机器人概论第三讲.ppt

2007/11/20,第章机器人的结构设计,2.1机器人系统的组成2.2机器人结构的特点和要求2.3机器人的机械结构设计,2007/11/20,常用元件和装置：齿轮副，钢绳，丝杠，滚珠丝杠，蜗轮蜗杆，齿形带，行星减速器，谐波减速器等；重点介绍后三种。,2.3机器人的机械结构设计,2007/11/20,3,齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动应用于机器人传动机构时，须特别注意消除间隙问题，否则回差很大，达不到应有的转角精度要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，必须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。,2.3机器人的机械设计,2007/11/20,2.3机器人的机械设计,齿形带（也叫同步带）同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮啮合。传动特点：1、速比可达10，不会滑动，传动比基本不变。2、传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低。3、转矩小，重量轻。4、线速度可达50m/s，功率传递范围从几瓦到几百千瓦。5、实现大中心距传动。6、中心距的要求严格，价格较高。,2007/11/20,2.3机器人的机械设计,主要失效形式带体疲劳断裂。带齿剪断和压溃。带侧、带齿磨损、包布剥离。承载层伸长、节距增大、形成齿的干涉、爬齿。冲击、过载使带体断裂。同步带分类同步带齿有梯形齿和弧齿两类，弧齿又有三种系列：圆弧齿(H系列又称HTD带)、平顶圆弧齿(S系列又称为STPD带)和凹顶抛物线齿（R系列)。,2007/11/20,2.3机器人的机械设计,技术参数：齿数、齿形、节距、带宽、节线长度、额定负载、最大带速、重量等。设计步骤：1、确定传动功率。2、确定带的型号和节距3、选择齿轮齿数和节圆直径4、验证带速5、确定同步带节线长度。主要应用于要求大中心距、传动比准确的中、小功率传动中，如：腕关节。,2007/11/20,2.3机器人的机械设计,行星齿轮减速机,2007/11/20,行星齿轮减速机,行星齿轮减速机主要传动结构包括:行星轮及支架、太阳轮和外齿圈，后两者也同称中心轮。由于存在行星架，可以有三条转动轴允许动力输入/输出。,2007/11/20,周转轮系图例,主要构成：1、3中心轮2行星轮H系杆,a）中心轮均不固定差动轮系,b）一个中心轮固定行星轮系,2007/11/20,行星齿轮减速机,如果限制其中一条轴的转动，剩下两条轴进行传动，这样一来，互相啮合的齿轮之间的关系就可以有多种组合。如：太阳轮输入，外齿圈输出，行星架锁死；或：太阳轮输入，行星架输出，外齿圈锁死；等等。每一种组合的传动比等有很大不同。,2007/11/20,输出方式,2007/11/20,行星齿轮减速机,行星齿轮减速特点：1、减速比可大，一般单级3-10，最大可达99，可做成多级串联。2、同轴线I/O，响应快，回差小。3、高刚性、高传动效率(单级在97%-98%)。3、结构紧凑，体积小，重量轻、扭矩/体积比高。4、承载能力大，工作平稳。5、终身免维护等特点。6、结构复杂、精度要求高。,2007/11/20,行星齿轮减速机,行星齿轮减速机的设计计算：参照一般齿轮的设计计算。主要技术参数：传动比，额定功率，体积，重量。应用：由于刚性好，回差小，扭矩大，多用于机器人的前三个关节，特别是腰关节。,2007/11/20,行星齿轮减速机,例：,2007/11/20,两级行星减速器结构,2007/11/20,谐波减速机HarmonicReducer,2007/11/20,谐波减速机HarmonicReducer,一种利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的传动装置。基本构件：波发生器、柔轮、刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动，一为从动，可实现减速或增速(固定传动比)，也可变成两个输入，一个输出，组成差动传动。,2007/11/20,谐波减速机工作原理,当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆形的波发生器作用下产生变形。假设柔轮比刚轮的齿数少2个，当波发生器转动一周时，由于柔轮与刚轮的齿之间啮合，它向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。,2007/11/20,谐波减速机优点,传动比大：50-300。承载能力高：多齿啮合，面接触。运动精度高：没有空程，可实现零回差转动。体积小，重量轻。传动平稳、噪声小。传动效率高。输入、输出同轴线。维修方便。,2007/11/20,谐波减速机缺点,(1)柔轮周期性变形，易于疲劳损坏(2)柔轮和波发生器的制造难度较大(3)传动比的下限值高，齿数不能太少(4)起动力矩大，且速比越小越严重；(5)如果结构参数选择不当或结构时机不良，发热过大，降低传动承载能力。,2007/11/20,波发生器常见的结构型,波发生器是迫使柔轮发生弹性变形的重要元件，按变形的波数不同，常用的有双波和三波两种。双波发生器的结构型式主要有滚轮式、凸轮式、偏心盘式和行星式。,2007/11/20,波发生器种类图例,双滚轮式：结构简单，形成波峰容易，但承载能力较低，多用于不重要的低精度轻载传动。多滚轮式：承载能力较高，多用于特大型传动。,2007/11/20,波发生器种类图例,凸轮式,滚轮式,偏心盘式,2007/11/20,谐波减速机,常用材料柔轮：30CrMnSi、35CrMnSiA、40CrNiMoA刚轮：45、40Cr凸轮或偏心盘：45谐波减速器技术参数：1、速比2、输入功率3、输出转数（r/min）4、扭矩（N.M),2007/11/20,2.3机器人的机械设计,2.3.1典型工业机器人结构,一、PUMA（ProgrammableUniversalManipulatorForAssembly）工业机器人,大臂,小臂,J2,J1,J3,J4,J5,J6,J1和J2称为肩关节，J3称肘关节，J4,J5,J6称手腕关节。J1-J3确定位置，J4-J6确定姿态。PUMA机器人的特点：1、开式关节机器人2、操作灵活，工作空间可达性好，但机械误差和弹性变形易累积。,2007/11/20,PUMA机器人工作空间,2007/11/20,2.3.1典型工业机器人结构,二、SCARA水平关节机器人特点：关节不必承受机构或负载的重量，特别适合于垂直方向的装配作业。,2007/11/20,SCARA机器人工作空间,2007/11/20,2.3.1典型工业机器人结构,三、手腕,2007/11/20,前臂及手腕机构,2007/11/20,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。其转动副多采用偏航轴承或四点接触轴承。对于液压驱动关节，多采用回转缸+齿轮传动机构。,腰关节设计与实例,2007/11/20,偏航轴承,2007/11/20,33,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；,2007/11/20,34,平行轴式腰关节,1电机；2齿轮；3空心立柱；4轴承,2007/11/20,腰关节设计与实例,腰关节的回转副主要是两种类型：使用偏航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，但各关节的各种电缆引出走线比较困难。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。,2007/11/20,36,两种常见的配置形式汇交式和偏置式。,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；3,6锥齿轮轴；4小臂；5,7链轮，8链；9,10弹簧,汇交式两自由度手腕,偏置式两自由度手腕,两自由度手腕,2007/11/20,37,三自由度手腕是“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。,三自由度手腕,2007/11/20,38,三自由度手腕,2007/11/20,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。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。,2007/11/20,40,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。,卡爪式夹持器,几种弹力型夹持器,1、弹力型夹持器,2007/11/20,手部实例,卡爪式夹持器（平移型）：,2007/11/20,42,卡爪式夹持器（回转型）,开合占用空间较小，但是夹持中心变化。,2007/11/20,43,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。,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,2007/11/20,44,气流负压气吸盘,挤压排气吸盘,真空气吸盘,气吸附取料手,2007/11/20,45,磁吸附取料手,2007/11/20,46,专用操作器及换接器,2007/11/20,手部实例,灵巧手,UTACHMIT多指手,三指手,2007/11/20,48,机器人的手臂结构及平衡,臂杆的结构及材料,臂杆多为带有筋板或肋的壳体结构。有中间是多层圆筒形套装梁结构，外形象一“哑铃”的组合结构；有箱形结构等。就整体来说，比较复杂的箱体多用铸件。为了减轻整机的重量，特别是为了降低大臂、小臂的关节力矩，大、小臂多用轻合金铝铸件。,2007/11/20,49,臂杆的平衡,1、小臂杆的平衡小臂杆通常采用质量平衡法。其基本原理是合理地分布臂杆质量，使臂杆重心尽可能地落在支点上，必要时甚至采用在适当位置上配置平衡质量的方法。,机器人操作机手臂的结构设计中必须考虑臂杆的重力平衡。常见操作机臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、弹簧平衡法等。,2007/11/20,50,臂杆的平衡,质量平衡法有结构自平衡和重块平衡两种方式。PUMA、KUKA机器人也是按这一原则配置的。但如果臂杆的后部长度(无效长度)太长，不利于机器人在狭窄环境中工作，所以单采用自重平衡对大负荷操作机还很难取得满意的结果。,2007/11/20,51,2007/11/20,52,大臂杆的平衡,目前常用的有弹簧和汽缸