工业机器人第四章 工业机器人结构设计

1、第四章 工业机器人机械系统设计主要内容1、工业业机器人人总体设设计主体结构构设计传动方式式选择模块化结结构设计计材料选择择平衡系统统设计2、传动动部件设设计移动关节节导轨及及转动关关节轴承承传动件的的定位及及消隙谐波传动动丝杠螺母母副及其其滚珠丝丝杠传动动其它传动动3、臂部部设计臂部设计计的基本本要求手臂的常常用结构构臂部运动动驱动力力计算4、手腕腕设计概述手腕分类类手腕设计计举例主要内容容5、手部部设计概述手部分类类手爪设计计和选用用的要求求普通手爪爪设计6、机身身及行走走机构设设计机身设计计行走机构构设计一工工业机器器人总体体设计主体结构构设计关键是选选择由连连杆件和和运动副副组成的的坐标

2、形形式工业机器器人的坐坐标形式式直角坐标标机器人人主体结构构有三个个自由度度，全为为伸缩圆柱坐标标机器人人主体结构构有三个个自由度度，腰转转、升降降、伸缩缩球面坐标标机器人人主体结构构有三个个自由度度，转动动、转动动和伸缩缩关节坐标标机器人人主体结构构有三个个自由度度，全为为转动一工工业机器器人总体体设计传动方式式选择选择驱动动源和传传动装置置与关节节部件的的连接、驱动方方式工业机器器人的传传动形式式传动形式特征优点缺点直接连结传动直接装在关节上结构紧凑需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大远距离连结传动经远距离传动装置与关节相连不需考虑电机自重，平衡性良好额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大间接传

3、动经速比远1的传动装置与关节相连经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性直接驱动不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高一工工业机器器人总体体设计模块化结结构设计计模块化工工业机器器人由一些标标准化、系列化化的模块块件通过过具有特特殊功能能的结合合部用积积木拼搭搭方式组组成的工工业机器器人系统统。模块化工工业机器器人的特特点经济性灵活性存在的问问题刚度比较较差整体重量量偏重模块针对对性待提提高一工工业机器器人总体体设计材料的选选择材料选择择的基

4、本本要求强度高弹性模量量大重量轻阻尼大价格低结构件材材料介绍绍碳素结构构钢、合合金结构构钢、铝铝合金等等合金材材料、纤纤维增强强合金、陶瓷、纤维增增强复合合材料、粘弹性性大阻尼尼材料一工工业机器器人总体体设计平衡系统统设计平衡系统统的作用用安全降低因构构形变化化而导致致重力引引起关节节驱动力力矩变化化的峰值值降低因运运动而导导致惯性性力矩引引起关节节驱动力力矩变化化的峰值值改进动力力特性使运行稳稳定，降降低地面面安装要要求平衡系统统设计的的主要途途径质量平衡衡技术弹簧力平平衡技术术可控力平平衡技术术二传传动部件件设计移动关节节导轨及及转动关关节轴承承移动关节节导轨要求类型：普普通滑动动导轨、液

5、压动动压移动动导轨、液压静静压移动动导轨、气浮导导轨、滚滚动导轨轨应用实例例转动关节节轴承球轴承专用轴承承特殊材料料制作的的轴承动压导轨轨：靠导轨轨之间的的相对运运动产生生的压力力油膜将将运动件件浮起,把两个个导轨面面隔离,形成纯纯液体摩摩檫，其其工作原原理与动压轴承相同同,形成成导轨面面间压力力油膜的的条件是是:两导导轨面之之间应有有锲形间间隙和一一定的相相对速度度,此外外还需要要有一定定粘度的的润滑油油流进锲锲形间隙隙适用于主主运动导导轨静压导轨轨：将具有有一定压压力的润润滑油,经节流流器输入入到导轨轨面上的的油腔,即可形形成承载载油膜,使导轨轨面之间间处于纯纯液体摩摩擦状态态.优优点是轨

6、轨运动速速度的变变化对油油膜厚度度的影响响很小；载荷的的变化对对油膜厚厚度的影影响很小小,摩檫檫系数仅仅为0.005左右,油膜抗抗振性好好。缺点点是导轨轨自身结结构比较较复杂需需要增加加一套供供油系统统对润滑滑油的清清洁程度度要求很很高主要要应用:精密机机床的进进给运动动和低速速运动导导轨。二传传动部件件设计传动件的的定位和和消隙传动件的的定位电气开关关定位、机械挡挡块定位位、伺服服定位系系统传动件的的消隙消隙齿轮轮柔性齿轮轮对称传动动消隙偏心机构构消隙齿廓弹性性覆层消消隙二传传动部件件设计减速器谐波传动动机构行星齿轮轮机构与一般齿齿轮传动动和蜗杆杆传动不不同，谐谐波传动动其工作作原理是是基于

7、一一种变形形原理，即通过过柔轮变变形时其其径向位位移和切切向位移移间的转转换关系系，从而而实现传传动机构构的力和和运动的的转换。谐波齿轮轮传动是是靠柔性性齿轮（柔轮）所产生生的可控控弹性变变形来实实现传递递运动和和动力的的。它的的基本构构件有：柔轮、波发生生器和刚刚轮。三三个构件件中可任任意固定定一个，其余两两个一为为主动、一为从从动，可可实现减减速或增增速（固固定传动动比），也可变变换成两两个输入入，一个个输出，组成成差动传传动。当刚轮固固定，波波发生器器为主动动，柔轮轮为从动动时，柔柔轮在椭椭圆凸轮轮作用下下产生变变形，在在波发生生器长轴轴两端处处的柔轮轮轮齿与与刚轮轮轮齿完全全啮合；在短

8、轴轴两端处处的柔轮轮轮齿与与刚轮轮轮齿完全全脱开；在波发发生器长长轴与短短轴区间间，柔轮轮轮齿与与刚轮轮轮齿有的的处于半半啮合状状态，称称为啮入入；有的的则逐渐渐退出啮啮合处于于半脱开开状态，称为啮啮出。由由于波发发生器的的连续转转动，使使得啮入入、完全全啮合、啮出、完全脱脱开这四四种情况况依次变变化，循循环不已已。由于于柔轮比比刚轮的的齿数少少2，所以当当波发生生器转动动一周时时，柔轮轮向相反反方向转转过两个个齿的角角度，从从而实现现了大的的减速比比。与一般齿齿轮传动动比较，它有以以下特点点：（1）传传动比大大，且范范围广。单级传传动的传传动比为为50320，复波波传动的的传动比比可达107

9、。（2）同同时参加加啮和的的齿数多多，承载载能力高高。传递递公称力力矩时，同时参参加啮和和的齿数数可达到到总齿数数的30%40%。（3）体体积小，重量轻轻。在传传动比和和承载条条件相同同的情况况下，谐谐波齿轮轮传动比比一般齿齿轮传动动的体积积和重量量减小1/31/2左右。（4）运运动精度度高，回回差小。（5）传传动效率率高，一一般单级级传动效效率为70%-90%。（6）可可向密闭闭空间传传递运动动和动力力，这一一点是其其它任何何机械传传动无法法实现行星减速速器的主主要特点点如下：（1）体体积小、重量轻轻、结构构紧凑、传递功功率大、承载能能力高。由于行行星齿轮轮传动是是一种共共轴线式式传动形形式

10、，即即具有同同轴线传传动的特特点。在在结构上上采用了了对称分分流传动动结构，即用几几个完全全相同的的行星轮轮均匀分分布在中中心轮圆圆周来共共同分担担载荷，并且合合理地应应用了内内啮合，充分地地利用了了空间的的容积，从而缩缩小了径径、轴向向尺寸，使结构构紧凑，而承载载能力又又高。因因而行星星齿轮传传动在相相同功率率和传动动比的条条件下，可使其其外部尺尺寸和重重量只为为普通齿齿轮传动动的1/2-1/6。（2）传传动效率率高，工工作可靠靠。行星星齿轮传传动由于于采用了了对称的的分流传传动结构构，使作作用于中中心轮和和行星架架等主要要轴承上上的作用用力互相相平衡，有利于于提高传传动效率率。（3）传传动

11、比大大。适当当选择传传动类型型和齿轮轮齿数，便可利利用少数数几个齿齿轮而获获得很大大的传动动比。由于行星星齿轮传传动具有有上述优优点，故故目前行行星齿轮轮减速器器不仅适适用于告告诉大功功率，而而且在低低速大扭扭矩设备备上也已已广泛应应用。三臂臂部设计计臂部设计计的基本本要求刚度高、导向性性好、重重量轻、运动平平稳、定定位精度度高手臂的常常用结构构直线运动动机构回转运动动机构臂部运动动驱动力力计算四手手腕设计计概述手腕可具具有的自自由度：翻转、俯仰、偏转设计的重重点是手手腕的大大小和重重量手腕的分分类按自由度度数目分分类按驱动方方式分类类手腕设计计举例五手手部设计计工业机器器人手部部特点手部与手

12、手腕相连连处可拆拆卸手部是工工业机器器人末端端操作器器手部的通通用性比比较差手部是一一个独立立部件手部的分分类手部设计计和选用用要求普通手爪爪设计手部设计计和选用用要求被抓握的对对象物几何参数数：工件件尺寸；抓握表表面数目目、位置置和方向向；夹持持表面间间的距离离和几何何形状；机械特性性：质量量、材料料、表面面温度等等物料馈送送器或存存储装置置对手爪必必需的最最小、最最大爪钳钳间的距距离；必必需的夹夹紧力；其它的的不确定定因素机器人作作业顺序序手爪和机机器人的的匹配手爪的机机械接口口/手爪爪自重环境条件件普通手爪爪设计机械式手手爪设计计驱动：气气动、液液动、电电动传动：运运动要求求和夹紧紧力要求求爪钳：形形状、材材料、与与工件的的接触面面积磁力吸盘盘设计不需夹具具，要求求工件表表面清洁洁、平整整、干燥燥只适合对对工件要要求不高高或不考考虑剩磁磁的影响响，不适适合高温温真空式吸吸盘设计计要求工件件表面清清洁、平平整、干干燥、能能气密各类真空空式吸盘盘举例六机机身及行行走机构构设计机身设计计考虑因素素：足够够的刚度度和稳定定性、运运动灵活活、结