机器人机械结构及其设计.ppt

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1、1 2.1 机器人机器人 机械设计机械设计 的步骤的步骤1、作、作 业业 分分 析析 作作 业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任务和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。务和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。2、方、方 案案 设计设计 （1）确）确 定动力源定动力源 （2）确定机型）确定机型 （3）确定自由度）确定自由度 （4）确定动力容量和传动方式）确定动力容量和传动方式 （5）优化运动参数和结构参数）优化运动参数和结构参数 （6）确定平衡方式和平衡质量）确定平衡方式和平衡质量 （7）绘制机构运动简图）绘制机构运动简图&机机

2、 器器 人人 机机 械械 结构设计结构设计23、结、结 构构 设计设计 包包 括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计，括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计，关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口设计等。口设计等。4、动、动 特特 性性 分析分析 估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真分析，估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真分析，确定其结构固有频率和响应特性。确定其结构固有频率和响应特性。5、施、施 工工 设计设计 完成施工图设计，编制相关技术文件。完成施工图设计，编制相关技术文件。3 2.2 工业机器人的驱动与传

3、动系统结构工业机器人的驱动与传动系统结构 在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装置置(一般为减速器一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。，再通过关节轴带动杆件运动。机器人一般有两种运动关节机器人一般有两种运动关节转动关节和移转动关节和移(直直)动动关节。关节。为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对

4、于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。2.2.1 2.2.1 驱动驱动传动系统的构成传动系统的构成41码盘；码盘；2 测速机；测速机；3 电机；电机；4 联轴器；联轴器；5 传动装置；传动装置；6 转动关节；转动关节；7 杆杆 8 电机；电机；9 联轴器；联轴器；10 螺旋副；螺旋副；11 移动关节；移动关节；12 电位器电位器 (或光栅尺或光栅尺)51 1电动驱动器电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速电动驱动器的能源简单，速度

5、变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。动比较困难。电动驱动器又可分为直流电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服电机伺服电机驱动和步进电机驱动。驱动和步进电机驱动。直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，步

6、进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。多用于低精度小功率机器人系统。2.2.2 2.2.2 驱动器的类型和特点驱动器的类型和特点672.液压驱动器液压驱动器 液压驱动的优点是功率大，可省去减速液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。目前多用于特大功率

7、的机器人系统。83气动驱动器气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。93其它驱动器其它驱动器作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、10 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负以价格

8、高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为荷为100 kg以下的以下的,可优先考虑电动驱动器；只须点位控可优先考虑电动驱动器；只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。配套的数字控制系统。11 机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其

9、中机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中最常用的为谐波传动、最常用的为谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。动。2.2.3 2.2.3 机器人的常用传动机构机器人的常用传动机构 机器人传动机构的基本要求机器人传动机构的基本要求：(1)结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；(2)传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的提高整机的 固有频率，固有频率，降低整机的低频振动；降低整机的低频振动；(3)回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位回差小，即由正转到反转时

10、空行程要小，以得到较高的位 置控制精度；置控制精度；(4)寿命长、价格低。寿命长、价格低。121314谐波传动工作原理谐波传动工作原理 谐谐波波传传动动是是利利用用一一个个构构件件的的可可控控制制的的弹弹性性变变形形来来实实现现机机械械运运动动的的传传递递。谐谐波波传传动动通通常常由由三三个个基基本本构构件件(俗俗称称三三大大件件)组组成成，包包括括一一个个有有内内齿齿的的刚刚轮轮，一一个个工工作作时时可可产产生生径径向向弹弹性性变变形形并并带带有有外外齿齿的的柔柔轮轮和和一一个个装装在在柔柔轮轮内内部部、呈呈椭椭圆圆形形、外外圈圈带带有有滚滚动动轴轴承承的的波波发发生生器器。柔柔轮轮的的外外

11、齿齿数数少少于于刚刚轮轮的的内内齿齿数数。在在波波发发生生器器转转动动时时，相相应应于于长长轴轴方方向向的的柔柔轮轮外外齿齿正正好好完完全全啮啮入入刚刚轮轮的的内内齿齿；在在短短轴轴方方向向，则则外外齿齿全全脱脱开开内内齿齿。当当刚刚轮轮固固定定，波波发发生生器器转转动动时时，柔柔轮轮的的外外齿齿将将依依次次啮啮入入和和啮啮出出刚刚轮轮的的内内齿齿，柔柔轮轮齿齿圈圈上上的的任任一一点点的的径径向向位位移移将将呈呈近近似似于于余余弦弦波波形形的的变变化化，所所以以这这种种传传动动称称作作谐谐波波传动。传动。1516 二、谐波传动的主要特点二、谐波传动的主要特点(1)传动比大，单级为传动比大，单级

12、为50300，双级可达，双级可达2 2x106。(2)传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。在相同的工作条件下，体积可减小在相同的工作条件下，体积可减小20一一50。(3)齿齿面面磨磨损损小小而而均均匀匀，传传动动效效率率高高。当当结结构构合合理理，润润滑滑良良好好时，对时，对i=100的传动，效率可达的传动，效率可达0.85。(4)传传动动精精度度高高。在在制制造造精精度度相相同同的的情情况况下下，谐谐波波传传动动的的精精度度可可比比普普通通齿齿轮轮传传动动高高一一级级。若若齿齿面面经经过过很很好好的的研研磨磨，则则谐谐波波齿齿轮

13、传动的传动精度要比普通齿轮传动高轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍。倍。(5)回回差差小小。精精密密谐谐波波传传动动的的回回差差一一般般可可小小于于3，甚甚至至可可以以实实现无回差传动。现无回差传动。(6)可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。(7)谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。17RV摆线针轮传动摆线针轮传动RV摆摆线线针针轮轮传传动动装装置置，是是由由一一级级行行星星轮轮系系再再串串联联一一级级摆摆线针轮减速器组合而成的。线针轮减速器组合而成的。二、主要特点二

14、、主要特点与与谐谐波波传传动动相相比比，RV摆摆线线针针轮轮传传动动除除了了具具有有相相同同的的速速比比大大、同同轴轴线线传传动动、结结构构紧紧凑凑、效效率率高高等等待待点点外外，最最显显著著的的特特点点是是刚刚性性好好，传传动动刚刚度度较较谐谐波波传传动动要要大大26倍倍，但但重重量量却却增增加了加了13倍。倍。该该减减速速器器特特别别适适用用于于操操作作机机上上的的第第一一级级旋旋转转关关节节(腰腰关关节节)，这这时时自自重重是是坐坐落落在在底底座座上上的的，充充分分发发挥挥了了高高刚刚度度作作用用，可可以以大大大大提提高高整整机机的的固固有有频频率率，降降低低振振动动；在在频频繁繁加加、

15、减减速速的的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。1819滚动螺旋传动滚动螺旋传动滚滚动动螺螺旋旋传传动动是是在在具具有有螺螺旋旋槽槽的的丝丝杠杠与与螺螺母母之之间间放放入入适适当当的的滚滚珠珠。使使丝丝杠杠与与螺螺母母之之间间由由滑滑动动摩摩擦擦变变为为滚滚动动摩摩擦擦的的一一种种螺螺旋旋传传动动，滚滚珠珠在在工工作作过过程程中中顺顺螺螺旋旋槽槽(滚滚道道)滚滚动动，故故必必须须设设置置滚滚珠珠的的返返回回通通道道，才才能能循循环环使使用用。为为了了消消除除回回差差(空空回回)，螺螺母母分分成成两两段段，以以垫垫片片、双双螺螺母母或或齿齿差差调调

16、整整两两段段螺螺母母的的相相对对轴轴向向位位置置，从从而而消消除除间间隙隙和和施施加加预预紧紧力力，使使得得在在有有额额定定抽抽间间负负荷荷时时也也能能使使回差为零。其中用的最多的是双螺母式，而齿差式最为可靠。回差为零。其中用的最多的是双螺母式，而齿差式最为可靠。1一齿轮；一齿轮；2一返回装置；一返回装置；3一键；一键；4一滚珠；一滚珠；5一丝杠；一丝杠；6一螺母；一螺母；7支座支座20 滚动螺旋特点：滚动螺旋特点：(1)摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在90以上。以上。(2)动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高。动、静摩擦系数相差极小，传动

17、平稳，灵敏度高。(3)磨损小、寿命长。磨损小、寿命长。(4)可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚滚动动螺螺旋旋传传动动不不能能自自锁锁，必必须须有有防防止止逆逆转转的的制制动动或或自自锁锁机机构构才才能能安安全全地地用用于于有有自自重重下下降降的的场场合合。最最怕怕落落入入灰灰尘尘、铁铁屑屑、砂砂粒粒。通通常常，螺螺母母两两端端必必须须密密封封，丝丝杠杠的的外外露露部部分分必必须须用用“风风箱箱”套套或或钢钢带卷套加以密封。带卷套加以密封。21另外，对于齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动，须特别另外，对于齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动，须特别注意消

18、除间隙问题，否则回差很大，达不到应有的转角精度注意消除间隙问题，否则回差很大，达不到应有的转角精度要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，必须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。必须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。22关关节节是是操操作作机机各各杆杆件件间间的的结结合合部部分分，有有转转动动和和移移动动两两种种类类型型。工工业业机机器器人人前前三三关关节节通通常常称称作作腰腰关关节节、肩肩关关节节和和肘肘关关节节，它它们们构构成成了了操操作作机机的的位位置置机机构构。后后面面关关节节构构成成了了操操作作机机的的姿姿态态机机

19、构构，称称作作腕腕部部。下下面面分分别别讨讨论论这这些些关关节节的的构构造造和和传传动动配配置。置。一、腰关节一、腰关节腰腰关关节节既既承承受受很很大大的的轴轴向向力力、径径向向力力，又又承承受受倾倾翻翻力力矩矩，且且具具有有较较高高的的运运动动精精度度和和刚刚度度。多多采采用用高高刚刚性性的的RV减减速速器器减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。2.3 工业机器人关节的构造及其传动配置工业机器人关节的构造及其传动配置23腰关节腰关节电机上置电机上置)1电机；电机；2RV减速器，减速器，3支架，支架，6交叉滚子轴承；交叉滚子轴承；5电缆电缆

20、24腰关节腰关节(电机下置电机下置)1谐波减速器；谐波减速器；2电机；电机；3四点接触球轴承四点接触球轴承25腰关节腰关节1电机电机；2齿轮；齿轮；3立柱；立柱；4结合螺栓结合螺栓213426由由上上面面的的图图例例可可以以看看出出，腰腰关关节节的的构构造造主主要要是是两两种种类类型型：使使用用交交叉叉滚滚子子或或四四点点接接触触式式轴轴承承的的同同轴轴式式平平行行轴轴式式。前前者者结结构构紧紧凑凑，腰腰关关节节高高度度尺尺寸寸小小(使使用用特特制制抽抽承承的的缘缘故故)，但但后后面面关关节节的的各各种种电电缆缆走走线线比比较较困困难难，大大多多是是在在固固定定的的中中间间柱柱体体外外面面留留

21、有有较较大大的的环环形形空空间间，使使电电缆缆以以盘盘旋旋的的形形式式松松松松地地套套在在中中间间柱柱体体上上，当当腰腰支支架架等等机机体体转转动动时时，电电缆缆犹犹如如盘盘旋旋弹弹簧簧般般收收紧紧或或放放松松。对对于于平平行行轴轴式式腰腰关关节节，电电缆缆则则可可方方便便地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。27二、肩关节和肘关节二、肩关节和肘关节 对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高刚性的刚性的RV减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。肘关节位

22、于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。281大臂；大臂；2关节关节1电机；电机；3小臂定位板；小臂定位板；4小臂；小臂；5气动阀；气动阀；6立柱；立柱；7直齿轮；直齿轮；8中间齿轮；中间齿轮；9机座；机座；10主齿轮；主齿轮；11管形连接轴；管形连接轴；12手腕手腕2930同轴减速传动结构同轴减速传动结构31同轴减速传动结构同轴减速传动结构1腰支座；腰支座；2、7RV减速器；减速器；3、6驱动电机；驱动电机；4大臂；大臂；5曲柄；曲柄；8轴承

23、。轴承。32三、三、直动关节直动关节 直直动动关关节节可可有有两两种种类类型型；电电机机驱驱动动和和液液压压驱驱动动。前前者者多多采采用用滚滚动动丝丝杠杠和和导导柱柱(轨轨)式式；后后者者可可采采用用油油缸缸驱驱动动齿齿轮轮的的倍倍速速移动结构。移动结构。33四、手腕关节四、手腕关节1 1、单自由度手腕、单自由度手腕 SCARA水平关节装配机器人多采用单自由度手肮。水平关节装配机器人多采用单自由度手肮。SCARA机器人机器人34 SCARA 机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。为了减轻操作机的悬臂重量，手腕的驱动电机固自由度。为了减轻操作机的

24、悬臂重量，手腕的驱动电机固结在机架上。手腕转动的目的在于调整装配件的方位。由结在机架上。手腕转动的目的在于调整装配件的方位。由于传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响于传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机，这是该种传动方式的主要优点，特别适合动的驱动电机，这是该种传动方式的主要优点，特别适合于电子线路板的插件作业。于电子线路板的插件作业。2 2、两自由度手腕、两自由度手腕 两两自自由由度度手手腕腕关关节节有有两两种种常常见见的的配配置置形形式式，即即汇汇交交式和

25、偏置式。式和偏置式。351法兰；法兰；2锥齿轮轴；锥齿轮轴；3锥齿轮；锥齿轮；8，4弹簧；弹簧；5，7链轮；链轮；6，9轴承；轴承；10一转壳一转壳汇交式两自由度手流汇交式两自由度手流1法兰；法兰；2转壳；转壳；3、6锥齿轮轴；锥齿轮轴；4小臂；小臂；5、7链轮，链轮，8链；链；9、10弹簧弹簧偏置式两自由度手腕偏置式两自由度手腕36两自由度手腕的另两种结构。图两自由度手腕的另两种结构。图1 1属汇交型，将谐波减速器属汇交型，将谐波减速器置于臂部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带置于臂部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带动谐波使末杆获得沿动谐波使末杆获得沿x x、y轴轴两自由度

26、运动。图两自由度运动。图2 2为为偏置型，偏置型，则是将驱动电机和谐波减速器连成一体，放于偏置的腕壳则是将驱动电机和谐波减速器连成一体，放于偏置的腕壳中直接带动腕完成角转动。中直接带动腕完成角转动。1扁平谐波；扁平谐波；2杯式谐波；杯式谐波；3齿形带轮；齿形带轮；4锥齿轮；锥齿轮；5腕壳腕壳图图1谐波前置汇交手腕谐波前置汇交手腕1谐波减速谐波减速9；2马达；马达；3铭轮；铭轮；4腕壳腕壳图图2电机前置偏置手腕电机前置偏置手腕37 诱导运动诱导运动把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动

27、。动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。2主动链轮；主动链轮；3、5从动链轮从动链轮手腕传动示意图手腕传动示意图383 3、三自由度手腕、三自由度手腕三三自自由由度度手手腕腕的的结结构构形形式式繁繁多多。三三自自由由度度手手腕腕是是在在两两自自由由度度手手腕腕的的基基础础上上加加一一个个整整个个手手腕腕相相对对于于小小臂臂的的转转动动自自由由度度而形成的。而形成的。三三自自由由度度手手腕腕是是“万万向向”型型手手腕腕，可可以以完完成成两两自自由由度度手手腕腕很很多多无无法法完完成成的的作作业业。近近年年来来，大大多多数数关关节节型型机机器器人人都都采采用了三自由度手腕。用了三自由度手腕。394041必必须须指指出出，若若操操作作机机为为6自自由由度度，当当手手腕腕为为偏偏置置式式时时，运运动动学学反反解解得得不不出出解解析析的的显显式式，且且动动力力学学参参数数也也是是强强耦耦合合的的。设设计计时必须给予充分注意。时必须给予充分注意。