大连工业大学2012届本科生毕业设计（论文）
第2章 机器人机构总体方案设计
本文的重要任务是完成喷涂机器人的设计，本章内容是围绕喷涂机器人机构设计任务来展开，介绍喷涂机器人执行机构设计思路。
2.1喷涂机器人的基本技术参数确定
表示机器人特性的基本技术参数主要有自由度、坐标形式的选择。 2.1.1自由度
自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。
喷涂机器人的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着喷涂机器人整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用喷涂机器人有5～6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2～3个自由度），专用喷涂机器人有1～2个自由度即可满足使用要求。 2.1.2坐标形式的选择
喷涂机器人的坐标形式主要可分为：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型另外还有比较复杂的SCARA型和并联型[9]。
1直角坐标型喷涂机器人：这类喷涂机器人就是如图2-1(a)得直移型，其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直轴线的移动来实现，该形式喷涂机器人具有位置精度高，控制无耦合、简单，壁障性好等特点。但结构较庞大，动作范围小，灵活性差，且移动轴的结构复杂，占地面积大，而且需架空线路。
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2圆柱坐标型喷涂机器人：这种喷涂机器人如图2-1（b）的回转型喷涂机器人，通过两个移动和一个转动实现手部空间位置的改变，手臂的运动系由垂直立柱平面内的伸缩和沿立柱的升降两个直线运动及手臂绕立柱的转动复合而成。这种喷涂机器人，占地面积小而活动范围较大，结构亦较简单，并能达到较高的定位精度，因而应用范围较广泛。机身采用立柱式，喷涂机器人侧面行走，顺利完成上料、翻转、转位等功能。但是结构也比较庞大，两个移动轴的设计较为复杂。
3球坐标型机器人： 这类喷涂机器人如图2-1（c）的俯仰型喷涂机器人，其手臂沿X方向伸缩，绕Y轴俯仰和绕Z轴回转。这类喷涂机器人具有占地面积小、结构紧凑、重量较轻、位置精度尚可等特点，能与其他机器人协调工作，但避障性差，存在着平衡问题，位置误差与臂长有关。
4关节坐标型喷涂机器人：如图2-1（d）的屈伸型喷涂机器人，主要由立柱、前臂和后臂组成。机器人的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好，但是位置精度较低，存在平衡以及控制耦合的问题，故比较复杂。
图2. 1喷涂机器人的坐标形式[22]
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图2.2 喷涂机器人基本形式示意图
[9]
2.1.3规格参数
用途：喷漆
1、大臂伸缩范围200mm—1500mm，回转角270o。
2、小臂伸缩范围200mm—800mm，回转角210o。? 3、手腕旋转角度150o。 4、步进电机驱动。 2.1.4有效负载
有效负载是指机器人操作臂在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，它表示了喷涂机器人的负载能力。机器人的载荷不仅仅取决于负载的质量，还与机器人运动的速度和加速度的大小及方向有关。为了安全起见，有效负载是指高速运行时的有效负载。
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2.1.5运动特性
速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。它反映了机器人的使用效率和生产水平，喷涂机器人的运动速度越高，则其使用效率越高，生产水平越高。但速度越快产生的冲击和震动也越大，因此提高机器人的加减速速能力，保证机器人加速过程的平稳性是非常重要的。对于本文中的喷涂机器人，在没有负载时可以适当地加快其运动速度;而在其有负载时，末端执行器(手爪)通常要和物体直接接触，为了安全起见，务必要尽量减少手臂的运动速度。总的来说，喷涂机器人的速度在一定范围内要是可调的，这样才能满足在各种不同情况下的使用需要。 2.1.6 工作范围（工作半径）
工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。
运动范围为：360度（带回转机构底座）
工作半径为1500mm
2.2 喷涂机器人材料的选择
机器人手臂的材料应根据手臂的实际工作情况来进行选择，在满足机器人的设计和运动要求前提下。从设计的理论出发，机器人手臂要进行各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料并要求有一定刚度。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生冲击和振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、强度、弹性进行综合考虑，以便有效地提高手臂的运动性能。此外，机器人手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机器人手臂是要受到控制的，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、成本、质量等性质一起考虑。
总之，选择机器人手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常
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用的材料[7]：
(l)碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢：这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了很多倍、弹性模量大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料;
(2)铝、铝合金及其它轻合金材料：其共同特点是重量轻、弹性模量不大，但是材料密度小，但仍可与钢材相比;
(3)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金属连接的特殊部位。然而，国外已经设计出纯陶瓷的喷涂机器人臂了。
从本文设计的喷涂机器人的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件材料。
2.3机械臂的运动方式
根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见的机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。
考虑到喷涂机器人的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型喷涂机器人。这类喷涂机器人一般由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类喷涂机器人运动学比较复杂，运动学的反解比较困难；确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。
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