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工业机器人论文#精选
工业机器人概述
关键词：
工业机器人概述气动履带式钻车行走机构改进设计
1、引言
工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。
它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿
生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。
它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。
在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。
随着我国改革开放的逐渐深入,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人的相关技术与研究进展，显得十分重要。
正文
2、机器人的发展及作用（应用）
1920年，捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词。
剧中机器人（robot）这个词的本义是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。
“机器人”一词虽出现得较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。
制造机器人是机器人技术研究者的梦想，代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。
自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类特点或具有模拟动物特征的机器人雏形。
西周时期，我国的能工巧匠堰师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的具备机器人概念的文字资料。
春秋后期，我国著名的木匠鲁班在机械方面也是一位发明家，据《墨经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下”，体现了我国劳动人民的聪明才智。
东汉时代，著名科学家张衡不仅发明了地动仪、计里鼓车，而且发明了指南车，这些发明都是具有机器人构想的装置。
1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪地道顿崛演出。
1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，他的本意是想把生物的功能机械化，以进行医学上的分析。
1768-1774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制造出三个像真人一样大小的机器人-----写字偶人，绘图偶人和弹风琴偶人。
1893年，加拿大莫尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”以蒸汽为动力。
继20世纪20年代查培克之后，机器人成为许多科幻电影、科幻小说的主人公。
人们对机器人寄予很高的期望，而这些在当时的科学技术条件下是无法实现的。
即使是现在，要造成有类似人的智慧、感情的机器人仍是科学家的梦想和追求。
进入20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。
20世纪50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手。
这是一种主从型控制系统，系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主、从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主、从机械手系统的出现为机器人的产生以及近代机器人的设计与制造作了铺垫。
在此前后，美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手。
1954年，他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置，发表了《适用于复杂作业的通用性工业机器人》一文，并获得美国的专利。
戴沃尔将数控机床的伺服与遥控操作器的连杆机构连接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助独立运行。
这种机械人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作。
示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内。
在任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为可编程和示教-再现功能。
在此期间，一些实用化的机器人相继问世。
1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。
当今机器人技术正逐渐向着具有行走能力、多种感觉能力以及对作业环境的较强自适能力的方向发展。
美国贝尔科尔公司已成功地将神经网络装配在芯片上，其分析速度比普通计算机快千万倍，可更快、更好地完成语言识别、图像处理等工作。
目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。
美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。
20世纪70年代以来，许多大学开设了机器人课程，开展了机器人学的研究工作。
随着机器人学的发展，相关的国际学术交流活动也日渐增多，目前最有影响的国际会议是IEEE每年举行的机器人学及其自动化国际会议，此外还有国际工业机器人会议（ISIR）和国际工业机器人技术会议（CIRT）等。
出版的相关期刊有《RobotToday》、《RoboticsResearch》、《RoboticsandAutomation》等多种。
我国机器人研究起步较晚，约于20世纪70年代末、80年代初开始。
20世纪90年代中期，6000m以下深水作业机器人实验成功，以后的十多年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。
3、机器人的组成及参数
作为一个系统，一般说来，机器人由三部分、六个子系统组成，如图3.1所示。
这三部分是机械部分、传感部分和控制部分；六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感知系统、控制系统、机器人-环境交互系统和人机交互系统等。
（1）驱动系统
要使机器人运行起来，需要给各个关节即每个运动自由度安置传动装置。
驱动系统就是提供机器人各部位、各关节动作的原动力。
驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动、或者把它们结合起来应用的综合系统；可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构间接驱动。
（2）机械结构系统
机械机构系统，它由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成。
其中关节又分为滑动关节和转动关节。
实现机身、手臂各部分、末端操作器之间的相对运动。
工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端执行器三大部分组成，每一部分都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。
常见的有行走机器人，机身具备行走机构。
还有单机器人臂是指机身不具备行走及腰转机构。
单臂机器人的手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。
手腕上装有末端执行器是该机构的重要部件，它可以是两手臂或手指的手爪，也可以是喷枪、焊枪等作业工具。
（3）感知系统
机器要获取内部和外部环境状态中有意义的信息，需要感知系统。
感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成。
智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水准。
人类的感知系统对感知外部世界的信息是极其灵巧的，然而对于一些特殊的信息，传感器比人类的感知系统更有效。
（4）控制系统
控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。
假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。
控制系统根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统，根据控制运动的形式可分为点位控制系统和轨迹控制。
（5）机器人-环境交互系统
工业机器人与外部环境中的设备互相联系和协调是由机器人-环境交互系统来实现的。
工业机器人与外部设备集成一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。
当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备及多个零件存储装置等集成为一个执行复杂任务的功能单元。
（6）人机交互系统
人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，该系统归纳起来分为两大类：
指令给定装置和信息显示装置。
。
例如计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板及危险信号报警器等。
（七）机器人的技术参数
（1）自由度
自由度是指机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。
在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要6个自由度。
工业机器人的自由度是根据其用途而设计的。
例如，A4020型装配机器人具有4个自由度，可以在印制电路板上接插电子器件；PUMA562型机器人具有6个自由度，可以进行复杂空间曲线的弧焊作业。
从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人，冗余自由度机器人利用冗余自由度可以增加机器人的灵活性、躲避障碍物和改善动力性能。
人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有七个自由度，所以工作起来很灵巧，手部可回避障碍而从不同方向到达同一个目的点。
自由度公式：
（2）分辨率
在机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单元性能的影响。
分辨率分为编程分辨率与控制分辨率，统称为系统分辨率。
编程分辨率是指程序中可以设定的最小距离单位，又称基准分辨率。
控制分辨率是位置反馈回路能够检测到的最小位移量。
（3）精度
机器人的精度主要依存于机械误差、控制算法误差与分辨率系统误差。
机械误差主要产生于传动误差、关节间隙与连杆机构的绕性。
传动误差是由齿轮误差、螺距误差等所引起的；关节间隙是由关节处的轴承间隙、谐波齿隙等引起的；连杆机构的绕性随机器人位形、负载的变化而变化。
控制算法误差主要指算法能否得到直接解和算法在计算机内的运算字长所造成的BIT误差。
对于控制系统的设计者，因为16位以上CPU进行浮点运算时精度可达到82位以上，所以BIT误差与机构误差相比基本可以忽略不计。
分辨率系统误差可取二分之一基准分辨率。
其理由是基准分辨率以下的变位既无法编程又无法检测，故误差的平均值可取二分之一基准分辨率。
机器人的精度可认为是二分之一的基准分辨率与机器误差之和，即：
如能够做到使机构的综合误差达到二分之一基准分辨率，则精度等于分辨率。
但是就目前的水平而言，除纳米领域的机构外，工业机器人尚难以实现这一点。
（4）重复定位精度
重复定位是关于精度的统计数据。
任何一台机器人即使在统一环境、同一条件、同一动作、同一命令之下，每一次动作的位置也不可能完全一致
（5）工作范围
工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合，也叫做工作区域。
由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，故工作范围是指不安装末端执行器时的工作区域。
工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因存在手部不能到达作业死区而不能完成任务。
（6）最大工作速度
不同厂家对最大工作速度规定的内容亦有不同，有的厂家定义为工作机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家定义为手臂末端最大的合成速度，通常在技术参数中加以说明。
显而易见，工作速度愈高，工作效率愈高。
然而工作速度愈高就要花费更多的时间去升速或降速，或者对工业机器人最大加速度变化率及最大减速度变化率的要求更高。
（7）承载能力
承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
承载能力不仅决定于负载的质量，且与机器人运行的速度和加速度的大小、方向有关。
为安全起见，承载能力这一技术指标是指告诉运行时的承载能力。
通常，承载能力不仅指负载质量，且包括机器人末端操作器的质量。
4、机器人的本体结构
（1）机器人的基本结构形式及材料
机器人本体主要包括：
①传动部件；②机身及行走机构；③臂部；④腕部；⑤手部。
机器人本体基本结构的特点主要可归纳为以下四点：
1）一般可以简化成各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系，连杆系末端自由且无支承，这决定了机器人的结构刚度不高，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。
2）开式连杆系中的每根连杆都具有独立的驱动器，属于主动连杆系，连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从光系，运动灵活。
3）连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常复杂，且和执行器反馈信号有关。
连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。
4）连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此极容易发生振动或出现其他不稳定现象。
综合以上特点可见，合理的机器人本体结构应当使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大，结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。
与一般的机械设备相比，机器人结构动力学特性十分重要，这是材料选择的出发点。
材料选择的基本要求是：
1）强度高。
机器人臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻质量。
2）弹性模量大。
由材料力学的知识可知，弹性模量越大，变形量越小。
3）质量轻。
机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的，与构件的质量有光。
也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度
也大的材料是不合理的。
因此，提出了选用高弹性模量、低密度材料的要求。
4）阻尼大。
其他条件都具备后阻尼要尽可能大。
机器人臂经过运动后，要求能平稳地停下来。
可是在终止运动的瞬时构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生残余振动。
从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。
5）经济性好。
材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。
有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等用来作为机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。
（2.1）机身及臂部结构
机器人必须有一个便于安装的基础件，即机座或行走机构。
机构往往与机身做成一体。
机身和臂部相连接机身支承臂部，臂部又支承腕部和支部。
机身和臂部运动的运动的平稳性也是应重点注意的问题。
机身的典型结构有圆柱坐标机器人把回转与升降这两个自由度归属于机身；球坐标型机器人把回转与俯仰这两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人把回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人有时把升降（Z轴）或水平（X轴）移动自由度属于机身。
机器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）所组成。
手臂的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动驱动最为通用。
臂部的典型机构主要有臂部伸缩机构、手臂俯仰运动机构和手臂回转与升降机构。
机器人手臂材料应根据手臂的工作状况来选择。
根据设计要求，机器人手臂要完成各种运动。
因此，对材料的一个要求是，作为运动的部件它应是轻型材料。
另外。
手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。
因此，选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。
（2.2）腕部及手部结构
腕部是机器人的小臂与末端执行器之间的连接部件，其作用是利用自身的活动度确定手部的空间姿态。
对于一般的机器人，与手部相连接的手腕具有独驱自转的功能，若手腕能在空间任意方位，那么与之相连的手部就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活。
从驱动方式看，手腕一般由两种方式，即直接驱动和远程驱动。
按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。
机器人一般具有六个自由度才能使手部（末端执行器）达到目标位置和处于期望的姿态。
为了使手部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的转动，即具有翻转、符仰和偏转三个自由度。
机器人的手部也叫做末端执行器，它是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。
人的手有两种定义：
第一种定义是医学上把包括上臂、手腕在内的整体叫做手；第二种定义是把手掌和手指部分叫做手。
机器人的手部接近于第二种定义。
机器人手部具有以下特点，1）手部和腕部相连处可拆卸2）手部是机器人末端执行器3）手部的通用性比较差4）手部是一个独立的部件。
（2.3）传动机构
机器人是运动的，各部位都需要能源和动力，因此设计和选择良好的传动部件非常重要的。
机器人可分为固定式和行走式两种，一般的工业机器人多为固定式。
传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。
下面我们来粗略的了解一下关节，机器人中连接运动部分的机构称为关节。
关节有转动型和移动型两种，分别称为转动关节和移动关节。
转动关节是机器人中被简称位关节的连接部分，其余驱动机构的连接方式有多种，因此转动关节也有多种形式，1）驱动机构和回转轴同轴式、2）驱动机构与回转轴正交式、3）外部驱动机构驱动臂部的形式、4）驱动电动机安装在关节内部的形式。
移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨部分组成。
导轨部分分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨和磁性悬浮导轨等形式。
机器人中常用的传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带传动与链传动、绳传动与钢带传动、连杆机构与凸轮传动、流体传动。
机器人的重复定位精度要求较高，设计时应根据具体要求选择适当的定位方法。
目前常用的定位方法有电气开关定位、机械挡块定位和伺服定位。
传动间隙对机器人控制系统来说，传动间隙导致显著的非线性变化、振动和不稳定。
但是传动间隙是不可避免。
常用的几种传动消隙方法，消隙齿轮、柔性齿轮消隙和对称传动消隙等。
（2.3.1）行走机构
行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检查元件、传感器、电缆及管路等组成。
行走机构一方面支撑机器人的机身、臂部和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔空间内的运动。
行走机构按其移动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。
固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人。
固定轨迹式行走机构的特点可分为步行式、轮式和履带式。
在行走过程中，步行式行走机构与地面为间断接触，轮式和履带式行走机构与地面为连续接触：
前者为类人（或动物）的腿脚式，后两者的形态为运行车式。
运行车式行走机构用得比较多，多用于野外作业，比较成熟。
步行式行走机构正在发展和完善中。
无固定轨迹式行走机器人范畴内的履带式行走机器人。
我们主要讨论一种气动履带式钻车行走机构的改进。
气动履带式钻车是一种工程用凿岩钻孔设备。
其行走机构设计是否合理直接影响到其钻孔效率，乃至整个工程的进度。
行走速度太快，钻车在复杂的施工现场行走产生剧烈的震动，会严重损害钻臂，乃至整车的所有部件，钻孔时也不易对准所钻的孔位；行走速度太慢，钻孔移位慢，钻孔后撤离爆破现场的动作也慢，影响整个工程的进度。
钻车要有一合理的行走速度，足够的牵引力和爬坡能力。
气动履带式钻车是专门用于土石方开采、煤矿、水电建设等部门的凿岩钻孔设备，其工作环境相对比较恶劣，施工现场凹凸不平、孤丘等等条件比较复杂，就给钻车的行走、移位提出了相当高的要求，一般情况其行走速度通常控制在2-3.5km/h速度过低，钻车在行走、移位时的摆动大，易发生钻车的倾翻事故，而且钻车在行走时自带动力源约重4-7.5t的空气压缩机，这就要求钻车有合理的行走速度及足够的牵引力和爬坡能力。
该钻车员原来的行走机构是由两台6.5kw的TMH6.5型活塞式气动马达经过直角传动机构减速后，再经过三级行星齿轮机构减速，驱动整个钻车行走，齐总的减速比为98.97。
既要解决牵引力和爬坡能力不足，还要考虑行走速度的匹配，经分析计算后，决定选用8.5kw的TMH8型活塞气动马达，鉴于该马达的结构尺寸影响，去掉了原来的直角传动机构，将原来的置于直角传动机构内的干式刹车机构取消，取而代之的是一套直接置于行星减速机构内的湿式刹车机构。
由于是产品的改进，产品的设计理所当然受原来结构尺寸的限制，该钻车的轴向尺寸应控制在2.4m以内，否则超宽后难以装车运输，中间还要放置油箱、注油器等，故轴向尺寸也不能太小，因离地间隙小，钻车的通过性差；离地间隙大，钻车行走不稳定、易翻车，所以离地间隙要控制在170-200mm范围内。
总减速比应控制在40左右。
经分析估算后，确定该钻车的行走减速机构由三级行星机构组成，如图1，
分别为太阳轮；
分别为一、二、三级行星轮架；
分别为一、二、三级行星轮架；
分别为一、二、三齿圈。
依行传动特性方程：
其中
分别表示太阳轮、齿圈、行星轮架；
分别表示他们的转速；
为特性参数，得
各行星排的特性参数分别如下：
其中：
分别为一、二、三级太阳轮的齿数；
分别为一、二、三级太阳轮的齿数。
因为
得
当
固定时，根据
式可以算出该减速机构的传动比为：
即输出的转速
方向与输入的转速
方向相反。
输出的转矩为：
式中：
为单个行星排的传动效率，通常取
输入功率：
输出功率：
整个机构的传动效率：
5、结论
经分析计算，结合钻车底盘结构尺寸和原来的行走减速器，配齿后，得到的各齿轮的齿数分别为：
，
，
；
，
，
；
，
，
该行走减速击鼓的传动比为：
改进后的结构如图2所示，其工作原理：
当给TMH8气马达供给压缩空气时，压缩空气经由a孔进入活塞右腔推动活塞克服弹簧的弹力，从而使动、静摩擦片分离，TMH8气马达产生的动力刹车架传至第一级行星机构，第一级行星轮架带动第二级行星机构旋转，第二级行星机构将传来的动力经第三级行星轮传给连在一起的三级齿圈上，齿圈带动驱动轮使钻车行走。
改进后该钻车在0.5-0.6
气压下的行走速度可达2.5-3km/h，完全达到设计的要求，牵引力和爬坡能力也能满足施工要求，在现场试验中也得到了用户的认可。
致谢：
附录
参考文献
[1]机器人技术基础/刘极峰，丁继斌主编.第二版.北京：
高等教育出版社，2012.12
[2]机械设计手册联合编写组编.机械设计手册.第二版.北京：
化学工业出版社，1982
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