四自由度平面關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

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1、'一批注[MZ1]: 分類號 UDC 密級 學位論文 四自由度平面關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化 作者姓名： 張進偉 指導教師： 柳洪義教授 東北大學機械電子工程研究所 申請學位級別： 碩士 學科類別： 工學 學科專業(yè)名稱： 機械電子工程 論文提交日期： 2008年 月 論文答辯日期： 2008年7月 學位授予日期： 2008年 月 答辯委員會主席: 評閱人： 東北大學 2008年6月 A Thesis for the Degree of Master in

2、 Mechanical and Electronic Engineering Analysis and Optimization of the Structure of 4-DOF SCARA Robot By Zhang Jinwei Supervisor: Professor Liu Hongyi Northeastern University June 2008 東北大學碩士學位論文 摘要 獨創(chuàng)性聲明 「帶格式的：樣式標題1 + 段前：1行段后：1行，制 表位：23.69 字符,居中 本人聲明，所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的。論文中取得 的研究成果除加

3、以標注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過 的研究成果，也不包括本人為獲得其他學位而使用過的材料。與我一同工 作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示謝 意、。 學位論文作者簽名： 日 期： 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者和指導教師完全了解東北大學有關保留、使用學位論 文的規(guī)定：即學校有權(quán)保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和 磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學可以將學位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索、交流。 作者和導師同意網(wǎng)上交流的時間為作者獲得學位后： 半年□ 一年口 一年半□ 兩年□ 學位論文作者簽名：

4、 導師簽名: 簽字日期： 簽字日期: 四自由度平面關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化 摘要 工業(yè)機器人一般指用于機械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、高質(zhì)量要求的工作， 如汽車制造、摩托車制造、艦船制造、某些家電產(chǎn)品、化工等行業(yè)自動化生產(chǎn)線中的點 焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運、包裝、碼垛等作業(yè)的機器人。它 是集運動學與動力學理論、機械設計與制造技術、計算機硬件與軟件技術、控制理論、 傳感器技術、人工智能理論等科學技術理論的綜合應用。機器人技術的研究與開發(fā)標志 著一個國家科學技術的水平，而機器人在各種工業(yè)領域的普及應用，則顯示了這個國家 的經(jīng)濟和科技發(fā)展的綜合實力。

5、機器人技術是多學科的綜合運用，在眾多類型機器人中，平面關節(jié)型機器人在平面 內(nèi)的運動具有較大的柔性，沿升降軸的運動具有很強的剛性，非常適合應用于搬運、焊 接和裝配等重復性任務，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。本文以四自由度平面關節(jié)型 機器人結(jié)構(gòu)為基礎，重點研究了四自由度平面關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化的問題。 首先，以Pro/E軟件為基礎，對平面關節(jié)型機器人總體結(jié)構(gòu)進行設計。在結(jié)構(gòu)設計 過程中詳細討論多種設計方法、設計原理、以及設計過程中的要求與原則，通過對不同 設計參數(shù)及結(jié)構(gòu)進行對比分析得出最優(yōu)的設計結(jié)構(gòu)與尺寸。 在同樣的工作空間內(nèi)完成相 同動作時，針對其它四自由度平面關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)進行分析

6、對比，分析了不同結(jié)構(gòu)參 數(shù)對機器人動態(tài)運行的影響，為機器人設計者提供參考。這種在具體設計之前預先給出 不同設計結(jié)構(gòu)之間優(yōu)缺點的方法能夠使設計者根據(jù)任務的要求選擇機器人的結(jié)構(gòu)和參 數(shù)，減少設計過程中不必要的重復工作。 其次，對機器人進行運動學仿真分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)過虛擬仿真可以檢查機器人 設計的合理性，以及觀察機器人結(jié)構(gòu)在運動過程中的相互干涉性，并在 ANSYS軟件中 建立各臂模型，進行位移、應力、模態(tài)分析，從中選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，進而確定本體設計 和驗證設計方案的合理性。 最后，通過對伺服系統(tǒng)的各種形式、電機性能進行分析比較，根據(jù)系統(tǒng)對快速響應、 平穩(wěn)工作的要求，對平面關節(jié)型機器人各個關節(jié)

7、傳動方式、交流伺服電機、減速器進行 計算選擇，從而機器人系統(tǒng)設計達到最優(yōu)。 關鍵詞：平面關節(jié)型機器人；四自由度；運動仿真； Pro/E； ANSYS II 東北大學碩士學位論文 Abstract An alysis and Optimizati on of the structure of 4-DOF SCARA Robot Abstract The in dustry robot gen erally refers the robot which is used in the mecha ni cal manu facturi ng in dustry, replaci

8、 ng the huma n to complete the mass and high request work, such as the automobile manufacture, the motorcycle manufacture, the ships manufacture, and the work of spot weldi ng, the arc weld ing, the painting, cut, the electro nic assembly and the tran sport ing, the pack ing, piles buttress in the a

9、utomatic product ion line of certa in electrical applia nces manufacture and chemical in dustry and so on. It is the in tegrated applicati on of tech no logical theory, such as kin ematics and dyn amics theory, mecha ni cal desig n and manufacture tech niq ue, the hardware and software of computer t

10、ech niq ue, con trol theory, sen sor tech no logy, the theory of artificial in tellige nce and so on. The applicatio n and exploitati on of robot tech nique in dicate the scie nce and tech no logy level of a coun try. What more, its usage and prevalence in some industry fields revealed the synthetic

11、al strength of a country ' s developme nt in economy and tech no logy. Robot tech nique is the syn thetical applicati on of many subjects. In nu merous types of robots, SCARA Robot has biggish flexibility in plane movement and strong rigidity in lift axes moveme nt, which is very propitious to be a

12、pplied to repeat ing task such as conveying, jointing and assembly and so on, so it is applied widely in in dustry product ion. This thesis based on the structure of the 4-DOF SCARA Robot and stressly in vestigated the problem of the an alysis and optimizati on of the structure of 4-DOF SCARA Robot.

13、 Firstly, based on the software Pro/E, desig ning the overall structure of the SCARA Robot. During the process of structure desig n, many methods, eleme nts, requireme nts and principles are discussed in detail. The optimized design structure and dimension are got by comparis on and an alysis of th

14、e differe nt desig n parameter and structure; dexterity an alysis results of 4-DOF robots with differe nt structures are give n, and the results are compared with other structures of SCARA Robot with in the same workspace. The in flue nce of structural parameters on robot dexterity is an alyzed, whi

15、ch can serve as useful reference to robot desig ners. This kind of method can give the dexterity an alysis result before detailed desig n, and can en able desig ners to select robot structure and parameters accord ing to task requireme nts. Secon dly, the kin ematics emulatio n of the robot is an a

16、lyzed and the structure is optimized. Afterthat each arm model is founded, besides the displacement, stress, mode are an alyzed by ANSYS software, and the optimized structure is selected, seque ntially the desig n is con firmed and the rati on ality of project is validated. Fin ally, accord ing to

17、the requireme nts of system for the rapid resp on se, smooth work, after the comparis on of various forms of servo system and the electrical theory, have chose various joint drive ways on the SCARA Robot, AC servo motor and reducer to realize motion con trol of robot, so that robot system desig n is

18、 optimal at last. Key words : SCARA Robot; 4-DOF; Motion Simulation; Pro/E; ANSYS -iii - 東北大學碩士學位論文 目 錄 目錄 獨創(chuàng)性聲明 I 摘要 II Abstract iii 目 錄 V 第一章緒論 1 1.1課題研究的背景與意義 1 1.2國內(nèi)外機器人發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3工業(yè)機器人特點及分類 3 1.3.1工業(yè)機器人特點 3 1.3.2工業(yè)機器人分類 4 1.4工業(yè)機器人的構(gòu)成及應用 6 1.4.1工業(yè)機器人構(gòu)成 6 1.4.2工業(yè)機器人技術參數(shù)

19、7 1.4.3工業(yè)機器人的應用 8 1.5本論文研究的基本內(nèi)容 8 1.5.1機器人本體結(jié)構(gòu)設計 9 1.5.2機器人系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化設計 9 1.5.3機器人結(jié)構(gòu)CAE分析 9 1.5.4 伺服系統(tǒng)選擇 9 第二章 機器人本體設計 10 2.1機械系統(tǒng)的設計 10 2.1.1 CAD 軟件 Pro/E 概述 10 2.1.2機器人結(jié)構(gòu)設計的主要坐標式 13 2.1.3機器人本體設計原則 14 2.2機器人結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化 16 2.2.1機身的設計與優(yōu)化 16 2.2.2臂1的設計與優(yōu)化 17 2.2.3臂2的設計與優(yōu)化 20 2.2.4臂3的

20、設計與優(yōu)化 22 225機械手設計與優(yōu)化 25 第三章機器人虛擬仿真與運動學分析 26 3.1機器人組件裝配 26 3.1.1機身與臂1虛擬裝配 26 3.1.2臂1與臂2虛擬裝配 27 3.1.3臂2與臂3虛擬裝配 27 3.1.4機械手虛擬裝配 28 3.1.5機器人模態(tài)的整體總裝 28 3.2虛擬仿真 29 3.3機器人的運動學分析 33 3.3.1機器人齊次坐標系的建立 33 3.3.2機器人正運動學分析 35 3.3.3機器人逆運動學分析 36 第四章 機器人結(jié)構(gòu) CAE分析 38 4.1機器人有限元分析原理 38 4.1.1形狀

21、函數(shù) 38 4.1.2單元剛度矩陣 39 4.1.3單元節(jié)點位移 41 4.1.4系統(tǒng)固有頻率 41 4.2機器人雙臂的ANSYS有限元分析 42 4.2.1 ANSYS有限元分析的特點 42 4.2.2機器人臂1 ANSYS有限元分析 42 4.2.3機器人臂3 ANSYS有限元分析 45 第五章伺服系統(tǒng)選擇設計 49 5.1步進電機和交流伺服電機性能比較 49 5.2機器人驅(qū)動方式 50 5.3各關節(jié)傳動方式與驅(qū)動原件選擇 51 5.3.1各關節(jié)驅(qū)動方式選擇 51 5.3.2各關節(jié)驅(qū)動原件的選擇 52 5.4交流伺服電機控制原理 55 第六

22、章結(jié)論 56 -VII - 東北大學碩士學位論文 目 錄 參考文獻 57 致謝 60 -# - 東北大學碩士學位論文 第 1章緒論 第一章緒論 1.1課題研究的背景與意義 隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，機器人技術已廣泛應用于人類社會的各個領域。在制造 業(yè)中誕生的工業(yè)機器人是繼動力機、 計算機之后而出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新 一代生產(chǎn)工具。機器人的應用是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 有關專家研究表明，國外發(fā)達國家已廣泛應用機器人自動化生產(chǎn)線，并已形成一個 巨大的產(chǎn)業(yè)，年市場容量約為 1000億美元。我國有關部門及企業(yè)應該做好充分準備， 借鑒國外推動產(chǎn)

23、業(yè)發(fā)展的先進經(jīng)驗。我國機器人產(chǎn)業(yè)要快速發(fā)展，就不能只靠幾個愛好 者的激情和科研單位的單方努力，機器人就不能只作為展覽會上的表演者。研制單位必 須和需求緊密結(jié)合，讓機器人走進工廠和家庭，實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化。把發(fā)展中國機器人 產(chǎn)業(yè)納入政府重要產(chǎn)業(yè)政策中，引導和扶持企業(yè)進行產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，加速機器人 產(chǎn)業(yè)化進程。 近年來我國的機器人自動化技術也取得了長足的發(fā)展，但是與世界發(fā)達國家相比， 還有一定的差距，如可靠性低于國外產(chǎn)品，機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生 產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距。我國目前從事機器人研發(fā)和應用工程的單位相對較少， 工業(yè)機器人的擁有量遠遠不能滿足需求量，長期大量依靠從國外

24、引進。在應用規(guī)模上， 我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人，約占全球已安裝臺數(shù)的 0.4%。產(chǎn)生以上差距，有關專 家認為主要是我國沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是根據(jù)用戶的要求， “一個客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期 長、成本較高、而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 本課題研究的四自由度平面關節(jié)型機器人是工業(yè)領域中應用較為廣泛的機器人之 一。據(jù)統(tǒng)計資料介紹，目前，國外已有的各種專用和通用裝配機器人中，平面關節(jié)型裝 配機器人是應用數(shù)量最多且較為廣泛的一種裝配機器人。 1991年世界上4萬余臺在生產(chǎn) 上應用的裝配機器人中，平面關節(jié)型機器人約占 3/4左右。其

25、主要應用領域為電子電器 業(yè)、家用電器業(yè)、精密機械業(yè)。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè)；家用電器及 儀器儀表的組裝作業(yè)；小型電器開關、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)?？梢哉f，平面關 節(jié)型機器人在輕型、較簡單并且要求機器人價格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。而且平 面關節(jié)型最顯著的特點是他們在 XY平面上的運動具有較大的柔性， 而沿Z軸方向具有 很強的剛性，這種選擇性的柔性，在裝配作業(yè)中是很重要的特性， 非常適合應用于搬運、 焊接和裝配等重復性任務，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。鑒于平面關節(jié)型機器人在工業(yè)領域應用中的獨特優(yōu)勢，研究平面關節(jié)型機器人也就具有相當?shù)拇硇浴６诒姸?的機器人研究中，

26、大多主要側(cè)重于研究機器人的控制系統(tǒng)和運動學分析，在機器人結(jié)構(gòu) 設計與優(yōu)化方面反而沒有引起足夠多的重視，正因為如此，在本課題中專門針對四自由 度平面關節(jié)型機器的結(jié)構(gòu)做了設計和優(yōu)化，以及對相關機器人結(jié)構(gòu)的討論分析，期待對 我國的機器人研究有更大的幫助。 1.2國內(nèi)外機器人發(fā)展現(xiàn)狀 機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為 先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)， 將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重 要的作用。 目前在國外機器人廣泛應用于各行各業(yè)。 主要進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、 碼垛等復雜作業(yè)。如下圖1.1機器人涂膠和圖1.2高壓水切割機器人等。

27、 目前，全球現(xiàn) 役工業(yè)機器人83萬臺。過去10年，機器人的價格降低約 80%，現(xiàn)在繼續(xù)下降，而歐美 勞動力成本上漲了 40%。現(xiàn)役機器人的平均壽命在 10年以上，可能高達15年，它們還 易于重新使用。由于機器人及自動化成套裝備對提高制造業(yè)自動化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量 和生產(chǎn)效率、增強企業(yè)市場競爭力、改善勞動條件等起到了重大的作用，加之成本大幅 度降低和性能的迅速提高，其增長速度較快。據(jù)國際機器人聯(lián)合會及聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委 員會（UCENE ）統(tǒng)計，2001年機器人安裝量為7.8萬臺套，年增長率 9%。機器人的應 用主要有兩種方式，一種是機器人工作單元，另一種是帶機器人的生產(chǎn)線，并且后者在 國外已經(jīng)成

28、為機器人應用的主要方式。 以機器人為核心的自動化生產(chǎn)線適應了現(xiàn)代制造 業(yè)多品種、少批量的柔性生產(chǎn)發(fā)展方向，具有廣闊的市場發(fā)展前景和強勁生命力，已開 發(fā)出多種面向汽車、電氣機械等行業(yè)的自動化成套裝備和生產(chǎn)線產(chǎn)品。在發(fā)達國家，機 器人自動化生產(chǎn)線已形成一個巨大的產(chǎn)業(yè)，年市場容量約為 1000億美元。 圖1.1機器人涂膠 Fig 1.1 Robot gelatinize Fig 圖1.2高壓水切割 1.2 High pressure water incision 據(jù)國際機器人協(xié)會統(tǒng)計，2003年工業(yè)機器人發(fā)貨量呈現(xiàn)強勁增長勢頭。與 2002年 相比，2003年全球范圍內(nèi)機器人的訂貨

29、量增長約 10%以上。預計，工業(yè)機器人的世界 市場將從2002年的68600臺套增長到2010年的151100多臺套，年平均增長 7.4%。 縱觀目前經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，我國機器人市場增長異常迅猛，從銷售量上更是充分說明 了這個不爭的事實。在中國市場上占有 35%市場份額的ABB公司2004年在中國賣出 了 600臺機器人。而該公司在過去9年中一共才在中國大陸市場銷售了 2000臺機器人。 專家預測，我國機器人 2008年擁有量將增至 7600臺，至U 2010年擁有量將達到17300 臺，到2015年，市場容量將達十幾萬臺(套)。據(jù)悉，汽車制造、工程機械及電機、 電子等行業(yè)的企業(yè)是中國今后對

30、機器人需求最大的部門，其中所需機器人的品種以點 焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運、沖壓等為主 [1,2]。 但是，我國現(xiàn)有主要生產(chǎn)工業(yè)機器人廠家其生產(chǎn)規(guī)模較小，這與當前市場需求有較 大差距。生產(chǎn)規(guī)模達到大批量生產(chǎn)能力，才能提高機器人的穩(wěn)定性、可靠性及降低成本， 才能占領國內(nèi)市場。目前主要生產(chǎn)第一代示教再現(xiàn)型機器人。隨著建筑施工、石化、食 品、核工業(yè)、水下、高空及微加工行業(yè)的需求，將推出一批新機型，如大負載、高精度、 蛇形的、無人飛行器以及家用、病人護理、盲人引導犬等。目前正在逐步建立上海、沈 陽、北京機器人及其自動化生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)基地，開發(fā)出一批有市場前景的，具有自主知識 產(chǎn)權(quán)的機器人及其自動化生產(chǎn)線

31、產(chǎn)品。進一步加強與外企合作，引入先進技術及資金使 我國成為國際生產(chǎn)機器人基地，占領國內(nèi)市場，走向世界 [3,4]。 1.3工業(yè)機器人特點及分類 1.3.1工業(yè)機器人特點 機器人(Robot)是1920年由捷克作家卡雷爾?查培克在劇本中塑造的一個具有人 的外表、特征和功能，愿意為人服務的機器奴仆“ Robota” 一詞衍生出來的。我們可以 這樣說：機器人是一個在三維空間中具有較多自由度的，并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能 的機器；而工業(yè)機器人(In dustrial Robot)則是在工業(yè)生產(chǎn)上應用的機器人 [5,6]。 工業(yè)機器人有以下幾個最顯著的特點： (1) 可編程 工業(yè)機器人可隨

32、其工作環(huán)境變化的需要而再編程， 因此它在小批量多品種具有均衡 高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)的一個重要組成部分。 (2) 擬人化 工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、 腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分， 在控制上有計算機。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多“生物傳感器”，傳感器的使用 極大提高了工業(yè)機器人對環(huán)境的自適應能力。 (3) 通用性 一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務時具有較好的通用性， 如更換工業(yè)機器人的 末端執(zhí)行器便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務。 1.3.2工業(yè)機器人分類 根據(jù)不同的標準，機器人也相應有不同的種類。工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)部分可看作 是

33、由一些連桿通過關節(jié)組裝起來的。通常有兩種關節(jié)，即轉(zhuǎn)動關節(jié)和移動關節(jié)。連桿和 關節(jié)按不同的坐標形式組裝，機器人可分為五種：直角坐標型機器人、圓柱坐標型機器 人、球坐標型機器人、關節(jié)型機器人和并聯(lián)機器人 [7,8]。 （1） 直角坐標型機器人 直角坐標型機器人是通過 3個互相垂直的軸線位移來改變手部的空間位置， 運動是 獨立的，其前三個關節(jié)為移動關節(jié)（PPP）。該類操作機易于實現(xiàn)高定位精度，空間軌跡 易于求解，但操作靈活性差，運動的速度較低，當具有相同的工作空間時，機體所占空 間體積大。 （2） 圓柱坐標型機器人 圓柱坐標型機器人是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動 （RPP）來實現(xiàn)手部的空間位置變

34、化。 該種操作機結(jié)構(gòu)簡單，便于幾何計算，其工作范圍較大，運動速度較高，但隨著水平臂 沿水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。通常用于搬運機器人。 （3） 球坐標機器人 球坐標機器人用兩個轉(zhuǎn)動和一個移動（ RRP）來改變手部的空間位置。一般是要關 節(jié)可繞Z軸轉(zhuǎn)動，大臂可在Z-X平面內(nèi)俯仰（轉(zhuǎn)動）。這種機器人的特點是結(jié)構(gòu)緊湊， 所占空間體積小，其操作比圓柱坐標型更為靈活，并能擴大機器人的工作空間，但旋轉(zhuǎn) 關節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個變量。 （4） 關節(jié)型機器人 關節(jié)型工業(yè)機器人是模擬人的上肢而構(gòu)成的。它的前三個轉(zhuǎn)動關節(jié)（ RRR）,腰關 節(jié)繞Z軸轉(zhuǎn)動，臂的兩個關節(jié)繞平行

35、于 Y軸的兩軸線轉(zhuǎn)動。它利用順序的三個圓弧運 動來改變手的空間位置，其特點是所占體積小，機構(gòu)緊湊，操作靈活性最好，運動速度 較高，操作范圍大，還能繞過其基座周圍的一些障礙物，但精度受手臂位姿的影響，實 現(xiàn)高精度運動較困難。這是機器人使用最多的一種操作機。 PUMA、CINCINNATI T3、 MTOMAN、ABB、KUKA等名牌機器人都是采用這種型式的操作機。 （5） 并聯(lián)機器人 該機器人采用六自由度的 Stewart平臺機構(gòu)作為機器人機構(gòu)。根據(jù)這種機構(gòu)的特點， 人們把它稱為并聯(lián)機構(gòu)。并聯(lián)機構(gòu)從結(jié)構(gòu)上是用 6根支桿將上下兩平臺聯(lián)接，這樣上下 平臺就可進行6個獨立運動，即有6個自由度，

36、在三維空間可以沿任意方向的移動和繞 任何方向的軸線轉(zhuǎn)動。 由于機械手、操作機、機器人有許多共同點，它們在技術上是相通的，有時很難嚴 格區(qū)分。同時，機器人技術目前正處于迅速發(fā)展階段，關于機器人的一些概念、定義， 仍在不斷充實、演變之中，存在著不同的認識和見解。從文獻中可以找到各種各樣關于 “機器人”的定義。1984年，國際標準化組織（ISO）采納了美國機器人協(xié)會（RIA） 給“機器人”下的定義，即“機器人是一種可重復編程和多功能的，用來搬運材料、零 件、工具的操作機?！被蛘摺笆且环N帶有執(zhí)行不同的工作任務的手臂，且可改編程序動 作來完成各種作業(yè)的特殊機械裝置。” 關于機器人如何分類，國際上沒

37、有制定統(tǒng)一的標準，有的按負載重量分，有的按控 制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應用領域分。 我國的機器人專家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機 器人。 所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。 而特種機器 人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務于人類的各種先進機器人，包括：服 務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在 特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、 軍用機器人、微操作機器人等。 目前，國際上的機器人學者，從應用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制

38、造環(huán)境下的 工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務機器人。隨著工業(yè)化的實現(xiàn)，信息化的到來，我們開 始進入知識經(jīng)濟的新時代。 創(chuàng)新是這個時代的源動力。文化的創(chuàng)新、觀念的創(chuàng)新、科技的創(chuàng)新、體制的創(chuàng)新改 變著我們的今天，并將改造我們的明天。 新舊文化、新舊思想的撞擊、競爭，不同學科、 不同技術的交叉、滲透，必將迸發(fā)出新的精神火花，產(chǎn)生新的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和物質(zhì)力量。 機器人技術就是在這樣的規(guī)律和環(huán)境中誕生和發(fā)展的 [9,10]。 科技創(chuàng)新帶給社會與人類的利益遠遠超過它的危險。 機器人的發(fā)展史已經(jīng)證明了這 一點。機器人的應用領域不斷擴大， 從工業(yè)走向農(nóng)業(yè)、服務業(yè)；從產(chǎn)業(yè)走進醫(yī)院、家庭; 從陸地潛入水下、飛往

39、空間；機器人展示出它們的能力與魅力，同時也表示了它們與人 的友好與合作。 1.4工業(yè)機器人的構(gòu)成及應用 1.4.1工業(yè)機器人構(gòu)成 一個機器人系統(tǒng)，一般由操作機、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求的外部設 備組成。 （1） 操作機（又稱執(zhí)行系統(tǒng)） 操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能，是可在空間抓 放物體或是進行其他操作的機械裝置。通常由以下部分構(gòu)成： ① 末端執(zhí)行器 又稱手部，是操作機直接執(zhí)行工作的裝置，并可設置夾持器、工具、傳感器等，是 工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。 ② 手腕 是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件， 主要用來確定和改變末

40、端執(zhí)行器的方位和擴 大手臂的動作范圍，一般具有 2-3個回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機 器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 ③ 手臂 它由操作機的動力關節(jié)和連接桿件等構(gòu)成， 是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位 置的部件。手臂有時不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(jié)（如關節(jié)型就可能很 多節(jié)），所以，它有時還應包括肘和肩的關節(jié)，即手臂與手臂間（靠近末端執(zhí)行器的一 節(jié)通常叫小臂，靠近基座的，通常叫大臂） ，手臂與基座間用關節(jié)連接，因而擴大了末 端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。 ④ 基座 有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構(gòu)中相對固定并承受相應的力的基礎部件

41、。可分固 定式和移動式兩類，移動式基座下部安裝了移動機構(gòu)，它可以擴大機器人的活動范圍。 （2） 控制裝置 它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規(guī)定 的要求動作?？刂蒲b置包括檢測（如傳感器）和控制（如計算機）兩部分，可用來控制 驅(qū)動單元，檢測其運動參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如 果沒有反饋控制，就是較簡單的開環(huán)控制。 （3） 人工智能系統(tǒng) 對于智能機器人，還應有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺系統(tǒng) （硬件），主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功能。另一部分為決策一一規(guī)劃智能系統(tǒng)（軟 件）,它包括邏輯判斷、模式識別、大容量

42、數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。 在實際使用的機器人中，不一定要具備上面所提到的功能中的全部裝置。但一般工 業(yè)生產(chǎn)中實用的機器人，至少應具有操作機、驅(qū)動單元和控制裝置中的大部分內(nèi)容。具 有人工智能系統(tǒng)的較為完善的智能機器人，目前尚處于實驗研究階段 [11-15]。 1.4.2工業(yè)機器人技術參數(shù) 工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)一般都應有：自由度、重復定位精度、工作范圍、最大 工作速度、承載能力等。 （1）自由度 機械手的運動可分整體運動、本體運動、臂部運動、腕部運動，每個運動坐標稱為 自由度。 一個機械手有幾個運動就叫做有幾個自由度，手爪的抓取動作（指的是手爪的夾緊 和松開），不計在自由度數(shù)目

43、內(nèi)。 圖1.3機器人的自由度 Fig 1.3 Liberty degree of the robot （2） 重復定位精度 工業(yè)機器人精度是指定位精度和重復定位精度。 定位精度是指機器人是手部實際到 達位置與目標位置之間的差異。 重復定位精度是指機器人重復定位其手部于同一目標位 置的能力，可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示，它是衡量一列誤差值的密度值，即重復 值。 （3） 工作范圍 工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合， 也叫做工作區(qū) 域。因為末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機器人的特征參數(shù)，所 以是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。 （4）最大工作速度 -9 -