机器人机械结构及其设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,2.1 机器人 机械设计 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、方 案 设计,（1）确 定动力源,（2）确定机型,（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质量,（7）绘制机构运动简图,机 器 人 机 械 结构设计,2,3、结构构设设计,包 括机机器人驱驱动系统统、传动动系统的的配置及及结构设设计，关关节及杆杆件的结结构设计计，平衡衡机构的的设计，走线及及电器接接口设计计等。,4、动特特性性 分析析,估算惯性性参数，建立系系统动力力学模型型进行仿仿真分析析，确定定其结构构固有频频率和响响应特性性。,5、施工工设设计,完成施工工图设计计，编制制相关技技术文件件。,3,2.2工工业业机器人人的驱动动与传动动系统结结构,在机器人人机械系系统中，驱动器器通过联联轴器带带动传动动装置(一般为为减速器器)，再再通过关关节轴带带动杆件件运动。,机器人一一般有两两种运动动关节转动关节节和移(直)动动关节。,为了进行行位置和和速度控控制，驱驱动系统统中还包包括位置置和速度度检测元元件。检检测元件件类型很很多，但但都要求求有合适适的精度度、连接接方式以以及有利利于控制制的输出出方式。对于伺伺服电机机驱动，检测元元件常与与电机直直接相联联；对于于液压驱驱动，则则常通过过联轴器器或销轴轴与被驱驱动的杆杆件相联联。,2.2.1驱动传动系统统的构成成,4,1码盘；,2测速机；,3电机；,4联轴器；,5传动装置置；,6转动关节节；,7杆,8电机；,9联轴器；,10螺旋副；,11移动关节节；,12电位器,(或光栅尺尺),5,1电动驱驱动器,电动驱动动器的能能源简单单，速度度变化范范围大，效率高高，速度度和位置置精度都都很高。但它们们多与减减速装置置相联，直接驱驱动比较较困难。,电动驱动动器又可可分为直直流(DC)、交流(AC)伺服电机机驱动和和步进电电机驱动动。,直流伺服服电机有有很多优优点，但但它的电电刷易磨磨损，且且易形成成火花。随着技技术的进进步，近近年来交交流伺服服电机正正逐渐取取代直流流伺服电电机而成成为机器器人的主主要驱动动器。,步进电机机驱动多多为开环环控制，控制简简单但功功率不大大，多用用于低精精度小功功率机器器人系统统。,2.2.2驱动器的的类型和和特点,6,7,2.液压驱动动器,液压驱动动的优点点是功率率大，可可省去减减速装置置而直接接与被驱驱动的杆杆件相连连，结构构紧凑，刚度好好，响应应快，伺伺服驱动动具有较较高的精精度。但但需要增增设液压压源，易易产生液液体泄漏漏，不适适合高、低温场场合，故故液压驱驱动目前前多用于于特大功功率的机机器人系系统。,8,3气动驱驱动器,气压驱动动的结构构简单，清洁，动作灵灵敏，具具有缓冲冲作用。但与液液压驱动动器相比比，功率率较小，刚度差差，噪音音大，速速度不易易控制，所以多多用于精精度不高高的点位位控制机机器人。,9,3其它驱驱动器,作为特殊殊的驱动动装置，有压电电晶体、形状记记忆合金金、,10,驱动器,的,的选择,应,应以作,业,业要求,、,、生产,环,环境为,先,先决条,件,件，以,价,价格高,低,低、技,术,术水平,为,为评价,标,标准。,一,一般说,来,来，目,前,前负荷,为,为100kg以下的,可优,先,先考虑,电,电动驱,动,动器；,只,只须点,位,位控制,且,且功率,较,较小者,，,，可采,用,用气动,驱,驱动器,；,；负荷,较,较大或,机,机器人,周,周围已,有,有液压,源,源的场,合,合，可,采,采用液,压,压驱动,器,器。,对于驱,动,动器来,说,说，最,重,重要的,是,是要求,起,起动力,矩,矩大，,调,调速范,围,围宽，,惯,惯量小,，,，尺寸,小,小，同,时,时还要,有,有性能,好,好的、,与,与之配,套,套的数,字,字控制,系,系统。,11,机器人,几,几乎使,用,用了目,前,前出现,的,的绝大,多,多数传,动,动机构,，,，其中,最,最常用,的,的为谐,波,波传动,、,、RV,摆,摆线针,轮,轮行星,传,传动和,滚,滚动螺,旋,旋传动,。,。,2.2.3机器人的的常用传传动机构构,机器人,传,传动机,构,构的基,本,本要求：,(1)结构紧,凑,凑，即,同,同比体,积,积最小,、,、重量,最,最轻；,(2)传动刚,度,度大，,即,即承受,扭,扭矩时,角,角度变,形,形要小,，,，以提高整,机,机的,固有频,率,率，降低整,机,机的低,频,频振动,；,；,(3)回差小,，,，即由,正,正转到,反,反转时,空,空行程,要,要小，,以,以得到,较,较高的,位,位,置控制,精,精度；,(4)寿命长,、,、价格,低,低。,12,13,14,谐波传动动工作原原理,谐波传动动是利用用一个构构件的可可控制的的弹性变变形来实实现机械械运动的的传递。谐波传传动通常常由三个个基本构构件(俗称三大大件)组成，包包括一个个有内齿齿的刚轮轮，一个个工作时时可产生生径向弹弹性变形形并带有有外齿的的柔轮和和一个装装在柔轮轮内部、呈椭圆圆形、外外圈带有有滚动轴轴承的波波发生器器。柔轮轮的外齿齿数少于刚轮轮的内齿齿数。在波发发生器转转动时，相应于于长轴方方向的柔柔轮外齿齿正好完完全啮入入刚轮的的内齿；在短轴轴方向，则外齿齿全脱开开内齿。当刚轮轮固定，波发生生器转动动时，柔柔轮的外外齿将依依次啮入入和啮出出刚轮的的内齿，柔轮齿齿圈上的的任一点点的径向向位移将将呈近似似于余弦弦波形的的变化，所以这这种传动动称作谐谐波传动动。,15,16,二、谐波波传动的的主要特特点,(1)传动比大大，单级级为50300，双级可可达2x106。,(2)传动平稳稳，承载载能力高高，传递递单位扭扭矩的体体积和重重量小。,在相同的的工作条条件下，体积可可减小20一50。,(3)齿面磨损损小而均均匀，传传动效率率高。当当结构合合理，润润滑良好好时，对对i=100的传动，效率可可达0.85。,(4)传动精度度高。在在制造精精度相同同的情况况下，谐谐波传动动的精度度可比普普通齿轮轮传动高高一级。若齿面面经过很很好的研研磨，则则谐波齿齿轮传动动的传动动精度要要比普通通齿轮传传动高4倍。,(5)回差小。精密谐谐波传动动的回差差一般可可小于3，甚至可可以实现现无回差差传动。,(6)可以通过过密封壁壁传递运运动。这这是其他他传动机机构难实实现的。,(7)谐波传动动不能获获得中间间输出，并且杯杯式柔轮轮刚度较较低。,17,RV摆线线针轮传传动,RV摆线线针轮传传动装置置，是由由一级行行星轮系系再串联联一级摆摆线针轮轮减速器器组合而而成的。,二、主要要特点,与谐波传传动相比比，RV摆线针轮轮传动除除了具有有相同的的速比大大、同轴轴线传动动、结构构紧凑、效率高高等待点点外，最最显著的的特点是是刚性好好，传动动刚度较较谐波传传动要大大26倍，但重重量却增增加了13倍。,该减速器器特别适适用于操操作机上上的第一一级旋转转关节(腰关节)，这时自自重是坐坐落在底底座上的的，充分发挥了高高刚度作作用，可可以大大大提高整整机的固固有频率率，降低低振动；在频繁繁加、减减速的运运动过程程中可以以提高响响应速度度并降低低能量消消耗。,18,19,滚动螺旋旋传动,滚动螺旋旋传动是是在具有有螺旋槽槽的丝杠杠与螺母母之间放放入适当当的滚珠珠。使丝丝杠与螺螺母之间间由滑动动摩擦变变为滚动动摩擦的的一种螺螺旋传动动，滚珠珠在工作作过程中中顺螺旋旋槽(滚滚道)滚滚动，故故必须设设置滚珠珠的返回回通道，才能循循环使用用。为了了消除回回差(空空回)，螺母分分成两段段，以垫垫片、双双螺母或或齿差调调整两段段螺母的的相对轴轴向位置置，从而而消除间间隙和施施加预紧紧力，使使得在有有额定抽抽间负荷荷时也能能使回差差为零。其中用用的最多多的是双双螺母式式，而齿齿差式最最为可靠靠。,1一齿轮轮；2一一返回装装置；,3一键；4一一滚珠；,5一丝杠杠；6一一螺母；,7支座座,20,滚动螺旋旋特点：,(1)摩摩擦小、效率高高。一般般情况下下，传动动的效率率在90以上上。,(2)动动、静摩摩擦系数数相差极极小，传传动平稳稳，灵敏敏度高。,(3)磨磨损小、寿命长长。,(4)可可以通过过预紧消消除轴向向间隙，提高轴轴向刚度度。,滚动螺旋旋传动不不能自锁锁，必须须有防止止逆转的的制动或或自锁机机构才能能安全地地用于有有自重下下降的场场合。最最怕落入入灰尘、铁屑、砂粒。通常，螺母两两端必须须密封，丝杠的的外露部部分必须须用“风风箱”套套或钢带带卷套加加以密封封。,21,另外，,对,对于齿,轮,轮传动,、,、蜗轮,传,传动和,齿,齿轮齿,条,条传动,，,，须特,别,别注意,消,消除间,隙,隙问题,，,，否则,回,回差很,大,大，达,不,不到应,有,有的转,角,角精度,要,要求。,对,对于链,传,传动、,齿,齿形带,传,传动、,钢,钢带传,动,动和钢,丝,丝绳传,动,动，必,须,须考虑,张,张紧问,题,题，否,则,则也会,产,产生很,大,大的回,差,差。,22,关节是操操作机各各杆件间间的结合合部分，有转动动和移动动两种类类型。工工业机器器人前三三关节通通常称作作腰关节节、肩关关节和肘肘关节，它们构构成了操操作机的的位置机机构。后后面关节节构成了了操作机机的姿态态机构，称作腕腕部。下下面分别别讨论这这些关节节的构造造和传动动配置。,一、腰关关节,腰关节既既承受很很大的轴轴向力、径向力力，又承承受倾翻翻力矩，且具有有较高的的运动精精度和刚刚度。多多采用高高刚性的的RV减减速器减减速，也也可采用用谐波传传动、摆摆线针轮轮或蜗杆杆减速器器。,2.3工业机器器人关节节的构造造及其传传动配置置,23,腰关节电机上上置),1 电电机；2 RV减减速器，3支架，6交叉滚滚子轴承承；5电缆缆,24,腰关节(电机机下置),1谐波波减速器器；2电机机；3四点点接触球球轴承,25,腰关节,1 电电机；2齿轮；3立柱；4结合螺螺栓,2,1,3,4,26,由上面,的,的图例,可,可以看,出,出，腰,关,关节的,构,构造主,要,要是两,种,种类型,：,：使用,交,交叉滚,子,子或四,点,点接触,式,式轴承,的,的同轴,式,式平行,轴,轴式。,前,前者结,构,构紧凑,，,，腰关,节,节高度,尺,尺寸小,(,(使用,特,特制抽,承,承的缘,故,故)，,但,但后面,关,关节的,各,各种电,缆,缆走线,比,比较困,难,难，大,多,多是在,固,固定的,中,中间柱,体,体外面,留,留有较,大,大的环,形,形空间,，,，使电,缆,缆以盘,旋,旋的形,式,式松松,地,地套在,中,中间柱,体,体上，,当,当腰支,架,架等机,体,体转动,时,时，电,缆,缆犹如,盘,盘旋弹,簧,簧般收,紧,紧或放,松,松。对,于,于平行,轴,轴式腰,关,关节，,电,电缆则,可,可方便,地,地通过,中,中空轴,，,，联接,于,于支座,的,的固定,接,接线板,上,上。,27,二、肩关关节和肘肘关节,对于开式式连杆结结构，肩肩关节位位于腰部部的支座座上，多多采用高高刚性的的RV减减速器减减速，也也可采用用谐波传传动或摆摆线针轮轮。,肘关节位位于大臂臂与小臂臂的联接接处。其其结构形形式有偏偏置式或或同轴式式配置，多采用用谐波传传动、摆摆线针轮轮、齿轮轮传动等等。,28,1 大大臂；,2 关关节1电电机；,3 小小臂定位位板；,4 小小臂；,5 气气动阀；,6 立立柱；,7 直直齿轮；,8 中中间齿轮轮；,9 机机座；,10主齿轮轮；,11管形连连接轴；,12手腕,29,30,同轴减速速传动结结构,31,同轴减速速传动结结构,1腰支支座；,2、7RV减速速器；,3、6驱动动电机；,4 大大臂；,5 曲曲柄；,8 轴轴承。,32,三、直动关节节,直动关节节