1、百度文庫讓每個人平等地提升自我工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計機(jī)器人技術(shù)是利用計算機(jī)的記憶功能、編程功能來控制操作機(jī)自動完成工業(yè) 生產(chǎn)中某一類指定任務(wù)的高新技術(shù)，是當(dāng)今各國競相發(fā)展的高技術(shù)內(nèi)容之一。它 是綜合了當(dāng)代機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)、精密機(jī)械設(shè)計發(fā)展起來的產(chǎn)物，是典型的機(jī) 電一體化產(chǎn)品，工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)和控制器兩大部分組成。操作機(jī)按計算機(jī)指 令運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)無人操作；控制器中計算機(jī)程序可依加工對象不同而從新設(shè)計， 從而滿足柔性生產(chǎn)的需要。機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括建筑、醫(yī)療、采礦、核能、農(nóng)牧漁業(yè)、航空航天、 水下作業(yè)、救火、環(huán)境衛(wèi)生、教育、娛樂、辦公、家用、軍用等方面，工業(yè)機(jī)器 人在國內(nèi)主要應(yīng)用于危險、有

2、毒、有害的工作環(huán)境以及產(chǎn)品質(zhì)量要求高（超潔、 同一性）的重復(fù)性作業(yè)場合，如焊接、噴涂上下料、插件、防爆等。一、工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計1 .主體結(jié)構(gòu)設(shè)計工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題是選擇由連桿件和運(yùn)動副組成的坐標(biāo) 形式。工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式主要有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、關(guān) 節(jié)坐標(biāo)式等。直角坐標(biāo)式機(jī)器人主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢 測作業(yè)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主要有三個自由度：腰轉(zhuǎn)，升降，手臂伸縮。手腕常采用 兩個自由度,繞手臂縱向軸轉(zhuǎn)動與垂直的水平軸線轉(zhuǎn)動。手腕若采用三個自由度, 機(jī)器人總自由度達(dá)到六個。球面坐標(biāo)式機(jī)器人也叫極坐標(biāo)式機(jī)器人，具有較大的工作范圍，設(shè)計

3、和控制 系統(tǒng)比較復(fù)雜。八 關(guān)節(jié)坐第式主體結(jié)構(gòu)的三個自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動關(guān) 節(jié)，手腕的三個自由度上的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（俯仰、偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)）用來最后確定末端操 作器的姿態(tài)，它是一種慣犯使用的擬人化的機(jī)器人。96自由度機(jī)器人6自由度機(jī)器人SmartModules框架機(jī)磐人Cartesian RobotsCobra Series桌面機(jī)器人600mm 800mmd:fas Stroke :2000mmSize：600*150mmability：(in Stroke：130mmPayload:34/35kgVumber of Axis： 1 to 3Accuracy:n Life：Wax Pay

4、load:60kgheight：54kglion Cyclesspeed:1200mm. secDesign Life:5000kmiepeatability：)esign Life:5000km直角坐標(biāo)機(jī)器人工作臺:2 .傳動方式傳動方式選擇是指選擇驅(qū)動源及傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動形 式，主要包括：直接連接傳動。驅(qū)動源或帶有機(jī)械傳動裝置直接與關(guān)節(jié)相連。遠(yuǎn)距離連接傳動。驅(qū)動源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動后與關(guān)節(jié)相連。間接驅(qū)動。驅(qū)動源經(jīng)一個速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械裝置與關(guān)節(jié)相連。直接傳動。驅(qū)動源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個速比等于1的機(jī)械傳動這樣的 中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。3 .模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化機(jī)器人是有

5、一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部 用積木拼接的方式組成一個工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。模塊化設(shè)計是指基本模塊設(shè)計和結(jié) 合部設(shè)計。模塊化工業(yè)機(jī)器人主要的特點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)性、靈活性4 .材料的選擇與一般機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動力特性是十分重要的，這是材料選擇 的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求是：強(qiáng)度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材 料價格低。5 .平衡系統(tǒng)設(shè)計工業(yè)機(jī)器人是一個多剛體耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)的平衡性是極其重要的，在工業(yè)中 采用平衡系統(tǒng)的理由是：安全、借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致重 力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值、借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)動而導(dǎo)致慣性 力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的

6、峰值、借助平衡系統(tǒng)能減少動力學(xué)方程中內(nèi)部耦合 項和非線性項，改進(jìn)機(jī)器人動力特性、借助平衡系統(tǒng)能減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性所引 起的不良影響、借助平衡系統(tǒng)能使機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，降低地面安裝要求。二、傳動部件設(shè)計傳動部件是驅(qū)動源和機(jī)器人各個關(guān)節(jié)連接的橋梁，是工業(yè)機(jī)器人的重要部 件。機(jī)器人的運(yùn)動速度、加速度（減速度）特性、運(yùn)動平穩(wěn)性、精度、承載能力 很大程度上是取決于傳動部件設(shè)計的合理性和優(yōu)劣。因此，關(guān)節(jié)傳動部件的設(shè)計 是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵之一。（1） .移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌工業(yè)機(jī)器人對移動導(dǎo)軌的要求移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌的目的是在運(yùn)動過程中保證位置精度和導(dǎo)向，對移動導(dǎo)軌有如 下要求：1 .間隙小或者能消除間隙；2 .再垂直

7、于運(yùn)動方向上的剛度高；3 .摩擦系數(shù)低并不隨速度變化；4 .高阻尼；5 .移動導(dǎo)軌和其輔助元件尺寸小、慣量低。移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌主要分類：普通滑動導(dǎo)軌、液壓動壓滑動導(dǎo)軌、液壓靜壓滑動 導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。上面介紹的導(dǎo)軌中，前兩種具有結(jié)果結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點(diǎn)，但是必須有 間隙以便潤滑，但是間隙的存在乂將會引起坐標(biāo)的變化和有效負(fù)載的變化，在低 速時候容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。第三種靜壓滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生預(yù)載荷，能完全消除 間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點(diǎn)，但是它需要單獨(dú)的液壓系統(tǒng)和回收 潤滑油的機(jī)構(gòu)。第四種氣浮導(dǎo)軌不需要回收潤滑油的機(jī)構(gòu)，但是剛度和阻尼較低。 笫五種滾動導(dǎo)軌在工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌種用的是

8、最廣泛，具有很多的優(yōu)點(diǎn)：1摩擦小, 特別是不隨速度變化;2尺寸小;3剛度高承載能力大;4精度和精度保持度高;5潤 滑簡單;6容易制造成標(biāo)準(zhǔn)件;7易加預(yù)載，消除間隙，增加剛度等等。但是，滾動 導(dǎo)軌用在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)也存在著缺點(diǎn)：1阻尼低;2對臟物比較敏感.（2） .轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸承主要用的是球軸承，它能承受軸向和徑向載荷，摩擦較小，對 軸和軸承座的剛度不敏感。主要分向心推力球軸承和“四點(diǎn)接觸”球軸承。（3） .傳動件的定位及消隙傳動件的定位主要有：1 .電氣開關(guān)定位2 .機(jī)械擋塊定位3 .伺服定位系統(tǒng)定位傳動件的消隙主要有：4 .消隙齒輪5 .柔性齒輪消隙6 .對稱傳動消隙7 .偏心機(jī)構(gòu)

9、消隙8 .齒廓彈性覆層消隙（4） .協(xié)波傳動要求：1 .伺運(yùn)動精度高，間隙小，能實(shí)現(xiàn)較高的重復(fù)定位精度。2 .回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，無波動，運(yùn)動副鍵摩擦小，效率高。3 .體積小，重量輕，傳動扭矩大。常用的減速機(jī)構(gòu)是行星齒輪機(jī)構(gòu)和諧波傳動機(jī)構(gòu)（5） .絲杠螺母副和滾珠絲杠傳動絲杠傳動機(jī)構(gòu)是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動的重要傳動部件，其優(yōu)點(diǎn)是不會產(chǎn) 生沖擊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，能自鎖，山較小的扭矩產(chǎn)生較大的牽引力；缺點(diǎn)是 傳動效率底下。采用滾珠絲杠傳動則能解決這種問題，并且傳動精度和定位精度 都很高，在傳動時靈敏和平穩(wěn)性很好，磨損小，使用壽命比較長。1 .活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)2 .鏈傳動，皮帶傳動，繩傳動3 .鋼

10、帶傳動三、臂部設(shè)計工業(yè)機(jī)器人臂部設(shè)計的基本要求：1 .剛度高。為了防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合 理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比 實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。2 .導(dǎo)向性好。為防止手臂在直線運(yùn)動中，沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設(shè)置導(dǎo) 向裝置，或設(shè)計方形，花鍵等形式的臂桿。3 .重量輕。為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度，要盡量減小臂部運(yùn)動部分的重量，以減 小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。4 .運(yùn)動平穩(wěn)定位精度高。除了臂部設(shè)計上要求力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。 常用的臂部結(jié)構(gòu)有：1 .

11、手部直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)；機(jī)器人手臂的伸縮，橫向移動均屬于直線運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī) 構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連 桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的比 較多。2 .手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式是多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸，齒 輪傳動機(jī)構(gòu)，鏈輪傳動機(jī)構(gòu)，活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。> SCIENTIFIC彳PTAMERICAN"Cutcy EcliUMi聚合物人造肌肉由港生ME令跳的帆人一類新穎的致動設(shè)備（例如致動器、發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī) 等）正在步入商業(yè)化。它們基于在受到電刺激時會改變 數(shù)十年

12、前，構(gòu)建致動器或者致動設(shè)備的工程師 就已經(jīng)為肌肉找到了一種人造替代物。作為對神經(jīng)刺激 的響應(yīng)，肌肉只須改變長度就能夠準(zhǔn)確地控制其施加的 力量，例如眨眼睛或舉起杠鈴。同時.，肌肉還表現(xiàn)出比 例恒定的屬性：對于各種尺寸大小的肌肉，其機(jī)理都一 樣，相同的肌肉組織既可以給昆蟲、也能夠?yàn)榇笙筚x予 力量。因此，對于難以制作電動馬達(dá)的驅(qū)動設(shè)備，某種 類似肌肉的東西也許會有用武之地。EPAs號稱要成為未來的人造肌肉。研究人員已經(jīng)在雄心勃勃地工作，希望能夠?yàn)樵S多當(dāng)代的技術(shù)尋找基于EPA的可選方案，而 且不害怕將他們的發(fā)明物與自然物競爭。幾年前，有兒個人，包括來自美國加州 帕薩迪納噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的高級科

13、學(xué)家Yoseph Bar-Cohen,向電活化聚合物 研究團(tuán)體發(fā)起了一項挑戰(zhàn)，以激發(fā)人們對該領(lǐng)域的興趣：展開一項競賽，看誰能 夠最先制造出EAP驅(qū)動的機(jī)器人手臂，而且必須在與人的手臂的一對一掰手腕 比賽中取勝匕在壓電材料中，機(jī)械應(yīng)力可導(dǎo)致晶體電極化，而且反之亦然。用電流刺激 這種材料將使其變形；通過改變其形狀可以產(chǎn)生電。塑料對電的反應(yīng)響應(yīng)電流而改變形狀的聚合物可分為兩類：離子型和電子型，其優(yōu)勢和劣勢 正好互補(bǔ)。離子型EAPs（包括離子聚合物凝膠體、離子性高分子如金屬復(fù)合材料、導(dǎo)電 性高分子以及碳納米管）是在電化學(xué)的基礎(chǔ)上工作即正負(fù)離子的移 動和擴(kuò) 散。它們可以直接用電池帶動，因?yàn)榧幢阋粋€個位（

14、single-digit）電壓也能夠使它 們大幅度彎曲。不足之處在于，離子型EAPs通常必須是濕的，因此應(yīng)當(dāng)密封在 撓性薄層中。許多離子型EAPs的另一個主要缺陷在于只要電流接通，該材料就 會一直運(yùn)動，如果電壓超過一定值，將會產(chǎn)生電解，從而給材料造成無法修復(fù)的 損壞。相反，電子型EAPs（例如鐵電聚合物、電介體、電絕緣橡膠以及電致伸縮移 植橡膠）則由電場驅(qū)動。它們需要相對較高的電壓，因此會產(chǎn)生讓人不舒服的電 擊。但是，作為回報，電子型EPAs能夠迅速作出響應(yīng)，并且傳遞較強(qiáng)的機(jī)械力。 它們不需要保護(hù)薄層，而且?guī)缀醪恍枰娏骶湍軌虮３帜硞€定位。SPR的人造肌肉材料屬于電子型EAP類型。它的成功開發(fā)

15、經(jīng)歷了漫長曲折 的道路，而且多少帶有一些偶然性，可以稱得上是奇思怪想式技術(shù)創(chuàng)新的一個經(jīng) 典范例。四、機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計人的下肢主要功能是承受體重和走路。對于靜止直立時支承體重這一要求， 機(jī)器人還容易做到，而在像人那樣用兩足交替行走時.，平衡體重就存在著相當(dāng)復(fù) 雜的技術(shù)問題了。首先讓我們分析一下人的步行情況。走路時，人的重心是在變 動的，人的重心在垂直方向上時而升高，時而下降：在水平方向上亦隨著左。右 腳交替著地而相對應(yīng)地左、右搖動。人的重心變動的大小是隨人腿邁步的大小、 速度而變化的。當(dāng)重心發(fā)生變化時，若不及時調(diào)整姿勢，人就會因失去平衡而跌 倒。人在運(yùn)動時，內(nèi)耳的平衡器官能感受到變化的情況，繼

16、而通知人的大腦及時 調(diào)動人體其他部分的肌肉運(yùn)動，巧妙地保持人體的平衡,而人能在不同路面條件下 （包括登高、下坡、高低不平、軟硬不一的地面等）走路，是因?yàn)槿四芡ㄟ^眼睛 來觀察地面的情況，最后由大腦來決策走路的方法，指揮有關(guān)肌肉的動作。從而 可以看出，要使機(jī)器人能像人一樣，在重心不斷變化的情況下仍能穩(wěn)定的步行， 那是困難的。同簡化人手功能制造機(jī)器人的上肢的方法一樣，其下肢沒有必要按 照人的樣式全盤模仿。只要能達(dá)到移動的目的，我們可以采取多種形式：用足走 路是一種形式，還可以像汽車、坦克那樣用車輪或履帶（以滾動的方式）來移動。如何正確引導(dǎo)機(jī)器人的移動：移動機(jī)器人的導(dǎo)向從大的方面來分，有軌道式和無軌道

17、式兩種。軌道式是檢 測機(jī)器人與軌道的相對位置進(jìn)行導(dǎo)向的；無軌道式則是檢測機(jī)器人在移動環(huán)境中 的位置進(jìn)行導(dǎo)向的。用軌道來引導(dǎo)機(jī)器人移動的方法有多種：一是像鐵路鋪軌道一樣，機(jī)器人的 輪子在軌道上滾動，由軌道引導(dǎo)到各工作位置。在車間地面下淺層snun10mm 處敷設(shè)電纜，通人數(shù)千HZ （赫芝）高頻交流電，使之產(chǎn)生磁場；在移動機(jī)器人 身上安裝兩個測向線圈檢測磁場信號，進(jìn)行移動導(dǎo)向。移動路線由所敷設(shè)的電纜 決定。電纜敷好以后，要改變導(dǎo)向路線就很困難，但可靠性高，大多數(shù)工廠車間 內(nèi)都采用這種方法。也有的把金屬箔帶或白色帶子沿著機(jī)器人必須行走的路線貼 在地方上，當(dāng)光線照在地面上時，用電視攝像機(jī)或光電管判別白

18、帶反射光譜來進(jìn) 行導(dǎo)向。這種方法比起敷設(shè)電纜，改變移動路線要容易一些。更方便的方法是激 光導(dǎo)向，即在機(jī)器需要經(jīng)過的道路上用激光照射，依靠移動機(jī)器人身上安裝的激 光測定器來測定其移動方向，控制指揮機(jī)器人移動。無軌道式導(dǎo)向主要用于自動移動機(jī)器人，它要求機(jī)器人能自動識別自身所處 位置，選擇移動路線而自主運(yùn)動。因此，機(jī)器人必須裝有視覺、觸覺等裝置，用 來辨識環(huán)境和道路情況，測出自己的位置和方向，通過計算機(jī)控制自身的運(yùn)動。 常用的最簡單的方法是超聲導(dǎo)向方法。眾所周知，振幅的眼睛在夜里是看不見東 西的，但它能從體內(nèi)發(fā)出并接受超聲波，依靠超聲波在夜間飛行。利用這一原理, 給機(jī)器人配備超聲波發(fā)射器及接受器，移

19、動前先發(fā)射超聲波，接受器根據(jù)超聲波 的反射波情況，測出機(jī)器人與壁式障礙物間的相對距離及道路情況，從而決定其 運(yùn)動方向，控制機(jī)器人的移動。如果再加上攝像機(jī)的視覺引導(dǎo)，機(jī)器人的移動就 更加自如。采用無軌道式導(dǎo)向裝置，檢測時需用較復(fù)雜的裝置，價格昂貴，可靠性還存 在問題，但其靈活性則遠(yuǎn)比軌道式大。進(jìn)一步完善后，完全有可能替代軌道式的 導(dǎo)向控制，在生產(chǎn)車間內(nèi)應(yīng)用。五、機(jī)器人的嗅覺給機(jī)器人裝上鼻子就要用到嗅覺傳感器，使它能感受各種氣味，從而用來識 別其所在環(huán)境中有害氣體，并測定有害氣體的含量。目前還做不到讓機(jī)器人像人 一樣聞出多種氣味的機(jī)器鼻子。常用的嗅覺傳感器是半導(dǎo)體氣體傳感器，它是利 用半導(dǎo)體氣敏元

20、件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體的物理性質(zhì)變化，借以測定某種特定 的氣體成分及其含量的。大氣中的氣味各種各樣，而目前研制出的氣體傳感器只 能識別像H2 、C2 、CO、NO等少數(shù)氣體。因此，除特殊需要安裝探測特定 氣體的氣體傳感器外，一般的機(jī)器人基本上沒有嗅覺。六、機(jī)器人的觸覺觸覺是接觸、滑動、壓覺等機(jī)械刺激的總稱。多數(shù)動物的觸覺器是遍布全身 的，像人的皮膚位于人的體表，依靠表皮的游離神經(jīng)末梢能感受溫度。痛覺、觸 覺等多種感覺，因此，對人來說，除了視覺以外，觸覺接受外界的信息量最多。 但是昆蟲或甲殼類動物的觸覺器官卻集中在頭部的觸角中。像蟋蟀與蝦的觸須有 身體長度的2. 5 3倍。依靠長觸須可確認(rèn)遠(yuǎn)處物體所在的位置，判別其大小。 要使機(jī)器人具有動物那樣敏感的觸覺是相當(dāng)困難的，機(jī)器人裝上觸覺傳感器的目 的是檢測機(jī)器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接觸