要考虑到驱动控制等方面的问题，这和般的机械产品设计是不同的。另外，与般机械产品相比，机器人的机械设计在结构的紧凑性灵巧性方面有更高的要求。与机器人有关的概念以下是本文中涉及到的些与机器人技术有关的概念。自由度工业机器人般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。机器人的分类机器人分类方法有多种。按机器人的控制方法的不同，可分为点位类可分为搬运机器人喷涂机器人焊接机器人装配机器人切削加工机器人和特种用途机器人等。方案设计方案要求如前所述，该机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运装夹和日常生活中的持物看护等。能够固定在移动装置如上，以实现灵活移动。要求动作灵活，工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度在个，结构紧凑，重量轻。采用电动机驱动，设计负重为公斤，手爪开合范围。方案功能设计与分析机器人自由度的分配和手臂手腕的构形手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图。本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有六个自由度，其中手臂三个自由度。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。图几种多自由度机器人手臂构形手腕的构形也有多种形式。三自由度的手腕通常有以下四种形式型型型和型。如图所示。四种三自由度手腕构形表示弯曲结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度有变化。表示转动结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加了，控制型，连续轨迹控制型点位控制型机器人受控运动方式为自个点位目标向另个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。连续轨迹控制型机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。按机器人的结构分类，可分为四类直角坐标型该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好精度高。缺点是占地面积大工作空间小。圆柱坐标型该型机器人前三个关节为两个移动关节和个转动关节，以为坐标，位置函数为,其中，是手臂径向长度，是垂直方向的位移，是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。球坐标型具有两个转动关节和个移动关节。以为坐标，位置函数为，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度精度较差。关节坐标型有垂直关节型和水平关节型型机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大占地面积小，缺点是刚度和精度较差。按驱动方式分类按驱动方式可分为气压驱动液压驱动电气驱动。电气驱动是世纪年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单易于控制使用方便运动精度高驱动效率高不污染环境等优点。按用途分国是从世纪年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。年，我国的计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所年研制的喷涂机器人，年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华理工大学研制的点焊弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。我国目前拥有机器人台左右，主要在工业发达地区应用，而全世界应用机器人数量为万台，其中主要集中在美国日本等工业发达国家。在机器人研究方面，我国与发达国家还有定差距。工业机器人概述在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人般指在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运加工装配等操作的种机器人。工业机器人的定义为“种自动定位控制可重复编程的多功能的多自由度的操作机。能搬运材料零件或操持工具，用以完成各种作业。”操作机定义为“具有和人的端执行器在空间的位置，后三关节决定了末端执行器在空间的姿态。传动系统的布置总体结构方案确定后，作出机器人结构草图。在传动系统的布置方面，尝试了多种不同的方案。主要有以下几种，见图。方案图传动链最短，诱导运动少。但手腕结构尺寸大，重量大，腰部结构复杂。方案图方案图腰部结构简单，便于应用重力进行力矩平衡，但大小臂结构复杂，传动链长，诱导运动多，方案图传动链短，手腕重量轻，结构紧凑。综合考虑，最后确定方案为较优方案，根据该方案进行机械结构设计。方案描述该机器人固定在自动引导车上。这种可以实现水平方向两个自由度的运动，导航方式有多种，如磁导航激光导航程序自动轨迹控制等方式，因此，该机器人有运动自由灵活的特点。机器人本体由机座腰部大臂小臂手腕末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转大臂俯仰小臂俯仰手腕回转手腕俯仰手腕侧摆。机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单易于控制使用维修方便不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电。电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。确定这种机器人的个关节都采用步进电关节关节关节关节关节方案结构设计与分析该机器人的本体组成如图。各部件组成和功能描述如下底座部件底座部件包括底座回转部件传动部件和步进电机等。底座部件固定在自动引导车上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。腰部回转部件腰部回转部件包括腰部支架回转轴支架谐波减速器和步进电机制动器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支架上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。大臂部件包括大臂和传动部件。小臂部件包括小臂减速齿轮箱传动部件传动轴等，在小臂前端靠近大臂的端固定驱动手腕三个运动的步进电机手腕部件包括手腕壳体传动齿轮和传动轴机械接口等末端执行器为抓取不同形状不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为。考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制。设计了两种手爪。两种手爪都采用电机驱动，平行开合机构。方案采用了左右旋螺杆，同根螺杆端为左旋螺纹，另端为螺距相同的右旋螺纹，当螺杆转动时，两只螺母带动左右两个手指同时开合，燕尾导轨定向。方案的运动机构采用平行四连杆机构。方案比方案重量轻，被夹持物到手腕的高度尺寸大，刚度略差。使用了蜗轮蜗杆机构起到减速和增大扭矩的作用。两种手爪使用同样的与手腕连接的机械接口。机驱动，开环控制。由于大臂俯仰和小臂俯仰运动的力矩很大，分别为和左右，如果使用电机直接驱动的话，要求电机的输出扭矩很大，因此考虑在大臂关节和小臂关节处使用减速器。常用的减速器有行星减速器和谐波减速器等。谐波减速器具有传动比大承载能力强传动平稳体积小重量轻的优点，已广泛应用在现代机器人中。因此在大臂和小臂关节处使用了谐波减速器，减速比分别为和，使用的步进电机输出扭矩分别为和。在现代机器人结构中广泛使用着各种机器人轴承，常用的有环形轴承和交叉滚子轴承。这几种机器人专用轴承具有结构简单紧凑，精度高刚度大，承载能力强可承受径向力轴向力倾覆力矩和安装方便等优点。但考虑到这些轴承价格昂贵，而使用普通的球轴承或滚子轴承也能满足结构的需要，所以在该机器人的结构中仍然全部采用球轴承。在电机的布置上，考虑尽量将电机放置在相应的操作臂的前端，这样可以减小扭矩，同时也可以起到重力平衡的作用，但同时尽量避免过长的传动链，以简化结构，减少诱导运动。参考同类机器人的运动参数，结合工作情况的需要，定出该型机器人的运动参数如下关节关节关节关节关节关节最大加速度各关节转动范围关节旋转关节或移动关节连接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位姿关系末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系末端执行器的受力和各关节驱动力矩或力之间的关系等，都不是般机构分析方法能解决得了的，需要建立套针对空间开链机构的运动学静力学方法。末端执行器的位置速度加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要内容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化，在高速情况下，还存在哥氏力和离心力的影响。因此，机器人是个多输入多输出的非线性强耦合位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，因此，即使通过定的简化，也需要使用不同于般机构分析的专门分析方法。其次，由于开链机构相当于系列悬臂杆件串联在起，机械误差和弹性变形的累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机器人机械设计时特别要注意刚度和精度设计。再次，机器人是典型的机电体化产品，在进行结构设计时必须动机绝缘耐压强度的限制，电枢电压值只允许在其额定值以下调节，所以，不同值时的人为机械特性曲线均在固有机械特性曲线之下。改变电枢电压时的人为机械特性曲线如图所示。直流他励电动机改变电枢电压时的调速特性