机器人机构分析与综合课件：2 工业机器人的总体设计

第二讲 工业机器人的总体设计工业机器人的总体设计 机器人总体设计的主要内容有：确定基本参数，选择运动方式，手臂配置形式，位置检测，驱动和控制方式等。进行结构设计，对各部件的强度、刚度进行必要的验算。一、系统分析一、系统分析1根根据据机机器器人人的的使使用用场场合合，明明确确所所使使用用机机器人的目的和任务。器人的目的和任务。2分分析析机机器器人人所所在在系系统统的的工工作作环环境境，包包括括机器人与已有设备的兼容性。机器人与已有设备的兼容性。3分分析析系系统统的的工工作作要要求求，确确定定机机器器人人的的基基本功能和方案。本功能和方案。具体来说，确定机器人的自由度数，信息的存储容量，计算机的功能水平，机器人的动作速度，定位精度，机器人容许的运动空间的大小，环境条件（如温度、是否存在振动），抓取工件的重量、外形尺寸的大小，生产批量等。举例：鸡蛋分检包装系统中的机器人（1）n明确机器人的目的和任务明确机器人的目的和任务：n从传送带拾取一个鸡蛋；n把蛋置于强光下照射，测定蛋是否透光（有无胚胎生长）；n根据蛋有无胚胎，把蛋放入废品箱或包装箱内。基本工作流程n分析机器人所在系统的工作环境分析机器人所在系统的工作环境：分析工作车间的平面布置，相互间的位置关系等。举例示图2：机器人与环境的关系分析系统的工作要求分析系统的工作要求：n循环时间3.0sn每次循环有三种不同的运动：n移动到传送带并拾取一只鸡蛋；n移动到照射位置；n把鸡蛋放入纸箱或废品区。n一个循环中需要三次暂停：n闭合手爪0.2s；完成照射0.05s；开启手爪放蛋0.2sn每只鸡蛋重量85g；手爪重量370gn位置分辨率最低为1.27mm确定机器人的自由度及运动范围：n初步分析初步分析：机器人满足上面提出的条件，应该具备一个旋转运动和两个直线运动。n仔细分析仔细分析：还应该有一个附加旋转附加旋转附加旋转附加旋转运动以对蛋进行定向排列。因为当受臂移动和转动时，鸡蛋的取向会发生改变。n确定技术参数为确定技术参数为：n伸缩运动：45.761.0cmn腰部旋转：90n腕部旋转：360 n腕部垂直移动：50.8cm初步确定机器人的结构：ABB机器人用于食品包装面包分捡ABB机器人用于食品包装香肠分捡二、技术设计二、技术设计1机器人基本参数的确定（机器人基本参数的确定（1）：）：n自由度的确定：自由度的确定：在系统分析时已经确定了。n臂力的确定：臂力的确定：n对于专用机器人来说：是针对专门的工作对象来设计的，臂力主要根据被抓取物体的重量确定，取1.53.0的安全系数。n对于工业机器人来说：具有一定的通用性，臂力要根据被抓取物体的重量变化来确定。n工作范围的确定：工作范围的确定：要根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定n运动速度的确定：运动速度的确定：主要是根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而根据机械手各部位的运动行程确定其运动速度速度速度速度。n定位精度的确定：定位精度的确定：机器人的定位精度是根据使用要求确定的。而要达到这样的精度取决于机器人的定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、缓冲方法等。夹紧工件手臂升降伸缩运动回转运动工作节拍5分钟每一个动作都由5个关节协同完成综合分配每个关节的运动速度运动速度确定举例运动速度确定举例2机器人运动形式的选择（机器人运动形式的选择（1）：）：n根据机器人的运动参数确定其运动形式，然后才能确定其结构。常见的运动形式有以下几种：n1 直角坐标型：直角坐标型：机器人的主体结构的关节都是移动关节。n特点：特点：n结构简单，刚度高。n关节之间运动相互独立，没有耦合作用。n占地面积大，导轨面防护比较困难。n2 圆柱坐标型：圆柱坐标型：圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩。亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。n特点：特点：n通用性较强；n结构紧凑；n机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。n受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。n3 球面坐标式球面坐标式（极坐标）：（极坐标）：机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。n特点：n工作范围较大；n占地面积小；n控制系统复杂n4 SCARA机器人：机器人：有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个是移动关节。这种结构轻便、响应快。n特点：特点：n结构轻便，响应快；n适用于平面定位和在垂直方向进行作的场合。n5 关节式机器人：关节式机器人：关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节。3拟定检测传感系统框图：拟定检测传感系统框图：图例：传感系统框图：4确定控制系统总体方案确定控制系统总体方案三、机器人系统设计三、机器人系统设计1机器人的驱动方式：机器人的驱动方式：机器人的驱动方式有电动、液压和气动三种方式。一台机器人可以只有一种驱动方式，也可以是几种方式的联合。n液液压压传传动动：具有较大的功率体积比，常用于大负载的场合。n气气压压传传动动：气动系统简单，成本低，适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合，常用于点位控制、抓取、弹性握持和真空吸附。n电电动动：适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。2关节驱动方式（关节驱动方式（1）：）：分为直接驱动和间接驱动两种方式。n直接驱动：直接驱动：直接驱动的机器人也叫DDR（Direct drive robot），一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接（例如步进电机、伺服电机驱动式）。n特点 驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。A机械传动精度高；B振动小，结构刚性好；C结构紧凑，可靠性高；D电机的重量会增加转动负担。关节直接驱动图例：2关节驱动方式（关节驱动方式（2）：）：n间接驱动方式：间接驱动方式：大部分机器人是间接驱动方式。由于驱动器的输出转矩大大小于驱动关节所要求的转矩，所以必须使用减速器。n间接驱动特点：间接驱动特点：n可以获得一个比较大的力矩；n可以减轻关节的负担；n可以把电机作为一个平衡质量；n增加了传动误差；n结构庞大。间接驱动方式图例间接驱动方式图例间接驱动方式图例间接驱动方式图例3材料的选择：材料的选择：选择机器人本体的材料，应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制造要求。如：n机器人的臂和机器人整体是运动的，则要求采用轻质材料。n精密机器人，则要求材料具有较好的刚性。n还要考虑材料的可加工性等。n机器人常用的材料有：碳素结构钢、铝合金、硼纤维增强合金、陶瓷等。4平衡系统的设计平衡系统的设计 平平平平衡衡衡衡系系系系统统统统的设计是机器人设计中一个不可忽视的问题。平衡系统具有以下作用：n安全：防止机器人在切断电源后因重力而失去稳定。n借助平衡系统能降低机器人的构形变化。n借助平衡系统能降低因机器人运动，导致惯性力矩引起关节驱动力矩峰值的变化。n借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。平衡系统图例5平衡系统的工作原理平衡系统的工作原理n通常采用平行四边形机构构成平衡系统。其原理是在系统中增加一个质量，与原构件的质量形成一个力的平衡，该平衡系统不随机器人位姿的变化而失去平衡。图例：平行四边形平衡系统：横向力的平衡：纵向力的平衡：5模块化结构设计：模块化结构设计：将每一自由度的轴作为一个单独模块，并由独立的单片机控制，然后用户可根据自己的需要进行多轴组装。这种结构设计具有经济和灵活的特点。模块结构机器人1模块结构机器人2图例：模块化设计 2.2 工业机器人的驱动与传动系统结构工业机器人的驱动与传动系统结构 在机器人机械系统中，在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装驱动器通过联轴器带动传动装置置(一般为减速器一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动，再通过关节轴带动杆件运动。机器人一般有两种运动关节机器人一般有两种运动关节转动关节和移转动关节和移(直直)动动关节。关节。为了进行为了进行位置和速度控制位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和，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速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联驱动，检测元件常与电机直接相联；对于；对于液压驱动，则常液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。2.2.1 2.2.1 驱动驱动传动系统的构成传动系统的构成1码盘；码盘；2 测速机；测速机；3 电机；电机；4 联轴器；联轴器；5 传动装置；传动装置；6 转动关节；转动关节；7 杆杆 8 电机；电机；9 联轴器；联轴器；10 螺旋副；螺旋副；11 移动关节；移动关节；12 电位器电位器 (或光栅尺或光栅尺)1 1电动驱动器电动驱动器 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。动比较困难。电动驱动器又可分为直流电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服电机伺服电机驱动和步进电机驱动。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正逐渐形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。取代直流伺服电机而成为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，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。多用于低精度小功率机器人系统。2.2.2 2.2.2 驱动器的类型和特点驱动器的类型和特点2.液压驱动器液压驱动器 液压驱动的优点是功率大，可省去减速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。目前多用于特大功率的机器人系统。3气动驱动器气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。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。易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。3其它驱动器其它驱动器作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，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。以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负一般说来，目前负荷为荷为100 kg以下的以下的,可优先考虑电动驱动器可优先考虑电动驱动器；只须点位控只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。配套的数字控制系统。机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中最常用的为谐波传动、动机构，其中最常用的为谐波传动、RV摆线摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。针轮行星传动和滚动螺旋传动。2.2.3 2.2.3 机器人的常用传动机构机器人的常用传动机构 机器