探测机器人机械手结构设计

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1、第1章绪论1.1题目来源与分析题目探测机器人机械手结构设计来源于生产实践中。总体设计如下面两个图， 各位看那个对于我这个题目好一些设计那个，手部为钳爪式手部，腕部不用旋转，驱动方式为电动，最好用直流电机，电机不要功率太大，减速器最好用行星齿轮箱， 体积比较小，整体设计要求体积小，重量轻，易维修，操作方便，抓取重量为0.5-1Kg 左右，如果电机不好选择可以适当改变，因为是试验用机械手，所以改动不能太大。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。 在制造工业中，应用探测机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品 质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术

2、革命的一个重要内容。自古以来，人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机 器。特别是在20世纪20年代前后，捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器 人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品，更使机器人在人们的思想中成为一种 无所不能的“超人”。在现实生活中，一些民间工匠根据这些文学描绘，也制造出一些仿人 或仿生的机器人。然而在当时的科技条件下，要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为 “超人”，显然是不可能的。美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手，他首先突破了对 机器人的传统观点，提出机器人并不一定必须像人，但是必须能做一些人的工作。1954年， 他依据这一想法设计

3、制作了世界上第一台机器人实验装置，发表了适用于重复作业的通 用性探测机器人一文，并获得了美国专利。戴沃尔将遥控操纵器的探测连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起，预定的机械 手动作一经编程输入后，机械等就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受 示教而完成各种简单任务。示教过程中操作者用于带动机械手依次通过工作任务的各个 位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺 服驱动下再现出那些位置序列。因此，这种机器人的主要技术就是“可编程”以及“示 教再现。1.2研究目的探测机器人是最大的探测机器人应用领域，它占探测机器人总数的25%左右。由于 对许多构件的探测

4、精度和速度等提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，探测时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因而，此课题的提出就有十分重要的意义。1.3国内外发展及研究现状国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：a. 探测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。b. 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。c. 探测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

5、用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、 易操作性和可维护性。d. 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外， 装配、探测机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力 觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在 产品化系统中已有成熟应用。e. 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。f. 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是治理于操作者于机器 人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，

6、使智能机器 人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成 功应用的最著名实例。g. 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装 置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。国际机器人研究在经过了 80年代的低潮之后，呈现出复苏和继续发展的形势；我国 的机器人研究在国家七五八五及863计划的推动下也取得了很大的发展。在70年代的 机器人浪潮相比,现在的机器人研究有两个特点：一是对机器人智能的定位有了更加符合 实际的标准，也就是不要求机器人具有像人类一样的高智商，而只是要求机器人在某种程 度上具有自主处理问题的能力。我国的探

7、测机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七 五”“八五”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、控制技术硬件 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，我国的探测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，我国已安装的国产探测机器人

8、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。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果，其中 最为突出的是水下遥控机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发 出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人 视觉、力觉、声

9、觉、触觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基 础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机 器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在 原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以 期在“十五”后期立于世界先进行列之中。E死第2章 机器人总体设计2.1确定基本技术参数2.1.1机械结构类型的选择为实现总体机构在空间的位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本 课题可以将其设计成以下五种方案：a. 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

10、，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。b. 直角坐标型直角坐标型探测机器人，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。c. 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。d. 探测探测又

11、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。e. 平面探测采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运 动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体， 纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。 在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配 作业中

12、，特别适合小规格零件的插接装配。对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体 积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考 虑决定采用方案四：探测机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工 艺操作精度高。2.1.2额定负载目前，国内外使用的探测机器人中，其负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以 下,最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处 的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规 定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。本课题的任务要求是保证手腕部

13、能承受的最 大载荷是6kg。2.1.3工作范围探测机器人的工作范围是根据探测机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确 定的,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式、 自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。2.1.4操作机的驱动系统设计探测机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一体，驱 动臂杆和载荷完成指定的运动。通常的机器人驱动方式有以下四种：a. 步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉； 通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能 力，

14、运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。b. 直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率 大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。c. 交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机 相比价格要贵一些。随着可关断品闸管GTO，大功率品闸管GTR和场效应管MOSFET等电 力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能 方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控 制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的

15、启动功率， 提供很高的响应速度。d. 液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度 较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动 功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系 统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量 避免使用该种驱动方式。常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用的驱动 方式。电极驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特 点。所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。因为它具有体积小、转矩大、输 出

16、力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和 电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。2.1.5控制系统选择对于探测机器人这种精度要求不高的探测机器人，大多采用示教再现编程。示教 方式作为一种成熟的技术，易被熟悉工作任务的人员掌握。无论是手把手示教或示教盒 示教，都是以在线编程，由示教操作人员操作移动末端执行器和手臂到所需的位置。然 后记录（存储）下这些操作和数据。示教过程完成后，即可应用，机器人以再现方式重 复进行示教时存于存储器的点位、轨迹和各种操作。再现过程的速度可以与示教时速度 不同。利用示教手柄由人工引导末端执行器经过所要求的轨迹，此时位置传感器就检测出 机器人操作机上各关节处的坐标（或转角）值，控制系统的装置记录（储存）下这些数 字化的数据信息。再