自由度工业机器人结构.docx
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自由度工业机器人结构
五自由度工业机器人结构设计
1绪论
工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。
国际标准化组织（ISO）在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务”。
随着科学和技术的不断发展，在过去的几个世纪里，人类在许多方面都取得了重大的进展。
机器人技术作为人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了短短的40年，已取得长足的进步。
工业机器人在经历了诞生、成长、成熟期后，已成为制造业中必不可少的核心装备，而且工业机器人不仅在工厂里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透。
据联合国经济委员会和国际机器人联合会去年关于世界机器人的报告，仅2003年新投入使用的机器人接近10万个，使世界目前使用的机器人总数超过75万。
世界使用机器人最多的国家是日本，约38.9万；其次为德国（9.1万）、美国（9万）、意大利（3.9万）、韩国（3.8万）、法国（2.1万）、西班牙（1.3万）和英国（1.2万），并且报告估计2004年，全世界使用的机器人总数将超过100万。
我国的工业机器人发展的历史已经有20多年，从“七五”科技攻关开始，正式列入国家计划，在国家的组织和支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破，而且在工业机器人整机方面，己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术，并成功的应用于生产，掌握了相关的应用工程知识。
但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。
我国目前大约有4000台工业机器人，其中仅有1/5是国产的，其余的则是从40多个国外厂商进口的机器人。
总之，各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志，在未来社会中，机器人的广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。
相信在不远的将来，机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便，为人类的文明和发展带来更大的机会。
1.1工业机器人的发展过程及其应用
20世纪50年代是工业机器人的萌芽时期，1954年美国戴沃尔发表了'‘通用重复型机器人”的专利论文，第一次提出了“工业机器人”的概念。
1958年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型。
1959年美国UNIMATI0N公司推岀第一台工业机器人。
美国是机器人的故乡。
20世纪60年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入发展期，机器人开始向适用化发展，并被用于电焊和喷涂作业。
20世纪70年代随着计算机和人工智能的发展,机器人进入适用化时代。
日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施。
其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。
20世纪80年代工业机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人,推动了机器人产业的发展。
工业机器人的应用满足了人们特性化的要求，产品的批量越来越大，品种越来越多，而且产品的一致性也大大提高，为商家占有了更多的市场份额，获得了更多的市场利润。
20世纪90年代初期，工业机器人的生产与需求达到了一个高峰期。
1990年世界上新装备工业机器人80943台，1991年装备了76443台，到1991年底世界上己有53万台工业机器人工作在各条战线上［1］〜［5］。
目前工业机器人主要应用于制造业中，待别是电器制造、汽车制造、塑料加工、金属加工以及金属制品业等。
在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用。
随着生产的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益扩大，其应用范围已不限于制造业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。
在工业领域广泛应用着工业机器人。
我国科学家对机器人的定义是：
“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。
一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。
一般多自由度串联机器人具有4〜6个自由度，其中2〜3个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余2〜3个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。
本文设计的机器人具有三个自由度，也就是机器人的整个手臂部分，来决定了末端执行器在空间的位置。
1.2工业机器人研究的现状与意义
机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。
因此它的发展与上述学科发展密切相关。
机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。
机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。
总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。
机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。
”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：
结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。
现代科学技术的迅速发展，尤其是进入20世纪80年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。
许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。
世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设了介绍机器人技术的有关课程。
为了培养机器人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。
本课题为教师自拟课题。
本文主要针对五自由度工业机器人进行结构设计。
1.3国内外机器人研究现状
1.3.1国外机器人研究现状
国外目前机器人研究的重点主要有以下几个方面［7］〜［8］：
（1）机器人操作机，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机己实现了优化设计。
以德国KUKA公司为代表的机器人公司，将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用大大提高了机器人的性能。
（2）并联机器人：
采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。
意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。
（3）控制系统：
控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴机器人，并且实现了软件伺服和全数字控制。
人机界面更加友好,基于图形操作的界面也已问世。
编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。
（4）传感系统：
激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。
日本KAWASAKI,YASKAWA,FANUC和瑞典ABB、德国KUKA,REIS等公司皆推出了此类产品。
（5）网络通信功能：
日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络
化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备有了发展。
（6）可靠性：
由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。
过去机器人系统的可靠性一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。
1.3.2国内机器人研究现状
随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。
从20世纪80年代末到20世纪90年代，国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。
在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主。
这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。
一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。
我国近几年机器人自动化生产线已经不断岀现，并给用户带来显著效益［9］〜［12］。
随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。
我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。
但是，无论从工业机器人的数量上还是技术上，我们都是比较落后的。
而我国作为一个工业大国，不能寄希望从其他国家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。
如何在21世纪加速我国机器人的发展，使我国早日进入机器人大国行列，已成为当务之急。
由于目前我国机器人的基础数量太低，以工业机器人为例，到了2010年我国机器人拥有量只能达到世界拥有量1.38%〜2$,这与我国作为21世纪前半叶世界主要制造国的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机器人来弥补，其巨大损失不是可以用货币损失来计算的。
可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益考虑，我们有必要自主地对机器人进行研究和开发。
但是由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距，虽然计划开发的机器人基本上釆用的是在国外基木成熟的技术，但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在文献上或局部技术上。
所以我们应该从基本做起，有必要研制少数型号的机器人和开展一批基础技术研究作为机器人课题的主要研究与开发内容。
1.3.3工业机器人运动学系统研究现状
运动学正问题的研究目前主要是利用齐次坐标变换矩阵方法将位置和姿态统一描述，该法思路清晰，但运算速度较慢，随着机器人机构自由度的增加对运动学逆问题的讨论带来很多不便。
运动学逆问题比正问题复杂的多，主要表现在逆解的存在性和唯一性，存在性决定机器人的操作空间，逆解一般来说非唯一。
目前对具有特殊形状的机器人机构如球形手腕机器人机构，其逆解是封闭的，但并不唯一。
对一般的机器人机构逆解必须使用数值计算方法,因而数值解的计算速度和精度受到人们的关注，同时机器人机构中常见的奇异状态（不可解状态）在数值解中如何避免也是讨论三维问题之一［13］。
工业机器人运动学方程的计算过程需要解多元非线性方程组，数学上尚无完备的方法求其解析解，机构学研究者采用数值分析的方法，取得了一系列进展。
但是多数或者算法不稳定，或者过分依赖初值，且计算量大，求解速度慢。
工业机器人机构位置正解的神经网络解法也开始进行探讨。
利用神经网络对于非线性映射的强大的逼近能力，采用BP网络，利用位置逆解结果作为训练样本，通过大量样本的训练学习，实现机器人从关节变量空间到工作变量空间的非线性映射，从而取得并联机器人运动学正解，避免了求位置正解时公式推导和编程计算等的繁杂性［14］。
运动学方程的建立与求解是一个机器人系统的关键技术，一直受到广泛的关注，但仍然是当今的一个研究热点，有着一定的发展空间。
1.3.4工业机器人轨迹规划研究的现状与意义
机器人轨迹规划属于机器人底层规划，是在机械手的运动学的基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动过程中的轨迹规划和轨迹生成方法。
所谓轨迹是指机械手在运动过程中的位移、速度和加速度。
而轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。
首先对机器人的任务、运动路径和轨迹进行描述。
例如，用户给出手部的目标位姿，规划所要完成的任务是:
确定到该目标的路径点、持续时间、运动速度等轨迹参数，并在计算机的内部描述所要求的轨迹，即选择习惯给定及合理的软件数据结构。
最后，对内部描述的轨迹,实时计算机器人运动的位移、速度和加速度，生成运动轨迹。
轨迹规划既可在关节空间也可在直角空间进行，但是所规划的轨迹函数都必须连
续和平滑，使得操作臂的运动平稳。
用户根据作业给出的各个路径点后，路径规划的任务包含：
解变换方程（运动学正解）、进行运动学反解和插值运算等；在关节空间进行规划时，大量工作是对关节变量的插值运算。
因此，对于插值算法的研究是机器人轨迹规划的一个重要方面［15］。
1.4本文研究的意义及主要内容
我们所设计的五自由度工业机器人，可以为进一步研究工业机器人的工作原理和工作过程奠定一定的基础。
将其作为《机器人学》、《机器人技术基础》及《机电一体化系统设计》课程及机械电子工程专业等机电结合的综合教学实验设备，不仅可以使学生在轻松愉快的氛围中充分理解相关课程的专业知识，而且可以激发学生的专业学习兴趣，树立系统的工程概念，培养其独立开展科学研究的能力。
因此，本机器人的研制成功，对机电一体化专业教学及科研有着十分重要的意义。
学习了机器人技术知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。
在此基础上，结合本人的设想，和设计工作中需要解决的任务,本文主要研究机器人总体结构进行设计，主要进行以下工作：
本体结构设计，本机器人手臂结构方案确定后要运用AutoCAD和Pro/Engineer软件把其平面装配图及其立体图做出。
2机器人本体结构方案的设计
2.1机器人的工作要求
主要设计参数如下
自由度数目：
5个
机械机构形式：
立式关节型
作业半径：
650nmi
负荷能力：
2kg
重复定位精度：
+/-0.5mm
驱动电机：
步进电机
最大重量：
40kg
2.2机器人机械设计的特点
2.2.1机器人独特的结构特点
（1）关节型工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个开式连杆系。
为实现要求的坐标运动，在大多数工作时间内，连杆系末端是无法加以支撑的，因而操作机的结构刚度差，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。
（2）在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。
这和普通的连杆系不同，在普通连杆系中，所有的连杆运动都出自同一驱动源，各连杆间的运动是互相制约的。
由于操作机连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而操作机的运动更为灵活。
（3）连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化是非常复杂的，且和执行件反馈信号有关。
连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。
本文所用的三个关节驱动是步进电机驱动，属于开环控制型。
（4）连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其它不稳定现象。
从以上特点可见，一个好的机器人设计应当使其机械系统的抓重——自重比尽量大，结构的静动态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。
人类的手骨是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标［16］。
2.2.2与机器人有关的概念
以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。
（1）自由度（DegreesOfFreedom,DOF）:
工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。
相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。
以移动副相连的关节称为移动关节。
在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。
主动关节的数目称为机器人的自由度。
本文设计的机器人是5-DOF机器人。
（2）工作空间（WorkSpace）:
工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。
由于工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小，因而它对于机器人的应用是十分重要的。
（3）机器人的分类，机器人分类方法有多种。
首先，按机器人控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP）,连续轨迹控制型（CP）：
（a）点位控制型（PointtoPointControl）:
机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。
例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。
本文的机器人就属于PTP型。
（b）连续轨迹控制型（ContinuousPathControl）：
机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。
其次，按机器人的结构分类，可分为四类：
（a）直角坐标型：
该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。
缺点是占地面积大、工作空间小。
（b）圆柱坐标型：
该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以0,r,z为坐标，位置函数为p=f（0,r,z）,其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向的位移，0是手臂绕垂直轴的角位移。
这种形式的机器人占用空间小，结构简单。
（c）球坐标型：
具有两个转动关节和一个移动关节。
以0为坐标，位置函数为P
=f（o,",y）,该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。
（d）关节坐标型：
有垂直关节型和水平关节型（SCARA型）机器人。
前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活、工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。
本文设计的机器人为关节坐标型。
第三，按驱动方式分类可分为：
（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。
电气驱动是20世纪90年代后机器人系统应用最多的驱动方式。
它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。
本文设计的机器人三个关节均使用电气驱动。
第四，按用途分类可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。
本文的机器人为实验演示用途的机器人。
2.3机器人手臂结构方案设计
手臂的总体设计是工业机器人设计的首要问題，主要有包括总体方案设计和基本技术参数设计。
2.3.1方案功能设计与分析
2.3.1.1机器人手臂自由度的分配和构形
手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。
为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。
手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2—1所示。
—蛙转关节
―,娃转关节
平移关节
图2-1几种多自由度机器人手臂构形
本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。
综合考虑后确定该机器人具有五个自由度，其中手臂三个自由度，手爪部分二个自由度，由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。
旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。
这里机器人手臂使用了三个旋转关节，综合各种手臂构形，最后确定其结构形式为图2-1中的第一种形式，此手臂决定了末端执行器在空间的位置。
关节型机器人手臂有三个转动关节，通常腰关节的转轴是铅垂的，手臂在水平面内可绕腰关节轴转动，肩关节和肘关节的转轴平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面内转动。
由三个转动关节构成的关节组联接在小臂杆的端部，模拟人的手腕，决定末端件的姿态。
在运动学结构上，这类机器人最像人的手臂，因而结构最紧凑，柔性最好，可达空间最大，它甚至可以绕过障碍物到达目标点，因而是机器人中最有前途的一种。
但由于三个关节都是转动的，故臂端的分辨率完全取决于它在工作空间中的位置。
另外，位置精度也较差。
2.3.1.2机器人手臂结构方案的对比分析及选择
参考国内外工业机器人的典型结构［17］〜［23］,初步对各个回转关节的结构单独分析。
（1）腰部回转关节
方案一：
如图2-2所示，电机安装在底座下面,
其输出轴经谐波减速器减速后，直接
带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。
方案二：
如图2-3所示，电机安装在底座上面，其输出轴先经谐波减速器减速，再经一对齿轮减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。
两种方案在传动实现上，都是可行的。
均采用了减速比大、依积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的谐波减速器。
虽然方案二在安装和维修方面优于方案一，但是方案一的传动结构简单一点，而且少了一对普通直齿轮，其整体结构并不复杂，电机经谐波减速器减速后，速度己经较低，噪音问題不突出。
故综合考虑，腰部回转关节选择方案一。
爭__I——于腕冋转电
—M
孑\/于爪回转电机及谐波减速器
一大臂
（2）大臂和小臂回转关节
小臂回转电机和
EPL减速器
一第一关节输岀轴
f、大臂回菽电机
I.丿及EPL减速器
左视图
主视图
图2~4大臂、小臂、手腕和手爪回转示意图
大臂和小臂回转都是通过EPL减速器减速后直接带动来实现的，且结构简单，通用性强,成本低，安装方便。
由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，结合本课题的实际条件，因此，大臂、小臂手腕和手爪回转关节选择方案是合理的。
3机器人的结构设计
3.1整依受力图
3.2结构设计计算
3.2.1腕部回转关节的设计
步进电机的选择：
腕部旋转由步进电机直接驱动，设手爪及物体的最大当量回转半径R=50mm,手爪及物
体的总重量m=2.5kg,则其转动惯量人=mR1/i=2.5x0.052/2=0.003125
设机器人手部角速度恥从0加速到420/s所需要的时间t=0.4s,则其角加速度
=©龙/180/=420,r/180x0.4=17tl\lrad!
s~
负载启动惯性矩（不计静磨擦力矩）7；=J.a,=0.003125x7兀/1.2=0.057。
由于步进电机不具有瞬时过载能力，故取安全系数为2（不同），则步进电机输出的启动转矩乙”=27；=2x0.057=0.1145N•加。
由于7；”“必须小于步进电机的最大静转矩,所以选择如下二相步进电机：
型号：
42HSM02o最大步距角保持转矩为2.4,步矩角1.8°,质量为0.23kg.
3.2.2腕部俯仰关节的设计
3.2.2.1步进电机的选择
腕部俯仰是由步进电机通过同步带机构驱动的，手爪回转装置及物体的重心到回转中心的距离人=75〃?
〃？
，腕部当量回转半径R=30/77//?
腕部回转电机到回转中心的距离人=57加〃7,则腕部俯仰时其转动惯量
J、=—mJ,2+-
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