毕业设计论文(3)

图 1-2 可移动式机器人的应用

此外，对于这类小型的机器人，在原理不变的情况下，改变其结构， 增强人机功能，将它固定在小型的移动装置或直接与移动装置结合成一体，就可以应用到日常生活中，如生活中物体的搬运、人员的看护等。

因此，设计开发这样一种可移动式、多自由度的小型机器人是有实 际意义的。

1.5 本文主要研究内容

本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）和简单的三维实体造型工作。

1.6 本章小结

本章主要内容是搬运机器人的现状、应用领域、发展趋势等方面，并通过对现在工业生产中使用搬运机器人的主要工作种类的列举，提

出了未来搬运机器人的几种先进的发展模式和本文的主要研究内容。

第2章

机器人方案的创成和机械结构的设计

2.1 机器人机械设计的特点

串联机器人机械设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首 先，从机构学的角度来看，机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系、末端执行器的受力和各关节驱动力矩（或力）之间的关系等，都不是一般机构分析方法能解决得了的，需要建立一套针对空间开链机构的运动学、静力学方法。末端执行器的位置、速度、加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要内容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化，在高速情况下，还存在哥氏力和离心力的影响。因此，机器人是一个多输入多输出的、非线性、强耦合、位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，因此，即使通过一定的简化，也需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法。

其次，由于开链机构相当于一系列悬臂杆件串联在一起，机械误差 和弹性变形的累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机器人机械设计时特别要注意刚度和精度设计。

再次，机器人是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须要

考虑到驱动、控制等方面的问题，这和一般的机械产品设计是不同的。 另外，与一般机械产品相比，机器人的机械设计在结构的紧凑性、 灵巧性方面有更高的要求。

2.2 与机器人有关的概念

以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。

1 自由度：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常 有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。 以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。 2 机器人的分类 机器人分类方法有多种。

(1) 按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP），连续 轨迹控制型（CP）：

（a）点位控制型（Point to Point Control ）：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如：机器人在进行点焊时的轨迹控制。

（b）连续轨迹控制型（Continuous Path Control ）：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。 (2) 按机器人的结构分类：

（a）直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂

直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异

状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。 （b）圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转 动关节，以q, r, z为坐标，位置函数为P = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。

（c）球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以q,f, y 为坐 标，位置函数为P = f (q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。

（d）关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型（SCARA 型）机器 人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。 (3) 按驱动方式分类：

按驱动方式可分为：（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。 电气驱动是 20 世纪90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它 有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。 (4) 按用途分类：

可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削 加工机器人和特种用途机器人等。

2.3 方案设计

2.3.1 方案要求

如前所述，该机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运、装夹和 日常生活中的持物、看护等。能够固定在移动装置（如AGV）上，以实现灵活移动。要求动作灵活，工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度在5~6 个，结构紧凑，重量轻。采用电动机驱动，设计负重为6公斤，手爪开合范围5 mm～100 mm。

2.3.2 方案功能设计与分析

a 机器人自由度的分配和手臂手腕的构形

手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行 器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置， 手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2-1。

本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要 结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有六个自由度，其中手臂三个自由度。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。

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