喷涂机器人的结构设计

喷涂机器人的结构设计

1绪论

1.1机器人的现状和发展趋势

机器人是一个在三维空间中具有多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、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”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置[5][6][8]”。

自从机器人在20世纪50年代诞生以来，在短短的50 多年里得到了迅速的发展，它经历了第一代工业机器人的研究、实用化、普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。

近几年国外机器人领域发展有如下几个趋势：

1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至1997年的6.5万美元。

2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。

3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

4)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

我国的机器人研究始于20世纪70 年代。经过30多年的努力，从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过科技人员几十年的科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

1.2机器人的结构概述

机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为了使机器人进行作业而要求的外部设备组成。

1.2.1操作机

操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成：

a.末端执行器又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。

b. 手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。

c. 手臂它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。

d. 机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。

1.2.2驱动单元

它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。

1.2.3控制装置

它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。

1.2.4人工智能系统

它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。

1.3课题研究的目的、意义和主要内容

制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。机器人在工业生产中被运用的广泛程度正是体现了一个国家的工业自动化程度。从某种意义上讲，也反映了一个国家的工业发展水平状况。每当人们在冲压、安装和整车组装生产线上无数次地重复同一个取放、安装零件的时候,往往求助于机器人,尤其在喷涂作业那种恶劣的环境中,机器人的使用大大减轻了工人的体力劳动，改善了工作状况,减少了产品的生产加工成本。以机器人为代表的现代自动控制科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，以机器

人为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。

目前，全世界的机器人保有量为几百万台，其中绝大部分为日、美等工业发达国家所有。我国目前拥有机器人4000多台，主要在工业发达地区应用。在机器人的应用方面，与发达国家还有一定的差距，所以我国未来的机器人的市场需求将是巨大的，在喷涂行业，为了避免人在有毒、易燃、易爆的恶劣环境下工作，减少喷涂的废品，提高喷涂质量，提高劳动生产率，迫切要求实现喷涂自动化。目前，喷涂机器人主要应用在汽车制造及家电生产领域，在木制品表面裝饰中应用较少。所以今后的市场需求会很大，本课题正是应对这种市场需求成立的。

本课题研究的主要内容是：为了达到喷涂工艺的要求和满足不同形状的表面喷涂要求，设计具有6个自由度的喷涂机器人，即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、手腕转动、手腕俯仰以及工具滚动。

喷涂机器人的本体结构为：机器人的机座（即底部和腰部的固定支撑）结构、腰关节传动装置、大臂（即大臂支撑架）结构及大臂传动装置、小臂（即小臂支撑架）结构及小臂关节转动装置、手腕（即手腕支撑架）结构及手腕关节转动装置。

主要对机器人的传动系统进行设计计算，机构布局设计、腰关节传动系统的设计、大小臂关节传动系统的设计、腕部传动系统的设计等。以及对组成各个转动关节的传动零部件进行设计、选择、校核、计算。最终，完成机器人整机的设计。