摘要摘要文章综述了机器人近几十年来的发展状况及有关的问题，并对圆柱坐标系机器人进行了结构方面的设计。对在圆柱坐标系机器人设计的过程中所遇到的问题进行了初步的研究和分析：对其结构选型、设计计算作了定量的研究；对其定位、精度确定等问题进行了初步研究；对其发展历史、现状及其未来的发展趋势做了一定程度的分析和探讨。本测量机结构为通过两根丝杠轴在电机的带动下转动，实现Y，Z轴的移动，通过电机带动谐波齿轮，实现Z轴的转动，进而使机械手有三个自由度。圆柱坐标系机器人已广泛应用于工业生产的各个领域， 关键词：圆柱形机器人，误差，精度，伺服电机- II -ABSTRACTABSTRACTThis paper reviewed the development of robots in recent decades the situation and related issues, and cylindrical coordinate system for the structure of the robot design. Cylindrical coordinate system in the process of robot design issues encountered in the preliminary research and analysis: Selection of its structure, design and calculation of quantitative research; its position on issues such as accuracy to determine a preliminary study ; their development history, current situation and future development trend of doing a certain degree of analysis and discussion. Structure of the measuring machine screw through the two-axis motor driven in rotation, the realization of Y, Z axis movement, through the harmonic gear drive motor, the realization of Z-axis of rotation, so that there are three degrees of freedom manipulator. Cylindrical coordinate system the robot has been widely used in various fields of industrial production, Key words: cylindrical robot, error, precision, servo motor目录目录第1章绪论11.1机器人工业发展史11.2工业机器人的定义11.3机器人的结构11.4机器人的几何模型21.5机器人的主要技术参数31.6工业机器人的分类3第2章工业机器人结构总体设计52.1确定机器人类型52.2 机器人基座52.3 谐波齿轮传动52.3.1谐波齿轮构成62.3.2谐波齿轮特点62.3.3谐波齿轮传动的工作原理62.4 丝杠72.5 伺服电机72.3.3伺服电机类型选择72.3.3交流伺服电机工作原理82.3.3交流伺服电机控制方法8第3章结构强度分析与计算103. 1Y轴设计103.1.1滚珠丝杠副的选择和计算103.1.2丝杆校验123.1.3伺服电机的选择143.1.4轴承的选择173. 2Z轴设计183.2.1滚珠丝杠副的选择和计算183.2.2丝杆校验213.2.3伺服电机的选择243.2.4轴承的选择273.3谐波齿轮的选择和计算283.4主轴上伺服电机的选择和计算303.5螺栓的计算313.5.1连接Z轴与Y轴的螺栓的计算31第4章结构强度分析与计算34致谢35参考文献36- III -目录第1章绪论第1章 绪论1.1机器人工业发展史1958年，美国推出了世界上第一台工业机器人实验样机。1967年，日本引进了美国的工业机器人技术，经过消化、仿制、改进、创新，到1980年，机器人技术在日本取得了极大的成功与普及。80年代以来，国际机器人的发展速度平均保持在2530年增长率，所生产的机器人主要用于改善恶劣的工作条件。我国机器人技术起步较晚，1987年，北京首届国际机器人展览会上，我国展出了10余台自行研制或仿制的工业机器人。经过“七五”、“八五”攻关，我国研制和生产的工业机器人已达到了工业应用水平。1.2工业机器人的定义国际上关于机器人的几种定义a.美国机器协会（RIA）： 机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。b.日本工业机器人协会：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够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）：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。c.中国：机器人是一种拟人功能的机械电子装置。1.3机器人的结构(1)机器人的体系结构从体系结构来看，机器人分为三大部分六个系统，分别是：三大部分：机械部分（用于实现各种动作）、传感部分（用于感知内部和外部的信息）、控制部分（控制机器人完成各种动作）。六个系统： A 驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的 原动力。B机械结构系统：完成各种动作。C感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。D机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备的联系和协调并构成功能单元。E人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单元。F控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。分为开环系统和闭环系统。(2)机器人的机械结构： 工业机器人一般有以下几部分构成（如图1-1）：机身部分：如同机床的床身结构一样，机器人机身构成机器人的基础支撑。有的机身底部安装有机器人行走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰。臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。关节：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。图1-11.4机器人的几何模型： a 转动关节 b 移动关节图1-2利用关节图形符号，可以把复杂的真实机器人抽象成简单的几何模型，以便研究其运动和进行受力分析。一个形状和大小不同的工业机器人，可能有着相同的几何模型（仅几何参数不同），并有着相同的运动学分析结果。 a 5R型工业机器人 b 机器人几何模型图1-31.5机器人的主要技术参数（1）自由度： 指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。（2）工作精度：包括定位精度和重复定位精度。可以用精密度、正确度、和准确度三个参数来衡量。（3）定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。（4）重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。（5）工作范围：指机器人末端操作器所能到达的区域。（6）工作速度：指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同。（7）承载能力：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。1.6工业机器人的分类（1）按用途分：工业机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、排险救灾机器人、教学机器人和娱乐机器人等。（2）按主要功能分：操作机器人：主要是模仿人的手和手臂的工作。移动机器人：工业生产中带有行走机构的机器人完成运输，上下料等工作。 信息机器人：主要指以计算机系统为基础的智能行为模拟装置。人机机器人：机器人和真人之间构成一个闭环系统。如假肢机器人。（3）按坐标系统来分：直角坐标型：只具有移动关节圆柱坐标型：具有一个转动关节、其余为移动关节的机器人。球坐标型：具有两个转动关节、其余为移动关节的机器人。关节型：具有三个转动关节的机器人。 直角坐标型 圆柱坐标型 球坐标型 关节型图1-4（4）按受控方式分: 点位控制型、连续控制型。 （5）按驱动方式分: 液压驱动、气压驱动、电气驱动等。35第2章 工业机器人结构设计第2章 工业机器人结构总体设计设计一台工业机器人是一项复杂而又艰巨的任务，由于本人实践经验的缺乏和认识上的不足，因此在设计上不可能面面俱到。本次设计仅仅只设计机器人的总体机械结构，而对于控制系统以及细节部分如机械手设计等等不作详细的探讨。2.1确定机器人类型根据机器人的运动参数确定其运动形式，然后才能确定其结构。常见的运动形式有以下几种：直角坐标型：机器人的主体结构的关节都是移动关节。特点：结构简单，刚度高。关节之间运动相互独立，没有耦合作用。占地面积大，导轨面防护比较困难。 圆柱坐标型：圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩。亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。特点：通用性较强；结构紧凑；机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。球面坐标式（极坐标）： 机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。特点：工作范围较大；占地面积小；控制系统复杂关节式机器人：关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节。 特点：动作灵活，工作空间大；关节运动部位密封性好；运动学复杂，不便于控制。综合比较以上几种方案的不同优缺点及对设计要求的全面认识，本次设计采用圆柱坐标型结构（如图1.1 i）。此结构有以下优点：通用性较强；结构紧凑；机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。本设计的Y、Z轴两个坐标方向分别摆放一根丝杠轴，并配上轴承座、滑块、电机等。Z轴由谐波齿轮传动，配上薄壁密封交叉滚子轴承、电机等。这样的结构实现三自由度运动。2.2 机器人基座基座作为机器人的一个基准面，其稳定程度对搬运的精度有着极其重要的影响。因此在选材上应符合以下条件：（1）硬度高；（2）耐磨损；（3）变形小；（4）价格相对便宜。用钢作成固定的基座，其优点是：稳定性好，受温度变化影响小，不易变形，造价低廉，易于加工。2.3谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。图2-12.3.1谐波齿轮构成：谐波齿轮传动是谐波齿轮行星传动的简称