第2章 工业机器人机械系统设计

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液压驱动
优点：
1)液压容易达到较高的压力(常用液压为2.5到6.3MPa)，体积 较小，可以获得较大的推力或转矩；
2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较 高的位臵精度；
3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；
4)液压系统采用油作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以 提高机械效率，使用寿命长。
工业机器人技术
Technology of Industry Robots
北京联合大学 Beijing Union University
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章节安排
第一章 第二章 第三章 第四章
第五章
第六章 第七章 第八章
绪论 工业机器人机械系统设计 工业机器人运动学 工业机器人静力计算及动力学分析 工业机器人控制 工业机器人感觉系统 工业机器人轨迹规划与编程 工业机器人应用
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驱动机构方式
２．旋转驱动机构
多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋 转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所 需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高 的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时 也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要 把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换 必须高效率的完成，并且不能有损于机器人系统所需 要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。运 动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步带传动和 谐波齿轮等传动方式。
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制动器
许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动 器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的 位置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围 的物体不发生碰撞。 制动器通常是按照失效抱闸方式工作的，即要放 松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相 对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作 用。缺点是：工作期间不断花费电力使制动器放松。
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其他传动方式
齿形带传动
蜗轮蜗杆机构
摩擦带传动
滚珠丝杠螺母机构
链传动
其他传动机构
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曲柄滑块机构
凸轮机构
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2.3机身和臂部设计
机身机构
机身是直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部件。 它是由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及有关的导 向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动型式、使用条件、 负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装 置也不同，致使机身结构有很大差异。 一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的 驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身 的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行 走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空 轨道运行。
Z8
0.4
41
则：总减速比
i i1 i2 i3 i4 所以 Rn=17000 i 则：总减速比 i1 i2 i3 i4 =274.067 =274.067
因为： Rn = Rd ÷ i 因为： Rn = Rd ÷ i 其中 Rn 为舵机的空载输出转速 其中 Rn 为舵机的空载输出转速 Rd 为直流电机空载输出转速 Rd 为直流电机空载输出转速 i 为减速比； Rd = 17000 rpm，i= 274 i 为减速比； 所以 Rn=17000 rpm ÷ 274 = 62.04 rpm； Rd = 17000 rpm， i= 274 即舵机的空载理论输出转速为 62.04 rpm 或 60°/0.16S。
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驱动机构方式
１．直线驱动机构
机器人采用的直线驱动包括直角坐标结构的x、y、z向驱 动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球 坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或 液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母 等传动方式把旋转运动转换成直线运动。
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位置检测装置 示教再现装置 触觉、听觉、嗅觉、视觉装置 语音识别装置
人工智能系统
逻辑判断装置 学习装置
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机器人的体系结构
从体系结构来看，机器人分为三大部分六 个系统，分别是： 三大部分： 机械部分（用于实现各种动作）、 传感部分（用于感知内部和外部的信息）、 控制部分（控制机器人完成各种动作）。
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2.3机身和臂部设计
常用的机身结构：
１）升降回转型机身结构 ２）俯仰型机身结构 ３）直移型机身结构 ４）类人机器人机身结构
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臂部结构
手臂部件(简称臂部)是机器人 的主要执行部件，它的作用是支 撑腕部和手部，并带动它们在空 间运动。机器人的臂部主要包括 臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转 等运动有关的构件，如传动机构、 驱动装置、导向定位装置、支撑 联接和位置检测元件等。此外， 还有与腕部或手臂的运动和联接 支撑等有关的构件、配管配线等。
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臂部结构
根据臂部的运动和布局
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机器人的机械结构
执行机构：一种具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓 放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括：机座、手臂 、手腕和末端执行器。
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机器人的机械结构
(1)末端执行器（或称手部）是机器人直接执行工作的装置 ，可安装夹持器、工具、传感器等。夹持器可分为机械夹 紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。 在手部安装的某些专用工 具，如焊枪、喷枪、电钻、螺 钉螺帽拧紧器等，可视为专用 的特殊手部。
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工业机器人 各组成部分关系
控制系统 驱动系统 执行机构 操作对象
检测系统
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机器人的体系结构
六个系统：
A． 驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的 原动力。 B．机械结构系统：完成各种动作。 C．感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。 D．机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备 的联系和协调并构成功能单元。 E．人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单 元。 F．控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人 动作的中心。分为开环系统和闭环系统。
与液压驱动相比，气压驱动的特点： 1)压缩空气粘度小，容易达到高速(1m/s)； 2)利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力 设备； 3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于 高温作业； 4)气动元件工作压力低，故制造要求比液压元件低。
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气压驱动
缺点：
1)压缩空气常用压力为0.4~0.6MPa，若要获得较大 的力，其结构就要相对增大；
Z4/Z5
0.4/0.4
i1 Z 2 / Z1 5
37/8
i1 Z 2 / Z1 5
i1 Z 4 / Z 3 4.625 i1 Z 4 / Z 3 4.625
Z6/Z7 0.4/0.4
i1 Z 6 / Z 5 4.725 i37/8 1 Z 6 / Z 5 4.725 i1 Z 8 / Z 7 2.5625 i1 Z 8 / Z 7 2.5625
2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难， 要达到准确的位臵控制很困难； 3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理 不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外， 排气还会造成噪声污染。
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电动驱动
电动机驱动分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服 电动机和步进电动机驱动。 普通交、直流电动机驱动需要加减速装臵，输出力矩 大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。 伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能 好，可实现速度和位臵的精确控制，适用于中小型机器人。 交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进 电动机则主要用于开换控制系统，一般用于速度和位臵精 度要求不高的场合。
机器人常用传动机构
传 动 机 构
齿 轮 传 动
丝 杠 螺 母 传 动
带 链 钢 丝 传 动
连 杆 凸 轮 传 动
流 体 传 动
特 殊 减 速 机 构
直齿圆柱齿轮在舵机设计中的应用
பைடு நூலகம்
齿轮外形
名称 Z1
模数 0.3
齿数 10
3 减速比计算3 减速比计算
Z2/Z3 0.3/0.4 50/8
舵机空载转速计算 舵机空载转速计算 总传动比： 空载转速：
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第二章 工业机器人机械系统设计
2.1工业机器人总体设计 2.2驱动机构 2.3机身和臂部设计 2.4腕部设计 2.5手部设计 2.6行走机构设计
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手部 臂部
执行系统
腕部 机身
工 业 机 器 人
行走机构
驱动系统
各种电、液、气装置 运动控制装置
控制系统
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驱动机构方式
驱动方式分为旋转驱动方式和直线驱动方式。由于旋 转驱动的旋转轴强度高、摩擦小、可靠性好等优点，在结 构设计中应尽量多采用。但是在行走机构关节中，完全采 用旋转驱动实现关节伸缩有如下缺点： 1)旋转运动虽然也能转化的到直线运动，但在高速运动时， 关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。 2)为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系 统。
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2.2驱动机构
液压驱动、气动驱动、电动驱动、机械驱动及新型驱动方式 液压驱动：具有大的抓举力；结构紧凑，传动平稳，动作 灵敏；要求密封性能好，温度适中，成本较高。 气压驱动：空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低 ；空气的可压缩性致使工作速度的稳定性差；抓举力小。 电气驱动：利用电动机产生的力或力矩，直接或经过减速 机构驱动机器人，以获得所需的位移、速度、加速度。现 在多用，无污染、易控制、运动精度高，成本低、驱动效 率高。 机械驱动：利用各种机械运动副完成直线和旋转运动。 新型驱动方式：静电驱动器、压电驱动器、光驱动器等。
传动机构
是将驱动器输出的动 力传送到工作单元的一种
装置，作为能量源和执行
装置之间的连接装置，在 机器人的机构中有极其重 要的地位，起着能量传递 和能量转换作用。
传动机构的作用
1、运动形式的转换 直线到旋转、 旋转到直线、连续运动和间歇运动的变换。 2、运动速度的转换 工作单元往往和驱动器速度不一致，利用传动机构达到改变输出速 度的目的。 3、运动方向的转换 工作单元的运动方向与驱动器的输出方向不一致。 4、运动地点的转换 工作单元的运动与驱动器的输出不在同一地点。 5、调转矩 调整驱动器的转矩使其适合工作单元使用。
机器人的机械结构
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(2)手腕 手腕是连接手臂和末端执 行器的部件，用以调整末端执行器 的方位和姿态。
(3)手臂 手臂是支承手腕和末端执
行器的部件。它由动力关节和连杆 组成，用来改变末端执行器的空间
位置。
(4)机座 机座是工业机器人的基础 部件，承受相应的载荷，机座分为 固定式和移动式两类。
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机器人的机械结构
工业机器人一般有以下几部分构成： 机身部分：如同机床的床身结构一样，机器人机身构 成机器人的基础支撑。有的机身底部安装有机器人行 走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰 。 手臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。 末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各 种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。 关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各 部分、末端操作器之间的相对运动。
rpm ÷ 274 = 62.04 rpm； 即舵机的空载理论输出转速为 62.04 rpm 或 60°/0.16S。
行星齿轮式减速机构
行星齿轮减速器结构紧凑、 传动比较大，传动效率比蜗轮 蜗杆减速器高。
直齿圆锥齿轮应用
机器人齿轮传动实例
齿轮齿条在机器人手部的应用
齿轮齿条及行星机构在机器人手腕中的应用
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液压驱动
缺点： 1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高 温容易引起燃烧爆炸等危险；
2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度 和质量，故造价较高；
3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严 格的滤油装臵，否则会引起故障。
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气压驱动