機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

1、機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)第1頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 包括機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的配置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，走線及電器接口設(shè)計(jì)等。4、動(dòng)特性分析 估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，確定其結(jié)構(gòu)固有頻率和響應(yīng)特性。5、施工設(shè)計(jì) 完成施工圖設(shè)計(jì)，編制相關(guān)技術(shù)文件。2第2頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四 2.2 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器通過聯(lián)軸器帶動(dòng)傳動(dòng)裝置(一般為減速器)，再通過關(guān)節(jié)軸帶動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器人一般有兩種運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移(直)動(dòng)關(guān)節(jié)。 為了進(jìn)行

2、位置和速度控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測(cè)元件。檢測(cè)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(duì)于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動(dòng)的桿件相聯(lián)。 2.2.1 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成3第3頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四1碼盤；2 測(cè)速機(jī)；3 電機(jī)；4 聯(lián)軸器；5 傳動(dòng)裝置；6 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；7 桿 8 電機(jī)； 9 聯(lián)軸器；10 螺旋副；11 移動(dòng)關(guān)節(jié)；12 電位器 (或光柵尺) 4第4頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四1電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，

3、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(qū)動(dòng)比較困難。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又可分為直流 (DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。2.2.2 驅(qū)動(dòng)器的類型和特點(diǎn)5第5頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四6第6頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四2. 液壓驅(qū)動(dòng)器 液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊

4、湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場(chǎng)合，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。 7第7頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四3氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)位控制機(jī)器人。 8第8頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四 3其它驅(qū)動(dòng)器 作為特殊的驅(qū)動(dòng)裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、9第9頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四 驅(qū)動(dòng)器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，

5、以價(jià)格高低、技術(shù)水平為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。一般說來，目前負(fù)荷為100 kg以下的,可優(yōu)先考慮電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場(chǎng)合，可采用液壓驅(qū)動(dòng)器。 對(duì)于驅(qū)動(dòng)器來說，最重要的是要求起動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時(shí)還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。10第10頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四 機(jī)器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中最常用的為諧波傳動(dòng)、RV擺線針輪行星傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。2.2.3 機(jī)器人的常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求：(1) 結(jié)構(gòu)緊湊，即同比體積最小、重量最輕；(2) 傳動(dòng)剛

6、度大，即承受扭矩時(shí)角度變形要小，以提高整機(jī)的 固有頻率，降低整機(jī)的低頻振動(dòng)；(3) 回差小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，以得到較高的位 置控制精度；(4) 壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。 11第11頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四12第12頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四13第13頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四諧波傳動(dòng)工作原理 諧波傳動(dòng)是利用一個(gè)構(gòu)件的可控制的彈性變形來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的傳遞。諧波傳動(dòng)通常由三個(gè)基本構(gòu)件(俗稱三大件)組成，包括一個(gè)有內(nèi)齒的剛輪，一個(gè)工作時(shí)可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個(gè)裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶

7、有滾動(dòng)軸承的波發(fā)生器。柔輪的外齒數(shù)少于剛輪的內(nèi)齒數(shù)。在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相應(yīng)于長(zhǎng)軸方向的柔輪外齒正好完全嚙入剛輪的內(nèi)齒；在短軸方向，則外齒全脫開內(nèi)齒。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪的外齒將依次嚙入和嚙出剛輪的內(nèi)齒，柔輪齒圈上的任一點(diǎn)的徑向位移將呈近似于余弦波形的變化，所以這種傳動(dòng)稱作諧波傳動(dòng)。14第14頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四 15第15頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四 二、諧波傳動(dòng)的主要特點(diǎn)(1)傳動(dòng)比大，單級(jí)為50300，雙級(jí)可達(dá)2x106。(2)傳動(dòng)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20一

8、50。(3)齒面磨損小而均勻，傳動(dòng)效率高。當(dāng)結(jié)構(gòu)合理，潤(rùn)滑良好時(shí)，對(duì)i =100的傳動(dòng)，效率可達(dá)0.85。(4)傳動(dòng)精度高。在制造精度相同的情況下，諧波傳動(dòng)的精度可比普通齒輪傳動(dòng)高一級(jí)。若齒面經(jīng)過很好的研磨，則諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)精度要比普通齒輪傳動(dòng)高4倍。(5)回差小。精密諧波傳動(dòng)的回差一般可小于3，甚至可以實(shí)現(xiàn)無回差傳動(dòng)。(6)可以通過密封壁傳遞運(yùn)動(dòng)。這是其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)的。(7)諧波傳動(dòng)不能獲得中間輸出，并且杯式柔輪剛度較低。16第16頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四RV擺線針輪傳動(dòng)RV擺線針輪傳動(dòng)裝置，是由一級(jí)行星輪系再串聯(lián)一級(jí)擺線針輪減速器組合而成的。二、主要

9、特點(diǎn)與諧波傳動(dòng)相比，RV擺線針輪傳動(dòng)除了具有相同的速比大、同軸線傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等待點(diǎn)外，最顯著的特點(diǎn)是剛性好，傳動(dòng)剛度較諧波傳動(dòng)要大26倍，但重量卻增加了13倍。該減速器特別適用于操作機(jī)上的第一級(jí)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(腰關(guān)節(jié))，這時(shí)自重是坐落在底座上的，充分發(fā)揮了高剛度作用，可以大大提高整機(jī)的固有頻率，降低振動(dòng)；在頻繁加、減速的運(yùn)動(dòng)過程中可以提高響應(yīng)速度并降低能量消耗。 17第17頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四18第18頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)是在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當(dāng)?shù)臐L珠。使絲杠與螺母之間由滑動(dòng)摩擦變

10、為滾動(dòng)摩擦的一種螺旋傳動(dòng)，滾珠在工作過程中順螺旋槽(滾道)滾動(dòng)，故必須設(shè)置滾珠的返回通道，才能循環(huán)使用。為了消除回差(空回)，螺母分成兩段，以墊片、雙螺母或齒差調(diào)整兩段螺母的相對(duì)軸向位置，從而消除間隙和施加預(yù)緊力，使得在有額定抽間負(fù)荷時(shí)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。1一齒輪；2一返回裝置；3一鍵； 4一滾珠；5一絲杠；6一螺母；7支座19第19頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四 滾動(dòng)螺旋特點(diǎn)： (1)摩擦小、效率高。一般情況下，傳動(dòng)的效率在90以上。 (2)動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差極小，傳動(dòng)平穩(wěn)，靈敏度高。 (3)磨損小、壽命長(zhǎng)。 (4)可以通過預(yù)

11、緊消除軸向間隙，提高軸向剛度。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)不能自鎖，必須有防止逆轉(zhuǎn)的制動(dòng)或自鎖機(jī)構(gòu)才能安全地用于有自重下降的場(chǎng)合。最怕落入灰塵、鐵屑、砂粒。通常，螺母兩端必須密封，絲杠的外露部分必須用“風(fēng)箱”套或鋼帶卷套加以密封。20第20頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四另外，對(duì)于齒輪傳動(dòng)、蝸輪傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)，須特別注意消除間隙問題，否則回差很大，達(dá)不到應(yīng)有的轉(zhuǎn)角精度要求。對(duì)于鏈傳動(dòng)、齒形帶傳動(dòng)、鋼帶傳動(dòng)和鋼絲繩傳動(dòng)，必須考慮張緊問題，否則也會(huì)產(chǎn)生很大的回差。 21第21頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四關(guān)節(jié)是操作機(jī)各桿件間的結(jié)合部分，有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)兩種類型。工

12、業(yè)機(jī)器人前三關(guān)節(jié)通常稱作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，它們構(gòu)成了操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)。后面關(guān)節(jié)構(gòu)成了操作機(jī)的姿態(tài)機(jī)構(gòu)，稱作腕部。下面分別討論這些關(guān)節(jié)的構(gòu)造和傳動(dòng)配置。一、腰關(guān)節(jié)腰關(guān)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(yùn)動(dòng)精度和剛度。多采用高剛性的RV減速器減速，也可采用諧波傳動(dòng)、擺線針輪或蝸桿減速器。 2.3 工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的構(gòu)造及其傳動(dòng)配置22第22頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四腰關(guān)節(jié)電機(jī)上置)1 電機(jī)；2 RV減速器，3 支架，6 交叉滾子軸承；5 電纜23第23頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四腰關(guān)節(jié) (電機(jī)下置)1諧波減速器；

13、2 電機(jī)；3 四點(diǎn)接觸球軸承24第24頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四腰關(guān)節(jié)1 電機(jī) ；2 齒輪；3 立柱；4 結(jié)合螺栓213425第25頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四由上面的圖例可以看出，腰關(guān)節(jié)的構(gòu)造主要是兩種類型：使用交叉滾子或四點(diǎn)接觸式軸承的同軸式平行軸式。前者結(jié)構(gòu)緊湊，腰關(guān)節(jié)高度尺寸小(使用特制抽承的緣故)，但后面關(guān)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套在中間柱體上，當(dāng)腰支架等機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電纜猶如盤旋彈簧般收緊或放松。對(duì)于平行軸式腰關(guān)節(jié)，電纜則可方便地通過中空軸，聯(lián)接于支座的固

14、定接線板上。26第26頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四二、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié) 對(duì)于開式連桿結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)位于腰部的支座上，多采用高剛性的RV減速器減速，也可采用諧波傳動(dòng)或擺線針輪。 肘關(guān)節(jié)位于大臂與小臂的聯(lián)接處。其結(jié)構(gòu)形式有偏置式或同軸式配置，多采用諧波傳動(dòng)、擺線針輪、齒輪傳動(dòng)等。27第27頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四1 大臂；2 關(guān)節(jié)1電機(jī)；3 小臂定位板；4 小臂；5 氣動(dòng)閥； 6 立柱；7 直齒輪； 8 中間齒輪；9 機(jī)座； 10 主齒輪；11 管形連接軸；12 手腕28第28頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四29第29

15、頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四同軸減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)30第30頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四同軸減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)1腰支座；2、7 RV減速器；3、6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4 大臂；5 曲柄；8 軸承。31第31頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四三、直動(dòng)關(guān)節(jié) 直動(dòng)關(guān)節(jié)可有兩種類型；電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。前者多采用滾動(dòng)絲杠和導(dǎo)柱(軌)式；后者可采用油缸驅(qū)動(dòng)齒輪的倍速移動(dòng)結(jié)構(gòu)。32第32頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四四、手腕關(guān)節(jié)1、單自由度手腕 SCARA水平關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人多采用單自由度手骯。SCARA 機(jī)器人33第33頁

16、，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四 SCARA 機(jī)器人操作機(jī)的手腕只有繞垂直軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。為了減輕操作機(jī)的懸臂重量，手腕的驅(qū)動(dòng)電機(jī)固結(jié)在機(jī)架上。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的目的在于調(diào)整裝配件的方位。由于傳動(dòng)為兩級(jí)等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)不影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調(diào)整完全取決于腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這是該種傳動(dòng)方式的主要優(yōu)點(diǎn)，特別適合于電子線路板的插件作業(yè)。 2、兩自由度手腕 兩自由度手腕關(guān)節(jié)有兩種常見的配置形式，即匯交式和偏置式。34第34頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四1 法蘭；2 錐齒輪軸；3 錐齒輪；8，4 彈簧；5，7 鏈輪；6，9軸承；

17、10一轉(zhuǎn)殼匯交式兩自由度手流1 法蘭；2 轉(zhuǎn)殼；3、6 錐齒輪軸；4 小臂；5、7 鏈輪，8 鏈；9、10 彈簧偏置式兩自由度手腕35第35頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四兩自由度手腕的另兩種結(jié)構(gòu)。圖1屬匯交型，將諧波減速器置于臂部，驅(qū)動(dòng)器通過齒形帶帶動(dòng)諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動(dòng)諧波使末桿獲得沿x、y軸兩自由度運(yùn)動(dòng)。圖2為偏置型，則是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和諧波減速器連成一體，放于偏置的腕殼中直接帶動(dòng)腕完成角轉(zhuǎn)動(dòng)。1 扁平諧波； 2 杯式諧波；3 齒形帶輪； 4 錐齒輪；5 腕殼圖1 諧波前置匯交手腕 1諧波減速9；2 馬達(dá)； 3 銘輪； 4 腕殼圖2 電機(jī)前置偏置手腕36第36頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四 誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)把某一桿件因另一桿件的被驅(qū)動(dòng)而引起的運(yùn)動(dòng)，稱作誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算時(shí)，必須考慮誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。 2 主動(dòng)鏈輪；3、5 從動(dòng)鏈輪手腕傳動(dòng)示意圖37第37頁，共41頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)19分，星期四3、三自由度手腕三自由度手腕的結(jié)構(gòu)形式繁多。三自由度手腕是在兩自由度手腕的基礎(chǔ)上