基于UG四自由度機器人的結構設計【三維UG】

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四自由度機器人是一種適合于高校教學的機器人，可以讓學生了解國內外機器人的研究、設計和應用狀況，掌握機器人的未來發(fā)展趨勢。熟悉機器人的結構、工作原理、保養(yǎng)和維護方法等。幫助學生從系統(tǒng)整體角度去認識個組成部分，全面掌握機電一體化技術的應用開發(fā)和集成技術。也可以成為用來搬運細小零件的機器人。本設計具有一定的理論、設計水平和應用價值。 2．機器人的歷史及研究現狀 1）機器人的發(fā)展歷史 “機器人“是存在于多種語言和文字的新造詞，它體現了人類長期以來的一種愿望，即創(chuàng)造出一種像人一樣的機器或人造人，以便能夠代替人去進行各種工作。 盡管直到三十多年前，“機器人“才作為專有名詞加以引用，然而機器人的概念在人類的想象中卻以存在三千多年了。早在我國西周時代（公元前1066—公元前771年），就流傳有關巧匠偃師獻給周穆王一個歌舞機器人的故事。我國東漢時期（25—220年），張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機器人雛形。作為第一批自動化動物之一的能夠飛翔的木鳥是在公元前400年至350年間制成的。公元前3世紀，古希臘發(fā)明家戴達羅斯用青銅為克里特島國王邁若斯塑造了一個守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。在公元前2世紀出現的書籍中，描寫過一個具有類似機器人角色的機械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進行舞蹈和列隊表演。人類歷史進入近代史之后，出現了第一次工業(yè)革命和科學革命。隨著各種自動機器、動力機械的問世，制造機器人開始由夢想轉入現實，許多機械式控制的機器人，主要是各種精巧的機器人玩具和工藝品應用而生。 公元1768—1774年間，瑞士鐘表匠德羅斯父子三人，設計制造出三個像真人一樣大小的機器人——寫字偶人、繪圖偶人和彈風琴偶人。它們是由凸輪控制和彈簧驅動的自動機器，至今還作為國寶保存在瑞士納切特爾市藝術和歷史博物館內。同時，還有德國梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龍格雷姆”，日本物理學家西川半藏設計的各種自動機械圖形，法國杰夸特設計的機械式可編程織造機等。1893年，加拿大摩爾設計的能行走的機器人“安德羅丁”，是以蒸汽為動力的。這些機器人工藝珍品，標志著人類在機器人從夢想到現實這一漫長道路上前進了一大步。 進入20世紀后，機器人已躁動于人類社會和經濟的母胎之中，人們含有幾分不安的期待著它的誕生。他們不知道即將問世的機器人將是個寵兒，還是個怪物。1920年，捷克劇作家卡雷爾?查培克（Karel Capek）在他的幻想情節(jié)劇《路薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“機器人”這個詞。在劇中，他把機器人描述成與人相似但能不知疲倦地工作的機器，最終機器人背叛它們的創(chuàng)造者而消滅了人類。各國對機器人的譯法，幾乎都從斯洛伐克語“robota”音譯為“羅伯特”，只有中國譯為“機器人”。1950年，美國著名科學幻想小說家阿西莫夫在他的小說《我是機器人》中，提出了有名的“機器人三守則”： （1） 機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受害而袖手旁觀； （2） 機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類； （3） 機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類令它做出犧牲。 這三條守則，給機器人社會賦以新的倫理性，并使機器人概念通俗化，更易于為人類社會所接受。至今，它仍為機器人研究人員、設計制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導方針。 因此，機器人的發(fā)展時間段大致可分為一下幾個時間段： 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。 　　1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。 　　1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學術界默認的研發(fā)原則。 　　1948年 諾伯特·維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經、感覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。 　　1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 　　1956年 在達特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法：智能機器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。 　　1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。 　　1962年 美國AMF公司生產出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),與Unimation公司生產的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。 　　1962年-1963年傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。 　　1965年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。 　　1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據人的指令發(fā)現并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。 　　1969年 日本早稻田大學加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人，被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術見長，后來更進一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 　　1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。 　　1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術已經完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。 　　1984年 英格伯格再推機器人Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。 　　1998年 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。 　　1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。 　　2002年 美國iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。iRobot公司北京區(qū)授權代理商：北京微網智宏科技有限公司http://www.micronet.net.cn。 　　2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預言，家用機器人很快將席卷全球。 多連桿機構和數控機床的發(fā)展和應用為機器人技術打下 重要基礎。 1954年，美國人喬治?德沃爾設計了第一臺電子程序可編的工業(yè)機器人，并于1961年發(fā)表了該項機器人專利。1962年，美國萬能自動化（Unimation）公司的第一臺機器人Unimate在美國通用汽車公司（GM）投入使用，這標志著第一代機器人的誕生。從次，機器人開始成為人類生活中的現實。此后，人類繼續(xù)以自己的智慧和勞動，譜寫機器人歷史的新篇章。 同時，隨著社會的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細，尤其是在現代化的大產業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產品的同一個部位上的一個螺母，有的人整天就是接一個線頭，就像電影《摩登時代》中演示的那樣，人們感到自己在不斷異化，各種職業(yè)病逐漸產生，于是人們強烈希望用某種機器代替自己工作，因此人們研制出了機器人，用以代替人們去完成那些單調、枯燥或是危險的工作。由于機器人的問世，使一部分工人失去了原來的工作，于是有人對機器人產生了敵意。“機器人上崗，人將下崗?！辈粌H在我國，即使在一些發(fā)達國家如美國，也有人持這種觀念。其實這種擔心是多余的，任何先進的機器設備，都會提高勞動生產率和產品質量，創(chuàng)造出更多的社會財富，也就必然提供更多的就業(yè)機會，這已被人類生產發(fā)展史所證明。任何新事物的出現都有利有弊，只不過利大于弊，很快就得到了人們的認可。比如汽車的出現，它不僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意，還常常出車禍，給人類生命財產帶來威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端，但它還是成了人們日常生活中必不可少的交通工具。英國一位著名的政治家針對關于工業(yè)機器人的這一問題說過這樣一段話：“日本機器人的數量居世界首位，而失業(yè)人口最少，英國機器人數量在發(fā)達國家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個側面說明了機器人是不會搶人飯碗的。 2）．機器人的定義 機器人的定義處在不斷的發(fā)展變化之中。美國機器人協(xié)會（RIA）認為，機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務，并具有編程能力的多功能機械手（Manipulator）日本機器人協(xié)會（JIRA）認為工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（End Effector）能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。國際標準化組織（ISO）給出的定義是，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可變程序造作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務。 關于我國機器人的定義。隨著機器人技術的發(fā)展，我國也面臨討論和制定關于機器人技術的各項標準問題，其中包括對機器人的定義。蔣新松院士曾建議吧機器人定義為“一種幾人功能的機械電子裝置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我們參考各國的定義，結合我國情況，對機器人做出統(tǒng)一的定義： 我們認為機器人是一種能自動控制、可重復編程、多功能，可以代替人完成特定任務的一種自動化機電裝置。 機器人技術的迅速發(fā)展，為機器人學的建立奠定了基礎。機器人學是綜合運用數學、力學、機械、電子、計算機、自動控制、人工智能等多學科知識，對機器人 的體系結構、機構、控制、智能、傳感、編程語言以及機器人應用等進行研究的一門綜合性新興交叉科學。 3）.機器人的發(fā)展現狀 第一臺工業(yè)機器人問世后頭十年，從20世紀60年代初期到70年代初期，機器人技術的發(fā)展較為緩慢。進入20世紀70年代之后，人工智能學界開始對機器人產生濃厚興趣。他們發(fā)現機器人的出現與發(fā)展為人工智能的發(fā)展帶來了新的生機，提供了一個很好的實驗平臺和應用場所。進入80年代后，機器人生產繼續(xù)保持70年代后期的發(fā)展勢頭。到20世紀80年代后期，傳統(tǒng)機器人的應用趨于飽和，因而國際機器人學研究和機器人產業(yè)出現不景氣現象。到90年代出機器人茶葉出現復蘇和繼續(xù)發(fā)展跡象。進入21世紀以來，機器人的發(fā)展出現了空前的發(fā)展跡象，主要研究領域就是運用于軍事和太空領域。許多相應的更為先進的更加智能的專用機器人應用而生。 機器人的技術趨勢 感覺功能、控制智能畫、移動功能的智能化、系統(tǒng)應用與集成化、安全可靠性、微型化、多傳感器信息融合與配置技術。 （1） 國外工業(yè)機器人的現狀及發(fā)展趨勢: 國外工業(yè)機器人的現狀：機器人廣泛應用于各行各業(yè)。主要進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復雜作業(yè)。由于機器人及自動化成套裝備對提高制造業(yè)自動化水平，提高產品質量和生產效率、增強企業(yè)市場競爭力、改善勞動條件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增長速度較快。以機器人為核心的自動化生產線適應了現代制造業(yè)多品種、少批量的柔性生產發(fā)展方向，具有廣闊的市場發(fā)展前景和強勁生命力，已開發(fā)出多種面向汽車、電氣機械等行業(yè)的自動化成套裝備和生產線產品。在發(fā)達國家，機器人自動化生產線已形成一個巨大的產業(yè)，像國際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是機器人自動化生產線及物流與倉儲自動化設備的集成供應商。 國外工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢: 機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學科發(fā)展密切相關。機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展。機器人應用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務于人類活動的各個領域。 （2） 國內工業(yè)機器人的現狀與發(fā)展趨勢 目前我國國民經濟的快速發(fā)展，先進制造業(yè)已進入一個新的發(fā)展階段。隨著經濟全球化和我國加入WTO，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際競爭的局面。如何適應快速變化的國內外市場需求，如何以高質量、低成本、快速反應的手段在市場中取得生存和發(fā)展，已是我國企業(yè)不容回避的問題，這些問題為工業(yè)機器人的應用提供了大的市場需求，促使中國工業(yè)機器人的應用市場日趨成熟。近幾年來，國外著名的工業(yè)機器人制造廠商紛紛加大了在我國的投資和應用技術的投入，對我國的國產工業(yè)機器人產業(yè)的發(fā)展帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。 我國政府非常重視機器人技術的發(fā)展，從“七五”科技攻關及實施863計劃開始，就有計劃地組織和發(fā)展工業(yè)機器人事業(yè)，經過20多年的研制和應用，目前在工業(yè)機器人的一些機種方面，如噴漆機器人、焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和特種機器人都有了長足的進步，基本掌握了工業(yè)機器人的設計制造技術和機器人應用中單元和生產線的設計、制造技術，有了一支具有一定水平的技術隊伍，奠定了我國獨立自主發(fā)展機器人產業(yè)的基礎。但是，我國工業(yè)機器人在總體技術上與國外先進水平相比還有很大差距，僅相當于國外九十年代中期的水平。目前工業(yè)機器人的生產規(guī)模仍然不大，多數是單件小批生產，關鍵配套的單元部件和器件始終處于進口狀態(tài)，工業(yè)機器人的性價比較低。我國整體裝備制造水平不高，制約了我國工業(yè)機器人產業(yè)的形成和實現規(guī)模化的發(fā)展。 盡管中國工業(yè)機器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質價廉的工業(yè)機器人商品，目前在我國尚有較長的路程。首先為了促進中國工業(yè)機器人產業(yè)的發(fā)展，必須在以市場需求為主的前提下，國家在政策上鼓勵企業(yè)在技術投入和技術改造方面應用國產工業(yè)機器人。同時轉變現有的機制，建立以適應市場經濟所需的工業(yè)機器人的產業(yè)基地。 其次，在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，應繼續(xù)對工業(yè)機器人的研究開發(fā)和應用關鍵、基礎部件的研究和產品化給予支持，形成產品和自動化制造裝備同步協(xié)調發(fā)展的新局面。 第三，結合我國的國情，加強我國工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，使之與國民經濟的發(fā)展密切相結合。經過近十年的努力，我國在工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)方面已具有相當的實力，已有一支了解企業(yè)的需求，能開發(fā)出符合實際使用條件應用工程，成本低，服務及時，具備與國外公司的競爭能力，因此加強工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，并圍繞應用工程的需要進行工業(yè)機器人新產品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)模化生產能力，這樣可以促進我國企業(yè)的技術進步和提高競爭力，同時工業(yè)機器人的應用也可形成具有一定規(guī)模的產業(yè)。 我國的機器人研究開發(fā)工作始于20世紀70年代初，到現在已經歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關計劃，發(fā)展比較快。在機器人基礎技術方面：諸如機器人機構的運動學、動力學分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術、遙控機器人的控制技術等均取得長足進展，并在實際工作中得到應用。 在機器人的單元技術和基礎元部件的研究開發(fā)方面：諸如交直流伺服電機及其驅動系統(tǒng)、測速發(fā)電機、光電編碼器、液壓（氣動）元部件、滾珠絲杠、直線滾動導軌、諧波減速器、RV減速器、十字交叉滾子軸承、薄壁軸承等均開發(fā)出一些樣機或產品。但這些元部件距批量化生產還有一段距離。 有關專家研究認為，我國工業(yè)機器人的市場主要在汽車、摩托車、電器、工程機械、石油化工等行業(yè)，企業(yè)對技術進步的需求更加強烈，其中主要的機器人用戶仍在汽車制造行業(yè)、工程機械行業(yè)及電機、電子行業(yè)。我國對工業(yè)機器人的需求量和品種將逐年大幅度增加。 二．四自由度機器人課題設計的參數 結構形式：串聯(lián)關節(jié)式 負載能力：2Kg 重復定位精度：±0。1mm 運動范圍：:300°:120°：120°360° 每軸最大運動速度：腰轉 45°/S 、大臂 45°/S、 小臂 30°/S 、腕擺 60°/S 最大展開半徑：530mm 高度：957mm 本體重量： 操作方式：示教再現/編程 供電電源：單相220V、50Hz 三．課題設計要解決的主要問題 1）串聯(lián)式機械主座及機械手臂結構的確立（如右圖）； 2）主要運動機構的確立計算； 3）活動關節(jié)出伺服電機的選用； 4）活動關節(jié)處四自由度的確定及計算； 5）運用UG軟件對以上計算數據進行建模仿真分析； 6）編寫說明書，運用CAD、UG軟件進行工程圖的繪制。 四．技術路線（研究方法） 1.在現有的資料和實驗室器材的基礎上進行結構尺寸的分析、設計、布置，如有必要進行調研，參考相近似的同類設計資料。 2.在對各個主要部件、關節(jié)的尺寸參數進行設計后，利用UG軟件進行仿真建模和完成裝配圖。 五．進度安排 1．調研，查閱相關文獻，寫文獻綜述及開題報告；第1～2周（3月2日～3月13日） 2．對課題機器人零件進行設計計算；第3～8周（3月15日～4月24日） 3．期中考核； 第9周（4月26日～5月1日） 小四號宋體，加粗 4．對課題機器人計算數據進行UG仿真建模和繪制裝配圖及部分零件圖；第10～13周（5月3日～5月29日） 5．對零件圖進行修改；第14周（6月1日～6月5日） 6．審核，編寫說明書；第15周（6月8日～6月12日） 7．修改, 第16周（6月15日～6月19日） 8．畢業(yè)設計答辯準備及答辯；第17周（6月22日～6月 26日） 六．參考文獻 [1]孫樹棟 《工業(yè)機器人技術基礎》　 2006年12月 西北工業(yè)出版社 [2]蔡自興 《機器人學》　　 2003年12月 清華大學出版社 [3]Jorge Angeles（加拿大）著 宋偉剛 譯 《機器人機械系統(tǒng)原理理論、方法和算法》 2004年8月 機械工業(yè)出版社 [4]孫瑩. 機器人時代即將開啟 [J] 2006年29期 [5]林繩宗. 全球機器人應用概況 [J] 2005年 6期 [6]姚志良.我國工業(yè)機器人發(fā)展的幾點思考 [J] 機器人技術與應用 28 [7] 馬曉麗、尹小琴、馬履中、張慶功、張雪蓮. 新型4自由度并聯(lián)機構的動力學建模與分析[J] 自然科學版 第28卷第5期 2007年9月 [8]王仲民，蔡霞，崔世鋼．一種四自由度機器人的運動學建模，動化計算機[J]．2005年13卷4期 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[16] Jain A K．Fundamental of Digital Image Processing[M] ．England：Prentice Hall，1996． 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 7 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 摘 要 本設計以四自由度機器人為研究對象，在對大量資料分析研究的基礎上，提出了四自由度機器人的驅動和機構運動方案。進行了四自由度機器人總體和零部件的CAD設計。最后利用UG軟件對四自由度機器人的零件和部件進行了三維實體建模，并組裝成虛擬的三維裝配實體。通過三維實體模型分析，該四自由度機器人完全滿足設計要求，可以實現多自由度運動，強度足夠，可以作為機器人設計和運動分析的參考。 關鍵詞：機器人；UG；四自由度；模型；設計  ABSTRACT This text with four freedom research object with artificial machine, at to a great deal of data analyze the foundation of research up, put forward four freedom robot to drive to exercise with organization project. This text takes four freedom robot as research object. In the foundation of analyzing a great deal of data, put forward the method of control, and designed whole and part hardware with CAD. Finally, has carried on the 3D modeling with UG software to four freedom robot, and hypothesized assembled whole. Through analyzes to 3D model, this kind of robot completely satisfies the request of design and intensity, can realizes the multi-degrees of freedom movement and can take the reference of robot’s design and movement analysis. Key word：Robot；UG；Four freedom degree；Model；Design II 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目 錄 摘要Ⅰ AbstractⅡ 第1章 緒論1 1.1機器人的研究背景1 1.1.1 制造業(yè)的發(fā)展使機器人“被迫”由科幻走入現實1 1.1.2信息技術的發(fā)展為機器人的進一步發(fā)展提供了“高速軌道”1 1.1.3高危領域對機器人技術飛躍提出客觀要求1 1.2 機器人的定義1 1.2.1 世界機器人的定義1 1.2.2 我國機器人的定義2 1.3 機器人的分類3 1.3.1按照機器人從低級到高級的發(fā)展程度分類 3 1.3.2按照機器人所完成的主要功能分類 3 1.3.3 按照機器人的開發(fā)內容和目的分類4 1.3.4 按照應用領域對機器人進行分類4 1.4 機器人的發(fā)展概況4 1.4.1 機器人在國外的發(fā)展概況5 1.4.2 我國機器人的發(fā)展概況6 1.5 機器人的發(fā)展趨勢8 1.6 設計的主要內容8 第2章 機器人結構方案分10 2.1 機器人系統(tǒng)10 2.1.1 機器人系統(tǒng)的基本組成10 2.1.2 機器人結構簡圖10 2.2 機器人的執(zhí)行機構11 2.2.1 腰部結構11 2.2.2 臂部結構12 2.2.3 手腕結構12 2.2.4 手部結構13 2.3機器人的驅動機構13 2.4 控制系統(tǒng)13 2.5 本章小結14 第三章 四自由度機器人整體及部件設計15 3.1 四自由度機器人性能要求15 3.2 電機的選擇15 3.2.1 負載功率的估算15 3.2.2 步進電機額定功率的計算16 3.3 同步帶傳動設計18 3.3.1 已知條件18 3.3.2 設計計算18 3.4 軸的確定及校核21 3.4.1 腰部軸的確定校核21 3.4.2 手腕軸的確定校核22 3.4.3 大臂聯(lián)接件的確定校核23 3.5 軸承的選用及計算24 3.5.1 手腕處軸承24 3.5.2 大臂聯(lián)接處軸承25 3.5.3 其它部位軸承的選擇25 3.6 四自由度機器人長度尺寸26 3.6.1 腰部總成高度尺寸26 3.6.2 大小臂長度尺寸26 3.7 本章小結26 第四章 四自由度機器人UG建模27 4.1四自由度機器人零件建模27 4.1.1四自由度機器人底座實體建模27 4.1.2四自由度機器人大臂零件實體建模30 4.1.3四自由度機器人腰部殼體實體建模35 4.1.4四自由度機器人小臂零件建模38 4.1.5死自由度機器人其他零件實體模型41 4.2 本章小結44 第五章 四自由度機器人實體模型裝配45 5.1 四自由度機器人腰部總成裝配45 5.2 四自由度機器人其他總成52 5.3 爆炸圖52 5.4 四自由度機器人UG建?？傃b配模型53 5.5 本章小結53 結論54 參考文獻55 致謝57 附錄58 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 第1章 緒 論 1.1 機器人研究背景 1.1.1 制造業(yè)的發(fā)展使機器人“被迫”由科幻走入現實 以自動化規(guī)模生產為標志，世界范圍內的制造業(yè)革命于20世紀50年代拉開帷幕。當時生產自動化的概念幾乎是“用機器人代替人”的同義語。機器人就是為適應當時制造規(guī)?；a的需要而誕生的，其最早應用于汽車業(yè)，在解決單調、繁重、重復的體力勞動和提高產品質量上，發(fā)揮了巨大的作用。 1.1.2 信息技術的發(fā)展為機器人的進一步發(fā)展提供了“高速軌道” 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，集成了多學科的發(fā)展成果，代表高技術的發(fā)展前沿，是當前科技研究的熱點方向。隨著計算機、微電子、信息技術的快速進步，機器人技術的開發(fā)速度越來越快，智能度越來越高。 1.1.3 高危領域對機器人技術飛躍提出客觀要求 由于軍事、空間技術、核廢料處理以及水下探險等，人類難以介入的高危領域發(fā)展的迫切需要，引起了各國政府對機器人研究的重視，同時也激發(fā)了各國科學家們的研究熱情[1]。 1.2 機器人的定義 1.2.1 世界機器人的定義 “機器人“是存在于多種語言和文字的新造詞，它體現了人類長期以來的一種愿望，即創(chuàng)造出一種像人一樣的機器或人造人，以便能夠代替人去進行各種工作。 盡管直到三十多年前，“機器人”才作為專有名詞加以引用，然而機器人的概念在人類的想象中卻以存在三千多年了。早在我國西周時代（公元前1066—公元前771年），就流傳有關巧匠偃師獻給周穆王一個歌舞機器人的故事。我國東漢時期（25—220年），張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機器人雛形。作為第一批自動化動物之一的能夠飛翔的木鳥是在公元前400年至350年間制成的。公元前3世紀，古希臘發(fā)明家戴達羅斯用青銅為克里特島國王邁若斯塑造了一個守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。在公元前2世紀出現的書籍中，描寫過一個具有類似機器人角色的機械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進行舞蹈和列隊表演。人類歷史進入近代史之后，出現了第一次工業(yè)革命和科學革命。隨著各種自動機器、動力機械的問世，制造機器人開始由夢想轉入現實，許多機械式控制的機器人，主要是各種精巧的機器人玩具和工藝品應用而生。 進入20世紀后，機器人已躁動于人類社會和經濟的母胎之中，人們含有幾分不安的期待著它的誕生。他們不知道即將問世的機器人將是個寵兒，還是個怪物。1920年，捷克劇作家卡雷爾?查培克（Karel Capek）在他的幻想情節(jié)劇《路薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“robot”這個詞。在劇中，他把機器人描述成與人相似但能不知疲倦地工作的機器，最終機器人背叛它們的創(chuàng)造者而消滅了人類。各國對機器人的譯法，幾乎都從斯洛伐克語“robota”音譯為“羅伯特”，只有中國譯為“機器人”。1950年，美國著名科學幻想小說家阿西莫夫在他的小說《我是機器人》中，提出了有名的“機器人三守則”： （1）機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受害而袖手旁觀； （2）機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類； （3）機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類令它做出犧牲。 這三條守則，給機器人社會賦以新的倫理性，并使機器人概念通俗化，更易于為人類社會所接受。至今，它仍為機器人研究人員、設計制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導方針。 而現實世界里，機器人在國際學術界至今也沒有做出統(tǒng)一的、公認的、文字嚴格的定義。不同的專家往往給以各有側重的說法，不同的國家也往往沿用各自習慣的解釋。 機器人的定義處在不斷的發(fā)展變化之中。美國機器人協(xié)會（RIA）認為，機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務，并具有編程能力的多功能機械手（Manipulator）日本機器人協(xié)會（JIRA）認為工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（End Effector）能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。國際標準化組織（ISO）給出的定義是，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可變程序造作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務。 1.2.2 我國機器人的定義 關于我國機器人的定義。隨著機器人技術的發(fā)展，我國也面臨討論和制定關于機器人技術的各項標準問題，其中包括對機器人的定義。蔣新松院士曾建議吧機器人定義為“一種幾人功能的機械電子裝置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我們參考各國的定義，結合我國情況，對機器人做出統(tǒng)一的定義： 我們認為機器人是一種能自動控制、可重復編程、多功能，可以代替人完成特定任務的一種自動化機電裝置[2]。 由此可見對于“機器人”的定義是仁者見仁，智者見智，但被國際普遍接受的是由美國“機器人工業(yè)協(xié)會”（RIA）的一批科學家于1979年提出的定義：機器人是一種可改編程序的多功能操作機構、用以按照預先編制的能完成多種作業(yè)的動作程序運送材料、零件、工具或專用設備。 1.3 機器人的分類 隨著計算機技術和智能技術的發(fā)展，極大的促進了機器人研究水平的提高?？茖W家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機器人設計成不同的結構和外形，以便讓他們在特殊條件下出色的完成任務。但對于龐大的機器人家族，目前尚未有統(tǒng)一的分類方法，常從以下幾個方面進行分類： 1.3.1 按照機器人從低級到高級的發(fā)展程度分類 （1）第一代機器人（20世紀60年代） 主要指能以“示教—再現”方式工作的機器人，其特征是機器人能夠按照事先教給它們的程序進行重復工作。示教內容為機器人操作機構的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。 （2）第二代機器人（20世紀70年代） 具有一定的感覺功能和自適應能力的離線編程機器人，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人做出一定的推理，對動作進行反饋控制，表現出低級的智商。 （3）第三代機器人（20世紀80年代中期以后） 智能機器人，這種機器人帶有多種傳感器，能夠將傳感器得到的信息進行融合，能夠有效適應環(huán)境變化，具有很強的自適應能力、學習能力和自治功能[3]。 1.3.2 按照機器人所完成的主要功能分類 （1）操作機器人 這是目前工業(yè)應用最廣泛的機器人，絕大多數工業(yè)機器人屬于這一類。其特點是模仿人手和手臂的動作，完成搬運、焊接、噴漆、打磨、拋光、檢測、裝配等工藝操作。 （2）移動機器 人在工業(yè)生產中輪式機器人、履帶式機器人及步行機器人常用來完成運輸及上、下料等任務。比如管道機器人、水下機器人、采掘機器人等等。這種機器人多半都裝有操作手和攝像系統(tǒng)，以完成操作并對現場進行遠距離監(jiān)視[4]。 （3）信息機器人 這是指以計算機系統(tǒng)為基礎的智能行為模擬裝置。廣義地說，這類機器人包括專家系統(tǒng)、翻譯機、作曲機、圖像識別系統(tǒng)、指紋識別機譯及信息決策系統(tǒng)等。 (4)人機機器人 這類機器人和人之間存在雙向閉環(huán)聯(lián)系，包括聯(lián)肢機械手，裝在人腿上的助行機械足，生物電控或聲控假肢等[4]。 1.3.3 按照機器人的開發(fā)內容和目的分類 按照機器人的開發(fā)內容和目的分為工業(yè)機器人、操縱型機器人、智能型機器人和特種機器人，習慣將后三種機器人統(tǒng)稱為先進機器人。 （1）工業(yè)機器人：機器人的本體主要是一只機械手臂，它直接操作的對象是末端執(zhí)行器，它隨操作對象的形狀和材料不同而制成各種各樣。 （2）操縱型機器人：這類機器人是由一類由人操縱進行工作的機器人，由操縱人員在工作中不停地向機器人發(fā)送操縱指令，在智能和適應能力方面輔助機器人完成復雜的作業(yè)，機器人把操作對象和作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)直接地或間接地反饋給操縱人員，操縱人員據此控制機器人行為。 （3）智能機器人：這類機器人是指本身能認識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，能根據人給予的指令和“自身”認識外界的結果來獨立地決定工作方法，利用操作機構和移動機構實現任務目標，并能適應工作環(huán)境的變化。這種機器人也就是第三代機器人，它的控制方法是一種“認知—適應”的方式。 （4）特種機器人：這類機器人是專門為完成某一項或幾項任務而制造的，大多數不具有通用性。這種機器人的開發(fā)和制造，可著眼于基礎研究的立場和面向實用化立場[4]。 1.3.4 按照應用領域對機器人進行分類 按照應用領域可分為民用機器人和軍用機器人。 民用機器人又分為工業(yè)機器人、服務機器人、娛樂機器人、類人機器人和農業(yè)機器人。1990年10月，國際機器人工業(yè)人士在丹麥首都哥本哈根召開了一次工業(yè)機器人標準大會，并在這次大會上通過了一個文件，把工業(yè)機器人分為四類： （1）順序型。這類機器人擁有規(guī)定的程序動作控制系統(tǒng)； （2）驗軌跡作業(yè)型。這類機器人執(zhí)行某種移動作業(yè)，如焊接、噴漆等； （3）遠距離作業(yè)。比如在月球上自動工作的機器人； （4）智能型。這類機器人具有感知、適應以及思維和人機通訊機能[5]。 1.4 機器人的發(fā)展概況 在科技發(fā)展史上，科研技術和產業(yè)應用是相輔相成的。在發(fā)展機器人產業(yè)上，國際上存在著兩條不同的技術路線：一條是日本所走的“需求牽引，技術驅動”的路線，他們把美國發(fā)明的機器人和本國工業(yè)發(fā)展的需要相結合，開發(fā)出一系列特定用途的機器人，如弧焊、點焊、噴漆、裝配、建筑等機器人，從而形成了強大的機器人產業(yè)。而財力雄厚的產業(yè)又提供大量的研究經費供科研機構進行新的或后續(xù)的研究工作，由此推動了本國機器人技術的發(fā)展。另一條路線是把機器人作為研究人工智能的載體，即單純從技術上模仿人的某些智能來研究智能機器人，如美國、英國等許多大學及研究所的做法[6]。 1.4.1 機器人在國外的發(fā)展概況 1、機器人的誕生之地——美國 美國是工業(yè)革命的誕生地，1959年美國人英格伯格和德沃爾制造出了世界第一臺工業(yè)機器人。此后，精明的他們又創(chuàng)辦了世界上第一家機器人制造工廠，并生產出一批名叫“尤里梅特”的工業(yè)機器人，也因此他們獲得了“世界工業(yè)機器人之父”的殊榮。經過四十多年的發(fā)展，美國現已成為世界上的機器人強國之一，但綜觀其發(fā)展史，并不平坦。 二十世紀六、七十年代，因擔心機器人會使失業(yè)率增加，而不予投資，也不組織研制，機器人的發(fā)展基本停滯。七十年代后期雖有所重視，但把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的高級機器人的開發(fā)上，致使美國在工業(yè)機器人方面喪失領袖地位。 但美國的機器人技術在國際一直處于領先地位。其技術全面、先進，適應性也很強。其機器人性能可靠，功能全面，精確度高；機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應用廣。視覺、觸覺等人工智能技術已在行天、汽車工業(yè)中廣泛應用，高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等迅速發(fā)展，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面[7]。 2、機器人的冠軍之地——日本 第二次世界大戰(zhàn)后，日本經濟高速發(fā)展，而勞動力緊張。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國Unimation公司引進機器人及其技術，建立起生產車間，并于1968年試制出第一臺川崎“尤尼曼特”機器人。到八十年代中期，已一躍成為“機器人王國”，其產量和安裝的臺數在國際上躍居首位。按照日本產業(yè)機器人工業(yè)會常務理事本完二的說法：“日本機器人的發(fā)展經過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進入普及提高期?！辈⒄桨?980年定為“產業(yè)機器人的普及元年”，開始在各個領域內廣泛推廣使用機器人。 日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產，使日本汽車及電子產品產量猛增，質量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產的汽車能夠已價廉的絕對優(yōu)勢進軍號稱“汽車王國”的美國市場，并且向機器人誕生國出口日本產的實用型機器人。此時，日本價廉物美的家用電器產品也充斥了美國市場，這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機器人，增強了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追[8]。 1.4.2 我國機器人的發(fā)展概況 1、我國機器人的發(fā)展 目前我國國民經濟的快速發(fā)展，先進制造業(yè)已進入一個新的發(fā)展階段。隨著經濟全球化和我國加入WTO，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際競爭的局面。如何適應快速變化的國內外市場需求，如何以高質量、低成本、快速反應的手段在市場中取得生存和發(fā)展，已是我國企業(yè)不容回避的問題，這些問題為工業(yè)機器人的應用提供了大的市場需求，促使中國工業(yè)機器人的應用市場日趨成熟。 近幾年來，國外著名的工業(yè)機器人制造廠商紛紛加大了在我國的投資和應用技術的投入，對我國的國產工業(yè)機器人產業(yè)的發(fā)展帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。 我國機器人的研究與應用水平與日美相比存在較大差距，主要是沒有形成機器人產業(yè)。 我國政府非常重視機器人技術的發(fā)展，從1986年“七五”科技攻關及實施到1987年863計劃開始，就有計劃地組織和發(fā)展工業(yè)機器人事業(yè)，經過20多年的研制和應用，目前在工業(yè)機器人的一些機種方面，如噴漆機器人、焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和特種機器人都有了長足的進步，基本掌握了工業(yè)機器人的設計制造技術和機器人應用中單元和生產線的設計、制造技術，有了一支具有一定水平的技術隊伍，其中有130多臺套噴漆機器人在20余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線上獲得規(guī)模應用。形成了沈陽自動化研究所的新松機器人公司、哈爾濱工業(yè)大學的博實機器人公司、北京機械自動化研究所機器人開發(fā)中心等九個機器人產業(yè)化基地，奠定了我國獨立自主發(fā)展機器人產業(yè)的基礎。 但是，我國工業(yè)機器人在總體技術上與國外先進水平相比還有很大差距，僅相當于國外九十年代中期的水平。多數是單件小批生產，關鍵配套的單元部件和器件始終處于進口狀態(tài)，工業(yè)機器人的性價比較低。我國整體裝備制造水平不高，制約了我國工業(yè)機器人產業(yè)的形成和實現規(guī)?；陌l(fā)展。 盡管中國工業(yè)機器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質價廉的工業(yè)機器人商品，目前在我國尚有較長的路程。這主要有以下幾個方面： 首先為了促進中國工業(yè)機器人產業(yè)的發(fā)展，必須在以市場需求為主的前提下，國家在政策上鼓勵企業(yè)在技術投入和技術改造方面應用國產工業(yè)機器人。同時轉變現有的機制，建立以適應市場經濟所需的工業(yè)機器人的產業(yè)基地。 其次，在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，應繼續(xù)對工業(yè)機器人的研究開發(fā)和應用關鍵、基礎部件的研究和產品化給予支持，形成產品和自動化制造裝備同步協(xié)調發(fā)展的新局面。 第三，結合我國的國情，加強我國工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，使之與國民經濟的發(fā)展密切相結合。經過近十年的努力，我國在工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)方面已具有相當的實力，已有一支了解企業(yè)的需求，能開發(fā)出符合實際使用條件應用工程，成本低，服務及時，具備與國外公司的競爭能力，因此加強工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，并圍繞應用工程的需要進行工業(yè)機器人新產品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a能力，這樣可以促進我國企業(yè)的技術進步和提高競爭力，同時工業(yè)機器人的應用也可形成具有一定規(guī)模的產業(yè)[9]。 21世紀是人類走向海洋，向海洋要資源的世紀，我們的系列水下機器人將在海洋資源勘探、海洋石油開采、沉船打撈等諸多領域發(fā)揮其不可替代的作用。臺灣問題、臨海問題一直是非常敏感的問題，要想解決好這些問題，必須有先進的水上、水下裝備，發(fā)展先進的水下機器人可以有效地提高我國的領海保衛(wèi)能力，增強我國的國防實力。 我國機器人的研究與開發(fā)起步晚，始于20世紀70年代初，到現在已經歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關計劃，發(fā)展比較快。在機器人基礎技術方面：諸如機器人機構的運動學、動力學分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術、遙控機器人的控制技術等均取得長足進展，并在實際工作中得到應用。 2、我國機器人的發(fā)展特點 （1）水下機器人技術走在世界前列。例如，自主研制成功1000米水下無纜機器人以后，又和俄羅斯合作成功研制了6000米水下無纜自治機器人且實現了工程化[10]。更值得一提是，95年和97年在夏威夷東南太平洋5800米水深處成功地進行了兩次大洋探測試驗，取得了海底錳結核分布資料，表明我國已成為世界上少數幾個具有深海探測能力的國家之一。 （2）機器人化機器推動我國工程機械的更新?lián)Q代。相繼完成了無人駕駛的振動式壓路機、具有自動化推平功能的推土機、可編程挖掘機、自動鑿巖機，促進了我國工程機械產品升級換代。 （3）特種機器人的發(fā)展蓬蓬勃勃。繼防核化偵察車、遙控移動機器人及爬壁機器人以后，又開發(fā)出防暴機器人、自動引導車、各種罐體爬壁清掃機器人、玻璃擦掃機器人等。90年代初，研制成功多自由度微操作機器人，并在生物與醫(yī)學工程取得成功應用。在微小空間探測的小機器人研究也有了突破。 （4）工業(yè)機器人系列產品和應用工程成為機器人產業(yè)的龍頭。研制出具有國際90年代水平的實用性轉配機器人、弧焊機器人、電焊機器人及自動引導引車等一系列產品，并實現了小批量生產及其應用工程[4]。 3、我國機器人研究成果 1980年——研制成功中國第一臺工業(yè)機器人樣機； 1985年——中國第一臺水下機器人首航成功； 1986年——中國第一臺水下機器人深海試驗成功； 1988年——中國第一臺水下機器人投入使用； 1990年——水下機器人首次出口美國； 1992年——國產AGV第一次應用于柔性生產線； 1993年——中國唯一的機器人技術國家工程研究中心成立； 1994年——中國第一臺五自由度高壓水切割機器人投入使用； 1994年——中國第一臺1000米水下機器人海試成功； 1995年——中國第一臺6000米水下機器人海試成功； 1995年——中國首臺四自由度電焊機器人開發(fā)成功，第一條電焊機器人生產線投入使用； 1995年——自主開發(fā)的機器人技術——AGV技術出口韓國； 1997年——具有自主版權的高性能機器人控制器小批量生產； 1997年——自主開發(fā)的國內第一條機器人沖壓自動化線用于一汽大眾生產線； 1998年——國內首臺激光加工機器人開發(fā)成功； 1998年——國內首臺澆注機器人用于生產； 2000年——中國首臺類人型機器人研制成功[11]； 2001年——我國第一次用機器人完成腦外科手術； 2003年——我國第一臺管道無損探測機器人研制成功； 2004年——我國首臺自走式兩棲機器人研制成功； 2006年——我國首臺烹飪機器人在深圳誕生。 1.5 機器人的發(fā)展趨勢 隨著計算機技術的迅速發(fā)展及人工智能、傳感技術和仿生材料技術水平的逐步提高，目前研究熱點主要落在了智能化、擬人化兩方面。 （1）工業(yè)機器人性能追求高速度、高精度、高可靠性的三高境界； （2）機械結構趨向模塊化、可重構化； （3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)利用PC機的開放型控制器； （4）機器人中的多傳感器系統(tǒng)的廣泛應用，便于進一步提高機器人的智能和適應性 [24]； （5）從仿真、預演發(fā)展到過程控制全程運用虛擬現實技術； （6）微型和微小機器人技術。納米機器人是最具誘惑的項目； （7）遙控機器人系統(tǒng)致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室走入實用化階段； （8）機器人化機械開始崛起。機器人化機械研究開發(fā)包括并聯(lián)機構機床（VMT）與機器人化加工中心（RMC）的開發(fā)研究，以及機器人化無人值守和具有自適應能力的多機遙控操作的大型散料輸送設備的研究開發(fā)[1]。 1.6 設計的主要內容 基于UG四自由度機器人的結構設計，是結合機械設計與計算機軟件設計的綜合性設計?，F今社會，機器人以成為各國競相發(fā)展的行業(yè)。機器人的設計主要是通過給定的條件運用機械設計原理，計算其負載功率，選定動力驅動方式，確定出四自由度機器人的結構形式，確定各個部件的尺寸及對相應的部件進行強度計算。 在上述基礎上，運用計算機CAD技術繪制零件二維圖形，機器人總裝圖形。在運用計算機UG三維軟件技術對四自由度機器人的所有零件進行三維的實體建模，并運用UG裝配功能將四自由度機器進行三維的模擬組裝，最終完成機器人的模型設計。 第2章 機器人結構方案分析 2.1 機器人系統(tǒng) 2.1.1 機器人系統(tǒng)的基本組成 一個機器人系統(tǒng)，一般由下列四個互相作用的部分組成：執(zhí)行機構、控制器、環(huán)境、任務，如圖2.1所示[1] 位置、速度反饋 控制算法 工作任務 模型 控制器（計算機） 執(zhí)行機構 關節(jié)式機械系統(tǒng) 驅動裝置 驅動裝置 外感應信息 交互作用 計算機 語言 任 務 外傳感應器 環(huán) 境 圖2.1 機器人系統(tǒng)的基本組成 2.1.2 機器人結構簡圖 機器人系統(tǒng)的基本組成圖可簡化為如圖2.2所示[2]。 外傳感信息 環(huán)境 執(zhí)行機構 控制器 任務 外傳感信息 圖2.2 機器人結構簡圖 機械手是具有傳動執(zhí)行裝置的機械，它由臂、關節(jié)和末端執(zhí)行裝置（工具等）構成，組合為一個互相連接和互相依賴的運動機構。機械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務。不同的機械手具有不同的結構類型。其結構原理圖如圖2.3。 圖2.3 機械手結構簡圖 2.2 機器人的執(zhí)行機構 機器人是由執(zhí)行機構、驅動機構和控制部分所組成，各部關系如下框圖2.4。 工作 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 執(zhí)行機構 位置檢測裝置 圖2.4 機器人組成關系圖 執(zhí)行機構（機械部分）包括手部、腕部、手臂和行走機構等運動部件組成[1]。 2.2.1 腰部結構 腰部是直接支撐和傳動手臂的部件，一般實行臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都要安裝在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以設地面或架空軌道運動，本設計采用與底座相連的固定式。 機身是直接連接、支撐和傳動手臂及行走機構的部件，它是由臂部運動（升降、平移、回轉和俯仰）機構及有關的導向裝置、支撐件等組成。 常用的機身結構有： （1）升降回轉型； （2）俯仰型； （3）直移型； （4）類人機器人機身結構。 本設計采用升降回轉型。 2.2.2 臂部結構 手臂部件（簡稱臂部）是機器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。 機器人的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自傳等運動有關的構件，如傳動裝置、導向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測元件等，此外，還有與腕部或手臂的運動和聯(lián)接支撐等有關的構件配線等。 根據臂部的運動和布局、驅動方式、傳動和導向裝置的不同可分為： （1）伸縮臂部結構； （2）轉動伸縮型臂部結構； （3）屈伸縮型臂部結構； （4）其他專用的機械傳動臂部結構。 本設計采用屈伸縮型臂部結構[3]。 手臂有獨立的自由度，可采用： （1） 直角坐標（前后、上下、左右都如直線運動）； （2） 圓柱坐標（前后、上下直線往復運動和左右旋轉運動）； （3） 球坐標（前后伸縮，上下擺動和左右旋轉運動）； （4） 關節(jié)式（手背能任意伸屈）。 直角坐標系占空間大，工作范圍小，所以一般不用；圓柱坐標系占空間較小，工作范圍較大，但慣性也較大，且不能抓取底面物體，不予使用；球坐標系和關節(jié)式占空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物件，關節(jié)式還可以繞障礙物選擇途徑，靈活性較高，廣泛使用。 本設計因手臂部只有兩個自由度，避免了多關節(jié)結構復雜的缺陷，使關節(jié)的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，因此將手臂的結構做成關節(jié)式，并分為小臂、大臂，小臂用來聯(lián)接手腕和大臂，大臂用來聯(lián)接小臂和底座上的腰部旋轉件，各擁有一個自由度。 2.2.3 手腕結構 手腕是聯(lián)接手臂和手部的結構部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成復雜的姿態(tài)。 手腕部一般需要三個自由度； （1）臂轉，繞小臂軸線方向的旋轉； （2）手轉，使手部繞自身的軸線方向旋轉； （3）腕擺，使手部相對手臂進行擺動。 本設計四自由度機器人腕部采用上下擺動的自由度形式，用步進電機直接驅動。由于本設計機器人主要用于搬用中小零件或教學用機器人，所以承受載荷不很大，結構要求不高，所以這個結構可以使用。為了便于手臂上的位置結構安排，直接驅動浪費空間，重量分布也不太均勻，所以決定采用同步帶輪傳遞動力。 2.2.4 手部結構 手部是機器人直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態(tài)的不同，手部結構是多種多樣的。它具有模仿人手動作的功能并安裝與機器人手臂的前端，結構較為復雜，其自由度一般不少于六個，所以本設計不對抓取部分—手腕 作詳細設計。 2.3機器人的驅動機構 機器人關節(jié)的驅動方式有液壓式、氣動式、電動式和機械式四種。 夜動式輸出力大（壓力高，常用液壓為2.5～6.3MPa），臂力可達100公斤以上，且可用電液伺服機構，體積較小，可獲得較大的推力或轉矩；工作平穩(wěn)，可得到較高的位置精度；傳動中力、速度和方向比較容易實現自動控制，效率高、壽命長。不足處，泄露難克服，易引起燃燒爆炸等危險；液壓元件精度要求高，造價高。 氣動式具有空氣粘度小，易達到高速（1m/s）；可利用空氣壓縮機減少了動力設備，氣動元件工作壓力低，造價也低，結構簡單。采用點位控制或機械塊定位時，有較高的重復定位精度，但臂力一般在30公斤一下。 電動式可分為普通交流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。 普通交、直流電動機驅動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。私服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交直流、私服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精確要求不高的場合。 機械式結構復雜，靈敏度低，故不做詳細介紹。 綜上，本次設計的“四自由度機器人”主要使用于一般的教學、培訓或汽車中小零件的搬運等，故采用電動式，將其簡單高效的特點得以充分發(fā)揮[4]。 2.4 控制系統(tǒng) 機器人控制器具有多種結構形式，包括：非伺服控制、伺服控制位置和速度反饋控制、力（力矩）控制、基于傳感器的控制、非線性控制、滑模控制、最優(yōu)控制、自定位控制、遞階控制記憶各種智能控制等。本設計要求只對結構進行設計建模，控制系統(tǒng)不做要求。 2.5 本章小結 本章對四自由度機器人的常用結構方案進行分析。對機器人的結構組成（腰部、臂部、腕部）進行了詳細的闡述，并最終確定適合本設計的結構方案，驅動方式等。最后簡單介紹了驅動機構與控制機構。 第三章 四自由度機器人整體及部件設計 3.1 四自由度機器人性能要求 表3.1 四自由度機器人性能要求 結構形式 串聯(lián)關節(jié)式 負載能力 2Kg 重復定位精度 ±0.1mm 運動范圍 300° 120° 120° 360° 每軸最大運動速度 腰轉 45°/S 大臂 45°/S 小臂 30°/S 腕擺 60°/S 最大展開半徑 530mm 高度 957mm 本體重量 操作方式 示教再現/編程 供電電源 單相220V、50Hz 3.2 電機的選擇 在要求輸出力矩和負載較小的情況下，電機的選用一般有:電動伺服電機和步進電機兩種。根據表3.1及電機的選用條件[13]結合本設計的性能要求及結構特點，本設計決定選用步進電機來驅動。 步進電機是一種吧電脈沖信號變換成直線位移的執(zhí)行元件，本設計機器人是用來搬運中小零件的，所以選步進電機符合要求。 在根據參考文獻[14]，混合式步進電機是一種兼有反應式和永磁式兩種步進電機有點的新型電動機。五相及三相混合式步進電動機因其分辨率小，精度高、低頻無振蕩、高頻力矩大而廣泛用于各類機床、切割機、輕工、包裝、醫(yī)療器械、機器人及電腦繡花機等自動控制設備中。因此，選用混合式步進電動機，系列代號BYG。 3.2.1 負載功率的估算 電動機負載功率是根據具體生產機械的負載及效率計算的，它可以從機械手冊中查出。 （1）底座處電機負載功率 已知，腰轉 450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min 負載功率 [15] PL=G?u?V624.5?ηc kw (3.1) 式中： PL—腰部負載功率，kw； G—傳動件重量，N（根據任務書及電機的初選確定）； u—傳動摩擦系數； V—移動速度，m/s； ηc —傳動機構效率。 G=mg(其中已知m≤85kg；g=9.8N/kg)=85×9.8 N=833 N u—查參考資料[11]得u=0.2； ηc—查參考資料[15]得ηc=0.9； V—已知角度450/s，初步確定機器人的底座腰部直徑為150mm，則 V=4503600×π×150×10-3 m/s =0.059 m/s； 所以將以上各值帶入式 3.1得 PL=G?u?V624.5?ηc kw = 833?0.2?0.059 624.5?0.9 kw =0.01749 kw=17.49 w 3.2.2 步進電機額定功率的計算 預選電機的額定負載功率基本原則是:連續(xù)工作方式下，要求 Pe≥PL,本設計是從發(fā)熱溫升負度考慮的，不必校核電動機的溫升，只需校核過載能力[15]。 根據參考資料[16]，步進電機的轉速 ne=60?fZR?N r/min (3.2) 式中： f—脈沖頻率，Hz或P/s，本設計電壓220V，頻率f=50Hz； N—轉子轉過一個齒距的運行拍數，本設計選用BYG型步進電機，三相三拍時，N=m（相數）；三相六拍時N=2m； ZR —轉子齒數，本設計選用BYG型步進電機，ZR=8； 根據參考資料[13]步進電機的額定功率 Pe=Te?ωe1000 kw (3.3) 式中： Pe—電機額定功率； Te—電動機轉矩 N?m； ωe—電動機角速度 rad/s，ωe= ne； 1、底座電機選擇 根據參考資料[17]，初選機器人底座處的步進電機為 57BYG4501型。 則根據提供的參數可知:Te=0.6N?m；N=2m=2×2=4；將N=4帶入公式 3.2得 ne =60×50/8×4 r/min =93.75 r/min 將ne =93.75 r/min帶入公式 3.3得 Pe=0.6×93.75/1000 kw =0.05625 kw=56.25 w 因Pe=56.25 w>PL=17.89 w，所以所選電機 57BYG4501型能夠勝任本設計要求。 2、手腕處電機選擇 手腕處負載，根據設計要求 PL'=F?vη×10-3 kw[15] (3.4) 式中： PL'—手腕處負載功率； F—額定提升的重量 N； v —額定提升速度 m/s； η—手腕處傳動效率； F根據設計要求得 F=2×9.8 N=19.6 N； v 根據設計要求v=ω=600/s=6003600/160 rad/min=10 rad/min，或者 v=ω=600/s=6003600?π?d m/s=6003600×3.14×38.81×10-3 m/s=0.02 m/s，（其中d=38.81mm 這將在后邊具體算出）； η 根據參考文獻[18]得η=0.98；將F、v、η的值帶入公式 3.4得 PL'=（19.6×0.02）/0.98 kw=4.0×10-3 kw (若用公式3.1計算PL'得 PL'=1.28×10-4 kw，這里我選用公式 3.4算得的值)。 所以，手腕處負載較小，經計算選用35BYG4501型步進電機。其轉速和功率如下計算: ωe= ne = 60?fZR?N = 60?508×2×4 r/min=46.88 r/min Pe= Teωe1000 = 0.05×46.88/10000.05×46.881000 kw =2.344×10-3 kw 3、大臂與腰部旋轉體處電機選擇 根據設計要求，此處所承受的最大負載大致為G=mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N。 運動速度為450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min，大臂伸展半徑為303mm，所以大臂速度可變換為V =7.5r/min = 7.5×π×2×30360 m/s=0.24m/s。根據公式3.1可得大臂處負載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=436.1×0.2×0.24624.5×0.9 kw=0.037kw=37w 根據參考資料[17]選擇步進電機57BYG4501，根據公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.6×46.881000 = 0.05625 kw=56.25 w 56.25 w>37w，根據參考資料[17]大臂與旋轉體處電機選擇57BYG4501型步進電機。 4、小臂與大臂聯(lián)接處電機選擇 根據設計要求，此處所承受的最大載荷為G=mg=（14×85+2）×9.8=227.85N。 運動速度為300/S=3003600/160 r/min =5 r/min，小臂伸展半徑為411.5mm，所以小臂速度可變換為V =5r/min = 5×π×2×411.560 m/s=0.22m/s。根據公式3.1可得小臂處負載功率為 PL=G?u?V624.5?ηc kw=227.85×0.2×0.22624.5×0.9 kw=0.0178kw=17.8w 根據參考資料[17]選擇步進電機42BYG4503，根據公式3.3得 Pe=Te?ωe1000 kw=0.48×46.881000 = 0.0225 kw=22.5 w 22.5 w>17.8w，根據參考資料[17]小臂與大臂聯(lián)接處電機選擇42BYG4503型步進電機。 3.3 同步帶傳動設計 3.3.1 已知條件： （1）傳動功率 PL'=4.0×10-4 kw； （2）大小帶輪轉速 n1=n2=600/s=10 r/min （n1 為手腕處主動輪，n2為從動輪）； （3）傳動用途、載荷性質、原動機種類以及工作制度[13]。 3.3.2 設計計算 （1）設計功率 Pd Pd=KA?P (3.5) 式中： Pd—設計功率； KA —工況系數，查參考資料[13]得 KA =1.5； P—傳動功率，P= PL'=4.0×10-4 kw； 將以上數據帶入公式 3.5得 Pd=1.5×4.0×10-4 kw =6.0×10-4 kw （2）帶型節(jié)距 Pb 根據Pd和n1、n2查參考資料[13]初選取XL型同步帶。根據設計要求可知，n1= n2=10 r/min。前所選手腕處步進電機35BYG4501轉速ωe= ne =46.88 r/min，根據本設計整體結構和BYG型電機的選擇，經計算比較分析n1= n2=10 r/min與ωe= ne =46.88 r/min相差不是太大，可以使用 35BYG4501型電機。 為使傳動平穩(wěn)，提高帶的柔性以及增加嚙合齒數，節(jié)距Pb盡可能選取較小值。對模數制的m也盡可能選取較小值，特別是在高速時。故選取周節(jié)制XL型，Pb=5.080 mm，m=2。 (3) 小帶輪齒數 (3.6) Zmin由參考資料[13]查得 Zmin=10，帶速V和安裝尺寸允許時，Z1盡可能選用較大值，故初選 Z1=24。 (4) 小帶輪節(jié)圓直徑 (3.7) 將mm，代入公式（3.3）中，得 mm 由Z1 =24及XL型號帶查參考資料[13]得節(jié)圓直徑 mm，外徑mm。(5) 帶速 (3.8) 將mm，r/min代入公式（3.8）中，得 m/s 根據模數型號與所選同步帶型號，由參考資料[13]查得 m/s 故符合要求。 (6) 傳動比 = n1n2 ≤10 根據本設計要求及結構，大小帶輪轉速相同，所以取 =1<10，符合要求。 （7）大帶輪齒數 Z2 Z2=i ?Z1=1×24 （8）大帶輪節(jié)圓直徑 d2 d2 =PbZ2/π =i?d1=1×38.81=38.81 mm （9）初定中心距 a 采用中心距可調式 (3.9) 將mm，將其帶入公式（3.9）中，得 mm 故取 a=70 mm。 （10）初定帶的節(jié)線長度及其齒數 (3.10) 將mm，mm代入公式（3.10）中，得 mm 根據參考資料[13]，查表得：mm，Zb =55。 （11）實際中心距 a (3.11) 將mm，mm，mm代入公式（3.11）中，得 mm 將a取整 a=79 mm。 （12）基準額定功率 P0 (3.12) 式中：—帶寬為bs0的許用工作拉力，N； m—帶寬為bs0的單位長度的質量 kg/m； 根據參考資料[13]查得 Ta=50.17，v=0.02 m/s，m=0.22 kg/m帶入公式（3.12）得 kw （13）帶寬 bs (3.13) 式中： bs0—選定型號的基準寬度 mm； kz—小帶輪嚙合齒系數； 根據參考資料[13]查得bs0 =9.5 mm；kz數=1.00； 將kw，Pd=6.0×10-4 kw，mm，代入公式（3.13）中，得 mm 則根據參考資料[13]取bs=9.5 mm。 故選取同步帶 GB/T 11616—1989 110XL037。 （13）作用在軸線上的力 Fr N (3.14) 將Pd=6.0×10-4 kw，m/s代入公式（3.10）中，得 N 本設計四自由度機器人的機身材料查閱參考資料[19]取 Q235。 3.4 軸的確定及校核 查閱參考資料[13]，本設計四自由度機器人腰部軸與手腕處軸均選用 45號剛。 3.4.1 腰部軸的確定校核 根據本設計要求及所確定的結構特點，腰部軸的尺寸及形狀最終確定如圖 3.1 圖3.1 底座軸結構尺寸 本設計腰部軸主要承受轉矩，承受的彎矩很小，所以按扭轉強度計算。 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa (3.15) 式中： τ—軸的扭切應力 MPa； P—傳遞的功率 kw，P=17.49×10-3 kw； T—轉矩 N?m； WT—抗扭截面系數 mm3； d—軸的直徑 mm，d=30 mm； n—軸的轉速 r/min，n=93.75 r/min； [τ]—許用扭切應力 MPa，45號剛 [τ]=30~40 MPa； 將數以上據帶入式（3.15）得 τ=9.55×106×17.49×10-3/0.2×303×93.75 =0.329 MPa< [τ] =30~40 MPa 所以本設計腰部軸的結構安排符合要求。 3.4.2 手腕軸的確定校核 根據本設計要求及所確定的結構特點，手腕軸的尺寸及形狀最終確定如圖3.2 圖3.2 手腕軸結構尺寸 手腕處即受彎矩又受扭矩，也可近似使用公式（3.15）計算，但必須把軸的許用扭切應力[τ]適當降低以補償彎矩對軸的影響。將減低后的許用應力帶入 式3.15，并改寫為設計公式 d≥39.55×1060.2τ?3Pn≥C3Pn mm （3.16） 手腕處： P=4.0×10-4 kw； [τ]—45號剛 [τ]=30 MP（最小值）；n=10 r/min； C—由軸的材料和承載情況確定的常數，查參考資料[18]得C=118~107，取C=100； 將以上數據帶入公式（3.16）得 d≥39.55×1060.2×30?34.0×10-410≥10034.0×10-410 mm d≥7.324≥3.4 mm 本設計d=8 mm≥3.4 mm，符合要求。 3.4.3 大臂聯(lián)接件的確定校核 根據本設計，大臂聯(lián)接件尺寸確定如圖3.3所示。 圖3.3 大臂聯(lián)接件尺寸 根據本設計結構安排，大臂聯(lián)接件主要承受扭矩，所以按扭轉強度計算。據公式3.15 τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa 此處式中P=37w=37×10-3kw，n=7.5r/min=0.24m/s，d=35mm，帶入式3.15中得， τ= TWT =9.55×106×37×10-3/0.2×353×7.5 MPa ≈5.49 MPa 大臂聯(lián)接件材料為45號剛，[τ]=30~40 MPa，而5.49 MPa ≤[τ]=30~40 MPa，所以大臂聯(lián)接件設計符合強度要求。 3.5 軸承的選用及計算 3.5.1 手腕處軸承 （1）手腕處軸承的選擇 手腕處根據工作條件主要承受徑向載荷，同時也承受一定得軸向載荷。故選手腕處軸承為深溝球軸承。 根據參考資料[13]及其圖 3.2選擇手腕處軸承為 60000型，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動載荷 Cr=4.85 kN，徑向額定靜載荷 C0r=1.98 kN。 （2）軸承當量動載荷 P P=（XFr +YFa） (3.17) 式中： X—徑向動載荷系數； Y—軸向動載荷系數； Fr—徑向載荷 N，Fr =mg=29.8 N=19.6 N，此處考慮到過載、環(huán)境溫度及運動過程中的沖擊等情況可取大點，所以取Fr =100 N； Fa—軸向載荷 N，同Fr取為Fa=100 N； 因此 FaC0r = 100 N1980 N =0.051 根據 FaC0r = 0.051查閱參考資料[20]得e 值為0.26； 又 FaFr = 100 N100 N =1>e=0.26 根據參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.71； 將以上數據帶入公式（3.17）得 P=（0.56×100+1.71×100）N =227 N （3）軸承的基本額定壽命 Lh Lh = 10660n （ftCfpP）ε h (3.18) 式中：Lh—軸的基本額定壽命 小時； —基本額定動載荷 N，C=Cr=4.58103 ×103N； —當量動載荷 N，P=P=227 N； —軸承轉速r/min； ft—溫度系數，ft =1[18]； fp—載荷系數，fp =1.5[18]； ε—壽命指數[18]，球軸承 ε =3； 將以上數據帶入公式（3.18）得 h 符合要求。 3.5.2 大臂聯(lián)接處軸承 大臂聯(lián)接處根據工作條件選擇深溝球軸承，根據參考資料[13]及圖3.3結構選擇軸承6207，查參考資料[20]得該軸承的基本額定動載荷 Cr=25.5 kN，徑向額定靜載荷 C0r=15.2kN。 （1）軸承當量動載荷 P Fr—徑向載荷 N，Fr = mg=（12×85+2）×9.8N=436.1N， Fa—軸向載荷 N，此處軸向載荷較小，故Fa根據參考資料[20]可為Fa=400 N； X=0.56；Y=1.71 因此， FaC0r = 100 N15200 N =0.026 根據 FaC0r = 0.026查閱參考資料[20]得e 值為0.22； 又 FaFr = 400 N436.1 N =0.91>e=0.22 所以根據參考資料[20]得 X=0.56；Y=1.99； 將上邊各值帶入公式3.17得 P=（0.56×436.1+1.99×400）N =1040.216 N （2）軸承的基本額定壽命 Lh 根據公式3.18 Lh = 10660n （ftCfpP）ε h 得 Lh=10660×7.5×（1×25.5×1031.5×1040.216）3=9.7×106h 符合要求。 3.5.3 其它部位軸承的選擇 同手腕處軸承的選用方法，腰部軸處根據工作條件及圖3.1結構尺寸選用30206型滾動軸承。 大臂兩端處軸承選用6207型滾動軸承[20]。 注：本設計其它零件的結構尺寸具體見CAD圖紙和UG三維模型，這里不在贅述。 3.6 四自由度機器人長度尺寸 3.6.1 腰部總成高度尺寸 根據前邊的選擇，腰部電機57BYG4501，直徑為66.6mm，根據參考資料[5]，箱座壁厚δ≥8mm，所以取機器人腰部壁厚為15mm，所以機器人腰部總直徑d=66.6+2×15=96.6mm，取整d=97mm。底座直徑比腰部直徑要大些，以便安裝螺栓固定腰部與底座，故取底座直徑d’= 150mm。 底座軸承端蓋厚度根據參考資料[5]得