1、第二章 工业机器人机械系统设计,工业机器人机械系统设计,2.1 工业机器人总体设计,机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析与技术设计。,系统分析,明确机器人的目的和任务 分析机器人所在系统的工作环境、机器人与已有设备的兼容性 确定机器人的基本功能和设计方案，确定具体技术指标 进行必要调查研究,工业机器人机械系统设计,2.1 工业机器人总体设计,机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析与技术设计。,技术设计,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,驱动机构用于将驱动元件的运动传递到机器人的关节和动作部位。分为直线驱动机构和旋转驱动机构。,工业机器人机械系统设计,液压驱动方式,易获得较大推力或
2、扭矩 工作平稳、位置精度高 易实现力、速度、方向自动控制 机械效率高，使用寿命长,油液黏度随温度变化影响工作性能，易燃易爆 液体易泄漏 需要专门的供油系统,2.2.1驱动方式,工业机器人机械系统设计,气压驱动方式,空气黏度小，易达到高速 使用安全，适用于恶劣工作环境 价格低廉 能实现过载保护,单位体积能提供的动力小 工作平稳性差，位置精度低 除水麻烦 噪声污染,工业机器人机械系统设计,利用电动机直接驱动机械传动装置。能源简单、使用方便、机构速度变化范围大、机械效率高、位置精度高，噪声低。,电气驱动方式,工业机器人机械系统设计,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,工业机器人机械系统设计,2
3、.2 驱动机构,常用的直线驱动机构包括：,齿轮齿条装置,齿条(4)固定，齿轮(3)转动时拖板(1)沿着齿条方向做直线运动。该装置的回差较大。,2.2.2直线驱动机构,工业机器人机械系统设计,普通丝杠,采用一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿着丝杠轴向移动，从而将丝杠的旋转运动转化成螺母的直线运动。传动效率低、精度低、回差大。,工业机器人机械系统设计,滚珠丝杠,滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚珠，使其由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动。 - 滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚动，故必须设置滚珠的返回通道，才能循环使用。为了消除回差(空回)，螺母分成两段，以垫片、双螺母或齿差调
4、整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使回差为零。,工业机器人机械系统设计,滚珠丝杠工作特点,工业机器人机械系统设计,液压(气压)缸,将液压泵(或空气压缩机)输出的压力能转换为机械能，驱动执行构件做直线往复运动。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,2.2.3旋转驱动机构,齿轮链,由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构，可以传递运动角位移和角速度，也可以传递力和力矩。,常用的旋转驱动机构包括：,工业机器人机械系统设计,齿轮链特点,(1) 齿轮链的引入会减小系统等效转动惯量，使电动机的响应时间缩短，使伺服系统易于控制。输出轴等效到输入轴上的等效转动惯量与输入/输出齿轮齿数比的平
5、方成正比。 (2) 齿轮间隙误差将导致机器人手臂的定位误差增加，若不采取补偿措施还会引起伺服系统的不稳定。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转驱动机构包括：,同步皮带,用于传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动。同步皮带的传动比计算公式为：,工业机器人机械系统设计,同步皮带,同步皮带传动的优点在于：传动时无滑动，传动比精确，传动平稳；速比范围大；初始拉力小，轴及轴承不易过载。同步皮带传动的限制在于：对传动机构的制造及安装要求严格，对皮带的材料要求较高，故成本较高。同步皮带传动是低惯性传动，适合于电动机和高减速比减速器之间的传动。,谐波齿轮,结构简单，体积、质量小； 传动
6、比范围大； 运动精度高，承载能力大； 运动平稳，无冲击，噪声小； 齿侧间隙可以调整。,i=Z2-Z1/Z2,结构 - 摆线针轮减速机全部传动装置 可分为三部分：输入部分、减速部 分、输出部分。,输入： 1、输入轴 2、180偏心轮 3、滚柱轴承,减速： 1、摆线轮 2、针齿轮 3、针齿销（套）,输出： 1、内柱销（套） 2、输出轴,摆线针轮减速器,摆线轮,180的双偏心轴,输入轴,针轮销,输出轴,摆线针轮减速器,减速原理 - 当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其受针齿轮上针齿限制之故，摆线轮的运动成为即有公转又有自转的平面运动，在输入轴正转一周时，偏心套亦转动一周，摆线
7、轮于相反方向上转过一个齿差从而得到减速，将摆线轮的低速自转运动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。,传动比范围大 i =31171 运动精度高、回差小、刚度大、抗冲击能力强 体积小、结构紧凑 传动效率高,五自由度工业机器人,各关节运动的实现： 腕部的旋转： 电机M5减速器R5链轮副C5锥齿轮副G5旋转运动n5 腕部俯仰： 电机M4减速器R4链轮副C4俯仰运动n4 肘关节摆动： 电机M3两级同步带传动B3、B3减速器R3肘关节摆动n3 肩关节的摆动： 电机M2同步带传动B2减速器R2肩关节摆动n2,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,工业机器人主要由三大部分构成：机身(立
8、柱)、臂部(包括手腕)、手部。若是固定式，则固定机座一般与机身为一体；若是移动式，则还需要一个行走机构。,机身是连接、支撑手臂及行走机构的部件，用于安装臂部的驱动装置或传动装置。臂部机器人的主要执行部件，用于支撑腕部和手部，带动手及腕在空间 运动。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1) 机身设计,机身一般用于实现升降、回转和俯仰等运动，通常有13个自由度。机身结构一般由机器人的坐标形式来确定： 圆柱坐标型：回转、升降自由度； 球坐标型：回转、俯仰自由度； 关节坐标型：回转自由度； 直角坐标型：升降或水平移动自由度。,2.3 机身和臂部设计,(1) 机身设计,机身做垂直运动时，
9、除了需要克服摩擦力之外，还要克服运动部件的重力及惯性力。故，驱动力Fq计算如下：,垂直升降运动的驱动力,Fm为各支撑处的摩擦力；Fg为启动时的总惯性力；G为运动构件总重力。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1) 机身设计,回转运动的驱动力矩包括：回转部件的摩擦总力矩和运动构件的总惯性力矩。故，驱动力矩Mq计算如下：,回转运动驱动力矩,Mm为总摩擦阻力矩；Mg为总惯性力矩，且有：,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1) 机身设计,机器人手臂偏重力矩为：,升降立柱下降不卡死的条件,Gi为零部件及工件的重量；Li为零部件及工件重心到机身回转轴的距离。若偏重力矩过大，
10、会使支承导向套与立柱之间的摩擦力过大，依靠自重下降则立柱可能卡死在导向套内出现自锁。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1) 机身设计,为防止自锁必须根据偏重力矩来确定导向套的长度。根据平衡条件可知：,升降立柱下降不开死的条件,要使升降立柱在导套内自由下降，臂部总重量G必须大于导套与立柱间的摩擦力，因此不卡死的条件为：,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1) 机身设计,为保证机器人工作过程中的灵活性和准确性，还必须注意以下几点： 机身要有足够的刚度、强度和稳定性； 运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以免发生卡死现象； 驱动方式要适宜； 结构布置要
11、合理。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(2) 臂部设计,工业机器人的臂部由大臂、小臂(或多臂)所组成，一般具有23个自由度，完成伸缩、回转、俯仰或升降动作，是工业机器人的主要执行部件，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。臂部运动部分零件直接影响臂部结构的刚度和强度，同时由于其承受运动过程中的动、静载荷和惯性力较大，还影响着机器人定位的准确性。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(2) 臂部设计,臂部结构的形式取决于机器人的运动形式、抓取动作自由度和运动精度等。一般需要注意以下几点要求：具有足够的承载能力和刚度；导向性要好；重量和转动惯量要小；运动要平稳、定
12、位精度要高。,臂部的设计要求,工业机器人机械系统设计,手臂直线运动结构,机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。为了使手臂移动的距离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传动的增倍机构。,工业机器人机械系统设计,手臂回转运动结构,图为利用齿轮齿条液压缸实现手臂回转运动的机构。压力油分别进入液压缸两腔，推动齿条活塞做往复移动，与齿条啮合的齿轮即做往复回转运动。齿轮与手臂固连，从而实现手臂的回转运动。,工业机器人机械系统设计,手臂回转运动结构,图为采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液压缸1的两腔通压力油时，连杆2带动曲柄3绕轴心O作90的上、下摆动。手臂摆到水平位置时，其水平和侧向
13、的定位由支承架4上的定位螺钉6和5来调节。,工业机器人机械系统设计,机器人手腕是工业机器人小臂(上臂)和末端执行器(手爪)之间的联接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。,为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为手腕的回转R、手腕的俯仰P和手腕的摆动Y。并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确定。,1.结构紧凑、重量轻； 2.动作灵活、平稳，定位精度高； 3.强度、刚度高； 4.合理连接结构，传感
14、器和驱动装置的合理布局及安装等； 5.要适应工作环境的需要。,按自由度数目来分,手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、 二自由度手腕和三自由度手腕。,如图所示。图(a)是一种回转关节, 它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式。这种R关节旋转角度大, 可达到360以上。图 (b)、(c)是一种俯仰、摆动关节(简称B关节), 关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。这种B关节因为受到结构上的干涉, 旋转角度小, 大大限制了方向角。 图(d)所示为移动关节。,(1) 单自由度手腕,2.4.2 手腕的分类,SCARA 机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。手腕转动的目的在于调整装配件的
15、方位。其传动系统设计使大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，该方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机，特别适合于电子线路板的插接等作业。,(2) 二自由度手腕如图所示。二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕(见图 (a)，也可以由两个B关节组成BB手腕(见图 (b)。但是, 不能由两个R关节组成RR手腕, 因为两个R共轴线, 所以退化了一个自由度, 实际只构成了单自由度手腕(见图 (c)。,链轮5锥齿轮3相联，通过齿轮副带动末杆自转；链轮7与壳体10相联，使末杆摆动，从而形成两个自由度。,汇交式两自由度手腕 1-法兰；2-锥齿轮轴；3-锥齿轮；8、4-弹簧；5、1-链轮；6、9
16、-轴承；10-转壳,偏置式两自由度手腕 1-法兰；2-转壳；3、6-轴-齿轮；4-小臂；5-、7-链轮；8-链；9、10-弹簧,(3) 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。大多数关节型机器人都采用三自由度手腕。,三个R关节组成的RRR手腕,它也可以实现手部RPY运动。,RBR手腕,BBR手腕, 使手部具有俯仰、 偏转和翻转运动, 即RPY运动。,BRR手腕, 为了不使自由度退化, 使手部产生RPY运动,第一个R关节必须进行如图所示的偏置。,按驱动方式分
17、类,1）直接驱动手腕,2）远距离传动驱动手腕,远距离驱动的二 自由度BR手腕,回转运动：轴S旋转锥齿轮副Z1、Z2锥齿轮副Z3、Z4手腕与锥齿轮Z4为一体手腕实现绕C轴的旋转运动,俯仰,回转,轮系 驱动的二 自由度BR手腕,俯仰运动：轴B旋转锥齿轮副Z5、Z6轴A旋转手腕壳体7与轴A固联手腕实现绕A轴的俯仰运动,轮系 驱动的二 自由度BR手腕,附加回转运动：轴S不转而B轴回转锥齿轮Z3不转锥齿轮Z3、Z4相啮合迫使Z4绕C轴线有一个附加的自转，即为附加回转运动。 附加回转运动在实际使用时应予以考虑。必要时应加以利用或补偿。,2.5.1 手部的特点,手部（末端执行器）是一个独立的部件，手部对整个
18、机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。,2.5 手部设计,手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。,手部的技术要求：,应具有一定的开闭范围从手指张开的极限位置到闭合夹紧时手指位置的变动量,开闭范围太小,影响通用性. 回转:角度 平移:距离 具有足够的夹持力 N=(2-3)G保证运动过程工件不脱落,但夹紧力过大,损坏工件 保证工件在手指内的
19、定位精度根据工件形状.加工精度和装配精度的要求,选择适当的手指形状和手部结构 结构紧凑,重量轻,效率高 选择轻质材料,2.5.2 手部的分类,1、夹持式（机械钳爪式）,夹持型手部是目前应用最广泛的一种。它既可用指的内侧面夹持物品的外部，也可将手指伸入到物品的孔内后，张开手指，用外侧面卡住物体等。夹持式手部多数是相对配置成两个手指的，或是相隔1200配置成三个手指的。,按手指运动形式，夹持型手爪可分为回转型手爪，平动/平移型手爪。,回转型： 当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。 平动型： 手指由平行四杆机构传动，当手爪
20、夹紧和松开物体时，手指的姿态不变，作平动。 平移型： 当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。,回转型手爪,当手爪夹紧和松开物体时，手指做回转运动。,当施以力P时，楔角为的斜楔前进，使夹爪闭合，夹紧物件，且当小于自锁角时，即使P消失，被夹物件也不会滑脱。当施以相反方向的力时，斜楔后退，夹爪在弹簧的作用下打开。由于夹爪作回转运动，而回转轴又是固定的，故当夹持不同直径的物件时，物件的中心线将沿对称轴线移动，形成定位误差。,如图是一种有定位补偿功能的杠杆式夹持器。这种夹持器的夹爪回转销轴可借助左右螺旋副平移其相对位置，所以通过调整螺旋可对不同直径的物
21、件保持中心位置不变。,滑槽式手爪,重力式手爪,拨杆杠杆式手爪,平动型手爪：当手爪夹紧和松开物体时，手指由平行四杆机构传动，作平动。故手爪的姿态不变。,平移型手爪：当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动。,机械手爪图例：,齿轮齿条式手爪,磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附工件的，其应用较广。磁吸式手部不会破坏被吸收表面质量。磁吸收式手部比气吸收式手部优越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面粗糙度及通孔、沟槽等无特殊要求。,吸附式手部结构,真空吸附式手部：是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。具有结构简单、重量轻、使用方便可靠等优点。广泛应用于非金属材料（如板材、纸张、玻璃等物体）或不可有剩磁的材料的吸附。气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤，且对被吸持工件预定的位置精度要求不高。,
