1． 绪 论
1.1工业机械手简介
工业机械手可以模仿人的手臂,而且能够实现各种工业作业任务.这种具有多关节连结结构并允许在平面内或者三维空间进行运动或使用线性位移移动的机器人系统,由机械手部分、控制器部分、伺服系统部分、感应器部分构成,由控制系统根据作业需求设定指令动作,完成工业作业任务,其中六自由度工业机械手是最典型、应用广泛的工业机械手之一. 图1-1为KUKA公司的KR 16-2 CR机械手, KR 16-2用处广泛、操作灵便,几乎可以应用于全部行业的作业任务,比如物料的搬运与装卸、零件的安装、工件的装夹、原料的置入、部件的固定、物料的分拣、尺寸的测量和检测等,该机械手是典型的低负荷(5kg-16kg)通用六自由度机械手.
图1-1 KUKA公司KR 16-2 CR机械手
1.2工业机械手选题背景
经过20世纪80年代初的工业机械手产品化历程,许多工业发达国家都开始广泛地采用工业机械手和自动化生产线, 在车辆工业、弱电和强电工业、机械加工工业、塑胶加工工业、食品加工、物流分拣运输等领域都得到广泛的使用,工业机器人技术作为先进制造业的典范,已成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志.
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截止2008年年底,全世界已经100万台左右不同类型的工业机械手. 国际机器人联合会(IFR)在2014年3月的报告披露,2013年全球机器人销售量168000台,是空前纪录的销售量.[1]随着新兴应用领域的不断发展,预计到2015年需求量如图1-2所示将达到 210000台.目前世界上工业机械手拥有量最多国家是日、美和德,这三个国家所安装的工业机器人占全世界安装数目的50%以上,其中汽车工业是工业机器人需求最为强劲的行业,在亚洲紧随其后的是电子与电气工业,在欧洲排在第二位的是橡胶和塑料行业[2].
图1-2 全球机器人新装机量及预测
与此同时,我国工业机器人密度较低,如图1-3根据IFR数据显示,仅为25%,低于世界平均水平55%.随着我国制造业的升级、人口老龄化趋势和全球机器人产业的强劲发展,中国将成为工业机器人行业发展最快的地区,其年销售额约占全球市场的20%,增速或达30%.
图1-3 全球制造业工业机器人密度
2012年,我国60岁以上人口比例已超过9.4%,接近80年代的日本,我国进入老龄化社会,与此同时,工人平均工资快速提升,数据显示2012年制造业人均工
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资3.6万,是2000年的4倍.长三角、珠三角地区频现用工荒,劳动力成本飙升和劳动力供应减弱也将推进我国工业机械手技术推广。随着我国制造业大国地位的确立和巩固,工业机器人需求必将日益增加.
我国拥有200多个专业机器人研发机构, “九五”期间,国家“863”计划确立以新松为龙头的智能机器人主题产业化基地.除此之外大连组台机床所、东风汽车公司等单位也在从事活跃的机器人技术项目.此外,科研机构和大学的研发工作也在进行.但是相对于技术领先、实力雄厚的安川、发那卡、酷卡、ABB,研发实力突出的川崎、现代重工、科马、不二越、松下,我国的新松、博实、首钢莫托曼(合资)等公司就显得创新不足、技术短缺.
图1-4 国内机器人竞争格局
近几年,我国工业机器人相关产品的年产销额已过十亿.我国的机器人研究与应用已经拥有一定的基础,但是我们在技术、研发、数量上都有巨大差距.如图1-4所示,我国在运行的工业机器人中,本土企业的销售额仅有4%.随着国家工业结构的调整和战略转型,对工业机器人系统的需求越来越大,我国的机器人工业会面对新机遇和新挑战,因此我们需要看准方向、增加对机器人技术的研发、投入和政策扶持,自主发展机器人技术,解决产业化前期的关键技术、形成具有竞争实力的产业链条.积极推进我国工业自动化进程. 1.3工业机械手研究意义
提高自动化程度.工业机械手可以用来取代或帮助人们实现各种重复性作业,取代工人实现抓、握、按、拉插、挫、磨、刨等动作,实现了零件的运送、焊接、喷涂、装配的自动化,从而大大提高了工程的自动化程度.
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改善劳动条件,避免作业事故.在繁重、危险、恶劣的生产环境下,例如高温、高压、低温、低压、辐射、噪声、有毒的环境中,工业机械手可以部分或者全部取代工人的作业,减少环境对人体的伤害,同时避免因疲劳和疏忽造成的人身伤害事故.
减轻人力劳动,提高生产效率.在机械加工工业、化工原料生产、包装、输送、土建工程、极端环境作业、凿岩采矿、食品加工等许多领域工业机械手被广泛使用,利用机械手取代人力劳动可以在一方面减少工业生产环节人的参与,另一方面,由于机械手可以持续24小时作业,便于生产控制,从而大大提高生产效率.
低负荷的工业机器人在工业生产,特别是劳动密集型工业中,应用最为广泛.ABB、KUKA都有大量低负荷工业机械臂系列产品. 1.4研究内容
通过查阅大量教学视频、文献资料和对机器人技术的系统性学习,对国内外机器人现状有了比较深入的认识和详细的了解.在这样的基础上,实现低负荷通用六自由度工业机械手的设想,解决问题如下：
(1)六自由度机械手方案创成.首先根据低载荷的设计要求,查阅大量资料,参考技术参数,完成低负荷六自由度机械手的设计参数、总体设计、传动方案. (2)样机的设计.根据设计的参数和方案,基于 Solidworks自上而下建模方式构建样机.
(3)样机的仿真优化.根据虚拟样机仿真出末端的工作范围,并对设计参数进行优化.根据虚拟样机的参数和设计参数确定电机、减速器设计参数,并利用simulation插件对模型关键部件做应力和变形分析,对模型进行优化. (4)在完成的机器人结构的基础上,建立各个关节对应的坐标系,完成虚拟样机的位姿描述,建立D-H方程, 实现位姿变换.根据D-H算法确定六轴机械手的位姿变换，对机械手进行运动学分析,并计算方程的正解和逆解.
2. 低负荷六自由度工业机械手方案设计
2.1机械手设计定位
在我国工业生产过程中,大部分作业任务由人工完成,工作环境危险,劳动强度大、效率低,无法满足竞争日益激烈的工业生产的要求,为了提高效率,降低成本 ,满足现代机械行业自动化生产的要求,应该根据生产流程,结合生产线实际情
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况,利用工业机器人技术,实现部分或者全部作业的自动化.
低负荷六自由度工业机械手尤其适用于负荷较轻的作业,如搬运与装卸、包装与分拣、安装、置入、装夹、测量、检测或检验、固定、部件检测、打磨、抛光及粘接作业,应用广泛,适合大部分工厂的产品装配、部件搬运、性能检测等流水线作业任务.
基于以上结论,进行机械手的设计. 2.2机械手设计方案准备
工业机械手是完成工业领域作业任务的多关节自动执行装置,依靠自身控制系统来实现各种功能.机械手的控制需要通过预先编排相应的程序和设置相应的传感器来来实现.本文主要讨论机械手的机械部分设计优化和运动控制过程中的底层控制算法.
机械主体、驱动部分和控制部分三大基本功能模块构成机械手.主体即机械手的基座和执行机构,一般定义为机械手的臂部、腕部和手部,通用型机械手一般具有6个自由度,其中一般将三个自由度分配给臂部,三个自由度分配给腕部,手部一般通过气动、电动、液压等方式控制,且不计入总的自由度中.图1-2为KUKA公司ARC系列机械手,该系列机械手主要用于实现自动焊接,属于典型的腕部3个自由度,臂部3个自由度结构.
图2-1 KUKA公司ARC HW VARIANT机械手
2.2.1与机械手有关的概念
自由度：杆件在没有约束的状态下可以沿着固接于其上的坐标系三个方向移
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