基于UG四自由度机器人的结构设计【三维UG】

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尽管直到三十多年前，“机器人“才作为专有名词加以引用，然而机器人的概念在人类的想象中却以存在三千多年了。早在我国西周时代（公元前1066—公元前771年），就流传有关巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人的故事。我国东汉时期（25—220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。作为第一批自动化动物之一的能够飞翔的木鸟是在公元前400年至350年间制成的。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈若斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。在公元前2世纪出现的书籍中，描写过一个具有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和列队表演。人类历史进入近代史之后，出现了第一次工业革命和科学革命。随着各种自动机器、动力机械的问世，制造机器人开始由梦想转入现实，许多机械式控制的机器人，主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品应用而生。 公元1768—1774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人，设计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。它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。同时，还有德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙格雷姆”，日本物理学家西川半藏设计的各种自动机械图形，法国杰夸特设计的机械式可编程织造机等。1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，是以蒸汽为动力的。这些机器人工艺珍品，标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上前进了一大步。 进入20世纪后，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中，人们含有几分不安的期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。1920年，捷克剧作家卡雷尔•查培克（Karel Capek）在他的幻想情节剧《路萨姆的万能机器人》中，第一次提出了“机器人”这个词。在剧中，他把机器人描述成与人相似但能不知疲倦地工作的机器，最终机器人背叛它们的创造者而消灭了人类。各国对机器人的译法，几乎都从斯洛伐克语“robota”音译为“罗伯特”，只有中国译为“机器人”。1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中，提出了有名的“机器人三守则”： （1） 机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人类将受害而袖手旁观； （2） 机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类； （3） 机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类令它做出牺牲。 这三条守则，给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户，提供了十分有意义的指导方针。 因此，机器人的发展时间段大致可分为一下几个时间段： 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。 　　1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。 　　1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。 　　1948年 诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。 　　1954年 美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。 　　1956年 在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。 　　1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。 　　1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。 　　1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。 　　1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。 　　1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。 　　1969年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 　　1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。 　　1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。 　　1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。 　　1998年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。 　　1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。 　　2002年 美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。iRobot公司北京区授权代理商：北京微网智宏科技有限公司http://www.micronet.net.cn。 　　2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。 多连杆机构和数控机床的发展和应用为机器人技术打下 重要基础。 1954年，美国人乔治•德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利。1962年，美国万能自动化（Unimation）公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司（GM）投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从次，机器人开始成为人类生活中的现实。此后，人类继续以自己的智慧和劳动，谱写机器人历史的新篇章。 同时，随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影《摩登时代》中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病逐渐产生，于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。“机器人上岗，人将下岗。”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。比如汽车的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是成了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话：“日本机器人的数量居世界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。 2）．机器人的定义 机器人的定义处在不断的发展变化之中。美国机器人协会（RIA）认为，机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能机械手（Manipulator）日本机器人协会（JIRA）认为工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器（End Effector）能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织（ISO）给出的定义是，机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可变程序造作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行多种任务。 关于我国机器人的定义。随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。蒋新松院士曾建议吧机器人定义为“一种几人功能的机械电子装置”（a mechantronic device to imitate some human functions）。因此，我们参考各国的定义，结合我国情况，对机器人做出统一的定义： 我们认为机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能，可以代替人完成特定任务的一种自动化机电装置。 机器人技术的迅速发展，为机器人学的建立奠定了基础。机器人学是综合运用数学、力学、机械、电子、计算机、自动控制、人工智能等多学科知识，对机器人 的体系结构、机构、控制、智能、传感、编程语言以及机器人应用等进行研究的一门综合性新兴交叉科学。 3）.机器人的发展现状 第一台工业机器人问世后头十年，从20世纪60年代初期到70年代初期，机器人技术的发展较为缓慢。进入20世纪70年代之后，人工智能学界开始对机器人产生浓厚兴趣。他们发现机器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机，提供了一个很好的实验平台和应用场所。进入80年代后，机器人生产继续保持70年代后期的发展势头。到20世纪80年代后期，传统机器人的应用趋于饱和，因而国际机器人学研究和机器人产业出现不景气现象。到90年代出机器人茶叶出现复苏和继续发展迹象。进入21世纪以来，机器人的发展出现了空前的发展迹象，主要研究领域就是运用于军事和太空领域。许多相应的更为先进的更加智能的专用机器人应用而生。 机器人的技术趋势 感觉功能、控制智能画、移动功能的智能化、系统应用与集成化、安全可靠性、微型化、多传感器信息融合与配置技术。 （1） 国外工业机器人的现状及发展趋势: 国外工业机器人的现状：机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条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，其增长速度较快。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。 国外工业机器人的发展趋势: 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。 （2） 国内工业机器人的现状与发展趋势 目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。随着经济全球化和我国加入WTO，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。 我国政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。目前工业机器人的生产规模仍然不大，多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。我国整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。 尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。同时转变现有的机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。 其次，在国家的科技发展规划中，应继续对工业机器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。 第三，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的开发，使之与国民经济的发展密切相结合。经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。 我国的机器人研究开发工作始于20世纪70年代初，到现在已经历了30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。 在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。 有关专家研究认为，我国工业机器人的市场主要在汽车、摩托车、电器、工程机械、石油化工等行业，企业对技术进步的需求更加强烈，其中主要的机器人用户仍在汽车制造行业、工程机械行业及电机、电子行业。我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。 二．四自由度机器人课题设计的参数 结构形式：串联关节式 负载能力：2Kg 重复定位精度：±0。1mm 运动范围：:300°:120°：120°360° 每轴最大运动速度：腰转 45°/S 、大臂 45°/S、 小臂 30°/S 、腕摆 60°/S 最大展开半径：530mm 高度：957mm 本体重量： 操作方式：示教再现/编程 供电电源：单相220V、50Hz 三．课题设计要解决的主要问题 1）串联式机械主座及机械手臂结构的确立（如右图）； 2）主要运动机构的确立计算； 3）活动关节出伺服电机的选用； 4）活动关节处四自由度的确定及计算； 5）运用UG软件对以上计算数据进行建模仿真分析； 6）编写说明书，运用CAD、UG软件进行工程图的绘制。 四．技术路线（研究方法） 1.在现有的资料和实验室器材的基础上进行结构尺寸的分析、设计、布置，如有必要进行调研，参考相近似的同类设计资料。 2.在对各个主要部件、关节的尺寸参数进行设计后，利用UG软件进行仿真建模和完成装配图。 五．进度安排 1．调研，查阅相关文献，写文献综述及开题报告；第1～2周（3月2日～3月13日） 2．对课题机器人零件进行设计计算；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） 小四号宋体，加粗 4．对课题机器人计算数据进行UG仿真建模和绘制装配图及部分零件图；第10～13周（5月3日～5月29日） 5．对零件图进行修改；第14周（6月1日～6月5日） 6．审核，编写说明书；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．毕业设计答辩准备及答辩；第17周（6月22日～6月 26日） 六．参考文献 [1]孙树栋 《工业机器人技术基础》　 2006年12月 西北工业出版社 [2]蔡自兴 《机器人学》　　 2003年12月 清华大学出版社 [3]Jorge Angeles（加拿大）著 宋伟刚 译 《机器人机械系统原理理论、方法和算法》 2004年8月 机械工业出版社 [4]孙莹. 机器人时代即将开启 [J] 2006年29期 [5]林绳宗. 全球机器人应用概况 [J] 2005年 6期 [6]姚志良.我国工业机器人发展的几点思考 [J] 机器人技术与应用 28 [7] 马晓丽、尹小琴、马履中、张庆功、张雪莲. 新型4自由度并联机构的动力学建模与分析[J] 自然科学版 第28卷第5期 2007年9月 [8]王仲民，蔡霞，崔世钢．一种四自由度机器人的运动学建模，动化计算机[J]．2005年13卷4期 [9]汪木兰，徐开芸，饶华球，张思弟．虚实结合的多关节机器人开放式仿真系统研究[J]，系统仿真学报，2007年第19卷第21期 [10]满翠华，范迅，李成荣，张华．5自由度机器人手臂研究[J]，制造业自动化，2006年第28卷第10期 [11]冯威，陈工．26自由度仿人机器人的设计与控制[J]《机械工程与自动化>>2008年 第02期 [12] 刘含玮、王洪光、李树军、何立波. 一种自由度并联柔索驱动机器人的精度研究 [J] 200年9月 第30卷第五期 [13] 潘芳伟、卢菊洪、贺利乐. 新型六自由度并联机器人精度分析 [J] 2008年8月第36卷第8期 [14] 李琦、刘红军. 基于刚柔结合的四自由度并联机构构型设计 [J] 2008年 7期 [15] Anthony Kushigian.CNC dressers improve productivity,flexibility.tooling&production,1997(6):46-50. 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