1、下图所示的工业机器人，具有移动关节(关节1、3)和转动关节(关节2、4、5)两种关节,共五个自由度。驱动源通过传动部件来驱动这些关节,从而实现机身、手臂和手腕的运动。因此，传动部件是构成工业机器人的重要部件。用户要求机器人速度高、加速度(减速度)特性好、运动平稳、精度高、承载能力大。这在很大程度上决定于传动部件设计的合理性和优劣，所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。,4-2传动部件设计,一、移动关节导轨及转动关节轴承:(一)移动关节导轨 l.工业机器人对移动导轨的要求移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向，对机器人移动导轨有如下几点要求： (1)间隙小或能消除间隙；
2、 (2)在垂直于运动方向上的刚度高； (3)摩擦系数低但不随速度变化； (4)高阻尼； (5)移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。,移动关节导轨有五种：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨滚动导轨。,前两种具有结构简单、成本低的优点，但是它必须留有间隙以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化；另外，这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化而变化，在低速时，容易产生爬行现象(速度时快时慢)等缺点。第三种静压导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。,最近
3、，有人在静压润滑系统中采用了高粘度的润滑剂(如油脂)，并已用到机器人的机械系统中。第四种气浮导轨是不需回收润滑油的，但是它的刚度和阻尼较低，并且对制造精度和环境的空气条件(过滤和干燥)要求较高，不过由于其摩擦系数低(大约为0.0001)，估计将来是会采用的。,第五种滚动导轨在工业机器人中应用最为广泛，因为它具有很多优点： 摩擦小，特别是不随速度变化; 尺寸小; 刚度高，承载能力大； 精度和精度保持性高; 润滑简单； 容易制造成标准件; 滚动导轨易加预载，消除间隙、增加刚度.但是，滚动导轨用在机器人机械系统中也存在着缺点：阻尼低;对脏物比较敏感。,(二)转动关节轴承球轴承是机器人和机械手结构中最
4、常用的轴承。它能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。下图(a)为普通向心球轴承；图(b)为向心推力球轴承。这两种轴承的每个球和滚道之间只有两点接触(一点与内滚道，另一点与外滚道)。为了预载，此种轴承必须成对使用。图(c)为“四点接触”球轴承。该轴承的滚道是尖拱式半圆，球与每个滚道两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧。因此，此种轴承的优点是无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的一般球轴承高1.5倍，缺点：是价格较高。,采用四点接触式设计以及高精度加工工艺的机器人专用轴承已经问世，这种轴承比同等轴径的常规中系列四点接触轴承轻25倍。机器人
5、专用轴承的结构尺寸和重量如下图所示，适合于76.2355.6mm轴径的轴承，重量只有0.072.79kg。此类轴承己用在腕关节中(如图)。减轻轴承重量的另一种方法是采用特殊材料，目前正在研究采用氮化硅陶瓷材料制成球和滚道，陶瓷球的杨氏模量比钢球约高50%，但重量比钢球轻很多。,返回,二、传动件的定位及消隙(一)传动件的定位工业机器人的重复定位精度要求较高，设计时应根据具体要求选择适当的定位方法。目前常用的定位方法有电气开关定位、机械挡块定位和伺服定位。,l.电气开关定位电气开关定位是利用电气开关(有触点或无触点)作行程检测元件，当机械手运行到定位点时，行程开关发信号二切断动力源或接通制动器，从
6、而使机械手获得定位。,两种驱动方式下的电气定位1、液压驱动的机械手运行至定位点时，行程开关发出信号，电控系统使电磁换向阀关闭油路而实现定位。2、电动机驱动的机械手需要定位时，行程开关发信号，电气系统激励电磁制动器进行制动而定位。电气开关定位的优缺点：优点：使用电气开关定位的机械手，其结构简单、工作可靠、维修方便。缺点：由于受惯性力、油温波动和电控系统误差等因素的影响，重复定位精度比较低，一般为(3 5)mm。,2.机械挡块定位机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块，当机械手减速运动到终点时，紧靠挡块而定位，若定位前缓冲较好，定位时驱动压力未撤除，在驱动压力下将运动件压在机械挡块上，或驱动压力将活
7、塞压靠在缸盖上就能达到较高的定位精度，最高可达0.02mm。若定位时关闭驱动油路、去掉驱动压力，机械手运动件不能紧靠在机械挡块上，定位精度就会减低，其减低的程度与定位前的缓冲效果和机械手的结构刚性等因素有关。,如下图所示是利用机械插销定位的结构。机械手运行到定位点前，由行程节流阀实现减速，达到定位点时，定位油缸将插销推入圆盘的定位孔中实现定位。这种方法定位精度相当高。,3.伺服定位系统电气开关定位与机械挡块定位这两种定位方法只适用于两点或多点定位。而在任意点定位时，要使用伺服定位系统。伺服系统可以输入指令控制位移的变化，从而获得良好的运动特性。它不仅适用于点位控制，而且也适用于连续轨迹控制。开
8、环伺服定位系统没有行程检测及反馈，是一种直接用脉冲频率变化和脉冲数控制机器人速度和位移的定位方式。这种定位方式抗干扰能力差，定位精度较低。如果需要较高的定位精度(如0.2mm)，则一定要降低机器人关节轴的平均速度。,闭环伺服定位系统具有反馈环节，其抗干扰能力强，反应速度快，容易实现任意点定位。下图是齿条齿轮反馈式电-液闭环伺服系统方框图。齿轮齿条将位移量反馈到电位器上，达到给定脉冲时，马达及电位器触头停止运转，机械手获得准确定位。,(二)传动件的消隙一般传动机构存在有间隙，也叫侧隙。就齿轮传动而言，齿轮传动的侧隙是指一对齿轮中一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大的角位移。传动的间隙，影响
9、了机器人的重复定位精度和平稳性。对机器人控制系统来说，传动间隙导致显著的非线性变化、振动和不稳定。但是，传动间隙是不可避免的，其产生的主要原因有：1、由于制造及装配误差所产生的间隙；2、为适应热膨胀而特意留出的间隙。,(二)传动件的消隙消除传动间隙的主要途径有：1、提高制造和装配精度；2、设计可调整传动间隙的机构；3、设置弹性补偿零件。,下面介绍适合工业机器人采用的几种常用的传动消隙方法：,1.消隙齿轮如下图所示的消隙齿轮由具有相同齿轮参数的并只有一半齿宽的两个薄齿轮组成，利用弹簧的压力使它们与配对的齿轮两侧齿廓相接触，完全消除了齿侧间隙。,图(b)所示为用螺钉3将两个薄齿轮1和2连接在一起，
10、代替图(a)中的弹簧。其好处是可以调整。,2.柔性齿轮消隙下图(a)所示为一种钟罩形状的具有弹性的柔性齿轮，在装配时对它稍许加些预载就能引起轮壳的变形,从而引起每个轮齿的双侧齿廓都能啮合，消除了侧隙。图(b)所示为采用了上述同样的原理却用不同设计形式的径向柔性齿轮,轮壳和齿圈是刚性的，但与齿轮圈连接处具有弹性。对于给定同样的扭矩载荷，为保证无侧隙啮合，径向柔性齿轮所需要的预载力比钟罩状柔性齿轮要小得多。,3.偏心机构消隙如下图所示的偏心机构实际上是中心距调整机构。特别是齿轮磨损等原因造成传动间隙增加时，最简单的方法是调整中心距，这是在PUMA机器人腰转关节上应用的又一实例。 图中 中心距是固定
11、的。一对齿轮中的一个齿轮装在 轴上，另一个齿轮装在A轴上。A轴的轴承是偏心地装在可调的支架1上。应用调整螺钉转动支架1时，就可以改变一对齿轮啮合的中心距A 的大小达到消隙目的。,4.齿廓弹性覆层消隙齿廓表面覆有薄薄一层弹性很好的橡胶层或层压材料，相啮合的一对齿轮加以预载，可以完全消除啮合侧隙，如下图所示。齿轮几何学上的齿面相对滑动在橡胶层内部发生剪切弹性流动时被吸收，因此，像铝合金，甚至石墨纤维增强塑料这种非常轻而不具备良好接触和滑动品质的材料可用来作传动齿轮的材料，大大地减少了重量和转动惯量。,三、谐波传动电动机是高转速、低力矩的驱动器,在机器人中要用减速器变成低转速、高力矩的驱动器。机器人
12、对减速器的要求下 ：(1)运动精度高，间隙小，以实现较高的重复定位精度；(2)回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小,效率高；(3)体积小，重量轻，传动扭矩大。减速器减速比 n 的选择应当能最大限度地利用电机功率，即机械阻抗匹配。,减速比为：,从现有的工业机器人来看，所选的电机功率总是偏大，减速比也过大。当减速比大时，工作臂的惯性对电机影响小，但电机速度容易饱和；当减速比小时，工作臂运动的反作用力对电机影响大，这需要进行机构的动力学计算。在工业机器人中，比较合乎要求且常用的减速器是行星齿轮机构和谐波传动机构。下图所示为行星齿轮传动结构简图。行星齿轮传动尺寸小，惯量低；一级传动比大，结构紧凑，载荷
13、分布在若干个行星齿轮上，内齿轮也具有较高的承载能力。,谐波传动在运动学上是一种具有柔性齿圈的行星传动。但是，它在机器人上获得比行星齿轮传动更加广泛的应用。如下图所示是谐波传动的结构简图。由于谐波发生器的转动使柔轮上的齿与圆形花键轮(刚轮)1上的齿2相啮合。输入轴为3，如果刚轮1固定，则轴为输出轴；如果轴5固定，则轴1为输出轴。,谐波传动速比的计算与行星传动速比计算是一样的。如果圆形花键轮(刚轮)1不转动(=0)，波发生器3为输入柔轮轴5为输出，速比为负号表示柔轮向发生器旋转方向的反向旋转。如果柔轮6静止不转动(0)，波发生器3为输入，则圆形花键轮(刚轮)的轴l为输出，速比为正号表示刚轮与发生器
14、同方向旋转。,例4-1 有一谐波齿轮传动，刚轮齿数为200，柔轮齿数为l98，刚轮固定，柔轮输出，求该谐波传动的传动比。解 刚轮固定，柔轮输出，速比为负号表示柔轮输出转向与发生器转向相反。例4-2 有一谐波齿轮传动,刚轮齿数为200，柔轮齿数为197，柔轮固定，刚轮输出，求该皆波传动的传动比解 柔轮固定，刚轮输出，速比为正号表示刚轮输出转向与发生器转向相同,谐波传动的速比imin=60，imax=300，传动效率高达80%90%，如果在柔轮和刚轮之间能够多齿咱合，比如任何时刻有10%30%的齿同时啃合，那么可以大大提高谐波传动的承载能力。谐波传动的优点是：尺寸小、惯量低，因为误差均布在多个啃合
15、点上，传动精度高，因为预载晴合，传动侧隙非常小，因为多齿晴合，传动具有高阻尼特性。谐波传动的缺点是：柔轮的疲劳问题；扭转刚度低，以输入轴速度2、4、6倍的啃合频率产生振动；谐波传动与行星传动相比具有较小的传动间隙和较轻的重量，但是刚度比行星减速器差。,最近，采用液压静压波发生器的谐波传动机构已经问世，如图4-28所示。凸轮1和柔轮2之间不直接接触，在凸轮1上的小孔3处与柔轮内表面有大约0.1mm的间隙，高压泊从小孔3喷出，使柔轮产生变形波，从而产生减速驱动。因为泊具有很好的冷却作用，能提高传动速度。此外，利用电磁波原理波发生器的谐波传动机构也提出来了。谐波传动装置在机器人技术比较先进的国家已得
16、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”，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。,四、丝杠螺母副及滚珠丝枉传动丝杠螺母副传动部件是把回转运动变换为直线运动的重要传动部件。由于丝杠螺母机构量是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳，无噪声，并且能自锁。因丝杠的螺旋升角较量小，所以用较小的驱动力矩，可获得较大的牵引力。但是，丝杠螺母的螺旋面之间的摩擦为滑动曹摩擦，故传动效率低。滚珠丝杠传动效率高而且传动精度和定位精度均
17、很高，在传动时灵敏度和平稳性亦很好；由于磨损小，使用寿命比较长但丝杠及螺母的材料，热处理和加工工艺要求很高，故成本较高,图4-29所示为滚动丝杠的基本组成2丝杠1，螺母2，滚珠 或滚柱 ，导向槽4。导向槽4连接螺母的第一圈和最后一圈，使其形成一个滚动体可以连续循环的导槽。滚珠丝杠在工业机器人上应用比滚柱丝杠多，因为后者结构尺寸大(径向和轴向)，传动效率低。图4-30所示为采用丝杠螺母传动的手臂升降机构。由电动机1带动蜗杆2使蜗轮5回转，依靠蜗轮内孔的螺纹带动丝杠4作升降运动。为了防止丝杠的转动，在丝杠上端锐有花键与固定在箱体6上的花键套7组成导向装置。,五、其它传动工业机器人中常用的传动除谐波
18、传动和丝杠传动外，还有其它传动机构，下面介绍几种常用的机构：1.活塞缸和齿轮齿条机构 齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动，带动与手臂连接的齿轮作往复回转，即实现手臂的回转运动。带动齿条往复移动的活塞缸可以由压力油或压缩空气驱动。,图4-31所示为手臂作回转运动的结构。活塞泊缸两腔分别进压力油推动齿条活塞作往复移动，与齿条啃合的齿轮即作往复回转。由于齿轮与手臂固联，从而实现手臂的回转运动。立在手臂的伸缩运动中，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。图4-32所示为气压传动的齿轮齿条式增倍机构的手臂结构。活塞杆3左移时,与活塞杆3相联接的齿轮2也左移,并使运动齿条1
19、一起左移,由于齿轮2与固定齿条相啃合,因而齿轮2在移动的同时,又迫使其在固定齿条上滚动,并将此运动传给运动齿条1,从而使运动齿条1又向左移动一距离。因手臂固联于齿条1上,所以手臂的行程和速度均为活塞杆3的行程和速度的两倍。,2.链传动、皮带传动、绳传动它们常用在机器人采用远距离传动的场合。链传动具有高的载荷/重量比。同步皮带传动与链传动相比重量轻，传动均匀，平稳。图4-33所示为钢丝绳传动。绳传动广泛应用于机器人的手爪开合传动上,特别适合有限行程的运动传递。 绳传动的主要优点是：钢丝绳强度大；各方向上的柔软性好，当机器人形位连续变化时，绳传动能够容易地实现传动；尺寸小；预载后有可能消除传动间隙
20、。 绳传动的主要缺点是：不加预载时存在传动间隙，因为绳索的蠕变和索夹的松弛而使传动不稳定F多层缠绕后，在内层绳索中及支承唱损耗能量，效率低；易积尘垢。,3.钢带传动图4-34所示为钢带传动，它是把钢带末端紧固在驱动轮和被驱动轮上，因此，摩擦力不是传动的重要要素。它适合于有限行程的传动。图(a)适合于等传动比，图(c)适合于变化的传动比。图(b)、(d)是一种直线传动，而图(a)、(c)是一种回转传动。钢带传动已成功应用在Adept机器人上，进行1：1速比的直接驱动，在立轴和小臂关节轴之间远距离传动，如图4-6所示。钢带传动的优点是：传动比精确，传动件质量小，惯量小，传动参数稳定自柔性好，不需润
21、滑；强度高。,4-3臂部设计工业机器人的臂部一般具有23个自由度，即伸缩、回转或俯仰。臂部总重量较大，受力一般较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件(或工具)的静、动载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力(或惯性力矩)，引起冲击，影响定位的准确性。 一、臂部设计的基本要求臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时,设计时必须考虑到手臂的受力情况，油(气)缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求：,1.刚度要求高为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度一般比圆
22、截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 2.导向性要好为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。,3.重量要轻为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。4.运动要平稳、定位精度要高由于臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动既不平稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计上要力求结构紧凑、重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。,二、手臂的常用结构1.手臂直线运动机构机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复
23、直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油(气)缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞油(气)缸的体积小、重量轻，因而在机器人的手臂结构中应用比较多。2.手臂回转运动机构实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。,图4-35所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构图。手臂的上下摆动由饺接活塞泊缸和连杆机构来实现。当活塞泊缸1的两腔通压力泊时，通过连杆2带动曲柄3(即手臂)绕轴心O作 的上下摆动(如双点划线所示位置)。手臂下摆到水平位置时，其水平和侧向的定位由支承架4上的定位螺钉6和5来调节。此手臂结构具有传动结构简单、紧凑和轻巧等特点。,
