工业机器人总体设计

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1、2.1 机器人总体设计 2.2 机器人传动机构 2.3 机身和臂部机构 2.4 机器人的腕部结构 2.5 机器人的手部结构 2.6 机器人的行走能力,第二章 工业机器人的总体设计,2019年11月12日,1,工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆和运动副(关节）组成的坐标形式。 2.1.1 坐标形式的选择 最广泛使用的机器人的坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式（包括平面关节式）。 在确定主体结构时，应该明确其应用场合和功能要求，综合考虑各种坐标形式的优缺点，选择合适的主体结构。,2.1 机器人总体设计,2019年11月12日,2,2.1.2 机器人本体材料的选择

2、选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求。 1、材料选择的基本要求 1) 强度高。机器人臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。 2) 弹性模量大。构件刚度(或变形量)与材料的弹性模量E有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性对弹性模量却没有太多改变。比如，普通结构钢的强度极限为420MPa，高合金结构钢的强度极限为20002300MPa，但是二者的弹性模量E却没有多大变化，均为2.1105MPa。因此，还应寻找其他提高构件刚度的途径。,3,3)重量轻。机器

3、人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度也大的材料是不合理的。因此，提出了选用高弹性模量、低密度材料的要求。 4)阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是在终止运动的瞬时构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。 5)材料经济性。材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等用来作

4、为机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。,4,2、机器人常用材料简介 1）碳素结构钢和合金结构钢 这类材料强度好，特别是合金结构钢，其强度增大了45倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。 2）铝、铝合金及其他轻合金材料 这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，例如添加3.2(重量百分比)锂的铝合金，弹性模量增加了14，E/比增加了16。 3）纤维增强合金 这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/比分别达到11.4107 和8.9107。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/比，但

5、价格昂贵。,5,4）陶瓷 陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。 5）纤维增强复合材料 这类材料具有极好的E/比，而且还具有十分突出的大阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼，所以在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。 6）粘弹性大阻尼材料 增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。,6,传动机构是连接动力源和运动连杆的关键部分，根据关节形式，常用的传动机构形式有直线传动和旋转传动机构。

6、2.2.1 直线传动机构 直线传动方式可用于直角坐标机器人的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。 直线运动可以通过齿轮齿条、丝杠螺母等传动元件将旋转运动转换成直线运动，也可以有直线驱动电机驱动，也可以直接由气缸或液压缸的活塞产生。,2.2 机器人传动机构,7,1、齿轮齿条装置 通常齿条是固定的。齿轮的旋转运动转换成托板的直线运动。,8,优点：结构简单。 缺点：回差较大,2、普通丝杠 由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴移动。 优点：传动平稳（面接触），无噪声，能自锁（螺纹升角小），减速比较大，驱动力矩小。 缺点：摩擦力较大，效率低，低速易爬

7、行，精度低，回差大。,9,自锁的经验条件：导程小于螺杆直径的1/3,3、滚珠丝杠 在丝杠和螺母的螺旋槽内嵌入滚珠，并通过螺母中的导向槽使滚珠能连续循环。 优点：摩擦力小，传动效率高，无爬行，精度高 缺点：制造成本高，结构复杂。,10,1丝杠 2螺母 3滚珠 4导向槽,自锁问题：理论上滚珠丝杠副也可以自锁,但是实际应用上没有使用这个自锁的,原因主要是:1-可靠性很差;2-加工成本很高(因为直径与导程比非常大).一般都是再加一套蜗轮蜗杆之类的自锁装置.,4、液压传动 通过高精度的缸体和活塞来完成，通过缸体和活塞杆的相对运动实现直线运动。,11,早期的机器人都是采用伺服阀控制的液压缸产生直线运动，液

8、压缸功率大，结构紧凑，价格便宜。Unimate和Versatran机器人都采用了直线液压缸作为直线运动的驱动源。,4、气压传动,12,2.2.2 旋转传动机构 采用旋转传动机构的目的是将电机的驱动源输出的较高转速转换成较低转速，并获得较大的力矩。机器人中应用较多的旋转传动机构有齿轮链、同步皮带和谐波齿轮。,13,1、齿轮链 由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。 优点：结构紧凑，传动平稳 缺点：齿间存在间隙，影响定位误差,其中，i是输入齿轮角速度，o是输出齿轮角速度；Ti、To为输入输出力矩；Ni、No为输入输出齿轮齿数,14,采用与齿轮链相关的两个重要关系式： （1）转速关系： （2）力矩关

9、系：,15,2、同步皮带 同步带是具有许多型齿的皮带，它与同样具有型齿的同步皮带轮相啮合。工作时相当于柔软的齿轮。 优点：无滑动，柔性好，价格便宜，重复定位精度高。 缺点：具有一定的弹性变形。,16,3、谐波齿轮 谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成，如图所示。一般刚性齿轮固定，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转。谐波发生器具有椭圆型轮廓，当其装入柔轮后，长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，短轴两端的齿与刚轮完全脱开；当谐波发生器连续转动时，柔轮的变形部位也随之转动，使柔轮的齿依次进入啮合，然后再依次退出啮合，从而使柔性齿轮沿刚性齿轮内齿转动。由于柔性齿轮比刚性齿轮少两个或多个齿，

10、则柔性齿轮沿刚性齿轮每转一圈就反方向转过两个或多个齿的相应转角。从而实现较大的减速比。,1刚轮； 2刚轮内齿圈； 3输入轴； 4谐波发生器； 5输出轴； 6柔轮； 7柔轮齿圈,17,减速比计算公式： 若刚性齿轮（齿数Z1)固定，谐波发生器为输入，柔性齿轮(齿数Z2)为输出，则速比为 负号表示方向与输入相反。 若柔性齿轮（齿数Z2)固定，谐波发生器为输入，刚性齿轮(齿数Z1)为输出，则速比为 正号表示方向与输入相同。 特点： 1）传动比大而且范围宽。可达50500。 2）同时啮合的齿数多（总齿数的3040），承载能力高。 3）零件少，体积小，重量轻。 4）运动精度高，效率高。,18,谐波传动装置

11、在机器人技术比较先进的国家已得到了广泛的应用。仅就日本来说，机器人驱动装置的60都采用了谐波传动。 美国送到月球上的机器人，其各个关节部位都采用谐波传动装置，其中一只上臂就用了30个谐波传动机构。 前苏联送入月球的移动式机器人“登月者”，其成对安装的8个轮子均是用密闭谐波传动机构单独驱动的。 德国大众汽车公司研制的ROHREN、GEROT R30型机器人和法国雷诺公司研制的VERTICAL 80型机器人等都采用了谐波传动机构。,2.2.3 直线传动与旋转传动的选用 80年代之前倾向与选用直线传动，如液压、气动等。原因：计算简单（缺计算机），功率大（无大功率晶体管）。 80年代后，各有利弊，根据

12、具体情况合理选择。 2.2.4 制动器 许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器。 制动器的作用： 1）在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变； 2）在电源发生故障时，保障设备安全； 工作方式： 1）失效抱闸； 2）即要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。 安装位置：尽可能放在传动的输入端，力矩小，定位精度高（相对滑动）。,19,2.3.1 机身和臂部的作用 机身的作用：机身是直接连接、支撑和传动手臂及行走机构的部件。实现臂部各种运动的驱动装置和传动件一般都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的受力越复杂。 机身可以是固定式的，也可以是行走式的。 手臂的作用：是机器人的

13、主要执行部件，并负责支撑腕部和手部，带动它们在空间运动。还安装一些传动和驱动机构。 由于手臂在工作中直接承受腕、手和工件的静、动载荷，自身运动又较多，故受力复杂。,2.3 机身和臂部机构,2019年11月12日,20,2.3.2 机身和臂部设计应注意的问题 机身和臂部的工作性能的优劣对机器人的负荷能力和运动精度影响很大，设计时应注意以下问题： 1、刚度 刚度是指机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。用外力和在外力方向上的变形量（位移）之比来度量的，变形越小，刚度越大。在有些情况下，刚度比强度更重要，为了提高刚度，应注意： 1）根据受力情况，合理选择截面形状或轮廓尺寸。机身和臂部既受弯矩，又受扭

14、矩，应选用抗弯和抗扭刚度较大的截面形状。一般采用具有封闭空心截面的构件。不仅有利于提高结构刚度，而且空心内部还可以布置安装驱动装置、传动机构和管线等，使整体结构紧凑，外形美观。 2）提高支承刚度和接触刚度。支撑刚度主要取决于支座的结构形状。接触刚度主要取决于配合表面的加工精度和粗糙度。 3）合理布置作用力的位置和方向。尽量使各作用力引起的变形互相抵消，如下图Unimate2000机器人。,2019年11月12日,21,2019年11月12日,22,Unimate2000机器人,2、精度 机器人的精度最终集中在手部的位置精度上，影响精度的因素：各部件的刚度、部件的制造和装配精度、定位和连接方式，

15、尤其是导向装置的精度和刚度对机器人的位置精度影响很大。 3、平稳性 机身和臂部质量大，负荷重，速度高，易引起冲击和振动，必要时应有缓冲装置吸收能量。从减少能量的产生方面应注意： 1）运动部件应紧凑、质量轻，转动惯量小，以减少惯性力。 2）必须注意各运动部件重心的分布。,2019年11月12日,23,河北科技大学机械电子工程学院,2019年11月12日,24,河北科技大学机械电子工程学院,Unimate2000机器人,4、其它 1）传动系统应尽量简短，以提高传动精度和效率。 2）各部件布置要合理，操作维护要方便。 3）特殊情况特殊考虑，在高温环境中应考虑热辐射的影响；腐蚀性环境中应考虑防腐蚀问题

16、；危险环境应考虑防爆问题。,2019年11月12日,25,2.3.3 手臂的常用结构 1、手臂直线运动机构 手臂的伸缩、横向移动都属于直线运动。实现直线运动的常用机构有：活塞油缸、气缸、齿轮齿条、丝杠螺母及连杆机构等。其中，活塞油缸和气缸在机器人中应用最多。 右图中，1电动机；2蜗杆；3臂架；4丝杠；5蜗轮； 6箱体；7花键套 由电机1带动蜗杆2使蜗轮5回转，蜗轮内孔有内螺纹，和丝杠4组成丝杠螺母运动副，带动丝杠4作升降运动。,2019年11月12日,26,2019年11月12日,27,2019年11月12日,28,1运动齿条；2齿轮；3活塞杆；4固定齿条；5气缸 气缸5中通以压缩空气使活塞杆3左移时，与活塞杆3相连的齿轮2在固定齿条4上滚动，同时带动运动齿条1左移。手臂和运动齿条1固连在一起，从而实现手臂的直线运动。,2、手臂回转运动机构 实现机器人手臂回转运动的常用机构：齿轮传动、同步带、活塞缸和连杆机构等。 右图所示为采用活塞缸和齿轮齿条机构实现手臂的