工业机器人设计

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1、工业机器人的设计毕业综合实践报告姓 名：专业：机电一体化班 级： 学 号：指导教师:一、绪论3二、工业机器人由来3（一）特点4（二）构造与分类4（三）控制技术5（四）应用6三、工业机器人的系统设计6（一）传动部件设计6（二）手爪设计8（三）手腕设计9（四）手臂设计10（五）机座设计11（六）运动功能设计12四、机器人的视觉14五、机器人的嗅觉15六、机器人的触觉15七、结论16八、参考文献16一、绪论工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动 执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受 人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，

2、现代的工业机器人还可以根据人工智能技术 制定的原则纲领行动。机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工 程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了 4个重点发展方向，机 器人技术就是其中之一。二、工业机器人由来1920年捷克作家卡雷尔查培克在其剧本罗萨姆的万能机器人中最早使用机器 人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表， 特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。图1-1工业机器人20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以 后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运

3、核原料的遥控操纵机械手，如图1-1所示，这 是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈， 可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开， 操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的 监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的 设计与制造作了铺垫。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作 示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差 不多都采用这种控制方式。1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新 纪元。（一）

4、特点戴沃尔提出的工业机器人有以下特点：将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆工 业机器人机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅 助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过 程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能 被称为“可编程”和“示教再现”。1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由 类似人的手和臂组成。后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。当今工业机器人

5、技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对 作业环境的自适应能力的方向发展。目前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美 国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业 机器人在数量、种类方面则居世界首位。（二）构造与分类工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构， 包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有36个运动自 由度，其中腕部通常有13个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使 执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动 系统和执行机构发出指令信号，并进行控制

6、。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂 部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转 和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的 臂部有多个转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和 连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定 位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续 图1-2工业机器人 轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计 算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制 柜。示

7、教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用于动控制器（示教操纵盒），将指令 信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作 者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作 程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出 相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的 工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识 别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的 “宏指令”自

8、选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。(三) 控制技术机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人 控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺 序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示 和使用方便等特点。关键技术包括：1. 开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控 制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器 人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机 完成机

9、器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能， 而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。2. 模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系 统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系 统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对 应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模 块相互协作共同实现该层次所提供的功能。3. 机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并 进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。4

10、. 网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人 生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及 以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机 器人生产线进行监控、诊断和管理。(四) 应用工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、 机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运 或工艺操作。图1-3工业机器人20世纪50年代末，美国在机械手和操作机 的基础上，采用伺

11、服机构和自动控制等技术，研 制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并 将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功 两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应 用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机 器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后， 各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器 人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70 年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。三、工业机器人的系统设计(一) 传动部件设计传动部件是驱动源和机器人各个关节连接的桥梁，是工业机器人的重要部件。机器人 的运动速度、加速度(减速度

12、)特性、运动平稳性、精度、承载能力很大程度上是取决于 传动部件设计的合理性和优劣。因此，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。1. 移动关节导轨工业机器人对移动导轨的要求移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向，对移动导轨有如下要求：(1) 间隙小或者能消除间隙；(2) 再垂直于运动方向上的刚度高；(3) 摩擦系数低并不随速度变化；(4) 高阻尼；(5) 移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。移动关节导轨主要分类：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气 浮导轨和滚动导轨。上面介绍的导轨中，前两种具有结果结构简单、成本低的特点，但是必须有间隙以便 润滑，但是间隙的存

13、在又将会引起坐标的变化和有效负载的变化，在低速时候容易产生爬 行现象。第三种静压滑动导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、 高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。第四种气浮导轨不需要 回收润滑油的机构，但是刚度和阻尼较低。第五种滚动导轨在工业机器人导轨种用的是最 广泛，具有很多的优点:1摩擦小，特别是不随速度变化;2尺寸小;3刚度高承载能力大;4精 度和精度保持度高;5润滑简单;6容易制造成标准件;7易加预载，消除间隙，增加刚度等等。 但是,滚动导轨用在机器人机械系统也存在着缺点:1阻尼低;2对脏物比较敏感.2. 转动关节轴承转动关节轴承主要用的是球轴承

14、，它能承受轴向和径向载荷，摩擦较小，对轴和轴承 座的刚度不敏感。主要分向心推力球轴承和“四点接触”球轴承。3. 传动件的定位及消隙传动件的定位主要有：(1) 电气开关定位(2) 机械挡块定位(3) 伺服定位系统定位传动件的消隙主要有：(1) 消隙齿轮(2) 柔性齿轮消隙(3) 对称传动消隙(4) 偏心机构消隙(5) 齿廓弹性覆层消隙4.协波传动要求：(1) 伺运动精度高，间隙小，能实现较高的重复定位精度。(2) 回转速度稳定，无波动，运动副键摩擦小，效率高。(3) 体积小，重量轻，传动扭矩大。常用的减速机构是行星齿轮机构和谐波传动机构5. 丝杠螺母副和滚珠丝杠传动丝杠传动机构是将旋转运动变成直

15、线运动的重要传动部件，其优点是不会产生冲击， 传动平稳，无噪声，能自锁，由较小的扭矩产生较大的牵引力；缺点是传动效率底下。采 用滚珠丝杠传动则能解决这种问题，并且传动精度和定位精度都很高，在传动时灵敏和平 稳性很好，磨损小，使用寿命比较长。（1）活塞缸和齿轮齿条机构（2）链传动，皮带传动，绳传动（3）钢带传动（二）手爪设计1. 分类和设计要求根据用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类。手爪要求：满足作业需要的足够的夹持力和所需的夹持 位置精度；尽可能使末端执行器结构简单、紧凑， 质量轻，以减轻手臂的负荷。2. 机械式夹持器的结构与设计工业机器人中 应用的机械夹持器多为双指手爪式。按运动方式可分为平移型和回转型。回转型手爪又分为单支点回转型和双支点回 转型。按夹持方式可分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以有电动、液压和气动。3. 吸附式末端执行器的结构与设计图2-1滑槽杠杆式回转型夹持器吸附式末端执行器（又称吸盘），有气吸式和 磁吸式两种。如图2-2所示，它们分别是利用吸 盘内负压产生的吸力或磁力来吸住并移动工作的。(1) 气吸式吸盘挤压排 气式吸盘电流负压式吸盘真 空泵排气式吸盘。(2) 磁吸式吸盘分为电 磁吸盘和永磁吸盘。图2-2吸