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1、第五章 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計,主要內容,5.1工業(yè)機器人總體設計 5.2傳動部件設計 5.3臂部設計 5.4手腕設計 5.5手部設計 5.6機身及行走機構設計,5.1工業(yè)機器人總體設計,一、主體結構設計 工業(yè)機器人坐標形式有： 直角坐標式 圓柱坐標式 球面坐標式(極坐標式) 關節(jié)坐標式。,1.直角坐標式機器人,一般直角坐標式機器人的手臂能垂直上下移動(Z方向運動)，并可沿滑架和橫梁上的導軌進行水平面內二維移動(x和y方向運動)。 直角坐標式機器人主要用于生產設備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢測作業(yè)。 直角坐標式機器人主體結構具有三個自由度，而手腕自由度的多少可視用途而定。,直角坐標機
2、器人演示,直角坐標機器人應用,直角坐標式機器人的優(yōu)點是： (1)結構簡單。 (2)容易編程。 (3)采用直線滾動導軌后，速度高，定位精度高。 (4)在x，y和z三個坐標軸方向上的運動沒有耦合作用，對控制系統(tǒng)設計相對容易些。,,直角坐標式機器人主要缺點是： (1)導軌面的防護比較困難。 (2)導軌的支承結構增加了機器人的重量，并減少了有效工作范圍。 (3)為了減少摩擦需要用很長的直線滾動導軌，價格高。 (4)結構尺寸與有效工作范圍相比顯得龐大。 (5)移動部件的慣量比較大，增加了驅動裝置的尺寸和能量消耗。,起重機臺架式直角坐標機器人的應用越來越多，在直角坐標機器人中的比重正在增
3、加。,2圓柱坐標式機器人,圓柱坐標式機器人主體結構具有三個自由度：腰轉，升降，手臂伸縮。 手腕通常采用兩（三）個自由度，繞手臂縱向軸線轉動和與其垂直的水平軸線轉動。,,圓柱坐標式機器人的優(yōu)點： （1）除了簡單的“抓一放”作業(yè)外還可以用在許多其它生產領域。 (2)結構緊湊。 (3)在垂直方向和徑向有兩個往復運動，可采用伸縮套筒式結構。當機器人開始腰轉時可把手臂縮進去，在很大程度上減少了轉動慣量，改善動力學載荷。,圓柱坐標式機器人的缺點：主要是由于機身結構的緣故，手臂不能抵達底部，減少了機器人的工作范圍。,3球面坐標式機器人,球面坐標式機器人具有較大的工作范圍，設計和控制系統(tǒng)比較復雜。 在
4、這類機器人中最出名的一種產品是美國unimation公司的Unimation 機器人，它的結構簡圖如圖所示。 機器人主體結構有三個自由度，繞垂直軸線(柱身)轉動、水平軸線(關節(jié)6) 的轉動、手臂伸縮的移動關節(jié)2，其最大行程決定了球面最大半徑，機器人實際工作范圍的形狀是個不完全的球缺。,4關節(jié)坐標式機器人,關節(jié)坐標式機器人主體結構的三個自由度腰轉關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)全部是轉動關節(jié)，手腕的三個自由度上的轉動關節(jié)(俯仰，偏轉和翻轉)用來最后確定末端操作器的姿態(tài)。,,,關節(jié)坐標式機器人的優(yōu)點： （1）結構緊湊，工作范圍大而安裝占地面積小。 (2)具有很高的可達性。 (3)因為沒有移動關節(jié)，所以不
5、需要導軌。 (4)所需關節(jié)驅動力矩小，能量消耗較少。,,關節(jié)坐標式機器人的缺點： (1)肘關節(jié)和肩關節(jié)軸線是平行的，當大小臂舒展成直線時雖能抵達很遠的工作點，但是機器人結構剛度比較低。 (2)機器人手部在工作范圍邊界上工作時有運動學上的退化行為。,二、傳送方式的選擇,傳動方式選擇是指選擇驅動源及傳動裝置與關節(jié)部件的連接形式和驅動方式。 基本的連接形式和驅動方式有如下幾種： （1）直接連接傳動。驅動源或帶有機械傳動裝置直接與關節(jié)相連。 （2）遠距離連接傳動。驅動源通過遠距離機械傳動后與關節(jié)相連。 （3）間接驅動。驅動源經一個速比遠大于1的機械傳動裝置與關節(jié)相連。 （4）直接驅動。驅動源不經過中
6、間環(huán)節(jié)或經過一個速比等于1的機械傳動這樣的中間環(huán)節(jié)與關節(jié)相連。,1直接連接傳動的特點,優(yōu)點：驅動電機直接裝在關節(jié)上、結構緊湊。 缺點：電機比較重，腰轉時大臂關節(jié)電機和小臂關節(jié)電機隨之運動；大臂轉動時小臂關節(jié)電機也隨之運動。不僅增加了能量消耗，而且增大了轉動慣量從動力學觀點來看對系統(tǒng)相有損害。 克服的辦法：把肘關節(jié)電機、肩關節(jié)電機都放到機器人的基礎部件上，通過遠距離的機械傳動把電機動力傳給肘和肩關節(jié)。,2遠距離連接傳動,遠距離連接傳動機器人的主要優(yōu)點： (1)克服了直接連接傳動的缺點。 (2)可以把電機作為一個平衡質量，獲得平衡性良好的機器人主體結構。,,2遠距離連接傳動,遠距離連接傳動
7、機器人的主要缺點： (1)遠距離傳動產生額外的間隙和柔性，影響機器人的精度。 (2)增加能量消耗。 （3）結構龐大，傳動裝置占據(jù)了機器人其它子系統(tǒng)所需要的空間。,,圖所示SCARA機器人采用了一種折哀的方案： 因為手腕離機器人基礎件最遠，把手腕電機從手腕處移到基礎件附近安裝，中間采用同步帶傳動； 因基礎件附近空間已經比較狹窄，并且臂1的剛性也比較好，肘關節(jié)電機就直接裝在肘關節(jié)上。,3間接驅動機器人,間接驅動機器人是驅動電機和關節(jié)之間有一個速比遠大于1的機械傳動裝置。 使用機械傳動裝置的理由是： (1)工業(yè)機器人關節(jié)轉軸的速度不高，而關節(jié)驅動力矩要求比較大。一般電機滿足不了這個要求，所以
8、需要采用速比較大、傳動效率較高的機械傳動裝置作為電機和關節(jié)之間傳遞力矩和速度的中間環(huán)節(jié)。 (2)用于直接驅動的高轉矩低速電機雖然已經開發(fā)出來，但是電機價格高，并且轉矩體積比和轉矩重量比還比較小。,3間接驅動機器人,(3)直接驅動對載荷變化十分敏感。 (4)采用機械傳動裝置后，可選用高速低轉矩電機，對制動器設計和選用十分有利，制動器尺寸小。 (5)可以通過機械傳動裝置解決可能出現(xiàn)的傾斜軸之間、平行軸之間以及轉動-移動之間的運動轉換。,4直接驅動機器人,直接驅動機器人也叫作DD機器人(Direct Drive Robot)簡稱DDR。 DD機器人一般指驅動電機通過機械接口直接與關節(jié)連接，
9、也包括一種采用速比等于l的鋼帶傳動的直接驅動機器人。 DD機器人的特點是驅動電機和關節(jié)之間沒有速度和轉矩的轉換。,,DD機器人與間接驅動機器人相比如下優(yōu)點： (1)機械傳動精度高。 (2)振動小，結構剛度好。 (3)機械傳動損耗小。 (4)結構緊湊、可靠性高。 (5)電機峰值轉矩大，電氣時間常數(shù)小，短時間內可以產生很大轉矩，響應速度快，調速范圍寬。,,目前主要存在的問題是： (1)載荷變化、耦合轉矩及非線性轉矩對驅動及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設計困難和復雜。 (2)對位置、速度的傳感元件提出了相當高的要求。 (3)電機的轉矩重量比，轉矩體積比不大，需開發(fā)小型實用的DD電機。 (4
10、)電機成本高。,三、模塊化結構設計,1.模塊化工業(yè)機器人 模塊化機器人是由一些標準化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結合部用積木拼搭的方式組成一個工業(yè)機器人系統(tǒng)。 模塊化設計是指基本模塊設計和結合部設計。,模塊化機器人演示,2模塊化工業(yè)機器人的特點,(1)經濟性： 采用批量制造技術來生產標準化系列化的工業(yè)機器人模塊，自由拼裝工業(yè)機器人，滿足用戶經濟性好和基本功能全的要求。 (2)靈活性。 其主要體現(xiàn)在： 1)可根據(jù)工業(yè)機器人所要實現(xiàn)的功能來決定模塊的數(shù)量，機器人的自由度可以方便地增減。 2)為了擴大工業(yè)機器人的工作范圍，可更換具有更長長度的手臂模塊或加接手臂模塊。 3)能不斷對現(xiàn)規(guī)模塊化工業(yè)
11、機器人更新改造。,機器人演示,3.模塊化工業(yè)機器人所存在的問題,(1)模塊化工業(yè)機器人整個機械系統(tǒng)的剛度比較差。 (2)因為有許多機械接口及其它連接附件，所以模塊化工業(yè)機器人的整體重量有可能增加。 (3)雖然功能模塊有多種多樣，但是尚未真正做到根據(jù)作業(yè)對象就可以合理進行模塊化分析和設計。,四、材料的選擇,正確選用結構件材料不僅可降低機器人的成本價格，更重要的是可適應機器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力學及動力學特性要求。,選擇的基本要求：,強度高。 彈性模量大。 重量輕。 阻尼大。 材料價格低。,五.平衡系統(tǒng)設計,1工業(yè)機器人平衡系統(tǒng)的作用 在工業(yè)機器人設計中采用平衡系統(tǒng)的理由是
12、： (1)安全。 根據(jù)機器人動力學方程知道，關節(jié)驅動力矩項包括重力矩項，即各連桿質量對關節(jié)產生重力矩。 因為重力是永恒的，即使機器人停止了運動重力矩項仍然存在。這樣，當機器人完成作業(yè)切斷電源后，機器人機構會因重力而失去穩(wěn)定。 平衡系統(tǒng)是為了防止機器人因動力源中斷而失穩(wěn)，引起向地面“例塌”的趨勢。,,1工業(yè)機器人平衡系統(tǒng)的作用 (2)借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人重力引起關節(jié)驅動力矩變化的峰值。 (3)借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人運動而導致慣性力矩引起關節(jié)驅動力矩變化的峰值。 (4)借助平衡系統(tǒng)能減少動力學方程中內部耦合項和非線性項，改進機器人動力特性。 (5)借助平衡系統(tǒng)能減小機械臂結構柔性所引起的
13、不良影響。 (6)借助平衡系統(tǒng)能使機器人運行穩(wěn)定，降低地面安裝要求。,,2平衡系統(tǒng)設計的主要途徑 （1） 質量平衡技術； （2） 彈簧力平衡技術； （3） 可控力平衡技術。,（1) 質量平衡技術 通常采用平行四邊形機構構成平衡系統(tǒng)。其原理是在系統(tǒng)中增加一個質量，與原構件的質量形成一個力的平衡，該平衡系統(tǒng)不隨機器人位姿的變化而失去平衡。,,,,,,5.2傳動部件設計,用戶要求機器人速度高、加速度(減速度)特性好、運動平穩(wěn)、精度高、承載能力大。這在很大程度上決定于傳動部件設計的合理性和優(yōu)劣，所以，關節(jié)傳動部件的設計是工業(yè)機器人設計的關鍵之一。,5.2傳動部件設計,一、移動關節(jié)導軌及傳動關節(jié)軸承
14、(一)移動關節(jié)導軌 1工業(yè)機器人對移動導軌的要求 (1)間隙小或能消除間隙； (2)在垂直于運動方向上的剛度高； (3)摩擦系數(shù)低并不隨速度變化， (4)高阻尼； (5)移動導軌和其輔助元件尺寸小、慣量低。,,移動關節(jié)導軌有五種： (1)普通滑動導軌 (2)液壓動壓滑動導軌 (3)液壓靜壓滑動導軌 (4)氣浮導軌 (5) 滾動導軌。,普通滑動導軌、液壓動壓滑動導軌的特點： 具有結構簡單、成本低的優(yōu)點 但是它必須留有間隙以便潤滑，而機器人載荷的大小和方向變化很快，間隙的存在又將會引起坐標位置的變化和有效載荷的變化； 另外這種導軌的摩擦系數(shù)又隨著速度的變化而變化，在低速時，容易產生爬行現(xiàn)象等缺點,
15、,液壓靜壓滑動導軌的特點： 靜壓導軌結構能產生預載荷，能完全消除間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點，但是它需要單獨的液壓系統(tǒng)和回收潤滑油的機構。,,氣浮導軌的特點： 不需回收潤滑油的，但是它的剛度和阻尼較低，并且對制造精度和環(huán)境的空氣條件(過濾和干燥)要求較高。,滾動導軌的特點： 1）摩擦小，特別是不隨速度變化； 2）尺寸小； 3）剛度高，承載能力大； 4）精度和精度保持性高； 5）潤滑簡單； 6）容易制造成標準件； 7）滾動導軌易加頂載，消除間隙、增加剛度。,滾動導軌在工業(yè)機器人機械系統(tǒng)中也存在缺點： （1）阻尼低； （2）對臟物比較敏感。,(二)轉動關節(jié)軸承,球軸承是機器人和機械手結構
16、中最常用的軸承。它能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸和軸承座的剛度不敏感。,二、傳動件的定位及消隙,(一) 傳動件的定位 目前常用的定位方法： 電氣開關定位 機械擋塊定位 伺服定位,1電氣開關定位,電氣開關定位是利用電氣開關(有觸點或無觸點)作行程檢測元件，當機械手運行到定位點時，行程開關發(fā)信號，切斷動力源或接通制動器，從而使機械手運行到定位點。 使用電氣開關定位的機械手其結構簡單、工作可靠、維修方便，但由于受慣性力、油溫波動和電控系統(tǒng)誤差等因素的影響，重復定位精度比較低。,2機械擋塊定位,機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當機械手減速運動到終點時緊靠擋塊而定位。 若定位前緩沖較好、
17、定位時驅動壓力未撤除，在驅動壓力下將運動件壓在機械擋塊上，或驅動壓力將活塞壓靠在缸蓋上就能達到較高的定位精度。 若定位時關閉驅動油路、去掉驅動壓力，機械手運動件不能緊靠在機械擋塊上，定位精度就會減低，其減低的程度與定位前的緩沖效果和機械手的結構剛性等因素有關。,3伺服定位系統(tǒng),伺服系統(tǒng)可以輸入指令控制位移的變化，從而獲得良好的運動特性。它不僅適用于點位控制，而且也適用于連續(xù)軌跡控制。 開環(huán)伺服定位系統(tǒng)沒有行程檢測及反饋，是一種直接用脈沖頻率變化和脈沖數(shù)控制機器人速度和位移的定位方式。這種定位方式抗干擾能力差，定位精度較低。 閉環(huán)伺服定位系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，其抗干擾能力強，反應速度快，容易實現(xiàn)任
18、意點定位。,(二)傳動件的消隙,傳動機構存在有間隙、也叫側隙。 齒輪傳動的側隙是指一對齒輪中一個齒輪固定不動，另一個齒輪能夠作出的最大的角位移。 傳動的間隙，影響了機器人的重復定位精度和平穩(wěn)性。 對機器人控制系統(tǒng)來說，傳動間隙導致顯著的非線性變化、振動和不穩(wěn)定。,,傳動間隙產生的主要原因有： 由于制造及裝配誤差所產生的間隙； 為適應熱膨脹而特意留出的間隙。 消除傳動間隙的主要途徑有： 提高制造和裝配精度； 設計可調整傳動間隙的機構； 設置彈性補償零件。,1.消隙齒輪,消隙齒輪由具有相同齒輪參數(shù)的并只有一半齒寬的兩個薄齒輪組成，利用彈簧的壓力使它們與配對的齒輪兩側齒廓相接觸，完全消除了齒側間隙。
19、,1.消隙齒輪,圖(b)用螺釘3將兩個薄齒輪1和2連接在一起，代替(a)中的彈簧。,2柔性齒輪消隙,圖（a）所示為一種具有彈性的柔性齒輪，在裝配時對它稍許加些預載就能引起輪殼的變形從而使每個輪齒的雙側齒廓都能嚙合，消除了側隙。,2柔性齒輪消隙,圖(b)所示為采用了徑向柔性齒輪，輪殼和齒圈是剛性的，但與齒輪圈連接處具有彈性。,3偏心機構消隙,如圖所示的偏心機構實際上是中心距調整機構。特別是齒輪磨損等原因造成傳動間隙增加時，最簡單的方法是調整中心距。,,,偏心消隙機構,4齒廓彈性覆層消隙,齒廓表面覆蓋有薄薄一層彈性很好的橡膠層，相嚙合的一對齒輪加以預載，可以完全消除嚙合側隙，如圖所示。,三、諧波傳
20、動,機器人對減速器的要求如下： (1)運動精度高，間隙小，以實現(xiàn)較高的重復定位精度； (2)回轉速度穩(wěn)定，無波動，運動副間摩擦小，效率高; (3)體積小，重量輕，傳動扭矩大。,減速器減速比n的選擇應當能最大限度地利用電機功率，即機械阻抗匹配。 工作臂的慣性矩 電機的慣性矩,三、諧波傳動,,,,從現(xiàn)有的工業(yè)機器人來看，所選的電機功率總是偏大，減速比也過大。 當減速比大時，工作臂的慣性對電機影響小，但電機速度容易飽和； 當減速比小時，工作臂運動的反作用力對電機影響大，這需要進行機構的動力學計算。 常用的減速器是行星齒輪機構和諧波傳動機構。,,圖5.35 行星齒輪傳動,圖5.35所示為行星齒輪傳
21、動結構簡圖。行星齒輪傳動尺寸小，慣量低；一級傳動比大，結構緊湊；載荷分布在若干個行星齒輪上，內齒輪也具有較高的承載能力。,行星齒輪傳動動畫演示,,圖5.36 諧波傳動,1剛輪；2剛輪內齒圈；3輸入軸；4諧波發(fā)生器； 5軸；6柔輪；7柔輪齒圈,諧波發(fā)生器是在橢圓型凸輪的外周嵌入薄壁軸承制成的部件。軸承內圈固定在凸輪上，外圈依靠鋼球發(fā)生彈性變形，一般與輸入軸相連。,三、諧波傳動,,圖5.36 諧波傳動,1剛輪；2剛輪內齒圈；3輸入軸；4諧波發(fā)生器； 5軸；6柔輪；7柔輪齒圈,柔輪是杯狀薄壁金屬彈性體，杯口外圓切有齒，底部稱為柔輪底，用來與輸出軸相連。,三、諧波傳動,,圖5.36 諧波傳動,1剛輪；
22、2剛輪內齒圈；3輸入軸；4諧波發(fā)生器； 5軸；6柔輪；7柔輪齒圈,工作原理：由于諧波發(fā)生器4的轉動使柔輪6上的柔輪齒圈7與剛輪1上的剛輪內齒圈2相嚙合。輸入軸為3，如果剛輪1固定，則軸5為輸出軸；如果軸5固定，則剛輪1的軸為輸出軸。,諧波傳動演示,如果剛輪1不轉動( )，諧波發(fā)生器 為輸入，柔輪軸 為輸出，速比為 式中：負號表示柔輪向諧波發(fā)生器旋轉方向的反向旋轉。 代表輸入、輸出軸的角速度； 為剛輪(圓形花鍵輪)內齒圈2的齒數(shù)， 為柔輪齒圈7的齒數(shù)。,,,,,,三、諧波傳動,如果柔輪6靜止不轉動( )，諧波發(fā)生器 為 輸入，則剛輪(圓形花鍵輪)1的軸 為輸出，速比為,,
23、三、諧波傳動,諧波傳動的優(yōu)點是： 尺寸小，慣量低； 因為誤差均布在多個嚙合點上，傳動精度高； 因為加預載嚙合，傳動側隙非常??； 因為多齒嚙合，傳動具有高阻尼特性。,三、諧波傳動,諧波傳動的缺點是： 柔輪的疲勞問題； 扭轉剛度低； 以輸入軸速度2、4、6倍的嚙合頻率產生振動； 諧波傳動與行星傳動相比具有較小的傳動間隙和較輕的重量，但是剛度比行星減速器差。,,例：有一諧波齒輪傳動，鋼輪齒數(shù)為200，柔輪齒數(shù)為198，剛輪固定，柔輪輸出，求該諧波傳動的傳動比。,,課堂練習：有一諧波齒輪傳動，鋼輪齒數(shù)為200，柔輪齒數(shù)為198，柔輪固定，剛輪輸出，求該諧波傳動的傳動比。,四、絲杠螺母副及滾珠絲杠傳動,
24、滑動式絲杠螺母機構是連續(xù)的面接觸，傳動中不會產生沖擊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，并且能自鎖。因絲杠的螺旋升角較小，所以用較小的驅動力矩可獲得較大的牽引力。 絲杠螺母螺旋面之間的摩擦為滑動摩擦，故傳動效率低。 滾珠絲杠傳動效率高，而且傳動精度和定位精度均很高，傳動時靈敏度和平穩(wěn)性好。由于磨損小，滾珠絲桿的使用壽命比較長，但成本較高。,圖5.38為滾珠絲杠的基本組成：導向槽4連接螺母的第一圈和最后一圈，使其形成滾動體可以連續(xù)循環(huán)的導槽。,,圖5.38 滾珠絲杠的基本組成 1絲杠；2螺母；3滾珠；4導向槽,滾珠絲杠演示,,圖5.39 絲杠螺母傳動的手臂升降機構,圖5.39所示為采用絲杠螺母傳動的手臂升降
25、機構。由電動機1帶動蝸桿2使蝸輪5回轉，依靠蝸輪內孔的螺紋帶動絲杠4作升降運動。為了防止絲杠的轉動，在絲杠上端銑有花鍵與固定在箱體6上的花鍵套7組成導向裝置。,1電動機；2蝸桿；3臂架；4絲杠；5蝸輪；6箱體；7花鍵套,五、其他傳動,1.活塞缸和齒輪齒條機構 齒輪齒條機構是通過齒條的往復移動，帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，即實現(xiàn)手臂的回轉運動。,1.活塞缸和齒輪齒條機構,圖所示為手臂作回轉運動的結構?；钊透變汕环謩e進壓力油推動齒條活塞作往復移動，與齒條嚙合的齒輪即作往復回轉。由于齒輪與手臂固聯(lián)，從而實現(xiàn)手臂的回轉運動。,圖所示為氣壓傳動的齒輪齒條式增倍機構的手臂結構。活塞桿3左移時，與活塞
26、桿3相聯(lián)接的齒輪2也左移，并使運動齒條l一起左移，由于齒輪2與固定齒條相嚙合，因而齒輪2在移動的同時又在固定齒條上滾動，并將此運動傳給1，從而使1又向左移動一距離。因手臂固聯(lián)于齒條1上，所以手臂的行程和速度均為活塞桿3的行程和速度的兩倍。,,圖5.46 氣缸和齒輪齒條增倍手臂機構 1運動齒條；2齒輪；3活塞桿,2帶傳動與鏈傳動,1) 同步帶傳動 同步帶的傳動面上有與帶輪嚙合的梯形齒。同步帶傳動時無滑動，初始張力小，被動軸的軸承不易過載。因無滑動，它除了用做動力傳動外還適用于定位。,,圖5.40 同步帶形狀,2) 滾子鏈傳動,滾子鏈傳動屬于比較完善的傳動機構，由于噪聲小，效率高，因此得到了廣泛的
27、應用。 但是，高速運動時滾子與鏈輪之間的碰撞會產生較大的噪聲和振動，只有在低速時才能得到滿意的效果。,3繩傳動與鋼帶傳動,1) 繩傳動 繩傳動廣泛應用于機器人的手爪開合傳動，特別適合有限行程的運動傳遞。 繩傳動的主要優(yōu)點是：鋼絲繩強度大，各方向上的柔軟性好，尺寸小，預載后有可能消除傳動間隙。,,繩傳動的主要缺點是： 1)不加預載時存在傳動間隙； 2)因為繩索的蠕變和索夾的松弛使傳動不穩(wěn)定； 3)多層纏繞后，在內層繩索及支承中損耗能量；效率低； 4)易積塵垢 .,2) 鋼帶傳動 鋼帶末端緊固在驅動輪和被驅動輪上，因此，摩擦力不是傳動的重要要素。鋼帶傳動適合于有限行程的傳動。,,圖5.41 鋼帶
28、傳動,,鋼帶傳動的優(yōu)點是傳動比精確，傳動件質量小，慣量小，傳動參數(shù)穩(wěn)定，柔性好，不需潤滑，強度高。,5.3臂部設計,一、臂部設計的基本要求 1.剛度要求高 2導向性要好 3.重量要輕 4運動要平穩(wěn)、定位精度要高,二、手臂的常用結構,1.手臂直線運動機構 機器人手臂的伸縮、橫向移動均屬于直線運動。 常用的有活塞油(氣)缸、齒輪齒條機構、絲杠螺母機構以及連桿機構等。 由于活塞油(氣)缸的體積小、重量輕，因而在機器人的手臂結構中應用比較多。,,2手臂回轉運動機構 常用的有葉片式回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、活塞缸和連桿機構等.,三、臂部運動驅動力計算,計算臂部運動驅動力(包括力矩)時，要把臂部
29、所受的全部負荷考慮進去。 機器人工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。,1.臂部水平伸縮運動驅動力的計算 臂部作水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油(氣)缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。 其驅動力可按下式計算：,三、臂部運動驅動力計算,,,-各支承處的摩擦阻力(N),-啟動過程中的慣性力(N)，其大小可按下式估算,,,M手臂伸縮部件的總質量(kg)； a-啟動過程中的平均加速度。 平均加速度可按下式計算：,,一速度增量(ms)。如果臂部從靜止狀態(tài)加速到工作速度v時，則這個過程的速度變化量就等于臂部的工作速度；,升降速過程
30、所用時間(s) 。,2臂部回轉運動驅動力矩的計算,臂部回轉運動驅動力矩應根據(jù)啟動時產生的慣性力矩與回轉部件支承處的摩擦力矩來計算。由于升速過程一般不是等加速運動，故最大驅動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。,,,-各支承處的總摩擦力矩(Nm)；,-啟動時慣性力矩(Nm)，一般按下式計算：,2臂部回轉運動驅動力矩的計算,,式中：J手臂部件對其回轉軸線的總轉動慣量；,回轉臂的工作角速度(rads)；,回轉臂升速時間(s)。,5.4手腕設計,一、概述 工業(yè)機器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。機器人一般具有六個自由度才能使手部(末端操作器)達到目標位置和處于期望的姿態(tài)
31、，手腕上的自由度主要是實現(xiàn)所期望的姿態(tài)。,為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標軸x、y、z的轉動，即具有翻轉、俯仰和偏轉三個自由度，如圖536所示。通常也把手腕的翻轉用R表示；把手腕的俯仰用P表示；把手腕的偏轉用Y表示。,二、手腕的分類,按自由度數(shù)目來分類 手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕。 (1)單自由度手腕,(2)二自由度手腕 二自由度手腕:BR手腕,BB手腕。 不能由兩個R關節(jié)組成RR手腕，因為兩個R關節(jié)共軸線。所以退化了一個自由度，實際只構成了單自由度手腕。,(3)三自由度手腕,三自由度手腕可以由B關節(jié)和R關節(jié)組成許多種
32、形式 。,5.5機器人手部設計,人的手有兩種定義：第一種定義是醫(yī)學上把包括上臂、手腕在內的整體叫做手；第二種定義是把手掌和手指部分叫做手。 機器人的手部也叫做末端執(zhí)行器，它是裝在機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。,5.5機器人手部設計,一、機器人手部的特點 (1) 手部與手腕相連處可拆卸。手部與手腕有機械接口，也可能有電、氣、液接頭。 (2) 手部是機器人末端執(zhí)行器。 (3) 手部的通用性比較差。 (4) 手部是一個獨立的部件。,彈鋼琴的機器人,二、手部的分類,1按用途分 1) 手爪 主要功能是：抓住工件，握持工件，釋放工件。 抓住在給定的目標位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件在手爪內必
33、須具有可靠的定位，保持工件與手爪之間準確的相對位姿，并保證機器人后續(xù)作業(yè)的準確性。 握持確保工件在搬運過程位置和姿態(tài)的準確性。 釋放在指定點上除去手爪和工件之間的約束關系。,二、手部的分類,2) 工具 工具是進行某種作業(yè)的專用工具，如噴漆槍、焊具等，如圖5.19所示。,2按夾持原理分,按夾持原理手爪可分為機械手爪、磁力類手爪和真空類手爪三種。,3按手指或吸盤數(shù)目分,(1) 按手指數(shù)目分:二指手爪、多指手爪。 (2) 按手指關節(jié)分：單關節(jié)手指手爪、多關節(jié)手指手爪。 (3) 吸盤式手爪按吸盤數(shù)目分：單吸盤式手爪、多吸盤式手爪。,4按智能化分,(1) 普通式手爪。 (2) 智能化手爪。,三、手爪設計
34、和選用的要求,1被抓握的對象物 幾何參數(shù)： 工件尺寸、 可能抓握表面的數(shù)目、位置和方向、 夾持表面之間的距離、 夾持表面的幾何形狀。 機械特性： 質量、 材料、 表面狀態(tài)、 工件溫度等。,,2物料儲存裝置 與機器人配合工作的物料儲存裝置對手爪最小和最大爪鉗之間的距離以及必需的夾緊力都有要求。,,3機器人作業(yè)順序 一臺機器人在齒輪箱裝配作業(yè)中需要搬運齒輪和軸，并進行裝配。雖然手部可以既抓握齒輪也可以夾持軸，但是，不同零件所需的夾緊力和爪鉗張開距離是不同的，手部設計時應考慮被夾持對象物的順序。必要的時候可采用多指手爪，以增加手部作業(yè)的柔性。,,4手爪和機器人匹配 手爪一般用法蘭式機械接口與手腕
35、相連接，手爪自重也增加了機械臂的負載，這兩個問題必須給予仔細考慮。 接口匹配：手爪是可以更換的，手爪形式可以不同，但是與手腕的機械接口必須相同。 手爪自重不能太大，機器人能抓取工件的重量是機器人承載能力減去手爪重量。,,5環(huán)境條件 作業(yè)區(qū)域內的環(huán)境狀況很重要，比如高溫、水、油等不同環(huán)境會影響手爪的工作。,四、普通手爪設計,1機械式手爪設計 1) 驅動 機械式手爪通常采用氣動、液動、電動和電磁來驅動手指的開合。 氣動手爪的優(yōu)點：結構簡單，成本低，容易維修，而且開合迅速，重量輕。 缺點是空氣介質的可壓縮性使爪鉗位置控制比較復雜。,,圖5.23所示為一種氣動手爪，氣缸4中壓縮空氣推動活塞3使連
36、桿齒條2作往復運動，經扇形齒輪1帶動平行四邊形機構，使爪鉗5快速開合。,,,圖5.23 氣動手爪 1扇形齒輪；2齒條； 3活塞；4氣缸；5爪鉗,2) 爪鉗 爪鉗是與工件直接接觸的部分，它們的形狀和材料對夾緊力有很大影響。 夾緊工件的接觸點越多，所要求的夾緊力越小，對夾持工件來說顯得更安全。 圖所示是具有V形爪鉗表面的手爪，其有四條折線與工件相接觸，形成力封閉形式的夾持狀態(tài)，比平面爪鉗夾持安全可靠很多。,2磁力吸盤設計,磁力吸盤有電磁吸盤和永磁吸盤兩種。磁力吸盤是在手部裝上電磁鐵，通過磁場吸力把工件吸住。 圖5.26所示為電磁吸盤的結構示意圖。,,圖5.26 電磁吸盤結構 l電磁
37、吸盤；2防塵蓋；3線圈；4外殼體,3真空式吸盤設計,真空式吸盤主要用于搬運體積大，重量輕的零件。 真空式吸盤要求工件表面平整光滑、干燥清潔，同時氣密性要好。 根據(jù)真空產生的原理真空式吸盤可分為： 1) 真空吸盤 2) 氣流負壓吸盤 3) 擠氣負壓吸盤,1) 真空吸盤 吸盤吸力在理論上決定于吸盤與工件表面的接觸面積和吸盤內、外壓差，但實際上其與工件表面狀態(tài)有十分密切的關系，工作表面狀態(tài)影響負壓的泄漏。 采用真空泵能保證吸盤內持續(xù)產生負壓，所以這種吸盤比其他形式吸盤的吸力大。,,圖5.27 真空吸盤控制系統(tǒng) 1電動機；2真空泵；3、4電磁閥；5吸盤；6通大氣,2) 氣流負壓吸盤,氣流負壓吸盤的
38、工作原理如圖5.28所示，壓縮空氣進入噴嘴后，使橡膠皮腕內產生負壓。,,圖5.28 氣流負壓吸盤,3) 擠氣負壓吸盤,圖5.29所示為擠氣負壓吸盤的結構。,圖5.29 擠氣負壓吸盤 1吸盤架；2壓蓋；3密封墊；4吸盤；5工件,3) 擠氣負壓吸盤,工作原理：吸盤壓向工件表面時，將吸盤內的空氣擠出；松開時，吸盤恢復彈性變形使吸盤內腔形成負壓，將工件牢牢吸住，機械手即可進行工件搬運；到達目標位置后，用碰撞力P使壓蓋2動作，破壞吸盤腔內的負壓，釋放工件。,4真空吸盤的新設計,(1) 自適應吸盤。 圖5.31所示自適應吸盤具有一個球關節(jié)，使吸盤能傾斜自如，適應工件表面傾角的變化。,4真空吸盤的新設計,(
39、2) 異形吸盤。 圖5.32所示異形吸盤為異形吸盤中的一種。通常吸盤只能吸附一般的平整工件，而該異形吸盤可用來吸附雞蛋等物件，擴大了真空吸盤在工業(yè)機器人上的應用。,5.6機身及行走機構設計,工業(yè)機器人機械結構有三大部分：機身、手臂(包括手腕)、手部。,一、機身設計,機身是支承臂部的部件。一般實現(xiàn)升降、回轉和仰俯等運動，常有1至3個自由度。 機身設計時要注意下列問題： (1)要有足夠的剛度和穩(wěn)定性； (2)運動要靈活，升降運動的導套長度不宜過短，避免發(fā)生卡死現(xiàn)象，一般要有導向裝置； （3)結構布置要合理。,1回轉與升降機身,(1) 回轉運動采用擺動油缸驅動，升降油缸在下，回轉油缸在上。因擺動油缸
40、安置在升降活塞桿的上方，故活塞桿的尺寸要加大。 (2) 回轉運動采用擺動油缸驅動，回轉油缸在下，升降油缸在上，相比之下，回轉油缸的驅動力矩要設計得大一些。 (3) 鏈輪傳動機構。,(3) 鏈輪傳動機構。鏈條鏈輪傳動是將鏈條的直線運動變?yōu)殒溳喌幕剞D運動，它的回轉角度可大于360。,2回轉與俯仰機身,機器人手臂的俯仰運動一般采用活塞油(氣)缸與連桿機構實現(xiàn)。 手臂俯仰運動用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)方式與立柱連接。,3.機身驅動力(力矩)計算,（1）垂直升降運動驅動力的計算 作垂直運動時，除克服摩擦力之外，還要克服機身自身運動部件的重力和其支承的手臂、手腕、
41、手部及工件的總重力以及升降運動的全部部件慣性力，故其驅動力可按下式計算：,,為各支承處的摩擦力(N)；,為啟動時的總慣性力(N)；,W為運動部件的總重力(N)；對于式中的正、負號，上升時為正，下降時為負。,（2）回轉運動驅動力矩的計算,回轉運動驅動力矩只包括兩項：回轉部件的摩擦總力矩；機身自身運動部件和其支承的手臂、手腕、手部及工件的總慣性力矩，故驅動力矩可按下式計算：,：為總摩擦阻力矩(Nm)；,：為各回轉運動部件的總慣性力矩 (Nm)。,式中：為升速或制動過程中的角速度增量 (rad/s)； t為回轉運動升速過程或制動過程的時間； J0為全部回轉零部件對機身回轉軸的轉動慣量。
42、,二、行走機構設計,1.概述 機器人可分成固定式和行走式兩種。 行走機構由行走的驅動裝置、傳動機構、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成。 行走機構按其行走運動軌跡可分為固定軌跡式和無固定軌跡式。 固定軌跡式行走機構主要用于工業(yè)機器人。 無固定軌跡行走方式，按其行走機構的結構特點可分為輪式、履帶式和步行式。,2固定軌道可移動機器人 該機器人機身底座安裝在一個可移動的拖板座上，靠絲杠螺母驅動，整個機器人沿絲杠縱向移動。 這種可移動機器人主要用在作業(yè)區(qū)域大的場合。,3.無固定軌跡式行走機器人,無軌行走機器人必須具備功能完備的外部傳感器，能對環(huán)境進行了解和判斷，能對環(huán)境中發(fā)生的事件進
43、行監(jiān)視和反應機器人具備自我規(guī)劃能力，包括任務分解，任務排序，信息資源管理，以及幾何規(guī)劃等。,（1）典型行走機構,圖5.54 具有三組輪子的輪系,,2) 具有四組輪子的輪系 具有四組輪子的輪系其運動穩(wěn)定性有很大提高。但是，要保證四組輪子同時和地面接觸，必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。,3) 兩足步行式機器人 步行式行走機構有兩足、三足、四足、六足、八足等形式，其中兩足步行式機器人具有最好的適應性，也最接近人類，故也稱之為類人雙足行走機器人。,圖5.55 兩足步行式機器人行走機構原理圖,雙足機器人,四足機器人,六足機器人,4) 履帶式行走機器人,履帶式行走的特點：可以在有些凹凸的地面上行走；可以跨越障礙物；能爬梯度不太高的臺階。 缺點：由于沒有自定位輪，沒有轉向機構，只能靠左右兩個履帶的速度差實現(xiàn)轉彎。,5) 其他行走機器人,圖5.61 能在壁面上爬行的機器人,
工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計.ppt
