机器人的机械结构的总体设计ppt课件.ppt

山东大学创新教育通识核心课程人工智能与机器人cyj 86358137 88399323山东大学 ArtificialIntelligenceandRobotics 1 第七章机器人机械结构的总体设计 ArtificialIntelligenceandRobotics 2 7 1机器人机械主体结构设计7 2机器人机械设计的步骤7 3机器人机身设计7 4机器人关节的构造及其传动配置7 5机器人机械机构上肢设计7 6机器人机械结构设计的学生作品 第七章机器人机械结构的总体设计 ArtificialIntelligenceandRobotics 3 3 7 1机器人机械主体结构设计7 2机器人机械设计的步骤7 3机器人机身设计7 4机器人关节的构造及其传动配置7 5机器人机械机构上肢设计7 6机器人机械结构设计的学生作品 第七章机器人机械结构的总体设计 ArtificialIntelligenceandRobotics 4 4 7 1 1主体结构设计要求对于机器人的设计与大多数机械设计过程相同 首先要知道为什么要设计 机器人 机器人能实现哪些功能 活动空间 有效工作范围 有多大 了解基本的要求后 接下来的工作就好作了 7 1机器人机械主体结构设计 5 首先是根据基本要求确定机器人的种类 是工业机器人 还是农业机器人 是竞赛机器人 还是娱乐机器人 是固定机器人 还是行走机器人 是提升 举升 机械臂 还是三轴的坐标机器人 还是六轴的机器人等 选定了机器人的种类也就确定了控制方式 也就有了在有限的空间内进行设计的指导方向 接下来的要做的就是设计任务的确定 7 1机器人机械主体结构设计 6 这是一个相对复杂的过程 在实现这一复杂过程的 第一步是将设计要求明确的规定下来 第二步是按照设计要求制作机械传动简图 分析简图 制定动作流程表 初步确定传动功率 控制流程和方式 第三步是明确设计内容 设计步骤 攻克点 设计计算书 草图绘制 材料 加工工艺 控制程序 电路图绘制 软件设计等 第四步是综合审核各方面的内容 确认制作 第五步是加工制作 安装 装配 编程 调试 完善等 7 1机器人机械主体结构设计 7 例如 一台完整的工业机器人由以下几个部分组成 操作机 驱动系统 控制系统以及可更换的末端执行器 操作机是工业机器人的机械主体 是被控制用来完成各种作业的执行机械 它因作业任务不同而有各种结构形式和尺寸 7 1机器人机械主体结构设计 8 7 1机器人机械主体结构设计 9 末端执行器 操作机 驱动系统 控制系统 7 1机器人机械主体结构设计 10 7 1 2机器人主体结构设计的主要问题 机器人的 柔性 除体现在其控制装置可重复编程方面外 主要还和机器人机械机构和结构形式有很大关系 机器人中普遍采用的关节型结构 具有类似人体腰 肩和腕等的仿生结构即坐标形式 所以 主体结构设计的主要问题 是选择机械机构由连杆件和运动副组成的坐标形式 机器人的坐标形式主要有直角坐标式 圆柱坐标式 球面坐标式 关节坐标式等 7 1机器人机械主体结构设计 11 1 直角坐标型操作机 直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料 也可用于高精度的装配和检测作业 7 1机器人机械主体结构设计 一 机器人结构坐标形式的适用范围 12 2 圆柱坐标式机器人 主要有三个自由度 腰转 升降 手臂伸缩 手腕常采用两个自由度 绕手臂纵向轴转动与垂直的水平轴线转动 手腕采用三个自由度 机器人总自由度达到六个 圆柱坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座 垂直移动和水平移动轴构成 具有一个回转和两个平移自由度 其动作空间呈圆柱形 这种机器人结构简单 刚性好 但缺点是在机器人的动作范围内 必须有沿轴线前后方向的移动空间 空间利用率较低 主要用于重物的装卸 搬运等作业 著名的Versatran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人 7 1机器人机械主体结构设计 13 3 球面坐标式机器人 也叫极坐标式机器人 具有较大的工作范围 设计和控制系统比较复杂 其空间位置分别由旋转 摆动和平移3个自由度确定 动作空间形成球面的一部分 其机械手能够作前后伸缩移动 在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动 著名的Unimate就是这种类型的机器人 其特点是结构紧凑 所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人 但仍大于多关节型机器人 7 1机器人机械主体结构设计 14 4 多关节关节机器人 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 手腕的三个自由度上的转动关节 俯仰 偏转和翻转 用来最后确定末端操作器的姿态 由多个旋转和摆动机构组合而成 这类机器人结构紧凑 工作空间大 动作最接近人的动作 对喷漆 装配 焊接等多种作业都有良好的适应性 应用范围越来越广 其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种 因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人 如日本山梨大学研制的机器人SCARA则是一种典型的水平多关节机器人 7 1机器人机械主体结构设计 15 7 1机器人机械主体结构设计 16 选择好机器人结构的坐标形式 那么就要看看整机设计原则和设计方法 就准备机器人机械机构的设计准备工作 7 1机器人机械主体结构设计 17 三 机器人操作机整机设计原则和设计方法 操作机整机设计原则 1 最小运动惯量原则由于操作机运动部件多 运动状态经常改变 必然产生冲击和振动 采用最小运动惯量原则 可增加操作机运动平稳性 提高操作机动力学特性 为此 在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下 尽量减小运动部件的质量 并注意运动部件对转轴的质心配置 7 1机器人机械主体结构设计 18 2 尺度规划优化原则当设计要求满足一定工作空间要求时 通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸 这将有利于操作机刚度的提高 使运动惯量进一步降低 3 高强度材料选用原则由于操作机从手腕 小臂 大臂到机座是依次作为负载起作用的 选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的 7 1机器人机械主体结构设计 19 4 刚度设计的原则操作机设计中 刚度是比强度更重要的问题 要使刚度最大 必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸 提高支承刚度和接触刚度 合理地安排作用在臂杆上的力和力矩 尽量减少杆件的弯曲变形 5 可靠性原则机器人操作机因机构复杂 环节较多 可靠性问题显得尤为重要 一般来说 元器件的可靠性应高于部件的可靠性 而部件的可靠性应高于整机的可靠性 可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构 也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性 7 1机器人机械主体结构设计 20 6 工艺性原则机器人操作机是一种高精度 高集成度的自动机械系统 良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一 仅有合理的结构设计而无良好的工艺性 必然导致操作机性能的降低和成本的提高 7 1机器人机械主体结构设计 21 2 操作机的设计方法和步骤 1 确定工作对象和工作任务开始设计操作机之前 首先要确定工作对象 工作任务 1 焊接任务 如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体 工作任务是对其进行弧焊或点焊 则要求机器人的制造精度很高 弧焊任务对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性有很高的要求 点焊任务对机器人的位姿精度有很高的要求 两种任务都要求机器人具备摆弧的功能 同时要能在狭小的空间内自由地运动 具备防碰撞功能 故机器人的自由度至少为六个 7 1机器人机械主体结构设计 22 2 喷漆任务 如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体 工作任务是喷涂汽车的内部和车门或是复杂曲面物体的表面 则要求机器人手腕要灵活 能够在狭小的空间内自由地运动 具备防碰撞功能 要求机器人能够在长时间内连续稳定可靠地工作 同时要求机器人具备光滑的流线型外表面 漆 气管线最好能从其横臂和手腕内部通过 使机器人外表不易积漆积灰 不会污染已喷好的工作对象 且漆 气管线也不易损坏 因喷漆机器人是在易燃易爆的工作环境中工作 故要具备防爆的功能 同时对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性也有较高的要求 机器人的自由度至少应为六个 7 1机器人机械主体结构设计 23 3 搬运任务 如果工作对象比较笨重 工作任务是定点搬运 定位精度要求高 则对机器人的承载能力和定位精度有高的要求 如果工作对象比较轻巧 工作任务也是定点搬运 但要求轻拿轻放 且定位精度要求高 则对机器人的速度稳定和定位精度有高的要求 4 装配任务 对机器人的速度稳定密和位姿精度有很高的要求 7 1机器人机械主体结构设计 24 2 确定设计要求1 负载 根据用户工作对象和工作任务的要求 参考国内外同类产品的先进机型 确定机器人的负载 一般喷漆和弧焊机器人的负载为5 6kg 2 参数 根据用户工作对象和工作任务的要求 参考国内外同类产品的先进机型 确定机器人未端的最大复合速度和机器人各单轴的最大角速度 7 1机器人机械主体结构设计 25 3 精度 根据用户工作对象和工作任务的要求 参考国内外同类产品的先进机型 确定机器人的重复定位精度 如弧焊机器人的重复定位精度为 0 4mm ABB公司开发的Model5003型喷漆机器人的重复定位精度为 1mm 同时要确定构成机器人的零件的精度 臂体的尺寸精度 形位精度和传动链的间隙 如齿轮的精度和传动间隙 还要确定机器人上所用的元器件的精度 如减速器的传动精度 轴承的精度等等 7 1机器人机械主体结构设计 26 4 示教方式 根据用户工作对象和工作任务的要求 确定机器人的示教方式 5 工作空间 根据用户工作对象和工作任务的要求 参考国内外同类产品的先进机型 确定机器人的工作空间的大小和形状 7 1机器人机械主体结构设计 27 6 尺寸规划 根据对工作空间的要求 参考国内外同类产品的先进机型 确定机器人的臂杆长度和臂杆转角 并进行尺寸优化 7 减速器的选用机器人上所用的减速器 常见的有RV减速器和谐波减速器 7 1机器人机械主体结构设计 28 机器人由操作机 机械本体 控制器 伺服驱动系统和检测传感装置构成 是一种仿人操作 自动控制 可重复编程 能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备 对它的结构设计是对稳定 提高产品质量 提高生产效率 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用 而是机器人机械机构设计即是对一种拟人的电子机械装置的设计 又要使机器能长时间持续工作 精确度高 抗恶劣环境的能力 从某种意义上说它也是机器的进化过程产物 它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备 也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 7 1机器人机械主体结构设计 29 7 1机器人机械主体结构设计7 2机器人机械设计的步骤7 3机器人机身设计7 4机器人关节的构造及其传动配置7 5机器人机械机构上肢设计7 6机器人机械结构设计的学生作品 第七章机器人机械结构的总体设计 ArtificialIntelligenceandRobotics 30 30 7 2 1设计步骤 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 方案设计 1 确定动力源 2 确定机型 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质量 7 绘制机构运动简图 7 2机器人机械设计的步骤 31 3 结构设计包括机器人驱动系统 传动系统的配置及结构设计 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 5 施工设计完成施工图设计 编制相关技术文件 7 2机器人机械设计的步骤 32 一 机械设计 根据设计要求及工艺描述设计各关节的机械机构 确定各部件的材料和加工工艺 制作计算书 验算机械强度 驱动功率和给出最大抓 举 重量 各运动路径的惯量计算 位姿的控制计算 验算机器人各关键部件使用寿命 结合控制程序及电路制作机器人维修保养说明书 7 2 2设计 7 2机器人机械设计的步骤 33 首先就要做的是 绘制机器人动运简图 规划机器人运动轨迹 做好这些我们就可以进行机械机构的设计 同时可以考虑程序的线路图了 当我们把机械运动简图画好后 一般的情况下是先对简图进行分析 虽然简图不能全部反映机械结构的组成 但是它却表现出了要设计的物体的总体轮廓 7 2机器人机械设计的步骤 34 机器人包括机座和腰关节 机座承受机器人全部重量 要有足够的强度和刚度 一般用铸铁或铸钢制造 机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定 并满足驱动装置及电缆的安装 二 程序 软件设计 三 综合调试 7 2机器人机械设计的步骤 35 7 1机器人机械主体结构设计7 2机器人机械设计的步骤7 3机器人机身设计7 4机器人关节的构造及其传动配置7 5机器人机械机构上肢设计7 6机器人机械结构设计的学生作品 第七章机器人机械结构的总体设计 ArtificialIntelligenceandRobotics 36 36 机器人的机身分为固定式 固定机座 机器人和移动式机器人 7 3 1基座 机座 设计 固定机器人操作机大多是由机座 立柱 大臂 小臂 腕部和手部用转动或移动关节串联起来的多自由度开式空间运动机构 其终端手部为抓持器 可夹持物料或安装工具 像人手那样在工作空间内执行多种作业 出于拟人化的考虑 常将机器人本体的有关部位分别称为基座 腰部 臂部 腕部 手部 夹持器或末端执行器 和行走部 对于移动机器人 等 7 3机器人机身设计 37 2020 1 7 38 机器人的机械本体 7 3机器人机身设计 38 对工业机器人来讲基座材料一般铸铁 也有铸钢 合金钢 铝合金等 7 3机器人机身设计 39 7 3 2移动式机器人但是 在不同的环境机器人底座也是不同的 比如移动机器人 那就要考虑行走机构 1 人行走分析 人的下肢主要功能是承受体重和走路 对于静止直立时支承体重这一要求 机器人还容易做到 而在像人那样用两足交替行走时 平衡体重就存在着相当复杂的技术问题了 7 3机器人机身设计 40 首先让我们分析一下人的步行情况 走路时 人的重心是在变动的 人的重心在垂直方向上时而升高 时而下降 在水平方向上亦随着左 右脚交替着地而相对应地左 右摇动 人的重心变动的大小是随人腿迈步的大小 速度而变化的 当重心发生变化时 若不及时调整姿势 人就会因失去平衡而跌倒 7 3机器人机身设计 41 同简化人手功能制造机器人的上肢的方法一样 其下肢没有必要按照人的样式全盘模仿 只要能达到移动的目的 我们可以采取多种形式 用足走路是一种形式 还可以像汽车 坦克那样用车轮或履带 以滚动的方式 来移动 7 3机器人机身设计 42 2 机器人的行走机械步行机器人相对于滚动机器人有许多新的问题 包括步态 物体由A点移动到B点的方式 和平衡 步行机器人设计涉及的一个问题就是运动关节中的应力 动物行走时 总是不停地调整平衡点以保证不会跌倒 这称之为动平衡 这是控制器必须不断递减机器人的平衡状态反馈回来 然后机器人不停地改变加速度或者重心的位置以满足平衡或定位的要求 这种机器人结构复杂且价格昂贵 但为了保持平衡 每类机器人都依靠不同的控制算法和调节方式 7 3机器人机身设计 43 机器人行走基本包括 车轮式 履带式 多足式 双足式 机器人行走最普通 最容易做的就是行走轮 7 3机器人机身设计 44 机器人的行走机械 机器人行走基本是 轮子 腿 7 3机器人机身设计 45 2020 1 7 46 7 3机器人机身设计 46 2020 1 7 47 7 3机器人机身设计 47 行走轮 易加工 容易制作 行走轮材料 有钢材加工 铸钢或铸铁 铝材或铸铝 塑料等等 为了防滑外圈有橡胶 花纹 塑胶 同步齿带等等 行走轮还有万向轮等 7 3机器人机身设计 48 7 3 3移动机器人的各种行走轮 1 两轮驱动行走轮 2 两轮加万向轮行走轮 7 3机器人机身设计 49 3 四轮驱动机器人车体 7 3机器人机身设计 50 4 常见机器人行走轮 a 汽车车轮式 运动学 移动的机理通常的方法 轮子 履带或腿考虑的因素 地形 机械复杂性和控制的复杂性 7 3机器人机身设计 51 b 差速驱动行走轮 特点 两个驱动轮一个或两个万向轮 用于平衡优点 机构简单能在一个地方转弯只要两个马达缺点 粗糙的地面遇到的困难 使用两个万向轮时潜在牵引损失 使用一个万向轮时容易倾翻速度和方向有关 7 3机器人机身设计 52 c 同步驱动轮 特点 所有的轮子都是驱动轮所有的轮子都可以操纵优点 通过旋转轮子来转向四个或更多的轮子可以更好适应粗糙路面缺点 机械结构复杂每一个轮子都可以操纵 并提供动力 控制复杂 很多马达需要控制 7 3机器人机身设计 53 d 三轮车式 特点 只有一个马达作为动力 在前轮或通过后面的差分轮 一个马达在前面作为方向盘优点 容易控制 驾驶和速度不在一起控制 只需要两个马达缺点 不能在原地转动在不平的路面上容易倾翻机械结构有点复杂 需要后面有差速器来避免打滑 在前轮安装驱动论和做方向盘的马达 7 3机器人机身设计 54 e 汽车结构式四轮 特点 一个马达作为动力 通过后面的差速器驱动一个马达转动前面的两个轮子来改变方向优点 在不平的路面上性能较好容易控制 驾驶和速度不在一起控制 只需要两个马达缺点 不能在原地转动机械结构有点复杂 需要后面有差速器来避免打滑 需要等量操纵两个前轮 7 3机器人机身设计 55 特点 单独驱动两个履带优点 可以在原地转动在不平的路面上性能非常好 稳定 很难到达高的地方 牵引很好一个或两个马达缺点 只能慢慢转动速度和方向不能单独控制摩擦力很大 能量损耗大机械结构复杂 能以保持履带拉紧 f 履带式 7 3机器人机身设计 56 7 3机器人机身设计 57 g 复合多功能 7 3机器人机身设计 58 h 多足行走 特点 多只脚协调动作优点 在粗糙路面性能较好 好的关节 稳定 好的牵引力缺点 不能原地转动速度慢控制复杂 移动困难 操纵性差机械复杂每一只脚需要提起和前 后移动每一只脚可能需要多个马达 7 3机器人机身设计 59 i 双足机器人也称拟人机器人拟人机器人是机构学 运动学 控制理论等学科发展水平的综合体现 是当前国内外研究的热点问题之一 清华大学研制的拟人机器人TH 1雏形 7 3机器人机身设计 60 双足行走 7 3机器人机身设计 61 特点 两只脚协调动作优点 仿人性能较好 好的关节能跳舞能原地转动缺点 速度慢控制复杂 移动困难 操纵性差复杂机械复杂每一只脚需要提起和前 后移动每一只脚可能需要多个马达 不稳定 平衡难掌握 7 3机器人机身设计 62 实现双足迈步人工行走 是人类模仿自身共同追求的一个高难的基本目标 模仿人类双足行走的系统是个复杂的多自由度系统 要研究制造这样的一个系统需要很多的理论知识 如运动学 动力学 自动控制学等 需要的技术就更多了 机构设计技术 电源技术 驱动技术 传感器技术 精密传动制造装配技术 计算机控制技术等等 7 3机器人机身设计 63 能迈步进行人工行走的机械结构有很多种 驱动源也各式各样 控制方法也各异 从结构和控制上看大多都很复杂 大多采用的是链式连杆型结构 它是用搭积木的方法 每个关节做成一个自由度模块 几个关节就用几个模块连起来 组成每条人工腿 这种结构直观 看似简单的结构控制起来却难了 因为双足人工行走是两条腿 髋关节 膝关节 踝关节串联起来配合运动的结果 这么多关节又各自都有自己的驱动源和关节运动角传感器 当这样的双足结构行走时 必须有一个很复杂的控制回路 一边传感器时时的传送关节运动角的数据 一边要有一个很好的计算的程序协调控制每个关节的运动 同时还要考虑平衡 惯力 反力等问题 利用这种结构 实现双足行走日本人在上个世纪也集中了大量的人力 物力 财力探索了三十年 才实现这一目标 7 3机器人机身设计 64 7 3 4机器人行走轮机械连接 1 直接连接 电机直接带变速机构 电机轴直接与行走轮连接 2 齿轮连接 电机不带变速机构 变速由齿轮变速 与行走轮连接 7 3机器人机身设计 65 3 齿轮同轴连接 一个电机带同轴两个行走轮能变速 7 3机器人机身设计 66 4 双电机轮传动连接 7 3机器人机身设计 67 5 锥齿轮连接 7 3机器人机身设计 68 6 皮带连接方式 7 3机器人机身设计 69 7 3机器人机身设计 70 7 机械连接 7 3机器人机身设计 71 角铁支架连接 7 3机器人机身设计 72 万向轮 方向是不固定的 只是从动跟随 7 3机器人机身设计 73 其他部件 7 3机器人机身设计 74 7 3 5引导机器人的移动1 如何正确引导机器人的移动 移动机器人的导向从大的方面来分 有轨道式和无轨道式两种 轨道式是检测机器人与轨道的相对位置进行导向的 无轨道式则是检测机器人在移动环境中的位置进行导向的 7 3机器人机身设计 75 用轨道来引导机器人移动的方法有多种 一是像铁路铺轨道一样 机器人的轮子在轨道上滚动 由轨道引导到各工作位置 在车间地面下浅层snun 10mm处敷设电缆 通人数千HZ 赫芝 高频交流电 使之产生磁场 在移动机器人身上安装两个测向线圈检测磁场信号 进行移动导向 移动路线由所敷设的电缆决定 电缆敷好以后 要改变导向路线就很困难 但可靠性高 大多数工厂车间内都采用这种方法 7 3机器人机身设计 76 也有的把金属箔带或白色带子沿着机器人必须行走的路线贴在地面上 当光线照在地面上时 用电视摄像机或光电管判别白带反射光谱来进行导向 这种方法比起敷设电缆 改变移动路线要容易一些 更方便的方法是激光导向 即在机器需要经过的道路上用激光照射 依靠移动机器人身上安装的激光测定器来测定其移动方向 控制指挥机器人移动 7 3机器人机身设计 77 无轨道式导向主要用于自动移动机器人 它要求机器人能自动识别自身所处位置 选择移动路线而自主运动 因此 机器人必须装有视觉 触觉等装置 用来辨识环境和道路情况 测出自己的位置和方向 通过计算机控制自身的运动 7 3机器人机身设计 78 常用的最简单的方法是超声导向方法 众所周知 振幅的眼睛在夜里是看不见东西的 但它能从体内发出并接受超声波 依靠超声波在夜间飞行 利用这一原理 给机器人配备超声波发射器及接受器 移动前先发射超声波 接受器根据超声波的反射波情况 测出机器人与壁式障碍物间的相对距离及道路情况 从而决定其运动方向 控制机器人的移动 如果再加上摄像机的视觉引导 机器人的移动就更加自如 7 3机器人机身设计 79 采用无轨道式导向装置 检测时需用较复杂的装置 价格昂贵 可靠性还存在问题 但其灵活性则远比轨道式大 进一步完善后 完全有可能替代轨道式的导向控制 在生产车间内应用 7 3机器人机身设计 80 7 1机器人机械主体结构设计7 2机器人机械设计的步骤7 3机器人机身设计7 4机器人关节的构造及其传动配置7 5机器人机械机构上肢设计7 6机器人机械结构设计的学生作品 第七章机器人机械结构的总体设计 ArtificialIntelligenceandRobotics 81 81 关节是操作机各杆件间的结合部分 有转动和移动两种类型 机器人通常称作腰关节 肩关节和肘关节 它们构成了操作机的位置机构 后面关节构成了操作机的姿态机构 称作腕部 7 4 1腰关节腰关节既承受很大的轴向力 径向力 又承受倾翻力矩 且具有较高的运动精度和刚度 多采用高刚性的RV减速器减速 也可采用谐波传动 摆线针轮或蜗杆减速器 7 4机器人关节的构造及其传动配置 82 1 腰部结构操作机腰部包括机座和腰关节 机座承受机器人全部重量 要有足够的强度和刚度 一般用铸铁或铸钢制造 机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定 并满足驱动装置及电缆的安装 腰关节是负载最大的运动轴 对末端执行器运动精度影响最大 故设计精度要求高 腰关节的轴可采用普通轴承的支承结构 图1所示为PUMA机器人腰部结构 其优点是结构简单 安装调整方便 但腰部高度较高 现在大多数机器人的腰关节均采用大直径交叉滚子轴承支承的结构 既可使机座高度大大降低 又具有更好的支承刚度 7 4机器人关节的构造及其传动配置 83 腰关节是负载最大的运动轴 对末端执行器运动精度影响最大 故设计精度要求高 7 4机器人关节的构造及其传动配置 84 7 4机器人关节的构造及其传动配置 85 腰关节1 电机 2 齿轮 3 立柱 4 结合螺栓 7 4机器人关节的构造及其传动配置 86 由上面的图例可以看出 腰关节的构造主要是两种类型 使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式平行轴式 前者结构紧凑 腰关节高度尺寸小 使用特制抽承的缘故 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 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 7 4机器人关节的构造及其传动配置 87 2 臂部结构 臂部的作用是连结腰部和腕部 实现操作机在空间中的运动 手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求 由于手臂的刚度 强度直接影响机器人的整体运动刚度 同时又要灵活运动 故应尽可能选用高强度轻质材料 减轻其重量 在臂体设计中 也应尽量设计成封闭形和局部带加强肋的结构 以增加刚度和强度 手臂结构可分为伸缩型结构 旋转伸缩型结构和屈伸型结构 图2示出了PUMA560机器人小臂传动结构 7 4机器人关节的构造及其传动配置 88 7 4 2肩关节和肘关节对于开式连杆结构 肩关节位于腰部的支座上 多采用高刚性的RV减速器减速 也可采用谐波传动或摆线针轮 肘关节位于大臂与小臂的联接处 其结构形式有偏置式或同轴式配置 多采用谐波传动 摆线针轮 齿轮传动等 7 4机器人关节的构造及其传动配置 89 臂部的作用是连结腰部和腕部 实现操作机在空间中的运动 手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求 由于手臂的刚度 强度直接影响机器人的整体运动刚度 同时又要灵活运动 故应尽可能选用高强度轻质材料 以减轻其重量 7 4机器人关节的构造及其传动配置 90 1 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 7 4机器人关节的构造及其传动配置 91 7 4 3直动关节直动关节可有两种类型 电机驱动和液压驱动 前者多采用滚动丝杠和导柱 轨 式 后者可采用油缸驱动齿轮的倍速移动结构 7 4机器人关节的构造及其传动配置 92 7 4 4手腕关节1 单自由度手腕SCARA水平关节装配机器人多采用单自由度手肮 SCARA机器人 7 4机器人关节的构造及其传动配置 93 腕部结构 腕部用来连接操作机手臂和末端执行器 并决定末端执行器在空间里的姿态 腕部一般应有2 3个自由度 结构要紧凑 质量较小 各运动轴采用分离传动 图3a所示为P 100机器人腕部结构 其中 轴1 轴3为手臂轴 未画出 是一种典型的3轴分立型式 图3b为JRS 80机器人的手腕原理图 本图是类似P100典型手腕的实际结构的一种型式 7 4机器人关节的构造及其传动配置 94 腕部用来连接操作机手臂和末端执行器 并决定末端执行器在空间里的姿态 腕部一般应有2 3个自由度 结构要紧凑 质量较小 各运动轴采用分离传动 7 4机器人关节的构造及其传动配置 95 SCARA机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度 为了减轻操作机的悬臂重量 手腕的驱动电机固结在机架上 手腕转动的目的在于调整装配件的方位 由于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 这是该种传动方式的主要优点 特别适合于电子线路板的插件作业 2 两自由度手腕两自由度手腕关节有两种常见的配置形式 即汇交式和偏置式 7 4机器人关节的构造及其传动配置 96 1 法兰 2 锥齿轮轴 3 锥齿轮 8 4 弹簧 5 7 链轮 6 9 轴承 10一转壳汇交式两自由度手流 1 法兰 2 转壳 3 6 锥齿轮轴 4 小臂 5 7 链轮 8 链 9 10 弹簧偏置式两自由度手腕 7 4机器人关节的构造及其传动配置 97 3 三自由度手腕三自由度手腕的结构形式繁多 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 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 7 4机器人关节的构造及其传动配置 98 机器人的臂 腕关节的基本结构 自由度机械臂回转结构图 7 4机器人关节的构造及其传动配置 99 7 4机器人关节的构造及其传动配置 100 机器人的腕部结构常见三种几种结构 7 4机器人关节的构造及其传动配置 101 必须指出 若操作机为6自由度 当手腕为偏置式时 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 7 4机器人关节的构造及其传动配置 102 二 传动部件设计传动部件是驱动源和机器人各个关节连接的桥梁 是机器人的重要部件 机器人的运动速度 加速度 减速度 特性 运动平稳性 精度 承载能力很大程度上是取决于传动部件设计的合理性和优劣 因此 关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一 7 4机器人关节的构造及其传动配置 103 一 移动关节导轨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 对移动导轨有如下要求 1 间隙小或者能消除间隙 2 再垂直于运动方向上的刚度高 3 摩擦系数低并不随速度变化 4 高阻尼 5 移动导轨和其辅助元件尺寸小 惯量低 7 4机器人关节的构造及其传动配置 104 移动关节导轨主要分类 普通滑动导轨 液压动压滑动导轨 液压静压滑动导轨 气浮导轨和滚动导轨 7 4机器人关节的构造及其传动配置 105 普通滑动导轨和液压动压滑动导轨两种具有结果结构简单 成本低的特点 但是必须有间隙以便润滑 但是间隙的存在又将会引起坐标的变化和有效负载的变化 在低速时候容易产生爬行现象 静压滑动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 7 4机器人关节的构造及其传动配置 106 第四种气浮导轨不需要回收润滑油的机构 但是刚度和阻尼较低 第五种滚动导轨在工业机器人导轨种用的是最广泛 具有很多的优点 1摩擦小 特别是不随速度变化 2尺寸小 3刚度高承载能力大 4精度和精度保持度高 5润滑简单 6容易制造成标准件 7易加预载 消除间隙 增加刚度等等 但是 滚动导轨用在机器人机械系统也存在着缺点 1阻尼低 2对脏物比较敏感 7 4机器人关节的构造及其传动配置 107 二 转动关节轴承转动关节轴承主要用的是球轴承 它能承受轴向和径向载荷 摩擦较小 对轴和轴承座的刚度不敏感 主要分向心推力球轴承和 四点接触 球轴承 7 4机器人关节的构造及其传动配置 108 三 传动件的定位及消隙传动件的定位主要有 1 电气开关定位2 机械挡块定位3 伺服定位系统定位 7 4机器人关节的构造及其传动配置 109 传动件的消隙主要有 1 消隙齿轮2 柔性齿轮消隙3 对称传动消隙4 偏心机构消隙5 齿廓弹性覆层消隙 7 4机器人关节的构造及其传动配置 110 四 协波传动要求 1 伺运动精度高 间隙小 能实现较高的重复定位精度 2 回转速度稳定 无波动 运动副键摩擦小 效率高 3 体积小 重量轻 传动扭矩大 4 常用的减速机构是行星齿轮机构和谐波传动机构 7 4机器人关节的构造及其传动配置 111 五 丝杠螺母副和滚珠丝杠传动丝杠传动机构是将旋转运动变成直线运动的重要传动部件 其优点是不会产生冲击 传动平稳 无噪声 能自锁 由较小的扭矩产生较大的牵引力 缺点是传动效率底下 采用滚珠丝杠传动则能解决这种问题 并且传动精度和定位精度都很高 在传动时灵敏和平稳性很好 磨损小 使用寿命比较长 1 活塞缸和齿轮齿条机构2 链传动 皮带传动 绳传动3 钢带传动 7 4机器人关节的构造及其传动配置 112 7 1机器人机械主体结构设计7 2机器人机械设计的步骤7 3机器人机身设计7 4机器人关节的构造及其传动配置7 5机器人机械机构上肢设计7 6机器人机械结构设计的学生作品 第七章机器人机械结构的总体设计 ArtificialIntelligenceandRobotics 113 113 一 机器人的上肢1 机器人的手臂要使机器人的手臂具有人臂一样的功能 最基本的条件就是要像人一样具有腕 肘及肩关节等类似的动作 从前边的分析可知 人臂从肩部到脱部 不包括手掌及手指 共有7个自由度 7 5机器人机械机构上肢设计 114 目前工业机器人的人口数约占机器人总人口数的70 80 而工业机器人的手臂自由度数目前一般最多不超过6个 有时为了降低制造成本 在满足生产要求动作的情况下 反而适当地减少l 2个自由度 从技术观点出发 把机器人手臂的6个自由度分成两部分 即臂部确保3个自由度 腕部为l 3个自由度 这样的分法 符合了前面提到的臂部3个自由度决定它在空间的位置 腕部3个自由度决定它的姿态的要求 7 5机器人机械机构上肢设计 115 2 机器人臂部设计的基本要求 刚度高 为了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撑板 导向性好 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 7 5机器人机械机构上肢设计 116 重量轻 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 运动平稳定位精度高 7 5机器人机械机构上肢设计 117 3 除了臂部设计上要求力求结构紧凑 重量轻外 同时要采用一定形式的缓冲措施 常用的臂部结构有 1 手部直线运动机构 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 气 缸的体积小 重量轻 因而在机器人结构中应用的比较多 7 5机器人机械机构上肢设计 118 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 7 5机器人机械机构上肢设计 119 二 机器人的手机器人的手只是为了代替人手的部分劳动 因而没有必要 也不可能做得像人手那样灵巧 尤其是工业机器人的手主要的功能动作是夹 抓 提 举 一般都没有手掌 全靠手指抓取 夹持物体 因此 工业机器人的手与其说是 手 还不如说是 夹钳 机器人的手设计时要求简单 实用 易造 所以一般多用对置的两个手指 7 5机器人机械机构上肢设计 120 为了能够抓取不同形状 大小 重量和材质的物体 机器人的手指可以做成不同形状和大小 一般夹持圆棒形及方形物体可用外夹式两指手 而夹持大尺寸的空心管状或方形物体 常用向外撑开取物的内撑式两指手 钩形手指适用于类似那种形状或中空的物体 可以又提又勾地运送 大型板材 显像管等不宜夹持的物体 常采用气体吸盘或电磁吸盘 用气体吸盘吸引的物体必须平整无凹槽 否则会造成漏气 吸不住物体 而电磁吸盘只适用于提取磁性材料 7 5机器人机械机构上肢设计 121 另外 处在自由状态下的任何物体都具有6个自由度 即沿着3个直角坐标轴的移动和绕着3个坐标轴的转动 移动决定了物体在空间某一