第2章 工业机器人的总体设计
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3)重量轻。机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯 性力引起的,与构件的质量有关。也就是说,为了提高构 件刚度选用弹性模量E大而密度ρ也大的材料是不合理的。 因此,提出了选用高弹性模量、低密度材料的要求。 4)阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大,重量轻, 而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人臂经过运动后,要 求能平稳地停下来。可是在终止运动的瞬时构件会产生惯 性力和惯性力矩,构件自身又具有弹性,因而会产生残余 振动。从提高定位精度和传动平稳性来考虑,希望能采用 大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。 5)材料经济性。材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。 有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等 用来作为机器人臂的材料是很理想的,但价格昂贵。
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Unimate2000机器人
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2、精度
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3、谐波齿轮 谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成,如图所 示。一般刚性齿轮固定,谐波发生器驱动柔性齿轮旋转。谐波发生器具有 椭圆型轮廓,当其装入柔轮后,长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合, 短轴两端的齿与刚轮完全脱开;当谐波发生器连续转动时,柔轮的变形部 位也随之转动,使柔轮的齿依次进入啮合,然后再依次退出啮合,从而使 柔性齿轮沿刚性齿轮内齿转动。由于柔性齿轮比刚性齿轮少两个或多个齿, 则柔性齿轮沿刚性齿轮每转一圈就反方向转过两个或多个齿的相应转角。 从而实现较大的减速比。
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2.2.3 直线传动与旋转传动的选用 80年代之前倾向与选用直线传动,如液压、气动等。原 因:计算简单(缺计算机),功率大(无大功率晶体 管)。 80年代后,各有利弊,根据具体情况合理选择。 2.2.4 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。 制动器的作用: 1)在机器人停止工作时,保持机械臂的位置不变; 2)在电源发生故障时,保障设备安全; 工作方式: 1)失效抱闸; 2)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。 安装位置:尽可能放在传动的输入端,力矩小,定位精 度高(相对滑动)。
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2.3.2 机身和臂部设计应注意的问题
机身和臂部的工作性能的优劣对机器人的负荷能力和运动精度 影响很大,设计时应注意以下问题: 1、刚度 刚度是指机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。用外力和 在外力方向上的变形量(位移)之比来度量的,变形越小,刚 度越大。在有些情况下,刚度比强度更重要,为了提高刚度, 应注意: 1)根据受力情况,合理选择截面形状或轮廓尺寸。机身和臂部 既受弯矩,又受扭矩,应选用抗弯和抗扭刚度较大的截面形状。 一般采用具有封闭空心截面的构件。不仅有利于提高结构刚度, 而且空心内部还可以布置安装驱动装置、传动机构和管线等, 使整体结构紧凑,外形美观。 2)提高支承刚度和接触刚度。支撑刚度主要取决于支座的结构 形状。接触刚度主要取决于配合表面的加工精度和粗糙度。 3)合理布置作用力的位置和方向。尽量使各作用力引起的变形 互相抵消,如下图Unimate2000机器人。
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3、滚珠丝杠 在丝杠和螺母的螺旋槽内嵌入滚珠,并通过螺母中的导向槽使滚珠 能连续循环。 优点:摩擦力小,传动效率高,无爬行,精度高 缺点:制造成本高,结构复杂。
1-丝杠 2-螺母 3-滚珠 4-导向槽
自锁问题:理论上滚珠丝杠副也可以自锁,但是实际应用上没有使用 这个自锁的,原因主要是:1-可靠性很差;2-加工成本很高(因为直径 与导程比非常大).一般都是再加一套蜗轮蜗杆之类的自锁装置.
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2、机器人常用材料简介 1)碳素结构钢和合金结构钢 这类材料强度好,特别是合金结构钢,其强度增大了4~ 5倍,弹性模量E大,抗变形能力强,是应用最广泛的材 料。 2)铝、铝合金及其他轻合金材料 这类材料的共同特点是重量轻,弹性模量E并不大,但是 材料密度小,故E/ρ之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝 合金的品质得到了更明显的改善,例如添加3.2%(重量 百分比)锂的铝合金,弹性模量增加了14%,E/ρ比增加 了16%。 3)纤维增强合金 这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等, 其E/ρ比分别达到11.4×107 和8.9×107。这种纤维增强 金属材料具有非常高的E/ρ比,但价格昂贵。
1—刚轮; 2—刚轮内齿圈; 3—输入轴; 4—谐波发生器; 5—输出轴; 6—柔轮; 7—柔轮齿圈
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减速比计算公式: 若刚性齿轮(齿数Z1)固定,谐波发生器为输入,柔性齿 轮(齿数Z2)为输出,则速比为 i z z z 负号表示方向与输入相反。 若柔性齿轮(齿数Z2)固定,谐波发生器为输入,刚性齿 轮(齿数Z1)为输出,则速比为 i z 正号表示方向与输 z z 入相同。 特点: 1)传动比大而且范围宽。可达50~500。 2)同时啮合的齿数多(总齿数的30%~40%),承载能力 高。 3)零件少,体积小,重量轻。 4)运动精度高,效率高。
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4)陶瓷 陶瓷材料具有良好的品质,但是脆性大,不易加工,日 本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人 臂样品。 5)纤维增强复合材料 这类材料具有极好的E/ρ比,而且还具有十分突出的大 阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼, 所以在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。 6)粘弹性大阻尼材料 增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效 方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼,其 中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料 对原构件进行约束层阻尼处理。
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2.1.2 机器人本体材料的选择
选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发,满足 机器人的设计和制作要求。 1、材料选择的基本要求 1) 强度高。机器人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。 2) 弹性模量大。构件刚度(或变形量)与材料的弹性模量E有 关。弹性模量越大,变形量越小,刚度越大。不同材料 弹性模量的差异比较大,而同一种材料的改性对弹性模 量却没有太多改变。比如,普通结构钢的强度极限为 420MPa,高合金结构钢的强度极限为2000~2300MPa,但 是二者的弹性模量E却没有多大变化,均为2.1×105MPa。 因此,还应寻找其他提高构件刚度的途径。
作业
1、机身和臂部的作用各是什么?在设计时应注 意哪些问题? 2、手腕上的自由度主要起什么作用?若要求 手部能处于空间任意方向,则手腕应具有什 么样的自由度?
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第二章 工业机器人的总体设 计
2.1 机器人总体设计
2.2 机器人传动机构
2.3 机身和臂部机构 2.4 机器人的腕部结构 2.5 机器人的手部结构 2.6 机器人的行走能力
No Ti Ni
其中,ωi是输入齿轮角速度,ωo是输出齿轮角速度;Ti、 To为输入输出力矩;Ni、No为输入输出齿轮齿数
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2、同步皮带 同步带是具有许多型齿 的皮带,它与同样具有 型齿的同步皮带轮相啮 合。工作时相当于柔软 的齿轮。 优点:无滑动,柔性好, 价格便宜,重复定位精 度高。 缺点:具有一定的弹性 变形。
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2.2 机器人传动机构
传动机构是连接动力源和运动连杆的关 键部分,根据关节形式,常用的传动机构 形式有直线传动和旋转传动机构。
2.2.1 直线传动机构
直线传动方式可用于直角坐标机器人的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。 直线运动可以通过齿轮齿条、丝杠螺母等 传动元件将旋转运动转换成直线运动,也 可以有直线驱动电机驱动,也可以直接由 气缸或液压缸的活塞产生。
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2.3 机身和臂部机构
2.3.1 机身和臂部的作用
机身的作用:机身是直接连接、支撑和传动手臂及行走 机构的部件。实现臂部各种运动的驱动装置和传动件一 般都安装在机身上。臂部的运动愈多,机身的受力越复 杂。 机身可以是固定式的,也可以是行走式的。 手臂的作用:是机器人的主要执行部件,并负责支撑腕 部和手部,带动它们在空间运动。还安装一些传动和驱 动机构。 由于手臂在工作中直接承受腕、手和工件的静、 动载荷,自身运动又较多,故受力复杂。
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4、液压传动 通过高精度的缸体和活塞来完成,通过缸体和活塞杆的 相对运动实现直线运动。
早期的机器人都是采用伺服阀控制的液压缸产生直线运动,液压缸 功率大,结构紧凑,价格便宜。Unimate和Versatran机器人都采用 了直线液压缸作为直线运动的驱动源。
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1、齿轮齿条装置 通常齿条是固定的。齿轮的旋转运动转换成托板的直线 运动。
优点:结构简单。 缺点:回差较大
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2、普通丝杠 由一个旋转的精密丝杠驱 动一个螺母沿丝杠轴移动。 优点:传动平稳(面接 触),无噪声,能自锁 (螺纹升角小),减速比 较大,驱动力矩小。 缺点:摩擦力较大,效率 低,低速易爬行,精度低, 回差大。 自锁的经验条件:导程小于螺杆直径的1/3
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谐波传动装置在机器人技术比较先进的国家已得到了广 泛的应用。仅就日本来说,机器人驱动装置的60%都采 用了谐波传动。 美国送到月球上的机器人,其各个关节部位都采用谐波 传动装置,其中一只上臂就用了30个谐波传动机构。 前苏联送入月球的移动式机器人“登月者”,其成对安 装的8个轮子均是用密闭谐波传动机构单独驱动的。 德国大众汽车公司研制的ROHREN、GEROT R30型机器人和 法国雷诺公司研制的VERTICAL 80型机器人等都采用了谐 波传动机构。
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4、气压传动
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2.2.2 旋转传动机构
采用旋转传动机构的目的是将电机的驱动源输 出的较高转速转换成较低转速,并获得较大的 力矩。机器人中应用较多的旋转传动机构有齿 轮链、同步皮带和谐波齿轮。
1、齿轮链 由两个或两个以上的齿轮组 成的传动机构。 优点:结构紧凑,传动平稳 缺点:齿间存在间隙,影响 定位误差
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采用与齿轮链相关的两个重要关 系式: (1)转速关系:
o
Ni i No
o
Ni i No
(2)力矩关系: To
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2.1 机器人总体设计
工业机器人主体结构设计的主要问题是选 择由连杆和运动副(关节)组成的坐标形式。
2.1.1 坐标形式的选择
最广泛使用的机器人的坐标形式有:直角坐标 式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式 (包括平面关节式)。 在确定主体结构时,应该明确其应用场合和功 能要求,综合考虑各种坐标形式的优缺点,选 择合适的主体结构。