《机器人结构设计》PPT课件

滚球丝杠副
（d）液压传动（直接平移）
30
（e）气压传动（直接平移）
31
（2） 旋转驱动机构 （a）齿轮链 齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它
不但可以传递运动角位移和角速度, 而且可以传递力和力矩。 现以具有两个齿轮的齿轮链为例, 说明其传动转换关系。其中 一个齿轮装在输入轴上, 另一个齿轮装在输出轴上, 如图所示。
机器人制造厂家也希望改变设计和制造模式，采用批量 制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼 装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。
(2)灵活性。其主要体现在：
①可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机 器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多 台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴 模块,工业机器人成为移动式机器人。
减速比远>1的传 经济、对载荷变化不 传动精度低、结构不
动装置与关 节相 敏感、便于制动设计、紧凑、引入误差，降
连
方便一些运动转换 低可靠性
不经中间关 节或 传动精度高，振动小，控制系统设计困难，
经速比=1的传动 传动损耗小，可靠性 对传感元件要求高，
装置与关节相连 高，响应快
成本高

模块化结构设计
(2)借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力 引起关节驱动力矩变化的峰值。 (3)借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩 引起关节驱动力矩变化的峰值。 (4)借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非 线性项，改进机器人动力特性。 (5)借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良 影响。 (6)借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装 要求。
平衡系统设计的主要途径 尽管为了防止因动力源中断机器人有向地面“倒塌
”的趋势，可采用不可逆转机构或制动阀。但是，在 工业机器人日趋高速化之时，工业机器人平衡系统的 良好设计是非常重要的，其设计途径有三条：
(1)质量平衡技术； (2)弹簧力平衡技术； (3)可控力平衡技术。
任务2：工业机器人的驱动与传动
普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴 向移动。
摩擦力较大, 效率低, 惯性大, 精度低, 回差大,容易产生爬行现 象, 而且因此在机器人上很少采用。
丝杠螺母传动的手臂升降机构
1—电动机；2—蜗杆；3—臂架； 4—丝杠；5—蜗轮；6—箱体； 7—花键套
（c）滚珠丝杠
滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠,传动过程 中所受的摩擦力是滚动摩擦, 可极大地减小摩擦力,因此传动效 率高,消除了低速运动时的爬行现象。
4
(2) 机器人运动形式的选择。 常见机器人的运动形式有 五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和 SCARA型。 (3) 拟定检测传感系统框图。选择合适的传感器，以便结 构设计时考虑安装位置。 (4) 确定控制系统总体方案，绘制框图。 (5) 机械结构设计。确定驱动方式，选择运动部件和设计 具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。
(5)纤维增强复合材料：这类材料具有极好的E/ρ比，但存在 老化、蠕变、高温热膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材 料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大的优点 ，传统金属材料不可能具有这么大的阻尼。所以,在高速机器人 上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还 允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面 尺寸等使其具有最大阻尼值。
3.模块化工业机器人所存在的问题
(1)模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。因为 模块之间的结合是可方便拆卸的，尽管在设计上已经注意到 了标准机械接口的高精度要求，但实际制造仍会存在误差， 所以与整体结构相比刚度相对地差些。
(2)因为有许多机械接口及其它连接附件，所以模块化工 业机器人的整体重量有可能增加。
5
3、仿真分析
(1)运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。 (2)动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满 足要求。 (3)运动的动态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，实 现机器人的运动仿真。 (4)性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行仿 真计算。 (5)方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、结 构、尺寸和参数进行修改，加以完善。
(6)粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机 器人动态特性的有效方法。目前有许多方法来增加结构件材 料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘弹 性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理，如下图所示。 吉林工大和西安交大进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂 振动控制中应用的实验，结果表明：机械臂的重复定位精度 在阻尼处理前为土0.30mm，处理后为士0.16mm，残余振动 时间在阻尼处理前、后分别为0.9s和0.5s。
齿轮链机构
使用齿轮链机构应注意的问题
齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量, 从而使驱动电机的 响应时间减小, 这样伺服系统就更加容易控制。
(1)碳素结构钢、合金结构钢：强度好，特别是合金结构钢强度 增大了4至5倍,弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材 料。
(2)铝、铝合金及其它轻合金材料：这类材料的共同特点是重量 轻，弹量模量E并不大，但是材料密度小,故E /ρ比仍可与钢材相 比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，例如添加了 3.2%重量的锂的铝合金弹性模量增加了14%，E/ρ比增加16%。
②为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长长度的 手臂模块或加接手臂模块。下图所示是一种多关节多臂检测机 器人，不仅多臂模块组合成的手臂很长，而且手臂可作波浪运 动。
③能不断对现役模块化工业机器人更新改造。比如，用户可 以选用伸缩套筒式手臂模块来更替原有固定长度的模块；随着 控制技术和传感技术的发展，可更换更高性能的控制模块和更 高精度的传感器模块；更换新模块来进行工业机器人的维修保 养。
具。首先确定使用机器人是否需要与合适，决定采用后需要做如 下分析工作：
(1)明确采用机器人的目的和任务。 (2)分析机器人所在系统的工作环境，包括设备兼容性等。 (3)认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方 案。 如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重 量…… (4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。
(2)弹性模量大。从材料力学公式可知，构件刚度(或变形量)与 材料的弹性模量E、G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度 越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性 对弹性模量却没有多大差别。比如，普通结构钢的强度极限为 420MPa，高合金结构钢的强度极限为2000～2300MPa，但是 二者的弹性模量 E 却没有多大变化，均为210000MPa。因此， 还应寻找其它提高构件刚度的途径。
传动方式选择
（1）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式 （2）工业机器人的传动形式
传动形式 直接连结传动
特征
优点
直接装在关节上 结构紧凑
缺点
需考虑电机自重，转 动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装 不需考虑电机自重， 额外的间隙和柔性，
置与关节相连 平衡性良好
结构庞大，能耗大
间接传动 直接驱动
金属切削机床上下料：±(0.05-1.00) mm 冲床上下料：±1 mm
模锻：
±(0.1-2.0) mm 点焊： ±1 mm
装配、测量： ±(0.01-0.50) mm 喷涂： ±3 mm
当机器人或机械手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹 具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。
平衡系统设计
工业机器人是一个多刚体耦合系统，系统的平衡性是极其重 要的，在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是：
(1)安全。根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩包括重 力矩项，即各连杆质量对关节产生重力矩。因为重力是永恒的 ，即使机器人停止了运动，重力矩项仍然存在。这样，当机器 人完成作业切断电源后，机器人机构会因重力而失去稳定。平 衡系统是为了防止机器人因动力源中断而失稳，引起向地面“ 倒”的趋势。
(3)虽然功能模块的形式有多种多样，但是尚未真正做到 根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。
机器人本体材料的选择
强度高
弹性模量大
重量轻
经济性好 阻尼大
材料选择 基本要求
(1)强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅 能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减 轻重量。
3
2、技术设计
(1)机器人基本参数的确定。臂力、工作节拍、工作范围、 运动速度及定位精度等。
举例：定位精度的确定
机器人或机械手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机械手 本身所能达到的定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚 性、驱动方式、缓冲方式等。
工艺过程的不同，对机器人或机械手重复定位精度的要求也不同，不同 工艺过程所要求的定位精度如下：
(3)重量轻。在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由 于惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件 刚度选用弹性模量 E 大而密度ρ也大的材料是不合理的。因此， 提出了选用高弹性模量低密度材料的要求，可用E /ρ指标来衡量 。下表列出了几种材料的应E、ρ和E / ρ值,供参考。
(4)阻尼大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大，重量 轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人的臂经过运动 后，要求能平稳地停下来。可是由于在构件终止运动的瞬 时，构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性 ，因而会产生“残余振动”。从提高定位精度和传动平稳 性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的 措施来吸收能量。 (5)材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组 成部分。有些新材料如棚纤维增强铝合金、石墨纤维增强 镁合金，用来作机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵 。
机器人驱动机构 传动部件的设计 驱动装置的类型和特点 新型驱动方式
25
机器人驱动机构
26
1、驱动机构的形式
（1）直线驱动机构 （a）齿轮齿条装置
齿轮齿条装置
齿条固定不动，当齿轮 传动时, 齿轮轴连同拖板沿 齿条方向做直线运动
拖板是由导杆或导轨支承 的。
该装置的回差较大。
（b） 普通丝杠
机械学中的爬行现象,在滑动摩擦副中从动件 在匀速驱动和一定摩擦条件下产生的周期性时 停时走或时慢时快的运动现象。
工业机器人的本体结构设计
任务1：工业机器人的总体设计 任务2：工业机器人的驱动与传动 任务3：机身和臂部设计 任务4：腕部设计 任务5：手部设计
任务1 工业机器人总体设计
总体设计的步骤 主体结构设计 传动方式选择 模块化结构设计 材料选择 平衡系统设计
2
总体设计的步骤
1、系统分析
机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的有力工
(3)纤维增强合金：如棚纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金 ，其E/ρ比分别达到11.4×107m2/s2和8.9X107m2/s2。这种纤维 增强金属材料具有非常高的E/ ρ比，而且没有无机复合材料的缺 陷，但价格昂贵。
(4)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工 成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然 而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人 臂的样品。
机器人机械系统设计是机器人设计的重要部分。其他系统的 设计尽管有各自的独立性，但都必须与机械系统相匹配，相辅 相成，构成一个完整的机器人系统。
6
主体结构设计
主体结构设计的关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式 （1）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩 （2）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降 、伸缩 （3）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动 和伸缩 （4）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动
模块化工业机器人。由一些标准化、系列化的模块件通过具有 特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。
模块化工业机器人的特点
(1)经济性。 设计和制造通用性很强的工业机器人是很不经济的，价
格昂贵。用户希望厂商能为诸多的作业岗位提供可选择的， 自由度尽可能少，控制和编程简单，实用性强的专用机器 人。