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1、12.1 机器人本体设计的步骤1、作业分析作业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任务 和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。 2、总体方案设计（1）确定动力源（2）确定构型和安装方式（3）确定自由度（4）确定动力容量和传动方式（5）优化运动参数和结构参数（6）确定平衡方式和平衡量 （7）绘制机构运动简图 & 第二章 机器人的机械结构与设计23、结构设计包括机器人驱动系统、传动系统的配置及其结构设计，关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口 设计等。4、动特性分析估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真、分析，确定其结构固有频率和响应特性。6、施工设计 完成施工图设计，
2、编制相关技术文件。5、优化设计 重复3、4。32.2 机器人的驱动与传动系统结构在机器人机械系统中，驱动器（通过联轴器）带动传动 装置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。机器人有两种最常用的运动关节转动关节和移(直)动关节。为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速 度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度（ 高一个数量级）、连接方式以及有利于控制的输出方式。对 于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱 动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。 2.2.1 驱动传动系统的构成41码盘；2 测速机；3 电机；4 联轴器；5 传动装置；6 转动关节；7 杆8
3、 电机；9 联轴器；10 螺旋副；11 移动关节；12 电位器(或光栅尺) 伺服电机驱动关节伺服电机+联轴节+传动装置+运动关节+反馈元件51电动驱动器电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高， 速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接 驱动比较困难。电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易 形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机已逐渐 取代直流伺服电机而成为工业机器人的主要驱动器。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大， 多用于低精度小功率机器人系统。2.2.2 驱动器的类型和特点6直流
4、伺服电机与驱动放大器步进电机步进电机驱动放大器交流伺服电机驱动放大器72. 液压驱动器液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧 凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高 的精度。但需要增设液压源，易产生液体 泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动 目前多用于特大功率的机器人系统。 液压马达液压摆动马达液压控制阀液压泵83气动驱动器气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。 但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不 易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。 气 动 马 达气 动 摆 动 马 达气 缸气 泵气 动 三 大 件气 动 控 制 阀94其它
5、驱动器 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、人工 肌肉(电活性聚合物)等。压电微驱动并联机器人形状记忆合金驱动机器人手人工肌肉驱动的机械臂10 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以 价格高低、技术水平为评价标准。 一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电动 驱动器。n 对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最 大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。n 特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用 体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求 快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可 靠性和稳定性，且具有较大的短时过载能力5驱动器的选择原则11
6、只须点位控制且功率较小者，或有防爆、清洁等特殊要 求者，可采用气动驱动器。 负荷较大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采 用液压驱动器。 对于驱动器来说，最重要的指标要求是起动力矩大， 调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好、与 之配套的数字控制系统。5驱动器的选择原则122.2.3 机器人的常用传动机构1. 机器人传动机构的基本要求(1) 结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻； (2) 传动刚度大，即承受力矩作用时变形要小，以提高整机的固有领率，降低整机的低频振动； (3) 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位置控制精度； (4) 寿命长、价格低。 微电机+减速器微小型减
7、速器132. 机器人常用传动机构机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构。美国发明家 C. Walt Musser 马瑟于上世纪50年代中期发明1926年德国人L.Brazen发明了摆线针轮减速器141516关节是操作机各杆件间的结合部分，通常为转动和移动两 种类型。 通用型工业机器人有6个关节（自由度），前3关节通常称 作腰关节、肩关节和肘关节，它们决定了操作机的位置。后 面3个关节决定了操作机的姿态，称作腕部关节。2.3 工业机器人关节的构造及其传动配置PUMA机器人关节机构几种典型的机器人机构18 低负载机器人关节机构19165Kg机器人关节机构20码垛机器人关节机构（4DOF）库卡K
8、R 700 PA212.3.1 腰关节腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩， 且应具有较高的运动精度和刚度。腰关节多采用高刚性的RV减速器传动【大负载时】，也可采用谐波传动 【小负载时】、摆线针轮或其他传动形式。其转动副多采用薄壁轴承【如 交叉滚子轴承】或四点接触轴承，有的还设计有调隙机构。对于液压驱动关节，多采用回转缸+齿轮传动机构【现在很少使用】。221 电机；2 RV减速器，3 支架，4 交叉滚子轴承；5 电缆同轴式腰关节电机上置)1234523同轴式腰关节 (电机下置)1腰部固定立柱壳体； 2 腰部回转壳体；3 四点接触球轴承； 4 伺服电机组件；5谐波减速器；
9、54v 同轴式腰关节结构紧 凑，腰关节高度尺寸 小(使用特制轴承的 缘故)， v 但关节的各种电缆走 线比较困难，大多是 在固定的中间柱体外 面留有较大的环形空 间，使电缆以盘旋的 形式松松地套在中间 柱体上，当腰支架等 机体转动时，电缆犹 如盘旋弹簧般收紧或 放松。24平行轴式腰关节21341 电机 ； 2 齿轮； 3 空心立柱； 4 轴承v 对于平行轴式腰 关节，电缆则可 方便地通过中空 轴，联接于支座 的固定接线板上 。252.3.2 肩关节和肘关节对于开式连杆结构，肩关节（大臂关节）位于腰部的支座上 ，多采用RV减速器传动、谐波传动或摆线针轮传动；也可采用 滚动螺旋组合连杆机构或直接应
10、用齿轮机构。肘关节（小臂关节）位于大臂与小臂的联接处，多采用谐 波传动、摆线针轮或齿轮传动等。 关节结构形式有：1、同轴式配置电机轴线与关节轴 线重合。2、偏置式配置电机轴线与关节轴 线偏离一定距离。同轴减速传动结构26同轴减速传动结构1 腰支座； 2, 7 RV减速器； 3, 6 驱动电机； 4 大臂； 5 曲柄； 8 轴承。12345678271 大臂； 2 关节1电机； 3 小臂定位板； 4 小臂； 5 气动阀； 6 立柱； 7 直齿轮； 8 中间齿轮； 9 机座； 10 主齿轮； 11 管形连接轴； 12 手腕偏置减速传动结构(PUMA)282.3.3 手腕关节1、单自由度手腕SCAR
11、A水平关节装配机器人的手腕只有绕垂直轴的一个 旋转自由度，用于调整装配件的方位。SCARA 机器人传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端 执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动 电机。 这种传动特点特 别适合于电子线路 板的插件作业。 292、两自由度手腕两种常见的配置形式汇交式和偏置式。1 法兰；2 齿轮轴；3 锥齿轮；4 弹簧；5 链轮；6 轴承；7 链轮；8 弹簧；9 轴承； 10 转壳1 法兰；2 腕壳；3, 6 锥齿轮轴； 4 小臂；5, 7 链轮，8 链；9, 10 弹簧汇交式两自由度手腕偏置式两自由度手腕21436587109435128710963
12、0两自由度手腕的另两种结构：谐波减速器前置的汇交型 手腕；驱动电机与谐波减速器前置的偏置型手腕。1 扁平谐波； 2 杯式谐波； 3 齿形带轮； 4 锥齿轮；5 腕壳 谐波前置汇交手腕1 谐波减速； 2 马达；3 链轮； 4 腕壳 电机前置偏置手腕313、三自由度手腕三自由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕 相对于小臂的转动自由度而形成的。三自由度手腕是“万向”型手腕，结构形式繁多，可以完 成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节 型机器人都采用了三自由度手腕。32Cincinnati Milacron T3 机器人腕部结构3334v 必须指出 ，若操作机 为6自由度， 当
13、手腕为偏 置式时，运 动学反解得 不出解析的 显式，且动 力学参数也 是强耦合的 。设计时必 须给予充分 注意。偏交型手腕35KUKA IR662100机器人手碗传动图KUKA IR662100机器人手碗结构图36示例：6自由度关节型机器人整体结构376自由度关节型机器人腰部386自由度关节型机器人大臂396自由度关节型机器人小臂406自由度关节型机器人第四关节YAW416自由度关节型机器人第五关节PITCH426自由度关节型机器人第六关节ROLL432.4 机器人的手臂结构及平衡2.4.1 臂杆的结构及材料臂杆多为带有筋板或肋的壳体结构。有中间是多层圆筒形套 装梁结构，外形象一“哑铃”的组合
14、结构；有箱形结构等。就整体来说，比较复杂的箱体多用铸件。为了减轻整机的重 量，特别是为了降低大臂、小臂的关节力矩，大、小臂多用 轻合金【如铝合金】铸件。 瑞士ABB机器人:IRB7600德国KUKA机器人:KR-1000-TITAN-F442.4.2 臂杆的平衡1、小臂杆的平衡 小臂杆通常采用质量平衡法。其基本原理是合理地分布臂杆质 量，使臂杆重心尽可能地落在支点上，必要时甚至采用在适当位 置上配置平衡质量的方法。 质量平衡法有结构自平衡和重块平衡两种方式。PUMA、 KUKA机器人也是按这一原则配置的。但如果臂杆的后部长度(无 效长度)太长，不利于机器人在狭窄环境中工作，所以单采用自重 平衡
15、对大负荷操作机还很难取得满意的结果。机器人操作机手臂的结构设计中必须考虑臂杆的重力平衡。 常见操作机臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、弹簧平衡 法、气动或液压平衡法如采用平衡电机等。452、大臂杆的平衡目前常用的有弹簧和汽缸两种平衡方式。重力项在驱动扭矩中占有很大比例，因此对它进行平衡的意 义很大。又因为重力项在运动中是随位置角的正弦或余弦变化 的，因此，应用弹簧平衡技术最为合适。弹簧结构简单，且无 需增加动力源，应用最为普遍。46气动和液压力平衡的原理和弹簧力平衡的原理很相似，但 它们在两个方面有显著优点，即平衡缸中的压力是恒定的， 不随臂杆位置的变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得到 调
16、节和控制，因此应用得十分广泛。这种平衡技术的缺点是需要有动力源和储能器，因而系统 比较复杂，结构比较庞大，不像弹簧平衡或质量平衡那么简 单。而且设计时，如采用这种方案，需考虑在动力源一旦中 断时的防范措施，如手臂会因自重下滑等，以免发生事故。47思考题：1、机器人驱动器的类型及选择原则。2、机器人的常用传动机构及其特点。 3、机器人手臂各关节结构设计的特点。4、机器人二自由度与三自由度手腕的结构类型，请举例说明。 5、机器人大臂的平衡方式。482.5 机器人的手部机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操 作机构。因此有时也称为末端操作器。由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷 涂等）和作业对象的不同（如
