工业机器人第四章 工业机器人结构设计
工业机器人结构设计
1绪论1.1工业机器人概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。
从某种意义上说它也是机器进化过程的产物，它是工业以及非工业领域的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
工业机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，由它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
因此，工业机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。
工业机械手的结构形式开始比较简单专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。
1.2工业机器人的组成和分类1.2.1工业机器人的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。
工业机器人结构设计
工业机器人结构设计随着科技的不断进步和社会的不断发展，人类对于机器人的需求和应用也愈发增加。
工业机器人作为自动化生产的重要组成部分，其结构设计的合理与否直接关系到机器人的工作效率和安全性。
本文将探讨工业机器人结构设计的相关要素和技术原则。
一、工业机器人结构概述工业机器人是一种能够按照预设的程序和规则进行自主操作的机器设备。
其结构由机械结构、控制系统和动力系统组成。
机械结构是工业机器人的骨架，决定了机器人的稳定性和运动能力。
因此，工业机器人的结构设计至关重要。
二、工业机器人结构设计要素1. 机械臂工业机器人的机械臂是其最基本的结构部分，通常由关节和链杆组成。
机械臂的关节数量和类型根据工业机器人的应用需求而定。
机械臂需要具备足够的灵活性和刚度，以实现精确的运动和定位。
2. 末端执行器末端执行器是工业机器人实现具体任务的工具。
它可以是夹具、吸盘、焊枪等不同形式的工具。
末端执行器的选择和设计应根据具体任务的需求和要求。
3. 控制系统控制系统是工业机器人结构设计中重要的一环。
它负责控制机器人的动作和运动路径。
控制系统需要具备高精度、高响应速度和良好的稳定性。
同时，安全性和可靠性也是控制系统设计的重要考虑因素。
4. 动力系统动力系统为工业机器人提供动力，使其能够执行任务。
动力系统通常由电机、减速器和传动装置组成。
动力系统的设计需要考虑功率大小、精度要求和能耗等因素。
三、工业机器人结构设计原则1. 功能性原则工业机器人结构设计的首要原则是满足具体任务的功能需求。
机器人应能够稳定、高效地完成所要执行的任务，具备良好的定位和控制能力。
2. 结构强度原则工业机器人在工作过程中会承受较大的负载和运动力，因此结构强度是设计中的重要考虑因素。
机器人的各个部件应具备足够的强度和刚度，以确保机器人的工作稳定性和安全性。
3. 空间利用原则工业机器人的工作环境通常有限，因此在结构设计中需要注意空间利用的效率。
合理利用机器人的结构空间，提高机器人的工作效率和灵活性。
机器人结构设计
*
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： 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。
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
特征
优点
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
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置与关节相连不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
减速比远>1的传动装置与关节相连
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。 (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。
工业机器人第四章-工业机器人结构设计
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一 工业机器人总体设计
模块化结构设计 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 经济性 灵活性 存在的问题 刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
工业机器人机器人本体设计分析
工业机器人机器人本体设计分析声明：本文内容信息来源于公开渠道，对文中内容的准确性、完整性、及时性或可靠性不作任何保证。
本文内容仅供参考与学习交流使用，不构成相关领域的建议和依据。
一、机器人结构设计机器人的结构设计是指针对特定任务和工作环境，对机器人的外形、连接方式、关节结构等进行设计和优化的过程。
合理的机器人结构设计能够提高机器人的功能性、灵活性和稳定性，从而更好地完成各种任务。
下面将从机器人的外形设计、连接方式设计以及关节结构设计三个方面详细论述机器人结构设计相关内容。
（一）外形设计1、外形尺寸设计：机器人的外形尺寸设计需要考虑到工作空间的限制以及任务的需求。
合理的外形尺寸设计可以使机器人在狭小的空间内自由移动，并且能够达到所需的工作范围。
2、外形材料选择：机器人的外形材料选择应考虑到机器人的使用环境和任务特点。
例如，在潮湿的环境中工作的机器人可以选择防水材料，而在高温环境中工作的机器人则需要选择耐高温材料。
3、外形形状设计：机器人的外形形状设计既要满足机器人的运动需求，又要符合人类对机器人的认知和接受。
因此，外形形状设计需要考虑到机器人的动态特性和人机交互的需求。
（二）连接方式设计1、运动连接方式设计：机器人的运动连接方式包括传动装置、连接结构等。
传动装置的设计应满足机器人的工作要求，如速度、精度、承载能力等。
连接结构的设计应具有稳定性和刚度，以确保机器人在高速和大力矩下不发生松动或变形。
2、电气连接方式设计：机器人的电气连接方式包括电缆布线、接插件等。
电缆布线的设计应考虑到机器人的自由度和运动范围，并保证电缆的可靠性和耐久性。
接插件的选择和布局应方便维护和更换。
3、通讯连接方式设计：机器人的通讯连接方式包括传感器和控制系统之间的通讯方式。
合理的通讯连接方式可以提高机器人的响应速度和数据传输效率，从而提高机器人的工作效率和稳定性。
（三）关节结构设计1、关节类型选择：关节是机器人身体各部分连接起来并实现运动的重要组成部分。
工业机器人设计方案
工业机器人设计方案一、引言随着工业的发展和技术的进步，工业机器人在生产线上扮演着越来越重要的角色。
为了提高生产效率和质量，减少人力成本和劳动强度，设计一套高效稳定的工业机器人成为了当今的迫切需求。
本文将根据实际需求，提出一种工业机器人的设计方案。
二、方案概述本方案的工业机器人主要应用于组装生产线上的重复性工作，如螺丝拧紧、零件装配等。
该机器人将采用多关节设计，以实现多方向运动和灵活操作。
同时，为了实现高效稳定的工作，机器人将配置感知技术和控制系统，以及安全保护系统。
三、机器人结构设计1.机械结构设计机器人采用多关节结构设计，以实现多方向运动和灵活操作。
机器人的机械结构由支架、关节机构和工具端构成。
支架选择高强度的材料，以保证机器人的稳定性和承载能力；关节机构采用高精度的电机和减速器，以实现精确的运动控制；工具端根据实际需要设计相应的装配工具。
2.动力系统设计机器人的动力系统由电机、减速器和传动系统组成。
电机选择高性能的伺服电机，以实现快速精确的控制；减速器采用高精度的行星齿轮减速器，以提供足够的扭矩和速度；传动系统根据实际需要选择齿轮传动、皮带传动或直线传动等。
3.传感器和感知系统设计机器人配备各种传感器和感知系统，以实现环境感知和物体检测。
其中包括视觉传感器、力传感器、触觉传感器等。
视觉传感器用于检测工件的位置和姿态，力传感器用于检测工具与工件之间的受力情况，触觉传感器用于检测机器人与环境之间的接触。
四、控制系统设计1.控制算法设计机器人的控制系统采用基于模型的控制算法，以实现精确控制和运动规划。
通过对机器人模型进行数学建模和控制分析，设计合适的控制算法，以满足各种工作场景的需求。
2.控制器和接口设计机器人的控制系统采用计算机控制，通过控制器和接口与各个子系统进行通信和控制。
控制器选择高性能的工控机，具有强大的计算和控制能力；接口采用标准化的接口协议，以实现与各个子系统的连接和数据传输。
五、安全保护系统设计对于工业机器人来说，安全问题是至关重要的。
第四章 工业机器人设计(机械制造装备设计 第四版)
机械制造装备设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
目录
第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第四章 工业机器人设计 第五章 机床夹具设计 第六章 物流系统设计 第七章 机械加工生产线总体设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
▪ 坐标系按右手确定（右图）； ▪ 关节坐标系的确定（下图）； ▪ 确定基准状态； ▪ 关节坐标轴轴线位置的选取； ▪ 关节坐标方向的选取。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （二）机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。 自由度是表示工业机器人动作灵 活程度的参数，以直线运动和回 转运动的独立运动数表示
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
操作机 由末端执行器、手腕、 手臂及机座组成。
图4-1工业机器人系统的组成 1—机座 2—控制装置 3—操作机
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机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
图4-2PUMA机器人 操作机
a)结构简图 b)运动功能简图
机械制造装备设计
4.1.1工业机器人的定义及工作原理 Ⅳ
❖ （一）机器人的定义 ▪ 我国国家标准GB/T12643——90将工业机器人定义为 “是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度 的操作机 ，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各 种作业”。
❖ （二）工业机器人的基本工作原理 ▪ 工业机器人的基本工作原理：通过操作机上各运动构件 的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。
工业机器人结构设计ppt课件
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
N
N
P
N=P/2 注：①两手指平移 ②增力比（N/P）小
齿轮齿条式手部结构
No.32
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
α
γB A β
P
C
EN
N
N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)
2、开式连杆系中的每根连杆都 具有独立的驱动器，属于主动连 杆系，连杆的运动各自独立，不 同连杆的运动之间没有依从关系， 运动灵活。
No.5
2.1 机器人本体的基本结构
二、机器人本体基本结构特点：
3、连杆驱动扭矩的顺态过程在 时域中的变化非常复杂，且和执 行器反馈信号有关。连杆的驱动 属于伺服控制型，因而对机械传 动系统的刚度、间隙和运动精度 都有较高的要求。
应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形 状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工 件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘 状吸头。
No.41
2.2.2 吸附式手部的设计
三、气吸式手部的吸力计算
吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或 负压的大小)与吸附面积的大小。
真空吸盘吸力F计算公式：
F nD2 ( H )
4K1K2K3 76
注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC杆长，l＝AB杆长； ②两手指保持平行；③当α角较小时，可获得较大的力比。
平行连杆杠杆式手部结构
No.33
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
P
φ
α
c
bN
N
N=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ
工业机器人结构设计
1绪论1、1工业机器人概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统与检测传感装置构成,就是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件与产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人技术就是综合了计算机、控制论、机构学、信息与传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,就是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。
机器人应用情况,就是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不就是在简单意义上代替人工的劳动,而就是综合了人的特长与机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应与分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。
从某种意义上说它也就是机器进化过程的产物,它就是工业以及非工业领域的重要生产与服务性设备,也就是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
机械手就是模仿人手的部分动作,按给定程序、轨迹与要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
工业机械手可以提高生产的自动化水平与劳动生产率;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产,尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体与放射性等恶劣的环境中,由它代替人进行正常的工作,意义更为重大。
因此,工业机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。
工业机械手的结构形式开始比较简单专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,就是附属于该机床的专用机械手。
随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。
工业机器人的结构设计
工业机器人的结构设计工业机器人是指使用在工厂等工业领域的自动化机器人。
它们具有一定的自主能力，能够根据预定的程序和任务，完成各种物体的处理、运输、装配等工作。
工业机器人的结构设计包括机器人的主要构件、传动系统、执行机构和控制系统等方面。
首先，工业机器人的主要构件包括机械臂、驱动装置和控制系统等。
机械臂是工业机器人中最重要的部件，它是完成工件处理和运输的主要执行器。
机械臂通常采用多关节联动的形式，具有较高的灵活性和自由度。
不同的机器人应用领域对机械臂的结构和数量有不同的要求。
驱动装置主要由电机、减速器和传感器等组成，用于提供动力和信号支持。
控制系统则是机器人的大脑，它接收来自传感器的数据并根据预定的程序和算法，控制机械臂的运动。
其次，工业机器人的传动系统是实现机械臂运动的关键部分。
传动系统通常由电机、减速器、联轴器和传动装置等组成。
电机提供动力，通过减速器和传动装置传递动力，并通过联轴器连接传递到机械臂上。
传动系统的设计要考虑到速度、承载能力和精度等因素。
再次，工业机器人的执行机构是机器人完成各种任务的重要组成部分。
执行机构通常包括夹持装置、工具和传感器等。
夹持装置用于抓取、放置和固定工件，它的设计要考虑到工件形状和重量等因素。
工具则是机器人进行切割、焊接、喷涂等任务所需要的装置。
传感器则用于获取工件和机器人自身状态的信息，如位置、力量、温度等，以便实现机器人的自动化控制。
最后，工业机器人的控制系统是整个机器人系统的核心。
控制系统通过接收传感器反馈的数据，并根据预定的程序和算法，计算并控制机械臂的运动和姿态。
控制系统的设计要考虑到机器人的灵活性、精确性和反应速度等因素。
控制系统还可以与其他工厂自动化设备进行联动，从而实现整个生产线的自动化控制。
综上所述，工业机器人的结构设计是一个综合考虑机械、电气、传感和控制等多个方面的过程。
一台优秀的工业机器人应具备高度的灵活性、精确性和稳定性，能够适应不同的生产环境和任务需求。
工业机器人结构设计
(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、 减速机、检测系统三位一体化。由关节模块、连杆模块重组方式构造 机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于 标准化、网络化。器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化 结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要， 除采用传统的位置、 速度、加速 度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而 遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来 进行环境建模及决策控制。 多传感器融合配置技术在产品化系统中已 有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、 预演发展到用于过程控 制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵 机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自动化系统， 而是致力 于操作者与机器人的人机交互控制， 即遥控加局部自主系统构成完整 的监控遥控操作系统， 使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。 美 国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著 名实例。
下机器人， 6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出 直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等 机种。在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开 展了不少工作， 有了一定的发展基础。 但是在多传感器信息融合控制 技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化 机械等的开发应用方面则刚刚起步， 与国外先进水平差距较大， 需要 在原有成绩的基础上， 有重点地系统攻关， 才能形成系统配套可供实 用的技术和产品。 1.4 课题的提出及主要任务 1.4.1课题的提出 进入 21 世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海出 现在大量的缺工现象， 迫切要求我们提高劳动生产率， 降低工人的劳 动强度，提高我国工业自动化水平势在必行， 本设计的目的就是设计 一个气动搬运机械手， 应用于工业自动化生产线， 把工业产品从一条 生产线搬运到另外一条生产线， 实现自动化生产， 减轻工人大量的重 复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。 现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点 :
机械制造装备设计第四章习题答案(关慧贞)
第四章工业机器人设计思考题与习题1.工业机器人的定义是什么?操作机的定义是什么？答：我国国家标准GT/T12643—1997《工业机器人词汇》将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度操作机，能搬运物料、工件或夹持工具，用以完成各种作业"；将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。
2.工业机器人由哪几部分组成?并比较它与数控机床组成的区别.答：工业机器人由操作机、驱动单元和控制装置组成。
数控机床一般由机床本体、伺服系统和数控装置组成.二者组成的区别主要在于机械本体，机器人操作机通常由末端执行器、手腕、手臂和机座组成,而数控机床机械本体通常包含主运动部件、进给运动部件、支承部件、冷却润滑、排屑等部分。
3.工业机器人的基本功能和基本工作原理是什么？它与机床主要有何相同和不同之处?答：工业机器人基本功能是提供作业所需的运动和动力，其基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动,自动地实现手部作业的动作功能及技术要求.在基本功能及基本工作原理上，工业机器人与机床有如下相同之处：二者的末端执行器都有位姿变化要求；二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。
二者的主要不同之处有：机床是以直角坐标形式运动为主，而机器人是以关节形式运动为主；机床对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低;而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低4.工业机器人的结构类型有哪几类?各种类型的特点如何？答:工业机器人的结构类型有如下四类：关节型机器人，其特点是关节一般为回转运动副，灵活性好，工作空间范围大(同样占地面积情况下），但刚度和精度较低；球坐标型机器人，其特点是按球坐标形式动作(运动）,灵活性好，工作空间范围大，但刚度、精度较差；圆柱坐标型机器人，其特点是按圆柱坐标形式动作，灵活性较好，工作空间范围较大，刚度、精度较好;直角坐标型机器人,其特点是按直角坐标形式动作，刚度和精度高，但灵活性差，工作空间范围小。
第4章工业机器人机械系统设计
第4章工业机器人机械系统设计工业机器人是现代制造业中非常重要的设备，它能够替代人力完成一些重复性、繁琐性和危险性高的工作，提高生产效率，保证产品质量。
而机械系统设计是工业机器人的核心部分，决定着机器人的工作性能和稳定性。
本章将重点介绍工业机器人机械系统设计的关键内容。
首先是机械结构的设计。
机械结构包括机器人身体的外形、连接方式、关节结构等。
根据机器人的工作任务和使用环境，设计出合适的机械结构非常关键。
一般来说，机械结构应具备轻量化、刚性好、耐磨损等特点。
同时，机器人的关节结构需要有足够的自由度，以便完成各种复杂的工作任务。
其次是传动系统的设计。
传动系统是机器人的关键组成部分，它负责将电机的转动传递到末端执行器上。
常见的传动方式有齿轮传动、带传动、链传动等。
设计传动系统时需要考虑传动效率、精准度、稳定性等因素。
同时，根据机器人的工作特点，还需要选择合适的减速比，以确保机器人的运动速度和力矩满足要求。
第三个关键是控制系统的设计。
控制系统是机器人的大脑，负责控制机器人的动作和工作。
在工业机器人中常用的控制方式有伺服控制和步进控制。
在设计控制系统时，需要考虑控制器的性能、稳定性和可靠性。
同时，还需要考虑机器人的传感器系统，以获取机器人的位置、力矩等信息，并进行反馈控制。
最后是机械系统的安全设计。
工业机器人在运行过程中会面临一些安全风险，因此需要进行安全性设计。
安全设计包括防护装置的设计和安全控制系统的设计。
防护装置可以是机械装置，如护栏、安全门等；也可以是电子装置，如激光安全扫描器、光幕等。
安全控制系统可以通过编程来实现，对机器人的运动进行监控和控制，确保机器人在运行过程中不会对人员造成伤害。
在工业机器人机械系统设计过程中，需要综合考虑机器人的工作任务、环境要求、经济成本等因素，合理选择机械结构、传动系统和控制系统。
同时，还需要进行安全设计，确保机器人的安全运行。
只有在综合考虑这些因素的基础上进行设计，才能设计出稳定性高、性能优良的工业机器人。
(完整word版)工业机器人机械结构设计.
河南理工大学本科毕业设计(论文开题报告题目名称工业机器人机械结构设计一、选题的目的和意义:工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上,以及在原子能工业等部门中,完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。
广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与产量,而且可以保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本。
因此,研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。
由于工业机器人具有一定的通用性和适应性,能适应多品种中、小批量的生产, 70年代起,常与数字控制机床结合在一起,成为柔性制造单元或柔性制造系统的组部分。
二、国内外研究综述:20世纪50年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采用伺服机构和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将其称为工业机器人; 60年代初,美国研制成功两种工业机器人,并很快地在工业生产中得到应用; 1969年,美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。
此后,各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。
我国工业机器人起步于70年代初期,经过20多年的发展,大致经历了3个阶段: 70年代的萌芽期, 80年代的开发期和90年代的适用化期。
我国工业机器人经过20多年的发展已经初具规模。
目前我国已生产出部分机器人关键元器件,开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。
一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上;一批机器人技术的研究人才也涌现出来。
一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术;工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术;机器人软件的设计和编程技术;运动学和轨迹规划技术;弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术“乘机安全小贴士”安全出行要重视等。
机械制造装备设计_工业机器人(PDF53页)
4.4.1 工业机器人的手臂和机座
（一）设计要求
(2)机座结构设计要求 要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时 的稳定性； 机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证 足够的强度、刚度和承载能力； 机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器 的运动精度影响最大。
4.4.1 工业机器人的手臂和机座
（二）典型结构 电动机驱动机械传动圆柱坐标型机器人手臂和 机座结构。
4.2.3 工业机器人的运动功能设计
（二）创成式设计方法步骤如下：
（1）根据作业动作功能要求，建立作业功能位 姿矩阵； （2）分析作业功能位姿矩阵的特征，设定相应 的运动功能矩阵； （3）解方程式，即可得到运动功能方案。
4.2.4 工业机器人的工作空间解析
机器人的运动功能及相关尺寸参数确定后，给 出各关节的运动范围可以通过解位姿运动方程 式，求出机器人的实际工作空间，同时检验其 姿态是否满足设计要求。
4.5.1 工业机器人控制系统的构成
位置控制是机器人最基本的控制任务。 工业机器人控制系统的构成形式取决于机器人所 要执行的任务及描述任务的层次。 第一控制层次为人工智能级； 第二控制层为控制模式级。 动力学方面的困难在于： ¾因为模型参数的误差，建立精确的动力学模型 实际上是不可能的； ¾即使能够考虑这些误差，模型将包含数以千计 的参数，实时计算不可能； ¾控制对模型变换的响应。
（三）吸附式末端执行器的结构与设计 吸附式末端执行器（又称吸盘），有气吸式和 磁吸式两种。它们分别是利用吸盘内负压产生 的吸力或磁力来吸住并移动工作的。
（1）气吸式吸盘 挤压排气式吸盘 电流负压式吸盘 真空泵排气式吸盘 （2）磁吸式吸盘 分为电磁吸盘和永磁 吸盘
4.5 工业机器人的控制
一、工业机器人控制系统的构成 二、工业机器人的位置伺服控制 三、工业机器人其它控制方式 四、机器人智能技术
工业机器人结构及其设计概述
工业机器人结构及其设计概述工业机器人是现代工业生产中的重要设备之一，可以代替人手完成繁重、重复和危险的工作，提高生产效率和质量。
其设计结构和功能的不断发展进步，使其在各个领域都有着广泛的应用。
本文将对工业机器人的结构和设计进行概述。
工业机器人的结构工业机器人的结构主要由机械臂和控制系统两部分组成。
机械臂的结构机械臂是工业机器人最重要的部件，其结构设计需要考虑其功能需求、载荷、速度、稳定性等因素。
机械臂通常包括基座、旋转关节、前臂、腕部和手抓器等部件。
其中基座是机器人的支撑点，旋转关节控制机械臂的转动，前臂控制机械臂的伸缩，腕部可以使机械臂具有更多的方向运动能力，手抓器则用来抓取物体。
机械臂的材料也需要考虑，常见的材料包括铝合金、碳纤维等。
另外，机械臂控制系统也需要配备相应的附属设备，如传感器和编码器等，以提高机械臂的精度和稳定性。
控制系统的结构控制系统包括电气控制系统和机器人软件系统两个方面。
电气控制系统主要由电机、伺服控制器、速度控制器、力矩传感器等组成，用于控制机械臂进行精确的运动控制。
机器人软件系统则用于实现机器人的自主运动和根据各种任务的不同需求进行自适应调整。
工业机器人的设计概述工业机器人的设计需要根据不同的应用场景和任务需求进行概括和总结。
机械臂的设计在机械臂的设计中，需要根据机械臂的用途确定其工作半径、载荷、速度、精度等参数。
在选取机械臂的关键部件时，需要根据实际情况选择合适的材料、电机、伺服控制器等，以实现机械臂的最佳运动效果。
控制系统的设计控制系统的设计需要根据机器人的用途和需求来定制，选择最佳的硬件设备和软件系统。
在控制系统的硬件方面，需要根据机械臂的载荷、控制方式等选取合适的伺服控制器、传感器等部件。
在软件方面，需要根据机器人的运动规划和任务需求来编写各种控制算法，实现自主运动和自适应调整等功能。
安全性考虑在工业机器人的设计中，安全性是必须考虑的关键因素。
在机械臂的设计中，需要考虑机械臂与人体之间的安全距离，对机器人控制设备和机器人软件系统进行安全措施的设计和实现。
智能制造装备设计与故障诊断课件第4章-工业机器人基础
4.1.2 工业机器人的基本技术参数
工业机器人的设计与大多数机器设计过程相同，在进行工业机器人选型设 计之前，首先要对工业机器人的作业目的、功能需求、作业空间和生产条 件等做出规划，然后由机器人技术参数可选择机器人机械结构和坐标形式， 这是机器人机械结构设计的基础。工业机器人的主要技术参数有自由度、 精度、作业范围、最大工作速度和承载能力等。
作。
x r
x
r
θ
θ
示意图
柱面坐标机器人—Versatran
4.1.3工业机器人的分类
2）球坐标型：这种机器人像坦克的炮塔一样，机械手能够做里外伸缩移 动、在垂直平面内摆动以及绕底座在水平面内转动。因此，这种机器人的 工作空间形成球面的一部分，称为球面坐标机器人。球坐标型机器人的臂 部能回转、俯仰和伸缩。
2）示教输入型机器人：示教输入型的示教方法有两种，一种是由操作者 手动操纵示教盒，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺 序和运动轨迹运行。另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作 顺序和运动轨迹运行。在示教过程中工作程序的信息将自动存入程序存储 器中，在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将 指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。
机器人。运动耦合性强，控制较复杂，但运动灵活性最好，自身占据空间
最小。多关节型机器人的臂部有多个转动关节。
α
θ4
θ5
θ3
θ6
φ θ
示意图
θ2 θ1
EDUBOT-PUMA 560
4.1.3工业机器人的分类
4）平面关节型：在一个平面上，有两 个平行旋转关节工作的机器人。平面 关节型机器人的轴线相互平行,实现平 面内定位和定向。
工业机器人第4章 工业机器人的基本结构
图4.8 手腕回转运动的形式
手腕各回转方向的定义分别如下：
（1）绕小臂轴线方向的旋转称为臂转。
（2）使末端执行器相对于手臂进行的摆动称为腕摆。
（3）末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称为手转。
1. 手腕运动的分类 按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转 两种。 图4.9（a）所示为滚转，其特点是相对转动的两个零件的回转轴线 重合，因而能实现360无障碍旋转的关节运动，滚转通常用R来标 记。 图4.9（b）所示为弯转，其特点是两个零件的转动轴线相互垂直， 这种运动会受到结构的限制，相对转动角度一般小于360，弯转 通常用B来标记。
4.1 工业机器人的主体结构
机械系统通常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和 手爪等，构成一个多自由度的机械系统。
4.1.1 主体结构的基本形式
常见的主体结构形式有：直角坐标形式、圆柱坐标形式、球 面坐标形式、关节坐标形式。下面分别就四种形式进行介绍。
1. 直角坐标形式机器人 直角坐标形式机器人具有如下优点：
4.4 移动式机器人
行走部分机构：行走式机器人的重要执行部件，由行走部的驱动 装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。 行走部分机构按其运动轨迹可分为：固定轨迹式和无固定轨迹式。 固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人，如横梁式机器人。 无固定轨迹式行走部按其行走机构的结构特点分为轮式行走部、 履带式行走部和关节式行走部。 固定轨迹式行走机构与地面连续接触，其形态为运行车式，该 机构用得比较多，多用于野外、较大型作业场所，也比较成熟； 无固定轨迹式行走机构与地面为间断接触，为人类（或动物） 的腿脚式，该机构正在发展和完善中。
1. 手臂的直线运行结构
机械手的伸缩、升降及横向（或 纵向）运动的机构实现形式较多， 常用的有活塞油（气）缸、活塞 缸和齿轮齿条机构、丝杠螺母机 图4.6 臂部伸缩结构机器人 构以及活塞缸和连杆机构等。 1—手部；2—夹紧缸；3—油缸； 4—导向柱；5—运行架；6—行 走车轮；7—轨道；8—支座
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一 工业机器人总体设计
模块化结构设计
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 由一些标准化, 的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统. 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
经济性 灵活性
存在的问题
刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
一 工业机器人总体设计
5,手部设计
概述 手部分类 手爪设计和选用的要求 普通手爪设计 6,机身及行走机构设计 机身设计 行走机构设计
4,手腕设计
概述 手腕分类 手腕设计举例
一
工业机器人总体设计
主体结构设计 关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式 工业机器人的坐标形式
直角坐标机器人 主体结构有三个自由度, 主体结构有三个自由度,全为伸缩 圆柱坐标机器人 主体结构有三个自由度,腰转,升降,伸缩 主体结构有三个自由度,腰转,升降, 球面坐标机器人 主体结构有三个自由度,转动,转动和伸缩 主体结构有三个自由度,转动, 关节坐标机器人 主体结构有三个自由度,全为转动 主体结构有三个自由度,
磁力吸盘设计
不需夹具,要求工件表面清洁,平整, 不需夹具,要求工件表面清洁,平整,干燥 只适合对工件要求不高或不考虑剩磁的影响, 只适合对工件要求不高或不考虑剩磁的影响,不 适合高温
真空式吸盘设计
要求工件表面清洁,平整,干燥, 要求工件表面清洁,平整,干燥,能气密 各类真空式吸盘举例
六 机身及行走机构设计
静压导轨: 静压导轨:将具有一定压力的润 滑油, 滑油,经节流器输入到导轨面上 的油腔,即可形成承载油膜, 的油腔,即可形成承载油膜,使导 轨面之间处于纯液体摩擦状态. 轨面之间处于纯液体摩擦状态. 优点是轨运动速度的变化对油膜 厚度的影响很小; 厚度的影响很小;载荷的变化对 油膜厚度的影响很小, 油膜厚度的影响很小,摩檫系数 仅为0.005左右,油膜抗振性好. 0.005左右 仅为0.005左右,油膜抗振性好. 缺点是导轨自身结构比较复杂需 要增加一套供油系统对润滑油的 清洁程度要求很高主要应用: 清洁程度要求很高主要应用:精 密机床的进给运动和低速运动导 轨.
行星减速器的主要特点如下: 行星减速器的主要特点如下: 体积小,重量轻,结构紧凑,传递功率大,承载能力高. (1)体积小,重量轻,结构紧凑,传递功率大,承载能力高. 由于行星齿轮传动是一种共轴线式传动形式, 由于行星齿轮传动是一种共轴线式传动形式,即具有同轴线传动 的特点.在结构上采用了对称分流传动结构,即用几个完全相同 的特点.在结构上采用了对称分流传动结构, 的行星轮均匀分布在中心轮圆周来共同分担载荷, 的行星轮均匀分布在中心轮圆周来共同分担载荷,并且合理地应 用了内啮合,充分地利用了空间的容积,从而缩小了径, 用了内啮合,充分地利用了空间的容积,从而缩小了径,轴向尺 使结构紧凑,而承载能力又高. 寸,使结构紧凑,而承载能力又高.因而行星齿轮传动在相同功 率和传动比的条件下, 率和传动比的条件下,可使其外部尺寸和重量只为普通齿轮传动 1/2-1/6. 的1/2-1/6. 传动效率高,工作可靠. (2)传动效率高,工作可靠.行星齿轮传动由于采用了对称 的分流传动结构, 的分流传动结构,使作用于中心轮和行星架等主要轴承上的作用 力互相平衡,有利于提高传动效率. 力互相平衡,有利于提高传动效率. 传动比大.适当选择传动类型和齿轮齿数, (3)传动比大.适当选择传动类型和齿轮齿数,便可利用少 数几个齿轮而获得很大的传动比. 数几个齿轮而获得很大的传动比. 由于行星齿轮传动具有上述优点, 由于行星齿轮传动具有上述优点,故目前行星齿轮减速器不 仅适用于告诉大功率,而且在低速大扭矩设备上也已广泛应用. 仅适用于告诉大功率,而且在低速大扭矩设备上也已广泛应用.
材料的选择
材料选择的基本要求
强度高 弹性模量大 重量轻 阻尼大 价格低
结构件材料介绍 碳素结构钢,合金结构钢, 碳素结构钢,合金结构钢,铝合金等合金材 纤维增强合金,陶瓷, 料,纤维增强合金,陶瓷,纤维增强复合材 料,粘弹性大阻尼材料
一 工业机器人总体设计
平衡系统设计
平衡系统的作用
安全 降低因构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值 降低因运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值 改进动力特性 使运行稳定, 使运行稳定,降低地面安装要求
机身设计
考虑因素:足够的刚度和稳定性,运动灵 考虑因素:足够的刚度和稳定性, 活,结构布置合理 回转与升降机身 回转与俯仰机身 机身驱动力(力矩)计算 机身驱动力(力矩)
行走机构设计
各类行走机构的简介
垂直升降运动驱动力计算
Pq = Fm + Fg + W
F m —— 各支承处的摩擦力 F g —— 启动时的总惯性力
动压导轨: 动压导轨:靠导轨之间的相对 运动产生的压力油膜将运动件 浮起,把两个导轨面隔离, 浮起,把两个导轨面隔离,形成 纯液体摩檫,其工作原理与动 纯液体摩檫,其工作原理与动 压轴承相同,形成导轨面间压 轴承相同, 力油膜的条件是: 力油膜的条件是:两导轨面之 间应有锲形间隙和一定的相对 速度, 速度,此外还需要有一定粘度 的润滑油流进锲形间隙 适用于主运动导轨
二
传动部件设计
传动件的定位和消隙 传动件的定位
电气开关定位,机械挡块定位,伺服定位系统 电气开关定位,机械挡块定位,
传动件的消隙
消隙齿轮 柔性齿轮 对称传动消隙 偏心机构消隙 齿廓弹性覆层消隙
二
传动部件设计
减速器 谐波传动机构
行星齿轮机构
与一般齿轮传动和蜗杆传动不同, 与一般齿轮传动和蜗杆传动不同,谐波传动其工作原理 是基于一种变形原理,即通过柔轮变形时其径向位移和 是基于一种变形原理, 切向位移间的转换关系,从而实现传动机构的力和运动 切向位移间的转换关系, 的转换. 的转换. 谐波齿轮传动是靠柔性齿轮(柔轮) 谐波齿轮传动是靠柔性齿轮(柔轮)所产生的可控弹性 变形来实现传递运动和动力的.它的基本构件有:柔轮, 变形来实现传递运动和动力的.它的基本构件有:柔轮, 波发生器和刚轮.三个构件中可任意固定一个,其余两 波发生器和刚轮.三个构件中可任意固定一个, 个一为主动,一为从动,可实现减速或增速( 个一为主动,一为从动,可实现减速或增速(固定传动 比),也可变换成两个输入,一个输出 ,组成差动传 ),也可变换成两个输入, 也可变换成两个输入 动.
当刚轮固定,波发生器为主动,柔轮为从动时, 当刚轮固定,波发生器为主动,柔轮为从动时,柔轮在 椭圆凸轮作用下产生变形,在波发生器长轴两端处的柔 椭圆凸轮作用下产生变形, 轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合;在短轴两端处的柔轮轮齿 轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合; 与刚轮轮齿完全脱开;在波发生器长轴与短轴区间,柔 与刚轮轮齿完全脱开;在波发生器长轴与短轴区间, 轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态,称为啮入;有 轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态,称为啮入; 的则逐渐退出啮合处于半脱开状态,称为啮出.由于波 的则逐渐退出啮合处于半脱开状态,称为啮出. 发生器的连续转动,使得啮入,完全啮合,啮出,完全 发生器的连续转动,使得啮入,完全啮合,啮出, 脱开这四种情况依次变化,循环不已. 脱开这四种情况依次变化,循环不已.由于柔轮比刚轮 的齿数少2 的齿数少2 ,所以当波发生器转动一周时,柔轮向相反 所以当波发生器转动一周时, 方向转过两个齿的角度,从而实现了大的减速比. 方向转过两个齿的角度,从而实现了大的减速比.
物料馈送器或存储装置
对手爪必需的最小,最大爪钳间的距离;必需的夹紧力; 对手爪必需的最小,最大爪钳间的距离;必需的夹紧力;其 它的不确定因素
机器人作业顺序 手爪和机器人的匹配
手爪的机械接口/ 手爪的机械接口/手爪自重
环境条件
普通手爪设计
机械式手爪设计
驱动:气动,液动,电动 驱动:气动,液动, 传动:运动要求和夹紧力要求 传动: 爪钳:形状,材料,与工件的接触面积 爪钳:形状,材料,
平衡系统设计的主要途径
质量平衡技术 弹簧力动部件设计
移动关节导轨及转动关节轴承 移动关节导轨
要求 类型:普通滑动导轨,液压动压移动导轨, 类型:普通滑动导轨,液压动压移动导轨,液压静压 移动导轨,气浮导轨, 移动导轨,气浮导轨,滚动导轨 应用实例
转动关节轴承
球轴承 专用轴承 特殊材料制作的轴承
三
臂部设计
臂部设计的基本要求
刚度高,导向性好,重量轻,运动平 刚度高,导向性好,重量轻, 稳,定位精度高
手臂的常用结构
直线运动机构 回转运动机构 臂部运动驱动力计算
四
概述
手腕设计
手腕可具有的自由度:翻转,俯仰,偏转 手腕可具有的自由度:翻转,俯仰, 设计的重点是手腕的大小和重量
手腕的分类
按自由度数目分类 按驱动方式分类
第四章 工业机器人 机械系统设计
1,工业机器人总体设计
主体结构设计
主 要 内 容
传动方式选择 模块化结构设计 材料选择 平衡系统设计
2,传动部件设计
移动关节导轨及转动关节轴承 传动件的定位及消隙 谐波传动 丝杠螺母副及其滚珠丝杠传动 其它传动
主要内容
3,臂部设计
臂部设计的基本要求 手臂的常用结构 臂部运动驱动力计算
W
—— 运动部件的总重力
回转运动驱动力计算
Mq = Mm + M g
M m —— 总摩擦阻力矩
M g —— 各回转运动部件总惯性力矩
升降立柱下降不卡死条件计算
∑G L L= ∑G
i i
i
—— 偏重力臂
M =W L
—— 偏重力矩 ——立柱支撑导套产生的 ——立柱支撑导套产生的 防止手臂倾斜的力矩
手腕设计举例
五
手部设计
手部与手腕相连处可拆卸 手部是工业机器人末端操作器 手部的通用性比较差 手部是一个独立部件
工业机器人手部特点
手部的分类 手部设计和选用要求 普通手爪设计