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連桿加工搬運(yùn)機(jī)械手
The manipulator for porterage processes pole
專(zhuān) 業(yè)：
學(xué) 生：
指導(dǎo)教師：
中文摘要
本次設(shè)計(jì)的連桿搬運(yùn)機(jī)械手共有4個(gè)自由度，分別為x,y方向的水平移動(dòng)、z方向的垂直移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了從工作臺(tái)上快速抓取連桿并將連桿傳送到下一個(gè)工作臺(tái)的過(guò)程。使工人擺脫了以往繁重和危險(xiǎn)的手工操作勞動(dòng)，極大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
該機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)與電動(dòng)相結(jié)合，采用了行程可調(diào)的汽缸，和新型的交流伺服電機(jī)以及大傳動(dòng)比的減速器。設(shè)備定期維護(hù)和保養(yǎng)，以確保潤(rùn)滑和運(yùn)行情況良好。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手 鉸鏈 自由度 氣缸
ABSTRACT
The manipulator of pole parts taking out have four degree of freedom.Respectively X、Yof direction horizontal movement,vertical movement of Z direction.And the swing of the sucking disk shelf,have realized that picks the products from the moulding plastic machine,and transmit the products to the course of the next production process.That makes worker to improve work productivity greatly and get off from heavy and dangerous handcraft.
This manipulator’s drive way is combine together with tneumatically and electronic,utilize a cylinder, a new type of AC servomotor and a decelerating machine which has a wide decelerate ratio are used,
And what’s more, the machine must be maintained after a few weeks or months in order to make it in good lubrication and work in a normal condition .
KEY WORDS：Manipulator, Pintle, Freedom degree, Air cylinder
目 錄
第一章 機(jī)器人概述 1
1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義、分類(lèi)和應(yīng)用 1
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義 1
1.1.2 機(jī)器人系統(tǒng)工作原理 1
1.1.3 機(jī)器人的分類(lèi) 2
1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi) 4
1.3 機(jī)器人的分類(lèi) 6
第二章 機(jī)器人的總體和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 8
2.1 機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù) 8
2.1.1 機(jī)器人的基本組成 8
2.1.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù) 9
2.2 機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 11
2．2．1 系統(tǒng)分析 11
2．2．2 技術(shù)設(shè)計(jì) 11
2. 2．3 仿真分析 14
2.3 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 15
第三章 連桿搬運(yùn)機(jī)械手的方案設(shè)計(jì) 19
3.1 參數(shù) 19
3.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 19
3.3 系統(tǒng)減速部分的選擇 23
第四章 主要零部件的計(jì)算 28
4.1 確定總體尺寸 28
4.2確定氣缸型號(hào) 28
4.3確定電機(jī)和減速器的型號(hào) 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
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濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 機(jī)器人概述
第一章 機(jī)器人概述
1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義、分類(lèi)和應(yīng)用
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義
機(jī)器人雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而且越來(lái)越受到人們的重視，然而機(jī)器人確實(shí)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的嚴(yán)格準(zhǔn)確的定義。不同的國(guó)家不同的學(xué)者給出的定義不盡相同，雖然基本原則一致，但歐美國(guó)家的定義限定多一些，日本給出的定義寬松一些，這樣就使得可稱(chēng)為機(jī)器人的范圍大小不同，以至于在統(tǒng)計(jì)機(jī)器人的數(shù)量時(shí)，由于定義限定的差異，各種統(tǒng)計(jì)數(shù)字會(huì)有很大出入，所以，經(jīng)常要待說(shuō)明。
一般地說(shuō)，我們可以定義機(jī)器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人進(jìn)行工作的機(jī)器。
1.1.2 機(jī)器人系統(tǒng)工作原理
依據(jù)上面的定義，機(jī)器人至少應(yīng)具備兩部分：控制部分和直接進(jìn)行工作的部分。比如應(yīng)用最廣泛的弧焊機(jī)器人，具有控制系統(tǒng)和帶動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臀部分?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)編程的方式，決定直接工作的機(jī)械手臂部分的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。由于是程序控制的，所以比較容易改變工作方式和任務(wù)，因此．機(jī)器人是一種具有“柔性”的機(jī)器。機(jī)器人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一樣運(yùn)動(dòng)，能在地上行走或者在水中游。高級(jí)一點(diǎn)的機(jī)器人可以通過(guò)傳感器了解外部環(huán)境或者“身體內(nèi)在的”狀態(tài)與變化，甚至可以做出自己的邏輯推理、判斷與決策，也就是所謂的機(jī)器人的智能行為。
機(jī)器人發(fā)揮作用必須在一個(gè)作業(yè)系統(tǒng)之中，機(jī)器人作為系統(tǒng)的一部分，才能發(fā)揮它的作用。由于各種不同類(lèi)型的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，它們發(fā)揮作用的形式和組成的系統(tǒng)也在不斷變化。工業(yè)機(jī)器人作為制造系統(tǒng)的—部分發(fā)揮作用是最典型的。比如焊接機(jī)器人，它在工作時(shí)，至少需要一個(gè)工作臺(tái)，將工件裝卡在上面，并運(yùn)送到機(jī)器人焊接的合適位置。這樣，組成了一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，稱(chēng)為機(jī)器人焊接工作站。如果機(jī)器人組成一個(gè)焊接生產(chǎn)線，則這個(gè)系統(tǒng)就變得更為復(fù)雜： 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)一般由機(jī)械手(執(zhí)行機(jī)構(gòu))、控制器、象和環(huán)境四部分組成。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是一臺(tái)機(jī)械手，有些文獻(xiàn)中稱(chēng)為操作器或操作手。多數(shù)機(jī)械手是具有六個(gè)自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)。其中三個(gè)自由度用來(lái)引導(dǎo)末端執(zhí)行器至所需位置，另外三個(gè)自由度用來(lái)確定末端執(zhí)行裝置的方向。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置根據(jù)操作需要也可以換成焊槍、吸盤(pán)、扳手等其他工具。
環(huán)境是指機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)所能達(dá)到的幾何空間，而且包含了該空間中每個(gè)事物的全部自然特性所決定的條件。在它的工作環(huán)境中，機(jī)器人會(huì)得到為完成任務(wù)所需的支持，如自動(dòng)生產(chǎn)線會(huì)為生產(chǎn)線上的機(jī)器人運(yùn)送工件、材料等；在運(yùn)動(dòng)的空間里，機(jī)器人要設(shè)計(jì)好合理的運(yùn)動(dòng)路線。同時(shí)，在它的工作環(huán)境中．也會(huì)遇到一些障礙物和其他事件，機(jī)器人必須避免與這些障礙發(fā)生碰撞．并妥善處理好環(huán)境中發(fā)生的各種可能的事件。環(huán)境信息一般為已知的，這種環(huán)境稱(chēng)為結(jié)構(gòu)環(huán)境，但在許多情況下．環(huán)境具有未知的和不確定性質(zhì)，這種環(huán)境就稱(chēng)為1F結(jié)構(gòu)環(huán)境。
控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的指揮中樞，并巳負(fù)責(zé)信息處理和與人交互。它接受來(lái)自傳感器的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存的信息、機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)，以完成特定的動(dòng)作。為此，控制器內(nèi)必須具有保證它實(shí)現(xiàn)其功能所必需的算法與信息。機(jī)器系統(tǒng)的復(fù)雜程度不同，能執(zhí)行的任務(wù)不同，控制器內(nèi)所存放的軟件也不同。
1.1.3 機(jī)器人的分類(lèi)
機(jī)器人可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)分成很多類(lèi)型。應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機(jī)器人不僅在用途土，而且在結(jié)構(gòu)和性能上會(huì)有很大的不同。因此，披機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域形成了不同類(lèi)型的機(jī)器人。機(jī)器人首先在制造業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，所以，機(jī)器人曾被簡(jiǎn)單地分為兩類(lèi)，即用于汽車(chē)等制造業(yè)的機(jī)器人稱(chēng)為工業(yè)機(jī)器人．其他的機(jī)器人稱(chēng)為特種機(jī)器人。隨著機(jī)器人應(yīng)用的日益廣泛，這種分類(lèi)就顯得過(guò)于粗糙。現(xiàn)在除工業(yè)機(jī)器人之外．還有服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等等。
(1)工業(yè)機(jī)器人
其實(shí)工業(yè)機(jī)器人也是一類(lèi)機(jī)器人的總稱(chēng)。依據(jù)具體應(yīng)用的不同．又常常以其主要用途命名。到現(xiàn)在為止應(yīng)用最多的是焊接機(jī)器人，包括點(diǎn)焊(電阻焊)和電弧焊機(jī)器人，用途是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的焊接作業(yè)；裝配機(jī)器人，比較多地用于電于部件電器的裝配；噴漆機(jī)器人，代替人進(jìn)行噴漆作業(yè)：搬運(yùn)、土下料、碼垛機(jī)器人，它們的功能都是根據(jù)一定的速度和桔度要求，將物品從一處運(yùn)到另一處；另外還可以列出很多，如將金屬溶液撓到壓鑄機(jī)中的饒鑄機(jī)器人等等，應(yīng)該說(shuō)，并不是只有機(jī)器人可以完成這些工作，很多工作都可以用專(zhuān)門(mén)的機(jī)器完成c機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于它可以通過(guò)程序的更改，方便迅速地改變工作內(nèi)容或方式，來(lái)滿足生產(chǎn)要求的變化。比如，改變焊縫軌跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等等。所以隨著對(duì)工業(yè)生產(chǎn)線的柔性要求越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)各種機(jī)器人的需求也就越來(lái)越強(qiáng)烈。
(2)服務(wù)機(jī)器人
隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛．已不再局限于傳統(tǒng)的制造業(yè)。出現(xiàn)了一個(gè)新的集合，被稱(chēng)為服務(wù)機(jī)器人。我們說(shuō)服務(wù)機(jī)器人是一類(lèi)機(jī)器人的集合，是因?yàn)榈浆F(xiàn)在為止，國(guó)際上對(duì)它還沒(méi)有一個(gè)明確的定義。它所包括的內(nèi)容也比較寬，比較雜。一般說(shuō)來(lái)，服務(wù)機(jī)器人是一種以自主或半自主方式運(yùn)行，能為人類(lèi)生活康復(fù)提供服務(wù)的機(jī)器人，或者是能對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)的一類(lèi)機(jī)器人。目前，在非制造業(yè)的機(jī)器人也被看做是服務(wù)機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人往往是可以移動(dòng)的，在多數(shù)情況下，服務(wù)機(jī)器人由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，在平臺(tái)上面裝有一只或幾只手臂，代替或協(xié)助人完成為人類(lèi)提供服務(wù)和安全保障的各種工作，如清潔、護(hù)理、娛樂(lè)和執(zhí)勤等等。
(3)水下機(jī)器人
水下機(jī)器人也稱(chēng)水下無(wú)人探測(cè)器，代替人在水下這一危險(xiǎn)的環(huán)境中作業(yè)。人類(lèi)借助潛水器具潛入到大海之中探秘，已有很長(zhǎng)的歷史。人類(lèi)已可以利用深海潛水器具潛入深海。然而，由于危險(xiǎn)很大，而且費(fèi)用極高，所以人類(lèi)尋找代替人親自冒險(xiǎn)的技術(shù)，水下機(jī)器人變成了人們十分關(guān)注的發(fā)展方向。
(4)空間機(jī)器人
機(jī)器人技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，很自然地人們就希望它到天上去為人工作．于是產(chǎn)生了空間機(jī)器人?？臻g機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)和大氣層外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層空間飛行井進(jìn)行觀測(cè)可完成多種作業(yè)的飛行機(jī)器人，到外層空間其他星球上進(jìn)行探測(cè)作業(yè)的星球探測(cè)機(jī)器人和在各種航天器里使用的機(jī)器人。
另一方面，從技術(shù)進(jìn)步的角度，機(jī)器人權(quán)分為不同的類(lèi)型。到現(xiàn)在為止，人們把機(jī)器人研究的最高目標(biāo)定為智能機(jī)器人。由此，可以將機(jī)器人分為三代。
第一代機(jī)器人是“示教再現(xiàn)”型。所謂示教，即由人“教”機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡、停留點(diǎn)位、停留時(shí)間等等。然后，機(jī)器人依照教給的行為、順序和速度重復(fù)運(yùn)動(dòng)，即所謂的“再現(xiàn)”。示教可以由操作員“手把手”地進(jìn)行，比如，操作人員抓住機(jī)器人上的噴槍?zhuān)褔娖釙r(shí)要走的位置定一速．機(jī)器人記住了這一連串運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)，自動(dòng)重復(fù)這些運(yùn)動(dòng)，從而完成給定位置的噴漆工作。這種方式是“手把手示教’。但是，比較普遍的示教方式是通過(guò)控制面板。操作人員利用控制面板上的開(kāi)關(guān)或銀盤(pán)來(lái)控制機(jī)器人一步一步地運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人自動(dòng)記錄下每一步，然后重復(fù)。目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的機(jī)器人還大多屬于這一代。
第二代機(jī)器人帶有一定的能對(duì)環(huán)境感知的裝置，通過(guò)反饋控制，使機(jī)器人能在一定程度上適應(yīng)變化的環(huán)境。這樣的技術(shù)，現(xiàn)在正越來(lái)越多地應(yīng)用在機(jī)器人上。比如焊縫跟蹤技術(shù)。機(jī)器人焊接的過(guò)程一般是通過(guò)示教方式結(jié)出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曲線，機(jī)器人攜帶焊槍走這個(gè)曲線，進(jìn)行焊接。這就要求工件的一致性很好，也就是說(shuō)工件被焊接的位置必須十分準(zhǔn)確。否則，機(jī)器人走的曲線和工件上的實(shí)際焊縫位置會(huì)有偏差。焊縫跟蹤技術(shù)是在機(jī)器人上加一個(gè)傳感器，通過(guò)傳感器感知焊縫的位置，再通過(guò)反饋控制，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)跟蹤焊縫，從而對(duì)示教的位置進(jìn)行修正，即使實(shí)際焊縫相對(duì)于原始設(shè)定的位置有變化，機(jī)器人仍然可以很好地完成焊接工作。
第三代機(jī)器人具有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且能自主地解決問(wèn)題的能力，也就是說(shuō)具有一定的智能。這一類(lèi)機(jī)器人也被稱(chēng)為自治機(jī)器人。這類(lèi)機(jī)器人帶有多種傳感器，使機(jī)器人可以知道其自身的狀態(tài)，比如在什么位置，自身的系統(tǒng)是否有故障等等。而且可以通過(guò)裝在機(jī)器人身上或者在工作環(huán)境中的傳感器感知外部的狀態(tài)，比如發(fā)現(xiàn)道路與危險(xiǎn)地段，測(cè)出與協(xié)作機(jī)器的相對(duì)位置與距離、相互作用的力等等。機(jī)器人能夠根據(jù)得到的這些信息．進(jìn)行邏輯推理，判斷決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與變化的外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。這類(lèi)機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性和自治能力。這是人們努力使機(jī)器人達(dá)到的目標(biāo)，科學(xué)家多年來(lái)一直在不懈地研究，出現(xiàn)了很多各具特點(diǎn)的試驗(yàn)裝置和大量新方法、新思想，但是，在已應(yīng)用的機(jī)器人中，機(jī)器人的自適應(yīng)技術(shù)還是十分有限的，還是發(fā)展的目標(biāo)。
1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)
關(guān)于機(jī)器人如何分類(lèi)，國(guó)際上沒(méi)有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。一般的分類(lèi)方式見(jiàn)表：
分類(lèi)名稱(chēng)
簡(jiǎn)要解釋
操作型機(jī)器人
能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。
程控型機(jī)器人
按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。
示教再現(xiàn)型機(jī)器人
通過(guò)引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。
數(shù)控型機(jī)器人
不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過(guò)數(shù)值、語(yǔ)言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。
感覺(jué)控制型機(jī)器人
利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。
適應(yīng)控制型機(jī)器人
機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。
學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人
機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。
智能機(jī)器人
以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。
表1-1機(jī)器人的分類(lèi)方式
我國(guó)的機(jī)器人專(zhuān)家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類(lèi)，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類(lèi)的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類(lèi)：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國(guó)的分類(lèi)是一致的。
工業(yè)機(jī)器人，按其結(jié)構(gòu)形式分為球坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)式和水平關(guān)節(jié)式。如下圖。
1.3 機(jī)器人的分類(lèi)
按不同的分類(lèi)力式，機(jī)器人可以分為不同的類(lèi)型．下面給出幾種常用的分類(lèi)方法：
1.按技術(shù)特征來(lái)劃分，機(jī)器人可以分為第一代機(jī)器人、第二代機(jī)器人和第三代機(jī)器人．第一代機(jī)器人是以順序授制和示教再現(xiàn)為基本控制方式的機(jī)器人，即機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的信息，或根據(jù)操作人員示范的動(dòng)作來(lái)完成規(guī)定的作業(yè)．第二代機(jī)器人是有感覺(jué)的機(jī)器人．第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人(如前所述)．
2．按控制類(lèi)型來(lái)劃分，可以分為以下幾種：
(1)伺服控制機(jī)器人采用伺服手段，包括仰置、力等伺服方法進(jìn)行控制的機(jī)器人．
(2)非伺服控制機(jī)器人．采用伺服以外的手段，如順序控制、定位開(kāi)關(guān)控制等進(jìn)行控制的機(jī)器人．
(3)PTP控制機(jī)器人．只對(duì)手部末端的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置有要求，而對(duì)起點(diǎn)和終點(diǎn)的中間過(guò)程無(wú)要求的控制方式，如點(diǎn)焊機(jī)器人就是典型的PTP控制機(jī)器人．
(4)cP控制機(jī)器人．除了對(duì)起點(diǎn)和終點(diǎn)的要求以外，還對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的中間各點(diǎn)有要求的控制方式，如弧焊機(jī)器人就是典型的cP控制機(jī)器人‘
3．按機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，可以分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人，圓枝坐標(biāo)型機(jī)器人，極坐標(biāo)型機(jī)器人，關(guān)節(jié)型機(jī)器人，SCARA型機(jī)器人以及移動(dòng)機(jī)器人。
4．按用途來(lái)劃分，可以分為工業(yè)機(jī)器人(包括搬運(yùn)機(jī)器人、焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、裝配機(jī)器人等等)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人，醫(yī)療機(jī)器人，海洋機(jī)器人，軍用機(jī)器人，太空機(jī)器人，管道機(jī)器人，娛樂(lè)機(jī)器人等等．通常我們所研究的是工業(yè)機(jī)器人，因而有人把除工業(yè)機(jī)器人以外的所有機(jī)器人通稱(chēng)為特種機(jī)器人．
5．按機(jī)器人的負(fù)載能力來(lái)劃分，可以分為；
(1)巨型機(jī)器人，通常作業(yè)負(fù)載在1000kg以上．
(2)大型機(jī)器人，通常的作業(yè)貝載在100一1000kg之間
(3)中型機(jī)器人，作業(yè)負(fù)載在10一100kg之間．
(4)小型機(jī)器人，其負(fù)載能力為0.1—10kg之間．
(5)微型機(jī)器人，負(fù)載能力在0.1kg以下的機(jī)器人．
6．披執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力方式來(lái)劃分，可以把機(jī)器人分為電動(dòng)機(jī)器人、液壓機(jī)器人、氣動(dòng)機(jī)器人等等．
當(dāng)然，機(jī)器人的分類(lèi)還有其他方式，如按自由度數(shù)量劃分等，在此不作詳細(xì)敘述。
濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 機(jī)器人的總體和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
第二章 機(jī)器人的總體和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
機(jī)器人設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，檢測(cè)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，是機(jī)械、電子、檢測(cè)、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用．為了明確機(jī)器人的設(shè)計(jì)任務(wù)和過(guò)程，我們有必要先對(duì)機(jī)器人的組成和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行介紹．
2.1 機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)
2.1.1 機(jī)器人的基本組成
機(jī)器人由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成．這三大部分可分成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)控制系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng)．
1.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)，需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝囂，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)．
2．機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)身、手臂、末端操作器三大件組成．每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)．若機(jī)身具各行走機(jī)構(gòu)便構(gòu)成行走機(jī)器人—若機(jī)身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臀(single robot arm)．手臂一般由上臂、下臂和手腕組成．末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊槍等作業(yè)工具．
3．感受系統(tǒng)
它由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感5E模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息．智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)．人類(lèi)的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是極其靈巧的、然而，對(duì)于一些特殊的信息，傳感器比人類(lèi)的感受系統(tǒng)更有效。
4．機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)
機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)．機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等．當(dāng)然，也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為—個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元．
5．人一機(jī)交互系統(tǒng)
人一機(jī)交互系統(tǒng)是人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置．例如，計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端、指令控制臺(tái)、信息顯示板、危險(xiǎn)情號(hào)報(bào)警器等．歸納起來(lái)為兩大類(lèi)：指令給定裝置和信息顯示裝置．
6．控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能．如果機(jī)器人不具備信息反饋特征．則為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)．根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)，適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)．根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。
2.1.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)
1．自由度
自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括手爪(末端操作器)的開(kāi)合自由度．在三維空間中描述——個(gè)物體的位置和姿態(tài)(簡(jiǎn)稱(chēng)位姿)需要六個(gè)自由度．但是，機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)的，可能少于六個(gè)自由度，也可能多于六個(gè)自由度．例如．A4020型裝配機(jī)器人具有四個(gè)自由度，可以在印刷電路板上接插電子器件；PuMA562型機(jī)器人具有六個(gè)自由度，如圖2—2所示，可以進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)．從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，在完成某一特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度的機(jī)器人，就叫作冗余自由度機(jī)器人，亦可簡(jiǎn)稱(chēng)冗余度機(jī)器人．例如PuMA562機(jī)器人去執(zhí)行印刷電路板上接插電子器件的作業(yè)時(shí)，就成為冗余度機(jī)器人．利用冗余的自由度可以增加機(jī)器人的靈活性、躲避障礙物和改善動(dòng)力性能．人的手臀(大臀，小臀，手腕)共有七個(gè)自由度，所以工作起來(lái)很靈巧，手部可回避障礙物從不同方向到達(dá)同一個(gè)目的點(diǎn)．
大多數(shù)機(jī)器人從總體上看是個(gè)開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)，但其中可能包含有局部閉環(huán)結(jié)構(gòu)．閉環(huán)機(jī)構(gòu)可提高剛性，但限制了關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，因而會(huì)使工作空間減?。?
Stewart機(jī)構(gòu)是典型的并聯(lián)機(jī)器人。末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)可由6個(gè)直線油缸的行程長(zhǎng)度所決定，油缸的——端與基座通過(guò)二自由度的萬(wàn)向連抽節(jié)(鉸鏈)相連，另一端(連桿)由三自由度的球一套關(guān)節(jié)(球面副)與末端執(zhí)行器相連．這種機(jī)器人特手臀的三個(gè)自由度和手腕的三個(gè)自由度集成在一起，具有閉環(huán)機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)：剛度庇，但連桿的運(yùn)動(dòng)范圍十分有限．特別有趣的是，Stewart機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解特別簡(jiǎn)單．而運(yùn)動(dòng)方程的建立十分復(fù)雜，有時(shí)還不具備封閉的形式閉環(huán)機(jī)構(gòu)的自由度不如開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)明顯．機(jī)構(gòu)的自由度可按照下述公式計(jì)算：
F
式中，l為連桿數(shù)，包括基座；n為關(guān)節(jié)總數(shù)；f為第i個(gè)關(guān)節(jié)的自由度數(shù)．對(duì)于平面機(jī)構(gòu)(自由物體是三個(gè)自由度)，Grubler公式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)的6改為3．Stewart機(jī)構(gòu)有18個(gè)關(guān)節(jié)(6個(gè)萬(wàn)向接頭(鉸鏈)，6個(gè)球一套關(guān)節(jié)，6個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié))，14個(gè)連桿(每個(gè)油缸為兩連桿，一個(gè)末端是執(zhí)行器，另一個(gè)是基座)，18個(gè)關(guān)節(jié)共有三十六個(gè)自內(nèi)度．根據(jù)GNNef公式，可知Stewart機(jī)構(gòu)共有六個(gè)自由度。
2．定位精度和重復(fù)定位幅度
機(jī)器人精度是指定價(jià)精度和重復(fù)定位精度．定位精度是指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異．重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位其于部于同一日標(biāo)位置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個(gè)統(tǒng)計(jì)量來(lái)表示．它是衡量一系列誤差值的密集度，即重復(fù)度．
(a)重復(fù)定位精度的測(cè)定；
(b)合理定位精度，良好重復(fù)定位精度
(c)良好定位精度．很差重復(fù)定位精度
(d)很差定位精度，良好重復(fù)定位精度
3．工作范圍
工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫做工作區(qū)域。因?yàn)槟┒瞬僮髌鞯男螤詈统叽缡嵌喾N多樣的，為了真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器時(shí)的工作區(qū)域．工作范圍的形狀和大小是十分重要的．機(jī)器人在執(zhí)行某一作業(yè)時(shí)，可能會(huì)因?yàn)榇嬖谑植坎荒艿竭_(dá)的作業(yè)死區(qū)(Dead zone)而不能完成任務(wù)。
4最大工作速度
通常指機(jī)器人手臂末端的最大速度．提高速度可提高工作效率，因此提高機(jī)器人的加速減速能力，保證機(jī)器人加速減速過(guò)程的平穩(wěn)性是非常重要的．
5．承載能力
承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量．機(jī)器人的載荷不僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，而且還與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見(jiàn)，承載能力是指高速運(yùn)行時(shí)的承載能力．通常，承載能力不僅要考慮負(fù)載，而且還要考慮機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量．
2.2 機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：確定基本參數(shù)，選擇運(yùn)動(dòng)方式，手臂配置形式，位置檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)和控制方式等．在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)各部件的強(qiáng)度、剛度做必要的驗(yàn)算．機(jī)器人總體設(shè)計(jì)步驟分以下幾個(gè)部分．
2．2．1 系統(tǒng)分析
機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高勞動(dòng)生產(chǎn)牢的一種有力工具．若要使一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需要對(duì)各種機(jī)械化、自動(dòng)化裝置進(jìn)行綜合的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，確定使用機(jī)器人或機(jī)械手是否合適．一旦確定使用機(jī)器人或機(jī)械手，設(shè)計(jì)人員…般要先做如下工作：
(1)根據(jù)機(jī)器人的使用場(chǎng)合，明確采用機(jī)器人的目的和任務(wù)．
(2)分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括機(jī)器人與已有設(shè)備的兼容性．
(3)認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案．如機(jī)器人的自由度數(shù)、信息的存儲(chǔ)容量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作速度、定位精度、抓取重量、容許的空間結(jié)構(gòu)尺寸以及溫度、振動(dòng)等環(huán)境條件的適用性等．進(jìn)一步通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)抓取、投運(yùn)釣體的重量、形狀、尺寸及生產(chǎn)批量等情況，來(lái)確定手部形式及抓取工件的部位和握力。
(4)進(jìn)行必要的調(diào)查研究，搜集國(guó)內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料，進(jìn)行綜合分析，找出借鑒處和需要注意的問(wèn)題．
2．2．2 技術(shù)設(shè)計(jì)
1．機(jī)器人基本參數(shù)的確定
在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，具體確定臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、運(yùn)動(dòng)速度及定位高度等基本多數(shù)。
(1)臂力的確定
目前使用的機(jī)器人與機(jī)械手的臂力范圍較大．對(duì)專(zhuān)用機(jī)械手來(lái)說(shuō)，臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量來(lái)定，其安全系數(shù)一般可在1．5—3．o范圍內(nèi)選取．對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，貿(mào)力要根據(jù)被抓取、搬運(yùn)物體的重量變化范圍來(lái)定．
(2)工作范圍的確定
機(jī)器人或機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定．一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡往往是幾個(gè)動(dòng)作合成的．在確定工作范圍時(shí)，可待運(yùn)動(dòng)軌跡分解成單個(gè)動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定機(jī)器人或機(jī)械手的最大行程．為便于調(diào)整．可適當(dāng)加大行程數(shù)值．各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定之后，機(jī)器人或機(jī)械手的工作范圍也就定下來(lái)了．
(3)確定運(yùn)動(dòng)速度
機(jī)器人或機(jī)械手各動(dòng)作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度．如一個(gè)機(jī)器人或機(jī)械手要完成某一工件的上料過(guò)程，需完成夾緊工件，手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)等 系列動(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在工作節(jié)拍所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成至于各動(dòng)作的時(shí)間究競(jìng)應(yīng)如何分配，則取決于很多因素，不是—般的計(jì)算所能確定的．要根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，并試作各動(dòng)作的分配方案，進(jìn)行比較平衡后，才能確定．節(jié)拍較短時(shí)，更需仔細(xì)考慮．機(jī)器人或機(jī)械手的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于或等于工作節(jié)拍．如果兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，要按時(shí)間較長(zhǎng)的計(jì)算．一旦確定了最大行程和動(dòng)作時(shí)間，其運(yùn)動(dòng)速度也就確定下來(lái)了．
分配各動(dòng)作時(shí)間應(yīng)考慮以下要求：
1給定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)大于電氣、液(氣)壓元件的執(zhí)行時(shí)間．
2伸縮運(yùn)動(dòng)的速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度．因?yàn)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性一船大于伸縮運(yùn)動(dòng)的慣性．機(jī)器人或機(jī)械手升降、回轉(zhuǎn)及伸縮運(yùn)動(dòng)的時(shí)間分配要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分配—如果工作節(jié)拍短，上述運(yùn)動(dòng)所分配的時(shí)間就短，運(yùn)動(dòng)速度就一定要提高．但速度不能太高，否
則會(huì)給設(shè)計(jì)、制造帶來(lái)困難．在滿足工作節(jié)拍要求的條件下，應(yīng)盡量選取較低的運(yùn)動(dòng)速度．機(jī)器人或機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與臂力、行程、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定．
3在工作節(jié)拍短、動(dòng)作多的情況下，常使幾個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行措施，以保證動(dòng)作的同步．
(4)定位精度的確定
機(jī)器人或機(jī)械手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機(jī)器人或機(jī)械手本身所能達(dá)到的定位精度，取決于定位方式、運(yùn)動(dòng)速度、控制方式、臀部剛度、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方法等因素．工藝過(guò)程的不同，對(duì)機(jī)器人或機(jī)械手重復(fù)定位精度的要求也不同．不同工藝過(guò)程所要求的定位精度一般如下：
金屬切削機(jī)床上下料
沖床上下料
點(diǎn)焊
模鍛
噴涂
裝配、檢測(cè)
當(dāng)機(jī)器人或機(jī)械手達(dá)到所要求的定位精度有困難時(shí)，可采用輔助工夾具協(xié)助定位的辦法，即機(jī)器人或機(jī)械手把被抓取物體送到工、夾具進(jìn)行粗定位，然后利用工、夾具的夾緊動(dòng)作實(shí)現(xiàn)工件的最后定位．這種辦法既能保證工藝要求，又可降低機(jī)器人或機(jī)械手的定位要求．
2．機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的選擇
根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)．常見(jiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和scARA型．同—種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不向的結(jié)構(gòu)．具體選用哪種形式，必須根據(jù)工藝要求、工作現(xiàn)場(chǎng)、位置以及搬運(yùn)前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較。擇優(yōu)選?。疄榱藵M足特定工藝要求，專(zhuān)用的機(jī)械手一般只要求有二個(gè)或三個(gè)自由度，而通用機(jī)器人必須具有四至六個(gè)自由度，才能滿足不同產(chǎn)品的不同工藝要求．所選擇的運(yùn)動(dòng)形式，在滿足需要的情況下，應(yīng)以使自由度最少、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單為準(zhǔn)．
(1)直角坐標(biāo)式機(jī)器人
這種機(jī)器人的外形輪廓與數(shù)控幢銑床或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相似，如圖2—7所示．3個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的‘小和z軸．它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測(cè)作業(yè)．這種形式的主要特點(diǎn)是：
1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直觀，剛度高．多做成大型龍門(mén)式或框架式機(jī)器人．
2.3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，沒(méi)有精合，不影響手爪的姿態(tài)．運(yùn)動(dòng)學(xué)求解簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生奇異狀態(tài)．采用直線波動(dòng)導(dǎo)軌后，速度和定位精度高—
3.工件的裝卸、夾具的安裝等受到立柱、楊梁等構(gòu)件的限制．
4.占地面積大，動(dòng)作范圍小．
5.容易編程和控制，控制方式與數(shù)控機(jī)床類(lèi)似．
(2)圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人
圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人如圖2—8所示，是以口，2和f為參數(shù)構(gòu)成坐標(biāo)系．手腕參考點(diǎn)P的位置可表示為尸＝八d，z，，)．其中／是手臂的徑向長(zhǎng)度，6是手臂繞水平袖的角位移億是在垂直軸上的高度．如果r不變，手臂的運(yùn)動(dòng)將形成一個(gè)圓往表面．空間定位比較直觀．手臀收回后，其后端可能與工作空間內(nèi)的其他物體相碰．移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù)．
(3)球(權(quán))坐標(biāo)式機(jī)器人
球坐標(biāo)式機(jī)器人如圖2—9所示．腕部參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)所形成的最大軌跡表面是半徑為略的球面的一部分，以口fP，?為坐標(biāo)，任意點(diǎn)戶可表示為嚴(yán)＝／(口，P，f)．這類(lèi)機(jī)器人占地面積小，工作空間較大，移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù)
(4)SCARA機(jī)器人
SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向．另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件垂直于平面的運(yùn)動(dòng)．手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移田rR和移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移?決定的，即P＝f()，這類(lèi)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快．例如Adeptl型scARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10 m／s，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍．它最適用于平面定位，而在垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)．
(5)關(guān)節(jié)式機(jī)器人
這類(lèi)機(jī)器人由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和I個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)碗關(guān)節(jié)進(jìn)行定向．其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰．這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交．肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線．如圖2—11所示．這種構(gòu)形動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵．這類(lèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解因難；確定末端件的位姿不直觀，進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大．
3．拙定檢測(cè)傳感系統(tǒng)框圖
選擇合適的傳感器，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮安裝位置．
4．確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖
5. 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
確定驅(qū)動(dòng)方式，選擇運(yùn)動(dòng)部件和設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)，繪制機(jī)器人總裝圖及主要部件零件圖
2. 2．3 仿真分析
(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算．分析是否能達(dá)到要求的速度、加速度、位置．
(2)動(dòng)力學(xué)計(jì)算．計(jì)算關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的大小，分析驅(qū)動(dòng)裝置是否滿足要求。
(3)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真．將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真．
(4)性能分析．建立機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真計(jì)算。
(5)方案和參數(shù)修改．運(yùn)用仿真分析的結(jié)果對(duì)所設(shè)計(jì)的方案、結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)進(jìn)行修改，加以完善．機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要部分．其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)盡管有各自的獨(dú)立性，但都必須與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，相輔相成，構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)．
2.3 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
在確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的基礎(chǔ)上，機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)還包括確定機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式、材料選擇、平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)．下面就這些問(wèn)題進(jìn)行分析．
1. 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種．一臺(tái)機(jī)器人可以只用一種驅(qū)動(dòng)方式，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)．選擇時(shí)主要考慮負(fù)載、效率、精度和環(huán)境等因素．液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，因此，大負(fù)載通常選用液壓驅(qū)動(dòng)．氣動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低，適合節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場(chǎng)合，常用于點(diǎn)位控制、抓取、彈性捏持和真空吸附．電動(dòng)系統(tǒng)適合于中等負(fù)載，特別適合動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人．
2．關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式
關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩種方式．直接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)器的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連．間接驅(qū)動(dòng)力式是驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)減速器或鋼絲繩、皮帶、平行這桿等裝置后與關(guān)節(jié)軸相連．
(1)關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式．
直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人也叫作DD機(jī)器人(D加瓤小i代r。bot)，簡(jiǎn)稱(chēng)DD只．DD機(jī)器人一般指驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接．DD機(jī)器人的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒(méi)有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換．目前中小型機(jī)器人一般采用普通的直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行電機(jī)．出于電機(jī)速度較高，所以需配以大速比減速裝置，進(jìn)行間接傳動(dòng)．但是，間接驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了機(jī)械傳動(dòng)中不可避免的誤差，引起沖擊振動(dòng)，影響機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性，并且增加關(guān)節(jié)重量和尺寸．DD機(jī)器人與間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：
1機(jī)械傳動(dòng)精度高。
2振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)剛度好．
3機(jī)械傳動(dòng)損耗小．
4結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高．
5電機(jī)峰值轉(zhuǎn)短大，電氣時(shí)間常數(shù)小，短時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生根大轉(zhuǎn)矩
圍寬．
6控制性能較好．
日本、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的DD機(jī)器人．美國(guó)AdePt公司研制出帶有視覺(jué)功能的四自由度平面關(guān)節(jié)型DD機(jī)器人．日本大H機(jī)工公司研制成功了五自由度關(guān)節(jié)型DD—600V機(jī)器人．其性能指標(biāo)為：最大工作范圍1．2m，可搬重量5kg，最大運(yùn)動(dòng)速度8．2m／s，重復(fù)定位精度o．05mm．DD機(jī)器人是一種極有發(fā)展前途的機(jī)器人，許多國(guó)家為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高精度、高速度和高智能，對(duì)DD機(jī)器人投入了大量的研究和開(kāi)發(fā)．目前七要存在的問(wèn)題是：
1載荷變化、鍋臺(tái)轉(zhuǎn)矩及非線性轉(zhuǎn)矩對(duì)驅(qū)動(dòng)及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難和復(fù)雜．
2對(duì)位置、速度的傳惑元件提出了相當(dāng)高的要求．傳感器精度為帶減速裝置(速比為尺)間接驅(qū)動(dòng)的皮倍以上．
3電機(jī)的轉(zhuǎn)短／重量比和轉(zhuǎn)矩／體積比不大，需開(kāi)發(fā)小型實(shí)用的DD電機(jī)．
4電機(jī)成本高．DD機(jī)器人把電機(jī)直接安裝在關(guān)節(jié)上使機(jī)器人的負(fù)載能力和效率下降．
(2)關(guān)節(jié)間接驅(qū)動(dòng)方式．
大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng)．這種間接驅(qū)動(dòng)，通常其驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩大大小于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要的力矩，所以必須使用減速器．另外，由于手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以多自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)上安裝驅(qū)動(dòng)器臺(tái)使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷增大．解決這一問(wèn)題的方法，通?？捎孟铝行问降拈g接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)．
1鋼絲繩．這是把驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)分開(kāi)安裝，然后使用鋼絲繩傳遞動(dòng)力的方式．這種方式有鋼絲繩一軟警方式和鋼絲繩一滑輪方式兩種．鋼絲繩一軟管方式：因鋼絲繩的路徑能夠任意決定，所以能夠較容易地構(gòu)成多自由度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)．但因鋼絲繩和軟營(yíng)之間存在不能忽略的摩擦，所以它的控制比較困難．鋼絲繩一滑輪方式：雖然它的非線性因素少，但是滑輪的裝配方式、鋼絲繩的路徑構(gòu)成等非常困難．
2鏈條和鋼帶．這種方式也是把驅(qū)動(dòng)器安排在離關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)的地方，是遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)的手段之一．鏈條、鋼帶與鋼絲繩相比，剛性高，能傳遞較大的輸出，但設(shè)計(jì)上的限制也大．在xARA型的關(guān)節(jié)機(jī)器人中多采用此法．
3平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)．．該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是能夠把驅(qū)動(dòng)器安裝在手臂的根部，而且該結(jié)構(gòu)能夠使坐標(biāo)變換運(yùn)算簡(jiǎn)單．
3．材料的選擇
選擇機(jī)器人本體材料，應(yīng)從機(jī)器人的性能要求出發(fā)，滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求．機(jī)器人材料并不是簡(jiǎn)單工業(yè)材料的組合，它應(yīng)是滿足機(jī)器人性能的材料．應(yīng)在充分拿捏機(jī)器人的特性和各組成部分的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)思想出發(fā)，確定所用材料的特性，即必須事先充分領(lǐng)會(huì)機(jī)器人的概念和各組成部分的作用．機(jī)器人本體被用來(lái)支承、連接、固定機(jī)器人的各部分，當(dāng)然也包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分，這一點(diǎn)與——般的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性相同．機(jī)器人本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料．另一方面，機(jī)器人本體又不單是固定結(jié)構(gòu)件，比如，機(jī)器人臂是運(yùn)動(dòng)的，機(jī)器人整體也是運(yùn)動(dòng)的，所以，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的材料質(zhì)量要輕．精密機(jī)器人對(duì)機(jī)器人的剛度有一定的要求，即對(duì)材料的剛性有要求．剛度沒(méi)計(jì)時(shí)?？紤]靜剛度和動(dòng)剛度，即要考慮振動(dòng)問(wèn)題．從材料角度看，控制振動(dòng)汐及到減輕重量和抑制振動(dòng)兩方面，本質(zhì)上就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問(wèn)題，它與材料的抗振性緊密相關(guān)．傳統(tǒng)的工業(yè)材料或機(jī)械材料與機(jī)器人材料之間的差別，在于機(jī)器人是伺服機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)是可控的，這就是傳統(tǒng)材料中所沒(méi)有的“被控性”。材料的“被控性”是與材料的“結(jié)構(gòu)性”、“輕質(zhì)性”和“可加工性’’同樣重要的因素．材料的可加工性是指加工成發(fā)揮材料特性的形狀時(shí)的難易程度，是一個(gè)很重要的指標(biāo)．材料的被控性取決于材料的輕質(zhì)性、抗振性和彈性．機(jī)器人本體材料必須與材料的結(jié)構(gòu)性、輕質(zhì)性、剛性、抗振性和機(jī)器人整體性能一同考慮．機(jī)器人與人類(lèi)共存，尤其是家用和服務(wù)機(jī)器人的外觀將與傳統(tǒng)機(jī)械大有不同．這樣一來(lái)，將會(huì)出現(xiàn)比傳統(tǒng)工業(yè)材料更富有美感的機(jī)器人本體材料．從這一點(diǎn)看，機(jī)器人材料又應(yīng)具備揉軟和外觀美等特點(diǎn)．總之，選擇機(jī)器人材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性b抗振性、外觀以及價(jià)格等因素．下面簡(jiǎn)介機(jī)器人常用材料．
1碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼；這類(lèi)材料強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增大了4—5倍．彈性模且E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料．
2鋁、鋁合金及其他輕合金材料：這類(lèi)材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E／P之比仍可與鋼材相比．有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加3．2％重量理的銘合金，彈性模量增加了x％，E／P比增加了16％．
3纖維增強(qiáng)合金：如硼纖維增強(qiáng)鋁合金(Boron—jjber十einfofced aIumm Mm)、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金(Graphd e—fibe『—rGinforced ma8nesNm)，其E／P比分別達(dá)到11．4×10g m 2／s 2
和8．9×10’m’／s z．這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E／P比，而且沒(méi)有無(wú)機(jī)復(fù)合材料的缺點(diǎn)，但價(jià)格昂貴．
1陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長(zhǎng)孔的連扦，與金屬零件連接的接合部房特殊設(shè)計(jì)．然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臀的樣品．
2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：這類(lèi)材料具有極好的E／P比，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?，以及與金屑件連接困難等問(wèn)題．這類(lèi)材料不但重量輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu)點(diǎn)．傳統(tǒng)金屑材料不可能具有這么大的阻尼．所以在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)越多．登層復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)墨層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼值．田粘彈性大阻尼材料：增大機(jī)器人連稈件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法．目前有許多方法用來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人采用的一種方法是用粘彈性大因尼材料，對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理.吉林工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，機(jī)械臀的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為 土0．30 mm，處理后為土0．16mm，殘余振動(dòng)時(shí)間在阻尼處理前后分別為0.9s和05s
4．平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)
(1)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的作用機(jī)器人是一個(gè)多剛體鍋臺(tái)系統(tǒng)，系統(tǒng)的平衡性是極其重要的理由是；
①安全．根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程知道，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩包括重力矩項(xiàng)，即各連桿質(zhì)量對(duì)關(guān)節(jié)產(chǎn)生的重力矩．因?yàn)橹亓κ怯肋\(yùn)的，即使機(jī)器人停止了運(yùn)動(dòng)，重力矩項(xiàng)仍然存在．這樣，當(dāng)機(jī)器人完成作業(yè)，切斷電源后，機(jī)器人機(jī)構(gòu)會(huì)因重力而失去穩(wěn)定．平衡系統(tǒng)是為了防止機(jī)器人因動(dòng)力源中斷而失穩(wěn)，引起“倒煽”的趨勢(shì)．
②借助平衡系統(tǒng)朗降低因機(jī)器人構(gòu)形變化，而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值．
③借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的埠值．
④借助平衡系統(tǒng)能減少動(dòng)力學(xué)方程中內(nèi)部鍋臺(tái)項(xiàng)和非線性項(xiàng)，改善機(jī)器人動(dòng)力特性．
⑤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確．
⑥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．
5．主要部件的設(shè)計(jì)和選擇
近年來(lái)，機(jī)器人朝著智能化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展．模塊化機(jī)器人得到重視，是由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊，通過(guò)具有特殊功能的結(jié)合部件，用積木拼搭的方式組成一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)．其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、靈活．目前，國(guó)內(nèi)外已研制和生產(chǎn)了各種不同的標(biāo)準(zhǔn)組件，如伺服電機(jī)、傳感器、手臂、手腕、手爪、機(jī)身．因此，在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，可選用標(biāo)準(zhǔn)模塊．當(dāng)然也可自行設(shè)計(jì)一些專(zhuān)用部件。
濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 連桿搬運(yùn)機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)
第三章 連桿搬運(yùn)機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)
連桿是內(nèi)燃機(jī)中的一個(gè)重要的零件，加工工序多，精度要求高，適合流水線加工。該設(shè)計(jì)的連桿加工搬運(yùn)機(jī)械手，是用于連桿生產(chǎn)線上的搬運(yùn)要求搬運(yùn)準(zhǔn)確，對(duì)連桿有可靠的定位，搬運(yùn)半徑1500mm，工作臺(tái)高度800mm工作循環(huán)為1分鐘。
3.1 參數(shù)
連桿搬運(yùn)機(jī)器人4個(gè)自由度
連桿重量5kg~10kg
連桿直徑30mm~60mm
3.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇
工業(yè)機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種基本方式。
表3-1各種驅(qū)動(dòng)方式的比較
內(nèi)容
驅(qū)動(dòng)方式
液壓驅(qū)動(dòng)
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)
輸出功率
? 很大，壓力范圍為50～140N/cm2
? 大，壓力范圍為48～60N/cm2，最大可達(dá)100N/cm2
? 較大
控制性能
? 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
? 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制
? 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜
響應(yīng)速度
? 很高
? 較高
? 很高
結(jié)構(gòu)性能及體積
? 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大
? 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小
? 伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題
安全性
? 防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)
? 防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性
? 設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差
對(duì)環(huán)境的影響
? 液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染
? 排氣時(shí)有噪聲
? 無(wú)
在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍
? 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人
? 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具
? 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等
成本
? 液壓元件成本較高
? 成本低
? 成本高
維修及使用
? 方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求
? 方便
? 較復(fù)雜
（一）氣缸的選取
氣動(dòng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。適合節(jié)拍快，負(fù)載小且精度要求不高的場(chǎng)合。常用于點(diǎn)位控制，抓取，彈性握持和真空吸附。介質(zhì)提取和處理方便；氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器；介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題；阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送；外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染；動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的工作壓力。缺點(diǎn)是不好精確控制。
氣缸是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊麠U上的機(jī)械能，并產(chǎn)生直線往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置。
氣缸的類(lèi)型可分為以下幾種：柱塞式、活塞式、薄膜式和擺動(dòng)式。其中活塞式如下圖所示：
圖二
氣缸的選擇要點(diǎn)：
1、作用力的大?。焊鶕?jù)外部工作所需要的力的大小，確定活塞桿上的推力或拉力。必須指出，同一氣缸工作時(shí)的實(shí)際出力大小隨要求的工作速度不同有很大變化。速度增高，則由于背壓增高等因素影響，出力將急劇降低，其變化并非直線關(guān)系。選擇缸徑時(shí)對(duì)此必須十分注意。應(yīng)依據(jù)工作條件不同，按外載荷理論平衡條件所需汽缸作用力在近似地乘以1.15—2的備用系數(shù)，從而確定所需氣缸的內(nèi)徑。
2、活塞行程的長(zhǎng)短：形成就是汽缸活塞所能易懂的最大距離，帶緩沖裝置的汽缸其緩沖部分的距離也包括在內(nèi)。行程的長(zhǎng)短與使用場(chǎng)合有關(guān)，也受加工和結(jié)構(gòu)上的限制。
3、安裝形式：根據(jù)安裝位置、使用目的等因素來(lái)確定。在一般場(chǎng)合下，多選用固定式氣缸。在車(chē)床或磨床上，工作需作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)應(yīng)選用回轉(zhuǎn)汽缸。在活塞桿初作直線運(yùn)動(dòng)外，又要作較大的圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，則選用擺動(dòng)式氣缸。
4、活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度：主要決定于氣缸進(jìn)排氣口及導(dǎo)管內(nèi)徑的大小。如果要求活塞桿高速度地運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)選用大的進(jìn)排氣口及導(dǎo)管。通常為了得到緩慢的、平穩(wěn)的活塞桿運(yùn)動(dòng)速度，可選用帶截流裝置或油液阻尼裝置的氣缸。
本次設(shè)計(jì)中選用了SMC公司生產(chǎn)的無(wú)桿氣缸,型號(hào)為MY1B32和MY1B40。標(biāo)準(zhǔn)型氣缸CM2B25-300。使得設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔和標(biāo)準(zhǔn)化。
（二）電機(jī)的選取
在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，選擇一臺(tái)合適的電動(dòng)機(jī)是極為重要的。電動(dòng)機(jī)選擇主要是容量的選擇，如果電動(dòng)機(jī)得容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力，是生產(chǎn)效率降低，另一方面，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在過(guò)載下運(yùn)行，會(huì)使它過(guò)早損壞，同時(shí)還可能出現(xiàn)啟動(dòng)困難、經(jīng)受不起沖擊負(fù)載等故障。如果電動(dòng)機(jī)的容量選大了，則不僅使設(shè)備投資費(fèi)用增加，而且由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在輕載下運(yùn)行，運(yùn)行效率和功率因數(shù)（對(duì)異步電動(dòng)機(jī)而言）都會(huì)下降。
選擇電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)根據(jù)以下三項(xiàng)基本原則進(jìn)行。
1、 發(fā)熱
電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須保證電動(dòng)機(jī)的實(shí)際最高工作溫度max等于或略小于電動(dòng)機(jī)絕緣的最高工作溫度a，即max. a
2、 過(guò)載能力
電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須具有一定的過(guò)載能力。特別是在短期工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的熱慣性很大，電動(dòng)機(jī)在短期內(nèi)承受高于額定功率的負(fù)載功率時(shí)仍可保證max. a.，故此時(shí)，決定電動(dòng)機(jī)容量的主要因素不是發(fā)熱二十電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力。即所選電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax（對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)）或最大允許電流Imax（對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)而言）必須大于運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLmax或最大負(fù)載電流I,max。
3、 啟動(dòng)能力
必須保證電動(dòng)機(jī)能可靠啟動(dòng)。
除了正確選擇電動(dòng)機(jī)的容量外，還需要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工作環(huán)境等條件，來(lái)正確選擇電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)、電壓、轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。電動(dòng)機(jī)類(lèi)型選擇的基本依據(jù)是在滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉。
（1） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器
?? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，誤差不長(zhǎng)期積累，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)制動(dòng)。作為一種開(kāi)環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到較廣泛的應(yīng)用。但由于其存在過(guò)載能力差、調(diào)速范圍相對(duì)較小、低速運(yùn)動(dòng)有脈動(dòng)、不平衡等缺點(diǎn)，一般只應(yīng)用于小型或簡(jiǎn)易型機(jī)器人中。
（2） 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)
伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)包括直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
直流伺服電動(dòng)機(jī)在磁場(chǎng)恒定時(shí)，電流正比與輸出轉(zhuǎn)矩，易于控制，且有理想的機(jī)械特性。在20世紀(jì)80年代中期前直流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。但由于它采用電刷換向器，需要定期維護(hù)，轉(zhuǎn)速不能太高，功率不能太大，功率/體積比和功率/質(zhì)量比不高等原因，今天已經(jīng)逐漸被交流伺服電動(dòng)機(jī)所取代。
直流伺服電動(dòng)機(jī)主要有鐵心式直流伺服電動(dòng)機(jī)、表面繞阻永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)和動(dòng)圈式永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)三種。其中鐵心式直溜伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，可靠性高，成本低，應(yīng)用最廣泛。動(dòng)圈式永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞用環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃纖維支撐繞阻，所以電樞電感小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小