工业机器人机械系统设计cqcv.docx

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1、工业机器器人机械械系统设设计机器人技技术是利利用计算算机的记记忆功能能、编程程功能来来控制操操作机自自动完成成工业生生产中某某一类指指定任务务的高新新技术，是是当今各各国竞相相发展的的高技术术内容之之一。它它是综合合了当代代机构运运动学与与动力学学、精密密机械设设计发展展起来的的产物，是是典型的的机电一一体化产产品，工工业机器器人由操操作机和和控制器器两大部部分组成成。操作作机按计计算机指指令运动动，可实实现无人人操作；控制器器中计算算机程序序可依加加工对象象不同而而从新设设计，从从而满足足柔性生生产的需需要。机器人应应用领域域广泛，包包括建筑筑、医疗疗、采矿矿、核能能、农牧牧渔业、航航空航天

2、天、水下下作业、救救火、环环境卫生生、教育育、娱乐乐、办公公、家用用、军用用等方面面，工业业机器人人在国内内主要应应用于危危险、有有毒、有有害的工工作环境境以及产产品质量量要求高高（超洁洁、同一一性）的的重复性性作业场场合，如如焊接、喷喷涂上下下料、插插件、防防爆等。一、 工业机器器人的总总体设计计1主体体结构设设计工业机器器人主体体结构设设计的主主要问题题是选择择由连杆杆件和运运动副组组成的坐坐标形式式。工业业机器人人的坐标标形式主主要有直直角坐标标式、圆圆柱坐标标式、球球面坐标标式、关关节坐标标式等。直角坐标标式机器器人主要要用于生生产设备备的上下下料，也也可用于于高精度度的装配配和检测测

3、作业。圆柱坐标标式机器器人主要要有三个个自由度度：腰转转，升降降，手臂臂伸缩。手手腕常采采用两个个自由度度，绕手手臂纵向向轴转动动与垂直直的水平平轴线转转动。手手腕若采采用三个个自由度度，机器器人总自自由度达达到六个个。球面坐标标式机器器人也叫叫极坐标标式机器器人，具具有较大大的工作作范围，设设计和控控制系统统比较复复杂。关节坐标标式主体体结构的的三个自自由度腰腰转关节节、肩关关节、肘肘关节全全部是转转动关节节，手腕腕的三个个自由度度上的转转动关节节（俯仰仰、偏转转和翻转转）用来来最后确确定末端端操作器器的姿态态，它是是一种惯惯犯使用用的拟人人化的机机器人。6自由度度机器人人6自由度度机器人人

4、Cobrra SSeriies 桌面机机器人Reacch:6600mmm/8800mmmPaaylooad:5.55kgReepeaatabbiliity:0.002mmmWeiightt:344/355kgDDesiingnn Liife:60 Milllioon CCycllesSmarrtMoodulles 框架机机器人Mas Strrokee:20000mmmMiin SStrooke:1300mmNNumbber of Axiis:1 tto 33Maxx Paaylooad:60kkgMaax sspeeed:112000mm/seccReppeattabiilitty:00.01

5、1mmDDesiign Liffe:550000kmCarttesiian RobbotssSizee:6000*4450mmmPaaylooad:5.55kgAAccuuraccy:00.0225mmmWeiightt:544kgDDesiign Liffe:550000km直角坐标标机器人人工作台台：2传动动方式传动方式式选择是是指选择择驱动源源及传动动装置与与关节部部件的连连接形式式和驱动动形式，主主要包括括：直接连接接传动。驱驱动源或或带有机机械传动动装置直直接与关关节相连连。远距离连连接传动动。驱动动源通过过远距离离机械传传动后与与关节相相连。间接驱动动。驱动动源经一一个速比比远大于

6、于1的机机械装置置与关节节相连。直接传动动。驱动动源不经经过中间间环节或或经过一一个速比比等于11的机械械传动这这样的中中间环节节与关节节相连。3模块块化结构构设计模块化机机器人是是有一些些标准化化、系列列化的模模块件通通过具有有特殊功功能的结结合部用用积木拼拼接的方方式组成成一个工工业机器器人系统统。模块块化设计计是指基基本模块块设计和和结合部部设计。模块化工工业机器器人主要要的特点点是：经经济性、灵灵活性4材料料的选择择与一般机机械设备备相比，机机器人结结构的动动力特性性是十分分重要的的，这是是材料选选择的出出发点。材材料选择择的基本本要求是是：强度度高、弹弹性模量量大、重重量轻、阻阻尼大

7、、材材料价格格低。5平衡衡系统设设计工业机器器人是一一个多刚刚体耦合合系统，系系统的平平衡性是是极其重重要的，在在工业中中采用平平衡系统统的理由由是：安安全、借借助平衡衡系统能能降低因因机器人人结构变变化而导导致重力力引起关关节驱动动力矩变变化的峰峰值、借借助平衡衡系统能能降低因因机器人人运动而而导致惯惯性力矩矩引起关关节驱动动力矩变变化的峰峰值、借借助平衡衡系统能能减少动动力学方方程中内内部耦合合项和非非线性项项，改进进机器人人动力特特性、借借助平衡衡系统能能减小机机械臂结结构柔性性所引起起的不良良影响、借借助平衡衡系统能能使机器器人运行行稳定，降降低地面面安装要要求。二、传动动部件设设计

8、传动部部件是驱驱动源和和机器人人各个关关节连接接的桥梁梁，是工工业机器器人的重重要部件件。机器器人的运运动速度度、加速速度（减减速度）特特性、运运动平稳稳性、精精度、承承载能力力很大程程度上是是取决于于传动部部件设计计的合理理性和优优劣。因因此，关关节传动动部件的的设计是是工业机机器人设设计的关关键之一一。(一)移动关关节导轨轨工业机器器人对移移动导轨轨的要求求 移动关关节导轨轨的目的的是在运运动过程程中保证证位置精精度和导导向,对对移动导导轨有如如下要求求:1 间隙小或或者能消消除间隙隙；2 再垂直于于运动方方向上的的刚度高高；3 摩擦系数数低并不不随速度度变化;4 高阻尼；5 移动导轨轨和

9、其辅辅助元件件尺寸小小、惯量量低。移动关节节导轨主主要分类类：普通通滑动导导轨、液液压动压压滑动导导轨、液液压静压压滑动导导轨、气气浮导轨轨和滚动动导轨。上面介绍绍的导轨轨中，前前两种具具有结果果结构简简单、成成本低的的特点，但但是必须须有间隙隙以便润润滑，但但是间隙隙的存在在又将会会引起坐坐标的变变化和有有效负载载的变化化，在低低速时候候容易产产生爬行行现象。第第三种静静压滑动动导轨结结构能产产生预载载荷，能能完全消消除间隙隙，具有有高刚度度、低摩摩擦、高高阻尼等等优点，但但是它需需要单独独的液压压系统和和回收润润滑油的的机构。第第四种气气浮导轨轨不需要要回收润润滑油的的机构，但但是刚度度和

10、阻尼尼较低。第第五种滚滚动导轨轨在工业业机器人人导轨种种用的是是最广泛泛，具有有很多的的优点 :1摩摩擦小,特别是是不随速速度变化化;2尺尺寸小;3刚度度高承载载能力大大;4精精度和精精度保持持度高;5润滑滑简单;6容易易制造成成标准件件;7易易加预载载，消除除间隙，增增加刚度度等等。但但是,滚滚动导轨轨用在机机器人机机械系统统也存在在着缺点点:1阻阻尼低;2对脏脏物比较较敏感.（二）转动关关节轴承承转动关节节轴承主主要用的的是球轴轴承，它它能承受受轴向和和径向载载荷，摩摩擦较小小，对轴轴和轴承承座的刚刚度不敏敏感。主主要分向向心推力力球轴承承和“四点接接触”球轴承承。（三）.传动动件的定定位

11、及消消隙传动件的的定位主主要有：1 电气开关关定位2 机械挡块块定位3 伺服定位位系统定定位传动件的的消隙主主要有：1 消隙齿轮轮2 柔性齿轮轮消隙3 对称传动动消隙4 偏心机构构消隙5 齿廓弹性性覆层消消隙（四） 协波波传动要求： 伺运动精精度高，间间隙小，能能实现较较高的重重复定位位精度。 回转速度度稳定，无无波动，运运动副键键摩擦小小，效率率高。 体积小，重重量轻，传传动扭矩矩大。常用的减减速机构构是行星星齿轮机机构和谐谐波传动动机构（五）.丝杠杠螺母副副和滚珠珠丝杠传传动丝杠传动动机构是是将旋转转运动变变成直线线运动的的重要传传动部件件，其优优点是不不会产生生冲击，传传动平稳稳，无噪噪

12、声，能能自锁，由由较小的的扭矩产产生较大大的牵引引力；缺缺点是传传动效率率底下。采采用滚珠珠丝杠传传动则能能解决这这种问题题，并且且传动精精度和定定位精度度都很高高，在传传动时灵灵敏和平平稳性很很好，磨磨损小，使使用寿命命比较长长。 活塞缸和和齿轮齿齿条机构构 链传动，皮皮带传动动，绳传传动 钢带传动动三、臂部部设计工业机器器人臂部部设计的的基本要要求：刚度度高。为了防防止臂部部在运动动过程中中产生过过大的变变形，手手臂的截截面形状状要合理理选择。工工字形截截面弯曲曲刚度一一般比截截面大；空心管管的弯曲曲刚度和和扭转刚刚度都比比实心轴轴大得多多，所以以常用钢钢管作臂臂杆及导导向杆，用用工字钢钢

13、和槽钢钢作支撑撑板。导向向性好。为防止止手臂在在直线运运动中，沿沿运动轴轴线发生生相对转转动，或或设置导导向装置置，或设设计方形形，花键键等形式式的臂杆杆。重量量轻。为提高高机器人人的运动动速度，要要尽量减减小臂部部运动部部分的重重量，以以减小整整个手臂臂对回转转轴的转转动惯量量。运动动平稳定定位精度度高。除了臂部部设计上上要求力力求结构构紧凑，重重量轻外外，同时时要采用用一定形形式的缓缓冲措施施。常用的臂臂部结构构有：1手部部直线运运动机构构；机器人手手臂的伸伸缩，横横向移动动均属于于直线运运动。实实现手臂臂往复直直线运动动的机构构形式比比较多，常常用的有有活塞油油（气）缸缸，齿轮轮齿条机机

14、构，丝丝杠螺母母机构以以及连杆杆机构等等。由于于活塞（气气）缸的的体积小小，重量量轻，因因而在机机器人结结构中应应用的比比较多。 手臂回转转运动机机构实现机器器人手臂臂回转运运动的机机构形式式是多样样的，常常用的有有叶片式式回转缸缸，齿轮轮传动机机构，链链轮传动动机构，活活塞缸和和连杆机机构等。一类新颖颖的致动动设备(例如致致动器、发发动机、发发电机等等)正在在步入商商业化。它它们基于于在受到到电刺激激时会改改变形状状的聚合合物。 数十十年前，构构建致动动器或者者致动设设备的工工程师就就已经为为肌肉找找到了一一种人造造替代物物。作为为对神经经刺激的的响应，肌肌肉只须须改变长长度就能能够准确确地

15、控制制其施加加的力量量，例如如眨眼睛睛或举起起杠铃。同同时，肌肌肉还表表现出比比例恒定定的属性性：对于于各种尺尺寸大小小的肌肉肉，其机机理都一一样，相相同的肌肌肉组织织既可以以给昆虫虫、也能能够为大大象赋予予力量。因因此，对对于难以以制作电电动马达达的驱动动设备，某某种类似似肌肉的的东西也也许会有有用武之之地。 EPAss号称要要成为未未来的人人造肌肉肉。研究究人员已已经在雄雄心勃勃勃地工作作，希望望能够为为许多当当代的技技术寻找找基于EEPA的的可选方方案，而而且不害害怕将他他们的发发明物与与自然物物竞争。几几年前，有有几个人人，包括括来自美美国加州州帕萨迪迪纳喷气气推进实实验室(JPLL)

16、的高高级科学学家Yoosepph BBar-Cohhen，向向电活化化聚合物物研究团团体发起起了一项项挑战，以以激发人人们对该该领域的的兴趣：展开一一项竞赛赛，看谁谁能够最最先制造造出EAAP驱动动的机器器人手臂臂，而且且必须在在与人的的手臂的的一对一一掰手腕腕比赛中中取胜。在压电电材料中中，机械械应力可可导致晶晶体电极极化，而而且反之之亦然。用用电流刺刺激这种种材料将将使其变变形；通通过改变变其形状状可以产产生电。 塑料对电电的反应应 响应电流流而改变变形状的的聚合物物可分为为两类：离子型型和电子子型，其其优势和和劣势正正好互补补。 离子型EEAPss(包括括离子聚聚合物凝凝胶体、离离子性高

17、高分子如如金属复复合材料料、导电电性高分分子以及及碳纳米米管)是是在电化化学的基基础上工工作即正负负离子的的移 动动和扩散散。它们们可以直直接用电电池带动动，因为为即便一一个个位位(siinglle-ddigiit)电电压也能能够使它它们大幅幅度弯曲曲。不足足之处在在于，离离子型EEAPss通常必必须是湿湿的，因因此应当当密封在在挠性薄薄层中。许许多离子子型EAAPs的的另一个个主要缺缺陷在于于只要电电流接通通，该材材料就会会一直运运动，如如果电压压超过一一定值，将将会产生生电解，从从而给材材料造成成无法修修复的损损坏。相反，电电子型EEAPss(例如如铁电聚聚合物、电电介体、电电绝缘橡橡胶以

18、及及电致伸伸缩移植植橡胶)则由电电场驱动动。它们们需要相相对较高高的电压压，因此此会产生生让人不不舒服的的电击。但但是，作作为回报报，电子子型EPPAs能能够迅速速作出响响应，并并且传递递较强的的机械力力。它们们不需要要保护薄薄层，而而且几乎乎不需要要电流就就能够保保持某个个定位。 SPR的的人造肌肌肉材料料属于电电子型EEAP类类型。它它的成功功开发经经历了漫漫长曲折折的道路路，而且且多少带带有一些些偶然性性，可以以称得上上是奇思思怪想式式技术创创新的一一个经典典范例。 四、机身身及行走走机构设设计人的下肢肢主要功功能是承承受体重重和走路路。对于于静止直直立时支支承体重重这一要要求，机机器人

19、还还容易做做到，而而在像人人那样用用两足交交替行走走时，平平衡体重重就存在在着相当当复杂的的技术问问题了。首首先让我我们分析析一下人人的步行行情况。走走路时，人人的重心心是在变变动的，人人的重心心在垂直直方向上上时而升升高，时时而下降降；在水水平方向向上亦随随着左。右右脚交替替着地而而相对应应地左、右右摇动。人人的重心心变动的的大小是是随人腿腿迈步的的大小、速速度而变变化的。当当重心发发生变化化时，若若不及时时调整姿姿势，人人就会因因失去平平衡而跌跌倒。人人在运动动时，内内耳的平平衡器官官能感受受到变化化的情况况，继而而通知人人的大脑脑及时调调动人体体其他部部分的肌肌肉运动动,巧妙地地保持人人

20、体的平平衡.而人能能在不同同路面条条件下(包括登登高、下下坡、高高低不平平、软硬硬不一的的地面等等）走路路，是因因为人能能通过眼眼睛来观观察地面面的情况况，最后后由大脑脑来决策策走路的的方法，指指挥有关关肌肉的的动作。从从而可以以看出，要要使机器器人能像像人一样样，在重重心不断断变化的的情况下下仍能稳稳定的步步行，那那是困难难的。同同简化人人手功能能制造机机器人的的上肢的的方法一一样，其其下肢没没有必要要按照人人的样式式全盘模模仿。只只要能达达到移动动的目的的，我们们可以采采取多种种形式：用足走走路是一一种形式式，还可可以像汽汽车、坦坦克那样样用车轮轮或履带带（以滚滚动的方方式）来来移动。如何

21、正确确引导机机器人的的移动：移动机器器人的导导向从大大的方面面来分，有有轨道式式和无轨轨道式两两种。轨轨道式是是检测机机器人与与轨道的的相对位位置进行行导向的的；无轨轨道式则则是检测测机器人人在移动动环境中中的位置置进行导导向的。用轨道来来引导机机器人移移动的方方法有多多种：一一是像铁铁路铺轨轨道一样样，机器器人的轮轮子在轨轨道上滚滚动，由由轨道引引导到各各工作位位置。在在车间地地面下浅浅层snnun10mmm处敷敷设电缆缆，通人人数千HHZ（赫赫芝）高高频交流流电，使使之产生生磁场；在移动动机器人人身上安安装两个个测向线线圈检测测磁场信信号，进进行移动动导向。移移动路线线由所敷敷设的电电缆决

22、定定。电缆缆敷好以以后，要要改变导导向路线线就很困困难，但但可靠性性高，大大多数工工厂车间间内都采采用这种种方法。也也有的把把金属箔箔带或白白色带子子沿着机机器人必必须行走走的路线线贴在地地面上，当当光线照照在地面面上时，用用电视摄摄像机或或光电管管判别白白带反射射光谱来来进行导导向。这这种方法法比起敷敷设电缆缆，改变变移动路路线要容容易一些些。更方方便的方方法是激激光导向向，即在在机器需需要经过过的道路路上用激激光照射射，依靠靠移动机机器人身身上安装装的激光光测定器器来测定定其移动动方向，控控制指挥挥机器人人移动。无轨道式式导向主主要用于于自动移移动机器器人，它它要求机机器人能能自动识识别自

23、身身所处位位置，选选择移动动路线而而自主运运动。因因此，机机器人必必须装有有视觉、触触觉等装装置，用用来辨识识环境和和道路情情况，测测出自己己的位置置和方向向，通过过计算机机控制自自身的运运动。常常用的最最简单的的方法是是超声导导向方法法。众所所周知，振振幅的眼眼睛在夜夜里是看看不见东东西的，但但它能从从体内发发出并接接受超声声波，依依靠超声声波在夜夜间飞行行。利用用这一原原理，给给机器人人配备超超声波发发射器及及接受器器，移动动前先发发射超声声波，接接受器根根据超声声波的反反射波情情况，测测出机器器人与壁壁式障碍碍物间的的相对距距离及道道路情况况，从而而决定其其运动方方向，控控制机器器人的移

24、移动。如如果再加加上摄像像机的视视觉引导导，机器器人的移移动就更更加自如如。采用无轨轨道式导导向装置置，检测测时需用用较复杂杂的装置置，价格格昂贵，可可靠性还还存在问问题，但但其灵活活性则远远比轨道道式大。进进一步完完善后，完完全有可可能替代代轨道式式的导向向控制，在在生产车车间内应应用。五、机器器人的嗅嗅觉给机器人人装上鼻鼻子就要要用到嗅嗅觉传感感器，使使它能感感受各种种气味，从从而用来来识别其其所在环环境中有有害气体体，并测测定有害害气体的的含量。目目前还做做不到让让机器人人像人一一样闻出出多种气气味的机机器鼻子子。常用用的嗅觉觉传感器器是半导导体气体体传感器器，它是是利用半半导体气气敏元

25、件件同气体体接触，造造成半导导体的物物理性质质变化，借借以测定定某种特特定的气气体成分分及其含含量的。大大气中的的气味各各种各样样，而目目前研制制出的气气体传感感器只能能识别像像H2 、C2 、CO、NO等少少数气体体。因此此，除特特殊需要要安装探探测特定定气体的的气体传传感器外外，一般般的机器器人基本本上没有有嗅觉。六、机器器人的触触觉触觉是接接触、滑滑动、压压觉等机机械刺激激的总称称。多数数动物的的触觉器器是遍布布全身的的，像人人的皮肤肤位于人人的体表表，依靠靠表皮的的游离神神经末梢梢能感受受温度。痛痛觉、触触觉等多多种感觉觉，因此此，对人人来说，除除了视觉觉以外，触触觉接受受外界的的信息

26、量量最多。但但是昆虫虫或甲壳壳类动物物的触觉觉器官却却集中在在头部的的触角中中。像蟋蟋蟀与虾虾的触须须有身体体长度的的253倍。依依靠长触触须可确确认远处处物体所所在的位位置，判判别其大大小。要要使机器器人具有有动物那那样敏感感的触觉觉是相当当困难的的，机器器人装上上触觉传传感器的的目的是是检测机机器人的的某些部部位（如如手或足足）与外外界物体体是否接接触，识识别物体体的形状状和在空空间的位位置，保保证机器器人的手手能牢固固地抓住住物体，或或保证其其足能稳稳稳地踩踩在地面面上。虽虽然这些些事情大大多数都都可以用用视觉传传感器来来解决，但但视觉系系统造价价昂贵，控控制复杂杂，特别别是在暗暗处，或

27、或者障碍碍物存在在于视觉觉传感器器和对象象物之间间，就无无法获得得视觉信信息。与与视觉系系统相比比，触觉觉系统要要简单得得多，价价钱也便便宜得多多，这就就是广泛泛使用触触觉传感感器的原原因所在在。因此此，给机机器安装装上恰当当的触觉觉传感器器，使机机器人具具有一定定的触觉觉知能，就就有更重重要的意意义了。机器人的的触觉集集中在手手上，因因为它主主要是用用手指来来接触物物体的。要要想获得得较多的的触觉信信息，最最好在手手指表面面大范围围地分布布相同的的触觉传传感器；用像人人的皮肤肤那样柔柔软而富富有弹性性的材料料制作机机器人的的手，藉藉以增大大与物体体的接触触面，牢牢固地握握住物体体。此外外，还

28、希希望触觉觉传感器器形体小小、重量量轻、灵灵敏度高高、集成成度高、可可靠性高高。七、机器器人的视视觉机器人视视觉系统统主要应应用于以以下三方方面： 1用视觉觉进行产产品检验验，代替替人的目目检。包包括：形形状检验验棗检查查和测量量零件的的几何尺尺寸。形形状和位位置；缺缺陷检验验检查零零件是否否损坏，划划伤；齐齐全检验验棗检查查部件上上的零件件是否齐齐全。 2在机器器人进行行装配、搬搬运等工工作时，用用视觉系系统对一一组需装装配的零零、部件件逐个进进行识别别，并确确定它在在空间的的位置和和方向，引引导机器器人的手手准确地地抓取所所需的零零件，并并放到指指定位置置，完成成分类、搬搬运和装装配任务务。 3为移动动机器人人进行导导航。利利用视觉觉系统为为移动机机器人提提供它所所在环境境的外部部信息，使使机器人人能自主主地规划划它的行行进路线线，回避避障碍物物，安全全到达目目的地，并并完成指指令的工工作任务务。机电电班张浩