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关节型机器人手腕设计提升焊接效率与质量
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更新于2024-06-23
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本篇文档是关于关节型机器人腕部结构设计的专业技术说明书。其核心目标是为了提升生产效率和焊接质量,针对特定的焊接作业需求设计一款高性能的机器人手腕。设计过程中,作者首先对工业机器人的基本概念进行了阐述,指出机器人是一种具备多种自由度、可编程的自动化设备,主要用于搬运、零件处理和工具操作。 文章详细介绍了机器人手腕的重要组成部分,包括: 1. 手腕:作为支撑和调整末端执行器的关键部件,手腕通常拥有2到3个回转自由度,能够灵活地调整末端执行器的位置,增加手臂的工作范围。设计中充分考虑了手腕的结构设计,如选择直流电动机驱动,合理配置电机、轴和齿轮,确保其在强度和灵活性上的平衡。 2. 传动系统:采用了软轴、波纹管联轴器和行星齿轮机构,这样既能实现摆腕、转腕和提腕的独立运动,又能保证传动的精度和可靠性。这些精密的传动设计使得机器人手腕可以精确地执行各种复杂的动作。 3. 标准化设计:在设计过程中,广泛使用标准件和常用件,这不仅简化了设计过程,降低了成本,也有利于提高生产效率和通用性,便于维护和升级。 4. 驱动单元:作为机器人动力的核心组件,驱动单元负责为手腕和操作机其他部分提供动力,包括驱动器和检测单元,确保机器人的动作控制准确无误。 5. 操作机的分类:操作机分为末端执行器(手部)、手腕、手臂和机座,每个部分都对机器人整体性能有着至关重要的影响。 通过本文档,读者可以了解到关节型机器人腕部结构设计的详细步骤和技术考量,以及如何通过精确的结构设计来满足工业生产中的特定任务要求。这对于从事机器人制造、设计和维修的专业人员来说,是一份极具价值的技术参考资料。
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b. 机器人控制技术:重点研究开放式,模块化控制系统,人机界面更加友好,
语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化,以及基于 PC
机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外,
离线编程的实用化将成为研究重点。
c. 多传感系统:为进一步提高机器人的智能和适应性,多种传感器的使用是其
问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法,特别是在非线性
及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实
用化。
d. 机器人的结构灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一体化方向发展。
e. 机器人遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术,多机器人和操作者之间
的协调控制,通过网络建立大范围内的机器人遥控系统,在有时延的情况下,建立
预先显示进行遥控等。
f. 虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术,实现
机器人的虚拟遥操作和人机交互。
g. 多智能体(multi-agent)调控制技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域。
主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理,感知与学习方法,建
模和规划、群体行为控制等方面进行研究。
h. 微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics):这是机器人研究的一个新
的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白,因此该领域研究的进展
将会引起机器人技术的一场革命, 并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可
估量的影响,微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、
传感技术、通信技术以及行走技术等方面。
我国对此进行了深入的研究。徐卫平和张玉茹发表的《六自由度微动机构的运
动分析》对六自由度微动机构进行了位移分析并为其结构设计提供了计算依据。还
有刘辛军、高峰和汪劲松发表的《并联六自由度微动机器人机构的设计方法》研究
了微动机器人机构的设计方法,建立了并联六自由度微动机器人的空间模型,并分
析了该微动机器人的空间模型,并分析了该微动机器人的机构尺寸与各向同性、刚
度等性能指标的关系得到了一系列性能图谱,从各图谱中可以看出各项性能指标在
空间模型设计参数空间中的分布规律,这有助于设计者根据性能指标来设计该微动
机器人的机构尺寸,是探讨微动机器人机构设计的有效分析工具。
3 总体方案设计
3.1 机械结构类型的确定
为实现总体机构在空间的位置提供的 6 个自由度,可以有不同的运动组合,根
据本课题可以将其设计成以下五种方案:
3.1.1 圆柱坐标型
这种运动形式是通过一个转动,两个移动,共三个自由度组成的运动系统,工
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作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较,在相同的工作空间条件下,机体所占
体积小,而运动范围大。
3.1.2 直角坐标型
直角坐标型工业机器人,其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成,其工作
空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离,可在各坐标轴上直接读出,直观性
强,易于位置和姿态的编程计算,定位精度高、结构简单,但机体所占空间体积大、
灵活性较差。
3.1.3 球坐标型
又称极坐标型,它由两个转动和一个直线移动所组成,即一个回转,一个俯仰
和一个伸缩运动组成,其工作空间图形为一个球形,它可以作上下俯仰运动并能够
抓取地面上或较低位置的工件,具有结构紧凑、工作空间范围大的特点,但结构复
杂。
3.1.4 关节型
关节型又称回转坐标型,这种机器人的手臂与人体上肢类似,其前三个关节都
是回转关节,这种机器人一般由立柱和大小臂组成,立柱与大臂间形成肩关节,大
臂和小臂间形成肘关节,可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动,小臂作俯仰摆
动。其特点使工作空间范围大,动作灵活,通用性强、能抓取靠进机座的物体。
3.1.5 平面关节型
采用两个回转关节和一个移动关节;两个回转关节控制前后、左右运动,而移
动关节则实现上下运动,其工作空间的轨迹图形,它的纵截面为矩形的同转体,纵
截面高为移动关节的行程长,两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形
状。在水平方向有柔顺性,在垂直方向有较大的刚性。它结构简单,动作灵活,多
用于装配作业中,特别适合小规格零件的插接装配。
对以上五种方案进行比较:方案一不能够完全实现本课题所要求的动作;方案
二体积大,灵活性差;方案三结构复杂;方案五无法实现本课题的动作。结合本课
题综合考虑决定采用方案四:关节型机器人。此方案所占空间少,工作空间范围大,
动作灵活,工艺操作精度高。
3.2 工作空间的确定
根据关节型机器人的结构确定工作空间。工作空间是指机器人正常工作运行时,
手腕参考点能在空间活动的最大范围,是机器人的主要技术参数。此机器人的工作
空间为 1500mm。
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