机器人技术第二章机器人结构设计概论(2013)

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直动关节
直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采 用滚动丝杠和导柱(轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮齿条的 移动结构。
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多关节柔性臂 多关节柔性臂也称作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多节串联
而成，原来意义上的臂(大臂、小臂) 已演化成一个节，节 与节之间可以相对摆动。
严格讲，多关节柔性臂并不是全柔性的，称其为蛇型臂较 为合适。由于柔性臂的关节多，能满足避障等特殊需要。
液压控制阀
液压摆动马达
液压马达
液压泵
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3．气动驱动器
气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。 但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不 易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。
气
气
动
动
气
马
摆
缸
达
动
马
达
气 泵
气 动 三
大
件
气 动 控 制 阀
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4．其它驱动器
作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、人工 肌肉(电活性聚合物)等。
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2.3.2 肩关节和肘关节
对于开式连杆结构，肩关节（大臂关节）位于腰部的支座上， 多采用RV减速器传动、谐波传动或摆线针轮传动；也可采用滚 动螺旋组合连杆机构或直接应用齿轮机构。
肘关节（小臂关节）位于大臂与小臂的联接处，多采用谐波 传动、摆线针轮或齿轮传动等。
关节结构形式有： 1、同轴式配置——
同轴式腰关节结构紧凑，腰关节高度尺寸小(使用特制轴承 的缘故)，但关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的 中间柱体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松 地套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹 簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过 中空轴，联接于支座的固定接线板上。
第二章 机器人的机械结构与设计
2.1 机器人本体设计的步骤
1、作业分析
作业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任务 和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。
2、总体方案设计
（1）确定动力源
（2）确定构型和安装方式
（3）确定自由度
（4）确定动力容量和传动方式
（5）优化运动参数和结构参数
（6）确定平衡方式和平衡量
1．电动驱动器
电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高， 速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接 驱动比较困难。
电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流(AC)伺服电机 驱动和步进电机驱动。
直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易 形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机已逐渐 取代直流伺服电机而成为工业机器人的主要驱动器。
1 —扁平谐波； 2 —杯式谐波； 3 —齿形带轮； 4 —锥齿轮；5 —腕壳
谐波前置汇交手腕
1— 谐波减速； 2 —马达； 3 —链轮； 4 —腕壳
电机前置偏置手腕
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诱导运动 把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导
运动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。
2 —主动链轮；3、5 —从动链轮
MW Q
QΣ — 腰关节合重力； QP— 腰部自身重力； QA— 大臂部分的重力； QE— 前臂部分的重力； QW— 腕部的重力； QH— 手部重力（含负载）； ρ — 腰关节合重力偏距； MW—腰关节倾覆力矩。 20
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1 —电机；2 — RV减速器，3 —支架，4 —交叉滚子轴承；5 —电缆
柔顺装配技术有两种：一种是控制的角度，借助检测元件采 取边校正、边装配的方式，称为“主动柔顺装配” ；另一种是 从结构的角度在手腕部配置一 个柔顺环节，这种柔顺装配技术 称为“被动柔顺装配 ”即RCC (Remote Center Compliance)。
带检测元件的手腕
移动摆动柔顺手腕
柔顺手腕动作过程
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2.3 工业机器人关节的构造及其传动配置
关节是操作机各杆件间的结合部分，通常为转动和移动两 种类型。
工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节， 它们决定了操作机的位置。后面关节决定了操作机的姿态， 称作腕部关节。
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伺服电机 机械本体
电气元件 运动控制器 伺服驱动器 RV减速机
（7）绘制机构运动简图
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3、结构设计
包括机器人驱动系统、传动系统的配置及其结构设计， 关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口 设计等。
4、动特性分析
估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真、分析， 确定其结构固有频率和响应特性。
5、优化设计
重复3、4。
6、施工设计
完成施工图设计，编制相关技术文件。
M

QP QA
QΣ
QE
QH
QW 腰关节受力分析

M Mm Mg Mm J t
M— 腰关节合成扭矩； Mm— 腰关节转动摩擦力矩； Mg— 腰关节转动惯性力矩; J— 机器人回转惯量； ω— 腰关节回转速度； t— 机器人回转启动时间。
Q QP QA QE QW QH
1．卡爪式夹持器； 2．吸附式取料手； 3．专用操作器及换接器 4．仿生多指灵巧手。
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2.4.1 卡爪式夹持器
卡爪式夹持器通常有两个夹爪，分为弹力型、回转型和平 移型三种类型。 1、弹力型夹持器
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7— 链轮；
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10
7
8— 弹簧；
9— 轴承； 10 — 转壳
汇交式两自由度手腕
1 — 法兰；2 — 腕壳；3, 6 — 锥齿轮轴； 4 —小臂；5, 7 —链轮，8 —链；9, 10 —弹簧
偏置式两自由度手腕
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两自由度手腕的另两种结构：谐波减速器前置的汇交型 手腕；驱动电机与谐波减速器前置的偏置型手腕。
置控制精度； (4) 寿命长、价格低。
微电机+减速器
微小型减速器
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2. 机器人常用传动机构
机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构。
美国发明家 C. Walt Musser 马瑟于上世纪50年代中期发明
1926年德国人L.Brazen发明了摆线针轮减速器
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其中腰关节最常用谐波传动、齿轮/蜗轮传动；臂关节最常 用谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。腕关节 最常用齿轮传动、谐波传动、同步带传动和纲绳传动。
对于驱动器来说，最重要的指标要求是起动力矩大， 调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好、与 之配套的数字控制系统。
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2.2.3 机器人的常用传动机构
1. 机器人传动机构的基本要求
(1) 结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻； (2) 传动刚度大，即承受力矩作用时变形要小，以提高整机的
固有领率，降低整机的低频振动； (3) 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位
手腕传动示意图
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3、三自由度手腕 三自由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕
相对于小臂的转动自由度而形成的。 三自由度手腕是“万向”型手腕，结构形式繁多，可以完
成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节 型机器人都采用了三自由度手腕。
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必须指出， 若操作机为6 自由度，当 手腕为偏置 式时，运动 学反解得不 出解析的显 式，且动力 学参数也是 强耦合的。 设计时必须 给予充分注 意。
多级联动万向节柔性臂
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多节万向节型柔性臂
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脊骨式多节柔性臂
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1—定长刚性臂； 2— 并联机构柔性臂
连杆式多节型柔性臂
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2.3.3 手腕关节
1、单自由度手腕 SCARA水平关节装配机器人的手腕只有绕垂直轴的一个
旋转自由度，用于调整装配件的方位。 传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端
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KUKA IR—662／100机器人手碗传动图
Cincinnati Milacron T3 机器人腕部结构
KUKA IR—662／100机器人手碗结构图
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PUMA一262 机器人手腕传动原理
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4、柔顺手腕结构
机器人精密装配时，由于被装配零件的不一致性、工件定位 夹具及机器人手部的定位精度无法满足装配要求时，会导致装 配困难甚至失败。这就提出了装配动作的柔顺性要求。
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板弹簧柔顺手腕
钢丝弹簧柔顺手腕
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2.4 机器人的手部
机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操 作机构。因此有时也称为末端操作器。
由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷 涂等）和作业对象的不同（如轴类、板类、箱类、包类物 体等）， 手部的形式多样。综合考虑手部的用途、功能和 结构持点，大致可分成以下几类：
同轴式腰关节〔电机上置)
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1—腰部固定立柱壳体； 2 —腰部回转壳体； 3 —四点接触球轴承； 4 —伺服电机组件； 5—谐波减速器；
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同轴式腰关节 (电机下置)
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4 3 1
1 —电机 ； 2 —齿轮； 3 —空心立柱； 4 —轴承
2 平行轴式腰关节
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由上面的图例可以看出，腰关节的回转副主要是两种类型： 使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式或平行轴式。
压电微驱动并联机器人
形状记忆合金驱动机器人手
人工肌肉驱动的机械臂
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5．驱动器的选择原则
驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以 价格高低、技术水平为评价标准。
一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电动 驱动器。
对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最 大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、 低惯量和较宽广且平滑的调速范围。
执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动 电机。
这种传动特点特 别适合于电子线路 板的插件作业。
SCARA 机器人
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2、两自由度手腕
两种常见的配置形式——汇交式和偏置式。
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3
4 5 69 7 8
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1 — 法兰；
2 —齿轮轴；
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3 — 锥齿轮；
4 — 弹簧；
5— 链轮；
6— 轴承；
特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用 体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求 快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可 靠性和稳定性，且具有较大的短时过载能力
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5．驱动器的选择原则
只须点位控制且功率较小者，或有防爆、清洁等特殊要 求者，可采用气动驱动器。
负荷较大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采 用液压驱动器。
电机轴线与关节轴 线重合。
2、偏置式配置—— 电机轴线与关节轴 线偏离一定距离。
同轴减速传动结构
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4 8 7
3
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同轴减速传动结构
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1— 腰支座；
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2, 7 — RV减速器；
3, 6 — 驱动电机；
4 — 大臂；
5 — 曲柄；
8 — 轴承。
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偏置减速传动结构(PUMA)
1 — 大臂； 2 — 关节1电机； 3 — 小臂定位板； 4 — 小臂； 5 — 气动阀； 6 — 立柱； 7 — 直齿轮； 8 — 中间齿轮； 9 — 机座； 10 — 主齿轮； 11 — 管形连接轴； 12 — 手腕
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2.2 机器人的驱动与传动系统结构
2.2.1 驱动—传动系统的构成
在机器人机械系统中，驱动器（通过联轴器）带动传动 装置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。
机器人有两种最常用的运动关节——转动关节和移(直) 动关节。
为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速 度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度（ 高一个数量级）、连接方式以及有利于控制的输出方式。对 于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱 动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。
步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大， 多用于低精度小功率机器人系统。
5Байду номын сангаас
直流伺服电机与驱动放大器
步进电机
步进电机驱动放大器
交流伺服电机
驱动放大器
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2. 液压驱动器
液压驱动的优点是功率大，可省去减速 装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧 凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高 的精度。但需要增设液压源，易产生液体 泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动 目前多用于特大功率的机器人系统。
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1—码盘； 2 —测速机； 3 —电机； 4 —联轴器； 5 —传动装置； 6 —转动关节； 7 —杆
8 —电机； 9 —联轴器； 10 —螺旋副； 11 —移动关节； 12 —电位器(或光栅尺)
伺服电机驱动关节——伺服电机+联轴节+传动装置+运动关节+反馈元件
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2.2.2 驱动器的类型和特点
2.3.1 腰关节
腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承 受倾翻力矩，且应具有较高的运动精度和刚度。
腰关节多采用高刚性的RV减速器传动，也可采用谐波传 动、摆线针轮或蜗杆传动。其转动副多采用薄壁轴承或四点 接触轴承，有的还设计有调隙机构。
对于液压驱动关节，多采用回转缸+齿轮传动机构。
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