7自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 器人的研究和開發(fā)列入了計劃，由機(jī)械部等部門組織了點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、搬運(yùn)等型號的工業(yè)機(jī)器人的攻關(guān)，使中國工業(yè)機(jī)器人一起步就瞄準(zhǔn)了實(shí)用化的方向。 1986 年，國家把智能機(jī)器人列為高技術(shù)發(fā)展計劃，研究目標(biāo)是跟蹤世界先進(jìn)水平，工作內(nèi)容主要是圍繞特種機(jī)器人進(jìn)行攻關(guān)。 進(jìn)入 90 年代，在國內(nèi)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動下，確定了特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，實(shí)現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的密切銜接，研制出有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，并小批試產(chǎn)，完成了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，建立了 9 個機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和 7 個科研基地。我國的高等院所，如長沙國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽自動化研究所等在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及 7 自由度機(jī)器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)做出了可喜的成績，正在逐步縮短在機(jī)器人技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平的差距。 綜上所述，我國機(jī)器人發(fā)展已跨過了起步階段，走上了進(jìn)步和發(fā)展的道路。今后的任務(wù)是把機(jī)器人技術(shù)推廣到更多的工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域和其他更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，大力開展跨過區(qū)域交流合作，與國際接軌，早日躋身于世界先進(jìn)行列 。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢 機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表，是人造機(jī)器的“終極”形式。它涉及到機(jī)械、電子、自動控制、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)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢主要有： （1）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。 （2）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；有關(guān)節(jié)模塊連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人。 （3）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，控制柜日漸小巧，采用模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （4）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，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有47 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 [7]成熟應(yīng)用。 （5）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。 總體趨勢是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(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)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動作功能的“智能化系統(tǒng)”。機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展 。 課題來源 7自由度工 業(yè)機(jī)器人是一種冗余度機(jī)器人，冗余度 機(jī)器人的一個重要特性是其能夠進(jìn)行自運(yùn)動，即在使末端操作器位姿保持不變的情況下，各個關(guān)節(jié)能夠沿冗余作業(yè)空間運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自調(diào)整。不同的自運(yùn)動可使得機(jī)器人有不同的機(jī)構(gòu)位形和運(yùn)動。冗余度機(jī)器人這一特征可使得其在復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)避障。 由于冗余度機(jī)器人的重要研究及應(yīng)用價值( 主要面向空間站、核電站、水下等各種危險復(fù)雜的場合)，開 發(fā)了一種基于工業(yè) 機(jī)器人的七自由度仿 人手臂，其外形美觀、動作靈活，是一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。顯然,為了實(shí)現(xiàn)自運(yùn)動的路徑規(guī)劃，首先需要解決運(yùn)動學(xué)正問題。 早在七十年代，國外發(fā)達(dá)國家就已開始對冗余自由度機(jī)器人進(jìn)行研究。近幾年來這方面研究進(jìn)展較大，有幾個國家已研制出了幾種具有冗余自由度的機(jī)器人，有的已能應(yīng)用于實(shí)際工作。這幾年國內(nèi)有關(guān)單位也相繼開始了對冗余自由度機(jī)器人的研究，并取得了一些可喜的成果，但水平比國外有較大差距。特別是還沒有研制出一臺具有冗余自由度的機(jī)器人樣機(jī)。這對冗余自由度機(jī)器人的深入研究有很大影響。為此，在高等學(xué)校博士生點(diǎn)基金和“863”基金的支持下，從 86 年開始進(jìn)行冗余自由度機(jī)器人的研究，并已研制成功一臺七自由度機(jī)器人樣機(jī)。 中國工業(yè)機(jī) 器人經(jīng)過“七五”攻關(guān)計劃、“九五” 攻關(guān)計劃和863計劃的支持已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，工業(yè)機(jī)器人市場也已經(jīng)成熟，應(yīng)用上已經(jīng)遍及各行各業(yè)，但進(jìn)口機(jī)器人占了絕大多數(shù)。我國在某些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，但還缺乏整體核心技術(shù)的突破，具有中國知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人則很少。目前我國機(jī)器人技術(shù)相當(dāng)于國外發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)80年代初的水平，特別是在制造工藝與裝備方面，不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的關(guān)鍵部件。我國目前取得較大進(jìn)展的機(jī)器人技術(shù)有：數(shù)控機(jī)床關(guān)57 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 [8]鍵技術(shù)與裝備、隧道掘進(jìn)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、工程機(jī)械智能化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、裝配自動化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)。現(xiàn)已開發(fā)出金屬焊接、噴涂、澆鑄裝配、搬運(yùn)、包裝、激光加工、檢驗、真空、自動導(dǎo)引車等的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，主要應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機(jī)械、家電等行業(yè) 。 主要研究內(nèi)容 本文的主要研究內(nèi)容： 本課題以實(shí)際工程項目出發(fā)，仿照日本安川 7 自由度工業(yè)弧焊機(jī)器人 VA1400作為研究對象。針對機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，對此機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立三維裝配模型，為機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真提供虛擬樣機(jī)模型。 （ 1 ） 通 過 調(diào) 研 首 鋼 莫 托 曼 機(jī) 器 人 有 限 公 司 ， 對 7 自 由 度 工 業(yè) 機(jī) 器 人MOTOMANVA1400 有感性認(rèn)識，并對其機(jī)械結(jié)構(gòu)了解和學(xué)習(xí)。 （2）參考 6 自由度 MOTOMANHP6 機(jī)器人說明書資料，了解其 6 自由度的分配和實(shí)現(xiàn)。 （3）研究 7 自由度機(jī)器人與 6 自由度機(jī)器人的相同點(diǎn)和異同點(diǎn)，對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對電機(jī)、減速器、同步帶進(jìn)行設(shè)計和選擇。 （4）利用 UG 軟件建立機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，為后續(xù)系統(tǒng)的仿真分析工作做好準(zhǔn)備。 67 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 第二章 7 自由度工業(yè)機(jī)器人總體方案設(shè)計 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計的特點(diǎn) [9][10]串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計與一般的機(jī)械設(shè)計相比，有很多不同之處。首先，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)( 或移動關(guān)節(jié))連接起來的開式運(yùn)動鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動分析和靜力分析復(fù)雜，兩相鄰桿件坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、末端執(zhí)行器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩(或力)之間的 關(guān)系等，都不是一 般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，需要建立一套針對空間開鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)方法。末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度和各個關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩之間的關(guān)系是動力學(xué)分析的主要內(nèi)容，在手臂開鏈結(jié)構(gòu)中，每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動受到其它關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響，作用在每個關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨手臂位姿變化而變化，在高速情況下，還存在哥氏力和離心力的影響。因此，機(jī)器人是一個多輸入多輸出的、非線性、強(qiáng)藕合、位置時變的動力學(xué)系統(tǒng)，動力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過一定的簡化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專門分析方法 。 一個好的機(jī)器人設(shè)計應(yīng)當(dāng)使其機(jī)械系統(tǒng)的持重—自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機(jī)，它的性能是機(jī)器人設(shè)計追求的目標(biāo) 。 本課題要設(shè)計一款串聯(lián) 7 自由度工業(yè)機(jī)器人，其機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，能持重 3kg ，用于弧焊技術(shù)。 與機(jī)器人有關(guān)的概念 以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。 （1）自由度(Degrees Of Freedom,DOF)：工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動副通常有移動副和轉(zhuǎn)動副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。以移動副相連的關(guān)節(jié)稱為移動關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動的關(guān)節(jié)稱為主動關(guān)節(jié)。主動關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。本文設(shè)計的機(jī)器人是 7DOF機(jī)器人。 （2）工作空間(Work Space)：工作空間是指機(jī)器人臂桿的特定部位在一定條77 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 [11]件下所能到達(dá)空間的位置集合。由于工作空間的形狀和大小反映了機(jī)器人工作能力的大小，因而它對于機(jī)器人的應(yīng)用是十分重要的。 （3）機(jī)器人的分類，機(jī)器人分類方法有多種。 首先，按機(jī)器人控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)： (a)點(diǎn)位控制型(Point to Point Control)：機(jī)器人受控運(yùn)動方式為自一個點(diǎn)位目標(biāo)向另一個點(diǎn)位目標(biāo)移動，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時的軌跡控制。 (b)連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control)：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時做受控運(yùn)動，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機(jī)的角位移和角速度信號，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。本課題設(shè)計的機(jī)器人屬于連續(xù)軌跡控制型。 其次，按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類： (a)直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運(yùn)動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，不會產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。 (b) 圓柱坐 標(biāo)型： 該型機(jī)器 人前三 個關(guān)節(jié) 為兩個 移動關(guān) 節(jié)和一 個轉(zhuǎn)動 關(guān)節(jié)以θ,r,z 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為 P=f(θ,r,z)，其中，r 是手臂徑向長度，z 是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。 (c)球坐標(biāo)型：具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。以θ,φ,y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為 P=f(θ,φ,y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 (d)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型(SCARA 型)機(jī)器人。前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。 第三，按驅(qū)動方式分類可分為：(a)氣壓驅(qū)動；(b)液壓驅(qū)動；(c)電氣驅(qū)動。 電氣驅(qū)動是 20 世紀(jì) 90 年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最易于控制、使用方便、運(yùn)動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。 第四，按用途分類可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等 。 87 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 本課題設(shè)計機(jī)器人為 7 款電機(jī)單獨(dú)驅(qū)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 人有更大 的相對空 間(手腕可 達(dá)到的最 大空間體 積與機(jī)器人本體外殼體積之比)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，因此設(shè)計的機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)為垂直關(guān)節(jié)型。 機(jī)器人的基本技術(shù)要求 該機(jī)器人的特點(diǎn)是工作范圍大，動作靈活，結(jié)構(gòu)較緊湊，用于弧焊焊接。根據(jù) MOTOMANVA1400 的用途和特點(diǎn)提出如下技術(shù)參數(shù)： 自由度數(shù)目：7 個，坐標(biāo)形式：垂直關(guān)節(jié)型，有效載荷： 3kg ，機(jī)器人精度：? ~ + ，工作范圍： R = 1434mm ，本體重量： 150kg機(jī)器人各參數(shù)要求見下表 21。 軸 最 大 運(yùn) 動 范表 21 機(jī)器人運(yùn)動參數(shù) 最大角速度 轉(zhuǎn)速 各 關(guān) 節(jié) 允 許轉(zhuǎn)動慣量 圍 [度] 176。srads極限力矩 N ? m kg ? m2S 腰部回轉(zhuǎn) 170~+170 220   L 小臂擺動 70~+148 200   U 臂部俯仰 175~+150 220   R 腕部扭轉(zhuǎn) 150~+150 410   B 腕部俯仰 45~+180 410   T 腕部回轉(zhuǎn) 200~+200 610   E 大臂回轉(zhuǎn) 90~+90 220   97 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)型式 手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)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(yùn)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。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖 2－1 所示。 圖21 幾種自由度機(jī)器人手臂構(gòu)型 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(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比)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107 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)器人手臂使用了三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)形式為圖 2－1 中的第一種形式，此手臂決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂有三個轉(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