工业机器人球坐标型机械臂结构设计 论文正文 - 图文

工业机器人球坐标机械臂结构设计

摘 要

在装配机器人中，球坐标型装配机器人（极坐标型）是应用非常广泛的一种装配机器人。本文设计的工业机器人既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求，用于教学实验，它能够使人更直观地了解机器人机构组成、动作原理等，所以开发球坐标型机器人具有广泛的实际和应用前景，本课题的研究工作正是在这样的背景下提出来的。

本文设计的工业机器人球坐标型机械臂具有下列特点:通用性好、重复定位精度高、体积小、重量轻、外形美观、适于观察、成本低，对其本体的可行方案进行了充分的论证后，设计成具有三自由度的结构，由机身、大臂及小臂组成，行星齿轮减速器、同步齿型带、丝杠螺母等组成了工业机器人球坐标型机械臂简单可靠的传动方案，该机器人的三个关节均选用直流伺服电机驱动。

关键词 工业机器人；极坐标型机械臂 ；球坐标型机械臂/结构设计

I

Industrial Robot Spherical Coordinates Robotic Arm

Structure Design

ABSTRCT

In assembly robots, ball coordinates type assembly robot (namely polar type) is a kind of very extensive assembly robot. The paper presents the desion of industrial robot can be used either for practical production,and can be used in experiment teaching and scientific research.Applied to practical production.It can satisfy the assembly work content change frequent requirements,used in teaching experiments.It can make a person more intuitively understand robot mechanism composition,action principle,etc.Therefore, the development goals coordinates type of robot has extensive practical and application prospects of this topic research work,and it is in this context brought out.

The paper presents the design of industrial robot ball coordinates type has the following characteristics: the mechanical arm high universality,repositioning high precision,small volume,light weight,good appearance,suitable for observation,low cost and feasible scheme for its ontology adequate argument,designed to have three degrees of freedom,the fuselage,big structure composed,planets and forearm arm,and synchronizing gear reducer cog-type belt,screw nuts etc the industrial robot mechanical arm ball coordinates type a simple and reliable transmission scheme,the robot are chosen for the three joint dc servo motor driver.

KEY WORDS Industrial robot/polar type mechanical arm/ball coordinates type mechanical arm/structure design

II

1 绪论 1.1 课题背景

工业机器人在现代生产中应用日益广泛，作用越来越重要，工业机械臂尤为如此，因此设计实用、高效的机械臂对于机械设计者来说是义不容辞的责任，对于毕业的大学生也是一个实时、富有意义和挑战的课题。

工业机器人自20世纪60年代问世以来，其研究和开发在工业发达国家中一直备受青睐。尽管各国对机器人的定义不尽相同，但都有可编程、拟人化、通用性等特点，是一种融机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制技术等多学科为一体的高新技术产品。随着相关支撑学科的长足发展，工业机器人的研究和开发正在突飞猛进，其应用领域进一步扩大。我国机器人技术的研究工作起步较晚，虽已取得较大发展，但较之发达国家的水平仍有较大距离，应积极探索适合我国国情的工业机器人应用思路，开发低成本、高性价比的实用型工业机器人。

机器人自诞生之日起 ，便显示出其强大的生命力，机器人首先在工业生产中得到了广泛应用，并给传统工业带来了质的飞跃。它不仅提高了传统产业的自动化程度，提高了劳动生产率而且还推动了以资源消耗低环境污染少为特征的新型工业的诞生随着人类在机械工程、电气工程、微电子技术、计算机技术、控制论、传感技术、信息学、声学、仿生学、及人工智能等学科领域的飞速发展，机器人技术的应用也正在向农业、林业、畜牧、养殖、海洋开发、宇宙探索、国防建设、安全救济、生物医学、服务娱乐等新领域拓展开来，并已取得显著进展，机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分。

机器人主要有两大类：用于制造环境下的工业机器人和用于非制造环境下的服务机器人。工业机器人是一种对生产环境和生产条件具有较强的适应性和灵活性的柔性自动化装备，它主要用于现代制造业中代替人们从事繁重、重复单调、环境恶劣危险、人做不了或做不好的工作，从而减轻了人们的劳动强度，改善了劳动环境，并有效地提高了生产的自动化程度，提高了产品质量和劳动生产率。工业机器人是柔性化制造系统FMS、自动化工厂FA和计算机集成制造系统CIMS，必不可少的自动化工具，它的发展和应用情况已成为一个国家工业自动化水平的重要标志【1】。

以机械臂为例，机械臂的发展是随着机器人技术和传感器技术的不断成熟而不断发展的。通常机械臂由多自由度机械连杆和末端夹持器（也称机械手）组成。机械臂

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通过多自由度机械连杆的姿态调整和机械手的动作完成操作任务。机械臂作为机器人的一个重要组成部分，起着连接和承受外力的作用，手臂需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其结构、工作范围、灵活性以及抓重大小、定位精度等对机械手性能影响很大。因此在设计手臂的结构形式时，除了要考虑上述因素外，还应注意一下几点【2】：

（1）手臂应承载能力大、刚性好、重量轻，保证手臂准确工作并具有一定的定位精度；

（2）应使手臂运动速度快，惯性小、动作灵活； （3）应使手臂传动准确，导向性好；

（4）输油管道的布置应合理，不妨碍机械手的运动且使手臂外形整齐，结构紧凑；

（5）其他要求，如高温作业，应考虑辐射的影响；粉尘场合应设有防尘装置等。

1.2 机器人的定义及特点

机器人的研究、开发和应用涉及多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学等学科，机器人技术是一门跨学科的综合性技术。早在20世纪60年代初，美国就制造出了第一台工业机器人，目前己经发展到第三代一智能机器人。由于机器人技术和机器人的重要作用，各工业化国家近几年都把它的研究和开发列为国策，制订一系列规划，多方采取措施，以加快发展。许多发展中国家也纷纷建立技术开发中心，应用和生产机器人，可以说当今正在掀起一个世界范围的机器人研制热潮。

1.2.1 机器人的定义

《三国演义》是中国著名的古典名著之一。看过《三国演义》的人，大概都不会忘记，诸葛亮在和司马懿斗智时，曾遇到蜀军被魏军围困，陷于粮草接济不上的危难境地。为解粮草之急，诸葛亮巧用“木牛流马”之计，最后智胜了司马懿。当时，司马懿曾对天长叹，口服心服地说，“我不如诸葛亮也！”。书中对木牛流马有相当一段描述，这里不用赘述。但说起母牛流马的大致形象和功用，却叫后人叹服不已。木牛流马除了形如真牛和真马并主要由木材料制成之外，还有非凡的功用，即当用木牛流马转运蜀军粮草时，“人不大劳，牛马不食，进退如活的一般。”司马懿原以为大军压境，团团围困，可以把蜀军困在山上饿死，但后来发现，蜀军不知用什么法术，

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居然驱赶着大批似牛似马的东西，在丛山峻岭的羊肠小道行走如飞，来回驼运粮草等急需之物。司马懿大奇，便派兵袭击蜀军运粮队，截获了数匹木牛流马，但不知蜀军后勤兵丁在逃离之前对木牛流马做了什么手脚，使这些被捕获的“木牛流马”“坚贞不屈”，拒不执行魏军的指挥，各自站在原地一动不动，任魏军士兵使出百般手段和气力，也不愿向前移动。而到半夜时分，蜀军又派人前来，在这些木制牛马的口中转动其舌头几次，再动动其他几处秘密“机关”，它们立时精神大振，一溜小跑地随着这些蜀军兵丁跑回了蜀军大营【3】。

古代的罗马帝国时期，创造了众多的古代文明和促进社会发展的新事物；古代的埃及，也以它的金字塔和狮身人面怪物为典型，向全世界古今中外的人们展示了它作为世界文明古国的大家风范。据传说，古埃及在法老和亚历山大时期，其庙字之内还供奉着会说话的神秘塑像，并伴有可以自动启闭的庙门。要想进入庙字内求诸神保佑的人们，必须先行由熟知内情者引导，方可安全进入，并一睹众神之风采。如果外来者想私自擅入，定会不识路径，误触防卫机关，周围暗藏机关便会向擅入者即刻喷射火焰，并伴以雷鸣闪电的声光效应，以烧死、吓死这些违反庙门戒规的叛逆之徒。倘若古代埃及那些创造了尼罗河文明的人们，果真设计了以上内容的装置的话，那么，它们就可以被今天的人们称之为“会说话的机器人”，以及“喷火机器人”或“杀手机器人”，当然，亦属于安全警卫机器人类型等。外国古代机器人像中国古代机器人一样，拥有很长的历史，但是却没有真实的命名。20 世纪中叶，各种高新技术竞相发展之后，“机器人”的名称才得以在世人中间登堂人室，形成气候。尽管古代的中外人士拘泥于古老的科学文化，和现在大科学时代的科学文化相差甚远，但是作为理想的追求、智慧的展现和社会的需求，他们脑海中的机器人的影像仍然留有深刻的痕迹。人们今天研究与开发各种现代机器人的时候，会不难联想到，它们的影像将为21 世纪的地球，刻下永不磨灭的印记。

这些书中描述的木牛流马，可以称作是中国古代的木制机器人。

什么是机器人，至今尚未有一个世界公认的准确定义，如果把人们对机器人的定义汇总起来，估计将有近百种说法。这些说法尽管各不相同，但大多数具有这样一些共同之处，首先，机器人是一种机器，而不是人，它们只是“拟人化”的产物。按照其完成任务的不同需要，机器人目前大致被分成可以由人来操作、控制或指挥的机器人，或者不由人控制、操纵或指挥的机器人两大类。如果人们把20实际50年代以后才逐渐取名为“机器人”的那些机器作为既有别于一般机器，又有别于一般地球人的新

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生事物的话，那么，把这种笼统的概念回溯到古代，回想起《三国演义》的作者对木牛流马的描述，人们就会发现，虽然据考证这些木牛流马仅是一些较为简单的运输工具——独轮手推车，但是作者的构思和描述与当今机器人的概念是一致的。尽管在那个历史时期，外国尚未出现“机器人”或者其他类似的名称和类似的物体。设想木牛流马完全有资格算作中国古代的机器人【4】【5】。

人们在谈论机器人的时候，切切不可拘泥于它们的现代化名称如何，也不应拘泥于中国古代那些活灵活现的“艺人”与“木牛流马”等是否完全一致等问题，而对机器人的产生、发展产生误解。现代的机器人，从名称开始就是一种“舶来品”的译名。就是“Robot”（英文），中国名称是什么颇下了一番苦功的。这是因为，一些人按照英文名称的拼读声，觉得叫“罗伯特”好。这个名字既可使人一下子就感觉到时一个地道的外国人的称呼，又保持了它的和谐拼读音色，于是“罗伯特”就渐渐成了能够部分代替人的功能和行为活动的机器装置，反之亦然。不过，也有许多人根据这种特殊机械装置的功能，为了特别强调它门能够替代人的某些劳动及工作等特点，再加上一些拟人化的手法，在对“Robot”取名之初就定名为“机器人”了。是谁把“罗伯特”称为机器人的，迄今尚未作过准确考证，但是机器人的叫法一经传开，就形成了广为呼应之势，随着科学技术的进步，人们越来越多的引用机器人这个名称，来专门指向国外越来越多地创造出来的那些特殊机器装置，后来就约定成俗，形成了基本统一的名称——机器人。

现代机器人来到人世间还有一个重要原因，就是时代的变化对它所产生的迫切需求。科学技术的发展，伴随着人类历史的长河源远流长。从古代科学流向现代科学，从20 世纪初叶以前的科学时代流向20 世纪中叶开始的大科学时代。应古代社会需要而形成的古代科学，对于古代的社会发展，起着不可估量的作用。中国的四大发明，欧洲的蒸气机车、纺织机械等，都引发了社会从一个历史阶段向另一个历史阶段的飞跃，到了小科学时代，科学上的发明由于研究与开发手段的提高，变得成果累累，繁星点点，一些科学家凭借雄厚的知识基础，可以在一生中作出数种伟大的发明，例如牛顿、爱因斯坦、爱迪生等等。但是，小科学时代的社会局限性也限制了科学发明向深度和广度进军的尺度与力度，使得即使从发明之树上摘取了许多果实，但是，那些处在高大枝干和浓密树叶掩盖下的硕果，却因当时基于没有攀登工具和慧眼寻视，而无法或根本不可能采摘下来。

机器人(Robot)是1920年由捷克作家卡雷尔·卡佩克在剧本中塑造的一个具有人的

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外表、特征和功能，愿意为人服务的机器奴仆“ Robot\一词衍生出来的。机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性，机器人不断在发展，新的机型、新的功能不断涌现，根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题，就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想像和创造空间。在把机器人理解为仿人机器的同时，也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。我们可以这样说:机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的，并能实现诸多拟人动作和功能的机器，而工业机器人(Industrial Robot)则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会(U.S.RIA)提出的工业机器人定义为:“工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手、或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。”英国机器人协会、日本机器人协会等也采用了相类似的定义。我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上己远远脱离了最初仿人形机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间【6】。

1.2.2 机器人的特点

机器人最显著的特点有以下几个:

1.可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统(FMS)中的一个重要组成部分。

2.拟人化。机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手

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爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等.传感器提高了机器人对周围环境的自适应能力。

3.通用性。除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。

4.机电一体化。机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其它技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平

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1.3 机器人的构成及分类

1.3.1 机器人的构成

一个机器人系统，一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。

1.操作机(又称执行系统)。

操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。通常由下列部分构成。

(1)末端执行器又称手部，是操作机直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工业对象接触以完成作业的机构。

(2 )手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般具有2-3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用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。

(3)手臂它由操作机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。手臂有时不止一条，而且每条手臂，也不一定只有一节(如关节型就可能有多节)，所以，它有时还应包括肘和肩的关节，即手臂和手臂间(靠近末端执行器的一节通常叫小臂，靠近机座的，通常叫大臂)，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。

(4)机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受响应力的基础部件。可分固定式和移动式两类，移动式机座下部安装了移动机构，它可以扩大机器人的活

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动范围。

2.驱动单元

它是由驱动器、减速器、检测元件等组成的组件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。驱动器是将电能或流体能等转换成机械能的动力装置，通常是电动机、液压或气动装置。驱动形式不同，传动装置也有所不同。

3.控制装置

它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。控制装置包括检测(如传感器)和控制(如计算机)两部分，可用来控制驱动单元，检测其运动参数是否符合规定要求，并进行反馈控制。这就是闭环控制。如果没有反馈控制，就是较简单的开环控制

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图1 计算机智能控制系统

4.人工智能系统

对于智能机器人，还应有人工智能系统。它主要由两部分组成，一部分为感觉系统(硬件)，主要靠各类传感器来实现其感觉功能。另一部分为决策一规划智能系统(软件)，它包括逻辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。

1.3.2 机器人的分类

目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准，大致有以下几种分类方法。

1.按使用范围分类

(1)固定程序的专用机器人(机械手) 通常根据主机的特定要求设计成固定程序

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(或简单的可变程序)。这种机器人(机械手)多为气动或液动，用行程开关、机械挡块来控制其工作位置。工作对象单一，动作较少，结构与系统简单，价格低廉，可以应用。

(2)可编程序的通用机器人工作程序可变，以适应不同的工作对象，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。

2.按使用行业、部门和用途分类

(1 )工业机器人它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、检测等机器人。

(2)采掘机器人如海洋探矿机器人等。 (3)军事用途机器人

在跨世纪的军事活动中，机器人部队无疑将会参战。这些机器人具有较强的自主作战和参与军事使命的能力，它们纪律严明，组织紧凑，行动快捷，效果明显。这是和机器人部队的设计者与策划者的智慧、思想、设计和制造分不开的。不过，随着机器人在陆、海、空、天、电战场的超立方形空间中全面地投入军事活动，也为领导这些机器人部队的人类的指挥机构和各级作战人员带来不少新的、涉及到如何对待机器人行为的复杂问题

(4)服务机器人如医疗机器人，家用机器人，教学机器人等。 3.按机械结构、坐标系特点分类

按机械结构、坐标系特点可分为直角坐标型，圆柱坐标型，球坐标型，多关节型等。这些配置方式都是经过实践证明为经济可行的方式，也是组合式模块化工业机器人坐标配置方式设计时所要借鉴和参照的方式。

（1）直角坐标型机械臂

其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即PPP）组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。

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图2 直角坐标型机械臂

（2）圆柱坐标型机械臂

其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他工业机器人协调工作。

图3 圆柱坐标型机械臂

（3）球坐标型工业机器人

又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即RRP,一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。

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图4 球坐标型机械臂

（4）多关节型工业机器人

又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人一体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR），该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂见形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度教低，有平衡问题，控制耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。

图5 多关节型机械臂

（5）平面关节型工业机器人

它采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR），移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有教大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛。

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图6 平面关节型机械臂

通过对常用配置方式（常规坐标型）的机器人的运动分析可看到以下两点：（1）基本动作可分解为体升降、比伸缩、体旋转、臂旋转、腕旋转等；（2）基本运动形式可分为直线运动和旋转运动两类。这启发我们自设计机器人时，可充分利用能够实现直线运动和旋转运动的通用部件（气、液、电等）来进行功能组合，也就是说可以经过合适选择的通用部件作为模块来进行集成。这些部件可以作为一个独立的基本模块，也可以将几个部件组合为一个复合模块。显然，配置方式应根据产品最终实现的功能要求来确定，同样，模块的分解也是基于产品应满足的功能要求下的模块分解。 4. 按机器人运动控制方式分类

(1)点位控制(PTP)机器人就是由点到点的控制方式，这种控制方式只能在目标点处准确控制机器人末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。目前应用的工业机器人中，很多是属于点位控制方式的，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。

(2)连续轨迹控制(CP)机器人机器人的各关节同时作受控运动，准确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿曲线轨迹上各点的姿态。弧焊、喷漆和检测机器人等均属连续轨迹控制方式。

5.按驱动方式分类

按驱动方式可分为液压驱动式、气动式、电力驱动式(这是目前用得最多的一类)。 6.根据机器人的功能水平和技术的先进程度按“代”分类

(1)第一代机器人其特点是采用开关量控制，示教再现控制或数字控制，其作业路径和运动参数需通过示教或编程给定。60年代以来，工业中实际应用的绝大多数工业机器人都属于第一代机器人，它包括可编程序(用于上下料)的工业机器人，具有记忆装置的示教再现型机器人，数控型搬运机器人等。

(2)第二代机器人是70年代开始出现的，其技术特点是采用计算机直接控制，是通过具有视觉、触觉的摄像机和传感器，能“感觉”外界信息并通过计算机进行计算和

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分析 自动 地控制操作机进行运动和操作，因此，其控制方式较第一代机器人要复杂得多，目前这类机器人已开始在工业生产、排险救灾等场合应用，并将进入普及阶段。

(3)第三代机器人即智能机器人。这是国内外正在积极研究，开发的高级机器人，其主要特点是具有人工智能。包括: 模式识别能力、规划决策能力、知识库、专家系统、人机交互能力等。这一类机器人目前正在研究开发之中【9】。

1.4 机器人的应用与发展

1.4.1 机器人的应用

在发达国家，机器人己广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。产业部门应用最多的当推汽车工业和电子工业，在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应用，并逐渐向纤维加工、食品工业、家用产品制造等行业发展。

焊接作业包括点焊和弧焊，是机器人用得最多的作业之一。传统的点焊机虽然可以减轻人的劳动强度，焊接质量也较好，但它适宜少品种大批量的生产环境，其夹具和焊枪位置不能随零件的改变而变化，而点焊机器人可通过重新编程来调整空间点位，满足不同零件的需要，故特别适宜于小批量多品种的生产环境。弧焊作业由于其焊缝多为空间复杂曲线，故多由人工完成，连续轨迹控制的机器人可以胜任此任务，故广泛用于各种复杂结构和容器的焊接。Unimate, Motoman, ASEA等都是典型的焊接机器人。

它们忠于职守，能够准确地执行人类的指令，从这一点讲，机器人实在是人类最忠实的仆人。教给它们什么样的动作，它们就不厌其烦地做上成百上千次。如果需要叫它们执行新的任务，只需要重新教它们一遍就行了。重新教授的内容通过另外一套程序来实现。通常一个机器人可以保存成百种不同作业和不同动作套路的程序，可以十分方便地随主人之意调用和更换花样。这种忠实的仆人具有“一次示教，终身难忘”的特点，动作准确、可靠、分毫不差。它们在军事工业和生产领域中大有作为。在爆炸品和危险物生产线上，它们可以代替人工作，且不知疲倦，连续工作。它们动作准确、可靠，即使加工成千上万发炮弹，也下会碰到底火引起爆炸事故。

工业机器人真可谓称得上是新一代的“蓝领工人”。减少了工人的危险程度，做到了一些人不能做到的任务。它必将是今后发展的重中之重。未来人们的许多任务都将有机器人代为完成。

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图7 柔性机械臂的模型

喷漆作业由于环境恶劣，国外大量使用了机器人，挪威生产的Trallfa机器人是目前世界上用得最多的喷漆机器人，该机器人为关节式，6自由度，电液或全电动伺服驱动，采用示教再现方式，既可实行点位控制，也可实行连续轨迹控制。

搬运物料的作业包括为机床上下料，为自动生产线转运工件，搬运机器人和数控机床一起组成柔性加工系统，一条柔性生产线可配置几台至十几台搬运机器人，典型的搬运机器人是T3和Funac机器人。

机器人用于装配作业是随着视觉系统的发展而发展起来的，电子工业用得最多，主要用在电路板的装配上，还有电动机、发动机部件、阀门等产品的装配。PUMA机器人是一种典型的装配机器人，有6个自由度，关节式，直流伺服电机驱动，微机控制点位或连续轨迹，用VAL语言示教编程，其手腕机构具有顺应性，可克服装配中的误差。

国外的航空航天工业中应用机器人也十分广泛，如铆接装配作业就大量使用了机器人，此外如电气插头的装配，发动机风扇外壳和高压涡轮的焊接，飞机座舱盖和风挡钻孔作业，飞机机身和垂直尾翼钻孔，都采用了机器人。某些飞机机身、机舱的喷

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漆作业，发动机零部件等离子喷涂也采用了机器人。在空间开发中，航天飞机上收放卫星的机器人是加拿大Spar公司生产的，美国NASA实施的火星探测计划，发射了两个火星探测器海盗I和海盗H，它们也是一种机器人，在火 星上采集样品，作各种实验，并能将实验结果发回地球。

在海洋开发方面，美国曾用Curv号有缆水下机器人成功地从西班牙附近900米深的海底打捞一颗因B-52轰炸机失事掉入水中的氢弹。挪威卑尔根公司生产的一种水下机器人，可在水下600米处作业，装有电视摄像机，可收集海底标本，切割石油管道和缆索等。

在放射性环境中，如在核电站里，机器人可用来检查、修复管道、阀门等，如日本东芝公司研制的一种蛇形机器人，具有八个关节，可以在狭小的空间里操作，臂长达2.25米，臂顶端装有电视摄像机。在军事方面，机器人己用于侦察、布雷、排除爆炸物、装填弹药等。在建筑中，己有一种爬壁机器人可用来修理墙面，擦洗窗户。此外还有摘果实、挤牛奶、剪羊毛、清理垃圾、监护病人的机器人等。

总之，机器人的应用面相当广泛，机器人的工作特点是在计算机控制下离开人的干预进行各项工作。用机器人代替人，可以使人摆脱高温、有毒、粉尘、振动、放射性、强噪音等恶劣环境，而去从事机器人的监控、维护等工作，使工作性质发生了变化，减轻了劳动强度，同时也改善了就业结构。机器人工作抗干扰能力强，一心一意按所编程序工作，动作精度、重复精度高，因此能保证和提高产品质量。解决多品种小批量生产的自动化问题二随着人民生活水平的提高，人们要求提供更丰富更多样的产品。因此，用传统的生产方式难以满足人们的需求，当前柔性制造系统的飞速发展正是适应了这种发展趋势，而机器人是柔性系统中不可缺少的提高劳动生产率的关键设各。与人相比，机器人有一个最大的特点:不知疲倦、不需要休息，在合宜的条件下，可以连续工作，因此可以大大地提高劳动生产率。机器人对于改善劳动条件、减少安全事故，减少人受危险环境的伤害等方面都有显著的效果【10】。

1.4.2 机器人的发展

现代工业机器人起源于数控机床和远程控制器。1954年，美国的George Devol首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械手。这种机械手可以通过让其沿一系列点运动，将运动位置以数字形式存贮起来，动作执行时，使伺服系统驱动机械手各关节轴来再现这些位置，从而让机械手完成一些

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简单的工作。正是由于这个机械手具有了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志。在随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关节坐标、极坐标等许多种不同结构的机器人。与第一代示教再现型机器人不同，第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人。这种机器人带有传感器，能感知环境和对象的情况，以控制自身动作的变化。在机器人视觉、触觉研究的同时，机器人其他感觉功能的开发也已经开始，对机器人的接近觉、听觉、滑觉以及会话等功能都进行了研究，并取得了一定的成果。而且这种有感知功能的机器人开始被应用于工业生产中的焊接、装配及机械加工等作业。智能机器人被人们称为第三代机器人，它是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人。从七十年代后期开始，人们对智能机器人的规划生成系统(问题解决系统，路径搜索等)，环境的理解系统(感觉智能，包括视觉，触觉等)，知识获得与利用系统(知识工程和专家系统等)，人一机接口系统，运动系统等问题展开了更加广泛、深入地研究。智能机器人的研究是一个艰巨而又广泛的问题，随着研究的不断深入，相关科学的飞速发展(如第五代智能计算机)，具有智能的机器人在不久的将来一定会出现。纵观机器人的发展过程，可以看出， 自从机器人在五十年代诞生以来，在短短的四十多年里由于各种有关技术的发展，特别是自动控制技术、集成电路技术及微型计算机技术的应用，在国际形式的推动下，各国在经济上和科技上展开激烈的竞争，机器人的生产和应用随之得到了迅速的发展。它经历了第一代工业机器人的研究、实用化、普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。

我国的机器人研究始于70年代。经过近20年努力，特别是经过“七11.”攻关、“ 863”计划，取得了一批重要成果，掌握了机器人控制系统硬件设计、软件设计、机器人语言等技术。就全国来说，目前我国机器人研究开发工作做得较好的地区是:以中科院沈阳自动化研究所为首的东北地区机器人工程中心，以机电部广州机床所为龙头的华南地区的机器人工程中心。而各工程中心_L作的侧重点又有所不同:东北地区以特种机器人、水下机器人开发为L,华北地区以喷漆Y1lt人、焊接机器人开发为主，华东地区以搬运机器人、装配机器人、移动机器人开发为主。

1986年，国家把智能机器人列为高技术发展计划，研究目标是跟踪世界先进水平，工作内容主要是围绕特种机器人进行攻关。

进 入 90 年代，在国内市场经济发展的推动下，确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，实现了高技术发

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展与国民经济主战场的密切衔接，研制出有自主知识产权的工业机器人系列产品，并小批试产，完成了一批机器人应用工程，建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。

我国的高等院校，如长沙国防科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等在步行机器人、精密装配机器人及7自由度机器人研制等前沿领域内做出了可喜的成绩，正在逐步缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距。

目前机器人技术领域的研究工作从智能化程度来区分，主要分2个方向：一是全功能通用机器人的研究，追求高智能化，即在计算机控制下的视、触、听、嗅觉与肢体动作协调一致、高度拟人化的机器人；二是不过于强调机器人的智能化，提供价格和性能都能令人满意的简易型机器人。

根据我国的情况，我们认为工业机器人技术开发的思路应从高以下几个方面进行考虑：

（1）实用性。应能开发出市场急需的、功能实用的、满足用户要求的机器人。为此，应强调功能实用性，不片面追求所谓的高科技和全面先进性，先进并不等于实用。

（2）快速性。能够在尽可能短的时间内实现机器人产品的快速制造，快速投放市场和发往用户。

（3）高质量。能够生产出品质优良的机器人产品，机器人配置中关键部件必要时可采用进口产品，只有质量好的机器人产品才能赢得用户。

（4）低价格。价格往往是用户购置机器人是考虑的首要因素机器人开发应尽可能选用标准件、通用件，减少自制件，控制成本，能够向市场提供价格低廉的机器人产品。

（5）模块化。采用模块化的设计理念和配置组合、系统集成的制造思路。 对所要设计的工业机器人进行功能分析，划分并设计出一系列通用的功能模块，并对这些模块进行选择和组合配置，就可以构成不同功能，或功能相近但性能不同、价格不同的机器人产品。可见，在工业机器人设计中，采用组合式、模块化设计思路可以很好地解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。工业机器人的组合式模块化设计也为机器人产品快速更新换代、提高产品质量、方便维修、增强竞争力提供了条件。随着敏捷制造时代的到来，模块化设计会越来越显示出其独到的优越性。工业机器人的组合式模块化设计过程见图8所示。

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图8 工业机器人模块化设计过程

综上所述，工业机器人设计总体技术原理是：在成组技术指导下，针对多品种小批量生产的特点，面对生产线上的机台和单元间的物品移置的工艺要求或是装配、喷涂等作业的工艺要求，利用模块化设计手段，选择品质优良的控制模块以及执行模块，按一定的坐标体系进行集成，实现工业机器人的快速制造。我国机器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路。今后的任务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展跨区域交流合作，与国际接轨，早日跻身于世界先进行列

【11】

。

1.5 本文的研究内容

本文研究的机器人机械臂为球坐标型机器人机械臂，一般采用直流无刷伺服电机驱动，控制简单，编程方便。主要应用于工业中小型产品中异形元件装配，小型机电产品如电机、空压机、电器、泵类等的装配工作，是一种小型经济型机器人机械臂。该机器人球坐标型机械臂的突出特点是具备较强机动性、灵活性，机构承载能力强，具有较好的通用性，重复定位精度高，动作速度快，能够成功的应用于包装、上下料以及工业生产等广泛领域，设计将主要围绕球坐标型机械臂各部件结构，将采用模块化思想，进行机械臂包括机械手的结构设计研究，此课题为自拟实际开发的科研课题。该论文涉及计算机技术、电子、机械、检测技术及传感器技术等多学科的知识，主要完成了以下的工作：

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1.在进行充分的课题可行性论证及详细的理论计算之后，用AutoCAD等计算机图形辅助设计软件完成了工业机器人球坐标机械臂的本体结构设计。为了满足灵活性强、工作空间大、重量轻及结构紧凑等工作要求，将其设计为具有两个转动关节和一个移动关节的机器人球坐标型机械臂。

2.建立了工业机器人机械臂的运动学数学模型，得到了运动学方程的正解和反解，并在运动学分析的基础上，求得了工业机器人机械臂的雅可比矩阵。

3机械臂模块的规划与数学描述：研究机械臂的功能约束，研究具有明确机械功能的模块定义方法及数学描述。

4机械臂模块的工程设计：研究模块化机械结构设计方法，设计出机械臂及机械手的整体结构。

2 工业机器人的研究意义和原理设计

2.1 工业机器人的研究意义

目前，国外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用，主要类型大致有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型和关节型四大类。拒统计资料介绍，在这些装配机器人中，球坐标型装配机器人是应用数量非常多且较为广泛的一种装配机器人。1991年世界上4万余台在生产上应用的装配机器人中，球坐标型机器人占了很大的比重。其主要应用领域为电子电气业、家用电器业、精密机械业。从事印刷电路板上电子元器件的插入作业;家用电器及仪器仪表的组装作业:小型电器开关、接触器等电器产品的组装作业。可以说，球坐标型机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手。随着社会需求的增大和技术的进步，装配机器人将会得到迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，将是推动装配机器人发展的直接动力。近年来计算机、CIMS及柔性自动装配系统等的发展，又为装配机器人的应用和发展提供了良好的可能性。1972年我国开始研制机器人，但发展缓慢，受经济、观念等因素的制约，基本没有什么应用，直到1986年，沈阳机器人研究所成立，中国的机器人才向实用阶段发展。随着国内教育和科技的发展，哈工大等高校出现了专门的机器人机构，研究水平在某些方面己达到国际先进水平。在应用方面，一汽等大型企业己开始使用机器人自动化生产线。但总体来说，国内机器人发展还是趋于落后，特别是在应用方面发展缓慢。究其原因，除了经济因素的制约外，很重要的一点是有关机器人的教育跟不上，知道机器人的人很多，但真

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正了解、懂机器人的人少而又少，这就使我国的机器人发展缺乏智力支持，加强机器人技术教育，缓解人才危机迫在眉睫。而研制结构简单、成本较低球坐标型机器人用于教学可以提高教育的现代化水平，用于实际生产可以大大提高工作效率，还可以用于科学研究工作，为开发更先进的装配机器人提供有利条件，随着我国经济和科技的发展，我们有能力也有必要进行这方面的研究。

2.2 工业机器人的特点

根据工作环境、工作特点等要求，本工业机器人应具备以下几个特点: 1.外形美观，适于观察。

如果作为示教用机器人应该让观看者赏心悦目，同时能直观地了解它的构成和动作原理。故机器人的外形应巧妙设计，部分外壳应采用透明材料，内部结构应简单明了，另外，机器人的动作应连续，速度适中。

2.成本低

在满足所要求功能的前提下，尽可能降低成本，这是设计的基本要求.如果作为教学用机器人只要求有一些示范性动作，而对实践的功能要求不高，速度等参数可在一定范围内调整，定位精度要求也不高，故机构尽可能采用规则件、标准件，驱动元件采用便宜的直流伺服电机，而光电码盘等测试校验元件则可不用，其功能由软件部分实现补偿。这样，结构大大简化，成本也随之降低。

3.体积小，重量轻

工业机器人要求抓取重量不大，动作范围也很小，故体积很小，展开一般不超过一米左右。要实现工业球坐标型机器人的三个自由度，内部零件应尽量小巧，结构应尽可能紧凑。重量轻是机器人研制的一个

方向，在满足强度和刚度的条件下，零部件越轻越好，故材料要首选

铝质轻质材料，零件特别是具有定位功能的壳体定位板应采用板筋结构，各零件的空间分布要合理，减小倾覆力矩。

4.传动原理简单

本工业机器人采用直流伺服电机驱动，速度要求不高，故减速比可在一定范围内调整，只要能满足转矩即可。选择减速方案可根据空间结构要求，优先选用标准谐波减速器，跨距转大的传动可选用同步带传动，力求一步到位，传动简单。

2.3 工业机器人传动方案的确定

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根据课题特点，参考《国内典型工业机器人图册》，初步确定以下方案如图9所示。

图9 传动图

如图所示:大臂转动采用行星齿轮减速器，小臂转动采用二级同步带减速，伸缩

轴采用丝杠螺母传动。这种方案主要考虑了传动链的简化，结构比较简单易行。

方案一具有以下特点:

1.第一个自由度采用行星齿轮减速器，适合结构特点，减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载能力大、噪音小、效率高、定位安装方便，由于使用标准件，价格也不高。

2.第二个自由度采用二级同步齿型带减速，充分利用了大臂的空间，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率较高，但对安装有一定要求，需加调整装置。

3. 第三个自由度采用丝杠螺母传动。电机直接驱动丝杠螺母传动的同时兼有减速的作用，一步把旋转运动转变为直线运动，传动精度较高，丝杠有自锁功能，速度不宜过高。

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工业机器人球坐标机械臂的自由度包括大臂、小臂的旋转运动以及小臂上的伸缩运动，为了使机器人的大臂转动，所需要的最大转矩是当小臂呈水平状态，如图2-1所示。

该机械臂的基本技术参数如下：

大臂长度及回转角度：500mm，±1200，300/s； 小臂长度及回转角度：300mm，±900，300/s； 小臂移动距离：300mm； 负载重量：20Kg；

驱动方式：直流或伺服电机。

3 工业机器人球坐标机械臂结构设计

3.1 机械臂驱动方案的对比分析及选择

对机械臂驱动装置的一般要求如下:

1.动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高;

2.反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大; 3.动作平滑，不产生冲击;

4.控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小; 5.安全可靠; 6. 操作和维护方便;

7. 对环境无污染，噪声要小;

8. 经济上合理，尤其是要尽量减少占地面积。 通常的机械臂驱动方式有以下四种:

1.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；位置误差不会积累;步进电机具有自锁能力(变磁阻式)和保持转矩(水磁式)的能力，这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机器人。

2.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。但其结构复杂，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实

21

际工作的影响。

3.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。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管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启动功率，提供很高的响应速度。

4.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。

由以上可知，伺服电机是最适合机械臂关节用电机的。而除了步进电机，其他类型的电动机都可以作为伺服电机使用。这就要综合考虑组成伺服电机的各种电机特性。在所有电动机的设计及运行中的一个重要问题是散热，和其他设备发热一样，电动机所产生的热量最终使其尺寸和功率的决定性因素。热量主要是由流过电流的绕组电阻产生，但还包括由铁耗、摩擦损耗、电刷损耗以及短路电流损耗等所产生的热量，铁耗包括涡流损耗和磁滞损耗。因为W=I2 R，所以电流越大，发热量越大。导线越粗发热量越少，但成本也越高，线圈也越重（惯性最大），并需要更大的安装空间。所有电机都会发热，但重要的是电动机的散热路径，因为如果散热快，那么电动机就可以散去更多的热量而避免损坏。

在直流电机中，转子上有绕组并有电流流过，于是在转子中会产生热，这些热必须从转子通过气隙、永久磁体以及电动机机体向周围环境散发（也可以通过从轴到轴承散失掉）。空气是很好的绝缘体，因此，直流电机的总热传导系数相当低。另一方面，在交流电机中，转子式永久磁体，绕组在定子上。在定子中产生的热量通过电动机机体传导再散失到空气中。结果是，由于在热的传送途径中没有气隙的存在，因此交流电机总的热传导系数比较高，从而交流电机可以承受相当大的电流而不损坏，这样在相同的尺寸下功率也会较大。

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图10 带载运行电机定子表面温升曲线

由以上的分析可知，采用永磁体的无刷直流电动机既克服了直流电动机机械换向的不足，又具有功耗小、体积小、质量轻、运行稳定、维护方便、调速范围宽等优点，与反馈环节相结合组成伺服控制系统带载能力强，易于控制。

从目前来看，机械臂用关机电机关于采用永磁无刷直流电机的报道相对较少，表明这是一项新兴的研究方向，具有良好的应用前景。

目前，随着高科技领域和工业生产的实际需要，对电动机系统提出了各种各样的要求。例如，在数控机床、机器人制造领域往往需要满足要求的直接驱动电动机系统。与普通的低俗电动机不同的是适应直接驱动的低速电动机系统必须具备以下几点要求：

1、力矩-惯量比大

满足这一要求是为了减少驱动电机转动惯量对整个系统惯量的影响，提高系统的快速性。

2、低力矩脉动

在直接驱动系统中由于没有减速环节，电动机系统的力矩脉动会直接影响到整个系统的控制精度。

3、位置速度控制精度高

用直接驱动的系统往往其运行特性要求具有很高的位置、速度控制精度。 4、无刷直流电动机还具有以下优点：

低噪声，低电磁干扰;长寿命，高可靠性；高性能，运行平稳；智能化，机电一体化，易于控制；体积小，功耗低；价格便宜；惯量小、输出转矩大、动态响应良好。因此在当今国民经济各个领域，如电梯驱动、录像机中的伺服电动机、自动控制系统、计

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丝杠所受力矩为阻力矩与摩擦力矩之和，即: T= T1 +T 2 =0.327+0.25=0.577Nm 安全系数取2，则电机所需输出最小转矩为: Tow3=2T=2x0.577=1.154N.m

选择混合式步进电机(北京四通电机公司产品)

型 号 :EC-max 30

表3 第三自由度无刷伺服电机参数

额定电压 空载转速 空载电流 额定转速 额定转矩 额定电流 堵转转矩 堵转电流 最大效率 相间电阻 相间电感 转矩常数 速度/转矩常数 机械时间常数 转子惯量 机壳-环境热阻 绕组-机壳热阻 绕组热时间常数 环境温度范围 绕组最高允许温度 最高允许转速 轴向间隙 36V 9500rpm 116mA 8260rpm 64.7mNm 1.90A 522mNm 14.5A 83% 2.48? 0.312mH 35.9mNm/A 18.4rpm/mNm 4.21ms 21.9gcm2 7.4K/w 0.5K/w 2.69s -40—+100度 +155度 15000rpm 0.14mm 29

径向间隙 最大轴向载荷 最大允许安装力 最大径向载荷 电机磁极对数 相数 电机质量 电机热时间常数 速度常数 预载 5.5N 1300N 25N 1 3 275g 1000s 266mNm/V

4 工业机器人球坐标型机械臂集成模块化机构设计 4.1 同步齿形带传动设计

同步带输出转矩为:120N.m,输出转速为: w=300/s，单级传动效率为: ?= 85%，传动比i=10，取安全系数k=2, 则同步带传递功率为:

P=kTw/ ?2=2x120π/（6x0.852）=174W （4-1） 设传动比分配为: 第一级传动i1=5，，第二级传动i2=2，带轮依次为I、II、III、IV， 则: IV轮转速:n1 =300/s=5r/min II、III轮转速:n2 =n3 =2n4 =2x5=10r/min I轮 转 速: n1= in4= 10x5=50r/min 初选中心距:L1=90mm, L2=100mm

4.1.1 求出设计功率Pd

由文献[12]表9.3-11查得载荷修正系数ko=1.2，因为未使用张紧轮，又是减速运动，故文献[12]中表9.3-11的附加修正系数均为零。 则：

Pd=koP=1.2x174=208.8W

4.1 2 选择带的节距

由 Pd= 208.8W 和n1= 50r/min，从[12]图9.3-4中查得带的节距代号为L，对应

30

的节距为Pd=5.08mm(见表9.3-1-2[1]).

4.1 3 确定带轮直径和带节线长

由表9.3-10[1],带轮I齿数最小可取10，考虑到制造和安装等因素，取Z1=13。则: Z2=i1Z1=5Z1=65

根据[12]表9.3-6标准系列，取Z2=60 同理可得:Z3=17, Z4=40 重新计算传动比:

i1=Z2/Z1=4.6 i2=Z4/Z3=2.4 i=i1i2=10.8

由表9.3-6可得I , II, III, N各带轮的直径:

d1 =21.02mm, d2=97.02mm d3 =27.49mm, d4=64.68mm 由[12]式(15)可得带长计算公式:

Lp=2Lcos ?+π?（d2+d1）/2+π?（d2-d1）/180 （4-2） 式中:L一中心距mm Lp一 带长mm ?=arcsin((d2-d1)/2L) 代入数据计算可得:

Lp1=2L1cos ?1+π?1（d2+d1）/2+π?1（d2-d1）/180 =2x90xcos[arcsin(97.02-21.02)/2L1)]+πx（97.02+21.02）/2+π?/180=382mm

同理可得：Lp2=402mm

按[12]表9.3-2，选择最接近算值的标准带长:

Lp1 = 406.4mm，齿数80， 代号160 Lp2 =406.4mm，齿数80，代号160 近似计算中心距:

L≈M+M2?(Pb(Z2?Z1)/?)2/8 （4-3）

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1 x（97.02-21.02）

式中:M=Pbx（2Zb-Z1-Z2）/8 L一中心距 mm

Pb一节距，这里为5.080 mm Zb一带齿数，这里Zbl=80. Zb2=125 Z2,ZI为配合带轮齿数则:

M1=Pb1x（2Zb1-Z1-Z2）/8=5.08x（2x80-13-60）=55.245mm L1=M1+M2?(Pb(Z2?Z1)/?)2/8=100.515mm 取整，则L1=100mm

同理可得：M2=122.555mm L2=114.401mm 取整，则L2=115mm 进行标准带宽的选择:

小带轮I齿数ZI=13，转速为n=25r/min由[12]表9.3-12内插法得XL型带的基准额定功率为Po=1.25 W 啮合齿数:

Zm=Z1/2-PbZ1(Z2-Z1)/2π2b1 （4-4） =13/2-5.08x13x（60-13）/2π2x103 =5.0<6 则啮合齿数系数为:

KZ = I一 0.2x(6一Zm)=0.8

由文献[13]表4-20可以查Pb=50.8的XL型同步带的基准宽度为bso=9.5mm, 同步带宽为:

bs=(Pd/P0KZ)1/1.14bso=(0.384/1.25x0.8)1/1.14x9.5=4.10mm 查文献【13】表4-25得带宽的标准值，为安全可靠， 带宽bs=7.9mm，

带宽系数:KW=（bs/bso）1.44=0.81，

带的许用拉应力查表9.3-11[2]得：Ta=50.17N, 带的单位长度质量查表9.3-11[l]得:m=0.022 kg/m 带的圆周速度:v=PbZ1n1/60000=5.08x13x25/60000=0.03m/s

带的工作能力:P=(K2KwTa-bsmv2/bso)vx10- （4-5）

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=(0.8x0.81x50.17-7.9x0.022x0.032)x0.03x10-3 =0.98x10-3KW>0.384W=Pd 额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够。 结果整理如下:

两极同步带类型均为为L型同步齿型带Pb=5.08mm,带宽bs=10.7mm 一级同步齿型带齿数: Zp1=80,带长：Lp1=402mm，代号160 二级同步齿型带齿数: Zp2=125,带长：Lp1=402mm，代号160 各带轮齿数：Z1=13,Z2=60,Z3=17,Z4=40

各带轮节径：d1=21.02mm，d2=97.02mm，d3=27.49mm，d4=64.68mm 传动中心距：L1=100mm，L2=115mm

图13 工业机器人球坐标型机器臂大臂结构图

4.2 丝杠螺母设计

设丝杠所受轴向载荷总和为200N，由于载荷较小，强度不成问题，根据结构要求，从标准系列中选取以下参数: 螺 距 :p=2mm，梯形螺纹 导程 : s=2mm 头 数 : Z=1

螺母高度与螺纹中径之比:

?=H/d2=1.5

螺纹牙工作高度:h=1mm

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4.2.1 丝杠耐磨性计算

丝杠材料采用钢，螺母材料选用青铜，根据［21］表3-8取许用比压[P]一11N/mm2 对于单头标准梯形螺纹: d2≧0.8

P/?(p)=1.7mm （4-6）

式中:P一轴向载荷N,

根据标准系列，取丝杠公称直径d=10mm

4.2.2 丝杠稳定性计算

柔度：?= ?l/i

式中: ?一长度系数，这里取2 l一丝杠最大工作长度取200mm i一危险截面惯性半径,i=d1/4=2.25mm 带入数据得：?=2x200/2.25=177.8 丝杠临界压缩载荷:Pc=π2EI/(?l)2

式中:E一弹性模量，钢取20.58x104N/mm2

I-惯性矩，I=πd14/64=490.9mm4

代入数据得：Pc=12389.45N

取丝杠稳定安全系数nW = 4 则:Pc/nw=3097.5N》200N 故丝杠稳定。

4.2.3 丝杠刚度计算

一个导程的变形量的最大值:

?=4ps/πEd12+16Ms2/π2Gd14 式中:p一轴向载荷200 N s一 导程 2mm

E一 弹性模量20.58x104N/mm2 D1一 丝杠小径 9mm

M一丝杠传递扭矩,由2.2.3知，M=T=0.078Nm G一 切变模量 83.3x103N/mm

34

4-7） （

将数据代入得: ?=6.15x10-6mm 一米变形量为: ?1000=6.15x10

-3

/2=3.08?m

200mm变形量为： ?200=200?s/2=0.6?m\\

由变形量可知，丝杠变形较小，刚度足够。

4.2.4 丝杠和螺母螺纹牙强度计算

螺母所受弯曲应力:

?w=3phs/πdb2LZ=3x34.31x2/π10x1.32x15x1=0.26N/mm2 （4-8） 式中:b一齿根宽度b=0.65s=1.3mm，其它字母意义同前。 青铜的许用弯曲应力为:

[?w]=49N/mm2，故?w <［a］ 螺母螺纹所受剪切应力:

?=ps/πdbLZ=34.3x2/πx10x1.3x15x1=0.11N/mm2 （4-9）

青铜的许用剪切应力为[?]=49N/ mm 2，故: ?<［?］ 丝杠螺纹所受弯曲应力：

?w=3phs/πdb2LZ=3x34.3x1x2/（πx9x1.32x15x1）=0.293N/mm2 钢的许用弯曲应力为 [ ?w]=72N/mm 2 故。，?w <[ ?w] 丝杠的螺纹所受的剪切应力:

?=ps/πd1bLZ=34.3x2/(πx9x1.3x15.1)=0.127N/mm2 钢的许用剪切强度为[?]=120N/mm 2，故: ?<［?］ 以上校核表明，丝杠和螺母的螺纹牙强度足够。

4.2.5 螺纹副自锁条件校核

由[2]表3-10得，此螺纹副的当量摩擦系数fw=0.1. 当量摩擦角为: ?v =arctgfw =6.350

由式(2-6)知，螺旋升角为: ?

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故此螺纹副能自锁. 结论:

丝杠螺母副公称直径d=10mm，导程p=2mm，刚度、强度、稳定性均合格，且能自锁。

4.3 各输出轴的设计

各轴的材料均选用45号钢，轴的许用扭剪应力［?］= 30MPa，由许用应力确定的系数为C=120.

4.3.1 机身输出轴设计

图14 机身输出轴

由图知，此轴传递扭矩T=20Nm，转速v=300/s，则传递功率为： P=Txw=20π/6=10.5W=O.O105KW n=wx60/360=5r/min

d≧C3P/n=120x30.0105/5=15.4mm （4-10） 与谐波减速器连接部分轴径最小，有键槽，由于它承受了大臂、小臂、腕部及负载所带来的弯距，另外减速器的轴颈较大，故d的值可取大一些，这里取d=45mm;轴承部分45mm，轴承选为单列向心推力球轴承，轴承型号为66000，其余根据结构确定。由于载荷不大，轴承选的较大，强度足够，这里不再详算。

4.3.2 大臂输出轴设计

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图15 大臂输出轴

由式3-3知，此轴的设计功率为Pd=0 .382W，转速w=150/s,n=15x60/360=2.5r/min

则：

d≧C3P/n=6.4mm

最小轴径在两臂连接处，有键槽，且承受一定弯矩，故取d=10mm，轴承部分轴径选用? 10，其余按结构确定。轴承选为单列向心球轴承，轴承型号为0000，其余根据结构确定。

4.3.3 带轮轴设计

图16 带轮轴

此轴传递的扭矩为:

T=2To/i2x ?=2x0.22/(2x0.85)=0.26Nm 此轴的转速为w=300/s, 则传递功率为:

P=Txw=0.26xπ/6=0.136W=0.000136KW N=wx60/360=5r/min d≧C3P/n=3.6mm

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由于轴上有键槽,承受一定弯矩,取d=15mm，轴承处轴颈取为d=15mm。轴承选为单列向心球轴承，轴承型号为0000.

4.3.4 伸缩轴设计

伸缩轴上螺母与丝杠配合，故需设计成空心轴，主要承受轴向拉力，取内径d=12mm，外径D=20mm，用两光杠与一直线轴承导向。丝杠上设置一对向心球轴承支撑，轴承型号为0000。光杠采用?5钢棒， 与伸缩轴平行放置，示意图如下：

图17 伸缩轴导向示意图

丝杠传递扭矩T=0.078Nm，则光杠所受圆周力: Ft=T/(31x10-3)=2.51N 则光杠所受径向力为:F=25.1N 光杠挠度最大值:Ymax=Fl3/192EI 式中:1一光杠长度395mm

E一弹性模量200Gpa I-惯性矩 I=1/64πd4 将数据代入得:Ymax=3.586 ?m

由变形量可知，光杠变形较小，刚度足够。

4.4 壳体设计

机身部分采用铸铁材料，方形结构，臂厚4-7.2mm。如下面机身底座底板的图形结构。

机械臂的整个机身的重量都压在了底版上，因此，底版的厚度取值为7.2mm，以保证足够的强度。

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图18 机身底座底板

大臂壳体采用铸铁，方形结构，质量轻，强度大。底板厚5mm，上壁厚5mm。侧面厚度为5mm左右。

大臂壳在此次机械臂中主要是辅助的作用，承载小臂轴的重量。大臂做水平面的旋转运动，并为小臂提供俯仰运动的驱动，对大臂没有特殊的要求，一般的强度就可满足要求。

大臂采用铸造成型再经过一些加工，如图19所示。

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图19 大臂壳结构

图20 底座壳结构

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小臂外壳体采用铸铁，U形结构，底板厚度5mm，上壁及筋板厚4-5mm。侧面用塑料，厚度3mm左右。

图21 小臂壳结构图

腕部外壳采用铸铁，分为上下两部分，圆筒形结构，壁厚5mm。其它部分具体尺寸由结构确定，这里不一一叙述，详见图纸。

图22 工业机器人机械臂球坐标型机械臂总体装配图

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结 论

我国机器人的研究和应用起步较晚，虽已取得较大发展，但较之发达国家的水平仍有较大距离，应积极探索适合我国国情的工业机器人应用思路，开发低成本、高性价比的实用型工业机器人，而且随着国内外机器人的快速发展、社会需求的增大和技术的进步，装配机器人得到了迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，是推动装配机器人发展的直接动力。工业机器人球坐标型机械臂将在轻型、较简单且要求机器人价格较低的装配作业中大显身手。本课题正是在这种背景下提出来的，这是一项具有重要意义的课题。本文主要完成了工业机器人球坐标型机械臂结构的设计。

本次毕业设计的球坐标机械臂应该具有外形美观、体积小、重量轻、成本低、传动原理简单等特点，为此机器人设计成具有三个自由度的结构，机身、大臂和小臂组成。其中第三个自由度为移动关节;其余两个自由度均为旋转关节。球坐标机械臂三个关节均选用价格低廉的直流无刷伺服电机。第一个关节采用行星齿轮减速器传动，这种减速器具有减速比大、精度高、定位安装方便等优点;第二个关节采用了同步齿形带的传动结构，充分利用了大臂的空间，结构紧凑;第三个关节采用了丝杠螺母传动，丝杠本身具有自锁功能，传动精度较高。

此次设计经过将近三个月的努力，但还没有尽善尽美，还要根据社会的需求不断改进完善。

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致 谢

只有当你爬上山顶后俯瞰美丽的自然风光的时候，你才会忘掉旅程的艰辛，但难以忘记的是那些在你攀登过程中给予你帮助的人们。

时光飞逝，转眼间我已是一个即将毕业的大学生，大学四年所学的知识在毕业设计中得到了充分的应用和发展。

在这四年的学习和生活中，全体老师的严谨的教学作风和忘我的敬业精神使我深深地受到了感动。老师们的言传身教培养了我良好的学习态度。各位老师教给我的知识将伴随我以后的工作生涯。老师的教诲我将牢记在心中，在今后的学习和工作中我会更加努力地拼搏，不辜负各位老师的期望和厚爱。对老师们的教导和辛勤劳动表示万分感谢。

在整个毕业设计阶段，本文的选题、论证、课题研究以及论文的撰写工作均是在导师耿军晓的直接关怀和悉心指导下完成的。耿老师一直致力于给我们营造了一个独立、自由、开放以及严谨的学习氛围，从很大程度上激发了我独立创新热情和潜力，使我在机器人研究领域进行了诸多有实际意义的工作，在整个课题研究过程中，耿老师严谨的治学态度，敏捷的思维，渊博的知识均使我受益终身。在论文完成之际，谨向耿老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。另外在本课题的研究和学习过程中，还得到了多名同班同学的热情帮助和宝贵意见，是我的设计能够更完美。在此，本文作者对上述老师、同学表示衷心感谢。祝愿他们在今后的学习和工作中身体健健康康、顺顺利利。

我还要感谢郑州轻工业学院机电工程学院四年来对我的栽培和培养。感谢身边所有的老师，同学和朋友，谢谢你们四年来对我的关心，支持和帮助，与你们一起走过的四年大学生活，将会是我一生最珍贵的回忆。

我还要感谢父母这些年来对我无怨无悔的支持和帮助，是他们供养我完成了整个大学课程的学习，愿他们身体健康，生活幸福。

最后，向在百忙中抽出时间对我的论文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！

衷心祝愿我的母校郑州轻工业学院的明天更加美好！

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参考文献

[1]蔡自兴.机器人学.北京:清华大学出版社，2000

[2]蔡自兴.机器人原理及其应用. 湖南:中南工业大学出版社，1988 [3]过三郎等 机器人工程学及其应用.北京:国防工业出版社，1989 [4]付京孙等.机器人学.北京:中国科学技术出版社，1992 [5]范印越.机器人技术.北京:电子工业出版社，1988

[6]刘德满、尹朝万.机器人智能控制技术.长春:东北大学出版社，1993 [7]熊有伦.机器人学.北京:机械工业出版社，1992 [8]合田周平等.机器人技术.北京:科学出版社，1983

[9]昊广玉、姜复兴 机器人工程导论.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1990 [10]张伯鹏、张昆、徐家球.机器人工程基础.北京:机械工业出版社，1989 [11]孙迪生、王炎.机器人控制技术.北京:机械工业出版社，1998 [12]杨永才.机械设计新标准应用手册.北京:北京科学技术出版社，1993 [13]朱宝库.机械设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1994 [14]淮良贵、纪名刚.机械设计.北京:高等教育出版社，1996

[15]刘文剑.工业机器人设计与应用.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，1990 [16]蔡春源等.机械零件设计手册.北京:冶金工业出版社，1994 [17]索罗门采夫.工业机器人图册.北京:机械工业出版社，1991

[18]《 工业机械手图册》编写组 工业机械手图册.北京:机械工业出版社，1978 [19]周伯英.工业机器人设计.北京:机械工业出版社，1994

[20] 王省富.样条函数及其应用，西安:西北工业大学出版社，1991

[21] C.W .Edwall，C.Y.Ho. Trajectory Generation and Control of a Robot Arm Using Splines Functions. ROBOTS VI, 1982

[22] G.N.Saridis. Introduction to Robotic and Automation Systems, Lectur e notes. Renssenlaer Polytechic Institute, 1988

[23] R.P .Paul .Robot Manipulators: Mathematics, Programming, and Control . The MIT Press, 1981

[24] Bobrow JE e t al. Time一optional Control of Robotic Manipulators. Int J Robot Res. 1985

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