机器人机械设计概要

RobotDesignandManufacturing_Autumn2015机器人机械设计概要,朱秋国控制科学与工程学院qgzhu2015.11.07,Thewaywethink,aboneisalink;ajointisabearing;amuscleisanactuator;ligamentsandtissuesaresprings-RobertMann“Informedcreativethinking.”WoodieFlowersIfyouunderstandpeoplesvaluesbetter,youcancreatebetterproductsandservicesforthem.Thatsthefutureofdesign.-HarryWest“Designisapassionateprocess.”AlexSlocum,Itisyourbrain.,Itisyourbrainondesign!,MechanicalDesign,(pre)HistoryofEngineeringDesign,Stonetools1,000,000BC,Spearscirca400,000BC,Sewingcirca23,000BC,Fire500,000BC(1,900,000BC*),Coppercirca6,000BC,Spearthrower14,000BC,Domesticationofsheep9,000BC,Permanentsettlementandirrigation7,000BC,Divisionoflabor5,000BC,AlsoinventedinMesoamerica(“atlatl”),*Wrangham,2009,“CatchingFire:HowCookingMadeusHuman“,TheDesignProcess:AsaFlowChart,Decompositionanditerationarealsoessential,Dym,C.L.,andP.Little,2000,EngineeringDesign:AProjectBasedIntroduction,JohnWiley&Sons,NewYork.,Goodidea!,机器人设计的第一步,了解需求：比赛规则是什么？要制作什么东西？需要满足哪些条件？尺寸要求？地面情况怎么样？重量限制？速度限制？,需要哪些动作？实现哪些功能？移动(直走？横走？是否要转动？)夹取(几个工位？几个步骤？策略？）存放(需要存放的东西？如何存放？),设计流程(ConceptualDesign),1、明确执行机构,2、确定传动方式,3、设计导向机构,4、结构设计,5、优化分析,6、组装与测试,迭代设计,1.1机器人机构的组成概括地讲，机器人机械结构由三部分组成：1、执行机构（驱动技术）执行机构用于完成操作任务。它需要在动力源的带动下，完成预定的操作。如：直流电机、舵机和气缸等。2、传动机构传动机构是转速和转矩的变换器，也是伺服系统的一部分，要求根据伺服控制系统进行选择设计，以满足控制性能。因此，需满足传动的精度，满足轻量、高速和高可靠性。如：齿轮。3、支撑/导向机构导向机构作用是支撑和导向，使运动能安全、准确地完成特定方向的运动。如：轴承和导轨。4、机械结构本体,基本概念：,性能考量性能一般需满足以下几个方面要求：1、转动惯量小*传动机构的质量和转动惯量应尽量小。否则，机构的负载会增大；系统响应会降低；固有频率会降低，易产生谐振。2、刚度要大*伺服系统动力损失小。（变形损失能量小）频率要高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。闭环系统更加稳定。3、阻尼合适阻尼越大，振动的振幅就越小，衰减也越快。但大阻尼会使系统稳态误差增大、精度降低。共振区域阻尼越大越好；远离共振区域阻尼越小越好。其他，还要求摩擦小、抗振性好、传动间隙小等。,强度和刚度强度：零件在工作中发生断裂或残余变形均属于强度不足。设计要求：采用强度高的材料；有足够大的截面尺寸；合适地设计截面积，增大截面积的惯性矩；采用合适的热处理工艺；提高运动零件的制造精度等。刚度：零件在工作中所产生的弹性变形不超过允许的限度，就算满足了刚度要求。设计要求：增大零件截面积或截面的惯性矩；缩短支承距或采用多点支撑机构，以减小变形（整体刚度）。增大两零件的贴合面；提高加工精度等（表面接触刚度）。相同的强度，结构不同，刚度不同。,1.2支撑和导向机构,轴承滑动轴承：应用于工作转速高、特大冲击与振动等场合。滚动轴承直线导轨导向轴模具,轮式机器人整体设计,底盘部分框架部分夹取装置直线运动方式机械臂,底盘部分,底盘的基本组成主动轮（排布方式）被动轮（排布方式）电机（选型）底盘框架设计,排布方式,几种典型的方式1轮排布：单轮自平衡车2轮排布：两轮自平衡车3轮直列：三轮车3轮120排布：4轮90排布：4轮直列：汽车履带式：坦克、推土机排布方式直接决定你的控制和底盘的性能,排布方式,驱动轮的个数：2个4个从动轮的个数和类型1个2个没有,框架部分,1.在规定尺寸内存放一切需要存放的东西2.主要需要存放的东西：比赛道具：注意策略电池驱动电路板控制板传感器其他设备,夹持部分,爪子主要目的就是夹持，拨动物体双舵机单舵机+齿轮绳子拉卡住吸盘,利用卡子,单舵机+齿轮,双舵机结构,利用四连杆,利用涡轮蜗杆,线拉方式,直线运动的实现方式,主要思路：将一种简单易实现的运动转变成需要的运动容易实现的运动：转动（电机）几种功能直线运动转动曲线运动（通过机构的设计）,齿轮齿条,绕线方式,四杆方式,丝杆方式,四杆方式,推杆,机械臂的设计,自由度的设计自由度越多算法越复杂转动部分可以用舵机注意悬臂的问题,机械臂1,机械臂2,机械臂3,传动机构,执行机构,机械设计,2015DesignandManufacturing传动机构设计,2015DesignandManufacturing齿轮：术语、几何、齿轮系与强度,齿轮的应用,齿轮的早期应用,公元300年，罗马人的水车,18世纪，纺织机器的应用,齿形渐开线,当直线沿一圆周作相切纯滚动时，直线上任一点在与该圆固联的平面上的轨迹k0k，称为该圆的渐开线。,发生线,齿轮的术语(GearTerminology),齿根圆（df和rf）,齿顶圆（da和ra）,分度圆（d和r）,基圆（db和rb）,齿数（z）,齿轮基本参数的计算公式,分度圆与模数模数m：人为地把pi/规定为一些简单的有理数，该比值称为模数，用m表示。模数越大，齿厚就越大，齿轮的承载能力就越高。分度圆d：是齿轮上一个人为地约定的轮齿计算的基准圆，规定分度圆上的模数和压力角为标准值。分度圆又称节圆。,国标压力角的标准值为=20,欲使两齿轮正确啮合，两轮的模数必须相等,无侧隙传动的中心距,一对齿轮啮合传动时，中心距等于两节圆半径之和,特别注意：当ha*=1，a=20时，齿数Zmin=17如果Zmin17，那么采用变位修正法（建议尽量避免）,节圆,节圆,齿轮材料及选择原则,齿轮材料钢：锻钢（软齿面齿轮，硬齿面齿轮），铸钢铸铁非金属材料选择原则钢制软齿面齿轮要求小齿轮硬度大于大齿轮30-50HBS原因小齿轮齿根强度较弱小齿轮的应力循环次数较多当大小齿轮有较大硬度差时，较硬的小齿轮会对较软的大齿轮齿面产生冷作硬化的作用，可提高大齿轮的接触疲劳强度大齿和小齿数一般应该互为质数。,其他形式的齿轮,锥齿轮（伞齿轮）,齿轮齿条演示,蜗轮蜗杆,一般而言，啮合分成：内啮合和外啮合,斜齿轮,齿轮强度计算工具,轮系*,由一系列齿轮所组成的传动系统。,混合轮系,定轴轮系,传动时，所有齿轮的几何轴线为固定的轮系。由一系列齿轮所组成的传动系统。,w1,右图：“最简单”的齿轮箱：1、所有转动轴都是平行的；2、每个轴上只有一个齿轮。,组合定轴齿轮箱,1、所有转动轴都是平行的；2、每个轴上至少有一个齿轮。,周转轮系*,传动时，至少有一个齿轮的轴线不固定，而是绕另一个齿轮的轴线转动的轮系。1、3太阳轮（输入/输出）H行星架（输出/输入）2行星轮,太阳轮与行星轮啮合；行星轮自转与公转；行星架支撑行星轮；,周转轮系：行星轮系与差动轮系,行星轮系,差动轮系,行星轮系有1DOF自由度，一个太阳轮必须件固定。（只需要给定轮系一个独立的运动）,差动轮系有2DOF自由度；太阳轮均可动，且3部件均可动。（需要给定轮系两个独立的运动）,两者的区别？,实例演示：,日常生活中的连杆机构有哪些？,缝纫机公交车车门汽车的雨刷汽车的转向机构火车车轮飞机起落架升降机,2015DesignandManufacturing平面连杆：组成与运动形式,2011MITIDCContest,2014MITCheetah,平面连杆机构：四连杆机构*,铰链四连杆机构,曲柄滑块机构,导杆机构,上述的共同点：原动件1的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件2才能传动从动件3.中间件2称为连杆，这些机构成为连杆机构。,连杆传动特点,优点：（1）连杆机构中的运动副一般均为低副（连杆机构也称低副机构），低副元素之间为面接触，压强较小，承载能力较大；（2）可改变各构件的长度使得从动件得到不同的运动规律；（3）可以设计出各种曲线轨迹。,缺点：（1）需要经过中间构件传递运动，传递路线较长，易产生较大的误差，同时，使得机械效率降低；（2）质心在作变速运动，所产生的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，易增加机构的动载荷，不适宜高速运动（相对于齿轮而言）。,连杆的组成,铰链四连杆是平面四杆机构的基本形式，其他形式可以认为是它的演化形式。在右图机构中：AD为机架；BC为连杆；AB、CD与机架相连为连架杆；能做整周回转者为曲柄；只能一定范围摆动的为摇杆。,基本形式1：曲柄摇杆机构,曲柄摇杆机构：铰链四杆机构的两个连架杆中，若有一个为曲柄，另一为摇杆。,曲柄摇杆机构,曲柄,摇杆,基本形式2：双曲柄机构,若铰链四杆机构中的两个连杆架均为曲柄，则称其为双曲柄机构。,双曲柄机构,曲柄1,曲柄2,基本形式3：双摇杆机构,若铰链四杆机构中的两个连杆架均为摇杆，则称其为双摇杆机构。,双摇杆机构,摇杆1,摇杆2,曲柄摇杆机构的条件,若连架杆1若能整周回转，必有两次与机架共线。,l1+l2l3+l4,l1+l3l2+l4,l1+l4l2+l3,由B2C2D可得：,由B1C1D可得：,l2(l4l1)+l3,l3(l4l1)+l2,将以上三式两两相加得（满足两个曲柄的条件）：,l1l2,l1l3,l1l4,AB为最短杆，为曲柄摇杆机构,当最短杆为连杆l2时，则为双摇杆机构！当最短杆为机架l4时，则为双曲柄机构！,平面四杆机构具有整转副则可能存在曲柄。,演化形式1：曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,由上述可知，移动副可认为是回转中心组无穷远处的转动副演化而来。,基于偏心轮的曲柄滑块机构,演化形式2：平行四边形机构,平行四边形机构,实例：放球小车,1、演化应用实例-1,2、演化应用实例-2,2015DesignandManufacturing滑轮组,代表滑轮,哪一组滑轮需要的力量T最小？,结论：固定轮只能用于改变力的方向，而运动轮可以降低输入力量的大小。,代表滑轮,哪组滑轮需要的力量T最小？,代表滑轮,负载运动的距离？,结论：通过动滑轮，可以实现两倍的运动距离，但是需要的力矩需要增加一倍。,L,2*L,2015DesignandManufacturing皮带传动,V型带传动,2015DesignandManufacturing同步带传动,同步带传动,注意：避免采用油对橡胶材料的皮带进行润滑，易造成橡胶的膨胀，导致其网裂和硬化。,（1）链传动：无弹性打滑（2）蜗杆传动：自锁性（3）凸轮机构（4）步进机构：槽轮/星轮机构（5）杠杆机构（6）摩擦,2015DesignandManufacturing其他传动机构,传动机构,执行机构,机械设计,2015DesignandManufacturing机械设计：轴系与联接,轴系设计,考虑以下几个问题：齿轮的转轴如何安装？连杆的转轴如何连接？同步带轮如何连接？关节连接如何设计？.,轴系设计滚动轴承,轴承的作用是什么？用来支撑轴滚动轴承是标准件，要掌握合理选择，合理使用。,装在轴上。,装在轴承座孔中。,在两套圈之间滚动并传递载荷。,将滚动体均匀隔开。,滚动轴承的特点：旋转精度高、启动力矩小、是标准件，选用方便。,按可承受的载荷方向不同，滚动轴承分为三类：,径向接触轴承,向心角接触轴承,轴向接触轴承,接触角：滚动体的载荷方向线与轴承径向平面之间的夹角；越大，可以承受的轴向力越大。,主要用来承受径向力,主要用来承受轴向力,能同时承受径向力和较大的轴向力,最常用的六类轴承:,构造和类型4,调心滚子轴承（2）,滚针轴承（NA),向心角接触轴承,径向接触轴承,推力滚子轴承（8）,轴向接触轴承,滚动轴承类型的选择,1）载荷方向：,当FA很大时，选6（N）5（8）组合使用。,当FA较小时，可选6类。,13-7滚动轴承的组合设计,如何在机器中合理地使用轴承？轴承的安装和固定,目的：通过轴承与轴和轴承座间的联接固定，使轴系在机器中有确定位置。,1）使轴上的载荷能可靠的传到机架上去，防止轴沿轴向串动。,2）受热膨胀时，轴能自由伸缩。,轴系固定的三种方法：,1.两端固定支承（最常用）,通过两个轴承共同限制轴的双向串动。其中，轴承1限制轴一个方向的串动，轴承2限制反方向的串动。,对于深沟球轴承，应留热补偿间隙0.250.4mm,要求：,特点：结构简单，安装调整容易，适用于温度变化不大的短轴。,组合设计2,2.一端固定一端游动支承,轴承1固定，被限制双向串动；轴承2不固定，为游动支承。,特点：轴的位置准确，但结构较复杂，适用于跨距大于35cm，且温度变化大的长轴。,3.两端游动支承,组合设计4,滚动轴承的配合,轴承内孔与轴的配合,轴承外径与外壳孔的配合,组合设计4,滚动轴承的配合,配合：指内圈与轴径、外圈与外壳孔的配合。,内圈孔与轴的配合为基孔制，外圈与轴承座孔的配合为基轴制。,转动套圈的配合应紧一些，不动套圈的配合应松一些。,转速高、载荷大、振动强烈时，配合应紧；游动套圈配合应松。,配合标注：内圈与轴：只标注轴外圈与孔：只标注孔,组合设计5,滚动轴承的安装,装拆滚动轴承时，不能通过滚动体来传力，以免造成滚道或滚动体的损伤。安装需要采用合适的工具。,错误的施力,正确的施力,配合过盈量小的中、小型轴承可用压力机压入；,配合过盈量大的轴承常用温差法（热胀热缩法）装配。,滚动轴承的拆卸,方法一：拉马；,方法二：预留拆卸高度或螺孔；,轴系设计轴向固定（轴承和轴）,滚动轴承轴向固定的几种方法？,内圈轴向固定：1、卡簧（轴用）；