喷涂机器人的结构设计

喷涂机器人的结构设计
1绪论
1.1机器人的现状和发展趋势
机器人是一个在三维空间中具有多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。

美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。

英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。

我国的国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。

能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。

而将操作机定义为：“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[5][6][8]”。

自从机器人在20世纪50年代诞生以来，在短短的50 多年里得到了迅速的发展，它经历了第一代工业机器人的研究、实用化、普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。

近几年国外机器人领域发展有如下几个趋势：
1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至1997年的6.5万美元。

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、连杆模块用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)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。

我国的机器人研究始于20世纪70 年代。

经过30多年的努力，从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过科技人员几十年的科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。

以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

1.2机器人的结构概述
机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为了使机器人进行作业而要求的外部设备组成。

1.2.1操作机
操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。

通常由下列部分组成：
a.末端执行器又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。

b. 手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。

有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。

c. 手臂它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。

手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。

手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。

d. 机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。

可分固定式和移动式两类。

1.2.2驱动单元
它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。

1.2.3控制装置
它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。

1.2.4人工智能系统
它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。

1.3课题研究的目的、意义和主要内容
制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。

即使是发达工业化国家，也无不高度重视。

机器人在工业生产中被运用的广泛程度正是体现了一个国家的工业自动化程度。

从某种意义上讲，也反映了一个国家的工业发展水平状况。

每当人们在冲压、安装和整车组装生产线上无数次地重复同一个取放、安装零件的时候,往往求助于机器人,尤其在喷涂作业那种恶劣的环境中,机器人的使用大大减轻了工人的体力劳动，改善了工作状况,减少了产品的生产加工成本。

以机器人为代表的现代自动控制科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用。

作为国民经济增长和技术升级的原动力，以机器
人为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。

目前，全世界的机器人保有量为几百万台，其中绝大部分为日、美等工业发达国家所有。

我国目前拥有机器人4000多台，主要在工业发达地区应用。

在机器人的应用方面，与发达国家还有一定的差距，所以我国未来的机器人的市场需求将是巨大的，在喷涂行业，为了避免人在有毒、易燃、易爆的恶劣环境下工作，减少喷涂的废品，提高喷涂质量，提高劳动生产率，迫切要求实现喷涂自动化。

目前，喷涂机器人主要应用在汽车制造及家电生产领域，在木制品表面裝饰中应用较少。

所以今后的市场需求会很大，本课题正是应对这种市场需求成立的。

本课题研究的主要内容是：为了达到喷涂工艺的要求和满足不同形状的表面喷涂要求，设计具有6个自由度的喷涂机器人，即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、手腕转动、手腕俯仰以及工具滚动。

喷涂机器人的本体结构为：机器人的机座（即底部和腰部的固定支撑）结构、腰关节传动装置、大臂（即大臂支撑架）结构及大臂传动装置、小臂（即小臂支撑架）结构及小臂关节转动装置、手腕（即手腕支撑架）结构及手腕关节转动装置。

主要对机器人的传动系统进行设计计算，机构布局设计、腰关节传动系统的设计、大小臂关节传动系统的设计、腕部传动系统的设计等。

以及对组成各个转动关节的传动零部件进行设计、选择、校核、计算。

最终，完成机器人整机的设计。

2 设计方案的确定
2.1 总体方案的确定
2.1.1设计方案的讨论
为了达到喷涂工艺的要求和满足不同形状的表面喷涂要求，所以机器人有6个自由度，即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、手腕滚动、手腕俯仰以及工具滚动。

能实现上述要求的，可以有不同的运动组合，可供选择、参考的设计方案有以下四种[4]：
2.1.1.1圆柱坐标型
这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。

它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。

2.1.1.2直角坐标型
直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。

它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。

2.1.1.3球坐标型
又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。

2.1.1.4关节型
关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。

其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。

关节型结构的机器人在相同体积条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间。

按设计要求、经对比分析确定，本课题采用的机器人的结构形式为关节型。

2.1.2本体结构布局设计
合理确定机器的布局是机械设计的一个重要环节，它对机械的设计、制造与使用都有很大的影响。

本次设计的机器人主要有5大部分组成：机座、腰关节立柱、大臂、小臂和手腕。

腰关节立柱垂直布置于机座上，大臂联结在立柱上，小臂联结在大臂的另一端，小臂的另一端和手腕联结。

本次设计的机器人的布局简图如图2-1：
图2-1 机器人的结构布局简图
2.2 传动方案的确定
2.2.1驱动方式
目前机器人关节常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动和电动机驱动等多种方式。

各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气动驱动应用很广泛，有些机器人则同时使用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。

比较这些驱动方式的特点，从中选出适合机器人关节的驱动方式[9]。

2.2.1.1液压驱动
液压驱动的特点有：
1）驱动力和驱动力矩较大，臂力可达到1000N左右；
2）速度反应性较好。

因为被驱动件的速度快慢取决于油液容积的变化，所以当不考虑油液温度的变化时，被驱动系统的滞后也是几乎没有的，而且液压机构的重量轻、惯性小，因此它的速度响应性较好；
3）调速范围大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；
4）传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向；
5）在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小；
6）定位精度比气动高，比电动低；
7）液压系统的漏油对机构的工作稳定性有一定的影响；
8）油液中如果混入气体，将降低记取的刚性，影响定位精度；
9）油液的温度和黏度的变化影响传动性能；
10）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置，否则会引起故障。

液压驱动方式输出力和功率较大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。

2.2.1.2气压驱动
气压驱动的特点有：
1）通过调节气流，就可以实现无级变速；
2）由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机器人关节速度快；
3）压缩空气可以从大气中获取，故动力源获得方便、价格低廉、而且废气处理方便；
4）由于压缩空气粘性小，故在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在
油路中损失的千分之一，故压缩空气可以集中供应，远距离传输；
5）压缩空气的压缩性较大，因此使得传动平稳性较差，定位精度较低；而且压缩空气排到大气中时噪声较大，另外还需考虑润滑和防锈等；
6）压缩空气的压力较低，致使机器人机构较大；
7）空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；
因此，气压驱动的机器人常用于臂力小于300N、运动速度较快以及高温、高粉尘等工作环境恶劣的场合。

2.2.1.3电动机驱动
电动机驱动可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置，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。

步进电动机输出力矩相对较小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。

电动机适用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。

从相关文献及资料得知，电动机驱动可避免电能转换为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动要高；电动机系统将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次加工的壳体中，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到大的提高；另为，电动机根据运行距离及电动机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可达到非常高的位姿准确度，这些都是电动机驱动的优点。

相对的，液压与气压驱动系统组成机构繁琐，维护不方便，液压源和气压源装置体积较大。

所以目前机器人关节驱动逐渐为电动机所取代。

在查阅和对比多种机器人的驱动方式后，本次设计的机器人采用直流伺服电机驱动。

2.2.2传动方式
传动装置是一种能量转化兼其他作用的装置，它的主要作用有：能量的分配与传递、运动形式的改变、运动速度的改变，传动通常分两类:第一类是机械不发生改变的传动——机械传动；另一类是机械能改变为电能或电能改变为机械能的传动——电传动。

机械传动又可分为啮合、摩擦传动和流体传动三大类。

考虑机器人结构的实际情况，带传动、齿轮传动、链传动、蜗杆传动和谐波齿轮传动是其可能的传动方式。

以下将对这几种传动方式进行比较。

2.2.2.1带传动
带传动通常是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的传动带组成。

当主动轮回转时依靠带和带轮接触面之间的摩擦力拖动从动轮一起回转，从而传动一定的运动和动力。

带传动具有的优点有：由良好的挠性和弹性，有吸振和缓冲的作用，因而使带传动平稳、噪声小；有过载保护作用，当过载时引起带在带轮上发生相对滑动，可防止其他零件的损毁；制造、安装精度和齿轮传动相比较低，结构简单，制造、安装、维护均较方便，适合于两轴之间中心距较大的传动。

带传动的主要缺点有：由于弹性滑动的存在，使得传动效率降低，不能保证准确的传动比；由于带传动需要初始张紧，因此当传递相同大的圆周力时，与啮合传动相比，轴上的压力较大；结构尺寸较大，不紧凑；传动带寿命较短；传动带和带轮之间会产生摩擦放电现象；不宜用于有爆炸危险的场合。

现在一些新型带传动形式，如高速带传动、同步带传动、多楔带传动已经克服了以上大部分的缺点。

2.2.2.2链传动
链传动是由链条和主、从动链轮所组成的。

链轮制造有特殊齿型的齿，依靠链轮齿和链条的链节来传递运动和动力。

链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动。

与属于摩擦传动的带传动相比，链传动没
有弹性滑动和打滑现象，因而能保证准确的平均传动比，传动效率较高；又因为链条不需要像带那样张得很紧，所以作用在轴上的径向压力较小；在同样使用条件下，链传动结构比较紧凑。

与齿轮传动相比，链传动的制造安装要求精度较低，成本低廉；在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便的多。

链传动的主要缺点是：在两根平行轴之间只能用于同向回转的传动；传动时不能保证准确的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声，不宜在速度变化很大和急速方向的运动中应运。

链传动主要用于要求工作可靠，且两轴距离较远，以及其它不宜用齿轮传动的场合。

2.2.2.3齿轮传动
齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一类传动，常用的渐开线齿轮传动具有以下一些主要特点：
传动效率高，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率是最高的。

一级圆柱齿轮传动在正常润滑条件下的效率可达到99%以上，在大功率传动中，高传动效率是十分重要的；传动比恒定，齿轮传动具有不变的瞬时传动比，因此齿轮传动可用于圆周速度为200m/s的以上的高速传动；结构紧凑，在同样使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸比带传动和链传动小的多；工作可靠，寿命长，齿轮传动在正确安装、良好润滑和正确维护的条件下，具有其它机械传动无法比拟的高可靠性和寿命。

齿轮传动的主要缺点有：对齿轮制造、安装要求高，齿轮制造常用插齿机和滚齿机等专用机床及专用工具；通常的齿轮传动为闭式传动，需要良好的维护保养，因此齿轮传动的成本和费用高；并且齿轮传动不适合中心距较大的两轴之间的动力传递。

2.2.2.4蜗杆传动
蜗杆传动一种空间齿轮传动，能实现交错角为90°的两轴间的运动和动力的传递。

蜗杆传动与圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动相比具有结构紧凑、传动比大、传动平稳和可以自锁等显著优点。

蜗杆传动的主要缺点是：齿面摩擦大、发热量高，传动效率低。

蜗杆传动通常用于中、小功率非长时间连续工作的应用场合。

2.2.2.5谐波齿轮传动
谐波传动包括三个基本构件：柔轮、刚轮和波发生器。

如图2-2所示。

三个构件中可以任意固定一个，其余两个一个固定，一个从动，可以实现减速或增速（固定传动比），也可以换成两个输入、一个输出，组成差动传动。

谐波传动主要用于军工、精密仪器生产、医疗器械、起重机、机器人等。

图2-2 谐波减速器结构图
谐波齿轮传动的特点如下：
1）结构简单，重量轻、体积小。

由于谐波齿轮传动比普通齿轮传动的零件数目大大减少，其体积可比普通齿轮传动体积小20%~50%。

2）传动比范围大，一般单级谐波齿轮传动，传动比为60~500；当采用行星发生器时，传动比为150~4000；而采用复波传动时，传动比可达7
10。

3）承载能力高。

由于谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即同时承受载荷的齿数多，在材料的力学性能和传动比相同的情况下，齿的强度保持一定时，其承载能力比其他形式的传动可大大的提高。

4）损耗小，效率高。

这是因为齿的相对滑动速度极低，因此它可在加工粗糙度和润滑条件差的情况下工作。

5）齿的磨损小且均匀。

由于齿的啮合是面接触，啮合齿数多，齿面比压小，滑动速度，所以对于齿的磨损小且均匀。

6）运动平稳，无冲击。

由于柔轮和刚轮啮合时，齿与齿间均匀接触，同时齿的啮入和啮出是随柔轮的变形逐渐进入和退出刚轮齿间的。

7）可以向密封空间传递运动。

由于弹性件（柔轮）被固定后，它既可以作为封闭传动的壳体，又可以产生弹性变形，即产生错齿运动，从而达到传递运动的目的。

因此，它可用在操纵高温、高压的管道以及用来驱动工作在高真空、有原子辐射和有害介质空间的机构。

在谐波齿轮传动中，柔轮加工较困难，对柔轮轴承的材料及制造精度要求较高。

表2-1列出了各种传动形式的传动效率：
表2-1 主要传动形式的效率
传动方式传动效率
带传动0.9~0.98
链传动0.93~0.97
圆柱齿轮传动0.9~0.99
圆锥齿轮传动0.88~0.98
蜗杆传动0.4~0.98
谐波齿轮传动0.7~0.9
丝杠传动0.85~0.95
2.2.3传动方案
根据本设计的要求，参考国内外工业机器人的典型结构，初步对各个回转关节的结构和驱动方案单独分析。

2.2.
3.1腰关节传动方案
方案一：如图2-3 所示，电机安装在底座上面，其输出轴经过二级圆柱齿轮减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。

方案二：如图2-4 所示，电机安装在底座上面，其输出轴先经谐波减速器减速后，再经过圆柱齿轮减速，带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。

两种方案在传动实现上，都是可行的。

方案一全部用齿轮来达到减速的目的，传动结构略复杂一点，造成腰部的转动惯量大，机构尺寸大，影响机器人的响应性。

方案二采用了减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的杯型谐波减速器，再经过一对直齿圆柱齿轮来达到传动要求，结构紧凑。

所以，方案二的结构紧凑性优于方案一，而且结构简单，适用于计算机控制。

故综合考虑，选择方案二。

图2-3 腰关节回转方案一示意图图2-4 腰关节回转方案二示意图
2.2.
3.2大小臂关节传动方案
方案一：如图2-5所示，大臂和小臂转动都是先通过谐波减速器减速，再经过锥齿轮换向带动来实现的。

方案二：如图2-6 所示，大臂和小臂的转动都是通过谐波减速器减速后直接带动来实现的。

两个关节的电机和减速器均布置在同一轴线上。

两种方案在传动实现上，都是不错的。

方案二的结构设计简单一些，可以减轻臂部的重量，但整体的尺寸相对方案一加大了。

方案一的结构较方案二复杂，但布局较方案二更合理。

结合本课题的实际条件，选择方案二。

图2-5 大臂和小臂转动方案一示意图图2-6 大臂和小臂转动方案二示意图
2.2.
3.3腕关节传动方案
手腕关节的传动如图2-7所示，三个关节的转动都是通过谐波减速器，再经过齿轮的减速或者改变方向来实现的。

这样设计的腕部结构紧凑而且刚性较大，关节活动范围大。

图2-7 腕关节传动示意图
2.3机器人的基本参数确定
2.3.1工作空间的确定
根据关节型机器人的结构确定工作空间。

工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。

此机器人的工作空间1800mm。

如下图2-8：。