1、百度文庫讓每個人平等地提升自我工業機器人機械系統設計機器人技術是利用計算機的記憶功能、編程功能來控制操作機自動完成工業 生產中某一類指定任務的高新技術，是當今各國競相發展的高技術內容之一。它 是綜合了當代機構運動學與動力學、精密機械設計發展起來的產物，是典型的機 電一體化產品，工業機器人由操作機和控制器兩大部分組成。操作機按計算機指 令運動，可實現無人操作；控制器中計算機程序可依加工對象不同而從新設計， 從而滿足柔性生產的需要。機器人應用領域廣泛，包括建筑、醫療、采礦、核能、農牧漁業、航空航天、 水下作業、救火、環境衛生、教育、娛樂、辦公、家用、軍用等方面，工業機器 人在國內主要應用于危險、有

2、毒、有害的工作環境以及產品質量要求高（超潔、 同一性）的重復性作業場合，如焊接、噴涂上下料、插件、防爆等。一、工業機器人的總體設計1 .主體結構設計工業機器人主體結構設計的主要問題是選擇由連桿件和運動副組成的坐標 形式。工業機器人的坐標形式主要有直角坐標式、圓柱坐標式、球面坐標式、關 節坐標式等。直角坐標式機器人主要用于生產設備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢 測作業。圓柱坐標式機器人主要有三個自由度：腰轉，升降，手臂伸縮。手腕常采用 兩個自由度,繞手臂縱向軸轉動與垂直的水平軸線轉動。手腕若采用三個自由度, 機器人總自由度達到六個。球面坐標式機器人也叫極坐標式機器人，具有較大的工作范圍，設計

3、和控制 系統比較復雜。八 關節坐第式主體結構的三個自由度腰轉關節、肩關節、肘關節全部是轉動關 節，手腕的三個自由度上的轉動關節（俯仰、偏轉和翻轉）用來最后確定末端操 作器的姿態，它是一種慣犯使用的擬人化的機器人。96自由度機器人6自由度機器人SmartModules框架機磐人Cartesian RobotsCobra Series桌面機器人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直角坐標機器人工作臺:2 .傳動方式傳動方式選擇是指選擇驅動源及傳動裝置與關節部件的連接形式和驅動形 式，主要包括：直接連接傳動。驅動源或帶有機械傳動裝置直接與關節相連。遠距離連接傳動。驅動源通過遠距離機械傳動后與關節相連。間接驅動。驅動源經一個速比遠大于1的機械裝置與關節相連。直接傳動。驅動源不經過中間環節或經過一個速比等于1的機械傳動這樣的 中間環節與關節相連。3 .模塊化結構設計模塊化機器人是有

5、一些標準化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結合部 用積木拼接的方式組成一個工業機器人系統。模塊化設計是指基本模塊設計和結 合部設計。模塊化工業機器人主要的特點是：經濟性、靈活性4 .材料的選擇與一般機械設備相比，機器人結構的動力特性是十分重要的，這是材料選擇 的出發點。材料選擇的基本要求是：強度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材 料價格低。5 .平衡系統設計工業機器人是一個多剛體耦合系統，系統的平衡性是極其重要的，在工業中 采用平衡系統的理由是：安全、借助平衡系統能降低因機器人結構變化而導致重 力引起關節驅動力矩變化的峰值、借助平衡系統能降低因機器人運動而導致慣性 力矩引起關節驅動力矩變化的

6、峰值、借助平衡系統能減少動力學方程中內部耦合 項和非線性項，改進機器人動力特性、借助平衡系統能減小機械臂結構柔性所引 起的不良影響、借助平衡系統能使機器人運行穩定，降低地面安裝要求。二、傳動部件設計傳動部件是驅動源和機器人各個關節連接的橋梁，是工業機器人的重要部 件。機器人的運動速度、加速度（減速度）特性、運動平穩性、精度、承載能力 很大程度上是取決于傳動部件設計的合理性和優劣。因此，關節傳動部件的設計 是工業機器人設計的關鍵之一。（1） .移動關節導軌工業機器人對移動導軌的要求移動關節導軌的目的是在運動過程中保證位置精度和導向，對移動導軌有如 下要求：1 .間隙小或者能消除間隙；2 .再垂直

7、于運動方向上的剛度高；3 .摩擦系數低并不隨速度變化；4 .高阻尼；5 .移動導軌和其輔助元件尺寸小、慣量低。移動關節導軌主要分類：普通滑動導軌、液壓動壓滑動導軌、液壓靜壓滑動 導軌、氣浮導軌和滾動導軌。上面介紹的導軌中，前兩種具有結果結構簡單、成本低的特點，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的變化和有效負載的變化，在低 速時候容易產生爬行現象。第三種靜壓滑動導軌結構能產生預載荷，能完全消除 間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優點，但是它需要單獨的液壓系統和回收 潤滑油的機構。第四種氣浮導軌不需要回收潤滑油的機構，但是剛度和阻尼較低。 笫五種滾動導軌在工業機器人導軌種用的是

8、最廣泛，具有很多的優點：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容易制造成標準件;7易加預載，消除間隙，增加剛度等等。但是，滾動 導軌用在機器人機械系統也存在著缺點：1阻尼低;2對臟物比較敏感.（2） .轉動關節軸承轉動關節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 .電氣開關定位2 .機械擋塊定位3 .伺服定位系統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 .偏心機構

9、消隙8 .齒廓彈性覆層消隙（4） .協波傳動要求：1 .伺運動精度高，間隙小，能實現較高的重復定位精度。2 .回轉速度穩定，無波動，運動副鍵摩擦小，效率高。3 .體積小，重量輕，傳動扭矩大。常用的減速機構是行星齒輪機構和諧波傳動機構（5） .絲杠螺母副和滾珠絲杠傳動絲杠傳動機構是將旋轉運動變成直線運動的重要傳動部件，其優點是不會產 生沖擊，傳動平穩，無噪聲，能自鎖，山較小的扭矩產生較大的牽引力；缺點是 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性很好，磨損小，使用壽命比較長。1 .活塞缸和齒輪齒條機構2 .鏈傳動，皮帶傳動，繩傳動3 .鋼

10、帶傳動三、臂部設計工業機器人臂部設計的基本要求：1 .剛度高。為了防止臂部在運動過程中產生過大的變形，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剛度都比 實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。2 .導向性好。為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發生相對轉動，或設置導 向裝置，或設計方形，花鍵等形式的臂桿。3 .重量輕。為提高機器人的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重量，以減 小整個手臂對回轉軸的轉動慣量。4 .運動平穩定位精度高。除了臂部設計上要求力求結構緊湊，重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。 常用的臂部結構有：1 .

11、手部直線運動機構；機器人手臂的伸縮，橫向移動均屬于直線運動。實現手臂往復直線運動的機 構形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機構，絲杠螺母機構以及連 桿機構等。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機器人結構中應用的比 較多。2 .手臂回轉運動機構實現機器人手臂回轉運動的機構形式是多樣的，常用的有葉片式回轉缸，齒 輪傳動機構，鏈輪傳動機構，活塞缸和連桿機構等。> 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備（例如致動器、發動機、發電機 等）正在步入商業化。它們基于在受到電刺激時會改變 數十年

12、前，構建致動器或者致動設備的工程師 就已經為肌肉找到了一種人造替代物。作為對神經刺激 的響應，肌肉只須改變長度就能夠準確地控制其施加的 力量，例如眨眼睛或舉起杠鈴。同時.，肌肉還表現出比 例恒定的屬性：對于各種尺寸大小的肌肉，其機理都一 樣，相同的肌肉組織既可以給昆蟲、也能夠為大象賦予 力量。因此，對于難以制作電動馬達的驅動設備，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。研究人員已經在雄心勃勃地工作，希望能夠為許多當代的技術尋找基于EPA的可選方案，而 且不害怕將他們的發明物與自然物競爭。幾年前，有兒個人，包括來自美國加州 帕薩迪納噴氣推進實驗室（JPL）的高級科

13、學家Yoseph Bar-Cohen,向電活化聚合物 研究團體發起了一項挑戰，以激發人們對該領域的興趣：展開一項競賽，看誰能 夠最先制造出EAP驅動的機器人手臂，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，機械應力可導致晶體電極化，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生電。塑料對電的反應響應電流而改變形狀的聚合物可分為兩類：離子型和電子型，其優勢和劣勢 正好互補。離子型EAPs（包括離子聚合物凝膠體、離子性高分子如金屬復合材料、導電 性高分子以及碳納米管）是在電化學的基礎上工作即正負離子的移 動和擴 散。它們可以直接用電池帶動，因為即便一個個位（

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，因此應當密封在 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 會一直運動，如果電壓超過一定值，將會產生電解，從而給材料造成無法修復的 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）則由電場驅動。它們需要相對較高的電壓，因此會產生讓人不舒服的電 擊。但是，作為回報，電子型EPAs能夠迅速作出響應，并且傳遞較強的機械力。 它們不需要保護薄層，而且幾乎不需要電流就能夠保持某個定位。SPR的人造肌肉材料屬于電子型EAP類型。它的成功開發

15、經歷了漫長曲折 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創新的一個經 典范例。四、機身及行走機構設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復 雜的技術問題了。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。當重心發生變化時，若不及時調整姿勢，人就會因失去平衡而跌 倒。人在運動時，內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 調動人體其他部分的肌肉運動，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，是因為人能通過眼睛 來觀察地面的情況，最后由大腦來決策走路的方法，指揮有關肌肉的動作。從而 可以看出，要使機器人能像人一樣，在重心不斷變化的情況下仍能穩定的步行， 那是困難的。同簡化人手功能制造機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。如何正確引導機器人的移動：移動機器人的導向從大的方面來分，有軌道式和無軌道

17、式兩種。軌道式是檢 測機器人與軌道的相對位置進行導向的；無軌道式則是檢測機器人在移動環境中 的位置進行導向的。用軌道來引導機器人移動的方法有多種：一是像鐵路鋪軌道一樣，機器人的 輪子在軌道上滾動，由軌道引導到各工作位置。在車間地面下淺層snun10mm 處敷設電纜，通人數千HZ （赫芝）高頻交流電，使之產生磁場；在移動機器人 身上安裝兩個測向線圈檢測磁場信號，進行移動導向。移動路線由所敷設的電纜 決定。電纜敷好以后，要改變導向路線就很困難，但可靠性高，大多數工廠車間 內都采用這種方法。也有的把金屬箔帶或白色帶子沿著機器人必須行走的路線貼 在地方上，當光線照在地面上時，用電視攝像機或光電管判別白

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

19、動前先發射超聲波，接受器根據超聲波 的反射波情況，測出機器人與壁式障礙物間的相對距離及道路情況，從而決定其 運動方向，控制機器人的移動。如果再加上攝像機的視覺引導，機器人的移動就 更加自如。采用無軌道式導向裝置，檢測時需用較復雜的裝置，價格昂貴，可靠性還存 在問題，但其靈活性則遠比軌道式大。進一步完善后，完全有可能替代軌道式的 導向控制，在生產車間內應用。五、機器人的嗅覺給機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 別其所在環境中有害氣體，并測定有害氣體的含量。目前還做不到讓機器人像人 一樣聞出多種氣味的機器鼻子。常用的嗅覺傳感器是半導體氣體傳感器，它是利 用半導體氣敏元

20、件同氣體接觸，造成半導體的物理性質變化，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，一般的機器人基本上沒有嗅覺。六、機器人的觸覺觸覺是接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱。多數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。依靠長觸須可確認遠處物體所在的位置，判別其大小。 要使機器人具有動物那樣敏感的觸覺是相當困難的，機器人裝上觸覺傳感器的目 的是檢測機器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接觸