機器人原理及控制技術：第二章工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計

1、第二章 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)是機器人的支承基礎和執(zhí)行機構，機械系統(tǒng)設計是機器人設計的一個重要內容，其結果直接決定機器人工作性能的好壞。第二章 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計2.1 工業(yè)機器人總體設計2.2 驅動機構2.3 機身和臂部設計2.4 腕部設計2.5 手部設計2.6 行走機構設計 機器人總體設計的主要內容有：確定基本參數(shù)，選擇運動方式，手臂配置形式，位置檢測，驅動和控制方式等。然后是進行結構設計，同時，要對各部件的強度、剛度進行必要的驗算。 2.1 工業(yè)機器人總體設計 2.1 工業(yè)機器人總體設計一、系統(tǒng)分析 采用工業(yè)機器人需要先進行綜合的技術和經(jīng)濟分析，一旦確定采用，設計

2、人員在開始技術設計之前應進行如下工作： 1. 根據(jù)使用場合，確定機器人的目的和任務； 2. 分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括機器人與已有設備的兼容性； 3. 分析系統(tǒng)的工作要求，確定機器人的基本功能和方案，準備做技術設計； 4. 進行必要的調查研究，搜集國內外的有關資料，進行綜合分析，找出可供借鑒之處，以及別人的經(jīng)驗教訓； 2.1 工業(yè)機器人總體設計二、技術設計 1. 確定機器人的基本參數(shù)（自由度數(shù)目、工作范圍、承載能力、運動速度、定位精度等）； 2. 確定機器人的運動形式（五種基本結構）； 3. 擬定傳感系統(tǒng)框圖； 4. 確定控制系統(tǒng)總體方案； 5. 機械結構設計（驅動方式、機器人總裝圖、

3、主要零部件圖） 6. 平衡系統(tǒng)設計 2.1 工業(yè)機器人總體設計 1）自由度數(shù)目的確定 自由度越多越靈活，但結構越復雜，在滿足機器人工作要求的前提下，為簡化機器人結構和控制，應使自由度數(shù)最少，工業(yè)機器人自由度一般為4-6個。2）作業(yè)范圍的確定 機器人作業(yè)范圍需根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定。作業(yè)范圍大小不僅與機器人各桿件的尺寸有關，而且也與它的總體構形有關。3）運動速度的確定 主要是根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個動作的時間，進而根據(jù)機械手各部位的運動行程確定其運動速度。 1. 確定機器人的基本參數(shù)的確定 2.1 工業(yè)機器人總體設計 4）承載能力的確定 根據(jù)被抓取、搬運物體的質量變化范圍來確定

4、。5）定位精度的確定 根據(jù)使用要求確定的,而要達到這樣的精度取決于機器人的定位方式、運動速度、控制方式、臂部剛度、驅動方式、緩沖方法等。 1. 確定機器人的基本參數(shù)的確定 2.2 驅動機構一、各種驅動方式的優(yōu)缺點優(yōu)點： 液壓驅動 體積小，可以獲得較大的推力和轉矩； 介質的可壓縮性小，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，精度高； 容易實現(xiàn)對力、速度、方向的自動控制； 油液介質使系統(tǒng)具有防銹蝕和自潤滑性能；缺點： 油液的黏度受溫度影響，影響工作性能； 液體泄漏難以克服，要求液壓元件制造精度高； 需要提供相應的供油系統(tǒng)和嚴格的濾油裝置； 2.2 驅動機構一、各種驅動方式的優(yōu)缺點優(yōu)點： 氣壓驅動 壓縮空氣黏度小，容易達

5、到高速（1m/s)； 工廠一般都自有空氣壓縮機站，可提供壓縮空氣，不必再額外的添加動力設備，而且空氣介質對環(huán)境無污染，使用安全； 氣動元件工作壓力低，因此制造要求也低一些，價格低廉； 空氣具有壓縮性，是系統(tǒng)能夠實現(xiàn)過載自動保護；缺點： 壓縮空氣一般為0.40.6Mpa，要想獲得較大的壓力，結構就要增大； 空氣具有壓縮性，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要實現(xiàn)準確的位置控制更困難； 壓縮空氣排水比較麻煩； 排氣造成噪音污染； 2.2 驅動機構一、各種驅動方式的優(yōu)缺點 電氣驅動1. 步進電機：多為開環(huán)控制，簡單，功率較小，多用于低精度、小功率的機器人；2. 直流伺服電機：易于控制，有較理想的機械特性，

6、但其電刷易磨損，易形成火花；3. 交流伺服電機：結構簡單，運行可靠，可以頻繁的啟動、制動； 交流伺服電機和直流伺服電機相比：沒有電刷等易磨損部件，外形尺寸小，能在重載下高速運行，加速性能好，能實現(xiàn)動態(tài)控制和平滑運動，但控制較復雜； 2.2 驅動機構二、各種傳動機構1、齒輪齒條: 旋轉運動變?yōu)橹本€運動 2.2 驅動機構二、各種傳動機構2、普通絲桿（絲杠螺母副）及滾珠絲杠傳動 絲杠螺母副傳動部件是把回轉運動變換為直線運動的重要部件。 由于絲杠螺母機構是連續(xù)的面接觸，傳動中不會產(chǎn)生沖擊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，并且能自鎖； 由于絲杠的螺旋升角交小，所以用較小的驅動力矩，也可以獲得較大的牽引力。 絲杠螺母的

7、螺旋面之間的摩擦是滑動摩擦，所以傳動效率較低。 3、絲杠螺母副的改進：滾珠絲杠 傳動效率高，而且傳動精度和定位精度都很高，在傳動時靈敏度和平穩(wěn)性也很好； 由于滾珠絲杠的磨損小，其使用壽命比較長。 絲杠、螺母的材料、熱處理和加工工藝要求很高，故成本較高。4、液壓（氣壓）缸液壓（氣壓）缸是將液壓泵輸出的壓力能轉換為機械能、作直線往復運動的執(zhí)行元件。液壓（氣壓）缸主要由缸筒、缸蓋、活塞、活塞桿和密封裝置等部件構成，活塞和缸筒采用精密滑動配合，壓力油（壓縮空氣）從液壓（氣壓）缸的一端進入，把活塞推向液壓（氣壓）缸的另一端，從而實現(xiàn)直線運動。三、旋轉驅動機構1、齒輪傳動：齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒直接

8、、傳遞運動和動力的裝置。在所有的機械傳動中，齒輪傳動應用最廣，可用來傳遞任意兩軸之間的運動和動力。 齒輪傳動的特點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。三、轉動慣量的折算旋轉運動2、同步帶傳動裝置與齒輪傳動相比帶傳動的主要優(yōu)點： (1)帶具有良好的撓性和彈性，有緩沖、吸振作用，因此傳動平穩(wěn)、噪聲??； (2)過載時，帶在帶輪上產(chǎn)生打滑，從而防止損壞其他零件，保護原動機； (3)適合中心距較大的傳動； (4)結構簡單，成本低。 其主要缺點是： (1)帶是彈性體，在傳動中存在著彈性滑動，故不能保證準確的傳動比； (2)傳動效率較低； (3)帶傳動的結構

9、尺寸較大，不夠緊湊； (4)不適于高溫、易燃及有腐蝕性 2.2 驅動機構3、諧波傳動 一般電機是高轉速、低力矩的驅動器，在機器人中要用減速器變成低轉速、高力矩的驅動器。機器人對減速器的要求如下： 在工業(yè)機器人中，旋轉關節(jié)60%-70%都是使用諧波傳動機構。諧波傳動在運動學上是一種具有柔性齒圈的行星傳動。 運動精度高，間隙小，以實現(xiàn)較高的重復定位精度； 回轉速度穩(wěn)定，無波動，運動副間摩擦小，效率高； 體積小，重量輕，傳動扭矩大； 周轉輪系 行星輪：軸線位置變動的齒輪-中心輪(太陽輪)：軸線位置固定的齒輪1和3。行星架(系桿)：支持行星輪作自轉和公轉的構件H。(1) 周轉輪系的組成既作自轉又作公轉

10、的齒輪2。 周轉輪系：傳動時,輪系中至少有一個齒輪的幾何軸線位置不固定，而是繞另一個齒輪的固定軸線回轉,這種輪系被稱為周轉輪系。 每個周轉輪系有且只有一個系桿； 系桿支撐著一個或一組行星輪； 所有基本構件轉軸重合。(2) 周轉輪系的結構要點(行星架與中心輪的軸線必須重合！)(3) 周轉輪系的類型 差動輪系 (F=2) 行星輪系 (F=1)2H132H13有一個中心輪的轉速為零的周轉輪系稱為行星輪系。中心輪的轉速轉速都不為零的周轉輪系稱為差動輪系。2.2 驅動機構 特點：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輪上，內齒輪也具有較高的承載能力。 行星齒輪傳動：一個或一個以

11、上齒輪的軸線繞另一齒輪的固定軸線回轉的齒輪傳動2.2 驅動機構3、諧波傳動 由波發(fā)生器、柔性件和剛性件 3個基本構件組成的機械傳動。這種傳動是在波發(fā)生器的作用下，使柔性件產(chǎn)生彈性變形并與剛性件相互作用而達到傳遞運動或動力的目的。 1剛性齒輪；2剛輪內齒圈；3輸入軸；4諧波發(fā)生器；5 輸出軸6柔性齒輪；7柔性外齒圈 （1）帶有內齒圈的剛性齒輪（剛輪），它相當于行星系中 的中心輪； （2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪），它相當于行星齒輪； （3）波發(fā)生器H，它相當于行星架。嚙合嚙合嚙出嚙入脫開脫開 工作原理剛輪柔輪波發(fā)生器 波發(fā)生器旋轉時，迫使柔輪變?yōu)闄E圓，使長軸兩端附近的齒進入嚙合狀態(tài)，短軸附近的

12、齒則脫開，其余不同區(qū)段上的齒處于逐漸嚙入狀態(tài)或逐漸嚙出狀態(tài)。 波發(fā)生器連續(xù)轉動時，柔輪的變形部位也隨之轉動，使輪齒依次進入嚙合，然后又依次退出嚙合，從而實現(xiàn)嚙合傳動。諧波傳動特點 尺寸小、慣量低； 由于誤差分布在多個嚙合齒上，傳動精度高； 由于預載嚙合，傳動間隙非常小； 運動平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小； 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(chǎn)生振動； 諧波傳動比行星傳動具有更小的傳動間隙，更輕的質量，但是剛度比行星傳動差；優(yōu)點：缺點： 三、諧波齒輪傳動 組成 剛輪、柔輪、波發(fā)生器(主動構件) 剛輪1柔輪2波發(fā)生器H由于諧波發(fā)生器4的轉動使柔輪6上的齒7與圓形花鍵輪(

13、剛輪)1上的齒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，則軸1為輸出軸。諧波傳動速比的計算與行星傳動速比計算是一樣的。如果圓形花鍵輪(剛輪)1不轉動( )，波發(fā)生器。 3輸入，柔輪軸5為輸出，速比為：負號表示柔輪向發(fā)生器旋轉方向相反的方向旋轉例：有一諧波齒輪傳動，剛輪齒數(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：負號表示柔輪輸出轉向與發(fā)生器轉向相反。傳動比剛輪1固定，波發(fā)生器H主動，柔輪2從動柔輪2固定，波發(fā)生器H主動，剛輪1從動為剛性齒輪的齒數(shù)， 為柔輪齒輪齒數(shù) 2.3 機身與臂部設計 工業(yè)機器人機械結構有三大部分：機身、手臂(包括手腕)

14、、手部。機身，又稱為立柱。機器人必須有一個便于安裝的基礎件，這就是工業(yè)機器人的機座，機座往往與機身做成一體。假如工業(yè)機器人是移動式的，那么還有一個行走機構。圖4-61表示了包括手部、手腕、手臂、機身、行走機構在內的一個工業(yè)機器人系統(tǒng)。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，工業(yè)機器人的機身也稱立柱，機器人必須有一個便于安裝的基礎部件，這就是機器人的機座，機座往往與機身做成一體。機身是支承臂部的部件，常有13個自由度。機身設計要注意以下問題： 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性； 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； 結構布置要合理； 通

15、常工業(yè)機器人的機身具有具有回轉、升降、回轉與升降、回轉與俯仰、回轉與升降及俯仰等5種運動方式，采用哪一種方式由工業(yè)機器人的總體設計來確定。一、機身設計 回轉運動采用擺動油缸驅動，升降油缸在下，回轉油缸在上。因擺動油缸安裝在升降活塞桿的上方，因此活塞桿的尺寸要加大；回轉與升降機身 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； 鏈輪傳動機構；一、機身設計 俯仰運動一般采用活塞缸與連桿機構來實現(xiàn)?；剞D與俯仰機身 2.3 機身與臂部設計腰關節(jié)采用二級齒輪減速傳動機構簡圖關節(jié)電機立柱基座大臂小臂一、機身設計機身驅動力（力矩）的計算垂直升降運動的驅動力

16、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承受的手臂、手腕、手部、工件等總重力以及升降運動的全部部件的慣性力，因此其驅動力 的計算如下：其中： 各支承處的摩擦力； 啟動時的總慣性力； 運動部件的總重力； 上升時為正，下降時為負。 2.3 機身與臂部設計一、機身設計機身驅動力（力矩）的計算回轉運動的驅動力矩的計算：作回轉運動時，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攜帶的手臂、手腕、手部、工件等總慣性力矩 ，因此，其驅動力矩 計算方法為：其中： 2.3 機身與臂部設計式中： 角速度增量 為全部回轉零部件對機身回轉軸的轉動慣量一、機身設計

17、機身驅動力（力矩）的計算升降立柱下降過程不卡死的條件計算：偏重力矩是指臂部全部零部件與工件的總重量對機身立柱軸的靜力矩。當手臂在最大行程位置時，偏重力矩最大，因此，偏重力矩按懸伸最大行程，最大抓重時進行計算。偏重力臂： 偏重力矩： 2.3 機身與臂部設計一、機身設計機身驅動力（力矩）的計算升降立柱下降過程不卡死的條件計算： 手臂在總重量G的作用下，產(chǎn)生偏重力矩，導致立柱傾斜。如果偏重力矩過大， 并且導套設計不合理（導套長度不夠），立柱在導套中有卡住現(xiàn)象，這時，機身的升降驅動力必須增大，相應驅動及傳動裝置結構就龐大。如果機身下降靠重力的話，則可能立柱被卡死在導套內而不能作下降運動，這就是自鎖。因

18、此必須根據(jù)偏重力矩的大小決定立柱導套的長度。 2.3 機身與臂部設計一、機身設計機身驅動力（力矩）的計算升降立柱下降過程不卡死的條件計算： 根據(jù)立柱平衡條件可知： 因此： 要使立柱在導套內自由下降，則臂部總重量必須大于導套與立柱之間的摩擦力，這就是升降立柱靠自重下降而不卡死的條件為： 即： 2.3 機身與臂部設計一、臂部設計的基本要求 臂部的結構形式需根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時還要考慮臂部的受力情況、油(氣)缸及導向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素。 剛度要求高：為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀必須合理選擇。常采用工字鋼

19、、空心管。 導向性要好：為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相當轉動，需要設置導向裝置。 重量要輕：為提高機器人的運動速度，要盡量減輕臂部運動部分的重量，以減小整個臂部對回轉軸的轉動慣量。 運動要平穩(wěn)、定位精度要高：由于臂部運動速度越高，慣性力引起定位前的沖擊也就越大，導致運動不平穩(wěn)，定位精度也不高。此時需要采用一定形式的緩沖措施。 2.3 機身與臂部設計二、臂部的常用結構手臂直線運動機構：實現(xiàn)手臂直線運動的機構形式很多，常用的有活塞油(氣)缸、齒輪齒條機構、絲杠螺母機構、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得比較多。手臂轉動運動機構：實現(xiàn)手臂轉動運動

20、的機構形式也很多，常用的有葉片式回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、活塞缸與連桿機構等。三、臂部運動驅動力計算 計算臂部的運動驅動力(力矩)時，要把臂部所受的全部負荷都考慮進去。機器人在工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。臂部水平伸縮運動驅動力的計算：臂部回轉運動驅動力矩的計算： 2.3 機身與臂部設計 圖所示為一個滾動齒輪和兩個齒條組成的直線差動機構，根據(jù)相對運動原理，滾動齒輪與固定齒條的節(jié)點為兩者的速度瞬心，當滾動齒輪相對于固定齒條1滾動時，從動齒條2將沿滾動齒輪中心運動相同的方向。以滾動齒輪中心兩倍的速度平行移動。這樣，就形成了從動齒條2相對于滾動齒輪中心速度與行程的增倍

21、機構。齒輪齒條式增倍機構12 2.4 腕部設計一、概述 工業(yè)機器人的腕部是連接手部和臂部的部件，起支承手部的作用，手腕上的自由度主要是使手部（末端操作器）達到目標位置和處于期望的姿態(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、偏轉三個自由度，如下圖所示。一般將手腕的翻轉稱為Roll，用R表示；將手腕的俯仰稱為Pitch，用P表示；將手腕的偏轉稱為Yaw，用Y表示，圖（d）所示的手腕即可實現(xiàn)RPY運動。翻轉Roll俯仰Pitch偏轉Yaw二、手腕的分類按自由度數(shù)目來分類：可分為單自由度手腕、兩自由度手腕、三自由度手腕。單自由度手腕：三種類型

22、的關節(jié)：翻轉 (Roll) 關節(jié)，也稱R關節(jié)；折曲 (Bend) 關節(jié)，也稱B關節(jié)；移動關節(jié)，也稱T關節(jié)。 2.4 腕部設計圖 2.1 人類手腕的兩個B關節(jié) 二、手腕的分類按自由度數(shù)目來分類：可分為單自由度手腕、兩自由度手腕、三自由度手腕。兩自由度手腕： 由一個R關節(jié)和一個B關節(jié)組成的BR手腕； 由兩個B關節(jié)組成的BB手腕； 兩個R關節(jié)不能組成RR手腕，這實際上是一個單自由度的手腕。 2.4 腕部設計二、手腕的分類按自由度數(shù)目來分類：可分為單自由度手腕、兩自由度手腕、三自由度手腕。三自由度手腕： BBR手腕，可以實現(xiàn)RPY運動； BRR手腕，R關節(jié)需要偏置； RRR手腕，可以實現(xiàn)RPY運動；

23、BBB手腕關節(jié)退化，只能實現(xiàn)PY運動，這實際上是一個兩自由度的手腕。 2.4 腕部設計二、手腕的分類按驅動方式分類：可分為直接驅動手腕、遠距離傳動手腕。 直接驅動手腕：驅動源被裝在手腕上，因此設計必須非常緊湊巧妙，難點是能否選到尺寸小、重量輕而驅動力矩大、驅動特性好的驅動電機或液壓驅動馬達。 遠距離傳動手腕：好處是可以把尺寸、重量較大的驅動源裝在遠離手腕處，有時放在手臂的后端作平衡重量用，不僅減輕手腕的整體質量，而且改善了機器人整體結構的平衡性。 2.4 腕部設計 由輪系驅動可實現(xiàn)手腕回轉和俯仰運動，其中手腕的回轉運動由傳動軸S傳遞，手腕的俯仰運動由傳動軸B傳遞。輪系驅動的二自由度BR手腕：

24、回轉運動： S旋轉錐齒輪副Z1、Z2錐齒輪副Z3、Z4手腕與錐齒輪Z4為一體手腕實現(xiàn)繞C軸的旋轉運動 俯仰運動： 軸B旋轉錐齒輪副Z5、Z6軸A旋轉手腕殼體7與軸A固聯(lián)手腕實現(xiàn)繞A軸的俯仰運動輪系驅動二自由度手腕思考題： 1、圖中所示的情況，當S軸不輸入，只有B軸輸入時，腕部存在哪些運動，為什么？2、輪系驅動二自由度手腕圖例（3）：附加回轉運動： 軸S不轉而B軸回轉錐齒輪Z3不轉錐齒輪Z3、Z4相嚙合迫使Z4繞C軸線有一個附加的自轉，即為附加回轉運動。附加回轉運動在實際使用時應予以考慮。必要時應加以利用或補償。 此種傳動機構的結構緊湊、輕巧、傳動扭矩大，能提高機械手的工作性能。在示教型的機械手中，采用這類傳動機構作手腕結構的比較多，但缺點是手腕有一個“誘導運動”，因而要補償。57擺線針輪減速機（機器人用）結構行星擺線針輪減速機全部傳動裝置可分為三部分：輸入部分、減速部分、輸出部分。 在輸入軸上裝有一個錯位180的雙偏