工业机器人球坐标型机械臂结构设计毕业论文
1 绪论 1.1 课题背景
工业机器人在现代生产中应用日益广泛，作用越来越重要，工业机械臂尤为如此，因此设计实用、高效的机械臂对于机械设计者来说是义不容辞的责任，对于毕业的大学生也是一个实时、富有意义和挑战的课题。
工业机器人自20世纪60年代问世以来，其研究和开发在工业发达国家中一直备受青睐。尽管各国对机器人的定义不尽相同，但都有可编程、拟人化、通用性等特点，是一种融机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制技术等多学科为一体的高新技术产品。随着相关支撑学科的长足发展，工业机器人的研究和开发正在突飞猛进，其应用领域进一步扩大。我国机器人技术的研究工作起步较晚，虽已取得较大发展，但较之发达国家的水平仍有较大距离，应积极探索适合我国国情的工业机器人应用思路，开发低成本、高性价比的实用型工业机器人。
机器人自诞生之日起 ，便显示出其强大的生命力，机器人首先在工业生产中得到了广泛应用，并给传统工业带来了质的飞跃。它不仅提高了传统产业的自动化程度，提高了劳动生产率而且还推动了以资源消耗低环境污染少为特征的新型工业的诞生随着人类在机械工程、电气工程、微电子技术、计算机技术、控制论、传感技术、信息学、声学、仿生学、及人工智能等学科领域的飞速发展，机器人技术的应用也正在向农业、林业、畜牧、养殖、海洋开发、宇宙探索、国防建设、安全救济、生物医学、服务娱乐等新领域拓展开来，并已取得显著进展，机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分。
机器人主要有两大类：用于制造环境下的工业机器人和用于非制造环境下的服务机器人。工业机器人是一种对生产环境和生产条件具有较强的适应性和灵活性的柔性自动化装备，它主要用于现代制造业中代替人们从事繁重、重复单调、环境恶劣危险、人做不了或做不好的工作，从而减轻了人们的劳动强度，改善了劳动环境，并有效地
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提高了生产的自动化程度，提高了产品质量和劳动生产率。工业机器人是柔性化制造系统FMS、自动化工厂FA和计算机集成制造系统CIMS，必不可少的自动化工具，它的发展和应用情况已成为一个国家工业自动化水平的重要标志【1】。
以机械臂为例，机械臂的发展是随着机器人技术和传感器技术的不断成熟而不断发展的。通常机械臂由多自由度机械连杆和末端夹持器（也称机械手）组成。机械臂通过多自由度机械连杆的姿态调整和机械手的动作完成操作任务。机械臂作为机器人的一个重要组成部分，起着连接和承受外力的作用，手臂需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其结构、工作范围、灵活性以及抓重大小、定位精度等对机械手性能影响很大。因此在设计手臂的结构形式时，除了要考虑上述因素外，还应注意一下几点【2】：
（1）手臂应承载能力大、刚性好、重量轻，保证手臂准确工作并具有一定的定位精度；
（2）应使手臂运动速度快，惯性小、动作灵活； （3）应使手臂传动准确，导向性好；
（4）输油管道的布置应合理，不妨碍机械手的运动且使手臂外形整齐，结构紧凑；
（5）其他要求，如高温作业，应考虑辐射的影响；粉尘场合应设有防尘装置等。
1.2 机器人的定义及特点
机器人的研究、开发和应用涉及多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学等学科，机器人技术是一门跨学科的综合性技术。早在20世纪60年代初，美国就制造出了第一台工业机器人，目前己经发展到第三代一智能机器人。由于机器人技术和机器人的重要作用，各工业化国家近几年都把它的研究和开发列为国策，制订一系列规划，多方采取措施，以加快发展。许多发展中国家也纷纷建立技术开发中心，应用和生产机器人，可以说当今正在掀起一个世界范围的机器人研制热潮。
1.2.1 机器人的定义
《三国演义》是中国著名的古典名著之一。看过《三国演义》的人，大概都不会忘记，诸葛亮在和司马懿斗智时，曾遇到蜀军被魏军围困，陷于粮草接济不上的危难境地。为解粮草之急，诸葛亮巧用“木牛流马”之计，最后智胜了司马懿。当时，司
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马懿曾对天长叹，口服心服地说，“我不如诸葛亮也！”。书中对木牛流马有相当一段描述，这里不用赘述。但说起母牛流马的大致形象和功用，却叫后人叹服不已。木牛流马除了形如真牛和真马并主要由木材料制成之外，还有非凡的功用，即当用木牛流马转运蜀军粮草时，“人不大劳，牛马不食，进退如活的一般。”司马懿原以为大军压境，团团围困，可以把蜀军困在山上饿死，但后来发现，蜀军不知用什么法术，居然驱赶着大批似牛似马的东西，在丛山峻岭的羊肠小道行走如飞，来回驼运粮草等急需之物。司马懿大奇，便派兵袭击蜀军运粮队，截获了数匹木牛流马，但不知蜀军后勤兵丁在逃离之前对木牛流马做了什么手脚，使这些被捕获的“木牛流马”“坚贞不屈”，拒不执行魏军的指挥，各自站在原地一动不动，任魏军士兵使出百般手段和气力，也不愿向前移动。而到半夜时分，蜀军又派人前来，在这些木制牛马的口中转动其舌头几次，再动动其他几处秘密“机关”，它们立时精神大振，一溜小跑地随着这些蜀军兵丁跑回了蜀军大营【3】。
古代的罗马帝国时期，创造了众多的古代文明和促进社会发展的新事物；古代的埃及，也以它的金字塔和狮身人面怪物为典型，向全世界古今中外的人们展示了它作为世界文明古国的大家风范。据传说，古埃及在法老和亚历山大时期，其庙字之内还供奉着会说话的神秘塑像，并伴有可以自动启闭的庙门。要想进入庙字内求诸神保佑的人们，必须先行由熟知内情者引导，方可安全进入，并一睹众神之风采。如果外来者想私自擅入，定会不识路径，误触防卫机关，周围暗藏机关便会向擅入者即刻喷射火焰，并伴以雷鸣闪电的声光效应，以烧死、吓死这些违反庙门戒规的叛逆之徒。倘若古代埃及那些创造了尼罗河文明的人们，果真设计了以上内容的装置的话，那么，它们就可以被今天的人们称之为“会说话的机器人”，以及“喷火机器人”或“杀手机器人”，当然，亦属于安全警卫机器人类型等。外国古代机器人像中国古代机器人一样，拥有很长的历史，但是却没有真实的命名。20 世纪中叶，各种高新技术竞相发展之后，“机器人”的名称才得以在世人中间登堂人室，形成气候。尽管古代的中外人士拘泥于古老的科学文化，和现在大科学时代的科学文化相差甚远，但是作为理想的追求、智慧的展现和社会的需求，他们脑海中的机器人的影像仍然留有深刻的痕迹。人们今天研究与开发各种现代机器人的时候，会不难联想到，它们的影像将为21 世纪的地球，刻下永不磨灭的印记。
这些书中描述的木牛流马，可以称作是中国古代的木制机器人。
什么是机器人，至今尚未有一个世界公认的准确定义，如果把人们对机器人的定
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义汇总起来，估计将有近百种说法。这些说法尽管各不相同，但大多数具有这样一些共同之处，首先，机器人是一种机器，而不是人，它们只是“拟人化”的产物。按照其完成任务的不同需要，机器人目前大致被分成可以由人来操作、控制或指挥的机器人，或者不由人控制、操纵或指挥的机器人两大类。如果人们把20实际50年代以后才逐渐取名为“机器人”的那些机器作为既有别于一般机器，又有别于一般地球人的新生事物的话，那么，把这种笼统的概念回溯到古代，回想起《三国演义》的作者对木牛流马的描述，人们就会发现，虽然据考证这些木牛流马仅是一些较为简单的运输工具——独轮手推车，但是作者的构思和描述与当今机器人的概念是一致的。尽管在那个历史时期，外国尚未出现“机器人”或者其他类似的名称和类似的物体。设想木牛流马完全有资格算作中国古代的机器人【4】【5】。
人们在谈论机器人的时候，切切不可拘泥于它们的现代化名称如何，也不应拘泥于中国古代那些活灵活现的“艺人”与“木牛流马”等是否完全一致等问题，而对机器人的产生、发展产生误解。现代的机器人，从名称开始就是一种“舶来品”的译名。就是“Robot”（英文），中国名称是什么颇下了一番苦功的。这是因为，一些人按照英文名称的拼读声，觉得叫“罗伯特”好。这个名字既可使人一下子就感觉到时一个地道的外国人的称呼，又保持了它的和谐拼读音色，于是“罗伯特”就渐渐成了能够部分代替人的功能和行为活动的机器装置，反之亦然。不过，也有许多人根据这种特殊机械装置的功能，为了特别强调它门能够替代人的某些劳动及工作等特点，再加上一些拟人化的手法，在对“Robot”取名之初就定名为“机器人”了。是谁把“罗伯特”称为机器人的，迄今尚未作过准确考证，但是机器人的叫法一经传开，就形成了广为呼应之势，随着科学技术的进步，人们越来越多的引用机器人这个名称，来专门指向国外越来越多地创造出来的那些特殊机器装置，后来就约定成俗，形成了基本统一的名称——机器人。
现代机器人来到人世间还有一个重要原因，就是时代的变化对它所产生的迫切需求。科学技术的发展，伴随着人类历史的长河源远流长。从古代科学流向现代科学，从20 世纪初叶以前的科学时代流向20 世纪中叶开始的大科学时代。应古代社会需要而形成的古代科学，对于古代的社会发展，起着不可估量的作用。中国的四大发明，欧洲的蒸气机车、纺织机械等，都引发了社会从一个历史阶段向另一个历史阶段的飞跃，到了小科学时代，科学上的发明由于研究与开发手段的提高，变得成果累累，繁星点点，一些科学家凭借雄厚的知识基础，可以在一生中作出数种伟大的发明，例如
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牛顿、爱因斯坦、爱迪生等等。但是，小科学时代的社会局限性也限制了科学发明向深度和广度进军的尺度与力度，使得即使从发明之树上摘取了许多果实，但是，那些处在高大枝干和浓密树叶掩盖下的硕果，却因当时基于没有攀登工具和慧眼寻视，而无法或根本不可能采摘下来。
机器人(Robot)是1920年由捷克作家卡雷尔·卡佩克在剧本中塑造的一个具有人的外表、特征和功能，愿意为人服务的机器奴仆“ Robot\一词衍生出来的。机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性，机器人不断在发展，新的机型、新的功能不断涌现，根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题，就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想像和创造空间。在把机器人理解为仿人机器的同时，也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。我们可以这样说:机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的，并能实现诸多拟人动作和功能的机器，而工业机器人(Industrial Robot)则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会(U.S.RIA)提出的工业机器人定义为:“工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手、或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。”英国机器人协会、日本机器人协会等也采用了相类似的定义。我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上己远远脱离了最初仿人形机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间【6】。
1.2.2 机器人的特点
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