兩側(cè)裝有大臂的平衡彈簧與平衡凸輪，大臂中間貫穿電纜與油管束，將上、下耳片焊接在大臂兩端處。這樣設(shè)計可節(jié)省材料、外觀簡單。另外，在上耳片內(nèi)側(cè)設(shè)置加強條，以加強上耳片的剛度、強度及載荷能力。在耳片與大臂體鋼板焊接出閣設(shè)置加強角撐，加強焊接強度和耳片的剛度。大臂結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。圖3-4大臂的結(jié)構(gòu)3.3.3小臂的結(jié)構(gòu)小臂的兩端各與大臂、手腕連接，相對大臂具轉(zhuǎn)動角=90°，小臂的驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡圖與小臂相對大臂的運動空間范圍已在大臂的初步設(shè)計中給出。由總體布局，小臂驅(qū)動油缸設(shè)置在大臂上，為減輕工作載荷、節(jié)省材料，小臂設(shè)計成長方形剖面的薄鋼板焊接結(jié)構(gòu)，剖面形式如圖3-5。在小臂剖面的封閉部分中安裝有兩根彈簧，剖面的下半部分裝有液壓伺服閥及系統(tǒng)的油管和電纜這樣布置外觀也顯簡單的多。小臂端即與手腕連接部分相對腰部的運動空間范圍如圖3-6.由運動間范—陰影部分可知，此結(jié)構(gòu)工作空間大，通用性強，能對靠近機座的物件進行工作并能繞過障礙物對物件進行工作，充分說明了此結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。圖3-6小臂端部運動空間范圍3.3.4大、小臂連接處的局部結(jié)構(gòu)小臂通過連接軸和滾針軸承與大臂連接，連接軸是以光軸，一段裝有反饋電位計，將小臂相對于大臂的擺角反饋到控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)剖面圖如3-7。圖3-7大、小臂連接處的局部結(jié)構(gòu)3.4機座的結(jié)構(gòu)3.4.1腰部主回轉(zhuǎn)部腰部主回轉(zhuǎn)部的大致結(jié)構(gòu)如圖3-8.它是由于大臂接連的回轉(zhuǎn)主軸2、（2與7是焊接成一體的），兩個軸承5、6，軸承座1，搖臂4以及固定在機座上8的驅(qū)動腰部的滑動油缸3等部分組成。油缸3通過搖臂4驅(qū)動回轉(zhuǎn)主軸的轉(zhuǎn)動。在搖臂上端A處有反饋電位計。圖3-8腰部主回轉(zhuǎn)軸3.4.2大臂與腰部連接處的局部結(jié)構(gòu)大臂通過連接軸和滾動軸承與腰部連接，與大小臂軸處的結(jié)構(gòu)相似。在軸的一端也裝有反饋電位計，其結(jié)構(gòu)剖面圖如3-9。圖3-9大臂與腰部連接處的局部結(jié)構(gòu)3.4.3機座結(jié)構(gòu)機座起著穩(wěn)定、支撐的作用，故需要達到一定的質(zhì)量和體積。機座是采用型鋼材料的焊接結(jié)構(gòu)，其上裝有腰部主回轉(zhuǎn)部，用于實現(xiàn)腰關(guān)節(jié)的水平回轉(zhuǎn)。在機座上還裝有液壓伺服閥、濾油器。液壓儲能器。驅(qū)動腰部主回轉(zhuǎn)部的滑動油缸，機座由可卸蓋板保護。3.5本章小結(jié)本章小結(jié)介紹了機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要是機器人的末端執(zhí)行器部件：手腕、大臂、小臂。確定了機器人的關(guān)節(jié)，確定了機器人的形狀。第4章機器人的平衡系統(tǒng)介紹垂直關(guān)節(jié)機器人手臂，一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負載和縮短啟動時間。機器人所采用的平衡機構(gòu)有一下幾種：配重平衡機構(gòu)、彈簧平衡機構(gòu)、活塞推桿平衡機構(gòu)。本次設(shè)計的機器人的小臂采用彈簧平衡方式，大臂采用凸輪—彈簧平衡方式，手腕部分沒有設(shè)置平衡裝置，這種彈簧平衡機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用十分廣泛。4.1小臂平衡系統(tǒng)圖4-1表示了機器人小臂的平衡機構(gòu)的原理。途中AD為平衡彈簧，采用對稱兩根安置，DHE為平衡搖臂，OE為平衡拉桿。該機構(gòu)不能保證小臂所有工作狀態(tài)下達到平衡，但通過合理選擇彈簧剛度系數(shù)K、彈簧預變形，能實效臂在某工作范圍內(nèi)接近平衡。圖4-1小臂平衡機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：R=140mm，R=1370mm，h=120mm彈簧剛度k=22.74N（兩根總剛度）彈簧長度l=960mm彈簧中經(jīng)D=30mm彈簧絲徑d=7.5mm4.2大臂平衡系統(tǒng)圖4-2為大臂平衡機構(gòu)的原理圖。圖中OH表示大臂，其上D處裝有一個小滾輪。AODD是一個鉸支于O點的搖臂式平衡凸輪，其外觀見圖4-3。大臂兩側(cè)采用兩根平衡彈簧AB，上端固定與平衡凸輪的A點。大臂轉(zhuǎn)動過程中，其上小滾輪D始終緊貼于平衡凸輪的內(nèi)弧表面。該機構(gòu)通過凸輪外形（內(nèi)弧表面）的合理設(shè)計，可實現(xiàn)大臂任意位置的平衡，但實際上由于結(jié)構(gòu)與工藝的限制，只能實現(xiàn)大部分工作范圍內(nèi)的平衡。圖4-2大臂平衡機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：R=40mm，R=97mm，R=830mm彈簧剛度K=43.59N(兩根總剛度)彈簧長度l=524mm彈簧中徑D=30mm彈簧絲徑d=8mm4.3本章小結(jié)本小結(jié)主要機器人的平衡系統(tǒng)：大臂平衡系統(tǒng)、小臂平衡系統(tǒng)，使得機器人有平衡性，穩(wěn)定性。機器人的內(nèi)部傳感器機器人的內(nèi)部傳感器介紹用于檢測機器人自身狀態(tài)的傳感器，成為內(nèi)部傳感器。它主要包括位移（位置）傳感器，速度與加速度傳感器等。位移傳感器種類很多，常用的位移傳感器總體分為直線位移傳感器和角位移傳感器。在本次設(shè)計中的六個自由度中不包含移動運動副，故設(shè)置角位移傳感器來檢測角位移。角位移傳感器主要包括電位計、可調(diào)變壓器和光電編碼器三種。1、電位計式角位移傳感器，又稱旋轉(zhuǎn)電位計，圖—是他的工作原理圖。在工作中，輸出電壓與輸入的角位移有很好的線性度，是機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的常用測量傳感器。2、可變變壓器，又稱旋轉(zhuǎn)變壓器，由兩個固定線圈和一個活動鐵心組成，大線圈為固定線圈，小線圈位于大線圈內(nèi)并可轉(zhuǎn)動。當鐵心隨物件旋轉(zhuǎn)時，兩線圈的耦合情況發(fā)生改變。如果小線圈供電電壓為U=usinwt，則大線圈兩端將感應出U=Kusinvsinwt，其中v為兩線圈軸線間夾角。為了提高精度常用增加極對數(shù)的方法，稱為多級旋轉(zhuǎn)變壓器。3、光電編碼器，又稱光電碼盤。它是又一個常用角位移傳感器。它可采用TTL二進制碼提供軸的角度位置。光電編碼器一般分為增量式與絕對式兩種形式。本次設(shè)計選用的WHJ型精密合成碳膜電位器的技術(shù)參數(shù)機外形尺寸如圖5-1圖5-1WJH型精密合成碳膜電位器本章小結(jié)本章主要介紹用于檢測機器人自身狀態(tài)的傳感器，成為內(nèi)部傳感器。它主要包括位移（位置）傳感器，速度與加速度傳感器等。局部結(jié)構(gòu)的計算及元器件的選擇軸的強度校核設(shè)大小臂軸所受向下剪切力為F，則小臂所受力為F=-F。以驅(qū)動小臂油缸和小臂連接處為基準點分析小臂受力情況如圖6-1。圖6-1小臂受力分析圖其中G1≈60N,G2≈10N,G3≈30N,G4≈600N,G5≈300NGf—為3個伺服閥的有效重力由力矩平衡公式（6-1）Gl+Gl+Gl+Gl+Gl+Gl=Fl（6-1）得：60×（1642+158+150+120+150）+10×（1642+158+150+150）+10×（1642+158+150）+30×（1642+150）+600×870+300×700=150FF=6396.4N故F=-F=6396.4N軸的受力分析如下圖6-2。圖6-2軸的受力分析圖6.1.1求支反力設(shè)大臂上耳片給軸的支反分別為R、R（實際上是不均勻密度的力），作用點為A和B。由平衡方程式（6-2）（6-3）：M=0（6-2）得：94×R-121×—+27×—=0解得Ra=Rb=3198.2N列剪力與彎矩方程式由受力分析可知此軸是受對稱力的，故只需求出CD及DE兩端。1、CD段利用截面法。沿距C點為x的任意截面1-1將軸切開，并以左端研究對象（圖6-2b）由平衡方程式（6-4）（6-5）得：（6-4）（6-5）==3.5mm分別求得截面I-I的剪力（6-6）和彎矩（6-7）為（6-6）（6-7）2、DE段沿距C點為的x任意截面II-II將軸切開，取左端為研究對象（圖6-2c），由方程式（6-8）（6-9）解得：解得（6-10）（6-11）：Q=2576.3-44.42x2（6-10）M2=-44.42x2-3198.2+54724.7（6-11）3、EF段沿距C點為x的任意截面III-III將軸切開，取左端為研究對象（圖6-2d），由平衡方程式（6-12）（6-13）:總和Y=0F/2-Ra+R3=0（6-12）總和Mc=0M3+F/44Dx(X3-X)-F/72Dx(X3-X)=0(6-13)分別求得截面III-III的剪力（6-14）和彎矩（6-15）為Q3=0（6-14）M3=-92747.8（6-15）求最大彎矩對M（6-7）、M（6-1）分別求導，求極值。dM1(x)/dx=-72.68x1(6-16)dM2(x)/dx=-88.84x2-3198.2=0(6-17)故在x=22mm處M（x）有極值Mmax1=17588.56Nmm在x=36mm處M2（x）有極值Mmax1=-117978.82Nmm故Mmax=117978.82Nm6.1.4求最大彎曲正應力橫截面上的最大彎曲正應力發(fā)生在距中性軸最遠的點上。用Y表示最遠點至中性軸的距離，則最大彎曲正應力為：在此Ymax=d/2=25mm故：x25=9.62N/mm2已知考慮安全系數(shù)的情況下鋼的強度為100—120Mpa由于βmax＜＜[βb]，故此軸不僅滿足強度要求，而且受力發(fā)生很大的變化時也能滿足要求。6.2腰部擺動油缸的選擇腕部有三個自由度—擺動、俯仰、旋轉(zhuǎn)，此三個自由度都采用擺動油缸實現(xiàn)。擺動油缸是一種輸出軸做擺動運動的液壓執(zhí)行元件，突出優(yōu)點是能使負載直接獲得擺動運動，無需任何變速機構(gòu)，因此已被廣泛應用于各個領(lǐng)域。它分為單片式和雙葉式兩種。1、單葉片示：葉片把工作腔分隔成兩腔。當壓力油通入其中—腔時，該腔容積增大，葉片旋轉(zhuǎn)。另一腔容積減小，進行排油。通過與葉片相連的輸出軸帶動負載轉(zhuǎn)動。壓力油反向時，葉片反轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)簡單緊湊，軸向尺寸小。安裝方便，利于整體布局。機械效率高。最大轉(zhuǎn)角≤310°，工作壓力≤21Mpa，輸出扭矩≤3500Nm。單葉片擺動缸的輸出轉(zhuǎn)矩T=Pb（D2-d2）γx10m3Nm（6-20）其中β—機械效率輸出角速度W=4Qx10rad/s（6-21）2、多葉片式：對于多葉片式，兩個（或三個）對應腔必須同時通入壓力油。兩個（或三個）其他腔也同時排由。與單葉片式相比，輸出扭矩能增加一倍（或兩倍）。輸出軸不受徑向力，機械效率更高。轉(zhuǎn)角較小，內(nèi)泄漏較大。容積效率較低。最大轉(zhuǎn)角≤100°，工作壓力≤21Mpa，輸出扭矩≤83000Nm。雙葉片擺動缸的輸出轉(zhuǎn)矩T=Pb(D2-d2)βx103Nm（6-22）輸出角速度W=2Qβx10rad/s其中β—體積效率俯仰及旋轉(zhuǎn)用擺動油缸因俯仰角=210°旋轉(zhuǎn)角=280°故選用單葉片系列。選俯仰及旋轉(zhuǎn)用擺動油缸為同一類型號，且安裝時兩油缸的擺動軸線相垂直。腕部最大負載為15Kg。初選為2.5IIPB280型擺動油缸。其技術(shù)參數(shù)如下：壓力（Mpa）2.5轉(zhuǎn)速（°/s）650轉(zhuǎn)矩（Nm）25質(zhì)量（Kg）1擺角（°）280°±2設(shè)擺動、俯仰、旋轉(zhuǎn)用擺動油缸分別簡記為油缸I、II、III,且三個油缸中心在一條水平線上時相互作用力最大。油缸III對II產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩T=1×9.8×（82＋84）÷1000=1.215Nm其中82mm—II中心到III近端面距離負載對II產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩T=6×9.8×（82＋84＋x）÷1000其中：x—負載重心到III端面的距離。考慮轉(zhuǎn)接件的長度，初取x=120mmT=6×9.8×（82＋84＋120）÷1000=16.817Nm旋轉(zhuǎn)支架對II的最大轉(zhuǎn)矩經(jīng)由公式m=2.5初算得：m=0.5Kg（兩個），m=0.283Kg故T3=2x0.5x9.8x0.027+0.283x9.8x9.8x0.08=0.5Nm油缸II所受轉(zhuǎn)矩T=T+T+T=1.215+16.817+0.5=18.5＜25故油缸II、III的選取合理。手腕擺動用擺動油缸的選取為實現(xiàn)手腕的左右擺動，油缸I、II、III的中心在一條水平線上時，的擺動軸線應與II、III的軸線都垂直。工作中，油缸I不直接受II、III負荷及支架重量引起的水平面上的轉(zhuǎn)矩的影響，只要能將他們擺動就夠了。現(xiàn)選2.5IIPB280/06型。其技術(shù)參數(shù)如下：壓力（Mpa）2.5轉(zhuǎn)矩（Nm）25擺角（°）280±2轉(zhuǎn)速（°/s）450質(zhì)量（Kg）36.3滑動油缸的設(shè)計計算在本次設(shè)計中采用的滑動油缸的結(jié)構(gòu)如圖6-3。其技術(shù)參數(shù)如下：壓力6.3Mpa速度0.3m/s行程210mm缸徑50mm活塞桿徑25mm小臂、大臂擺動。腰部回轉(zhuǎn)用滑動油缸設(shè)計成為同一類，現(xiàn)選小臂驅(qū)動油缸為主進行設(shè)計與計算。所需油缸輸出力的計算設(shè)所需由港輸出力為F，小臂受力分析如圖6-4。圖6-4小臂受力分析由力矩平衡方程（6-24）：G負l負+G3l3+G2l2+G1l1+G0l0+Gflf+GFlF=Fl（6-24）60x(1642+158+150+120)+10x（1642+158+150）+10x（1642+158）+30x1642+600x720+300x550=150FF=5386.4N6.3.2主要幾何尺寸的計算1、油缸內(nèi)徑D的計算根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來計算DD=3.57x102F（m）其中F-液壓缸推力（KN）,現(xiàn)取所需工作壓力F=6628.4N;P-選定的工作壓力（Mpa），取P=6.3Mpa，則D=3.57x10x5.3864=33.0mm再考慮的靈活性和安全起見，取D=50mm。2、塞桿直徑d的計算根據(jù)速度臂的要求來計算活塞桿直徑d為速度臂，油缸的往復運動速度比一般有2,1.46,1.33,1.25和1.15等幾種，一般推薦1-D2，現(xiàn)取=1.33，1.25和1.15等幾種，一般推薦β＜1.61，現(xiàn)取β=1.33則D=24.9mm按GB/T2349活塞桿外徑尺寸系列圓整得d=25mm3、油缸行程S的確定油缸行程S主要依據(jù)機構(gòu)的運動要求而定。如圖6-5，大臂在兩極限位置時的油缸總長分別記為l1l2。其中L3=OO2+OA2=4702+1502=493.35mmA=tg-1=17.7°圖6-5油缸行程分析圖在三角形ABC中運用余弦定理l1=BC=AB2+AC2-2xABxACcosCABDAB=122.3°在三角形ABD中運用余弦定理l2=BD=AB2+AD2-2xABxADcosDAB=587.35mm故油缸行程S=l2—l1=587.35-375.2=212.15=210mm油缸性能參數(shù)的計算1、油缸的輸出力F本次設(shè)計的為單桿活塞式液壓缸，采用耳環(huán)型安裝方式。由表37.761，查得當D=50mm，P=6.3Mpa，時液壓缸的輸出拉力F=9.28KN。2、油缸的儲油量V油缸的儲油量V為V=AS式中A—油缸的作用面積，S—油缸的行程，210mm則V=1962.5×210=412125mm3≈41.2L計算螺栓直徑計算手腕擺動用擺動油缸支架與腕部連接用螺栓直徑d，是由校核螺栓強度來確定。6.4.1分析螺栓組連接的載荷對支架來說，三個擺動油缸中心在一條水平線上時所受力矩最大，且為傾覆力矩。M=M1+M2+M3+M負+M架M1=3x9.8x0.096=2.822NmM2=1x9.8x0.254=2.489NmM3=1x9.8x（0.366+0.0084）=3.9984NmM負=6x9.8x0.55=32.3（0.5x0.29+0.283x0.336+0.758x0.238+0.528x0.156+0.448x0.2+1.601x0.0625）=6.786Nm轉(zhuǎn)接件、三個電位計及電位計保護蓋產(chǎn)生的力矩約計為3Nm，則M=2.822+2.489+3.998+32.34+6.786+3=43.124Nm計算力最大的螺栓承受的工作載荷F螺栓數(shù)目Z=4，對稱布置，且所受力矩最大時油缸1、2、3的重心與支架中心在一條水平線上，故M使每個螺栓所受的工作載荷均等，其值為F=ML/ZL2=43.124x0.068/4x0.0682=158.546N（6-28）腕部總體質(zhì)量G不直接引起軸向工作載荷。本章小結(jié)本章主要介紹局部結(jié)構(gòu)的計算及元器件的選擇：軸的強度校核、腕部擺動油缸的選擇、滑動油缸的設(shè)計計算、計算螺栓直徑等。結(jié)論本文通過對各種機器人機構(gòu)的分析研究，提出了一種較具有使用價值的六自由度關(guān)節(jié)式機器人機構(gòu)，綜合起來，它具有以下特點：1.結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，重量輕。大量采用低碳鋼焊接結(jié)構(gòu)，如復雜外形的支架，耳片接頭均采用焊接件，節(jié)省材料，加工方便。多數(shù)轉(zhuǎn)動部位采用滾針軸承，軸向不加擋圈，尺寸小構(gòu)造簡單。小臂與大臂的驅(qū)動油缸安置在一側(cè)，使用向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。系統(tǒng)采用彈簧式平衡，結(jié)構(gòu)簡單重量輕。2.機器人的手腕抓重可達15Kg，在相同等級的機器人中，其抓重較大；工作范圍也較大，因此工作的適應性較廣。3.平衡系統(tǒng)設(shè)計具有特點，小臂能在常用-30°工作范圍內(nèi)保持平衡；大臂采用彈簧一凸輪外形的選擇，使大臂大部分工作范圍內(nèi)達到平衡。4.該機加工比較粗糙，重復定位精度較低。初步證明，這種機器人機構(gòu)是可行的。致謝四年短暫緊張的學習生活即將結(jié)束了，我之所以能如期完成畢業(yè)論文，應忠心感謝羅建偉老師的精心指導和熱情幫助。在課題的進行過程中、在論文撰寫過程中、羅建偉老師給了我極大的幫助和教導，導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、高尚的品德、敏銳的思維、扎實的專業(yè)功底，讓我終身難忘。感謝各位學者，本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的同學和朋友，在我論文的寫作過程中給予我的素材，還在論文的排版和撰寫中提供熱情的幫助。參考文獻1劉文劍..工業(yè)機器人設(shè)計與應用。黑龍江省科學技術(shù)出版社，1990（10）2中英昌著。鄭春瑞譯.機器人.科學技術(shù)文獻出版社，1986:423孟繁化.機器人應用技術(shù).1968.6：34[日]牧野洋[中]謝存稀?？臻g機構(gòu)及機器人學。1987.10：235王知行，劉延榮。機械原理。高等教育出版社，1999，（1）：6王連明，陳鐵鳴。機械設(shè)計，哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998.7單成禪。傳感器的理論與設(shè)計原理及應用。國防工業(yè)出版社，1999：8[美]付京遜R.C岡薩雷斯CS.G李.機器人學控制傳感技術(shù)視覺智能.1989.10：69趙九江，張少實，王春香。材料力學。哈爾濱工業(yè)大學出版社，199810賈銘新，曹誠明。液壓傳動與控制。哈爾濱工程大學出版社，1995，11徐頜。機械設(shè)計手冊。機械工業(yè)出版社。199212姚智慧，張廣玉，侯珍秀?，F(xiàn)代機械制造技術(shù)。哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000，（2）13《DevelopmentofaHighPerformanceMCUs-ControlledDirectCurrentPowerSupplyPanel》.出版商IEEE,2010:124-14814GuiyunTian《FoumdationandApplicationpfMicrocontroller》.高等教育出版社,2009:43—117附錄1有許多關(guān)于機器人這個術(shù)語的定義。采用不同的定義，全世界各地機器人的數(shù)量就會發(fā)生很大的變化。在制造工廠中使用的許多單用途機器人可能會看起來就像機器人。這些機器是硬連線的，不能通過重新編程的方式去完成不同的工作。這種單用途的機器不能滿足被人們?nèi)找鎻V泛接受的關(guān)于工業(yè)機器人的定義。這個定義是由美國機器人協(xié)會提出的：機器人是一個可以改編程序的多功能操作器，被設(shè)計用來按照預先編制的能夠完成多種作業(yè)的運動程序運送材料、零件、工具或者專用設(shè)備。注意在這個定義中包含有“可以改編程序”和“多功能”這兩個詞。正是這兩個詞將真正的機器人與現(xiàn)代制造工廠中使用的單一用途的機器區(qū)分開來。“可以改編程序”這個術(shù)語意味著兩件事：機器人根據(jù)編寫的程序工作，以及可以通過重新編寫程序來適應不同種類的制造工作的需要?！岸喙δ堋边@個詞意味著機器人能通過編程和使用不同的末端執(zhí)行機構(gòu)，來完成不同的制造工作，圍繞著這兩個關(guān)鍵特征所撰寫的定義正在變成為制造業(yè)的專業(yè)人員所接受的定義。第一個帶有活動關(guān)節(jié)的手臂于1951年被研制出來，由美國原子能委員會使用。在1954年，第一個可以編程的機器人由喬治·狄弗設(shè)計出來的。它基于下面兩項重要技術(shù)：1字控制（NC）技術(shù)2程操作技術(shù)數(shù)字控制技術(shù)提供了一種非常適合與機器人的機器控制技術(shù)。它可以通過儲存的程序?qū)\動進行控制。這些程序包含機器人進行順序運動的數(shù)據(jù)，開始運動和停止運動的時間控制信號，以及做出決定所需要的邏輯語句。遠程操作器技術(shù)使得一臺機器的性能超出一臺數(shù)控機器。它可以使這種機器能夠在不容易進入和不安全的環(huán)境中完成各種制造任務。通過融合了上述兩項技術(shù)，狄弗研制出來第一個機器人，它是一個不復雜的，可以編程的物料運送機器人。第一臺商業(yè)化生產(chǎn)的機器人在1959年研制成功。通用汽車公司在1962年安裝了第一臺用于生產(chǎn)線上的工業(yè)機器人，它是尤尼梅森公司生產(chǎn)的。在1973年，辛辛那體·米蘭克朗公司研制出T-3工業(yè)機器人，在機器人的控制方面取得了較大的進展。T-3機器人是第一臺商業(yè)化生產(chǎn)的采用計算機控制的機器人。數(shù)字控制技術(shù)和遠程造作技術(shù)推動了大范圍的機器人研制和應用。但是主要的技術(shù)進步并不僅僅是由于這些新的應用能力而產(chǎn)生的，而是必須由利用這些能力所得到的效益來提供動力。就工業(yè)機器人而言，這個動力是經(jīng)濟性的。在20世紀70年代中，工資的快速增長大大增加了制造業(yè)的企業(yè)中的人工費用。與此同時，來自國外的競爭成為美國制造業(yè)所面臨的一個嚴峻的考驗。諸如日本等外國的制造廠家在廣泛地應用了自動化技術(shù)之后，其工業(yè)產(chǎn)品，特別是汽車，在美國和世界市場中占據(jù)了日益增大的份額。通過采用包括機器人在內(nèi)的各種自動化技術(shù)，從70年代開始，日本的制造廠家能夠比沒有采用自動化技術(shù)的美國制造廠家更好的和更便宜的汽車。隨后，為了生存，美國制造廠家被迫考慮采用任何能夠提高生產(chǎn)率的技術(shù)。為了國外制造廠家進行競爭，必須以比較低的成本，生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品。其他的因素，諸如尋找能夠更好地完成帶有危險性的制造工作的方式也促進了工業(yè)機器人的發(fā)展。但是，抓喲的理由一直是，而且現(xiàn)在仍然是提高生產(chǎn)率。機器人的一個主要優(yōu)點是它們可以在對于人類來說是危險的位置上工作。采用機器人進行焊接和切斷工作是比由人工來完成這些工作更安全的例子。盡管機器人與工作地點的安全密切相關(guān)，它們本身也可能是危險的。應該仔細地設(shè)計和配置機器人和機器人單元，使它們不會傷害人類和其他機器。應該精確地計算出機器人的工作范圍，并且在這個范圍的四周清楚地標出危險區(qū)域。可以采用地面上的紅色帶子和障礙物以阻止工人進入機器人的工作范圍。機器人系統(tǒng)的組成部分可以從物質(zhì)的觀點也可以從系統(tǒng)的觀點來討論機器人系統(tǒng)的組成部分。從物質(zhì)上看，我們可以將系統(tǒng)分成機器人、電源系統(tǒng)和控制器（計算機）。機器人本身可以像人一樣分為基座、肩、肘、腕、抓握器和工具。這些術(shù)語中的大部分不需要任何解釋。因此，我們將依照信息轉(zhuǎn)換的觀點來描述機器人的組成部分，這個組成部分進行何種邏輯或者算術(shù)運算，這個組成部分可以完成許多不同的信息處理工作（例如，中心計算機可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)進行許多不同種類的計算），這一點是很重要的。與之相似，在結(jié)構(gòu)上分開的兩個組成部分可以進行相同的信息操作（例如，肩部和肘部的執(zhí)行機構(gòu)用非常相似的方式將信息轉(zhuǎn)成運動）。執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)與機器人的每個關(guān)節(jié)相連，并且驅(qū)動這個關(guān)節(jié)進運動。電動機和液壓機和液壓油缸是典型的實行機構(gòu)。由于對位置和方向進行安全控制需要六個變量，通常一個機器人系統(tǒng)需要六個執(zhí)行機構(gòu)。在實際應用中，許多機器人并不需要具有這種完全的靈活性，因此，機器人通常只有五個或更少的執(zhí)行機構(gòu)。傳感器為了控制執(zhí)行機構(gòu)，計算機內(nèi)必須有關(guān)于執(zhí)行機構(gòu)位置的信息，還可能有執(zhí)行機構(gòu)速度的信息。這里所說的位置是執(zhí)行機構(gòu)相對任意參考點的位移。例如在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中，“位置”為角度的位置，并且采用弧度為單位來對其進行度量。許多種類的傳感器能夠表示位置和速度。各種傳感器需要有不同的機構(gòu)作為它與計算機之間的連接裝置。此外，操縱型機器人在工業(yè)中的應用要求對這種連接裝置加以保護，使其免受工廠中的惡劣電氣環(huán)境的影響。如果在設(shè)計和制作時沒有認真考慮對數(shù)字系統(tǒng)的連接裝置加以保護，諸如電弧焊機和大電機所產(chǎn)生的電氣噪聲源可以很容易地使這個數(shù)字系統(tǒng)失去作用。計算部分我們可以容易地將甲酸模塊稱為計算機，這是因為我們將要描述的大部分功能通常是由數(shù)字計算機完成的。然而，許多功能也可以由專用的硬件或者計算機網(wǎng)絡來完成。應該認識到在要求進行實時控制時，可能需要專門的設(shè)備，盡管目前的趨勢是向著全數(shù)字化發(fā)展，這個設(shè)備的某些部位甚至還可能采用模擬方式。在這里我們將把計算部分當做一個簡單的計算機來討論。進一步的說明：盡管機器人制造廠家目前在他們的系統(tǒng)中使用一個或者幾個微處理器，在本書中我們避免使用微處理器這個術(shù)語，簡單地將其稱之為計算機。計算部分可以完成下述工作：伺服已知執(zhí)行機構(gòu)當前的位置和速度，確定使執(zhí)行機構(gòu)向著它預定的位置的驅(qū)動信號。對于每一個執(zhí)行機構(gòu)都需要進行這種控制。運動學已知執(zhí)行機構(gòu)目前的狀態(tài)（位置和速度），確定抓握器目前的狀態(tài)。相反地，已知手的一個期望狀態(tài)，確定每一個執(zhí)行機構(gòu)的期望狀態(tài)。動力學已知機器人臂的負載信息（慣量、摩擦、重力、加速度），利用這種信息對伺服機構(gòu)進行控制，以取得更好的工作特性。在工作地點進行傳感器信息分析已知需要完成的任務的信息，確定適當?shù)臋C器人運動指令。這可能會包括對工作場所的電視圖像的分析，或者對手部施加的力的測量和補償。除了這些容易確定的組成部分，還有一些監(jiān)督管理工作，例如軌跡設(shè)計和操作者的干涉。附錄2英文參考資料Thecomponentsofarobotsystemcouldbediscussedeitherfromaphysicalpointofview.orfromapoint.Physically,wewoulddividethesystemintotherobot,powersystem,andcontroller(computer)Likewise,therobotitself.couldbepartitionedanthropomrphicallyintobase,shoulder,elbow,wrist,gripperandtool.Mostofthesetermsrequirelittle.explanation.Consequently,wewilldescribethecomponentsofarobotsystemform.Thepointofviewofinformationtransfer.Thatiswhatorinformationsignalthecomponentsofa"computer".Itsfunctionisnotpredefinedbutdependsontheprogramthatitexecutes.Amicrocontrollernecessarilycomprisesaprocessorcoreincludingacommandsequencer(whichisadevicedistributingvariouscontrolsignalstotheinstructionsofaprogram),anarithmeticandlogicunit(forprocessingthedata)andregisters(whicharespecializedmemoryunits).Theothercomponentsofthe"computer"canbeeitherinternalorexternaltothemicrocontroller,however.Inotherwords,theothercomponentsareintegratedintoeitherthemicrocontrollerorauxiliarycircuits.Theseothercomponentsofthe"computer"aredataprocessingandstoragedevices,forexamplereadonlyorrandomaccessmemorycontainingtheprogramtobeexecuted,clocksandinterfaces(serialorparallel).Asageneralrule,asystembasedonamicrocontrollerthereforecomprisesamicrochipcontainingthemicrocontroller,andapluralityofmicrochipscontainingtheexternaldataprocessingandstoragedeviceswhicharenotintegratedintothemicrocontroller.Amicrocontroller-basedsystemofthiskindcomprises,forexample,oneormoreprintedcircuitboardsonwhichthemicrocontrollerandtheothercomponentsaremounted.Itistheapplicationprogram,theprogramwhichisexecutedbythemicrocontroller,whichdeterminestheoveralloperationofthemicrocontrollersystem.Eachapplicationprogramisthereforespecifictoaseparateapplication.Inmostcurrentapplicationstheapplicationprogramistoolargetobeheldinthemicrocontrollerandisthereforestor