基于UG四自由度機器人的結構設計【三維UG】

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盡管直到三十多年前，“機器人“才作為專有名詞加以引用，然而機器人的概念在人類的想象中卻以存在三千多年了。早在我國西周時代（公元前1066—公元前771年），就流傳有關巧匠偃師獻給周穆王一個歌舞機器人的故事。我國東漢時期（25—220年），張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機器人雛形。作為第一批自動化動物之一的能夠飛翔的木鳥是在公元前400年至350年間制成的。公元前3世紀，古希臘發(fā)明家戴達羅斯用青銅為克里特島國王邁若斯塑造了一個守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。在公元前2世紀出現(xiàn)的書籍中，描寫過一個具有類似機器人角色的機械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進行舞蹈和列隊表演。人類歷史進入近代史之后，出現(xiàn)了第一次工業(yè)革命和科學革命。隨著各種自動機器、動力機械的問世，制造機器人開始由夢想轉入現(xiàn)實，許多機械式控制的機器人，主要是各種精巧的機器人玩具和工藝品應用而生。 公元1768—1774年間，瑞士鐘表匠德羅斯父子三人，設計制造出三個像真人一樣大小的機器人——寫字偶人、繪圖偶人和彈風琴偶人。它們是由凸輪控制和彈簧驅動的自動機器，至今還作為國寶保存在瑞士納切特爾市藝術和歷史博物館內(nèi)。同時，還有德國梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龍格雷姆”，日本物理學家西川半藏設計的各種自動機械圖形，法國杰夸特設計的機械式可編程織造機等。1893年，加拿大摩爾設計的能行走的機器人“安德羅丁”，是以蒸汽為動力的。這些機器人工藝珍品，標志著人類在機器人從夢想到現(xiàn)實這一漫長道路上前進了一大步。 進入20世紀后，機器人已躁動于人類社會和經(jīng)濟的母胎之中，人們含有幾分不安的期待著它的誕生。他們不知道即將問世的機器人將是個寵兒，還是個怪物。1920年，捷克劇作家卡雷爾?查培克（Karel Capek）在他的幻想情節(jié)劇《路薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“機器人”這個詞。在劇中，他把機器人描述成與人相似但能不知疲倦地工作的機器，最終機器人背叛它們的創(chuàng)造者而消滅了人類。各國對機器人的譯法，幾乎都從斯洛伐克語“robota”音譯為“羅伯特”，只有中國譯為“機器人”。1950年，美國著名科學幻想小說家阿西莫夫在他的小說《我是機器人》中，提出了有名的“機器人三守則”： （1） 機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受害而袖手旁觀； （2） 機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類； （3） 機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類令它做出犧牲。 這三條守則，給機器人社會賦以新的倫理性，并使機器人概念通俗化，更易于為人類社會所接受。至今，它仍為機器人研究人員、設計制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導方針。 因此，機器人的發(fā)展時間段大致可分為一下幾個時間段： 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。 　　1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。 　　1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學術界默認的研發(fā)原則。 　　1948年 諾伯特·維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。 　　1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 　　1956年 在達特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法：智能機器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。 　　1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。 　　1962年 美國AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。 　　1962年-1963年傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。 　　1965年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。 　　1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。 　　1969年 日本早稻田大學加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人，被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術見長，后來更進一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 　　1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。 　　1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。 　　1984年 英格伯格再推機器人Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。 　　1998年 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。 　　1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。 　　2002年 美國iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。iRobot公司北京區(qū)授權代理商：北京微網(wǎng)智宏科技有限公司http://www.micronet.net.cn。 　　2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預言，家用機器人很快將席卷全球。 多連桿機構和數(shù)控機床的發(fā)展和應用為機器人技術打下 重要基礎。 1954年，美國人喬治?德沃爾設計了第一臺電子程序可編的工業(yè)機器人，并于1961年發(fā)表了該項機器人專利。1962年，美國萬能自動化（Unimation）公司的第一臺機器人Unimate在美國通用汽車公司（GM）投入使用，這標志著第一代機器人的誕生。從次，機器人開始成為人類生活中的現(xiàn)實。此后，人類繼續(xù)以自己的智慧和勞動，譜寫機器人歷史的新篇章。 同時，隨著社會的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細，尤其是在現(xiàn)代化的大產(chǎn)業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產(chǎn)品的同一個部位上的一個螺母，有的人整天就是接一個線頭，就像電影《摩登時代》中演示的那樣，人們感到自己在不斷異化，各種職業(yè)病逐漸產(chǎn)生，于是人們強烈希望用某種機器代替自己工作，因此人們研制出了機器人，用以代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹩握{、枯燥或是危險的工作。由于機器人的問世，使一部分工人失去了原來的工作，于是有人對機器人產(chǎn)生了敵意?！皺C器人上崗，人將下崗?！辈粌H在我國，即使在一些發(fā)達國家如美國，也有人持這種觀念。其實這種擔心是多余的，任何先進的機器設備，都會提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質量，創(chuàng)造出更多的社會財富，也就必然提供更多的就業(yè)機會，這已被人類生產(chǎn)發(fā)展史所證明。任何新事物的出現(xiàn)都有利有弊，只不過利大于弊，很快就得到了人們的認可。比如汽車的出現(xiàn)，它不僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意，還常常出車禍，給人類生命財產(chǎn)帶來威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端，但它還是成了人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ?。英國一位著名的政治家針對關于工業(yè)機器人的這一問題說過這樣一段話：“日本機器人的數(shù)量居世界首位，而失業(yè)人口最少，英國機器人數(shù)量在發(fā)達國家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個側面說明了機器人是不會搶人飯碗的。 2）．機器人的定義 機器人的定義處在不斷的發(fā)展變化之中。美國機器人協(xié)會（RIA）認為，機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務，并具有編程能力的多功能機械手（Manipulator）日本機器人協(xié)會（JIRA）認為工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（End Effector）能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。國際標準化組織（ISO）給出的定義是，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可變程序造作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務。 關于我國機器人的定義。隨著機器人技術的發(fā)展，我國也面臨討論和制定關于機器人技術的各項標準問題，其中包括對機器人的定義。蔣新松院士曾建議吧機器人定義為“一種幾人功能的機械電子裝置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我們參考各國的定義，結合我國情況，對機器人做出統(tǒng)一的定義： 我們認為機器人是一種能自動控制、可重復編程、多功能，可以代替人完成特定任務的一種自動化機電裝置。 機器人技術的迅速發(fā)展，為機器人學的建立奠定了基礎。機器人學是綜合運用數(shù)學、力學、機械、電子、計算機、自動控制、人工智能等多學科知識，對機器人 的體系結構、機構、控制、智能、傳感、編程語言以及機器人應用等進行研究的一門綜合性新興交叉科學。 3）.機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 第一臺工業(yè)機器人問世后頭十年，從20世紀60年代初期到70年代初期，機器人技術的發(fā)展較為緩慢。進入20世紀70年代之后，人工智能學界開始對機器人產(chǎn)生濃厚興趣。他們發(fā)現(xiàn)機器人的出現(xiàn)與發(fā)展為人工智能的發(fā)展帶來了新的生機，提供了一個很好的實驗平臺和應用場所。進入80年代后，機器人生產(chǎn)繼續(xù)保持70年代后期的發(fā)展勢頭。到20世紀80年代后期，傳統(tǒng)機器人的應用趨于飽和，因而國際機器人學研究和機器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)不景氣現(xiàn)象。到90年代出機器人茶葉出現(xiàn)復蘇和繼續(xù)發(fā)展跡象。進入21世紀以來，機器人的發(fā)展出現(xiàn)了空前的發(fā)展跡象，主要研究領域就是運用于軍事和太空領域。許多相應的更為先進的更加智能的專用機器人應用而生。 機器人的技術趨勢 感覺功能、控制智能畫、移動功能的智能化、系統(tǒng)應用與集成化、安全可靠性、微型化、多傳感器信息融合與配置技術。 （1） 國外工業(yè)機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢: 國外工業(yè)機器人的現(xiàn)狀：機器人廣泛應用于各行各業(yè)。主要進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復雜作業(yè)。由于機器人及自動化成套裝備對提高制造業(yè)自動化水平，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率、增強企業(yè)市場競爭力、改善勞動條件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增長速度較快。以機器人為核心的自動化生產(chǎn)線適應了現(xiàn)代制造業(yè)多品種、少批量的柔性生產(chǎn)發(fā)展方向，具有廣闊的市場發(fā)展前景和強勁生命力，已開發(fā)出多種面向汽車、電氣機械等行業(yè)的自動化成套裝備和生產(chǎn)線產(chǎn)品。在發(fā)達國家，機器人自動化生產(chǎn)線已形成一個巨大的產(chǎn)業(yè)，像國際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是機器人自動化生產(chǎn)線及物流與倉儲自動化設備的集成供應商。 國外工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢: 機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學科發(fā)展密切相關。機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網(wǎng)絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展。機器人應用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務于人類活動的各個領域。 （2） 國內(nèi)工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 目前我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，先進制造業(yè)已進入一個新的發(fā)展階段。隨著經(jīng)濟全球化和我國加入WTO，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際競爭的局面。如何適應快速變化的國內(nèi)外市場需求，如何以高質量、低成本、快速反應的手段在市場中取得生存和發(fā)展，已是我國企業(yè)不容回避的問題，這些問題為工業(yè)機器人的應用提供了大的市場需求，促使中國工業(yè)機器人的應用市場日趨成熟。近幾年來，國外著名的工業(yè)機器人制造廠商紛紛加大了在我國的投資和應用技術的投入，對我國的國產(chǎn)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。 我國政府非常重視機器人技術的發(fā)展，從“七五”科技攻關及實施863計劃開始，就有計劃地組織和發(fā)展工業(yè)機器人事業(yè)，經(jīng)過20多年的研制和應用，目前在工業(yè)機器人的一些機種方面，如噴漆機器人、焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和特種機器人都有了長足的進步，基本掌握了工業(yè)機器人的設計制造技術和機器人應用中單元和生產(chǎn)線的設計、制造技術，有了一支具有一定水平的技術隊伍，奠定了我國獨立自主發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的基礎。但是，我國工業(yè)機器人在總體技術上與國外先進水平相比還有很大差距，僅相當于國外九十年代中期的水平。目前工業(yè)機器人的生產(chǎn)規(guī)模仍然不大，多數(shù)是單件小批生產(chǎn)，關鍵配套的單元部件和器件始終處于進口狀態(tài)，工業(yè)機器人的性價比較低。我國整體裝備制造水平不高，制約了我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的形成和實現(xiàn)規(guī)模化的發(fā)展。 盡管中國工業(yè)機器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質價廉的工業(yè)機器人商品，目前在我國尚有較長的路程。首先為了促進中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須在以市場需求為主的前提下，國家在政策上鼓勵企業(yè)在技術投入和技術改造方面應用國產(chǎn)工業(yè)機器人。同時轉變現(xiàn)有的機制，建立以適應市場經(jīng)濟所需的工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)基地。 其次，在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，應繼續(xù)對工業(yè)機器人的研究開發(fā)和應用關鍵、基礎部件的研究和產(chǎn)品化給予支持，形成產(chǎn)品和自動化制造裝備同步協(xié)調發(fā)展的新局面。 第三，結合我國的國情，加強我國工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，使之與國民經(jīng)濟的發(fā)展密切相結合。經(jīng)過近十年的努力，我國在工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)方面已具有相當?shù)膶嵙?，已有一支了解企業(yè)的需求，能開發(fā)出符合實際使用條件應用工程，成本低，服務及時，具備與國外公司的競爭能力，因此加強工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，并圍繞應用工程的需要進行工業(yè)機器人新產(chǎn)品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a(chǎn)能力，這樣可以促進我國企業(yè)的技術進步和提高競爭力，同時工業(yè)機器人的應用也可形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。 我國的機器人研究開發(fā)工作始于20世紀70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關計劃，發(fā)展比較快。在機器人基礎技術方面：諸如機器人機構的運動學、動力學分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內(nèi)外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術、遙控機器人的控制技術等均取得長足進展，并在實際工作中得到應用。 在機器人的單元技術和基礎元部件的研究開發(fā)方面：諸如交直流伺服電機及其驅動系統(tǒng)、測速發(fā)電機、光電編碼器、液壓（氣動）元部件、滾珠絲杠、直線滾動導軌、諧波減速器、RV減速器、十字交叉滾子軸承、薄壁軸承等均開發(fā)出一些樣機或產(chǎn)品。但這些元部件距批量化生產(chǎn)還有一段距離。 有關專家研究認為，我國工業(yè)機器人的市場主要在汽車、摩托車、電器、工程機械、石油化工等行業(yè)，企業(yè)對技術進步的需求更加強烈，其中主要的機器人用戶仍在汽車制造行業(yè)、工程機械行業(yè)及電機、電子行業(yè)。我國對工業(yè)機器人的需求量和品種將逐年大幅度增加。 二．四自由度機器人課題設計的參數(shù) 結構形式：串聯(lián)關節(jié)式 負載能力：2Kg 重復定位精度：±0。1mm 運動范圍：:300°:120°：120°360° 每軸最大運動速度：腰轉 45°/S 、大臂 45°/S、 小臂 30°/S 、腕擺 60°/S 最大展開半徑：530mm 高度：957mm 本體重量： 操作方式：示教再現(xiàn)/編程 供電電源：單相220V、50Hz 三．課題設計要解決的主要問題 1）串聯(lián)式機械主座及機械手臂結構的確立（如右圖）； 2）主要運動機構的確立計算； 3）活動關節(jié)出伺服電機的選用； 4）活動關節(jié)處四自由度的確定及計算； 5）運用UG軟件對以上計算數(shù)據(jù)進行建模仿真分析； 6）編寫說明書，運用CAD、UG軟件進行工程圖的繪制。 四．技術路線（研究方法） 1.在現(xiàn)有的資料和實驗室器材的基礎上進行結構尺寸的分析、設計、布置，如有必要進行調研，參考相近似的同類設計資料。 2.在對各個主要部件、關節(jié)的尺寸參數(shù)進行設計后，利用UG軟件進行仿真建模和完成裝配圖。 五．進度安排 1．調研，查閱相關文獻，寫文獻綜述及開題報告；第1～2周（3月2日～3月13日） 2．對課題機器人零件進行設計計算；第3～8周（3月15日～4月24日） 3．期中考核； 第9周（4月26日～5月1日） 小四號宋體，加粗 4．對課題機器人計算數(shù)據(jù)進行UG仿真建模和繪制裝配圖及部分零件圖；第10～13周（5月3日～5月29日） 5．對零件圖進行修改；第14周（6月1日～6月5日） 6．審核，編寫說明書；第15周（6月8日～6月12日） 7．修改, 第16周（6月15日～6月19日） 8．畢業(yè)設計答辯準備及答辯；第17周（6月22日～6月 26日） 六．參考文獻 [1]孫樹棟 《工業(yè)機器人技術基礎》　 2006年12月 西北工業(yè)出版社 [2]蔡自興 《機器人學》　　 2003年12月 清華大學出版社 [3]Jorge Angeles（加拿大）著 宋偉剛 譯 《機器人機械系統(tǒng)原理理論、方法和算法》 2004年8月 機械工業(yè)出版社 [4]孫瑩. 機器人時代即將開啟 [J] 2006年29期 [5]林繩宗. 全球機器人應用概況 [J] 2005年 6期 [6]姚志良.我國工業(yè)機器人發(fā)展的幾點思考 [J] 機器人技術與應用 28 [7] 馬曉麗、尹小琴、馬履中、張慶功、張雪蓮. 新型4自由度并聯(lián)機構的動力學建模與分析[J] 自然科學版 第28卷第5期 2007年9月 [8]王仲民，蔡霞，崔世鋼．一種四自由度機器人的運動學建模，動化計算機[J]．2005年13卷4期 [9]汪木蘭，徐開蕓，饒華球，張思弟．虛實結合的多關節(jié)機器人開放式仿真系統(tǒng)研究[J]，系統(tǒng)仿真學報，2007年第19卷第21期 [10]滿翠華，范迅，李成榮，張華．5自由度機器人手臂研究[J]，制造業(yè)自動化，2006年第28卷第10期 [11]馮威，陳工．26自由度仿人機器人的設計與控制[J]《機械工程與自動化>>2008年 第02期 [12] 劉含瑋、王洪光、李樹軍、何立波. 一種自由度并聯(lián)柔索驅動機器人的精度研究 [J] 200年9月 第30卷第五期 [13] 潘芳偉、盧菊洪、賀利樂. 新型六自由度并聯(lián)機器人精度分析 [J] 2008年8月第36卷第8期 [14] 李琦、劉紅軍. 基于剛柔結合的四自由度并聯(lián)機構構型設計 [J] 2008年 7期 [15] Anthony Kushigian.CNC dressers improve productivity,flexibility.tooling&production,1997(6):46-50. 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