三自由度教学实验机器人设1

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三自由度教学实验机器人设计 摘要

机器人技术是一门综合了机械与精密机械，微电子与计算机，自动控制与驱

动，传感与信息处理以及人工智能等学科的最新研究成果的高新技术，是典型的机电一体化技术。机器人的研究与应用水平是一个国家经济实力和科技发展水平的反映，是参与国际竞争的基础。

本设计只是对机器人的机械方面作了入门学习。

第一章首先综合了各权威的机器人定义后又对机器人的定义作了一个总结。

然后以一定的篇幅回顾了机器人的历史，介绍了我国机器人的发展现状和机器人的分类及应用。

第二章介绍了本设计中机器人的工作原理，对此设计中的机器人运动形式的

选择和机器人的机械系统做了介绍，并且对几种方案做了比较和选择。

第三章介绍了标准件的选择，首先对各电机的特点进行了介绍和比较，然后

根据传动效率和转速要求选择了电机和减速器的型号。

第四章是一些主要零部件的设计，并给出了设计原理，计算数据及结果，对

传动中比较重要的腰进行了必要的校核。

第五章主要是机器人的运动学分析。首先介绍了运动学分析中要用到的数学

知识，并在此基础上建立了机器人的运动学方程，并推导部分结果。

关键词：机器人，机电一体化，运动

学.

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1概论

1.1机器人的概念

人们一直在试图为自己的研究对象下一个明确的定义———————就像其

他所有的技术领域一样———但始终未能如愿。关于机器人的概念，真有点像盲人摸象，仁者见仁，智者见智。在此。摘录一些有代表性的关于机器人的定义：

牛津字典： 科幻作家阿西莫夫提出的机器人三原则： 第一， 第二， 第三，

机器人不能伤害人类，也不能眼见人类受伤害而袖手旁观； 机器人必须绝对服从人类，除非人类的命令以第一条相违背； 机器人必须保护自己不受伤害，除非这与上述两条相违背。

日本著名学者加藤一郎提出的机器人三要件： 1. 具有脑、手、 脚等要素的个体；

2. 具有非接触传感器（眼，耳等）和接触传感器； 3. 具有用于平衡和定位的传感器。

美国机器人协会（RIA---Robot institute of American）：

一种用于搬运材料、部件、工具或其它特种装置的可重复编程的多功能操作机。

（A reprogrammable multifunction manipulatordesigned to move materials，parts or specialized devices through variable programmed motions for the performance 偶发啊variety of tasks。）

日本工业机器人协会（JIRA-Robot I industrial Robot Assossociation）： （An all-purpose machine epuipped with a memory and end-effectors ） 世界标准化组织：

机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务的机器。 中国（原机械工业部）：

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工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程、多功能多自由度的操作机，它能搬运材料零件或夹持工具，用以完成各种作业。

细细分析以上定义，可以看出，真对2同一对象所作的定义，其内涵有很大的区别，有的注重其功能，有的则偏重于结构，这也就难怪对同一国家关于机器人数量的统计，不同资料的数据会有很大的差别。

虽然现在还没有一个严格而准确的普遍被接受的机器人定义，但我们还是希望能对机器人做些本质性的把握。

首先，机器人是机器而不是人，它是人类制造的替代人类从事某种作业的工具，它只能是人的某些功能的延伸。在某些方面，机器人可具有超越人类的能力，但从本质上说机器人永远不可能全面超越人类。

其次，机器人在结构上具有一定的仿生性。很多工业机器人模仿人的手臂或躯体结构，以求动作灵活，海洋机器人则在一定程度上模仿了鱼类结构，以期得到最小的水流助力。

第三， 现代机器人是一种机电一体化的自动装置，其典型特征之一是机器人受微机控制，具有编程的功能。

1.2机器人发展历史

1.2.1机器人发展概况

机器人（robot）这一名词的出现，只是近代的事情，但关于机器人这一思想的渊源，却可以追溯到遥远的古代。在古希腊、古代中国和古代日本的历史文献中，都有自动玩偶和自动作业机的记载，记录了古人设计自动机械替代人工劳动或从事娱乐的实践活动。它们在不同程度上体现了人类拓展自身能力，甚至是自我复制的原始是想。但用现代的眼光来看，这些机械充其量不过是一些具有一定技巧的自动装置而已。现代机器人的出现是20世纪中期的事情。当时，数字计算机已经出现，电子技术也有了长足的发展，在产业领域出现了受计算机控制的可编程的数控机床，与机器人技术相关的控制技术和零部件加工有了扎实的基础。另一方面，人类需要开发自动机械，替代人去从事一些恶劣环境下的作业，比如原子能的研究过程，由于存在大量放射性辐射，要求有某种操作机器代替人来处理放射性物质。正是在这一需求背景下美国原子能委员会的啊贡研究所与1947年开发了遥控的机械

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手，1948年有开发了机械式的主从机械手。它由两个结构相似的机械手组成，主机械手在控制室，从机械手在有辐射的作业现场，两者之间有透明的防辐射墙相隔。操作者用手操纵主机械手，控制系统会自动检测主机械手的运动状态，并控制从机械手跟随主机械手运动。这种被称为主从控制的机器人控制方式，至今仍在很多场合中应用。

从20世纪60年代后期开始，搬运、喷涂、弧焊机器人相继在生产中得到应用，并且出现了有加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元（FMC）。但从总体上说，整个60年代，虽然在机器人技术上取得了许多进展，制造了不少类型的机器人，并且初步形成了与机器人制造相关的或者是专业从事机器人生产的一些产业部门，但是大多数的工业部门对机器人的应用，还是持谨慎的观望态度，因而机器人在工业上的应用推广并不快。

从20世纪70年代开始，机器人技术的研究重点被放在对外部传感器和控制方法的研究上。1973年，博尔.斯大林.保罗在斯坦福大学的研究中，给机器人设计了视觉和力反馈系统，并用PDP-10计算机进行控制，这种被称之为“斯坦福”的机械手被用作水泵的装配线上，并且取得了成功。1975年，

IBM公司研制成功一种

带有触觉和力觉传感器的机械手，用于打字机的装配作业。1974年，德雷珀实验室的内文思等人研究了基于依从性的传感技术，这项研究发展成为后来的RCC，即被动柔顺或叫间接中心柔顺，它被安装在机器人的最后一个关节上，用于装配紧配合装置。在70年代后期，Unimation公司推出了PUMA型系列机器人，这是一种各关节由伺服电机驱动的多关节型两级CPU控制、使用专门的机器人语言(val)的机器人系列，其中的部分产品配有机器人视觉和力觉系统。

20视觉80年代和90年代，在着重解决机器人感觉的同时，人机接口和机器人与环境的交互接口方面也有了较大的进步。更为重要的是，随着计算机技术和人工智能技术的发展，让机器人模仿人进行逻辑推理的研究也如火如余的发展起来，出现了所谓的第三代机器人，即智能机器人。它应用人工智能、模糊控制、神经网络等先进控制方法，是机器人具有自主判断和自主决策等初等智能。另一方面，随着机器人的相关支撑技术的不断扩展。比如，深海探测机器人，在无缆操作的情况下能潜数千米进行作业。又比如，1977年登上火星的太空机器人，能忍受极端恶劣的太空环境，还要克服地面控制命令严重滞后的困难，在火星表面从事科学考察活动，所有这些表明，机器人技术是一门与很多科学相关的综合技术。正因为如此，机器人技术的发展，尤其是本质性的技术突破（如从第二代机器人发展到第三代机器人），都明显地带有相关学科发展的烙印。

从机器人的推广角度来看，机器人的发展大致经历了技术发展和探索的“起

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