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1、1前言1.1題目來源與分析題目關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來源于生產(chǎn)實(shí)踐中。要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有6個自由度:腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn);臂關(guān)節(jié)俯仰;肘關(guān)節(jié)俯仰;腕關(guān)節(jié)仰腕;擺腕;旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計(jì)機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg,最大速度2m/s,最大工作空間半徑1500mm。機(jī)器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中,應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化,改善勞動條件,提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一,也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。自古以來,人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機(jī)器。特別是在20世紀(jì)20年代前
2、后,捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機(jī)器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品,更使機(jī)器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實(shí)生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪,也制造出一些仿人或仿生的機(jī)器人。然而在當(dāng)時的科技條件下,要使機(jī)器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機(jī)械手,他首先突破了對機(jī)器人的傳統(tǒng)觀點(diǎn),提出機(jī)器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)表了適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人一文,并獲得了美國專利。戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控
3、機(jī)床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起,預(yù)定的機(jī)械手動作一經(jīng)編程輸入后,機(jī)械等就可以離開人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行。這種機(jī)器人也可以接受示教而完成各種簡單任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動機(jī)械手依次通過工作任務(wù)的各個位置,這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器中,任務(wù)的執(zhí)行過程中,機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下再現(xiàn)出那些位置序列。因此,這種機(jī)器人的主要技術(shù)就是“可編程”以及“示教再現(xiàn)”。1.2研究目的焊接機(jī)器人是最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,它占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。由于對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外,焊接時的火花及煙霧等,對人體造成危害,因而,此課題的提出就有十分重要的意義。1.
4、3國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢a.工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修),而單機(jī)價格不斷下降。b.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。c.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高,控制柜日見小巧,且采用模塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護(hù)性。d.機(jī)器人中的傳感器作用日益重要,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺
5、、力覺等傳感器,而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。e.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制,如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。f.當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng),而是治理于操作者于機(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)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。g.機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來,這種新型裝
6、置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一,紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。國際機(jī)器人研究在經(jīng)過了80年代的低潮之后,呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢;我國的機(jī)器人研究在國家七五八五及863計(jì)劃的推動下也取得了很大的發(fā)展。在70年代的機(jī)器人浪潮相比,現(xiàn)在的機(jī)器人研究有兩個特點(diǎn):一是對機(jī)器人智能的定位有了更加符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn),也就是不要求機(jī)器人具有像人類一樣的高智商,而只是要求機(jī)器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步,在國家的支持下,通過“七五”“八五”科技攻關(guān),目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制技術(shù)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機(jī)器
7、人關(guān)鍵元器件,開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用,弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看,我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離,如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機(jī)器人應(yīng)用工程起步晚,應(yīng)用領(lǐng)域窄,生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上,我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺,約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè),當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求,“一客戶,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、成本也不低,而且質(zhì)量
8、、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù),對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃,搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì),積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下,也取得了不少成果,其中最為突出的是水下遙控機(jī)器人,6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平,還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種;在機(jī)器人視覺、力覺、聲覺、觸覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作,有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步,與國外先進(jìn)水平差距較大,需要在原有成績的基礎(chǔ)
9、上,有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān),才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品,以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。56132關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)2.1確定基本技術(shù)參數(shù)2.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的6個自由度,可以有不同的運(yùn)動組合,根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案:a.圓柱坐標(biāo)型這種運(yùn)動形式是通過一個轉(zhuǎn)動,兩個移動,共三個自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng),工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較,在相同的工作空間條件下,機(jī)體所占體積小,而運(yùn)動范圍大。b.直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人,其運(yùn)動部分由三個相互垂直的直線移動組成,其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離,可在各坐標(biāo)軸上直
10、接讀出,直觀性強(qiáng),易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算,定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單,但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。c.球坐標(biāo)型又稱極坐標(biāo)型,它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成,即一個回轉(zhuǎn),一個俯仰和一個伸縮運(yùn)動組成,其工作空間圖形為一個球形,它可以作上下俯仰運(yùn)動并能夠抓取地面上或較低位置的工件,具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn),但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。d.關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型,這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似,其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成,立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié),大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié),可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動和使大臂作俯仰擺動,小臂作俯仰擺動。其特點(diǎn)使工作空間范圍大,動作靈活,通用性強(qiáng)、能
11、抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。e.平面關(guān)節(jié)型采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié);兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動,而移動關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動,其工作空間的軌跡圖形,它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體,縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長,兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性,在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單,動作靈活,多用于裝配作業(yè)中,特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。對以上五種方案進(jìn)行比較:方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動作;方案二體積大,靈活性差;方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜;方案五無法實(shí)現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四:關(guān)節(jié)型機(jī)器人。此方案所占空間少,工作空間范圍大,動作靈活,工藝操作精度
12、高。2.1.2額定負(fù)載目前,國內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下,產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是6kg。2.1.3工作范圍工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運(yùn)動的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。圖2-1
13、運(yùn)動范圍圖2.1.4操作機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu),它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體,驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動。通常的機(jī)器人驅(qū)動方式有以下四種:a.步進(jìn)電機(jī):可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制,控制結(jié)構(gòu)簡單,控制性能好,而且成本低廉;通常不需要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開環(huán)控制,沒有誤差校正能力,運(yùn)動精度較差,負(fù)載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。b.直流伺服電機(jī):直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性,較大的啟動力矩,相對功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn),并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便,成本低。c.交流伺服電機(jī):交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠,使用維修方便,與步進(jìn)電機(jī)相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO,大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制,增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過