1.1工业机器人简介
机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务[1]。工业机器人是一种用于工业生产的机器人系统，通过自动化、可编程的控制下完成工作，并能够代替人力完成生产线上的各种工作，特别是在一些很不利于劳动者身体健康的恶劣环境下。
图 1 KUKA 工业机器人系统
机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分的代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
1.2 工业机器手简介
1.2 国内外工业机械臂的研究现状
自从 1959 年美国制造出世界上第一台工业机器人Unimate，经过多年的发展研究，国外发达国家的工业机器人技术和产品已经逐渐成熟，先后创建了一批知名的、有影响力的工业机器人制造企业，如德国 KUKA、瑞典 ABB、美国 Adept Technology、American Robot、日本 FANUC、安川电机公司等，其产品已经广泛应用于工业领域。
美国主要将机器人技术的研究集中在军事、航空、海洋、核工程等领域上，以Google 为代表的美国高科技企业已经开始与机器人产业结合发展起来，重点研发第三代智能机器人。图 1.3 中的谷歌 Atlas 机器人是目前最先进的机器人之一，它是一种具有高机动性的仿人机器人，它由液压驱动为四肢提供动力，能够依靠双足进行运动，并能用双臂搬起重物，同时在机器人的头部还配备了激光测距仪和立体相机两个视觉系统[5]。已成为各地区的支柱产业。
1.2.2 国内研究现状
国内对于机器人技术的研究起步较晚，通过对国外技术的引进，从 1972 年开始在我国科研院所和高校中开展对机器人核心技术的研究。1985 年哈尔滨工业大学成功研制出了我国第一台 HY-1 型焊接机器人，随后北京机床研究所和华南理工大学联合研制出 TJR-G1 型弧焊机器人，上海交通大学研制出“上海 1 号”、“上海 2 号”示教型机器人[15]。国内工业机器人中新松机器人是最具有代表性的产品，其技术主要来源于中科院沈阳自动化研究所，在工业机器人方面，研发出了七轴柔性协作机器人、轻量化复合机器人、双臂移动机器人等产品。
图 2新松 SR10C 型工业机器人
机器人手腕是机械手的一部分。手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，为使机器人末端执行器能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个，2个，或比3个更多。手腕自由度的选用与机器人的通用性，加工工艺性，工件放置方位和定位精度等有关。机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件,它的作用是调节或改变工件的方位, 因而它具有独立的自由度,以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。
3自由度手腕
3自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式。图2.34(a)所示是通常见到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、偏转和翻转运动, 即RPY运动。图2.34(b)所示是一个B关节和两个R关节组成的BRR手腕, 为了不使自由度退化, 使手部产生RPY运动,第一个R关节必须进行如图所示的偏置。图2.34(c)所示是三个R关节组成的RRR手腕,它也可以实现手部RPY运动。图2.34(d)所示是BBB手腕, 很明显, 它已退化为二自由度手腕,只有PY运动,实际上不采用这种手腕。此外, B关节和R关节排列的次序不同,也会产生不同的效果,同时产生了其它形式的三自由度手腕。为了使手腕结构紧凑, 通常把两个B关节安装在一个十字接头上, 这对于BBR手腕来说，大大减小了手腕纵向尺寸。
相比于一般的机械传动系统，工业机械臂的传动系统对位置精度和动态响应性能等方面需要较高的要求。为了使机械臂能够在定位精确、响应迅捷的条件下平稳运行，就需要对机械臂的传动系统进行分析与设计。工业机械臂在工作时，需要选择合适的驱动方式来驱动各关节的运动。工业应用中的驱动方式一般有液压驱动、电机驱动和气压驱动三种方式。本系统选择电机驱动方式。其中电机驱动又有步进电机驱动、直流伺服电机驱动和交流伺服电机驱动等方式，其各自特点如表 2.3 所示。步进电机驱动一般用于开环控制系统，在载荷较小、启停较缓、位置精度要求不非常高的场合，在一定情况下为降低成本可以代替伺服电机系统。直流伺服电机常用于对转速或转速变化精确控制的驱动场合，但其结构中有电刷和换向器，尺寸较大，容易受到使用环境的限制。交流伺服电机改善了这一缺陷，同时也具有启动力矩大，快速响应性好，控制精度高，体积小，转动惯量小等特点，所以在工业机械臂系统中广泛应用。因此，考虑到机械臂需要在定位精度和响应速度的性能要求较高的应用场合，选用交流伺服电机作为机械臂各关节的驱动原件较为合理。腕部关节可以采用远程驱动或直接驱动。
(3) 腕部关节传动方案设计
机械臂腕部三个关节的传动方案需要考虑电机和减速器的安装方式，以及动力的传输方式。考虑到行星减速器轴向尺寸较长的问题，选择后三个关节的伺服电机和减速器都安装在肘部后端的方案，如图 2.9 所示。第 4 关节电机通过与减速器连接，带动小臂转动，完成腕部的扭转运动；第 5、6 关节电机通过与减速器连接，然后通过齿轮副传动将动力传输到腕关节，再通过锥齿轮换向，完成腕关节的俯仰运动和末端法兰盘的旋转运动。此传动方案的优点是后三轴的电机和减速器均安装在小臂后侧，相比于电机和减速器直接安装在小臂和腕部内部，减轻了小臂和腕部的质量，减少了手臂末端的惯性力，还可以起到一定平衡中心的作用；而且齿轮具有可靠、耐冲击、传输功率大的优点。缺点是肘部空间需要设计较大尺寸，结构比较复杂，需要较高的装配精度，还要考虑齿轮传动产生噪声、振动、方向间隙等问题。
综上所示，初步选定了各关节的传动方式，如表 2.5 所示。
第 2 章 六自由度工业机械臂运动系统总体设计
工业机械臂是一种典型的机电一体化装备，整个工业机械臂系统主要包括结构本体、驱动系统、传感系统及控制系统。
2.2 设计原则、设计思路及设计要求
工业机械臂运动系统设计是一项综合性的工作，在设计过程中应注意以下设计原则：
(1)最小运动惯量原则，减小机械臂的运动惯量，可以提高机械臂的运动平稳性。
(2)高强度设计原则。在机械臂上，应当选择强度相对较高但密度相对较小的材料。
(3)高刚度设计原则。应选择弯曲刚度和扭转刚度较高的剖面形状和尺寸，以提高刚度。
(4)可靠性原则。可靠性问题对于机械臂这种结构复杂、环节较多的系统显得十分重要。
(5)经济性原则。设计的机械臂应当在满足各项性能指标的情况下，使其更具经济性。
2.2.2 设计思路
通过借鉴国内外现有工业机械臂的基础上，根据设计需求制定机械臂的主要技术参数，对机械臂的结构类型、驱动方式及各关节的传动方案进行选定。通过运用SolidWorks 软件和 CAXA软件，对机械臂各关节零件进行结构设计和整机装配。然后使用MATLAB等计算机辅助软件对机械臂结构进行仿真分析，通过分析仿真数据对机械臂的结构设计进行检验和优化，再对其结构进行改进以达到设计需求。
2.2.3 设计要求
(1)自由度
在此次课程设计当中，要求对后3关节（J4、J5、J6）进行设计，其自由度为3。
(2)负载能力
负载能力是指机械臂在完成工作时末端所能承受的负载重量。一般机械臂在低速运动时的负载能力较大，一般以最快运行时机械臂末端所能承受的最大负载重量作为负载能力的指标。在此次课程设计当，对后3关节进行设计，机器人末端最大负载为12kg。
(3)运动速度
运动速度一般是指各关节运动时的最大转动速度。课程设计中速度工作范围如下。
2.3.1 主要技术参数
结合课程设计的实际的工作任务要求，最终确定了该工业机械臂的主要技术参数，如表 2.1 所示。
| 关节 |
关节范围 |
额定速度 |
| J4 |
±350°（关节零位时关节4的轴线与地面平行） |
122°/s |
| J5 |
±122.5° |
113°/s |
| J6 |
±350°（关节零位时关节6的轴线与地面垂直） |
175°/s |
2.3.3 机械臂手腕的结构类型设计
机械臂的手腕位于机械臂的末端，用来连接手臂和末端执行器，利用其灵活的特性来对末端执行器进行位姿调整。一般情况下，三个自由度的手腕就能带动末端执行器在空间中进行灵活自如的位姿调节，手腕的运动通常是通过不同类型的关节协调完成的。目前经常采用的手腕类型有以下四种：RRR 型、BRR 型、BBR 型和 RBR 型，其中 R 为回转关节，B 为俯仰关节。各类型手腕的结构简图如图 2.5 所示。
对各构型手腕的结构简图分析可知，RRR 型手腕结构的各关节转动范围最大，灵活性好，但是结构复杂，强度和刚度较小，使得机械臂的负载能力降低，一般用于喷涂机器人中；BRR 型手腕结构将第一个 R 关节进行了偏置，使得手腕的尺寸变大；BBR 型手腕结构减小了纵向结构尺寸，但是使工作范围变小，动作不够灵活；RBR 型手腕结构其结构紧凑，三个关节的旋转轴线始终相交于一点，其运动学逆问题有封闭形式的解析解，控制算法较为简单，且易于实现远距离的动力传动和控制。比较后选择结构类型RBR 型手腕。
2.1机器人手腕总体设计概述
手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，为使机器人末端执行器能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R、俯仰P和偏转Y。根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个，2个，或比3个更多。手腕自由度的选用与机器人的通用性，加工工艺性，工件放置方位和定位精度等有关。
图1 腕部的坐标系
确定末端执行器的作业方法，一般需要3个自由度，由3个回转关节组合而成，组合的方式有多种多样。常用的如图1所示，腕关节配置一般由臂转、腕摆、手转三部分组成。
- 臂转 绕小臂轴线方向的旋转称为臂转。
- 腕摆 使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。
- 手转 使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称为手转。
手腕的设计除应满足起动和传递过程中所需的输出力矩外，还要求满足以下要求：
（1） 由于腕部处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求腕部结构紧凑、减少重量和体积。腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安置在手臂的后端。
（2） 手腕部件的自由度越多，各关节的运动范围越大，动作灵活性越高，但会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。因此不应盲目增加手腕的自由度。通用的机器人手腕多配置3个自由度，某些专用工业机器人的手腕，根据实际需要，可减少其自由度。
（3） 为提高腕部动作的精确性，应提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。
（4） 对手腕各回转关节轴上要设置限位开关，以防止关节超限造成事故。
2.2腕部的结构特点
腕部结构通常只采用转动方式，但也有的腕部可作短距离平移。 根据转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为弯转（用B来标记）和滚转（用R来标记），分别如图3中（a）和（b）所示。
图3 腕部的运动形式（滚转和弯转）
有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。其中BBR型的手腕最为流行。
（c） （d）
（e） （f）
图6 三自由度手腕运动形式
根据机械臂的设计要求，同时结合机械臂手臂和手腕各构型特点的分析比较，提出六自由度关节型机械臂的结构简图，机械臂整个机构为一个串联型单开链的结构形式，由六个关节组成，前三个关节负责机械臂的位置调整，后三个关节负责机械臂的姿态调整。
４轴、５轴和６轴的结构示意图如图４所示。４自由度电机与４自由度电机安装套通过螺栓连接，４ 自由度电机安装套与机械臂小臂（图４ 中未示出）通过螺栓连接，联轴器与５ 自由度电机安装套通过螺栓连接，５ 自由度电机安装套通过轴承嵌套在机械臂的小臂内部，４ 自由度电机输出轴与联轴器采用键连接，联轴器与５ 自由度电机安装套采用键连接，机械臂的手腕部分与５ 自由度电机安装套采用螺钉连接的方式，从而使４ 自由度电机的动力可以传递到手腕部分，带动手腕前部的旋转。５ 自由度电机安装在相应的电机安装套中，５ 自由度电机的输出轴与锥齿轮１ 采用键连接，锥齿轮２ 与锥齿轮１ 为１ ∶ １ 传动。６ 自由度关节的相应部件安装在６ 自由度电机安装套之上，６ 自由度电机安装套与锥齿轮２ 通过键连接固定，从而使５ 自由度电机的动力可以传递到手腕的前部，带动手腕前部的俯仰。
为增强机械臂的工作能力，关节４与关节６ 可以实现连续旋转，为避免导线由于连续旋转而造成的拧断现象，使用了滑环结构。一对滑环结构由两片组成（称之为上片和下片） ，一片具有滑道，一片具有触点，通过触点与滑道的摩擦接触传递信号，本文采用的滑环可以通过低于１０ A 的电流。机械臂共有３ 处采用滑环结构，其１４ 路滑环结构如图５ 所示。其中，夹持器的控制线需要滑环过渡，预留了６ 路信号；６ 自由度电机与夹持器的控制线需要滑环过渡，预留了１４ 路信号；５ 自由度电机的控制线需要滑环过渡，预留了５路信号。图５ １４ 路滑环结构图2 控制系统设计机械臂控制系统结构框图如图６ 所示。
4 轴~6 轴的机械结构设计后3 个关节控制前臂转动、腕部摆动和腕部转动,3 个电机均布置于小臂的后侧,采用外部走线,保证了电机信号的稳定性(采用内部走线需设计导电滑环结构,信号不稳定。小臂旋转电机通过一级直齿减速,直接与小臂固定连接,控制小臂沿轴线转动;腕部摆动电机和腕部转动电机均由齿轮减速,通过传动轴将驱动力传到腕部。腕部摆动传动轴和腕部摆动锥齿轮1 相连,摆动锥齿轮2 与腕部壳体相连,实现腕部的摆动;腕部转动传动轴经过锥齿轮、直齿轮和锥齿轮的传动,实现腕部沿轴线转动。
腕部摆动传动轴和腕部摆动锥齿轮1 相连,摆动锥齿轮2 与腕部壳体相连,实现腕部的摆动;腕部转动传动轴经过锥齿轮、直齿轮和锥齿轮的传动,实现腕部沿轴线转动。图4 为腕部传动示意图
