机器人的机械结构讲义课件

第三讲第三讲 机器人的机械结构机器人的机械结构 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数 机身和臂部机构机身和臂部机构 驱动机构驱动机构机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）第一节第一节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数n自由度自由度 操作机的自由度多，机构运动的灵活性大，通用操作机的自由度多，机构运动的灵活性大，通用性强，但机构的结构也更复杂，刚性变差。机构的自性强，但机构的结构也更复杂，刚性变差。机构的自由度多于为完成生产任务所必需的自由度时，多余的由度多于为完成生产任务所必需的自由度时，多余的自由度称为冗余自由度。设置冗余自由度使操作机具自由度称为冗余自由度。设置冗余自由度使操作机具有一定的避障能力，在进行运动逆解时，使各关节的有一定的避障能力，在进行运动逆解时，使各关节的运动具有优选的条件。工业机器人一般多为运动具有优选的条件。工业机器人一般多为46个自个自由度。由度。第一节第一节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数n工作空间工作空间 机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安置机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安置点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。达到的区域。工作空间的形状取决于机器人的构型，工作空工作空间的形状取决于机器人的构型，工作空间的大小取决于组成机器人各部件的自身尺寸和运间的大小取决于组成机器人各部件的自身尺寸和运动尺寸。动尺寸。第一节第一节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数n工作速度工作速度 工作速度是指机器人在工作载荷条件下，匀速运工作速度是指机器人在工作载荷条件下，匀速运动过程，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所动过程，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。移动的距离或转动的角度。n工作载荷工作载荷 机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。用质量、力矩、惯性矩的最大负载量（包括手部）。用质量、力矩、惯性矩来表示。来表示。第一节第一节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数n控制方式控制方式 机器人用于控制轴的方式，使伺服还是非伺服，机器人用于控制轴的方式，使伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。n驱动方式驱动方式 指的是关节执行器的动力源形式：电气驱动、液指的是关节执行器的动力源形式：电气驱动、液压驱动、气压驱动、其它驱动形式。压驱动、气压驱动、其它驱动形式。第一节第一节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数精度、重复精度和分辨率精度、重复精度和分辨率 精度、重复精度、和分辨率用来定义机器人手部精度、重复精度、和分辨率用来定义机器人手部的定位能力。的定位能力。n精度精度 是一个位置量相对于其参照系的绝对度量。是一个位置量相对于其参照系的绝对度量。n重复精度重复精度 指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。运动轨迹之间的误差度量。任务任务机床上下机床上下料料冲床上下料冲床上下料点焊点焊模锻模锻喷漆喷漆装配装配测量测量弧焊弧焊重复重复性性（0.051)110.123(0.010.5)(0.010.5)(0.20.5)第一节第一节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数n分辨率分辨率 是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。精度和分辨率不一定相关。度。精度和分辨率不一定相关。反馈尺反馈尺实实 际际 位位 置置重复重复精度精度精度精度分辨率分辨率TBRU给定位置给定位置 分辨率、精度、重复精度的关系分辨率、精度、重复精度的关系 第二节第二节 机身和臂部机构机身和臂部机构机身机身n起连接、支承和传起连接、支承和传动的作用动的作用n既可以是固定式的，既可以是固定式的，也可以是行走式的也可以是行走式的臂部臂部n支承腕部和手部，并带动它们支承腕部和手部，并带动它们在空间运动在空间运动n在工作中直接承受腕、手和工在工作中直接承受腕、手和工件的静、动载荷，自身运动又件的静、动载荷，自身运动又较多，故受力复杂。较多，故受力复杂。一、机身和臂部的作用一、机身和臂部的作用机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）二、机身的典型结构二、机身的典型结构n采用哪种自由度形式由机器人的总体设计来定采用哪种自由度形式由机器人的总体设计来定直角坐标型直角坐标型机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）控制简单；控制简单；刚性最大（龙门式）；刚性最大（龙门式）；容易达到高精度；容易达到高精度；操作范围小；操作范围小；占地面积大；占地面积大；运动速度低；运动速度低；密封性差；密封性差；二、机身的典型结构圆柱坐标型圆柱坐标型机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）工作范围可以扩大；工作范围可以扩大；计算简单；计算简单；动力输出较大；动力输出较大；手臂可达空间受到限制；手臂可达空间受到限制；直线驱动部分难以密封；直线驱动部分难以密封；安全性差；安全性差；二、机身的典型结构球坐标式球坐标式机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）中心支架附近的工作范围大；中心支架附近的工作范围大；工作空间大；工作空间大；坐标系复杂，难以控制；坐标系复杂，难以控制；存在工作死区；存在工作死区；密封性较差；密封性较差；二、机身的典型结构平面多关节型平面多关节型机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）垂直方向上刚度高；垂直方向上刚度高；水平面内动作灵活；水平面内动作灵活；适于孔轴装配工作；适于孔轴装配工作；二、机身的典型结构垂直多关节型垂直多关节型机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）动作灵活；动作灵活；工作空间大；工作空间大；易密封；易密封；工作条件要求低；工作条件要求低；适合用电机驱动；适合用电机驱动；计算量大；计算量大；输出动力不大；输出动力不大；机身的典型结构n回转与升降机身回转与升降机身n回转与俯仰机身回转与俯仰机身机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）齿条活塞油缸驱动的回转型机身齿条活塞油缸驱动的回转型机身升降回转台升降回转台升降缸体升降缸体活塞活塞活塞杆活塞杆固定导套固定导套齿轮套筒齿轮套筒齿条缸齿条缸固定立柱固定立柱齿条活塞油缸驱动的回转型机身齿条活塞油缸驱动的回转型机身1、活塞、活塞2、花键套、花键套3、花键轴、花键轴4、升降油缸、升降油缸5、摆动油缸、摆动油缸6、摆动缸定片、摆动缸定片7、摆动缸动片、摆动缸动片链条链轮型回转机身链条链轮型回转机身回转与俯仰机身回转与俯仰机身采用尾部耳环或中部采用尾部耳环或中部销轴与立柱连接销轴与立柱连接铰链连接铰链连接三、臂部的典型机构n臂部伸缩机构臂部伸缩机构n臂部俯仰运动机构臂部俯仰运动机构n手臂回转与升降机构手臂回转与升降机构 手臂回转与升降机构通常是通过臂部相对手臂回转与升降机构通常是通过臂部相对于立柱的运动机构来实现。常采用回转缸与升于立柱的运动机构来实现。常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于小于360的情况，也有采用升降缸与气马达的情况，也有采用升降缸与气马达锥齿轮传动的结构。锥齿轮传动的结构。机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）四、机身与臂部的配置形式四、机身与臂部的配置形式（1.）横梁式）横梁式机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人大都为机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人大都为移动式。移动式。（2.）立柱式）立柱式立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式，立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式，是一种常见的配置形式。是一种常见的配置形式。（3.）机座式）机座式机身设计成机座式，这种机器人可以使独立的、自成系统，机身设计成机座式，这种机器人可以使独立的、自成系统，的完整装置，可以随意安放和搬动。的完整装置，可以随意安放和搬动。（4.）屈伸式）屈伸式屈伸式机器人的臂部可以有大小臂组成，大小臂间有相对屈伸式机器人的臂部可以有大小臂组成，大小臂间有相对运动，成为屈伸臂。运动，成为屈伸臂。五、机身和臂部设计应注意的问题五、机身和臂部设计应注意的问题n根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 采用封闭型空心截面的结构作为臂杆采用封闭型空心截面的结构作为臂杆 适当减小壁厚，加大轮廓尺寸适当减小壁厚，加大轮廓尺寸n提高支承刚度和接触刚度提高支承刚度和接触刚度 支座的结构形状、底板的连接形式支座的结构形状、底板的连接形式 提高配合面间的接触刚度，即保证配合表面的加工提高配合面间的接触刚度，即保证配合表面的加工精度和表面粗糙度精度和表面粗糙度n合理布置作用力的位置和方向合理布置作用力的位置和方向刚度刚度机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）四、机身和臂部设计应注意的问题四、机身和臂部设计应注意的问题精度精度(手部位置精度手部位置精度)刚度刚度各运动部件的制造和装配精度各运动部件的制造和装配精度臂部和机身运动的导向装置和定位方式臂部和机身运动的导向装置和定位方式手部或腕部在臂上的定位和连接方式手部或腕部在臂上的定位和连接方式四、机身和臂部设计应注意的问题四、机身和臂部设计应注意的问题平稳性平稳性臂部和机身的运动部件应力求紧凑、质量臂部和机身的运动部件应力求紧凑、质量 轻，以减少惯性力。轻，以减少惯性力。铝合金或非金属材料铝合金或非金属材料必须注意运动部件各部分的质量对转轴或必须注意运动部件各部分的质量对转轴或支承的分布情况，即重心的布置。支承的分布情况，即重心的布置。四、机身和臂部设计应注意的问题四、机身和臂部设计应注意的问题其他其他传动系统应力求简短，以提高传动精度和效率。传动系统应力求简短，以提高传动精度和效率。各驱动装置、传动件、管线系统及各个运动各驱动装置、传动件、管线系统及各个运动的测、控元件等布置要合理紧凑，操作维护要的测、控元件等布置要合理紧凑，操作维护要方便。方便。对于在特殊条件下工作的机器人，设计时要对于在特殊条件下工作的机器人，设计时要有针对性地采取措施：有针对性地采取措施：防热辐射、防腐、防尘、防热辐射、防腐、防尘、防爆防爆腰部机构的设计注意事项腰部机构的设计注意事项n机械手的腰部包括机座和腰关节，机座承受机器人全机械手的腰部包括机座和腰关节，机座承受机器人全部重量，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢部重量，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢制造，制造，n机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定，并满足驱机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定，并满足驱动装置及电缆的安装。动装置及电缆的安装。n腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器运动精度腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器运动精度影响最大，故设计精度要求高。影响最大，故设计精度要求高。腰部机构的设计注意事项腰部机构的设计注意事项n腰关节的轴可采用腰关节的轴可采用普通轴承普通轴承的支承结构，其优点是结构的支承结构，其优点是结构简单、安装调整方便，但腰简单、安装调整方便，但腰部高度较高。部高度较高。n现在大多数机器人的腰关节现在大多数机器人的腰关节均采用均采用大直径交叉滚子轴承大直径交叉滚子轴承支承支承的结构，既可使机座高的结构，既可使机座高度大大降低，又具有更好的度大大降低，又具有更好的支承刚度。支承刚度。臂部机构的设计注意事项臂部机构的设计注意事项n臂部的作用是连结腰部和腕部，实现操作机在空间中臂部的作用是连结腰部和腕部，实现操作机在空间中的运动。的运动。n手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求，由于手臂的手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求，由于手臂的刚度、强度直接影响机器人的整体运动刚度，同时又刚度、强度直接影响机器人的整体运动刚度，同时又要灵活运动，故应尽可能选用高强度轻质材料，减轻要灵活运动，故应尽可能选用高强度轻质材料，减轻其重量。其重量。n在臂体设计中，也应尽量设计成封闭形和局部带加强在臂体设计中，也应尽量设计成封闭形和局部带加强肋的结构，以增加刚度和强度。肋的结构，以增加刚度和强度。1大锥齿轮大锥齿轮2小锥齿轮小锥齿轮3大臂大臂4小臂电动机小臂电动机5驱动轴驱动轴6偏心套偏心套7小齿轮小齿轮8大齿轮大齿轮9偏心套偏心套10小臂小臂第三节第三节 驱动机构驱动机构n直线驱动机构直线驱动机构齿轮齿条装置齿轮齿条装置效率低效率低回差大回差大有噪声有噪声滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副滚动摩擦滚动摩擦,传动效率高传动效率高无低速爬行现象无低速爬行现象双螺母预紧双螺母预紧,消除回差消除回差液压驱动液压驱动运动速度运动速度驱动力驱动力运动方向运动方向进油方向进油方向进油压力进油压力进油流量进油流量容易自动控制容易自动控制精度高精度高(液体的不可压缩性液体的不可压缩性)寿命长寿命长(液体的润滑功能液体的润滑功能)功率大功率大油渗漏油渗漏液压油黏度随温度而变化液压油黏度随温度而变化需要供油系统需要供油系统高温易爆高温易爆气压驱动气压驱动压缩空气粘度小，速度高压缩空气粘度小，速度高压缩空气的压力低，出力小，功率小压缩空气的压力低，出力小，功率小由于空气可压缩性，工作不平稳，精度低由于空气可压缩性，工作不平稳，精度低防水问题防水问题(生锈导致机器人失灵生锈导致机器人失灵)机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）第三节第三节 驱动机构驱动机构步进电机或伺服电机步进电机或伺服电机传动机构传动机构负载负载(关节关节)降低转速降低转速提高转矩提高转矩机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）第三节第三节 驱动机构驱动机构n旋转驱动机构旋转驱动机构齿轮链齿轮链降低了转动惯量降低了转动惯量,但同时带来了噪声但同时带来了噪声第三节第三节 驱动机构驱动机构同步皮带同步皮带(齿形带齿形带)2,3（聚氨酯）（聚氨酯）1（钢丝绳或玻璃纤维绳）（钢丝绳或玻璃纤维绳）结构简单结构简单,制造成本低制造成本低传动不打滑传动不打滑传动效率高传动效率高(99.5%)最高线速度最高线速度(80/s)第三节第三节 驱动机构驱动机构同时有多个齿啮合同时有多个齿啮合,刚度高刚度高传动精度高传动精度高,回差小回差小齿轮减速比较大齿轮减速比较大谐波齿轮谐波齿轮第三节 驱动机构n直线驱动和旋转驱动的选用和制动直线驱动和旋转驱动的选用和制动 多选用旋转关节，由步进电机或伺服电机驱动多选用旋转关节，由步进电机或伺服电机驱动各关节处要安装制动器各关节处要安装制动器在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变；在在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。生碰撞。机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）第五节第五节 腕部机构腕部机构n腕部是臂部与手部的连接部件，起支承腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部手部和改变手部姿态姿态的作用为了使手的作用为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴现对空间三个坐标轴x、y、z的转动，的转动，即具有偏转（即具有偏转（Yaw）、俯仰（）、俯仰（Pitch）和回转（和回转（Roll）三个自由度。）三个自由度。机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）第五节第五节 腕部结构腕部结构n手腕按自由度个数可分单自由度手腕，二自由度手腕手腕按自由度个数可分单自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕采用几个自由度的手腕应根据机器和三自由度手腕采用几个自由度的手腕应根据机器人的工作性能来确定。在有些情况下，腕部具有二个人的工作性能来确定。在有些情况下，腕部具有二个自由度：回转和俯仰或回转和偏转。一些专用机械手自由度：回转和俯仰或回转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要求还有横向移甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要求还有横向移动的自由度。动的自由度。n结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用分离传动。结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用分离传动。腕部的典型结构腕部的典型结构单自由度回转手腕单自由度回转手腕回转缸回转缸手部手部定片定片腕回转轴腕回转轴动片动片机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一）两两自自由由度度手手腕腕三三自自由由度度手手腕腕Kawasaki Robot