四自由度的工业机器人设计说明书

1 绪论

1.1四自由度的工业机器人的概念

四自由度的工业机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业四自由度的工业机器人则是在工业生产上应用的四自由度的工业机器人。美国四自由度的工业机器人工业协会提出的工业四自由度的工业机器人定义为：“四自由度的工业机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国和日本四自由度的工业机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准GB/T12643-90将工业四自由度的工业机器人定义为：“四自由度的工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。

四自由度的工业机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使四自由度的工业机器人进行作业而要求的外部设备组成。

1.1.1操作机

操作机是四自由度的工业机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成：

a.末端执行器又称手部，是四自由度的工业机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业四自由度的工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。

b. 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，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用四自由度的工业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。

c. 手臂它由四自由度的工业机器人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。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。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。

d. 机座有时称为立柱，是工业四自由度的工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。

1.1.2驱动单元

它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。

1.1.3控制装置

它是由人对四自由度的工业机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥四自由度的工业机器人按规定的要求动作。

1.1.4人工智能系统

它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。

1.2题目来源

本题设计的是一台四自由度的工业四自由度的工业机器人的设计，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用四自由度的工业机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率、实现生产过程自动化、改善劳动条件。

1.3技术要求

根据设计要达到以下要求

a.工作可靠，结构简单；

b.装卸方便，便于维修、调整；

c.尽量使用通用件，以便降低制造成本。

1.4本题要解决的主要问题及设计总体思路

本题要解决的问题有以下三个：

a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少重量和体积；

b. 提高手腕动作的精确性；

c. 三个自由度的实现。

针对上述问题有了以下设计思路：

a. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将3个驱动器安置在小臂的后端。

b. 提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于分离传动采用传动轴。

c. 驱动电机1经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体上作偏摆运动。电机2经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实现手腕的上下摆动。电机3经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的回转运动。

2 国内外研究现状及发展状况

2.1研究现状

从四自由度的工业机器人诞生到本世纪80年代初，四自由度的工业机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，四自由度的工业机器人技术也得到了飞速发展。除了工业四自由度的工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进四自由度的工业机器人系统也有了长足的进展。下面将按

工业四自由度的工业机器人和先进四自由度的工业机器人两条技术发展路线分述四自由度的工业机器人的最新进展情况。

2.1.1工业四自由度的工业机器人

工业四自由度的工业机器人技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的技术为基础融合而成的一种系统技术。

a. 四自由度的工业机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，四自由度的工业机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的四自由度的工业机器人公司，已将四自由度的工业机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了四自由度的工业机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了四自由度的工业机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使四自由度的工业机器人操作机几乎成为免维护系统。

b. 并联四自由度的工业机器人：采用并联机构，利用四自由度的工业机器人技术，实现高精度测量及加工，这是四自由度的工业机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现四自由度的工业机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。

c. 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴四自由度的工业机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。

d. 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在四自由度的工业机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了四自由度的工业机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。

e. 网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新四自由度的工业机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使四自由度的工业机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使四自由度的工业机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。

f. 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使四自由度的工业机器人系统的可靠性有了很大提高。过去四自由度的工业机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。

2.2.2先进四自由度的工业机器人

近年来，人类的活动领域不断扩大，四自由度的工业机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和四自由度的工业机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对四自由度的工业机器人的要求更高，需要四自由度的工业机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是四自由度的工业机器人技术的一个重要发展方向。

a. 水下四自由度的工业机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下四自由度的工业机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电