六軸工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)要求和機器人參數(shù)指標(biāo)設(shè)計案例概述1.1迷你六軸工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)要求分析目前市面上多數(shù)機械臂用于工業(yè)，軍事，醫(yī)療等行業(yè)，多為體型龐大，重量很大，價格高昂，且移動與裝卸不便，不適用于教學(xué)領(lǐng)域用于學(xué)習(xí)展示和實踐，因此需要設(shè)計一種結(jié)構(gòu)輕小，價格消費級的機械臂，提高教學(xué)平臺質(zhì)量，以培養(yǎng)更多優(yōu)秀的機械方面人才，提高我國制造水平和科技水平REF_Ref72095974\r\h[3]。設(shè)計機械臂時，先設(shè)計上三臂，在此基礎(chǔ)上考慮剩余三臂的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，要注意預(yù)留出電機，電源走線和螺絲螺母的位置，以防設(shè)計過程中出現(xiàn)干涉，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后要通過有限元分析觀察結(jié)構(gòu)的強度是否合理，強度不足或者結(jié)構(gòu)不合理處進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。本設(shè)計的機械臂按照關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，目前最常用的關(guān)節(jié)型機器人可以分為以下幾類REF_Ref72097308\r\h[4]：直角坐標(biāo)型機器人有三條互相垂直的軸線，通過他們的移動可以實現(xiàn)末端位置的移動，即沿著XYZ三個方向上的位移合成末端手爪的移動，這種類型的機器人的定位精度相對很高，制作起來也較為簡單，剛性好，但是他的工作范圍受限于機器的大小，機器過小工作范圍就會太小，而機器人太大使用場合受限，適合于只要求空間位置操作而對空間姿態(tài)無要求的場合REF_Ref72099562\r\h[17]。圖2—1直角坐標(biāo)型機器人圓柱坐標(biāo)型機器人圓柱坐標(biāo)型機器人末端動作是由垂直立柱面的移動，和豎直方向上的移動和繞立柱轉(zhuǎn)動運動一起合成的，位置精度略低與直角坐標(biāo)型，結(jié)構(gòu)過大因此本設(shè)計不考慮此結(jié)構(gòu)REF_Ref72099573\r\h[18]。(見圖2—2)圖2—2圓柱坐標(biāo)型機器人球坐標(biāo)型機器人球坐標(biāo)型機器人末端位置的改變是由兩個方向上的移動和一個轉(zhuǎn)動運動合成實現(xiàn)的，位置精度略低與直角坐標(biāo)型，結(jié)構(gòu)過大，位置精度一般,但負載能力有限，所以目前應(yīng)用不多。(見圖2—3)圖2—3球坐標(biāo)型機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人(見圖2—4)結(jié)構(gòu)是所有類型中最緊密的，因此占地面積小，適合的工作地點不受限，但是位置精度較低，本設(shè)計的機械臂用于教學(xué)領(lǐng)域，著重于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊，重量低，價格低廉等目標(biāo)，因此對精度方面不做太嚴(yán)格的要求。關(guān)節(jié)坐標(biāo)機器人是目前應(yīng)用最多的一種坐標(biāo)型機器人REF_Ref72104568\r\h[19]。圖2—4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人由于本設(shè)計機械臂用于教學(xué)展示，關(guān)節(jié)型機械臂從結(jié)構(gòu)和外型方面考慮均更適合，故本設(shè)計的結(jié)構(gòu)采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人的結(jié)構(gòu)形式。1.2機器人參數(shù)指標(biāo)設(shè)計1．自由度確定機械臂的自由度指的是機械臂可以活動的關(guān)節(jié)的數(shù)目。工業(yè)機器人較為常用的是6自由度。前三個關(guān)節(jié)為一組，后三個關(guān)節(jié)一組，分別確定位置和姿態(tài)。為了保證一定的實用性和靈活性，確定桌面機械臂為6自由度。機械臂的自由度主要是用來描述機械臂在可活動的關(guān)節(jié)數(shù)，本設(shè)計的機器人是多關(guān)節(jié)串聯(lián)機器人，所以都是旋轉(zhuǎn)運動。對于教學(xué)平臺和實踐來說，需要機器人具有較高自由度，所以確定機械臂自由度為6，在保證了一定的工作范圍的基礎(chǔ)上機械臂也更加靈活。2．重復(fù)定位精度由于本設(shè)計的原則是低成本，結(jié)構(gòu)小且簡單，所以本設(shè)計不嚴(yán)格規(guī)定機械臂的定位精度。重復(fù)定位精度指讓手爪末端重復(fù)多次到達特定目標(biāo)點，每次位置的準(zhǔn)確性即為重復(fù)定位精度，根據(jù)末端誤差來評判其能力，本文所設(shè)計的迷你六軸工業(yè)機器人主要應(yīng)用于教育教學(xué)平臺和開發(fā)實踐，對重復(fù)定位精度不做過高的要求。3．有效負載機械臂的有效負載即機械臂末端可以承受的最大重量，即第六軸法蘭盤可承受的重量，手臂負載是安裝在手臂的重量，是機器人的一項重要指標(biāo)REF_Ref72104568\r\h[20]。在設(shè)計負載時，考慮到機械臂屬于桌面級輕型機械臂且用途主要為教學(xué)展示，因此為了成本盡可能低和結(jié)構(gòu)小巧，有效負載定為不超過0.2公斤。4．工作空間工業(yè)機器人的工作空間就是所有可到達的位置點的集合。關(guān)節(jié)型機器人根據(jù)自身結(jié)構(gòu)的實際情況，容易出現(xiàn)的卡死的情況，因此要算機械臂的最大有效運動距離REF_Ref72104834\r\h[21]。嚴(yán)格要求來說，末端以有效位姿到達的空間點才是有效工作空間，多關(guān)節(jié)串聯(lián)式的機械臂會因為自身結(jié)構(gòu)限制和運動學(xué)模型的問題，在運動時出現(xiàn)卡死的情況，所以計算最大運動距離是不合理的。將迷你六自