工业机器人机械系统设计

第五章工业机器人机械系统设计2222-2-工业机器人技术基础2016/10/31主要内容•5.1工业机器人总体设计•5.2传动部件设计•5.3臂部设计•5.4手腕设计•5.5手部设计•5.6机身及行走机构设计3333-3-工业机器人技术基础2016/10/315.1工业机器人总体设计•一、主体结构设计•工业机器人坐标形式有：•直角坐标式•圆柱坐标式•球面坐标式(极坐标式)•关节坐标式。4444-4-工业机器人技术基础2016/10/311.直角坐标式机器人•一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动(Z方向运动)，并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动(x和y方向运动)。•直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业。•直角坐标式机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。直角坐标机器人演示直角坐标机器人应用5555-5-工业机器人技术基础2016/10/31•直角坐标式机器人的优点是：•(1)结构简单。•(2)容易编程。•(3)采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高。•(4)在x，y和z三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些。6666-6-工业机器人技术基础2016/10/31•直角坐标式机器人主要缺点是：•(1)导轨面的防护比较困难。•(2)导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围。•(3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高。•(4)结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。•(5)移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。7777-7-工业机器人技术基础2016/10/31•起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标机器人中的比重正在增加。8888-8-工业机器人技术基础2016/10/312．圆柱坐标式机器人•圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。•手腕通常采用两（三）个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。9999-9-工业机器人技术基础2016/10/31•圆柱坐标式机器人的优点：•（1）除了简单的“抓一放”作业外还可以用在许多其它生产领域。•(2)结构紧凑。•(3)在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量，改善动力学载荷。10101010-10-工业机器人技术基础2016/10/31圆柱坐标式机器人的缺点：主要是由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。11111111-11-工业机器人技术基础2016/10/313．球面坐标式机器人•球面坐标式机器人具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂。•在这类机器人中最出名的一种产品是美国unimation公司的Unimation机器人，它的结构简图如图所示。•机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线(柱身)转动、水平轴线(关节6)的转动、手臂伸缩的移动关节2，其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。12121212-12-工业机器人技术基础2016/10/314．关节坐标式机器人•关节坐标式机器人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，手腕的三个自由度上的转动关节(俯仰，偏转和翻转)用来最后确定末端操作器的姿态。13131313-13-工业机器人技术基础2016/10/31•关节坐标式机器人的优点：•（1）结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小。•(2)具有很高的可达性。•(3)因为没有移动关节，所以不需要导轨。•(4)所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。14141414-14-工业机器人技术基础2016/10/31•关节坐标式机器人的缺点：•(1)肘关节和肩关节轴线是平行的，当大小臂舒展成直线时虽能抵达很远的工作点，但是机器人结构刚度比较低。•(2)机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。15151515-15-工业机器人技术基础2016/10/31二、传送方式的选择•传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。•基本的连接形式和驱动方式有如下几种：•（1）直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。•（2）远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。•（3）间接驱动。驱动源经一个速比远大于1的机械传动装置与关节相连。•（4）直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。16161616-16-工业机器人技术基础2016/10/31(a)直接连接传动，间接驱动(b)直接连接传动，直接驱动(c)远距离连接传动，间接驱动(d)远距离连接传动，直接驱动17171717-17-工业机器人技术基础2016/10/311．直接连接传动的特点•优点：驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。•缺点：电机比较重，腰转时大臂关节电机和小臂关节电机随之运动；大臂转动时小臂关节电机也随之运动。不仅增加了能量消耗，而且增大了转动惯量．从动力学观点来看对系统相有损害。•克服的办法：把肘关节电机、肩关节电机都放到机器人的基础部件上，通过远距离的机械传动把电机动力传给肘和肩关节。18181818-18-工业机器人技术基础2016/10/312．远距离连接传动•远距离连接传动机器人的主要优点：•(1)克服了直接连接传动的缺点。•(2)可以把电机作为一个平衡质量，获得平衡性良好的机器人主体结构。19191919-19-工业机器人技术基础2016/10/312．远距离连接传动•远距离连接传动机器人的主要缺点：•(1)远距离传动产生额外的间隙和柔性，影响机器人的精度。•(2)增加能量消耗。•（3）结构庞大，传动装置占据了机器人其它子系统所需要的空间。20202020-20-工业机器人技术基础2016/10/31•图所示SCARA机器人采用了一种折哀的方案：•因为手腕离机器人基础件最远，把手腕电机从手腕处移到基础件附近安装，中间采用同步带传动；•因基础件附近空间已经比较狭窄，并且臂1的刚性也比较好，肘关节电机就直接装在肘关节上。21212121-21-工业机器人技术基础2016/10/313．间接驱动机器人•间接驱动机器人是驱动电机和关节之间有一个速比远大于1的机械传动装置。•使用机械传动装置的理由是：•(1)工业机器人关节转轴的速度不高，而关节驱动力矩要求比较大。一般电机满足不了这个要求，所以需要采用速比较大、传动效率较高的机械传动装置作为电机和关节之间传递力矩和速度的中间环节。•(2)用于直接驱动的高转矩低速电机虽然已经开发出来，但是电机价格高，并且转矩／体积比和转矩／重量比还比较小。22222222-22-工业机器人技术基础2016/10/313．间接驱动机器人•(3)直接驱动对载荷变化十分敏感。•(4)采用机械传动装置后，可选用高速低转矩电机，对制动器设计和选用十分有利，制动器尺寸小。•(5)可以通过机械传动装置解决可能出现的倾斜轴之间、平行轴之间以及转动-移动之间的运动转换。23232323-23-工业机器人技术基础2016/10/314．直接驱动机器人•直接驱动机器人也叫作DD机器人(DirectDriveRobot)．简称DDR。•DD机器人一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接，也包括一种采用速比等于l的钢带传动的直接驱动机器人。•DD机器人的特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。24242424-24-工业机器人技术基础2016/10/31•DD机器人与间接驱动机器人相比如下优点：•(1)机械传动精度高。•(2)振动小，结构刚度好。•(3)机械传动损耗小。•(4)结构紧凑、可靠性高。•(5)电机峰值转矩大，电气时间常数小，短时间内可以产生很大转矩，响应速度快，调速范围宽。25252525-25-工业机器人技术基础2016/10/31•目前主要存在的问题是：•(1)载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动及控制影响显著，使控制系统设计困难和复杂。•(2)对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求。•(3)电机的转矩／重量比，转矩／体积比不大，需开发小型实用的DD电机。•(4)电机成本高。26262626-26-工业机器人技术基础2016/10/31三、模块化结构设计•1.模块化工业机器人•模块化机器人是由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统。•模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。模块化机器人演示27272727-27-工业机器人技术基础2016/10/312．模块化工业机器人的特点•(1)经济性：•采用批量制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。•(2)灵活性。•其主要体现在：•1)可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机器人的自由度可以方便地增减。•2)为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长长度的手臂模块或加接手臂模块。•3)能不断对现规模块化工业机器人更新改造。机器人演示28282828-28-工业机器人技术基础2016/10/313.模块化工业机器人所存在的问题•(1)模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。•(2)因为有许多机械接口及其它连接附件，所以模块化工业机器人的整体重量有可能增加。•(3)虽然功能模块有多种多样，但是尚未真正做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。29292929-29-工业机器人技术基础2016/10/31四、材料的选择•正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。30303030-30-工业机器人技术基础2016/10/31选择的基本要求：(1)强度高。(2)弹性模量大。(3)重量轻。(4)阻尼大。(5)材料价格低。31313131-31-工业机器人技术基础2016/10/31五.平衡系统设计•1．工业机器人平衡系统的作用•在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是：•(1)安全。•根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩项包括重力矩项，即各连杆质量对关节产生重力矩。•因为重力是永恒的，即使机器人停止了运动．重力矩项仍然存在。这样，当机器人完成作业切断电源后，机器人机构会因重力而失去稳定。•平衡系统是为了防止机器人因动力源中断而失稳，引起向地面“例塌”的趋势。32323232-32-工业机器人技术基础2016/10/31•1．工业机器人平衡系统的作用•(2)借助平衡系统能降低因机器人重力引起关节驱动力矩变化的峰值。•(3)借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。•(4)借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性。•(5)借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。•(6)借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。33333333-33-工业机器人技术基础2016/10/31•2．平衡系统设计的主要途径•（1）质量平衡技术；•（2）弹簧力平衡技术；•（3）可控力平衡技术。34343434-34-工业机器人技术基础2016/10/31•（1)质量平衡技术•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。35353535-35-工业机器人技术基础2016/10/31333mOGSVm0M332222323mSVmOBmOVmOGmOO2223232mOGmOOOVm36363636-36-工业机器人技术基础2016/10/315.2传动部件设计37373737-37-工业机器人技术基础2016/10/31•用户要求机器人速度高、加速度(减速度)特性好、运动平稳、精度高、承载能力大。这在很大程度上决定于传动部件设计的合理性和优劣，所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关