机器人技术 机器人结构设计概论

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1 — 法兰；
2 —齿轮轴；
6
3 — 锥齿轮；
4 — 弹簧；
5— 链轮；
6— 轴承；
1
10
2
7— 链轮；
9
8
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
液压控制阀
液压摆动马达
液压马达
液压泵
7
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
8
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。
❖ 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
5
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 4 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。
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4 3 1
❖ 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。
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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
4
2.2.2 驱动器的类型和特点
瑞士ABB机器人:IRB7600
wk.baidu.com
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德国KUKA机器人:KR-1000-TITAN-F
2.4.2 臂杆的平衡
机器人操作机手臂的结构设计中必须考虑臂杆的重力平衡。 常见操作机臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、弹簧平衡 法、气动或液压平衡法如采用平衡电机等。
1、小臂杆的平衡 小臂杆通常采用质量平衡法。其基本原理是合理地分布臂杆质 量，使臂杆重心尽可能地落在支点上，必要时甚至采用在适当位 置上配置平衡质量的方法。 质 量 平 衡 法 有 结 构 自 平 衡 和 重 块 平 衡 两 种 方 式 。 PUMA 、 KUKA机器人也是按这一原则配置的。但如果臂杆的后部长度(无 效长度)太长，不利于机器人在狭窄环境中工作，所以单采用自重 平衡对大负荷操作机还很难取得满意的结果。
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码垛机器人关节机构（4DOF）
库卡KR 700 PA
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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【大负载时】，也可采用谐波传 动【小负载时】、摆线针轮或其他传动形式。其转动副多采用薄壁轴承 【如交叉滚子轴承】或四点接触轴承，有的还设计有调隙机构。
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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14
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2.3 工业机器人关节的构造及其传动配置
（7）绘制机构运动简图
1
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。
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。
2
1 —电机 ； 2 —齿轮； 3 —空心立柱； 4 —轴承
平行轴式腰关节
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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。
通用型工业机器人有6个关节（自由度），前3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3个关节决定了操作机的姿态，称作腕部关节。
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几种典型的机器人机构
PUMA机器人关节机构
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低负载机器人关节机构
165Kg机器人关节机构
这种平衡技术的缺点是需要有动力源和储能器，因而系统 比较复杂，结构比较庞大，不像弹簧平衡或质量平衡那么简 单。而且设计时，如采用这种方案，需考虑在动力源一旦中 断时的防范措施，如手臂会因自重下滑等，以免发生事故。
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思考题：
1、机器人驱动器的类型及选择原则。 2、机器人的常用传动机构及其特点。 3、机器人手臂各关节结构设计的特点。 4、机器人二自由度与三自由度手腕的结构类型，请举例
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。
2
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。
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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
6
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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KUKA IR—662／100机器人手碗传动图
KUKA IR—662／100机器人手碗结构图
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示例：
6自由度关节型机器人—整体结构
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6自由度关节型机器人—腰部
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6自由度关节型机器人—大臂
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6自由度关节型机器人—小臂
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6自由度关节型机器人—第四关节YAW
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6自由度关节型机器人—第五关节PITCH
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2、大臂杆的平衡 目前常用的有弹簧和汽缸两种平衡方式。 重力项在驱动扭矩中占有很大比例，因此对它进行平衡的意 义很大。又因为重力项在运动中是随位置角的正弦或余弦变化 的，因此，应用弹簧平衡技术最为合适。弹簧结构简单，且无 需增加动力源，应用最为普遍。
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气动和液压力平衡的原理和弹簧力平衡的原理很相似，但 它们在两个方面有显著优点，即平衡缸中的压力是恒定的， 不随臂杆位置的变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得到 调节和控制，因此应用得十分广泛。
➢ 关节结构形式有：
1、同轴式配置—— 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
2
6
1
5 1— 腰支座；
2, 7 — RV减速器；
3, 6 — 驱动电机；
4 — 大臂；
同轴减速传动结构
5 — 曲柄；
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8 — 轴承。
偏置减速传动结构(PUMA)
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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Cincinnati Milacron T3 机器人腕部结构
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偏交型手腕
❖ 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。
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
对于液压驱动关节，多采用回转缸+齿轮传动机构【现在很少使用】。
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21
5
1 —电机；2 — RV减速器，3 —支架，4 —交叉滚子轴承；5 —电缆
同轴式腰关节〔电机上置)
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1—腰部固定立柱壳体； 3 —四点接触球轴承； 5—谐波减速器；
2 —腰部回转壳体； 4 —伺服电机组件；
同轴式腰关节 (电机下置)
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6自由度关节型机器人—第六关节ROLL
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2.4 机器人的手臂结构及平衡
2.4.1 臂杆的结构及材料
臂杆多为带有筋板或肋的壳体结构。有中间是多层圆筒形套 装梁结构，外形象一“哑铃”的组合结构；有箱形结构等。 就整体来说，比较复杂的箱体多用铸件。为了减轻整机的重 量，特别是为了降低大臂、小臂的关节力矩，大、小臂多用 轻合金【如铝合金】铸件。
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 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。
34 5
3
4 5 69 7 8
➢ 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
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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2.3.3 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
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。
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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。
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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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
说明。 5、机器人大臂的平衡方式。
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2.5 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：