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關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計要領(lǐng)
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[摘要]關(guān)節(jié)機器人，也稱關(guān)節(jié)手臂機器人或關(guān)節(jié)機械手臂，是當今工業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機器人的形態(tài)之一。適合用于諸多工業(yè)領(lǐng)域的機械自動化作業(yè)，比如，自動裝配、噴漆、搬運、焊接等工作。機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。
[關(guān)鍵詞] 關(guān)節(jié)型機器人 自由度 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計
引言：自古以來，人們所設(shè)想的機器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類只能的機器。特別是在20世紀20年代前后，捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品，更使機器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實生活中，一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪，也制造出一些仿人或仿生的機器人。
一：主要分類
六軸聯(lián)動關(guān)節(jié)機器人
按照關(guān)節(jié)機器人的構(gòu)造分類：
1、五軸和六軸關(guān)節(jié)機器人
擁有五個或六個旋轉(zhuǎn)軸，類似于人類的手臂。
應(yīng)用領(lǐng)域有裝貨、卸貨、噴漆、表面處理、測試、測量、弧焊、點焊、包裝、裝配、切屑機床、固定、特種裝配操作、鍛造、鑄造等。
2、托盤關(guān)節(jié)機器人
托盤關(guān)節(jié)機器人，未安裝托盤
二個或四個旋轉(zhuǎn)軸，以及機械抓手的定位鎖緊裝置。
應(yīng)用領(lǐng)域有裝貨、卸貨、包裝、特種搬運操作、托盤運輸?shù)取?/p>
3、平面關(guān)節(jié)機器人SCARA
平面關(guān)節(jié)機器人SCARA
三個互相平行的旋轉(zhuǎn)軸和一個線性軸。
應(yīng)用領(lǐng)域有裝貨、卸貨、焊接、包裝、固定、涂層、噴漆、粘結(jié)、封裝、特種搬運操作、裝配等。
國際機器人研究在經(jīng)過了80年代的低潮之后，呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形式;我國機器人研究在國家七五、八五及863計劃的推動下也取得了很大的發(fā)展。在70年代的機器人浪潮相比，現(xiàn)在的機器人研究有兩個特點：一是對機器人智能的定位有了更加符合實際的標準，也就是不要求機器人具有像人類一樣的高智商，而只是要求機器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。
我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果，其中最為突出的是水下遙控機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先行行列之中。
二：關(guān)節(jié)機器人總體設(shè)計
我國機器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國內(nèi)外機器人的快速發(fā)展，社會需求的增大和技術(shù)的進步，焊接機器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動關(guān)節(jié)機器人發(fā)展的直接動力。關(guān)節(jié)機器人在輕型、較簡單而且要求機器人價格較低的焊接作業(yè)中大顯身手。同時關(guān)鍵機器人腰部設(shè)計也是重中之重。下面就關(guān)節(jié)型機器人腰部設(shè)計要領(lǐng)進行介紹分析。
1：確定技術(shù)參數(shù)
機械結(jié)構(gòu)類型選擇
為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合。
a. 圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，供三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。
b. 直角坐標型 直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出。直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。
c.球坐標型 又稱極坐標型，
它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回 轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下 俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大 的特點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
d. 關(guān)節(jié)型
關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前 三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形 成肩關(guān)節(jié)， 大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)， 可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動， 小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進 機座的物體。
e.平面關(guān)節(jié)型
采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié);兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、 左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為
矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對以上五種方案進行比較：
方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作;
方 案二體積大，靈活性差;方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜;方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合 本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高
焊接機器人具有6個自由度：
① 腰關(guān)節(jié)回旋;
②臂關(guān)節(jié)俯仰;
③肘關(guān)節(jié)俯仰;
④ 腕關(guān)節(jié)仰腕;
⑤擺腕;
⑥懸腕。
其中要詳細的設(shè)計機器人基座和腰部結(jié)構(gòu)。
整體機器人要實現(xiàn)腕部最大負荷6kg，最大時速2m/s ，最大工作半徑1500mm 。
在設(shè)計過程中藥考慮很多問題：要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性;腰座軸系及傳動鏈的精度對末端執(zhí)行器的運行精度影響最大。因此腰座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準面。
2額定負載
目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中，其負載能力的范圍很大，最小的額定負載在5N以下，最大可達9000N。負載大小的決定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。
3.工作范圍
工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標形式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線間長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。
三：結(jié)語
綜上所述，關(guān)節(jié)型機器人越來越受到又各國人的關(guān)注與利用，機器人腰部設(shè)計也是重中之重。相信隨著科技發(fā)展，技術(shù)的提高與更新，關(guān)節(jié)型機器人得到更多人認可信賴以及應(yīng)用。
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