機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及其設(shè)計

1、1 2.1 機(jī)器人 機(jī)械設(shè)計 的步驟1、作 業(yè) 分 析 作 業(yè)分析包括任務(wù)分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務(wù)和環(huán)境對機(jī)器人操作及的方案設(shè)計有著決定性的影響。2、方 案 設(shè)計 （1）確 定動力源 （2）確定機(jī)型 （3）確定自由度 （4）確定動力容量和傳動方式 （5）優(yōu)化運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù) （6）確定平衡方式和平衡質(zhì)量 （7）繪制機(jī)構(gòu)運動簡圖 機(jī) 器 人 機(jī) 械 結(jié)構(gòu)設(shè)計23、結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計包 括機(jī)機(jī)器人驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)、傳動動系統(tǒng)的的配置及及結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計，關(guān)關(guān)節(jié)及桿桿件的結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計計，平衡衡機(jī)構(gòu)的的設(shè)計，走線及及電器接接口設(shè)計計等。4、動特特性性 分析析估算慣性性參數(shù)，建立系系統(tǒng)動力力學(xué)模型型進(jìn)行仿仿真分析

2、析，確定定其結(jié)構(gòu)構(gòu)固有頻頻率和響響應(yīng)特性性。5、施工工設(shè)設(shè)計完成施工工圖設(shè)計計，編制制相關(guān)技技術(shù)文件件。32.2工工業(yè)業(yè)機(jī)器人人的驅(qū)動動與傳動動系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)在機(jī)器人人機(jī)械系系統(tǒng)中，驅(qū)動器器通過聯(lián)聯(lián)軸器帶帶動傳動動裝置(一般為為減速器器)，再再通過關(guān)關(guān)節(jié)軸帶帶動桿件件運動。機(jī)器人一一般有兩兩種運動動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)節(jié)和移(直)動動關(guān)節(jié)。為了進(jìn)行行位置和和速度控控制，驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)中還包包括位置置和速度度檢測元元件。檢檢測元件件類型很很多，但但都要求求有合適適的精度度、連接接方式以以及有利利于控制制的輸出出方式。對于伺伺服電機(jī)機(jī)驅(qū)動，檢測元元件常與與電機(jī)直直接相聯(lián)聯(lián)；對于于液壓驅(qū)驅(qū)動，則則常通過過聯(lián)軸器器

3、或銷軸軸與被驅(qū)驅(qū)動的桿桿件相聯(lián)聯(lián)。2.2.1驅(qū)動傳動系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)成成41碼盤；2測速機(jī)；3電機(jī)；4聯(lián)軸器；5傳動裝置置；6轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)節(jié)；7桿8電機(jī)；9聯(lián)軸器；10螺旋副；11移動關(guān)節(jié)節(jié)；12電位器(或光柵尺尺)51電動驅(qū)驅(qū)動器電動驅(qū)動動器的能能源簡單單，速度度變化范范圍大，效率高高，速度度和位置置精度都都很高。但它們們多與減減速裝置置相聯(lián)，直接驅(qū)驅(qū)動比較較困難。電動驅(qū)動動器又可可分為直直流(DC)、交流(AC)伺服電機(jī)機(jī)驅(qū)動和和步進(jìn)電電機(jī)驅(qū)動動。直流伺服服電機(jī)有有很多優(yōu)優(yōu)點，但但它的電電刷易磨磨損，且且易形成成火花。隨著技技術(shù)的進(jìn)進(jìn)步，近近年來交交流伺服服電機(jī)正正逐漸取取代直流流伺服電電機(jī)而成成為

4、機(jī)器器人的主主要驅(qū)動動器。步進(jìn)電機(jī)機(jī)驅(qū)動多多為開環(huán)環(huán)控制，控制簡簡單但功功率不大大，多用用于低精精度小功功率機(jī)器器人系統(tǒng)統(tǒng)。2.2.2驅(qū)動器的的類型和和特點672.液壓驅(qū)動動器液壓驅(qū)動動的優(yōu)點點是功率率大，可可省去減減速裝置置而直接接與被驅(qū)驅(qū)動的桿桿件相連連，結(jié)構(gòu)構(gòu)緊湊，剛度好好，響應(yīng)應(yīng)快，伺伺服驅(qū)動動具有較較高的精精度。但但需要增增設(shè)液壓壓源，易易產(chǎn)生液液體泄漏漏，不適適合高、低溫場場合，故故液壓驅(qū)驅(qū)動目前前多用于于特大功功率的機(jī)機(jī)器人系系統(tǒng)。83氣動驅(qū)驅(qū)動器氣壓驅(qū)動動的結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，清潔，動作靈靈敏，具具有緩沖沖作用。但與液液壓驅(qū)動動器相比比，功率率較小，剛度差差，噪音音大，速速度不易易控制

5、，所以多多用于精精度不高高的點位位控制機(jī)機(jī)器人。93其它驅(qū)驅(qū)動器作為特殊殊的驅(qū)動動裝置，有壓電電晶體、形狀記記憶合金金、10驅(qū)動器的的選擇應(yīng)應(yīng)以作業(yè)業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)環(huán)境為先先決條件件，以價價格高低低、技術(shù)術(shù)水平為為評價標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。一一般說來來，目前前負(fù)荷為為100kg以下的,可優(yōu)先先考慮電電動驅(qū)動動器；只只須點位位控制且且功率較較小者，可采用用氣動驅(qū)驅(qū)動器；負(fù)荷較較大或機(jī)機(jī)器人周周圍已有有液壓源源的場合合，可采采用液壓壓驅(qū)動器器。對于驅(qū)動動器來說說，最重重要的是是要求起起動力矩矩大，調(diào)調(diào)速范圍圍寬，慣慣量小，尺寸小小，同時時還要有有性能好好的、與與之配套套的數(shù)字字控制系系統(tǒng)。11機(jī)器人幾幾乎使用用了

6、目前前出現(xiàn)的的絕大多多數(shù)傳動動機(jī)構(gòu)，其中最最常用的的為諧波波傳動、RV擺擺線針輪輪行星傳傳動和滾滾動螺旋旋傳動。2.2.3機(jī)器人的的常用傳傳動機(jī)構(gòu)構(gòu)機(jī)器人傳傳動機(jī)構(gòu)構(gòu)的基本本要求：(1)結(jié)構(gòu)緊湊湊，即同同比體積積最小、重量最最輕；(2)傳動剛度度大，即即承受扭扭矩時角角度變形形要小，以提高整機(jī)機(jī)的固有頻率率，降低整機(jī)機(jī)的低頻頻振動；(3)回差小，即由正正轉(zhuǎn)到反反轉(zhuǎn)時空空行程要要小，以以得到較較高的位位置控制精精度；(4)壽命長、價格低低。121314諧波傳動動工作原原理諧波傳動動是利用用一個構(gòu)構(gòu)件的可可控制的的彈性變變形來實實現(xiàn)機(jī)械械運動的的傳遞。諧波傳傳動通常常由三個個基本構(gòu)構(gòu)件(俗稱三大大

7、件)組成，包包括一個個有內(nèi)齒齒的剛輪輪，一個個工作時時可產(chǎn)生生徑向彈彈性變形形并帶有有外齒的的柔輪和和一個裝裝在柔輪輪內(nèi)部、呈橢圓圓形、外外圈帶有有滾動軸軸承的波波發(fā)生器器。柔輪輪的外齒齒數(shù)少于剛輪輪的內(nèi)齒齒數(shù)。在波發(fā)發(fā)生器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動時，相應(yīng)于于長軸方方向的柔柔輪外齒齒正好完完全嚙入入剛輪的的內(nèi)齒；在短軸軸方向，則外齒齒全脫開開內(nèi)齒。當(dāng)剛輪輪固定，波發(fā)生生器轉(zhuǎn)動動時，柔柔輪的外外齒將依依次嚙入入和嚙出出剛輪的的內(nèi)齒，柔輪齒齒圈上的的任一點點的徑向向位移將將呈近似似于余弦弦波形的的變化，所以這這種傳動動稱作諧諧波傳動動。15 16二、諧波波傳動的的主要特特點(1)傳動比大大，單級級為50300，雙級

8、可可達(dá)2x106。(2)傳動平穩(wěn)穩(wěn)，承載載能力高高，傳遞遞單位扭扭矩的體體積和重重量小。在相同的的工作條條件下，體積可可減小20一50。(3)齒面磨損損小而均均勻，傳傳動效率率高。當(dāng)當(dāng)結(jié)構(gòu)合合理，潤潤滑良好好時，對對i=100的傳動，效率可可達(dá)0.85。(4)傳動精度度高。在在制造精精度相同同的情況況下，諧諧波傳動動的精度度可比普普通齒輪輪傳動高高一級。若齒面面經(jīng)過很很好的研研磨，則則諧波齒齒輪傳動動的傳動動精度要要比普通通齒輪傳傳動高4倍。(5)回差小。精密諧諧波傳動動的回差差一般可可小于3，甚至可可以實現(xiàn)現(xiàn)無回差差傳動。(6)可以通過過密封壁壁傳遞運運動。這這是其他他傳動機(jī)機(jī)構(gòu)難實實現(xiàn)的。

9、(7)諧波傳動動不能獲獲得中間間輸出，并且杯杯式柔輪輪剛度較較低。17RV擺線線針輪傳傳動RV擺線線針輪傳傳動裝置置，是由由一級行行星輪系系再串聯(lián)聯(lián)一級擺擺線針輪輪減速器器組合而而成的。二、主要要特點與諧波傳傳動相比比，RV擺線針輪輪傳動除除了具有有相同的的速比大大、同軸軸線傳動動、結(jié)構(gòu)構(gòu)緊湊、效率高高等待點點外，最最顯著的的特點是是剛性好好，傳動動剛度較較諧波傳傳動要大大26倍，但重重量卻增增加了13倍。該減速器器特別適適用于操操作機(jī)上上的第一一級旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(腰關(guān)節(jié))，這時自自重是坐坐落在底底座上的的，充分發(fā)揮了高高剛度作作用，可可以大大大提高整整機(jī)的固固有頻率率，降低低振動；在頻繁繁加、減

10、減速的運運動過程程中可以以提高響響應(yīng)速度度并降低低能量消消耗。1819滾動螺旋旋傳動滾動螺旋旋傳動是是在具有有螺旋槽槽的絲杠杠與螺母母之間放放入適當(dāng)當(dāng)?shù)臐L珠珠。使絲絲杠與螺螺母之間間由滑動動摩擦變變?yōu)闈L動動摩擦的的一種螺螺旋傳動動，滾珠珠在工作作過程中中順螺旋旋槽(滾滾道)滾滾動，故故必須設(shè)設(shè)置滾珠珠的返回回通道，才能循循環(huán)使用用。為了了消除回回差(空空回)，螺母分分成兩段段，以墊墊片、雙雙螺母或或齒差調(diào)調(diào)整兩段段螺母的的相對軸軸向位置置，從而而消除間間隙和施施加預(yù)緊緊力，使使得在有有額定抽抽間負(fù)荷荷時也能能使回差差為零。其中用用的最多多的是雙雙螺母式式，而齒齒差式最最為可靠靠。1一齒輪輪；2

11、一一返回裝裝置；3一鍵；4一一滾珠；5一絲杠杠；6一一螺母；7支座座20滾動螺旋旋特點：(1)摩摩擦小、效率高高。一般般情況下下，傳動動的效率率在90以上上。(2)動動、靜摩摩擦系數(shù)數(shù)相差極極小，傳傳動平穩(wěn)穩(wěn)，靈敏敏度高。(3)磨磨損小、壽命長長。(4)可可以通過過預(yù)緊消消除軸向向間隙，提高軸軸向剛度度。滾動螺旋旋傳動不不能自鎖鎖，必須須有防止止逆轉(zhuǎn)的的制動或或自鎖機(jī)機(jī)構(gòu)才能能安全地地用于有有自重下下降的場場合。最最怕落入入灰塵、鐵屑、砂粒。通常，螺母兩兩端必須須密封，絲杠的的外露部部分必須須用“風(fēng)風(fēng)箱”套套或鋼帶帶卷套加加以密封封。21另外，對對于齒輪輪傳動、蝸輪傳傳動和齒齒輪齒條條傳動，須

12、特別別注意消消除間隙隙問題，否則回回差很大大，達(dá)不不到應(yīng)有有的轉(zhuǎn)角角精度要要求。對對于鏈傳傳動、齒齒形帶傳傳動、鋼鋼帶傳動動和鋼絲絲繩傳動動，必須須考慮張張緊問題題，否則則也會產(chǎn)產(chǎn)生很大大的回差差。22關(guān)節(jié)是操操作機(jī)各各桿件間間的結(jié)合合部分，有轉(zhuǎn)動動和移動動兩種類類型。工工業(yè)機(jī)器器人前三三關(guān)節(jié)通通常稱作作腰關(guān)節(jié)節(jié)、肩關(guān)關(guān)節(jié)和肘肘關(guān)節(jié)，它們構(gòu)構(gòu)成了操操作機(jī)的的位置機(jī)機(jī)構(gòu)。后后面關(guān)節(jié)節(jié)構(gòu)成了了操作機(jī)機(jī)的姿態(tài)態(tài)機(jī)構(gòu)，稱作腕腕部。下下面分別別討論這這些關(guān)節(jié)節(jié)的構(gòu)造造和傳動動配置。一、腰關(guān)關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié)既既承受很很大的軸軸向力、徑向力力，又承承受傾翻翻力矩，且具有有較高的的運動精精度和剛剛度。多多采用高高剛

13、性的的RV減減速器減減速，也也可采用用諧波傳傳動、擺擺線針輪輪或蝸桿桿減速器器。2.3工業(yè)機(jī)器器人關(guān)節(jié)節(jié)的構(gòu)造造及其傳傳動配置置23腰關(guān)節(jié)電機(jī)上上置)1 電電機(jī)；2 RV減減速器，3支架，6交叉滾滾子軸承承；5電纜纜24腰關(guān)節(jié)(電機(jī)機(jī)下置)1諧波波減速器器；2電機(jī)機(jī)；3四點點接觸球球軸承25腰關(guān)節(jié)1 電電機(jī)；2齒輪；3立柱；4結(jié)合螺螺栓213426由上面的的圖例可可以看出出，腰關(guān)關(guān)節(jié)的構(gòu)構(gòu)造主要要是兩種種類型：使用交交叉滾子子或四點點接觸式式軸承的的同軸式式平行軸軸式。前前者結(jié)構(gòu)構(gòu)緊湊，腰關(guān)節(jié)節(jié)高度尺尺寸小(使用特特制抽承承的緣故故)，但但后面關(guān)關(guān)節(jié)的各各種電纜纜走線比比較困難難，大多多是在固

14、固定的中中間柱體體外面留留有較大大的環(huán)形形空間，使電纜纜以盤旋旋的形式式松松地地套在中中間柱體體上，當(dāng)當(dāng)腰支架架等機(jī)體體轉(zhuǎn)動時時，電纜纜猶如盤盤旋彈簧簧般收緊緊或放松松。對于于平行軸軸式腰關(guān)關(guān)節(jié)，電電纜則可可方便地地通過中中空軸，聯(lián)接于于支座的的固定接接線板上上。27二、肩關(guān)關(guān)節(jié)和肘肘關(guān)節(jié)對于開式式連桿結(jié)結(jié)構(gòu)，肩肩關(guān)節(jié)位位于腰部部的支座座上，多多采用高高剛性的的RV減減速器減減速，也也可采用用諧波傳傳動或擺擺線針輪輪。肘關(guān)節(jié)位位于大臂臂與小臂臂的聯(lián)接接處。其其結(jié)構(gòu)形形式有偏偏置式或或同軸式式配置，多采用用諧波傳傳動、擺擺線針輪輪、齒輪輪傳動等等。281 大大臂；2 關(guān)關(guān)節(jié)1電電機(jī)；3 小小臂定

15、位位板；4 小小臂；5 氣氣動閥；6 立立柱；7 直直齒輪；8 中中間齒輪輪；9 機(jī)機(jī)座；10主齒輪輪；11管形連連接軸；12手腕2930同軸減速速傳動結(jié)結(jié)構(gòu)31同軸減速速傳動結(jié)結(jié)構(gòu)1腰支支座；2、7RV減速速器；3、6驅(qū)動動電機(jī)；4 大大臂；5 曲曲柄；8 軸軸承。32三、直動關(guān)節(jié)節(jié)直動關(guān)節(jié)節(jié)可有兩兩種類型型；電機(jī)機(jī)驅(qū)動和和液壓驅(qū)驅(qū)動。前前者多采采用滾動動絲杠和和導(dǎo)柱(軌)式；后者者可采用用油缸驅(qū)驅(qū)動齒輪輪的倍速速移動結(jié)結(jié)構(gòu)。33四、手腕腕關(guān)節(jié)1、單自自由度手手腕SCARA水平關(guān)節(jié)節(jié)裝配機(jī)機(jī)器人多多采用單單自由度度手骯。SCARA機(jī)機(jī)器人34SCARA機(jī)器人操操作機(jī)的的手腕只只有繞垂垂直軸的

16、的一個旋旋轉(zhuǎn)自由由度。為為了減輕輕操作機(jī)機(jī)的懸臂臂重量，手腕的的驅(qū)動電電機(jī)固結(jié)結(jié)在機(jī)架架上。手手腕轉(zhuǎn)動動的目的的在于調(diào)調(diào)整裝配配件的方方位。由由于傳動動為兩級級等徑輪輪齒形帶帶，所以以大、小小臂的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動不影影響末端端執(zhí)行器器的水平平方位，而該方方位的調(diào)調(diào)整完全全取決于于腕轉(zhuǎn)動動的驅(qū)動動電機(jī)，這是該該種傳動動方式的的主要優(yōu)優(yōu)點，特特別適合合于電子子線路板板的插件件作業(yè)。2、兩自自由度手手腕兩自由度度手腕關(guān)關(guān)節(jié)有兩兩種常見見的配置置形式，即匯交交式和偏偏置式。351 法法蘭；2錐齒輪輪軸；3 錐錐齒輪；8，4彈簧簧；5，7鏈輪；6，9軸承；10一一轉(zhuǎn)殼匯交式兩兩自由度度手流1 法法蘭；2 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)殼；

17、3、6錐齒齒輪軸；4 小小臂；5、7鏈輪輪，8鏈；9、10 彈彈簧偏置式兩兩自由度度手腕36兩自由度度手腕的的另兩種種結(jié)構(gòu)。圖1屬屬匯交型型，將諧諧波減速速器置于于臂部，驅(qū)動器器通過齒齒形帶帶帶動諧波波，或經(jīng)經(jīng)錐齒輪輪再帶動動諧波使使末桿獲獲得沿x、y軸兩自由度度運動。圖2為偏置型，則是將將驅(qū)動電電機(jī)和諧諧波減速速器連成成一體，放于偏偏置的腕腕殼中直直接帶動動腕完成成角轉(zhuǎn)動動。1 扁扁平諧波波；2 杯杯式諧波波；3 齒齒形帶輪輪；4錐齒輪輪；5腕殼殼圖1諧諧波前前置匯交交手腕1諧波波減速9；2馬達(dá)達(dá)；3 銘銘輪；4 腕腕殼圖2電電機(jī)前前置偏置置手腕37誘導(dǎo)運動動把某一桿桿件因另另一桿件件的被驅(qū)驅(qū)動而引引起的運運動，稱稱作誘導(dǎo)導(dǎo)運動。在進(jìn)行行機(jī)器人人運動學(xué)學(xué)計算時時，必須須考慮誘誘導(dǎo)運動動