工业机器人球坐标型机械臂结构设计-论文正文

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

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

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

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，

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