《机器人结构设计》课件

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
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。
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(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……
(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。
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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
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(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。
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。
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(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。
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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。
间接传动 直接驱动
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《机器高人，结构响设计应》快
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
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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
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总体设计的步骤
(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。
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。
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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
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。
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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
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。
(4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。
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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。
成本高
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
(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。
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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。
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(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。