機器人機械結(jié)構(gòu)及其設(shè)計.ppt

1、1，2.1機器人機械設(shè)計階段，1，工作分析工作分析包括工作分析和環(huán)境分析，不同的工作任務(wù)和環(huán)境對機器人操作和方案設(shè)計有決定性影響。2，方案設(shè)計(1)確定動力源(2)確定模型(3)確定自由度(4)確定功率容量和傳動方法(5)確定運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)化(6)確定平衡方法和平衡質(zhì)量(7)繪制機構(gòu)運動圖表，機器，3，2.2工業(yè)機器人的驅(qū)動和傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在機器人機械系統(tǒng)中，驅(qū)動器通過聯(lián)軸器驅(qū)動驅(qū)動裝置(通常是減速器)，通過關(guān)節(jié)軸移動構(gòu)件。機器人一般有兩個茄子運動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動(直線)移動關(guān)節(jié)。為了控制位置和速度，驅(qū)動系統(tǒng)還包括位置和速度檢查分量。檢查元件的類型很多，但需要適當(dāng)?shù)木?、連接方法和有

2、助于控制的輸出方法。對于伺服電動機驅(qū)動，檢測元件經(jīng)常直接與電動機連接。對于液壓驅(qū)動，經(jīng)常與通過聯(lián)接器或銷軸驅(qū)動的構(gòu)件連接。2.2.1驅(qū)動驅(qū)動器系統(tǒng)配置，4，1碼磁盤；2速度計3電動機4耦合；5傳動裝置6轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；7極，8馬達；9耦合10螺旋對；11關(guān)節(jié)移動12電位器(或晶格子)，5，1傳記驅(qū)動器傳記驅(qū)動器的能量簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都高。但是它們大部分與減速裝置連接，很難直接驅(qū)動。傳記驅(qū)動器可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。直流伺服電動機有很多優(yōu)點，但刷子容易磨損，容易形成火花。隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來交流伺服電動機取代了直流伺服電動機，成為機

3、器人的主要驅(qū)動。步進電機驅(qū)動器大部分是開環(huán)控制，控制簡單，功率不大，常用于精度低的低功耗機器人系統(tǒng)。2.2.2驅(qū)動器的類型和功能，6，7，2。液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動的優(yōu)點是功率大。消除減速裝置，直接連接到驅(qū)動構(gòu)件。結(jié)構(gòu)小，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動器精度高。但是，由于需要增設(shè)液壓源，容易發(fā)生液體泄漏，不適合高、低溫情況，液壓驅(qū)動目前廣泛用于超特功率的機器人系統(tǒng)。8，3氣動驅(qū)動氣壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但是，與液壓驅(qū)動器相比，其功率小、剛度低、噪音大、速度控制不好，常用于精度不高的點控制機器人。9，3其他驅(qū)動器是特殊驅(qū)動設(shè)備，有壓電鄭秀晶、形狀記憶合金、10牙齒，驅(qū)動器選擇是操作要

4、求，生產(chǎn)環(huán)境為前提，必須根據(jù)價錢高低、技術(shù)水平進行標(biāo)準評估。通常，當(dāng)前負載不超過100千克，可以優(yōu)先考慮傳記驅(qū)動器。只有點控制，功率小的人可以使用氣動驅(qū)動器。如果負荷很大，或者機器人周圍已經(jīng)有液壓源，則可以使用液壓驅(qū)動器。對于驅(qū)動器來說，最重要的是啟動力矩大，速度調(diào)節(jié)范圍大，慣性小，尺寸尺寸小，性能好，需要相應(yīng)的數(shù)字控制系統(tǒng)。11，機器人使用當(dāng)前出現(xiàn)的大多數(shù)傳動機構(gòu)。其中最常用的是諧波、RV擺線銷行星和滾動螺旋傳動。，2.2.3機器人的一般傳動機構(gòu)，機器人傳動機構(gòu)的基本要求：(1)結(jié)構(gòu)緊湊，即與去年相比最小、重量最輕。(2)傳動剛度大。也就是說，承受扭矩時角度變形小，提高了整個機器的固有頻率，

5、降低了整個機器的低頻振動。(3)逆差小。也就是說，從正向到反向空間的行程大小小，位置控制精度高。(4)壽命長，價錢低。12，13，14，諧波傳遞工作原理諧波傳遞是利用組件的可控彈性變形傳遞機械運動。諧波傳動通常由三個茄子基本組件(通常稱為三種)組成。這包括帶內(nèi)齒的剛性車輪。一次作業(yè)會發(fā)生徑向彈性變形，包括具有外部齒的彈性以及具有彈性內(nèi)部、橢圓形、外部環(huán)中滾動軸承的波產(chǎn)生器。柔體的外部齒數(shù)小于固定輪的內(nèi)部齒數(shù)。波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時，與長軸方向?qū)?yīng)的柔體外部齒完全與剛性車輪的內(nèi)部齒嚙合。在短方向，外牙齒都與內(nèi)牙齒分離。如果鋼輪固定，波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，則柔體外部齒依次嚙合，啃出鋼輪內(nèi)部齒，柔體齒輪任意點的徑向

6、位移與余弦波形的變化相似，因此這種傳動稱為諧波傳動。15，16，2，諧波傳動的主要特征(1)傳動比，單個50300，2級最大2x106。(2)傳動平穩(wěn)，承載能力高，傳動單位扭矩體積和重量小。在相同的工作條件下，體積可以減少到20，50。(3)牙齒表面磨損小，均勻，傳動效率高。如果結(jié)構(gòu)合理，潤滑良好，則I=100的傳動效率可能達到0.85。(4)傳動精度高。如果制造精度相同，諧波傳動的精度比普通齒輪傳動高一級。如果齒面打磨好，諧波齒輪傳動的傳動精度將是普通齒輪傳動的4倍。(5)回歸小。精密諧波傳動的逆差一般可以小于3，甚至實現(xiàn)無回差傳動。(6)可以通過密閉墻傳遞運動。這是其他電動機構(gòu)難以實現(xiàn)的。

7、(7)諧波傳動不能獲得中間輸出，杯叢剛度低。17，RV擺線針輪驅(qū)動RV擺線針輪驅(qū)動裝置由一級行星齒輪傳動裝置和一級擺線針輪減速器組合而成。第二，與主要特征諧波傳動相比，RV擺線銷傳動比相同的速度比、同軸傳動、結(jié)構(gòu)緊湊、高效大氣點除外，剛度好，傳動剛度比諧波傳動大26倍，但重量增加了13倍。減速器特別適用于操作機的第一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)(腰部關(guān)節(jié))，此時自重位于基座上，充分發(fā)揮高剛度作用，可以大大提高整個機器的固有頻率，減少振動。在頻繁添加和減速運動期間，可以提高響應(yīng)速度，減少能耗。18，19，滾動螺旋滾動螺旋傳動是在帶有螺旋槽的螺桿和螺母之間放入適當(dāng)?shù)那颉Ｂ輻U和螺母之間從滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種螺旋

8、傳動，滾珠在工作中沿螺旋槽(滾筒)滾動，為了回收滾珠，必須建立返回通道。(約翰f肯尼迪，美國電視電視劇，Northern Exposure)，為了消除回流(空回流)，螺母分為兩部分，用墊片、雙螺母或齒差調(diào)整兩個螺母相對軸的位置，以消除間隙，施加預(yù)壓力，以便在有額定泵送載荷的情況下也能使回流為零。其中最常用的是雙螺母式，齒差式是最可靠的。1齒輪；2返回設(shè)備；3個按鈕；4球5絲條；6螺母7支承，20，滾動螺旋特征：(1)摩擦少，效率高。一般來說，傳動的效率在90以上。(2)動態(tài)、靜態(tài)摩擦系數(shù)差異很小，傳動平穩(wěn)，靈敏度高。(3)磨損少，壽命長。(4)提前擰緊，消除軸向間隙，提高軸向剛度。滾動螺旋傳動

9、不能自行鎖定，必須有防止逆轉(zhuǎn)的制動或自動鎖定機制，以便在自重下降的情況下安全使用。最怕掉進灰塵、鐵、沙子里。一般來說，螺母的兩端要密封，螺絲的外露部分必須用風(fēng)箱或鋼條卷密封。，21，此外，對于齒輪、蝸輪和齒輪齒條傳動，應(yīng)特別注意消除間隙問題。否則，反差較大，不能滿足適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)角精度要求。對于鏈傳動、齒形帶、鋼帶和鋼絲繩傳動，必須考慮拉伸問題。否則，可能會發(fā)生很大的反差。22，關(guān)節(jié)是操作機各構(gòu)件之間的結(jié)合部分，有兩種茄子類型：旋轉(zhuǎn)和移動。工業(yè)機器人的前三個關(guān)節(jié)通常稱為腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，它們構(gòu)成了操縱器的位置機制。后關(guān)節(jié)構(gòu)成了稱為手腕的操縱器的姿勢機制。以下說明了這些關(guān)節(jié)的配置和傳動配置。第一

10、，腰部關(guān)節(jié)承受軸向力、徑向力、傾斜力矩，運動精度和剛度都很高?？梢允褂酶邉偠萊V減速器減速或諧波傳動、擺線銷輪或蝸桿減速器。2.3工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和傳動配置，23，在腰關(guān)節(jié)電機上)1電機2 RV減速器，3支架，6交叉滾子軸承；5電纜，24，腰關(guān)節(jié)(電機下)1諧波減速器；2電機3 4點接觸球軸承，25，腰關(guān)節(jié)1電機；2齒輪3列4螺栓聯(lián)接，26如上圖所示，腰部關(guān)節(jié)的配置主要是使用交叉滾子或4點接觸軸承的同軸平行軸。前者結(jié)構(gòu)緊湊，腰部關(guān)節(jié)高度尺寸小(因為使用了特制泵)，但是后關(guān)節(jié)的各種電纜線路比較難走。大部分在固定的中間柱外留下大環(huán)空間，以旋轉(zhuǎn)電纜的形式松弛地套在中間柱上，腰部支架等氣體旋轉(zhuǎn)時，

11、電纜像旋轉(zhuǎn)彈簧一樣拉緊或松弛。(阿爾伯特愛因斯坦，美國電視電視劇，腰部)平行軸腰部關(guān)節(jié)，電纜可以通過空心軸輕松連接到支架的固定接線板。27，2，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)在開口連接桿結(jié)構(gòu)中，肩關(guān)節(jié)位于腰部支撐，可使用高剛度RV減速器減速，諧波傳動或擺線針輪。肘關(guān)節(jié)位于大手臂和小手臂的連接處。其結(jié)構(gòu)采用偏置或同軸配置，常用諧波傳動、擺線銷輪、齒輪傳動等。28，1大胳膊；雙關(guān)節(jié)1馬達；3臂定位板；手臂4個5個氣動閥門；6列7直齒輪8中齒輪9框10周齒輪11管連接軸；12腕，29，30，同軸減速傳動結(jié)構(gòu)，31，同軸減速傳動結(jié)構(gòu)，1腰支撐2，7 RV減速器；3、6驅(qū)動電動機；四臂5曲柄8軸承。32，3，直動關(guān)節(jié)直

12、動關(guān)節(jié)有兩種茄子類型。馬達驅(qū)動和液壓驅(qū)動。電子主要使用滾動螺桿和導(dǎo)柱(導(dǎo)軌)樣式。后者可以使用氣缸驅(qū)動的齒輪x移動結(jié)構(gòu)。33，4，腕關(guān)節(jié)1，單自由度腕部SCARA水平關(guān)節(jié)裝配機器人大部分是單自由度手。SCARA自動機、34和SCARA自動機操縱器的腕部在垂直軸周圍只有一個旋轉(zhuǎn)自由度。為了減輕操作機的懸臂重量，手腕的驅(qū)動馬達固定在機架上。手腕旋轉(zhuǎn)的目的是調(diào)整部件的方向。因為傳動是雙級直徑齒形帶，所以大、小手臂的旋轉(zhuǎn)不影響結(jié)束執(zhí)行器水平方向，牙齒方向的調(diào)整完全取決于手腕旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動馬達。這是這種傳動方式的主要優(yōu)點。特別適用于電路基板的插件工作。2自由度腕部2自由度腕關(guān)節(jié)具有兩種茄子常見的配置形式：交

13、叉和偏移。35，1凸緣；2錐齒輪軸；3圓錐齒輪；8，4彈簧；5，7鏈輪；6，9軸承；10 1旋轉(zhuǎn)殼體相交2自由度手流，1凸緣；2旋轉(zhuǎn)外殼；3、6錐齒輪軸；手臂4個5，7鏈輪，8鏈；9，10彈簧偏移兩自由度腕部、36，2自由度腕部的其他兩個茄子結(jié)構(gòu)。圖1將諧波減速器放置在手臂上，驅(qū)動通過齒形帶移動諧波，或在錐形齒輪后驅(qū)動諧波，從而獲得沿x，y軸的兩自由度運動。圖2是偏置類型，連接驅(qū)動電動機和諧波減速器，直接在偏置腕殼上驅(qū)動手腕，完成角度旋轉(zhuǎn)。，1平面諧波；2杯諧波；3齒形帶輪；4圓錐齒輪；5腕殼圖1諧波前交叉腕，1諧波減速9；2馬達3個車輪4手腕外殼圖2馬達前偏置手腕，37，柔道運動是由一個構(gòu)件驅(qū)動另一個構(gòu)件而引起的運動稱為誘導(dǎo)運動。進行機器人運動學(xué)計算