五自由度工业机器人结构设计毕业论文

1 工业机器人的概述

1.1工业机器人的组成

机械加工中使用的机器人大多是代替人上肢的部分功能，按给定的程序、轨迹和要求进行工作。它主要由执行系统、驱动系统、控制系统及检测系统组成。

执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身和行走机构等。

手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。

腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。

臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，并把它传递到预定的位置。

机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 行走机构：目前大多数工业机器人没有行走机构，本次设计“五自由度工业机器人”没有行走机构。

驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。

检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。

1.2工业机器人的分类

工业机器人的分类方法很多，这里主要以工业机器人的驱动方式、控制功能、编程方式、控制机构、坐标形式、自由度数以及抓取重量的不同进行分类。

1.按驱动方式分为液压传动，气压传动和电动。 2.按控制功能分为重复型和智能型。 重复型机器人能够按照事前编制的程序重复自动的工作。目前，机械加工系统中应用的工业机器人几乎都是这种。

智能型机器人除具有重复型的功能外，还具有视觉、触觉、识别和判断功能等。

按编程方式分为可编程序式和示教再现式。 按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制。

点位控制是指机器人的运动，只控制空间点的位置，而不控制由一个定位点到另一个定位点之间的运动轨迹。

连续轨迹控制是指能控制机器人的运动轨迹为空间任意曲线。

按控制机构分为开关型和伺服型。

开关型机器人是通过机械挡块、行程开关等电器触头的开关动作，得到位置信号，从而控制运动部件定位。这种机器人结构比较简单，只能用于点位控制，难于实现复杂运动。

伺服型机器人是根据连续输入指令，经过信号扩大，由伺服驱动机构控制运动。通常采用位置检测机构，检测机器人运动部件的位置和姿态变化，以控制机器人运动部件的准确定位。这种机器人可获得良好的运动特性，定位精度高，不仅适于点位控制，而且适于连续轨迹控制。

按坐标形式分为直角坐标式机器人、极坐标式机器人、圆柱坐标式机器人和多关节式机器人。

按自由度数分，机器人的自由度数越多，能用性就越广，但结构复杂。一般4到6个自由度即能满足稍复杂的使用要求了。

按抓取重量分大型、中型、小型和微型。

大型机器人的抓取重量为100kg以上； 中型机器人的抓取重量为10～100kg； 小型机器人的抓取重量为1～10kg； 微型机器人的抓取重量为1kg以下。

1.3工业机器人主要技术性能参数

工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：

抓取重量：

抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。

抓取工件的极限尺寸：

抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。

坐标形式和自由度：

说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。 运动行程范围：

指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。

运动速度：

是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180o/s，一般为50o/s。

定位精度和重复定位精度：

定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。 编程方式和存储容量。

1.4工业机器人的发展过程及其应用

1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。

20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。

20世纪50年代是工业机器人的萌芽时期，1954年美国戴沃尔发表了“通用重复型机器人”的专利论文，第一次提出了“工业机器人”的概念。1958 年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型。1959 年美国 UNIMATION 公司推出第一台工业机器人。美国是机器人的故乡。

20世纪60年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入发展期，机器人开始向适用化发展，并被用于电焊和喷涂作业。20世纪70年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入适用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施。其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。

图1.1 5自由度工业机器人

20世纪80年代工业机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。工业机器人的应用满足了人们特性化的要求，产品的批量越来越大，品种越来越多，而且产品的一致性也大大提高，为商家占有了更多的市场份额，获得了更多的市场利润。

20世纪90年代初期，工业机器人的生产与需求达到了一个高峰期。1990年世界上新装备工业机器人80943台，1991年装备了76443台，到1991年底，世界上己有53万台工业机器人工作在各条战线上。

目前工业机器人主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、金属加工以及金属制品业等。在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用，如图1.2，为美洲地区各行业对工业机器人的需求比。随着生产的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益扩大，其应用范围已不限于制造业，还用于农业、林业、交通运 输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。