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1、1 绪论1.1 四自由度的工业机器人的概念 四自由度的工业机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业四自由度的工业机器人则是在工业生产上应用的四自由度的工业机器人。 美国四自由度的工业机器人工业协会提出的工业四自由度的工业机器人定义为：“四自由度 的工业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 和日本四自由度的工业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 工业四自由度的工业机器人定义为：“四自由度的工业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
2、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” 。四自由度的工业机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使四自由度的工业 机器人进行作业而要求的外部设备组成。1.1.11.1.1 操作机操作机操作机是四自由度的工业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，是四自由度的工业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，是工业四自由度的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
3、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 23 个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用 四自由度的工业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 它由四自由度的工业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，是工业四自由度的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。 1.1.21.1.2 驱动单元驱动单元它是由驱动器、检测单元等组成的部件
4、，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。1.1.31.1.3 控制装置控制装置它是由人对四自由度的工业机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥四 自由度的工业机器人按规定的要求动作。1.1.41.1.4 人工智能系统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。 1.2 题目来源本题设计的是一台四自由度的工业四自由度的工业机器人的设计，主要是整体方案设计 和手腕的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于目前手工电弧焊接效率低， 操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用四自由度的工业机器人技术，实 现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品
5、质量与劳动生产率、实现生产过程自动化、改善劳 动条件。1.3 技术要求根据设计要达到以下要求 a. 工作可靠，结构简单； b. 装卸方便，便于维修、调整； c. 尽量使用通用件，以便降低制造成本。1.4 本题要解决的主要问题及设计总体思路本题要解决的问题有以下三个： a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少重量和体积；b. 提高手腕动作的精确性； c. 三个自由度的实现。针对上述问题有了以下设计思路： a. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将 3 个驱动器安置在小臂的后端。 b. 提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于分离传动 采用传动
6、轴。 c. 驱动电机 1 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体上作偏摆 运动。电机 2 经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实现手腕的上下摆动。电机 3 经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的回转运动。 2 国内外研究现状及发展状况2.1 研究现状从四自由度的工业机器人诞生到本世纪 80 年代初，四自由度的工业机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到 90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，四自由度的工业机器人技术也得到了飞速发展。除了工业四自由度的工业机器人水平 不断提高之外，各种用于非制造业的先进四自由度的工业机器人系统也
7、有了长足的进展。下 面将按工业四自由度的工业机器人和先进四自由度的工业机器人两条技术发展路线分述四自 由度的工业机器人的最新进展情况。2.1.12.1.1 工业四自由度的工业机器人工业四自由度的工业机器人工业四自由度的工业机器人技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的技术为基础融合而成的一种系统技术。a. 四自由度的工业机器人操作机：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，四自由度的工业机器人操作机已实现了优化设计。以德国 KUKA 公司为代表的 四自由度的工业机器人公司，已将四自由度的工业机器人并联平行四边形结构改为开链结构， 拓展了四自由度的工业机器人的工作范
8、围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了四自由 度的工业机器人的性能。此外采用先进的 RV 减速器及交流伺服电机，使四自由度的工业机 器人操作机几乎成为免维护系统。b. 并联四自由度的工业机器人：采用并联机构，利用四自由度的工业机器人技术，实 现高精度测量及加工，这是四自由度的工业机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现四自 由度的工业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。c. 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 轴四自由度的工业 机器人发展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴，并且实现了软件伺服和全数
9、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。d. 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在四自由度的工业机器人系统中已 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，大大提高了四自由度的工业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。e. 网络通信功能：日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公司的最新四自由度的工业机器人控制器 已实现了与 Canbus、Profibu
10、s 总线及一些网络的联接，使四自由度的工业机器人由过去的 独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使四自由度的工业机器人由过去的专用设备向标准 化设备发展。f. 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，使四自由度的工业 机器人系统的可靠性有了很大提高。过去四自由度的工业机器人系统的可靠性 MTBF 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。2.2.22.2.2 先进四自由度的工业机器人先进四自由度的工业机器人近年来，人类的活动领域不断扩大，四自由度的工业机器人应用也从制造领域向非制造 领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐
11、等行业都提出 了自动化和四自由度的工业机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环 境的非结构化和不确定性，因而对四自由度的工业机器人的要求更高，需要四自由度的工业 机器人具有行走功能，对外 感知能力以及局部的自主规划能力等，是四自由度的工业机器人技术的一个重要发展方向。a. 水下四自由度的工业机器人：美国的 AUSS、俄罗斯的 MT-88、法国的 EPAVLARD 等水 下四自由度的工业机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电 缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下四自由度的工业机器人（remote operated vehicle）和无缆水下四
12、自由度的工业机器人（autonomous under water vehicle）两大类。b. 空间四自由度的工业机器人：空间四自由度的工业机器人一直是先进四自由度的工 业机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间四自由度的工业机器 人。如美国 NASA 的空间四自由度的工业机器人 Sojanor 等。Sljanor 是一辆自主移动车， 重量为 11.5kg，尺寸 63048mm，有 6 个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛 关 注。c. 核工业用四自由度的工业机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、 反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手
13、，以及半自主和自主移动四自由 度的工业机器人。已完成的典型系统，如美国 ORML 基于四自由度的工业机器人的放射性储 罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的 C7 灵巧手等d. 地下四自由度的工业机器人：地下四自由度的工业机器人主要包括采掘四自由度的 工业机器人和地下管道检修四自由度的工业机器人两大类。主要研究内容为：机械结构、行 走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研 制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的四自由度的工业机器人，各种采四自由 度的工业机器人及自动化系统正在研制中。e. 医用四自由度的工
14、业机器人： 医用四自由度的工业机器人的主要研究内容包括：医 疗外科手术的规划与仿真、四自由度的工业机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外 科手术等。美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术 培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics） 计划、袖珍四自由度的工业机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目 的研究，并已取得一些卓有成效的结果。f. 建筑四自由度的工业机器人：日本已研制出 20 多种建筑四自由度的工业机器人。如高层建筑抹灰四自由度的工业机器人、预制件安装四自由度的工
15、业机器人、室内装修四自由 度的工业机器人、地面抛光四自由度的工业机器人、擦玻璃四自由度的工业机器人等，并已 实际应用。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设四自由度的工 业机器人、内墙安装四自由度的工业机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系 统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。g. 军用四自由度的工业机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智 能四自由度的工业机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任 务，在战场上具有看、嗅和触摸能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、 识别和消灭敌方目标的
16、功能。如美国的 Navplab 自主导航车、SSV 半自主地面战车，法国的 自主式快速运动 侦察车（DARDS），德国 MV4 爆炸物处理四自由度的工业机器人等。目前美 国 ORNL 正在研制和开发 Abrams 坦克、爱国者导弹装电池用四自由度的工业机器人等各种用 途的军用四自由度的工业机器人。可以预见，在 21 世纪各种先进的四自由度的工业机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。 2.2 发展趋势目前国际四自由度的工业机器人界都在加大科研力度，进行四自由度的工业机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下 10 个方面：a. 工业四自由度的工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料， 进一步提高负载.自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。b. 四自由度的工业机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更 加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。四自由度的工业机器人控制器的标准化和网络 化，以及基于 PC 机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编
