機器人技術(第二章)

1、1 2.1 機器人機械設計的步驟機器人機械設計的步驟1、作業(yè)分析、作業(yè)分析 作業(yè)分析包括任務分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務作業(yè)分析包括任務分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務和環(huán)境對機器人操作及的方案設計有著決定性的影響。和環(huán)境對機器人操作及的方案設計有著決定性的影響。2、方案設計、方案設計 （1）確定動力源）確定動力源 （2）確定機型）確定機型 （3）確定自由度）確定自由度 （4）確定動力容量和傳動方式）確定動力容量和傳動方式 （5）優(yōu)化運動參數(shù)和結構參數(shù)）優(yōu)化運動參數(shù)和結構參數(shù) （6）確定平衡方式和平衡質量）確定平衡方式和平衡質量 （7）繪制機構運動簡圖）繪制機構運動簡圖 & 第二章第二

2、章 機器人的機械結構與設計機器人的機械結構與設計23、結構設計、結構設計 包括機器人驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及結構設計，包括機器人驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及結構設計，關節(jié)及桿件的結構設計，平衡機構的設計，走線及電器接關節(jié)及桿件的結構設計，平衡機構的設計，走線及電器接口設計等。口設計等。4、動特性分析、動特性分析 估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學模型進行仿真分析，估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學模型進行仿真分析，確定其結構固有頻率和響應特性。確定其結構固有頻率和響應特性。5、施工設計、施工設計 完成施工圖設計，編制相關技術文件。完成施工圖設計，編制相關技術文件。3 2.2 工業(yè)機器人的驅動與傳動系統(tǒng)結構

3、工業(yè)機器人的驅動與傳動系統(tǒng)結構 在機器人機械系統(tǒng)中，驅動器通過聯(lián)軸器帶動傳動裝在機器人機械系統(tǒng)中，驅動器通過聯(lián)軸器帶動傳動裝置置( (一般為減速器一般為減速器) )，再通過關節(jié)軸帶動桿件運動。，再通過關節(jié)軸帶動桿件運動。 機器人一般有兩種運動關節(jié)機器人一般有兩種運動關節(jié)轉動關節(jié)和移轉動關節(jié)和移( (直直) )動動關節(jié)。關節(jié)。 為了進行位置和速度控制，驅動系統(tǒng)中還包括位置和為了進行位置和速度控制，驅動系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有合適的精速度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有合適的精度、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對于伺服電機度、連接方式以及有利于控制的輸

4、出方式。對于伺服電機驅動，檢測元件常與電機直接相聯(lián)；對于液壓驅動，則常驅動，檢測元件常與電機直接相聯(lián)；對于液壓驅動，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅動的桿件相聯(lián)。通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅動的桿件相聯(lián)。 2.2.1 2.2.1 驅動驅動傳動系統(tǒng)的構成傳動系統(tǒng)的構成41碼盤；碼盤；2 測速機；測速機；3 電機；電機；4 聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；5 傳動裝置；傳動裝置；6 轉動關節(jié)；轉動關節(jié)；7 桿桿 8 電機；電機； 9 聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；10 螺旋副；螺旋副；11 移動關節(jié)；移動關節(jié)；12 電位器電位器 (或光柵尺或光柵尺) 51 1電動驅動器電動驅動器 電動驅動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速電動驅動器

5、的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅動比較困難。動比較困難。 電動驅動器又可分為直流電動驅動器又可分為直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服電機伺服電機驅動和步進電機驅動。驅動和步進電機驅動。 直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術的進步，近年來交流伺服電機正逐漸形成火花。隨著技術的進步，近年來交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅動器。取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅動器。 步進電機驅動多為開環(huán)控制，

6、控制簡單但功率不大，步進電機驅動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。2.2.2 2.2.2 驅動器的類型和特點驅動器的類型和特點672. 液壓驅動器液壓驅動器 液壓驅動的優(yōu)點是功率大，可省去減速液壓驅動的優(yōu)點是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅動的桿件相連，結構緊裝置而直接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。但需要增設液壓源，易產生液體的精度。但需要增設液壓源，易產生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅動泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人

7、系統(tǒng)。目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。 83氣動驅動器氣動驅動器 氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不但與液壓驅動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。 9 3其它驅動器其它驅動器 作為特殊的驅動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、作為特殊的驅動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、10 驅動器的選擇應以作業(yè)要求、生產環(huán)境為先決條件，驅動器的選擇應以作業(yè)要求、生產環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術水平為

8、評價標準。一般說來，目前負以價格高低、技術水平為評價標準。一般說來，目前負荷為荷為100 kg以下的以下的, ,可優(yōu)先考慮電動驅動器；只須點位控可優(yōu)先考慮電動驅動器；只須點位控制且功率較小者，可采用氣動驅動器；負荷較大或機器制且功率較小者，可采用氣動驅動器；負荷較大或機器人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅動器。人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅動器。 對于驅動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調速對于驅動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。11 機器人幾

9、乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機構，其中機器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機構，其中最常用的為諧波傳動、最常用的為諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。動。2.2.3 2.2.3 機器人的常用傳動機構機器人的常用傳動機構 機器人傳動機構的基本要求機器人傳動機構的基本要求：(1) 結構緊湊，即同比體積最小、重量最輕；結構緊湊，即同比體積最小、重量最輕；(2) 傳動剛度大，即承受扭矩時角度變形要小，以傳動剛度大，即承受扭矩時角度變形要小，以提高整機的提高整機的 固有頻率，固有頻率，降低整機的低頻振動；降低整機的低頻振動；(3) 回差小，即由正轉到反轉時空行程

10、要小，以得到較高的位回差小，即由正轉到反轉時空行程要小，以得到較高的位 置控制精度；置控制精度；(4) 壽命長、價格低。壽命長、價格低。 121314諧波傳動工作原理諧波傳動工作原理 諧波傳動是利用一個構件的可控制的彈性變形來實現(xiàn)機諧波傳動是利用一個構件的可控制的彈性變形來實現(xiàn)機械運動的傳遞。諧波傳動通常由三個基本構件械運動的傳遞。諧波傳動通常由三個基本構件(俗稱三大俗稱三大件件)組成，包括一個有內齒的剛輪，一個工作時可產生徑組成，包括一個有內齒的剛輪，一個工作時可產生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內部、呈橢向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內部、呈橢圓形、外圈帶有滾動軸承的

11、波發(fā)生器。柔輪的外齒圓形、外圈帶有滾動軸承的波發(fā)生器。柔輪的外齒數(shù)數(shù)少于少于剛輪的內齒剛輪的內齒數(shù)數(shù)。在波發(fā)生器轉動時，相應于長軸方向的柔。在波發(fā)生器轉動時，相應于長軸方向的柔輪外齒正好完全嚙入剛輪的內齒；在短軸方向，則外齒全輪外齒正好完全嚙入剛輪的內齒；在短軸方向，則外齒全脫開內齒。當剛輪固定，波發(fā)生器轉動時，柔輪的外齒將脫開內齒。當剛輪固定，波發(fā)生器轉動時，柔輪的外齒將依次嚙入和嚙出剛輪的內齒，柔輪齒圈上的任一點的徑向依次嚙入和嚙出剛輪的內齒，柔輪齒圈上的任一點的徑向位移將呈近似于余弦波形的變化，所以這種傳動稱作諧波位移將呈近似于余弦波形的變化，所以這種傳動稱作諧波傳動。傳動。1516 二

12、、諧波傳動的主要特點二、諧波傳動的主要特點(1) 傳動比大，單級為傳動比大，單級為50300，雙級可達，雙級可達2 2x106。(2)傳動平穩(wěn)，承載能力高，傳遞單位扭矩的體積和重量小。傳動平穩(wěn)，承載能力高，傳遞單位扭矩的體積和重量小。 在相同的工作條件下，體積可減小在相同的工作條件下，體積可減小20一一50。(3)齒面磨損小而均勻，傳動效率高。當結構合理，潤滑良好齒面磨損小而均勻，傳動效率高。當結構合理，潤滑良好時，對時，對i = =100的傳動，效率可達的傳動，效率可達0.85。(4)傳動精度高。在制造精度相同的情況下，諧波傳動的精度傳動精度高。在制造精度相同的情況下，諧波傳動的精度可比普通

13、齒輪傳動高一級。若齒面經過很好的研磨，則諧波齒可比普通齒輪傳動高一級。若齒面經過很好的研磨，則諧波齒輪傳動的傳動精度要比普通齒輪傳動高輪傳動的傳動精度要比普通齒輪傳動高4倍。倍。(5)回差小。精密諧波傳動的回差一般可小于回差小。精密諧波傳動的回差一般可小于3，甚至可以，甚至可以實現(xiàn)無回差傳動。實現(xiàn)無回差傳動。(6)可以通過密封壁傳遞運動。這是其他傳動機構難實現(xiàn)的?？梢酝ㄟ^密封壁傳遞運動。這是其他傳動機構難實現(xiàn)的。(7)諧波傳動不能獲得中間輸出，并且杯式柔輪剛度較低。諧波傳動不能獲得中間輸出，并且杯式柔輪剛度較低。17RV擺線針輪傳動擺線針輪傳動RV擺線針輪傳動裝置，是由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺

14、擺線針輪傳動裝置，是由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線針輪減速器組合而成的。線針輪減速器組合而成的。二、主要特點二、主要特點與諧波傳動相比，與諧波傳動相比，RV擺線針輪傳動除了具有相同的速比擺線針輪傳動除了具有相同的速比大、同軸線傳動、結構緊湊、效率高等待點外，最顯著的特大、同軸線傳動、結構緊湊、效率高等待點外，最顯著的特點是剛性好，傳動剛度較諧波傳動要大點是剛性好，傳動剛度較諧波傳動要大26倍，但重量卻增倍，但重量卻增加了加了13倍。倍。該減速器特別適用于操作機上的第一級旋轉關節(jié)該減速器特別適用于操作機上的第一級旋轉關節(jié)(腰關節(jié)腰關節(jié))，這時自重是坐落在底座上的，充這時自重是坐落在底座上的，充分分

15、發(fā)揮了高剛度作用，可以發(fā)揮了高剛度作用，可以大大提高整機的固有頻率，降低振動；在頻繁加、減速的運大大提高整機的固有頻率，降低振動；在頻繁加、減速的運動過程中可以提高響應速度并降低能量消耗。動過程中可以提高響應速度并降低能量消耗。 1819滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動是在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當?shù)臐L動螺旋傳動是在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當?shù)臐L珠。使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種螺旋滾珠。使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種螺旋傳動，滾珠在工作過程中順螺旋槽傳動，滾珠在工作過程中順螺旋槽(滾道滾道)滾動，故必須設置滾滾動，故必須設置滾珠的返回通道，才能

16、循環(huán)使用。為了消除回差珠的返回通道，才能循環(huán)使用。為了消除回差(空回空回)，螺母分，螺母分成兩段，以墊片、雙螺母或齒差調整兩段螺母的相對軸向位置，成兩段，以墊片、雙螺母或齒差調整兩段螺母的相對軸向位置，從而消除間隙和施加預緊力，使得在有額定抽間負荷時也能使從而消除間隙和施加預緊力，使得在有額定抽間負荷時也能使回差為零。其中用的最多的是雙螺母式，而齒差式最為可靠?；夭顬榱?。其中用的最多的是雙螺母式，而齒差式最為可靠。1一齒輪；一齒輪；2一返回裝置；一返回裝置；3一鍵；一鍵； 4一滾珠；一滾珠；5一絲杠；一絲杠；6一螺母；一螺母；7支座支座20 滾動螺旋特點：滾動螺旋特點： (1)摩擦小、效率高。

17、一般情況下，傳動的效率在摩擦小、效率高。一般情況下，傳動的效率在90以上。以上。 (2)動、靜摩擦系數(shù)相差極小，傳動平穩(wěn)，靈敏度高。動、靜摩擦系數(shù)相差極小，傳動平穩(wěn)，靈敏度高。 (3)磨損小、壽命長。磨損小、壽命長。 (4)可以通過預緊消除軸向間隙，提高軸向剛度。可以通過預緊消除軸向間隙，提高軸向剛度。滾動螺旋傳動不能自鎖，必須滾動螺旋傳動不能自鎖，必須有防止逆轉的制動或自鎖機構才有防止逆轉的制動或自鎖機構才能安全地用于有自重下降的場合。能安全地用于有自重下降的場合。最怕落入灰塵、鐵屑、砂粒。通最怕落入灰塵、鐵屑、砂粒。通常，螺母兩端必須密封，絲杠的常，螺母兩端必須密封，絲杠的外露部分必須用外

18、露部分必須用“風箱風箱”套或鋼套或鋼帶卷套加以密封。帶卷套加以密封。21另外，對于齒輪傳動、蝸輪傳動和齒輪齒條傳動，須特別另外，對于齒輪傳動、蝸輪傳動和齒輪齒條傳動，須特別注意消除間隙問題，否則回差很大，達不到應有的轉角精度注意消除間隙問題，否則回差很大，達不到應有的轉角精度要求。對于鏈傳動、齒形帶傳動、鋼帶傳動和鋼絲繩傳動，要求。對于鏈傳動、齒形帶傳動、鋼帶傳動和鋼絲繩傳動，必須考慮張緊問題，否則也會產生很大的回差。必須考慮張緊問題，否則也會產生很大的回差。 22關節(jié)是操作機各桿件間的結合部分，有轉動和移動兩種類關節(jié)是操作機各桿件間的結合部分，有轉動和移動兩種類型。工業(yè)機器人前三關節(jié)通常稱作

19、腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)，型。工業(yè)機器人前三關節(jié)通常稱作腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)，它們構成了操作機的位置機構。后面關節(jié)構成了操作機的姿它們構成了操作機的位置機構。后面關節(jié)構成了操作機的姿態(tài)機構，稱作腕部。下面分別討論這些關節(jié)的構造和傳動配態(tài)機構，稱作腕部。下面分別討論這些關節(jié)的構造和傳動配置。置。一、腰關節(jié)一、腰關節(jié)腰關節(jié)既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾翻力矩，腰關節(jié)既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾翻力矩，且具有較高的運動精度和剛度。多采用高剛性的且具有較高的運動精度和剛度。多采用高剛性的RV減速器減速器減速，也可采用諧波傳動、擺線針輪或蝸桿減速器。減速，也可采用諧波傳動、擺線針輪或蝸桿減

20、速器。 2.3 工業(yè)機器人關節(jié)的構造及其傳動配置工業(yè)機器人關節(jié)的構造及其傳動配置23腰關節(jié)電機上置腰關節(jié)電機上置)1 電機；電機；2 RV減速器，減速器，3 支架，支架，6 交叉滾子軸承；交叉滾子軸承；5 電纜電纜24腰關節(jié)腰關節(jié) (電機下置電機下置)1諧波減速器；諧波減速器；2 電機；電機；3 四點接觸球軸承四點接觸球軸承25腰關節(jié)腰關節(jié)1 電機電機 ；2 齒輪；齒輪；3 立柱；立柱；4 結合螺栓結合螺栓213426由上面的圖例可以看出，腰關節(jié)的構造主要是兩種類型：由上面的圖例可以看出，腰關節(jié)的構造主要是兩種類型：使用交叉滾子或四點接觸式軸承的同軸式平行軸式。前者使用交叉滾子或四點接觸式軸承

21、的同軸式平行軸式。前者結構緊湊，腰關節(jié)高度尺寸小結構緊湊，腰關節(jié)高度尺寸小(使用特制抽承的緣故使用特制抽承的緣故)，但后，但后面關節(jié)的各種電纜走線比較困難，大多是在固定的中間柱面關節(jié)的各種電纜走線比較困難，大多是在固定的中間柱體外面留有較大的環(huán)形空間，使電纜以盤旋的形式松松地體外面留有較大的環(huán)形空間，使電纜以盤旋的形式松松地套在中間柱體上，當腰支架等機體轉動時，電纜猶如盤旋套在中間柱體上，當腰支架等機體轉動時，電纜猶如盤旋彈簧般收緊或放松。對于平行軸式腰關節(jié)，電纜則可方便彈簧般收緊或放松。對于平行軸式腰關節(jié)，電纜則可方便地通過中空軸，聯(lián)接于支座的固定接線板上。地通過中空軸，聯(lián)接于支座的固定接線

22、板上。27二、肩關節(jié)和肘關節(jié)二、肩關節(jié)和肘關節(jié) 對于開式連桿結構，肩關節(jié)位于腰部的支座上，多采用高對于開式連桿結構，肩關節(jié)位于腰部的支座上，多采用高剛性的剛性的RV減速器減速，也可采用諧波傳動或擺線針輪。減速器減速，也可采用諧波傳動或擺線針輪。 肘關節(jié)位于大臂與小臂的聯(lián)接處。其結構形式有偏置式或肘關節(jié)位于大臂與小臂的聯(lián)接處。其結構形式有偏置式或同軸式配置，多采用諧波傳動、擺線針輪、齒輪傳動等。同軸式配置，多采用諧波傳動、擺線針輪、齒輪傳動等。281 大臂；大臂；2 關節(jié)關節(jié)1電機；電機；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 氣動閥；氣動閥； 6 立柱；立柱；7 直齒輪；直齒輪； 8

23、中間齒輪；中間齒輪；9 機座；機座； 10 主齒輪；主齒輪；11 管形連接軸；管形連接軸；12 手腕手腕2930同軸減速傳動結構同軸減速傳動結構31同軸減速傳動結構同軸減速傳動結構1腰支座；腰支座；2、7 RV減速器；減速器；3、6 驅動電機；驅動電機；4 大臂；大臂；5 曲柄；曲柄；8 軸承。軸承。32三、三、直動關節(jié)直動關節(jié) 直動關節(jié)可有兩種類型；電機驅動和液壓驅動。前者多采直動關節(jié)可有兩種類型；電機驅動和液壓驅動。前者多采用滾動絲杠和導柱用滾動絲杠和導柱(軌軌)式；后者可采用油缸驅動齒輪的倍速式；后者可采用油缸驅動齒輪的倍速移動結構。移動結構。33四、手腕關節(jié)四、手腕關節(jié)1 1、單自由度

24、手腕、單自由度手腕 SCARA水平關節(jié)裝配機器人多采用單自由度手骯。水平關節(jié)裝配機器人多采用單自由度手骯。SCARA 機器人機器人34 SCARA 機器人操作機的手腕只有繞垂直軸的一個旋轉機器人操作機的手腕只有繞垂直軸的一個旋轉自由度。為了減輕操作機的懸臂重量，手腕的驅動電機固自由度。為了減輕操作機的懸臂重量，手腕的驅動電機固結在機架上。手腕轉動的目的在于調整裝配件的方位。由結在機架上。手腕轉動的目的在于調整裝配件的方位。由于傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉動不影響于傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉動不影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調整完全取決于腕轉末端執(zhí)行器的水平方位，

25、而該方位的調整完全取決于腕轉動的驅動電機，這是該種傳動方式的主要優(yōu)點，特別適合動的驅動電機，這是該種傳動方式的主要優(yōu)點，特別適合于電子線路板的插件作業(yè)。于電子線路板的插件作業(yè)。 2 2、兩自由度手腕、兩自由度手腕 兩自由度手腕關節(jié)有兩種常見的配置形式，即匯交兩自由度手腕關節(jié)有兩種常見的配置形式，即匯交式和偏置式。式和偏置式。351 法蘭；法蘭；2 錐齒輪軸；錐齒輪軸；3 錐齒輪；錐齒輪；8，4 彈簧；彈簧；5，7 鏈輪；鏈輪；6，9軸承；軸承；10一轉殼一轉殼匯交式兩自由度手流匯交式兩自由度手流1 法蘭；法蘭；2 轉殼；轉殼；3、6 錐齒輪軸；錐齒輪軸；4 小臂；小臂；5、7 鏈輪，鏈輪，8 鏈；鏈；9、10 彈簧彈簧偏置式兩自由度手腕偏置式兩自由度手腕36兩自由度手腕的另兩種結構。圖兩自由度手腕的另兩種結構。圖1 1屬匯交型，將諧波減速器屬匯交