工业机器人PPT通用课件

1、第二章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。系统分析系统分析l 明确机器人的目的和任务明确机器人的目的和任务l 分析机器人所在系统的工作环境、机器人与已有设备的兼容性分析机器人所在系统的工作环境、机器人与已有设备的兼容性l 确定机器人的基本功能和设计方案，确定具体技术指标确定机器人的基本功能和设计方案，确定具体技术指标l 进行必要调查研究进行必要调查研究工业机器人机械系统设计2.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包

2、括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。技术设计技术设计基本参数：基本参数：自由度，作业范围，运动速度，承载能力，定位精度自由度，作业范围，运动速度，承载能力，定位精度。: : 基本参数、运动形式、传感系统、控制方案、基本参数、运动形式、传感系统、控制方案、 机械结构机械结构运动形式：运动形式：直角坐标，圆柱坐标，球（极）坐标，关节坐标，直角坐标，圆柱坐标，球（极）坐标，关节坐标，SCARASCARA。检测传感检测传感系统方案，系统方案，控制系统控制系统方案。方案。机械结构机械结构设计。设计。工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 驱动机构用于

3、将驱动元件的运动传递到机器人的关节和动作部位。驱动机构用于将驱动元件的运动传递到机器人的关节和动作部位。分为分为直线驱动机构直线驱动机构和和旋转驱动机构。旋转驱动机构。工业机器人机械系统设计液压驱动方式液压驱动方式l 易获得较大推力或扭矩易获得较大推力或扭矩l 工作平稳、位置精度高工作平稳、位置精度高l 易实现力、速度、方向自动易实现力、速度、方向自动控制控制l 机械效率高，使用寿命长机械效率高，使用寿命长l 油液黏度随温度变化影响工油液黏度随温度变化影响工作性能，易燃易爆作性能，易燃易爆l 液体易泄漏液体易泄漏l 需要专门的供油系统需要专门的供油系统优点优点不足不足2.2.1驱动方式驱动方式

4、工业机器人机械系统设计气压驱动方式气压驱动方式l 空气黏度小，易达到高速空气黏度小，易达到高速l 使用安全，适用于恶劣工作使用安全，适用于恶劣工作环境环境l 价格低廉价格低廉l 能实现过载保护能实现过载保护l 单位体积能提供的动力小单位体积能提供的动力小l 工作平稳性差，位置精度低工作平稳性差，位置精度低l 除水麻烦除水麻烦l 噪声污染噪声污染优点优点不足不足工业机器人机械系统设计 利用电动机利用电动机直接直接驱动机械传动装置。驱动机械传动装置。能源简单、使用方便、能源简单、使用方便、机构速度变化范围大、机械效率高、位置精度高，噪声低机构速度变化范围大、机械效率高、位置精度高，噪声低。电气驱动

5、电气驱动步进电机步进电机伺服电机伺服电机直流伺服电机直流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机电气驱动方式电气驱动方式工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的直线驱动机构包括：常用的直线驱动机构包括：齿轮齿条装置齿轮齿条装置 齿条齿条(4)固定，齿轮固定，齿轮(3)转动时拖板转动时拖板(1)沿着齿条方向沿着齿条方向做直线运动。做直线运动。 该装置的该装置的回差较大回差较大。2.2.2直线驱动机构直线驱动机构工业机器人机械系统设计普通丝杠普通丝杠 采用一个旋转的精密丝采用一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿着丝杠轴杠驱动一个

6、螺母沿着丝杠轴向移动，从而将丝杠的旋转向移动，从而将丝杠的旋转运动转化成螺母的直线运动。运动转化成螺母的直线运动。 传动效率低、精度低、传动效率低、精度低、回差大回差大。工业机器人机械系统设计滚珠丝杠滚珠丝杠- 滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚珠，使其由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动。- 滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚动，故必须设置滚珠的返回通道，才能循环使用。为了消除回差(空回)，螺母分成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使回差为零。工业机器人机械系统设计滚珠丝杠工作特点滚珠丝杠工作特点工业机器人机械系统设计液压液压

7、( (气压气压) )缸缸 将液压泵将液压泵(或空气压缩或空气压缩机机)输出的压力能转换为输出的压力能转换为机机械能械能，驱动执行构件做，驱动执行构件做直线直线往复运动往复运动。工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 2.2.3旋转驱动机构旋转驱动机构齿轮链齿轮链 由两个或两个以上的齿由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构，可以轮组成的传动机构，可以传传递运动角位移和角速度递运动角位移和角速度，也，也可以可以传递力和力矩传递力和力矩。 常用的常用的旋转驱动机构旋转驱动机构包括：包括：工业机器人机械系统设计齿轮链特点齿轮链特点 (1) 齿轮链的引入会齿轮链的引入会减小减小系统等效转系统等效转

8、动惯量，使电动机的动惯量，使电动机的响应时间缩响应时间缩短短，使伺服系统，使伺服系统易于控制易于控制。输出。输出轴等效到输入轴上的等效转动惯轴等效到输入轴上的等效转动惯量与量与输入输入/输出齿轮齿数比的平方输出齿轮齿数比的平方成正比。成正比。(2) 齿轮间隙误差齿轮间隙误差将导致机器人手臂将导致机器人手臂的定位误差增加，若不采取补偿的定位误差增加，若不采取补偿措施还会引起措施还会引起伺服系统的不稳定伺服系统的不稳定。工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：同步皮带同步皮带 用于传递用于传递平行轴间平行轴间的运动或的运动或将回转运动转换成直

9、线运动。同将回转运动转换成直线运动。同步皮带的传动比计算公式为：步皮带的传动比计算公式为：2112nzinz工业机器人机械系统设计同步皮带同步皮带 同步皮带传动的优点在于：传动时同步皮带传动的优点在于：传动时无滑动无滑动，传动比精确，传动比精确，传传动平稳动平稳；速比范围大速比范围大；初始拉力小初始拉力小，轴及轴承，轴及轴承不易过载不易过载。 同步皮带传动的限制在于：对传动机构的同步皮带传动的限制在于：对传动机构的制造制造及及安装要求严安装要求严格格，对，对皮带的材料皮带的材料要求较高，故要求较高，故成本较高成本较高。 同步皮带传动是同步皮带传动是低惯性传动低惯性传动，适合于电动机和，适合于电

10、动机和高减速比高减速比减速减速器之间的传动。器之间的传动。谐波齿轮谐波齿轮l结构简单，体积、质量小；结构简单，体积、质量小；l传动比范围大；传动比范围大；l运动精度高，承载能力大；运动精度高，承载能力大；l运动平稳，无冲击，噪声小；运动平稳，无冲击，噪声小；l齿侧间隙可以调整。齿侧间隙可以调整。i=Z2-Z1/Z2结构- 摆线针轮减速机全部传动装置可分为三部分：输入部分、减速部分、输出部分。输入：1、输入轴2、180偏心轮3、滚柱轴承 减速：1、摆线轮 2、针齿轮 3、针齿销（套）输出：1、内柱销（套）2、输出轴摆线针轮减速器摆线针轮减速器摆线轮180的双偏心轴 输入轴 针轮销输出轴摆线针轮减

11、速器摆线针轮减速器减速原理- 当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其受针齿轮上针齿限制之故，摆线轮的运动成为即有公转又有自转的平面运动，在输入轴正转一周时，偏心套亦转动一周，摆线轮于相反方向上转过一个齿差从而得到减速，将摆线轮的低速自转运动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。传动比范围大 i =31171运动精度高、回差小、刚度大、抗冲击能力强体积小、结构紧凑传动效率高0.85 0.92五自由度工业机器人 各关节运动的实现：各关节运动的实现： 腕部的旋转： 电机M5减速器R5链轮副C5锥齿轮副G5旋转运动n5 腕部俯仰： 电机M4减速器R4链轮副C4俯仰运动n

12、4 肘关节摆动： 电机M3两级同步带传动B3、B3减速器R3肘关节摆动n3 肩关节的摆动： 电机M2同步带传动B2减速器R2肩关节摆动n2工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计 工业机器人主要由三大部分构成：工业机器人主要由三大部分构成：机机身身(立柱立柱)、臂部臂部(包括手腕包括手腕)、手部手部。若是。若是固固定式定式，则固定机座一般与机身为一体；若，则固定机座一般与机身为一体；若是是移动式移动式，则还需要一个，则还需要一个行走机构行走机构。 机身是机身是连接连接、支撑支撑手臂及行走机构的部手臂及行走机构的部件，用于安装臂部的驱动装置或传动装置。件，用于安装臂部的驱动装置

13、或传动装置。 臂部机器人的臂部机器人的主要执行部件主要执行部件，用于支撑，用于支撑腕部和手部，带动手及腕在空间腕部和手部，带动手及腕在空间 运动。运动。工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1) 机身设计机身设计 机身一般用于实现机身一般用于实现升降升降、回转回转和和俯仰俯仰等运动，通常有等运动，通常有13个个自由度。机身结构一般由机器人的自由度。机身结构一般由机器人的坐标形式坐标形式来确定：来确定：l圆柱坐标型：回转、升降自由度；圆柱坐标型：回转、升降自由度；l球坐标型：回转、俯仰自由度；球坐标型：回转、俯仰自由度；l关节坐标型：回转自由度；关节坐标型：回转自由度；l直

14、角坐标型：升降或水平移动自由度。直角坐标型：升降或水平移动自由度。2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1) 机身设计机身设计 机身做机身做垂直垂直运动时，除了需要克服运动时，除了需要克服摩擦力摩擦力之外，还要克服运之外，还要克服运动部件的动部件的重力重力及及惯性力惯性力。故，驱动力。故，驱动力Fq计算如下：计算如下：垂直升降运动的驱动力垂直升降运动的驱动力qmgFFFG Fm为各支撑处的摩擦力；为各支撑处的摩擦力；Fg为启动时的总惯性力；为启动时的总惯性力；G为运动为运动构件总重力。构件总重力。工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1) 机身设计机身设计 回转运动的驱动

15、力矩包括：回转部件的回转运动的驱动力矩包括：回转部件的摩擦总力矩摩擦总力矩和运动构和运动构件的件的总惯性力矩总惯性力矩。故，驱动力矩。故，驱动力矩Mq计算如下：计算如下：回转运动驱动力矩回转运动驱动力矩 Mm为总摩擦阻力矩；为总摩擦阻力矩；Mg为总惯性力矩，且有：为总惯性力矩，且有：qmgMMM0gMJt工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1) 机身设计机身设计 机器人手臂偏重力矩为：机器人手臂偏重力矩为：升降立柱下降不卡死的条件升降立柱下降不卡死的条件 Gi为零部件及工件的重量；为零部件及工件的重量；Li为零部件及工件重心到机身回为零部件及工件重心到机身回转轴的距离。

16、若转轴的距离。若偏重力矩过大偏重力矩过大，会使支承导向套与立柱之间的，会使支承导向套与立柱之间的摩擦力过大摩擦力过大，依靠自重依靠自重下降则立柱可能下降则立柱可能卡死卡死在导向套内出现在导向套内出现自自锁锁。iiiiiG LMGLGG LG工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1) 机身设计机身设计 为防止自锁必须根据偏重力矩来确定为防止自锁必须根据偏重力矩来确定导向套的长度导向套的长度。根据平。根据平衡条件可知：衡条件可知：升降立柱下降不开死的条件升降立柱下降不开死的条件112NNNLF hGLFFGh要使升降立柱在导套内自由下降，要使升降立柱在导套内自由下降，臂部总重

17、量臂部总重量G必须大于导套与必须大于导套与立柱间的摩擦力立柱间的摩擦力，因此不卡死的条件为：，因此不卡死的条件为：121222mmNLGFFFfGfhfLh工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1) 机身设计机身设计 为保证机器人工作过程中的为保证机器人工作过程中的灵活性灵活性和和准确性准确性，还必须注意以，还必须注意以下几点：下几点：l 机身要有足够的刚度、强度和稳定性；机身要有足够的刚度、强度和稳定性；l 运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以免运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以免发生卡死现象；发生卡死现象；l 驱动方式要适宜；驱动方式

18、要适宜；l 结构布置要合理。结构布置要合理。工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2) 臂部设计臂部设计 工业机器人的臂部由工业机器人的臂部由大臂大臂、小臂小臂(或多臂或多臂)所组成，一般具有所组成，一般具有23个自由度，完成个自由度，完成伸缩伸缩、回转回转、俯仰俯仰或或升降升降动作，是工业机器动作，是工业机器人的人的主要执行部件主要执行部件，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。置。 臂部臂部运动部分零件运动部分零件直接影响臂部结构的直接影响臂部结构的刚度刚度和和强度强度，同时由，同时由于其承受运动过程中的于其承受运动过程中的

19、动、静载荷动、静载荷和和惯性力惯性力较大，还影响着机器较大，还影响着机器人人定位的准确性定位的准确性。工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2) 臂部设计臂部设计 臂部结构的形式取决于机器人的臂部结构的形式取决于机器人的运动形式运动形式、抓取动作自由度抓取动作自由度和和运动精度运动精度等。一般需要注意以下几点要求：等。一般需要注意以下几点要求：l 具有足够的承载能力和刚度；具有足够的承载能力和刚度；l 导向性要好；导向性要好；l 重量和转动惯量要小；重量和转动惯量要小；l 运动要平稳、定位精度要高。运动要平稳、定位精度要高。臂部的设计要求臂部的设计要求工业机器人机械系统设

20、计手臂直线运动结构手臂直线运动结构 机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。为了使手臂机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。为了使手臂移动的距离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传动的增倍移动的距离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传动的增倍机构。机构。工业机器人机械系统设计手臂回转运动结构手臂回转运动结构 图为利用齿轮齿条液压缸实图为利用齿轮齿条液压缸实现手臂回转运动的机构。压力油现手臂回转运动的机构。压力油分别进入液压缸两腔，推动齿条分别进入液压缸两腔，推动齿条活塞做往复移动，与齿条啮合的活塞做往复移动，与齿条啮合的齿轮即做往复回转运动。齿轮与齿轮即做往复回转运动。齿轮与手臂固连

21、，从而实现手臂的回转手臂固连，从而实现手臂的回转运动。运动。工业机器人机械系统设计手臂回转运动结构手臂回转运动结构 图为采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液图为采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液压缸压缸1 1的两腔通压力油时，连杆的两腔通压力油时，连杆2 2带动曲柄带动曲柄3 3绕轴心绕轴心O O作作9090的上、下摆动。的上、下摆动。手臂摆到水平位置时，其水平和侧向的定位由支承架手臂摆到水平位置时，其水平和侧向的定位由支承架4 4上的定位螺钉上的定位螺钉6 6和和5 5来调节。来调节。工业机器人机械系统设计机器人手腕是工业机器人小臂(上臂)和末端执行器(手爪

22、)之间的联接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为手腕的回转R、手腕的俯仰P和手腕的摆动Y。 并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确定。1.结构紧凑、重量轻；2.动作灵活、平稳，定位精度高；3.强度、刚度高；4.合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等；5.要适应工作环境的需要。1. 按自由度数目来分 手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、

23、二自由度手腕和三自由度手腕。 如图所示。图(a)是一种回转关节, 它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式。这种R关节旋转角度大, 可达到360以上。图 (b)、(c)是一种俯仰、摆动关节(简称B关节), 关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。这种B关节因为受到结构上的干涉, 旋转角度小, 大大限制了方向角。 图(d)所示为移动关节。(1) 单自由度手腕2.4.2 手腕的分类 SCARA SCARA 机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。手腕。手腕转动转动的目的在于调整装配件的方位的目的在于调整装配件的方位。其传动系统设计使大。其传动系统

24、设计使大、小臂的转动不影响末端、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位执行器的水平方位，该，该方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机，特别，特别适合于适合于电子线路板的电子线路板的插接等作业插接等作业。 (2) 二自由度手腕 如图所示。二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕(见图 (a)，也可以由两个B关节组成BB手腕(见图 (b)。但是, 不能由两个R关节组成RR手腕, 因为两个R共轴线, 所以退化了一个自由度, 实际只构成了单自由度手腕(见图 (c)。 链轮链轮5锥齿轮锥齿轮3相联，通过齿轮副带动末杆相联，通过齿轮副带动末杆自转；自转；链轮链轮

25、7与壳体与壳体10相联相联，使使末杆末杆摆动，摆动，从而形成两个自由度。从而形成两个自由度。汇交式两自由度手腕汇交式两自由度手腕1-法兰；法兰；2-锥齿轮轴；锥齿轮轴；3-锥齿轮；锥齿轮；8、4-弹簧；弹簧；5、1-链轮；链轮；6、9-轴承；轴承；10-转壳转壳偏置式两自由度手腕偏置式两自由度手腕1-法兰；法兰；2-转壳；转壳；3、6-轴轴-齿轮；齿轮；4-小臂；小臂；5-、7-链轮；链轮；8-链；链；9、10-弹簧弹簧(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

26、法完成的作业。大多数关节型机器人都采用三自由度手腕。三个R关节组成的RRR手腕,它也可以实现手部RPY运动。RBR手腕BBR手腕, 使手部具有俯仰、 偏转和翻转运动, 即RPY运动。 BRR手腕, 为了不使自由度退化, 使手部产生RPY运动,第一个R关节必须进行如图所示的偏置。1. 按驱动方式分类 1）直接驱动手腕 2）远距离传动驱动手腕 远距离驱动的二远距离驱动的二 自由度自由度BRBR手腕手腕回转运动：回转运动： 轴轴S S旋转旋转锥齿轮副锥齿轮副Z Z1 1、Z Z2 2锥齿轮副锥齿轮副Z Z3 3、Z Z4 4手手腕与锥齿轮腕与锥齿轮Z Z4 4为一体为一体手手腕实现绕腕实现绕C C轴

27、的旋转运动轴的旋转运动俯仰回转轮系轮系 驱动的二驱动的二 自由度自由度BRBR手腕手腕俯仰运动：俯仰运动： 轴轴B B旋转旋转锥齿轮副锥齿轮副Z Z5 5、Z Z6 6轴轴A A旋转旋转手腕壳体手腕壳体7 7与与轴轴A A固联固联手腕实现绕手腕实现绕A A轴的轴的俯仰运动俯仰运动轮系轮系 驱动的二驱动的二 自由度自由度BRBR手腕手腕附加回转运动：附加回转运动： 轴轴S S不转而不转而B B轴回转轴回转锥齿轮锥齿轮Z Z3 3不不转转锥齿轮锥齿轮Z Z3 3、Z Z4 4相啮合相啮合迫使迫使Z Z4 4绕绕C C轴线有一个附加的自转，即为附加回轴线有一个附加的自转，即为附加回转运动。转运动。附

28、加回转运动在实际使用时应予以考附加回转运动在实际使用时应予以考虑。必要时应加以利用或补偿。虑。必要时应加以利用或补偿。2.5.1 手部的特点 手部（末端执行器）是一个独立的部件，手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。2.5 手部设计 手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。手部可能还有一些电、气、液的接口：手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。由于手部的驱动方式不同造成。对这些