1、1 2.1 机器人机械设计的步骤机器人机械设计的步骤1、作业分析、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。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、方案设计 （1）确定动力源）确定动力源 （2）确定机型）确定机型 （3）确定自由度）确定自由度 （4）确定动力容量和传动方式）确定动力容量和传动方式 （5）优化运动参数和结构参数）优化运动参数和结构参数 （6）确定平衡方式和平衡质量）确定平衡方式和平衡质量 （7）绘制机构运动简图）绘制机构运动简图 & 第二章第二章 机器
2、人的机械结构与设计机器人的机械结构与设计23、结构设计、结构设计 包括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计，包括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计，关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口设计等。口设计等。4、动特性分析、动特性分析 估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真分析，估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真分析，确定其结构固有频率和响应特性。确定其结构固有频率和响应特性。5、施工设计、施工设计 完成施工图设计，编制相关技术文件。完成施工图设计，编制相关技术文件。3 2.2 工业机器人的驱动与传动系统结构工业机器
3、人的驱动与传动系统结构 在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装置置( (一般为减速器一般为减速器) )，再通过关节轴带动杆件运动。，再通过关节轴带动杆件运动。 机器人一般有两种运动关节机器人一般有两种运动关节转动关节和移转动关节和移( (直直) )动动关节。关节。 为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机度、连接方式以及有利于控制的输出方式。
4、对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。 2.2.1 2.2.1 驱动驱动传动系统的构成传动系统的构成41码盘；码盘；2 测速机；测速机；3 电机；电机；4 联轴器；联轴器；5 传动装置；传动装置；6 转动关节；转动关节；7 杆杆 8 电机；电机； 9 联轴器；联轴器；10 螺旋副；螺旋副；11 移动关节；移动关节；12 电位器电位器 (或光栅尺或光栅尺) 51 1电动驱动器电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速电动驱动器的能源简
5、单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。动比较困难。 电动驱动器又可分为直流电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服电机伺服电机驱动和步进电机驱动。驱动和步进电机驱动。 直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。 步进电机驱动多为开环控制，控制简单
6、但功率不大，步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。多用于低精度小功率机器人系统。2.2.2 2.2.2 驱动器的类型和特点驱动器的类型和特点672. 液压驱动器液压驱动器 液压驱动的优点是功率大，可省去减速液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。目
7、前多用于特大功率的机器人系统。 83气动驱动器气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。 9 3其它驱动器其它驱动器 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、10 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准
8、。一般说来，目前负以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为荷为100 kg以下的以下的, ,可优先考虑电动驱动器；只须点位控可优先考虑电动驱动器；只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。 对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。配套的数字控制系统。11 机器人几乎使用了
9、目前出现的绝大多数传动机构，其中机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中最常用的为谐波传动、最常用的为谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。动。2.2.3 2.2.3 机器人的常用传动机构机器人的常用传动机构 机器人传动机构的基本要求机器人传动机构的基本要求：(1) 结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；(2) 传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的提高整机的 固有频率，固有频率，降低整机的低频振动；降低整机的低频振动；(3) 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以
10、得到较高的位回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位 置控制精度；置控制精度；(4) 寿命长、价格低。寿命长、价格低。 121314谐波传动工作原理谐波传动工作原理 谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。谐波传动通常由三个基本构件械运动的传递。谐波传动通常由三个基本构件(俗称三大俗称三大件件)组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有滚动轴承的波发生器
11、。柔轮的外齿圆形、外圈带有滚动轴承的波发生器。柔轮的外齿数数少于少于刚轮的内齿刚轮的内齿数数。在波发生器转动时，相应于长轴方向的柔。在波发生器转动时，相应于长轴方向的柔轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿；在短轴方向，则外齿全轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿；在短轴方向，则外齿全脱开内齿。当刚轮固定，波发生器转动时，柔轮的外齿将脱开内齿。当刚轮固定，波发生器转动时，柔轮的外齿将依次啮入和啮出刚轮的内齿，柔轮齿圈上的任一点的径向依次啮入和啮出刚轮的内齿，柔轮齿圈上的任一点的径向位移将呈近似于余弦波形的变化，所以这种传动称作谐波位移将呈近似于余弦波形的变化，所以这种传动称作谐波传动。传动。1516 二、谐波传
12、动的主要特点二、谐波传动的主要特点(1) 传动比大，单级为传动比大，单级为50300，双级可达，双级可达2 2x106。(2)传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。 在相同的工作条件下，体积可减小在相同的工作条件下，体积可减小20一一50。(3)齿面磨损小而均匀，传动效率高。当结构合理，润滑良好齿面磨损小而均匀，传动效率高。当结构合理，润滑良好时，对时，对i = =100的传动，效率可达的传动，效率可达0.85。(4)传动精度高。在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度传动精度高。在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度可比普通齿轮传动
13、高一级。若齿面经过很好的研磨，则谐波齿可比普通齿轮传动高一级。若齿面经过很好的研磨，则谐波齿轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍。倍。(5)回差小。精密谐波传动的回差一般可小于回差小。精密谐波传动的回差一般可小于3，甚至可以实，甚至可以实现无回差传动。现无回差传动。(6)可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。(7)谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。17RV摆线针轮传动摆线针轮传动RV摆线针轮传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆摆线针轮
14、传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的。线针轮减速器组合而成的。二、主要特点二、主要特点与谐波传动相比，与谐波传动相比，RV摆线针轮传动除了具有相同的速比摆线针轮传动除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大26倍，但重量却增倍，但重量却增加了加了13倍。倍。该减速器特别适用于操作机上的第一级旋转关节该减速器特别适用于操作机上的第一级旋转关节(腰关节腰关节)，这时自重是坐落在底座上的，充这时自重是坐落在底座上的，充分分发挥了高
15、刚度作用，可以发挥了高刚度作用，可以大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。 1819滚动螺旋传动滚动螺旋传动滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚珠。使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋滚珠。使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动，滚珠在工作过程中顺螺旋槽传动，滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道滚道)滚动，故必须设置滚滚动，故必须设置滚珠的返回通道，才能循环使用
16、。为了消除回差珠的返回通道，才能循环使用。为了消除回差(空回空回)，螺母分，螺母分成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置，成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使得在有额定抽间负荷时也能使从而消除间隙和施加预紧力，使得在有额定抽间负荷时也能使回差为零。其中用的最多的是双螺母式，而齿差式最为可靠。回差为零。其中用的最多的是双螺母式，而齿差式最为可靠。1一齿轮；一齿轮；2一返回装置；一返回装置；3一键；一键； 4一滚珠；一滚珠；5一丝杠；一丝杠；6一螺母；一螺母；7支座支座20 滚动螺旋特点：滚动螺旋特点： (1)摩擦小、效率高。一般情况
17、下，传动的效率在摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在90以上。以上。 (2)动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高。动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高。 (3)磨损小、寿命长。磨损小、寿命长。 (4)可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚动螺旋传动不能自锁，必须滚动螺旋传动不能自锁，必须有防止逆转的制动或自锁机构才有防止逆转的制动或自锁机构才能安全地用于有自重下降的场合。能安全地用于有自重下降的场合。最怕落入灰尘、铁屑、砂粒。通最怕落入灰尘、铁屑、砂粒。通常，螺母两端必须密封，丝杠的常，螺母两端必须密封，丝杠的外露部分必须用外露部分必
18、须用“风箱风箱”套或钢套或钢带卷套加以密封。带卷套加以密封。21另外，对于齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动，须特别另外，对于齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动，须特别注意消除间隙问题，否则回差很大，达不到应有的转角精度注意消除间隙问题，否则回差很大，达不到应有的转角精度要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，必须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。必须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。 22关节是操作机各杆件间的结合部分，有转动和移动两种类关节是操作机各杆件间的结合部分，有转动和移动两种类型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、
19、肩关节和肘关节，型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，它们构成了操作机的位置机构。后面关节构成了操作机的姿它们构成了操作机的位置机构。后面关节构成了操作机的姿态机构，称作腕部。下面分别讨论这些关节的构造和传动配态机构，称作腕部。下面分别讨论这些关节的构造和传动配置。置。一、腰关节一、腰关节腰关节既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，腰关节既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，且具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的且具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的RV减速器减速器减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。
20、2.3 工业机器人关节的构造及其传动配置工业机器人关节的构造及其传动配置23腰关节腰关节电机上置电机上置)1 电机；电机；2 RV减速器，减速器，3 支架，支架，6 交叉滚子轴承；交叉滚子轴承；5 电缆电缆24腰关节腰关节 (电机下置电机下置)1谐波减速器；谐波减速器；2 电机；电机；3 四点接触球轴承四点接触球轴承25腰关节腰关节1 电机电机 ；2 齿轮；齿轮；3 立柱；立柱；4 结合螺栓结合螺栓213426由上面的图例可以看出，腰关节的构造主要是两种类型：由上面的图例可以看出，腰关节的构造主要是两种类型：使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式平行轴式。前者使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式
21、平行轴式。前者结构紧凑，腰关节高度尺寸小结构紧凑，腰关节高度尺寸小(使用特制抽承的缘故使用特制抽承的缘故)，但后，但后面关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的中间柱面关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的中间柱体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。2
22、7二、肩关节和肘关节二、肩关节和肘关节 对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高刚性的刚性的RV减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。 肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。281 大臂；大臂；2 关节关节1电机；电机；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 气动阀；气动阀； 6 立柱；立柱；7 直齿轮；直齿轮； 8 中间齿轮
23、；中间齿轮；9 机座；机座； 10 主齿轮；主齿轮；11 管形连接轴；管形连接轴；12 手腕手腕2930同轴减速传动结构同轴减速传动结构31同轴减速传动结构同轴减速传动结构1腰支座；腰支座；2、7 RV减速器；减速器；3、6 驱动电机；驱动电机；4 大臂；大臂；5 曲柄；曲柄；8 轴承。轴承。32三、三、直动关节直动关节 直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采用滚动丝杠和导柱用滚动丝杠和导柱(轨轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮的倍速式；后者可采用油缸驱动齿轮的倍速移动结构。移动结构。33四、手腕关节四、手腕关节1 1、单自由度手腕、单
24、自由度手腕 SCARA水平关节装配机器人多采用单自由度手肮。水平关节装配机器人多采用单自由度手肮。SCARA 机器人机器人34 SCARA 机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。为了减轻操作机的悬臂重量，手腕的驱动电机固自由度。为了减轻操作机的悬臂重量，手腕的驱动电机固结在机架上。手腕转动的目的在于调整装配件的方位。由结在机架上。手腕转动的目的在于调整装配件的方位。由于传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响于传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转末端执行器的水平方位，而该方位
25、的调整完全取决于腕转动的驱动电机，这是该种传动方式的主要优点，特别适合动的驱动电机，这是该种传动方式的主要优点，特别适合于电子线路板的插件作业。于电子线路板的插件作业。 2 2、两自由度手腕、两自由度手腕 两自由度手腕关节有两种常见的配置形式，即汇交两自由度手腕关节有两种常见的配置形式，即汇交式和偏置式。式和偏置式。351 法兰；法兰；2 锥齿轮轴；锥齿轮轴；3 锥齿轮；锥齿轮；8，4 弹簧；弹簧；5，7 链轮；链轮；6，9轴承；轴承；10一转壳一转壳汇交式两自由度手流汇交式两自由度手流1 法兰；法兰；2 转壳；转壳；3、6 锥齿轮轴；锥齿轮轴；4 小臂；小臂；5、7 链轮，链轮，8 链；链；
26、9、10 弹簧弹簧偏置式两自由度手腕偏置式两自由度手腕36两自由度手腕的另两种结构。图两自由度手腕的另两种结构。图1 1属汇交型，将谐波减速器属汇交型，将谐波减速器置于臂部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带置于臂部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带动谐波使末杆获得沿动谐波使末杆获得沿x x、y轴轴两自由度运动。图两自由度运动。图2 2为为偏置型，偏置型，则是将驱动电机和谐波减速器连成一体，放于偏置的腕壳则是将驱动电机和谐波减速器连成一体，放于偏置的腕壳中直接带动腕完成角转动。中直接带动腕完成角转动。1 扁平谐波；扁平谐波； 2 杯式谐波；杯式谐波；3 齿形带轮；齿形带轮； 4
27、锥齿轮；锥齿轮；5 腕壳腕壳图图1 谐波前置汇交手腕谐波前置汇交手腕 1谐波减速谐波减速9；2 马达；马达； 3 铭轮；铭轮； 4 腕壳腕壳图图2 电机前置偏置手腕电机前置偏置手腕37 诱导运动诱导运动把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。 2 主动链轮；主动链轮；3、5 从动链轮从动链轮手腕传动示意图手腕传动示意图383 3、三自由度手腕、三自由度手腕三自由度手腕的结构形式繁多。三自由度手腕是在两自由三自由度手腕的结构形式繁多。三自
28、由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度度手腕的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度而形成的。而形成的。三自由度手腕是三自由度手腕是“万向万向”型手腕，可以完成两自由度手腕型手腕，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。用了三自由度手腕。394041必须指出，若操作机为必须指出，若操作机为6自由度，当手腕为偏置式时，运动学自由度，当手腕为偏置式时，运动学反解得不出解析的显式，且动力学参数也是强耦合的。设计反解得不出解析的显式，且动力学参数也是强耦合的。设计时必须给予充分注意。时必须给予充分注意。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
