第六章 机器人的机械结构(下)

1、Artificial Intelligence and Robotics 1 山东大学创新教育通识核心课程山东大学创新教育通识核心课程 人工智能与机器人 86358137、88399323 山东大学山东大学Artificial Intelligence and Robotics Artificial Intelligence and Robotics 2第第 六章六章 机器人的机械结构机器人的机械结构 （下）（下）Artificial Intelligence and Robotics Artificial Intelligence and Robotics 3o6.1 机器人机械机构轴的设计

2、机器人机械机构轴的设计o6.2 机器人机械机构用机器人机械机构用-轴承轴承o6.3 机器人机械机构机器人机械机构-螺旋传动螺旋传动o6.4 机器人机械机构机器人机械机构-其他链接其他链接o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点机器人机械机构设计的概念和特点 o6.7 常用工具常用工具o第第 六章六章 机器人的机械结构机器人的机械结构( (下下) )Artificial Intelligence and Robotics 3Artificial Intelligence and Robotics 46.1 机器人机械机构轴的设计机器人机械机构轴的设计o6

3、.2 机器人机械机构用机器人机械机构用-轴承轴承o6.3 机器人机械机构机器人机械机构-螺旋传动螺旋传动o6.4 机器人机械机构机器人机械机构-其他链接其他链接o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点机器人机械机构设计的概念和特点 o6.7 常用工具常用工具o第第 六章六章 机器人的机械结构机器人的机械结构( (下下) )Artificial Intelligence and Robotics 4Artificial Intelligence and Robotics 5o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence a

4、nd Robotics 6o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 7o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 8o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 9 o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 10o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 11o6.1 机器人机械机构轴的

5、设计Artificial Intelligence and Robotics 12曲曲轴轴 1、曲轴：各轴段轴线不在同一直线上，主要用于有、曲轴：各轴段轴线不在同一直线上，主要用于有往复式运动的机械中。往复式运动的机械中。 o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 13曲轴原理视频曲轴原理视频o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 14o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 15o6.1 机器人机械机

6、构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 16o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 17 如图如图(a)(a)齿轮从非输入端装入，齿轮、套筒、右端轴承和端盖从轴的齿轮从非输入端装入，齿轮、套筒、右端轴承和端盖从轴的右端装入，左端轴承和端盖、联轴器依次从轴的左端装入右端装入，左端轴承和端盖、联轴器依次从轴的左端装入。 (a)o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 18 图图 (b)(b)齿轮从输入端装入，齿轮、套筒、右端轴

7、承和端盖、联轴器依齿轮从输入端装入，齿轮、套筒、右端轴承和端盖、联轴器依次从轴的右端装入，仅左端轴承从左端装入。次从轴的右端装入，仅左端轴承从左端装入。 (b) 仅从这两个装配方案比较来看，图b的装拆更为简单方便，若为成批生产，该方案在机加工和装拆等方面更能发挥其长处。综合考虑各种因素, 轴结构尺寸选b。o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 19o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 20o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligen

8、ce and Robotics 21o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 22o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 23o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 24o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 25o6.1 机器人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 26o6.1 机器

9、人机械机构轴的设计Artificial Intelligence and Robotics 27o6.1 机器人机械机构轴的设计机器人机械机构轴的设计6.2 机器人机械机构用机器人机械机构用-轴承轴承o6.3 机器人机械机构机器人机械机构-螺旋传动螺旋传动o6.4 机器人机械机构机器人机械机构-其他链接其他链接o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点机器人机械机构设计的概念和特点 o6.7 常用工具常用工具o第第 六章六章 机器人的机械结构机器人的机械结构( (下下) )Artificial Intelligence and Robotics 27Ar

10、tificial Intelligence and Robotics 28o6.2 机器人机械机构用-轴承Artificial Intelligence and Robotics 29o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence and Robotics 30o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence and Robotics 31o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence and Robotics 32o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence and Rob

11、otics 33滚动轴承的基本结构 引导环 密封 外圈 滚动体内圈保持架滚动轴承的基本结构o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence and Robotics 34o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence and Robotics 35o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence and Robotics 36o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence and Robotics 37o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence

12、and Robotics 38o6.2 机器人机械机构-轴承Artificial Intelligence and Robotics 39o6.2 机器人机械机构用轴承Artificial Intelligence and Robotics 40o6.1 机器人机械机构轴的设计机器人机械机构轴的设计p6.2 机器人机械机构用机器人机械机构用-轴承轴承6.3 机器人机械机构机器人机械机构-螺旋传动螺旋传动o6.4 机器人机械机构机器人机械机构-其他链接其他链接o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点机器人机械机构设计的概念和特点 o6.7 常用工具常用工

13、具o第第 六章六章 机器人的机械结构机器人的机械结构( (下下) )Artificial Intelligence and Robotics 40Artificial Intelligence and Robotics 41o6.3 机器人机械机构-螺旋传动Artificial Intelligence and Robotics 42o6.3 机器人机械机构-螺旋传动Artificial Intelligence and Robotics 43o6.3 机器人机械机构-螺旋传动Artificial Intelligence and Robotics 44o6.3 机器人机械机构-螺旋传动Art

14、ificial Intelligence and Robotics 45o6.3 机器人机械机构-螺旋传动Artificial Intelligence and Robotics 46o6.3 机器人机械机构-螺旋传动Artificial Intelligence and Robotics 47o6.3 机器人机械机构-螺旋传动Artificial Intelligence and Robotics 48o6.1 机器人机械机构轴的设计机器人机械机构轴的设计p6.2 机器人机械机构用机器人机械机构用-轴承轴承p6.3 机器人机械机构机器人机械机构-螺旋传动螺旋传动6.4 机器人机械机构机器人机

15、械机构-其他链接其他链接o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点机器人机械机构设计的概念和特点 o6.7 常用工具常用工具o第第 六章六章 机器人的机械结构机器人的机械结构( (下下) )Artificial Intelligence and Robotics 48Artificial Intelligence and Robotics 49o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 50o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Roboti

16、cs 51内螺纹：外螺纹：o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 52o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 53o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 54吊钩螺栓联接吊钩螺栓联接 o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 55o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robot

17、ics 56o键的分类：o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 57o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 58o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 59o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 60o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 61o6.4 机器人

18、机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 62o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 63弹性圆柱销弹性圆柱销o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 64槽销槽销 o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 65联接销联接销 o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 66开口销开口销

19、o6.4 机器人机械机构-其他链接Artificial Intelligence and Robotics 67o6.1 机器人机械机构轴的设计机器人机械机构轴的设计p6.2 机器人机械机构用机器人机械机构用-轴承轴承p6.3 机器人机械机构机器人机械机构-螺旋传动螺旋传动p6.4 机器人机械机构机器人机械机构-其他链接其他链接6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点机器人机械机构设计的概念和特点 o6.7 常用工具常用工具o第第 六章六章 机器人的机械结构机器人的机械结构( (下下) )Artificial Intelligence and Robot

20、ics 67Artificial Intelligence and Robotics 68o 与一般机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是：强度高、弹性模量大、重量轻、阻尼大、材料价格低。o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 69o金属材料分类金属材料分类o金属材料分为金属材料分为黑色金属黑色金属和和有色金属有色金属两大类。两大类。o 黑色金属包括铸；黑色金属包括铸；铸铁铸铁、钢材；、钢材；o 有色金属包括有铝及其合金、铜及有色金属包括有铝及其合金、铜及铜合金铜合金

21、。 o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 70常用材料及其选用原则常用材料及其选用原则 机器人结构中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金，非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也得到广泛的应用。 o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 71 黑金属材料主要指铸铁和钢，它们都是铁碳合金，它们黑金属材料主要指铸铁和钢，它们都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2%的铁碳合金的铁碳合金称

22、为钢，含碳量大于称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。的称为铸铁。 铸铸 铁铁 常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。但其抗拉强度较钢差。铁等。但其抗拉强度较钢差。 灰铸铁常用作机架或壳座。灰铸铁常用作机架或壳座。 球墨铸铁强度较灰铸铁高且具有一定的塑性，球墨铸铁球墨铸铁强度较灰铸铁高且具有一定的塑性，球墨铸铁可代替铸钢和锻钢用来制造曲轴、凸轮轴、油泵齿轮、阀可代替铸钢和锻钢用来制造曲轴、凸轮轴、油泵齿轮、阀体等。体等。 用途：工业机器人底座，齿轮、壳体等用途：工业机器人底座，齿轮、壳体等o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Arti

23、ficial Intelligence and Robotics 72 钢钢 钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、锻造、冲压、钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、锻造、冲压、焊接和铸造方法加工各种机械零件。焊接和铸造方法加工各种机械零件。 钢的类型很多，按用途分，钢可分为结构钢、工具钢和钢的类型很多，按用途分，钢可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢。特殊用途钢。 结构钢可用于加工机械零件和各种工程结构。工具钢可结构钢可用于加工机械零件和各种工程结构。工具钢可用于制造各种刀具、模具等。特殊用途钢（不锈钢、耐热钢、用于制造各种刀具、模具等。特殊用途钢（不锈钢、耐热钢、耐腐蚀钢）耐腐蚀钢）o6.5 机器

24、人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 73 碳素钢的性能主要取决于其含碳量。低碳钢的含碳碳素钢的性能主要取决于其含碳量。低碳钢的含碳量低于量低于0.25%，其强度极限和屈服极限较低，塑性很高，其强度极限和屈服极限较低，塑性很高，可焊性好，通常用于制作螺钉、螺母、垫圈和焊接件等。可焊性好，通常用于制作螺钉、螺母、垫圈和焊接件等。 含碳量在含碳量在0.1%0.2%的低碳钢零件可通过渗碳淬火的低碳钢零件可通过渗碳淬火使其表面硬而心部韧，一般用于制造齿轮、链轮等要求使其表面硬而心部韧，一般用于制造齿轮、链轮等要求表面耐磨而且耐冲击的零件。

25、表面耐磨而且耐冲击的零件。 o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 74 中碳钢的含碳量在中碳钢的含碳量在0.3%0.5%之间，它的综合力之间，它的综合力学性能较好，因此可用于制造螺栓、螺母、键、齿轮学性能较好，因此可用于制造螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。和轴等零件。 含碳量在含碳量在0.55%0.7%的高碳钢具有高的强度和的高碳钢具有高的强度和刚性，通常用于制作普通的板弹簧、螺旋弹簧和钢丝刚性，通常用于制作普通的板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳。绳。 合金结构钢是在碳钢中加入某些合金元素冶炼而合金结构钢是在碳钢中加入某些合

26、金元素冶炼而成。可制作某些特殊用途的钢，比如：耐热钢、耐磨成。可制作某些特殊用途的钢，比如：耐热钢、耐磨钢等。钢等。o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 75 有有 色色 金金 属属 合合 金金 有色金属合金具有良好的减磨性、跑合性、抗腐蚀性、有色金属合金具有良好的减磨性、跑合性、抗腐蚀性、抗磁性、导电性等特殊的性能，主要有铜合金、轴承合金抗磁性、导电性等特殊的性能，主要有铜合金、轴承合金和铝合金。和铝合金。 纯铝具有很好的塑性，可制成管、棒、板等。但铝的纯铝具有很好的塑性，可制成管、棒、板等。但铝的强度强度和硬度较

27、低。和硬度较低。 加入加入镁镁、锰锰、铜、铜、锌锌、硅硅等元素而组成的为铝合金，等元素而组成的为铝合金，提高铝的实用性能。提高铝的实用性能。 在机器人用材料中特别竞赛机器人铝合金用得较多。在机器人用材料中特别竞赛机器人铝合金用得较多。o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 76 非非 金金 属属 材材 料料 非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料。非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料。机械制造中应用的非金属材料种类很多，有塑料、橡机械制造中应用的非金属材料种类很多，有塑料、橡胶、陶瓷、木料、毛毡、皮革、棉丝等

28、。胶、陶瓷、木料、毛毡、皮革、棉丝等。o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 77 机械材料选用的原则机械材料选用的原则 从各种各样的材料中选择出合用的材料是一项受到多从各种各样的材料中选择出合用的材料是一项受到多方面因素制约的工作，通常应考虑下面的原则：方面因素制约的工作，通常应考虑下面的原则： 载荷的大小载荷的大小和性质，和性质，应力应力的大小和承受力，材质性的大小和承受力，材质性质及强度状况。质及强度状况。 对于对于承受拉伸载荷承受拉伸载荷为主的零件宜选用钢材，承受压缩为主的零件宜选用钢材，承受压缩载荷的零件应选

29、铸铁。脆性材料原则上只适用于制造承受载荷的零件应选铸铁。脆性材料原则上只适用于制造承受静载荷的零件，承受冲击载荷时应选择塑性材料。静载荷的零件，承受冲击载荷时应选择塑性材料。 o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 78经济性经济性 选择零件材料时，当用选择零件材料时，当用价格低廉的材料能满足使用价格低廉的材料能满足使用要求时，要求时，就不应选择价格高的材料，这对于大批量制造就不应选择价格高的材料，这对于大批量制造的零件尤为重要。的零件尤为重要。耐用性耐用性 还要考虑重量、腐蚀、耐用性等。还要考虑重量、腐蚀、耐用性等。

30、 此外还应考虑加工成本及维修费用。为了简化供应此外还应考虑加工成本及维修费用。为了简化供应和储存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能减和储存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能减少同一部设备上使用材料的品种和规格，使综合经济效少同一部设备上使用材料的品种和规格，使综合经济效益最高。益最高。o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 79其其 它它 材材 料料 有时为了降低制作费用，还要寻找一些身边能够利用的材料（如包装盒、饮料瓶、瓦楞板、自行车内胎、弹簧、海棉状的橡胶等有价值的边角废料），使机器人的制作有点独创性。

31、o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 80o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 81o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 82各种钢材铝材照片各种钢材铝材照片o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 83o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence

32、 and Robotics 84o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 85机器人实物图片机器人实物图片o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 86机器人实物图片机器人实物图片o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 87o6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择Artificial Intelligence and Robotics 88o6.1 机器人机械机构轴的设计

33、机器人机械机构轴的设计p6.2 机器人机械机构用机器人机械机构用-轴承轴承p6.3 机器人机械机构机器人机械机构-螺旋传动螺旋传动p6.4 机器人机械机构机器人机械机构-其他链接其他链接p6.5 机器人的材料选择机器人的材料选择6.6 机器人机械机构设计的概念和特点机器人机械机构设计的概念和特点 o6.7 常用工具常用工具o第第 六章六章 机器人的机械结构机器人的机械结构( (下下) )Artificial Intelligence and Robotics 88Artificial Intelligence and Robotics 89o 机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定

34、的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还须考虑其加工工艺、强热处理方式和表面状况的同时，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。o 所以，结构设计的直接产物虽是技术图纸，但结构设计工作不是简单的机械制图，图纸只是表达设计方案的语言，综合技术的具体化是结构设计的基本内容。o6.6 机器人机械机

35、构设计的概念和特点 o6.6.1 6.6.1 机械机构设计机械机构设计Artificial Intelligence and Robotics 90 1、机械、机械o 机械是伴随人类社会的不断进步逐渐发展与完善的。从原始社会早期人类使用的诸如石斧、石刀等最简单的石制工具，到杠杆、辘轳、人力脚踏水车、等简单木制工具，发展到较复杂的水力驱动和风力驱动的水碾和风车等都是机械。o 18世纪英国的工业革命以后，蒸汽机、内燃机、电动机的问世，促进了机械制造业、交通运输业的快速发展，人类开始进入机械文明社会。20世纪电子计算机的发明、自动控制技术、信息技术、传感技术的有机结合，使机械进入完全现代化阶段。 o

36、6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 91o 机器人、数控机床、高速运载工具，重型机械、微型机械等大量先进机械设备加速了人类社会的繁荣和进步，人类可以遨游太空、登陆月球，可以探索辽阔的大海深处，可以在地面以下居住和通行，所有这一切都离不开机械，机械的发展已进入智能化阶段。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 92o 不同历史时期，人们对机械的定义不同。广义上讲，凡能完成一定机械运动的装置都是机械。如螺丝刀、锤子、钳子、剪子等简单工具是机械。

37、它能够将能量、力从一个地方传递到另一个地方，能改变物体的形状结构创造出新的物件，汽车、坦克、飞机、舰船、各类加工机床、机械手、机器人、复印机、打印机等高级复杂装备也是机械。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 93o 无论其结构和材料如何，只要是能实现一定的机械运动的装置，就称之为机械。在现代社会中，人们常把最为简单的、没有动力源的机械称为工具或器械。如杠杆、钳子、剪子、手推车等简单的机械常称为工具。工具是最简单的机械。也就是说，谈到具体的机械时，常使用机器这个名词，泛指时则用机械来统称。o6.6 机器人机械机构设

38、计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 94o2、现代机器的真正含义、现代机器的真正含义o 机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。机器的重要特征是执行机械运动，同时完成能量的转换、物料或信息的传递。坦克、导弹、汽车、飞机、轮船、车床、起重机、织布机、印刷机、包装机等大量具有不同外形，具有不同性能和用途的设备都是具体的机器。如汽车、自行车、钟表、照相机、洗衣机、冰箱、空调机、吸尘器，等等。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 95o6.6.2、机械

39、机构设计特点、机械机构设计特点： o 这些机器的具体构造各不相同，但是所有这些机器都具有三个共同的基本特点： n1.机器都是由一系列构件（也称运动单元体）组成；机器都是由一系列构件（也称运动单元体）组成； n2.组成机器的各构件之间都具有确定的相对运动；组成机器的各构件之间都具有确定的相对运动； n3.机器均能转换机械能或完成有用的机械功。机器均能转换机械能或完成有用的机械功。 机械运动的装置机械运动的装置 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 96o机械结构设计的主要特点：机械结构设计的主要特点：o （1）它是集思

40、考、绘图、计算（有时进行必要的实验）集思考、绘图、计算（有时进行必要的实验）于一体的设计过程，于一体的设计过程，是机械设计中涉及的问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段，在整个机械设计过程中，平均约80%的时间用于结构设计，对机械设计的成败起着举足轻重的作用。o （2）机械结构设计问题的多解性，即满足同一设计要求即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。的机械结构并不是唯一的。o （3）机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节，常常常常需反复交叉的进行（设计修改、修改设计）。需反复交叉的进行（设计修改、修改设计）。o 为此，在进行机械结构设计时，必须了解从机器的整体出发对机械结构的基本要求o6.

41、6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 97o1、机械结构、机械结构o 机械结构的种类繁多，其构造、性能和用途各不相同。但从机器的组成分析，它们都是由一些典型的机构和零件所组成，最常用的有连杆机最常用的有连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构等构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构等。o 由上述分析可知，对机器人来讲机构是机器人对机器人来讲机构是机器人的重要组成部分，用以实现机器人的动作要求。的重要组成部分，用以实现机器人的动作要求。一部机器人可能只包含有一个机构，也可由若干个机构所组成。 o6.6 机器人机械机构设计的概

42、念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 98o 机器由若干机构组成的。机器可用来变换或传递能量。如电机变换能量、加工机械改变物料状态、起重机传递物料、计算机用来变换信息。o 机构由若干个构件组成的一个人为的构件组合机构由若干个构件组成的一个人为的构件组合体。功用在于传递运动或改变运动形式体。功用在于传递运动或改变运动形式。如曲柄连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等组成机构的各构件间只有确定的相对运动。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 99 机器与机构的根本区别在于机构的主要职

43、能是传递运动和动力，而机器的主要职能除传递运动和动力外，还能转换机械能或完成有用的机械功。 机器人的机械结构和机器机构一样，它的机构机器人的机械结构和机器机构一样，它的机构由也是若干个构件组成的一个人为的构件组合体。由也是若干个构件组成的一个人为的构件组合体。功能用在于传递运动或改变运动形式和完成一定的功能用在于传递运动或改变运动形式和完成一定的工作，形成一个机械组成的机器人工作，形成一个机械组成的机器人。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 100o2、机械机构设计的概念、机械机构设计的概念：o “设计”具有广泛的

44、含义，一般认为，设计设计是根据机构需求，对技术系统、零部件、工艺方是根据机构需求，对技术系统、零部件、工艺方法等进行计划和决策的过程。法等进行计划和决策的过程。从机器人机构需求出发，通过构思、计划和决策，确定机械机构的功能、原理方案、技术参数等，并把设想变为现实，这样一种技术实践活动的过程，就是机械机构设计。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 101o6.6.3 机械结构件的结构要素和设计方法机械结构件的结构要素和设计方法o 1.结构件的几何要素结构件的几何要素 机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形机械结构的

45、功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。零部件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中有的与其它零部件表面直接接触，把这一部分表面称为功能表面。在功能表面之间的联结部分称为联接表面。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 102o 零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件结构设计的核心问题功能表面的设计是零部件结构设计的核心问题。描述功能表面的主要几何参数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序

46、等。o 通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 103o2.结构件之间的联接结构件之间的联接 在机器、机器人或机械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在结构设计中除了研究零件本身的功能和其它特征外，还必须研究零件之间的相互关系。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 104o 零件的相关分为直接相关和间接相关两类。凡两零件有直接装配关系的，成为直接相关。没有直接装配关系的相关成

47、为间接相关。o 间接相关又分为位置相关和运动相关两类。位置相关是指两零件在相互位置上有要求，如减如减速器中两相邻的传动轴，其中心距必须保证一定速器中两相邻的传动轴，其中心距必须保证一定的精度，两轴线必须平行，以保证齿轮的正常啮的精度，两轴线必须平行，以保证齿轮的正常啮合合。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 105o 运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关，如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主轴的中心线，这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来保证的，所以，主轴与导轨 之间位置相关；而刀架与主轴之间为运动相关。 o6.

48、6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 106o 多数零件都有两个或更多的直接相关零件，故每个零件大都具有两个或多个部位在结构上与其它零件有关。在进行结构设计时，两零件直接相关部位必须同时考虑，以便合理地选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面质量等。同时还必须考虑满足间接相关条件， 如进行尺寸链和精度计算等。 一般来说，若某零件直接相关零 件愈多，其结构就愈复杂；零件 的间接相关零件愈多，其精度要 求愈高。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotic

49、s 107o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 o 螺栓连接图 Artificial Intelligence and Robotics 108o3. 结构设计据结构件的材料及热处理不同应注意的结构设计据结构件的材料及热处理不同应注意的问题问题 机械设计中可以选择的材料众多，不同的材料具有不同的性质，不同的材料对应不同的加工工艺，结构设计中既要根据功能要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分的发挥优势。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intellige

50、nce and Robotics 109o 设计者要做到正确地选择材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。o 为了提高机械结构的强度 ，耐磨性、耐热性、抗腐蚀性以及抗弯、疲劳等有些材料需要进行热处理。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 110o 对于需要热处理加工的零件，在进行结构设计时的要求有如下几点：o （1）零件的几何形状应力求简单、对称，理想的形状为球形。o （2）具有不等截面的零件，其大小截面的变化必须平缓，

51、避免突变。如果相邻部分的变化过大，大小截面冷却不均，必然形成内应力。o （3）避免锐边尖角结构，为了防止锐边尖角处熔化或过热，一般在槽或孔的边缘上切出2mm的倒角。o （4）避免厚薄悬殊的截面，厚薄悬殊的截面在淬火冷却时易变形，开裂的倾向较大。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 111o4.机械结构设计的基本要求机械结构设计的基本要求 机械产品应用于各行各业，结构设计的内容和要求也是千差万别，但都有相同的共性部分。下面就机械结构设计的三个不同层次来说明对结构设计的要求。 （ 1）功能设计： 满足主要机械功能要求，

52、在技术上的具体化。如工作原理的实现、工作的可靠性、工艺、材料和装配等方面。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 112o （2）质量设计兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性能价格比，它是现代工程设计的特征。具体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制。在现代设计中，质量设计相当重要，往往决定产品的竞争力。那种只满足主要技术功能要求的机械设计时代已经过去，统筹兼顾各种要求，提高产品的质量，是现代机械设计的关键所在。与考虑工作原理相比，兼顾各种要求似乎只是设计细节上的问题，然而细节的总和是质量，产品质量问题不

53、仅是工艺和材料的问题，提高质量应始于设计。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 113o （3）优化设计和创新设计用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间，用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新。 对产品质量的提高永无止境，市场的竞争日趋激烈，需求向个性化方向发展。因此，优化设计和创新设计在现代机械设计中的作用越来越重要，它们将是未来技术产品开发的竞争焦点。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 114o5.机械结构基本设计准则机

54、械结构基本设计准则 机械设计的最终结果是以一定的结构形式表现出来的，按所设计的结构进行加工、装配，制造成最终的产品。所以，机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本要求有功机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。o 此外，还应改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和寿命。因此，机械结构设计是一项综合性的技术工作。由于结构设计的错误或不合理，可能造成零部件不应有的失效，使机器达不到设计精度的要求，给装配和维修带来极大的不方便。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificia

55、l Intelligence and Robotics 115o 同样适用于机器人的机械结构设计准则。 o对于机器人机械结构设计过程中还应考虑如下的结构设计准则。 1.实现预期功能的设计准则实现预期功能的设计准则 o 2.满足强度要求的设计准则满足强度要求的设计准则 3.满足刚度结构的设计准则满足刚度结构的设计准则 4.考虑加工工艺的设计准则考虑加工工艺的设计准则 o 5.考虑装配的设计准则考虑装配的设计准则 o 6.考虑造型设计的准则考虑造型设计的准则o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 116o6.6.4、 设计

56、的过程设计的过程设计工作阶段的划分，不同的机器人，要求均不尽相同，大致上可分为计划阶段、原理方案设计阶段、结构方案设计阶段、总体设计阶段、施工设计阶段和制作调试、生产、使用阶段等。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 117o 不同类型的机器人机械结构设计中各种具体情况的差别很大，没有必要以某种步骤按部就班的进行。通常是确定完成既定功能零部件的形状、尺寸和布局。结构设计过程是综合分析、绘图、计算三者相结合的过程，其过程大致如下：o 1. 理清主次、统筹兼顾；o 2. 绘制草图；o 3. 对初定的结构进行综合分析，确定

57、最后的结构方案 ；o 4. 结构设计的计算与改进 ；o 5. 结构设计的完善；o 6. 形状的平衡与美观 。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 118o6.6.5、设计中的综合问题设计中的综合问题o 一、载荷和应力1、载荷机器人的机械机构工作时所出现的载荷是力和力和力矩力矩。载荷根据其性质可分为静载荷和变载荷。静载荷：载荷的大小或方向不随时间变化或者变化极缓慢；变载荷：载荷大小或方向随时间变化的。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 1

58、19o机械零部件上所受的载荷还可分为：工作载荷、名义载荷和计算载荷。工作载荷：机械正常工作时所受的实际载荷。名义载荷：按原动机的功率计算求得的载荷。 计算载荷：按功率计算求得的载荷。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 120o2、应力载荷作用在机械机构零部件上将产生应力。根据其性质可分为：静应力：不随时间而变或随时间缓慢变化的应力；变应力：不断地随时间而变的应力。大多数机械机构零部件都是处于变应力状态下工作的。o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robo

59、tics 121o2.2.强度设计强度设计o 机械强度就是机械的抗压（包含磨损、挤压、弯曲、变形等等破坏力）能力；o 机械强度指抗压强度、抗折强度、抗拉强度。o 当外力与物体轴线相垂直，物体受外力作用后先呈弯曲到折断瞬间的极限抵抗能力称为抗折强度（或称抗弯强度）。经验抗压强度是抗折强度的2倍，抗折强度是抗拉强度的2倍。o 为保证零件在使用期限内正常地实现其功能，必须使其具有足够的刚度 。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 Artificial Intelligence and Robotics 122o 零件截面尺寸的变化应与其内应力变化相适应，使各截面的强度相等。按等强度原理设计的结

60、构，材料可以得到充分的利用，从而减轻了重量、降低成本。如悬臂支架、阶梯轴的设计等。 o6.6 机器人机械机构设计的概念和特点 超强！可以模拟人类动作的机器人超强！可以模拟人类动作的机器人Artificial Intelligence and Robotics 123o机器人对应所用材料而言。机器人对应所用材料而言。o （1）机器人所承受的强度，工业机器人、竞赛机器人、有无对抗等等。o （2）机器人所处环境，腐蚀、化学反应、温度、风力、扭曲力等。o （3）材料选择：材料的机械强度包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击、疲劳等。材料机械强度指材料受外力作用时，其单位面积上所能承受的最大负荷。一般用抗弯(