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第1章 緒論
1.1 技術(shù)概述
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
早在20世紀(jì)初，隨著機(jī)床、汽車等制造業(yè)的發(fā)展就出現(xiàn)了機(jī)械手。1913年美國福特汽車工業(yè)公司安裝了第一條汽車零件加工自動線，為了解決自動線、自動機(jī)的上下料與工件的傳送，采用了專用機(jī)械手代替人工上下料及傳送工件?？梢妼Ｓ脵C(jī)械手就是作為自動機(jī)、自動線的附屬裝置出現(xiàn)的。
“工業(yè)機(jī)器人”這種自動化裝置出現(xiàn)的比較晚。但是自從世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。
本課題所指的工業(yè)機(jī)器人，或稱機(jī)器人操作臂、機(jī)器人臂、機(jī)械手等。從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開式鏈。這些連桿就像人的骨架，分別類似于胸，上臂和下臂，工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)相當(dāng)于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。操作臂的前端裝有末端執(zhí)行器或相應(yīng)的工具，也常稱為手或手爪。手爪是由兩個或多個手指所組成，手指可以“開”與“合”，實現(xiàn)抓去動作和細(xì)微操作。手臂的動作幅度一般較大，通常實現(xiàn)宏觀操作。
工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有 3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號，并進(jìn)行控制。
由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。
機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機(jī)械手已經(jīng)受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：
（1） 機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機(jī)床上使用較
為普編。
（2） 在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它用來裝配印制電路板，
在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零件。
（3） 可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的
勞動。
（4） 可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品級有還、及有害
物的搬運等。
（5） 宇宙及海洋的開發(fā)。
（6） 軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗。
1.2 工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及意義
機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)器人應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動的各個領(lǐng)域。總趨勢是從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)(RT) 概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實在動作功能的智能化系統(tǒng)?！蹦壳?，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、PC 化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實用化；工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計劃。世界各國普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開設(shè)了介紹機(jī)器人技術(shù)的有關(guān)課程。為了培養(yǎng)機(jī)器人開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、維護(hù)方面的人才，我國很多高校也為本科生和研究生開設(shè)了機(jī)器人學(xué)課程。
本課題為教師自擬課題。本文主要針對五自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1.3 工業(yè)機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1 國外機(jī)器人研究現(xiàn)狀
國外目前機(jī)器人研究的重點主要有以下幾個方面：
(1) 機(jī)器人操作機(jī)，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機(jī)器人操作機(jī)己實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國 KUKA 公司為代表的機(jī)器人公司，將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用大大提高了機(jī)器人的性能。
(2) 并聯(lián)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。
(3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸機(jī)器人，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化。
(4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德國KUKA, REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。
(5) 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機(jī)器人控制器已實現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)
化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備有了發(fā)展。
(6) 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。
1.3.2 國內(nèi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀
隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國在機(jī)器人科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進(jìn)步。從20世紀(jì)80年代末到20世紀(jì)90年代，國家863計劃把機(jī)器人列為自動化領(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機(jī)器人基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)器人元部件、先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機(jī)器人在自動化工程上的應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人選型方面，確定以開發(fā)點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運等機(jī)器人為主。這是中國機(jī)器人事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。一批從事機(jī)器人研究、開發(fā)、應(yīng)用的人才和隊伍在實踐中成長、壯大，一批以機(jī)器人為主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。
我國近幾年機(jī)器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機(jī)器人自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機(jī)器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機(jī)器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機(jī)。但是，無論從工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都是比較落后的。而我國作為一個工業(yè)大國，不能寄希望從其他國家得到真正的高技術(shù)，必須自主的發(fā)展我國的高技術(shù)，機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支，將成為21世紀(jì)各國爭奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)制高點。如何在 21世紀(jì)加速我國機(jī)器人的發(fā)展，使我國早日進(jìn)入機(jī)器人大國行列，已成為當(dāng)務(wù)之急。由于目前我國機(jī)器人的基礎(chǔ)數(shù)量太低，以工業(yè)機(jī)器人為例，到了2010年我國機(jī)器人擁有量只能達(dá)到世界擁有量1.38%～2%，這與我國作為21世紀(jì)前半葉世界主要制造國的要求差距太大，如果這種差距只能以進(jìn)口機(jī)器人來彌補(bǔ)，其巨大損失不是可以用貨幣損失來計算的?？梢?，無論從資金方面考慮，還是從長遠(yuǎn)利益考慮，我們有必要自主地對機(jī)器人進(jìn)行研究和開發(fā)。
但是由于國內(nèi)機(jī)器人的科研與開發(fā)與國外尚有較大差距，雖然計劃開發(fā)的機(jī)器人基本上采用的是在國外基木成熟的技術(shù)，但國內(nèi)各單位對這些技術(shù)的了解有相當(dāng)部分還停留在文獻(xiàn)上或局部技術(shù)上。所以我們應(yīng)該從基本做起，有必要研制少數(shù)型號的機(jī)器人和開展一批基礎(chǔ)技術(shù)研究作為機(jī)器人課題的主要研究與開發(fā)內(nèi)容。
1.4 “十五”目標(biāo)及主要研究內(nèi)容
1.4.1目標(biāo)
中國工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在的總裝機(jī)量約為1200臺，其中國產(chǎn)機(jī)器人占有量約為1/3，即400多臺。與世界機(jī)器人總裝機(jī)臺數(shù)75萬臺相比，中國總裝機(jī)量僅占萬分之十六。對中國這樣一個12億人口的大國來說，差距是很明顯的。裝機(jī)數(shù)量少，說明了我國的工業(yè)化程度與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距大。因為工業(yè)機(jī)器人的誕生和應(yīng)用發(fā)展是以工業(yè)生產(chǎn)高度自動化和柔性化為大背景的。除數(shù)量外，差距還表現(xiàn)在已有的機(jī)器人的利用率不高，以進(jìn)口的弧焊機(jī)器人為例，據(jù)調(diào)查，完全正常運轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮效益效益的只占1/3；另外1/3處于負(fù)荷不滿或不能安全正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，原因是生產(chǎn)管理及使用維護(hù)存在不合理現(xiàn)象或問題；還有1/3不能正常使用，這是由于機(jī)器人質(zhì)量問題或缺乏備件，以及請不起外方維修人員造成的。機(jī)器人應(yīng)用效果不理想，直接影響了用戶使用更多機(jī)器人的信心。
我國有組織有計劃地發(fā)展機(jī)器人事業(yè)，應(yīng)該說是從“七五”期間的科研攻關(guān)及實施“863計劃”開始的，經(jīng)過十幾年來的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用，從縱向看，有了長足的進(jìn)步。目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點焊機(jī)器人、搬運機(jī)器人、裝配機(jī)器人、特種機(jī)器人(水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)器人)，基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制，驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置、軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線(工作站)及其周邊配套設(shè)備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)器人焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破；于此同時造就了一支具有一定水平的技術(shù)隊伍。無疑，從技術(shù)方面來說，我國的機(jī)器人技術(shù)在世界機(jī)器人界已有一席之地，奠定了獨立自主發(fā)展中國機(jī)器人事業(yè)的基礎(chǔ)；從社會經(jīng)濟(jì)角度來看，我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為中、外機(jī)器人產(chǎn)品打開中國市場準(zhǔn)備了物質(zhì)和人員條件。
根據(jù)國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具體情況，“十五”期間機(jī)器人技術(shù)應(yīng)重點開展智能機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械及其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用；開展以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究及加強(qiáng)多傳感器融合及決策、控制一體化技術(shù)及應(yīng)用的研究。重點解決我國已研制應(yīng)用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化前期關(guān)鍵技術(shù)，大力推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，力爭在“十五”末期實現(xiàn)噴涂、焊接、裝配等機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化。
1.4.2主要研究內(nèi)容
(1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究
①關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計。
②柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)：柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)，整機(jī)安全防爆、防護(hù)技術(shù)開發(fā)，高速噴杯噴涂工藝研究。
③焊接機(jī)器人（把弧焊與點焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個系列機(jī)器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計。
④弧焊機(jī)器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術(shù)，視覺跟蹤與機(jī)器人協(xié)調(diào)控制。
⑤焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真。
⑥電子行業(yè)用裝配機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計。
⑦批量生產(chǎn)機(jī)器人所需的專用制造、裝配、測試設(shè)備和工具的研究開發(fā)。
(2)智能機(jī)器人開發(fā)研究
①遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究
包括建模－遙控機(jī)器人模型，人行為模型，人控制動態(tài)建模，圖形仿真建模，虛擬工具和虛擬傳感器建模；以人為主體的人機(jī)共享規(guī)劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術(shù)；雙向力反應(yīng)控制；知識庫的建立，學(xué)習(xí)與推理方法；人機(jī)交互的高級控制技術(shù)；虛擬現(xiàn)實（VR）控制與真實世界控制的相互關(guān)系；監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
②智能移動機(jī)器人的導(dǎo)航和定位技術(shù)研究
包括導(dǎo)航和定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；在結(jié)構(gòu)環(huán)境或非結(jié)構(gòu)環(huán)境中導(dǎo)航和定位方法研究；感知系統(tǒng)的傳感器和信息處理系統(tǒng)的構(gòu)成；根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)建立環(huán)境模型的方法；模糊邏輯的推理方法用于移動機(jī)器人導(dǎo)航的研究。
③面向遙控機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)
包括人機(jī)交互圖形生成及其程序設(shè)計；遙控機(jī)器人（載體和機(jī)械手）幾何動態(tài)圖形建模；遙控操作環(huán)境圖形建模；遙控機(jī)器人操作與數(shù)據(jù)的獲??；虛擬傳感器及基于虛擬傳感器的雙向力反應(yīng)、反饋控制；面向任務(wù)的虛擬工具；基于虛擬現(xiàn)實的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實世界操作的可切換、相容性和可交換性；VR監(jiān)控系統(tǒng)。
④人機(jī)交互環(huán)境建模系統(tǒng)
包括CAD建模中的人機(jī)交互技術(shù)；求知模型工件的反示過程中的交互技術(shù)；機(jī)器人與環(huán)境的布局及功能驗證中的交互技術(shù)；傳感器數(shù)據(jù)處理中的交互技術(shù)；機(jī)器人標(biāo)定、運動學(xué)建模、動力學(xué)建模中的交互技術(shù)。
⑤基于計算機(jī)屏幕的多機(jī)器人遙控技術(shù)
包括三維立體視覺建模；模型的計算機(jī)顯示；遙控機(jī)器人模型的控制；人機(jī)接口；網(wǎng)絡(luò)通訊。
(3)機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā)
①并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床（VMT）與機(jī)器人化加工中心（RMC）開發(fā)研究
包括VMT與RMC智能化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC關(guān)鍵傳動實現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測作業(yè)技術(shù)；VMT與RMC監(jiān)控檢測技術(shù)開發(fā)；VMT與MRC智能化開式CMC控制系統(tǒng)開發(fā)；系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件開發(fā)；智能化機(jī)構(gòu)、材料機(jī)電一體化技術(shù)；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術(shù)；機(jī)電一體化的多功能及靈巧作業(yè)終端；通用智能化開式CNC控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應(yīng)用工程開發(fā)。
②機(jī)器人化無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
包括散料輸送系統(tǒng)監(jiān)控和遙控操作的傳感器融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術(shù)；機(jī)器人運動規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應(yīng)用；基于廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)程實時通訊；具有監(jiān)測和管理功能的故障診斷系統(tǒng)。
(4)以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)
①開放式模塊化裝配機(jī)器人
包括通用要素的提??；專用件標(biāo)準(zhǔn)化；裝配機(jī)器人模塊CAD設(shè)計；通用主流計算機(jī)構(gòu)造的控制器；人機(jī)界面方式；網(wǎng)絡(luò)功能。
②面向機(jī)器人裝配的設(shè)計技術(shù)
包括數(shù)字化裝配與CAD集成技術(shù)；產(chǎn)品機(jī)器人化裝配規(guī)劃生成技術(shù)；產(chǎn)品可裝配性模糊評價。
③機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)
其中單元技術(shù)：供料系統(tǒng)智能化設(shè)計、末端執(zhí)行器快速執(zhí)行、物流傳輸及其控制與通訊；集成技術(shù)：柔性裝配線仿真軟件、管理系統(tǒng)。
④可重構(gòu)機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)
開展基于任務(wù)和環(huán)境的動態(tài)重構(gòu)機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)理論研究；系統(tǒng)基于自治體（Agent）的分布式控制技術(shù)及系統(tǒng)各單元體間的協(xié)作規(guī)劃。
⑤裝配力覺、視覺技術(shù)
包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術(shù)；視覺識別與定位技術(shù)。
⑥智能裝配策略及其控制
包括裝配狀態(tài)實時檢測和監(jiān)控；裝配順序和路徑智能規(guī)劃及控制技術(shù)。
(5)多傳感器信息融合與配置技術(shù)
①機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
包括面向工藝過程的多傳感器融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術(shù)；面向工藝要求的新型傳感器研制。
②機(jī)電一體化智能傳感器
包括具有感知、自主運動、自清污（自調(diào)整、自適應(yīng)）的機(jī)電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機(jī)構(gòu)設(shè)計、實現(xiàn)檢測和清污的自主運動；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設(shè)計中的應(yīng)用
1.5 主要設(shè)計內(nèi)容
設(shè)計一種五自由度可重構(gòu)模塊化機(jī)器人手臂。它包括大臂、小臂和控制系統(tǒng)，大臂為一個底座依次連接第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)構(gòu)成，第一關(guān)節(jié)做回轉(zhuǎn)運動，第二關(guān)節(jié)做擺動運動，小臂為依次連接的第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)構(gòu)成，該三個關(guān)節(jié)均做回轉(zhuǎn)運動；五個關(guān)節(jié)均為模塊化關(guān)節(jié)，通過四個連接架依次順序連接成一個開鏈的空間機(jī)構(gòu)，具有五個自由度。本機(jī)器人手臂在控制系統(tǒng)的作用下完成各種特定的動作。運用 AutoCAD軟件繪制裝配圖、部件圖、零件圖。
第2章 五自由度機(jī)器人的總體設(shè)計
該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺五自由度的機(jī)器人，本章主要對該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計和分析。
2.1 總體設(shè)計的思路
設(shè)計機(jī)器人大體上可分為兩個階段：
(1) 系統(tǒng)分析階段
①根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)；
②分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境；
③根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由
度、信息的存儲量、計算機(jī)功能、動作精度的要求、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應(yīng)性。
(2) 技術(shù)設(shè)計階段
①根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機(jī)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人
的坐標(biāo)形式；
②擬訂機(jī)器人的運動路線和空間作業(yè)圖；
③確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型；
④選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計；
⑤繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。
2.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇
機(jī)器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運動坐標(biāo)就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關(guān)節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）。本次設(shè)計的機(jī)器人為5自由度。
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下:
(1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)Error! Reference source not found.。
(2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。
(3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間Error! Reference source not found.。
(4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計的機(jī)械手采用立式關(guān)節(jié)型。
a)直角坐標(biāo)型 b)圓柱坐標(biāo)型 c)球坐標(biāo)型 d)關(guān)節(jié)型
圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式
2.3 手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
手臂的總體設(shè)計是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計的首要問題，主要有包括總體方案設(shè)計和基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計。
2.3.1 機(jī)器人手臂自由度的分配和構(gòu)形
手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運動部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運動。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個。
本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有五個自由度，其中大臂兩個自由度，包括回轉(zhuǎn)運動和擺動運動。小臂部分三個自由度，均為回轉(zhuǎn)運動。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對空間和絕對工作空
間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對平移關(guān)節(jié)來講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。這里機(jī)器人手臂使用了四個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)形式如下。
該機(jī)器人手臂有四個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，通常腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸是鉛垂的，手臂在水平面內(nèi)可繞腰關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動。由三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)構(gòu)成的關(guān)節(jié)組聯(lián)接在小臂桿的端部，模擬人的手腕，決定末端件的姿態(tài)。在運動學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類機(jī)器人最像人的手臂，因而結(jié)構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達(dá)空間最大，它甚至可以繞過障礙物到達(dá)目標(biāo)點，因而是機(jī)器人中最有前途的一種。但由于三個關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。另外，位置精度也較差。
2.3.2 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案的對比分析及選擇
參考國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)，初步對各個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)單獨分析。 (1) 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
圖 2-3 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 1 圖 2-4 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 2
方案一：如圖2-3所示，電機(jī)安裝在底座下面，其輸出軸經(jīng)減速器減速后，直接帶動第一關(guān)節(jié)輸出軸，使整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。
方案二：如圖2-4所示，電機(jī)安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一對齒輪減速后，由第一關(guān)節(jié)輸出軸帶動整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。
兩種方案在傳動實現(xiàn)上，都是可行的。均采用了減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安裝方便的諧波減速器。雖然方案二在安裝和維修方面優(yōu)于方案一，但是方案一的傳動結(jié)構(gòu)簡單一點，而且少了一對普通直齒輪，其整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后，速度己經(jīng)較低，噪音問題不突出。故綜合考慮，腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案一。
(2) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
大臂和小臂回轉(zhuǎn)都是通過減速器減速后直接帶動來實現(xiàn)的，且結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對空間和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動作和軌跡更靈活。
第3章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計
步進(jìn)電機(jī)的選擇：
腕部旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R=50mm，手爪及物體的總重量m=2.5kg,則其轉(zhuǎn)動慣量
設(shè)機(jī)器人手部角速度W1從0加速到420/s所需要的時間t=0.4s，則其角加速度
負(fù)載啟動慣性矩（不計靜磨擦力矩）。
由于步進(jìn)電機(jī)不具有瞬時過載能力，故取安全系數(shù)為2（不同），則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動轉(zhuǎn)矩。由于必須小于步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，所以選擇如下二相步進(jìn)電機(jī)：
型號：42HSM02。最大步距角保持轉(zhuǎn)矩為2.4，步矩角1.8°，質(zhì)量為0.23kg。
腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸出軸是由步進(jìn)電機(jī)通過EPL減速器來驅(qū)動的，首先把電機(jī)固定在電機(jī)連接筒上，電機(jī)連接筒在通過內(nèi)六角柱頭螺釘固定在腰筒上，減速器的一端要和電機(jī)連接，一端固定在減速器連接筒上，減速器連接筒再通過內(nèi)六角柱頭螺釘固定在電機(jī)連接筒上，這樣連接就實現(xiàn)了腰部電機(jī)的輸出，由于腰部輸出軸要驅(qū)動整個裝置轉(zhuǎn)動，所以腰部輸出軸上還得通過一個旋轉(zhuǎn)筒連接支撐肋板，這樣腰部的裝配設(shè)計就完成了,其三維裝配圖及二維平面圖分別如下:
3.2 腕部俯仰關(guān)節(jié)的設(shè)計
3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇
腕部俯仰是由步進(jìn)電機(jī)通過同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動的，設(shè)手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離，腕部當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑，腕部回轉(zhuǎn)電機(jī)到回轉(zhuǎn)中心的距離，則腕部俯仰時其轉(zhuǎn)動慣量
式中，——手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量約為2.5kg；
——腕部總質(zhì)量約為1kg；
——腕部回轉(zhuǎn)電機(jī)的質(zhì)量。
設(shè)機(jī)器人腕部俯仰角速度從加到所需時間t=0.2s，則腕部俯仰角加速度，
腕部俯仰啟動慣性矩
負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩（靜磨擦力矩忽略不計）。
由于>>，故慣性矩忽略不計，則大臂俯仰總轉(zhuǎn)矩。
同步帶的傳動效率，同步帶的傳動比為1.5。則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動
轉(zhuǎn)矩為：
所以，選擇如下四相混合式步進(jìn)電機(jī)：
型號：86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩：，步矩角：1.8°；質(zhì)量：2.6kg
3.2.2 同步帶和輪的設(shè)計
腕部俯仰關(guān)節(jié)是同步帶傳動的，軸距為150mm。
⑴求設(shè)計功率，由于前面已考慮到了安全系數(shù)，所以。
⑵選擇帶的節(jié)矩
從文獻(xiàn)，圖36.1-22可知帶的節(jié)矩代號為XL，對應(yīng)節(jié)矩。
⑶確定帶輪直徑和帶節(jié)線長
由表面36.1-73知，帶輪最小許用齒數(shù)，考慮到制造和安裝等因素，取Z1=20，，帶輪的直徑
則帶長L可表示為
由表面化36.1-70選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長及其齒數(shù)：
，帶長代號225，齒數(shù)為98。
⑷實際軸間矩
取。
⑸嚙合齒數(shù)，則嚙合齒數(shù)。
⑹帶寬
計算同上，查表得型號為037。
⑺結(jié)論
同步帶類型：節(jié)矩代號為XL；寬度型號為037。
，帶長代號225，齒數(shù)為98。
帶輪齒數(shù).，
軸間矩。
腕部俯仰關(guān)節(jié)是由兩臺步進(jìn)電機(jī)分別通過EPL減速器驅(qū)動小同步帶輪，小同步帶輪帶動大帶輪驅(qū)動軸，步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)即可帶動軸兩端的擺動桿上下擺動。首先連接座固定在腰部回轉(zhuǎn)單元頂部的減速器上，可轉(zhuǎn)動。兩步進(jìn)電機(jī)通過內(nèi)六角柱頭螺釘固定在小臂電機(jī)座上，電機(jī)輸出軸與減速器相連，減速器輸出軸安裝有小帶輪，大帶輪通過平鍵帶動軸一同轉(zhuǎn)動，軸承座通過六角螺栓固定在連接座上，軸的兩端通過六角螺母安裝兩擺動桿，這樣連接就實現(xiàn)了腕部俯仰動作的實現(xiàn)，這樣腰部的裝配設(shè)計就完成了,其三維裝配圖如下：
大同步帶輪CAD圖如下：
3.3 小臂關(guān)節(jié)的設(shè)計
當(dāng)小臂與末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時，各部分對回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其代數(shù)和為
選擇減速器如下：
型號為：EPL—040—007。
則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動轉(zhuǎn)矩為。
所以，選擇如下四相混合式步進(jìn)電機(jī)；
型號：86HS38；最大靜轉(zhuǎn)矩：；步矩角；1.8°；質(zhì)量：2.6kg。
3.4 大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)步進(jìn)及減速器的選擇
當(dāng)大臂與小臂，末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時，各部分對回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其代數(shù)和
選擇減速器如下：EPL—064—007
則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動轉(zhuǎn)矩為
所以，選擇如下四相步進(jìn)電機(jī)：
型號：86HS85；額定轉(zhuǎn)矩：；步矩角：°。質(zhì)量：3.8kg。
大臂回轉(zhuǎn)單元是由步進(jìn)電機(jī)分別通過EPL減速器驅(qū)動下一回轉(zhuǎn)單元，步進(jìn)電機(jī)通過內(nèi)六角螺栓固定在電機(jī)座上，電機(jī)座內(nèi)部安裝有減速器，與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)帶動減速器即可實現(xiàn)大臂回轉(zhuǎn)功能的實現(xiàn)。這樣連接就實現(xiàn)了大臂回轉(zhuǎn)動作的實現(xiàn),其三維裝配圖如下：
第4章 總體裝配圖的設(shè)計
4.1 三維總裝配圖
將前面說述的各單元組裝后即得到五自由度機(jī)械手?？傃b圖如下
4.2 三維主要零件圖
其它各部分的設(shè)計如上，以下為三維總體裝配的主要零件圖：
連接座：
回轉(zhuǎn)電機(jī)座：
同步帶輪1
同步帶輪2
軸承座
擺動桿
回轉(zhuǎn)電機(jī)座：
擺動軸
回轉(zhuǎn)支撐筒
回轉(zhuǎn)電機(jī)座
致 謝
感謝老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計階段給我的指導(dǎo)，有了老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的指導(dǎo)我的論文才得以順利完成。老師為我論文課題的研究提出了許多指導(dǎo)性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。在本文結(jié)束之際，特向敬愛的老師致以最尊敬的敬禮和深深地感謝！
通過此次設(shè)計，一方面讓我認(rèn)識到只學(xué)習(xí)理論是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗，增強(qiáng)對復(fù)雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，提高了自己的動手能力。順利完成畢業(yè)設(shè)計，既是對我大學(xué)所學(xué)課程的一次綜合整理，又使我對機(jī)電知識有了更深層次的理解。這些能力的掌握是我步入社會所必需的。
同時由衷的感謝在我設(shè)計過程中，班級同學(xué)對我的指導(dǎo)和幫助，有了你們的熱心解答，彌補(bǔ)了我的不足，我得以在各方面取得顯著的進(jìn)步。由于初次研究這種復(fù)雜而又綜合的設(shè)計，過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。
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