工业机器人机械本体模块设计
摘要：机器人技术是机电一体化的最高成就。它是衡量一个国家科学水平的重要指标之一，不仅是世界各国蓬勃发展的科技未来方向，也是我国工业发展的核心产业之一。工业机器人作为一种机器人，有利于工业制造的自动化和规模化生产。
关键词：工业机器人；机械本体；模块设计
前言
工业机器人在实际应用的过程中的优点十分明显,它具有较强的精确程度、并且运行的过程中较为稳定、可靠性较强,而且在工作过程中具有很高的实际效率,可以在十分危险的环境之下进行工作。从目前我们国家的实际情况来看,在一些传统的制造行业特别是相对来说劳动较为密集型的产业之中都可以普遍应用,在很大程度上为产业的升级起到了有力的推进作用。在国际上大部分的发达国家在不断发展制造业的过程中也发生了转型,而转型也直接的影响到该国家整体的经济进步和发展,正因如此,我们应该对其进行全面的研究。
1工业机器人的发展
工业机器人是集机械、电子及自动化控制等多学科于一体的复杂装置，具有适用性强、可靠性高等特点，广泛应用于汽车、电子、物流等行业，并且应用范围不断扩大。世界上第一台实用工业机器人于20世纪60年代在美国的AMF公司诞生。日本于1968年研制出第一台工业机器人。英国和瑞典是欧洲最早研究工业机器人的国家，德国研究时间比英国和瑞典大约晚6年。我国工业机器人研究于20世纪70年代开始，发展迅速，建立了新松机器人公司及北京机械工业自动化研究所机器人开发中心等科研及产业化基地。国际机器人联合会（IFR）发布的报告显示，自2009年以来全球工业机器人年销量逐年增长，2017年同比增长30%，销量超过38万台套，预计未来三年全球工业机器人年销量将保持近14%的增长速率。
2工业机器人的应用现状
2.1工业机器人在自动化生产线中的应用工业机器人被广泛应用到工业自动化生产线上，不仅了提高生产效率，同时也提高了产品质量。日本KAWASAKI公司、瑞典ABB公司、德国KUKA公司、美国AdeptTechnology公司及意大利COMAU公司等是国际上著名的工业机器人制造商，其产品广泛应用于自动化生产线。
2.2工业机器人在焊接制造中的应用
焊接机器人的出现解决了焊接劳动强度大、精细度要求高等问题。焊接机器人种类众多，目前应用最为广泛的多关节机器人可在空间自由度内任意调整焊的空间位置和姿态。焊接机器人的应用占工业机器人应用的40%。1969年，美国通用汽车公司使用21台工业机器人组成了轿车车身焊接生产线，首次实现了工业机器人在焊接制造中的应用。目前，大部分汽车制造商都使用了机器人激光焊接技术。除汽车制造业外，焊接机器人还应用在摩托车、工程机械、铁路机械以及造船业。日本KAWASAKI弧焊机器人已应用于造船业的合拢构件的焊接作业，德国KUKA焊接机器人已广泛应用于工程机械、铁路机械和造船业的管材和板材焊接。
2.3工业机器人在物料搬运中的应用
机器人作为自动执行工作的机器装置，它既可以接受人工指挥，又可以运行预先设置的程序，因此在货物运输、储存、包装和配送的物流业中广泛应用。最早的搬运机器人出现于20世际60年代的美国，Versatran和Unimate机器人被首次用于搬运作业，至今世界上使用的搬运机器人超过10万台。ABB公司生产的IRB4400机器人可承受载荷大，能胜任各种高精度、高速度和高灵活性的应用。搬运机器人应用较多的是六轴搬运机器人和四轴搬运机器人。
3模块化工业机器人模型的参数化设计
3.1模块参数化设计的理论基础
机器人模型搭建完，参数并不符合实际要求。因此，应制定一个标准，用来确定机器人的连杆长度和关节运动范围。同时，这个标准应具有通用性，使得搭建出来的机器人模型，能够满足实际工作条件。为此，本节依据三动杆理论和人体仿生学知识，建立机器人的尺寸参数和实际工艺条件之间的关系。
3.1.1三动杆机构的定义
三动杆机构简称三动杆。机构学领域，通常将三动杆机构定义为：4个连杆与3个运动副按照顺序依次连接而构成的机构。如图3-1所示，为三动杆的结构示意图，0L是机架、1L、2L、3L为连杆，1X、2X、3X为运动副，分别是球面副(S)、转动副(R)、球面副(S)。
图1三动杆机构简图
3.1.2人体三动杆
人的双臂、双腿、灵巧手、机械臂和步行器的腿[61]等，都可看作是由三动杆构成的。这些机构在三维空间上可以向多个方向运动，但是其运动学特点和动力学的特点，还是由它们各自的平面运动来决定。因此，这些平面运动也被人们叫做三动杆的主运动。在人体解剖学中，人类用矢状面、冠状面和水平面三个互相垂直的面来描述人体。当将人的整体看成一个三动杆时，即手臂、腰、腿三部分组成的三动杆，可以知道，矢状面是人体的主运动面。人体的大部分运动都包含在主运动面中。其中，上肢三动杆包括上臂、前臂和手。人体的下肢三动杆包括大腿、小腿、脚三部分
3.2模块参数化设计的程序模块
不管是简单的结构还是复杂的结构，它基本上都是由两个或两个以上的模块经装配组合而成的。只有实现了各个结构模块的参数化设计，并将各个模块之间的尺寸关联起来，才可能实现机器人整体结构的参数化设计。
3.2.1参数化设计原理
参数化设计是把三维模型的建立与程序控制相关联，使模型中的定量尺寸变量化，使之成为可变动的参数。再根据实际需要修改参数值，便能快速生成新的三维模型。
3.2.2参数化设计方法
本节利用VB和SolidWorks二次开发技术，编写控制程序并建立人机交互界面。用户可以在交互界面中输入相应的尺寸参数，自动生成需要的结构模块，达到参数化设计目的。参数化设计主要分为尺寸驱动法和编程法。
(1)尺寸驱动法
使用尺寸驱动法，必须有三维模型库的支撑。使用者必须先建立三维模型库，当需要重新建模时，调用模块，对变量尺寸进行重新赋值，以实现重构模型。在建立模型库时，需要注意的是，要保证变量尺寸是独立的，与其它尺寸无关联。在对其赋值时，可通过人机交互界面上的对话框进行，也可以直接从事先建立好的Excel数据库中读取。尺寸驱动法，对使用者的编程水平要求较低。这种开发方式，大大减少了编写代码的工作量，使二次开发变得简单，
易于掌握。
(2)编程法
模块化设计的优点编程法又叫程序驱动法，是比较传统的一种方法，主要是用程序语言控制建模中的各种操作过程。编程法不需要依靠三维模型库，开发人员只需通过调用SolidWorksAPI接口实现三维图形的程序驱动即可。这种开发方式，适用于具有多个变量参数的模型，柔性化程度较高。但是此种方法，每次构建新模型都需要完整的重新执行一遍程序，设计周期较长。另外，这种开发形式要求设计者精通编程语言，程序代码的编写工作量较大。
本节以建立好的模块库为基础，采用对程序代码要求较低的尺寸驱动法来实现结构模块的参数化设计。
4结论
本文对于工业机器人的模块化设计方面进行了一些研究，由于时间关系，本文尚存在疑问，有待研究：
(1)虽然实现了模块化机器人模型的搭建，但是没有建立机器人构型的评价体系。
(2)如何实现模块间的内部连接，包括机电硬件的连接和控制软件的连接，有待进一步研究。
(3)对于模块化机器人的轨迹规划有待深入研究。
参考文献：
[1]喻一帆.我国工业机器人产业发展探究[D].武汉华中科技大学,2016:2-4.
[2]刘玉丛.工业机器人的研究现状与发展趋势[J].电子技术与软件工程,2018,13(1):83-83.

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