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1、工业机器人,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,工业机器人的机械系统包括哪几个部分？,由第一章内容可知，工业机器人的机械系统包括机身、臂部、手腕、末端操作器和行走机构等部分。,工业机器人机械系统设计,本章主要内容,工业机器人的总体设计驱动机构机身和臂部设计腕部设计手部设计行走机构设计,工业机器人机械系统设计,2.1 工业机器人总体设计,机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析与技术设计。,明确机器人的目的和任务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确定机器人的基本功能和设计方案，确定具体技术指标进行必要调查研究,工业机器人机械系统设计,工业机器人的技术参数包
2、括哪几个部分？,由第一章内容可知，工业机器人的技术参数包括自由度、定位精度和重复定位精度、工作空间、最大工作速度和承载能力等部分。,工业机器人机械系统设计,2.1 工业机器人总体设计,机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析与技术设计。,自由度：批量大、可靠性高、运行速度快、承载重量轻的情况下可选择少自由度；产品更换频繁、系统柔性大的情况下可选择多自由度。总体而言，在满足机器人工作需求的前提下，为简化结构和控制，应使自由度尽量少。,工业机器人机械系统设计,2.1 工业机器人总体设计,机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析与技术设计。,工作范围：根据工艺要求和操作动作的轨迹来确定。运动速度：根
3、据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而确定个动作机器人的运动速度。承载能力：根据被抓取、搬运物体的质量来确定。定位精度：根据使用要求确定。,工业机器人机械系统设计,2.1 工业机器人总体设计,机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析与技术设计。,根据工艺要求、工作现场、位置以及搬运前后弓箭中心线方向的变化等情况择优选取。专用机械手一般要求23个自由度、通用机器人必须具有46个自由度。在满足需要的情况下，应使自由度最少、结构最简单。,工业机器人机械系统设计,2.1 工业机器人总体设计,机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析与技术设计。,选择适合的传感器并在机械结构上设计其安装位置。,确定
4、控制系统类型，设计硬件电路与控制软件。,确定驱动方式，选择运动部件和设计具体结构。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,驱动机构分为直线驱动机构和旋转驱动机构，可以由以下几种不同驱动方式来实现：,易获得较大推力或扭矩工作平稳、位置精度高易实现力和速度的自动控制机械效率高，使用寿命长,油液黏度随温度变化影响工作性能，易燃易爆液体易泄漏需要专门的供油系统,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,驱动机构分为直线驱动机构和旋转驱动机构，可以由以下几种不同驱动方式来实现：,空气黏度小，易达到高速使用安全，适用于恶劣工作环境价格低廉能实现过载保护,单位体积能提供的动力小工作平稳性差，位置精度低除
5、水麻烦噪声污染,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,驱动机构分为直线驱动机构和旋转驱动机构，可以由以下几种不同驱动方式来实现：,利用电动机直接驱动机械传动装置。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。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的直线驱动机构包括：,齿条(4)固定，齿轮(3)转动时联通拖板(1)沿着齿条方向做直线运动。该装置的回差较大。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的直线驱动机构包括：,采用一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿着丝杠轴向移动，从而将丝杠的旋转运动转化成螺母的直线运动。传动效率低、精度低、回差大。,工业机器人
6、机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的直线驱动机构包括：,螺母槽里放置了很多滚珠，在丝杠传动过程中以滚珠的滚动摩擦代替滑动摩擦，传动效率较高。通常采用两个背靠背的双螺母来消除丝杠和螺母之间的间隙。,工业机器人机械系统设计,工业机器人机械系统设计,微小型丝杠,工业机器人机械系统设计,1丝杠,2螺母,3滚珠,4回程引导装置,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,a、传动效率高 b、运动可逆c、刚度好 d、传动精度高e、寿命长 f、不能自锁g、工艺复杂,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的直线驱动机构包括：,将液压泵(或空气压缩机)输出的压力能转换为机械能，驱
7、动执行构件做直线往复运动。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转驱动机构包括：,由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构，可以传递运动角位移和角速度，也可以传递力和力矩。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转驱动机构包括：,不计能量损失的情况下，根据能量守恒可以得到：,由于啮合齿轮转过的圆周距相等，得到：,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转驱动机构包括：,进一步可以得到啮合齿轮的齿数与半径、角速度之间的关系为：,输入输出轴之间传递的扭矩、角位移和角速度之间的关系为：,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转驱动机构包括：,将输出轴齿轮转
8、动惯量等效到与电机相连的输入轴上，可以得到系统等效转动惯量为：,根据动能定理有：,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转驱动机构包括：,(1)齿轮链的引入会减小系统等效转动惯量，使电动机的响应时间缩短，使伺服系统易于控制。输出轴等效到输入轴上的等效转动惯量与输入/输出齿轮齿数比的平方成正比。(2)齿轮间隙误差将导致机器人手臂的定位误差增加，若不采取补偿措施还会引起伺服系统的不稳定。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转驱动机构包括：,用于传递平行轴间的运动或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：,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转
9、驱动机构包括：,同步皮带传动的优点在于：传动时无滑动，传动比精确，传动平稳；速比范围大；初始拉力小，轴及轴承不易过载。同步皮带传动的限制在于：对传动机构的制造及安装要求严格，对皮带的材料要求较高，故成本较高。同步皮带传动是低惯性传动，适合于电动机和高减速比减速器之间的传动。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转驱动机构包括：,谐波齿轮传动机构由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三部分组成。其传动特点在于：,结构简单，体积、质量小；传动比范围大；运动精度高，承载能力大；运动平稳，无冲击，噪声小；齿侧间隙可以调整。,工业机器人机械系统设计,试分析谐波齿轮的工作原理与特点,如图所示，谐波
10、齿轮传动主要由谐波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮组成。柔性齿轮具有外齿，刚性齿轮具有内齿，它们的齿形为三角形或渐开线型。其齿距P相等，但齿数不同。刚性齿轮的齿数、比柔性齿轮齿数多2个。柔性齿轮的轮缘极薄，刚度很小，在未装配前，柔性齿轮是圆形的。,工业机器人机械系统设计,试分析谐波齿轮的工作原理与特点,由于波形发生器的直径比柔轮内圆的直径略大。所以当波形发生器装入柔轮的内圆时，就迫使柔轮变形，呈椭圆形。在椭圆长轴的两端，刚轮与柔轮的轮齿完全啮合，而在椭圆短轴的两端，两轮的轮齿完全分离，长短轴之间的齿，则处于半啮合状态，即一部分正在啮入，一部分正在脱出当谐波发生器转动时，迫使柔轮的长短轴的方向随之发生
11、变化柔轮与刚轮上的齿依次进入啮合。,工业机器人机械系统设计,2.2 驱动机构,常用的旋转驱动机构包括：,由渐开线圆柱齿轮行星减速机构和摆线针轮行星减速器两部分组成。其传动特点在于：,轴向尺寸可大大缩小；传动平稳，使用寿命长；通过合理设计能获得高精度；刚性和抗冲击性高；传动比范围大；传动效率高。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,工业机器人主要由三大部分构成：机身(立柱)、臂部(包括手腕)、手部。若是固定式，则固定机座一般与机身为一体；若是移动式，则还需要一个行走机构。,机身是连接、支撑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。臂部机器人的主要执行部件，用于支撑腕部和
12、手部，带动手及腕在空间 运动。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1)机身设计,机身一般用于实现升降、回转和俯仰等运动，通常有13个自由度。机身结构一般由机器人的坐标形式来确定：圆柱坐标型：回转、升降自由度；球坐标型：回转、俯仰自由度；关节坐标型：回转自由度；直角坐标型：升降或水平移动自由度。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1)机身设计,采用摆动油缸驱动，升降油缸在上、回转油缸在下；,采用摆动油缸驱动，回转油缸在上、升降油缸在下；,采用链条传动机构。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1)机身设计,俯仰动作一般采用液压(气)缸与连杆机构来实现
13、，液压缸位于手臂下方，活塞杆和手臂用铰链连接。此外，也有采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构来实现俯仰运动。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1)机身设计,机身做垂直运动时，除了需要克服摩擦力之外，还要克服运动部件的重力及惯性力。故，驱动力Fq计算如下：,Fm为各支撑处的摩擦力；Fg为启动时的总惯性力；G为运动构件总重力。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1)机身设计,回转运动的驱动力矩包括：回转部件的摩擦总力矩和运动构件的总惯性力矩。故，驱动力矩Mq计算如下：,Mm为总摩擦阻力矩；Mg为总惯性力矩，且有：,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,
14、(1)机身设计,机器人手臂偏重力矩为：,Gi为零部件及工件的重量；Li为零部件及工件重心到机身回转轴的距离。若偏重力矩过大，会使支承导向套与立柱之间的摩擦力过大，依靠自重下降则立柱可能卡死在导向套内出现自锁。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1)机身设计,为防止自锁必须根据偏重力矩来确定导向套的长度。根据平衡条件可知：,要使升降立柱在导套内自由下降，臂部总重量G必须大于导套与立柱间的摩擦力，因此不卡死的条件为：,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(1)机身设计,为保证机器人工作过程中的灵活性和准确性，还必须注意以下几点：机身要有足够的刚度、强度和稳定性；运动要灵
15、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；驱动方式要适宜；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,(2)臂部设计,工业机器人的臂部由大臂、小臂(或多臂)所组成，一般具有23个自由度，完成伸缩、回转、俯仰或升降动作，是工业机器人的主要执行部件，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。臂部运动部分零件重量直接影响臂部结构的刚度和强度，同时由于其承受运动过程中的动、静载荷和惯性力较大，还影响着机器人定位的准确性。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(2)臂部设计,臂部结构的形式取决于机器人的运动形式、抓取动作自由度和运动精度等。一般需要注意
16、以下几点要求：具有局够的承载能力和刚度；导向性要好；重量和转动惯量要小；运动要平稳、定位精度要高。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(2)臂部设计,臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击就越大，因此要采用一定的缓冲措施。工业机器人常用的缓冲装置有弹性缓冲元件、液压(气)缸端部缓冲装置、缓冲回路和液压缓冲器等。按照在机器人或机械手结构中设置位置的不同，可分为内部缓冲器装置和外部缓冲装置两类。,工业机器人机械系统设计,2.3 机身和臂部设计,(2)臂部设计,工业机器人机械系统设计,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
17、传动的增倍机构。,工业机器人机械系统设计,活塞杆3左移时，与活塞杆相连接的齿轮2也左移，并使运动齿条1一起左移；由于齿轮2与固定齿条4啮合，因而齿轮2在移动的同时，又在固定齿条上滚动，并将此运动传给运动齿条1，从而使运动齿条1又向左移动一距离。因手臂固连于齿条1上，所以手臂的行程和速度均为活塞杆3的两倍。,工业机器人机械系统设计,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，与齿条啮合的齿轮即做往复回转运动。齿轮与手臂固连，从而实现手臂的回转运动。,工业机器人机械系统设计,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1的两腔通压
18、力油时，连杆2带动曲柄3绕轴心O作90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4上的定位螺钉6和5来调节。,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。机器人一般具有6个自由度才能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的姿态，手腕自由度主要用于实现所期待的姿态。,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,腕部一般要求能够实现对空间3个坐标轴的转动，即具有回转(R)、俯仰(P)和偏转(Y)3个自由度。,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,回转(R)关节：手臂纵轴线与手腕关节轴线共轴线旋转角度大；弯曲(B)关节：
19、关节轴线与前后两个连接件的轴线垂直旋转角度小；移动(T)关节,(1)按自由度数目分类,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,BR关节：1个R关节与1个B关节组成；BB关节：2个B关节组成；RR关节：2个R关节组成，自由度退化为1。,(1)按自由度数目分类,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,常用的三自由度手腕的结构形式包括：BBR、RRR、BRR和RBR四种。,(1)按自由度数目分类,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,(2)按驱动方式分类,将驱动元件直接装在手腕上，可以使结构十分紧凑。图为一种液压直接驱动的BBR手腕。其中M1、M2、M3是液压马达，直接驱动实现手腕的偏转、俯
20、仰和翻转3个自由度的轴。,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,(2)按驱动方式分类,图为一种采用远距离齿轮传动机构来实现手腕回转和俯仰的二自由度手腕。手腕的回转运动由传动轴S传递，轴S驱动锥齿轮1回转，并带动锥齿轮2、3、4转动。因手腕与锥齿轮4连为一体，从而实现手部绕轴C的回转运动。,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,(2)按驱动方式分类,手腕的俯仰运动由传动轴B传递，轴B驱动锥齿轮5回转，并带动锥齿轮6绕轴A回转，因手腕的壳体7与传动轴A用销连接为一体，从而可实现手腕的俯仰运动。,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,(2)按驱动方式分类,当轴S不转而轴B回转时，轴B除带
21、动手腕绕轴A上、下摆动外，还带动锥齿轮4绕轴A转动。由于轴S不动，故锥齿轮3不转，但锥齿轮4与3相啮合，因此迫使锥齿轮4有一个附加的绕轴C的自转，即为手腕的附加回转运动。,工业机器人机械系统设计,2.4 腕部设计,(2)按驱动方式分类,因手腕俯仰运动引起的手腕附加回转运动称为诱导运动。因为手腕安装在手臂的末端，所以手腕的尺寸和质量是手腕设计时要考虑的关键问题。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,工业机器人的手部是安装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件，具有以下特点：(1)手部与手腕相连处可拆卸；(2)是末端操作器；(3)通用性较差；(4)是一个独立部件。,工业机器人机械系统
22、设计,2.5 手部设计,根据手部的用途，一般可以分为手爪和工具两大类，其中手爪具有一定的通用性，可以抓住、握持、释放工件；工具则专门进行某种作业，如喷漆枪、焊具等。,喷漆枪,焊具,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式和吸附式两大类。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式和吸附式两大类。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式和吸附式两大类。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式和吸附式两大类。,工业机器人机械系统设计,2.
23、5 手部设计,根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式和吸附式两大类。,吸附式手部主要包括磁力吸附式和真空吸附式两种。磁力吸附式在手部上安装电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。只能吸住由铁磁材料制成的工件，且被吸取过的工件上会有剩磁，只适用于工件对磁性要求不高的场合。真空吸附式用于搬运体积大、质量小、易碎等物体，在工业自动化生产中得到了广泛应用。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,磁力吸盘式在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住，有电磁吸盘和永磁吸盘两种。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,当线圈1通电后，在铁芯2内外产生磁场，磁力线经过铁芯，空气隙和衔铁3被磁化并形成回路，衔铁受
24、到电磁吸力F的作用被牢牢吸住。盘式电磁铁中，衔铁是固定的，在衔铁内用隔磁材料将磁力线切断，当衔铁接触由铁磁材料制成的工件时，工件将被磁化，形成磁力线回路并受到电磁吸力而被吸住。一旦断电，电磁吸力即消失，工件因此被松开。若采用永久磁铁作为吸盘，则必须强制性取下工件。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,真空吸附式手部主要用于搬运体积大、质量小、易碎、体积微小的物体。真空吸附式手部系统设计的关键问题有以下三个：(1)真空源的选择 是真空系统的“心脏”部分，分为真空泵和真空发生器。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,真空泵是比较常用的真空源，其结构和工作原理与空气压缩机相似，不同的是真
25、空泵的进气口是负压，排气口是大气压。真空发生器是一种新型真空源，以压缩空气为动力源，利用气体在文丘里管中流动、喷射的高速气体对周围气体的卷吸作用来产生真空。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,文丘里管：利用异形管使流经该管流体的速度发生变化从而产生差压的流量检测元件。轴向截面由入口收缩部分、圆筒形喉部和圆锥形扩散段组成。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,对于确定的真空吸附系统，应从以下三方面考虑真空源的选择：1)如果有压缩空气源，选用真空发生器；2)对于真空连续工作的场合，优先选用真空泵，对于真空间歇工作的场合，可选用真空发生器；3)对于易燃、易爆、多尘埃的恶劣工作环境，优先
26、选用真空发生器。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,真空吸附式手部系统设计的关键问题有以下三个：(2)吸盘的结构 按结构可分为普通型与特殊型两大类。普通型吸盘一般用来吸附表面光滑平整的工件。普通吸盘橡胶部分的形状一般为碗状。吸盘的形状可分为长方形、圆形和圆弧形。特殊型吸盘是为了满足特殊应用场合而专门设计的。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,真空吸附式手部系统设计的关键问题有以下三个：(3)吸盘的吸附能力 真空吸附技术以大气压为作用力，通过真空源抽出一定量的气体分子，使吸盘与工件形成的 密闭容积内压力降低，从而使吸盘的内外形成压力差。在这个压力差的作用下，吸盘被压向工件，从而把
27、工件吸起。,工业机器人机械系统设计,2.5 手部设计,(3)吸盘的吸附能力 所产生的吸盘力为W吸附力(N)p吸盘内真空度 A吸盘的有效吸附面积(m2)f安全系数,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,行走机构是行走式机器人的重要执行部件，它由行走驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。其主要有两方面作用：(1)支承机器人的机身、臂部和手部，必须具有一定的刚度和稳定性；(2)根据作业任务要求，实现机器人在更广阔的空间内运动。,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,按照行走机构的运动轨迹可以分为固定轨迹式和无固定轨迹式两类：固定轨迹式：主要用于工业机器人领域；无
28、固定轨迹式：轮式行走机构、履带式行走机构、步行式机构和其他方式行走机构。,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,车轮是行走机构具有移动平稳、能耗小、容易控制等特点。目前应用较多的车轮式行走机构主要为三轮式和四轮式。,转向方案1：前轮做支撑轮，两个后轮独立驱动实现转向。,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,车轮是行走机构具有移动平稳、能耗小、容易控制等特点。目前应用较多的车轮式行走机构主要为三轮式和四轮式。,转向方案2：前轮作为操纵舵来改变方向，后轮用来驱动。,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,车轮是行走机构具有移动平稳、能耗小、容易控制等特点。目前应用较多的车轮式
29、行走机构主要为三轮式和四轮式。,转向方案1：菱形布置。左右两轮为独立驱动轮，调整方向；前后两轮为辅助支撑轮。,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,车轮是行走机构具有移动平稳、能耗小、容易控制等特点。目前应用较多的车轮式行走机构主要为三轮式和四轮式。,转向方案2：矩形布置。两个后轮为驱动轮，通过差动齿轮调整两后轮不同转速；两个前轮为操舵轮，控制方向。,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,车轮是行走机构具有移动平稳、能耗小、容易控制等特点。目前应用较多的车轮式行走机构主要为三轮式和四轮式。,转向方案3：四轮独立驱动，提高回转精度，减小转弯半径。,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,可以在凹凸不平的地面上行走，可以跨越障碍、爬不高的台阶，重心低；但转弯阻力大。,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,利用脚部关节机构、用步行方式实现移动，具有广泛的适应性，但控制上有相当的难度。,工业机器人机械系统设计,2.6 行走机构设计,利用脚部关节机构、用步行方式实现移动，具有广泛的适应性，但控制上有相当的难度。,
