工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)的記憶功能、編程功能來控制操作機(jī)自動(dòng)完成工業(yè)生產(chǎn)中某一類指定任務(wù)的高新技術(shù)，是當(dāng)今各國競相發(fā)展的高技術(shù)內(nèi)容之一。它是綜合了當(dāng)代機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展起來的產(chǎn)物，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)和控制器兩大部分組成。操作機(jī)按計(jì)算機(jī)指令運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)無人操作；控制器中計(jì)算機(jī)程序可依加工對象不同而從新設(shè)計(jì)，從而滿足柔性生產(chǎn)的需要。機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括建筑、醫(yī)療、采礦、核能、農(nóng)牧漁業(yè)、航空航天、水下作業(yè)、救火、環(huán)境衛(wèi)生、教育、娛樂、辦公、家用、軍用等方面，工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)主要應(yīng)用于危險(xiǎn)、有毒、有害的工作環(huán)境以及產(chǎn)品質(zhì)量要求高（超潔、同一性）的重復(fù)性作業(yè)場合，如焊接、噴涂上下料、插件、防爆等。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)1．主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題是選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式。工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式主要有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等。直角坐標(biāo)式機(jī)器人主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢測作業(yè)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主要有三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)，升降，手臂伸縮。手腕常采用兩個(gè)自由度，繞手臂縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng)與垂直的水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。手腕若采用三個(gè)自由度，機(jī)器人總自由度達(dá)到六個(gè)。球面坐標(biāo)式機(jī)器人也叫極坐標(biāo)式機(jī)器人，具有較大的工作范圍，設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手腕的三個(gè)自由度上的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（俯仰、偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)）用來最后確定末端操作器的姿態(tài)，它是一種慣犯使用的擬人化的機(jī)器人。6自由度機(jī)器人6自由度機(jī)器人CobraSeries

桌面機(jī)器人Reach:600mm/800mm

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60MillionCyclesSmartModules框架機(jī)器人

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DesignLife:5000km直角坐標(biāo)機(jī)器人工作臺(tái)：2．傳動(dòng)方式傳動(dòng)方式選擇是指選擇驅(qū)動(dòng)源及傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動(dòng)形式，主要包括：直接連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源或帶有機(jī)械傳動(dòng)裝置直接與關(guān)節(jié)相連。遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動(dòng)后與關(guān)節(jié)相連。間接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源經(jīng)一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械裝置與關(guān)節(jié)相連。直接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個(gè)速比等于1的機(jī)械傳動(dòng)這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。3．模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化機(jī)器人是有一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼接的方式組成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。模塊化設(shè)計(jì)是指基本模塊設(shè)計(jì)和結(jié)合部設(shè)計(jì)。模塊化工業(yè)機(jī)器人主要的特點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)性、靈活性4．材料的選擇與一般機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是十分重要的，這是材料選擇的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求是：強(qiáng)度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材料價(jià)格低。5．平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)多剛體耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)的平衡性是極其重要的，在工業(yè)中采用平衡系統(tǒng)的理由是：安全、借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值、借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致慣性一類新穎的致動(dòng)設(shè)備(例如致動(dòng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等)正在步入商業(yè)化。它們基于在受到電刺激時(shí)會(huì)改變形狀的聚合物。數(shù)十年前，構(gòu)建致動(dòng)器或者致動(dòng)設(shè)備的工程師就已經(jīng)為肌肉找到了一種人造替代物。作為對神經(jīng)刺激的響應(yīng)，肌肉只須改變長度就能夠準(zhǔn)確地控制其施加的力量，例如眨眼睛或舉起杠鈴。同時(shí)，肌肉還表現(xiàn)出比例恒定的屬性：對于各種尺寸大小的肌肉，其機(jī)理都一樣，相同的肌肉組織既可以給昆蟲、也能夠?yàn)榇笙筚x予力量。因此，對于難以制作電動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，某種類似肌肉的東西也許會(huì)有用武之地。EPAs號(hào)稱要成為未來的人造肌肉。研究人員已經(jīng)在雄心勃勃地工作，希望能夠?yàn)樵S多當(dāng)代的技術(shù)尋找基于EPA的可選方案，而且不害怕將他們的發(fā)明物與自然物競爭。幾年前，有幾個(gè)人，包括來自美國加州帕薩迪納噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的高級(jí)科學(xué)家YosephBar-Cohen，向電活化聚合物研究團(tuán)體發(fā)起了一項(xiàng)挑戰(zhàn)，以激發(fā)人們對該領(lǐng)域的興趣：展開一項(xiàng)競賽，看誰能夠最先制造出EAP驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人手臂，而且必須在與人的手臂的一對一掰手腕比賽中取勝。

在壓電材料中，機(jī)械應(yīng)力可導(dǎo)致晶體電極化，而且反之亦然。用電流刺激這種材料將使其變形；通過改變其形狀可以產(chǎn)生電。塑料對電的反應(yīng)響應(yīng)電流而改變形狀的聚合物可分為兩類：離子型和電子型，其優(yōu)勢和劣勢正好互補(bǔ)。離子型EAPs(包括離子聚合物凝膠體、離子性高分子如金屬復(fù)合材料、導(dǎo)電性高分子以及碳納米管)是在電化學(xué)的基礎(chǔ)上工作——即正負(fù)離子的移動(dòng)和擴(kuò)散。它們可以直接用電池帶動(dòng)，因?yàn)榧幢阋粋€(gè)個(gè)位(single-digit)電壓也能夠使它們大幅度彎曲。不足之處在于，離子型EAPs通常必須是濕的，因此應(yīng)當(dāng)密封在撓性薄層中。許多離子型EAPs的另一個(gè)主要缺陷在于只要電流接通，該材料就會(huì)一直運(yùn)動(dòng)，如果電壓超過一定值，將會(huì)產(chǎn)生電解，從而給材料造成無法修復(fù)的損壞。相反，電子型EAPs(例如鐵電聚合物、電介體、電絕緣橡膠以及電致伸縮移植橡膠)則由電場驅(qū)動(dòng)。它們需要相對較高的電壓，因此會(huì)產(chǎn)生讓人不舒服的電擊。但是，作為回報(bào)，電子型EPAs能夠迅速作出響應(yīng)，并且傳遞較強(qiáng)的機(jī)械力。它們不需要保護(hù)薄層，而且?guī)缀醪恍枰娏骶湍軌虮３帜硞€(gè)定位。SPR的人造肌肉材料屬于電子型EAP類型。它的成功開發(fā)經(jīng)歷了漫長曲折的道路，而且多少帶有一些偶然性，可以稱得上是奇思怪想式技術(shù)創(chuàng)新的一個(gè)經(jīng)典范例。四、機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)人的下肢主要功能是承受體重和走路。對于靜止直立時(shí)支承體重這一要求，機(jī)器人還容易做到，而在像人那樣用兩足交替行走時(shí)，平衡體重就存在著相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)問題了。首先讓我們分析一下人的步行情況。走路時(shí)，人的重心是在變動(dòng)的，人的重心在垂直方向上時(shí)而升高，時(shí)而下降；在水平方向上亦隨著左。右腳交替著地而相對應(yīng)地左、右搖動(dòng)。人的重心變動(dòng)的大小是隨人腿邁步的大小、速度而變化的。當(dāng)重心發(fā)生變化時(shí)，若不及時(shí)調(diào)整姿勢，人就會(huì)因失去平衡而跌倒。人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)耳的平衡器官能感受到變化的情況，繼而通知人的大腦及時(shí)調(diào)動(dòng)人體其他部分的肌肉運(yùn)動(dòng),巧妙地保持人體的平衡.而人能在不同路面條件下(包括登高、下坡、高低不平、軟硬不一的地面等）走路，是因?yàn)槿四芡ㄟ^眼睛來觀察地面的情況，最后由大腦來決策走路的方法，指揮有關(guān)肌肉的動(dòng)作。從而可以看出，要使機(jī)器人能像人一樣，在重心不斷變化的情況下仍能穩(wěn)定的步行，那是困難的。同簡化人手功能制造機(jī)器人的上肢的方法一樣，其下肢沒有必要按照人的樣式全盤模仿。只要能達(dá)到移動(dòng)的目的，我們可以采取多種形式：用足走路是一種形式，還可以像汽車、坦克那樣用車輪或履帶（以滾動(dòng)的方式）來移動(dòng)。如何正確引導(dǎo)機(jī)器人的移動(dòng)：移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)向從大的方面來分，有軌道式和無軌道式兩種。軌道式是檢測機(jī)器人與軌道的相對位置進(jìn)行導(dǎo)向的；無軌道式則是檢測機(jī)器人在移動(dòng)環(huán)境中的位置進(jìn)行導(dǎo)向的。用軌道來引導(dǎo)機(jī)器人移動(dòng)的方法有多種：一是像鐵路鋪軌道一樣，機(jī)器人的輪子在軌道上滾動(dòng)，由軌道引導(dǎo)到各工作位置。在車間地面下淺層snun－10mm處敷設(shè)電纜，通人數(shù)千HZ（赫芝）高頻交流電，使之產(chǎn)生磁場；在移動(dòng)機(jī)器人身上安裝兩個(gè)測向線圈檢測磁場信號(hào)，進(jìn)行移動(dòng)導(dǎo)向。移動(dòng)路線由所敷設(shè)的電纜決定。電纜敷好以后，要改變導(dǎo)向路線就很困難，但可靠性高，大多數(shù)工廠車間內(nèi)都采用這種方法。也有的把金屬箔帶或白色帶子沿著機(jī)器人必須行走的路線貼在地面上，當(dāng)光線照在地面上時(shí)，用電視攝像機(jī)或光電管判別白帶反射光譜來進(jìn)行導(dǎo)向。這種方法比起敷設(shè)電纜，改變移動(dòng)路線要容易一些。更方便的方法是激光導(dǎo)向，即在機(jī)器需要經(jīng)過的道路上用激光照射，依靠移動(dòng)機(jī)器人身上安裝的激光測定器來測定其移動(dòng)方向，控制指揮機(jī)器人移動(dòng)。無軌道式導(dǎo)向主要用于自動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，它要求機(jī)器人能自動(dòng)識(shí)別自身所處位置，選擇移動(dòng)路線而自主運(yùn)動(dòng)。因此，機(jī)器人必須裝有視覺、觸覺等裝置，用來辨識(shí)環(huán)境和道路情況，測出自己的位置和方向，通過計(jì)算機(jī)控制自身的運(yùn)動(dòng)。常用的最簡單的方法是超聲導(dǎo)向方法。眾所周知，振幅的眼睛在夜里是看不見東西的，但它能從體內(nèi)發(fā)出并接受超聲波，依靠超聲波在夜間飛行。利用這一原理，給機(jī)器人配備超聲波發(fā)射器及接受器，移動(dòng)前先發(fā)射超聲波，接受器根據(jù)超聲波的反射波情況，測出機(jī)器人與壁式障礙物間的相對距離及道路情況，從而決定其運(yùn)動(dòng)方向，控制機(jī)器人的移動(dòng)。如果再加上攝像機(jī)的視覺引導(dǎo)，機(jī)器人的移動(dòng)就更加自如。采用無軌道式導(dǎo)向裝置，檢測時(shí)需用較復(fù)雜的裝置，價(jià)格昂貴，可靠性還存在問題，但其靈活性則遠(yuǎn)比軌道式大。進(jìn)一步完善后，完全有可能替代軌道式的導(dǎo)向控制，在生產(chǎn)車間內(nèi)應(yīng)用。五、機(jī)器人的嗅覺給機(jī)器人裝上鼻子就要用到嗅覺傳感器，使它能感受各種氣味，從而用來識(shí)別其所在環(huán)境中有害氣體，并測定有害氣體的含量。目前還做不到讓機(jī)器人像人一樣聞出多種氣味的機(jī)器鼻子。常用的嗅覺傳感器是半導(dǎo)體氣體傳感器，它是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體的物理性質(zhì)變化，借以測定某種特定的氣體成分及其含量的。大氣中的氣味各種各樣，而目前研制出的氣體傳感器只能識(shí)別像H2、C2、CO、NO等少數(shù)氣體。因此，除特殊需要安裝探測特定氣體的氣體傳感器外，一般的機(jī)器人基本上沒有嗅覺。六、機(jī)器人的觸覺觸覺是接觸、滑動(dòng)、壓覺等機(jī)械刺激的總稱。多數(shù)動(dòng)物的觸覺器是遍布全身的，像人的皮膚位于人的體表，依靠表皮的游離神經(jīng)末梢能感受溫度。痛覺、觸覺等多種感覺，因此，對人來說，除了視覺以外，觸覺接受外界的信息量最多。但是昆蟲或甲殼類動(dòng)物的觸覺器官卻集中在頭部的觸角中。像蟋蟀與蝦的觸須有身體長度的2．5－3倍。依靠長觸須可確認(rèn)遠(yuǎn)處物體所在的位置，判別其大小。要使機(jī)器人具有動(dòng)物那樣敏感的觸覺是相當(dāng)困難的，機(jī)器人裝上觸覺傳感器的目的是檢測機(jī)器人的某些部位（如手或足）與外界物體是否接觸，識(shí)別物體的形狀和在空間的位置，保證機(jī)器人的手能牢固地抓住物體，或保證其足能穩(wěn)穩(wěn)地踩在地面上。雖然這些事情大多數(shù)都可以用視覺傳感器來解決，但視覺系統(tǒng)造價(jià)昂貴，控制復(fù)雜，特別是在暗處，或者障礙物存在于視覺傳感器和對象物之間，就無法獲得視覺信息。與視覺系統(tǒng)相比，觸覺系統(tǒng)要簡單得多，價(jià)錢也便宜得多，這就是廣泛使用觸覺傳感器的原因所在。因此，給機(jī)器安裝上恰當(dāng)?shù)挠|覺傳感器，使機(jī)器人具有一定的觸覺知能，就有更重要的意義了。機(jī)器人的觸覺集中在手上，因?yàn)樗饕怯檬种竵斫佑|物體的。要想獲得較多的觸覺信息，最好在手指表面大范圍地分布相同的觸覺傳感器；用像人的皮膚那樣柔軟而富有彈性的材料制作機(jī)器人的手，藉以增大與物體的接觸面，牢固地握住物體。此外，還希望觸覺傳感器形體小、重量輕、靈敏度高、集成度高、可靠性高。七、機(jī)器人的視覺機(jī)器人視覺系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下三方面：1．用視覺進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)，代替人的目檢。包括：形狀檢驗(yàn)棗檢查和測量零件的幾何尺寸。形狀和位置；缺陷檢驗(yàn)檢查零件是否損壞，劃傷；齊全檢驗(yàn)棗檢查部件上的零件是否齊全。2．在機(jī)器人進(jìn)行裝配、搬運(yùn)等工作時(shí)，用視覺系