第二章总体设计

第二章总体设计-4-第二章总体设计2．1工业机器人的主要技术参数设计机器人，首先要确定机器人的主要技术参数，然后由机器人的技术参数来选择机器人的机械结构，坐标形式和传动装置。1.自由度自由度是描述物体运动所需的独立坐标数。机器人的自由度表示机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动，摆动或旋转动作的数目来表示，手部的动作不包括在内。机器人的自由度越高，就越能接近忍受的动作机能，通用性就越好；但是，自由度越多结构越复杂。2.工作空间机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有工作区域。3.工作速度工作速度是指机器人在工作载荷条件下，语速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内移动的距离或转动的角度。4.工作载荷机器人在规定的性能范围内，机械接口所能承受的再打负载量。用质量，力矩，惯性矩来表示。5.控制方式机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是连续轨迹还是点到点的运动。6.驱动方式驱动方式是指关节执行器的动力源形式。7.精度，重复精度和分辨率精度，重复精度和分辨率是用来定义机器人手部的定位能力。精度是一个位置量相对于其参照量系的绝对度量，指机器人首部实际到达位置与所需到达的理想位置之间的差距。机器人的精度决定于机械精度和电气精度。第二章总体设计-5-重复精度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。分辨率是指机器人每根轴所能实现的最小移动距离或最小转动角度。2.2机械部分2.2.1机械结构的组成由于应用场合的不同，工业机器人结构形式有多种多样，各组成部分的驱动方式、传动原理和机械结构也由各种不同的类型。通常根据机器人各部分的功能，其机械部分主要由下列各部分组成。1.手部工业机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也为手抓或末端操作器。2.手腕联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间位置，满足极其所有的作业空间，并将各种载荷传递到机座。3.臂部联接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置，满足工业机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座。4.机身工业机器人的基础部分，起支承作用。机身承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机身应有足够的强度、刚度和承载能力，另外机身还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定行。对固定式机器人，直接联接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上。2.2.2机器人机构的运动1.手臂的运动（1）垂直移动指机器人手臂的上下移动。这种运动通常采用液压缸机构或其他垂直升降机构来完成，也可以通过调整整个机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。第二章总体设计-6-（2）径向移动是指手臂的伸缩运动。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化。在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面。（3）来回运动指机器人绕铅垂轴的转动。这种运动决定了机器人的手臂所能达到的角位置。2.手腕的运动（1）手腕旋转手腕绕小臂轴线的转动。有些机器人限制其手腕转动角度小于360°。另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，手腕可以转几圈。（2）手腕弯曲指手腕的上下摆动，这种运动也称为俯仰。（3）手腕侧摆指机器人手腕的水平摆动。手腕的旋转和俯仰两种运动结合起来可以构成侧摆运动，通常机器人的侧摆运动有一个单独的关节提供。2.2.3机身和臂部机构1．机身结构机身是直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动形式、使用条件、负荷能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异。一般情况下，实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它们的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。常用的机身结构有：1）升降回转型机身结构；2）俯仰型机身结构；3）直移型机身结构；4）类人机器人机身结构升降回转型机器人的机身主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。机身的回转运动可采用：1）回转轴液压（气）缸驱动；2）直线液压（气）缸驱动第二章总体设计-7-的传动链；3）涡轮蜗杆机械传动等。机身的升降运动可以采用：1）直线缸驱动；2）丝杆-螺母机构驱动；3）直线缸驱动的连杆式升降台俯仰型机器人的机身主要由实现手臂左右回转和上下俯仰运动的部件组成，它用手臂的俯仰运动部件代替手臂的升降运动部件。俯仰运动大多采用摆式直线缸驱动。直线型机器人多为悬挂式的，其机身实际上就是悬挂手臂的横梁。为使手臂能沿横梁平移，除了要有驱动和传动机构外，导轨是一个重要的构件。类人机器人的机身上除装有驱动臂部的运动装置外，还应装有驱动腿部运动的装置和腰部关节。靠腿部和腰部的屈伸运动来实现升降，腰部关节实现左右和前后的俯仰和人身轴线方向的回转运动。2．臂部结构手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支承腕部和手部，并带动他们在空间运动。机器人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、定向定位装置、支承连接和为止检测元件等。此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支承等有关的构件、配管配线等。根据臂部的未动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同，可分为：1）伸缩型臂部结构；2）转动伸缩型臂部结构；3）屈伸型臂部结构；4）其他专用的机械传动臂部结构。伸缩型臂部机构可由液压（气）缸驱动或直线电动机驱动；转动伸缩型臂部结果除了臂部做伸缩运动，还绕自身轴线转动，以使手部获得旋转运动。转动可用液压（气）缸驱动或机械传动。3.机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式基本上反应了机器人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。目前常用的有如下几种形式：（1）横梁式机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小，能有效的利用空间，直观等优点。横梁可设计成固定的后行走的，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面架设。第二章总体设计-8-横梁上配置多个悬身臂为多臂悬挂式，适用于刚性联接的自动生产线，用于工位间传送工件。（2）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，是一种常见的配置形式。一般臂部都可以在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。立柱可固定安装在空地上，也可以固定在床身上。立柱式结构简单，服务于某种主机，承担上、下料或转动等工作。臂的配置形式可分为单臂配置和双臂配置。单臂配置是在固定的立柱上配置单个臂，一般臂部可水平、垂直或倾斜安装于立柱顶端。立柱式双臂配置的机器人多用于一只手实现上料，另一只手承担下料。双臂对称布置，较平稳。两个悬挂臂的伸缩运动采用分别驱动方式，用来完成较大行程的提升与转位工作。（3）机座式机身设计成机座式，这种机器人可以是独立的、自成系统的完整装置，可随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。各种运动形式均可设计成机座式。（4）屈伸式屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，简称屈伸臂。屈伸臂与机身间的配置形式关系到机器人的运动轨迹，可实现平面运动，也可以作空间运动。2.2.4手腕机构手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：1）臂转绕小臂轴线方向的旋转。2）手转使手部绕自身的轴线方向旋转。3）腕摆使手部相对于手臂进行摆动。第二章总体设计-9-手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式。腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去。运动传入腕部后再分别实现各个动作。机器人手腕具体结构可参考一些文献和设计手册。一般来说，在用机器人进行精密转配作业中，当被装配零件的不一致、工件的定位夹具、机器人的定位精度不能满足装配要求时，会导致装配困难。这就提出了装配动作的柔软性要求。柔软装配技术有两种，一种是从检测、控制的角度，采用各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。如在手爪上装有如视觉传感器、力传感器等检测元件，这种柔软装配称为主动柔顺装配。主动柔顺装配。主动柔顺手腕需装配一定功能的传感器，价格昂贵；另外，由于反馈控制响应能力的限制，装配速度较慢。另一种是从机械结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。这种柔顺装配技术称为“被动柔顺装配”（即RCC）。被动柔顺手腕结构比较简单，价格比较便宜，装配速度较快。相比主动柔顺装配技术，它要求装配件要有倾角，允许的校正补偿量受到倾角的限制，轴空间隙不能太小。2.2.5手部机构机器人的手部是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。目前，前者应用较多，也比较成熟。工业机器人的手部是用来握持工件或工具的部件。由于握持工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部结构是多种多样的。大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的。各种手部的工作原理不同，故其结构形态各异。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类。1．夹持类夹持类手部除常用的夹钳式外，还有托勾式和弹簧式。此类手部按其手指夹持工件时的运动方式不同，又可以分为手指回转型和指面平移型。（1）夹钳式夹钳式是工业机器人最常用的一种手部形式，一般夹钳式手部有以下几个部分组成：1）手指第二章总体设计-10-它是直接与工件接触的构件。手部松开和夹紧工件就是通过手指的张开和闭合来实现的。一般情况下，机器人的手部只有两个手指，少数有三个或多个手指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。a）指端的形状指端是手指上直接与工件接触的部位，它的结构形状取决于工件的形状。类型有V形指、平面指、尖指或薄、长指和特形指。V形指适用于夹持圆柱形工件，特点是夹紧平稳可靠，夹持误差小。平面指一般用于夹持方形工件（具有两个平行表面）、板形或细小的棒料。尖指一般用于夹持小型或柔性工件；薄指用于夹持位于狭窄工作场地的细小工件，以避免和周围障碍物相碰；长指可用于夹持炽热的工件，以避免热辐射对手部传动机构的影响。对于形状不规则的工件，必须设计出与工件形状相适应的专用特形指，才能夹持工件。b）指面形式根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面和柔性指面三种形式。光滑指面，其指面平整光滑，用来夹持已加工表面，避免已加工的光滑表面损伤。齿型指面，其指面刻有齿纹，可增加与被夹持工件间的摩擦力，以确保夹紧可靠，多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。柔性指面，其指面镶衬橡胶、泡沫、石棉等物，有增加摩擦力、保护工件表面、隔热等作用。一般用来夹持已加工表面、炽热件，也适用于夹持薄壁件和脆性工件。c）手指的材料手指材料选用恰当与否，对机器人的使用效果有很大影响。对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金；高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下工作的手指，可镀铬或进行陶瓷处理，也可以选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。2）传动机构它是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开运动的机构。该机构根据手指开合的动作特点第二章总体设计-11-a）回转型传动机构夹钳式手部中较多的是回转型手部，其手指是一队（或几对）杠杆，在同斜碶、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构，来改变传力比、传动比及运动方向。b）平移型传动机构平一想夹钳式手部是通过手指的指面做直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如箱体等）。其结构较复杂，不如回转型应用广泛。平移型传动机构据其结构，大致可分为平面平行移动机构和直线往复移动机