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机器人结构设计.doc
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喷涂机器人的结构设计
1 绪论
1.1 机器人的现状和发展趋势
机器人是一个在三维空间中具有多自由度,并能实现较多拟人动作和功能的机器,而
工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定义
为:“机器人是一种可重复编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国
和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准 GB/T12643-90 将工业机器人定
义为:“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。
能搬运材料、零件或操持工具,用以完成各种作业”。而将操作机定义为:“具有和人手臂
相似的动作功能,可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置
[5][6][8]
”。
自从机器人在 20 世纪 50 年代诞生以来,在短短的 50 多年里得到了迅速的发展,它
经历了第一代工业机器人的研究、实用化、普及,第二代感知功能机器人的研究、实用化,
以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。
近几年国外机器人领域发展有如下几个趋势:
1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单
机价格不断下降,平均单机价格从 1991 年的 10.3 万美元降至 1997 年的 6.5 万美元。
2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测
系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装
配机器人产品问市。
3)工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;
器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构,大大提高了系统的可靠性、易操
作性和可维修性。
4)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。如使遥控机
器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
我国的机器人研究始于 20 世纪 70 年代。经过 30 多年的努力,从 80 年代“七五”科
技攻关开始起步,在国家的支持下,通过科技人员几十年的科技攻关,目前已基本掌握了
机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,
生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有
130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,
弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工
程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步
较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国已安装的国产
工业机器人约 200 台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人
产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、
批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因
此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模
块化设计,积极推进产业化进程。
1.2 机器人的结构概述
机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为了使机器人进行作业而要求的外
部设备组成。
1.2.1 操作机
操作机是机器人完成作业的实体,它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分
组成:
a.末端执行器 又称手部,是机器人直接执行工作的装置,并可设置夹持器、工具、
传感器等,是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。
b. 手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件,主要用来确定和改变末端执行器的
方位和扩大手臂的动作范围,一般有 2~3 个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些
专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。
c. 手臂 它由机器人的动力关节和连接杆件等构成,是用于支承和调整手腕和末端
执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节,即手臂与手臂间。手臂与机座间用关
节连接,因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。
d. 机座 有时称为立柱,是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。
可分固定式和移动式两类。
1.2.2 驱动单元
它是由驱动器、检测单元等组成的部件,是用来为操作机各部件提供动力和运动的装
置。
1.2.3 控制装置
它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置,它指挥机器人按规定的
要求动作。
1.2.4 人工智能系统
它由两部分组成,一部分是感觉系统,另一部分为决策-规划智能系统。
1.3 课题研究的目的、意义和主要内容
制造业是一国工业之基石,它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手
段,是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家,也无不高度重视。机器人在工业
生产中被运用的广泛程度正是体现了一个国家的工业自动化程度。从某种意义上讲,也反
映了一个国家的工业发展水平状况。每当人们在冲压、安装和整车组装生产线上无数次地
重复同一个取放、安装零件的时候,往往求助于机器人,尤其在喷涂作业那种恶劣的环境中,
机器人的使用大大减轻了工人的体力劳动,改善了工作状况,减少了产品的生产加工成本。
以机器人为代表的现代自动控制科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力,同时也对它
提出更强要求,更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术
进步和产业升级中无可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力,以机器
人为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。
目前,全世界的机器人保有量为几百万台,其中绝大部分为日、美等工业发达国家所
有。我国目前拥有机器人 4000 多台,主要在工业发达地区应用。在机器人的应用方面,
与发达国家还有一定的差距,所以我国未来的机器人的市场需求将是巨大的,在喷涂行业,
为了避免人在有毒、易燃、易爆的恶劣环境下工作,减少喷涂的废品,提高喷涂质量,提
高劳动生产率,迫切要求实现喷涂自动化。目前,喷涂机器人主要应用在汽车制造及家电
生产领域,在木制品表面裝饰中应用较少。所以今后的市场需求会很大,本课题正是应对
这种市场需求成立的。
本课题研究的主要内容是:为了达到喷涂工艺的要求和满足不同形状的表面喷涂要求,
设计具有 6 个自由度的喷涂机器人,即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、手腕转
动、手腕俯仰以及工具滚动。
喷涂机器人的本体结构为:机器人的机座(即底部和腰部的固定支撑)结构、腰关节
传动装置、大臂(即大臂支撑架)结构及大臂传动装置、小臂(即小臂支撑架)结构及小
臂关节转动装置、手腕(即手腕支撑架)结构及手腕关节转动装置。
主要对机器人的传动系统进行设计计算,机构布局设计、腰关节传动系统的设计、大
小臂关节传动系统的设计、腕部传动系统的设计等。以及对组成各个转动关节的传动零部
件进行设计、选择、校核、计算。最终,完成机器人整机的设计。
2 设计方案的确定
2.1 总体方案的确定
2.1.1 设计方案的讨论
为了达到喷涂工艺的要求和满足不同形状的表面喷涂要求,所以机器人有 6 个自由度,
即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、手腕滚动、手腕俯仰以及工具滚动。能实现
上述要求的,可以有不同的运动组合,可供选择、参考的设计方案有以下四种
[4]
:
2.1.1.1 圆柱坐标型
这种运动形式是通过一个转动,两个移动,共三个自由度组成的运动系统,工作空间
图形为圆柱型。它与直角坐标型比较,在相同的工作空间条件下,机体所占体积小,而运
动范围大。
2.1.1.2 直角坐标型
直角坐标型工业机器人,其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成,其工作空间图
形为长方体。它在各个轴向的移动距离,可在各坐标轴上直接读出,直观性强,易于位置
和姿态的编程计算,定位精度高、结构简单,但机体所占空间体积大、灵活性较差。
2.1.1.3 球坐标型
又称极坐标型,它由两个转动和一个直线移动所组成,即一个回转,一个俯仰和一个
伸缩运动组成,其工作空间图形为一个球形,它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或
较低位置的工件,具有结构紧凑、工作空间范围大的特点,但结构复杂。
2.1.1.4 关节型
关节型又称回转坐标型,这种机器人的手臂与人体上肢类似,其前三个关节都是回转
关节,这种机器人一般由立柱和大小臂组成,立柱与大臂间形成肩关节,大臂和小臂间形
成肘关节,可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动,小臂作俯仰摆动。其特点使工作空
间范围大,动作灵活,通用性强、能抓取靠进机座的物体。关节型结构的机器人在相同体
积条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间。
按设计要求、经对比分析确定,本课题采用的机器人的结构形式为关节型。
2.1.2 本体结构布局设计
合理确定机器的布局是机械设计的一个重要环节,它对机械的设计、制造与使用都有
很大的影响。
本次设计的机器人主要有 5 大部分组成:机座、腰关节立柱、大臂、小臂和手腕。腰
关节立柱垂直布置于机座上,大臂联结在立柱上,小臂联结在大臂的另一端,小臂的另一
端和手腕联结。本次设计的机器人的布局简图如图 2-1:
图 2-1 机器人的结构布局简图
2.2 传动方案的确定
2.2.1 驱动方式
目前机器人关节常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动和电动机驱动等多种方式。各
种驱动方式有其自身的特点,在工业机器人中液压和气动驱动应用很广泛,有些机器人则
同时使用多种驱动方式,这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点,
从中选出适合机器人关节的驱动方式
[9]
。
2.2.1.1 液压驱动
液压驱动的特点有:
1)驱动力和驱动力矩较大,臂力可达到 1000N 左右;
2)速度反应性较好。因为被驱动件的速度快慢取决于油液容积的变化,所以当不考
虑油液温度的变化时,被驱动系统的滞后也是几乎没有的,而且液压机构的重量轻、惯性
小,因此它的速度响应性较好;
3)调速范围大,而且可以无级调速,易于适应不同的工作要求;
4)传动平稳,能吸收冲击力,可以实现较频繁而平稳的换向;
5)在产生相同驱动力的条件下,液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小;
6)定位精度比气动高,比电动低;
7)液压系统的漏油对机构的工作稳定性有一定的影响;
8)油液中如果混入气体,将降低记取的刚性,影响定位精度;
9)油液的温度和黏度的变化影响传动性能;
10)需要相应的供油系统,尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置,否则会引起故
障。液压驱动方式输出力和功率较大,能构成伺服机构,常用于大型机器人关节的驱动。
2.2.1.2 气压驱动
气压驱动的特点有:
1)通过调节气流,就可以实现无级变速;
2)由于压缩空气粘性小,流速大,因此气压驱动的机器人关节速度快;
3)压缩空气可以从大气中获取,故动力源获得方便、价格低廉、而且废气处理方便;
4)由于压缩空气粘性小,故在管路中的压力损失也很小,一般其阻力损失不到油液在
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oligaga
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