三自由度机器人的设计文献综述

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文 献 综 述

一种三自由度机器人的设计

Design of a three-degree-of-Freedom Robot

性    质: □毕业设计   □毕业论文

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一种三自由度机器人的设计

摘  要：三自由度机器人又称通用自动三自由度机器人，是一种“独立”的可变程序的自动三自由度机器人。它是在五十年 代末期出现，近年来才迅速发展起来的重要自动化装置，现已成为实现工业自动化的一种重要手段。 三自由度机器人已应用在机械制造的多种工艺中以代替人工， 并成为机械加工人员所需掌握的生产工具。 近年来随着工业自动化的发展三自由度机器人逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。三自由度机器人广泛 地应用于锻压、冲压、铸造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。总之，三自由度机器人是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重 要手段，国内外都很重视它的应用和发展。

关键词：三自由度；三自由度机器人；生产自动化

1、 课题研究背景及其意义

三自由度机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高新技术。这一技术在工业、

农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用。工

业三自由度机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸方面具有举足轻重的地位。

在现实生活中，三自由度机器人并不是在简单意义上代替人的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。这种装置既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说，三自由度机器人是机器进化过程的产物，是工业以及非产业界的重要生产服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。新出现的离散系统的加工中心，如自动换刀装置和自动托盘交换装置，在提高生产率加工自动化起着重要的作用。

在现实生活中，三自由度机器人并不是在简单意义上代替人的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。这种装置既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说，三自由度机器人是机器进化过程的产物，是工业以及非产业界的重要生产服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

2、三自由度机器人的发展与现状

三自由度机器人最早应用在汽车制造业,常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。三自由度机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能,它可代替人类从事危险、有害、低温和高热等恶劣环境中的工作，代替人类完成繁重、单调重复劳动,提高劳动生产率，保证产品质量。目前三自由度机器人主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等行业。

机械工业是国民的装备部， 是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的 产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的 影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因 此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

三自由度机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。三自由度机器人是三自由度机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。三自由度机器人作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。三自由度机器人是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

目前,我国三自由度机器人的发展主要是逐步扩大其应用范围，在应用专用三自由度机器人的同时,相应的发展通用三自由度机器人，研制出示教式三自由度机器人、计算机控制三自由度机器人和组合式三自由度机器人等，将三自由度机器人各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构。组装成各种用途的三自由度机器人,既便于设计制造，又便于更换工件，扩大应用范围。

在现代生产过程中，三自由度机器人被广泛的运用于自动生产线中，三自由度机器人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了三自由度机器人的发展，使得三自由度机器人能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。三自由度机器人虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，三自由度机器人已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

3、三自由度机器人的原理和介绍

三自由度机器人能模仿人手和手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 三自由度机器人主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动） 、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为三自由度机器人的自由度 。三自由度机器人的运动可以分为主运动和辅助运动。手臂和立柱的运动称为主运动，因为他们能改变被抓取工件在空间的位置；手腕和手指的运动称为辅助运动，因为手腕的运动能改变被抓取工件的方位(即姿态)。而手指的夹放不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其它运动均记为自由度数。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是三自由度机器人设计的关键参数。自由度越多，三自由度机器人的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

三自由度机器人的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式三自由度机器人；按适用范围可分为专用三自由度机器人和通用三自由度机器人两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制三自由度机器人等。 三自由度机器人通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为三自由度机器人。

三自由度机器人的控制程序分为主程序、子程序和中断程序，出于可靠性考虑对于有安全要求的地方使用外接继电器和开关，其余用PLC内部继电器。部分数字量的输入和程序监控采用TP070触摸屏，从而实现人机的交互。采用STEP MicroWIN编程软件进行程序梯形图的编制。

4、三自由度机器人目前存在问题

在完成三自由度机器人结构设计的基础上，进一步设计了三自由度机器人的驱动系统和控制系统。设计三自由度机器人的原则是充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件，明确工件的结构形状和材料特性，满足定位精度要求及抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对三自由度机器人结构及运行控制的要求；尽量选用的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.由于时间的限制，一些问题未来得及研究，具体有：

4.1三自由度机器人的力控制问题

当三自由度机器人在空间跟踪轨迹运动时，可采用位置控制，但当末端执行器与三自由度机器人工作环境发生碰撞时，纯粹的位置控制已经不适用了。如今，一些三自由度机器人已经能够实现简单的力控制，如磨削和去毛刺。显然三自由度机器人的下一个大量应用领域将会是在装配线作业中执行一个或多个零件的装配任务。在这种零件装配任务中，接触力的监控非常重要。使用三自由度机器人完成装配任务要求零件之间的位置精度非常高。目前三自由度机器人一般不能胜任如此精确的任务。高精度三自由度机器人只能以尺寸、重量和成本为代价来实现。然而，测量和控制手部产生的接触力为提高三自由度机器人的精度提供了一种有效的方法。由于使用相对测量方法，三自由度机器人和被操作对象的绝对位置误差不像它们在纯位置控制系统中那样重要了。当中等刚度的零件相互作用时，相对位置的微小变化会产生很大的接触力，因此，了解并控制这些力可以极大地提高有效位置精度。

4.2三自由度机器人运动轨迹的生成

为了进一步提高三自由度机器人的通用性，就要解决如何通过人机交互指定三自由度机器人通过空间的一条轨迹或路径。为了使用户便于对三自由度机器人的运动进行描述，不应当要求用户必须写出复杂的时间和空间的函数才能指定三自由度机器人任务。相反，应该允许用户通过简单的描述来指定三自由度机器人的期望运动，然后由系统来完成详细的计算。用户可能只需要给定末端执行器期望的目标位姿，而由系统来确定到达目标的准确路径、时间历程和速度曲线等等。此外，如果能简单地把三自由度机器人运动的期望目标点告诉三自由度机器人系统，让系统自行决定所需中间点的位置和数量，以使三自由度机器人到达目标而不碰到任何障碍，这将是非常方便的。

五、三自由度机器人的发展趋势

随着数控机床在加工零件时向着高精度、高速度、高柔性的方向发展,不但要求加工中心具有良好的加工性能,而且要求其具有很高的加工可靠性。三自由度机器人是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，三自由度机器人的主要发展方向如下：

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三自由度机器人整机；国外已有模块化装配三自由度机器人产品问市。

三自由度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。

三自由度机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接三自由度机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控三自由度机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。

虚拟现实技术在三自由度机器人中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如使遥控三自由度机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵三自由度机器人。

当代遥控三自由度机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与三自由度机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能三自由度机器人走出实验室进入实用化阶段。

参考文献

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