四自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

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1、'一批注[MZ1]: 分類號(hào) UDC 密級(jí) 學(xué)位論文 四自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化 作者姓名： 張進(jìn)偉 指導(dǎo)教師： 柳洪義教授 東北大學(xué)機(jī)械電子工程研究所 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別： 碩士 學(xué)科類別： 工學(xué) 學(xué)科專業(yè)名稱： 機(jī)械電子工程 論文提交日期： 2008年 月 論文答辯日期： 2008年7月 學(xué)位授予日期： 2008年 月 答辯委員會(huì)主席: 評(píng)閱人： 東北大學(xué) 2008年6月 A Thesis for the Degree of Master in

2、 Mechanical and Electronic Engineering Analysis and Optimization of the Structure of 4-DOF SCARA Robot By Zhang Jinwei Supervisor: Professor Liu Hongyi Northeastern University June 2008 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 獨(dú)創(chuàng)性聲明 「帶格式的：樣式標(biāo)題1 + 段前：1行段后：1行，制 表位：23.69 字符,居中 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得 的研究成果除加

3、以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò) 的研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過(guò)的材料。與我一同工 作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝 意、。 學(xué)位論文作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論 文的規(guī)定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和 磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。 作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流的時(shí)間為作者獲得學(xué)位后： 半年□ 一年口 一年半□ 兩年□ 學(xué)位論文作者簽名：

4、 導(dǎo)師簽名: 簽字日期： 簽字日期: 四自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化 摘要 工業(yè)機(jī)器人一般指用于機(jī)械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、高質(zhì)量要求的工作， 如汽車(chē)制造、摩托車(chē)制造、艦船制造、某些家電產(chǎn)品、化工等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn) 焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝、碼垛等作業(yè)的機(jī)器人。它 是集運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)理論、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)、控制理論、 傳感器技術(shù)、人工智能理論等科學(xué)技術(shù)理論的綜合應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)標(biāo)志 著一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)的水平，而機(jī)器人在各種工業(yè)領(lǐng)域的普及應(yīng)用，則顯示了這個(gè)國(guó)家 的經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的綜合實(shí)力。

5、機(jī)器人技術(shù)是多學(xué)科的綜合運(yùn)用，在眾多類型機(jī)器人中，平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人在平面 內(nèi)的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性，沿升降軸的運(yùn)動(dòng)具有很強(qiáng)的剛性，非常適合應(yīng)用于搬運(yùn)、焊 接和裝配等重復(fù)性任務(wù)，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。本文以四自由度平面關(guān)節(jié)型 機(jī)器人結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究了四自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化的問(wèn)題。 首先，以Pro/E軟件為基礎(chǔ)，對(duì)平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 過(guò)程中詳細(xì)討論多種設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)原理、以及設(shè)計(jì)過(guò)程中的要求與原則，通過(guò)對(duì)不同 設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與尺寸。 在同樣的工作空間內(nèi)完成相 同動(dòng)作時(shí)，針對(duì)其它四自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析

6、對(duì)比，分析了不同結(jié)構(gòu)參 數(shù)對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)運(yùn)行的影響，為機(jī)器人設(shè)計(jì)者提供參考。這種在具體設(shè)計(jì)之前預(yù)先給出 不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間優(yōu)缺點(diǎn)的方法能夠使設(shè)計(jì)者根據(jù)任務(wù)的要求選擇機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和參 數(shù)，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中不必要的重復(fù)工作。 其次，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)過(guò)虛擬仿真可以檢查機(jī)器人 設(shè)計(jì)的合理性，以及觀察機(jī)器人結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相互干涉性，并在 ANSYS軟件中 建立各臂模型，進(jìn)行位移、應(yīng)力、模態(tài)分析，從中選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定本體設(shè)計(jì) 和驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。 最后，通過(guò)對(duì)伺服系統(tǒng)的各種形式、電機(jī)性能進(jìn)行分析比較，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)快速響應(yīng)、 平穩(wěn)工作的要求，對(duì)平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)

7、傳動(dòng)方式、交流伺服電機(jī)、減速器進(jìn)行 計(jì)算選擇，從而機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。 關(guān)鍵詞：平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人；四自由度；運(yùn)動(dòng)仿真； Pro/E； ANSYS II 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 Abstract An alysis and Optimizati on of the structure of 4-DOF SCARA Robot Abstract The in dustry robot gen erally refers the robot which is used in the mecha ni cal manu facturi ng in dustry, replaci

8、 ng the huma n to complete the mass and high request work, such as the automobile manufacture, the motorcycle manufacture, the ships manufacture, and the work of spot weldi ng, the arc weld ing, the painting, cut, the electro nic assembly and the tran sport ing, the pack ing, piles buttress in the a

9、utomatic product ion line of certa in electrical applia nces manufacture and chemical in dustry and so on. It is the in tegrated applicati on of tech no logical theory, such as kin ematics and dyn amics theory, mecha ni cal desig n and manufacture tech niq ue, the hardware and software of computer t

10、ech niq ue, con trol theory, sen sor tech no logy, the theory of artificial in tellige nce and so on. The applicatio n and exploitati on of robot tech nique in dicate the scie nce and tech no logy level of a coun try. What more, its usage and prevalence in some industry fields revealed the synthetic

11、al strength of a country ' s developme nt in economy and tech no logy. Robot tech nique is the syn thetical applicati on of many subjects. In nu merous types of robots, SCARA Robot has biggish flexibility in plane movement and strong rigidity in lift axes moveme nt, which is very propitious to be a

12、pplied to repeat ing task such as conveying, jointing and assembly and so on, so it is applied widely in in dustry product ion. This thesis based on the structure of the 4-DOF SCARA Robot and stressly in vestigated the problem of the an alysis and optimizati on of the structure of 4-DOF SCARA Robot.

13、 Firstly, based on the software Pro/E, desig ning the overall structure of the SCARA Robot. During the process of structure desig n, many methods, eleme nts, requireme nts and principles are discussed in detail. The optimized design structure and dimension are got by comparis on and an alysis of th

14、e differe nt desig n parameter and structure; dexterity an alysis results of 4-DOF robots with differe nt structures are give n, and the results are compared with other structures of SCARA Robot with in the same workspace. The in flue nce of structural parameters on robot dexterity is an alyzed, whi

15、ch can serve as useful reference to robot desig ners. This kind of method can give the dexterity an alysis result before detailed desig n, and can en able desig ners to select robot structure and parameters accord ing to task requireme nts. Secon dly, the kin ematics emulatio n of the robot is an a

16、lyzed and the structure is optimized. Afterthat each arm model is founded, besides the displacement, stress, mode are an alyzed by ANSYS software, and the optimized structure is selected, seque ntially the desig n is con firmed and the rati on ality of project is validated. Fin ally, accord ing to

17、the requireme nts of system for the rapid resp on se, smooth work, after the comparis on of various forms of servo system and the electrical theory, have chose various joint drive ways on the SCARA Robot, AC servo motor and reducer to realize motion con trol of robot, so that robot system desig n is

18、 optimal at last. Key words : SCARA Robot; 4-DOF; Motion Simulation; Pro/E; ANSYS -iii - 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 目錄 獨(dú)創(chuàng)性聲明 I 摘要 II Abstract iii 目 錄 V 第一章緒論 1 1.1課題研究的背景與意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)及分類 3 1.3.1工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn) 3 1.3.2工業(yè)機(jī)器人分類 4 1.4工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及應(yīng)用 6 1.4.1工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成 6 1.4.2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

19、7 1.4.3工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用 8 1.5本論文研究的基本內(nèi)容 8 1.5.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 1.5.2機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì) 9 1.5.3機(jī)器人結(jié)構(gòu)CAE分析 9 1.5.4 伺服系統(tǒng)選擇 9 第二章 機(jī)器人本體設(shè)計(jì) 10 2.1機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 2.1.1 CAD 軟件 Pro/E 概述 10 2.1.2機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要坐標(biāo)式 13 2.1.3機(jī)器人本體設(shè)計(jì)原則 14 2.2機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 16 2.2.1機(jī)身的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 16 2.2.2臂1的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 17 2.2.3臂2的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 20 2.2.4臂3的

20、設(shè)計(jì)與優(yōu)化 22 225機(jī)械手設(shè)計(jì)與優(yōu)化 25 第三章機(jī)器人虛擬仿真與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 26 3.1機(jī)器人組件裝配 26 3.1.1機(jī)身與臂1虛擬裝配 26 3.1.2臂1與臂2虛擬裝配 27 3.1.3臂2與臂3虛擬裝配 27 3.1.4機(jī)械手虛擬裝配 28 3.1.5機(jī)器人模態(tài)的整體總裝 28 3.2虛擬仿真 29 3.3機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 33 3.3.1機(jī)器人齊次坐標(biāo)系的建立 33 3.3.2機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 35 3.3.3機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 36 第四章 機(jī)器人結(jié)構(gòu) CAE分析 38 4.1機(jī)器人有限元分析原理 38 4.1.1形狀

21、函數(shù) 38 4.1.2單元?jiǎng)偠染仃?39 4.1.3單元節(jié)點(diǎn)位移 41 4.1.4系統(tǒng)固有頻率 41 4.2機(jī)器人雙臂的ANSYS有限元分析 42 4.2.1 ANSYS有限元分析的特點(diǎn) 42 4.2.2機(jī)器人臂1 ANSYS有限元分析 42 4.2.3機(jī)器人臂3 ANSYS有限元分析 45 第五章伺服系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì) 49 5.1步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較 49 5.2機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 50 5.3各關(guān)節(jié)傳動(dòng)方式與驅(qū)動(dòng)原件選擇 51 5.3.1各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式選擇 51 5.3.2各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)原件的選擇 52 5.4交流伺服電機(jī)控制原理 55 第六

22、章結(jié)論 56 -VII - 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 參考文獻(xiàn) 57 致謝 60 -# - 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1章緒論 第一章緒論 1.1課題研究的背景與意義 隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。在制造 業(yè)中誕生的工業(yè)機(jī)器人是繼動(dòng)力機(jī)、 計(jì)算機(jī)之后而出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新 一代生產(chǎn)工具。機(jī)器人的應(yīng)用是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 有關(guān)專家研究表明，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已廣泛應(yīng)用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，并已形成一個(gè) 巨大的產(chǎn)業(yè)，年市場(chǎng)容量約為 1000億美元。我國(guó)有關(guān)部門(mén)及企業(yè)應(yīng)該做好充分準(zhǔn)備， 借鑒國(guó)外推動(dòng)產(chǎn)

23、業(yè)發(fā)展的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)要快速發(fā)展，就不能只靠幾個(gè)愛(ài)好 者的激情和科研單位的單方努力，機(jī)器人就不能只作為展覽會(huì)上的表演者。研制單位必 須和需求緊密結(jié)合，讓機(jī)器人走進(jìn)工廠和家庭，實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化。把發(fā)展中國(guó)機(jī)器人 產(chǎn)業(yè)納入政府重要產(chǎn)業(yè)政策中，引導(dǎo)和扶持企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，加速機(jī)器人 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 近年來(lái)我國(guó)的機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比， 還有一定的差距，如可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品，機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生 產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距。我國(guó)目前從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位相對(duì)較少， 工業(yè)機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求量，長(zhǎng)期大量依靠從國(guó)外

24、引進(jìn)。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，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的 0.4%。產(chǎn)生以上差距，有關(guān)專 家認(rèn)為主要是我國(guó)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)都是根據(jù)用戶的要求， “一個(gè)客戶，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)、成本較高、而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 本課題研究的四自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的機(jī)器人之 一。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料介紹，目前，國(guó)外已有的各種專用和通用裝配機(jī)器人中，平面關(guān)節(jié)型裝 配機(jī)器人是應(yīng)用數(shù)量最多且較為廣泛的一種裝配機(jī)器人。 1991年世界上4萬(wàn)余臺(tái)在生產(chǎn) 上應(yīng)用的裝配機(jī)器人中，平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占 3/4左右。其

25、主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娮与娖? 業(yè)、家用電器業(yè)、精密機(jī)械業(yè)。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè)；家用電器及 儀器儀表的組裝作業(yè)；小型電器開(kāi)關(guān)、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)。可以說(shuō)，平面關(guān) 節(jié)型機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單并且要求機(jī)器人價(jià)格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。而且平 面關(guān)節(jié)型最顯著的特點(diǎn)是他們?cè)?XY平面上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性， 而沿Z軸方向具有 很強(qiáng)的剛性，這種選擇性的柔性，在裝配作業(yè)中是很重要的特性， 非常適合應(yīng)用于搬運(yùn)、 焊接和裝配等重復(fù)性任務(wù)，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。鑒于平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，研究平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人也就具有相當(dāng)?shù)拇硇?。而在眾?的機(jī)器人研究中，

26、大多主要側(cè)重于研究機(jī)器人的控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在機(jī)器人結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面反而沒(méi)有引起足夠多的重視，正因?yàn)槿绱?，在本課題中專門(mén)針對(duì)四自由 度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器的結(jié)構(gòu)做了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及對(duì)相關(guān)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的討論分析，期待對(duì) 我國(guó)的機(jī)器人研究有更大的幫助。 1.2國(guó)內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為 先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)， 將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來(lái)越重 要的作用。 目前在國(guó)外機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。 主要進(jìn)行焊接、裝配、搬運(yùn)、加工、噴涂、 碼垛等復(fù)雜作業(yè)。如下圖1.1機(jī)器人涂膠和圖1.2高壓水切割機(jī)器人等。

27、 目前，全球現(xiàn) 役工業(yè)機(jī)器人83萬(wàn)臺(tái)。過(guò)去10年，機(jī)器人的價(jià)格降低約 80%，現(xiàn)在繼續(xù)下降，而歐美 勞動(dòng)力成本上漲了 40%。現(xiàn)役機(jī)器人的平均壽命在 10年以上，可能高達(dá)15年，它們還 易于重新使用。由于機(jī)器人及自動(dòng)化成套裝備對(duì)提高制造業(yè)自動(dòng)化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量 和生產(chǎn)效率、增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、改善勞動(dòng)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(zhǎng)速度較快。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)及聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委 員會(huì)（UCENE ）統(tǒng)計(jì)，2001年機(jī)器人安裝量為7.8萬(wàn)臺(tái)套，年增長(zhǎng)率 9%。機(jī)器人的應(yīng) 用主要有兩種方式，一種是機(jī)器人工作單元，另一種是帶機(jī)器人的生產(chǎn)線，并且后者在 國(guó)外已經(jīng)成

28、為機(jī)器人應(yīng)用的主要方式。 以機(jī)器人為核心的自動(dòng)化生產(chǎn)線適應(yīng)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(chǎng)發(fā)展前景和強(qiáng)勁生命力，已開(kāi) 發(fā)出多種面向汽車(chē)、電氣機(jī)械等行業(yè)的自動(dòng)化成套裝備和生產(chǎn)線產(chǎn)品。在發(fā)達(dá)國(guó)家，機(jī) 器人自動(dòng)化生產(chǎn)線已形成一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，年市場(chǎng)容量約為 1000億美元。 圖1.1機(jī)器人涂膠 Fig 1.1 Robot gelatinize Fig 圖1.2高壓水切割 1.2 High pressure water incision 據(jù)國(guó)際機(jī)器人協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2003年工業(yè)機(jī)器人發(fā)貨量呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。與 2002年 相比，2003年全球范圍內(nèi)機(jī)器人的訂貨

29、量增長(zhǎng)約 10%以上。預(yù)計(jì)，工業(yè)機(jī)器人的世界 市場(chǎng)將從2002年的68600臺(tái)套增長(zhǎng)到2010年的151100多臺(tái)套，年平均增長(zhǎng) 7.4%。 縱觀目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)異常迅猛，從銷(xiāo)售量上更是充分說(shuō)明 了這個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。在中國(guó)市場(chǎng)上占有 35%市場(chǎng)份額的ABB公司2004年在中國(guó)賣(mài)出 了 600臺(tái)機(jī)器人。而該公司在過(guò)去9年中一共才在中國(guó)大陸市場(chǎng)銷(xiāo)售了 2000臺(tái)機(jī)器人。 專家預(yù)測(cè)，我國(guó)機(jī)器人 2008年擁有量將增至 7600臺(tái)，至U 2010年擁有量將達(dá)到17300 臺(tái)，到2015年，市場(chǎng)容量將達(dá)十幾萬(wàn)臺(tái)(套)。據(jù)悉，汽車(chē)制造、工程機(jī)械及電機(jī)、 電子等行業(yè)的企業(yè)是中國(guó)今后對(duì)

30、機(jī)器人需求最大的部門(mén)，其中所需機(jī)器人的品種以點(diǎn) 焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)、沖壓等為主 [1,2]。 但是，我國(guó)現(xiàn)有主要生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人廠家其生產(chǎn)規(guī)模較小，這與當(dāng)前市場(chǎng)需求有較 大差距。生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到大批量生產(chǎn)能力，才能提高機(jī)器人的穩(wěn)定性、可靠性及降低成本， 才能占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。目前主要生產(chǎn)第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人。隨著建筑施工、石化、食 品、核工業(yè)、水下、高空及微加工行業(yè)的需求，將推出一批新機(jī)型，如大負(fù)載、高精度、 蛇形的、無(wú)人飛行器以及家用、病人護(hù)理、盲人引導(dǎo)犬等。目前正在逐步建立上海、沈 陽(yáng)、北京機(jī)器人及其自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)基地，開(kāi)發(fā)出一批有市場(chǎng)前景的，具有自主知識(shí) 產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人及其自動(dòng)化生產(chǎn)線

31、產(chǎn)品。進(jìn)一步加強(qiáng)與外企合作，引入先進(jìn)技術(shù)及資金使 我國(guó)成為國(guó)際生產(chǎn)機(jī)器人基地，占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，走向世界 [3,4]。 1.3工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)及分類 1.3.1工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn) 機(jī)器人(Robot)是1920年由捷克作家卡雷爾?查培克在劇本中塑造的一個(gè)具有人 的外表、特征和功能，愿意為人服務(wù)的機(jī)器奴仆“ Robota” 一詞衍生出來(lái)的。我們可以 這樣說(shuō)：機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度的，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動(dòng)作和功能 的機(jī)器；而工業(yè)機(jī)器人(In dustrial Robot)則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人 [5,6]。 工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)最顯著的特點(diǎn)： (1) 可編程 工業(yè)機(jī)器人可隨

32、其工作環(huán)境變化的需要而再編程， 因此它在小批量多品種具有均衡 高效率的柔性制造過(guò)程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。 (2) 擬人化 工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、 腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分， 在控制上有計(jì)算機(jī)。此外，智能化工業(yè)機(jī)器人還有許多“生物傳感器”，傳感器的使用 極大提高了工業(yè)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力。 (3) 通用性 一般工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性， 如更換工業(yè)機(jī)器人的 末端執(zhí)行器便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。 1.3.2工業(yè)機(jī)器人分類 根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人也相應(yīng)有不同的種類。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可看作 是

33、由一些連桿通過(guò)關(guān)節(jié)組裝起來(lái)的。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。連桿和 關(guān)節(jié)按不同的坐標(biāo)形式組裝，機(jī)器人可分為五種：直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器 人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人 [7,8]。 （1） 直角坐標(biāo)型機(jī)器人 直角坐標(biāo)型機(jī)器人是通過(guò) 3個(gè)互相垂直的軸線位移來(lái)改變手部的空間位置， 運(yùn)動(dòng)是 獨(dú)立的，其前三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)（PPP）。該類操作機(jī)易于實(shí)現(xiàn)高定位精度，空間軌跡 易于求解，但操作靈活性差，運(yùn)動(dòng)的速度較低，當(dāng)具有相同的工作空間時(shí)，機(jī)體所占空 間體積大。 （2） 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng) （RPP）來(lái)實(shí)現(xiàn)手部的空間位置變

34、化。 該種操作機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于幾何計(jì)算，其工作范圍較大，運(yùn)動(dòng)速度較高，但隨著水平臂 沿水平方向伸長(zhǎng)，其線位移分辨精度越來(lái)越低。通常用于搬運(yùn)機(jī)器人。 （3） 球坐標(biāo)機(jī)器人 球坐標(biāo)機(jī)器人用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)移動(dòng)（ RRP）來(lái)改變手部的空間位置。一般是要關(guān) 節(jié)可繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂可在Z-X平面內(nèi)俯仰（轉(zhuǎn)動(dòng)）。這種機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊， 所占空間體積小，其操作比圓柱坐標(biāo)型更為靈活，并能擴(kuò)大機(jī)器人的工作空間，但旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個(gè)變量。 （4） 關(guān)節(jié)型機(jī)器人 關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人是模擬人的上肢而構(gòu)成的。它的前三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（ RRR）,腰關(guān) 節(jié)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，臂的兩個(gè)關(guān)節(jié)繞平行

35、于 Y軸的兩軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。它利用順序的三個(gè)圓弧運(yùn) 動(dòng)來(lái)改變手的空間位置，其特點(diǎn)是所占體積小，機(jī)構(gòu)緊湊，操作靈活性最好，運(yùn)動(dòng)速度 較高，操作范圍大，還能繞過(guò)其基座周?chē)囊恍┱系K物，但精度受手臂位姿的影響，實(shí) 現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)較困難。這是機(jī)器人使用最多的一種操作機(jī)。 PUMA、CINCINNATI T3、 MTOMAN、ABB、KUKA等名牌機(jī)器人都是采用這種型式的操作機(jī)。 （5） 并聯(lián)機(jī)器人 該機(jī)器人采用六自由度的 Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人機(jī)構(gòu)。根據(jù)這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)， 人們把它稱為并聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上是用 6根支桿將上下兩平臺(tái)聯(lián)接，這樣上下 平臺(tái)就可進(jìn)行6個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，即有6個(gè)自由度，

36、在三維空間可以沿任意方向的移動(dòng)和繞 任何方向的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。 由于機(jī)械手、操作機(jī)、機(jī)器人有許多共同點(diǎn)，它們?cè)诩夹g(shù)上是相通的，有時(shí)很難嚴(yán) 格區(qū)分。同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)目前正處于迅速發(fā)展階段，關(guān)于機(jī)器人的一些概念、定義， 仍在不斷充實(shí)、演變之中，存在著不同的認(rèn)識(shí)和見(jiàn)解。從文獻(xiàn)中可以找到各種各樣關(guān)于 “機(jī)器人”的定義。1984年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA） 給“機(jī)器人”下的定義，即“機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零 件、工具的操作機(jī)?！被蛘摺笆且环N帶有執(zhí)行不同的工作任務(wù)的手臂，且可改編程序動(dòng) 作來(lái)完成各種作業(yè)的特殊機(jī)械裝置?！? 關(guān)于機(jī)器人如何分類，國(guó)際上沒(méi)

37、有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)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(yīng)用領(lǐng)域分。 我國(guó)的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī) 器人。 所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。 而特種機(jī)器 人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服 務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在 特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、 軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。 目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類：制

38、造環(huán)境下的 工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)機(jī)器人。隨著工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)，信息化的到來(lái)，我們開(kāi) 始進(jìn)入知識(shí)經(jīng)濟(jì)的新時(shí)代。 創(chuàng)新是這個(gè)時(shí)代的源動(dòng)力。文化的創(chuàng)新、觀念的創(chuàng)新、科技的創(chuàng)新、體制的創(chuàng)新改 變著我們的今天，并將改造我們的明天。 新舊文化、新舊思想的撞擊、競(jìng)爭(zhēng)，不同學(xué)科、 不同技術(shù)的交叉、滲透，必將迸發(fā)出新的精神火花，產(chǎn)生新的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和物質(zhì)力量。 機(jī)器人技術(shù)就是在這樣的規(guī)律和環(huán)境中誕生和發(fā)展的 [9,10]。 科技創(chuàng)新帶給社會(huì)與人類的利益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它的危險(xiǎn)。 機(jī)器人的發(fā)展史已經(jīng)證明了這 一點(diǎn)。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大， 從工業(yè)走向農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)；從產(chǎn)業(yè)走進(jìn)醫(yī)院、家庭; 從陸地潛入水下、飛往

39、空間；機(jī)器人展示出它們的能力與魅力，同時(shí)也表示了它們與人 的友好與合作。 1.4工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及應(yīng)用 1.4.1工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由操作機(jī)、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè) 備組成。 （1） 操作機(jī)（又稱執(zhí)行系統(tǒng)） 操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，是可在空間抓 放物體或是進(jìn)行其他操作的機(jī)械裝置。通常由以下部分構(gòu)成： ① 末端執(zhí)行器 又稱手部，是操作機(jī)直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是 工業(yè)機(jī)器人直接與工作對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。 ② 手腕 是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件， 主要用來(lái)確定和改變末

40、端執(zhí)行器的方位和擴(kuò) 大手臂的動(dòng)作范圍，一般具有 2-3個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機(jī) 器人可以沒(méi)有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 ③ 手臂 它由操作機(jī)的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成， 是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位 置的部件。手臂有時(shí)不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(jié)（如關(guān)節(jié)型就可能很 多節(jié)），所以，它有時(shí)還應(yīng)包括肘和肩的關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間（靠近末端執(zhí)行器的一 節(jié)通常叫小臂，靠近基座的，通常叫大臂） ，手臂與基座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末 端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍。 ④ 基座 有時(shí)稱為立柱，是工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部件

41、?？煞止?定式和移動(dòng)式兩類，移動(dòng)式基座下部安裝了移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它可以擴(kuò)大機(jī)器人的活動(dòng)范圍。 （2） 控制裝置 它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定 的要求動(dòng)作?？刂蒲b置包括檢測(cè)（如傳感器）和控制（如計(jì)算機(jī)）兩部分，可用來(lái)控制 驅(qū)動(dòng)單元，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進(jìn)行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如 果沒(méi)有反饋控制，就是較簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制。 （3） 人工智能系統(tǒng) 對(duì)于智能機(jī)器人，還應(yīng)有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺(jué)系統(tǒng) （硬件），主要靠各類傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)其感覺(jué)功能。另一部分為決策一一規(guī)劃智能系統(tǒng)（軟 件）,它包括邏輯判斷、模式識(shí)別、大容量

42、數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)劃操作程序等功能。 在實(shí)際使用的機(jī)器人中，不一定要具備上面所提到的功能中的全部裝置。但一般工 業(yè)生產(chǎn)中實(shí)用的機(jī)器人，至少應(yīng)具有操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元和控制裝置中的大部分內(nèi)容。具 有人工智能系統(tǒng)的較為完善的智能機(jī)器人，目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段 [11-15]。 1.4.2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù) 工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)一般都應(yīng)有：自由度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大 工作速度、承載能力等。 （1）自由度 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)可分整體運(yùn)動(dòng)、本體運(yùn)動(dòng)、臂部運(yùn)動(dòng)、腕部運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)稱為 自由度。 一個(gè)機(jī)械手有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)就叫做有幾個(gè)自由度，手爪的抓取動(dòng)作（指的是手爪的夾緊 和松開(kāi)），不計(jì)在自由度數(shù)目

43、內(nèi)。 圖1.3機(jī)器人的自由度 Fig 1.3 Liberty degree of the robot （2） 重復(fù)定位精度 工業(yè)機(jī)器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。 定位精度是指機(jī)器人是手部實(shí)際到 達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。 重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位 置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個(gè)統(tǒng)計(jì)量來(lái)表示，它是衡量一列誤差值的密度值，即重復(fù) 值。 （3） 工作范圍 工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合， 也叫做工作區(qū) 域。因?yàn)槟┒瞬僮髌鞯男螤詈统叽缡嵌喾N多樣的，為了真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所 以是指不安裝末端操作器時(shí)的工作區(qū)域。 （4）最大工作速度 -9 -