機(jī)器人的總體和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、1,機(jī)器人工程及應(yīng)用,2,,機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù) 機(jī)器人總體設(shè)計 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 傳動部件設(shè)計 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計 機(jī)身設(shè)計 臂部設(shè)計 手腕設(shè)計 手部設(shè)計,第二講：機(jī)器人的總體和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計,3,2.1 機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù),,機(jī)器人設(shè)計包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，檢測傳感系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計等，是機(jī)械、電子、檢測、控制和計算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。為了明確機(jī)器人的設(shè)計任務(wù)和過程，我們以工業(yè)機(jī)器人為例對機(jī)器人的組成和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行一些介紹。,4,2.1.1 機(jī)器人的基本組成,,如圖所示，機(jī)器人由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分成驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人環(huán)境交互

2、系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)。,圖2-1 機(jī)器人的基本組成,5,2.1.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù),,機(jī)器人技術(shù)參數(shù)是機(jī)器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，不同的機(jī)器人其技術(shù)參數(shù)不一樣。但是，工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)一般都應(yīng)有：自由度、定位精度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大工作速度、承載能力等。,6,圖2-2 PUMA 562型機(jī)器人,圖2-3 Stewart機(jī)構(gòu),1、自由度,7,2、定位精度與重復(fù)定位精度,機(jī)器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個統(tǒng)計量來表示

3、。它是衡量一系列誤差值的密集度，即重復(fù)度。如下圖所示。,8,(a) 重復(fù)定位精度的測定； (b) 合理定位精度，良好重復(fù)定位精度； (c) 良好定位精度很差重復(fù)定位精度； (d) 很差定位精度，良好重復(fù)定位精度。,圖2-4 機(jī)器人精度和重復(fù)精度的典型情況,9,3、工作范圍,工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫做工作區(qū)域。因?yàn)槟┒瞬僮髌鞯男螤詈统叽缡嵌喾N多樣的，為了真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。,圖2-5 PUMA 機(jī)器人工作范圍,10,4、最大工作速度,通常指機(jī)器人手臂末端的最大速度。提高速度可提高工作效率，因此提高機(jī)器人的加速減速

4、能力，保證機(jī)器人加速減速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。,11,5、承載能力,承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。機(jī)器人的載荷不僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，而且還與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見，承載能力是指高速運(yùn)行時的承載能力。通常，承載能力不僅要考慮負(fù)載，而且還要考慮機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量。,12,2.2 機(jī)器人總體設(shè)計,,機(jī)器人總體設(shè)計的主要內(nèi)容有：確定基本參數(shù)，選擇運(yùn)動方式，手臂配置形式，位置檢測，驅(qū)動和控制方式等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，對各部件的強(qiáng)度、剛度做必要的驗(yàn)算。機(jī)器人總體設(shè)計步驟分以下幾個部分。,13,2.2.1 系統(tǒng)分析,,機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過

5、程自動化、提高勞動生產(chǎn)率的有力工具。首先確定使用機(jī)器人是否需要與合適，決定采用后需要做如下分析工作： (1)明確采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。 (2)分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括設(shè)備兼容性等。 (3)認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方 案。如機(jī)器人的自由度數(shù)、信息的存儲容量、定位精度、抓取重量 (4)進(jìn)行必要的調(diào)查研究，搜集國內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料。,14,2.2.2 技術(shù)設(shè)計,,(1)機(jī)器人基本參數(shù)的確定。臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、運(yùn)動速度及定位精度等。 舉例：定位精度的確定 機(jī)器人或機(jī)器手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機(jī)器人或機(jī)器手本身所能達(dá)到的定位精度取決于定

6、位方式、運(yùn)動速度、控制方式、臂部剛性、驅(qū)動方式、緩沖方式等。 工藝過程的不同，對機(jī)器人或機(jī)器手重復(fù)定位精度的要求也不同，不同工藝過程所要求的定位精度如下： 金屬切削機(jī)床上下料：(0.05-1.00) mm 沖床上下料：1 mm 模鍛： (0.1-2.0) mm 點(diǎn)焊： 1 mm 裝配、測量： (0.01-0.50) mm 噴涂： 3 mm 當(dāng)機(jī)器人或機(jī)器手本身所能達(dá)到的定位精度有困難時，可采用輔助工夾具協(xié)助定位的辦法，即機(jī)器人實(shí)現(xiàn)粗定位、工夾具實(shí)現(xiàn)精定位。,15,,(2) 機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇。 常見機(jī)器人的運(yùn)動形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和SCA

7、RA型。 (3) 擬定檢測傳感系統(tǒng)框圖。選擇合適的傳感器，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮安裝位置。 (4) 確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖。 (5) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。確定驅(qū)動方式，選擇運(yùn)動部件和設(shè)計具體結(jié)構(gòu)，繪制機(jī)器人總裝圖及主要部件零件圖。,16,2.2.3 仿真分析,,,(1)運(yùn)動學(xué)計算。分析是否達(dá)到要求的速度、加速度、位置。 (2)動力學(xué)計算。計算關(guān)節(jié)驅(qū)動力的大小，分析驅(qū)動裝置是否滿足要求。 (3)運(yùn)動的動態(tài)仿真。將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動仿真。 (4)性能分析。建立機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，對機(jī)器人動態(tài)性能進(jìn)行仿真計算。 (5)方案和參數(shù)修改。運(yùn)用仿真分析的結(jié)果對所設(shè)計的方案、結(jié)

8、構(gòu)、尺寸和參數(shù)進(jìn)行修改，加以完善。 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計是機(jī)器人設(shè)計的重要部分。其他系統(tǒng)的設(shè)計盡管有各自的獨(dú)立性，但都必須與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，相輔相成，構(gòu)成一個完整的機(jī)器人系統(tǒng)。,17,2.3 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計,,在確定機(jī)器人運(yùn)動形式的基礎(chǔ)上，機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計還包括確定機(jī)器人驅(qū)動方式、關(guān)節(jié)驅(qū)動方式、材料選擇、平衡系統(tǒng)設(shè)計和零部件設(shè)計。,18,2.4 傳動部件設(shè)計,,機(jī)器人是運(yùn)動的，各個部位都需要能源和動力，因此設(shè)計和選擇良好的傳動部件是非常重要的。這涉及到關(guān)節(jié)形式的確定，傳動方式以及傳動部件的定位和消隙等多個方面。 (1) 關(guān)節(jié)(如轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與移動關(guān)節(jié)) (2) 傳動件的定位和消隙 (3)

9、機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)(如齒輪、繩與鋼帶傳動等),19,2.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計,,機(jī)器人可分成固定式和行走式兩種。一般的機(jī)器人多為固定式，但隨著海洋科學(xué)、原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，移動機(jī)器人、自動行走機(jī)器人的應(yīng)用也越來越多。列舉如下： (1) 車輪式行走機(jī)器人 (2) 腳式行走機(jī)器人 (3) 履帶式行走機(jī)器人 (4) 其他行走機(jī)器人,20,2.6 機(jī)身設(shè)計,,機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)有三大部分：機(jī)身、手臂(包括手腕)、手部。機(jī)身，又稱為立拄，是支撐臂部的部件，并能實(shí)現(xiàn)手臂的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰運(yùn)動機(jī)器人必須有一個便于安裝的基礎(chǔ)件，這就是機(jī)器人的機(jī)座機(jī)座往往與機(jī)身做成一體。,21,2.7 臂部設(shè)計,,2.8 手腕設(shè)計,2.9 手部設(shè)計 機(jī)器人手也叫末端操作器，相當(dāng)于人的手抓。主要作用是夾持工件或讓工具按照規(guī)定的程序完成指定的工作。 手抓用于抓取物體，并進(jìn)行細(xì)微的操作。人的五指有20個自由度，通過關(guān)節(jié)的伸曲，可以進(jìn)行各種復(fù)雜的動作。 手部設(shè)計的主要研究方向是柔性化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化。,