第二章 机器人结构设计ppt课件

机器人本体的结构形式 第二章机器人的主要结构 2 手部 腕部 小臂 上臂 大臂 下臂 腰部 基座 控制柜 示教盒 3 2 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 4 3 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 5 施工设计完成施工图设计 编制相关技术文件 例 六自由度轻型机械臂的设计 机械臂的设计指标 构型设计原则 自由度为主 兼顾复杂程度 刚度及控制难度关节运动范围尽可能大关节无奇异工作空间无死区 至少6自由度构型合理 驱动 传动布置模块化 几何构型 考虑运动学逆解的存在性 1 三个相邻关节轴线交于一点 2 三个相邻关节轴线相互平行 6自由度轻型臂构型 传动方案设计 集成化设计 驱动 传动 传感 控制 集成化设计 电气及传感器 2 2机器人的驱动与传动系统结构 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 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 2 2 1驱动 传动系统的构成 13 1 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 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 1 电动驱动装置电动驱动装置的能源简单 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 电动驱动装置又可分为直流 DC 交流 AC 伺服电机驱动和步进电机驱动 直流伺服电机电刷易磨损 且易形成火花 无刷直流电机也得到了越来越广泛的应用 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驱动装置的类型和特点 直流电机 有刷 步进电机 盘式无刷直流电机 交流伺服电机 15 2 液压驱动装置优点 功率大 可省去减速装置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 缺点 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 应用 并联机器人 六自由度摇摆台 20 3 气动驱动装置气压驱动的结构简单 清洁 动作灵敏 具有缓冲作用 但与液压驱动装置相比 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 21 4 其它驱动装置作为特殊的驱动装置 有压电晶体 形状记忆合金 人工肌肉等 压电微驱动并联机器人 形状记忆合金驱动机器人手 22 驱动装置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100kg以下的 可优先考虑电动驱动装置 只须点位控制且负荷较小者 或有防暴 清洁等特殊要求者 可采用气动驱动装置 负荷很大或机器人周围已有液压源的常温场合 可采用液压驱动装置 对于驱动装置来说 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 驱动装置的选择原则 23 2 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 微小型减速器 24 2 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 25 26 其中腰关节最常用谐波传动 齿轮 蜗轮传动 臂关节最常用谐波传动 RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动 腕关节最常用齿轮传动 谐波传动 同步带传动和纲绳传动 27 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 工业机器人前三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 后面关节决定了操作机的姿态 称作腕部关节 2 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 也可采用谐波传动 摆线针轮或蜗杆传动 其转动副多采用薄壁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 2 3工业机器人关节的构造及其传动配置 28 1 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 29 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 30 平行轴式腰关节 1 电机 2 齿轮 3 空心立柱 4 轴承 31 由上面的图例可以看出 腰关节的回转副主要是两种类型 使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式或平行轴式 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 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 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 32 2 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 33 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 34 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 偏置减速传动结构 PUMA 35 36 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齿条的移动结构 导柱 轨 起到导向及承受支承力与弯矩矩的作用 37 多关节柔性臂多关节柔性臂也称作象鼻型或蛇型臂 其手臂由多节串联而成 原来意义上的臂 大臂 小臂 已演化成一个节 节与节之间可以相对摆动 严格讲 多关节柔性臂并不是全柔性的 称其为蛇型臂较为合适 由于柔性臂的关节多 能满足避障等特殊需要 多级联动万向节柔性臂 多级独立驱动万向节柔性臂 38 多节万向节型柔性臂 39 脊骨式多节柔性臂 40 连杆式多节型柔性臂 1 定长刚性臂 2 并联机构柔性臂 41 2 3 3手腕关节1 单自由度手腕SCARA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 42 2 两自由度手腕两种常见的配置形式 汇交式和偏置式 按手腕轴线交点与手臂轴线位置划分 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 锥齿轮轴4 小臂5 链轮6 锥齿轮轴7 链轮8 链9 弹簧10 弹簧 汇交式两自由度手腕 偏置式两自由度手腕 43 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 44 诱导运动把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动 称作诱导运动 在进行机器人运动学计算时 必须考虑诱导运动 2 主动链轮 3 5 从动链轮手腕传动示意图 45 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 近年来 大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕 46 47 48 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 49 KUKAIR 662 100机器人手碗传动图 KUKAIR 662 100机器人手碗结构图 CincinnatiMilacronT3机器人腕部结构 50 PUMA一262机器人手腕传动原理 51 4 柔顺手腕结构机器人精密装配时 由于被装配零件的不一致性 工件定位夹具及机器人手部的定位精度无法满足装配要求时 会导致装配困难甚至失败 这就提出了装配动作的柔顺性要求 柔顺装配技术有两种 一种是控制的角度 借助检测元件采取边校正 边装配的方式 称为 主动柔顺装配 另一种是从结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节 这种柔顺装配技术称为 被动柔顺装配 即RCC RemoteCenterCompliance 柔顺手腕动作过程 52 板弹簧柔顺手腕 钢丝弹簧柔顺手腕 53 2 4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 如轴类 板类 箱类 包类物体等 手部的形式多样 综合考虑手部的用途 功能和结构持点 大致可分成以下几类 1 卡爪式夹持器 2 吸附式取料手 3 专用操作器及换接器4 仿生多指灵巧手 54 卡爪式夹持器通常有两个夹爪 分为弹力型 回转型和平移型三种类型 2 4 1卡爪式夹持器 几种弹力型夹持器 1 弹力型夹持器 55 2 回转型夹持器 开合占用空间较小 但是夹持中心变化 56 3 平移型夹持器 开合占用空间较大 但是夹持中心不变 57 吸式取料手是目前应用较多的一种执行器 特别是用于搬运机器人 该类执行器可分气吸和磁吸两类 2 4 2吸附式取料手 气吸附取料手是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的 具有结构简单 重量轻 吸附力分布均匀等优点 按形成压力的方法 可分成真空气吸 气流负压气吸 挤压排气负压气吸式儿种 1 气吸附取料手 58 气流负压气吸盘 挤压排气吸盘 真空气吸盘 59 2 磁吸附取料手 60 3 专用操作器及换接器 61 人手是最灵巧的夹持器 如果模拟人手结构 就能制造出结构最优的夹持器 但由于人手自由度较多 驱动和控制都十分复杂 迄今为止 只是制造出了一些原理样机 离工业应用还有一定的差距 4 仿生多指灵巧手 UTACH MIT多指手 三指手 双拇指手 62 最小的三指手 BH II三指手 四指灵巧手 灵巧的双手 DLR多指手 哈工大多指手 63 手指关节的设计手指主要用于抓握动作 要求动作灵活 刚度好 具有较大的抓握力 就其手的结构而言 传动机构有三种方式 1 腱传动 特点是结构简单 节省空间 具有很高的抗拉强度和很轻的重量 但刚性差 较大的弹性 不利于控制 MIT手 JPL手和DLR I手都是这种方式 2 齿轮传动 特点是传动比可靠 但是摩擦较大 有回程间隙 占用空间大 3 连杆传动 刚度好 加工制造比较简单 高精度 能实现多种运动规律和轨迹的要求 但是设计复杂 不能精确地满足各种运动规律的要求 典型的如Belgrade手 NASA手等 4 欠驱动手指关节 可简化机械结构及控制 但需要满足一定的力学条件 64 并联机构在1965年由Stewart提出 原是作为飞行模拟器用于训练飞行员的 机舱由6个液压缸支撑和驱动 可以使机舱获得任何需要的位姿 在串联机器人发展方兴未艾时 澳大利亚著名机构学教授Hunt在1978年提出 可以应用6自由度的Stewart平台机构作为机器人机构 到80年代中期 国际上研究并联机器人的人还寥寥无几 到80年代末特别是90年代以来 并联式机器人才被广为主意 并成为了新的热点 2 6并联机器人机构 65 66 67 68 3 RPS机构 6 RSS机构 6 SPS机构 6 SPS双三角机构 69 6 RSS机构 6 PSS机构 6 SPS单三角机构 3 RRR球面机构 70 2 7移动机器人机构 移动功能的机器人可认为是人类行走功能的模拟和扩展 移动机器人多是针对陆上表面环境的 其机构形式主要有 1 车轮式移动机构 2 履带式移动机构 3 腿足式移动机构 此外 近有步进式移动机构 蠕动式移动机构 混合式移动机构和蛇行式移动机构等适合于一些特别的场合 71 2 7 1轮式移动机构 轮式移动机构依据车轮的数目分为1轮 2轮 3轮 4轮 5轮 6轮以及多轮机构 轮式移动系统机构简单 质量轻 功耗小 控制方便 运动灵活 缺点是其越野能力较差 但可以通过选择合适的悬架系统来提高其地形适应能力 悬架系统分为被动适应型 自适应 主动适应型和混合适应型三类 72 73 74 75 76 车轮类型 77 转向方式 Ackerman转向 78 全方位转向 差动转向 79 轮系机构 80 履带式移动机构是轮式移动机构的拓展 履带本身起着给车轮连续铺路的作用 着地面积较大 压强较小 与路面的粘着力较强 能在不平和松软的路面上稳定移动 具有很强的越野能力 控制也简单 但功耗较大 运动灵活性差 2 7 2履带式移动机构 81 履带形式 82 越障 上 下台阶 关节履带 83 履带张紧机构 2 7 3腿足式移动机构 腿足式移动系统的特点是落足点为几个离散的位置点 能够自主选择有利的落足点 具有出色的地形适应能力 此外 能够自主隔振 保证系统沿平滑预定的轨迹运行其机械结构和控制系统复杂 系统可靠性低 在松软沙地行走时 抗沉陷性较差 效率较低 功耗也大 日本双足机器人载重100kg 美国bigdog 腿足结构形式 两足 多足 稳定性问题 零力矩点 ZMP 机器人重力与惯性力合力的延长线与机器人支撑面的交点 步态问题 步态规划 86 2 7 4轮腿式移动机构 87 2 6机器人本体的材料 制作机器人的材料是多种多样的 选择制作材料时 主要考虑以下几个方面 1 材料要能满足机器人的强度和刚度要求 2 材料的加工工艺性好 3 材料的稳定性好 4 材料的密度尽量小 5 材料的成本尽可能低 6 机器人的用途 此外 对于一些特殊环境下的机器人 还要考虑环境对材料性能的要求和影响 88 部分原材料对比表 89 主要参考文献 1 柳洪义 宋伟刚编著 机器人技术基础 冶金工业出版社 2002 2 龚振邦等 机器人机械设计 电子工业出版社 1995 3 美 JohnJ Craig著 贠远超译 机器人学导论 机械工业出版社 2006 6 4 于登云等 空间机械臂技术及发展建议 航天器工程 2007 16 4 1 8 90 谐波传动 由波发生器 柔轮和刚轮组成 主要特点 1 传动比大 单级为50 300 2 传动平稳 承载能力高 3 传动效率高 可达70 90 4 传动精度高 比普通齿轮传动高3 4倍 5 回差小 回差