机器人机构设计 课件（下）

董凯捷2022.09.22机器人机构设计第一章绪论第二章机器人运动学基础第三章机器人静力学和动力学基础第四章机器人驱动和传动系统第五章机器人本体的分析与设计第六章机器人手腕与末端执行器设计4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型4.2谐波传动4.3RV摆线针轮传动4.4机器人的分类和主要性能指标4.5步进电动机4.6伺服电动机4.7气压传动与控制技术4.8液压传动与控制技术及其在机器人的应用第四章机器人驱动和传动系统驱动-传动系统的组成转动关节4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型1—码盘；2—测速机；3—电机；4—联轴器；5—传动装置；6—转动关节；7—杆多数普通电机和伺服电机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度重复精度和可靠性。运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步皮带传动和谐波齿轮等传动方式。4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型转动关节科尔摩根关节模组移动关节4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型机器人采用的直线驱动包括直角坐标机构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。8—电机；9—联轴器；10—螺旋副；11—移动关节；12—电位器4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型驱动器的主要类型和优缺点电动驱动器最广泛的驱动电动驱动器又可分为直流（DC）、交流（AC）伺服电机驱动和步进电机驱动。液压驱动器液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄漏，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。气动驱动器气动驱动器的能源、结构都比较简单，但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小（因压力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。选型

驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件；

以价格高低、技术水平为评价标准。选容量在选择驱动器容量时既要考虑到与额定速度运行相对应的额定功率，又要考虑到加速功率。机器人的各关节处于不同位形时有不同的负载力矩，所以必须用最不利位形时的最大动力矩进行校核。驱动器的选择4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型联轴器、传动机构及速比选择4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型联轴器结构紧凑，重量轻，惯量小，刚度大，能吸收两轴之间的制造和安装误差所引起的径向位置和角度的微小偏移。刚性联轴器/凸缘联轴器梅花联轴器膜片联轴器波纹管联轴器十字滑块联轴器狭缝联轴器万向节联轴器1—码盘；2—测速机；3—电机；4—联轴器；5—传动装置；6—转动关节；7—杆刚性联轴器/凸缘联轴器应用场合：一般常用于载荷平稳，高速或传动精度要求较高的轴系传动。优点：但由于结构简单、成本低、可传递较大转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时常采用。缺点：对两轴对中性的要求很高，当两轴有相对位移存在时，就会在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化。梅花联轴器适用场合：适用于起动频繁、正反转、中高速、中等扭矩和要求高可靠性的工作场合。优点：结构简单、方便维修、免维护，可连续长期运行。承载能力大，具有良好的减振、缓冲和电气绝缘性能。具有较大的轴向、径向和角向补偿能力。径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合。缺点：在高速或者是高负载的情况下容易发生打牙，并且不耐高温。4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型联轴器膜片联轴器波纹管联轴器适用场合：应对高转速情况。优点：不用润油，结构较紧凑，强度高，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响，具有耐酸、耐碱防腐蚀的特点，可容许偏心，偏角及轴向偏差，适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动。缺点：可以吸收的偏心偏角比较小，形状复杂，加工费时，不便用于大起重量起重机适用场合：具有高敏感性和反应迅速，使它成为理想的用于极小且精密的仪器应用中。优点：无间隙,高灵敏度；弹性高,更能很好的保护设备；可吸收振动,同时补偿径向,角向和轴向偏差能力强；抗油污,耐腐蚀性强；扭向刚性,顺时针与逆时针回转特性完全相同。缺点：扭矩小，价格贵，货期长。4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型联轴器十字滑块联轴器狭缝联轴器万向节联轴器适用场合：一般用于转速n<250r/min，轴的刚度较大，且无剧烈冲击处。优点：允许有较大偏心偏角，误差调整效果好，减轻轴的负担，构造简单，组装方便，具有电绝缘性缺点：耐冲击性差；滑块与凹槽间易磨损，需润滑；因有径向位移产生较大离心惯性力，给轴和轴承带来附加载荷。适用场合：适用于伺服马达等的高速、高精度定位。优点：精度高，扭转刚性极高，且惯性矩低，也容许有偏心，偏角，轴向偏差。缺点：易断裂。应用场合：主要用于俩轴相交的场合。

优点：具有较大的补偿能力，传动效率高，结构紧凑。缺点：转速不宜过高，传动中产生附加载荷4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型联轴器常用于操作机的传动机构4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型序号类别原理简图特点轴间距应用场合1齿轮传动响应快，扭矩大，刚性好，可实现旋转方向的改变和复合传动不大腰、腕关节2谐波传动大速比，同轴线，响应快，体积小，重量轻，回差小，转矩大零所有关节3摆线针轮行传动（RV）大速比，同轴线，响应快，刚度好，体积小，回差小，转矩大零前三关节，特别是腰关节常用于操作机的传动机构4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型序号类别原理简图特点轴间距应用场合4蜗轮传动大速比，交错轴，体积小，回差小，响应小，刚度好，转矩大效率低，发热大交错不大腰关节，手爪机构5链传动速比小，扭矩大，刚度与张紧装置有关大腕关节（驱动器后置）6齿形带传动速比小，转矩小，刚性差，无间隙大各关节的一级传动7钢带传动速比小，转矩小，刚性与张紧装置有关，无间隙大腕关节（驱动器后置）传动机构的基本要求传动机构有以下几项基本要求：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的出轴到杆件的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长、价格低。4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型速比选择目的是实现驱动器与负载之间的速度和力矩匹配。选择方法有两种：（1）按额定速度选择，这是常速工作机构经常采用的方法：（2）按最大加速度选择。由于操作机经常工作在加、减速状态，故可取加速度最大作为速比选择的根据，这样可以得到最短的升速时间。为此有如下平衡方程：4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型位移检测元件电位计电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压碳膜电位器多圈精密可调电位器可调绕线电位器组成电位器的关键零件是电阻体和电刷。根据二者间的结构形式和是否带有开关，电位器可分为几种类型。电位器还可按电阻体的材料分类，如线绕、合成碳膜、金属玻璃釉、有机实芯和导电塑料等类型，电性能主要决定于所用的材料。此外还有用金属箔、金属膜和金属氧化膜制成电阻体的电位器，具有特殊用途。电位器按使用特点区分，有通用、高精度、高分辨力、高阻、高温、高频、大功率等电位器；按阻值调节方式分则有可调型、半可调型和微调型，后二者又称半固定电位器。为克服电刷在电阻体上移动接触对电位器性能和寿命带来的不利影响，又有无触点非接触式电位器，如光敏和磁敏电位器等，供少量特殊应用。4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型位移检测元件电位计4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型优先选择电位器的场景：成本优先：单品售价低、销量大的消费级产品（如玩具、小家电）。实时控制：需毫秒级响应的闭环系统（如工业机械臂、汽车油门踏板）。恶劣环境：强电磁干扰、高振动、宽温域场景（如工程机械、轨道交通）。机械适配：空间受限或需与简单机械结构直接耦合的场景（如蓝牙耳机、无人机云台）。位移检测元件编码器4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型编码器是一个机械与电子紧密结合的精密测量器件。它通过光电原理或电磁原理将一个机械的几何位移量转换为电子信号(电子脉冲信号或者数据)这种电子信号通常需要连接到控制系统(PLC、高速计数模块、变频器等)控制系统经过计算便可以得到测量的数据，以便进行下一步工作。编码器一般应用于机械角度、速度、位置的测量。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。以编码器工作原理可分为：光电式、磁电式和触点电刷式磁电编码器光电编码器坚固抗高分辨率

振动精度更高

灰尘通孔轴套

脏

潮湿成本低光电编码器基本结构4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型增量式码盘光栅4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型绝对式码盘按这种透光规律制出的码盘，由于其固定角度对应于固定的二进制码，所以称作绝对式码盘绝对式码盘有确定的零位，无需进行原点复归4.2谐波传动谐波传动结构波发生器相当于行星架柔轮带有外齿圈的柔性齿轮，相当于行星齿轮刚轮带有内齿圈，相当于行星系中的中心轮在波发生器转动时，相应于长轴方向的柔轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿；在短轴方向，则外齿全脱开内齿。当刚轮固定，波发生器转动时，柔轮的外齿将依次啮入和啮出刚轮的内齿，柔轮齿圈上的任一点的径向位移将呈近似于余弦波形的变化，所以这种传动称作谐波传动。

4.2谐波传动4.2谐波传动谐波传动过程凸轮式滚轮式偏心盘式4.2谐波传动波发生器主要构型4.2谐波传动常见的联轴器有哪几种刚性联轴器/凸缘联轴器梅花联轴器膜片联轴器波纹管联轴器十字滑块联轴器狭缝联轴器万向节联轴器常见的传动方式有哪些常用于操作机的传动机构4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型序号类别原理简图特点轴间距应用场合1齿轮传动响应快，扭矩大，刚性好，可实现旋转方向的改变和复合传动不大腰、腕关节2谐波传动大速比，同轴线，响应快，体积小，重量轻，回差小，转矩大零所有关节3摆线针轮行传动（RV）大速比，同轴线，响应快，刚度好，体积小，回差小，转矩大零前三关节，特别是腰关节常用于操作机的传动机构4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型序号类别原理简图特点轴间距应用场合4蜗轮传动大速比，交错轴，体积小，回差小，响应小，刚度好，转矩大效率低，发热大交错不大腰关节，手爪机构5链传动速比小，扭矩大，刚度与张紧装置有关大腕关节（驱动器后置）6齿形带传动速比小，转矩小，刚性差，无间隙大各关节的一级传动7钢带传动速比小，转矩小，刚性与张紧装置有关，无间隙大腕关节（驱动器后置）常见的联轴器有哪几种常见的传动方式有哪些谐波传动三大件4.2谐波传动机器人用谐波减速器结构4.2谐波传动扁平式谐波传动4.2谐波传动两个刚轮，一个固定，一个输出谐波传动的主要特点（1）传动比大单级传动比可为50〜300，双级传动比可达200万（2）传动平稳，承载能力高。（3）齿面磨损小而均匀，传动效率高。（4）传动精度高。在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度可比普通齿轮传动高一级。若齿面经过很好的研磨，则谐波齿轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍。（5）回差小。精密谐波传动的回差一般可小于1’。甚至可以实现无回差传动。（6）可通过密封壁传递运动。当采用长杯式柔轮固定传动时，可实现向密封箱内传递运动，这是其他传动机构很难实现的。（7）谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。4.2谐波传动4.2谐波传动谐波传动的选择平均负载转矩、平均转速和当量转矩起动等速减速分度盘重量:M=50kg；分度盘的转动惯量:J=8.875kg·m2；偏载转矩:无；分度转动速度:0.65s转动一次60°；加减速时间:0.15s;持续时间：3s;要求寿命:1日16hr300日/年10年耐用4.2谐波传动分度盘重量:M=50kg；分度盘的转动惯量:J=8.875kg·m2；偏载转矩:无；分度转动速度:0.65s转动一次60°；加减速时间:0.15s;持续时间：3s;要求寿命:1日16hr300日/年10年耐用4.2谐波传动输出转速4.2谐波传动惯性转矩4.2谐波传动平均转矩、平均转速4.2谐波传动飞轮力矩和刚性只给出入轴（波发生）处的飞轮惯量GD2

、

刚度曲线是一迟滞回线。产品样本用图中的形式给出分段刚度K1、K2、K3

4.2谐波传动回差又称空回，它不仅影响机器人的位置精度，而且对控制的过渡过程也有很大影响。回差应尽可能小一些，但过小会影响效率，同时价格也大大提高，一般回差取3’~1’，对于后三节，可取6’~3’.回差4.2谐波传动谐波传动的选择4.2谐波传动确定结构形式和速比；绘制扭矩-时间，转速-时间曲线图，并计算平均负载转矩TV、平均转速nv和当量转矩Teq根据样本确定型号；校核Teq，在特定转速nr条件下Tnr>Teq.4.3RV摆线针轮传动工作原理和速比计算RV摆线针轮传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的1—壳体；2一销；3—RV齿轮；4—主轴承；5—轴；6—螺栓端盖；7—输入齿轮；8—曲柄轴；9—行星齿轮；10—壳体；11—圆柱箱；12-RV齿轮(3)；13—太阳轮(1)1；14-行星轮；15—偏心轮；16—非圆柱销4.3RV摆线针轮传动4.3RV摆线针轮传动减速比若（1中心轮，2行星轮，3RV摆线齿轮，4圆柱箱）与谐波传动相比，RV摆线针轮传动除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等特点外，最显著的特点是刚性好、转动惯量小。4.3RV摆线针轮传动RV减速器的选择基本上与谐波传动相同，只是平均转矩TV和转速nv的计算有所区别在一般机器人精度条件下，回差应限制3’以下4.3RV摆线针轮传动滚动丝杠传动摩擦小、效率高。一般情况下，滚动螺旋传动的效率在90%以上。灵敏度高，传动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差较小。磨损少、寿命长。具有较高的表面硬度和光洁度。可消除轴向间隙，提高轴向刚度。容易受灰尘、铁屑影响，需防护。滚动丝杠传动风琴保护罩（皮老虎）承载能力和选择与滚动轴承类似，细长杆要做压杆稳定分析按额定动载荷选用指一批相同规格的滚动螺旋副经过运转转后90%的滚珠或螺纹滚道表面不产生疲劳损伤（点蚀）时的轴向载荷。（寿命）、转速、载荷性质等按额定静载荷选用静止状态下承受最大接触应力的滚珠和滚道接触面的塑性变形量之和为滚珠直径万分之一时的轴向载荷滚动丝杠传动滚动丝杠传动选用依据滚动丝杠传动同步带传动同步带传动同步带传动原理工作原理啮合传动原理：同步带齿与同步轮齿槽的精确啮合。无滑差特性：钢丝/玻璃纤维强力层减少弹性伸长，确保传动比准确。缓冲减振：柔性材质吸收冲击，降低振动。与摩擦型传动的对比传动效率：同步带效率高达98%，V带效率约92%-95%。精度与寿命：同步带齿形设计避免打滑，寿命更长。滚动丝杠传动同步带传动特点核心优势高精度：微米级定位精度。高速稳定：支持高速往复运动（动态图：包装机械中同步带驱动的物料输送）。低噪音：柔性啮合降低噪声。免维护：无需润滑，减少粉尘污染。结构与分类带型分类：梯形齿（低成本，低负载）与圆弧齿（高扭矩，低噪音）。结构组成：带齿、强力层、背胶层（剖面图：同步带内部结构）。同步带传动同步带传动选型方法选型步骤参数确定：功率、转速、传动比、中心距。带型匹配：根据功率与转速选择节距。尺寸计算：中心距、齿数、带宽公式（公式示例：L=2C+π(D1​+D2​)/2）。在同步带中保持原长不变的任意一条周线，称为“节线同步带传动同步带传动应用注意事项安装规范中心距调整：先缩短中心距安装同步带，再复位平行度控制：两带轮轴线平行度误差≤0.1mm/m张紧力调节：使用弹簧或重锤张紧装置维护要点日常检查：同步带磨损、跑偏、异响环境防护：防尘涂层、密封设计负载限制：避免超载运行故障排除打滑：检查带轮表面粗糙度、摩擦系数断裂：分析过载、疲劳、离心力跑偏：调整带轮平行度、轴承间隙调整中心距预紧张紧轮预紧同步带传动同步带传动应用领域与趋势典型应用工业机器人：机械臂关节驱动（图片：协作机器人中的同步带模组）。数控机床：进给系统的高精度传动（案例：五轴加工中心的同步带伺服驱动）。医疗设备：CT扫描仪的旋转机构（图片：同步带驱动的医疗影像设备）。发展趋势智能化：集成传感器实现实时监测（动态图：同步带状态监测系统）。材料创新：高强度碳纤维、自润滑涂层（图片：新型同步带材料显微结构）。定制化：针对特殊工况的个性化设计（案例：深海探测设备的耐压同步带）。丝/绳传动丝/绳传动绳传动是靠紧绕在槽轮上的绳索与槽轮间的摩擦力来传递动力和运动的机械传动。它的主要优点是，能传递湿距离的平行轴或任意位置轴之间的旋转运动和直线运动，传动零件结构简单、加工方便，传动平稳，无噪音、无振动和冲击。其缺点是：传动精度低，只适用于传递较小的力和力矩。丝/绳传动绳传动是靠紧绕在槽轮上的绳索与槽轮间的摩擦力来传递动力和运动的机械传动。丝/绳传动绳传动主要类型(a)开式绳传动(b)非连续闭式绳传动(c)连续闭式绳传动开式绳传动，由一根绳索和两个绳轮构成，其中，当两绳轮之间不存在相反的力矩时，绳索始终是松弛的。增加一条与之前绳索缠绕方向相反的绳索，这样便构成了一个闭式绳传动，绳索与绳轮之间形成了一个封闭的力路径，绳索在无施加力矩的情况下，依然有张力存在。丝/绳传动绳传动与齿轮传动的等效丝/绳传动绳传动预紧(a)螺纹预紧(b)蜗轮蜗杆预紧(c)碟形弹簧预紧丝/绳传动欧拉方程摩擦学欧拉方程当dθ→0时，cos(dθ/2)→1，sin(dθ/2)→dθ/2，将其代入上式可得丝/绳传动欧拉方程轮船系泊丝/绳传动欧拉方程轮船系泊丝/绳传动灵巧手绳传动丝/绳传动绳并联机器人丝/绳传动绳传动关节4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型4.2谐波传动4.3RV摆线针轮传动4.5步进电动机4.6伺服电动机4.7气压传动与控制技术4.8液压传动与控制技术及其在机器人的应用第四章机器人驱动和传动系统步进电机步进电机的工作原理根据步进电机的构造，可以分为永磁式、反应式和混合式3种永磁式永磁式步进电机步进电机在微步模式下，电机可以按照全步距角的分数形式转动；这些分数可以精确到全步距角的1/4、1/8、1/16，甚至1/32。微步激励模式：满步半步步进电机步进电机反应式原理(VariableReluctance，VR)转子是由软性材料制作而成的（通常是硅钢片或电工纯铁棒等导磁体构成），转子上有多个凸极，这样线圈通电时，才会吸引转子旋转，使磁路中磁阻最小。转子的齿槽在转动时产生磁阻变化，故又称为变磁阻电机。反应式步进电机不使用永久磁铁，其定转子磁场强度与励磁电流成正比，要想增大磁场强度，就需要很大的励磁电流，因此温升很高，散热片也很大，并且动态性能差，效率低，可靠性差。与永磁电机产生磁性吸引转矩和排斥转矩相比，反应式步进电机只产生吸引转矩。反应式步进电机(VariableReluctance，VR)步进电机步进电机混合式原理(HybridStepping,HS)混合式步进电机的转子结构为两个导磁圆盘中间夹着一个永磁圆柱体轴向串在一起，两个导磁圆盘的外圆齿节距相同，与前述的VR型转子结构相同，其两个圆盘的齿错开1/2齿距安装，转子圆柱永磁体轴向充磁，一段为N，另一端为S。步进电机混合式步进电机步进电机如何提高转矩步进电机增大电流步进电机步进电机的运动特性（1）分辨力常用步距角0.6°/1.2°，0.75°/1.5°，0.9°/1.8°，1°/2°，1.5°/3°

z为转子齿数；

m为运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍数。（2）静态特性步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括静态转矩、矩角特性及静态稳定区。（3）动态特性步进电动机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。包括动态稳定区、启动转矩、矩频特性等。当步进电动机转动时，电动机各相绕组的电感将形成一个反向电动势。频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电动机随频率（或速度）的增大，相电流减小，从而导致力矩下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300~600r/min步进电机矩频特性步进电机步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响大，电压越高，步进电机能产生的力矩越大，越有利于需要高速应用的场合，但电机的发热随着电压、电流的增加而加大，所以要注意电机的温度不能超过最大限值。一个可供参考的经验值:42机座电机采用直流18V-36V，57机座电机采用直流24V-48V，86机座电机采用直流36-70V,110机座电机采用高于直流80V。电压和电流与转速、转矩的关系步进电机低频振动特性步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声方法:通过改变减速比等机械传动避开共振区;采用带有细分功能的驱动器;换成步距角更小的步进电机;选用电感较大的电机换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本高;采用小电流、低电压来驱动；在电机轴上加磁性阻尼器。步进电机电机最大速度选择不要大于300rpm电机定位精度的选择深度细分理论可行，对应系统定位精度的1/2或者更小，一般4细分合适，大于4后，步距角精度不能保证。电机力矩选择保持力矩大于负载的3倍，负载包括惯性负载和摩擦负载。电机选型计算方法步进电机已知:直线平台水平往复运动，最大行程L=400mm，同步带传动；往复运动周期为T=4s；定位误差≤0.07mm；平台运动质量m=10kg，无外力，同步带轮直径30mm。求:电机型号、电机转速、最大细分数。步进电机选型示例步进电机步进电机选型示例已知:直线平台水平往复运动，最大行程L=400mm，同步带传动；往复运动周期为T=4s；定位误差≤0.07mm；平台运动质量m=10kg，无外力，同步带轮直径30mm。(仅考虑直连）步进电机一般加速时间为0.1~1s;伺服电机一般加速时间为0.05~0.5s步进电机步进电机选型示例已知:直线平台水平往复运动，最大行程L=400mm，同步带传动；往复运动周期为T=4s；定位误差≤0.07mm；平台运动质量m=10kg，无外力，同步带轮直径30mm。(仅考虑直连）同步带上所需拉力：F=ma+f摩擦力f：f=μmg(摩擦系数μ=0.1)摩擦力f：f=9.8N惯性力F1=ma=10kg×0.783m/s2=7.83N（忽略了带轮等动载荷）同步带上所需拉力：F=17.63N同步带轮直径30mmTL=17.63N×0.015m=0.264Nm≈0.3Nm步进电机步进电机选型示例已知:直线平台水平往复运动，最大行程L=400mm，同步带传动；往复运动周期为T=4s；定位误差≤0.07mm；平台运动质量m=10kg，无外力，同步带轮直径30mm。(仅考虑直连）如果不做减速，直接将电机联接带轮，将负载转矩放大3倍0.3×3=0.9Nm425786步进电机步进电机选型示例已知:直线平台水平往复运动，最大行程L=400mm，同步带传动；往复运动周期为T=4s；定位误差≤0.07mm；平台运动质量m=10kg，无外力，同步带轮直径30mm。(仅考虑直连）235mm/s÷（π×30mm）×60=150rpm步进电机转速一般选择100rpm左右，太低会振动，太高扭矩下降明显，不超过300rpm。360°÷800=0.45°0.45°×[（π×30）÷360°]=0.12mm步进电机驱动器电流设置决定了电机的运行速度、转矩、发热量和系统精度。因此，正确的电流设置是保障系统性能和使用寿命的重要保证。以下是步进电机驱动器电流设置的基本原则:1.根据电机参数手册选择合适电流值，一般建议电流设置在电机额定电流的70%~80%。2.根据具体需求调整电流值，如需要提高速度，可以适当增加电流值，反之则减小电流值，以达到最佳效果。3.设置电流值时要结合负载情况进行实验，根据实际情况进行调整步进电机驱动器电流设置的基本原则步进电机步进电机选型示例已知:直线平台水平往复运动，最大行程L=400mm，同步带传动；往复运动周期为T=4s；定位误差≤0.07mm；平台运动质量m=10kg，无外力，同步带轮直径30mm。(仅考虑直连）如果采用二级减速同步带，传动比为3TL=(17.63×0.015)/3=0.088Nm电机转矩0.3Nm（3倍）420.45°×[（π×30）÷360°]÷3=0.04mm235mm/s÷（π×30mm÷3）×60=450rpm步进电机步进电机选型惯量匹配步进电机步进电机选型惯量匹配如果机械系统期望具有较高的敏捷性、快速移动能力和频繁的启停，那么惯量设计为2或1惯量比负载惯量与电机惯量（或称为电机转子惯量）之间的比值对于不以高性能和快速响应为主要设计目标的系统，惯量比可以选择为10，甚至在某些极端情况下选择为100也是可能的惯量匹配计算惯量匹配计算平行轴定理（一）等效负载惯量JL

的计算1．联动回转体转动惯量

现在的控制轴为轴1，将轴2的转动惯量换算到对轴1的转动惯量时，根据能量守恒定理，转换时能量守恒，则惯量匹配计算（一）等效负载惯量JL

的计算推广到一般多轴传动系统，设各轴的转速分别为n1、n2、n3、…

、nk各轴的转动惯量分别为J1、J2、J3、…JK，所有的轴对轴1的等效转动惯量为惯量匹配计算1．联动回转体转动惯量

2．直线运动物体的等效转动惯量现在求该工作台对特定的控制轴（如电机轴）的等效转动惯量。设m为工作台的质量，v为工作台的移动速度，[J]L为负载m对电机轴的等效转动惯量.

n为电机轴的转速(r/min)。直线运动工作台的动能为

假设将此能量转换成电机轴回转运动的能量，根据能量守恒定理得惯量匹配计算2．直线运动物体的等效转动惯量

推广到一般情况，设有k个直线运动的物体，由一个轴驱动，各物体的质量分别为m1、m2、m3、…mk，各物体的速度分别为v1、v2、v3、…vk，控制的转速为n1，则对控制轴的等效转动惯量为惯量匹配计算等效负载惯量JL的计算惯量匹配计算在某些机器人系统中，既有作回转运动的部件，也有作直线运动的部件。综合以上两种情况就可以得到回转一直线运动装置的等效转动惯量。对特定的控制轴i（例如电机轴）的整个装置的等效转动惯量，按下式计算式中k—

构成装置的回转轴的个数；k′—

构成装置的直线运动部件的个数；ni—特定控制轴i的转速；nj—任意回转轴j的转速；vj—

任意直线运动部件j的移动速度；Jj——对任意回转轴j的回转体的转动惯量；mj—任意直线运动部件的质量。惯量影响转动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响，惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。惯量匹配计算例如:机床应用对速度波动要求较高，一般选择大惯量电机;纺织应用对快速响应要求较高，一般选择小惯量电机;负载突变频繁速度稳定性要求高抑制速度波动增强抗扰动能力高频启停需求(喷气织机引纬动作需在10ms内完成加速-匀速-减速循环)动态响应优先级(纱线张力控制要求电机在5ms内响应速度指令，防止断纱)提升加速度;拓宽控制带宽系统固有频率驱动力矩机器人设计中的惯量优化原则惯量匹配计算核心目标最小化惯量：在保证刚度和强度的前提下，通过轻量化设计降低J。惯量匹配：负载惯量JL​与电机转子惯量Jm​的比值通常需满足JL​/Jm

<5∼10（依驱动器性能而定），否则会恶化稳定性。具体措施（1）结构设计采用中空轴、镂空结构、轻质材料（碳纤维、铝合金）；质量分布靠近旋转中心，如将重物安装在靠近转轴的位置。（2）传动匹配通过减速器折算惯量，需权衡减速器引入的背隙和刚度损失（3）材料与工艺使用高比刚度材料（如钛合金）实现轻量化与高刚度共存；采用拓扑优化算法去除冗余质量。机器人设计中的惯量优化原则惯量匹配计算问题：关节惯量过大导致高速运动时振动明显，轨迹精度超差。解决方案：将实心钢制臂替换为碳纤维复合臂，惯量降低40%。优化减速器选型，采用高刚性谐波减速器（维持刚度）并增大减速比（折算负载惯量）。在电机端增加惯性飞轮（局部增大Jm），改善惯量匹配比。结果：带宽提升30%，定位精度达到±0.02mm。小马拉大车常见传动机构等效负载惯量JL的计算对电机轴系统等效惯量应该怎么计算？包含什么？减速器、丝杠、负载质量丝杠传动系统式中Pb为导程惯量匹配计算电机选型惯量匹配计算负载转矩计算惯量匹配计算加速转矩计算惯量匹配计算总转矩计算惯量匹配计算校验惯量比惯量匹配计算负载惯量JL=0.01530463kgm2伺服电机伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件伺服电动机可分为两类：交流伺服电动机和直流伺服电动机伺服电机直流伺服电动机伺服电机交流伺服电动机原理又叫DC无刷伺服电机转子的任意回转位置总能与其正弦波相位正交，我们就可以得到平滑的转矩，获得高效率的AC伺服电机。转子位置检测及其相位正交控制，成为AC伺服电机控制的关键。交流伺服电动机原理伺服电机伺服电机的控制系统伺服电机DC电机的速度公式3种对DC电机速度的控制方法：改变电枢端电压、电枢回路电阻、改变主磁通伺服电机的控制系统伺服电机快速定位运动模型中，负载重量M=5kg，同步带轮直径D=60mm，D1=90mm，D2=30mm，负载与机台摩擦系数µ=0.003，负载最高运动速度2m/s，负载从静止加速到最高速度时间100ms，忽略各传送带轮重量，选择伺服电机。练习快速定位运动模型中，负载重量M=5kg，同步带轮直径D=60mm，D1=90mm，D2=30mm，负载与机台摩擦系数µ=0.003，负载最高运动速度2m/s，负载从静止加速到最高速度时间100ms，忽略各传送带轮重量，选择伺服电机。计算电机驱动负载所需要的扭矩摩擦力矩动载力矩计算电机所需要转速快速定位运动模型中，负载重量M=5kg，同步带轮直径D=60mm，D1=90mm，D2=30mm，负载与机台摩擦系数µ=0.003，负载最高运动速度2m/s，负载从静止加速到最高速度时间100ms，忽略各传送带轮重量，选择伺服电机。计算折算到电机轴上的负载惯量直线电机直线电机直线电机又称线性电机，线性马达，是一种能把电能转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。直线电动机与旋转电动机类似，通入三相电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线电动机运行的基本原理。结构形式可分为平板式、U形及圆筒式。直线电机直线电机结构简单由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降定位精度高在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高反应速度快、灵敏度高，随动性好直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。直线电机直线电机应用场景工业自动化领域：在工业自动化领域，直线电机具有快速、准确的特点，因而被广泛应用于自动化生产线的装配、搬运、分拣等工作。医疗设备领域：在医疗设备领域，直线电机可以应用于医疗器械的定位、搬运、注射等工作。航空航天领域：在航空航天领域，直线电机可以应用于飞机、卫星等航空器的姿态控制、推进系统等工作。智能家居领域：在智能家居领域，直线电机可应用于智能家居设备的控制和调节。交通运输领域：在交通运输领域，直线电机可应用于高速列车、磁悬浮列车、地铁等交通工具的推进系统。直线电机特种电机直驱电机（DD马达DirectDrive）“三高”高速、高分辨率、高扭矩1986年世界第一个DD马达，用于机器人驱动美国夏威夷反射天文望远镜，6个DD马达特种电机横河DM1C-004重复精度+/-0.069″绝对精度+/-6arc-sec定位时间以及整定时间短（20ms)整定时间：电机从启动到达到设定转速，或从设定转速到完全停止所需的时间最大力矩3000Nm静态负载40000N特种电机特种电机超声电机超声波电动机是一种全新概念的驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。这种新型电机一般工作于20kHz以上的频率，故称为超声波电动机。压电陶瓷促动器上被施加预应力，通过一个耦合元件抵住移动导向转子。在高频交流电压的作用下，压电陶瓷促动器被激发产生超声波振动。促动器的变形使耦合元件相对于转子产生周期性的对角运动。建立的进给为几纳米每循环；高频率带来高速度。超声电机低速大转矩低速大转矩反应速度快，控制特性好无电磁干扰停止时具有保持力矩形式灵活，设计自由度大超声电机应用场景佳能首款EOS相机650扫描隧道显微镜嫦娥五号机器人超声关节高精度平台扫描隧道显微镜磁悬浮列车4.1驱动-传动系统的组成及各部分的主要类型4.2谐波传动4.3RV摆线针轮传动4.5步进电动机4.6伺服电动机4.7气压传动与控制技术4.8液压传动与控制技术及其在机器人的应用第四章机器人驱动和传动系统4.7气压传动与控制技术流体传动与机器人驱动需求液压传动：重型机器人的动力核心气压传动：柔性协作的关键技术对比分析与机器人选型策略前沿案例与未来趋势4.7气压传动与控制技术流体传动与机器人驱动需求机器人驱动技术分类电机驱动流体驱动（液压/气压）vs大功率输出效率高控制精度高环境适应性强过载保护易于集成维护复杂环境敏感负载有限散热问题响应速度较慢价格昂贵4.7气压传动与控制技术流体传动与机器人驱动需求4.7气压传动与控制技术流体传动与机器人驱动需求机器人驱动技术分类柔性交互重型高压作业徐工破拆机器人气动柔性夹爪蛟龙号机械臂4.7气压传动与控制技术流体传动与机器人驱动需求流体传动核心优势对比表蛟龙号机器人液压系统可在60MPa水压下稳定工作4.7气压传动与控制技术液压驱动系统及其特性液压驱动系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。电液比例控制系统的一般技术构成方块图阀控系统和泵控系统4.8液压传动与控制技术液压控制系统的典型组成液压控制系统的组成包括输入组件、检测反馈组件、比较组件及转换放大装置（含能源）、执行器和受控对象等部分4.8液压传动与控制技术带钢恒张力控制系统1—张力调节液压缸；2—牵引辊；3—热处理炉；4—转向辊；5—力传感器；6—浮动阀；7—电液伺服阀；8—加载装置；9—电放大器4.7气压传动与控制技术（1）气动系统在机器人应用的优势气动系统有以下优点：①以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道。②因空气的黏度很小（约为液压油动力黏度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。并且不易发生过热现象。③与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快，可在较短的时间内达到所需的压力和速度。这是因为压缩空气的黏性小，流速大，一般压缩空气在管路中流速可达180m/s，而油液在管路中的流速仅为2.5〜4.5m/s。工作介质清洁，不存在介质变质等问题。④安全可靠，在易燃、易爆场所使用不需要昂贵的防爆设施。压缩空气不会爆炸或着火，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动、冲击等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越⑤成本低，过载能自动保护，在一定的超载运行下也能保证系统安全工作。⑥系统组装方便，使用快速接头可以非常简单地进行配管，因此系统的组装、维修以及元件的更换比较简单，⑦储存方便，气压具有较高的自保持能力，压缩空气可储存在贮气罐内，随时取用。即使压缩机停止运行，气阀关闭，气动系统仍可维持一个稳定的压力。故不需压缩机的连续运转。⑧清洁，基本无污染，外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境。对于要求高净化、无污染的场合，如食品、印刷、木材和纺织工业等是极为重要的，气动具有独特的适应能力，优于液压、电子、电气控制。⑨可以把驱动器做成关节的一部分，因而结构简单、刚性好、成本低。⑩通过调节气量可实现无级变速。⑪由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用。总之，气压驱动系统具有速度快、系统结构简单，清洁、维修方便、价格低等特点，在机器人领域应用广泛。4.7气压传动与控制技术国内的气动元件品牌如亚德客、浙文（Zwqd）、LKLC气动助力机械臂FESTO伺服控制系统的组成比例控制系统的基本构成用比例压力阀组成的张力控制系统图4.7气压传动与控制技术第一章绪论第二章机器人运动学基础第三章机器人静力学和动力学基础第四章机器人驱动和传动系统第五章机器人本体的分析与设计第六章机器人手腕与末端执行器设计4.1常见机型及评价4.2关节的构造及其传动配置4.3臂杆及其平衡4.4机器人强度、刚度及其动态特性分析第五章机器人本体的分析与设计4.1常见机型及评价a—直角式（NY—H200）；b—圆柱坐标式（FANUCROBOTOM）；c—水平关节式（SONYSRX—4CH）；d—垂直关节式（MOTOMAN等）直角坐标圆柱坐标吊车式承载较好，两端支撑，刚度较好，通常用于高精度，大载荷应用场景基座式机器人构型简单水平关节（scara-SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）垂直关节开链FANUC-M-200iC两个平行的旋转关节和一个垂直于工作平面的移动关节关节轴线通常相互垂直局部闭链机型评价是一个十分复杂的问题，目前尚无统一的标准在负荷和位姿重复精度相同，自由度数目和驱动方式相同的条件下，最主要的评价指标是：（1）性能指标有：性能重量比，性能价格比（2）能耗指标（3）寿命指标机型评价机型评价（1）性能指标分别为性能重量比KW和性能价格比KC。RV，Rd，RW——速度、灵活度和工作空间的权重，其值为0~1，根据评价重点确定；性能价格比Kc

其中，C—机器人价格（不包括控制器）

（2）能耗指标寿命指标F易损件的换周期表示（单位为小时）

（3）寿命指标。构型原则及方法构思一台工业机器人的操作机，最重要的原则就是满足作业要求即在性能方面满足作业的负荷要求、精度要求、速度要求、环境要求；在几何方面满足空间要求和姿态要求。对操作机的构形来说，几何要求是其重要的设计依据。设计一台带有局部闭链的垂直关节同轴减速传动式机器人

机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的有力工具。首先确定使用机器人是否需要与合适，决定采用后需要做如下分析工作：

(1)明确采用机器人的目的和任务。

(2)分析机器人所在系统的工作环境，包括设备兼容性等。

(3)认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重量……

(4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。总体设计的步骤：1.系统分析总体设计的步骤：2.技术设计

(1)机器人基本参数的确定。臂力、工作节拍、工作范围、运动速度及定位精度等。

举例：定位精度的确定机器人或机械手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机械手本身所能达到的定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚性、驱动方式、缓冲方式等。工艺过程的不同，对机器人或机械手重复定位精度的要求也不同，不同工艺过程所要求的定位精度如下：金属切削机床上下料：±(0.05-1.00)mm

冲床上下料：±1mm模锻：±(0.1-2.0)mm点焊：±1mm装配、测量：±(0.01-0.50)mm喷涂：±3mm当机器人或机械手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。(2)

机器人运动形式的选择。

常见机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。(3)拟定检测传感系统框图。选择合适的传感器，以便结构设计时考虑安装位置。(4)

确定控制系统总体方案，绘制框图。(5)机械结构设计。确定驱动方式，选择运动部件和设计具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。总体设计的步骤：2.技术设计总体设计的步骤：3.仿真分析

(1)运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。(2)动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满足要求。

(3)运动的动态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，实现机器人的运动仿真。

(4)性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行仿真计算。

(5)方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、结构、尺寸和参数进行修改，加以完善。机器人机械系统设计是机器人设计的重要部分。其他系统的设计尽管有各自的独立性，但都必须与机械系统相匹配，相辅相成，构成一个完整的机器人系统。主体结构设计主体结构设计的关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式（1）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩（2）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降、伸缩（3）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动和伸缩（4）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动传动方式选择（1）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式（2）工业机器人的传动形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，能耗大间接传动减速比远>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，成本高模块化结构设计模块化工业机器人。由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。模块化结构设计模块化结构设计(1)经济性设计和制造通用性很强的工业机器人是很不经济的，价格昂贵。用户希望厂商能为诸多的作业岗位提供可选择的，自由度尽可能少，控制和编程简单，实用性强的专用机器人。

(2)灵活性

①可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴模块,工业机器人成为移动式机器人。②为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长长度的手臂模块或加接手臂模块。③能不断对现役模块化工业机器人更新改造。比如，用户可以选用伸缩套筒式手臂模块来更替原有固定长度的模块；可更换更高性能的控制模块和更高精度的传感器模块；更换新模块来进行工业机器人的维修保养。刚度比较差整体重量有可能增加尚未真正做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计机器人本体材料的选择材料选择基本要求强度高阻尼大弹性模量大重量轻经济性好

(1)强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。

(2)弹性模量大。从材料力学公式可知，构件刚度(或变形量)与材料的弹性模量E、G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性对弹性模量却没有多大差别。比如，普通结构钢的强度极限为420MPa，高合金结构钢的强度极限为2000～2300MPa，但是二者的弹性模量E却没有多大变化，均为210000MPa。因此，还应寻找其它提高构件刚度的途径。机器人本体材料的选择

(3)重量轻。在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度ρ也大的材料是不合理的。因此，提出了选用高弹性模量低密度材料的要求，可用E/ρ指标来衡量。下表列出了几种材料的应E、ρ和E/ρ值,供参考。

机器人本体材料的选择机器人本体材料的选择(4)阻尼大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人的臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是由于在构件终止运动的瞬时，构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生“残余振动”。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。

(5)材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如棚纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。机器人本体材料的选择机器人常用材料碳素结构钢和合金结构钢铝、铝合金及其他轻合金材料纤维增强合金陶瓷纤维增强复合材料粘弹性大阻尼材料机器人本体材料的选择

(1)碳素结构钢、合金结构钢：强度好，特别是合金结构钢强度增大了4至5倍,弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。

(2)铝、铝合金及其它轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻，弹量模量E并不大，但是材料密度小,故E/ρ比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，例如添加了3.2%重量的锂的铝合金弹性模量增加了14%，E/ρ比增加16%。

(3)纤维增强合金：如棚纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，其E/ρ比分别达到11.4×107m2/s2和8.9X107m2/s2。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/ρ比，而且没有无机复合材料的缺陷，但价格昂贵。机器人本体材料的选择

(4)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂的样品。

(5)纤维增强复合材料：这类材料具有极好的E/ρ比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大的优点，传统金属材料不可能具有这么大的阻尼。所以,在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等使其具有最大阻尼值。机器人本体材料的选择

(6)粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工大和西安交大进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明：机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为土0.30mm，处理后为士0.16mm，残余振动时间在阻尼处理前、后分别为0.9s和0.5s。平衡系统设计采用平衡系统的理由必要性：

(1)安全。根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩包括重力矩项，即各连杆质量对关节产生重力矩。因为重力是永恒的，即使机器人停止了运动，重力矩项仍然存在。