工业机器人总体设计

第二讲 工业机器人的总体设计 引言： 机器人总体设计的主要内容有：确定基本参数，选择运动方式，手臂配置形式，位置检测，驱动和控制方式等。然后是进行结构设计，同时，要对各部件的强度、刚度进行必要的验算。 一、系统分析1根据机器人的使用场合，明确所使用机器人的目的和任务。2分析机器人所在系统的工作环境，包括机器人与已有设备的兼容性。3分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。 具体来说，确定机器人的自由度数，信息的存储容量，计算机的功能水平，机器人的动作速度，定位精度，机器人容许的运动空间的大小，环境条件（如温度、是否存在振动），抓取工件的重量、外形尺寸的大小，生产批量等。 举例：鸡蛋分检包装系统中的机器人（1） 下面以鸡蛋分检包装系统为例，介绍机器人的系统分析方法。n明确机器人的目的和任务：n从传送带拾取一个鸡蛋；n把蛋置于强光下照射，测定蛋是否透光（有无胚胎生长）； n根据蛋有无胚胎，把蛋放入废品箱或包装箱内。 举例示图1：基本工作流程 举例：鸡蛋分检包装系统中的机器人（2）n分析机器人所在系统的工作环境：包括工作车间的平面布置，相互间的位置关系等。 举例示图2：机器人与环境的关系 举例：鸡蛋分检包装系统中的机器人（3）分析系统的工作要求：n循环时间3.0sn每次循环有三种不同的运动：n移动到传送带并拾取一只鸡蛋；n移动到照射位置；n把鸡蛋放入纸箱或废品区。n一个循环中需要三次暂停： n闭合手爪0.2s；完成照射0.05s；开启手爪放蛋0.2sn每只鸡蛋重量85g；手爪重量369gn位置分辨率最低为1.27mm 确定机器人的自由度及运动范围：n初步分析：机器人满足上面提出的条件，应该具备一个旋转运动和两个直线运动。n仔细分析：还应该有一个运动以对蛋进行定向排列。因为当受臂移动和转动时，鸡蛋的取向会发生改变。n确定技术参数为：n伸缩运动：45.761.0cm n腰部旋转： 90n腕部旋转：360 n腕部垂直移动：50.8cm 初步确定机器人的结构： 作业：根据鸡蛋传送分检系统的工作要求，设计一台满足动作要求的机器人模型（用几何模型图表示），并对你的设计结构予以分析。 二、技术设计 1机器人基本参数的确定（1）：n自由度的确定：在系统分析时已经确定了。 n臂力的确定： n对于专用机器人来说：是针对专门的工作对象来设计的，臂力主要根据被抓取物体的重量确定，取1.53.0的安全系数。n对于工业机器人来说：具有一定的通用性，臂力要根据被抓取物体的重量变化来确定。n工作范围的确定： 要根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定 1机器人基本参数的确定（2）：n运动速度的确定： 主要是根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而根据机械手各部位的运动行程确定其运动。n定位精度的确定： 机器人的定位精度是根据使用要求确定的。而要达到这样的精度取决于机器人的定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、缓冲方法等。 夹紧工件手臂升降伸缩运动回转运动工作节拍5分钟每一个动作都由5个关节协同完成综合分配每个关节的运动速度运动速度确定举例 2机器人运动形式的选择（1）：n根据机器人的运动参数确定其运动形式，然后才能确定其结构。常见的运动形式有以下几种： 2机器人运动形式的选择（2）：n直角坐标型：机器人的主体结构的关节都是移动关节。n特点：n结构简单，刚度高。n关节之间运动相互独立，没有耦合作用。 n占地面积大，导轨面防护比较困难。 2机器人运动形式的选择（3）：n圆柱坐标型：圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩。亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。n特点： n通用性较强；n结构紧凑；n机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。n受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。 2机器人运动形式的选择（4）：n球面坐标式（极坐标）： 机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。n特点： n工作范围较大；n占地面积小；n控制系统复杂 2机器人运动形式的选择（5）：n SCARA机器人：有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个是移动关节。这种结构轻便、响应快。n特点： n结构轻便，响应快；n适用于平面定位和在垂直方向进行作的场合。 2机器人运动形式的选择（6）：n关节式机器人：关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节。 n特点： n动作灵活，工作空间大；n关节运动部位密封性好；n运动学复杂，不便于控制。 3拟定检测传感系统框图： 图例：传感系统框图： 4确定控制系统总体方案，给出框图 图例：控制系统总体方案 5机械结构设计 三、机器人机械系统设计 1机器人的驱动方式： 机器人的驱动方式有电动、液压和气动三种方式。一台机器人可以只有一种驱动方式，也可以是几种方式的联合。n液压传动：具有较大的功率体积比，常用于大负载的场合。n气压传动：气动系统简单，成本低，适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合，常用于点位控制、抓取、弹性握持和真空吸附。 n电动：适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。 2关节驱动方式（1）： 分为直接驱动和间接驱动两种方式。 n直接驱动：直接驱动的机器人也叫DDR（Direct drive robot），一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接。其特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。这种驱动方式具有以下特点： A机械传动精度高； B振动小，结构刚性好； C结构紧凑，可靠性高； D电机的重量会增加转动负担。 关节直接驱动图例： 2关节驱动方式（2）：n间接驱动方式：大部分机器人是间接驱动方式。由于驱动器的输出转矩大大小于驱动关节所要求的转矩，所以必须使用减速器。n间接驱动特点：n可以获得一个比较大的力矩； n可以减轻关节的负担；n可以把电机作为一个平衡质量；n增加了传动误差；n结构庞大。 间接驱动方式图例（1）： 间接驱动方式图例（2）： 间接驱动方式图例（3）： 3材料的选择： 选择机器人本体的材料，应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制造要求。如：n机器人的臂和机器人整体是运动的，则要求采用轻质材料。n精密机器人，则要求材料具有较好的刚性。 n还要考虑材料的可加工性等。n机器人常用的材料有：碳素结构钢、铝合金、硼纤维增强合金、陶瓷等。 4平衡系统的设计 的设计是机器人设计中一个不可忽视的问题。平衡系统具有以下作用：n安全：防止机器人在切断电源后因重力而失去稳定。 n借助平衡系统能降低机器人的构形变化。n借助平衡系统能降低因机器人运动，导致惯性力矩引起关节驱动力矩峰值的变化。 n借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。 平衡系统图例 5平衡系统的工作原理n通常采用平行四边形机构构成平衡系统。其原理是在系统中增加一个质量，与原构件的质量形成一个力的平衡，该平衡系统不随机器人位姿的变化而失去平衡。 图例：平行四边形平衡系统： 3332222 33 GOmGOmVmO BOmmSV 横向力的平衡：纵向力的平衡： 5模块化结构设计： 将每一自由度的轴作为一个单独模块，并由独立的单片机控制，然后用户可根据自己的需要进行多轴组装。这种结构设计具有经济和灵活的特点。 图例：模块化设计 作业：n机器人关节的直接驱动和间接驱动各有何特点？