基于UG四自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【三維UG】

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Finally, has carried on the 3D modeling with UG software to four freedom robot, and hypothesized assembled whole. Through analyzes to 3D model, this kind of robot completely satisfies the request of design and intensity, can realizes the multi-degrees of freedom movement and can take the reference of robot’s design and movement analysis. Key word：Robot；UG；Four freedom degree；Model；Design II 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 摘要Ⅰ AbstractⅡ 第1章 緒論1 1.1機(jī)器人的研究背景1 1.1.1 制造業(yè)的發(fā)展使機(jī)器人“被迫”由科幻走入現(xiàn)實(shí)1 1.1.2信息技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展提供了“高速軌道”1 1.1.3高危領(lǐng)域?qū)C(jī)器人技術(shù)飛躍提出客觀要求1 1.2 機(jī)器人的定義1 1.2.1 世界機(jī)器人的定義1 1.2.2 我國(guó)機(jī)器人的定義2 1.3 機(jī)器人的分類3 1.3.1按照機(jī)器人從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展程度分類 3 1.3.2按照機(jī)器人所完成的主要功能分類 3 1.3.3 按照機(jī)器人的開(kāi)發(fā)內(nèi)容和目的分類4 1.3.4 按照應(yīng)用領(lǐng)域?qū)C(jī)器人進(jìn)行分類4 1.4 機(jī)器人的發(fā)展概況4 1.4.1 機(jī)器人在國(guó)外的發(fā)展概況5 1.4.2 我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展概況6 1.5 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)8 1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容8 第2章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案分10 2.1 機(jī)器人系統(tǒng)10 2.1.1 機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成10 2.1.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖10 2.2 機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)11 2.2.1 腰部結(jié)構(gòu)11 2.2.2 臂部結(jié)構(gòu)12 2.2.3 手腕結(jié)構(gòu)12 2.2.4 手部結(jié)構(gòu)13 2.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)13 2.4 控制系統(tǒng)13 2.5 本章小結(jié)14 第三章 四自由度機(jī)器人整體及部件設(shè)計(jì)15 3.1 四自由度機(jī)器人性能要求15 3.2 電機(jī)的選擇15 3.2.1 負(fù)載功率的估算15 3.2.2 步進(jìn)電機(jī)額定功率的計(jì)算16 3.3 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)18 3.3.1 已知條件18 3.3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算18 3.4 軸的確定及校核21 3.4.1 腰部軸的確定校核21 3.4.2 手腕軸的確定校核22 3.4.3 大臂聯(lián)接件的確定校核23 3.5 軸承的選用及計(jì)算24 3.5.1 手腕處軸承24 3.5.2 大臂聯(lián)接處軸承25 3.5.3 其它部位軸承的選擇25 3.6 四自由度機(jī)器人長(zhǎng)度尺寸26 3.6.1 腰部總成高度尺寸26 3.6.2 大小臂長(zhǎng)度尺寸26 3.7 本章小結(jié)26 第四章 四自由度機(jī)器人UG建模27 4.1四自由度機(jī)器人零件建模27 4.1.1四自由度機(jī)器人底座實(shí)體建模27 4.1.2四自由度機(jī)器人大臂零件實(shí)體建模30 4.1.3四自由度機(jī)器人腰部殼體實(shí)體建模35 4.1.4四自由度機(jī)器人小臂零件建模38 4.1.5死自由度機(jī)器人其他零件實(shí)體模型41 4.2 本章小結(jié)44 第五章 四自由度機(jī)器人實(shí)體模型裝配45 5.1 四自由度機(jī)器人腰部總成裝配45 5.2 四自由度機(jī)器人其他總成52 5.3 爆炸圖52 5.4 四自由度機(jī)器人UG建模總裝配模型53 5.5 本章小結(jié)53 結(jié)論54 參考文獻(xiàn)55 致謝57 附錄58 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第1章 緒 論 1.1 機(jī)器人研究背景 1.1.1 制造業(yè)的發(fā)展使機(jī)器人“被迫”由科幻走入現(xiàn)實(shí) 以自動(dòng)化規(guī)模生產(chǎn)為標(biāo)志，世界范圍內(nèi)的制造業(yè)革命于20世紀(jì)50年代拉開(kāi)帷幕。當(dāng)時(shí)生產(chǎn)自動(dòng)化的概念幾乎是“用機(jī)器人代替人”的同義語(yǔ)。機(jī)器人就是為適應(yīng)當(dāng)時(shí)制造規(guī)?；a(chǎn)的需要而誕生的，其最早應(yīng)用于汽車業(yè)，在解決單調(diào)、繁重、重復(fù)的體力勞動(dòng)和提高產(chǎn)品質(zhì)量上，發(fā)揮了巨大的作用。 1.1.2 信息技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展提供了“高速軌道” 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，集成了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)前科技研究的熱點(diǎn)方向。隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)速度越來(lái)越快，智能度越來(lái)越高。 1.1.3 高危領(lǐng)域?qū)C(jī)器人技術(shù)飛躍提出客觀要求 由于軍事、空間技術(shù)、核廢料處理以及水下探險(xiǎn)等，人類難以介入的高危領(lǐng)域發(fā)展的迫切需要，引起了各國(guó)政府對(duì)機(jī)器人研究的重視，同時(shí)也激發(fā)了各國(guó)科學(xué)家們的研究熱情[1]。 1.2 機(jī)器人的定義 1.2.1 世界機(jī)器人的定義 “機(jī)器人“是存在于多種語(yǔ)言和文字的新造詞，它體現(xiàn)了人類長(zhǎng)期以來(lái)的一種愿望，即創(chuàng)造出一種像人一樣的機(jī)器或人造人，以便能夠代替人去進(jìn)行各種工作。 盡管直到三十多年前，“機(jī)器人”才作為專有名詞加以引用，然而機(jī)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(guó)西周時(shí)代（公元前1066—公元前771年），就流傳有關(guān)巧匠偃師獻(xiàn)給周穆王一個(gè)歌舞機(jī)器人的故事。我國(guó)東漢時(shí)期（25—220年），張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機(jī)器人雛形。作為第一批自動(dòng)化動(dòng)物之一的能夠飛翔的木鳥(niǎo)是在公元前400年至350年間制成的。公元前3世紀(jì)，古希臘發(fā)明家戴達(dá)羅斯用青銅為克里特島國(guó)王邁若斯塑造了一個(gè)守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。在公元前2世紀(jì)出現(xiàn)的書(shū)籍中，描寫(xiě)過(guò)一個(gè)具有類似機(jī)器人角色的機(jī)械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進(jìn)行舞蹈和列隊(duì)表演。人類歷史進(jìn)入近代史之后，出現(xiàn)了第一次工業(yè)革命和科學(xué)革命。隨著各種自動(dòng)機(jī)器、動(dòng)力機(jī)械的問(wèn)世，制造機(jī)器人開(kāi)始由夢(mèng)想轉(zhuǎn)入現(xiàn)實(shí)，許多機(jī)械式控制的機(jī)器人，主要是各種精巧的機(jī)器人玩具和工藝品應(yīng)用而生。 進(jìn)入20世紀(jì)后，機(jī)器人已躁動(dòng)于人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(wèn)世的機(jī)器人將是個(gè)寵兒，還是個(gè)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(wàn)能機(jī)器人》中，第一次提出了“robot”這個(gè)詞。在劇中，他把機(jī)器人描述成與人相似但能不知疲倦地工作的機(jī)器，最終機(jī)器人背叛它們的創(chuàng)造者而消滅了人類。各國(guó)對(duì)機(jī)器人的譯法，幾乎都從斯洛伐克語(yǔ)“robota”音譯為“羅伯特”，只有中國(guó)譯為“機(jī)器人”。1950年，美國(guó)著名科學(xué)幻想小說(shuō)家阿西莫夫在他的小說(shuō)《我是機(jī)器人》中，提出了有名的“機(jī)器人三守則”： （1）機(jī)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(jī)器人必須絕對(duì)服從于人類，除非這種服從有害于人類； （3）機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類或者是人類令它做出犧牲。 這三條守則，給機(jī)器人社會(huì)賦以新的倫理性，并使機(jī)器人概念通俗化，更易于為人類社會(huì)所接受。至今，它仍為機(jī)器人研究人員、設(shè)計(jì)制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導(dǎo)方針。 而現(xiàn)實(shí)世界里，機(jī)器人在國(guó)際學(xué)術(shù)界至今也沒(méi)有做出統(tǒng)一的、公認(rèn)的、文字嚴(yán)格的定義。不同的專家往往給以各有側(cè)重的說(shuō)法，不同的國(guó)家也往往沿用各自習(xí)慣的解釋。 機(jī)器人的定義處在不斷的發(fā)展變化之中。美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）認(rèn)為，機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能機(jī)械手（Manipulator）日本機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（End Effector）能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）給出的定義是，機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可變程序造作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務(wù)。 1.2.2 我國(guó)機(jī)器人的定義 關(guān)于我國(guó)機(jī)器人的定義。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)也面臨討論和制定關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，其中包括對(duì)機(jī)器人的定義。蔣新松院士曾建議吧機(jī)器人定義為“一種幾人功能的機(jī)械電子裝置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我們參考各國(guó)的定義，結(jié)合我國(guó)情況，對(duì)機(jī)器人做出統(tǒng)一的定義： 我們認(rèn)為機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能，可以代替人完成特定任務(wù)的一種自動(dòng)化機(jī)電裝置[2]。 由此可見(jiàn)對(duì)于“機(jī)器人”的定義是仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智，但被國(guó)際普遍接受的是由美國(guó)“機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)”（RIA）的一批科學(xué)家于1979年提出的定義：機(jī)器人是一種可改編程序的多功能操作機(jī)構(gòu)、用以按照預(yù)先編制的能完成多種作業(yè)的動(dòng)作程序運(yùn)送材料、零件、工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備。 1.3 機(jī)器人的分類 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，極大的促進(jìn)了機(jī)器人研究水平的提高?？茖W(xué)家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機(jī)器人設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)和外形，以便讓他們?cè)谔厥鈼l件下出色的完成任務(wù)。但對(duì)于龐大的機(jī)器人家族，目前尚未有統(tǒng)一的分類方法，常從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分類： 1.3.1 按照機(jī)器人從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展程度分類 （1）第一代機(jī)器人（20世紀(jì)60年代） 主要指能以“示教—再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其特征是機(jī)器人能夠按照事先教給它們的程序進(jìn)行重復(fù)工作。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。 （2）第二代機(jī)器人（20世紀(jì)70年代） 具有一定的感覺(jué)功能和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人做出一定的推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智商。 （3）第三代機(jī)器人（20世紀(jì)80年代中期以后） 智能機(jī)器人，這種機(jī)器人帶有多種傳感器，能夠?qū)鞲衅鞯玫降男畔⑦M(jìn)行融合，能夠有效適應(yīng)環(huán)境變化，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能[3]。 1.3.2 按照機(jī)器人所完成的主要功能分類 （1）操作機(jī)器人 這是目前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的機(jī)器人，絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人屬于這一類。其特點(diǎn)是模仿人手和手臂的動(dòng)作，完成搬運(yùn)、焊接、噴漆、打磨、拋光、檢測(cè)、裝配等工藝操作。 （2）移動(dòng)機(jī)器 人在工業(yè)生產(chǎn)中輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人及步行機(jī)器人常用來(lái)完成運(yùn)輸及上、下料等任務(wù)。比如管道機(jī)器人、水下機(jī)器人、采掘機(jī)器人等等。這種機(jī)器人多半都裝有操作手和攝像系統(tǒng)，以完成操作并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)視[4]。 （3）信息機(jī)器人 這是指以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能行為模擬裝置。廣義地說(shuō)，這類機(jī)器人包括專家系統(tǒng)、翻譯機(jī)、作曲機(jī)、圖像識(shí)別系統(tǒng)、指紋識(shí)別機(jī)譯及信息決策系統(tǒng)等。 (4)人機(jī)機(jī)器人 這類機(jī)器人和人之間存在雙向閉環(huán)聯(lián)系，包括聯(lián)肢機(jī)械手，裝在人腿上的助行機(jī)械足，生物電控或聲控假肢等[4]。 1.3.3 按照機(jī)器人的開(kāi)發(fā)內(nèi)容和目的分類 按照機(jī)器人的開(kāi)發(fā)內(nèi)容和目的分為工業(yè)機(jī)器人、操縱型機(jī)器人、智能型機(jī)器人和特種機(jī)器人，習(xí)慣將后三種機(jī)器人統(tǒng)稱為先進(jìn)機(jī)器人。 （1）工業(yè)機(jī)器人：機(jī)器人的本體主要是一只機(jī)械手臂，它直接操作的對(duì)象是末端執(zhí)行器，它隨操作對(duì)象的形狀和材料不同而制成各種各樣。 （2）操縱型機(jī)器人：這類機(jī)器人是由一類由人操縱進(jìn)行工作的機(jī)器人，由操縱人員在工作中不停地向機(jī)器人發(fā)送操縱指令，在智能和適應(yīng)能力方面輔助機(jī)器人完成復(fù)雜的作業(yè)，機(jī)器人把操作對(duì)象和作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)直接地或間接地反饋給操縱人員，操縱人員據(jù)此控制機(jī)器人行為。 （3）智能機(jī)器人：這類機(jī)器人是指本身能認(rèn)識(shí)工作環(huán)境、工作對(duì)象及其狀態(tài)，能根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識(shí)外界的結(jié)果來(lái)獨(dú)立地決定工作方法，利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。這種機(jī)器人也就是第三代機(jī)器人，它的控制方法是一種“認(rèn)知—適應(yīng)”的方式。 （4）特種機(jī)器人：這類機(jī)器人是專門為完成某一項(xiàng)或幾項(xiàng)任務(wù)而制造的，大多數(shù)不具有通用性。這種機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和制造，可著眼于基礎(chǔ)研究的立場(chǎng)和面向?qū)嵱没?chǎng)[4]。 1.3.4 按照應(yīng)用領(lǐng)域?qū)C(jī)器人進(jìn)行分類 按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為民用機(jī)器人和軍用機(jī)器人。 民用機(jī)器人又分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、類人機(jī)器人和農(nóng)業(yè)機(jī)器人。1990年10月，國(guó)際機(jī)器人工業(yè)人士在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_(kāi)了一次工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)大會(huì)，并在這次大會(huì)上通過(guò)了一個(gè)文件，把工業(yè)機(jī)器人分為四類： （1）順序型。這類機(jī)器人擁有規(guī)定的程序動(dòng)作控制系統(tǒng)； （2）驗(yàn)軌跡作業(yè)型。這類機(jī)器人執(zhí)行某種移動(dòng)作業(yè)，如焊接、噴漆等； （3）遠(yuǎn)距離作業(yè)。比如在月球上自動(dòng)工作的機(jī)器人； （4）智能型。這類機(jī)器人具有感知、適應(yīng)以及思維和人機(jī)通訊機(jī)能[5]。 1.4 機(jī)器人的發(fā)展概況 在科技發(fā)展史上，科研技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是相輔相成的。在發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上，國(guó)際上存在著兩條不同的技術(shù)路線：一條是日本所走的“需求牽引，技術(shù)驅(qū)動(dòng)”的路線，他們把美國(guó)發(fā)明的機(jī)器人和本國(guó)工業(yè)發(fā)展的需要相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一系列特定用途的機(jī)器人，如弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、裝配、建筑等機(jī)器人，從而形成了強(qiáng)大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。而財(cái)力雄厚的產(chǎn)業(yè)又提供大量的研究經(jīng)費(fèi)供科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行新的或后續(xù)的研究工作，由此推動(dòng)了本國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。另一條路線是把機(jī)器人作為研究人工智能的載體，即單純從技術(shù)上模仿人的某些智能來(lái)研究智能機(jī)器人，如美國(guó)、英國(guó)等許多大學(xué)及研究所的做法[6]。 1.4.1 機(jī)器人在國(guó)外的發(fā)展概況 1、機(jī)器人的誕生之地——美國(guó) 美國(guó)是工業(yè)革命的誕生地，1959年美國(guó)人英格伯格和德沃爾制造出了世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。此后，精明的他們又創(chuàng)辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠，并生產(chǎn)出一批名叫“尤里梅特”的工業(yè)機(jī)器人，也因此他們獲得了“世界工業(yè)機(jī)器人之父”的殊榮。經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一，但綜觀其發(fā)展史，并不平坦。 二十世紀(jì)六、七十年代，因擔(dān)心機(jī)器人會(huì)使失業(yè)率增加，而不予投資，也不組織研制，機(jī)器人的發(fā)展基本停滯。七十年代后期雖有所重視，但把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級(jí)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)上，致使美國(guó)在工業(yè)機(jī)器人方面喪失領(lǐng)袖地位。 但美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。其機(jī)器人性能可靠，功能全面，精確度高；機(jī)器人語(yǔ)言研究發(fā)展較快，語(yǔ)言類型多、應(yīng)用廣。視覺(jué)、觸覺(jué)等人工智能技術(shù)已在行天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等迅速發(fā)展，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測(cè)方面[7]。 2、機(jī)器人的冠軍之地——日本 第二次世界大戰(zhàn)后，日本經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，而勞動(dòng)力緊張。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國(guó)Unimation公司引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺(tái)川崎“尤尼曼特”機(jī)器人。到八十年代中期，已一躍成為“機(jī)器人王國(guó)”，其產(chǎn)量和安裝的臺(tái)數(shù)在國(guó)際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會(huì)常務(wù)理事本完二的說(shuō)法：“日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)入普及提高期?！辈⒄桨?980年定為“產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”，開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。 日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠已價(jià)廉的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍號(hào)稱“汽車王國(guó)”的美國(guó)市場(chǎng)，并且向機(jī)器人誕生國(guó)出口日本產(chǎn)的實(shí)用型機(jī)器人。此時(shí)，日本價(jià)廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國(guó)市場(chǎng)，這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機(jī)器人，增強(qiáng)了國(guó)力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國(guó)家不得不采取措施，奮起直追[8]。 1.4.2 我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展概況 1、我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展 目前我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，先進(jìn)制造業(yè)已進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。隨著經(jīng)濟(jì)全球化和我國(guó)加入WTO，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的局面。如何適應(yīng)快速變化的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，如何以高質(zhì)量、低成本、快速反應(yīng)的手段在市場(chǎng)中取得生存和發(fā)展，已是我國(guó)企業(yè)不容回避的問(wèn)題，這些問(wèn)題為工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用提供了大的市場(chǎng)需求，促使中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用市場(chǎng)日趨成熟。 近幾年來(lái)，國(guó)外著名的工業(yè)機(jī)器人制造廠商紛紛加大了在我國(guó)的投資和應(yīng)用技術(shù)的投入，對(duì)我國(guó)的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 我國(guó)機(jī)器人的研究與應(yīng)用水平與日美相比存在較大差距，主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。 我國(guó)政府非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，從1986年“七五”科技攻關(guān)及實(shí)施到1987年863計(jì)劃開(kāi)始，就有計(jì)劃地組織和發(fā)展工業(yè)機(jī)器人事業(yè)，經(jīng)過(guò)20多年的研制和應(yīng)用，目前在工業(yè)機(jī)器人的一些機(jī)種方面，如噴漆機(jī)器人、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人和特種機(jī)器人都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，基本掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，有了一支具有一定水平的技術(shù)隊(duì)伍，其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在20余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用。形成了沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的新松機(jī)器人公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博實(shí)機(jī)器人公司、北京機(jī)械自動(dòng)化研究所機(jī)器人開(kāi)發(fā)中心等九個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，奠定了我國(guó)獨(dú)立自主發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。 但是，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人在總體技術(shù)上與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有很大差距，僅相當(dāng)于國(guó)外九十年代中期的水平。多數(shù)是單件小批生產(chǎn)，關(guān)鍵配套的單元部件和器件始終處于進(jìn)口狀態(tài)，工業(yè)機(jī)器人的性價(jià)比較低。我國(guó)整體裝備制造水平不高，制約了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成和實(shí)現(xiàn)規(guī)?；陌l(fā)展。 盡管中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質(zhì)價(jià)廉的工業(yè)機(jī)器人商品，目前在我國(guó)尚有較長(zhǎng)的路程。這主要有以下幾個(gè)方面： 首先為了促進(jìn)中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須在以市場(chǎng)需求為主的前提下，國(guó)家在政策上鼓勵(lì)企業(yè)在技術(shù)投入和技術(shù)改造方面應(yīng)用國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人。同時(shí)轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的機(jī)制，建立以適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)所需的工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)基地。 其次，在國(guó)家的科技發(fā)展規(guī)劃中，應(yīng)繼續(xù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵、基礎(chǔ)部件的研究和產(chǎn)品化給予支持，形成產(chǎn)品和自動(dòng)化制造裝備同步協(xié)調(diào)發(fā)展的新局面。 第三，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，加強(qiáng)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)，使之與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相結(jié)合。經(jīng)過(guò)近十年的努力，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)方面已具有相當(dāng)?shù)膶?shí)力，已有一支了解企業(yè)的需求，能開(kāi)發(fā)出符合實(shí)際使用條件應(yīng)用工程，成本低，服務(wù)及時(shí)，具備與國(guó)外公司的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)，并圍繞應(yīng)用工程的需要進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a(chǎn)能力，這樣可以促進(jìn)我國(guó)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和提高競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也可形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)[9]。 21世紀(jì)是人類走向海洋，向海洋要資源的世紀(jì)，我們的系列水下機(jī)器人將在海洋資源勘探、海洋石油開(kāi)采、沉船打撈等諸多領(lǐng)域發(fā)揮其不可替代的作用。臺(tái)灣問(wèn)題、臨海問(wèn)題一直是非常敏感的問(wèn)題，要想解決好這些問(wèn)題，必須有先進(jìn)的水上、水下裝備，發(fā)展先進(jìn)的水下機(jī)器人可以有效地提高我國(guó)的領(lǐng)海保衛(wèi)能力，增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防實(shí)力。 我國(guó)機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)起步晚，始于20世紀(jì)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(kāi)展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開(kāi)始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃，發(fā)展比較快。在機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面：諸如機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析與綜合研究，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制算法及機(jī)器人編程語(yǔ)言的研究，機(jī)器人內(nèi)外部傳感器的研究與開(kāi)發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、遙控機(jī)器人的控制技術(shù)等均取得長(zhǎng)足進(jìn)展，并在實(shí)際工作中得到應(yīng)用。 2、我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展特點(diǎn) （1）水下機(jī)器人技術(shù)走在世界前列。例如，自主研制成功1000米水下無(wú)纜機(jī)器人以后，又和俄羅斯合作成功研制了6000米水下無(wú)纜自治機(jī)器人且實(shí)現(xiàn)了工程化[10]。更值得一提是，95年和97年在夏威夷東南太平洋5800米水深處成功地進(jìn)行了兩次大洋探測(cè)試驗(yàn)，取得了海底錳結(jié)核分布資料，表明我國(guó)已成為世界上少數(shù)幾個(gè)具有深海探測(cè)能力的國(guó)家之一。 （2）機(jī)器人化機(jī)器推動(dòng)我國(guó)工程機(jī)械的更新?lián)Q代。相繼完成了無(wú)人駕駛的振動(dòng)式壓路機(jī)、具有自動(dòng)化推平功能的推土機(jī)、可編程挖掘機(jī)、自動(dòng)鑿巖機(jī)，促進(jìn)了我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)換代。 （3）特種機(jī)器人的發(fā)展蓬蓬勃勃。繼防核化偵察車、遙控移動(dòng)機(jī)器人及爬壁機(jī)器人以后，又開(kāi)發(fā)出防暴機(jī)器人、自動(dòng)引導(dǎo)車、各種罐體爬壁清掃機(jī)器人、玻璃擦掃機(jī)器人等。90年代初，研制成功多自由度微操作機(jī)器人，并在生物與醫(yī)學(xué)工程取得成功應(yīng)用。在微小空間探測(cè)的小機(jī)器人研究也有了突破。 （4）工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品和應(yīng)用工程成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的龍頭。研制出具有國(guó)際90年代水平的實(shí)用性轉(zhuǎn)配機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、電焊機(jī)器人及自動(dòng)引導(dǎo)引車等一系列產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)及其應(yīng)用工程[4]。 3、我國(guó)機(jī)器人研究成果 1980年——研制成功中國(guó)第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)； 1985年——中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人首航成功； 1986年——中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人深海試驗(yàn)成功； 1988年——中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人投入使用； 1990年——水下機(jī)器人首次出口美國(guó)； 1992年——國(guó)產(chǎn)AGV第一次應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線； 1993年——中國(guó)唯一的機(jī)器人技術(shù)國(guó)家工程研究中心成立； 1994年——中國(guó)第一臺(tái)五自由度高壓水切割機(jī)器人投入使用； 1994年——中國(guó)第一臺(tái)1000米水下機(jī)器人海試成功； 1995年——中國(guó)第一臺(tái)6000米水下機(jī)器人海試成功； 1995年——中國(guó)首臺(tái)四自由度電焊機(jī)器人開(kāi)發(fā)成功，第一條電焊機(jī)器人生產(chǎn)線投入使用； 1995年——自主開(kāi)發(fā)的機(jī)器人技術(shù)——AGV技術(shù)出口韓國(guó)； 1997年——具有自主版權(quán)的高性能機(jī)器人控制器小批量生產(chǎn)； 1997年——自主開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)第一條機(jī)器人沖壓自動(dòng)化線用于一汽大眾生產(chǎn)線； 1998年——國(guó)內(nèi)首臺(tái)激光加工機(jī)器人開(kāi)發(fā)成功； 1998年——國(guó)內(nèi)首臺(tái)澆注機(jī)器人用于生產(chǎn)； 2000年——中國(guó)首臺(tái)類人型機(jī)器人研制成功[11]； 2001年——我國(guó)第一次用機(jī)器人完成腦外科手術(shù)； 2003年——我國(guó)第一臺(tái)管道無(wú)損探測(cè)機(jī)器人研制成功； 2004年——我國(guó)首臺(tái)自走式兩棲機(jī)器人研制成功； 2006年——我國(guó)首臺(tái)烹飪機(jī)器人在深圳誕生。 1.5 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及人工智能、傳感技術(shù)和仿生材料技術(shù)水平的逐步提高，目前研究熱點(diǎn)主要落在了智能化、擬人化兩方面。 （1）工業(yè)機(jī)器人性能追求高速度、高精度、高可靠性的三高境界； （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)趨向模塊化、可重構(gòu)化； （3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)利用PC機(jī)的開(kāi)放型控制器； （4）機(jī)器人中的多傳感器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，便于進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性 [24]； （5）從仿真、預(yù)演發(fā)展到過(guò)程控制全程運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)； （6）微型和微小機(jī)器人技術(shù)。納米機(jī)器人是最具誘惑的項(xiàng)目； （7）遙控機(jī)器人系統(tǒng)致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室走入實(shí)用化階段； （8）機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始崛起。機(jī)器人化機(jī)械研究開(kāi)發(fā)包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床（VMT）與機(jī)器人化加工中心（RMC）的開(kāi)發(fā)研究，以及機(jī)器人化無(wú)人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)[1]。 1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 基于UG四自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的綜合性設(shè)計(jì)?，F(xiàn)今社會(huì)，機(jī)器人以成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的行業(yè)。機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)給定的條件運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)原理，計(jì)算其負(fù)載功率，選定動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式，確定出四自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，確定各個(gè)部件的尺寸及對(duì)相應(yīng)的部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 在上述基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)繪制零件二維圖形，機(jī)器人總裝圖形。在運(yùn)用計(jì)算機(jī)UG三維軟件技術(shù)對(duì)四自由度機(jī)器人的所有零件進(jìn)行三維的實(shí)體建模，并運(yùn)用UG裝配功能將四自由度機(jī)器進(jìn)行三維的模擬組裝，最終完成機(jī)器人的模型設(shè)計(jì)。 第2章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案分析 2.1 機(jī)器人系統(tǒng) 2.1.1 機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由下列四個(gè)互相作用的部分組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器、環(huán)境、任務(wù)，如圖2.1所示[1] 位置、速度反饋 控制算法 工作任務(wù) 模型 控制器（計(jì)算機(jī)） 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 關(guān)節(jié)式機(jī)械系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置 外感應(yīng)信息 交互作用 計(jì)算機(jī) 語(yǔ)言 任 務(wù) 外傳感應(yīng)器 環(huán) 境 圖2.1 機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成 2.1.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成圖可簡(jiǎn)化為如圖2.2所示[2]。 外傳感信息 環(huán)境 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 控制器 任務(wù) 外傳感信息 圖2.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)械手是具有傳動(dòng)執(zhí)行裝置的機(jī)械，它由臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置（工具等）構(gòu)成，組合為一個(gè)互相連接和互相依賴的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(wù)。不同的機(jī)械手具有不同的結(jié)構(gòu)類型。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.3。 圖2.3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.2 機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制部分所組成，各部關(guān)系如下框圖2.4。 工作 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置檢測(cè)裝置 圖2.4 機(jī)器人組成關(guān)系圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械部分）包括手部、腕部、手臂和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成[1]。 2.2.1 腰部結(jié)構(gòu) 腰部是直接支撐和傳動(dòng)手臂的部件，一般實(shí)行臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都要安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。機(jī)身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以設(shè)地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用與底座相連的固定式。 機(jī)身是直接連接、支撐和傳動(dòng)手臂及行走機(jī)構(gòu)的部件，它是由臂部運(yùn)動(dòng)（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。 常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有： （1）升降回轉(zhuǎn)型； （2）俯仰型； （3）直移型； （4）類人機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計(jì)采用升降回轉(zhuǎn)型。 2.2.2 臂部結(jié)構(gòu) 手臂部件（簡(jiǎn)稱臂部）是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器人的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自傳等運(yùn)動(dòng)有關(guān)的構(gòu)件，如傳動(dòng)裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測(cè)元件等，此外，還有與腕部或手臂的運(yùn)動(dòng)和聯(lián)接支撐等有關(guān)的構(gòu)件配線等。 根據(jù)臂部的運(yùn)動(dòng)和布局、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)和導(dǎo)向裝置的不同可分為： （1）伸縮臂部結(jié)構(gòu)； （2）轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部結(jié)構(gòu)； （3）屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu)； （4）其他專用的機(jī)械傳動(dòng)臂部結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計(jì)采用屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu)[3]。 手臂有獨(dú)立的自由度，可采用： （1） 直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都如直線運(yùn)動(dòng)）； （2） 圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）； （3） 球坐標(biāo)（前后伸縮，上下擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）； （4） 關(guān)節(jié)式（手背能任意伸屈）。 直角坐標(biāo)系占空間大，工作范圍小，所以一般不用；圓柱坐標(biāo)系占空間較小，工作范圍較大，但慣性也較大，且不能抓取底面物體，不予使用；球坐標(biāo)系和關(guān)節(jié)式占空間小，工作范圍大，慣性小，所需動(dòng)力小，能抓取底面物件，關(guān)節(jié)式還可以繞障礙物選擇途徑，靈活性較高，廣泛使用。 本設(shè)計(jì)因手臂部只有兩個(gè)自由度，避免了多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷，使關(guān)節(jié)的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，因此將手臂的結(jié)構(gòu)做成關(guān)節(jié)式，并分為小臂、大臂，小臂用來(lái)聯(lián)接手腕和大臂，大臂用來(lái)聯(lián)接小臂和底座上的腰部旋轉(zhuǎn)件，各擁有一個(gè)自由度。 2.2.3 手腕結(jié)構(gòu) 手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨(dú)立的自由度，以滿足機(jī)器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)。 手腕部一般需要三個(gè)自由度； （1）臂轉(zhuǎn)，繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)； （2）手轉(zhuǎn)，使手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn)； （3）腕擺，使手部相對(duì)手臂進(jìn)行擺動(dòng)。 本設(shè)計(jì)四自由度機(jī)器人腕部采用上下擺動(dòng)的自由度形式，用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)機(jī)器人主要用于搬用中小零件或教學(xué)用機(jī)器人，所以承受載荷不很大，結(jié)構(gòu)要求不高，所以這個(gè)結(jié)構(gòu)可以使用。為了便于手臂上的位置結(jié)構(gòu)安排，直接驅(qū)動(dòng)浪費(fèi)空間，重量分布也不太均勻，所以決定采用同步帶輪傳遞動(dòng)力。 2.2.4 手部結(jié)構(gòu) 手部是機(jī)器人直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的。它具有模仿人手動(dòng)作的功能并安裝與機(jī)器人手臂的前端，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其自由度一般不少于六個(gè)，所以本設(shè)計(jì)不對(duì)抓取部分—手腕 作詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式四種。 夜動(dòng)式輸出力大（壓力高，常用液壓為2.5～6.3MPa），臂力可達(dá)100公斤以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，體積較小，可獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；工作平穩(wěn)，可得到較高的位置精度；傳動(dòng)中力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，效率高、壽命長(zhǎng)。不足處，泄露難克服，易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)；液壓元件精度要求高，造價(jià)高。 氣動(dòng)式具有空氣粘度小，易達(dá)到高速（1m/s）；可利用空氣壓縮機(jī)減少了動(dòng)力設(shè)備，氣動(dòng)元件工作壓力低，造價(jià)也低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在30公斤一下。 電動(dòng)式可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。私服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交直流、私服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則主要用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精確要求不高的場(chǎng)合。 機(jī)械式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈敏度低，故不做詳細(xì)介紹。 綜上，本次設(shè)計(jì)的“四自由度機(jī)器人”主要使用于一般的教學(xué)、培訓(xùn)或汽車中小零件的搬運(yùn)等，故采用電動(dòng)式，將其簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)得以充分發(fā)揮[4]。 2.4 控制系統(tǒng) 機(jī)器人控制器具有多種結(jié)構(gòu)形式，包括：非伺服控制、伺服控制位置和速度反饋控制、力（力矩）控制、基于傳感器的控制、非線性控制、滑?？刂啤⒆顑?yōu)控制、自定位控制、遞階控制記憶各種智能控制等。本設(shè)計(jì)要求只對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，控制系統(tǒng)不做要求。 2.5 本章小結(jié) 本章對(duì)四自由度機(jī)器人的常用結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析。對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成（腰部、臂部、腕部）進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并最終確定適合本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案，驅(qū)動(dòng)方式等。最后簡(jiǎn)單介紹了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)。 第三章 四自由度機(jī)器人整體及部件設(shè)計(jì) 3.1 四自由度機(jī)器人性能要求 表3.1 四自由度機(jī)器人性能要求 結(jié)構(gòu)形式 串聯(lián)關(guān)節(jié)式 負(fù)載能力 2Kg 重復(fù)定位精度 ±0.1mm 運(yùn)動(dòng)范圍 300° 120° 120° 360° 每軸最大運(yùn)動(dòng)速度 腰轉(zhuǎn) 45°/S 大臂 45°/S 小臂 30°/S 腕擺 60°/S 最大展開(kāi)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 3.2 電機(jī)的選擇 在要求輸出力矩和負(fù)載較小的情況下，電機(jī)的選用一般有:電動(dòng)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種。根據(jù)表3.1及電機(jī)的選用條件[13]結(jié)合本設(shè)計(jì)的性能要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)決定選用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)是一種吧電脈沖信號(hào)變換成直線位移的執(zhí)行元件，本設(shè)計(jì)機(jī)器人是用來(lái)搬運(yùn)中小零件的，所以選步進(jìn)電機(jī)符合要求。 在根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，混合式步進(jìn)電機(jī)是一種兼有反應(yīng)式和永磁式兩種步進(jìn)電機(jī)有點(diǎn)的新型電動(dòng)機(jī)。五相及三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因其分辨率小，精度高、低頻無(wú)振蕩、高頻力矩大而廣泛用于各類機(jī)床、切割機(jī)、輕工、包裝、醫(yī)療器械、機(jī)器人及電腦繡花機(jī)等自動(dòng)控制設(shè)備中。因此，選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，系列代號(hào)BYG。 3.2.1 負(fù)載功率的估算 電動(dòng)機(jī)負(fù)載功率是根據(jù)具體生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載及效率計(jì)算的，它可以從機(jī)械手冊(cè)中查出。 （1）底座處電機(jī)負(fù)載功率 已知，腰轉(zhuǎn) 450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min 負(fù)載功率 [15] PL=G?u?V624.5?ηc kw (3.1) 式中： PL—腰部負(fù)載功率，kw； G—傳動(dòng)件重量，N（根據(jù)任務(wù)書(shū)及電機(jī)的初選確定）； u—傳動(dòng)摩擦系數(shù)； V—移動(dòng)速度，m/s； ηc —傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率。 G=mg(其中已知m≤85kg；g=9.8N/kg)=85×9.8 N=833 N u—查參考資料[11]得u=0.2； ηc—查參考資料[15]得ηc=0.9； V—已知角度450/s，初步確定機(jī)器人的底座腰部直徑為150mm，則 V=4503600×π×150×10-3 m/s =0.059 m/s； 所以將以上各值帶入式 3.1得 PL=G?u?V624.5?ηc kw = 833?0.2?0.059 624.5?0.9 kw =0.01749 kw=17.49 w 3.2.2 步進(jìn)電機(jī)額定功率的計(jì)算 預(yù)選電機(jī)的額定負(fù)載功率基本原則是:連續(xù)工作方式下，要求 Pe≥PL,本設(shè)計(jì)是從發(fā)熱溫升負(fù)度考慮的，不必校核電動(dòng)機(jī)的溫升，只需校核過(guò)載能力[15]。 根據(jù)參考資料[16]，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ne=60?fZR?N r/min (3.2) 式中： f—脈沖頻率，Hz或P/s，本設(shè)計(jì)電壓220V，頻率f=50Hz； N—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距的運(yùn)行拍數(shù)，本設(shè)計(jì)選用BYG型步進(jìn)電機(jī)，三相三拍時(shí)，N=m（相數(shù)）；三相六拍時(shí)N=2m； ZR —轉(zhuǎn)子齒數(shù)，本設(shè)計(jì)選用BYG型步進(jìn)電機(jī)，ZR=8； 根據(jù)參考資料[13]步進(jìn)電機(jī)的額定功率 Pe=Te?ωe1000 kw (3.3) 式中： Pe—電機(jī)額定功率； Te—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 N?m； ωe—電動(dòng)機(jī)角速度 rad/s，ωe= ne； 1、底座電機(jī)選擇 根據(jù)參考資料[17]，初選機(jī)器人底座處的步進(jìn)電機(jī)為 57BYG4501型。 則根據(jù)提供的參數(shù)可知:Te=0.6N?m；N=2m=2×2=4；將N=4帶入公式 3.2得 ne =60×50/8×4 r/min =93.75 r/min 將ne =93.75 r/min帶入公式 3.3得 Pe=0.6×93.75/1000 kw =0.05625 kw=56.25 w 因Pe=56.25 w>PL=17.89 w，所以所選電機(jī) 57BYG4501型能夠勝任本設(shè)計(jì)要求。 2、手腕處電機(jī)選擇 手腕處負(fù)載，根據(jù)設(shè)計(jì)要求 PL'=F?vη×10-3 kw[15] (3.4) 式中： PL'—手腕處負(fù)載功率； F—額定提升的重量 N； v —額定提升速度 m/s； η—手腕處傳動(dòng)效率； F根據(jù)設(shè)計(jì)要求得 F=2×9.8 N=19.6 N； v 根據(jù)設(shè)計(jì)要求v=ω=600/s=6003600/160 rad/min=10 rad/min，或者 v=ω=600/s=6003600?π?d m/s=6003600×3.14×38.81×10-3 m/s=0.02 m/s，（其中d=38.81mm 這將在后邊具體算出）； η 根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]得η=0.98；將F、v、η的值帶入公式 3.4得 PL'=（19.6×0.02）/0.98 kw=4.0×10-3 kw (若用公式3.1計(jì)算PL'得 PL'=1.28×10-4 kw，這里我選用公式 3.4算得的值)。 所以，手腕處負(fù)載較小，經(jīng)計(jì)算選用35BYG4501型步進(jìn)電機(jī)。其轉(zhuǎn)速和功率如下計(jì)算: ωe= ne = 60?fZR?N = 60?508×2×4 r/min=46.88 r/min Pe= Teωe1000 = 0.05×46.88/10000.05×46.881000 kw =2.344×10-3 kw 3、大臂與腰部旋轉(zhuǎn)體處電機(jī)選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此處所承受的最大負(fù)載大致為G=mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N。 運(yùn)動(dòng)速度為450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min，大臂伸展半徑為303mm，所以大臂速度可變換為V =7.5r/min = 7.5×π×2×30360 m/s=0.24m/s。根據(jù)公式3.1可得大臂處負(fù)載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=436.1×0.2×0.24624.5×0.9 kw=0.037kw=37w 根據(jù)參考資料[17]選擇步進(jìn)電機(jī)57BYG4501，根據(jù)公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.6×46.881000 = 0.05625 kw=56.25 w 56.25 w>37w，根據(jù)參考資料[17]大臂與旋轉(zhuǎn)體處電機(jī)選擇57BYG4501型步進(jìn)電機(jī)。 4、小臂與大臂聯(lián)接處電機(jī)選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此處所承受的最大載荷為G=mg=（14×85+2）×9.8=227.85N。 運(yùn)動(dòng)速度為300/S=3003600/160 r/min =5 r/min，小臂伸展半徑為411.5mm，所以小臂速度可變換為V =5r/min = 5×π×2×411.560 m/s=0.22m/s。根據(jù)公式3.1可得小臂處負(fù)載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=227.85×0.2×0.22624.5×0.9 kw=0.0178kw=17.8w 根據(jù)參考資料[17]選擇步進(jìn)電機(jī)42BYG4503，根據(jù)公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.48×46.881000 = 0.0225 kw=22.5 w 22.5 w>17.8w，根據(jù)參考資料[17]小臂與大臂聯(lián)接處電機(jī)選擇42BYG4503型步進(jìn)電機(jī)。 3.3 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 3.3.1 已知條件： （1）傳動(dòng)功率 PL'=4.0×10-4 kw； （2）大小帶輪轉(zhuǎn)速 n1=n2=600/s=10 r/min （n1 為手腕處主動(dòng)輪，n2為從動(dòng)輪）； （3）傳動(dòng)用途、載荷性質(zhì)、原動(dòng)機(jī)種類以及工作制度[13]。 3.3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）設(shè)計(jì)功率 Pd Pd=KA?P (3.5) 式中： Pd—設(shè)計(jì)功率； KA —工況系數(shù)，查參考資料[13]得 KA =1.5； P—傳動(dòng)功率，P= PL'=4.0×10-4 kw； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式 3.5得 Pd=1.5×4.0×10-4 kw =6.0×10-4 kw （2）帶型節(jié)距 Pb 根據(jù)Pd和n1、n2查參考資料[13]初選取XL型同步帶。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，n1= n2=10 r/min。前所選手腕處步進(jìn)電機(jī)35BYG4501轉(zhuǎn)速ωe= ne =46.88 r/min，根據(jù)本設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)和BYG型電機(jī)的選擇，經(jīng)計(jì)算比較分析n1= n2=10 r/min與ωe= ne =46.88 r/min相差不是太大，可以使用 35BYG4501型電機(jī)。 為使傳動(dòng)平穩(wěn)，提高帶的柔性以及增加嚙合齒數(shù)，節(jié)距Pb盡可能選取較小值。對(duì)模數(shù)制的m也盡可能選取較小值，特別是在高速時(shí)。故選取周節(jié)制XL型，Pb=5.080 mm，m=2。 (3) 小帶輪齒數(shù) (3.6) Zmin由參考資料[13]查得 Zmin=10，帶速V和安裝尺寸允許時(shí)，Z1盡可能選用較大值，故初選 Z1=24。 (4) 小帶輪節(jié)圓直徑 (3.7) 將mm，代入公式（3.3）中，得 mm 由Z1 =24及XL型號(hào)帶查參考資料[13]得節(jié)圓直徑 mm，外徑mm。(5) 帶速 (3.8) 將mm，r/min代入公式（3.8）中，得 m/s 根據(jù)模數(shù)型號(hào)與所選同步帶型號(hào)，由參考資料[13]查得 m/s 故符合要求。 (6) 傳動(dòng)比 = n1n2 ≤10 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)，大小帶輪轉(zhuǎn)速相同，所以取 =1<10，符合要求。 （7）大帶輪齒數(shù) Z2 Z2=i ?Z1=1×24 （8）大帶輪節(jié)圓直徑 d2 d2 =PbZ2/π =i?d1=1×38.81=38.81 mm （9）初定中心距 a 采用中心距可調(diào)式 (3.9) 將mm，將其帶入公式（3.9）中，得 mm 故取 a=70 mm。 （10）初定帶的節(jié)線長(zhǎng)度及其齒數(shù) (3.10) 將mm，mm代入公式（3.10）中，得 mm 根據(jù)參考資料[13]，查表得：mm，Zb =55。 （11）實(shí)際中心距 a (3.11) 將mm，mm，mm代入公式（3.11）中，得 mm 將a取整 a=79 mm。 （12）基準(zhǔn)額定功率 P0 (3.12) 式中：—帶寬為bs0的許用工作拉力，N； m—帶寬為bs0的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 kg/m； 根據(jù)參考資料[13]查得 Ta=50.17，v=0.02 m/s，m=0.22 kg/m帶入公式（3.12）得 kw （13）帶寬 bs (3.13) 式中： bs0—選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度 mm； kz—小帶輪嚙合齒系數(shù)； 根據(jù)參考資料[13]查得bs0 =9.5 mm；kz數(shù)=1.00； 將kw，Pd=6.0×10-4 kw，mm，代入公式（3.13）中，得 mm 則根據(jù)參考資料[13]取bs=9.5 mm。 故選取同步帶 GB/T 11616—1989 110XL037。 （13）作用在軸線上的力 Fr N (3.14) 將Pd=6.0×10-4 kw，m/s代入公式（3.10）中，得 N 本設(shè)計(jì)四自由度機(jī)器人的機(jī)身材料查閱參考資料[19]取 Q235。 3.4 軸的確定及校核 查閱參考資料[13]，本設(shè)計(jì)四自由度機(jī)器人腰部軸與手腕處軸均選用 45號(hào)剛。 3.4.1 腰部軸的確定校核 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，腰部軸的尺寸及形狀最終確定如圖 3.1 圖3.1 底座軸結(jié)構(gòu)尺寸 本設(shè)計(jì)腰部軸主要承受轉(zhuǎn)矩，承受的彎矩很小，所以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa (3.15) 式中： τ—軸的扭切應(yīng)力 MPa； P—傳遞的功率 kw，P=17.49×10-3 kw； T—轉(zhuǎn)矩 N?m； WT—抗扭截面系數(shù) mm3； d—軸的直徑 mm，d=30 mm； n—軸的轉(zhuǎn)速 r/min，n=93.75 r/min； [τ]—許用扭切應(yīng)力 MPa，45號(hào)剛 [τ]=30~40 MPa； 將數(shù)以上據(jù)帶入式（3.15）得 τ=9.55×106×17.49×10-3/0.2×303×93.75 =0.329 MPa< [τ] =30~40 MPa 所以本設(shè)計(jì)腰部軸的結(jié)構(gòu)安排符合要求。 3.4.2 手腕軸的確定校核 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，手腕軸的尺寸及形狀最終確定如圖3.2 圖3.2 手腕軸結(jié)構(gòu)尺寸 手腕處即受彎矩又受扭矩，也可近似使用公式（3.15）計(jì)算，但必須把軸的許用扭切應(yīng)力[τ]適當(dāng)降低以補(bǔ)償彎矩對(duì)軸的影響。將減低后的許用應(yīng)力帶入 式3.15，并改寫(xiě)為設(shè)計(jì)公式 d≥39.55×1060.2τ?3Pn≥C3Pn mm （3.16） 手腕處： P=4.0×10-4 kw； [τ]—45號(hào)剛 [τ]=30 MP（最小值）；n=10 r/min； C—由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)，查參考資料[18]得C=118~107，取C=100； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.16）得 d≥39.55×1060.2×30?34.0×10-410≥10034.0×10-410 mm d≥7.324≥3.4 mm 本設(shè)計(jì)d=8 mm≥3.4 mm，符合要求。 3.4.3 大臂聯(lián)接件的確定校核 根據(jù)本設(shè)計(jì)，大臂聯(lián)接件尺寸確定如圖3.3所示。 圖3.3 大臂聯(lián)接件尺寸 根據(jù)本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安排，大臂聯(lián)接件主要承受扭矩，所以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。據(jù)公式3.15 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa 此處式中P=37w=37×10-3kw，n=7.5r/min=0.24m/s，d=35mm，帶入式3.15中得， τ= TWT =9.55×106×37×10-3/0.2×353×7.5 MPa ≈5.49 MPa 大臂聯(lián)接件材料為45號(hào)剛，[τ]=30~40 MPa，而5.49 MPa ≤[τ]=30~40 MPa，所以大臂聯(lián)接件設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。 3.5 軸承的選用及計(jì)算 3.5.1 手腕處軸承 （1）手腕處軸承的選擇 手腕處根據(jù)工作條件主要承受徑向載荷，同時(shí)也承受一定得軸向載荷。故選手腕處軸承為深溝球軸承。 根據(jù)參考資料[13]及其圖 3.2選擇手腕處軸承為 60000型，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動(dòng)載荷 Cr=4.85 kN，徑向額定靜載荷 C0r=1.98 kN。 （2）軸承當(dāng)量動(dòng)載荷 P P=（XFr +YFa） (3.17) 式中： X—徑向動(dòng)載荷系數(shù)； Y—軸向動(dòng)載荷系數(shù)； Fr—徑向載荷 N，F(xiàn)r =mg=29.8 N=19.6 N，此處考慮到過(guò)載、環(huán)境溫度及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的沖擊等情況可取大點(diǎn)，所以取Fr =100 N； Fa—軸向載荷 N，同F(xiàn)r取為Fa=100 N； 因此 FaC0r = 100 N1980 N =0.051 根據(jù) FaC0r = 0.051查閱參考資料[20]得e 值為0.26； 又 FaFr = 100 N100 N =1>e=0.26 根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.71； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.17）得 P=（0.56×100+1.71×100）N =227 N （3）軸承的基本額定壽命 Lh Lh = 10660n （ftCfpP）ε h (3.18) 式中：Lh—軸的基本額定壽命 小時(shí)； —基本額定動(dòng)載荷 N，C=Cr=4.58103 ×103N； —當(dāng)量動(dòng)載荷 N，P=P=227 N； —軸承轉(zhuǎn)速r/min； ft—溫度系數(shù)，ft =1[18]； fp—載荷系數(shù)，fp =1.5[18]； ε—壽命指數(shù)[18]，球軸承 ε =3； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3.18）得 h 符合要求。 3.5.2 大臂聯(lián)接處軸承 大臂聯(lián)接處根據(jù)工作條件選擇深溝球軸承，根據(jù)參考資料[13]及圖3.3結(jié)構(gòu)選擇軸承6207，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動(dòng)載荷 Cr=25.5 kN，徑向額定靜載荷 C0r=15.2kN。 （1）軸承當(dāng)量動(dòng)載荷 P Fr—徑向載荷 N，F(xiàn)r = mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N， Fa—軸向載荷 N，此處軸向載荷較小，故Fa根據(jù)參考資料[20]可為Fa=400 N； X=0.56；Y=1.71 因此， FaC0r = 100 N15200 N =0.026 根據(jù) FaC0r = 0.026查閱參考資料[20]得e 值為0.22； 又 FaFr = 400 N436.1 N =0.91>e=0.22 所以根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.99； 將上邊各值帶入公式3.17得 P=（0.56×436.1+1.99×400）N =1040.216 N （2）軸承的基本額定壽命 Lh 根據(jù)公式3.18 Lh = 10660n （ftCfpP）ε h 得 Lh=10660×7.5×（1×25.5×1031.5×1040.216）3=9.7×106h 符合要求。 3.5.3 其它部位軸承的選擇 同手腕處軸承的選用方法，腰部軸處根據(jù)工作條件及圖3.1結(jié)構(gòu)尺寸選用30206型滾動(dòng)軸承。 大臂兩端處軸承選用6207型滾動(dòng)軸承[20]。 注：本設(shè)計(jì)其它零件的結(jié)構(gòu)尺寸具體見(jiàn)CAD圖紙和UG三維模型，這里不在贅述。 3.6 四自由度機(jī)器人長(zhǎng)度尺寸 3.6.1 腰部總成高度尺寸 根據(jù)前邊的選擇，腰部電機(jī)57BYG4501，直徑為66.6mm，根據(jù)參考資料[5]，箱座壁厚δ≥8mm，所以取機(jī)器人腰部壁厚為15mm，所以機(jī)器人腰部總直徑d=66.6+2×15=96.6mm，取整d=97mm。底座直徑比腰部直徑要大些，以便安裝螺栓固定腰部與底座，故取底座直徑d’= 150mm。 底座軸承端蓋厚度根據(jù)參考資料[5]得